고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … ·...

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-1- 고속 고정밀 리니어모터의 고속 고정밀 리니어모터의 고속 고정밀 리니어모터의 고속 고정밀 리니어모터의 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 최종보고서 최종보고서 최종보고서 최종보고서 ( ) ( ) ( ) ( ) 2006. 08. 31 2006. 08. 31 2006. 08. 31 2006. 08. 31 주관기관 삼익 주 주관기관 삼익 주 주관기관 삼익 주 주관기관 삼익 주 : THK( ) : THK( ) : THK( ) : THK( ) 위탁기관 전자부품연구원 위탁기관 전자부품연구원 위탁기관 전자부품연구원 위탁기관 전자부품연구원 : 산업자원부 산업자원부 산업자원부 산업자원부

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Page 1: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 1 -

고속 고정밀 리니어모터의고속 고정밀 리니어모터의고속 고정밀 리니어모터의고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ

상품화를 위한 신뢰성평가 지원상품화를 위한 신뢰성평가 지원상품화를 위한 신뢰성평가 지원상품화를 위한 신뢰성평가 지원

최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )

2006 08 312006 08 312006 08 312006 08 31

주관기관 삼익 주주관기관 삼익 주주관기관 삼익 주주관기관 삼익 주 THK( ) THK( ) THK( ) THK( )

위탁기관 전자부품연구원위탁기관 전자부품연구원위탁기관 전자부품연구원위탁기관 전자부품연구원

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하

본 보고서를 고속 고정밀 리니어모터의 상품화를 위한 신뢰성평가지원 개발기간ldquo rdquoㆍ

과제의 최종보고서로 제출합니다 2005 09 01~2006 08 31)

2006 08 312006 08 312006 08 312006 08 31

주관기관명주관기관명주관기관명주관기관명 삼익 주삼익 주삼익 주삼익 주THK( )THK( )THK( )THK( )

주관책임자주관책임자주관책임자주관책임자 정 재 한 이 사정 재 한 이 사정 재 한 이 사정 재 한 이 사

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 박 재 한 선 임박 재 한 선 임박 재 한 선 임박 재 한 선 임

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 정 시 욱 주 임정 시 욱 주 임정 시 욱 주 임정 시 욱 주 임

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 김 성 준 연구원김 성 준 연구원김 성 준 연구원김 성 준 연구원

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 김 승 현 연구원김 승 현 연구원김 승 현 연구원김 승 현 연구원

위탁기관명위탁기관명위탁기관명위탁기관명 전자부품 연구원전자부품 연구원전자부품 연구원전자부품 연구원

위탁책임자위탁책임자위탁책임자위탁책임자 이 관 훈 수 석이 관 훈 수 석이 관 훈 수 석이 관 훈 수 석

- 3 -

중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록

관리번호

사 업 명 고속ㆍㆍㆍㆍ고정밀 리니어모터의 상품화를 위한 신뢰성평가 지원

키 워 드 리니어모터 신뢰성 고장률 평균고장수명 내환경시험

사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용

사업결과요약사업결과요약사업결과요약사업결과요약lt gtlt gtlt gtlt gt

신뢰성향상 대상품목 개요1

전자기기 등에 주로 사용되는 이하의 소형 리니어모터1kW

신뢰성향상지원의 중요성2

o 신뢰성 문제 의 내전압 특성 내환경성 고장수명 등 에 대해서는 신뢰성 시험장비(Coil )

관련 기술인력 신뢰성관련 가 부족 Knowhow

최종목표3

모터의 최종 생산단계에서 신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시Linear

험을 지원한다 수명시험을 통하여 고장 수명관계 특성을 구한다 - (MTTF)

또한 고장분석을 통한 신뢰성을 향상하기 위한 개선안을 도출한다

사업내용4

전기적 특성측정

역기전력 추력상수 위치결정도 반복위치정밀도 저항 인덕턴스 내전압-

내환경시험 내한성시험 내열성시험 열충격시험 항온항습시험 서지시험

신뢰성 시험 연속가동시험 권선 수명시험

- 4 -

계획 대비 실적 요약5

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field

시제품 제작 회- (1 )

자체 성능평가 회- (1 )

신뢰성평가 결과 검토-

설계에 반영Feedback

필요시( )

고장자료 수집- Field

시제품 제작- (3set)

자체 성능평가 회- (1 )

신뢰성평가 곁과 검토-

설계 반영 건(3 )

수명시험 건- set (1 )

100

100

100

100

-

100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

활용 방안

모터의 최종 생산단계에서 신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위Linear

한 신뢰성시험을 지원한다 수명시험을 통하여 고장 수명관계 특성을 구한다 -

또한 고장분석을 통한 아래와 같은 신뢰성 향상에 기여할 것으로 예(MTTF)

상된다

고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축- Feedback

생상제품의 고장률 개선으로 생산성 증대-

관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용-

- 5 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성3333

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4444

제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가5555

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6666

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 ( )7 ( )7 ( )7 ( )

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적9999

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

부 록부 록부 록부 록

신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법(1)(1)(1)(1)

시험결과시험결과시험결과시험결과(2)(2)(2)(2)

- 6 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

반도체 산업의 발전과 공장 자동화의 발전으로 고정밀 고속 직선형 기기의 수요가

확대되고 있다 대표적인 고속 고정밀 선형모터인 리니어모터는 전기에너지를 별도

의 변환 기구를 거치지 않고 바로 직선운동에너지를 발생시켜 요구하는 속도와 추

력을 얻는 장치이다 회전형모터의 기본 구조를 축 방향으로 잘라서 펼쳐놓는 것과

동일한 형태로 구동원리는 회전형 모터와 같다 리니어모터의 장점으로는 백래쉬가

없고 마찰이 적으며 속도 및 가속도에 기계적 제한이 없다는 점을 들 수 있다 또

한 스트로크의 구애를 받지 않고 한 축에 복수의 이동자 탑재 등 다양한 유니트

구성이 가능하다

리니어모터 관련 시장은 용도에 따라 크게 자동화기기용 공작기계용 초정밀제어용

등의 세분야로 구분할 수 있으며 현재의 국내는 반도체 및 분야로의 적용이 LCD

시작되고 있고 그 외 연구 개발용이 주류를 이루고 있다 또한 볼스크류와 서보팩

조합의 직선유니트시장을 점차 대체할 것이 예상되므로 년 국내 리니어모터2006

시장규모는 억원 정도로 추정되고 있다400

리니어모터의 신뢰성평가기술 관련해서는 고장 분석이나 수명평가 등 관련 기술이

미흡하여 부품 소재의 신뢰성 확보에 애로가 있어왔다 이와 관련하여 당사와ㆍ

전자부품연구원은 리니어모터에 대한 성능평가 환경시험 수명평가에 대한 기초 연

구를 년간 수행한 바 있다1

당사에서 본 신뢰성향상 기술지원 후 신뢰성확보 및 인증획득에 성공하게 되면

년도에는 과제완료 이후 억원 정도의 매출을 올릴 수 있을 것으로 예상되고2006 10

수입대체효과는 매출규모의 인 억원 정도가 될 것으로 추정된다80 8

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

차 년도에서 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 신뢰성 있는 제품을1

설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험을 지원한다

- 7 -

특히 가장 문제가 되고 있는 부분인 리니어모터 이동자의 광학검사 및 비파괴검사

등 제품의 주요 고장 부분을 개선한다 제품의 전기적 특성 내환경시험 전자파내

성시험을 실시하고 수명시험을 통하여 고장평균수명을 파악하고 제품설계에 반영

하여 신뢰성을 높인다 따라서 본 지원 사업을 통하여 상품화 대상인 리니어모터에

대한 신뢰성 향상과 경쟁력을 강화하여 전방위 사업인 완성설비에 대한 국가 경쟁

력 제고를 목표로 한다

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원1111

가 성능 특성 측정

전기적특성 내전압특성 절연저항-

기계적특성 추력 추력상수 위치정밀도 반복위치 정밀도-

나 내환경성 시험

고온시험 저온시험 항온항습시험 진동시험 충격시험 등-

신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험2222

가 신뢰성보증 평가 기준 개발 건 (1 )

나 연속동작시험 건 (1 )

다 제품설계에 반영 (Feedback)

신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안3333

가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축 Feedback

나 생산제품의 고장률 개선으로 생산성 증대

다 관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용

- 8 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요1111

최근에 산업 각 분야의 눈부신 발전과 더불어 정보기기의 고속성장에 따OA FA

라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증가하고 있으며 응

용기기의 소형화 정밀화에 따라 기능적 위상은 더욱 증대되고 있다

선풍기 세탁기 냉장고등의 가전제품 구동용에서부터 정보 통신기기를 포함한 IT

산업분야 및 등 각종 산업분야의 핵심 구동원으로써 그 기술적 성BT NT ET RT

장률은 응용기기의 기술적 성장을 좌우 할 만큼 매우 중요한 핵심요소로 자리SET

잡고 있다

그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도( 1)( 1)( 1)( 1)

- 9 -

더욱이 근래에 들어서는 산업의 첨단화에 따른 핵심구동 부품의 소형화 고정밀화

를 요구하고 있다 특히 정밀위치제어가 가능한 고출력 모터가 각종 산업 분야 에

서 요구되고 있다 또한 나노기술의 발전으로 인하여 나노 단위 측정에 필요하 여

의 정밀도가 요구되는 에츄에이터로서 초음파모터가 사용되어 이에 대한 연구도nm

활발하게 이루어지고 있어 소형정밀모터는 전통산업의 영역에서 최첨단 분야 산업

으로 응용이 확대되고 있다

경제적 위상 또한 매우 높은 고부가가치 산업으로 응용기기 분야의 수출규모 확대

및 지속적 유지를 가져올 수 있어 국가 수출경쟁력 확보 및 수입 대체화를 이룰

수 있을 뿐만 아니라 소형모터 산업의 성숙은 응용제품의 핵심적인 구동 부품의

자립에 기여하며 멀티미디어 산업경제의 고부가가치 실현과 경제 수요를 창출하는

특징을 가지는 산업이다

모터의 분류모터의 분류모터의 분류모터의 분류2222

모터는 전자계현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지로 변환시

켜주는 일종의 에너지 변환장치이며 이와 반대로 기계적 에너지를 전기에너지로

변환시키는 경우에는 발전기 로 부르고 있다(Generator)

모터는 사용용도 구조 형식 등에 따라 다양하며 모터의 종류에 따라 실용화되어

있는 출력의 범위도 다소 다르다 소형모터라고 칭하는 모터의 출력범위를 규정하

는 데에는 세계적으로 통일된 정확한 수치는 없다 국내 및 일본은 일반적으로 외

경 이하의 모터 출력 미만의 모터와 소형화가 가능한 모터를35mm DC 100W AC

총칭하여 소형모터로 칭하고 있으며 미국 등의 경우에는 통상 마력 미만 1 (750W)

의 모터를 소형모터로 분류하고 있다

- 10 -

그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

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라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

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지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 2: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하

본 보고서를 고속 고정밀 리니어모터의 상품화를 위한 신뢰성평가지원 개발기간ldquo rdquoㆍ

과제의 최종보고서로 제출합니다 2005 09 01~2006 08 31)

2006 08 312006 08 312006 08 312006 08 31

주관기관명주관기관명주관기관명주관기관명 삼익 주삼익 주삼익 주삼익 주THK( )THK( )THK( )THK( )

주관책임자주관책임자주관책임자주관책임자 정 재 한 이 사정 재 한 이 사정 재 한 이 사정 재 한 이 사

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 박 재 한 선 임박 재 한 선 임박 재 한 선 임박 재 한 선 임

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 정 시 욱 주 임정 시 욱 주 임정 시 욱 주 임정 시 욱 주 임

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 김 성 준 연구원김 성 준 연구원김 성 준 연구원김 성 준 연구원

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 김 승 현 연구원김 승 현 연구원김 승 현 연구원김 승 현 연구원

위탁기관명위탁기관명위탁기관명위탁기관명 전자부품 연구원전자부품 연구원전자부품 연구원전자부품 연구원

위탁책임자위탁책임자위탁책임자위탁책임자 이 관 훈 수 석이 관 훈 수 석이 관 훈 수 석이 관 훈 수 석

- 3 -

중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록

관리번호

사 업 명 고속ㆍㆍㆍㆍ고정밀 리니어모터의 상품화를 위한 신뢰성평가 지원

키 워 드 리니어모터 신뢰성 고장률 평균고장수명 내환경시험

사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용

사업결과요약사업결과요약사업결과요약사업결과요약lt gtlt gtlt gtlt gt

신뢰성향상 대상품목 개요1

전자기기 등에 주로 사용되는 이하의 소형 리니어모터1kW

신뢰성향상지원의 중요성2

o 신뢰성 문제 의 내전압 특성 내환경성 고장수명 등 에 대해서는 신뢰성 시험장비(Coil )

관련 기술인력 신뢰성관련 가 부족 Knowhow

최종목표3

모터의 최종 생산단계에서 신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시Linear

험을 지원한다 수명시험을 통하여 고장 수명관계 특성을 구한다 - (MTTF)

또한 고장분석을 통한 신뢰성을 향상하기 위한 개선안을 도출한다

사업내용4

전기적 특성측정

역기전력 추력상수 위치결정도 반복위치정밀도 저항 인덕턴스 내전압-

내환경시험 내한성시험 내열성시험 열충격시험 항온항습시험 서지시험

신뢰성 시험 연속가동시험 권선 수명시험

- 4 -

계획 대비 실적 요약5

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field

시제품 제작 회- (1 )

자체 성능평가 회- (1 )

신뢰성평가 결과 검토-

설계에 반영Feedback

필요시( )

고장자료 수집- Field

시제품 제작- (3set)

자체 성능평가 회- (1 )

신뢰성평가 곁과 검토-

설계 반영 건(3 )

수명시험 건- set (1 )

100

100

100

100

-

100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

활용 방안

모터의 최종 생산단계에서 신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위Linear

한 신뢰성시험을 지원한다 수명시험을 통하여 고장 수명관계 특성을 구한다 -

또한 고장분석을 통한 아래와 같은 신뢰성 향상에 기여할 것으로 예(MTTF)

상된다

고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축- Feedback

생상제품의 고장률 개선으로 생산성 증대-

관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용-

- 5 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성3333

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4444

제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가5555

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6666

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 ( )7 ( )7 ( )7 ( )

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적9999

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

부 록부 록부 록부 록

신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법(1)(1)(1)(1)

시험결과시험결과시험결과시험결과(2)(2)(2)(2)

- 6 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

반도체 산업의 발전과 공장 자동화의 발전으로 고정밀 고속 직선형 기기의 수요가

확대되고 있다 대표적인 고속 고정밀 선형모터인 리니어모터는 전기에너지를 별도

의 변환 기구를 거치지 않고 바로 직선운동에너지를 발생시켜 요구하는 속도와 추

력을 얻는 장치이다 회전형모터의 기본 구조를 축 방향으로 잘라서 펼쳐놓는 것과

동일한 형태로 구동원리는 회전형 모터와 같다 리니어모터의 장점으로는 백래쉬가

없고 마찰이 적으며 속도 및 가속도에 기계적 제한이 없다는 점을 들 수 있다 또

한 스트로크의 구애를 받지 않고 한 축에 복수의 이동자 탑재 등 다양한 유니트

구성이 가능하다

리니어모터 관련 시장은 용도에 따라 크게 자동화기기용 공작기계용 초정밀제어용

등의 세분야로 구분할 수 있으며 현재의 국내는 반도체 및 분야로의 적용이 LCD

시작되고 있고 그 외 연구 개발용이 주류를 이루고 있다 또한 볼스크류와 서보팩

조합의 직선유니트시장을 점차 대체할 것이 예상되므로 년 국내 리니어모터2006

시장규모는 억원 정도로 추정되고 있다400

리니어모터의 신뢰성평가기술 관련해서는 고장 분석이나 수명평가 등 관련 기술이

미흡하여 부품 소재의 신뢰성 확보에 애로가 있어왔다 이와 관련하여 당사와ㆍ

전자부품연구원은 리니어모터에 대한 성능평가 환경시험 수명평가에 대한 기초 연

구를 년간 수행한 바 있다1

당사에서 본 신뢰성향상 기술지원 후 신뢰성확보 및 인증획득에 성공하게 되면

년도에는 과제완료 이후 억원 정도의 매출을 올릴 수 있을 것으로 예상되고2006 10

수입대체효과는 매출규모의 인 억원 정도가 될 것으로 추정된다80 8

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

차 년도에서 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 신뢰성 있는 제품을1

설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험을 지원한다

- 7 -

특히 가장 문제가 되고 있는 부분인 리니어모터 이동자의 광학검사 및 비파괴검사

등 제품의 주요 고장 부분을 개선한다 제품의 전기적 특성 내환경시험 전자파내

성시험을 실시하고 수명시험을 통하여 고장평균수명을 파악하고 제품설계에 반영

하여 신뢰성을 높인다 따라서 본 지원 사업을 통하여 상품화 대상인 리니어모터에

대한 신뢰성 향상과 경쟁력을 강화하여 전방위 사업인 완성설비에 대한 국가 경쟁

력 제고를 목표로 한다

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원1111

가 성능 특성 측정

전기적특성 내전압특성 절연저항-

기계적특성 추력 추력상수 위치정밀도 반복위치 정밀도-

나 내환경성 시험

고온시험 저온시험 항온항습시험 진동시험 충격시험 등-

신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험2222

가 신뢰성보증 평가 기준 개발 건 (1 )

