안티 코그 기술로 아이론리스 리니어 모터 대체

안티 코그 기술로
아이론리스 리니어 모터 대체

아이론코어(Ironcore) 리니어 모터는 그동안 코깅(Cogging)이라고 알려진 현상에 시달려왔다. 흔히 모터를 손으로 밀어 보면 주기적으로 변하는 저항력을 느낄 수 있는데, 이것은 모터코일이 마그넷 트랙에 대해 힘의 분포가 균일하지 못하여 나타나는 현상이다. 코깅은 결과적으로 모터에 의도하지 않은 추가적인 추력으로 작용함으로써, 아이론코어 모터를 사용하는 모션 시스템의 부드러운 움직임을 제한할 수 있다. 반면 아이론리스(Ironless) 리니어 모터는 이러한 문제가 전혀 없으며, 부드러운 모션을 이뤄낼 수 있다.
자료제공/ ㈜대곤 코퍼레이션(www.daekhon.co.kr)

아이론코어(Ironcore) 리니어 모터는 그동안 코깅(Cogging)이라고 알려진 현상에 시달려왔다. 흔히 모터를 손으로 밀어 보면 주기적으로 변하는 저항력을 느낄 수 있는데, 이것은 모터코일이 마그넷 트랙에 대해 힘의 분포가 균일하지 못하여 나타나는 현상이다. 코깅은 결과적으로 모터에 의도하지 않은 추가적인 추력으로 작용함으로써, 아이론코어 모터를 사용하는 모션 시스템의 부드러운 움직임을 제한할 수 있다. 반면 아이론리스(Ironless) 리니어 모터는 이러한 문제가 전혀 없으며, 부드러운 모션을 이뤄낼 수 있다.
그러나 파커 트릴로지(Parker-Trilogy)에서는 실제적으로 코깅을 없애, 기존의 아이론리스 모터만이 고려되었던 어플리케이션에(매우 부드러운 움직임이 필요한 어플리케이션) 아이론코어 모터의 사용을 가능하게 한 안티 코그(Anti-Cog) 기술을 개발해 기존의 아이론코어 리니어 모터의 시장을 넓히고 있다. 이러한 안티 코그를 적용한 아이론코어 모터는 아이론리스 모터의 절반정도의 마그넷을 사용하기 때문에 가격적으로도 아이론리스 모터에 비해 매우 유리하다.

Plot of Typical Cogging Foerce vs Position

기존의 안티 코그 기술은 마그넷이나 라미네이션을 기울여 코깅을 줄였으나, 모터 효율성도 같이 저해하는 측면이 있었다. 그러나 트릴로지에서는 이러한 마그넷이나 라미네이션의 휨이 없고, 모터 효율성도 저해하지 않으면서 코깅을 제거했다. 특히 이 기술은 라미네이션 어셈블리(Assembly)의 코깅 패턴에 동일하면서 반대인 (+,-) 코깅 패턴을 만드는 모터내부의 부가적 기계 특성을 사용하고 있다. 트릴로지에서는 이러한 두가지 코깅 패턴을 간섭시켜 결과적으로 코깅을 제거하고 있다.

