한국전기연구원, 희토류 저감 전동기 신기술 개발
정밀성은 높이고 제조비용은 획기적으로
낮춘 리니어모터 출현!
한국전기연구원 연구팀이 작년 말, ‘자속역전 선형전동기’에 이어 최근에 ‘희토류 영구자석 저감형 고정밀 위치제어용 전동기 기술(이중돌극형 영구자석 선형전동기)’을 개발하는데 성공했다. 이 기술은 기존 영구자석 선형전동기(리니어 모터)를 대체해 정밀위치제어가 가능하면서도 훨씬 저렴한 비용으로 제작이 가능하기 때문에 벌써부터 로봇 및 자동화 산업 관련 업계의 관심이 주목되고 있다. 새로운 형태의 선형전동기를 본지에서 만나보도록 하자.
KERI의 新선형전동기, 영구자석 사용량 40% 감소로 제조비용 감소
지난해 한국전기연구원(KERI) 정시욱 박사팀은 ‘자속역전 선형전동기’를 개발했다. 이 선형전동기는 소량의 영구자석이 이동자에 부착될 뿐, 고정자에는 영구자석이 없는 형태로 구성할 수 있기 때문에 기존 선형전동기보다 영구자석의 사용량을 획기적으로 절감할 수 있는 장점이 있다.
그러나 큰 추진력이 요구되는 가·감속 운전의 경우에는 상대적으로 불리해 이러한 단점을 보완할 수 있는 기술이 필요했다. 이에 연구팀은 최근에 영구자석 사용량을 절감하면서 고정밀의 위치제어가 가능한 ‘희토류 영구자석 저감형 고정밀 위치제어용 전동기 기술(이중돌극형 영구자석 선형전동기)’을 개발했다. 동 기술은 로봇, 정밀위치제어 응용시스템, 직접구동 장거리 반송시스템, 자동화 장비, 반도체/디스플레이 제조 장비의 이송용 구동기, 공작기계, 검사장비의 이송계 등 다방면에 걸쳐 활용될 수 있어 그 기대가 크다.
이중돌극형 영구자석 선형전동기는 고정자에 영구자석을 N-S-N-S 형태로 배치하지 않고, N-철심-N-철심 형태로 배치함으로써 영구자석의 전체 개수를 절반으로 줄였다. 그리고 N-철심에 의한 고정자의 불평형을 이동자 구조를 변경함으로써 평형을 맞춰 기존 영구자석 선형전동기와 동등 수준의 성능을 구현했다. 이동자에 의한 기술은 특허로 등록되어 있다.
정시욱 박사는 “선형전동기의 가격은 영구자석이 부착된 고정자가 차지하는 비중이 절대적이고, 그중에서도 영구자석 가격이 가장 큰 부분을 차지하므로 영구자석의 양을 40% 정도 줄이면 사용하는 영구자석 비용도 40% 줄일 수 있을 것”이라며, “이를 통해 선형전동기의 가격을 대폭 줄일 수 있을 것으로 보인다”고 말했다. 또한 그는 기존 영구자석 선형전동기는 단부효과로 인해 추력의 맥동이 크지만, 개발된 기술은 단부효과를 효과적으로 줄여 추력과 수직력의 맥동을 최소화하고 소음과 진동을 줄이면서 정밀한 위치 제어가 가능하다고 덧붙였다.
이번 KERI가 개발한 이 기술은 전 세계적으로 시도된 적이 없는 새로운 형태로, 국내외 독자기술 특허를 보유하고 있다. 또한 회전형 전동기(Rotational Motor)로 구현할 경우 다극의 전동기로 구현이 용이하여 저속 직접 구동이 가능하다.
희토류의 급격한 가격 상승으로 위기를 맞은 선형전동기 
2010년 9월 7일, 무력이 아닌 자원이 영토분쟁과 관련한 외교전의 승패를 가른 초유의 일이 발생했다. 당시 동중국해 일부 섬들을 둘러싼 중국과 일본 간의 영유권 분쟁으로 중·일간 긴장감이 높아지고 있었던 상황이었던 것. 일본이 중국 선원을 구금시키자 중국은 일본에 대한 희토류(稀土類) 수출금지라는 경제적 조치로 압박을 가했다. 이에 일본은 체포했던 중국 선원을 곧장 석방했다. 희토류의 자원 무기화를 선포한 대표적 사건이었다.
중국의 희토류 매장량은 전 세계의 57.7%에 달하며, 공급량의 63%, 생산량의 97%를 차지하고 있다. 이렇듯 희토류 비축량, 생산규모, 수출량에서 압도적으로 세계 1위를 기록하고 있는 중국이 희토류를 전략 물자로 관리하며 2011년부터는 수출 쿼터를 2006년에 비해 절감 가량 수준으로 감축하고 있는 실정이기 때문에 최근 희토류 원소는 급격한 가격 상승을 맞았다. 이로 인해 영구자석 선형전동기의 가격경쟁력이 더욱 악화되는 상황이다. 따라서 기존 선형전동기와 동등 수준의 성능을 구현하면서 가격경쟁력을 높일 수 있는 이중돌극형 영구자석 선형전동기는 앞으로 이러한 문제점을 해결해줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.
한국전기연구원 www.keri.re.kr
