실제 산업에서 응용할 수 있는 분야가 꾸준히 증가함에 따라 리니어 모터의 위상이 강화되어왔다. 다양한 리니어 모터 개요에 대해 알아보고, 로터리 모터와 어떤 차이점이 있는지 설명한다. 

리니어 모터는 산업 응용이 용이하고 응용사례가 늘어남에 따라 지난 10여 년 간 극적인 증가세를 보였다.

리니어 모터를 쉽게 설명하자면 ‘편평하게 펼쳐진 로터리 모터’로 정의할 수 있다. 리니어 모터와 로터리 모터의 동작 원리는 동일하다. 회전자가 에폭시로 싸여진 권선으로 구성 되고, 트랙은 강철에 영구자석(보통 고출력 희토류 자석을 많이 사용한다)을 부착하여 조립한다. 모터의 회전자는 권선·홀 효과 보드·서미스터(온도 모니터링 기능) 및 전기적인 접속을 포함한다. 로터리 모터에서 회전자와 고정자는 회전자를 지지하고 움직이는 부품 사이의 공극을 유지하기 위한 로터리 베어링이 필요하다. 마찬가지로 리니어 모터는 영구자석 트랙의 자기장내에 회전자의 위치를 유지하는 리니어 가이드 레일이 필요하다.

로터리 서보 모터가 인코더를 탑재해 샤프트 위치를 피드백하는 것처럼, 리니어 모터도 리니어 방향에서 위치 피드백을 위해 인코더를 사용한다. 리니어 인코더를 사용할 때에는 부하 위치의 정확도를 높이기 위해 위치를 부하에서 직접 측정한다.

리니어 모터 제어는 로터리 모터와 동일하다고 볼 수 있다. 회전자와 트랙 사이에 기계적인 연결이 전혀 없는 것. 즉, 마치 브러시리스 로터리 모터와 같이 브러시가 없다.
 

회전자가 돌아가지만 고정자는 고정되어 있는 로터리 모터와 달리, 리니어 모터 시스템은 회전자 또는 영구자석 트랙 중 하나를 움직이게 할 수 있다(위치 결정 시스템 응용은 대부분 움직이는 회전자와 고정된 트랙을 사용한다). 움직이는 회전자 모터의 경우 회전자 무게가 부하에 비해 작은 편이다. 하지만 높은 유연성을 가진 케이블로 구성된 케이블 관리 시스템이 필요하다. 반대로 트랙 장치를 움직이면 모터는 영구자석 트랙의 중량과 함께 부하를 이동시켜야 한다. 하지만 케이블 관리 시스템은 필요 없다.
 

로터리 모터와 리니어 모터는 유사한 전자 기계 원리를 적용한다. 로터리 모터에서 토크를 생성하는 동일한 전자석 힘이 리니어 모터에서는 힘을 생성한다. 따라서 리니어 모터는 로터리 모터처럼 동일한 제어와 프로그램이 가능한 위치 결정을 사용한다.
 

리니어 모터는 모양에 따라 플랫형과 U-채널 또는 튜브형으로 구분할 수 있다. 개별적인 응용에 대한 가장 적절한 설정은 사양과 동작 환경에 따라 다르다.

원통형 이동-영구자석 리니어 모터

원통형 이동-영구자석 설계를 보자. 회전자는 원통형 구조를 띠고 있으며 영구자석을 품고 있는 원통형의 막대를 따라 움직인다. 상업적인 응용 사례에서 가장 찾기 쉬운 형태다. 하지만 자체의 편평함과 U-채널 상대 품목의 공간 절약적인 특성을 모두 활용하는 구조는 아니다.
 

원통형 이동-영구자석 리니어 모터의 자기회로는 이동 영구자석 액추에이터의 자기회로와 유사하다. 하지만 권선이 스트로크를 증대시키기 위해 반복적으로 배치되어 있다는 점이 다르다. 권선은 일반적으로 홀 효과 장치를 사용하는 브러시리스 전환 기능을 가진 3상으로 구성된다.

회전자는 원통형으로 만들어져있다. 영구자석 막대를 상하로 이동시킨다. 영구자석 막대는 누설 자속에 민감한 응용사례에는 적합하지 않다. 또한 영구자석 막대와 인력이 작용하는 표면 사이에 신체나 여타 물건이 들어가면 사고로 이어질 수 있으므로 주의해야 한다.
 

튜브형 모터 설계에는 한 가지 잠재적인 문제가 있다. 이동거리가 늘어날 때 문제점이 드러나는 것. 튜브형 모터 설계는 모터가 완전히 원통형이고 막대를 상하로 이동하는 형태를 취하고 있다. 따라서 이 설계는 종단부에만 지지 지점을 가지고 있다. 막대 내의 굴절로 영구자석이 회전자를 접촉하지 않게 하기 위해 길이에 한계가 있다. 