아이론모터의 코깅 제거
기존 제품과의 기술 비교

휘어지고 맞춰진 마그넷의 예

아이론코어 리니어 모터는 단순하게 로터리 모터를 절단해서 풀어놓은 것으며, 같은 부품을 포함하지만 기존의 제품과는 약간 다른 관계를 가지고 있다. 여기서 라미네이션 케이지(Cage)는 빗-모양의 백 아이론(Back Iron)이 되며, 와인딩(Winding)은 라미네이션 어셈블리 내의 슬롯(가늘고 긴 구멍) 내부에 위치하고 있다. 주변에 접합되어 있는 마그넷을 가진 샤프트는 표면상의 마그넷을 가진 평평한 판이 된다. 그림 1은 아이론코어 모터 구조의 전형적인 측면도 예시라고 할 수 있다.
그림에서 노란 화살모양들은 라미네이션 이(이처럼 생긴 톱니바퀴)와 위치용 영구 마그넷 어셈블리들 사이에 자기력을 나타내고 있다. 이러한 아이론코어 모터 구조에서는 라미네이션 어셈블리를 오른쪽으로 움직이려는 넷 포스(Net Force)의 수직 구성요소가 있다는 것을 알 수 있다. 코일이 마그넷에 비례해 움직이기 때문에 이 힘은 변하며, 이것이 아이론코어 모터에서 코깅을 일으키고 있다. 이 수직의 힘은 0에 매우 가까워지는 위치가 있으며, 왼쪽으로 갈수록 강해지거나 오른쪽으로 갈수록 강해지는 위치가 있다.
순자기력(Net Magnetic Force)의 수직 구성요소는 베어링 구조에 의해 흡수되어야 하는 코일과 마그넷 트랙사이에 인력을 야기시킨다. 이것이 베어링 프레로드(Preload)로 나타나고 있다. 특히 프레로느는 다른 것들보다 더 높아지는 몇 개의 위치가 있다.
파커 트릴로지의 아이론코어 모터는 단편의 와인딩 기술을 사용해 만들어지고 있다. 이것의 예는 그림2를 보면 알 수 있다. 예시에서 볼 수 있듯이 단편의 와인딩으로 인해 이(Teeth)는 마그넷과 동등하게 부합하지 않아 내부 이에서 나오는 순자기력의 수직 구성요소가 낮아지며, 그것들 중에 많은 부분이 서로 상쇄되고 있다. 그러나 앞쪽과 끝단에서 나오는 코깅 포스(Cogging Force)는 남아있으며, 자기력의 수직 구성요소도 남아있다. 그러나 그것은 기존의 제품보다 훨씬 더 일정하여 베어링 프레로드에서 거의 변이를 일으키지 않는다.

부드러운 움직임 실현
파커 트릴로지의 리니어 모터

코깅 포스는 일정한 속도에서 모터를 움직여서 시간대비 구동앰프의 커렌트 아웃풋(Current Output)을 기록함으로서 측정할 수 있으며, 속도와 모터의 힘 상수를 앎으로서 위치대비 힘이 짜여질 수 있다. 여기서 그림3은 전형적인 구상을 보여주고 있다. 이 구상은 2.5mm/s로 움직이는 R10-1 모터를 사용해서 만들어진 것으로, 그 힘의 35N은 기계적인 베어링 마찰에 의한 것이다. 이 모터는 주기적 파형을 보여주는 30mm 마그넷 피치를 가지며, 모터에 포함된 모든 안티 코그 특성은 보통 구상을 만들기 위해 제거될 수 있다. 또한 아주 느린 속도는 코깅 포스를 두드러지게 하기 위해 선택된다. 여기서 관성 제동(Inertial Damping)은 높은 속도와 하중에서 진폭을 좀 더 작게 보이도록 하고 있다.

Separate Lamination and Anti-Cog Assembiles

Combined Lamination and Anti-Cog Assembly

이러한 코깅은 리니어 모터만의 것은 아니다. 로터리 모터도 같은 문제를 가지고 있으며, 그러한 영향을 최소화하는데 여러가지 전통적인 방법이 있다. 이는 리니어 모터에서도 적용될 수 있다. 예를들어 라미네이션에서 마그넷을 구부리거나 맞추거나 슬롯을 구부리는 것이 이러한 방법들이다. 이것이 한쪽 마그넷에서 다른쪽 마그넷까지의 라미네이션 이의 변이를 완화시키며, 코깅을 줄여준다. 그러나 기존의 방법은 와인딩과 자기장도 더 이상 최적의 상태로 정렬되어 있지 않기 때문에 모터의 포스 출력과 효율도 줄어든다. 그림4는 휘어지고 맞춰진 마그넷의 예를 보여주고 있다.
파커 트릴로지의 특허 진행중인 안티 코그 기술은 휘어진 마그넷을 사용하지 않는다. 또한 모터 코깅을 줄이기 위해 모터 효율을 저해하는 다른 방법을 사용하지 않고 있다. 부가적인 특성이 라미네이션 어셈블리에 더해져서 기존의 방식과 비슷하지만 전혀 다른 코깅 패턴을 만들어내고 있다. 이러한 특성은 안티 코그 블록(Anti-Cog Block)이라고 할 수 있다. 이러한 안티 코그 블록이 추가된 R10-1의 코깅 포스는 그림5와 같다.
이러한 구상은 2.5mm/s에서 움직이면서 만들어지며, 힘의 약 35N은 기계적인 베어링 마찰에 의한 것으로 30mm 피치를 가진 주기적 파형의 부재를 주의해야할 필요가 있다. 안티 코깅 기술을 이용해도 남아있는 포스 파동이 있지만 대부분은 베어링 씰(Seal) 정지마찰 때문이며, 이런 것들을 포함해서도 기존과 비교해 코깅 포스가 90%이상 줄어든다고 할 수 있다.
그림6은 전형적인 라미네이션 어셈블리(Lamination Assembly)와 자기장에서 그것들의 가장 선호하는 위치에 있는 안티 코그 어셈블리(Anti-Cog Assembly)의 상부면을 보여주고 있다. 큰 사각형은 R10-1 라미네이션 어셈블리이며, 이것은 리딩과 트레이닝 엣지(Leading and Training Edges)가 마그넷의 중심에 오도록 위치가 정해진다. 여기서는 단편의 와인딩이 사용되고 내부 이가 서로 상쇄되기 때문에 마그넷을 가진 리딩과 트레이닝 엣지는 상호작용이 가장 선호되는 위치를 결정한다.
이러한 안티 코그 어셈블리는 독점의 분말 금속 재료와 공정을 사용해 만든 평행사변형이라고 할 수 있다. 이 평행사변형이 가장 선호하는 위치는 두개의 마그넷을 연결하는 곳이며, 재료, 형태, 제조공정은 모두 안티 코그 어셈블리의 코깅 포스가 라미네이션 어셈블리의 것과 동일할 수 있도록 조심스럽게 컨트롤해야 된다.

