선형 모터는 회전 서보 모터를 펼쳐서 평평하게 만든 것으로, 근본적으로 직선 운동을 생성합니다. 전통적인 선형 액추에이터는 회전 서보 모터의 회전 운동을 직선 이동으로 변환하는 기계 요소입니다. 둘 다 직선 운동을 제공하지만 성능 특성과 장단점이 매우 다릅니다. 어느 기술이 더 우수하거나 열등하다고 할 수는 없으며, 어떤 기술을 사용할지는 적용 분야에 따라 달라집니다. 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

선형 모터는 일반적으로 높은 가속도, 고속 또는 높은 정밀도가 요구되는 응용 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 예를 들어, 해상도와 처리량이 매우 중요하고 단 한 시간의 가동 중단으로도 수만 달러의 손실이 발생할 수 있는 반도체 계측 분야에서는 선형 모터가 이상적인 솔루션을 제공합니다. 하지만 요구 조건이 덜 까다로운 상황에서는 어떨까요?

선형 모터의 초기 문제점 중 하나는 비용 경쟁력이었습니다. 선형 모터는 희토류 자석을 필요로 하는데, 이는 스트로크 길이를 제한하는 요인 중 하나입니다. 이론적으로는 자석을 사실상 무한히 배열할 수 있지만, 실제로는 긴 스트로크 길이에 걸쳐 충분한 강성을 확보하는 것이 어려울 뿐만 아니라, 특히 U자형 채널 설계의 경우 비용이 크게 증가합니다.

철심 모터는 동일한 힘을 발생시키기 위해 무철심 모터보다 더 작은 자석을 사용할 수 있습니다. 따라서 힘이 가장 중요한 요구 사항이고 동적 위치 또는 속도 오차를 유발하는 코깅력 교란을 어느 정도 허용할 수 있을 만큼 성능 사양이 완화된 경우 철심 모터가 최적의 선택일 수 있습니다. 성능 요구 사항이 나노미터가 아닌 마이크론 수준으로 더욱 완화된 경우에는 선형 액추에이터 조합이 가장 적절한 절충안이 될 수 있습니다. 예를 들어, 의약품 포장에는 선형 액추에이터를 사용하고 신약 개발을 위한 DNA 시퀀싱에는 선형 모터를 사용하는 것이 적절할 수 있습니다.

여행 기간
예외는 많지만, 선형 모터의 최적 스트로크 길이는 수 밀리미터에서 수 미터에 이릅니다. 이보다 짧으면 플렉셔와 같은 대안이 더 효과적일 수 있고, 이보다 길면 벨트 구동 방식이나 랙앤피니언 방식이 더 적합할 것입니다.

선형 모터의 스트로크 길이는 비용 및 장착 안정성뿐만 아니라 케이블 관리 문제에 의해서도 제한됩니다. 동작을 발생시키려면 포서에 전원을 공급해야 하는데, 이는 전원 케이블이 전체 스트로크 길이를 따라 이동해야 함을 의미합니다. 고유연성 케이블과 관련 케이블 트레이는 가격이 비싸고, 케이블이 모션 제어 전반에서 가장 큰 고장 원인이라는 사실이 문제를 더욱 복잡하게 만듭니다.

물론, 선형 모터의 본질적인 특성 덕분에 이러한 문제를 해결할 수 있는 기발한 방법이 있습니다. 그러한 우려가 있는 경우, 포서를 고정 베이스에 장착하고 자석 트랙을 움직입니다. 이렇게 하면 모든 케이블이 고정된 포서로 연결됩니다. 코일이 아닌 더 무거운 자석 트랙을 가속하기 때문에 동일한 모터에서 얻을 수 있는 가속도는 약간 줄어듭니다. 높은 G 하중이 필요한 경우에는 좋지 않지만, 고G 하중이 필요하지 않은 용도라면 매우 좋은 설계가 될 수 있습니다.

프로페타는 최대 힘이 28~900파운드에 이르는 에어로텍(Aerotech) 선형 서보 모터를 예로 들었지만, 선형 모터의 기본 설계는 훨씬 더 많은 것을 제공하는 독창적인 솔루션에 적합합니다. 어떤 고객은 당사의 가장 큰 선형 모터 6개를 조합하여 거의 6,000파운드의 힘을 발생시키기도 합니다. 여러 개의 포서를 여러 트랙에 배치하고 기계적으로 고정한 다음, 모두 함께 정류하여 하나의 모터처럼 작동하게 할 수도 있고, 여러 개의 포서를 동일한 자석 트랙에 배치하고 하중을 지탱하는 캐리지에 장착하여 하나의 모터처럼 작동하게 할 수도 있습니다.

