선형 모터는 널리 사용되고 있습니다. 선형 모터는 기계에 최고의 정밀성과 동적 성능을 제공합니다.

선형 모터는 위치 결정에 매우 빠르고 정밀할 뿐만 아니라, 기계 헤드와 슬라이드, 공구 및 부품 취급 시스템에 대해 느리고 일정한 이송 속도를 제공할 수도 있습니다. 레이저 수술, 비전 검사, 병 및 수하물 취급 등 다양한 분야에서 선형 모터가 사용되는 이유는 매우 안정적이고 유지 보수가 거의 필요 없으며 생산 주기를 단축하기 때문입니다.

더 빠른 속도와 힘

선형 모터는 부하에 직접 연결되므로 기계적 커플링, 풀리, 타이밍 벨트, 볼스크류, 체인 드라이브, 랙 앤 피니언 등 다양한 커플링 구성 요소가 필요하지 않습니다. 이는 결국 비용과 백래시를 줄여줍니다. 또한 선형 모터는 일관된 동작, 수억 사이클에 걸친 정밀한 위치 결정, 그리고 더 높은 속도를 가능하게 합니다.

선형 모터로 달성 가능한 일반적인 속도는 다양합니다. 픽 앤 플레이스 기계(짧은 이동이 많음) 및 검사 장비 사용선형 스테퍼최대 60인치/초의 속도; 더 긴 이동을 필요로 하는 비행 전단 응용 분야 및 픽 앤 플레이스 기계 사용톱니 없는 브러시리스200인치/초의 속도를 위한 선형 모터; 롤러코스터, 차량 발사기 및 사람 이동 장치는 선형 모터를 사용합니다.교류 유도모터를 사용하여 최대 2,000인치/초의 속도를 달성합니다.

어떤 선형 모터 기술이 가장 적합한지 결정하는 또 다른 요소는 바로 적용 부하를 움직이는 데 필요한 힘입니다. 궁극적으로 이 힘은 부하 또는 질량과 적용 분야의 가속도 프로파일에 따라 결정됩니다.

각 응용 분야마다 다른 과제가 발생합니다. 그러나 일반적으로 부품 전송 시스템은 최대 220N 또는 50lb의 힘을 가진 선형 스테퍼를 사용하고, 반도체, 레이저 절단, 워터젯 절단 및 로봇 공학은 최대 2,500N의 무브러시 톱니 없는 모터를 사용합니다. 컨베이어 시스템은 최대 2,200N의 선형 AC 유도 모터를 사용하고, 전송 라인 및 공작 기계는 최대 14,000N의 철심 무브러시 모터를 사용합니다. 각 응용 분야가 다르고 제조업체의 애플리케이션 엔지니어가 일반적으로 이 사양 단계에서 지원을 제공한다는 점을 명심하세요.

속도와 힘 외에도 다른 요인들이 존재합니다. 예를 들어, 컨베이어 시스템은 긴 이동 거리와 영구 자석이 없는 수동 2차 모터의 장점 때문에 선형 AC 유도 모터를 사용합니다. 레이저 시력 교정 수술이나 반도체 제조와 같은 분야에서는 정확성과 원활한 이동을 위해 브러시리스 코그프리 모터를 사용합니다.

기본 동작

선형 모터는 두 개의 전자기력의 상호 작용을 통해 작동합니다. 이는 회전 모터에서 토크를 생성하는 것과 동일한 기본 상호 작용입니다.

회전 모터를 잘라서 평평하게 만든다고 상상해 보세요. 이는 선형 모터의 구조를 대략적으로 보여줍니다. 토크를 위해 회전축에 부하를 연결하는 대신, 부하를 평평하게 움직이는 자동차에 연결하여 선형 운동과 힘을 얻습니다. 간단히 말해, 토크는 회전 모터가 제공하는 일을 나타내는 반면, 힘은 선형 모터가 제공하는 일을 나타냅니다.

정확성

먼저 기존의 회전 스테퍼 시스템을 생각해 보겠습니다. 인치당 5회전 피치의 볼스크류에 연결된 경우, 정확도는 약 0.004~0.008인치(0.1~0.2mm)입니다. 서보모터로 구동되는 회전 시스템은 0.001~0.0001인치의 정확도를 갖습니다.

