안녕하세요, AI 기반 예지보전 솔루션 모터센스입니다.
지난번에는 ‘기계 제어에 사용되는 회전체: Servo Motor, Stepping Motor’에 대해 알아봤습니다.
만약 해당 게시글을 보지 않았다면, 아래의 링크를 참고해 주세요.
오늘은 선형 제어에 사용되는 회전체에 대해 알아보겠습니다.
선형 제어에 사용되는 회전체, Linear Motor
오늘은 선형 제어에 사용되는 회전체인 ‘리니어 모터(Linear Motor)’를 소개하고자 합니다.
리니어 모터는 ‘직선 운동’을 수행하는 모터로 최근 산업 분야에서 활발하게 사용되고 있는데요,
제품 이송이나 조립, 로봇의 이동, 자동차의 운전 등 정밀한 운동 제어가 필요한 분야에서는 필수적인 모터라고 할 수 있습니다.
이번 포스팅에서는 리니어 모터의 원리와 특징, 활용 분야 등에 대해 자세히 알아보겠습니다.
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그림 1. 리니어 모터 (출처: 4차 산업혁명 뉴스 포탈)
리니어 모터(Linear Motor)란?
전기 에너지를 직선 운동으로 변환하는 전동기이며, ‘선형 전동기’라고도 불립니다.
1. 리니어 모터의 기본 원리
리니어 모터의 기본적인 구동 원리는 이전 게시글(4. 기계 제어에 사용되는 회전체: Servo Motor, Stepping Motor)에서 소개한 일반적인 모터의 구동 방식과 비슷합니다.
4. 기계 제어에 사용되는 회전체: Servo Motor, Stepping Motor)에서 소개한 일반적인 모터의 구동 방식과 비슷합니다. 일반 모터는 원형 모양의 회전자(Rotor)와 고정자(Stator)가 만드는 자기장이 상호작용하여 회전자가 회전 운동을 수행합니다. 즉, 회전자와 고정자가 핵심이 되죠.
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그림 2. 리니어 모터의 원리 (출처: wikipedia)
리니어 모터는 위의 그림처럼 일반 모터의 회전자를 잘라서 평평하게 펼친 형태입니다.
작동하는 원리는 같지만 회전자를 평평하게 만들었기 때문에 일반적인 모터의 회전 운동이 직선 운동으로 바뀌게 된 형태입니다.
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일반적인 모터: 회전형 운동력 발생
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리니어 모터: 직선형으로 미는 힘(추력) 발생
2. 다양한 분야에서 쓰이던 리니어 모터
리니어 모터는 18세기 중반에 발명되었습니다. 발명 초기에는 섬유 공장에서 원단을 짜는 기계인 방직기에 주로 쓰였는데요. 일렬로 나란히 걸쳐진 날실 사이를 좌우로 오가며 씨실을 엮어 넣어주는 북(shuttle)을 움직이는 데 리니어 모터를 사용했습니다. ‘나는 북(Flying shuttle)’이라고 불린 이 기술은 섬유업계에 큰 반향을 일으키며 영국 산업혁명의 상징 중 하나가 되었죠.
이후에 1946년 미국에서 리니어 모터를 이용해 ‘항공모함 비행기 이착륙 보조장치’를 개발하면서 여러 분야로 확산되기 시작했습니다. 영화 ‘탑건’ 속에서는 전투기가 이착륙할 때 항공모함 위의 매우 짧은 활주로를 달리게 되는데요. 이로 인해 부족한 추진력을 리니어 모터의 힘으로 보태 주는 것이죠.
최근에는 점점 더 다양한 분야에서 리니어 모터가 활용되고 있는데요, 대표적인 분야는 아래와 같습니다.
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공장 자동화 분야: 공장 내부의 컨베이어 벨트나 로봇 팔 등에서 사용합니다. 제조 과정을 자동화하여 생산성과 효율성을 높이는 데에 사용되고 있습니다.
