선형 모터는 회전 서보 모터를 펼쳐서 평평하게 놓아 기본적으로 선형 운동을 생성하는 것으로 생각할 수 있습니다. 전통적인 선형 액추에이터는 회전 서보 모터의 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 기계 장치입니다. 두 가지 모두 선형 운동을 제공하지만, 성능 특성과 장단점이 매우 다릅니다. 어느 기술이 더 뛰어나거나 열등한지는 없으며, 어떤 기술을 사용할지는 용도에 따라 달라집니다. 자세히 살펴보겠습니다.

선형 모터의 기본 원칙은 높은 가속도, 고속 또는 고정밀이 요구되는 애플리케이션에서 빛을 발한다는 것입니다. 예를 들어, 분해능과 처리량이 매우 중요하고 한 시간의 가동 중단만으로도 수만 달러의 손실이 발생할 수 있는 반도체 계측 분야에서 선형 모터는 이상적인 솔루션을 제공합니다. 하지만 덜 까다로운 상황에서는 어떨까요?

선형 모터의 초기 문제점은 비용 경쟁력이었습니다. 선형 모터는 희토류 자석을 필요로 하는데, 이는 스트로크 길이를 제한하는 요소 중 하나입니다. 물론 이론적으로는 자석을 거의 무한대로 배열할 수 있지만, 실제로는 긴 스트로크 길이에 걸쳐 충분한 강성을 확보하는 것 외에도 비용이 많이 들며, 특히 U-채널 설계의 경우 더욱 그렇습니다.

철심 모터는 동급의 무철심 모터보다 더 작은 자석을 사용하여 동일한 힘을 생성할 수 있습니다. 따라서 근력이 주요 요건이고 성능 사양이 동적 위치 또는 속도 오차를 유발하는 코깅력 교란을 허용할 만큼 충분히 완화된 경우, 철심 모터가 최선의 선택일 수 있습니다. 성능 요건이 나노미터가 아닌 미크론 단위로 더 완화된 경우, 선형 액추에이터 조합이 가장 적절한 절충안이 될 수 있습니다. 예를 들어 약물 포장에는 선형 액추에이터를 사용하고, 신약 개발의 DNA 시퀀싱에는 선형 모터를 사용하는 것입니다.

여행 길이
많은 예외가 있지만, 선형 모터의 최적 스트로크 길이는 수 밀리미터에서 수 미터에 이릅니다. 그보다 낮은 스트로크 길이에서는 플렉셔와 같은 대안이 더 효과적일 수 있으며, 그보다 높은 스트로크 길이에서는 벨트 드라이브와 랙앤피니언 설계가 더 나은 선택일 수 있습니다.

선형 모터의 스트로크 길이는 비용과 장착 안정성뿐만 아니라 케이블 관리 문제로도 제한됩니다. 모션을 생성하려면 포서에 전원을 공급해야 하므로, 전원 케이블이 전체 스트로크 길이 동안 포서와 함께 이동해야 합니다. 고굴곡 케이블과 그에 따른 레이스웨이는 비용이 많이 들며, 케이블이 모션 제어 전반에서 가장 큰 고장 원인이라는 사실은 문제를 더욱 복잡하게 만듭니다.

물론, 선형 모터의 본질 자체가 이 문제에 대한 현명한 해결책을 제시할 수 있습니다. 이러한 문제가 있는 경우, 포서를 고정 베이스에 장착하고 자석 트랙을 이동시킵니다. 이렇게 하면 모든 케이블이 고정 포서로 연결됩니다. 코일을 가속하는 것이 아니라 더 무거운 자석 트랙을 가속하기 때문에 모터의 가속도가 약간 줄어듭니다. 만약 높은 G(중력)를 위해 이 방법을 사용한다면 좋지 않을 것입니다. 하지만 고 G(중력) 응용 분야가 아니라면 이 방법은 매우 좋은 설계가 될 수 있습니다.

프로페타는 최대 출력이 28~900파운드(12.7kg)인 에어로텍(Aerotech) 리니어 서보 모터를 예로 들지만, 여기서도 리니어 모터의 기본 설계는 훨씬 더 많은 것을 제공하는 독창적인 솔루션에 적합합니다. 저희의 가장 큰 리니어 모터 여섯 개를 연결하여 약 6,000파운드(276kg)의 힘을 생성하는 고객들이 있습니다. 여러 개의 포서를 여러 트랙에 배치하고 기계적으로 고정한 후, 모두 정류하여 하나의 모터처럼 작동하도록 할 수 있습니다. 또는 여러 개의 포서를 동일한 자석 트랙에 배치하고 하중을 지지하는 캐리지에 장착하여 하나의 모터처럼 처리할 수도 있습니다.

