다이렉트 드라이브
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
다이렉트 드라이브는 동력 전달 과정에서 벨트, 체인, 기어 등의 매개체 없이 모터가 부하에 직접 연결되어 동력을 전달하는 방식을 의미한다. 이 방식은 에너지 효율이 높고, 소음이 적으며, 수명이 길고 신뢰성이 높으며, 높은 토크와 고정밀도를 제공하는 장점이 있다. 하지만, 특수한 모터가 필요하고 회전수 정밀 제어가 필요하며, 스프링 하 질량 증가를 초래할 수 있다는 단점도 존재한다. 다이렉트 드라이브는 팬, 하드 드라이브, 레코드 플레이어, 전기 철도 기관차, 세탁기 등 다양한 분야에서 사용된다.
더 읽어볼만한 페이지
- 기구학 - 링크 (기구)
링크 기구는 강체 링크들이 이상적인 조인트로 연결된 시스템으로, 고대부터 연구되어 산업혁명 시대 증기기관 발전에 기여했으며, 현대에는 컴퓨터 지원 설계와 함께 로봇, 공작 기계, 생물학적 시스템 분석 등 다양한 분야에 응용되고 있다. - 기구학 - 4절 링크
4절 링크는 4개의 링크가 4개의 1자유도 관절로 연결된 기구로, 관절 조합에 따라 다양한 유형이 존재하며, 각 링크는 특정 역할을 수행하고, 그라쇼프 조건은 움직임 특성을 예측하는 데 사용되며, 여러 기계 시스템에 활용되는 기계 공학의 중요한 연구 분야이다.
| 다이렉트 드라이브 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 기어링 없이 모터에서 출력으로 토크를 전달하는 방식 |
| 특징 | |
| 장점 | 백래시 감소 높은 정확도 저소음 |
| 단점 | 높은 토크를 위해 더 큰 모터 필요 더 높은 비용 |
| 적용 분야 | |
| 산업 자동화 | 로봇 팔, 컨베이어 시스템 |
| 풍력 터빈 | 발전기 직접 구동 |
| 전기 자동차 | 일부 모델에서 사용 |
| 정밀 기기 | 의료 장비, 측정 장비 |
| 오디오 장비 | 턴테이블 |
2. 장점
다이렉트 드라이브 방식은 마찰 손실을 최소화하여 에너지 효율을 높이고, 구조가 간단하여 소음이 적으며, 부품 수가 적어 고장이 적고 수명이 길다는 장점이 있다. 또한 낮은 회전수에서도 높은 힘을 낼 수 있고, 정밀한 위치 제어가 가능하다.
직접 구동 시스템은 부드러운 토크 전달과 거의 0에 가까운 백래시가 특징이며,[9][10][11] 빠른 응답 속도와 낮은 관성도 장점이다.[12][13]
2. 1. 고효율
다이렉트 드라이브는 마찰 손실을 최소화하여 에너지 효율을 극대화한다. 특히 벨트, 체인, 기어, 감속기(기어박스) 등의 마찰에 의한 손실을 줄일 수 있다.[12][13] 직접 구동 시스템은 구동계 부품의 동력 손실을 감소시켜 효율성을 높인다.[9][10][11]2. 2. 저소음
간단한 구조로 접촉부가 종래보다 줄어든다. 이것은 접촉이나 진동을 일으키는 부품이 줄어드는 것을 의미하여 소음을 그만큼 저감할 수 있다.2. 3. 긴 수명 및 높은 신뢰성
동작 기계 부품이 줄어들기 때문에 점검이나 교환 빈도가 줄어들며 고장 빈도도 낮아진다.[9][10][11] 기존 방식, 특히 고무 벨트를 사용하는 것은 수명이 짧고 고장의 원인이 되기 쉽기 때문에 정기적인 점검이 필요했다. 다이렉트 드라이브 방식은 이러한 면에서 자유롭다.2. 4. 높은 토크
저회전 시에도 높은 토크를 얻을 수 있어 다양한 응용 분야에 적용 가능하다.[9][10][11] 넓은 범위의 속도에서 높은 토크를 전달하는 능력은 다이렉트 드라이브 방식의 주요 장점 중 하나이다.[12][13]2. 5. 고정밀도
백래시가 없어 정밀한 위치 제어가 가능하다.[9][10][11]3. 단점
다이렉트 드라이브 방식에는 몇 가지 단점이 있다. 우선, 일반적인 모터는 고속 회전에 최적화되어 있어 저속 회전이 필요한 다이렉트 드라이브 방식에는 특수한 모터가 필요하며, 이로 인해 비용이 상승한다. 또한, 회전 속도를 정밀하게 제어해야 하는데, 고속 회전 모터에서는 무시할 수 있는 수준의 전압 변동도 다이렉트 드라이브에서는 회전 속도에 직접적인 영향을 미치기 때문이다.
