‘리니어 샤프트 모터’에 대해 자주 묻는 4가지 질문과 해답
‘튜브형 리니어 모터(Tubular Linear Motor)’라고도 하는 ‘리니어 샤프트 모터’는 영구 자석 기반 기술로, 한 축에서 직선 운동을 생성한다. 이 리니어 모터는 제작, 설계, 통합이 비교적 간단하다. 또한, 매우 높은 신뢰성과 증가하는 전력 밀도로 인해 다양한 자동화 기계에서 탁월한 성능을 발휘한다. 이 기사에서는 리니어 샤프트 모터에 대해 자주 묻는 네 가지 질문에 대한 해답을 제공한다.
▲ Nippon Pulse 리니어 샤프트 모터의 직경(샤프트 크기)은 몇 밀리미터(연필심 정도의 직경)에서 1300mm에 이르기까지 다양하다.
Q. TUBULAR LINEAR MOTOR는 어떻게 작동하나?
평평한 형태의 일부 리니어 모터와 마찬가지로, 리니어 샤프트 모터에는 영구 자석 스택과 권선이 있는 고정자가 있다. 그러나 리니어 샤프트 모터의 자석은 평평한 트랙에 부착되는 대신 디스크 모양을 하고 스테인리스 튜브에 내장되어 있다. 그리고 포스(입력을 위한 전자기 코일을 포함)가 이 샤프트를 감싸고 있어, 포스의 코일에 전류를 흘리면 전자기계적 기반의 리니어 운동이 가능하다.
Q. ‘리니어 샤프트 모터’가 왜 생소하게 느껴지는가?
리니어 샤프트 모터는 한때 상당히 비쌌다. 그러나 리니어 샤프트 모터에 사용되는 것과 유사한 고출력 영구 자석을 사용하는 응용 분야가 확산되고 가격이 하락함에 따라(규모의 경제 덕분에) 리니어 샤프트 모터는 웨이퍼 제조 및 기타 정밀 모션 설계에 점점 더 적합한 솔루션이 되었다. 사실, 리니어 샤프트 모터는 몇 년 전보다 훨씬 강력해졌고, 이제 볼스크류 또는 리드스크류와 결합된 회전식 모터를 기반으로 하는 일반 기성품 리니어 액추에이터와 경쟁하고 있다.
물론, 리니어 샤프트 모터가 적합하지 않은 경우도 드물게 있다. 예를 들어, 설계 비용을 적게 유지해야 하는 제품에는 적합하지 않다. 이런 경우를 제외하면 리니어 샤프트 모터의 20% 정도의 비용 프리미엄은 일반적으로 단순성과 높은 신뢰성으로 정당화 된다. 설계 단순성으로 인해 추가 비용이 감소된 구성 요소 수로 상쇄되는 경우가 많다. 하지만 분명한 것은, 리니어 샤프트 모터의 사용 증가 추세는 가격 하락보다는 관련 교육의 증가와 관련이 더 깊다. 많은 OEM의 엔지니어링 팀은 리니어 샤프트 모터에 대해 전혀 알지 못하며, 모터에 대해 배우고 적용한 후에야 모터의 뚜렷한 장점(단순성, 정확성, 속도 등)을 인식하게 된다.
▲ OEM 업체들은 별도의 리니어 모터 샤프트와 포스를 구입하여 자체 액추에이터를 만들거나, 모터를 통합 리니어 액추에이터 및 스테이지로 지정하여 턴키 통합을 할 수 있다. 자체 리니어 액추에이터를 설계하고 싶지는 않지만, 일정한 속도, 힘, 정확도로 하중을 밀고 당겨야 하는 엔지니어에게 적합하다.
Q. 리니어 샤프트 모터를 어떻게 통합할 수 있나?
OEM 업체들은 두 가지 방법으로 리니어 샤프트 모터를 통합할수 있다.
• 별도의 리니어 모터 샤프트와 포스를 지정하고 통합하여 자체
• 리니어 액추에이터와 스테이지(리니어 엔코더, 리니어 베어링, 압출 알루미늄 하우징이 포함된)로 사전 통합된 모터를 지정하여 턴키 통합을 하는 방법
전자의 경우, 스트로크는 기본적으로 무제한이다. 그러나 항공 운송 및 기타 운송 제약과 관련된 실질적인 고려 사항으로 인해 관형 모터 샤프트는 최대 ~14피트 길이의 버전으로 판매될 수 있다. 어떤 형식이든 리니어 샤프트 모터는 파나소닉, 로크웰 오토메이 션, 미쓰비시, 오므론, 지멘스 등 수십 개의 제조업체에서 생산하는 기성품 모터 컨트롤러 드라이브와 통합할 수 있다. 이는 부분 적으로 드라이브가 리니어 샤프트 모터를 단순한 3상 브러시리스 직류 모터로 인식하기 때문이다.
