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의료기기용 BLDC 특주 — 조건이 충돌할 때 어디를 양보할 것인가

2026.08.10 14:27:01 조회수 153

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조건이 충돌할 때 어디를 양보할 것인가

의료기기용 BLDC 감속모터 특주 · 홀센서 제거 · 엔코더 기반 정류

서로 충돌하는 조건들

의료기기 제조사에서 요청한 사양은 다음과 같았습니다.

· 전체 길이를 최대한 짧게

· 감속기도 최소 크기로

· 모터 정격토크 0.3 N·m 이상

· 엔코더 1,000 CPR 장착

· 전원 차단 또는 비상 상황에서 공구를 이용해 기구부를 수동으로 복귀할 수 있을 것

이 조건들은 서로 영향을 줍니다. 제한된 프레임에서 모터 길이를 줄이면 연속토크와 방열 여유가 줄 수 있고, 감속기를 작게 하면 허용 출력토크와 베어링 하중이 제한될 수 있습니다. 엔코더를 추가하면 센서와 배선 공간도 필요합니다.

모든 조건을 그대로 만족하는 표준품은 없었습니다. 어느 조건을 조정할지 정하거나, 센서와 기구 구성을 다시 설계해야 하는 상황이었습니다.

홀센서를 제거하고 엔코더 신호로 정류했습니다

일반적인 센서드 BLDC모터의 홀센서는 회전자 위치 구간을 검출하고, 드라이버는 그 신호를 기준으로 U·V·W 각 상에 전류를 인가할 순서를 정합니다.

이 프로젝트에는 이미 1,000 CPR 엔코더가 요구 사양으로 포함되어 있었습니다. 고객사가 개발하는 제어기에서 엔코더 위치와 모터의 전기각 관계를 처리할 수 있었기 때문에, 홀센서 신호 없이 엔코더 피드백을 정류에 사용하는 구성을 적용했습니다.

증분형 엔코더라면 초기 위치 처리가 필요합니다.
분해능이 높은 엔코더라도 전원을 켠 순간의 절대 회전자 위치를 자동으로 알려주는 것은 아닙니다. 제어기는 기동 전에 초기 전기각 정렬을 수행하거나 인덱스 신호를 찾고, 엔코더 위치와 U·V·W 상의 위상 오프셋을 저장·적용해야 합니다. 절대형 엔코더를 사용한다면 해당 통신과 절대각 기준을 제어기에 구현해야 합니다.

배선은 모터 U·V·W 상선과 엔코더 전원·신호선으로 구성했습니다. 실제 핀 수는 엔코더의 A/B/Z 신호, 차동출력 여부, 전원과 실드 구성에 따라 달라집니다.

이 프로젝트의 내부 배치에서는 홀센서 기판과 관련 공간을 제거하고 엔코더 구성을 통합해 요구 전장을 맞출 수 있었습니다. 이는 해당 설계에서 얻은 결과이며, 모든 BLDC모터가 홀센서를 제거하면 같은 길이만큼 짧아진다는 뜻은 아닙니다.

엔코더는 홀센서보다 회전 위치를 더 세분해 읽을 수 있어 정류와 위치제어에 사용할 수 있는 피드백 정보가 늘어납니다. 다만 완성 장비의 실제 위치정밀도는 엔코더 분해능뿐 아니라 감속기 백래시, 축 강성, 조립공차와 제어 알고리즘에 의해 함께 결정됩니다.

따라서 이 구성은 엔코더 기반 정류와 초기 위치 처리를 구현할 수 있는 전용 제어기가 있을 때 성립합니다. 홀센서 입력을 전제로 하는 일반 BLDC 드라이버에는 그대로 연결할 수 없습니다.

고객사의 우선순위에 따라 메탈 기어로 변경했습니다

감속기 기어는 처음에 수지 재질로 제작했습니다. 소음에 유리하고 해당 설계조건에서 요구 토크를 만족하는 구성이었습니다.

이후 고객사는 내부 신뢰성 기준과 사용조건을 검토한 뒤 메탈 기어를 우선하는 방향으로 사양 변경을 요청했습니다. 협의 후 기존 납품분을 포함해 메탈 기어 사양으로 교체했습니다.

메탈 기어가 의료기기에서 본질적으로 더 안전하다는 뜻은 아닙니다. 수지와 금속은 허용하중, 소음, 마모, 윤활, 온도, 입자 발생과 비용의 특성이 다릅니다. 이 프로젝트에서는 강도와 고객사의 신뢰성 기준을 우선했고, 수지 기어 대비 소음 증가 가능성을 받아들인 선택이었습니다.

재질 변경은 기어만 바꾸는 문제가 아닙니다. 치면 하중, 윤활, 모터 부하와 소음까지 다시 확인해야 하므로, 양산 전에 우선순위와 승인시험 항목을 확정하는 것이 좋습니다.

수동 복귀용 구동 구조를 추가했습니다

전원이 없는 상태에서도 기구부를 정해진 위치로 이동시킬 수 있어야 한다는 요구가 있었습니다. 장비의 위험분석과 사용 시나리오에 따라 이런 수동 복귀 기능이 요구될 수 있습니다.

이를 위해 감속기 하우징에 공구 접근용 홀을 마련하고, 육각렌치로 내부 수동 구동부를 돌려 기구를 복귀시킬 수 있도록 설계했습니다. 기어의 맞물림을 해제하는 구조가 아니므로, 이 글에서는 이를 수동 해제가 아니라 수동 구동 또는 수동 복귀 구조라고 표현합니다.

