**정지 토크(Holding Torque)**는 정적 토크라고도 하며, 스테퍼 모터가 전원이 인가된 상태에서 회전하지 않을 때(즉, 정지 상태) 발생시킬 수 있는 최대 토크를 의미합니다.
직관적으로 이해하는 방법은 다음과 같습니다: 스테퍼 모터의 권선에 정격 전류를 공급한 상태에서(축이 고정된 상태) 렌치로 모터 축을 돌리려고 하면, 자기 저항을 이겨내고 회전을 시작하기 위해 일정량의 힘을 가해야 합니다. 모터 축을 회전시키기 시작하는 데 필요한 최소 토크가 바로 정지 토크입니다.
주요 특성
- 정적 지표: 정지 토크는 속도 0에서 측정되며, 정지 상태에서 모터의 '잠금' 또는 '자체 잠금' 능력을 나타냅니다.
- 최대 토크 지점: 정지 토크는 스테퍼 모터가 이론적으로 발생시킬 수 있는 최대 토크입니다.
- 전류에 비례: 정지 토크의 크기는 권선에 흐르는 전류와 직접적인 관련이 있습니다. 인가되는 전류가 높을수록(모터 및 드라이버의 최대 허용 전류를 초과하지 않는 범위 내에서) 정지 토크도 커집니다.
- 구동 토크가 아님: 이 구별은 매우 중요합니다. 모터가 회전을 시작하면 실제로 출력할 수 있는 토크('구동 토크'라고 함)는 속도가 증가함에 따라 크게 감소하며, 항상 정지 토크보다 낮습니다. 이는 주로 모터 권선의 인덕턴스와 회전 중에 발생하는 역기전력 등의 요인 때문입니다.
정지 토크의 공학적 중요성
- 모터 선정의 핵심 기준: 정지 토크는 다양한 스테퍼 모터 모델을 선정하고 비교하는 데 사용되는 주요 파라미터 중 하나입니다. 모터의 토크 능력을 직접적으로 반영합니다. 예를 들어, 직선 운동 애플리케이션에서 무거운 부하를 이동시켜야 할 때, 먼저 필요한 토크를 계산한 다음 정지 토크가 해당 값을 초과하는 모터를 선정합니다.
- 위치 유지: 모터가 정지 상태에서 위치를 확고하게 유지해야 하는 애플리케이션(예: 인쇄 일시 정지 중 3D 프린터 노즐, 또는 목표 위치에 도달한 후 로봇 암)에서 높은 정지 토크는 외부 힘에 의해 위치가ずれ지 않도록 보장합니다.
그림에서 볼 수 있듯이, 스테퍼 모터 모델 23HS30-2804S의 정적 정지 토크는 2 Nm입니다. 그러나 실제 운전 중에는 동적 토크가 속도가 증가함에 따라 감소합니다. 이는 속도-토크 곡선에 반영되어 있으며, 모든 최대 구동 토크 값은 정적 정지 토크 값보다 낮습니다.
I. 권선의 인덕턴스 특성
스테퍼 모터의 고정자 권선은 중요한 인덕턴스 소자입니다. 인덕터의 기본 특성은 전류 변화를 저항하는 것입니다. 정적 조건에서 권선에는 안정된 직류 전류가 흐르며, 이는 일정하므로 인덕턴스는 아무런 저항도 나타내지 않습니다.
그러나 모터가 회전해야 할 때, 드라이버는 자기장을 빠르게 전환하기 위해 권선에 고주파 펄스 전압 신호를 보냅니다. 이때 인덕턴스는 중요한 문제를 일으킵니다: 전류가 전압 변화보다 훨씬 느리게 상승합니다.
- 저속에서: 펄스 주파수가 낮아 전류가 정격 값까지 상승할 수 있는 비교적 충분한 시간이 있습니다. 결과적으로 토크는 정지 토크에 가깝게 유지됩니다.
- 중속에서 고속에서: 펄스 주파수가 증가하고 각 펄스의 지속 시간이 매우 짧아집니다. 다음 펄스가 도달하기 전에 전류가 피크에 도달할 충분한 시간이 없습니다. 이로 인해 권선의 평균 전류가 크게 감소합니다.
결론: 토크는 전류에 비례합니다. 인덕턴스로 인해 전류가 빠르게 상승하지 못하므로, 회전 중 평균 전류는 정적 전류보다 낮습니다. 결과적으로 실제 출력 토크는 필연적으로 정지 토크보다 낮습니다.
II. 역기전력(Back EMF)
스테퍼 모터가 회전할 때, 모터로서뿐만 아니라 발전기로서도 작동합니다. 회전하는 영구 자석 회전자가 고정자 권선의 자기력선을 끊으며, 전자기 유도 법칙에 따라 구동 전압에 반대하는 유도 기전력(EMF)을 발생시킵니다. 이를 **역기전력(Back EMF)**이라고 합니다.
- 영향: 역기전력은 드라이버가 공급하는 전압의 일부를 상쇄합니다. 옴의 법칙에 따라 권선에 걸리는 유효 전압이 감소하여 전류를 흘리기 더 어려워집니다.
- 속도와의 관계: 역기전력의 크기는 회전 속도에 비례합니다. 속도가 높을수록 역기전력이 커지고, 전류에 대한 반대 효과가 강해지며, 토크 저하가 더 심해집니다.
중요한 관계: 역기전력은 독립적인 원인이 아니라 모터가 회전할 때 전자기 유도의 필연적인 결과입니다. 인덕턴스가 높은 모터는 일반적으로 더 높은 역기전력도 발생시킵니다. 따라서 인덕턴스는 원인이고 역기전력은 결과이며, 이 두 가지가 함께 속도가 증가함에 따라 토크가 저하되게 만듭니다.
III. 기타 손실
고속 운전 중에는 모터 코어의 자기장이 고주파로 변화하여 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 발생시킵니다. 이 에너지는 열로 발산되어 기계적 일로 변환될 수 없으며, 모터의 출력 효율과 사용 가능한 토크를 더욱 감소시킵니다.
따라서 스테퍼 모터를 선정할 때는 정지 토크만으로 운전 중 부하를 구동하는 능력을 평가해서는 절대 안 됩니다. 반드시 당사 웹사이트에서 제공하는 토크-속도 곡선을 참조해야 합니다. 모터가 애플리케이션에 필요한 최대 속도에서 여전히 부하 저항보다 큰 토크를 발생시킬 수 있는지 확인하고, 탈조를 방지하기 위해 충분한 안전 마진(일반적으로 30%~50%)을 확보하십시오.