선형 모터의 사용이 급증하고 있습니다. 선형 모터는 기계에 최고의 정밀도와 동적 성능을 제공합니다.

선형 모터는 위치 지정에 매우 빠르고 정밀할 뿐만 아니라, 기계 헤드와 슬라이드, 공구 및 부품 이송 시스템처럼 느리고 일정한 속도로 이송하는 데에도 적합합니다. 레이저 수술, 비전 검사, 병 및 수하물 이송 등 다양한 분야에서 선형 모터를 사용하는 이유는 신뢰성이 매우 높고 유지 보수가 거의 필요 없으며 생산 주기를 단축시켜 주기 때문입니다.

더 빠른 속도와 힘

선형 모터는 부하에 직접 연결되므로 기계식 커플링, 풀리, 타이밍 벨트, 볼스크류, 체인 드라이브, 랙 앤 피니언 등과 같은 수많은 연결 부품이 필요 없습니다. 이는 비용을 절감하고 백래시를 줄이는 데에도 도움이 됩니다. 또한 선형 모터는 수억 회의 작동 주기 동안 일관된 동작과 정밀한 위치 제어를 제공하며 더 빠른 속도를 구현할 수 있습니다.

선형 모터로 달성할 수 있는 일반적인 속도는 다양합니다. (짧은 동작을 많이 하는) 픽앤플레이스 장비와 검사 장비에 사용됩니다.선형 스테퍼최대 60인치/초의 속도로 작동하며, 플라잉 시어(flying shear) 방식 및 장거리 이동이 필요한 픽앤플레이스(pick and place) 기계에 사용됩니다.톱니 없는 브러시리스최대 200인치/초의 속도를 낼 수 있는 선형 모터; 롤러코스터, 차량 발사대, 여객 수송 장치 등에 사용됩니다.교류 유도모터는 초속 2,000인치의 속도를 낼 수 있습니다.

어떤 선형 모터 기술이 가장 적합한지를 결정하는 또 다른 요소는 적용 대상 부하를 움직이는 데 필요한 힘입니다. 부하 또는 질량과 적용 대상의 가속도 프로파일이 궁극적으로 이 힘을 결정합니다.

각 응용 분야마다 어려움이 다르지만, 일반적으로 부품 이송 시스템에는 최대 220N(50lb)의 힘을 가진 선형 스테퍼 모터가 사용됩니다. 반도체, 레이저 절단, 워터젯 절단 및 로봇 공학에는 최대 2,500N의 힘을 가진 브러시리스 모터가 사용됩니다. 컨베이어 시스템에는 최대 2,200N의 힘을 가진 선형 AC 유도 모터가 사용됩니다. 이송 라인 및 공작 기계에는 최대 14,000N의 힘을 가진 철심 브러시리스 모터가 사용됩니다. 각 응용 분야는 다르므로 제조업체의 응용 엔지니어가 일반적으로 이 사양 단계에서 도움을 제공한다는 점을 유념하십시오.

속도와 힘 외에도 다른 요소들이 존재합니다. 예를 들어, 컨베이어 시스템은 이동 거리가 길고 영구 자석이 없는 수동형 2차 권선을 갖는다는 장점 때문에 선형 교류 유도 모터를 사용합니다. 레이저 시력 교정 수술이나 반도체 제조와 같은 분야에서는 정확성과 부드러운 이동을 위해 브러시리스 모터가 사용됩니다.

기본 작동

선형 모터는 두 개의 전자기력의 상호 작용을 통해 작동하는데, 이는 회전 모터에서 토크를 발생시키는 것과 동일한 기본 상호 작용입니다.

회전 모터를 잘라서 평평하게 펼쳤다고 상상해 보세요. 이것이 선형 모터의 대략적인 구조를 보여줍니다. 회전축에 부하를 연결하여 토크를 발생시키는 대신, 선형 모터에서는 부하가 평평하게 움직이는 표면에 연결되어 직선 운동과 힘을 발생시킵니다. 간단히 말해, 회전 모터가 하는 일은 토크로 표현되는 반면, 선형 모터가 하는 일은 힘으로 표현됩니다.