안티 코그 블록으로
모터의 효율을 높인다

두개의 삼각형은 안티 코그 어셈블리 평행사변형을 반으로 자름으로서 만들어질 수 있다. 만약 이 삼각형들이 라미네이션 어셈블리의 끝부분에 위치하면 그림7에서 보여주는 것처럼 마그네틱 싸이클에서 180도로 바뀔 수 있다. 즉, 자기장 내에 가장 선호하는 포지션에 있는 대신, 그것들이 가장 덜 선호하는 위치에 있게 된다는 원리이다. 현재 결합된 라미네이션과 안티 코그 어셈블리의 경우는 마그넷에 대한 위치와 상관없이 균형이 잡혀 있다.
이러한 기술은 이렇게 해서 안티 코그 기술이 모터 효율을 희생하지 않고 원래의 코깅을 제거하기 위해 라미네이션 어셈블라와 안티 코그 어셈블리의 코깅 패턴을 조합하는 파괴적 간섭을 사용한다는 것을 보여주고 있다. 안티 코그 평행사변형은 삼각형으로 잘려지고 전체 길이를 줄이기 위해 라미네이션 어셈블리의 끝에 놓이게 된다. 여기에서는 단편의 와인딩이 사용되며, 내부 이에서 나온 코깅 포스가 서로서로 상쇄하기 때문에 같은 사이즈와 형태의 안티 코그 블록들이 라미네이션 어셈블리의 길이와 상관없이 사용될 수 있다.
아이론코어 리니어 모터 코일은 마그넷에 대한 선호하는 위치를 가지고 있다. 이것이 분열되는 코깅 포스를 야기시켜 그동안 평탄함(부드러움)을 요구하는 어플리케이션에서 성능을 제한해왔다고 할 수 있다. 또한 마그넷이나 슬롯을 휘거나 마그넷을 만드는 것과 같은 방법들은 코깅을 줄일 수 있었지만 모터의 효율성을 희생해야했다.
그러나 특허 진행중인 파커 트릴로지의 안티 코그 기술은 모터 효율을 희생하지 않으며, 본래의 코깅 포스를 상쇄하는 모터 내부의 부가적인 특성을 사용하고 있다.한다. 요약하자면 안티 코그 블록은 독점의 분말 금속 공정을 사용해서 만들어지고 모터 본래의 코깅 포스에 같으면서도 반대인 코깅 포스를 만들 수 있다. 이 기술처럼 두개가 같은 하우징내에서 결합되면 포스는 서로를 상쇄시키고 90%이상 줄어든다. 이러한 단편 와인딩의 사용은 안티 코그 기술의 실행을 단순화시켜 좀 더 일관된 베어링 프레로드용의 일정한 인력을 낼 수 있다.
특히 안티 코그 기술은 실질적으로 코깅을 제거하고, 아이론리스 모터만이 고려되었던 어플리케이션에서도 아이론코어 모터의 사용을 가능하게 하고 있다. 또한 아이론 코어 모터는 아이론리스 모터가 가지는 마그넷의 절반 정도를 사용하기 때문에 리니어 모터 솔루션의 가격 장벽을 낮추는데 기여하고 있다.

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