표준품에는 없는 구조여서 하우징 도면과 금형에 반영해 특주 제작했습니다.

수동 복귀 시 주의
전원을 차단하고 기구가 정지한 상태에서 지정된 공구, 회전방향과 허용토크를 지켜 사용해야 합니다. 이물질이나 파손으로 기어가 실제로 고착된 상태에서 무리하게 돌리면 기어와 축이 손상될 수 있습니다. 홀의 마개·실링, 오조작 방지와 손 끼임 방지 조건도 완성 장비의 위험분석에 포함해야 합니다.

최종 사양

구성	4극 3상 BLDC모터 + 유성감속기 + 엔코더
모터 정격전류 / 최대전류	0.74 A / 5.72 A
모터 정격토크 / 최대토크	0.3 N·m / 1.0 N·m
모터 정격회전수 / 최대회전수	3,190 rpm / 4,182 rpm
감속비	1 : 20
감속기 백래시	20 arcmin
엔코더	1,000 CPR — 신호 형식과 CPR 정의는 승인사양서 기준
기어 재질	메탈
홀센서	미적용 — 전용 제어기의 엔코더 기반 정류
추가 구조	육각렌치용 수동 구동·복귀 구조

※ 위 토크와 회전수는 모터축 기준으로 표기했습니다. 감속기 출력축의 회전수는 모터 회전수를 감속비로 나누고, 출력토크는 감속비와 효율을 반영해 계산하되 감속기 자체의 허용토크를 넘을 수 없습니다. 최대전류·최대토크·최대회전수는 각각의 한계값이며 모든 최대값을 동시에 연속 사용할 수 있다는 뜻이 아닙니다.

조건이 충돌하면 우회할 것과 양보할 것을 나눕니다

이 프로젝트에서 모든 요구를 단순히 한 제품에 추가한 것은 아닙니다. 어떤 조건은 다른 설계로 충족했고, 어떤 조건은 우선순위에 따라 성능의 교환관계를 받아들였습니다.

우회 — 전용 제어기에서 엔코더 기반 정류를 구현하고 홀센서를 제거해 내부 공간을 재구성했습니다.

교환관계 수용 — 고객사의 강도·신뢰성 우선순위에 따라 메탈 기어를 선택하고 수지 기어의 소음상 이점을 포기했습니다.

사양이 서로 부딪힐 때는 무엇이 필수 조건이고 무엇이 조정 가능한지를 먼저 구분해야 합니다. 그래야 부품을 추가할지, 기존 부품의 역할을 통합할지, 어느 성능을 우선할지 결정할 수 있습니다.

또한 물리적 한계와 설계 변경으로 풀 수 있는 조건을 구분해야 합니다. 정해진 프레임의 방열과 재료 강도처럼 구조 변경만으로 넘을 수 없는 한계가 있는 반면, 센서 배치나 하우징 형상을 바꾸어 해결할 수 있는 조건도 있습니다.

이 프로젝트에서는 엔코더 기반 정류와 하우징 수동 복귀 구조를 설계에 반영할 수 있었고, 그 과정에서 고객사의 제어기 개발 역량과 승인시험 조건이 중요한 전제가 됐습니다.

문의하실 때 필요한 조건

요구 사양을 나열하는 것보다 우선순위와 그 이유를 함께 알려주시면 더 정확하게 검토할 수 있습니다.

· 필수 조건과 조정 가능한 조건

· 설치 가능한 최대 길이와 외경

· 모터축과 감속기 출력축 중 어느 위치에서 필요한 토크·회전수인지

· 사용 전압, 연속 운전시간과 듀티

· 자체 제어기 개발 여부 또는 사용할 드라이버 모델

· 엔코더 분해능, A/B/Z·UVW·절대형 여부와 출력회로

· 소음, 백래시, 수동 복귀와 안전 관련 요구

· 승인시험 항목, 개발 일정과 연간 예상 수량

특히 자체 제어기를 개발하는 경우에는 센서 구성과 정류 방식을 함께 설계할 수 있어 선택지가 넓어집니다. 다만 엔코더 기반 정류의 초기 위치 처리와 보호기능까지 고객사 제어기에서 검증해야 합니다.

특주 제작에는 설계 검토와 승인시험 기간이 필요하며 최소 주문수량(MOQ)이 발생할 수 있습니다.

정리

· 길이, 토크, 엔코더와 수동 복귀 조건이 서로 영향을 주는 개발 건이었습니다.

· 전용 제어기가 초기 위치와 전기각을 처리하는 조건으로 홀센서 없는 엔코더 정류를 적용했습니다.

· 엔코더 분해능만으로 완성 장비의 위치정밀도가 결정되지는 않습니다.

· 메탈 기어는 고객사의 강도·신뢰성 우선순위에 따른 선택이며 의료기기의 보편적인 정답은 아닙니다.

· 하우징에는 육각렌치를 이용한 수동 구동·복귀 구조를 반영했습니다.

· 특주 설계는 모든 조건을 더하는 작업이 아니라 필수조건과 교환관계를 정리하는 작업입니다.

표준품으로 조건이 맞지 않는다면

요구 사양과 함께 무엇이 필수이고 무엇이 조정 가능한지 알려주시면 검토해 드립니다. 충돌하는 조건은 센서·감속기·하우징·제어기 구성 중 어디에서 푸는 것이 적절한지 함께 판단합니다. 특주 제작 문의 →

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