선형 모터는 기존의 회전 모터 구동 선형 액추에이터에 비해 더 빠르고, 정밀하며, 더 안정적인 성능을 제공하여 모션 제어의 가능성을 재정의했습니다. 선형 모터의 고유한 특징은 기계적 동력 전달 부품 없이 부하를 이동시킨다는 것입니다. 모터 코일의 자기장에 의해 생성된 선형력이 부하에 직접 결합됩니다. 따라서 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 기계 장치가 필요 없어 시스템의 수명, 정밀도, 속도 및 전반적인 성능이 향상됩니다.

생산성 향상, 제품 품질 향상, 빠른 개발 시간, 그리고 엔지니어링 비용 절감에 대한 요구가 증가함에 따라, 모듈형 리니어 모터 설계를 활용한 리니어 모터 기술 도입이 점차 인기를 얻고 있습니다. 리니어 모터는 계측, 정밀 절삭 시스템, 반도체 및 전자 제조 장비, 웨이퍼 처리, 리소그래피, 비전 검사 시스템, 의료 장비 및 기기, 테스트 시스템, 항공우주 및 방위, 조립 라인 자동화, 인쇄 및 포장 분야를 비롯하여 높은 처리량과 고정밀 리니어 모션이 필요한 다양한 분야에서 사용됩니다.

선형 모터 설계의 구성 요소는 높은 정밀도와 반복 가능한 공정으로 가공 및 조립되어야 합니다. 이러한 부품의 정확한 정렬은 매우 중요하며, 상당한 설계 세부 사항과 조립 기술이 요구됩니다.

오늘날, 차세대 모듈형 리니어 모터는 판도를 바꿨습니다. 턴키 방식의 모듈형 리니어 모터는 시스템에 쉽게 장착하여 즉시 작동할 수 있어 엔지니어링 시간을 크게 단축합니다. 엔지니어는 이제 모듈형 리니어 모터 기술의 강력한 이점을 단 며칠 만에 기계 설계에 적용할 수 있습니다. 몇 달 또는 몇 년이 걸리던 작업도 이제 가능합니다.

선형 모터 시스템은 9가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

1. 베이스 플레이트
2. 모터 코일
3. 영구 자석 트랙(일반적으로 네오디뮴 자석)
4. 모터코일을 부하에 연결하는 캐리지
5. 캐리지가 안내되고 베이스에 연결되는 선형 베어링 레일
6. 위치 피드백을 위한 선형 인코더
7. 종착점
8. 케이블 트랙
9. 환경 오염으로부터 자석 트랙, 인코더 및 선형 레일을 보호하는 옵션 벨로우즈입니다.

제어 루프

선형 모터 설계의 구성 요소는 높은 정밀도와 반복 가능한 공정을 통해 가공 및 조립되어야 합니다. 이러한 부품의 적절한 정렬은 매우 중요하며, 상당한 설계 세부 사항과 조립 기술이 필요합니다. 예를 들어, 자기 트랙과 이동 모터 코일은 평평하고 평행해야 하며, 둘 사이에 특정 공극을 두고 장착되어야 합니다. 이동 코일은 자기 트랙 위의 평행한 정밀 선형 베어링 레일에 연결된 캐리지 위에 위치합니다. 선형 스케일과 판독 헤드가 있는 위치 인코더는 적절한 정렬 절차와 최대 5G의 가속도를 견딜 수 있는 견고한 장착 설계를 요구하는 선형 모터의 또 다른 중요한 부품입니다. 모듈형 선형 모터는 이러한 세부 사항을 고려하여 사전 설계되었습니다.

그림과 같은 모듈형 선형 모터 시스템은 정밀하고 고속이며 반복 가능한 선형 운동이 필요할 때 사용됩니다. 이 시스템은 볼 스크류, 벨트, 랙 앤 피니언 액추에이터의 대안입니다.

리니어 모터의 동작을 제어하기 위해 정교한 모션 컨트롤러와 서보 드라이브가 사용됩니다. 리니어 모터는 강성과 주파수 응답 측면에서 확실한 이점을 가지고 있습니다. 특정 주파수 범위에서는 기존 볼스크류보다 10배 이상 뛰어난 강성을 보입니다. 이러한 특성 덕분에 리니어 모터는 외부 외란에도 높은 위치 및 속도 루프 대역폭을 놀라운 정밀도로 처리할 수 있습니다. 10Hz에서 100Hz 사이의 공진 주파수를 자주 접하는 볼스크류와 달리, 리니어 모터는 더 높은 주파수에서 작동하기 때문에 공진 주파수가 위치 루프 대역폭을 훨씬 초과합니다.