우리가 현실 세계에 살고 있고 정확한 통산을 맞추는 것이 불가능하기 때문에 이 접근 방식에는 몇 퍼센트의 효율성 손실이 따르지만, 주어진 응용 분야에서는 여전히 최상의 종합적인 해결책을 제공할 수 있습니다.

맞대결
힘의 관점에서 볼 때, 선형 모터는 회전 모터/선형 액추에이터 조합과 어떻게 비교될까요? 힘에는 상당한 차이가 있습니다. 4인치 폭의 8극 슬롯리스 선형 모터와 4인치 폭의 스크류 구동 제품을 비교해 보겠습니다. 당사의 8극 선형 모터는 최대 힘이 40파운드(180N), 연속 힘이 11파운드(50N)입니다. 동일한 형상에서 NEMA 23 서보 모터와 당사의 스크류 구동 제품의 최대 축 방향 하중은 200파운드입니다. 따라서 이러한 관점에서 보면 연속 힘이 기본적으로 20배 감소하는 것을 알 수 있습니다.

그는 실제 결과는 나사 피치, 나사 직경, 모터 코일 및 모터 설계에 따라 달라지며 나사를 지지하는 축 베어링에 의해 제한된다고 재빨리 지적했습니다. 예를 들어, 이 회사의 13인치 폭 철심 선형 모터는 6인치 폭 스크류 구동 제품이 제공하는 440파운드에 비해 최대 1600파운드의 축 방향 힘을 생성할 수 있지만, 차지하는 공간이 상당합니다.

정치 슬로건을 인용하자면, 중요한 건 적용 방식입니다. 힘 밀도가 가장 중요한 고려 사항이라면 액추에이터가 최선의 선택일 것입니다. 하지만 LCD 검사와 같이 높은 정밀도와 높은 가속도가 요구되는 응용 분야에서는 필요한 성능을 얻기 위해 크기를 줄이는 대신 힘을 희생하는 것이 가치가 있습니다.

깨끗하게 유지하기
오염은 제조 환경에서 모션 제어에 있어 주요 문제이며, 선형 모터도 예외는 아닙니다. 표준 선형 모터 설계의 큰 문제점 중 하나는 고체 입자나 습기와 같은 오염 물질에 노출될 수 있다는 점입니다. 이는 '플랫베드' 설계에서 특히 문제가 되며, [U-채널] 설계에서는 상대적으로 덜 중요합니다.

솔루션을 완벽하게 밀봉하는 것은 매우 어렵습니다. 습도가 높은 환경에 노출되면 안 됩니다. 워터젯 절단 작업에 선형 모터를 사용하려면 모터에 압력을 가하고 제대로 보호해야 합니다. 선형 모터의 전자 부품이 구동 장치 바로 옆에 있기 때문입니다.

U자형 채널 설계의 경우, U자형을 반전시키면 채널 내부로 미세 입자가 유입될 가능성을 최소화할 수 있지만, 자석 레일의 질량 이동과 포서의 질량 이동으로 인해 열 관리 문제가 발생하여 성능이 저하될 수 있습니다. 다시 말해, 이는 절충안이며 적용 분야에 따라 사용 여부가 결정됩니다.

선형 모터에 영향을 미치는 것은 환경뿐만이 아닙니다. 선형 모터 자체가 환경에 문제를 일으킬 수도 있습니다. 회전식 모터와 달리 선형 모터에 사용되는 대형 자석은 자기장에 민감한 환경, 예를 들어 자기공명영상(MRI) 장비에서 심각한 문제를 야기할 수 있습니다. 금속 절단과 같은 일반적인 용도에서도 문제가 될 수 있습니다. 강력한 자석이 금속 칩을 자석 트랙으로 끌어당기려는 힘이 작용하기 때문에, 적절한 보호 장치 없이는 이러한 용도에서 선형 모터가 제대로 작동하지 못할 수 있습니다.

해당 애플리케이션에 대하여…
그렇다면 선형 모터의 최적 적용 분야는 어디일까요? 우선 계측 분야, 특히 반도체, LED 및 LCD 제조 분야에서 찾아볼 수 있습니다. 대형 간판 디지털 인쇄 시장도 성장하고 있으며, 바이오메디컬 분야도 마찬가지입니다. 심지어 소형 부품 제조 분야에서도 고객들은 조립 작업을 위해 갠트리 구성으로 선형 모터 두 개를 배치합니다. 생산량을 최대한 늘리는 것이 중요하기 때문에 이러한 모터가 제공하는 높은 가속도와 속도는 매우 유리합니다. 최근에는 연료 전지 제조 분야와 스텐실 절단 분야에도 선형 모터를 활용하고 있습니다.