나 연속동작시험 건 (1 )

다 제품설계에 반영 (Feedback)

신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안3333

가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축 Feedback

나 생산제품의 고장률 개선으로 생산성 증대

다 관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용

- 8 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요1111

최근에 산업 각 분야의 눈부신 발전과 더불어 정보기기의 고속성장에 따OA FA

라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증가하고 있으며 응

용기기의 소형화 정밀화에 따라 기능적 위상은 더욱 증대되고 있다

선풍기 세탁기 냉장고등의 가전제품 구동용에서부터 정보 통신기기를 포함한 IT

산업분야 및 등 각종 산업분야의 핵심 구동원으로써 그 기술적 성BT NT ET RT

장률은 응용기기의 기술적 성장을 좌우 할 만큼 매우 중요한 핵심요소로 자리SET

잡고 있다

그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도( 1)( 1)( 1)( 1)

- 9 -

더욱이 근래에 들어서는 산업의 첨단화에 따른 핵심구동 부품의 소형화 고정밀화

를 요구하고 있다 특히 정밀위치제어가 가능한 고출력 모터가 각종 산업 분야 에

서 요구되고 있다 또한 나노기술의 발전으로 인하여 나노 단위 측정에 필요하 여

의 정밀도가 요구되는 에츄에이터로서 초음파모터가 사용되어 이에 대한 연구도nm

활발하게 이루어지고 있어 소형정밀모터는 전통산업의 영역에서 최첨단 분야 산업

으로 응용이 확대되고 있다

경제적 위상 또한 매우 높은 고부가가치 산업으로 응용기기 분야의 수출규모 확대

및 지속적 유지를 가져올 수 있어 국가 수출경쟁력 확보 및 수입 대체화를 이룰

수 있을 뿐만 아니라 소형모터 산업의 성숙은 응용제품의 핵심적인 구동 부품의

자립에 기여하며 멀티미디어 산업경제의 고부가가치 실현과 경제 수요를 창출하는

특징을 가지는 산업이다

모터의 분류모터의 분류모터의 분류모터의 분류2222

모터는 전자계현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지로 변환시

켜주는 일종의 에너지 변환장치이며 이와 반대로 기계적 에너지를 전기에너지로

변환시키는 경우에는 발전기 로 부르고 있다(Generator)

모터는 사용용도 구조 형식 등에 따라 다양하며 모터의 종류에 따라 실용화되어

있는 출력의 범위도 다소 다르다 소형모터라고 칭하는 모터의 출력범위를 규정하

는 데에는 세계적으로 통일된 정확한 수치는 없다 국내 및 일본은 일반적으로 외

경 이하의 모터 출력 미만의 모터와 소형화가 가능한 모터를35mm DC 100W AC

총칭하여 소형모터로 칭하고 있으며 미국 등의 경우에는 통상 마력 미만 1 (750W)

의 모터를 소형모터로 분류하고 있다

- 10 -

그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

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항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 3: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 3 -

중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록

관리번호

사 업 명 고속ㆍㆍㆍㆍ고정밀 리니어모터의 상품화를 위한 신뢰성평가 지원

키 워 드 리니어모터 신뢰성 고장률 평균고장수명 내환경시험

사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용

사업결과요약사업결과요약사업결과요약사업결과요약lt gtlt gtlt gtlt gt

신뢰성향상 대상품목 개요1

전자기기 등에 주로 사용되는 이하의 소형 리니어모터1kW

신뢰성향상지원의 중요성2

o 신뢰성 문제 의 내전압 특성 내환경성 고장수명 등 에 대해서는 신뢰성 시험장비(Coil )

관련 기술인력 신뢰성관련 가 부족 Knowhow

최종목표3

모터의 최종 생산단계에서 신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시Linear

험을 지원한다 수명시험을 통하여 고장 수명관계 특성을 구한다 - (MTTF)

또한 고장분석을 통한 신뢰성을 향상하기 위한 개선안을 도출한다

사업내용4

전기적 특성측정

역기전력 추력상수 위치결정도 반복위치정밀도 저항 인덕턴스 내전압-

내환경시험 내한성시험 내열성시험 열충격시험 항온항습시험 서지시험

신뢰성 시험 연속가동시험 권선 수명시험

- 4 -

계획 대비 실적 요약5

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field

시제품 제작 회- (1 )

자체 성능평가 회- (1 )

신뢰성평가 결과 검토-

설계에 반영Feedback

필요시( )

고장자료 수집- Field

시제품 제작- (3set)

자체 성능평가 회- (1 )

신뢰성평가 곁과 검토-

설계 반영 건(3 )

수명시험 건- set (1 )

100

100

100

100

-

100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

활용 방안

모터의 최종 생산단계에서 신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위Linear

한 신뢰성시험을 지원한다 수명시험을 통하여 고장 수명관계 특성을 구한다 -

또한 고장분석을 통한 아래와 같은 신뢰성 향상에 기여할 것으로 예(MTTF)

상된다

고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축- Feedback

생상제품의 고장률 개선으로 생산성 증대-

관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용-

- 5 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성3333

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4444

제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가5555

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6666

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 ( )7 ( )7 ( )7 ( )

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적9999

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

부 록부 록부 록부 록

신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법(1)(1)(1)(1)

시험결과시험결과시험결과시험결과(2)(2)(2)(2)

- 6 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

반도체 산업의 발전과 공장 자동화의 발전으로 고정밀 고속 직선형 기기의 수요가

확대되고 있다 대표적인 고속 고정밀 선형모터인 리니어모터는 전기에너지를 별도

의 변환 기구를 거치지 않고 바로 직선운동에너지를 발생시켜 요구하는 속도와 추

력을 얻는 장치이다 회전형모터의 기본 구조를 축 방향으로 잘라서 펼쳐놓는 것과

동일한 형태로 구동원리는 회전형 모터와 같다 리니어모터의 장점으로는 백래쉬가

없고 마찰이 적으며 속도 및 가속도에 기계적 제한이 없다는 점을 들 수 있다 또

한 스트로크의 구애를 받지 않고 한 축에 복수의 이동자 탑재 등 다양한 유니트

구성이 가능하다

리니어모터 관련 시장은 용도에 따라 크게 자동화기기용 공작기계용 초정밀제어용

등의 세분야로 구분할 수 있으며 현재의 국내는 반도체 및 분야로의 적용이 LCD

시작되고 있고 그 외 연구 개발용이 주류를 이루고 있다 또한 볼스크류와 서보팩

조합의 직선유니트시장을 점차 대체할 것이 예상되므로 년 국내 리니어모터2006

시장규모는 억원 정도로 추정되고 있다400

리니어모터의 신뢰성평가기술 관련해서는 고장 분석이나 수명평가 등 관련 기술이

미흡하여 부품 소재의 신뢰성 확보에 애로가 있어왔다 이와 관련하여 당사와ㆍ

전자부품연구원은 리니어모터에 대한 성능평가 환경시험 수명평가에 대한 기초 연

구를 년간 수행한 바 있다1

당사에서 본 신뢰성향상 기술지원 후 신뢰성확보 및 인증획득에 성공하게 되면

년도에는 과제완료 이후 억원 정도의 매출을 올릴 수 있을 것으로 예상되고2006 10

수입대체효과는 매출규모의 인 억원 정도가 될 것으로 추정된다80 8

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

차 년도에서 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 신뢰성 있는 제품을1

설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험을 지원한다

- 7 -

특히 가장 문제가 되고 있는 부분인 리니어모터 이동자의 광학검사 및 비파괴검사

등 제품의 주요 고장 부분을 개선한다 제품의 전기적 특성 내환경시험 전자파내

성시험을 실시하고 수명시험을 통하여 고장평균수명을 파악하고 제품설계에 반영

하여 신뢰성을 높인다 따라서 본 지원 사업을 통하여 상품화 대상인 리니어모터에

대한 신뢰성 향상과 경쟁력을 강화하여 전방위 사업인 완성설비에 대한 국가 경쟁

력 제고를 목표로 한다

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원1111

가 성능 특성 측정

전기적특성 내전압특성 절연저항-

기계적특성 추력 추력상수 위치정밀도 반복위치 정밀도-

나 내환경성 시험

고온시험 저온시험 항온항습시험 진동시험 충격시험 등-

신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험2222

가 신뢰성보증 평가 기준 개발 건 (1 )

나 연속동작시험 건 (1 )

다 제품설계에 반영 (Feedback)

신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안3333

가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축 Feedback

나 생산제품의 고장률 개선으로 생산성 증대

다 관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용

- 8 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요1111

최근에 산업 각 분야의 눈부신 발전과 더불어 정보기기의 고속성장에 따OA FA

라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증가하고 있으며 응

용기기의 소형화 정밀화에 따라 기능적 위상은 더욱 증대되고 있다

선풍기 세탁기 냉장고등의 가전제품 구동용에서부터 정보 통신기기를 포함한 IT

산업분야 및 등 각종 산업분야의 핵심 구동원으로써 그 기술적 성BT NT ET RT

장률은 응용기기의 기술적 성장을 좌우 할 만큼 매우 중요한 핵심요소로 자리SET

잡고 있다

그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도( 1)( 1)( 1)( 1)

- 9 -

더욱이 근래에 들어서는 산업의 첨단화에 따른 핵심구동 부품의 소형화 고정밀화

를 요구하고 있다 특히 정밀위치제어가 가능한 고출력 모터가 각종 산업 분야 에

서 요구되고 있다 또한 나노기술의 발전으로 인하여 나노 단위 측정에 필요하 여

의 정밀도가 요구되는 에츄에이터로서 초음파모터가 사용되어 이에 대한 연구도nm

활발하게 이루어지고 있어 소형정밀모터는 전통산업의 영역에서 최첨단 분야 산업

으로 응용이 확대되고 있다

경제적 위상 또한 매우 높은 고부가가치 산업으로 응용기기 분야의 수출규모 확대

및 지속적 유지를 가져올 수 있어 국가 수출경쟁력 확보 및 수입 대체화를 이룰

수 있을 뿐만 아니라 소형모터 산업의 성숙은 응용제품의 핵심적인 구동 부품의

자립에 기여하며 멀티미디어 산업경제의 고부가가치 실현과 경제 수요를 창출하는

특징을 가지는 산업이다

모터의 분류모터의 분류모터의 분류모터의 분류2222

모터는 전자계현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지로 변환시

켜주는 일종의 에너지 변환장치이며 이와 반대로 기계적 에너지를 전기에너지로

변환시키는 경우에는 발전기 로 부르고 있다(Generator)

모터는 사용용도 구조 형식 등에 따라 다양하며 모터의 종류에 따라 실용화되어

있는 출력의 범위도 다소 다르다 소형모터라고 칭하는 모터의 출력범위를 규정하

는 데에는 세계적으로 통일된 정확한 수치는 없다 국내 및 일본은 일반적으로 외

경 이하의 모터 출력 미만의 모터와 소형화가 가능한 모터를35mm DC 100W AC

총칭하여 소형모터로 칭하고 있으며 미국 등의 경우에는 통상 마력 미만 1 (750W)

의 모터를 소형모터로 분류하고 있다

- 10 -

그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

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지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

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항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 4: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 4 -

계획 대비 실적 요약5

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field

시제품 제작 회- (1 )

자체 성능평가 회- (1 )

신뢰성평가 결과 검토-

설계에 반영Feedback

필요시( )

고장자료 수집- Field

시제품 제작- (3set)

자체 성능평가 회- (1 )

신뢰성평가 곁과 검토-

설계 반영 건(3 )

수명시험 건- set (1 )

100

100

100

100

-

100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

활용 방안

모터의 최종 생산단계에서 신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위Linear

한 신뢰성시험을 지원한다 수명시험을 통하여 고장 수명관계 특성을 구한다 -

또한 고장분석을 통한 아래와 같은 신뢰성 향상에 기여할 것으로 예(MTTF)

상된다

고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축- Feedback

생상제품의 고장률 개선으로 생산성 증대-

관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용-

- 5 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성3333

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4444

제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가5555

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6666

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 ( )7 ( )7 ( )7 ( )

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적9999

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

부 록부 록부 록부 록

신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법(1)(1)(1)(1)

시험결과시험결과시험결과시험결과(2)(2)(2)(2)

- 6 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

반도체 산업의 발전과 공장 자동화의 발전으로 고정밀 고속 직선형 기기의 수요가

확대되고 있다 대표적인 고속 고정밀 선형모터인 리니어모터는 전기에너지를 별도

의 변환 기구를 거치지 않고 바로 직선운동에너지를 발생시켜 요구하는 속도와 추

력을 얻는 장치이다 회전형모터의 기본 구조를 축 방향으로 잘라서 펼쳐놓는 것과

동일한 형태로 구동원리는 회전형 모터와 같다 리니어모터의 장점으로는 백래쉬가

없고 마찰이 적으며 속도 및 가속도에 기계적 제한이 없다는 점을 들 수 있다 또

한 스트로크의 구애를 받지 않고 한 축에 복수의 이동자 탑재 등 다양한 유니트

구성이 가능하다

리니어모터 관련 시장은 용도에 따라 크게 자동화기기용 공작기계용 초정밀제어용

등의 세분야로 구분할 수 있으며 현재의 국내는 반도체 및 분야로의 적용이 LCD

시작되고 있고 그 외 연구 개발용이 주류를 이루고 있다 또한 볼스크류와 서보팩

조합의 직선유니트시장을 점차 대체할 것이 예상되므로 년 국내 리니어모터2006

시장규모는 억원 정도로 추정되고 있다400

리니어모터의 신뢰성평가기술 관련해서는 고장 분석이나 수명평가 등 관련 기술이

미흡하여 부품 소재의 신뢰성 확보에 애로가 있어왔다 이와 관련하여 당사와ㆍ

전자부품연구원은 리니어모터에 대한 성능평가 환경시험 수명평가에 대한 기초 연

구를 년간 수행한 바 있다1

당사에서 본 신뢰성향상 기술지원 후 신뢰성확보 및 인증획득에 성공하게 되면

년도에는 과제완료 이후 억원 정도의 매출을 올릴 수 있을 것으로 예상되고2006 10

수입대체효과는 매출규모의 인 억원 정도가 될 것으로 추정된다80 8

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

차 년도에서 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 신뢰성 있는 제품을1

설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험을 지원한다

- 7 -

특히 가장 문제가 되고 있는 부분인 리니어모터 이동자의 광학검사 및 비파괴검사

등 제품의 주요 고장 부분을 개선한다 제품의 전기적 특성 내환경시험 전자파내

성시험을 실시하고 수명시험을 통하여 고장평균수명을 파악하고 제품설계에 반영

하여 신뢰성을 높인다 따라서 본 지원 사업을 통하여 상품화 대상인 리니어모터에

대한 신뢰성 향상과 경쟁력을 강화하여 전방위 사업인 완성설비에 대한 국가 경쟁

력 제고를 목표로 한다

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원1111

가 성능 특성 측정

전기적특성 내전압특성 절연저항-

기계적특성 추력 추력상수 위치정밀도 반복위치 정밀도-

나 내환경성 시험

고온시험 저온시험 항온항습시험 진동시험 충격시험 등-

신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험2222

가 신뢰성보증 평가 기준 개발 건 (1 )

나 연속동작시험 건 (1 )

다 제품설계에 반영 (Feedback)

신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안3333

가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축 Feedback

나 생산제품의 고장률 개선으로 생산성 증대

다 관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용

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제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요1111

최근에 산업 각 분야의 눈부신 발전과 더불어 정보기기의 고속성장에 따OA FA

라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증가하고 있으며 응

용기기의 소형화 정밀화에 따라 기능적 위상은 더욱 증대되고 있다

선풍기 세탁기 냉장고등의 가전제품 구동용에서부터 정보 통신기기를 포함한 IT

산업분야 및 등 각종 산업분야의 핵심 구동원으로써 그 기술적 성BT NT ET RT

장률은 응용기기의 기술적 성장을 좌우 할 만큼 매우 중요한 핵심요소로 자리SET

잡고 있다

그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도( 1)( 1)( 1)( 1)

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더욱이 근래에 들어서는 산업의 첨단화에 따른 핵심구동 부품의 소형화 고정밀화

를 요구하고 있다 특히 정밀위치제어가 가능한 고출력 모터가 각종 산업 분야 에

서 요구되고 있다 또한 나노기술의 발전으로 인하여 나노 단위 측정에 필요하 여

의 정밀도가 요구되는 에츄에이터로서 초음파모터가 사용되어 이에 대한 연구도nm

활발하게 이루어지고 있어 소형정밀모터는 전통산업의 영역에서 최첨단 분야 산업

으로 응용이 확대되고 있다

경제적 위상 또한 매우 높은 고부가가치 산업으로 응용기기 분야의 수출규모 확대

및 지속적 유지를 가져올 수 있어 국가 수출경쟁력 확보 및 수입 대체화를 이룰

수 있을 뿐만 아니라 소형모터 산업의 성숙은 응용제품의 핵심적인 구동 부품의

자립에 기여하며 멀티미디어 산업경제의 고부가가치 실현과 경제 수요를 창출하는

특징을 가지는 산업이다

모터의 분류모터의 분류모터의 분류모터의 분류2222

모터는 전자계현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지로 변환시

켜주는 일종의 에너지 변환장치이며 이와 반대로 기계적 에너지를 전기에너지로

변환시키는 경우에는 발전기 로 부르고 있다(Generator)

