리니어 모터 선택 시 고려해야 할 3가지 사항

다이렉트 드라이브 리니어 서보 모터는 높은 처리량과 정밀도로 지난 몇 년 간 사용자의 채택이 증가했다. 리니어 모터는 다른 구동 메커니즘에서는 불가능한 고속, 긴 스트로크, 탁월한 포지셔닝 정확도의 조합으로 가장 많이 알려졌다. 또한 매우 부드러우며 정밀한 모션을 구현할 수도 있다. 리니어 모터 기술은 여러 기능(추력, 속도, 가속도, 위치 결정 정확도, 반복성)을 제공하며 리니어 모터가 적합하지 않은 애플리케이션은 거의 없다.

리니어 모터에는 리니어 서보 모터, 리니어 스테퍼 모터, 리니어 유도 모터 그리고 스러스트 관형 리니어 모터가 있다. 리니어 서보 모터가 애플리케이션을 위해 최상의 옵션일 때, 모터 선택 시 고려해야 할 세 가지 사항이 있다.

1. ‘기본’ 고려 사항 : 아이언 코어 또는 아이언리스

리니어 구동 서보 모터는 아이언 또는 아이언리스의 두 가지 주요 유형이 있으며, 주요 부품의 권선(회전 모터의 고정자와 비슷함)이 아이언 적층 스택이나 에폭시에 장착됐는지 여부를 나타낸다. 일반적으로 설계와 선택의 첫 단계에서 애플리케이션에 아이언이나 아이언리스 리니어 모터가 필요한지를 결정한다.

아이언 리니어 모터는 매우 높은 추진력이 필요한 애플리케이션에 가장 적합하다. 이것은 1차 부품의 적층에 2차 부품의 자석 쪽으로 전자기 플럭스를 집중시키는 이빨(돌출부)이 있기 때문이다(회전 모터의 회전자도 비슷함). 1차 부품의 아이언과 2차 부품의 영구 자석 사이의 흡인력은 모터가 높은 힘을 전달할 수 있게 한다.

아이언리스 리니어 모터는 보통 추력이 낮기 때문에 프레스, 가공, 몰딩과 같은 애플리케이션에서 요구되는 매우 높은 추력 요건에는 적합하지 않다. 그러나 고속 조립과 운송에 탁월하다.
아이언리스 리니어 모터는 종종 ‘U- 채널’이나 ‘에어 코어(air core)’ 리니어 모터라고 부른다. 그 이유는 2차 부품이 종종 ‘U’ 모양을 하고 서로 마주 보도록 2개의 자석 플레이트가 스페이서로 분리되어 있기 때문이다. 1차 부품(‘forcer’라고도 함)은 두 개의 자석 판 사이의 슬롯이나 에어 갭(air gap)에 있다.

아이언 코어 설계의 단점은 모션의 부드러움을 떨어뜨리는 코깅(cogging)이다. 코깅은 1차 부품의 슬롯형 설계가 2차 부품의 자석을 따라 이동함에 따라 ‘선호’하는 위치를 갖기 때문에 발생한다.
1차 코일이 2차 코일의 자석과 정렬되는 경향을 극복하기 위해 모터는 더 많은 힘을 만들어야 하는데, 이것은 코깅이라고 하는 속도 리플(velocity ripple)을 야기한다. 이러한 힘이나 속도 리플의 변화는 모션의 매끄러움을 떨어뜨린다.

이는 최종 위치 정확도가 아닌 이동 중 모션의 품질이 중요한 애플리케이션에서 중요한 문제가 될 수 있다.
제조업체는 코깅을 줄이는 데 많은 방법을 쓴다. 그중 하나는 자석(또는 톱니)의 위치를 ​​비뚤어지게 해서 1차 톱니가 2차 자석을 가로질러 이동할 때 보다 부드러운 변환을 만드는 것이다. 자석의 모양을 긴 팔각형으로 바꾸면 비슷한 효과를 얻을 수 있다.

코깅을 줄이기 위한 또 다른 방법은 분수 권선이다. 이 설계에서 1차 코일은 2차 코일보다 많은 적층치를 포함하고, 적층은 특별한 모양을 갖는다. 이 두 가지는 코깅을 없애는 작용을 한다. 물론 소프트웨어는 항상 해결책을 제공한다. 코깅 방지 알고리즘을 쓰면 서보 드라이브와 컨트롤러가 1차로 공급되는 전류를 조정해서 힘과 속도의 변화를 최소화할 수 있다.