정확성

먼저 기존의 회전식 스테퍼 시스템을 살펴보겠습니다. 인치당 5회전 피치를 가진 볼스크류에 연결된 이 시스템의 정밀도는 약 0.004~0.008인치, 즉 0.1~0.2mm입니다. 서보 모터로 구동되는 회전 시스템은 0.001~0.0001인치의 정밀도를 제공합니다.

반면, 부하에 직접 연결된 선형 모터는 0.0007~0.000008인치 범위의 정확도를 제공합니다. 이 수치에는 커플링 및 볼스크류 백래시가 포함되어 있지 않으며, 이러한 요소들은 회전 시스템의 정확도를 더욱 저하시킵니다.

상대적인 정확도는 다양합니다. 여기서 자세히 설명하는 일반적인 회전식 스테퍼 모터는 사람 머리카락 굵기 이내의 정밀도로 위치를 조정할 수 있습니다. 하지만 서보 모터는 이 정확도를 최대 80배까지 향상시키고, 선형 모터는 이를 더욱 개선하여 사람 머리카락 굵기보다 500배 더 작은 정밀도를 구현할 수 있습니다.

때로는 정확성보다 유지보수 및 비용(장비 수명 동안)이 더 중요한 고려 사항일 수 있습니다. 선형 모터는 이러한 점에서도 탁월한 성능을 발휘합니다. 선형 모터를 사용하면 비접촉 부품 덕분에 기계 작동이 향상되고 고장 간 평균 시간이 증가하여 유지보수 비용이 일반적으로 절감됩니다. 또한 선형 모터의 백래시가 없어 충격을 방지하여 기계 수명을 더욱 연장합니다. 그 외에도 유지보수 주기를 늘려 운영 흐름을 개선할 수 있습니다. 유지보수 및 관련 인력 감소는 수익성을 향상시키고 장비 수명 동안 총 소유 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.

혜택 비교

응용 분야에서는 직선 운동이 필요합니다. 회전 모터를 사용하는 경우, 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 기계적 변환 메커니즘이 필요합니다. 이때 설계자는 제약을 최소화하면서 응용 분야에 가장 적합한 변환 메커니즘을 선택합니다.

• 선형 모터와 벨트 및 풀리 방식 비교:회전 모터에서 선형 운동을 얻기 위해 일반적으로 벨트와 풀리를 사용합니다. 일반적으로 추력은 벨트의 인장 강도에 의해 제한되며, 급출발 및 급정지는 벨트의 늘어짐과 그로 인한 공진을 유발하여 정착 시간을 증가시킵니다. 기계적 권선, 백래시 및 벨트 늘어짐은 반복성, 정확도 및 기계 처리량을 저하시킵니다. 서보 운동에서는 속도와 반복성이 매우 중요하기 때문에 이러한 방식은 최적의 선택이 아닙니다. 벨트-풀리 방식이 최대 3m/sec의 속도를 낼 수 있는 반면, 선형 모터는 10m/sec의 속도를 달성할 수 있습니다. 백래시나 권선이 없는 직접 구동 방식의 선형 모터는 반복성과 정확도를 더욱 향상시킵니다.
• 선형 모터와 랙 앤 피니언 방식 비교:랙 앤 피니언 방식은 벨트-풀리 방식보다 더 큰 추력과 기계적 강성을 제공합니다. 그러나 시간이 지남에 따라 양방향 마모가 발생하여 반복성이 떨어지고 정확도가 저하되는 것이 이 메커니즘의 주요 단점입니다. 백래시는 모터 피드백이 실제 부하 위치를 감지하는 것을 방해하여 불안정성을 초래하고, 결과적으로 이득이 감소하고 전반적인 성능이 저하됩니다. 이와 대조적으로, 선형 모터로 구동되는 기계는 더 빠르고 위치 제어 정확도가 더 높습니다.
• 선형 모터와 볼스크류 모터 비교:회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 가장 일반적인 방법은 리드 스크류 또는 볼 스크류를 사용하는 것입니다. 이들은 저렴하지만 효율이 떨어집니다. 리드 스크류는 일반적으로 50% 이하이고, 볼 스크류는 약 90%입니다. 마찰이 심하면 열이 발생하고, 장기간 마모되면 정밀도가 저하됩니다. 이동 거리는 기계적으로 제한됩니다. 또한, 직선 속도 제한은 피치를 증가시켜야만 확장할 수 있지만, 이는 위치 분해능을 저하시킵니다. 회전 속도가 지나치게 높으면 스크류가 흔들리면서 진동이 발생할 수도 있습니다. 반면, 직선 모터는 길고 무제한적인 이동 거리를 제공합니다. 부하에 엔코더를 사용하면 장기적인 정밀도는 일반적으로 ±5µm/300mm입니다.

