선형 모터의 발전 추세 및 연구 방향

발전 추세

현재 선형 모터용 직접 구동 기술의 발전 추세는 다음과 같습니다.

공작기계 이송 시스템에 사용되는 선형 서보 모터는 영구 자석형이 주를 이룰 것입니다.

모터, 엔코더, 가이드 레일, 케이블 등을 통합하여 모터 크기를 줄이고 설치 및 사용을 용이하게 합니다.

각 기능 구성 요소(가이드 레일, 엔코더, 베어링, 커넥터 등)를 모듈화하십시오.

위치 피드백 부품 및 제어 기술과 같은 관련 기술 개발에 주목하는 것은 선형 모터 성능 향상의 기반이 됩니다.

연구 방향

선형 모터 연구의 목표는 모터 성능을 향상시키고 응용 분야의 요구 사항을 충족하는 것입니다. 선형 모터의 주요 성능 특성에는 속도, 가속도, 추력 및 그 변동, 위치 정밀도, 반복 위치 정밀도, 기계적 특성(속도-추력 특성), 과도 성능(속도 응답) 및 열 특성 등이 있습니다.

전기기계 시스템의 성능을 향상시키기 위해서는 구조적 측면과 제어적 측면 모두에서 노력을 기울일 수 있습니다.

구조 설계

선형 모터는 1차 및 2차 자기 회로 구조와 지지대, 감지 및 측정 장치, 냉각 장치, 방진 장치 및 보호 장치와 같은 기계 구조로 구성됩니다.

자기 회로 설계

자기 회로 설계의 중요한 과제는 모터의 추력과 추력 변동이 설계 요구 사항을 충족하도록 하는 것입니다.

전동기 내부의 자기장 분포 계산은 자기 회로 설계의 기초입니다. 선형 모터는 구조적 특성으로 인해 단부 효과(end effect)가 발생하여 자기장 왜곡을 초래합니다. 또한, 자기 회로에는 실리콘 강판과 같은 연자성 재료가 사용됩니다. 매질 경계면은 구불구불하고 교차하며, 자기 회로는 복잡하고 비선형성이 강합니다. 이러한 특성 때문에 기존의 등가 자기 회로법이나 그래프법을 사용하면 상당한 오차가 발생하거나 계산 자체가 불가능할 수 있습니다. 따라서 현재는 선형 모터의 자기장 분포를 계산하고 추력 및 그 변동, 수직력 등의 성능을 계산하기 위해 유한 요소법(FEM)과 같은 수치 해석법이 널리 사용되고 있습니다. 현재 시중에는 다양한 우수한 전자기장 FEM 소프트웨어가 출시되어 있습니다. 따라서 FEM을 이용한 선형 모터의 전자기장 계산에서 가장 중요한 것은 정확한 유한 요소 모델을 구축하는 것입니다.

추력 변동을 줄이는 것은 자기 회로 설계에서 핵심적이면서도 어려운 과제입니다. 추력 변동의 원인으로는 1차 전류 및 역기전력의 고차 고조파, 공극의 비정현파 자속 밀도 파형, 코깅 효과, 단부 효과 등이 있습니다. 추력 변동은 영구 자석의 형상 및 배치 최적화, 영구 자석 여자 자속 밀도 저하, 1차단에 코어리스 및 다극 구조 적용, 슬롯 개수 증가, 공극 확대 등을 통해 줄일 수 있습니다. 그러나 이러한 조치들은 다른 성능 저하를 초래할 수 있습니다. 따라서 설계 시에는 최적의 효과를 얻기 위해 설계 요구 사항을 종합적으로 고려해야 합니다.

기계 구조 설계에는 여러 가지 고려 사항이 있습니다. 여기서는 간과하기 쉬운 냉각 시스템 연구에만 초점을 맞추겠습니다. 사실, 열적 특성은 선형 모터의 중요한 특징입니다. 동일한 모델의 모터라도 냉각 시 최대 추력은 냉각하지 않을 때의 두 배에 달합니다. 따라서 모터 냉각 시스템의 품질은 모터 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 냉각 시스템 설계를 최적화하는 것은 모터 성능 향상을 위한 지름길입니다. 전기 모터의 열적 특성 분석에는 일반적으로 유한 요소법이 사용되며, 계산 결과를 바탕으로 냉각 설계가 최적화됩니다.

