Department of Electrical Eng. Yeungnam Univ. Linear Motors 2013 Suk Gyu Lee Department of Electrical Eng. Yeungnam Univ.

마음을 다스리는 글 복은 검소함에서 생기고 덕은 겸양에서 생기며 근심은 욕심에서 생기고 화는 탐심에서 생기며 허물은 경솔함에서 오고 죄는 참지 못함에서 생긴다. 눈을 조심하여 남의 그릇됨을 보지 말고 입을 조심하여 남의 결점을 말하지 말고 몸을 조심하여 나쁜 친구를 따르지 말라. 유익하지 않은 말은 실없이 하지 말고 내게 상관없는 말은 부질없이 시비치 말라. 어른을 공경하고 아래 사람을 사랑으로 대하고 지혜로움과 어리석음을 밝게 분별하되 무지한 자를 너그러이 대하라. 남에게 대우 받으려고 말고 먼저 남을 대우 해주라. 내몸 대우 없음에 바라지 말고 일이 지나 갔거든 생각지 말라. 남을 손해 끼치면 마침내 그것이 자기에게 돌아오고 돈을 너무 따르면 돈의 노예가 되고 세력을 의지하면 도리어 재화가 따르느니라.

Table of Contents 1. Introduction 2. Linear direct current motor 3. Linear Synchronous Motor 4. Linear Pulse Motor 5. Linear Oscillator Actuator 6. Implementation of Brushless Linear Motor Driver

1.1 Linear motor 원리 Linear motor는 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은 형태. 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생기키는 것에 비해 직선방향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르다. 구동원리는 일반전동기와 근본적으로 같다.

1.2 Linear motor의 특징 및 장단점 1.2.1 특징 고정밀성 - 위치 피드백을 위하여 엔코더 사용=> 가공에 의한 정밀도 변화가 없음. 단순성 - 기구적으로 가동자 코일과 영구자석의 레일만으로 구성=> 하중에 연결시키는 커플링이 없어 모터에서 생산된 힘 이 직접하중에 전달. 고속화 - 가동자와 고정자 사이에 무접촉 운동=> 고가속성 및 고속 운전이 가능. 고효율 - 가동자 코일부의 구조와 에폭시 몰딩 측에 최대 방열할 수 있는 구조로 설계=>코일 소손의 방지와 모터의 설계 효율을 높이는 것이 가능. 장수성 - 비접촉 구동방식으로 모터부의 마모 없음. => 마모로 인한 성능의 저하가 없음. 장착의 용이성 - 가동자와 코일부와의 충분한 허용공차를 가지고 있음.=> 기계적인 가공 공차의 초과로 인하여도 성능의 저하 없이 사용 가능하여 쉽게 장착. 소형화 - 가동자에 하중이 직접 부착되는 구조로 모터를 구동하기 위한 볼스크류나 타이밍 벨트, 커플링을부착하기 위한 부가적인 치수 및 공간이 필요 없어 최적의 compact한 설계 가능. 무진동 - 진동 문제 해결=> 반도체 공정의 구동에는 최적.

1.2.2 Linear Motor의 장단점 * 장점 * 단점 1. 회전형 모터와 직선 변환기구에 의한 직선운동보다 1) 구조가 간단하며, 신뢰성이 높다.(기어,벨트 등 기계적인 변환장치불필요.) 2) 유지보수가 간편하다. 3) 전동에너지의 손실이 적다. 2. 기계적 backlash가 없어서 서브마이크론 이하의 고속 고정밀 위치 제어가 가능하다. 3. 공극을 사이로 하여 가동부와 고정부가 비접착식 구동을 하므로 마찰이 없으며, 소음도 없다. 4. 큰 가감속도로 운전이 가능하다. * 단점 1. 가동부와 고정부 사이의 공극을 일정하게 유지하기 위한 지지기구가 필요하며, 구조적으로 비교적 까다롭다. 2. 단일 기계로써는 회전형에 비해 역률, 효율이 낮다. 3. 전체구조가 개방적이며, 누설자속이 많다.

