선형 모터의 개발 및 응용

해외에서의 선형 모터 개발

개발 역사

선형 모터 개발의 시작점은 회전 모터 개발 시작점과 그리 늦지 않습니다. 회전 모터가 세상에 등장한 직후 선형 모터의 원형이 나타났습니다. 그러나 선형 모터의 개발 과정은 험난했습니다.

1845년, 영국의 찰스 휘스톤은 세계 최초의 선형 모터를 발명했습니다. 그러나 이 선형 모터는 과도한 공극으로 인해 효율이 매우 낮아 실용화에 실패했습니다. 20세기 중반에 이르러 제어, 전자, 재료 등의 기술 발전은 선형 모터 개발에 필요한 이론적, 기술적 기반을 제공했고, 선형 모터는 새로운 발전 단계에 접어들기 시작했습니다. 영국의 엘 레이스웨이트 교수는 현대 선형 모터 개발의 선구자였습니다. 그는 선형 모터의 기초 연구를 중시했으며, 그가 이끄는 연구팀은 많은 중요한 성과를 거두었습니다. 일본의 야마다 가즈오 교수 또한 선형 모터 관련 서적을 여러 권 저술하며 이 분야의 대표적인 인물로 자리매김했습니다. 1970년대 이후 선형 모터의 응용 분야는 자동 플로터, 액체 금속 펌프(MHD), 전자기 해머, 경공업 기계, 가전제품, 공기 압축기, 반도체 제조 장비 등으로 더욱 확대되었습니다. 1990년대 이후 고속 가공 개념이 대두되면서 선형 모터는 머시닝 센터의 이송 시스템으로 사용되기 시작했습니다. 기존의 이송 시스템이 따라올 수 없는 직접 구동 이송 시스템의 장점과 잠재력 덕분에 여러 국가에서 다시금 주목받게 되었습니다. 관련 보고서에 따르면, 미국의 선형 모터 및 구동 장치 판매액은 1997년 4,553만 달러였으며, 2002년에는 1억 772만 달러에 이를 것으로 예상되었습니다.

선형 모터는 전기기계 시스템으로서 기계 구조를 단순화하고 전기 제어를 복잡하게 만들어 현대 전기기계 기술의 발전 추세에 부합합니다.

미국의 아노라드 코퍼레이션(Anorad Corporation)은 세계적으로 유명한 선형 모터 제조업체입니다. 이 회사는 1988년에 브러시리스 DC 선형 모터를 출시하고 미국에서 특허를 획득했습니다. 아노라드는 주로 영구 자석 동기식 선형 모터를 생산하며, 다양한 구조와 출력의 제품 시리즈를 통해 여러 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

독일의 인드라마트(Indramat)사는 유도형 선형 모터와 영구 자석형 선형 모터를 모두 생산하며, 총 50여 가지 모델을 보유하고 있습니다. 영구 자석형 모터는 높은 효율(최대 1.72N/W)과 높은 추력 밀도를 자랑합니다. 이 회사의 제품은 최고 속도 600m/min, 최대 추력 22kN에 달하는 것으로 알려져 있습니다.

트릴로지(Trilogy)사는 리니어 모터의 가격을 낮추기 위해 리니어 코딩 모듈(LEM)을 출시했습니다. 이 모듈은 모터의 자기장을 이용하여 스트로크와 무관하게 위치 피드백을 제공합니다. 또한 열악한 환경에서도 작동 가능하며, 5µm의 해상도와 반복 정밀도로 풀 트래블 센서와 유사한 정류 신호를 제공합니다.

다른 선형 모터 제조업체의 제품은 각각 고유한 특성을 가지고 있습니다. 자세한 내용은 Liu Jinling 등이 저술한 "고주파 응답 DC 선형 모터"(1993년 "마이크로 및 특수 모터" 4호 게재)를 참조하십시오. 고속 가공 센터 및 기타 대형 스트로크 CNC 공작 기계의 이송 시스템에 선형 모터를 적용하는 것은 비교적 최근의 개발입니다. 선형 모터를 장착한 공작 기계는 고급 수치 제어 시스템, 높은 강성 및 고유 진동수를 갖추어야 하며, 움직이는 부품의 질량을 최대한 줄여야 합니다. 그래야만 선형 모터의 성능을 최대한 활용할 수 있습니다. 또한 공작 기계의 직접 구동 이송 시스템 설계 시 냉각 및 방열 문제도 고려해야 합니다. 선형 모터의 개방된 자기장에 칩이나 각종 분말이 끌리는 것을 방지하기 위해 자기 절연 및 자기 방지 조치도 필요합니다. 또한 선형 모터는 리드 스크류처럼 자체 잠금 기능이 없습니다. 모터를 수직으로 설치하는 경우, 균형추 및 제동과 같은 요소도 고려해야 합니다.