이와 대조적으로 부하에 직접 연결된 선형 모터는 0.0007~0.000008인치의 정확도를 제공합니다. 이 수치에는 커플링과 볼스크류 백래시가 포함되지 않았으며, 이는 회전 시스템의 정확도를 더욱 떨어뜨립니다.

상대적인 정확도는 다양합니다. 여기서 자세히 설명하는 일반적인 회전 스테퍼 모터는 사람 머리카락 굵기 이내까지 정확하게 위치를 조정할 수 있습니다. 하지만 서보 모터는 이 정확도를 최대 80배까지 향상시키고, 리니어 모터는 사람 머리카락 굵기보다 500배 더 작은 크기까지 향상시킬 수 있습니다.

때로는 유지보수와 비용(장비 수명 기간 동안)이 정확도보다 더 중요한 고려 사항입니다. 선형 모터는 이 부분에서도 탁월합니다. 비접촉 부품이 기계 작동을 향상시키고 평균 고장 간격을 늘려 선형 모터를 사용하면 유지보수 비용이 일반적으로 감소합니다. 또한, 선형 모터의 백래시가 없어 충격을 제거하여 기계 수명을 더욱 연장합니다. 다른 이점으로는 유지보수 주기 간격을 늘려 운영 흐름을 개선할 수 있다는 점입니다. 유지보수 횟수와 관련 인력이 줄어들어 최종 수익(이익)이 개선되고 장비 수명 기간 동안 소유 비용이 절감됩니다.

비교된 혜택

응용 분야에는 선형 운동이 필요합니다. 회전 모터를 사용하는 경우, 회전 운동을 선형 운동으로 변환하기 위한 기계적 변환 메커니즘이 필요합니다. 이 경우 설계자는 제약을 최소화하면서 응용 분야에 가장 적합한 변환 메커니즘을 선택합니다.

• 선형 모터 대 벨트 및 풀리:회전 모터에서 선형 운동을 얻기 위해 일반적인 방법은 벨트와 풀리를 사용하는 것입니다. 일반적으로 추력은 벨트 인장 강도에 의해 제한됩니다. 빠른 시동과 정지는 벨트가 늘어나 공진을 일으켜 정착 시간이 길어질 수 있습니다. 기계적 와인드업, 백래시, 벨트 늘어짐 또한 반복성, 정확도, 그리고 기계 처리량을 저하시킵니다. 서보 모터에서는 속도와 반복성이 핵심이므로 이는 최선의 선택이 아닙니다. 벨트 풀리 설계가 3m/sec에 도달할 수 있는 반면, 선형 모터는 10m/sec에 도달할 수 있습니다. 백래시나 와인드업이 없는 직접 구동 선형 모터는 반복성과 정확도를 더욱 향상시킵니다.
• 선형 모터 대 랙 앤 피니언:랙 앤 피니언은 벨트 앤 풀리 방식보다 더 높은 추력과 기계적 강성을 제공합니다. 그러나 시간이 지남에 따라 양방향 마모가 발생하여 반복성과 부정확성이 의심스러운데, 이것이 이 메커니즘의 주요 단점입니다. 백래시는 모터 피드백이 실제 부하 위치를 감지하지 못하게 하여 불안정성을 초래하고, 이로 인해 이득이 낮아지고 전반적인 성능이 저하됩니다. 이와 대조적으로, 선형 모터로 구동되는 기계는 더 빠르고 더 정확하게 위치를 결정합니다.
• 선형 모터 대 볼스크류:회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 가장 일반적인 방법은 리드나 볼스크류를 사용하는 것입니다. 리드나 볼스크류는 비용이 저렴하지만 효율이 떨어집니다. 리드 스크류는 일반적으로 50% 이하, 볼스크류는 약 90%의 효율을 보입니다. 마찰이 심하면 열이 발생하고, 장기적인 마모는 정확도를 떨어뜨립니다. 이동 거리는 기계적으로 제한됩니다. 또한, 선형 속도 제한은 피치를 증가시켜서만 확장할 수 있지만, 이는 위치 분해능을 저하시킵니다. 회전 속도가 너무 높으면 스크류가 휩(whipping) 현상을 일으켜 진동을 유발할 수 있습니다. 선형 모터는 길고 무제한적인 이동 거리를 제공합니다. 부하에 엔코더를 연결할 경우 장기 정확도는 일반적으로 ±5 µm/300 mm입니다.