모터는 사용용도 구조 형식 등에 따라 다양하며 모터의 종류에 따라 실용화되어

있는 출력의 범위도 다소 다르다 소형모터라고 칭하는 모터의 출력범위를 규정하

는 데에는 세계적으로 통일된 정확한 수치는 없다 국내 및 일본은 일반적으로 외

경 이하의 모터 출력 미만의 모터와 소형화가 가능한 모터를35mm DC 100W AC

총칭하여 소형모터로 칭하고 있으며 미국 등의 경우에는 통상 마력 미만 1 (750W)

의 모터를 소형모터로 분류하고 있다

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그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

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표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

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정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

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동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

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그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

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회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

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그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

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다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

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라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

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그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

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제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

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지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

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또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

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표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 5: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 5 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성제 절 리니어모터 구분과 특성3333

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4444

제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가제 절 리니어모터 성능평가5555

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6666

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 ( )7 ( )7 ( )7 ( )

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적제 절 계획대비 수행 실적9999

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

부 록부 록부 록부 록

신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법신뢰성시험방법(1)(1)(1)(1)

시험결과시험결과시험결과시험결과(2)(2)(2)(2)

- 6 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

반도체 산업의 발전과 공장 자동화의 발전으로 고정밀 고속 직선형 기기의 수요가

확대되고 있다 대표적인 고속 고정밀 선형모터인 리니어모터는 전기에너지를 별도

의 변환 기구를 거치지 않고 바로 직선운동에너지를 발생시켜 요구하는 속도와 추

력을 얻는 장치이다 회전형모터의 기본 구조를 축 방향으로 잘라서 펼쳐놓는 것과

동일한 형태로 구동원리는 회전형 모터와 같다 리니어모터의 장점으로는 백래쉬가

없고 마찰이 적으며 속도 및 가속도에 기계적 제한이 없다는 점을 들 수 있다 또

한 스트로크의 구애를 받지 않고 한 축에 복수의 이동자 탑재 등 다양한 유니트

구성이 가능하다

리니어모터 관련 시장은 용도에 따라 크게 자동화기기용 공작기계용 초정밀제어용

등의 세분야로 구분할 수 있으며 현재의 국내는 반도체 및 분야로의 적용이 LCD

시작되고 있고 그 외 연구 개발용이 주류를 이루고 있다 또한 볼스크류와 서보팩

조합의 직선유니트시장을 점차 대체할 것이 예상되므로 년 국내 리니어모터2006

시장규모는 억원 정도로 추정되고 있다400

리니어모터의 신뢰성평가기술 관련해서는 고장 분석이나 수명평가 등 관련 기술이

미흡하여 부품 소재의 신뢰성 확보에 애로가 있어왔다 이와 관련하여 당사와ㆍ

전자부품연구원은 리니어모터에 대한 성능평가 환경시험 수명평가에 대한 기초 연

구를 년간 수행한 바 있다1

당사에서 본 신뢰성향상 기술지원 후 신뢰성확보 및 인증획득에 성공하게 되면

년도에는 과제완료 이후 억원 정도의 매출을 올릴 수 있을 것으로 예상되고2006 10

수입대체효과는 매출규모의 인 억원 정도가 될 것으로 추정된다80 8

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

차 년도에서 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 신뢰성 있는 제품을1

설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험을 지원한다

- 7 -

특히 가장 문제가 되고 있는 부분인 리니어모터 이동자의 광학검사 및 비파괴검사

등 제품의 주요 고장 부분을 개선한다 제품의 전기적 특성 내환경시험 전자파내

성시험을 실시하고 수명시험을 통하여 고장평균수명을 파악하고 제품설계에 반영

하여 신뢰성을 높인다 따라서 본 지원 사업을 통하여 상품화 대상인 리니어모터에

대한 신뢰성 향상과 경쟁력을 강화하여 전방위 사업인 완성설비에 대한 국가 경쟁

력 제고를 목표로 한다

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원1111

가 성능 특성 측정

전기적특성 내전압특성 절연저항-

기계적특성 추력 추력상수 위치정밀도 반복위치 정밀도-

나 내환경성 시험

고온시험 저온시험 항온항습시험 진동시험 충격시험 등-

신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험2222

가 신뢰성보증 평가 기준 개발 건 (1 )

나 연속동작시험 건 (1 )

다 제품설계에 반영 (Feedback)

신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안3333

가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축 Feedback

나 생산제품의 고장률 개선으로 생산성 증대

다 관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용

- 8 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요1111

최근에 산업 각 분야의 눈부신 발전과 더불어 정보기기의 고속성장에 따OA FA

라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증가하고 있으며 응

용기기의 소형화 정밀화에 따라 기능적 위상은 더욱 증대되고 있다

선풍기 세탁기 냉장고등의 가전제품 구동용에서부터 정보 통신기기를 포함한 IT

산업분야 및 등 각종 산업분야의 핵심 구동원으로써 그 기술적 성BT NT ET RT

장률은 응용기기의 기술적 성장을 좌우 할 만큼 매우 중요한 핵심요소로 자리SET

잡고 있다

그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도( 1)( 1)( 1)( 1)

- 9 -

더욱이 근래에 들어서는 산업의 첨단화에 따른 핵심구동 부품의 소형화 고정밀화

를 요구하고 있다 특히 정밀위치제어가 가능한 고출력 모터가 각종 산업 분야 에

서 요구되고 있다 또한 나노기술의 발전으로 인하여 나노 단위 측정에 필요하 여

의 정밀도가 요구되는 에츄에이터로서 초음파모터가 사용되어 이에 대한 연구도nm

활발하게 이루어지고 있어 소형정밀모터는 전통산업의 영역에서 최첨단 분야 산업

으로 응용이 확대되고 있다

경제적 위상 또한 매우 높은 고부가가치 산업으로 응용기기 분야의 수출규모 확대

및 지속적 유지를 가져올 수 있어 국가 수출경쟁력 확보 및 수입 대체화를 이룰

수 있을 뿐만 아니라 소형모터 산업의 성숙은 응용제품의 핵심적인 구동 부품의

자립에 기여하며 멀티미디어 산업경제의 고부가가치 실현과 경제 수요를 창출하는

특징을 가지는 산업이다

모터의 분류모터의 분류모터의 분류모터의 분류2222

모터는 전자계현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지로 변환시

켜주는 일종의 에너지 변환장치이며 이와 반대로 기계적 에너지를 전기에너지로

변환시키는 경우에는 발전기 로 부르고 있다(Generator)

모터는 사용용도 구조 형식 등에 따라 다양하며 모터의 종류에 따라 실용화되어

있는 출력의 범위도 다소 다르다 소형모터라고 칭하는 모터의 출력범위를 규정하

는 데에는 세계적으로 통일된 정확한 수치는 없다 국내 및 일본은 일반적으로 외

경 이하의 모터 출력 미만의 모터와 소형화가 가능한 모터를35mm DC 100W AC

총칭하여 소형모터로 칭하고 있으며 미국 등의 경우에는 통상 마력 미만 1 (750W)

의 모터를 소형모터로 분류하고 있다

- 10 -

그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

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표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

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마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

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상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

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그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

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그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 6: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 6 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

반도체 산업의 발전과 공장 자동화의 발전으로 고정밀 고속 직선형 기기의 수요가

확대되고 있다 대표적인 고속 고정밀 선형모터인 리니어모터는 전기에너지를 별도

의 변환 기구를 거치지 않고 바로 직선운동에너지를 발생시켜 요구하는 속도와 추

력을 얻는 장치이다 회전형모터의 기본 구조를 축 방향으로 잘라서 펼쳐놓는 것과

동일한 형태로 구동원리는 회전형 모터와 같다 리니어모터의 장점으로는 백래쉬가

없고 마찰이 적으며 속도 및 가속도에 기계적 제한이 없다는 점을 들 수 있다 또

한 스트로크의 구애를 받지 않고 한 축에 복수의 이동자 탑재 등 다양한 유니트

구성이 가능하다

리니어모터 관련 시장은 용도에 따라 크게 자동화기기용 공작기계용 초정밀제어용

등의 세분야로 구분할 수 있으며 현재의 국내는 반도체 및 분야로의 적용이 LCD

시작되고 있고 그 외 연구 개발용이 주류를 이루고 있다 또한 볼스크류와 서보팩

조합의 직선유니트시장을 점차 대체할 것이 예상되므로 년 국내 리니어모터2006

시장규모는 억원 정도로 추정되고 있다400

리니어모터의 신뢰성평가기술 관련해서는 고장 분석이나 수명평가 등 관련 기술이

미흡하여 부품 소재의 신뢰성 확보에 애로가 있어왔다 이와 관련하여 당사와ㆍ

전자부품연구원은 리니어모터에 대한 성능평가 환경시험 수명평가에 대한 기초 연

구를 년간 수행한 바 있다1

당사에서 본 신뢰성향상 기술지원 후 신뢰성확보 및 인증획득에 성공하게 되면

년도에는 과제완료 이후 억원 정도의 매출을 올릴 수 있을 것으로 예상되고2006 10

수입대체효과는 매출규모의 인 억원 정도가 될 것으로 추정된다80 8

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

차 년도에서 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 신뢰성 있는 제품을1

설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험을 지원한다

- 7 -

특히 가장 문제가 되고 있는 부분인 리니어모터 이동자의 광학검사 및 비파괴검사

등 제품의 주요 고장 부분을 개선한다 제품의 전기적 특성 내환경시험 전자파내

성시험을 실시하고 수명시험을 통하여 고장평균수명을 파악하고 제품설계에 반영

하여 신뢰성을 높인다 따라서 본 지원 사업을 통하여 상품화 대상인 리니어모터에

대한 신뢰성 향상과 경쟁력을 강화하여 전방위 사업인 완성설비에 대한 국가 경쟁

력 제고를 목표로 한다

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원1111

가 성능 특성 측정

전기적특성 내전압특성 절연저항-

기계적특성 추력 추력상수 위치정밀도 반복위치 정밀도-

나 내환경성 시험

고온시험 저온시험 항온항습시험 진동시험 충격시험 등-

신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험2222

가 신뢰성보증 평가 기준 개발 건 (1 )

나 연속동작시험 건 (1 )

다 제품설계에 반영 (Feedback)

신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안3333

가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축 Feedback

나 생산제품의 고장률 개선으로 생산성 증대

다 관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용

- 8 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요1111

최근에 산업 각 분야의 눈부신 발전과 더불어 정보기기의 고속성장에 따OA FA

라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증가하고 있으며 응

용기기의 소형화 정밀화에 따라 기능적 위상은 더욱 증대되고 있다

선풍기 세탁기 냉장고등의 가전제품 구동용에서부터 정보 통신기기를 포함한 IT

산업분야 및 등 각종 산업분야의 핵심 구동원으로써 그 기술적 성BT NT ET RT

장률은 응용기기의 기술적 성장을 좌우 할 만큼 매우 중요한 핵심요소로 자리SET

잡고 있다

그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도( 1)( 1)( 1)( 1)

- 9 -

더욱이 근래에 들어서는 산업의 첨단화에 따른 핵심구동 부품의 소형화 고정밀화

를 요구하고 있다 특히 정밀위치제어가 가능한 고출력 모터가 각종 산업 분야 에

서 요구되고 있다 또한 나노기술의 발전으로 인하여 나노 단위 측정에 필요하 여

의 정밀도가 요구되는 에츄에이터로서 초음파모터가 사용되어 이에 대한 연구도nm

활발하게 이루어지고 있어 소형정밀모터는 전통산업의 영역에서 최첨단 분야 산업

으로 응용이 확대되고 있다

경제적 위상 또한 매우 높은 고부가가치 산업으로 응용기기 분야의 수출규모 확대

및 지속적 유지를 가져올 수 있어 국가 수출경쟁력 확보 및 수입 대체화를 이룰

수 있을 뿐만 아니라 소형모터 산업의 성숙은 응용제품의 핵심적인 구동 부품의

자립에 기여하며 멀티미디어 산업경제의 고부가가치 실현과 경제 수요를 창출하는

특징을 가지는 산업이다

모터의 분류모터의 분류모터의 분류모터의 분류2222

모터는 전자계현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지로 변환시

켜주는 일종의 에너지 변환장치이며 이와 반대로 기계적 에너지를 전기에너지로

변환시키는 경우에는 발전기 로 부르고 있다(Generator)

모터는 사용용도 구조 형식 등에 따라 다양하며 모터의 종류에 따라 실용화되어

있는 출력의 범위도 다소 다르다 소형모터라고 칭하는 모터의 출력범위를 규정하

는 데에는 세계적으로 통일된 정확한 수치는 없다 국내 및 일본은 일반적으로 외

경 이하의 모터 출력 미만의 모터와 소형화가 가능한 모터를35mm DC 100W AC

총칭하여 소형모터로 칭하고 있으며 미국 등의 경우에는 통상 마력 미만 1 (750W)

의 모터를 소형모터로 분류하고 있다

- 10 -

그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 7: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 7 -

특히 가장 문제가 되고 있는 부분인 리니어모터 이동자의 광학검사 및 비파괴검사

등 제품의 주요 고장 부분을 개선한다 제품의 전기적 특성 내환경시험 전자파내

성시험을 실시하고 수명시험을 통하여 고장평균수명을 파악하고 제품설계에 반영

하여 신뢰성을 높인다 따라서 본 지원 사업을 통하여 상품화 대상인 리니어모터에

대한 신뢰성 향상과 경쟁력을 강화하여 전방위 사업인 완성설비에 대한 국가 경쟁

력 제고를 목표로 한다

제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용제 절 기술지원 주요 내용3333

생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원생산제품 특성 확인을 위한 시험지원1111

가 성능 특성 측정

전기적특성 내전압특성 절연저항-

기계적특성 추력 추력상수 위치정밀도 반복위치 정밀도-

나 내환경성 시험

고온시험 저온시험 항온항습시험 진동시험 충격시험 등-

신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험신뢰성확인을 위한 수명시험2222

가 신뢰성보증 평가 기준 개발 건 (1 )

나 연속동작시험 건 (1 )

다 제품설계에 반영 (Feedback)

신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안신뢰성향상지원 결과의 활용방안3333

가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축 Feedback

나 생산제품의 고장률 개선으로 생산성 증대

다 관련 시험자료의 대기업 납품 및 해외 수출 시 활용

- 8 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요1111

최근에 산업 각 분야의 눈부신 발전과 더불어 정보기기의 고속성장에 따OA FA

라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증가하고 있으며 응

용기기의 소형화 정밀화에 따라 기능적 위상은 더욱 증대되고 있다

선풍기 세탁기 냉장고등의 가전제품 구동용에서부터 정보 통신기기를 포함한 IT

산업분야 및 등 각종 산업분야의 핵심 구동원으로써 그 기술적 성BT NT ET RT

장률은 응용기기의 기술적 성장을 좌우 할 만큼 매우 중요한 핵심요소로 자리SET

잡고 있다

그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도( 1)( 1)( 1)( 1)

- 9 -

더욱이 근래에 들어서는 산업의 첨단화에 따른 핵심구동 부품의 소형화 고정밀화

를 요구하고 있다 특히 정밀위치제어가 가능한 고출력 모터가 각종 산업 분야 에

서 요구되고 있다 또한 나노기술의 발전으로 인하여 나노 단위 측정에 필요하 여

의 정밀도가 요구되는 에츄에이터로서 초음파모터가 사용되어 이에 대한 연구도nm

활발하게 이루어지고 있어 소형정밀모터는 전통산업의 영역에서 최첨단 분야 산업

으로 응용이 확대되고 있다

경제적 위상 또한 매우 높은 고부가가치 산업으로 응용기기 분야의 수출규모 확대

및 지속적 유지를 가져올 수 있어 국가 수출경쟁력 확보 및 수입 대체화를 이룰

수 있을 뿐만 아니라 소형모터 산업의 성숙은 응용제품의 핵심적인 구동 부품의

자립에 기여하며 멀티미디어 산업경제의 고부가가치 실현과 경제 수요를 창출하는

특징을 가지는 산업이다

모터의 분류모터의 분류모터의 분류모터의 분류2222

모터는 전자계현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지로 변환시

켜주는 일종의 에너지 변환장치이며 이와 반대로 기계적 에너지를 전기에너지로

변환시키는 경우에는 발전기 로 부르고 있다(Generator)

모터는 사용용도 구조 형식 등에 따라 다양하며 모터의 종류에 따라 실용화되어

있는 출력의 범위도 다소 다르다 소형모터라고 칭하는 모터의 출력범위를 규정하

는 데에는 세계적으로 통일된 정확한 수치는 없다 국내 및 일본은 일반적으로 외

경 이하의 모터 출력 미만의 모터와 소형화가 가능한 모터를35mm DC 100W AC

총칭하여 소형모터로 칭하고 있으며 미국 등의 경우에는 통상 마력 미만 1 (750W)

의 모터를 소형모터로 분류하고 있다

- 10 -

그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

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다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 8: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 8 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류제 절 소형모터의 개요 및 분류1111

소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요소형모터의 개요1111

최근에 산업 각 분야의 눈부신 발전과 더불어 정보기기의 고속성장에 따OA FA

라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증가하고 있으며 응

용기기의 소형화 정밀화에 따라 기능적 위상은 더욱 증대되고 있다

선풍기 세탁기 냉장고등의 가전제품 구동용에서부터 정보 통신기기를 포함한 IT

산업분야 및 등 각종 산업분야의 핵심 구동원으로써 그 기술적 성BT NT ET RT

장률은 응용기기의 기술적 성장을 좌우 할 만큼 매우 중요한 핵심요소로 자리SET

잡고 있다

그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도그림 산업연관 구성도( 1)( 1)( 1)( 1)

