モーションシステム設計の典型的な構成

直線運動は多くの移動機械の中心的な要素であり、リニアモータのダイレクトドライブ特性は、これらの用途における機械全体の設計を簡素化します。また、リニアモータは負荷に直接固定されるため、剛性が向上するという利点もあります。

これらのモーター（および必要な周辺部品）を統合するのは困難に思えるかもしれませんが、そのプロセスは5つの簡単なステップに分解できます。このステップバイステップのプロセスに従うことで、機械やロボットメーカーは、余分な労力や複雑さを伴わずに、リニアモーターのメリットを享受できます。

1. モーターの種類を決定する: 鉄心型か鉄心なし型か

最初のステップは、利用可能なタイプからリニアモーターを選択することです。

鉄心モーター：鉄心モーターは最も一般的で、一般的な自動化用途に適しています。鉄心とは、鉄心積層板で構成されるこのモーターのコイル構造を指します。典型的な構成は、片面固定磁石トラックと可動モーターコイルまたはフォーサーで構成されます。鉄心は発生する推力を最大化し、コイルと磁石の間に磁気吸引力を生み出します。

この磁気吸引力は、リニアモーションベアリングにプリロードをかけることで、リニアガイドシステムの剛性を効果的に高めるために利用できます。また、磁気プリロードは減速と整定を改善することで、システムの周波数応答を向上させることもできます。

一方、吸引力は支持部材やリニアベアリングの負荷容量の増加によって適切に支持される必要があり、機械の機械設計の自由度が低下する可能性があります。

もう一つの鉄心型リニアモーター構成は、可動コイルの両側に配置された一対の固定磁石トラックで構成されています。この特許取得済みの構造は、磁気吸引力の影響を打ち消しながら、断面積当たりの最大の力を実現します。バランスの取れた設計によりベアリング負荷が軽減され、より小型のリニアモーションベアリングの使用が可能になり、ベアリングノイズも低減します。

Motionsystemdesign Com モーター ドライブ 0111 利点鉄なしモーター:鉄なしリニアモーターも存在します。これらのモーターにはコイルに鉄がないため、モーターメンバー間に引力はありません。

最も一般的なコアレスタイプはUチャンネルです。2本の磁気トラックが接合され、モータコイル（またはフォーサー）が移動するチャンネルを形成します。このモータは、低速度リップルと高加速度が求められる用途に最適です。コアレス構造によるゼロ吸引力とゼロコギング特性により、トルクリップルが最小限に抑えられ、コイルが比較的軽量であるため、加速性能が向上します。

2つ目のコアレス構成は円筒形です。磁石はステンレス鋼管内に積層されており、モーターコイルは円筒の周囲を回転します。この構成は、ほぼ同じ動作範囲ではるかに高い速度と位置決め精度を実現するため、ボールねじの置き換えに適しています。

コイルのサイズとトラックの長さ

構成に関わらず、すべてのリニアモーターコイルは、適用荷重、ターゲット動作プロファイル、デューティサイクル、精度、精密度、耐用年数、動作環境といったアプリケーション要件に合わせてサイズを決定する必要があります。ヒント：リニアモーターメーカーの技術サポートやサイジングソフトウェア（多くの場合無料）を活用して、特定のアプリケーションに最適なモーターの種類とサイズを選択してください。

マグネットトラックセクションは複数の長さで提供されており、端から端まで積み重ねることで目標の移動距離を実現できます。マグネットの総長さは事実上無制限です。設計を簡素化し、コストを削減するには、メーカーから入手可能な最長のマグネットトラックセクションを使用するのが最適です。

2. エンコーダーを決める

リニアモーターシステムを設計する際の2番目のステップは、リニアエンコーダの選択です。最も一般的なのは、光学式または磁気式読み取りヘッドセンサーを備えたインクリメンタルリニアエンコーダです。アプリケーションに必要な分解能と精度を備え、機械環境に適したエンコーダを選択してください。

エンコーダからのフィードバックは通常、正弦波アナログまたはデジタルパルス列を介してサーボアンプに送り返されます。もう一つの選択肢として、高速シリアルエンコーダフィードバックがあります。こちらは、より高いデータレート、より高いビット分解能、優れたノイズ耐性、より長いケーブル長、そして包括的なアラーム情報を提供します。

シリアル通信は 2 つの方法で接続します。

アンプと互換性のあるシリアル エンコーダ プロトコルを備えたエンコーダを使用すると、アンプとエンコーダ間の直接通信が可能になります。

エンコーダにシリアル出力がない場合（またはシリアル出力プロトコルがアンプと互換性がない場合）、シリアルコンバータモジュールを使用できます。この場合、モジュールはエンコーダからのアナログ信号とホールセンサ信号を受信し、アナログ信号を分割して、信号データをサーボアンプにシリアル送信します。ホールセンサデータは、電源投入時およびエンコーダのフィードバックの検証に使用されます。

現在、いくつかのリニア エンコーダ メーカーが、サードパーティのアンプ メーカーの独自プロトコルを含む、さまざまなシリアル通信プロトコルをサポートするアブソリュート リニア エンコーダを提供しています。

3. アンプを選ぶ

設計プロセスの3番目のステップは、サーボアンプの選定です。アンプはモーターに合わせて適切なサイズを選択する必要があります。

プラグアンドプレイは、サーボモーターとアンプの両方を製造しているサプライヤーのみが提供できる機能です。一部のサプライヤーは、起動時間を短縮し、適切な設定を保証するためにプラグアンドプレイ機能を提供しています。

一部のサーボアンプには、自動モータ認識機能とチューニングレスモードが搭載されており、サーボシステムのチューニングが不要になります。このソフトウェアを使用すると、電源投入時にモータの仕様（過負荷特性を含む）がモータからサーボアンプに自動的にアップロードされます。これにより、モータ仕様の入力時に発生する可能性のあるユーザーエラーが排除され、モータの暴走や位相誤差のリスクが実質的に排除されます。

4.支持部材とベアリングの選択

最後の 2 つの設計ステップは連携して行われ、リニア モーター システムの設計が完了します。4 番目のステップでは直線運動ベアリング システムを選択し、5 番目のステップでは支持部材を設計します。

ほとんどのリニアモーターアセンブリには、2つの重要なアライメントがあります。コイルと磁石トラック間のモーター・磁石間ギャップ距離と、エンコーダ読み取りヘッドとリニアスケール間のギャップ距離です。後者の基準は、密閉型リニアエンコーダを選択した場合には不要になります。

ヒント:

リニアモーションベアリングはギャップ許容値を満たすのに十分な精度を提供する必要があり、サポートメンバーはコンポーネントの間隔を適切に確保し、リニアベアリングとエンコーダの平行度要件を満たすように設計する必要があります。

これらの基準を満たした後、ベアリングと支持部材の選択と設計は、最終的には機械の性能要件に依存します。高精度と精密さが求められるアプリケーションには、高分解能・高精度のエンコーダと、高精度リニアベアリングが必要です。

これらのベアリングのサイズを決定する際には、鉄心リニアモーターのペイロードと磁気吸引力を考慮する必要があります。多くの場合、リニアベアリングと磁気トラックの支持部材は機械フレームと一体化されています。