기본 선형 모터 유형

다양한 회전 모터 기술이 있듯이, 스테퍼 모터, 브러시리스 모터, 선형 AC 유도 모터 등 여러 선형 모터 유형도 있습니다. 선형 기술은 드라이브(증폭기)와 포지셔너(모션 컨트롤러), 그리고 업계에서 흔히 볼 수 있는 피드백 장치(홀 센서 및 인코더 등)를 활용합니다.

많은 설계가 맞춤형 선형 모터의 이점을 얻지만, 일반적으로 기존 설계가 더 적합합니다.

무브러시 철심 선형 모터이동 포서(Forcer)에 자속을 흐르게 하는 강철 적층 구조가 특징입니다. 이 모터는 정격 출력이 더 높고 효율도 더 높지만, 비슷한 크기의 코그 없는 모터보다 무게가 3~5배 더 무겁습니다. 고정 플래튼은 니켈 냉간 압연 강판에 접합된 다극 교류 극성 영구 자석으로 구성됩니다. 그러나 이동 포서의 강철 적층 구조는 고정 플래튼의 자석과 반응하여 "인력"을 발생시키고 모터가 한 자석장에서 다른 자석장으로 이동할 때 약간의 코깅이나 리플을 발생시켜 속도 변화를 유발합니다.

이러한 모터는 큰 피크 힘을 발생시키고, 더 큰 열 용량과 긴 열 시간 상수를 가지므로, 이송 라인과 공작 기계와 같이 매우 무거운 하중을 이동하는 고하중, 간헐적 듀티 사이클 애플리케이션에 적합합니다. 이러한 모터는 무제한 이동을 위해 설계되었으며 겹치는 궤적을 가진 여러 개의 이동 플레이트를 포함할 수 있습니다.

브러시리스 톱니 없는 모터이동 포서에 강철 라미네이션 없이 코일 어셈블리를 장착합니다. 코일은 와이어, 에폭시, 그리고 비자성 지지 구조로 구성됩니다. 이 장치는 무게가 훨씬 가볍습니다. 기본 설계는 더 적은 힘을 발생시키기 때문에, 고정 트랙에 추가 자석을 삽입하여 힘을 증가시킵니다. 트랙은 U자 모양이며, 이 U자 모양의 양쪽에 자석이 있습니다. 포서는 U자 모양의 중앙에 삽입됩니다.

이 모터는 스캐닝이나 검사 장비처럼 자기 코깅 없이 원활한 작동이 요구되는 분야에 적합합니다. 높은 가속도는 반도체 픽앤플레이스, 칩 분류, 솔더 및 접착제 도포에 유용합니다. 또한, 무한한 이동 거리를 제공하도록 설계되었습니다.

선형 스테퍼오랫동안 사용되어 왔습니다. 이동 포서는 톱니가 정밀하게 홈을 파낸 적층 강철 코어, 단일 영구 자석, 그리고 적층 코어에 삽입된 코일로 구성됩니다. (코일이 두 개면 2상 스테퍼 모터가 됩니다.) 이 어셈블리는 알루미늄 하우징에 캡슐화되어 있습니다.

고정 플래튼은 광화학 에칭 처리된 톱니가 강철 막대에 부착되어 있으며, 연삭 및 니켈 도금 처리되어 있습니다. 이 플래튼은 길이 제한 없이 끝에서 끝까지 쌓아 올릴 수 있습니다. 모터는 포서, 베어링, 플래튼을 모두 갖추고 있습니다. 자석의 인력은 베어링의 예압으로 사용되며, 다양한 용도에서 장치를 반전된 상태로 작동할 수 있도록 합니다.