- 9 -

더욱이 근래에 들어서는 산업의 첨단화에 따른 핵심구동 부품의 소형화 고정밀화

를 요구하고 있다 특히 정밀위치제어가 가능한 고출력 모터가 각종 산업 분야 에

서 요구되고 있다 또한 나노기술의 발전으로 인하여 나노 단위 측정에 필요하 여

의 정밀도가 요구되는 에츄에이터로서 초음파모터가 사용되어 이에 대한 연구도nm

활발하게 이루어지고 있어 소형정밀모터는 전통산업의 영역에서 최첨단 분야 산업

으로 응용이 확대되고 있다

경제적 위상 또한 매우 높은 고부가가치 산업으로 응용기기 분야의 수출규모 확대

및 지속적 유지를 가져올 수 있어 국가 수출경쟁력 확보 및 수입 대체화를 이룰

수 있을 뿐만 아니라 소형모터 산업의 성숙은 응용제품의 핵심적인 구동 부품의

자립에 기여하며 멀티미디어 산업경제의 고부가가치 실현과 경제 수요를 창출하는

특징을 가지는 산업이다

모터의 분류모터의 분류모터의 분류모터의 분류2222

모터는 전자계현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지로 변환시

켜주는 일종의 에너지 변환장치이며 이와 반대로 기계적 에너지를 전기에너지로

변환시키는 경우에는 발전기 로 부르고 있다(Generator)

모터는 사용용도 구조 형식 등에 따라 다양하며 모터의 종류에 따라 실용화되어

있는 출력의 범위도 다소 다르다 소형모터라고 칭하는 모터의 출력범위를 규정하

는 데에는 세계적으로 통일된 정확한 수치는 없다 국내 및 일본은 일반적으로 외

경 이하의 모터 출력 미만의 모터와 소형화가 가능한 모터를35mm DC 100W AC

총칭하여 소형모터로 칭하고 있으며 미국 등의 경우에는 통상 마력 미만 1 (750W)

의 모터를 소형모터로 분류하고 있다

- 10 -

그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

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Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 9: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 9 -

더욱이 근래에 들어서는 산업의 첨단화에 따른 핵심구동 부품의 소형화 고정밀화

를 요구하고 있다 특히 정밀위치제어가 가능한 고출력 모터가 각종 산업 분야 에

서 요구되고 있다 또한 나노기술의 발전으로 인하여 나노 단위 측정에 필요하 여

의 정밀도가 요구되는 에츄에이터로서 초음파모터가 사용되어 이에 대한 연구도nm

활발하게 이루어지고 있어 소형정밀모터는 전통산업의 영역에서 최첨단 분야 산업

으로 응용이 확대되고 있다

경제적 위상 또한 매우 높은 고부가가치 산업으로 응용기기 분야의 수출규모 확대

및 지속적 유지를 가져올 수 있어 국가 수출경쟁력 확보 및 수입 대체화를 이룰

수 있을 뿐만 아니라 소형모터 산업의 성숙은 응용제품의 핵심적인 구동 부품의

자립에 기여하며 멀티미디어 산업경제의 고부가가치 실현과 경제 수요를 창출하는

특징을 가지는 산업이다

모터의 분류모터의 분류모터의 분류모터의 분류2222

모터는 전자계현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지로 변환시

켜주는 일종의 에너지 변환장치이며 이와 반대로 기계적 에너지를 전기에너지로

변환시키는 경우에는 발전기 로 부르고 있다(Generator)

모터는 사용용도 구조 형식 등에 따라 다양하며 모터의 종류에 따라 실용화되어

있는 출력의 범위도 다소 다르다 소형모터라고 칭하는 모터의 출력범위를 규정하

는 데에는 세계적으로 통일된 정확한 수치는 없다 국내 및 일본은 일반적으로 외

경 이하의 모터 출력 미만의 모터와 소형화가 가능한 모터를35mm DC 100W AC

총칭하여 소형모터로 칭하고 있으며 미국 등의 경우에는 통상 마력 미만 1 (750W)

의 모터를 소형모터로 분류하고 있다

- 10 -

그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

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그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

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지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

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또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

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그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

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를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

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[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

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[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

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259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 10: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 10 -

그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류그림 모터의 분류( 2)( 2)( 2)( 2)

모터는 크게 구동전압의 종류에 따라 및 모터로 나뉜다 특히AC DC Stepping

모터의 한 부류인 브러시리스 모터의 경우 년대 이후로 컴퓨DC (brushless) DC 90

터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있

다 이것은 브러시리스 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환 DC

으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형

화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다 또한 현재에는 각종 산업용 구동원

및 전기자동차 등의 운송수단의 구동원으로 브러시리스 모터를 채용하기 위한DC

연구개발이 이루어지고 있어 빠른 기간 안에 실용화의 단계로 접어들 것으로 예상

되고 있다

신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 유도모터는 가전분야의 지AC

속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있

다 최근에는 반도체 기술 및 관련 설비의 자동화에 따라서 리니어모터에 대한 수

요가 증가추세에 있다

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

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[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

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259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 11: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 11 -

표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야표 모터의 분류 및 수요분야( 1)( 1)( 1)( 1)

각종 공작기계 및 로봇 등에 채용되고 있는 서보모터는 기존의 모터에서 브러시DC

를 가지지 않는 서보모터로 지속적으로 대체되고 있으며 수년 후에는 시장AC FA

에서의 서보화는 를 넘을 것으로 예상한다AC 70

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

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고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

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항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

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본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

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표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

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그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

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가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

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절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

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그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

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그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

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라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

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제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

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표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

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측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

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그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

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그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

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그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

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그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

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그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

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다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 12: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 12 -

정밀제어기기에 사용되는 위치제어 시스템에서 과거에는 또는DC AC SERVER

또는 를 사용하였으나 최근에는 직접제어방식의 리니MOTOR STEPPING MOTOR

어 모터를 사용하여 반복 정밀도를 높이는 방식을 많이 사용하고 있다 또한 최근

의 반도체 기술 및 공정의 발달로 관련 생산설비의 자동화에 따른 수요가 급격하게

증가 추세에 있다

리니어모터는 초기의 유도식 리니어모터가 년대 개발되어 머시닝센터나 연삭1990

기에 적용되어 사용하다가 이후에는 동기식 리니어모터로 기술전환이 되면서 고속

대추력의 리니어모터 생산이 늘고 있다 리니어모터의 핵심기술은 고효율 최적설계

에 의한 전자장해석 열 해석기술 구조적 완결성 고출력 드라이버 제작기술 고속

고강성 고정도의 안정된 운전특성을 유지하기 위한 기술 등이다

최근 반도체 장비 등에 확대 적용 추세가 있으며 리니어모터 시장을 선도하기 위

한 기술은

고속 고위치정밀도 유지-

소형 고출력기술-

제어의 편의성 등이다-

제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요제 절 리니어모터의 개요2222

리니어모터리니어모터리니어모터리니어모터1111

리니어 모터는 차코일을 고정시키고 차코일을 회전시키는 일반전동기와는 구조1 2

적으로 다르지만 리니어모터는 회전형전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지

름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 생각하면 그것은 반지름( ) 平板

이 무한대인 회전형전동기의 원주방향의 일부분을 잘라 낸 것이라고 생각할 수 있

다 이런 관점에서 볼 때 리니어모터도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없

다 리니어모터의 기종 은 동기형 회전형전동기의 동기기 직류기에 해당한 ( ) (機種 ㆍ

다 과 비동기형 회전형전동기의 유도전동기에 해당 으로 구분되며 구조도 여러 종) ( )

류가 있다

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

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지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 13: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 13 -

동기형의 리니어모터는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극 을( )磁極

놓고 나머지 쪽에 교번 하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다 ( ) 交番

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고 그 극성에 대

응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다 속도제어는 속도에 동기시켜서 주파수를

연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도

있으며 리니어모터 자동차에서는 고정자극으로 초전도자석을 사용하고 있다

비동기형 리니어모터는 이동자측이나 고정자측의 어느 한쪽을 두꺼운 구리 또는 알

루미늄 도체의 판 차측 으로 하고 다른 쪽은 도마판 모양의 철심에 홈을 파고 이(2 )

것에 상권선을 넣은 것 차측 으로 구성한다 차측에 상교류를 흘러보내면 이3 (1 ) 1 3

동자기장이 생기고 이것에 의해 차측에 유도전류가 흘러서 양자 사이에 전자력이 2

작용한다 차측에 흐르게 하는 상교류에 의해 이동자기장의 이동방향이 정해지므 1 3

로 한쪽 방향의 추력을 얻을 수 있다 속도제어는 일정한 주파수로 전압을 바꾸어

도 되지만 전동기의 효율을 향상시키려면 주파수를 변화시킬 필요가 있다 차측 2

은 간단한 구조로 할 수 있으므로 이것을 고정자측으로 하여 사용하는 것이 보통

이다

리니어모터는 년 미국에서 캐터펄트 용으로 처음 제작되었으나 실용1940 (catapult)

화되지 못하였다 그러나 그 후 영국에서 이론의 연구와 실험이 대대적으로 추진되

어 고속 전기철도의 주동력원으로 주목하게 되었다 전기철도에 있어서 속도가

정도보다 빨라지면 차륜 바퀴 이 레일에 밀착되지 않고 공전 하는300kmh ( ) ( )空轉

경향이 있다 이것은 회전형 전동기의 동력이 바퀴에 전해지고 바퀴와 레일의 마찰

을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문이다 따라서 전기철도에서

바라는 시속 라는 고속수송기관과 같은 경우 공전의 염려를 없애려면 바퀴500 km

를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시키는 방법을 취할 필요가 있다 이것을 해결

하는 것으로서 리니어모터는 기대되는 바 크다 리니어모터는 직선 위를 움직이고

직접 동력을 주며 높은 가 감속을 가지게 할 수 있기 때문에 고속철도용뿐만 아 ㆍ

니라 조차장 에서의 화차 구분작업 자동화에도 사용되며 용도가 확대되고 ( ) 操車場

있다

리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요리니어모터의 구동원리 및 개요2222

가 구동원리 및 개요

리니어모터는 그림 와 같이 일반 회전형 모터를 축방향으로 잘라서 펼쳐 놓은( 3)

형태이므로 기존의 일반 모터가 회전형의 운동력을 발생시키는 것에 비해 직선방

향으로 미는 힘인 추력을 발생시키는 점이 다르나 그 구동원리는 근본적으로 같다

고 볼 수 있다

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

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항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

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표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 14: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 14 -

그림에서 와 같은 회전형 모터를 와 같이 잘라 펼쳐 와 같이 선형(a) (b) (c) (d)(e)

운동을 하게 한다 또한 아래측의 그림은 원통형 리니어모터의 원리에 관한 개념도

이다

그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리그림 리니어 모터의 개념도 및 원리( 3)( 3)( 3)( 3)

회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하지만 리니어모터는 구조적으로 길이

가 유한하여 길이방향으로 길이가 유한하며 입구단 과 출구단 (entry end) (exit end)

이 구조적으로 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜곡 및 손실을 유발하여 특성을

악화시킨다 이러한 효과를 길이방향으로의 단부효과 라 (longitudinal end effect)

한다 또한 측면 모서리방향으로도 에너지의 누설이 발생하는데 이를 횡방향 모서

리효과 라 하며 이것에 의한 모터의 추력 및 수직력 등의(transverse edge effect)

손실은 물론 그 분포를 왜곡시켜 운전특성을 나쁘게 하는 등의 큰 영향이 있다 따

라서 구동원리는 회전형 모터와 동일하나 단부효과와 모서리효과에 의하여 그 특성

이 매우 달라진다

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

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Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 15: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 15 -

회전형 모터에서의 공극은 축방향으로 대칭이기 때문에 문제가 되지 않으나 리니

어모터는 수직력이 전자석이나 바퀴 등의 지지장치에 크게 작용하여 부하의 중량

이 증가된 것으로 나타난다 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 근본적으로 공극을

크게 한다 이에 따라 회전형 모터에 비하여 누설자속의 증가 자화전류의 증가 역

률 및 효율의 악화 등은 필연적이다

그러나 리니어모터는 일반 회전형 모터에 비해 직선 구동력을 직접 발생시키는 특

유의 잇점이 있으므로 직선구동력이 필요한 시스템에서 회전형에 비해 절대적으로

우세하다 즉 직선형의 구동시스템에서 회전형 모터에 의해 직선구동력을 발생

시키고자 하는 경우에는 그림 과 같이 스크류 체인 기어시스템 등의 기계적인( 3)

변환장치가 반드시 필요하게 되는데 이때 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생

이 필연적이므로 매우 불리하게 된다

그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교그림 회전형과 리니어모터에 의한 직선구동력 발생비교( 4)( 4)( 4)( 4)

그러나 리니어모터를 응용하는 경우는 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계

적인 변환장치가 전혀 필요치 않아 복잡하지 않으며 에너지 손실이나 소음을 발생

하지 않는 것은 물론이고 운전속도에도 제한을 받지 않는 등의 특유의 이점이 있

다 따라서 계통의 효율적인 운전과 기능에 있어서 회전형에 비하여 절대적으로 유

리하다

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

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항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

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표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

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가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

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절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

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그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

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제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

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표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

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측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

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다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 16: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 16 -

그림 는 리니어모터의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다 이로부터 리니어모터( 5)

는 평평한 형태이므로 회전형 모터에 비하여 높이가 매우 낮음을 확실하게 알 수

있다 따라서 평평한 모양의 리니어모터로 추진하는 경우에 높이가 현저하게 감소

하여 기구의 저상화 를 실현 할 수가 있다 실제로 직선추진력을 직접 발생( ) 低床化

하는 리니어모터로 구동하는 차량으로 지하철을 건설하는 경우에는 회전형 모터로

건설하는 경우에 비하여 건설비의 이상을 차지하는 터널의 단면적이 정도70 68

가 감소되어 전체 건설비가 정도까지 저감되는 효과를 갖는다50

그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진그림 제작된 리니어모터의 사진( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)( 5) (Model SDM30P2S1)

그러므로 오늘날에는 육상운송계통에서의 자기부상열차나 대규모의 공장이나 산업

시설에서의 컨베이어시스템 승강기 크레인 자동문 등 광범한 분야에서의 산업시

스템에 필수적인 직선형 구동장치로 응용 개발되고 있다 또 한편으로 오늘날 인ㆍ

간생활의 편리함의 추구로 인하여 등 각 분야에서 자동화가 활발하게HA OA FA

진행되고 있는 바 이 경우의 각종 서보시스템에서 직선형 구동장치로 리니어모터

의 응용이 필수적으로 되고 있으며 장차 그 응용분야는 더욱 확대될 것으로 전망

된다

리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성리니어모터의 특성3333

리니어모터의 가장 큰 특징으로는 고속성을 들 수 있다 리니어모터의 속도 및 가

속도는 컨트롤러의 속도와 버스 전압에 의해서만 제한을 받고 기계적으로 제한이

없기 때문이다 정밀 이송이 가능한 범위 내에서의 이송속도 범위는 에서 1 10

정도로 나타나고 있다 스크류 방식의 경우는 저속에서 정밀 이송이 가능하지만 고

속에서는 소음이 크게 발생하며 최대속도에 한계가 있다

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 17: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 17 -

다음으로 고정자와 이동자 간에 기계적 접촉이 없기 때문에 백래시 및 마모가 거의

발생하지 않는 특징이 있다 따라서 장비의 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 길

다 랙과 피니언 방식의 경우는 백래시와 같은 문제점이 있으며 일반적으로 저속

특성이 좋지 않다

회전형 전동기와는 달리 구동하는 대상에 직접적으로 소요되는 방향으로 추진력이

주어지고 기어나 차륜 등의 추진을 위한 전달기구를 필요로 하지 않는 이른바 다

이렉트 드라이브의 기능을 가진다

그리고 리니어모터는 이송거리의 제한성이 없다 스크류로 직선 운동을 구현하는

시스템의 경우는 이송거리가 늘어남에 따라 회전관성이 증가하기 때문에 이송속도

에 제한이 발생하며 기계적으로 처짐이 발생하기도 한다 하지만 리니어모터의 경

우는 이송거리를 연장하더라도 성능의 저하가 발생하지 않는다 단순히 고정자를

연결시키는 것만으로 이송거리를 확보할 수 있으며 이동자는 동일한 것이 사용되

므로 성능의 저하도 나타나지 않는다 또한 한 축에 복수의 이동자를 탑재할 수 있

기 때문에 큰 비용의 부담 없이 생산성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 회전형

모터의 경우에는 이러한 시스템의 구현이 쉽지 않다

상 유도형 리니어모터와 회전농형모터를 각각으로 리니어 드라이브를 하는 경우의3

성능 비교에 대하여 일본전기학회 자기 액튜에이터 조사전문위원회가 년( ) 1982磁氣

에 보고한 자료에 의하면 아래와 같은 방법에 의하여 리니어모터와 회전형 모터

각각으로 차량을 추진하는 경우의 추진성능을 검토하였다 즉 비교검토하기 위하여

각각의 경우에 추진력 입력 추진력 질량 추진력 체적의 비를 조사하여 운전 성능

을 검토해보기로 한다 각각의 비와 리니어 드라이브 운전성능과의 관계는 다음과

같다

가 효율화 전기적인 입력에 대한 출력인 추진력의 관계인 추진력 입력의 비로부

터 효율

나 경량화 모터의 질량에 따른 발생 추진력의 관계인 추진력 질량의 비로부터 경

량화

다 소형화 체적에 따른 추진력의 관계인 추진력 체적의 비로부터 소형화 정도

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 18: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 18 -

