베이스 플레이트, 선형 모터, 선형 가이드, 엔코더 및 제어 장치를 포함한 완전한 선형 모터 스테이지.

지난 몇 년간 직접 구동 방식의 선형 서보 모터는 최종 사용자의 생산성 향상 및 정밀도 개선 요구에 힘입어 채택률이 눈에 띄게 증가했습니다. 선형 모터는 다른 구동 방식으로는 불가능한 고속, 긴 스트로크, 뛰어난 위치 정밀도를 제공하는 것으로 잘 알려져 있지만, 매우 느리고 부드러우며 정밀한 움직임 또한 구현할 수 있습니다. 실제로 선형 모터 기술은 추력, 속도, 가속도, 위치 정밀도, 반복 정밀도 등 매우 광범위한 성능을 제공하기 때문에 선형 모터가 적합하지 않은 응용 분야는 거의 없습니다.

선형 모터의 종류에는 선형 서보 모터, 선형 스테퍼 모터, 선형 유도 모터, 추력관 선형 모터 등이 있습니다. 특정 용도에 선형 서보 모터가 가장 적합한 경우, 초기 모터 선택 시 고려해야 할 세 가지 사항은 다음과 같습니다.

가장 중요한 고려 사항: 철심 또는 무철심?
선형 직접 구동 서보 모터는 크게 철심형과 무철심형 두 가지 유형으로 나뉘는데, 이는 1차측 권선(회전 모터의 고정자에 해당)이 철 적층체에 장착되는지 또는 에폭시에 장착되는지에 따라 구분됩니다. 설계 및 선택 과정에서 가장 먼저 고려해야 할 사항은 적용 분야에 철심형 또는 무철심형 선형 모터가 필요한지 결정하는 것입니다.

철심형 선형 모터는 극도로 높은 추력이 요구되는 용도에 가장 적합합니다. 이는 1차측 적층판에 톱니(돌출부)가 있어 전자기장을 2차측 자석(회전 모터의 회전자에 해당) 쪽으로 집중시키기 때문입니다. 1차측의 철과 2차측의 영구 자석 사이의 자기적 인력으로 인해 모터는 높은 추력을 발생시킬 수 있습니다.

무철심 선형 모터는 일반적으로 추력 용량이 낮기 때문에 프레스, 기계 가공 또는 성형과 같이 극도로 높은 추력이 요구되는 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 하지만 고속 조립 및 이송에는 탁월한 성능을 발휘합니다.

철심 모터 설계의 단점은 코깅 현상으로, 이는 동작의 부드러움을 저해합니다. 코깅은 1차 코어의 슬롯형 설계로 인해 2차 코어의 자석을 따라 이동할 때 특정 위치에 고정되는 경향이 있기 때문에 발생합니다. 1차 코어가 2차 코어의 자석과 정렬되려는 경향을 극복하기 위해 모터는 더 큰 힘을 발생시켜야 하는데, 이로 인해 속도 변동(코깅)이 발생합니다. 이러한 힘의 변동과 속도 변동은 동작의 부드러움을 저하시키며, 최종 위치 정확도뿐만 아니라 이동 중의 동작 품질이 중요한 응용 분야에서는 심각한 문제가 될 수 있습니다.

제조업체들은 톱니 현상을 줄이기 위해 다양한 방법을 사용합니다. 일반적인 방법 중 하나는 자석(또는 톱니)의 위치를 ​​비스듬하게 조정하여 1차 톱니가 2차 자석 위를 지나갈 때 더욱 부드러운 전환을 만들어내는 것입니다. 자석의 모양을 길쭉한 팔각형으로 바꾸는 것도 비슷한 효과를 낼 수 있습니다.

코깅 현상을 줄이는 또 다른 방법은 분수 권선이라고 합니다. 이 설계에서는 1차 코일의 적층 톱니 수가 2차 코일의 자석 수보다 많고, 적층 구조가 특수한 형태를 갖습니다. 이 두 가지 변형을 통해 코깅력을 상쇄할 수 있습니다. 물론 소프트웨어 또한 해결책을 제시합니다. 안티코깅 알고리즘을 통해 서보 드라이브와 컨트롤러는 1차 코일에 공급되는 전류를 조절하여 힘과 속도의 변화를 최소화할 수 있습니다.