실제로, Nippon Pulse는 현재 표준형 또는 맞춤형 형식으로 구입할 수 있는 사용자 친화적인 모션 컨트롤러를 제공하고 있다. 그리고 Nippon Pulse는 중소형 모터를 구동할 수 있는 COMMANDER 컨트롤러와 Titan Drive 시리즈 드라이브-컨트 롤러 모듈을 제공하고 있다.
리니어 샤프트 모터는 예측 유지보수 및 기타 IoT 기능을 위한 엣지 분석과 머신 러닝을 지원하는 시스템에 적합한 전자 제어 기능을 제공한다. 이는 전자 기능이 없는 액추에이터와 달리, 리니어 샤프트 모터가 전기 및 전자 신호를 통해 매우 간단하게 데이터를 수집할 수 있기 때문이다. 유압 및 공압 액추에이터가 점점 전기 액추에이터로 대체되고 있는 것은 당연한 일이다. 전기 액추에이 터는 A-B(bang-bang) 스트로크는 물론 전체 리니어 스트로크에 걸친 위치 결정도 가능하다.
엣지 컴퓨팅과 예측 유지보수를 가장 많이 활용하는 시장은 △1 분간의 가동 중단으로 5만 달러 이상의 비용이 발생할 수 있는 자동차 산업 △웨이퍼 한 장의 가격이 5만 달러 이상에 달하는 반도체 산업 △정유 공장, 코크스 공장, 석유 가공 공장에서 시스템이한 번만 멈춰도 수만 달러의 비용이 발생할 수 있는 에너지 산업 등이 있다.
▲ Nippon Pulse는 12가지 표준 샤프트 사이즈(20가지 이상의 맞춤형 샤프트 사이즈 포함)와 2m 길이의 리니어 샤프트 모터 액추에이터 옵션을 제공한다.
▲ 리니어 샤프트 모터의 구조는 본질적으로 정밀한 위치 결정 능력을 제공한다. (사진 출처: Design World)
Q. 성능은 얼마나 좋은가?
리니어 샤프트 모터는 조용하고 코깅이 전혀 발생하지 않으며, 무거운 하중이 걸려 있어도 초당 10미터까지 움직일 수 있다. 코깅이 발생하지 않는다는 것은 리니어 샤프트 모터가 분자 폭만큼의 정확도를 제공할 수 있다는 것을 의미한다. 경우에 따라서는 몇피코미터까지 가능하다. 이 모터는 반도체 제조 과정에서 인텔과 마이크론이 사용하는 리소그래피(lithography)에 사용될 수 있다. 이 경우, 움직이는 도구의 정확도는 수 나노미터 이내로 제어 되어야 한다.
여기서는 리니어 샤프트 모터가 어떻게 전통적인 단일축 리니어 액추에이터를 대체할 수 있는지에 초점을 맞추고 있지만, 리니어 모터는 종종 여러 개의 조정된 기계 축에 움직임을 전달한다. 여기에서 칩당 4개의 축을 제어할 수 있는 Nippon Pulse 컨트롤러를 데이지 체인으로 연결하여 4개, 8개, 12개 또는 그 이상의 추가 리니어 축을 조정할 수 있다. 리니어 샤프트 모터는 모든 자동화 산업에서 사용되는 직교 좌표(X Y Z) 테이블, 생명과학 분야에서 가장 많이 사용되는 6축 로봇, 반도체 생산의 고속 픽 앤 플레이스 작업과 SCARA 로봇 엔드 이펙터에 사용되어 왔다.
▲ 리니어 샤프트 모터의 응용 분야는 의료 디자인부터 엘리베이터, 그리고 엄청난 무게를 고속으로 밀어내는 독점 디자인에 이르기까지 다양하다. (사진 왼쪽) Nippon Pulse 리니어 샤프트 모터는 포뮬러 원 경주용 자동차의 네 바퀴를 테스트 하여 자동차가 오픈 트랙에서 경험하게 될 중력을 시뮬레이션한다. 각 리니어 모터는 3000N의 힘으로 자동차를 반복적으로 아래에서 들어 올린다. (사진 오른쪽)
자료제공: NPM(www.nipponpulse.com)
