감속비 선정 기준 — AGV 바퀴 구동에 최적 감속비 찾기

감속비란?

감속비(리덕션 레이시오)는 입력축 회전수 대 출력축 회전수의 비율입니다:

감속비 = 입력 RPM (모터) / 출력 RPM (바퀴)

예: 모터 3,000 RPM, 바퀴 150 RPM
→ 감속비 = 3,000 / 150 = 20:1

토크 증폭 원리: 감속기는 속도를 줄이지만 토크를 증폭합니다. 효율 η로:

T_출력 = T_모터 × 감속비 × η

예: 0.5 N·m 모터, 20:1 감속비, η = 0.90
→ T_출력 = 0.5 × 20 × 0.90 = 9.0 N·m

이것이 AGV가 감속기를 사용하는 이유입니다. 소형 고속 BLDC 모터(3,000 RPM)가 감속기를 통해 무거운 바퀴를 저속(50~200 RPM)으로 구동하면서 모터의 토크를 상당한 바퀴 구동력으로 증폭시킵니다.

AGV 바퀴 구동 요구사항

① 필요 속도 (m/s → 바퀴 RPM)

AGV의 목표 이동 속도를 정의합니다. 일반적인 AGV 속도:

필요 바퀴 RPM 계산:

n_바퀴 = v × 60 / (π × D)

v = 목표 속도 (m/s)
D = 바퀴 직경 (m)
n_바퀴 = 필요 바퀴 RPM

② 필요 토크

전체 필요 바퀴 토크는 세 가지 성분의 합입니다:

T_합계 = T_마찰 + T_경사 + T_가속

T_마찰  = m × g × μ × r_바퀴
T_경사  = m × g × sin(θ) × r_바퀴
T_가속  = m × a × r_바퀴

m        = AGV 전체 질량 (kg)
g        = 9.81 m/s²
μ        = 구름 마찰계수 (콘크리트 위 고무: 0.01~0.05)
θ        = 최대 경사각
a        = 가속도 (m/s²)
r_바퀴  = 바퀴 반경 (m)

③ 바퀴 직경

실전 계산법

1단계: 바퀴 필요 RPM

n_바퀴 = v × 60 / (π × D)

여기서:
  v = 속도 (m/s)
  D = 바퀴 직경 (m)
  π = 3.14159

2단계: 바퀴 필요 토크

T_마찰 = m × g × μ × r
  μ = 0.02 (매끄러운 콘크리트 위 고무 바퀴)
  r = D/2 (바퀴 반경)

T_경사 = m × g × sin(θ) × r
  θ = 경사각 (도)
  sin(5°) = 0.0872

T_가속 = m × a × r
  a = AGV에서 일반적으로 0.3~0.5 m/s²

T_합계 = T_마찰 + T_경사 + T_가속

3단계: 감속비

감속비 = 모터_정격RPM / n_바퀴

정격 RPM이 잘 맞는 모터를 선택하세요.
일반 BLDC 모터: 정격 2,000~4,500 RPM

4단계: 필요 모터 토크

T_모터 = T_바퀴_합계 / (감속비 × η_감속기)

η_감속기 = 0.90 (플래니터리, 1단)
         = 0.85 (플래니터리, 2단)
         = 0.40~0.70 (웜 기어)

T_모터 결과에 안전계수 1.5배 적용

예제 — 500 kg AGV

사양:

• 전체 질량: 500 kg (차체 200 kg + 최대 적재 300 kg)
• 바퀴 직경: ø200 mm (r = 0.1 m)
• 목표 속도: 1.0 m/s
• 최대 경사: 5°
• 가속도: 0.3 m/s²
• 구동 시스템: 구동 바퀴 2개 (하중 50/50 분담)
• 모터 정격 RPM: 3,000 RPM

바퀴당 질량: 500 kg / 2 = 250 kg

1단계 — 바퀴 RPM:
  n_바퀴 = 1.0 × 60 / (π × 0.2) = 60 / 0.6283 = 95.5 RPM

2단계 — 바퀴 토크:
  T_마찰 = 250 × 9.81 × 0.02 × 0.1 = 4.90 N·m
  T_경사 = 250 × 9.81 × sin(5°) × 0.1
         = 250 × 9.81 × 0.0872 × 0.1 = 21.37 N·m
  T_가속 = 250 × 0.3 × 0.1 = 7.50 N·m
  T_합계 = 4.90 + 21.37 + 7.50 = 33.77 N·m

