[테크] 모션컨트롤을 위한 핵심기기, 고속 고정밀 리니어 모터

디스플레이, 반도체, 로봇, 공작기계, 정밀기기 분야에서의 고속 고정밀도 요구가 끊임없이 증가하면서 모션 컨트롤을 위한 제품 및 기술발전도 혁신적으로 변화하고 있다. 특히 리니어 모터는 고속 고정밀도의 위치결정 제어를 위한 모션 컨트롤의 핵심 기기로 등장했으며, 국내외에서 활발한 기술개발이 진행되고 있다.

리니어(Linear) 모터는 직선으로 직접 구동되는 모터로서 회전형 모터를 잘라 펼쳐놓은 것과 같은 구조이다. 리니어 모터는 일렬로 배열된 자석 사이에 위치한 코일에 전류를 흐르게 함으로써 힘을 얻도록 하는 구동장치이다.

리니어모터의 개념
리니어 모터의 개념

회전 운동력을 발생시켰던 기존의 일반형 모터와 비교하여 리니어 모터는 직선방향으로 미는 추력을 발생시키는 점이 다르기는 하지만, 구동원리는 동일하다고 볼 수 있다.

회전형 모터는 회전방향으로 무한 연속운전을 하지만 리니어 모터는 구조적으로 길이에 제한을 받을 수 밖에 없다. 입구단(entry end)과 출구단(exit end)이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜형 및 손실을 유발하는 단부효과(end effect) 를 가진다.

또한 공극이 크기 때문에 공극의 자속분포, 추력특성 등에 있어서 영향을 크게 받아 자화전류의 증가, 역률 및 효율의 악화를 필연적으로 동반한다.

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특유의 장점이 있으므로 직선 구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 성능이 절대적으로 우세하다.

즉 리니어 모션 시스템에서 회전형 모터에 의해 직선 구동력을 얻고자 할 경우에는 스크류, 체인/벨트, 랙피니언 등의 기계적인 변환장치들이 반드시 있어야 하며, 이때 각각의 부품 사이에서 발생하는 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생이 필연적이므로 시스템의 정밀제어 보장이 어렵다.

리니어 모터를 응용하는 경우는 직접 구동식이므로 기존 회전형 모터 응용 시스템에 비하여 구조가 매우 간단하고 차지하는 공간이 적으며, 비접촉식이므로 소음 및 마모가 없어 반영구적으로 사용할 수 있다.

일반적으로 리니어 모터는 회전형 모터에 비해서 성능면에서는 최소 2배 이상의 빠른 이송속도, 10배 이상의 강한 추력, 5배 이상의 정밀한 위치제어가 가능하다. 따라서 직선 운동이 필요한 모든 산업분야에 리니어 모터의 채택이 빠르게 진행되고 있는 것이다.

리니어 모터의 종류

리니어 모터는 대추력을 얻기 위한 리니어 유도 모터(LIM: Linear Induction Motor)와 고속 운송을 위한 리니어 동기 모터(LSM: Linear Synchronous Motor), 개루프 위치 서보를 위한 리니어 펄스 모터(LPM; Linear Pulse Motor), 고정밀도 위치 결정을 위한 리니어 직류 모터(LDM: Linear Direct-current Motor)로 구분할 수 있다.

리니어 모터의 종류는 다양하지만 각 제품마다 장단점이 있으므로 직선구동시 각 제품마다 특성을 비교하여 적재적소에 적절히 응용하는 것이 바람직하다. 위치 결정 요소로서 LIM, LSM은 고속 대추력 제어에 적합하고, LDM은 저추력 고위치 결정 정도의 제어에, LPM은 폐루프 제어에 강하므로 제어가 간단한 것으로 분류할 수 있다.

리니어 유도 모터(LIM: Linear Induction Motor)
리니어 유도 모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다. 그러나 축을 중심으로 절단하여 펼쳐놓은 형태가 되며, 길이방향으로 입구단과 출구단의 제한이 있는 점이 다르다.

리니어 유도 모터의 주요 특성은 공극자속밀도, 와전류, 추력에 있다. 이들 특성은 리니어 모터에서만 있게 되는 단부효과 및 모서리효과에 의하여 그 분포가 정현적 분포에서 심하게 외형되며, 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로 회전형의 경우와는 다른 경향을 보이게 되는데 이들이 응용에 큰 영향을 미친다.