1.3 Linear Motor종류 및 응용 LIM LDM LPM LSM LEP LOA LES 구분 용 도 응 용 LIM Linear Induction Motor 고출력 고속반송용 .압출기용 풀러, 방사선 폐기물 운반장치, 반도체 ware case 운반장치, 목재용 모노레일, 산업용물류 반송장치류 LDM Linear DC Motor 미소변위고속위치결정 제어용 .광자기 디스크헤드, 정밀조립용 Robot, Submicron X-Y Stage, 마이크로 FDD 자기 헤드 구동 장치, Stepper LPM Linear Pulse Motor 저속위치결정제어용 . 프린터헤드, 생산공정간 자동운반장치, 자동제도기, 고해상도 이미지스캐너, 인공심장용 보조혈액 순환 장치 등 LSM Linear synchronous motor 고속수송용 . 자기부상열차 등 LEP 액체금속반송용 . 자동주탕장치, 수온순환용펌프, 원자로용전자펌프, 주조용 펌프 등 LOA Linear Oscillating Actuator 소변위 왕복운동용 . 저변형 스피커, 스터링 냉동기, 전자셔터, 보조인공 심장용 공압 구동장치, 소형 콤푸레서 등 LES 송출보수기구용 ·오락기계, 자동판매기, 사무기계, 자동기계 cf) DLM : Double Sided Induction Motor(유도형양측식) SLIM : Single Sided Induction Motor(유도형편측식)

Linear Motor 분류 단상 3상: 동력용 Flat type 형상 권선방식 여자방식 2상 actuator용 집중권, 분포권 형상 여자방식 권선방식 집중권, 분포권,전절권, 단절권, 2층권, 단층권 3상: 동력용 단상 Cylindrical type

Linear Motor의 지지기구의 종류와 응용 방식 기종 Applications 기계식 롤러 리니어 슬라이드 LPM LIM LOA 전자프린터(일)등 팔렛반송(일,독) 등 공기식 정압 슬라이더 자동제도기 (미) 클린룸 반송 (일) 공작물 운반 (독) 자기부상식 흡인제어 초전도 반발 LSM 자기부상열차, 자기베어링 등

Linear Motor의 동작원리

1.4 Linear Motor의 선정 조건 Linear Pulse Motor 1) 정격전류, 2) 스텝량, 3) 정(靜)추력, 4) 동(動)추력, 5)최대 자기동 (自起動) 주파수, 6) 스트로크, 7) 정지정도(停止精度), 8)질량 Linear Induction Motor 1) 정격전압, 2) 정격전류, 3) 상수(相數), 4) 주파수, 5) 동(動)추력, 6) 최종주행속도, 7) 정(靜)추력, 8) 스트로크, 9) 정지정도(停止精度), 10) 부하시간율

Linear Motor의 특성비교 성적표 LIM LDM LPM LOA LES LEP LSM 연속 직선 운전 간흠 직선 운전 소변 위왕 복운전 대변 위왕 복운전 위치결정성능 대추역화 저속운전 고속 운전 개루우프 제어성 수직 운전 가동자구조의 간이화 전원제어회노의 간이화 가격 지지기구의 부담 정전대책 비고 ◎: 최적 ○: 적 △: 다소 부적 ×: 부적 LIM ◎ △ ○ × 고출력연속고속반송, 수송용 LDM 소변위 고속위치결정 제어용 LPM 저속대출력,간흠운전,위치결정제어 LOA － 소변위 왕복운전 (송출기구) LES 송출보수 기구 LEP 액체금속반송 LSM 고속수송용

2. LDM(Linear Direct current Motor) 2.1 원리 및 특징 구동원리 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다. 즉 평판형의 영구자석이 같은 N극(혹은 S극)이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는 전기자코일에 전류가 흐르면, 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향으로의 힘이 발생한다. 이때 계자가 양쪽에 있으면 양측식, 한쪽에만 있으면 편측식이 된다. 특징 장점 구조가 간단하고 추력/질량의 비가 크며, 고속동작이 가능하고 서보성이 좋다. 단점 motor 자체적으로 위치결정기능이 없어 반드시 위치결정센서, 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는데, 이 경우 높은 정도의 위치결정, 속도제어가 가능하다. => LDM의 경우는 추력특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다. 기타 특성 1) 위치결정 정도가 좋다. 2) 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다. 3) 간결 직선운동이 가능하다. 4) 소변위 왕복운동이 가능하다. 5) 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다. 6) 지지기구는 비교적 간단하다. 7) 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다. 8) 수직운전이 곤란하다. 9) 비교적 저렴하다. 응용분야 FDD, CD, 각종 로봇, 레코드, 광학기기 등