라 관련 공식

회전력과 추진력의 환산특성식-

유도형 모터의 정격특성과 추진력의 관계는 아래의 식과 같다 이로부터 회전형모

터의 차량추진성능을 계산할 수 있다 즉 정격토크는

여기서 상 회전형 유도모터의 정격용량 회전수 이다 회전력을 직 3 [kW] [rpm]

선형운동으로 환산하는 것은 아래와 같다

여기서 회전자 직경이다 따라서 위의 두 식으로부터 회전형 모터의 회전력을 추

진력으로 환산한 특성식은 아래와 같이 얻을 수가 있다

마 효율화 정도를 파악하는 추진력 입력의 비교

그림 은 정격용량 급의 상 유도형 리니어모터와 회전농형유도( 6) 160~2800 [kW] 3

모터의 추진력 입력을 조사한 것이다 회전형모터의 경우 정격용량이 커짐에 따라

감소하는 경향을 보이며 그 값은 정격연속운전의 경우로 정격용량의 크기에 무관

하게 의 일정한 크기의 범위에 있음을 알 수 있다 이에 비해 리니8~45 [NkVA]

어모터의 경우는 의 기동추력으로 간헐운전의 경우이므로 불리한 입장임DF = 20

에도 불구하고 그 특성은 의 범위가 되어 매우 크므로 리니어모터30~130 [NkVA]

가 효율적인 것을 알 수가 있다

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

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고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

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항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

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본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

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표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

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가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

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절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

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그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

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그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

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라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 19: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 19 -

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 입력비의 비교( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3 ( 6) 3

바 경량화정도를 파악하는 추진력 질량의 비교

그림 에서 회전형 모터의 경우 정격연속운전의 경우로 정격용량에 무관하게 추( 7)

진력 질량의 비가 의 범위에 있음을 보인다 반면에 리니어모터는 정 5~14 [Nkg]

격용량의 크기에 무관하게 의 넓은 범위에 걸쳐있음을 보인다 물론2~30 [Nkg]

이 경우에도 리니어모터의 경우는 정도의 간헐 운전의 경우로 기동추력을DF=20

조사한 것이다

그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교그림 상 유도전동기와 리니어유도모터의 추력 질량비 비교( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3 ( 7) 3

사 소형화정도를 파악하는 추진력 체적의 비교

그림 의 추진력 체적는 연속정격운전을 하는 회전형 모터의 경우로 정격( 7) 500kW

정도에서 최대가 되기는 하지만 그 값은 이다 여기서 은 리터이다8~26 [NL] L

리니어모터의 경우는 그 비가 의 범위 내에 있으므로 매우 높아 소형20~90 [NL]

화가 됨을 알 수 있다

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 20: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 20 -

제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징제 절 리니어모터의 구분과 특징3 3 3 3

구분과 종류구분과 종류구분과 종류구분과 종류1111

리니어모터는 일반 회전형 모터를 펼쳐 놓은 형태이다 따라서 그 원리적인 종류의

분류는 회전형의 경우와 거의 유사하게 되는 데 이를 요약하면 다음과 같다

종류

유도형LIM Linear Induction Motor( )

직류형LDM Linear DC Motor( )

동기형LSM Linear synchronous motor( )

동기형LSHM Linear Synchronous(Homopolar amp Heteropolar) Motor( )

동기릴럭턴스형LSRM Linear Synchronous Reluctance Motor( )

왕복운동 액튜에이터LOA Linear Oscillating Actuator( )

LPM Linear Pulse Motor

유도형양측식DLM Double Sided Induction Motor( )

유도형편측식SLIM Single Sided Induction Motor( )

지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예지지기구의 종류와 응용 예2222

회전형모터에서는 회전자와 가동자사이의 공극을 베어링으로 지지하고 있다

마찬가지 개념으로 리니어모터에서도 가동자와 고정자의 간격을 일정크기의 공극으

로 지지하기 위한 시스템이 반드시 필요하다 회전형모터의 경우 베어링에 의하여

모터의 특성이 결정되는 바와 같이 리니어모터의 경우에도 리니어모터 자체가 우수

한 특성을 가진다 하더라도 지지특성이 나쁘면 제어성 신뢰성 가격 등의 경제상에

서 결정적으로 불리해지게 되므로 지지방법은 매우 중요하다 현재 일반적으로 채

용되고 있는 방법은 롤러 등을 쓰는 기계식 공기식 자기부상방식 등이 있다 이를

요약하여 나타낸 것이 표 이다3

표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예표 리니어모터의 지지기구의 종류와 응용 예( 2)( 2)( 2)( 2)

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 21: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 21 -

지지기구 방식 기종 응용예

기계식

롤러

롤러

리니어 슬라이더

LPM

LIM

LOA

전자프린터 일본( )

팔렛반송 일본(

독일)

공기식 정압슬라이더

LPM

LIM

LDM

LSM

자동제도기 미국( )

클린룸 반성 일본( )

공작물 운반 도일( )

자기부상식흡인제어

전도 반발C

LSM

LIM

LDM

자기부상열차

자기베어링

종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용종류별 원리 및 특성 응용3 3 3 3

가 유도형 리니어모터(LIM linear induction motor)

원리(1)

유도형 리니어모터의 원리는 근본적으로 일반 회전형 유도전동기와 같다 그러나

축을 중심으로 절단하여 펼쳐 놓은 형태로 길이방향으로 입구단과 출구단의 가 end

있는 점이 다르다 차측에 의하여 시간적 공간적으로 이동하는 자속이 발생하여 1

공극을 가로질러 차측에 도착하게 되면 변압기기전력과 운동기전력이 발생하여 도2

체판에 와전류를 발생하여 분포하게 되는데 이 와전류와 공극자속이 로렌츠의 힘

방정식으로 표현되는 상호작용에 의하여 차와 차측 간에 서로 미는 힘인 추력을1 2

발생하게 된다

특성(2)

리니어모터의 주요 특성은 공극자속밀도 와전류 추력이 된다 이들 특성은 리니어

모터에서 만 있게 되는 단부 모서리효과 에 의하여 그 분포가 정 (endedge effect)

현적분포에서 심하게 변형되며 공극도 커서 기자력이 크게 소요되는 등의 이유로

회전형의 경우와는 다른 경향을 보이는데 이들이 응용에 큰 영향을 준다

분류(3)

판상형 차측과 차측이 평판형으로 된 을 말한다 또한 차측이 차측의 양측 1 2 LIM 1 2

에 있는 경우를 양측식 한쪽에 만 있는 경우를 편측식(double sided) LIM (single

으로 다시 분류된다sided) LIM

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 22: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 22 -

또한 차측이 가동되는 단 차방식 차측이 가동되는 단 차2 2 (short secondary type) 1 1

방식 으로 분류도 되고 한편 차측의 재질에 따라 동이나(short primary type)LIM 2

알미늄 강판으로 만 구성되는 경우와 철로 된 과 알미늄이나 동판으로 back iron

된 층 구조로 된 이 있다 물론 각 경우의 리니어모터의 특성은 매우 다르며2 LIM

응용시에는 이를 고려해야 만 한다

원통형 평판형 리니어모터를 길이방향을 축으로하여 횡방향으로 말아 원통형으로

한 형태이다

유도형 리니어모터 의 최신 응용예(4) (LIM)

편측식 반송장치 일 대형편기 영 고속수조 미 pallet ( ) ( 110 rpm 4 ms) ( 900m

프레스 소련 일본 사격표적이동장치 공항과 역간의 수송차180kmh) screw ( ) ( )英

량 영 인 고속분쇄장치 일( 900m 30kmh 49 ) ( )

양측식 자동문개폐장치 소련 차측 파라미터의 실측 일 콘베 어 ( 40N 2m 3s) 2 ( )

장치의 계산 소련 테이블 일 원통형 위치결정장치 미국 공기부cost ( ) X-Y ( ) ( 025 m

상)

나 직류형 리니어 모터(LDM linear direct current motor)

원리(1)

구동원리는 플레밍의 왼손법칙을 기본으로 한다 즉

평판형의 영구자석이 같은 극 혹은 극 이 서로 향하는 구조로된 계자사이에 있는N ( S )

전기자코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 의해 두 코일변에는 같은 방향

으로의 힘이 발생한다 이때 계자가 양쪽에 있으면 량측식 한쪽에만 있으면 편측식

이 된다

특징(2)

직류형 리니어모터의 장점으로는 구조가 간단하고 추력 질량의 비가 크며 고속동

작이 가능하고 서보성이 좋은점 등이다 반면에 단점으로는 모우터 자체적으로 위

치 결정기능이 없어 반드시 위치결정센서 속도센서와 결합하여 응용을 해야 하는

데 이 경우 높은 정도의 위치결정 속도제어가 가능하다 따라서 의 경우는 추 LDM

력 특성 뿐 아니라 제어시스템의 고려가 매우 중요하다 다음과 같은 직류형 리니

어모터의 우수한 특성에 의해 각종 로봇 레코드 광학기기 등에의 응용FDD CD

이 되고 있다 즉 은 아래와 같은 특징이 있다 LDM

가 위치결정 정도가 좋다( )

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 23: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 23 -

나 고속 및 저속으로의 왕복운동이 가능하다( )

다 간결 직선운동이 가능하다( )

라 소변위 왕복운동이 가능하다( )

마 제어는 위치검출기에 의하지만 용이하다( )

바 지지기구는 비교적 간단하다( )

사 가동자의 구조를 간단히 할 수 있다( )

아 수직운전이 곤란하다( )

자 비교적 저렴하다( )

분류(3)

코일이 감긴 전기자가 가동되는 경우는 전기자가동형 리니어 직류모터(moving

전기자가 없이 코일만 가동되는 경우는 코일가동형 리니어armature type LDM)

직류모터 또한 계자자석과 전기자코일의 위치를 서로 바(moving coil type LDM)

꿔 전기자코일이 고정이고 계자자석이 가동되게 하면 자석가동형 리니어 직류모터

으로 분류된다(moving magnet type LDM)

응용 및 전망(4)

가 종류에 따른 직류형 리니어모터 의 최신 응용예( ) (LDM)

각형 직교좌표형 로봇 일 축용 리코더 영 ( X-Y 1-8 m) ( 120mm)①

환형 결함검출용 센서추종장치 일 차형 궤환제어 일 광디스크용 ( 20N)3 ( 1 m)②

일 플로피 일 높이 이하 자기디스크 일focusing ( ) ( 30mm ) ( )

특수형 전자 미 선박추진용 리니어초전동기 영 launcher( 20kms 10KN) ( ③

초전도선 일 결정구조 해석용 레일건 일3T200rpm) ( 15N 06ms 45T) (

15kms)

나 각 국가별로의 응용개발현황( )

미국 사에서 대용량의 디스크구동장치로 보이스 코일형을 Hewlett-Packard①

응용개발하고 있으며 에서는 자기헤드 구동용 보이스 코일형 모터를 개발하고 IBM

있다

유럽 영국은 년 사에서 일찌기 스팬 의 기록계를 1976 Foster Cambridge 100mm②

개발하여 시판하고 있다 서독에서는 자기회로나 급전방식에 관한 연구가 되고 있

고 프랑스는 자석가동형이 개발되어 사에 의해 시판 될 단계이다 Koll-morgan

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 24: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 24 -

소련 중국등 새로운 형의 이 개발되어 특허를 획득한 경우가 있고 중국에 LDM ③

서는 중국과학원이중심이 되어 코일가동형의 을 개발하였으며 보이스코일형LDM

의 연구도 하고 있다LDM

다 동기형 리니어모터(LSM linear synchronous motor)

원리(1)

동기형 리니어모터는 회전형 동기모우터를 축방향으로 잘라펼친 형태이므로 회전형

동기모터의 구동원리가 동일하다 즉 계자와 전기자로 구성되며 구성방법에 따라

종류가 달라진다

분류(2)

앞에서 언급한 바와 같이 동기형 리니어모터 은 철심에 코일을 감은 전자석형(LSM)

공심코일을 초전도상태에서 이용하는 초전도 코일형 영구자석을 이용하는 영구자

석형이 있고 유도자형 리도 있다 LS

응용(3)

현재 은 초고속열차의 구동시스템으로 독일등에서 응용개발이 되고 있으며LSM

일반 산업용으로는 반송장치정도로 개발되고 있으나 유도자형 은 형LSM VR LPM

과 거의 같으므로 앞으로 산업용으로의 역할이 커질 전망이다

라 리니어 펄스모터 또는(linear pulse motor(LPM) linear stepping motor)

원리(1)

회전형 스텝모터의 경우와 마찬가지로 디지탈 제어기에 의해 공급되는 매 입력전류

펄스신호에 대해 스텝씩 직선운동을 하는 모터이므로 일명 리니어 펄스모터라고도1

한다 즉 리니어 스텝모터 는 약칭으로 으로 되어 동기 (Linear Stepping motor) LSM

형 리니어모터와 동일하여 구별하기가 곤란하다 따라서 이를 리니어 펄스모터

로 하면 약칭을 으로 할 수 있어 구분이 되므로 일반적인(Linear pulse motor) LPM

명칭이 되고 있다

리니어 펄스모터는 입력전류 펄스신호에 따라 변위되기 때문에 반드시 치와 홈이

있어야 만 한다 추력발생은 두 치사이의 퍼미언스가 변화하기 때문인 것으로 해석

할 수도 있다 따라서 의 여자전류와 영구자석에 의한 추력특성의 해석은 치 LPM

사이의 퍼미언스의 정확한 계산이 기본이 된다

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 25: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 25 -

따라서 리니어 펄스모터가 추력을 얻기 위해서는 자기회로의 구성방법 기하학적

형상 여자방식을 적절히 해야하는데 그 방식은 다양하다

특징(2)

리니어 펄스모터는 그 종류에 따라 특성도 다양한 데 일반적으로 알려진 특성중에

서 다른 모터의 특성과 비교하여 장점과 문제점등을 분석하면 아래와 같다

가 장점( )

스스로의 위치 결정기능이 있기 때문에 폐루프 시스템이 없이도 위치는 물론 속①

도 가속도의 정확한 검지가 가능하므로 제어가 쉽다 위치결정 정도는 미니스텝구

동과 다상구동방식에 의해 영향을 받는다

직선운동계에서 구동와이어 기어 캠등이 필요없으므로 구조가 간단하다 ②

모터와 같은 브러시가 없어서 수명이 길며 보수가 불필요하다DC ③

모터 자체가 직선왕복운동이 가능하다④

나 문제점( )

자기회로의 포화로 인한 추력의 한계가 불확실하다①

코일선의 발열②

여자방식 구동회로를 포함한 시스템전체의 특성의 명확화③

일시정지시의 추력의 적절한 값의 설정④

지지기구의 개량⑤

분류(3)

년 슈페리어회사 의 매드슨 에 의해 형의1966 (Superior Electric Co) (Madsen) PM

이 개발되었으며 개월후 같은 회사의 후레데릭슨 에 의해 형LPM 4 (Fredrickson) VR

의 의 개발이 완료되었다 또 년 소이어 에 의해 상 형 을LPM 1968 (Sawyer) 3 VR LPM

사용한 공기부상식의 모터를 개발하여 이후 자동제도기에 응용되었다 일반적으로

리니어 펄스모터의 종류는 자기회로의 구성 기하학적 형상 여자방식등에 따라 추

력특성의 발생이 달라지게 된다

리니어 펄스모터 의 최신 응용예(4) (LPM)

- 26 -

고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

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Vol 5 pp 3723~3727 1999

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Page 26: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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고정도의 자기위치 결정능력등 자동화 구동요소로서의 여러가지 유리한 특성상의

이점에 의해 세계적으로 많은 분야에서 응용개발이 이루어 지고 있는 바 이를 평

판형 원통형등의 구조상의 종류와 각 국가에서의 개발현황 및 분야의 예를 아래에

서 소개하기로 한다 즉

가 평판형 프린터 일 스폿 용접로봇 소련 축용( ) ( 250mm) ( X-Y 1000mm

반송방식 일 스텝 형 미 고응plusmn02mm) pallet ( 1mm 46N VR ) micro stepping (

답 스폿 용접시스템 미 축용 형 센서부착 결함검출장치 스) ( X-Y VR ) (300N 18m

텝 집합형 일 스텝 생산공정간 반송장치1mm 30HZ) LPM( 04mm plusmn 30 m)

일( )

나 원통형 혈액순환기 소련 제어계 인공심장용 액츄에이터 일 미( ) ( ) ( )

마 리니어진동 왕복운동 액튜에이터( ) (LOAlinear oscillator actuator)

원리(1)

정현파 또는 직사각형 펄스전압파를 교대로 공급하여 가동체에 임의의 직선적인 스

트로크를 반복하여 왕복운동을 시키는 구동장치를 말한다

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 작

용하는 흡인력의 작용방향은 바뀌며 반대방향으로 가동자가 움직인다 이렇게 고정

자의 여자전류방향을 교대로 계속 바꾸어 주면 가동자는 왕복운동을 계속하게 된

다 이것은 리니어 진동모우터의 일반적인 구동원리가 된다 단지 철심이나 코일로

이루어지는 가동자의 종류에 따라 분류된다

분류(2)

리니어 진동 액튜에이터 에는 현재까지 코일가동형 철심가동형 및 영구자석(LOA)

가동형으로 대별되며 을 이용한 액튜에이터를 구성할 수도 있다 LlM

표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성표 리니어모터의 특성( 3)( 3)( 3)( 3)