3단계 — 감속비:
  감속비 = 3,000 / 95.5 = 31.4 → 30:1 또는 32:1 선정

4단계 — 필요 모터 토크:
  T_모터 = 33.77 / (30 × 0.90) = 33.77 / 27 = 1.25 N·m
  안전계수 1.5배 적용: 1.25 × 1.5 = 1.87 N·m

결과: BLDC 모터 ≥ 2.0 N·m 정격 토크 @ 3,000 RPM
  + 30:1 또는 32:1 플래니터리 감속기 선정

이 예제에서 소형 400 W BLDC 모터(2.0 N·m @ 3,000 RPM)와 30:1 플래니터리 감속기 조합으로 500 kg AGV를 5° 경사에서 1 m/s로 구동할 수 있습니다. 감속기 없이 직접 구동한다면 33+ N·m를 내는 모터가 필요해집니다 — 크고, 무겁고, 비싼 장비입니다.

감속기 타입별 특성

AGV 최적 조합 — BLDC + 플래니터리

AGV 업계 표준 조합은 BLDC 모터 + 플래니터리 감속기 통합 유닛(허브 모터 방식 또는 인라인 모터 + 감속기)입니다. 이유:

• 고효율: 플래니터리 감속기는 90~97% 효율로 배터리 소모를 최소화합니다 — 자율 운반 장치에서 핵심.
• 소형 동축 구조: 입출력 샤프트가 동일 축에 있어 바퀴 허브와 컴팩트하게 통합 가능.
• 저백래시: 정밀 플래니터리(≤5 arcmin)는 저속 기동 중에도 정확한 위치 결정 지원.
• 고토크 밀도: 동일 감속비에서 kg당 토크가 웜이나 스퍼 기어보다 높습니다.
• 무보수: 밀봉형 플래니터리는 일반 사용 조건에서 윤활 관리가 필요 없습니다.

피해야 할 것:

• 주 AGV 구동에 웜 기어 사용: 셀프락이 편리하지만 40~70% 효율로 모터 전력의 상당 부분이 열로 낭비됩니다.
• 매우 높은 감속비 (단단 >50:1): AGV는 속도 제어 응답성이 필요합니다. 너무 높은 감속비는 제어성을 낮추고 관성 불일치를 증가시킵니다.

선정 체크리스트 8항목

• 목표 속도(m/s)를 정의하고 필요 바퀴 RPM으로 변환 완료.
• 전체 토크 성분 계산 완료: 마찰 + 경사(최대 경사도) + 가속.
• 전체 토크에 안전계수 1.5배 적용 완료.
• 모터가 정격 RPM의 60~90% 범위에서 동작하도록 감속비 선정.
• 모터 토크 계산 시 플래니터리 효율(η) 적용 완료.
• 백래시 사양 확인: 위치 결정 애플리케이션은 ≤5 arcmin, 포인트-투-포인트는 일반 사양.
• 감속기 반경 방향 및 축 방향 하중 정격을 바퀴 측면 하중과 비교 확인.
• 모터+감속기 조합의 전체 외형 치수 및 중량이 AGV 설계 제약 내에 있는지 확인.

자주 하는 실수

1. 감속기 효율 무시. η = 1.0으로 계산하면 필요 모터 토크를 과소평가합니다. 2단 플래니터리(η = 0.85)의 경우 모터 토크가 이상적인 값보다 18% 높습니다 — 용량 부족으로 이어지기 충분합니다.
2. 관성비 미고려. 높은 감속비는 모터에 반영되는 부하 관성을 감속비²만큼 줄입니다. 너무 낮은 감속비(예: 5:1)와 무거운 바퀴의 조합은 관성 불일치를 유발하여 가속 중 진동이 발생합니다.
3. 위치 결정 애플리케이션에서 백래시 무시. 표준 플래니터리는 5~15 arcmin 백래시가 있습니다. 스테이션에 정밀하게 도킹해야 하는 AGV는 저백래시 사양(≤3 arcmin)을 지정하세요.
4. "안전하게"라고 감속비 과도 선정. 25:1이 필요한 곳에 50:1을 쓰면 모터가 정격 RPM의 50%에서 동작하게 됩니다 — 낮은 효율, 높은 발열, 응답성 저하. 실제 요구사항에 맞는 감속비를 선정하세요.