선형 모터는 기존의 회전 모터 구동식 선형 액추에이터에 비해 더 빠르고, 더 정밀하며, 더 안정적인 성능을 제공하여 모션 제어의 가능성을 새롭게 정의했습니다. 선형 모터의 가장 큰 특징은 기계적 동력 전달 부품 없이 부하를 이동시킨다는 점입니다. 모터 코일의 자기장에 의해 생성된 선형 힘이 부하에 직접 전달됩니다. 따라서 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 기계 장치가 필요 없어 시스템의 수명, 정밀도, 속도 및 전반적인 성능이 향상됩니다.

생산성 향상, 제품 품질 개선, 개발 시간 단축, 엔지니어링 비용 절감에 대한 수요가 증가함에 따라 모듈형 선형 모터 설계를 활용한 선형 모터 기술의 도입이 점차 보편화되고 있습니다. 이러한 모터는 계측, 정밀 절단 시스템, 반도체 및 전자 제품 제조 장비, 웨이퍼 핸들링, 리소그래피, 비전 검사 시스템, 의료 장비 및 기기, 테스트 시스템, 항공우주 및 방위 산업, 조립 라인 자동화, 인쇄 및 포장 애플리케이션 등 높은 처리량과 높은 정확도의 선형 운동이 요구되는 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

선형 모터 설계의 구성 요소는 높은 정밀도와 반복 가능한 공정을 통해 가공 및 조립되어야 합니다. 이러한 부품의 정확한 정렬은 매우 중요하며, 상당한 설계 세부 사항과 조립 기술을 요구합니다.

오늘날 차세대 모듈형 선형 모터는 판도를 바꿔놓았습니다. 완벽한 구성으로 제공되는 모듈형 선형 모터는 시스템에 쉽게 장착하여 즉시 가동할 수 있으므로 설계 시간을 크게 단축시켜 줍니다. 이제 엔지니어는 수개월 또는 수년이 걸리던 설계 작업을 단 며칠 만에 모듈형 선형 모터 기술의 강력한 이점을 활용하여 기계 설계를 완료할 수 있습니다.

선형 모터 시스템은 9가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.

1. 베이스 플레이트
2. 모터 코일
3. 영구 자석 트랙(일반적으로 네오디뮴 자석)
4. 모터 코일과 부하를 연결하는 캐리지
5. 캐리지가 안내되고 베이스에 연결되는 선형 베어링 레일
6. 위치 피드백용 선형 엔코더
7. 종착역
8. 케이블 트랙
9. 자석 트랙, 엔코더 및 선형 레일을 환경 오염으로부터 보호하기 위한 선택 사양 벨로우즈.

제어 루프

선형 모터 설계의 구성 요소는 높은 정밀도와 반복 가능한 공정을 통해 가공 및 조립되어야 합니다. 이러한 부품의 정확한 정렬은 매우 중요하며, 상당한 설계 세부 사항과 조립 기술을 요구합니다. 예를 들어, 자기 트랙과 이동 모터 코일은 평평하고 평행해야 하며, 특정 공극을 두고 장착되어야 합니다. 이동 코일은 자기 트랙 위에 평행하게 배치된 정밀 선형 베어링 레일에 연결된 캐리지 위에서 움직입니다. 선형 스케일과 판독 헤드를 갖춘 위치 엔코더 또한 선형 모터의 핵심 부품으로, 정확한 정렬 절차와 최대 5G의 가속도를 견딜 수 있는 견고한 장착 설계가 필요합니다. 모듈형 선형 모터는 이러한 세부 사항들이 이미 고려되어 사전 설계되어 제공됩니다.

그림에 나타난 것과 같은 모듈형 선형 모터 시스템은 정밀하고 고속이며 반복 가능한 선형 운동이 필요할 때 사용됩니다. 이 시스템은 볼 스크류, 벨트 및 랙 앤 피니언 액추에이터를 대체할 수 있습니다.

정교한 모션 컨트롤러와 서보 드라이브는 선형 모터의 움직임을 제어하는 ​​데 사용됩니다. 선형 모터는 강성과 주파수 응답 측면에서 확실한 이점을 가지고 있습니다. 특정 주파수 범위에서 선형 모터는 기존 볼 스크류보다 무려 10배 이상 뛰어난 강성을 나타냅니다. 이러한 특성 덕분에 선형 모터는 외부 교란이 있더라도 높은 위치 및 속도 루프 대역폭을 매우 정밀하게 처리할 수 있습니다. 일반적으로 10~100Hz 사이에서 공진 주파수가 발생하는 볼 스크류와 달리, 선형 모터는 더 높은 주파수에서 작동하므로 공진 주파수가 위치 루프 대역폭을 훨씬 벗어납니다.

