KR100550379B1 - 초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 회전형 모터가 회전할 때 회전 속도별로 발생하는 토크(Torque) 특성을 계측하기 위한 장치의 구조 및 측정방법을 사용해서 계측이 어려운 초소형 모터의 토크를 계측할 수 있는 초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.

본 발명의 초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법은 모터를 고정하기 위한 모터 지지부; 상기 모터의 회전축을 사이에 두고 대향한 복수 개의 마찰판; 상기 마찰판에서 매개체를 통하여 연결되어 있는 센서부; 상기 마찰판에 부하를 인가하여 마찰판과 모터의 회전축 사이의 마찰력을 변화시키기 위한 부하인가 장치부; 및 상기 모터와 마찰판 사이의 위치를 조정하기 위한 미세 조정부로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법은 토크 측정장치의 센서부에서 힘 센서인 로드 셀을 사용하는 것을 주된 구조로 하여, 모터에 부하를 인가하고 조절하는 부분들이 상기 센서부에 각각 부착되어 있어서 측정하고자 하는 모터의 회전축를 직접 접촉하여 모터에 부하를 인가하게 된다. 상기 모터에 인가되는 토크는 부하인가 장치부를 통하여 조절이 되도록 하므로써 이때 가해진 토크를 상기 센서부에서 출력된 신호를 통하여 검출하는 방법을 이용하므로 완전한 무부하 상태의 구현 또는 매우 작은 양의 토크를 인가하는 것이 가능하며, 별도의 연결부가 필요없는 장점이 있고, 매우 작은 발생 토크를 가지는 초소형 모터의 측정이 가능하여 연결부를 연결하기 위한 노력이 생략되므로 연결부의 연결 과정에서 발생하게 되는 추가적인 토크 손실도 방지하게 되는 효과가 있다.

초소형 모터, 토크, 힘 센서, 부하인가장치

Description

초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법{Torque measurement device and method for micro motor}

도 1은 종래의 모터 토크 측정장치 구성도이다.

도 2는 종래의 모터 토크 측정장치 구성도이다.

도 3은 본 발명에 의한 초소형 모터용 토크 측정장치의 측면도이다.

도 4는 본 발명에 의한 초소형 모터용 토크 측정장치의 정면도이다.

도 5는 공기식 부하인가장치 구성도이다.

도 6은 전자기식 부하인가장치 구성도이다.

도 7은 기계식 부하인가장치 구성도이다.

도 8은 기계식에서 힘 센서와의 연결구조를 변경한 부하인가장치 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100. 모터 101. 연결부

102. 토크 센서부 103. 부하장치부

200. 센서부 201. 후면도

300. 모터 지지부 301. 모터의 회전축

400. 부하인가 장치부 401. 마찰판

500. 공기노즐 600. 힘 제어부

700. 스프링 800. 고정판

본 발명은 초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 초소형 회전형 모터가 회전할 때 회전 속도별로 발생하는 토크 특성을 계측하기 위한 장치의 구조 및 측정방법을 사용해서 계측이 어려운 초소형 모터의 토크를 계측할 수 있는 초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.

종래의, 모터 토크 측정장치는 부하장치부(103)와 모터(100)의 토크를 측정하기 위한 센싱부로 구성되어 있으며, 시험모터(100)는 기계적 연결부를 통하여 토크 센서부(102)와 연결되게 된다. 상기 부하장치부(103)는 세부 작동원리에 따라 전기식 발전기 방식, 히스테리시스 브레이크(Hysteresis Brake) 방식, 와전류(Eddy Current) 브레이크 방식, 파우더(Powder) 브레이크 방식 등으로 구성된다.

도 1과 도 2에 나타낸 바와 같이 공통적으로 정지된 부분과 회전하는 부분으로 구성되어 있어 외부의 제어신호에 따라 정지부(104)와 회전부(105) 사이에 부 하 토크가 발생하게 되어 시험하는 모터에 부하를 인가하는 방식으로 구성되어 있다. 토크의 센싱부(102)는 토크를 직접 센싱할 수 있는 토크 트랜스듀서(Torque Transducer)를 시험모터와 부하장치부(103) 사이에 위치하도록 하여 토크를 센싱하는 방식과 부하장치의 고정부에 힘을 센싱하는 센서(Force Sensor)를 부착시켜 측정하는 방식의 2가지로 구분할 수 있다.

상기 힘을 센싱하는 센서를 부착시켜 측정하는 방식의 경우 시험모터에 인가되는 토크는 그대로 부하장치의 정지부에 전달되므로(힘의 작용과 반작용의 법칙) 부하장치의 중심에서 일정 거리에 부착된 센서부(200)에서 측정된 힘의 수치와 센서가 부착된 거리를 곱함으로써 모터의 토크를 계산할 수 있다.

