사용 가능한 다양한 리니어 모터와 애플리케이션에 가장 적합한 유형을 선택하는 방법을 살펴보십시오.
다음 기사에서는 작동 원리, 영구 자석 개발 역사, 선형 모터의 설계 방법 및 각 유형의 선형 모터를 사용하는 산업 분야를 포함하여 사용 가능한 다양한 유형의 선형 모터에 대한 개요를 제공합니다.
선형 모터 기술은 선형 유도 모터(LIM) 또는 영구 자석 선형 동기 모터(PMLSM)일 수 있습니다.PMLSM은 철심 또는 무철일 수 있습니다.모든 모터는 평면 또는 관형 구성으로 제공됩니다.Hiwin은 20년 동안 리니어 모터 설계 및 제조의 최전선에 있었습니다.
리니어 모터의 장점
리니어 모터는 리니어 모션, 즉 지시된 가속도, 속도, 이동 거리 및 정확도로 주어진 페이로드를 움직이는 데 사용됩니다.선형 모터 구동 이외의 모든 모션 기술은 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 일종의 기계적 드라이브입니다.이러한 모션 시스템은 볼 나사, 벨트 또는 랙 및 피니언에 의해 구동됩니다.이러한 모든 드라이브의 서비스 수명은 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 데 사용되는 기계 부품의 마모에 크게 좌우되며 상대적으로 짧습니다.
리니어 모터의 주요 장점은 공기가 전송 매체이기 때문에 기계적 시스템 없이 선형 모션을 제공한다는 것입니다. 따라서 리니어 모터는 본질적으로 마찰이 없는 드라이브이므로 이론적으로 무제한의 서비스 수명을 제공합니다.선형 운동을 생성하는 데 기계 부품이 사용되지 않기 때문에 볼 나사, 벨트 또는 랙 및 피니언과 같은 다른 드라이브가 심각한 제한에 직면하는 곳에서 매우 높은 가속과 속도가 가능합니다.
선형 유도 전동기
그림 1
선형 유도 전동기(LIM)가 최초로 발명되었습니다(미국 특허 782312 - 1905년 Alfred Zehden).3상 전압이 공급되는 전기 강판 적층체와 다수의 구리 코일로 구성된 "1차"와 일반적으로 강판과 구리 또는 알루미늄 판으로 구성된 "2차"로 구성됩니다.
1차 코일에 전원이 공급되면 2차 코일이 자화되고 와전류 필드가 2차 도체에 형성됩니다.그런 다음 이 보조 필드는 기본 역기전력과 상호 작용하여 힘을 생성합니다.동작 방향은 Fleming의 왼손 법칙을 따릅니다.운동 방향은 전류 방향과 필드/플럭스 방향에 수직입니다.
그림 2
선형 유도 전동기는 2차측에 영구 자석을 사용하지 않기 때문에 비용이 매우 저렴하다는 장점이 있습니다.NdFeB 및 SmCo 영구 자석은 매우 비쌉니다.선형 유도 모터는 매우 일반적인 재료(강철, 알루미늄, 구리)를 2차로 사용하여 이러한 공급 위험을 제거합니다.
그러나 선형 유도 모터 사용의 단점은 이러한 모터용 드라이브를 사용할 수 있다는 것입니다.영구 자석 선형 모터용 드라이브를 찾는 것은 매우 쉬운 반면 선형 유도 모터용 드라이브를 찾는 것은 매우 어렵습니다.
그림 3
영구 자석 선형 동기 모터
영구 자석 선형 동기 모터(PMLSM)는 본질적으로 선형 유도 모터(즉, 전기 강철 라미네이션 스택에 장착되고 3상 전압으로 구동되는 코일 세트)와 동일한 기본 모터를 가지고 있습니다.보조는 다릅니다.
철판 위에 알루미늄이나 구리판을 올려놓은 것이 아니라, 철판 위에 영구자석을 올려놓은 영구자석으로 구성된다.각 자석의 자화 방향은 그림 3과 같이 이전 방향과 교대됩니다.
영구 자석을 사용하는 명백한 이점은 2차에 영구 자기장을 생성하는 것입니다.모터 에어갭을 통해 와전류 필드가 생성된 후에만 사용할 수 있는 1차 필드와 2차 필드의 상호 작용에 의해 유도 모터에 힘이 생성되는 것을 보았습니다.이로 인해 "슬립"이라는 지연이 발생하고 1차측에 공급되는 1차측 전압과 동기화되지 않은 2차측 동작이 발생합니다.