서스펜션이 있는 바퀴에 직접 구동 방식을 적용하는 경우에는 스프링 하 질량이 증가하여 현가식 구동 방식보다 내충격성이 뛰어난 모터가 필요하다.
3. 1. 특수 모터 필요
이 방식의 주된 결점은 특별한 모터를 필요로 한다는 것이다. 통상의 전동기는 고회전(예를 들어, 1,500~3,000rpm)에서 가장 높은 토크를 얻을 수 있도록 설계되어 있어 팬 등에 알맞다.레코드 플레이어의 턴테이블은 다이렉트 드라이브 방식이 주류지만, 다른 기계류와 달리 매우 낮은 회전 속도(33과 1/3·45·78rpm)를 유지한 채 높은 토크와 정밀도가 필요하다. 정밀도가 높지 않은 경우 와우 플러터가 발생하여 재생 속도가 변화해 버린다. 낮은 회전수를 유지하기 위한 전동기는 고회전 전동기에 비해 물리적으로 커진다. 예를 들어, 벨트 구동식 턴테이블에 사용하는 모터의 직경은 약 2.5cm지만, 다이렉트 드라이브 방식 모터의 직경은 약 10cm나 된다.
다이렉트 드라이브 방식은 회전수를 정밀하게 제어하는 기계가 필요하다. 고회전 모터의 낮은 전압 변동에 의한 회전수 변동은 종래 방식의 경우 간접 기구(관성 등)의 개입에 의해 무시할 수 있는 정도지만, 다이렉트 드라이브 방식에서는 회전 속도에 직접 영향을 준다. 이를 회피하기 위해 전압 관리를 엄격하게 하거나 회전수 센서의 정밀도를 높이고 피드백을 실시하는 등의 대책이 필요하다.
3. 2. 정밀 제어 필요
다이렉트 드라이브 방식은 회전수를 정밀하게 제어하는 기구를 필요로 한다. 고속 회전 모터에서 약간의 전압 변동은 기존 방식의 경우 간접 기구의 개입(관성 등)에 의해 무시할 수 있는 정도지만, 다이렉트 드라이브 방식에서는 회전 속도에 직접 영향을 준다. 이를 피하기 위해 전압 관리를 엄격하게 하거나, 회전수 센서의 정밀도를 높여 피드백을 하는 등의 대책이 필요하다.[9][10][11]3. 3. 스프링 하 질량 증가 (일본어판)
서스펜션이 있는 바퀴에 직접 구동 방식을 적용하면 스프링 하 질량이 커져서, 현가식 구동 방식보다 내충격성이 뛰어난 다이렉트 드라이브 모터가 필요하다.4. 설계 (영어판)
다이렉트 드라이브 시스템은 부드러운 토크 전달과 거의 0에 가까운 백래시가 특징이다.[9][10][11] 효율성 증가(구동계 부품의 동력 손실 감소), 설계 단순화, 넓은 속도 범위, 빠른 응답, 정밀 제어, 낮은 관성이 장점이다.[12][13]
낮은 rpm에서 높은 토크를 내기 위해 특수한 전기 모터가 필요한 경우가 많다는 점은 주요 단점이다. 다단 변속기와 비교하면 모터는 일반적으로 시스템의 더 작은 출력 속도 범위에서 최적의 출력 대역으로 작동한다.
다이렉트 드라이브는 더 정밀한 제어가 필요하다. 속도 감소를 가진 고속 모터는 높은 관성을 가져 출력 동작을 부드럽게 한다. 대부분의 모터는 코깅 토크(위치 토크 리플)를 보인다. 고속 모터에서는 이 효과가 무시할 수 있는데, 발생 빈도가 높아 시스템 성능에 큰 영향을 주지 않기 때문이다. 다이렉트 드라이브는 플라이휠을 추가하거나 피드백을 통해 능동적으로 상쇄하지 않으면 이 현상에 더 큰 영향을 받는다.
