회전형 모터의 한계를 극복한 모터의 원리와 특성

리니어 모터의 작동 원리

기존의 회전형 모터가 가지고 있던 단점을 극복하기 위한 목적 하에 회전형 모터를 축 방향으로 잘라 펼쳐 놓은 형태의 직선 방향으로 미는 힘의 추력을 발생시키는 리니어 모터가 개발되었다. 리니어 모터와 회전형 모터의 구동 원리는 근본적으로 같지만, 리니어 모터는 가동부와 고정부의 비접촉 상태에서 전자기적 추진력을 발생시켜 회전식 모터의 한계를 극복할 수 있다는 특성을 보유하고 있다.

리니어 모터는 <그림 1>과 같이 연자성체와 영구 자석에 의해 자기회로가 형성되고, 자기회로 안의 공극부에 코일이 위치하는 구조로 이뤄져 있으며, 형성된 자기장 속에 있는 코일에 전류가 흐르면서 발생하는 로렌츠 힘에 의해 축 방향으로 이동한다.

리니어 모터의 장점

리니어 모터는 직선형의 구동력을 직접 발생시킬 수 있어 기계적인 변환 장치가 필요 없으며, 간단한 구조를 갖추고 있어 에너지 손실이나 소음, 속도 제한에 의한 영향 또한 받지 않는다. 추가적으로 리니어 모터는 기어, 벨트, 체인, 스크류 등이 필요 없어 다양한 장점을 갖추고 있다는 평가를 받고 있다.

이 같은 리니어 모터의 대표적인 장점으로는 ▲ 무 마찰, 무 에너지 손실 ▲ 무 마모로 긴 부품 교체 주기 실현 ▲ 무 소음 ▲ 간단한 시스템 구조 ▲ 보수 및 점검상의 용이성 ▲ 소형 및 경량화 가능 ▲ 가속 제한 현상의 낮은 발생 가능성 ▲ 초고속 운전 가능 ▲ 시스템의 높은 종합 효율성 ▲ 고성능화 가능 등을 들 수 있다.

보이스 코일 모터의 작동 원리

일반적으로 시스템을 설계할 때 DC·스테퍼 모터를 사용하면 속도와 소형화에 있어서 한계가 나타난다. 보통 속도 증가와 소형화가 이뤄질 시 작업 공정상에서 동시간 대비 생산 효율이 개선되고, 공간을 절약할 수 있다는 이점이 생기는데, 이와 관련된 요구 조건을 충족시킬 수 있는 제품으로 보이스 코일 모터가 꼽히고 있다. 보이스 코일 모터의 원리는 <그림 2>와 같은데, 이 원리는 리니어 모터와 동일하다.

하지만 보이스 코일 모터는 리니어 모터와는 달리 영구 자석을 1개 또는 2개 정도만 사용해 25mm 내외의 구간 운동을 빠르게 반복할 수 있으며, 10Hz 이상의 속도를 구현 가능하다.

보이스 코일 모터의 장점

보이스 코일은 구조상 마찰이 발생하지 않기 때문에 빠른 응답성과 선형성 및 소형화를 구현 가능하다. 이 때문에 보이스 코일 모터는 주로 소형기기의 빠른 정밀 제어 용도로 사용되고 있는데, 한국에서는 카메라의 Auto Focusing용으로 사용되어 왔다.

한편, 보이스 코일 모터에 리니어 인코더와 포스 센서를 부착해 사용할 시 보이스 코일 모터가 가진 빠른 속도와 0.01um 이하의 정밀도 및 1mN까지 사용자가 원하는 힘으로 제어할 수 있으며, 이를 다양한 애플리케이션에 적용해 활용할 수도 있다.

자료제공 | PI Korea(www.pikorea.co.kr)