이러한 이유로 유도 선형 모터를 "비동기"라고 합니다.영구 자석 선형 모터에서 2차 필드는 지연 없이 항상 사용할 수 있기 때문에 2차 동작은 항상 1차 전압과 동기화됩니다.이러한 이유로 영구 선형 모터를 "동기식"이라고 합니다.
다양한 유형의 영구 자석을 PMLSM에 사용할 수 있습니다.지난 120년 동안 각 재료의 비율은 변해왔습니다.현재 PMLSM은 NdFeB 자석 또는 SmCo 자석을 사용하고 있지만 대다수는 NdFeB 자석을 사용하고 있습니다.그림 4는 영구자석 개발의 역사를 보여준다.
그림 4
자석 강도는 MGOe(Megagauss-Oersteds) 단위의 에너지 곱으로 특징지어집니다.80년대 중반까지 Steel, Ferrite 및 Alnico만 사용할 수 있었으며 매우 낮은 에너지 제품을 제공했습니다.SmCo 자석은 Karl Strnat와 Alden Ray의 작업을 기반으로 1960년대 초에 개발되었으며 나중에 60년대 후반에 상업화되었습니다.
그림 5
SmCo 자석의 에너지 제품은 초기에 Alnico 자석의 에너지 제품의 두 배 이상이었습니다.1984년 General Motors와 Sumitomo는 네오디늄, 철 및 붕소의 화합물인 NdFeB 자석을 독립적으로 개발했습니다.SmCo와 NdFeB 자석의 비교가 그림 5에 나와 있습니다.
NdFeB 자석은 SmCo 자석보다 훨씬 더 높은 힘을 발생시키지만 고온에 훨씬 더 민감합니다.SmCo 자석은 또한 부식과 저온에 훨씬 더 강하지만 더 비쌉니다.작동 온도가 자석의 최대 온도에 도달하면 자석이 감자되기 시작하며 이러한 감자는 돌이킬 수 없습니다.자석이 자화를 잃으면 모터가 힘을 잃고 사양을 충족할 수 없게 됩니다.자석이 시간의 100% 최고 온도 이하에서 작동하면 강도가 거의 무한정 유지됩니다.
SmCo 자석의 가격이 높기 때문에 NdFeB 자석은 특히 사용 가능한 더 높은 힘을 고려할 때 대부분의 모터에 적합한 선택입니다.그러나 작동 온도가 매우 높을 수 있는 일부 애플리케이션의 경우 SmCo 자석을 사용하여 최대 작동 온도를 피하는 것이 좋습니다.
리니어 모터 설계
선형 모터는 일반적으로 유한 요소 전자기 시뮬레이션을 통해 설계됩니다.라미네이션 스택, 코일, 자석 및 자석을 지지하는 강판을 나타내는 3D 모델이 생성됩니다.공기는 모터 주변과 에어갭에서 모델링됩니다.그러면 자석, 전기 강판, 강철, 코일 및 공기와 같은 모든 구성 요소에 대한 재료 속성이 입력됩니다.그런 다음 H 또는 P 요소를 사용하여 메쉬가 생성되고 모델이 해결됩니다.그런 다음 모델의 각 코일에 전류가 적용됩니다.
그림 6은 테슬라의 플럭스가 표시된 시뮬레이션의 출력을 보여줍니다.시뮬레이션의 주요 출력 값은 물론 Motor force이며 사용할 수 있습니다.코일의 끝 회전은 힘을 생성하지 않기 때문에 라미네이션, 자석 및 자석을 지지하는 강판을 포함하는 모터의 2D 모델(DXF 또는 기타 형식)을 사용하여 2D 시뮬레이션을 실행할 수도 있습니다.이러한 2D 시뮬레이션의 출력은 3D 시뮬레이션과 매우 유사하며 운동력을 평가하기에 충분히 정확합니다.
그림 6
선형 유도 모터는 3D 또는 2D 모델을 통해 동일한 방식으로 모델링되지만 해석은 PMLSM보다 더 복잡합니다.이는 PMLSM 2차측의 자기 플럭스가 자석 속성을 입력한 후 즉시 모델링되기 때문에 모터 힘을 포함한 모든 출력 값을 얻기 위해 한 번의 해석만 필요하기 때문입니다.
그러나 유도 전동기의 2차 자속은 LIM 2차 자속을 구축할 수 있고 그 다음에야 힘을 얻을 수 있도록 과도 해석(주어진 시간 간격에서 여러 해석을 의미함)이 필요합니다.전자기 유한 요소 시뮬레이션에 사용되는 소프트웨어에는 과도 해석을 실행할 수 있는 기능이 있어야 합니다.
