직선형 전동기

3. 특징

'리니어(linear)'라는 명칭은 모터가 발생시키는 운동 방향에서 유래했다. 일반적인 회전식 모터와 달리 직선 방향으로 동력을 전달한다. 여기서 '직선'은 반드시 곧은 선만을 의미하는 것은 아니며, 가이드 레일을 따라 곡선 형태로 만드는 것도 가능하다. 예를 들어, 하드 디스크의 헤드처럼 부채꼴 형태로 배치하여 매우 얇은 두께로 원호 운동을 구현할 수도 있다. 따라서 회전식 모터와의 본질적인 차이는 운동 방향(회전/직선)이라기보다는, 기계적인 축을 통해 토크를 이용하는지 여부라고 할 수 있다.

직선형 전동기의 주요 특징은 다음과 같다.

'''장점'''

• 볼 스크류, 타이밍 벨트, 랙 앤 피니언과 같은 다른 일반적인 액추에이터와 비교했을 때, 고정밀도, 고속도, 고출력 및 긴 이동 거리의 조합을 제공한다.
• 베어링이나 감속기 같은 부가 장치가 필요 없어 구동 시스템을 작고 가볍게 만들 수 있다. 이는 회전식 모터를 설치하기 어려운 좁은 공간에 유리하다.
• 회전하는 바퀴(차륜)를 사용하지 않고도 물체를 움직일 수 있어, 자기부상열차와 같은 비접촉 주행 방식에 적용하기 용이하다.

• 에너지 손실이 비교적 커서 소비 전력이 많이 드는 경향이 있다.
• 특히 지상 1차식(코일이 선로에 설치된 방식)의 경우, 이동체가 지나가지 않는 구간의 코일에도 전류를 흘려야 하므로(여자), 출력을 높일수록 에너지 손실이 더욱 커진다.
• 감속기가 없어 제동 시 더 큰 제동력이 필요하다.

4. 유형

직선형 전동기는 이름 그대로 회전 운동 대신 직선 운동을 생성하는 전동기이다. 일반적인 회전 전동기와 달리 기계적인 축을 통해 토크를 전달하는 방식이 아니다. 다만, '직선'이라는 명칭이 반드시 끝없이 이어지는 직선 경로만을 의미하는 것은 아니며, 가이드 레일을 따라 곡선이나 원호 형태로 움직이도록 설계될 수도 있다. 예를 들어 하드 디스크 드라이브의 헤드 구동에는 원호 형태로 움직이는 직선형 전동기가 사용된다.

직선형 전동기는 다양한 기준에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다.

가장 일반적인 분류 기준은 작동 원리이다. 주요 유형으로는 리니어 유도 전동기 (LIM)^[17], 리니어 동기 전동기 (LSM)^[18], 리니어 직류 전동기 (LDM)^[19], 리니어 스테핑 모터 등이 있다. 대부분은 로렌츠 힘을 이용하는 전자기식이지만, 압전 효과를 응용한 압전 소자로 구동하는 방식 등 다른 원리를 사용하는 직선형 전동기도 존재한다.

또한, 브러시의 유무에 따라 브러시리스(brushless) 타입과 브러시(brushed) 타입으로 나눌 수 있으며, 계자(전자석)를 차량에 탑재하는지 혹은 지상(궤도)에 설치하는지에 따라 차상 1차식과 지상 1차식으로 분류하기도 한다. 각 유형에 대한 자세한 내용은 아래 하위 섹션에서 설명한다.

4. 1. 유도 전동기 (LIM)

4. 2. 동기 전동기 (LSM)

4. 3. 직류 전동기 (LDM)

4. 4. 기타 유형

• 리니어 사이리스터 모터: 직선형 직류 전동기의 일종으로, 계자(界磁)를 전환하기 위해 사이리스터를 사용한다. 2차 측이 영구 자석이 아닌 경우에는 여자(励磁)할 필요가 있으며, 효율은 비교적 높다.

• 리니어 스테핑 모터: 일부 광학 기기 등 정밀 기기 등에 사용된다.^[25] 예를 들어, 기존 줌 렌즈의 자동 초점 기능은 경통에 형성된 원통 캠을 이용해 렌즈를 복잡하게 전후 이동시켜 확대, 축소, 초점을 맞췄다. 하지만 각 렌즈를 리니어 스테핑 모터로 독립적으로 전후 이동시킴으로써 기존의 복잡한 기구가 불필요해졌다.