1980년대 중반 포드, 잉거솔, 아노라드의 협력은 공작기계에 리니어 모터를 적용하는 최초의 계기가 되었습니다. 포드사는 자사의 공작기계가 고속, 고정밀, 그리고 높은 유연성을 모두 갖추기를 희망했습니다. 이러한 협력의 결과로 잉거솔은 아노라드의 영구 자석 리니어 모터를 3축 모두에 탑재하여 탁월한 성능을 구현한 "고속 모듈" HVM800을 출시했습니다.

1993년, 독일의 Ex-Cell-O사는 작업대에 장착된 리니어 모터로 구동되는 세계 최초의 고속 머시닝 센터인 XHC240을 독일 하노버에서 열린 유럽 공작기계 박람회에서 선보였습니다. 이 제품은 독일 Indramat사가 개발한 유도 리니어 모터를 탑재하여 최대 축 이동 속도 80m/min, 최대 1g의 가속도를 자랑했습니다. 이후 많은 제조업체들이 리니어 모터를 장착한 머시닝 센터를 잇달아 출시했습니다. 통계에 따르면, 리니어 모터를 사용하는 공작기계의 판매량은 1997년 300대였으며, 2005년에는 3,000대로 증가할 것으로 예상되었습니다. 10년 후에는 CNC 공작기계의 20%가 리니어 모터를 탑재할 것으로 전망됩니다.

절삭 공작기계 외에도 레이저 절단기, 플라즈마 절단기, 방전 가공 장비 등 다른 공작기계에도 선형 모터가 적용되기 시작했습니다.

국내 선형 모터 연구 현황

국내에는 선형 모터를 연구하는 기관이 많지만, 공작기계나 머시닝 센터의 이송 시스템으로서 선형 모터를 연구하는 대학은 주로 세 곳입니다. 광둥공업대학교는 "초고속 가공 및 공작기계 연구소"를 설립하여 주로 "초고속 전동 스핀들"과 "선형 모터용 고속 이송 장치"를 연구 개발하고 있습니다. 이 연구소는 선형 유도 모터를 연구하여 GD-3 고속 수치 제어 선형 모터 이송 장치를 개발했습니다. 이 장치의 정격 이송력은 2kN, 최대 이송 속도는 100m/min, 위치 정밀도는 0.004mm, 스트로크는 800mm입니다. 선양공업대학교는 1990년대 후반부터 영구 자석 선형 동기 모터를 연구해 왔으며, 100N의 추력을 가진 시제품을 제작했습니다. 또한, 이 대학의 주요 연구 분야는 전동기 및 서보 시스템의 제어 방법이며, 이 분야에서 많은 논문을 발표했습니다. 칭화대학교 정밀기기 및 기계공학과 제조공학연구소는 스트로크 최대 5mm, 차단 주파수 250Hz 이상, 추력 수백 뉴턴에 달하는 고주파 응답 DC 선형 모터를 개발하는 데 성공했습니다. 이 모터는 중형 볼록 피스톤 선반의 횡방향 공구 받침대를 구동하는 데 사용되었으며 실제 가공에서 우수한 성능을 보였습니다. 현재 연구 중인 것은 장스트로크 영구자석 선형 서보 장치입니다. 이 모터의 정격 추력은 1500N, 최대 속도는 60m/min, 무부하 정격 가속도는 1g, 스트로크는 600mm입니다.

중국에서 선형 모터, 특히 공작기계 이송 시스템용 선형 ​​서보 모터 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있다는 점에 주목해야 합니다. 연구 인력과 자금이 크게 부족하고, 연구 진행 속도 또한 상대적으로 느립니다. 해외와의 격차가 점점 더 벌어지고 있는 상황입니다. 따라서 연구 강화가 매우 시급합니다. 해외의 기술 독점을 깨뜨리기 위해서는 기술 추적과 독자적인 개발을 병행하는 방향으로 나아가야 하며, 기초 및 핵심 기술 연구를 강화해야 합니다.

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