리니어 모터에는 다양한 유형이 존재하며, 그에 따라 각기 다른 특성을 지닌다. 아이언 코어 리니어 모터, U채널 모터, 튜블러 리니어 모터 등 대표적인 리니어 모터의 장단점을 살핀다.
아이언 코어 모터Iron-Core Motor
이름에서 알 수 있듯 아이언 코어 모터는 코어에 철을 사용한 것이다. 가장 오랫동안 사용되어 온 리니어 모터의 유형으로, 기본 구조는 회전식 모터와 유사하다. 아이언 코어 모터는 철심 코일이 자기장을 증폭시키는 원리를 이용하여 큰 힘을 낼 수 있다. 하지만 아이언 코어 모터를 사용하는 시스템을 설계한다면, 고려해야 할 단점들이 존재한다.
① 코깅Cogging : 부드러운 모션을 구현한다면, 코깅에 특히 주의해야 하는데, 아이언 코어 유형에서는 코깅을 피할 수 없다. 철이 주 성분으로 존재하기 때문이다.
② 와전류 및 열Eddy currents and heat : 금속이 함유된 다른 전기 모터와 마찬기로, 아이언 코어 리니어 모터에서도 와전류가 생성된다. 와전류는 움직임을 방해하는 요소이며, 많은 열을 발생시킨다. 오늘날 모든 아이언 코어 모터에는 와전류 생산을 줄이기 위한 조치들이 적용되어 있지만, 와전류를 완전히 제거할 수는 없다.
③ 자기 포화Magnetic saturation : 아이언 코어 모터가 큰 힘을 발생시킬 수 있는 것은 모터의 철 성분이 코일에 의해 생성된 자기장에 재배열되는 자기 도메인을 갖고 있기 때문이다. 이를 통해 자기장의 강도와 힘을 증가시킬 수 있지만, 특정 상황에서 힘과 전류의 관계가 변하는 자기 포화 현상이 발생하여 정상적으로 제어되지 않을 수 있다.
④ 대형 풋프린트Large footprint : 아이어 코어 방식의 모터는 소형화가 어렵다. 아이언 코어 방식에서는 N극, 또는 S극 등 자석의 절반만 이용하기 때문이다. 따라서 아이언 코어 모터는 다른 방식들에 비해 큰 크기를 갖게 된다.
⑤ 횡력과 인력Lateral and attractive forces : 철심과 영구 자석 사이에 존재하는 인력은 모터가 통전될 때 생성되는 힘보다 클 수 있다. 이러한 인력 때문에 다른 유형에 비해 더 강력한 선형 가이드가 필요하게 된다. 이는 또한 횡력도 발생시켜 이에 대응하기 위한 요소를 설계 시 추가해야 한다.
이처럼 아이언 코어의 유형을 이용하기 위해서는 설계 과정에서 반드시 고려해야 할 항목이 존재한다. 하지만 큰 힘이 요구된다면, 아이언 코어 리니어 모터는 좋은 선택이 될 수 있다.
U채널 모터U-Channel Motor
U채널 모터의 가장 큰 특징은 중요 위치에 철 성분을 사용하지 않는다Iornless는 점이다. 따라서 자기 포화 현상이나 코깅에 대한 우려를 제거할 수 있다. 철 대신 양면에 영구 자석을 마주보도록 하고, 알루미늄으로 만들어진 비철 제재의 판에 에폭시가 장착된 전자기 코일을 부착하여 구성된다.
아이언 코어 모터와 마찬가지로 U채널 유형의 모터도 설계자가 고려해야 할 장단점이 존재한다. 아이언리스이기에 코깅과 자기 포화 현상으로부터 자유롭다는 점 외에도 수직 또는 수평 장착이 가능할 뿐 아니라 낮은 평면 프로파일도 가능하여 공간 제약을 극복할 수 있다는 점은 U채널 모터가 지니는 고유의 강점이다. 하지만 U채널 모터 역시 아래와 같이 선택 시 설계자가 반드시 고려해야 할 사항들을 갖고 있다.
① 낮은 강성Lower stiffness : 다른 두 가지 모터 유형보다 낮은 고유 강성을 지닌다. 일반적으로 에폭시 몰딩epoxy molding으로 부착된 코일이 사용되기 때문이다. 강성의 감소는 U채널 모터의 출력을 감소시키는 원인으로 작용된다.
② 열 발산의 감소Reduced heat dissipation : 철 성분을 제거하기 위해 제2의 자석을 추가하면서 U자형 구조를 지니게 된다. 그런데 이는 작동 중 열 발생 지역의 공기 흐름을 방해하는 요소로 작용하여 발열에 어려움을 갖게 된다. 에폭시가 철에 비해 열 전도율이 매우 낮다는 점도 발열에 불리한 조건이 된다. 따라서 모터의 열 축적을 방지하기 위해 방열판을 추가해야 한다.
③ 낮은 작동 온도Lower operational temperature : 모터의 낮은 열 전달력은 모터의 작동 범위를 제한하게 된다. 에폭시와 플라스틱은 높은 온도에서 강도와 강성을 잃게 되므로, U채널 모터의 작동 온도는 다른 모터 유형보다 낮다.
④ 높은 비용Higher cost : 제2의 자석 세트는 비용을 증가시키는 요소로, U채널 모터는 다른 유형에 비해 높은 가격대를 형성하게 된다.
튜블러 리니어 모터Tubular linear motor
튜블러 리니어 모터는 앞서 설명한 두 모터 유형과 설계 방식이 다르다. 전자기 코일과 영구 자석이 평행자를 통해 상호작용하는 대신 디스크형 자석과 이를 둘러싸는 코일을 구성하여 구동력을 발생시키는 구조이다.
<그림 3>에서 볼 수 있듯 튜블러 리니어 모터 코일은 자석을 완전히 둘러싸 영구 자석의 모든 자속magnetic flux을 이용한다. 따라서 힘의 발생 효율이 높고, 포시셔닝 제어 기능도 우수하다. 또 방열판 추가, 횡력 대응 등 부수적인 설계 요인도 없기 때문에 다른 두 유형의 설계와 비교하여 비용을 낮출 수도 있다. 코깅이나 와전류 생성으로부터도 자유롭다.