우리는 현실 세계에 살고 있으며 정류를 정확하게 일치시키는 것은 불가능하므로 이러한 접근 방식에는 몇 퍼센트의 효율성 저하가 따르지만, 여전히 주어진 응용 프로그램에서 가장 좋은 전반적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.

일대일 대결
힘의 관점에서 선형 모터는 회전 모터/선형 액추에이터 조합과 어떻게 비교될까요? 힘의 상충 관계가 상당히 존재합니다. 폭 4인치, 8극 슬롯리스 선형 모터와 폭 4인치 나사 구동 제품을 비교했습니다. 저희 8극 선형 모터는 최대 힘이 40파운드(180N)이고 연속 힘은 11파운드(50N)입니다. NEMA 23 서보 모터와 저희 나사 구동 제품을 사용하는 동일한 프로파일에서 최대 축 방향 하중은 200파운드(90kg)입니다. 따라서 이 관점에서 보면 연속 힘은 기본적으로 20배 감소한 것입니다.

실제 결과는 나사 피치, 나사 직경, 모터 코일 및 모터 설계에 따라 달라지며, 나사를 지지하는 축 베어링에 의해 제한된다는 점을 그는 빠르게 지적합니다. 이 회사의 13인치 폭 철심 리니어 모터는 최대 축방향 힘을 1,600파운드(약 740kg)까지 생성할 수 있는데, 이는 예를 들어 6인치 폭 나사 구동 제품이 제공하는 440파운드(약 216kg)에 비해 훨씬 크지만, 이로 인해 발생하는 공간은 상당히 많습니다.

정치 슬로건을 바꿔 말하면, 바보야, 중요한 건 응용 분야야. 힘의 밀도가 가장 중요한 문제라면 액추에이터가 아마도 최선의 선택일 것이다. LCD 검사처럼 고정밀, 고가속도 응용 분야처럼 반응성이 요구되는 응용 분야에서는, 필요한 성능을 얻기 위해 힘과 풋프린트 간의 균형을 맞추는 것이 가치 있는 일이다.

깨끗하게 유지하기
오염은 제조 환경에서 모션 제어에 있어 중요한 문제이며, 선형 모터도 예외는 아닙니다. 표준 선형 모터 설계의 주요 문제 중 하나는 고체 입자나 습기와 같은 오염에 노출되는 것입니다. 이는 '평판형' 설계에서는 문제가 되지만 [U-채널] 설계에서는 문제가 덜합니다.

용액을 완전히 밀봉하는 것은 매우 어렵습니다. 습도가 높은 환경에 노출되는 것은 바람직하지 않습니다. 워터젯 절단 작업에 선형 모터를 사용하려면 모터에 양압을 가하고 모터의 전자 장치가 작동과 함께 작동하기 때문에 모터가 잘 보호되도록 해야 합니다.

U 채널 설계의 경우, U 채널을 반전시키면 미립자가 채널로 유입될 가능성을 최소화할 수 있지만, 이는 자석 레일의 질량을 이동시키는 대신 포서의 질량을 이동시키는 열 관리 문제를 야기하여 성능을 저하시킬 수 있습니다. 이는 상충 관계이며, 결국 애플리케이션에 따라 사용량이 결정됩니다.

선형 모터에 영향을 미치는 것은 환경뿐만이 아닙니다. 선형 모터 자체가 환경에 문제를 일으킬 수 있습니다. 회전식 설계와 달리, 선형 모터에 사용되는 대형 자석은 자기공명영상(MRI) 장치처럼 자기에 민감한 주변 환경에 심각한 손상을 입힐 수 있습니다. 금속 절삭과 같은 단순한 응용 분야에서도 문제가 될 수 있습니다. 강력한 자석이 금속 칩을 자석 트랙으로 끌어당기려고 하기 때문에, 적절한 보호 장치가 없다면 이러한 유형의 응용 분야에서 선형 모터는 제대로 작동하지 못할 것입니다.

해당 응용 프로그램에 관하여…
그렇다면 리니어 모터의 최적 적용 분야는 어디일까요? 우선 반도체, LED, LCD 제조와 같은 계측 분야입니다. 대형 간판의 디지털 인쇄 시장도 성장하고 있으며, 생물 의학 분야와 소형 부품 제조 분야도 마찬가지입니다. 저희 고객들은 조립 작업을 위해 갠트리 구조로 리니어 모터 쌍을 배치합니다. 최대한 많은 제품 처리량을 확보해야 하므로, 이러한 모터의 높은 가속도와 속도는 큰 장점입니다. 최근 저희가 주력하고 있는 분야는 연료 전지 제조와 스텐실 절단입니다.