5. 역사 (영어판)
19세기 말과 20세기 초, 일부 초기 증기 기관차와 자동차는 고속에서 다이렉트 드라이브 변속기를 사용했다.[5][6] 1980년대 희토류 자석 재료를 사용하면서 산업용 로봇 팔에 다이렉트 드라이브 메커니즘을 적용할 수 있게 되었다.[1] 최초의 다이렉트 드라이브 팔은 1981년 카네기 멜론 대학교에서 제작되었다.[7] 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 자석은 네오디뮴 자석이다.[8]
6. 용도
다이렉트 드라이브 방식은 축음기, 천체 망원경 마운트, 비디오 게임 레이싱 휠, 기어리스 풍력 터빈과 같은 저속 작동부터 팬, 컴퓨터 하드 드라이브, VCR 헤드, 재봉틀, CNC 머신, 세탁기와 같은 고속 작동까지 다양한 분야에서 사용된다.[14][15][16]
1919년 밀워키 로드 EP-2급 전기 기관차와 2007년 동일본 여객철도 E331계 전동차는 직접 구동 방식을 사용했다. 19세기 말 여러 자동차와 2000년대 초 일부 컨셉트 카도 직접 구동 휠 허브 모터를 사용했지만, 대부분의 현대 전기 자동차는 차체 내부에 모터를 설치하고 차축을 통해 구동력을 바퀴로 전달한다.[17][18] 크리스티안 폰 코닉세그는 코닉세그 레제라를 위해 고유한 직접 구동 변속기를 발명하기도 했다.[19]
6. 1. 고속 용도
- 팬: 정밀도는 그다지 필요하지 않다. 회전수는 팬의 용도(강제 공냉이나 정숙화 등)에 따라 다르지만, 대체로 1000~12000rpm 선이다. 오래된 선풍기나 환풍기도 팬과 모터가 직결되어 있지만, 굳이 "다이렉트 드라이브"라고 불리는 경우는 없다.
- 하드 디스크 드라이브: 높은 정밀도를 필요로 한다. 5400rpm, 7200rpm, 10000rpm, 15000rpm이 대부분이다.
- 비디오 데크 헤드: 높은 정밀도를 필요로 한다. NTSC는 1800rpm, PAL은 1500rpm이다.
- 무인 항공기: 멀티콥터는 프로펠러가 바로 모터에 연결된 형식이다. 주로 2000~5000RPM 사이이다. 몇몇 전동 무인 헬리콥터 또한 기어박스 대신 모터를 직결로 연결하는 방식을 채택하며 1500~5000RPM 사이이다.
- DAT 레코더, DAT 플레이어, 컴퓨터용 DDS 드라이브 유닛의 헤드: 높은 정밀도를 필요로 한다.
6. 2. 중간 또는 가변 속도 용도
- 플로피 디스크 드라이브나, 그와 비슷한 스테핑 모터를 사용하는 기기.[14][15][16]
- CD 플레이어: 높은 정밀도를 필요로 한다. 오디오 기기용에서는 250-500rpm까지 변화하며, 휴대용(소음 방지)이나 컴퓨터용(고속 액세스)에서는 더 고속으로 회전한다.[14][15][16]
- 이동식 미디어 전체의 스핀들(스핀들 모터) 모터는 고정밀이다.[14][15][16]
- 플로피 디스크 드라이브, MO 드라이브, MD 레코더/플레이어 등.
- CD 플레이어 - 표준 규격에서는 내주에서 외주로 200-530rpm 사이에서 변화. 단, 휴대용이나 차량용에서는 음 끊김 방지를 위한 선 읽기 때문에 더욱 고속 회전. 컴퓨터 용도(CD 드라이브)에서는 고속 액세스를 위해 더욱 고속 회전.