기본 선형 모터 유형

회전 모터 기술이 다양한 것처럼 선형 모터에도 스테퍼 모터, 브러시리스 모터, 선형 AC 유도 모터 등 여러 종류가 있습니다. 선형 모터 기술은 산업 현장에서 흔히 사용되는 구동 장치(증폭기), 위치 제어 장치(모션 컨트롤러), 피드백 장치(홀 센서, 엔코더 등)를 활용한다는 점에 유의하십시오.

맞춤형 선형 모터를 사용하면 많은 설계의 성능이 향상되지만, 일반적으로는 표준 설계도 적합합니다.

브러시리스 철심 선형 모터이동식 포서에 강판을 적층하여 자기장을 집중시키는 것이 특징입니다. 이 모터 유형은 더 높은 토크와 효율을 제공하지만, 비슷한 크기의 무코그 모터보다 무게가 3~5배 더 나갑니다. 고정판은 니켈 냉간압연 강판에 다극 교류 극성 영구 자석이 접착된 구조입니다. 이동식 포서의 강판 적층재는 고정판의 자석과 상호 작용하여 인력을 발생시키고, 모터가 한 자기장에서 다른 자기장으로 이동할 때 약간의 코깅 또는 리플이 발생하여 속도 변화를 일으킵니다.

이러한 모터는 높은 최대 힘을 ​​발생시키고, 열용량이 크며, 열 시간 상수가 길어 이송 라인이나 공작 기계와 같이 매우 무거운 하중을 이동시키는 고력, 간헐적 작동 주기 애플리케이션에 적합합니다. 또한 무제한 이동이 가능하도록 설계되었으며, 궤적이 겹치는 여러 개의 이동 플래튼을 포함할 수 있습니다.

브러시리스 무소음 모터강철 적층판이 없는 이동식 힘 발생기 내부에 코일 어셈블리가 있습니다. 코일은 전선, 에폭시 및 비자성 지지 구조로 구성됩니다. 이 장치는 무게가 훨씬 가볍습니다. 기본 설계는 힘이 약하기 때문에 고정 트랙에 추가 자석을 삽입하여 힘을 증가시키고, 트랙은 U자형으로 되어 있으며 U자의 양쪽에 자석이 있습니다. 힘 발생기는 U자형 트랙의 중앙에 삽입됩니다.

이 모터는 스캐닝 또는 검사 장비와 같이 자기 코깅 없이 부드러운 작동이 요구되는 용도에 적합합니다. 높은 가속도는 반도체 픽앤플레이스, 칩 분류, 솔더 및 접착제 분배 등에 유용합니다. 이 모터는 무제한 이동이 가능하도록 설계되었습니다.

선형 스테퍼이러한 장치는 오랫동안 사용되어 왔으며, 이동식 힘 발생기는 톱니 모양으로 정밀하게 홈이 파인 적층 강철 코어, 하나의 영구 자석, 그리고 적층 코어에 삽입된 코일로 구성됩니다. (두 개의 코일을 사용하면 2상 스테퍼 모터가 됩니다.) 이 어셈블리는 알루미늄 하우징에 밀봉되어 있습니다.

고정판은 연마 및 니켈 도금 처리된 강철 막대에 광화학적으로 에칭된 톱니로 구성됩니다. 이 고정판은 끝과 끝을 연결하여 길이를 무제한으로 늘릴 수 있습니다. 모터에는 포서, 베어링 및 고정판이 포함되어 있습니다. 자석의 인력은 베어링의 예압으로 사용되며, 다양한 용도에 맞게 장치를 거꾸로 작동할 수 있도록 합니다.

