리니어 모터란?
리니어 모터(영어: linear motor)는 직선 운동을 하는 전기 모터를 말.
일반적인 모터가 회전 운동을 하는 반면, 리니어 모터는 직선 운동을 한다. 자석의 흡입과 반발, 혹은 로렌츠력을 이용해 추진력을 발생시키는 구동 장치입니다.
기존 모터를 사용하여 직선 방향으로 구동하기 위해서는 다양한 부품의 조합이 필요하지만, 리니어 모터를 사용하면 복잡한 구조를 사용하지 않고도 쉽게 직선 운동을 할 수 있습니다.
리니어 모터의 사용 용도
리니어 모터의 응용 분야로 잘 알려진 것은 리니어 신칸센을 비롯한 리니어 모터카입니다. 리니어 신칸센 등은 자석의 반발력으로 차체가 레일 위에 떠 있기 때문에 마찰력에 의한 구동력 손실이 극히 적은 것이 특징입니다. 따라서 고속으로 이동할 수 있습니다.
도쿄도 도영 지하철 오에도선이나 고베 시영 지하철 해안선 등의 차량은 부상식은 아니지만, 구동하는 것은 리니어 모터입니다. 최근에는 산업기기 등의 구동부에 리니어 모터를 채용하는 사례가 늘고 있습니다.
정밀도가 요구되는 공작기계나 반도체 제조장치, 우주선, 가속기, 리니어 모터 건 등에 사용되는 경우가 많습니다. 민생 제품으로는 자동차 전동 커튼, 면도기, 카메라 자동 초점, 회전 초밥집 등이 대표적인 사례입니다.
리니어 모터의 원리
리니어 모터는 자석의 흡반력 또는 로렌츠력을 구동 원리로 삼고 있습니다. 이 점은 기존 모터와 비슷하지만, 리니어 모터는 직진 운동을 발생시키기 위해 기존 모터를 잘라낸 것과 같은 구조입니다.
작동 원리에 따라 선형 유도 전동기, 선형 동기 전동기, 선형 직류 전동기, 선형 스테핑 전동기 등 여러 종류가 있습니다.
1. 선형 유도 전동기
유도 모터와 같은 원리, 즉 전자기 유도에 의한 로렌츠력을 구동력으로 하는 방식입니다. 자극이 NS-SN과 나란한 자석 위에 전자석을 배치하고 전류를 흘려서 구동합니다. 고정밀도가 요구되는 산업용 리니어 모터에는 이 방식이 많이 사용됩니다.
2. 선형 동기 모터
동기 모터와 같은 원리, 즉 자기극 사이의 흡입력과 반발력을 이용하는 방식입니다. 일직선으로 늘어선 고정 자석의 자극을 이동식 전자석의 운동에 따라 변화시켜 직선 운동의 구동력을 얻는 방식입니다.
리니어 동기 모터는 다른 방식에 비해 효율이 높은 것이 특징입니다. 리니어 모터카에서는 전력 소비를 줄이기 위해 대부분 동기식 모터를 사용합니다. 또한, 자기부상식 리니어 모터카에서는 차체 쪽의 전자석에 초전도 자석을 사용하여 전력 공급을 최소화합니다.
3. 기타 방식
리니어 직류 모터는 액추에이터 등에 사용됩니다. 리니어 스테퍼 모터의 용도는 카메라의 오토포커스를 비롯한 광학기기 등의 정밀 제어입니다. 또한, 피에조 소자로 구동하는 선형 압전 모터는 효율은 낮지만 고정밀 제어가 가능하여 정밀 기계 등에 사용됩니다.
리니어 모터의 기타 정보
1. 리니어 모터의 속도와 정밀도
리니어 신칸센에 적용 시에는 고속화의 장점이 커서 리니어 모터의 성능 및 제어 기술 개발이 진행되어 실용화될 가능성이 높습니다. 리니어 모터의 장점은 감속기구가 불필요하고 고정밀 이송이 가능하다는 점, 장축화 및 여러 개의 모터를 배치하여 동시에 가동할 수 있다는 점 등이 있습니다.
반면, 외란 영향의 제어가 어렵고, 높은 추력을 얻기 어렵고, 점검 및 유지보수가 어렵다는 단점이 있지만, 해마다 개선되고 있다. 이러한 상황에서 고속화와 함께 고정밀화가 주목받으면서 연삭기, 선반 등 공작기계에 활용이 확대되고 있습니다. 또한, 리니어 모터는 환경 보전 측면에서 향후 유압식 대형 기계에 채용될 가능성도 있습니다.
2. 초전도 리니어의 냉각에 대하여
자기부상식 리니어 모터카의 구동에는 초전도 자석을 사용하는 경우가 많은데, 4K(-269℃)의 저온에서 전기저항이 0이 되는 초전도 현상을 이용하여 전기 에너지의 손실 없이 강력한 자기장을 발생시킬 수 있습니다.
항상 초전도 상태를 유지하기 위해서는 냉각하는 장치가 필요하며, 기존에는 액체 헬륨으로 냉각하는 방식을 사용했습니다. 가격이나 대형 장비가 필요하다는 단점이 있습니다. 최근에는 초전도 자석을 구성하는 코일의 재질을 변경하여 액체 헬륨을 사용하지 않고 직접 냉각할 수 있게 되었습니다.
사용되는 재료는 비스무스계 산화구리로, 초전도 상태가 되는 온도가 기존보다 높아 20K(-253℃)의 냉각으로 가능합니다. 이를 고온 초전도 자석이라고 합니다. 고온 초전도 자석을 냉각하기 위한 장치는 단열팽창을 이용하여 재료를 직접 냉각하는 방식을 채택하여 경량화, 소형화를 실현하고 있습니다.