아이언리스 리니어 모터는 1차 코일이 강철 라미네이션에 감기는 것이 아니라 에폭시로 캡슐화되기 때문에 코깅이 발생하지 않는다. 또한 아이언리스 리니어 서보 모터는 질량이 낮다(에폭시는 강철보다 가볍고 강성이 낮다).

따라서 전자 기계 시스템에서 볼 수 있는 가장 높은 가속도와 감속 그리고 최대 속도 값 중 일부를 달성할 수 있다. 일반적으로 아이언리스 모터가 아이언 코어 버전보다 정착 시간(settling time)이 더 짧다. 1차 코일에 아이언이 없고, 코깅이나 속도 리플이 없다는 것은 아이언리스 리니어 모터가 속도 변화가 0.01% 미만으로 매우 느리고 안정된 동작을 제공할 수 있음을 뜻한다.

2. 통합의 정도

회전 모터처럼 리니어 서보 모터는 모션 시스템의 구성 요소다. 하나의 완전한 리니어 모터 시스템은 또한 부하, 케이블 관리, 피드백(보통 리니어 엔코더), 서보 드라이브와 컨트롤러를 지원하고 안내하는 베어링을 필요로 한다. 고도로 숙련된 OEM과 머신 빌더(혹은 그들의 독특한 디자인과 성능 요구 사항)는 사내 역량과 다양한 기성품으로 하나의 완벽한 리니어 시스템을 구축할 수 있다.

리니어 모터 시스템 설계는 벨트, 랙, 피니언 또는 나사 기반의 시스템 설계보다 간단하다. 부품 수가 적고 노동 집약적인 조립 단계가 줄어든다(볼 스크루 지지대의 정렬 또는 벨트의 인장). 리니어 모터는 비접촉식이므로 설계자는 윤활, 조정 또는 드라이브 장치의 기타 유지보수를 염려할 필요가 없다.

그러나 턴키 솔루션을 원하는 OEM이나 기계 제조업체에게는 리니어 모터 구동 액추에이터, 고정밀 스테이지, 직교 좌표, 갠트리 시스템에 대한 수많은 옵션이 있다.
DIY-ers의 경우 아이언 코어 리니어 모터에 적합한 리니어 가이드를 선택하는 것은 1차와 2차 부품 사이의 인장력을 고려해 이뤄져야 하며, 이는 선형 가이드에 상당한 부하를 줄 수 있다. 그러나 아이언리스 리니어 모터의 경우에서는 이것이 중요하지 않다. 1차 부품에 아이언이 들어있지 않으므로 1차와 2차 사이에 흡인력이 없기 때문이다.

3. 리니어 모터를 위한 적합한 환경

리니어 모터는 종종 클린룸이나 진공 환경과 같은 어려운 환경에서 선호된다.
움직이는 부품이 적고, 애플리케이션에서 입자 생성, 가스 방출, 온도 요구 사항을 충족하기 위해 거의 모든 유형의 선형 가이드나 케이블 관리가 쌍을 이룰 수 있기 때문이다. 극단적인 경우에는 2차 측(자석 트랙)을 움직이는 부분으로 하고 주요 부분(케이블과 케이블 관리를 포함한 권선)은 고정해서 쓸 수 있다.

그러나 환경이 금속 조각이나 금속 먼지 또는 금속 입자로 돼 있을 때, 리니어 서보 모터가 최선의 선택이 아닐 수도 있다. 이는 아이언 코어 리니어 모터의 경우 특히 본질적으로 열린 디자인이라 자석 트랙이 오염에 노출되기 때문이다.

아이언리스 리니어 모터의 반밀폐 설계가 더 안전하다. 그렇지만 보조 부품의 슬롯이 오염원에 직접 노출되지 않도록 주의해야 한다.
아이언 코어와 아이언리스 리니어 모터를 모두 둘러쌀 수 있는 디자인 옵션이 있지만, 모터의 열 발산 능력을 감소시켜 잠재적인 문제가 된다.