변속기·감속기란? 그 종류와 구조

변속기·감속기는 모터 등의 동력원에서 얻은 동력을 변속하거나 감속하기 위해 사용됩니다. 그렇다면
변속기·감속기는 왜 필요한 것일까요? 이를 이해하려면 모터에 대해 조금 알아야 합니다.

모터는 전동기, 모틀, 모터 등으로도 불립니다. 산업 기계·장치에 사용되는 모터에는 다양한 종류가 있지만, 가장 일반적으로 널리 이용되는 모터는 3상 유도 전동기(인덕션 모터)라는 모터로, 이 모터는 3상 교류 전원을 사용하는 방식으로 작동하도록 만들어져 있습니다.

모터는 전원 주파수에 따라 1분당 몇 회전하는지가 결정됩니다.

일반적으로 많이 사용되는 모터인 4극 모터의 경우, 일본은 동부 지역 50Hz, 서부 지역 60Hz의 전원 주파수를 사용하기 때문에, 동부 지역에서는 1500min-1(1분당 1500회전), 서부 지역에서는 1800min-1(1분당 1800회전)의 회전 속도로 회전합니다.

그럼 실제로 공장 등에서 벨트 컨베이어에 제품이 실려 이동하는 상황을 떠올려 봅시다. 앞서 언급한 모터 회전 속도로 운전할 경우, 컨베이어가 엄청난 속도로 작동하게 되어 손을 댈 수 없는 상태가 됩니다.

그래서 일정 속도로 회전하는 모터에서 필요한 회전 속도를 얻기 위해 변속기·감속기를 통해 회전 속도를 변화·감속시키고 있는 것입니다.
즉, 모터에서 얻는 동력을 이용할 때 거의 반드시 변속기·감속기가 필요하게 됩니다.

모터 회전 속도는 다음 계산식으로 구할 수 있습니다.

・모터의 회전 속도 N = 60 × 주파수[Hz] / 극수 / 2 [min⁻¹]

(*위의 계산식에서 볼 수 있듯이, 회전 속도에 영향을 미치는 요소로는 공급되는 전원 주파수와 모터의 극수가 있습니다.)

변속기·감속기는 필요한 회전 속도를 얻는 장치라고 설명해 드렸지만, 또 하나 중요한 역할이 있습니다.
바로 감속비에 비례하는 회전력(토크)을 얻는 것입니다. 예를 들어, 회전 속도가 1/2이 되면 그 회전력(토크)은 2배가 됩니다.
이는 변속·감속의 구조가 지레의 원리를 이용하고 있기 때문입니다.

위 그림은 지레의 원리를 나타내고 있으며, 위 계산식은 힘 F1을 통해 더 큰 힘 F2를 얻을 수 있음을 보여줍니다. 또한, 이동 거리 L1에 비해 이동 거리 L2가 짧다는 것을 알 수 있습니다.

이 원리를 알기 쉽게 회전체로 바꿔서 도식화하면 다음과 같습니다.

따라서 회전 속도를 낮춤으로써 회전력을 높일 수 있습니다.

두 장치 모두 모터의 회전 속도를 줄여 필요한 힘을 얻기 위한 것이지만, 감속기는 일정한 속도를 유지하는 반면 변속기는 속도를 조절할 수 있다는 큰 차이가 있습니다.
감속기로 속도를 대폭 낮춘 다음, 변속기로 그 속도를 조절하는 방식이 동력을 효율적으로 활용하는 최적의 방법 중 하나라고 할 수 있습니다.

톱니 수가 다른 평기어를 조합하면 감속 기구를 비교적 쉽게 구현할 수 있지만, 일반적으로는 감속기로 제작된 장치를 활용하는 방법이 일반적입니다. 대표적인
감속기로는 다음과 같은 방식이 있습니다. 다만, 필요한 감속비를 확보하기 위해 아래에서 설명하는 기어를 조합하여 감속기로 구현하는 경우가 일반적입니다.

장치를 가동할 때, 모양이나 크기, 무게가 서로 다른 물체를 다루는 상황에서는 일정한 속도로만 장치를 작동할 경우 효율이 현저히 떨어질 수 있습니다.

따라서 하나의 장치가 다양한 속도로 운전될 수 있을 때 운전 효율이 더 좋아집니다. 예를
들어, 필요한 속도가 두 가지로 정해져 있는 경우, 두 가지 속도를 출력할 수 있으면 되는 것입니다.

방법으로는 유단 변속 기구를 이용하여 클러치 등으로 전환하여 속도를 얻거나, 두 가지 출력에 대해 기계를 일단 정지시킨 후 전환하는 방법도 생각할 수 있습니다.

그러나 그보다는 원동기를 멈추지 않고 무단으로 출력 속도를 조절할 수 있는 편이 압도적으로 편리하고 효율적입니다.
이것이 변속기 분류에서 말하는 유단 변속기에 대비되는 무단 변속기입니다.

3상 유도 전동기(인덕션 모터)의 주파수를 변화시켜 속도를 조절하거나, 애초에 3상 유도 전동기가 아닌 직류 모터 등 전기식 방식에 대해서는 별도로 다루기로 하고, 여기서는 회사 이름의 일부가 된 가변 피치 풀리를 이용한 벨트식 무단 변속기의 종류와 그 원리에 대해 정리해 보겠습니다.

구동기(모터)에서 피구동기(기계)로의 동력 전달을 분류할 경우, 모터의 출력을 직접 전달하는 커플링이나 감속기와 같은 기어, 체인·스프로킷 또는 벨트·풀리를 이용한 동력 전달 방식이 일반적입니다. 일반적인
벨트·풀리 동력 전달에서는 벨트의 피치 직경이 고정되어 있어, 사전에 필요한 회전 속도와 회전력을 얻을 수 있도록 선정하여 일정 속도를 유지합니다.

벨트식 무단 변속기란 벨트·풀리를 사용한 무단 변속기로, 벨트가 걸리는 풀리의 피치 직경을 변화시킴으로써 일정한 회전 입력을 변화시키는 것입니다. 그 변속 방법에는 크게 세 가지 방식이 있습니다.