교류 유도 모터강판 적층 및 상 권선으로 구성된 코일 어셈블리인 포서로 이루어져 있습니다. 권선은 단상 또는 삼상일 수 있습니다. 이를 통해 직접 온라인 제어 또는 인버터나 벡터 드라이브를 통한 제어가 가능합니다. 고정판(반작용판이라고도 함)은 일반적으로 냉간 압연 강판에 얇은 알루미늄 또는 구리 층을 접합하여 만들어집니다.

가압 코일에 전원이 공급되면 반력판과 상호 작용하여 움직입니다. 이 설계의 강점은 고속 회전과 무제한 이동 거리이며, 자재 운반, 인력 수송, 컨베이어 및 슬라이딩 게이트에 사용됩니다.

새로운 디자인 컨셉

최근 설계 개선 사항 중 일부는 재설계를 통해 구현되었습니다. 예를 들어, (원래 한 평면에서만 움직이도록 설계된) 일부 선형 스테퍼 모터는 이제 XY축 방향으로 움직일 수 있도록 재설계되었습니다. 여기서 이동식 포서는 90° 각도로 직교하여 장착된 두 개의 선형 스테퍼로 구성되며, 하나는 X축 움직임을, 다른 하나는 Y축 움직임을 제공합니다. 궤적이 겹치는 여러 개의 포서를 사용하는 것도 가능합니다.

이 2면 모터에서 고정 플랫폼(또는 플래튼)은 강도 향상을 위해 새로운 복합 소재 구조를 사용합니다. 강성 또한 향상되어 기존 생산 모델 대비 처짐이 60~80% 감소했습니다. 플래튼의 평탄도는 300mm당 14미크론을 초과하여 정확한 움직임을 보장합니다. 마지막으로, 스테퍼 모터는 자연적인 인력을 가지고 있기 때문에 이 설계는 플래튼을 위쪽 또는 뒤쪽 어느 방향으로든 장착할 수 있도록 하여 다양한 응용 분야에 유연성을 제공합니다.

또 다른 공학적 혁신인 수냉식 기술은 선형 교류 유도 전동기의 동력 전달 능력을 25% 향상시킵니다. 이러한 능력 향상과 무제한 이동 거리라는 이점을 통해 교류 유도 전동기는 놀이기구, 수하물 처리 장치, 여객 수송 장치 등 다양한 분야에서 최고의 성능을 제공합니다. 속도는 현재 업계에서 사용 가능한 가변 속도 구동 장치를 통해 6~2,000인치/초 범위에서 가변적으로 조절할 수 있습니다.

또 다른 유형의 모터는 움직임을 제공하는 직선 이동부를 갖는 고정된 원통형 하우징을 포함합니다. 이동부는 구리로 덮인 강철 막대, 이동 코일 또는 이동 자석(예: ​​실린더 내부의 피스톤)일 수 있습니다.

이러한 설계는 선형 모터의 장점을 제공하면서 선형 액추에이터와 유사한 성능을 발휘합니다. 응용 분야로는 생체의학 대장내시경, 긴 셔터 액추에이터를 사용하는 카메라, 진동 감쇠가 필요한 망원경, 리소그래피 초점 모터, 발전기 가동을 위해 차단기를 작동시키는 발전기 스위치 기어, 그리고 토르티야를 찍어내는 것과 같은 식품 압착 공정 등이 있습니다.

선형 모터 패키지 또는 스테이지는 페이로드의 위치 제어에 적합합니다. 이러한 패키지는 모터, 피드백 엔코더, 리미트 스위치 및 케이블 캐리어로 구성됩니다. 여러 스테이지를 쌓아 다축 이동을 구현할 수도 있습니다.

선형 스테이지의 장점 중 하나는 기존 포지셔너에 비해 높이가 낮아 더 작은 공간에 설치할 수 있다는 점입니다. 구성 요소 수가 적어 신뢰성이 향상됩니다. 여기서는 모터가 일반 드라이브에 연결됩니다. 폐루프 작동에서 위치 제어 루프는 모션 컨트롤러를 통해 닫힙니다.

다시 말하지만, 기성품 외에도 맞춤형 및 특수 설계 제품이 매우 다양합니다. 결국, 최적의 선형 제품을 결정하기 위해서는 애플리케이션 엔지니어와 함께 장비 요구 사항을 검토하는 것이 가장 좋습니다.