교류 유도 전동기강철 적층판과 상 권선으로 구성된 코일 어셈블리인 포서(Forcer)로 구성됩니다. 권선은 단상 또는 3상일 수 있습니다. 이를 통해 직접 온라인 제어 또는 인버터 또는 벡터 드라이브를 통한 제어가 가능합니다. 고정 플래튼(반응판이라고 함)은 일반적으로 냉간 압연 강판에 접합된 얇은 알루미늄 또는 구리 층으로 구성됩니다.

포서 코일에 전원이 공급되면 반응판과 상호 작용하여 움직입니다. 이 설계의 장점은 더 빠른 속도와 무제한적인 이동 거리입니다. 자재 취급, 사람 이동 장치, 컨베이어, 슬라이딩 게이트 등에 사용됩니다.

새로운 디자인 컨셉

최신 설계 개선 사항 중 일부는 재설계를 통해 구현되었습니다. 예를 들어, 일부 선형 스테퍼 모터(원래는 한 평면에서 동작을 제공하도록 설계됨)는 이제 두 평면(XY 동작)에서 동작을 제공하도록 재설계되었습니다. 여기서 이동 포서는 90°로 직교하여 장착된 두 개의 선형 스테퍼로 구성되어 하나는 X축 동작을 제공하고 다른 하나는 Y축 동작을 제공합니다. 겹치는 궤적을 가진 여러 개의 포서 또한 가능합니다.

이 두 개의 평면 모터에서 고정 플랫폼(또는 플래튼)은 강도를 높이기 위해 새로운 복합 구조를 사용합니다. 강성 또한 향상되어 이전 생산 모델에 비해 처짐이 60~80% 감소합니다. 플래튼 평탄도는 300mm당 14마이크론 이상으로 정밀한 움직임을 보장합니다. 마지막으로, 스테퍼 모터는 자연적인 인력을 가지고 있기 때문에 플래튼을 앞면이 위를 향하거나 뒤집힌 상태로 장착할 수 있어 다양한 어플리케이션에 다재다능하고 유연하게 적용할 수 있습니다.

또 다른 엔지니어링 혁신인 수냉 기술은 선형 AC 유도 전동기의 출력 용량을 25%까지 확장합니다. 이러한 성능 확장과 무제한 주행 거리라는 이점을 통해 AC 유도 전동기는 놀이기구, 수하물 처리, 그리고 사람 운반 등 다양한 분야에서 최고의 성능을 제공합니다. 현재 업계에서 사용 가능한 가변 속도 드라이브를 통해 속도는 초당 6인치에서 2,000인치까지 가변됩니다.

또 다른 모터는 고정된 원통형 하우징과 선형 운동부를 포함하여 운동을 제공합니다. 운동부는 구리 도금 강철로 된 막대, 가동 코일, 또는 실린더 내부의 피스톤처럼 움직이는 자석일 수 있습니다.

이러한 설계는 선형 모터의 장점을 제공하면서 선형 액추에이터와 유사한 성능을 발휘합니다. 생의학 대장내시경, 긴 셔터 액추에이터가 장착된 카메라, 진동 감쇠가 필요한 망원경, 리소그래피 포커싱 모터, 발전기를 작동시키기 위해 차단기를 작동시키는 발전기 스위치 기어, 그리고 토르티야를 찍어내는 것과 같은 식품 압착 작업 등에 활용됩니다.

완전한 선형 모터 패키지 또는 스테이지는 페이로드 위치 결정에 적합합니다. 이러한 패키지는 모터, 피드백 인코더, 리미트 스위치, 케이블 캐리어로 구성됩니다. 다축 이동을 위해 스테이지를 적층할 수 있습니다.

선형 스테이지의 장점 중 하나는 높이가 낮아 기존 포지셔너에 비해 더 작은 공간에 설치할 수 있다는 것입니다. 부품 수가 적기 때문에 신뢰성이 더욱 향상됩니다. 여기서 모터는 일반 드라이브에 연결됩니다. 폐루프 동작에서는 위치 루프가 모션 컨트롤러로 닫힙니다.

기성 제품 외에도 맞춤형 및 특수 설계 제품이 풍부합니다. 결국, 애플리케이션 엔지니어와 함께 장비 요구 사항을 검토하여 애플리케이션 요구 사항에 맞는 최적의 선형 제품을 결정하는 것이 가장 좋습니다.