- DVD 레코더/플레이어, 블루레이 디스크 레코더/플레이어 등
- 카세트 데크를 포함한 테이프 데크의 캡스턴 모터는 고정밀이다. 주로 고급 기기에 채용되었지만, 1980년대 말부터 1990년대 초에 걸쳐 극히 일부 보급형 클래스의 3헤드 타입 카세트 데크에도 채용된 기종이 존재했다.[14][15][16]
6. 3. 저속 용도
직접 구동 방식은 축음기, 천체 망원경 마운트, 비디오 게임 레이싱 휠, 기어리스 풍력 터빈과 같은 저속 작동에 사용된다.[14][15][16]- 레코드 플레이어: 고정밀, 33 1/3, 45, 78 rpm.
- 테이프 데크 릴 모터: 고급 기종에 다이렉트 드라이브를 채용한 기종이 있었다. 공급 측 릴 모터는 발생 토크와 반대 방향으로 회전한다. 빨리 감기 시 저속 용도로 사용된다.
6. 4. 기타 용도
- 세탁기: 도시바가 1997년 세계 최초로 다이렉트 드라이브 방식 세탁기를 발매했다.[20]
- 전동차: 대한민국에서는 차세대 전동차 AUTS에 다이렉트 드라이브 모터 구동 방식이 채택될 예정이다. 동일본 여객철도(JR 동일본)는 E993계를 개발하였고, 게이요 선의 103계 전동차 중 1량을 개조하여 영업 운전을 하며 테스트했다. 이 결과를 바탕으로 E331계를 개발/운용하였다.
- 공작 기계: 머시닝 센터 등에서 정밀 제어를 위해 사용된다. 서보 모터와 조합하여 높은 위치 결정 정밀도를 백래시의 영향 없이 재현하고, 회전수와 이송 속도를 동기시킨 탭에 의한 가공이 가능하게 된다.
참조
[1]
논문
Design of direct-drive mechanical arms
https://scholar.goog[...]
Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design
1983
[2]
웹사이트
Auto Repair - Maintenance, Troubleshooting and Car Repair Estimates
https://www.autoblog[...]
[3]
웹사이트
Why the Porsche Taycan EV's Two-Speed Transmission Is a Big Deal
https://www.caranddr[...]
[4]
웹사이트
What is a Direct Drive Motor {{!}} Electric Torque Machines
https://etmpower.com[...]
[5]
서적
Illustrated Encyclopedia of World Railway Locomotives
https://books.google[...]
P. Ransome-Wallis
2001
[6]
서적
Locomotive Cyclopedia of American Practice
https://books.google[...]
Association of American Railroads - Mechanical Division
1938
[7]
서적
Explorations in the History and Heritage of Machines and Mechanisms
https://books.google[...]
Baichun Zhang, Marco Ceccarelli (Eds.)
[8]
웹사이트
What is a Strong Magnet?
http://www.adamsmagn[...]
Adams Magnetic Products
2012-10-05
[9]
서적
Springer Handbook of Robotics
https://books.google[...]
Bruno Siciliano, Oussama Khatib (Eds., 2008)
[10]
서적
Backlash Robotics Technology Abstracts
https://books.google[...]
Cranfield Press
1985
[11]
서적
Board of Contract Appeals Decisions
https://books.google[...]
United States Armed Services Board of Contract Appeals
1966
[12]
서적
A Brief History of Mechanical Engineering
https://books.google[...]
Uday Shanker Dixit, Manjuri Hazarika, J. Paulo Davim (2016)
[13]
서적
Electric Vehicle Machines and Drives: Design, Analysis and Application
https://books.google[...]
K. T. Chau
[14]
웹사이트
Fanatec Release Details On Their(sic) Direct Drive Wheel - Inside Sim Racing
http://www.isrtv.com[...]
2017-06-04
[15]
웹사이트
GE Grabs Gearless Wind Turbines
http://www.technolog[...]
Technology Review (MIT)
[16]
웹사이트
Direct drive turbine needs no gearbox
http://www.windpower[...]
Windpower Engineering
[17]
웹사이트
In-wheel motor
https://www.nissan-g[...]
Nissan Motor Corporation
[18]
웹사이트
How Do All-Electric Cars Work?
https://afdc.energy.[...]
U.S. Department of Energy
[19]
웹사이트
Koenigsegg creates a new breed of hyper-hybrid with 1,500-hp, transmission-less Regera
https://newatlas.com[...]
2015-03-17
[20]
간행물
日立全自動電気洗濯機NW-7V7
http://kadenfan.hita[...]
日立製作所
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com