제어 기술 연구

선형 모터 설계에서 또 다른 핵심적이면서도 어려운 점은 제어 기술입니다.

선형 서보 시스템이 작동할 때, 부하를 직접 구동합니다. 따라서 부하의 변화는 모터에 직접적인 영향을 미칩니다. 공작물이나 공구의 질량 변화, 절삭력과 같은 외부 교란 또한 감쇠 없이 모터에 직접 작용합니다. 모터 파라미터의 변화 역시 모터의 정상 작동에 직접적인 영향을 미칩니다. 선형 가이드 레일에는 마찰이 발생하며, 선형 모터는 코깅 현상과 단부 효과도 가지고 있습니다. 이러한 모든 요소는 선형 모터 제어에 어려움을 초래합니다. 제어 알고리즘에서 이러한 교란을 억제하거나 보상해야 하며, 그렇지 않으면 제어 시스템의 불안정성이 발생하기 쉽습니다.

전반적으로 제어기 설계는 높은 정상 상태 추적 정확도, 빠른 동적 응답, 강력한 항간섭 능력 및 우수한 강건성을 충족해야 합니다. 선형 모터의 종류나 적용 시나리오에 따라 제어 알고리즘에 대한 요구 사항이 다르므로 특정 상황에 맞는 적절한 제어 방법을 채택해야 합니다. 현재 선형 서보 모터에 사용되는 제어 전략은 주로 전통적인 PID 제어 및 디커플링 제어, 비선형 제어, 적응 제어, 슬라이딩 모드 가변 구조 제어, H∞ 제어, 퍼지 제어와 같은 지능형 제어, 인공 신경망 시스템과 같은 인공지능 제어 등과 같은 최신 제어 방법을 포함합니다.

선형 모터의 제어 알고리즘은 상당한 연산량을 요구하며, 고속 가공 이송 시스템의 실제 적용에서는 높은 실시간 성능이 필수적입니다. 따라서 전체 수치 제어 시스템에 대한 요구 조건이 매우 높습니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해서는 제어 알고리즘 최적화와 더불어 고성능 하드웨어 또한 필수적입니다. 고속 가공 센터의 이송 시스템에는 일반적으로 PC를 기본 플랫폼으로 하고 DSP를 보간 및 서보 제어에 사용하는 완전 디지털 구동 기술이 적용됩니다.

선형 모터의 제어는 회전 모터에 비해 훨씬 어렵지만, 전자기적 특성과 작동 원리는 기본적으로 유사하며, 회전 모터의 서보 제어 기술은 비교적 성숙 단계에 있습니다. 따라서 실험 연구 단계에서 설계의 타당성을 검증하기 위한 실험 시스템 구축을 신속하게 진행하기 위해 회전 모터용 서보 컨트롤러를 선형 모터용 서보 컨트롤러로 변환하여 사용할 수도 있습니다. 이는 연구 개발 비용과 기간을 절감할 뿐만 아니라, 선형 모터 전용 서보 컨트롤러 개발에 대한 지침이 될 수 있습니다.

실험 연구와 이론 연구는 설계의 기초이지만, 전기 모터의 성능을 최종적으로 판단하는 것은 여전히 ​​구체적인 시험에 달려 있습니다. 회전 모터의 성능 시험 기술은 이미 상당히 성숙하고 표준화되어 있지만, 선형 모터의 성능 시험에 대한 통일된 방법은 아직 없습니다. 따라서 선형 모터의 효율적이고 정확한 성능 시험 방법을 연구하는 것은 이론 연구를 촉진하는 매우 중요한 과제입니다. 실험 연구의 핵심은 속도, 가속도, 정적력, 동적력, 변위, 온도 등 다양한 매개변수를 정확하게 측정하는 데 있습니다. 필요한 경우, 전용 시험 장비를 설계해야 합니다. 이론 계산 결과를 바탕으로 설계안을 최적화하고, 이를 토대로 시제품을 제작한 후 시제품에 대한 성능 시험을 통해 설계의 정확성을 검증합니다. 고성능 선형 모터는 제작에 이르기까지 수많은 반복적인 계산과 시험을 거쳐야 하는 경우가 많습니다.

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