• 리니어 리럭턴스 모터: 액추에이터 등의 용도로 개발이 진행 중이다. 리니어 스테핑 모터와 유사한 구조를 가지며, 계자에 희토류 자석을 필요로 하지 않는다는 특징이 있다. 고정밀 위치 결정이 가능하며^[26], 액추에이터 외에도 베네수엘라의 안데스 대학교에서는 리니어 리랙턴스 모터를 추진력으로 사용하는 TELMAGV를 개발하고 있다.

• 리니어 공진 액추에이터: 특정 주파수의 진동을 가하면 액추에이터가 해당 공진 주파수에 따라 위치를 이동하는 방식의 리니어 모터이다. 가하는 주파수를 변경하면 액추에이터의 위치도 변한다.^[27]

• 리니어 정전 모터: 정전기의 힘을 이용하여 작동한다. 기존의 로렌츠 힘을 이용하는 전자기식 리니어 모터보다 효율이 낮고 고전압을 필요로 하기 때문에, 대부분 실험적인 단계에 머물러 있다^[28][29]. 정전 리니어 액추에이터 형태로도 개발이 진행 중이다.

• 리니어 압전 모터: 피에조 소자에 의해 구동되는 리니어 모터이다. 압전 효과를 응용한 초음파 모터와 작동 원리가 유사하다. 효율은 낮지만, 고정밀 제어가 가능하여 정밀 기계 등에 사용된다.^[30]

4. 5. 브러시 유무에 따른 분류

4. 5. 1. 브러시리스

4. 5. 2. 브러시

4. 6. 계자(전자석) 배치에 따른 분류

4. 6. 1. 차상 1차식 리니어 모터

4. 6. 2. 지상(궤도) 1차식 리니어 모터

5. 원리

기본적인 원리는 회전형 모터와 동일하며, 유도형에서는 자기장 속에 놓인 도체에 전류를 흘렸을 때 생기는 로렌츠 힘을 이용하고, 동기형에서는 자극 간의 흡인력과 반발력을 이용한다. 가장 원시적인 구조는 회전형 모터를 직선으로 잘라 펼친 형태를 상상하면 이해하기 쉽다. 회전 자기장을 일으키는 대신 직진하는 자기장 변화를 일으키는 것이다.

=== 유도형 ===

유도형 직선형 전동기는 움직이는 선형 자기장이 자기장 내의 도체(루프, 코일 또는 판 금속 조각)에 힘을 가하는 방식으로 작동한다. 이 자기장은 도체에 와전류를 전자기 유도시키고, 렌츠의 법칙에 따라 원래 자기장에 반대하는 자기장을 생성한다.^[4] 이 두 반대 자기장이 서로 밀어내면서, 자기장이 금속을 통과할 때 움직임이 만들어진다.

=== 동기형 ===

동기형 직선형 전동기는 자기장의 이동 속도를 제어하여 회전자(움직이는 부분)의 운동을 추적한다. 비용 문제 때문에 정류자를 거의 사용하지 않으며, 회전자에는 영구 자석이나 연철이 포함되는 경우가 많다. 대표적인 예로는 코일건이나 일부 자기 부상 열차 시스템에 사용되는 전동기가 있으며, 그 외에도 다양한 직선형 전동기에 활용된다.

특히 고정밀 산업 자동화 분야에서는 자석으로 된 고정자(고정된 부분)와 움직이는 코일로 구성된 동기형 직선형 전동기가 주로 사용된다. 이때 홀 효과 센서가 회전자에 부착되어 고정자의 자기 선속을 추적하며, 전원은 고정된 서보 드라이브에서 케이블 캐리어 내부의 움직이는 케이블을 통해 코일로 공급된다.

동기형 리니어 모터의 작동 원리는 다음과 같이 단계적으로 설명할 수 있다.

• 정지 상태: 직선으로 배열된 고정자 전자기석과 이동자(가동 전자기석)는 서로 반대 극(예: N극과 S극)을 마주보게 배치된다.

• 이동 시작: 이동시키려는 방향의 고정자 전자기석 극성을 이동자와 같은 극(예: 이동자가 S극이면 고정자도 S극)으로 바꾸거나, 반대 방향의 고정자 전자기석을 이동자와 다른 극(예: N극)으로 바꾼다. 그러면 자석의 반발력과 인력에 의해 이동자가 특정 방향으로 움직이기 시작한다. 더 강한 힘을 얻기 위해 양쪽 극성을 모두 제어하기도 한다.

• 연속 이동: 고정자 전자기석의 극성을 순차적으로 계속 변화시키면, 이동자는 이 변화를 따라 계속해서 앞으로 끌려가거나 밀려나며 움직인다.