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 27: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 27 -

항목항목항목항목 코일가동형코일가동형코일가동형코일가동형 철심가동형철심가동형철심가동형철심가동형 영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형영구자석가동형

가동체 토일 도체( ) 첨싱 강자성체( )영구자석 페라이트(

희토류 등)

전자력 전류계 자기력 자기력

관성 작다 크다 크다

응용전자긱 자기헤드

위치 결정장치펌프 콘프레사 자극센서

가 코일가동형( ) LOA

리니어 직류모터 라고 볼 수있으며 세계적으로는 보이스코일형 모터 소음계(LDM)

자기헤드 위치결정장치 동전형 진동발생기 일 방향 수중진동기 일 ( 20KN) 2 (

소형 저온냉동기 미 등에 응용개발되고 있다2KN) ( 10K)

나 영구자석 가동형( ) LOA

가동체인 자석에 에너지가 축적되어 있기 때문에 에너지 절약형이 되며 진동기 인

공위성용 냉동기의 스털링 사이클 냉동기 미 리니어 진동발전기 에어 콤프레사( )

일 소형교반기 일 등에 응용개발되고 있다( 50W) ( 20Hz 30N 20mm 25W)

다 철심가동형( ) LOA

평판형과 원통형으로 구성할 수 있으며 펌프 인공심장용 휴대용 공기압 구동장치

광학용 전자셔터 액체분리 추출기 자기베어링을 이용한 극저온 냉동기와 선박의

초전도 전기추진용 헤륨 냉동기등의 액튜에이터 미 전기 해머 선탄용장치 체코( ) (

희토류자석 에어 콤프레사 일 미 불 체2KN 16mm 20Hz 1kw 70 80 ppm ) (

코 등에의 응용개발이 되고 있다)

제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작제 절 리니어모터 개발품 설계 및 제작4 4 4 4

무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터무철심형 리니어모터1111

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

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그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

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를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 28: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 28 -

본 과제에서 다루고자 하는 리니어모터는 무철심형 영구자석형 동기 리니어모터이

다 현재 시장에서 판매되는 리니어 모터는 형태상으로는 평판형과 원통형으로 나

눌 수 있고 전기자 철심의 유무에 따라 철심형과 무철심형으로 분류될 수 있다

철심형 리니어모터는 이동자 코어에 코일을 감아 놓은 구조로서 회전형 모터를 DC

직선형태로 펼쳐놓은 것과 같으며 구동원리도 이와 동일하다 철심형 리니어모터는

크기 대비 추력비가 크며 제작이 비교적 쉽고 제작비용이 저렴한 이점이 있다 하

지만 이동자 철심의 톱니와 자석의 상대 위치에 따른 자력분포 불균일로 인한 코

깅력과 철심의 단부에서 발생되는 단부효과는 철심형 리니어모터의 구조적인 단점

이다 코깅력과 단부효과는 모터 구동시 추력리플 및 속도리플을 유발하기 때문에

스캐닝과 같이 최소한의 속도변동을 요구하는 분야에는 적용이 어려우나 고추력이

요구되는 분야나 속도 변동율에 크게 구애받지 않는 부분에 적용이 활발하다

무철심형 리니어 모터는 이동자에 철심이 없는 것이 특징이다 철심이 없기 때문에

추력이 떨어지는 단점이 있지만 구조적으로 추력리플 및 속도리플이 발생되지 않

기 때문에 정밀한 속도제어가 요구되는 분야에 많이 적용이 되고 있다 하지만 제

작이 상대적으로 어렵기 때문에 불량률 및 제작비용이 상승하는 단점이 있다

전년과제를 수행하며 파악한 제작상의 난점 및 신뢰성 저해 요인을 개선하여 무

철심형 리니어모터 제품화 모델의 생산성 증대 및 신뢰성 확보를 목표로 한다

무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성무철심형 리니어모터의 제품구성2222

기존의 무철심형 리니어모터는 종으로 구성되었으나 이를 축소하여 종의 모터7 5

로 의 추력범위를 가지도록 제품을 구성하였다 상품성을 고려하여100N~400N

이하의 저추력 모델은 제외시켰으며 이상의 중추력 범위를 안정적으로100N 300N

뒷받침하기 위해 종의 기본모델을 바탕으로 한 종의 모터를 신규 설계하였다 그1 3

구성은 표 와 같다 이 중에서 신뢰성 테스트를 위해 선정한 모델은( 4)

모델로서 사이의 범위를 담당하는 모델 종의 기본이SDM30-P-2 200N ~ 400N 3

되는 모델이다

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 29: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 29 -

표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성표 무철심형 리니어모터의 제품구성( 4)( 4)( 4)( 4)

리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계리니어모터의 신규설계3333

신규로 모델 종을 추가하는 과정에서 전자기장 해석을 수행하였다 주요 설계 파3

라미터는 코일의 권선수와 치수 공극 자석의 치수 등이다 최적의 설계변수를 찾

기 위해 모터 상수 개념을 도입하여 권선의 발열대비 추력이 최소화 되도록 했다

아래의 그림은 전자기장 해석장면이다

그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석그림 리니어모터 전자기장 해석( 8)( 8)( 8)( 8)

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

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절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 30: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 30 -

그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포그림 해석곁과 자속밀도 분포( 9) -( 9) -( 9) -( 9) -

리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작리니어모터의 제작4444

리니어모터는 크게 고정자와 이동자의 두 부분으로 나누어진다 현재 과제 진행에

따른 시제품 종류 및 수량은 표 와 같다( 5)

표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량표 시제품 제작 수량( 5)( 5)( 5)( 5)

모델 수량

고정자

SDM30 + 600mm 식4

SDM30 + 480mm 식1

SDM30 + 120mm 식2

이동자

SDM20-S-4 1EA

SDM20-P-6 1EA

SDM30-P-2 15EA

SDM30-P-3 1EA

SDM30-P-4 1EA

유니트SDM30 + 700mm 식1

SDM30 + 200mm 식3

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

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- 95 -

Page 31: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 31 -

가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작가 고정자의 제작

장기 구동 테스트용 식과 성능평가용 식 그리고 내진동 테스트용 식을 제작하3 1 2

였다

그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자그림 적용 고정자( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30( 10) SDM30

나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작나 이동자의 제작

모델의 제작 수량은 환경 시험용 장기구동 테스트용 여분SDM30-P-2 9EA 3EA

이다2EA

그림 이동자그림 이동자그림 이동자그림 이동자( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2( 11) SDM30-P-2

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 32: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 32 -

절연성 강화(1)

기존의 이동자 제작시 배선된 코일을 알루미늄 블록과 조립하는 작업은 난해한 공

정이었다 아울러 코일이 알루미늄과 접촉하는 부위에서 절연파괴가 일어날 가능

성이 컸는데 당사 기존 개발품의 경우 내전압 테스트시 절연내압 기준으로 15kV

불량률이 정도였다 불량률을 낮추기 위해 절연물질 절연천 절연지 를 적용할50 ( )

경우 배선공간의 축소 작업공정 추가 에폭시 접착력 약화 등의 결과를 가져왔을

뿐만 아니라 절연성의 기대효과가 크지 않았다 본 과제를 수행하면서 상기의 문

제를 해결하기 위해 새로이 절연재질의 부속을 고안하여 이동자 제작시 추가하였

다 그림 은 이동자 조립품의 단면도를 도시한다 도시된 그림에 의하면 코일과 26

알루미늄 블록사이에 절연재 부품이 추가되었다 본 부품은 코일의 배선작업의 용

이성 및 코일의 배치상태를 고려하여 설계되었다 본 부품을 적용한 후에 내전압

관련 불량률 를 달성하였다 실용신안 출원중0 ( )

코일과 코일간에 발생할 수 있는 선간단락을 방지하기 위해 코일 배선시 절연 수

축 튜브를 사용하였고 코일간의 기구적인 접촉을 배제할 수 있도록 전자기장 해석

단계에서부터 코일의 치수제한을 두어 선간단락의 근본 원인을 제거하였다 그림 (

그림13 14)

그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조그림 절연재의 코일 지지구조( 12) )( 12) )( 12) )( 12) )

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

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[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 33: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 33 -

그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정그림 코일 절연재 부품 조립 과정( 13) -( 13) -( 13) -( 13) -

그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보그림 코일 간격 확보( 14)( 14)( 14)( 14)

작업성 강화(2)

코일 배선 과정에서 절연수축튜브를 사용할 경우 알루미늄 블록내부에서 배선이 차

지하는 공간이 대폭 늘어나기 때문에 기존의 구조를 유지하면서 작업난이도를 쉽

게 하는 것이 어렵다 따라서 배선작업과 이동자 조립작업의 난이도를 줄이기 위

해 알루미늄 블록에 대한 구조적인 변경을 진행하였다 그림 는 기존의 이동자( 15)

후면 사진이고 그림 은 신규로 설계된 알루미늄 블록을 적용한 이동자 사진이 ( 16)

다 통상적으로는 코일 조립 및 에폭시 몰딩을 위한 블록 내부 공간 가공시 기존

제품 당사제품포함 의 경우 후면까지 관통하지 않으나 본 제품은 이동자 후면까지( )

관통을 하였다 그 효과는 작업자가 코일에 알루미늄블록을 결합한 상태에서 배선

작업을 진행할 수 있기 때문에 작업상 난이도가 감소하고 작업시간이 감소한다는

것이다 이와 같은 형태의 이동자는 국내제품 및 일본제품에서는 찾아볼 수 없는

독특한 형태이다

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 34: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 34 -

그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자그림 기존 리니어모터 이동자( 15)( 15)( 15)( 15)

그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터그림 구조 변경안을 적용한 리니어모터( 16)( 16)( 16)( 16)

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 35: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 35 -

라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작라 유니트의 제작

장기구동시험용 유니트 세트와 성능평가용 중스트로크 대응 유니트 세트를 제작3 1

하였다 유니트 조립 작업 간소화 고강성 방옅성 증대 심플한 외관 상품화 등

을 주요 컨셉으로 설정하여 설계하였다 그 결과 리니어스케일 교체 케이블 유지

보수 및 교체 이동자 교체 작업등이 간소해졌고 외관이 깔끔해지게 되었다 테이블

에 냉각핀 형상을 가공을 진행하여 리니어모터 이동자의 발열성 증대를 꾀하였다

그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트그림 성능평가 유니트( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)( 17) (stroke 700mm)

그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트그림 수명 시험 유니트( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)( 18) (stroke 200mm)

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 36: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 36 -

제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가제 절 리니어모터의 성능평가5 5 5 5

전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법전기사양 측정 항목 및 방법1111

측정항목 단위 측정 방법 및 용어 정의

저항(R) Ω 25 에서 미터로 측정 선간 LCR ( Phase to Phase)

인덕턴스(L) mH 25 에서 미터로 측정 선간LCR ( Phase to Phase)

추력상수(Kf) NArms

리니어모터 이동자로 로드셀에 측정부를 닿인상태로 직류전

류를 인가하여 전류에 따른 추력을 측정하여 단위전류에 대

한 추력의 크기를 측정

역기전력(Ke) V

구동측 리니어모터의 이동부와 피측정 리니어모터 이동부를

연결한 상태에서 구동측 리니어모터를 일정속도로 구동하여

피측정 리니어모터에서 유기되는 전압을 오실로스코프로 측

절연내압 V

배선작업이 완료된 상태에서 리니어모터 이동자 전원부에

내전압측정기를 연결하여 허용전류 로 하여15 10 mA

초간 내전압력 측정60

위치결정정도

규격에 준함 유니트 스트로크 이상은ISO 500 mm

이하는 를 기준으로 회 왕복 측정 사용500mm 300 mm 5

하는 레이저 간섭계는 과 임Renishaw ML10 Linear Optic

반복위치정밀도 규격에 준함 위치결정정도와 동일한 방법으로 최대오ISO

차가 발생하는 측정포인트의 편차값을

전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과전기사양 측정 결과2222

가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트가 내전압 테스트

본 테스트는 코일과 프레임간의 절연성을 시험하는 것이다

시제품의 내전압 테스트(1)

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

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- 95 -

Page 37: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 37 -

표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과표 내전압 테스트 결과( 6)( 6)( 6)( 6)

수명시험용 형번의 내전압 테스트(2)

리니어모터 이동자 중 는 환경시험용으로 소요되었고 수명시험에는15EA 9EA 3EA

의 이동자가 사용되었다 는 여분이며 는 상품화 수준의 최종완성품이다 2EA 1EA

표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재표 수명시험용 내전압 테스트 현재( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )( 7) (913 )

0602-05 0602-06 0603-05

누설전류 lt1 lt1 -

통과여부 PASS PASS -

비고 시간 구동2050 시간 구동2500시간1100

구동후 파손

나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정나 저항 및 인덕턴스 측정

표 은 제작된 이동자의 선간저항 및 인덕턴스 측정치를 나타낸다 수명시험용 형( 8)

번에 있어서 수명시험 이후의 이동자 저항 및 인덕턴스 값의 변화는 없다

표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정표 선간저항 인덕턴스 측정( 8) ( 8) ( 8) ( 8)

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 38: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 38 -

측정시점 시제품 제작시점 측정조건(1) (2) RLC meter 1kV 1kHz

다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정다 역기전력 측정

표 는 제작된 이동자의 역기전력 상수를 나타낸다( 9)

표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정표 역기전력 상수 측정( 9)( 9)( 9)( 9)

0602-05 0602-06 0603-05

역기전력상수

(Vpkms)600 602 598

측정시점 시제품 제작시점

기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정기계적 사양 측정3333

가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정가 추력상수 측정

추력상수는 모터에 인가되는 전류대비 추력의 비 를 의미하며 추력특성을 나타( ) 比

내는 주요 지표가 된다

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

수명시험 진행중 이동자가 파손되었으므로 수명시험 종료 후의 실험결과는 없다

그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수그림 수명시험 이전의 추력상수( 19)( 19)( 19)( 19)

(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)(Kf=5508NApk)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 39: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 39 -

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 20)( 20)( 20)( 20)

(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)(Kf=524NApk)

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )( 22) (2200 )

(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)(Kf=517NApk)

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수그림 수명시험이전의 추력상수( 22)( 22)( 22)( 22)

Kf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApkKf=538 NApk

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 40: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 40 -

그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수그림 수명시험이후 시간 의 추력상수( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )( 23) (2650 )

Kf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApkKf=552 NApk

나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정나 반복위치정밀도 측정

반복위치 정밀도는 리니어모터의 이송정밀도에 대한 신뢰성의 의미가 있다

규격에 따른 데이터 처리에 의해 그림 의 결과를 얻었다ISO230-2 1997 ( 24~28)

수명시험용 유니트의 스트로크가 최대 인 관계로 사업목표인200mm plusmn05

실험을 해당 유니트에 수행이 불가하다 따라서 스트로크가 인 유300mm 700mm

니트에서의 반복정밀도 실험결과를 추가하였다 그림 의 결과에 따르면 반복정 ( 22)

밀도는 위치정밀도는 로서 목표치를 달성하였다plusmn043 600mm plusmn54 600mm

부하하중 장착 리니어모터(1) 30kg (SDM30P2S1-0603-05)

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

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그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 41: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 41 -

그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과그림 수명시험전 반복능 측정 결과( 24)( 24)( 24)( 24)

부하하중 장착 리니어모터(2) 25kg (SDM30P2S1-0602-05)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 25)( 25)( 25)( 25)

- 42 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

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그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

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- 95 -

Page 42: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200( 26) 2200

부하하중 장착 리니어모터(3) 20kg (SDM30P2S1-0602-06)

그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정그림 수명시험전 반복능 측정( 27)( 27)( 27)( 27)

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그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 43: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 43 -

그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정그림 시간 구동후 반복능 측정( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650( 28) 2650

스트로크 유니트에서의 반복 정밀도 측정(4) 700mm

그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크그림 반복능 측정 스트로크( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)( 29) ( 600mm)

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다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 44: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 44 -

다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정다 위치정밀도 측정

위치정밀도는 기구부의 조립 오차 직진도 오차 등으로 발생하는 위치 에러를 보정

하여 목표수준의 결과를 얻을 수 있다 그림 은 수명시험 이후 이동자의 위 ( 30~31)

치에러를 보정하여 얻어낸 위치정밀도 결과를 나타낸다 목표수준 에 도달했 plusmn50

음을 확인할 수 있다 형번은 수명시험도중에 파손된 관계로 SDM30P2S1-0603-05

수명시험이후의 실험결과는 없다

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -( 30) 2200 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(25kg )(25kg )(25kg )(25kg )

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 45: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 45 -

그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정그림 시간 구동후 위치정밀도 측정 위치편차보정( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -( 31) 2650 -

부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터부하하중 장착모터(20kg )(20kg )(20kg )(20kg )

라 속도측정라 속도측정라 속도측정라 속도측정

그림 는 무부하 상태에서의 속도를 측정한 결과이다 최고속도가 로서( 32) 397

모터 설계치 및 목표속도인 의 속도에 근사하게 근접하였다4

그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프그림 속도 테스트 측정 그래프( 32)( 32)( 32)( 32)

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 46: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 46 -

마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정마 가속도 측정

그림 은 무부하 상태에서의 가속도를 측정한 결과이다 의 가속도에 도달하( 33) 7G

여 사업 목표치를 초과 달성하였다

그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프그림 가속도 측정 그래프( 33)( 33)( 33)( 33)

라 특성측정 장비

저항 인덕턴스 미터 내전압 내전압시험기 (LCR Agilent 4284A) ( Kikusui① ②

TOS-8750)

