リニアモーター：原理、特性、アプリケーション

I.リニアモーターの原理

リニアモーターは、中間的な変換機構を介さずに、電気エネルギーを直線的な機械的運動に直接変換する装置である。放射状に切断され、平面に展開された回転モーターと考えることができる。

リニアモーターまたはリニアアクチュエーターとしても知られ、最も一般的なタイプはフラットベッド型、Uチャンネル型、チューブラー型である。典型的なコイル構成は3相で、ホール効果センサーによってブラシレスの位相切り替えが行われる。

リニアモーターは、同じ原理で動作する回転モーターを単純に展開したものと説明されることが多い。フォーサー（ローター）は、コイルをエポキシ材で圧縮して作られ、マグネットトラックは、スチールに貼り付けられたマグネット（通常は高エネルギーの希土類マグネット）で構成されている。

モーターのフォーサーには、コイル巻線、ホール効果センサー回路基板、サーマルレギュレーター（温度を監視する温度センサー）、電子インターフェースが含まれる。回転モーターでは、フォーサーとステーターには、フォーサーを支え、可動部のエアギャップを維持するための回転ベアリングが必要です。同様に、リニアモーターには リニアガイド マグネットトラックが作り出す磁場の中でフォーサーの位置を維持する。

位置をフィードバックするために回転サーボモーターのシャフトに取り付けられたエンコーダのように、リニアモーターは負荷の位置を直接測定するためにリニアエンコーダを必要とし、それによって負荷の位置決め精度を向上させる。

リニアモーターの制御は回転モーターと似ている。ブラシレス回転モーターと同様に、フォーサーとステーターは機械的に接続されていない（ブラシレス）。

フォーサが回転し、ステータが固定されたままの回転モーターとは異なり、リニアモーターシステムでは、マグネットトラックかスラストコイルのどちらかが動くことができる（ほとんどの位置決めシステムは、固定されたマグネットトラックと動くスラストコイルを持っている）。スラストコイルが動くモーターでは、スラストコイルと負荷の重量は非常に小さい。

しかし、そのためには柔軟性の高いケーブルとその管理システムが必要になる。マグネットトラックが動くモーターでは、荷重だけでなくマグネットトラックの重量も負担しなければならないため、ケーブル管理システムが不要になる。

リニアモーターでも回転モーターでも、同じような電気機械の原理が使われている。回転モーターでトルクを発生させるのと同じ電磁力が、リニアモーターでは直線推力を発生させる。

したがって、リニアモーターは回転モーターと同じ制御およびプログラマブル構成を使用します。リニアモータの形状は、アプリケーションの特定の要件や作業環境に応じて、フラットベッド型、Uチャンネル型、またはチューブ型があります。

リニアモータの動作原理は、可動子（可動部）が磁界内を移動する磁気浮上式リニアモータと、可動子が磁界内で静止したまま電磁力で推進する電磁推力式リニアモータの2種類に大別される。

(1) 磁気浮上式リニアモーター

磁気浮上式リニアモータの原理は、磁界を利用して可動子を空中に浮遊させることにより、非接触で摩擦のない運動を実現するものである。このタイプのリニアモーターには、主に永久磁石同期リニアモーター（PMSLM）と電磁サスペンションリニアモーター（EMSLM）があります。

PMSLMは、永久磁石から発生する磁場と固定子の磁場との相互作用を利用して可動子を吊り下げる。PMSLMの主な利点は、シンプルな構造、低コスト、安定した動作です。

しかし、永久磁石の存在により磁場強度が制限されるため、推力と速度が相対的に低下する。

EMSLMは、電磁界によって発生する磁気浮上力を利用して可動子を吊り下げる。EMSLMの主な利点は、磁場強度が高く、比較的大きな推力と速度が得られることである。しかし、EMSLMは構造が複雑でコストが高い。

(2) 電磁スラストリニアモータ

電磁スラストリニアモータは、磁界内で可動子を動かすために電磁力を使用して動作する。このカテゴリには主に交流リニアモータ（ACLM）と直流リニアモータ（DCLM）が含まれる。

ACLMは、交流電流によって発生する電磁力を動力源として可動子を動かす。ACLMの主な利点は、シンプル、低コスト、安定動作である。しかし、交流の特性上、推力や速度に限界がある。