리니어 유도 모터의 종류로는 1차측과 2차측이 모두 평판형으로 이루어진 평판형과 평판형 리니어 모터를 길이방향을 축으로 하여 횡방향으로 말아 원통형으로 만든 원통형으로 나눌 수 있다.

주요 응용분야로는 팔레트 반송장치, 스크류 프레스, 고속분쇄장치, 자동문개폐장치, X-Y테이블, 위치결정장치 등이다.

리니어 동기 모터(LSM: Linear Synchronous Motor)
리니어 동기 모터는 회전형 동기 모터를 축방향으로 잘라 펼친 형태이므로 회전형 동기 모터의 구동원리와 동일하다. 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라 종류가 달라진다.

종류로는 철심에 코일을 감은 전자석형, 공심코일을 초전도 상태에서 이용하는 초전도 코일형, 영구자석을 이용하는 영구자석형, 그리고 유도자형 리니어 동기 모터가 있다.

리니어 동기 모터는 LCD, 반도체 장비에서 가장 많이 사용되고 있다. 또한 공작기계용 이송장치, 자기부상열차와 같은 초고속 열차의 구동시스템,일반 산업용 반송장치, 그리고 공장자동화 장비에 응용이 가능하다.

리니어 펄스 모터(LPM; Linear Pulse Motor)
회전형 펄스 모터의 경우와 같이 디지털 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류 펄스 신호에 대해 1스텝씩 직선운동을 하는 모터이다.

스스로 위치를 결정하는 기능이 있기 때문에 폐루프시스템 없이도 위치는 물론 속도, 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다. 또한 모터 자체가 직선 왕복운동을 하므로 직선운동계에서 구동 와이어, 기어, 캠 등이 필요없어 구조가 간단하다.

그러나 자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하며, 코일선의 발열이 단점으로 지적된다.

리니어 펄스 모터는 스폿용접 로봇, 팔레트 반송시스템, 결함 검출장치, 프린터 및 인공심장용 액추에이터 등에 사용된다.

리니어 직류 모터(LDM: Linear Direct-current Motor)
구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다. 리니어 직류 모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력과 질량의 비가 크며, 고속동작이 가능하고 서보성이 좋다. 모터 자체적으로 위치결정 센서, 속도 센서와 결합하여 응용을 해야 하지만 이 경우 높은 정도의 위치결정 및 속도제어가 가능하다.

따라서 리니어 직류 모터는 추력특성뿐만 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다. 특히 위치결정 정도가 우수하며, 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하고, 간결 직선운동이 가능하다는 장점이 있다. 또한 가동자의 구조를 간단하게 구성할 수 있으며, 가격이 다른 리니어 모터에 비해서 저렴하다. 반면에 수직운전이 곤란하다는 단점이 있다.

리니어 직류 모터의 종류로는 코일이 감긴 전기자가 가동되는 전기자 가동형 리니어 직류 모터, 전기자 없이 코일만 가동되는 가동형 리니어 직류 모터, 그리고 계자 자석과 전기자 코일의 위치를 바꿔 전기자 코일이 고정이고 계자 자석이 가동되는 자석 가동형 리니어 직류 모터로 분류된다.

주요 응용분야로는 직교좌표 로봇, 결함 검출용 센서 장치, 자기디스크 구동장치, 결정구조 해석용 레일 건 등이 있다.

고속 고정밀 위치제어를 위한 핵심기기

기계의 직선운동에 있어 고위치 결정 정도를 가능하게 하는 리니어 모터는 1980년대초 국내산업에 적용되기 시작한 이래로 국내 경제를 주도하고 있는 LCD, PDP 등의 디스플레이 산업, 반도체 산업, 자동차 산업, 로봇, 공작기계, SMT 장비를 이용한 정밀기기 산업 등을 주력으로 하여 우주항공분야, 고속전철, 자동차, 가전제품 등에 이르기까지 폭넓은 적용분야를 가지고 있다.

기계의 고정도화, 기계부품 조립의 편리성, 에너지 절감, 간편한 유지보수 등의 경제성과 기술 향상성을 갖추고 국내 산업의 자동화 및 산업 고도화에 리니어 모터가 지대한 공헌을 하고 있는 것이다.