U-채널 리니어 모터
U-채널 리니어 모터는 금속판 사이에 있는 회전자와 함께 서로 마주보는 2개의 평행 영구자석 트랙을 가지고 있다. 회전자는 영구자석 트랙 내에 있다. 베어링 시스템이 회전자를 지지한다.

회전자는 아이언리스 형태를 띠고 있다. 이는 회전자와 영구자석 트랙 사이에 생기는 인력에 지장을 주는 힘이 없음을 의미한다. 아이언리스 권선 조립 부품은 질량이 낮으며 높은 가속도를 실현한다.

일반적으로 권선은 브러시리스 전환 기능이 있는 3상 형태를 취한다. 모터에 공기 냉각 기능을 추가함으로써 성능 증가를 꾀할 수 있다. 수랭식 냉각도 고려할 수 있다.
 

이 설계는 영구 자석이 서로 마주하고 있고, U자형 채널에 위치하기 때문에 누설자속을 줄이는 데에 적합하다. 또한 강력한 자기 인력으로부터 손상 위험을 최소화한다.
 

자석 트랙 설계는 이동거리 면에서 유리하다. 서로 결합함으로써 이동거리를 늘릴 수 있는 것. 하지만 케이블 관리 시스템 길이와 인코더 길이 그리고 크고 편평한 구조를 가공하는 능력 등으로 인해 동작 거리에 제한이 생긴다.

플랫 리니어 모터

플랫 리니어 모터(모두 브러시리스)는 슬롯리스 아이언리스, 슬롯리스 아이언, 슬롯 아이언 등 3가지 형태가 있다. 모터 형태 중 가장 알맞은 형태를 선택하기 위해서는 우선 모터에 대한 이해가 필요하다.

슬롯리스 아이언리스: 슬롯리스 아이언리스 플랫 모터는 권선 계열이 알루미늄 베이스에 탑재된 형태를 취하고 있다. 회전자에 철이 없기 때문에 모터는 잡아당기는 힘이나 코깅이 없다(이는 U-채널 모터도 동일하다). 이 설계는 특정한 응용사례에서 베어링의 수명에 도움을 준다. 대부분의 응용사례에 맞추기 위해 회전자를 상부 또는 측면에서 탑재할 수 있게 설계되었다. 스캐닝 등 부드러운 속도 제어가 필요한 곳에 이상적이다. 하지만 플랫 트랙 설계로 인해 출력이 낮은 것이 단점이다. 또한 플랫 영구자석 트랙은 높은 누설 전류를 일으킨다. 따라서 영구자석 트랙과 다른 인력 물체 사이에서 조작자를 트래핑하는 영구자석으로부터 부상을 방지하기 위해 주의를 기울여야 한다.

 

슬롯리스 아이언: 슬롯리스 아이언 플랫 모터는 슬롯리스 아이언리스 모터와 유사한 구조를 가지고 있다. 권선을 얇은 철판에 탑재한 뒤 알루미늄 베이스에 탑재하는 것이 차이점이다. 철판은 자기장을 만들고 힘을 높이기 위해 쓰인다. 회전자와 트랙 사이에서 인력이 생성되며, 모터에 만들어지는 힘에 비례한다. 철판이 있기 때문에 코깅 또한 존재한다.

슬롯리스 아이언 플랫 모터는 회전자가 자석 트랙에 있을 때 회전자와 트랙 사이에 서로 인력이 작용하여 상처를 낼 수 있기 때문에 세심한 주의를 기울여야 한다. 슬롯리스 아이언 설계는 아이언리스 설계보다 더 많은 힘을 만든다.

 

슬롯 아이언: 이 리니어 모터는 권선을 철 구조 내에 삽입한다. 철심은 권선에 의해 생성되는 자기장을 집중시켜 모터 출력을 대폭 높인다. 철심 전기자와 영구자석 트랙 사이의 강력한 인력은 에어베어링 시스템의 사전 예압을 위해 사용할 수 있다. 하지만 베어링 마모를 증대시키는 요인이 되기도 하므로 주의하여야 한다. 영구자석을 경사지게 하면 코깅력이 감소할 수 있다.

 

리니어 모터가 출현하기 전까지, 모든 직선운동은 볼 또는 롤러 나사나 벨트/풀리를 사용하는 방식에 의한 회전 기계가 담당했다. 여전히 많은 응용사례(높은 부하가 걸리는 곳과 구동축이 수직면에 있는 곳 등)에서 이 방법이 최선의 해결책으로 남아있다. 하지만 리니어 모터는 아주 고속 또는 아주 저속 환경·높은 가속도·거의 0에 가까운 유지보수 비용(접촉 부분이 없기 때문이다), 백래시가 없는 높은 정확도 등 다양한 이점을 제공한다. 기어나 커플링 혹은 풀리가 필요 없는 모터를 통해 직선 동작을 확보함으로써 성능을 저하시키고 기계의 수명을 단축시키는 불필요한 구성 요소를 제거될 수 있다. 따라서 많은 응용사례에 해답을 제시한다.