종래기술 대한민국 등록특허 제114987호의 발전기용 전기 다이나모미터용 토크 검출장치 및 방법을 살펴보면 발진형 다이나모미터(Dynamometer)용 토크량을 검출하기 위한 장치로서 발진기로부터 연장된 토크암에 결함되는 로드 셀 상에 발생된 변형으로 변환되고, 로드 셀상의 응력으로부터 증폭된 토크 검출신호를 토크 제어시스템의 피드백 신호로 적용하는 것으로 발전기용 전기 다이나모미터용 토크량을 검출하기 위한 장치에 관한 것이다.

또한, 종래기술 대한민국 등록실용신안 제213418호의 동력전달계의 추력과 마력 동시 측정장치를 살펴보면 항공기용 소형엔진의 추력과 마력을 동시에 측정하기 위한 동력전달계통을 구성한 것으로 추력선상에 일치한 축방향 및 회전 운동을 하는 엔진 마운트(Mount) 축을 베어링 구조물에 연결하여 엔진의 힘을 마찰력 없이 두 로드셀하여 추력과 마력을 각각 동시에 측정하기 위한 측정장치에 관한 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 토크 측정장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫번째, 상기 부하장치부(103)가 공통적으로 정지부(104)와 회전부(105)로 구성되어 있기 때문에 필연적으로 회전 축계상의 베어링부(Bearing Part)를 포함하고 있게 된다. 따라서, 아무리 상기 베어링부의 마찰 등에 의한 토크 손실을 최소화한다고 하여도 일정 수준의 마찰토크는 존재할 수 밖에 없으며, 초소형 모터의 경우에는 모터의 발생 토크치가 매우 작은 수준이기 때문에 상기 부하장치의 베어링부에 의한 마찰토크는 초소형 모터의 미세 토크 측정을 어렵거나 불가능하게 만든다.

두번째, 종래의 부하인가장치는 소형화 제작에 한계가 있기 때문에 초소형 모터의 매우 작은 부하장치부(103)는 현실적으로 제작이 어렵다.

세번째, 시험하고자 하는 모터(100)와 측정장치를 연결하기 위하여 모터의 축(Shaft)(301)과 측정장치의 축을 연결부로 연결하여야 하는데, 모터가 초소형화되면 연결부(101)의 제작도 용이하지 않으며, 연결부(101)의 연결 과정에서 추가적인 토크 손실이 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 토크 측정장치는 힘 센서를 사용하는 것을 주된 구조로 하여, 모터에 부하를 인가하고 조절하는 부분들이 센서부에 각각 부착되어 있어서 측정하고자 하는 모터의 회전축을 직접 접촉하여 모터에 부하를 인가하게 되고, 모터에 인가되는 토크는 부하인가 장치부를 통하여 조절이 된다.

이때 가해진 토크를 센서부의 신호를 통하여 검출하는 방법으로 하여 완전한 무부하 상태의 구현 또는 매우 미세한 양의 토크를 인가하는 것이 가능해지고, 별도의 연결부가 필요없기 때문에 매우 작은 발생 토크를 가지는 초소형 모터의 측정이 가능하며, 연결부를 연결하기 위한 노력이 생략되고, 연결부의 연결 과정에서 발생하게 되는 추가적인 토크 손실도 방지할 수 있도록 하는 초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 모터를 고정하기 위한 모터 지지부; 상기 모터의 회전축을 사이에 두고 대향한 복수 개의 마찰판; 상기 마찰판에서 매개체를 통하여 연결되어 있는 센서부; 상기 마찰판에 부하를 인가하여 마찰판과 모터의 회전축 사이의 마찰력을 변화시키기 위한 부하인가 장치부; 및 상기 모터와 마찰판 사이의 위치를 조정하기 위한 미세 조정부로 이루어진 초소형 모터 토크 측정장치에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 목적은 모터를 모터 지지부에 고정하는 단계; 복수 개의 마찰판이 모터의 회전축을 사이에 두고 대향하는 위치에 오도록 미세 조절하는 단계; 상기 모터에 전원을 연결하여 운전하는 단계; 상기 마찰판에 소정 크기의 힘을 인가하여 상기 모터에 부하를 인가하는 단계; 및 상기 소정 크기의 힘과 상기 모터의 회전축의 반지름으로부터 상기 모터에 가해진 부하 토크를 계산하는 단계로 이루어 진 초소형 모터 토크 측정방법에 의해서도 달성된다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 초소형 모터용 토크 측정장치의 측면도, 도 4는 본 발명에 따른 초소형 모터용 토크 측정장치의 정면도이다.