하지만 기계식 동력 전달 장치를 제거하면 그에 따른 단점이 발생합니다. 볼 스크류와 같은 기계 부품은 기계력, 고유 공진 주파수 또는 축 간 진동으로 인한 외란을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이러한 부품을 제거하면 선형 모터가 이러한 외란에 직접적으로 노출됩니다. 따라서 이러한 외란을 보상하는 것은 모션 컨트롤러와 구동 전자 장치의 책임이 되며, 이들은 서보 축에 직접 작용하여 이러한 외란에 정면으로 대응해야 합니다. 바로 이 지점에서 오늘날의 정교한 폐루프 모션 알고리즘이 공진을 제거하고 탁월한 위치 루프 제어를 제공하는 데 중요한 역할을 합니다.

선형 액추에이터 분야에서 선형 모터는 탁월한 기술적 성능을 제공합니다. 뛰어난 강성과 높은 주파수에서의 작동 능력은 기존 방식과 차별화되는 강점입니다. 공진 주파수를 극복하고 외부 교란 요인에도 불구하고 높은 정밀도를 유지하는 선형 모터는 매력적인 솔루션을 제시합니다.

그럼에도 불구하고, 기계적 전달 장치가 없기 때문에 시스템의 지속적인 성능과 신뢰성을 보장하기 위해서는 외란에 대응할 수 있는 강력한 보상 전략이 필수적입니다. 모션 컨트롤러의 속도 및 위치 루프 샘플링 주파수는 일반적으로 5kHz에서 시작합니다. 선형 모터 축의 위치 루프 대역폭은 기존 회전 모터 구동 축(1kHz 또는 2kHz 주파수가 허용됨)보다 ​​5~10배 더 넓을 수 있습니다. 최근 개발된 일부 모션 컨트롤러는 20kHz 이상의 샘플링 속도를 지원하여 초고속 피드백 제어 및 초정밀 경로 제어를 가능하게 합니다.

모듈형 선형 모터 제조업체 대부분이 모션 제어 및 서보 전문가이기도 하므로, 제어 루프 관련 문제 및 기계적 공진 문제에 대한 고려가 잘 되어 있으며, 이러한 문제를 완화하기 위한 솔루션과 도구가 제공됩니다.

선형 모터 응용

저는 몇 년 전 엔지니어 팀과 함께 혁신적인 프로젝트, 즉 세계 최초의 선형 모터 기반 레이저 절단기를 개발하는 프로젝트에 참여하면서 선형 모터를 사용하는 귀중한 경험을 쌓았습니다. 기존의 회전식 서보 모터로 구동되는 선형 액추에이터 기술은 선형 모터가 제공하는 고성능을 구현할 수 없었기 때문에, 선형 모터는 업계에 혁신을 가져오기에 완벽한 선택이었습니다.

해당 기술을 구현하는 것은 쉬운 일이 아니었습니다. 프로젝트를 진행하면서 우리 애플리케이션에 필요한 선형 모터 성능 사양을 시중에서 구할 수 없다는 것을 알게 되었습니다. 하지만 우리는 굴하지 않고 우리 애플리케이션에 특화된 선형 모터를 직접 설계하기로 결정했습니다.

우리는 1,000파운드(약 454kg)에 달하는 갠트리 시스템을 2.5m/sec의 초속으로 1.5G의 가속도 하에 이동시켜야 했기에, 엄청난 힘을 낼 수 있는 선형 모터를 설계해야 하는 등 수많은 난관에 직면했습니다. 우리 팀은 끊임없는 연구 개발에 매진하여 마침내 레이저 절단기의 요구 조건을 충족하는 선형 모터를 개발해냈습니다. 14개월 후, 우리가 개발한 선형 모터가 갠트리 시스템을 놀라운 속도, 용이성, 그리고 정밀도로 구동하는 모습을 보았을 때, 우리는 벅찬 자부심을 느꼈습니다. 달성한 성능은 전례 없는 수준이었습니다. 만약 당시 모듈형 선형 모터가 완제품으로 출시되어 있었다면, 우리의 기계 설계가 얼마나 더 빠르게 완성될 수 있었을지 생각해 보면 정말 놀랍습니다.

저희가 1990년대에 선형 모터 설계 여정을 시작한 이후로 선형 모터 기술은 비약적으로 발전해 왔습니다. 새로운 모듈형 설계의 도입으로 모션 설계 및 선형 모터 분야의 혁신과 발전 가능성은 그 어느 때보다 커졌습니다. 모듈형 선형 모터는 더욱 빠르고, 정밀하며, 안정적인 모션 제어 기능을 제공하여 다양한 산업 분야의 광범위한 응용 분야에 신속하게 적용할 수 있도록 함으로써 가능성의 한계를 재정의하고 있습니다.