리니어 모터 스테이지
그림 7
하이윈코퍼레이션은 부품 단위로 리니어 모터를 공급하고 있습니다.이 경우 리니어 모터와 보조 모듈만 배송됩니다.PMLSM 모터의 경우 보조 모듈은 영구 자석이 조립되는 다양한 길이의 강판으로 구성됩니다.Hiwin Corporation은 또한 그림 7과 같이 완전한 스테이지를 제공합니다.
이러한 스테이지에는 프레임, 리니어 베어링, 1차 모터, 2차 자석, 고객이 페이로드를 부착하기 위한 캐리지, 엔코더 및 케이블 트랙이 포함됩니다.고객이 전문 지식이 필요한 스테이지를 설계하고 제조할 필요가 없기 때문에 리니어 모터 스테이지는 배송 즉시 시작할 수 있으며 삶을 더 쉽게 만듭니다.
리니어 모터 스테이지 서비스 수명
리니어 모터 스테이지의 사용 수명은 벨트, 볼 나사 또는 랙 및 피니언으로 구동되는 스테이지보다 상당히 깁니다.간접적으로 구동되는 스테이지의 기계 구성 요소는 일반적으로 지속적으로 노출되는 마찰과 마모로 인해 가장 먼저 고장나는 구성 요소입니다.리니어 모터 스테이지는 전송 매체가 공기이기 때문에 기계적 접촉이나 마모가 없는 직접 구동입니다.따라서 리니어 모터 스테이지에서 고장날 수 있는 유일한 구성 요소는 리니어 베어링 또는 모터 자체입니다.
리니어 베어링은 레이디얼 하중이 매우 낮기 때문에 일반적으로 사용 수명이 매우 깁니다.모터의 서비스 수명은 평균 작동 온도에 따라 달라집니다.그림 8은 온도에 따른 모터 절연 수명을 보여줍니다.작동 온도가 정격 온도보다 높을 때마다 섭씨 10도마다 서비스 수명이 절반으로 줄어드는 것이 규칙입니다.예를 들어 모터 절연 등급 F는 평균 온도 120°C에서 325,000시간 동안 실행됩니다.
따라서 리니어 모터 스테이지는 모터를 보수적으로 선택하면 벨트, 볼 나사 또는 랙 및 피니언 구동 스테이지로는 달성할 수 없는 수명인 50년 이상의 수명을 가질 것으로 예상됩니다.
그림 8
리니어 모터용 애플리케이션
선형 유도 모터(LIM)는 이동 길이가 길고 매우 빠른 속도와 함께 매우 높은 힘이 필요한 응용 분야에서 주로 사용됩니다.선형 유도 전동기를 선택하는 이유는 PMLSM을 사용하는 경우보다 2차측 비용이 상당히 낮고 초고속에서 선형 유도 전동기 효율이 매우 높아 전력 손실이 적기 때문입니다.
예를 들어 항공모함에서 항공기를 발사하는 데 사용되는 EMALS(Electromagnetic Launch Systems)는 선형 유도 모터를 사용하고 있습니다.최초의 선형 모터 시스템은 USS Gerald R. Ford 항공모함에 설치되었습니다.모터는 91m 트랙에서 240km/h로 45,000kg의 항공기를 가속할 수 있습니다.
놀이공원 놀이기구의 또 다른 예입니다.이러한 시스템 중 일부에 설치된 선형 유도 모터는 3초 안에 0에서 100km/h까지 매우 높은 페이로드를 가속할 수 있습니다.선형 유도 모터 스테이지는 RTU(로봇 운송 장치)에서도 사용할 수 있습니다.대부분의 RTU는 랙 및 피니언 드라이브를 사용하지만 선형 유도 모터는 더 높은 성능, 더 낮은 비용 및 훨씬 더 긴 서비스 수명을 제공할 수 있습니다.
영구 자석 동기 모터
PMLSM은 일반적으로 훨씬 더 작은 스트로크, 더 낮은 속도, 그러나 높거나 매우 높은 정확도 및 집약적인 듀티 사이클이 있는 애플리케이션에 사용됩니다.이러한 애플리케이션의 대부분은 AOI(자동 광학 검사), 반도체 및 레이저 기계 산업에서 찾아볼 수 있습니다.
리니어 모터 구동 스테이지(직접 구동)를 선택하면 간접 구동(회전 동작을 변환하여 선형 동작을 얻는 스테이지)보다 오래 지속되는 설계에 상당한 성능 이점을 제공하며 많은 산업 분야에 적합합니다.
게시 시간: 2023년 2월 6일