토크 측정장치는 센서부(200)에서 힘 센서인 로드 셀을 사용하는 것을 주된 구조로 하며, 모터에 부하를 인가하고 조절하는 부분들이 상기 센서부(200)에 각각 부착되어 있어서 측정하고자 하는 모터의 회전축(301)에 직접 접촉하여 모터에 부하를 인가하게 된다. 모터에 인가되는 토크는 부하인가 장치부(400)를 통하여 조절이 되며, 이때 가해진 토크를 센서부(200)의 신호를 통하여 검출하게 된다.

도 3과 도 4에서 측정하고자 하는 모터를 지지하고 고정하기 위한 적절한 형태의 모터 지지부(300)가 있으며, 일정 위치에 고정되어 있는 측정하고자 하는 모터의 회전축(301)을 측방향 양쪽 면에서 눌러주어 모터의 회전축(301)과의 마찰에 의해 부하를 인가할 수 있는 마찰판(401)이 있으며, 각 마찰판(401)은 매개체인 탄성물(일정정도 유연한 구조물)(402)을 통하여 센서부(200)로 연결되어 있다. 상기 탄성물(402)은 철사나 금속판, 플라스틱판 등 모터의 축에 직각 방향으로는 쉽게 휠 수 있으며, 축의 전후 방향으로는 쉽게 변위되지 않음으로써 마찰판(401)에 작용하는 힘을 센서부(200)에 전달하면서도 마찰판(401)이 적절한 위치에서 벗어나는 것을 방지한다. 탄성물(402)의 다른 끝은 힘을 측정하는 센서부(200)에 부착 되어 모터의 회전축의 마찰에 의한 부하력을 센서부(200)에 전달하게 된다. 센서부(200)는 단일방향 힘을 측정하는 센서로서 부하력을 측정하게 되며, 측정장치와 측정대상 모터의 회전축(301)의 위치를 정밀하게 맞추기 위하여 각 센서부(200)는 정교하게 움직일 수 있는 미세 조정부(302)에 부착이 된다.

상기 마찰판(401)에 인가되는 부하는 측정자의 의도에 따라 조절이 가능하여야 하며, 이를 위하여 부하인가 장치부(400)가 사용된다. 상기 부하인가 장치부(400)는 부하를 마찰판(401)에 수직으로 인가하면서 상기 부하에 따른 힘의 양을 사용자에 의해 조절될 수 있는 구조로 구성되면 충분하며, 전기식, 공기식, 기계식 등도 도 5, 6, 7, 8에서 나타내었듯이 다양한 형태로 구성될 수 있다.

본 발명의 초소형 모터용 토크 측정장치를 이용한 모터의 미세 토크 측정 방법을 설명하기로 한다. 먼저, 측정하고자 하는 모터(100)를 고정하기 위한 모터 지지부에 고정하면 미세 조정부(302)를 움직여 각 마찰판(401)이 모터의 회전축(301)의 위치에 오도록 조절한다. 상기 모터(100)에 전원을 연결하여 운전시키면, 상기 부하인가 장치부(400)를 조절하여 적절한 크기의 부하를 상기 모터(100)에 인가한다, 그리고, 상기 센서부(200)에서의 출력 신호와 상기 모터(100)의 입력 전압값, 입력 전류값, 회전속도 등을 계측한다. 여기서, 상기 센서부(200)의 출력값을 통하여 모터(100)에 가해진 부하 토크를 계산하면, 부하인가 장치부(400)를 조절하여 부하점을 이동시키고, 부하인가 장치부(400)를 조절하여 적절한 크기의 부하를 모터의 인가하는 과정을 반복하여 모터에 미세토크를 측정한다.

마찰판(401)과 모터의 회전축(301) 사이의 마찰력이 F라고 한다면, 마찰력이 작용하는 반경은 모터의 회전축 반지름(r)과 일치하므로, 토크 T는 T = r × F 가 된다.

따라서, 마찰판(401)을 이용하는 본 발명의 초소형 모터용 토크 측정장치에서의 전체 토크는 다음의 식에 의해 계산된다.

전체토크 : T_total = r × (F_A + F_B)

(F_A, F_B : 센서부에서 검출된 각각의 마찰판의 힘)

모터의 토크별 회전속도 및 효율특성을 계측하기 위해서는 모터 회전속도에 대한 계측 부분 및 모터 입력 전압/전류의 계측 부분이 추가되어야 한다. 회전속도의 계측을 위해서는 빛의 발광부와 수광부 및 격자판으로 구성되는 광학식 회전속도 검출장치, 영구자석과 홀(Hall) 효과를 이용한 자기식, 기어(Gear) 형태의 자성체 부품과 자기저항(Reluctane) 센서를 이용한 릴럭턴스 방식 등 기존에 다양하게 사용되고 있는 여러가지 측정방식 중의 하나를 이용하면 되며, 모터의 입력전압 및 전류의 계측을 위해서는 종래의 전력계측기(Power Analyzer)를 이용하여 계측할 수 있다.