그러나 기계식 변속 장치 제거에는 상충 관계가 있습니다. 볼 스크류와 같은 기계 부품은 기계의 힘, 고유 공진 주파수 또는 교차 축 진동으로 인한 외란을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이러한 부품이 제거되면 선형 모터는 이러한 외란에 직접적으로 노출됩니다. 결과적으로 이러한 외란을 보상하는 것은 모션 컨트롤러와 구동 전자 장치의 책임이 되며, 서보 축에 직접 작용하여 이러한 외란을 정면으로 해결해야 합니다. 바로 이러한 이유로 오늘날의 정교한 폐루프 모션 알고리즘이 공진을 제거하고 탁월한 위치 루프 제어를 제공합니다.

선형 액추에이터 분야에서 선형 모터는 탁월한 기술력을 제공합니다. 뛰어난 강성과 더 높은 주파수에서 작동하는 이 모터는 기존 모터와 차별화됩니다. 공진 주파수에 저항하고 외부 간섭이 있는 경우에도 높은 정밀도를 유지함으로써 선형 모터는 매력적인 솔루션을 제공합니다.

그럼에도 불구하고, 기계적 전달 장치가 없기 때문에 외란에 대응하여 시스템의 지속적인 성능과 신뢰성을 보장하기 위한 강력한 보상 전략이 필요합니다. 속도 및 위치 루프의 모션 컨트롤러 샘플링 주파수는 일반적으로 5kHz에서 시작합니다. 선형 모터 축은 기존 회전 모터 구동 축의 위치 루프 대역폭보다 5~10배 더 넓은 대역폭을 가질 수 있으며, 이 경우 1kHz 또는 2kHz 주파수가 허용됩니다. 일부 최신 모션 컨트롤러는 20kHz 이상의 샘플링 속도를 지원하여 초고속 피드백 제어와 초정밀 경로 제어를 가능하게 합니다.

대부분의 모듈형 선형 모터 제조업체는 모션 제어 및 서보 전문가이기도 하므로 제어 루프 과제와 기계적 공진 문제도 잘 고려되었으며 이러한 과제를 완화하기 위한 솔루션과 도구가 제공됩니다.

선형 모터 응용 분야

수년 전, 저는 엔지니어 팀과 함께 혁신적인 프로젝트에 착수하여 리니어 모터를 사용하는 귀중한 경험을 쌓았습니다. 바로 세계 최초의 리니어 모터 기반 레이저 절단기를 만드는 것이었습니다. 회전 서보 모터로 구동되는 기존의 리니어 액추에이터 기술은 리니어 모터로 달성할 수 있는 고성능을 제공할 수 없었기 때문에, 리니어 모터를 사용하는 것은 업계에 혁신을 가져올 완벽한 선택이었습니다.

이 기술을 구현하는 것은 쉬운 일이 아니었습니다. 프로젝트를 심도 있게 검토하면서, 저희 애플리케이션에 상용화되지 않은 선형 모터 성능 사양이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 하지만 저희는 굴하지 않고 저희 애플리케이션에 특화된 선형 모터를 설계하기로 결정했습니다.

1,000파운드(450kg)의 갠트리 시스템을 1.5G 가속도로 2.5m/초의 빠른 속도로 이동시켜야 했기에, 엄청난 힘을 낼 수 있는 선형 모터를 설계해야 했습니다. 저희 팀은 끈기 있게 연구 개발에 수많은 시간을 투자한 끝에 마침내 레이저 절단기의 요구 사항을 충족하는 선형 모터를 개발했습니다. 14개월 후, 마침내 선형 모터가 작동하는 것을 보고 매우 자랑스러웠습니다. 갠트리 시스템은 놀라운 속도, 용이성, 그리고 정밀함으로 구동되었습니다. 달성된 성능은 전례 없는 것이었습니다. 만약 당시 턴키 방식의 모듈형 선형 모터를 사용할 수 있었다면, 저희 기계 컨셉이 얼마나 더 빨리 완성되었을지 생각하면 정말 놀랍습니다.

선형 모터 기술은 90년대에 선형 모터 설계 여정을 시작한 이후 크게 발전해 왔습니다. 새로운 모듈형 설계의 도입으로 모션 설계 및 선형 모터 분야의 혁신과 발전 잠재력은 그 어느 때보다 커졌습니다. 모듈형 선형 모터는 더 빠르고, 더 정밀하며, 더 안정적인 모션 제어 기능을 통해 가능성을 재정의하고 있으며, 다양한 산업 분야의 광범위한 응용 분야에 신속하게 적용할 수 있습니다.