6. 용도

직선형 전동기는 기존의 회전형 전동기와 달리 직선 운동을 직접 생성하는 특징을 가지며, 이러한 특성 덕분에 다양한 분야에서 활용되고 있다.

주요 활용 분야로는 높은 정밀도와 빠른 속도, 강한 출력이 요구되는 산업 자동화 장비가 있다. 또한 철도 분야에서는 리니어 모터카와 같이 열차의 추진력을 얻기 위해 사용되며, 놀이 기구에서는 롤러코스터 등을 가속시키는 데 활용된다. 정밀한 제어가 필수적인 공작 기계 분야에서도 중요한 역할을 한다.

이 외에도 직선형 전동기의 응용 범위는 매우 넓다.

• 직기의 셔틀 추진
• 미닫이문 및 유사 액추에이터
• 수하물 처리 시스템 및 대규모 벌크 재료 운송
• 천문대의 망원경 구동 (회전 운동 생성)
• 자동차 충돌 시험 시 차량 가속^[9]
• 반도체 제조 장치
• 우주선
• 가속기
• 차량 서스펜션 시스템
• 자동차용 전동 커튼
• 면도기
• 카메라의 자동 초점 기능 (리니어 스테핑 모터)
• 항공모함의 캐터펄트 (실험 단계)
• 일부 회전 초밥 식당의 음식 운반 기구

6. 1. 철도

6. 1. 1. 바퀴식 리니어 모터 카

• '''일본'''
• * 리니어 모터 대차식 입환 장치: 화물 열차 등의 편성 및 입환 작업에 사용되었다. 컴퓨터 제어 방식으로 무사시노, 기타카미, 신난요, 고리야마, 시오하마, 다카사키 조차장에서 사용되었으며,^[31][32][33] 보수 차량으로 국철 야250형 화차가 있었다.
• * 철도총합기술연구소 가공 집전 시험용 대차: 리니어 사이리스터 모터로 구동되는 가공 집전 시험 장치이다.^[34]
• * 미니 지하철 (리니어 메트로 / 일본 지하철 협회)^[35]
• ** Osaka Metro 나가호리 쓰루미료쿠치선 (1990년 3월 20일 개업, 개업 당시 명칭: 오사카시영 지하철 쓰루미료쿠치선)
• ** 도영 지하철 오에도선 (1991년 12월 10일 개업)
• ** 고베 시영 지하철 해안선 (2001년 7월 7일 개업)
• ** 후쿠오카시 지하철 나나쿠마선 (2005년 2월 3일 개업)
• ** Osaka Metro 이마자토스지선 (2006년 12월 24일 개업)
• ** 요코하마 시영 지하철 그린 라인 (2008년 3월 30일 개업)
• ** 센다이 시영 지하철 도자이선 (2015년 12월 6일 개업)
• * 림토렌 (일본 모노레일 협회)
• ** '88 사이타마 박람회에서 사용된 바퀴식 리니어 모터 카였으나, 현재는 실용화되지 않았다.

• '''캐나다'''
• * 밴쿠버 스카이트레인

• '''미국'''
• * TACV (Tracked Air Cushion Vehicle): 리니어 유도 모터를 장착한 공기 부상 방식 시험 차량 계획이었다. LIMRV, TACRV, UTACV 등이 제작되었다.
• ** LIMRV (Linear Induction Motor Research Vehicle): 차량 탑재형 가스터빈 발전기로 구동되는 리니어 유도 모터를 갖춘 시험 차량이었다.

• '''중화인민공화국'''
• * 광저우 지하철: 4호선, 5호선, 6호선에서 사용하고 있다. (가와사키 중공업의 기술 제공으로 제조되었다.)
• * 베이징 지하철 수도공항선: 2008년 개통되어 운행 중이다.