도 5, 6, 7, 8은 상기 마찰판(401)에 가해지는 부하를 가변할 수 있는 부하인가 장치부(400)의 다양한 구성을 나타내고 있다. 도 5와 같이 한 쌍의 공기노즐(500)을 이용하여 노즐에서 품는 공기의 양(압력)을 조절함으로써 상기 마찰판(401)의 부하를 제어하는 방법, 도 6과 같이 상기 마찰판(401)에 공심형 코일(601)을 부착하여 두고, 일정 공극을 두고 N-S의 영구자석(602)을 대향해 둠으 로써 코일에 인가하는 전류의 양을 조절하여 상기 마찰판(401)에 가해지는 부하량을 조절하는 방법 및 도 7과 같이 기계적인 스프링(700)을 사용하여 부하량을 조절하는 방법 등이 있다. 또한, 도 8과 같이 상기 센서부(200)의 위치를 기본 구성과는 약간 달리하여 힘을 가하는 축상에 두고, 상기 센서부(200)와 마찰판(401) 사이를 고정판(800)과 탄성물(801)로 구성하여 센서부(200)가 상하로 움직임에 따라 부하가 달리 인가되도록 구성할 수도 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 초소형 모터용 토크 측정장치 및 그 측정방법은 토크 측정장치의 센서부에서 힘 센서인 로드 셀을 사용하는 것을 주된 구조로 하여, 모터에 부하를 인가하고 조절하는 부분들이 상기 센서부에 각각 부착되어 있어서 측정하고자 하는 모터의 회전축에 직접 접촉하여 모터에 부하를 인가하게 된다. 상기 모터에 인가되는 토크는 부하인가 장치부를 통하여 조절이 되도록 함으로써 이때 가해진 토크를 상기 센서부에서 출력된 신호를 통하여 검출하는 방법을 이용하므로 완전한 무부하 상태의 구현 또는 매우 작은 양의 토크를 인가하는 것이 가능하며, 별도의 연결부가 필요없는 장점이 있고, 매우 작은 발생 토크를 가지는 초소형 모 터의 측정이 가능하여 연결부를 연결하기 위한 노력이 생략되므로 연결부의 연결 과정에서 발생하게 되는 추가적인 토크 손실도 방지하게 되는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 초소형 모터용 토크 측정장치에 있어서,

   모터를 고정하기 위한 모터 지지부;

   상기 모터의 회전축을 사이에 두고 대향한 복수 개의 마찰판;

   상기 마찰판의 일측에 연결되어 마찰판에 작용하는 힘을 전달하는 탄성물;

   상기 탄성물의 타측에 연결되어 마찰판에 작용하는 전달받는 센서부;

   상기 마찰판에 부하를 인가하여 마찰판과 모터의 회전축 사이의 마찰력을 변화시키기 위한 부하인가 장치부; 및

   상기 모터와 마찰판 사이의 위치를 조정하기 위한 미세 조정부

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초소형 모터용 토크 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 센서부의 센서는 로드 셀인 것을 특징으로 하는 초소형 모터용 토크 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 매개체인 탄성물은 상기 모터의 회전축의 직각 방향으로는 쉽게 휠 수 있으며, 상기 모터의 회전축이 전후 방향으로는 쉽게 변위되지 않는 것을 특징으로 하는 초소형 모터용 토크 측정장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 부하인가 장치부는 공기식, 전자기식 및 기계식 중 어느 하나의 방식을 이용하는 초소형 모터용 토크 측정장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 모터 토크 측정장치에 회전속도를 측정하기 위한 접촉 및 비접촉 방식을 이용한 광학식, 자기식 또는 릴럭턴스 방식 등의 회전속도 측정용 장치가 부가 되어 있는 것을 특징으로 하는 초소형 모터용 토크 측정장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 모터 토크 측정장치에 모터의 전기적 입력상태를 측정하기 위한 전력측정기가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 초소형 모터용 토크 측정장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 모터와 마찰판 사이의 위치를 조정하기 위한 장치인 미세 조정부가 상기 센서부 또는 모터 지지부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 초소형 모터용 토크 측정장치.
10. 초소형 모터의 토크 측정방법에 있어서,

    모터를 모터 지지부에 고정하는 단계;

    복수 개의 마찰판이 모터의 회전축을 사이에 두고 대향하는 위치에 오도록 미세 조절하는 단계;

    상기 모터에 전원을 연결하여 운전하는 단계;

    상기 마찰판에 소정 크기의 힘을 인가하여 상기 모터에 부하를 인가하는 단 계; 및

    상기 소정 크기의 힘과 상기 모터의 회전축의 반지름으로부터 상기 모터에 가해진 부하 토크를 계산하는 단계

    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초소형 모터의 토크 측정방법.
11. 삭제

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