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자동차 제조 분야: 제조 전반에 다양하게 사용하고 있습니다. 예를 들어 자동차 조립 라인에서 조립된 차체는 몹시 무겁다 보니 이동시키기 쉽지 않은데요. 다음 라인으로 차체를 이동시킬 때 리니어 모터의 추진력을 이용하면 쉽게 옮길 수 있습니다. 조립 라인 뿐만 아니라 자동차 자체에도 리니어 모터가 사용되는데요. 전기 자동차의 배터리에서 모터로 전달되는 전기 에너지를 리니어 모터를 통해 직선 운동으로 변환한 후, 이 힘으로 바퀴를 회전시킵니다.
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로봇 공학 분야: 로봇 팔 등의 이동을 제어하는 데에 사용할 수 있으며 로봇의 정확도와 속도를 높일 수 있습니다.
3. 장점 및 단점
장점
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직선 구동력: 일반 회전형 모터와 달리 직선 구동력을 직접 발생시킵니다.
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높은 정밀도 및 효율성 : 가속/감속 성능이 뛰어나며 제어성이 우수합니다.
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작동 속도: 기어나 벨트 등을 사용하지 않아 원심력의 제약을 받지 않기 때문에 작동 속도가 빠릅니다.
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저소음 : 기계식 전달 장치가 불필요하여 구동 시스템 상의 관성 및 소음이 적습니다.
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유지보수 적음: 기계적 접촉이 없어 마모가 적은 편이며 부드럽게 움직입니다.
단점
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높은 가격: 회전 모터와는 달리 직선으로 움직이는 리니어 모터를 사용하기 위해선 일정 수준의 제어 기술이 필요합니다. 이 때문에 일반적인 모터에 비해 비용이 높습니다.
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설치 공간의 제약: 직선 운동 범위를 확보하기 위해 넓은 설치 공간이 필요합니다.
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공극 유지: 가동부와 고정부가 서로 닿지 않고 공극(Air Gap)을 일정하게 유지하기 위한 지지 구조가 필요합니다.
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단부효과(End Effect): 회전형 모터의 경우 회전 방향으로 무한 연속 운동을 하지만 리니어 모터는 구조적으로 길이가 유한하여 입구와 출구가 존재합니다. 이로 인해 리니어 모터의 양 끝에서는 자속이 새어나가거나 에너지 형태 왜곡 및 손실이 일어나게 됩니다. 이로 인해 짧은 시간 구동하기에는 효율이 좋지 않습니다.
4. 주요 고장 원인
구동부간 마찰이 없는 리니어 모터의 특성상, 모터를 제어하는 감속기에 문제가 생기지 않는 이상은 고장이 잘 발생하지 않는 구조입니다.
그럼에도 불구하고 어떤 경우에 고장이 발생하는지, 고장의 원인과 증상, 그에 따른 대처 방법에 대해 알아보겠습니다.
고장 원인 | 증상 | 관리 |
이물질 및 오염 | 먼지 등의 이물질이 모터 내부로 들어가는 경우, 특히 부식성 입자는 부품을 마모시킬 수 있습니다. | 주위 환경의 청결한 관리가 필요합니다. |
과열 | 과열은 대부분의 모터 고장의 큰 원인입니다. 이론 상 열이 10°C 증가할 때마다 권선 절연체의 수명이 절반으로 줄어 듭니다. | 모터가 올바른 온도에서 작동하는지 확인 |
부적절한 윤활 | 과도한 윤활 또는 불충분한 윤활 | 윤활유가 오염되지 않았는지 확인
적합한 윤활유를 사용하고 있는지 확인 |
(출처: tw-motor)
위의 세 가지 외에 여러 요인이 있지만, 리니어 모터의 고장 발생률은 비교적 낮으며, 발생하는 고장 또한 대체로 일반 모터의 고장 원인들과 비슷합니다.
스마트팩토리와 더불어 생산 라인을 자동화하는 경우가 많아지면서 리니어 모터는 많은 산업 분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있는데요. 특히 자동화, 로봇공학 및 CNC 기계 등에서 많이 활용되고 있습니다.
산업 현장에서는 정말 다양한 모터가 사용되는데요. 모터 종류에 따라 주요 고장 증상과 원인을 미리 파악하고 대처 방법을 숙지해 두면 고장 예방에 도움이 될 뿐만 아니라 다운타임이 발생했을 때에도 빠르게 대처할 수 있습니다.
지금까지 선형 제어에 사용되는 회전체: 리니어 모터에 대해 알아봤습니다.
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