국내 연구진이 기존 영구자석 선형전동기(리니어 모터)를 대체해 정밀위치제어가 가능하면서도 훨씬 저렴한 비용으로 제작 가능한 새로운 형태의 선형전동기를 최초로 개발하는데 성공했다.
한국전기연구원(KERI, www.keri.re.kr) 정시욱 박사팀은 최근 국내 선도 산업군인 반도체, IT, 디스플레이 분야 제조 설비에서 마이크로미터(μm)급 정밀위치제어(1μm=0.001mm) 및 이송용 장비로 광범위하게 사용되고 있는 영구자석 선형전동기에 비해 훨씬 낮은 비용으로 생산이 가능한 ‘희토류 영구자석 저감형 고정밀 위치제어용 전동기 기술(이중돌극형 영구자석선형전동기)’을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.
최근 고속화, 고정밀화 및 청정화에 따른 추세로 기존 기계적인 방식을 이용한 직선 이송 시스템을 선형전동기로 대체하는 노력들이 다양한 산업분야에서 진행되고 있다. 특히 반도체 디스플레이와 같이 세계 시장을 선도하고 있는 분야에서 기존 시스템의 한계를 극복하기 위해 선형전동기의 적용이 증대되고 있으며, 장거리 이송시스템으로의 확산이 진행되고 있다.
그러나 희토류계 영구자석 재료의 가격 상승으로 인해 기존 영구자석 선형동기전동기와 동등 수준의 성능을 구현하면서도 희토류 영구자석 사용량을 줄이는 기술의 수요가 늘고 있다.
이 기술은 기존 영구자석 선형전동기와 동등 수준의 성능을 구현하면서도 고정자에 영구자석을 N-S-N-S…형태로 배치하지 않고, 영구자석을 N-철심-N-철심…형태로 배치하므로 영구자석의 전체 개수가 절반으로 줄어들게 된다. 다만, 영구자석 1개의 부피는 조금 더 커진다. 따라서 선형전동기 가격에 절대적인 비중을 차지하는 영구자석의 총 사용량은 40% 가량 줄어들게 되며, 이를 통해 선형전동기의 가격을 대폭 줄일 수 있다.
선형전동기의 가격은 영구자석이 부착된 고정자가 차지하는 비중이 절대적이고 그 중에서 영구자석 가격이 가장 큰 부분을 차지하므로 영구자석의 양을 40% 정도 줄이면, 산술적으로 사용하는 영구자석 비용을 40% 정도 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
또한 기존 영구자석 선형전동기는 단부효과로 인해 추력의 맥동이 크지만, 개발된 기술은 단부효과를 효과적으로 줄여 추력과 수직력의 맥동을 최소화하고 소음과 진동을 줄이면서 정밀한 위치 제어가 가능하다.
개발된 형태는 전 세계적으로 시도된 적이 없는 새로운 형태로 KERI가 국내외 독자기술 특허를 보유하고 있다. 회전형 전동기(Rotational Motor)로 구현할 경우 다극의 전동기로 구현이 용이해 저속 직접 구동이 가능하다.
연구팀은 지난해 고정자에 영구자석을 아예 사용하지 않는 자속역전 선형전동기도 개발한 바 있다. 자속역전 선형전동기는 고정자에 영구자석이 없다는 장점이 있으나, 큰 추력이 요구되는 가속/감속 운전의 경우 상대적으로 기존의 영구자석 선형전동기보다 불리한 형편이다. 이번 이러한 단점을 보완하면서도 영구자석 사용량을 절감할 수 있는 형태가 이번에 개발된 이중돌극 영구자석 선형전동기다.
연구팀은 해당 기술이 정밀위치제어 응용시스템, 직접구동 장거리 반송시스템, 자동화장비, 반도체/디스플레이 제조 장비의 이송용 구동기, 공작기계, 검사장비의 이송계, 로봇 등 다방면에 걸쳐 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이와 관련해 연구팀은 국내특허 2건을 등록하고, 국외특허 3건을 출원했다.