6. 1. 2. 자기 부상식 철도

• '''일본'''
• * HSST: 일본항공이 독일 클라우스-마페이로부터 기술을 도입하여 개발하였다.
• ** 아이치 고속 교통 동부 언덕선 (리니모): 2005년 3월 6일 개업한 자기 부상식 노선이다.
• * 초전도 리니어: 현재 시험 운행 중이며, JR 도카이가 주오 신칸센 노선으로 2027년 개업을 목표로 하고 있다.
• * 이엠엘 프로젝트: 시험 단계에서 종료되었다.
• '''독일'''
• * M-Bahn: 1989년 당시 서독의 서베를린 시내 라이스드라이에크역과 켐퍼플라츠역 사이 약 1.6km 구간에서 개통했으나, 1992년 폐쇄되었다.
• * 트랜스라피드: 독일에서 개발한 기술로, 현재 중화인민공화국 상하이에서 운행되고 있다.
• * 클라우스-마페이 트랜스어반: 캐나다 토론토에서 개발이 추진되었으나, 서독 정부의 보조금 지원 중단으로 무산되었다.
• '''영국'''
• * 버밍엄 피플 무버: 1984년 버밍엄 공항과 버밍엄 국제 전시장역 사이 약 620m 구간에서 개통한 세계 최초의 상업 운행 자기 부상식 철도이다. 1995년 운행을 중단했다.
• '''미국'''
• * ROMAG: 1970년대에 개발되었으나 상용화되지 못하고 중단되었다.
• '''대한민국'''
• * 엑스포 과학공원: UTM-02가 운영되었으며, 독일 클라우스-마페이로부터 기술을 도입하여 개발되었다.
• '''중화인민공화국'''
• * 상하이 트랜스라피드: 독일로부터 트랜스라피드 기술을 도입하여 건설 및 운행 중이다.

6. 1. 3. 기타

6. 2. 놀이 기구

• LIM 사용:
• * 유니버설 스튜디오 싱가포르의 배틀스타 갈락티카: 휴먼 VS 사이론 및 리벤지 오브 더 머미 (2010년 개장, 특정 지점에서 가속)
• * 유니버설 스튜디오 할리우드와 유니버설 스튜디오 플로리다의 리벤지 오브 더 머미
• * 유니버설 아일랜드 오브 어드벤처의 인크레더블 헐크 코스터와 벨로시코스터
• LSM 사용:
• * 월트 디즈니 월드 디즈니 할리우드 스튜디오의 록 앤 롤러 코스터 스타링 에어로스미스 (차량 발사)
• * 월트 디즈니 월드 엡콧의 ''가디언즈 오브 갤럭시'': 코스믹 리와인드 (차량 발사)
• * 시더 포인트의 탑 쓰릴 드래그스터: 2023년 개조를 통해 기존 유압식 발사 시스템을 LSM을 이용한 다중 발사 시스템으로 교체하였다. 이는 기존보다 낮은 중력 가속도를 생성한다.

6. 3. 산업 자동화

• 반도체 스테퍼 모터
• 전자 표면 실장 기술 (SMT)
• 자동차 생산 라인의 직교 좌표 로봇
• 항공우주 분야의 화학적 밀링 공정
• 광학 전자 현미경의 정밀 제어
• 의료 분야의 실험실 자동화 시스템
• 식품 및 음료 산업의 픽 앤 플레이스 로봇

6. 4. 공작 기계

6. 5. 기타 용도

7. 고가속 선형 모터

고가속도 선형 전동기는 여러 특정 용도로 제안되거나 사용되고 있다.

현재 관통자탄과 같이 높은 운동 에너지를 가진 작은 발사체를 사용하는 무기체계에서 고가속 선형 모터의 활용이 고려되었다. 이는 선형 모터가 이러한 발사체를 효과적으로 가속할 수 있기 때문이다. 또한, 많은 놀이공원의 발사 롤러코스터는 전통적인 리프트 힐 방식 대신 선형 유도 전동기를 사용하여 열차를 고속으로 추진한다.

미국 해군은 미래 항공모함에서 기존의 증기 캐터펄트를 대체하기 위해 전자기 항공기 발사 시스템(EMALS)에 선형 유도 전동기를 사용하고 있다. 우주선 추진 분야에서도 활용 가능성이 제기되었으며, 이 경우 주로 매스 드라이버라고 불린다. 매스 드라이버를 이용하는 가장 간단한 방식은 탈출 속도까지 화물을 가속할 수 있는 대형 매스 드라이버를 건설하는 것이지만, RLV 발사 보조 장치로 저궤도까지 활용하는 스타트램과 같은 개념도 연구되었다.

고가속도 선형 전동기는 몇 가지 기술적 과제를 안고 있다. 매우 짧은 시간 안에 막대한 양의 에너지를 공급해야 하는데, 예를 들어 한 로켓 발사기 설계^[7]는 1초 이내에 발사당 300 GJ의 에너지를 요구한다. 일반적인 발전기는 이러한 급격한 부하를 감당하기 어렵기 때문에, 축전기나 플라이휠의 운동 에너지를 이용하는 단극 발전기와 같은 단기 에너지 저장 및 공급 방법이 필요하다. 또한, 매우 강력한 자기장이 필요하며, 이 자기장이 너무 강해 초전도체를 사용하기 어려운 경우도 있다. 하지만 신중한 설계를 통해 이러한 문제를 해결할 수 있다.^[8]

고가속도 선형 전동기의 주요 설계 방식으로는 레일건과 코일건 두 가지가 있다. 레일건은 전류가 자기장 속에서 받는 로렌츠 힘을 이용하는 방식으로, 리니어 모터와는 원리가 다르다. 리니어 모터와 원리적으로 더 가까운 것은 코일건이다. 리니어 모터 자체를 이용하여 물체를 발사하는 병기는 "리니어 건" 또는 "리니어 모터 건"으로 불리기도 하며, 병기가 아닌 우주 기술 등에서는 매스 드라이버라고 칭하는 경우가 많다.