무철심 선형 모터는 1차 코일이 강철 적층판 대신 에폭시로 캡슐화되어 있기 때문에 코깅 현상이 발생하지 않습니다. 또한 무철심 선형 서보 모터는 질량이 더 작습니다(에폭시는 강철보다 가볍지만 강성은 떨어집니다). 따라서 전기 기계 시스템에서 찾아볼 수 있는 최고 수준의 가속도, 감속도 및 최고 속도를 구현할 수 있습니다. 정착 시간 역시 일반적으로 철심 모터보다 짧습니다. 1차 코일에 강철이 없어 코깅이나 속도 변동이 거의 없기 때문에 무철심 선형 모터는 일반적으로 0.01% 미만의 속도 변동률로 매우 느리고 안정적인 움직임을 제공할 수 있습니다.

어떤 수준의 통합인가요?
로터리 모터와 마찬가지로 리니어 서보 모터는 모션 시스템을 구성하는 하나의 요소일 뿐입니다. 완전한 리니어 모터 시스템은 하중을 지지하고 안내하는 베어링, 케이블 관리, 피드백(일반적으로 리니어 엔코더), 서보 드라이브 및 컨트롤러를 필요로 합니다. 풍부한 경험을 보유한 OEM 및 기계 제작업체, 또는 매우 독특한 설계나 성능 요구 사항을 가진 업체는 자체 역량과 다양한 제조업체의 기성 부품을 활용하여 완전한 시스템을 구축할 수 있습니다.

선형 모터 시스템 설계는 벨트, 랙 앤 피니언 또는 스크류 기반 시스템 설계보다 훨씬 간단하다고 할 수 있습니다. 구성 요소가 적고 조립 과정에서 노동 집약적인 작업이 줄어들기 때문입니다(볼 스크류 지지대 정렬이나 벨트 장력 조절이 필요 없음). 또한 선형 모터는 비접촉식이므로 설계자는 구동 장치의 윤활, 조정 또는 기타 유지 보수에 대한 고려를 할 필요가 없습니다. 하지만 턴키 솔루션을 찾는 OEM 및 기계 제작업체의 경우, 완전한 선형 모터 구동 액추에이터, 고정밀 스테이지, 심지어 카르테시안 및 갠트리 시스템까지 다양한 옵션이 있습니다.

해당 환경이 선형 모터에 적합한가요?
선형 모터는 클린룸이나 진공 환경과 같은 까다로운 환경에서 자주 선호되는 솔루션입니다. 움직이는 부품 수가 적고, 거의 모든 유형의 선형 가이드 또는 케이블 관리 시스템과 결합하여 애플리케이션의 입자 발생, 가스 방출 및 온도 요구 사항을 충족할 수 있기 때문입니다. 극단적인 경우에는 2차측(자석 트랙)을 움직이는 부품으로 사용하고 1차측(권선, 케이블 및 케이블 관리 시스템 포함)은 고정된 상태로 유지할 수도 있습니다.

하지만 금속 칩, 금속 먼지 또는 금속 입자로 구성된 환경에서는 선형 서보 모터가 최적의 선택이 아닐 수 있습니다. 특히 철심형 선형 모터는 설계 자체가 개방형이어서 자석 트랙이 오염에 노출되기 쉽기 때문에 더욱 그렇습니다. 무철심형 선형 모터는 반밀폐형 설계로 더 나은 보호 기능을 제공하지만, 2차측 슬롯이 오염원에 직접 노출되지 않도록 주의해야 합니다. 철심형 및 무철심형 선형 모터 모두를 밀폐하는 설계 옵션이 있지만, 이러한 설계는 모터의 방열 능력을 저하시켜 한 가지 문제를 다른 문제로 대체할 수 있습니다.