DCLMは、直流電流によって発生する電磁力を利用して可動子を動かす。DCLMの主な利点は推力と速度が高いことだが、構造が複雑で導入コストが高い。

II.リニアモーターの特性

実用的で手頃な価格のリニアモータが利用できるようになる前は、すべての直線運動は、ボールねじ、ローラねじ、ベルト、またはプーリを使用して回転機械から変換する必要がありました。多くの用途、特に重負荷や垂直駆動シャフトを伴う用途では、これらの方法が今でも最適です。

しかし、リニアモーターには、超高速および超低速、高加速度、事実上ゼロメンテナンス（接触部品なし）、高精度、バックラッシュなしなど、機械式システムにはない多くの独自の利点があります。

ギア、カップリング、プーリを使用せず、モータのみでリニアモーションを完成させることは、多くのアプリケーションにとって理にかなっており、性能を低下させ、機械的寿命を縮める不要な部品を排除することができます。

1) シンプルな構造。

チューブラーリニアモーターは、中間変換機構を使用せずに直接リニアモーションを生成するため、構造が大幅に簡素化され、モーション慣性が低減され、動的応答と位置決め精度が大幅に向上します。また、信頼性を高め、コストを削減し、製造とメンテナンスを簡素化します。その一次側と二次側は直接機構の一部となることができ、これらの利点をさらに示すユニークな組み合わせです。

2) 高速直線運動に適している。

遠心力による制約がないため、通常の素材であれば高速化が可能。さらに、一次側と二次側のギャップを保つためにエアクッションや磁気クッションを使用すれば、運動中に機械的な接触がないため、摩擦や騒音が発生しない。つまり、伝動部品の摩耗がなく、機械的なロスを大幅に減らすことができ、ケーブル、スチールロープ、ギア、プーリーなどによる騒音が発生しないため、全体的な効率が向上する。

3) 一次巻線の高い利用率。

チューブラー型リニア誘導モーターでは、一次巻線はパンケーキ状で端巻線がないため、巻線の利用率が高い。

4) 横方向のエッジ効果はない。

横方向の効果とは、横方向の切れ目によって境界で磁界が弱まることを指す。円筒形リニアモーターには横方向の断線がないため、磁界は円周方向に均等に分布する。

5) 一方的な磁気吸引を容易に克服できる。

ラジアル方向の吸引力は互いに相殺され、片側磁気吸引の問題は事実上解消される。

6）調整と制御が容易。

電圧や周波数を調整したり、副材料を変えたりすることで、低速往復運動に適した、異なる速度や電磁スラストを得ることができる。

7) 強い適応力。

リニアモータの一次コアはエポキシ樹脂で封止することができ、耐腐食性、耐湿性に優れ、多湿、粉塵、有害ガス環境での使用に適している。さらに、さまざまなニーズに合わせてさまざまな構造に設計することができる。

8) 高加速度。

これは、他のスクリューと比較した場合のリニアモータードライブの大きな利点である、 シンクロナスベルトおよびギヤラックドライブ。

III.リニアモーターの応用

効率、精度、高速性で知られるリニアモーターは、さまざまな分野で幅広く活用されている。

1. 交通

輸送分野では、リニアモーターは主に高速鉄道、地下鉄、エレベーターに採用されている。たとえば、ドイツの磁気浮上式鉄道では、磁気浮上式リニアモータが使用され、高速化と騒音レベルの低減が実現されている。

さらに、リニアモーターを電気自動車の駆動システムに組み込んで、その性能を高めることもできる。

2. 工業生産

工業生産において、リニアモーターは主に次のような用途に使用されています。 CNCマシン ツールやロボット。例えば CNC工作機械 はリニアモーターで駆動するため、加工精度が高く、応答時間が速い。

さらに、リニアモーターは自動化された生産ラインのベルトコンベアやハンドリングロボットに応用することができ、生産性を高めることができる。

3. 医療分野

医療分野では、リニアモーターは主にCTスキャナーやMRI装置などの医療用画像診断装置に応用されている。これらの装置では、X線や磁場の走査範囲や速度を正確に制御する必要があり、リニアモーターは高精度と速度制御を実現し、診断の精度と効率を高めます。

4. 科学的研究

科学研究の分野では、リニアモーターは粒子加速器や天体望遠鏡で顕著に使用されている。例えば、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の加速器リングにはリニアモーターが採用されており、より高い加速能力と安定した運転性能を実現している。

さらに、リニアモーターは天体望遠鏡の自動焦点システムにも使用でき、観測の精度と効率を向上させる。