추력상수 로드셀(③ (CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A)(CAS MNC-200L) Indicator(CAS Cl-5010A) )

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 47: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 47 -

역기전력 오실로스코프( Tektronix TDS3034)④

위치결정정도 반복위치정밀도 레이저간섭계 ( Renishaw ML100)⑤

제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험제 절 환경시험6 6 6 6

리니어모터 이동자 에 대한 환경시험 항목 및 방법은 다음과 같다( )

시료명시료명시료명시료명1111 리니어 모터 이동자 종 (3 SDM30P2S1-0602-1 -2 -3)

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 48: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 48 -

그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플그림 시험 샘플( 34)( 34)( 34)( 34)

시험목적시험목적시험목적시험목적2222 개발 제품의 내환경 신뢰성 평가

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법3333 종 3

시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건시험항목 시험조건4 4 4 4

시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목시 험 항 목 시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건시 험 조 건 시료시료시료시료

저온 시험 시간( - 15 plusmn 2 ) 96 3

고온 시험 시간( + 40 plusmn 2 ) 96 3

고온 고습 시험ㆍ 시간( + 40 plusmn 2 ) ( + 95 plusmn 3 ) R H 96 3

온도 변화 시험 유지시간 분 회 반복( - 15 plusmn 2 ) ( + 40 plusmn 2 ) 20 10 harr 3

서지 시험

IEC61000 - 4 - 5 ( 12 50 )

시험파형 개방회로전압파형 단락회로전류파형 ( ) ~ 820 ( )

시험레벨 및 극성 정극성 및 부극성 2 kV

시험횟수 각 회 인가 5

3

내전압 시험

인가전압 AC 15 kV

인가시간 분 1

허용누설전류 이하 10

인가부위 권선과 프레임 사이

3

충격시험

피크 가속도 30 g

작용 시간 11

시험 횟수 회 축 축 3 xyz 3

3

진동 정현파( )

시험

진동수 10 ~ 55

진폭 075

스위프 1 oct min

시험시간 시간 축 축 2 xyz 3

3

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

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부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

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를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 49: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 49 -

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본저온 시험 일본 HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC ) HIFLEX (ETAC )①①①①

고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본고온 시험 차 일본1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )1 HIFLEX (ETAC )②②②②

고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리고온 시험 차 이테리2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )2 H 250 C (ACS )③③③③

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 50: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 50 -

고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리고온 고습 시험 이테리 H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS ) H 250 C (ACS )④④④④

온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일온도 변화 시험 온도 급변 독일( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )( ) VT 7012 (Hearaus )⑤⑤⑤⑤

정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국정현파 진동 충격 시험 미국( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )( ) SA15-S202 (Unho1tz-Dickie )⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ⑥ ㆍ

서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국서지시험 미국 ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek ) ECAT510A (Key-Tek )⑦⑦⑦⑦

- 51 -

내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 51: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본내전압 시험기 일본 TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui ) TOS9201 (Kikusui )⑧⑧⑧⑧

시험기간시험기간시험기간시험기간6666

저온 시험 2006 02 16 ~ 2006 02 20①

고온 시험 차1 2006 02 20 ~ 2006 02 22②

고온 시험 차2 2006 02 22 ~ 2006 02 23③

고온 고습 시험 2006 02 23 ~ 2006 02 28④ ㆍ

온도 변화 온도급변 시험( ) 2006 03 02 ~ 2006 03 02⑤

서지 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑥

내전압 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑦

진동 시험 2006 02 28 ~ 2006 03 01⑧

충격 시험 2006 02 28 ~ 2006 02 28⑨

시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과시 험 결 과7777

시험 전 후 육안 관찰시 외관상 특이 사항 없음① ㆍ

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 52: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 52 -

시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과시험전 후 전기적 성능측정 결과8888 ㆍㆍㆍㆍ

가 저항 인덕턴스

저항측정 내부 권선 각 선의 조합 3①

측정장비- HIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl MeterHIOKI mOHMl Meter

인덕턴스 시험조건 1 V 1 kHz②

측정장비- Precision Impedance Analyzer(Agilent 4294A)

측정- Probe Agilent 42941A

측정결과 ③

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1 SDM30P2S1-0602-1

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2 SDM30P2S1-0602-2

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

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Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 53: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 53 -

시험품시험품시험품시험품 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3 SDM30P2S1-0602-3

나 내전압시험곁과

시험조건 허용누설전류 이하 15kV(AC) 60sec 10 mA ①

다 환경 시험 Log file

저온 시험①

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

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Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 54: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 54 -

고온 시험 차1②

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

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[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 55: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 55 -

고온 시험 차2③

고온 고습 시험④

- 56 -

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

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- 95 -

Page 56: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

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상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

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그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

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그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

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본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

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부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

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그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

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그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

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를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

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그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

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제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

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나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

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가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

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주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 57: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 57 -

온도변화 온도급변 시험( )⑤

진동 시험⑥

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 58: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 58 -

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

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그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

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제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

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주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

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그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

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표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 59: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 59 -

충격 시험⑥

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

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Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 60: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 60 -

제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험제 절 수명시험 부하 가중 수명시험7 (( )7 (( )7 (( )7 (( )

수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요수명시험 부하 가중 시험 개요1 -1( )1 -1( )1 -1( )1 -1( )

리니어모터의 수명 기계적 열화 전기적 열화 을 파악하기 위하여 부하 가중에 의한( )

가속 수명시험을 진행하였다 수명시험을 위한 구동 유니트는 총 대로서 일반 구3

동용 정격 구동용 과도 정격 구동용으로 각각 대씩 운용하였다 1

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

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Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 61: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 61 -

각각의 유니트는 동일한 구동프로파일로 작동이 되지만 부하하중이 다르다 하중은

각각 이며 그림 은 수명시험 구동 프로파일을 나타내고30kg 25kg 20kg ( 35~36)

있다 가속도 최고속도 휴지시간 초 스트로크 의 구동 조건 2G 16 085 018m

이다

그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도그림 구동프로파일 속도 가속도( 35) ( 35) ( 35) ( 35)

- 62 -

그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

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[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

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- 95 -

Page 62: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간그림 구동프로파일 휴지시간( 36)( 36)( 36)( 36)

동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정동추력 및 발열 측정2222

리니어 모터를 특정 장비에 응용할 경우에는 적용하고자 하는 장비에서의 이송 하

중 구동 프로파일등을 고려하여 적절한 모터용량을 선정하여야 한다 이 경우 구동

프로파일 및 이송하중을 고려한 동추력 계산 곁과를 많이 활용한다 동추력을 구하

는 식은 아래와 같다

WW 하중

WT 테이블의 무게

WM 이동자의 무게

가속도α

감속도d

t α 가속시간

td 감속시간

프로파일 주기T 1

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

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[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 63: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 63 -

상기의 계산실을 적용하여 동추력을 구한 결과는 부하 하중 장착 유니트의20kg

경우 의 경우 의 경우 이다 모터 선정 시에는 선2272N 25kg 2681N 30kg 310N

정한 모터의 정격추력이 동추력보다 커야 한다 상기의 경우 동추력이 정격추력을

초과한 상태로 보여지나 모터 설계시 안전율을 정도 두었기 때문에 사 20 ~ 30

양서 상의 모터의 정격과 실제의 물리적인 정격 사이에는 차이가 존재함을 감안해

야 한다 모터 작동시 코일에 인가되는 전류로 인한 발열이 모터의 성능을 제한하

게 되며 본 모델의 경우 코일 온도 120를 최대 온도로 설정하였다 리니어모터

의 경우 코일의 최대온도는 통상적으로 120 ~ 130이다 이 범위의 온도는 코

일의 절연 파괴온도 및 코일을 함침하고 있는 에폭시 수지의 유리천이온도에 접근

하는 수치이다 무철심형 리니어모터의 경우 모터 내부의 온도와 표면온도의 차이

는 약 20정도 이기 때문에 모터의 표면온도가 100를 초과하지 않도록 해야 한

다 그림 는 각각의 구동유니트 리니어 모터 발열 상태를 열화상 카메라 ( 37 ~ 39)

로 측정한 것이다 표 는 각각의 유니트에 장착된 리니어모터의 추력발생 상태 ( 9)

및 온도를 정리한 것이다 그림 는 각각의 리니어모터에 인가되는 전류를 ( 40~42)

나타내는 그래프이다

표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도표 유니트별 추력 및 온도( 9)( 9)( 9)( 9)

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 64: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 64 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 37) 592( 37) 592( 37) 592( 37) 592 시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동시간 분 구동- 2 30- 2 30- 2 30- 2 30

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 20kg )( 20kg )( 20kg )( 20kg )

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 38) 772( 38) 772( 38) 772( 38) 772 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 4- 4- 4- 4

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 25kg )( 25kg )( 25kg )( 25kg )

- 65 -

그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

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Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

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tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

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- 95 -

Page 65: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도그림 수렴온도( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025( 39) 1025 시간 구동시간 구동시간 구동시간 구동- 17- 17- 17- 17

부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트부하하중 장착 유니트( 30kg )( 30kg )( 30kg )( 30kg )

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg( 40) 20kg

- 66 -

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

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제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

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나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

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가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

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그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

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표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

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나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

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본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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Page 66: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg( 41) 25kg

그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프그림 부하하중 장착유니트 입력전류 그래프( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg( 42) 30kg

연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과연속 가동 시험 결과3333

부하하중(1) 20kg

부하하중을 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동20kg 2650

중이다 월중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 이동자 표면상태 변화는 없(9 )

다 발견되는 문제점은 에폭시 수지로 추측되는 다수의 분진이 발생한다는 것이다

리니어 모터는 반도체나 생산라인의 클린룸에 다수 적용되기 때문에 분진이LCD

발생한다는 것은 문제가 된다 리니어 가이드를 제외하고 리니어 모터는 구동부와

비구동부 사이에 물리적 마찰이 없기 때문에 부품간의 마찰을 분진 발생의 원인으

로 볼 수 없다

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

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[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

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tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 67: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 67 -

본 문제는 이동자 내부에서 에폭시 수지와 이동자 블록간의 마찰이 원인인 것으로

추정된다 에폭시 온도가 80 ~ 120로 올라가는 상태에서 지속적인 외력이 작

용함으로 인해 에폭시 수지의 접착력이 약화되고 에폭시 수지와 이동자 블록간 궤

면분리 현상이 발생되며 그 결과로 에폭시 수지와 알루미늄 블록간에 마찰이 발생

하는 과정을 추정해 볼 수 있다 그림 은 수명시험 구동이 시작된 시점에서 ( 43)

시간이 지난 후에 이동자 표면에 발생한 분진을 촬영한 것이다1500

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )( 43) (1500 )

코일 수명 시험결과에 따르면 코일의 절연열화가 진행될수록 코일의 저항이 떨어

지는 것을 볼 수 있으나 수명시험 진행 이후 리니어모터의 코일 저항은 오히려

상승했다 코일의 온도에 따라 저항이 상승하므로 제작시점에서의 기온과 측정시점

에서의 기온차이가 반영된 것으로 보여진다

장기적으로 상기의 구동시험을 하면서 코일의 저항변화 추이를 체크하고 그 결과

를 코일 단품의 절연열화 시험 결과와 연계하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요 할

것이다 따라서 본 실험은 전기적인 열화보다는 기계적인 부분에서의 문제점이 신

뢰성에 끼치는 영향을 검증하는 실험의 성격이 강하다 리니어모터 시스템의 수명

이 직선 베어링의 마모 및 코일의 절연열화로 인한 수명과 동일하기 위해서는 리니

어모터 내부에서 발생될 수 있는 여러 가지 고장원인들을 제거해야 한다

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

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tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 68: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 68 -

부하하중(2) 25kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 총 운전시간이 시간이며 현재도 작동중25kg 2050

이다 월 중순 현재 모터의 구동에 문제가 없으며 정상구동상태에서 이동자 표면(9 )

의 변화는 없다 발견된 문제점은 분진의 발생과 함께 이동자의 에폭시 수지가 알

루미늄 블록으로부터 궤면 분리된 것이다 분진에 관한 내용은 상기와 동일하며 에

폭시 수지의 궤면분리는 수명시험 시작시점에서 시간 뒤에 발생되었다 보다1600

자세하게는 에폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 일부분이 떨어져나가 틈이 발생

한 것인데 이로 인해 구동중에 이동자 내부에서 에폭시와 알루미늄 블록이 서로

충돌하는 현상이 발생하며 기계적 충돌음이 생긴다 그림 는 분진발생 부분을 ( 44)

촬영한 것이며 그림 는 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이다 그림 와 ( 45) ( 45)

같이 궤면분리가 육안으로 확인되는 부분을 가공하여 공간을 낸 뒤 에폭시를 충진

하여 수명시험을 재개하였다 그림( 46)

그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영그림 분진발생 시간 구동후 촬영( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )( 44) (1500 )

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

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Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 69: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 69 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )( 45) - (1600 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 46)( 46)( 46)( 46)

부하하중(3) 30kg

가 분진발생 및 궤면분리( )

분진 발생의 문제점은 상기와 동일하며 최초 구동후 시간 이후에 이동자의 에 670

폭시 수지가 알루미늄 블록으로부터 궤면 분리 되었다 궤면 분리에 대한 세부 내

용은 상기와 동일하다 그림 은 궤면분리가 발생한 부분을 촬영한 것이며 그 ( 47) (

림 은 에폭시 추가 충진 이후에 촬영한 사진이다48)

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 70: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 70 -

그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시그림 에폭시 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록간간간간 궤면궤면궤면궤면분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후분리 시간 구동후( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )( 47) - (670 )

그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및그림 에폭시 충진 및 몰딩몰딩몰딩몰딩( 48)( 48)( 48)( 48)

나 이동자 파손( )

의 부하를 장착한 리니어모터는 시간 구동후 파손되었다 시간 구동30kg 1100 1000

후 잠시 구동을 정지한 뒤 재구동 후 시간 만에 파손이 된 것이다 열화로 인 100

한 파손보다는 우발고장일 가능성이 높고 코일의 절연이 취약하여 발생한 층간단

락 혹은 드라이버의 오작동으로 인한 과전류 투입 가능성을 검토할 수 있으나 그

가능성이 크지 않다 이 모터의 경우 구동시 코일의 온도가 120이상 상승했을 것

으로 예상이 된다 파손시점은 여름철 밤으로서 열대야 현상이 한창인 시점이고 실

험장소 사내 공장 실험동 의 중앙집중식 공조가 야간에는 중단되었기 때문에 모터( )

의 발열이 평소보다 10정도 상승되었을 것이다 이 경우 에폭시의 유리천이 온도

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 71: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 71 -

를 초과하게 되므로 에폭시가 액상의 특징을 가지며 유연해지게 되는데 이로 인해

급감가속시 에폭시와 코일의 간섭이 생기고 코일의 절연층이 외력을 받아서 파손되

는 과정을 추정 할 수 있다 이러한 고장이 발생되지 않도록 하기 위해서는 유리천

이 온도가 더 높은 에폭시 수지를 적용하거나 이 정도의 발열이 되지 않도록 구동

조건을 제한해야만 한다

그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파그림 이동자 에폭시 수지 파손손손손( 49)( 49)( 49)( 49)

문제파문제파문제파문제파악악악악 및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영및 개선안 반영3333

수명시험 부하 가중 시험 을 통해 파악된 문제점(1) ( )

리니어모터 부하 가중 수명시험시 에폭시 수지 알루미늄 블록간 궤면분리가 진행이-

되고 이 과정에서 분진이 발생되었다 리니어 모터의 구동으로 인한 코일의 발열이

궤면분리과정을 촉진시키는 것으로 여겨진다 현재의 구동프로파일 가속도 속 ( 2G

도 보다 속도를 높이고 정지시간이 초 줄어들게 되면 표면온도는16 ) 02 01

약 20~30가 상승하게 되는데 부하하중이 일 경우 궤면분리는 시간 안 30kg 100

으로 발생하게 된다 현재의 구동프로파일로 구동하고 부하하중이 일 경우 최 30

초 구동시점으로부터 시간 부하하중일 경우 시간 뒤에 궤면분리가670 25 1600

발생되었다

해결방안 모색 및 제품에 대한 반영(2)

전년도에 수행한 무철심형 리니어모터 개발의 경우에서도 이동자에서의 분진 발생

이 관찰되었다 그림 은 구형 모델의 장기구동테스트 이후에 발생한 분진을 보 ( 50)

여준다 이 시기에는 분진발생의 원인을 에폭시와 블록간의 마찰로 추정하지 못 했

- 72 -

그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

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[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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Page 72: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진그림 기존의 이동자에서 발생한 분진( 50)( 50)( 50)( 50)

그림 은 당해연도 과제 수행에 따라 신규로 설계된 이동자의 단면을 도시하고( 51)

있다

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 변경전구조 변경전구조 변경전구조 변경전( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )( 51) ( )

현재의 단면 형태는 에폭시 수지의 접착력이 약화될 경우 알루미늄 블록과 수지간

결합이 취약해지는 구조임을 알 수 있다 그림 는 에폭시와 알루미늄 블록간의 ( 52)

궤면분리가 발생했을 때 취한 조치를 나타낸다 이동자의 일부분을 가공하고 에폭

시 수지를 추가로 몰딩했을 때 그림 과 같은 구조가 일부 형성되게 되었다 ( 52)

- 73 -

그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 73: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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그림그림그림그림 알루알루알루알루미미미미늄 블록늄 블록늄 블록늄 블록과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결과 에폭시 수지의 결합합합합구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후구조 추가 변경후( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )( 52) ( )