2.2 분류 및 응용 종류에 따른 직류형 리니어모터(LDM)의 응용 예 분류 각형; 직교좌표형 로봇, 리코더 코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving armature type LDM), 전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어 직류모터(moving coil type LDM), 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바꿔, 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터(moving magnet type LDM) 종류에 따른 직류형 리니어모터(LDM)의 응용 예 각형; 직교좌표형 로봇, 리코더 환형; 결함검출용 센서추종장치, 3차형 궤환제어, 광디스크용 focusing, 플로피, 자기디스크 특수형; 전자 launcher, 선박추진용 리니어 초전동기, 초전도선, 결정구조 해석용 레일건

3. Linear Synchronous Motor(LSM)

3.2 구동 원리 동기형 리니어모터는 회전형 동기모터를 축방향으로 잘라 펼친 형태이므로 회전형 동기모터의 구동원리가 동일. 동기형 리니어모터는 회전형 동기모터를 축방향으로 잘라 펼친 형태이므로 회전형 동기모터의 구동원리가 동일. 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라 종류가 달라진다.

LSM의 동작원리

3.3 LSM의 분류 및 응용 3.3.1 분류 동기형 리니어모터(LSM)은 철심에 코일을 감은 전자석형, 空心코일을 초전도 상태에서 이용하는 초전도 코일형, 영구자석을 이용하는 영구자석형이 있고, 유도자형 LSM도 있다. 3.3.2 응용 LSM 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며, 일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 LSM은 VR 형 LPM과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다.

4. LPM(Linear pulse motor, linear stepping motor) 4.1 원리 회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류 펄스신호에 대해 1 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 linear pulse motor라고도 한다. LPM는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 齒와 홈이 있어야 만 한다. 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석할 수도 있다. 따라서 LPM의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 , 치사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다. LPM가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법, 기하학적 형상, 여자방식을 적절히 해야 하는데 그 방식은 다양하다.

4.2 장단점 * 장점 1) 스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속도, 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다. 위치결정정도는 미니스텝구동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다. 2) 직선운동계에서 구동와이어, 기어, 캠 등이 필요없으므로 구조가 간단하다. 3) DC모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다. 4) 모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다. * 단점 1) 자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다. 2) 코일선의 발열 3) 여자방식, 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화 4) 일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정 5) 지지기구의 개량

4.3 분류 항 목 분 류 자기회로구성 PM 형 VR 형 가동부 1차측 2차측 자기회로 相數 2상 3상 4상 5상 등 항 목 분 류 자기회로구성 PM 형 VR 형 가동부 1차측 2차측 자기회로 相數 2상 3상 4상 5상 등 여자 방식 유니폴러 바이폴러 정전압, 정전류 1상 1,2상 齒의 재질 영구자석, 연철 홈의 형상 각형, 둥근모양 권선방법 유니파일러감기 바이파일러감기 형 상 평판형(편측식 , 양측식) 원통형 캡지지 방식 롤러지지,자기, 공기지지

4.4 Applications 리니어 펄스모터(LPM)의 응용예 고정도의 자기위치 결정능력 등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의 이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바, 이를 평판형, 원통형등의 구조상의 종류와, 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에서 소개하기로 한다. 평판형; 프린터, 스폿 용접로봇, pallet반송방식, micro stepping, 스폿 용접시스템, 결함검출장치, 원통형; 혈액순환기, 인공심장용 액츄에이터

5. LOA(Linear Oscillator Actuator) 5.1 원리 정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동. 고정자 코일에 직류전류가 흐르면 고정자철심이 자화되어 전자석이 된다. 그러면 철심으로 이루어져 베어링으로 공극을 지지하고 있는 가동자는 자화되어 흡인력에 의해 이동하게 된다. 다시 다음순간 고정자의 전류방향을 바꾸어 주면 가동자에 작용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다. 이렇게 고정자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된다. 분류는 단지 철심이나 코일로 이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다.