리니어 모터와 관련한 LM 가이드는 정부에서 추진하고 있는 자본재 국산화 품목으로 지정되어 그 동안 정부의 지원아래 삼익LMS 등에서 국산화를 완료하고 꾸준한 생산 확대를 보이고 있다.

현재 정밀모터 등 범용성이 큰 핵심부품 부문에서는 잠재력 있는 기업을 발굴하여 초일류 부품 기업으로 육성하는 것을 목표로 산업자원부가 추진하고 있는 부품 소재 산업 육성 대상품목에 포함되어 있어 향후 이 분야에서의 국내 기술이 선진국 수준으로 도약하는데 기여할 것으로 기대된다.

특히 LCD, PDP 등 디스플레이 산업을 주축으로 하여 반도체 산업 등 IT 산업의 발전에 따라 관련 장비 업체가 대폭 증가하고 있어 LM가이드, 볼스크류, 서보모터, 감속기, 리니어 모터 등의 단품보다는 이들을 통합적으로 사용하는 시스템 수요가 크게 증가하고 있다.

고속 고정도 위치 결정용 리니어 모터 시스템은 디스플레이 및 반도체로부터 공작기계, 자동차, 정밀기기 등에 이르는 산업계 전반의 고속 고정도화 요구를 배경으로 보급이 급속도로 확산되고 있는 것이다.

리니어 모터를 이용한 시스템은 얼마나 정밀도 높은 제품을 얼마나 저렴하게 생산하여 공급하느냐가 관건이며, 또한 납기가 중요한 경쟁 요소가 되고 있다.

디스플레이/반도체, 공작기계, 로봇, 칩마운터 시장으로 전문화
지난 18세기 중반에 섬유기계의 방적기 북으로 처음 개발되어 사용된 리니어 모터는 지속적인 연구개발로 1990년대부터는 ANOLATE와 INDORAMAT 양사 주도로 시장이 활성화되기 시작하였다. 지금은 미국이 전세계 시장을 장악하고 있는 가운데, 일본과 독일에서 응용분야를 중심으로 한 리니어 모터 관련 기술개발에 박차를 가하고 있다.

리니어 모터 운전 및 응용기술이 요구돼
리니어 모터의 연구개발에 필요한 핵심기술로는 고효율을 가지는 제품의 최적 설계를 위한 전자장 및 방열해석 기술, 공작기계에 적합한 리니어 모터를 위한 전용 드라이브 제작기술, 리니어 모터 특성 해석을 위한 객관적 성능평가 기술, 고속 고강성 고정도의 안정된 운전 특성을 위한 제어기술 등을 들 수 있다.

그러나 국내 업체들의 경우 고정밀 리니어 모터 드라이브 설계 기술 개발 등 설계 및 이와 관련한 분야에서의 신뢰성 문제에 있어서 미국, 유럽, 일본 등의 선진국에 비해 다소 뒤떨어지는 상태에 있다.

특히 리니어 모터는 회전운동을 하는 일반 모터와 달리 직선상에서 직접 움직이기 때문에 빠른 동작속도와 정밀한 위치제어가 가능하다. 이러한 장점 때문에 차세대 모션 컨트롤의 핵심부품으로 각광받고 있으나, 시스템 운용에 고도의 노하우가 요구되고 가격이 상대적으로 높아 국산 개발 제품들이 시장에서 널리 사용되까지는 다소 시간이 소요될 것으로 보인다.

그럼에도 세계 최대의 디스플레이 산업 시장으로 떠오른 국내 시장의 변화속에서 리니어 모터 업체들은 디스플레이 제조 장비용 모션 컨트롤 기술을 위한 리니어 모터의 어플리케이션 노하우 확보에 큰 기대를 걸고 있다.

또한 초고속 공작기계 및 정밀기기 산업용 SMT 장비에서의 응용도 지속적인 성장이 기대되면서 이분야 리니어 모터 응용기술을 확보하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

오승모 기자

오승모 기자
인더스트리어리 커뮤니케이션 네트워크 (산업통신망)의 오승모 편집장입니다. 산업용사물인터넷(IIoT)에서 산업기술에 대한 미래의 희망을 엿보고 있습니다.

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