그림 과 그림 의 구조가 이동자 블록 내부에서 형성이 되면 에폭시 수지의( 51) ( 52)

접착력과 별도의 구조적인 결합구조가 생기게 되어 접착력 약화를 보완 할 수 있게

된다 그림 은 시제품에 대한 이동자 블록의 수정가공 및 추가적인 에폭시 몰 ( 53)

딩작업이 진행된 이후의 모습을 나타낸다 부하하중이 장착되었던 리니어모터 30kg

가 파손된 후 모터를 유니트에 교체 장착하였다 이 제품은 부하하중을 장착 30kg

하고 현재 시간 구동 진행 중이며 지금까지 분진이 발생되지 않은 것으로 보아450

서 궤면분리가 진행되지 않고 있는 것으로 판단이 되고 추후 계속적인 구동을 통

해 개선사항의 효과를 검증할 예정이다 참고로 부하하중을 장착하여 20kg 2650

시간 구동중인 모델의 경우 개선사항이 적용되지 않은 형번 에는 시간 동안 구( ) 450

동한 후 이동자에서의 분진발생을 육안으로 확인할 수 있었다

그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의그림 설계에 반영한 제품의 최최최최종종종종 완완완완성품성품성품성품( 53)( 53)( 53)( 53)

- 74 -

제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

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나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 74: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험제 절 수명시험 절연권선 가속수명시험8 ( )8 ( )8 ( )8 ( )

수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요수명시험 절연권선 수명시험 개요1 -2( )1 -2( )1 -2( )1 -2( )

리니어모터의 수명 전기적 열화 을 파악하기 위하여 온도 가속에 의한 절연 권선의( )

가속 수명시험을 진행하였다 시험품의 구성은 다음과 같다

시료명시료명시료명시료명2222 리니어모터 절연권선

그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진그림 시험품 사진( 54)( 54)( 54)( 54)

인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건인가온도 및 시험조건3333

시험 조건 환경조건- 160① 각 개 180 200 ( 5 )

시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장시험품목 고장 판판판판정 조건정 조건정 조건정 조건4444

인덕턴스 저항을 측정하여 이상 변경시 고장으로 한다- DC plusmn 10

측정조건- 1 1Vrms

시험장비시험장비시험장비시험장비5555

가 측정 장비

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 75: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 75 -

나 온도 가속 시험장비

시험 사진시험 사진시험 사진시험 사진6666

시험기간시험기간시험기간시험기간7777 2006 7 13 ~ 2006 9 20

시험결과시험결과시험결과시험결과8888

온도 가속 시험 중 각 온도에서의 시험품 특성 열화 측정 결과는 다음과 같다

- 76 -

가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

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제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

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나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

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본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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가 200

표표표표( 10) 200( 10) 200( 10) 200( 10) 200 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 77 -

나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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Page 77: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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나 180

표표표표( 11) 180( 11) 180( 11) 180( 11) 180 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

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다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

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시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

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그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 78: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 78 -

- 79 -

다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

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제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

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나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

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본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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Page 79: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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다 160

표표표표( 12) 160( 12) 160( 12) 160( 12) 160 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과

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시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 80: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 80 -

시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석시험 결과 분석9999

가 신뢰성 평가척도 선정 주된 고장메커니즘은 고정자 권선의 열화에 의한 저항

값 및 인덕턴스값 의 변화에 의한 특성 열화이다 이들 값의 변화가 각각(R) (L)

이상 변화될 때를 고장 기준으로 설정한다10

나 수명 분포 대상 부품의 수명 분포는 절연 열화 고장 형태의 온도에 의한 가속

수명시험을 실시하고 고장 데이터에 의한 그래프적인 고장분포를 해석하여 가장

근사한 누적수명분포함수를 추정한다

다 수명 추정 위에서 구한 누적수명분포함수를 그래프적인 분석에 의하여 실 사

용조건 절연 권선의 정격 부하 온도를( 85로 가정 에서의 신뢰도 구간 추정) 90

을 실시한다

목표 수명( )

리니어모터는 주로 자동화 공정에 사용되며 동작시간이 비교적 많은 제품임을 감

안하여 년 목표 수명을 다음과 같이 설정한다5

일 일 년 년(16h x 365 x 5 ≒ 29200h)

라 시험 온도 리니어모터는 고온 고속 동작에 의한 고정자 권선의 절연 마모에

의한 열화가 주된 고장이며 사용 표준 환경은 일반적인 실내 환경 (25 을 가정하)

고 시험온도는 가속시험온도를 설정하여 160 180 200로 한다 또한 이

조건은 의 전기절연 재료의 내열성 결정 지침 을 참조하여 시IEC 60216-1(2002) ldquo rdquo

험 온도을 선정하였다

마 수명시험 시료 수 시료수는 각 온도 조건에서 개로 설정한다 그러나 비교 5

적 시료의 수가 적으므로 최소 조건에서 이상의 고장 시간까지 시험한다2 80

즉 개의 시험품 중 개 이상이 고장날 때까지 시험한다 5 4

바 전제조건 위 수명시험설계에서는 리니어모터의 주 고장모드를 열에 의한 고정

자 코일부의 열화로 가정한 것이며 실제 제품의 고장모드에서도 코일의 열화에 의

한 저항 및 인덕턴스 감소와 이로 인한 고장현상이 발생한다

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

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그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

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표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 81: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 81 -

주 예비 시험 등을 통하여 리니어모터의 연속가동 중 고장은 기계적인 마모 이동1) (

자 또는 고정자 접촉부 보다는 가동열에 의한 절연물질의 절연 열화파괴 현상이)

있음도 확인할 수 있었다 이와 같은 고장모드은 일반적인 회전형기계 리니어모터 (

포함 의 고장모드가 부하에 의한 지지부 베어링 또는 고정부 의 기계적 마모 와) ldquo ( ) rdquo

권선 절연 열화 의 두 가지 형태로 주로 일어나는 것과 상반된다 이는 리니어모ldquo rdquo

터의 구조적 특성상 구름 베어링에 가해지는 하중이 전체 베어링에 수평적으로 균

일하게 분포하고 회전형 모터에 비하여 낮은 을 갖는 리니어모터의 특성에 기 RPM

인한 것이다

사 시험결과 분석 절연 권선의 가속수명시험 가정과 시험 결과는 다음과 같다

가속수명시험의 가정(1)

가속시험은 빙반적으로 기계적 부하나 온도 습도 전압 등 사용조건 를 (stress)

강화하여 고장시간을 단축시키는 수명시험을 가속수명시험이라고 한다

따라서 만일 정상사용조건을 정상조건에서의 고장시간을n tn 강화된 사용 조건

을 강화된 사용조건에서의 고장시간을S ts라고 하면 스트레스 와 고장시간(stress)

을 그림 와 같은 선형관계를 한다( 55)

그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트그림 고장시간 스트레레레레스 선형관계스 선형관계스 선형관계스 선형관계( 55) VS( 55) VS( 55) VS( 55) VS

- 82 -

그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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Page 82: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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그리고 가속계수 는 각 사용조건에서의 고장시간의 관계를 나(acceleration factor)A

타내는 상수가 되고 tn와 ts간에는 다음 식과 같은 관계가 성립된다

따라서 정상사용조건 과 가속조건 에서의 고장확률밀도함수 누적고장확률 고n S

장률함수 평균수명을 각각 fn(t) Fn(t)λn(t)θnfs(t)Fs(t)λs(t)θs라고 하면 정상사용

조건과 가속조건에서의 이들의 관계는 다음과 같다

가속수명시험 결과(2)

리니어 모터 절연 권선에 대한 가속수명시험은 스트레스 요인을 온도로 가정하여

총 개의 온도 조건3 (160 180 200 에서 각 개의 시료에 대하여 실시하였) 5

다 총 시간에 걸쳐 시간 단위로 특성치를 측정하여 고장 여부를 판단하였 1680 24

으며 최종 고장자료는 아래 표와 같다 온도측정 점은 리니어 모터의 코일의 온도

를 기준 표면 온도 으로 측정하였다( )

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 83: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 83 -

표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간표 고장 시간( 13)( 13)( 13)( 13)

시험결과 160 시험에서는 시간 동안 고장이 하나도 발생하지 않았(433 ) 1680K

다 180 에서는 시간부터 고장이 발생하기 시작하였으며 개의 시(453 ) 1128 5K

료중 개 시료가 고장으로 판명되었다4 200 에서는 고장이 비교적 빨리(473 )K

발생되어 시간 동안 개의 시료가 모두 고장으로 판명되었다 고온 스트레스에480 5

의한 제품의 열화가 가속되고 있음을 알 수 있다

세 온도 조건에서의 분포 추정결과 형상모수 szlig 인 와이블분포를 확인하였=68676

수명 온도 관계는 아레니우스 모델을 적용하였으며 통계분석은 가속수명시험 분석-

툴인 을 이용하였다ALTA PRO 60

단 τ는 대표 수명 T는 절대온도 E는 활성화에너지 k는 볼쯔만상수

(8617x10-5) A는 상수

위 식은 다음과 같이 간략화 될 수 있다

L(V)=C exp(ㆍ

은 특성수명) L 는 임이의 상수 C B η 는 온도 추정V Kelvin

결과 B=14620 C=151X10-11

을 구하였다

- 84 -

그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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Page 84: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석그림 그래프 분석( 56)( 56)( 56)( 56)

위의 그래프를 보면 180 200 에서의 고장 분포가 와이블분포를 잘 따르고 있

음을 알 수 있으며 그래프의 기울기도 평행성을 잘 유지하고 있는 것으로 확인되

었다 이를 근거로 온도 스트레스와 수명의 관계를 나타내면 아래 그림과 같다

- 85 -

그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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Page 85: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트그림 온도 스트레레레레스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계스와 수명의 관계( 57)( 57)( 57)( 57)

각 온도에서의 평균수명 및 B10 수명을 추정하면 다음과 같다 추정량은 신뢰 90

하한값이다

- 86 -

표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 86: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과표 가속 수명 시험 결과( 14)( 14)( 14)( 14)

리니어 모터 절연 권선의 정상사용 조건에서의 코일의 온도는 85로 가정하여 정

상사용 조건의 수명을 추정하면 평균수명은 약 254X106

가 산출된다 이는 실험h

을 통한 결과로서 세 온도조건에서의 수명 차이가 상대적으로 많이 나기 때문에

가속계수가 늘어났기 때문이다

품질특성치의 열화 분석(3)

수명분포 외에 시간에 따른 특성치의 변화량도 제품의 신뢰성을 확인시켜주는 중요

한 정보가 된다 각 온도 및 시간에 따른 특성치 값의 변화량를 분석하면 다 L R

음과 같다

160 180 200 에서의 시간에 따른 개 시료의 의 시간에 따른 변화를5 L R

보면 다음과 같다

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 87: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 87 -

그림 의 평그림 의 평그림 의 평그림 의 평균균균균치 변화치 변화치 변화치 변화( 57) L( 57) L( 57) L( 57) L RRRR (160(160(160(160 ))))

그림에서 알 수 있듯이 수명시험 시간이 증가함에 따라 특성치가 서서히 감소하고

있음을 알 수 있다

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180( 58) L (180 ))))

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 88: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 88 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 59)( 59)( 59)( 59) RRRR (180(180(180(180 ))))

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200( 60) L (200 ))))

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 89: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 89 -

그림그림그림그림 값값값값의 시간에의 시간에의 시간에의 시간에 따른따른따른따른 변화변화변화변화( 61)( 61)( 61)( 61) RRRR (200(200(200(200 ))))

가속시험 결과(4)

가속 온도 조건에서의 및 값의 변화는 비가역적으로 나타난다- R L

가속 온도 조건에서의 고장은- 180 및 200 고장 분석 결과 가속성이DATA

있으며 분포 추정결과 형상모수 β 인 와이블분포를 따른다=68676

리니어모터 절연권선의 수명은- B10 수명 신뢰하한 으로 계산 시(90 ) 254times106

의 매우 높은 수명을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h

즉 온도에 따른 비가역적 열화 고장은 이동자 권선보다는 권선 주위의 에폭시-

몰딩에서 먼저 일어나며 에폭시 몰딩의 내열성을 증가 시키는 구조적 개선이 우선

필요함

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

- 92 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 90: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 90 -

제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적제 절 계획대비 추진실적9999

수행 실적수행 실적수행 실적수행 실적1 1 1 1

주관기관 및 위탁기관의 사업추진 실정을 정리하면 다음과 같다

가 성능 수준 변화

표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준표 지원 전 후 성능수준( 15) ( 15) ( 15) ( 15)

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

200

200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

- 95 -

Page 91: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

- 91 -

나 추진 계획 대비 실적

표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적표 추진 계획 대비 실적( 16)( 16)( 16)( 16)

수행

주체추진 계획 수행 실적 비고()

주관

기관

고장자료 수집- Field 고장자료 수집- Field 100

시제품 제작 회- (1 ) 시제품 제작- (3set) 100

자체 성능평가 회- (1 ) 자체 성능평가 회- ( 1 ) 100

신뢰성평가 결과 검토- 신뢰성평가 결과 검토- 100

설계에 반영- Feedback 설계 반영 건- (3 ) -

필요시( )

수명시험 건- set (1 ) 100

위탁

기관

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정-

내환경시험o

고온시험 건- (1 )

저온시험 건- (1 )

열충격시험 건- (1 )

내진동시험 건- (1 )

충격시험 건- (1 )

절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge)(1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

수명시험 건- (1 )

고자원인분석o

제품설계반영 필요시- ( )

생산제품 특성 확인o

전기적성능측정 건- (1 )

내환경시험o

고온시험 건- (2 )

저온시험 건- (2 )

열충격시험 건- (2 )

내진동시험 건- (2 )

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절연내압시험 건- (1 )

전자파내성 건- (Surge) (1 )

수명시험o

수명시험설계 건- (1 )

절연권선 수명시험 건- (1 )

수명시험o

제품설계반영 건- (3 )

100

200

200

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200

100

100

100

100

추가

공동

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

- 93 -

본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

- 94 -

참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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Page 92: 고속 고정밀 리니어모터의ㆍㆍㆍㆍ 상품화를 위한 신뢰성평가 지원 ( … · 가 고장원인 분석과 설계 반영으로 개발기간 단축. Feedback 나

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 사업은 차년도 사업에 의해 개선 보완된 리니어모터의 최종 상품화단계에서 1

신뢰성 있는 제품을 설계하고 생산하기 위한 신뢰성시험의 지원을 목적으로 하였

따라서 본 연구에서는 전년도에 수립한 리니어모터 시험방법을 바탕으로 리니어모

터 상품화 모델에 대한 신뢰성 시험 및 개선방안 적용을 진행하였다 불량 및 고장

발생 소지가 많은 이동자 시제품 을 제작하여 환경시험 및 구동테스트를 진행(14EA)

하였고 고정자의 생산비용 절감 및 품질 향상 방안을 적용한 고정자 시제품에 대

한 내진동 테스트가 추가되었다 또한 고온 상태에서 장기 구동시에 가장 빨리 파

손될 것으로 예상되는 코일의 절연열화 시험을 진행하여 요소부품으로서의 코일 수

명을 파악하였다 주요 설과는 다음과 같다

내 환경시험 고온시험 등 종의 내 환경시험을 통하여 사용 환경에서의 차 적- 7 1

인 내환경성을 확인할 수 있었다

리니어모터 셋의 부하 가중시험 이동자 몰딩 에폭시 의 고온 파괴 현상 고장- ( )

모드 확인 및 설계 개선

리니어모터 절연 권선 가속수명시험 온도에 따른 가속시험을 통하여 절연 권선-

의 온도에 따른 비가역적인 절연열화수명(254x106

이 제품의 목표수명h) (29200

기간보다 충분히 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었다h)

현재 양산 단계의 리니어모터는 많은 시험 및 설계 개선을 통하여 제품의 목표-

수명인 를 달성 가능함을 알 수 있었다29200 h

본 사업을 진행하면서 리니어모터에 대한 신뢰성시험를 통해 상품화 모델의 내환

경성을 체크하고 코일 절연열화 시험을 통해 코일 단품에 대한 수명을 예측할 수

있었다 또한 리니어모터 이동자의 불량률을 대폭 낮출 수 있는 제품 구조를 고안

하였고 장기구동 테스트를 통해 발견된 문제 등을 피드백 하여 상품화 모델의 설

계보완을 진행하였다

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본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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본 사업을 통해 리니어모터의 신뢰성 증대 효과를 얻을 수 있었다 이 제품을 상용

화하여 신규사업 아이템 창출 및 매출증대에 기여하고 국내 자동화 설비의 요소

부품을 신뢰성 있는 제품으로 국산화하여 관련사업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로

기대가 된다

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌[ ][ ][ ][ ]

[1] P Van Den Braembussche J Swevers H Van Brussel and P Vanherck

Accurate Tracking Control of Linear Synchronous Motor Machine Tool Axes

Mechatronics Vol 6 No 5 pp 507-521 1996

[2] Syed A Nasar Linear Electric Motors Theory Design and Practical

Applications Prentice-Hall Inc 1987

[3] Ha KS Im TB Chung JK and Yang JM High Speed Position

Control System with Linear Brushless DC Motor Proc of ICEE Vol 2 pp

259~262 1999

[4] Choi C Tsao TC and Matsubara A Control of Linear Motor Machine

tool Feed Drivers for End Milling - Robust MIM0 Approach Proc of ACC

Vol 5 pp 3723~3727 1999

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