5.2 분 류 리니어 진동 액튜에이터(LOA)에는 현재까지 코일가동형, 철심가동형 및 영구자석가동형으로 대별되며, LIM을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다. 항 목 코일가동형 철심가동형 영구자석 가동형 가동체 코일(도체) 철심(강자성체) 영구자석(페라이트, 희토류등) 전자력 전류력 자 기 력 자기력 관 성 작 다 크 다 응 용 전자기기, 자기헤드위치 결정장치 pump, 가진기, Air compressure 촉자극센서 1) 코일가동형 LOA 리니어 직류모터(LDM)라고 볼 수 있으며, 보이스 코일형 모터, 소음계, 자기헤드 위치결정장치, 動電形 진동발생기, 2방향 수중진동기, 소형 저온냉동기 등에 응용 개발되고 있다. 2) 영구자석 가동형 LOA 가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기, 인공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기, 리니어 진동발전기, 에어콤프레사, 소형교반기 등에 응용개발되고 있다. 3) 철심가동형 LOA 평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프, 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치, 광학용 전자셔터, 액체분리 추출기, 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의 초전도 전기추진용 헤륨 냉동기 등의 actuator, 전기 해머, 선탄용(選炭用)장치, 심폐보조펌프, 에어 콤프레사 등에의 응용개발이 되고 있다.

6. Implementation of Brushless Linear Motor Driver 선형 모터 중 선형 직류 모터(Linear DC Motor)는 구조가 간단하고 추력 정수가 일정하여 포화가 적으며, 권선의 인덕턴스가 작고 전기적 시정수가 작은 장점. 회전형 모터에서 운동변환장치를 이용하여 직선운동을 얻을 때 이는 기계적인 변환 장치에 대한 내구성, 고속성 및 정밀도에 한계를 가지게 되므로 고속의 고정밀 직선 운동 서보 기구로서는 부적당한 점이 있다. 직선운동을 통한 작업에 있어서 고속이고 고정밀이 필요한 곳에서는 선형 모터의 채용이 불가피하며 빠른 속도로 발전하고 있는 센서 및 제어 기술과 부합하여 더 빠르고 정밀한 서보 제어 기구를 만들 수 있게 되었다.

6.1 시스템 구성 Micro-controller 전력 변환부 전류, 속도, 위치제어 수행 위치, 속도 측정 PWM 발생회로 인터럽트 처리회로 통신 기능 가변전압/주파수 전원 공급 모터에 전력을 공급함 회로의 전원공급기능 IPM을 사용하여 구성함 과전압, 과전류등의 보호 기능

Servo Driver의 구조 예 서보 드라이브는 사용자의 명령을 수행하기 위하여 제어대상인 모터에 전력을 공급하고 제어하는 부분이다. 드라이브의 일반적인 구성은 가장 안쪽에는 전류제어, 그 외측에는 속도제어, 가장 외측에는 위치제어부로 구성되어 있는 3개 루프로 이루어진다.

Justec의 brushless motor 6.2 Linear motor 개발회사와 제품 Justec의 brushless motor 다사테크의 리니어모터 초정밀 고가속 리니어 서보 모터 JTM2X시리즈 산요 전기

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7. 용어설명 1. 추력 시동추력 시동추력(starting thust)은 슬립 s=1인 경우의 추력 하중변환기를 용한 경우는 측정치에 마찰력을 더하여 나타낸다. 동추력 동추력(kinetic thrust)에는 LIM이 동작을 개시한 때의 추력. 일반 회전원판의 회전축에 負荷吸收 장치를 직결시켜 계측한다. 최대추력 회전유도 모터의 최대 토크에 상당. 고속용 LIM에서는slip 0.2∼0.3 근처에서 얻고, 제어용 LIM은 시동추력 즉, s=1이 최대추력. 2. 수직력 자극면의 법선방향에 반발력 혹은 흡인력으로 동작하는 힘을 수직력(normal force or vertical force)이라 한다. 편측식 LIM의 경우, 추력의 10배이상에 달하는 일이 있다. 2차 도체는 철의 경우에 보통 흡인력이 되며 알미늄과 철과 같은 복합도체의 경우는 전류 때문에 작은 영역에 반발력이 된다. 수직력은 자기부상에서는 부상제어계에 외란으로 되어 나타난다. 이 때문에 보통은 수직력이 0이 되도록 슬립을 제어하는 일도 있다.