다음은 고가속 선형 모터와 관련된 주요 시스템 및 개념이다.

• 전자기식 항공기 이륙 시스템 (Electromagnetic Aircraft Launch System)
• 발사 루프 (Launch loop) - 선형 전동기 기반 루프를 이용한 우주 발사 시스템 제안
• 스타트램 (StarTram) - 극단적인 규모의 선형 전동기 개념
• 테더 케이블 투석기 시스템
• 하이퍼루프 (Hyperloop) - 고속 운송 시스템 개념

참조

_[1] 웹사이트 Linear Motors https://www.engineer[...] engineering.com 2020-09-15
_[2] 학술지 inear motors come into their own https://www.designne[...] 1998-05-18
_[3] 학술지 Are brushed motors suitable for industrial applications? https://www.linearmo[...] 2019-03-15
_[4] 학술지 What are linear motors? https://www.research[...] 2017-12-24
_[5] 웹사이트 Charles Wheatstone - College History - King's College London http://www.kcl.ac.uk[...] Kcl.ac.uk 2010-03-01
_[6] 웹사이트 CEM - Fall/Winter 1997 Issue - Germany's Transrapid http://cem.colorado.[...] 2011-08-24
_[7] 웹사이트 Magnetic Materials - Electromagnetic Guns http://www.coilgun.i[...] coilgun.info 2014-11-22
_[8] 학술지 A single-sided linear synchronous motor with a high temperature superconducting coil as the excitation system
_[9] 학술지 Popular Science https://archive.org/[...] Bonnier Corporation 1967-03
_[10] 간행물 machine tools turn linear motors https://www.designne[...] 1999-09-20
_[11] 웹사이트 Adoption of Linear Motor Propulsion System for Subway http://home.inet-osa[...] Home.inet-osaka.or.jp 2010-03-01
_[12] 웹사이트 Linear motor http://www.hitachi.c[...]
_[13] 웹사이트 The Scarborough Rapid Transit Line – Transit Toronto – Content http://transit.toron[...] Transit Toronto 2006-11-10
_[14] 웹사이트 History of Linear Metro promotion http://www.jametro.o[...]
_[15] 웹사이트 '> Asia > China > Guangzhou Metro' http://www.urbanrail[...] UrbanRail.Net 2010-03-01
_[16] 웹사이트 The International Maglevboard http://maglev.de/ind[...] Maglev.de 2010-03-01
_[17] 문서 linear induction motor
_[18] 문서 linear synchronous motor
_[19] 문서 linear direct motor
_[20] 문서 リニア直流モーター http://www.eml.ee.tc[...]
_[21] 문서 moving coil type LDM
_[22] 문서 過去に[[有井製作所]]から玩具として販売された例がある。
_[23] 문서 リニア直流モーター https://web.archive.[...]
_[24] 문서 直流リニアモーターの励磁制御方法 http://www.j-tokkyo.[...]
_[25] 문서 テクノハンズ http://www.technohan[...]
_[26] PDF 汎用の三相モーター制御装置の為の集積位置センサを備えた低コストリニアスイッチトリラクタンスモーター http://158.132.178.8[...]
_[27] 문서 モーター駆動形リニア共振アクチュエータの振動解析 http://www.fem.info.[...]
_[28] 문서 特願平6-306150
_[29] 문서 交流駆動両電極形静電モーター https://www.aml.t.u-[...]
_[30] 문서 弾性表面波リニアモーター https://www.aml.t.u-[...] 東京大学 先端メカトロニクス研究室
_[31] 문서 リニアモーターヤード https://expechizen.e[...]
_[32] 문서 この時のリニアモータの経験が後に役立った。
_[33] 서적 新交通システム 保育社 1990
_[34] 문서 電車線構造研究室 http://www.rtri.or.j[...]
_[35] 문서 全てのミニ地下鉄がリニアモータによる推進を使用している訳ではない。
_[36] 문서 磁気浮上式鉄道の場合は浮上、案内用の電磁石の励磁用に電源が必要である