5. 추력-속도(슬립) 특성 (thrust-speed(slip) characteristics) 3. 동기속도 진행 자계의 속도이며, 다음식으로 주어진다. 여기서, τ는 pole pitch [m], f는 전원주파수 [Hz]이다. 4. Slip 실제의 주행속도 v의 동기속도 vs부터의 틀어짐을 나타내는 양을 slip이라 부르며, 다음식에서 정의 된다. 5. 추력-속도(슬립) 특성 (thrust-speed(slip) characteristics) LIM을 일정전압, 혹은 일정 전류에서 여자된 경우의 추력과 주행속도의 관계를 나타내는 특성으로 LIM의 기본특성의 하나이다.

6. 추력-주파수 특성 추력-주파수 특성(trust-frequency characteristics)에 대하여 보통 전원 주파수f를 변화시켜 속도제어를 행하는 경우, 전원전압 V를 V/f=일정하게 유지시키며 변화 시킨다. 이 경우의 최대 추력은 대략 일정하게 되며, 고속 LIM에서는 단효과(end effect)의 영향으로, 주파수가 높아지면 약간 감소하는 일도 있다. 원절환 LIM에서는 stroke의 관계에서 추력-속도(슬립) 특성을 측정하는 일도 곤란하기 때문에 역동전류를 일정하게 하고, 전류의 주파수와 시동추력의 관계를 구하여 대신 사용한다. 7. 부하 시간율 짧은 stroke를 왕복 운동하는 액추에이터를 이용하는 경우, 靜止 근처에서의 상태에서 동작하기 때문에 자기냉각능력에 대한 기대가 어려운 정도의 온도 상승이 문제가 된다. 이와 같은 경우 간欠운전에서 온도 상승을 피하고 있다. 하중부는 cycle의 반복운동을 하는경우, 1 cycle의 시간 T [s]에 대한 전 통전시간(全通電時間) T1 + T2 [s]의 비로 한 부하 시간율(duty factor, DF)를 다음과 같이 정의 한다

8. gap 자속밀도와 단효과 단효과(end effect)는 1차측 및 2차측의 길이와 폭이 유한 하기 때문에 생기는 것으로 다음의 2종류가 있다. 모터 길이가 짧은 고속 LIM에서는 추력 감소등의 영향이 무시할 수 없게 된다. 8.1 종방향단효과 縱方向端效果(longitutinal end effect)는 일반적으로 端效果(end effect) 로 불리며, 입구와 출구가 존재하기 때문에 양단부에 있어서 자속 급변을 없애기 위해 전류가 2차도체중에 생기며 gap 자속분포가 불균일 혹은 편재하는 것에의해 일어나는 작용을 말한다. 8.2 횡방향단효과 橫方向端效果(transverse end effect)는 일반적으로 緣效果(edge effect)로도 불리며, 1차철심의 쌓인 두께 방향의 자속분포의 불균일에 의해 생기는 작용을 말한다. 9. 역률, 효율 LIM은 gap이 큰것, 단효과가 있는 것 등에서 회전형유도 모터와 비교하여 역율, 효율이 같이 낮게 되는 경향이 있다. 3상의 동력용 LIM (300[km/h] 정도의 고속 LIM)를 예로 들면 역율 0.3∼0.7, 효율 0.4∼0.8 정도의 값이 된다.

10. pitch/gap 비 (τ/g) τ/g의 값은 LIM를 설계하는 경우의 하나의 지표이다. LIM에서는 회전형 유도모터와 비교하여 gap g가 크게 되기 위해 τ/g가 작게되며 역율, 효율이 저하되는 원인이 되고 있다. 11. LIM의 특성치 LIM의 성능의 장점을 나타내는 표준으로 4개의 특성치가 있다. 즉 추력/입력비 [N/kVA], 추력/질량비[N/kg], 추력/체적비[N/L], 추력/면적비[N/m2]이다. LIM 중에는 고속 LIM은 포함되지 않는다. 단 추력/면적비는 포함되지 않는다.