モーションシステム設計の典型的な構成

直線運動は多くの可動機械において中心的な役割を果たしており、リニアモーターのダイレクトドライブ方式は、これらの用途における機械全体の設計を簡素化できる。また、リニアモーター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る。

これらのモーター（およびそれらに必要な周辺部品）を統合するのは難しそう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、機械やロボットの開発者は、余計な労力や複雑さを伴うことなく、リニアモーターのメリットを享受できます。

1. モーターの種類を判定する：鉄心型か鉄心レス型か

最初のステップは、入手可能なタイプの中からリニアモーターを選択することです。

鉄心モータ：鉄心モータは最も一般的で、一般的な自動化用途に適しています。鉄心とは、鉄芯積層板で構成されたモータ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コイル（または駆動部）からなります。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引力を生み出します。

この磁気引力は、直線運動ベアリングに予圧をかけることで、直線誘導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、磁気予圧は、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耐荷重能力を高めることで適切に支える必要がある。これは、機械の機械設計の自由度を低下させる可能性がある。

2つ目の鉄心リニアモータ構成は、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、磁気引力の影響を打ち消し、断面積あたりの最大力を実現します。バランス設計によりベアリングへの負荷が軽減され、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されます。

Motionsystemdesign Com モーター ドライブ 0111 利点鉄心なしモーター: 鉄心なしリニアモーターも存在します。これらのモーターはコイルに鉄を使用していないため、モーターの部品間に引力は発生しません。

最も一般的な鉄心レス型モーターはUチャンネル型です。2つの磁気トラックが結合されてチャンネルを形成し、そのチャンネル内でモーターコイル（または強制コイル）が移動します。このモーターは、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。鉄心レス構造のため、吸引力とコギングがゼロとなり、トルクリップルが最小限に抑えられます。また、コイルが比較的軽量であるため、加速性能が向上します。

もう一つの鉄心レス構成は円筒形である。磁石はステンレス鋼管の中に積み重ねられ、モーターコイルは円筒の周囲を移動する。この構成は、ボールねじの代替として適しており、ほぼ同じサイズでより高速かつ高精度な位置決めを実現できる。

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のコイルは、負荷、目標動作プロファイル、デューティサイクル、精度、精密度、耐用年数、動作環境といった用途要件に合わせて選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、多くの場合無料の選定ソフトウェアを活用して、特定の用途に最適なモーターの種類とサイズを選定しましょう。

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的の移動距離を実現できます。マグネットの全長は事実上無制限です。設計を簡素化し、コストを削減するためには、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. エンコーダーを決定する

リニアモータシステムの設計における2番目のステップは、リニアエンコーダの選定です。最も一般的なのは、光学式または磁気式の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。用途に必要な分解能と精度を備え、かつ機械環境に適したエンコーダを選定してください。

エンコーダからのフィードバック信号は、通常、正弦波アナログ信号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。別の選択肢として、高速シリアルエンコーダフィードバックがあります。これは、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、および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。

アンプとエンコーダ間の直接通信は、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ことで可能です。

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け取り、アナログ信号を分割し、この信号データをシリアルでサーボアンプに送信します。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検証に使用されます。

現在、複数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独自のプロトコルを含む、さまざまなシリアル通信プロトコルをサポートする絶対リニアエンコーダを提供している。

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に選定する必要があります。

プラグアンドプレイ機能は、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、起動時間の短縮と適切な設定の確保の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は、自動モーター認識機能とチューニング不要モードを備えており、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ーの仕様（過負荷特性を含む）がモーター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、モーター仕様の入力時のユーザーエラーが解消され、モーターの暴走や位相ずれのリスクがほぼ完全に排除されます。

4. 支持部材とベアリングを選択する

リニアモーターシステムの設計を完了させるには、最後の2つの設計ステップが密接に関連しています。4番目のステップはリニアモーションベアリングシステムを選定することであり、5番目のステップは支持部材を設計することです。

ほとんどのリニアモータアセンブリには、2つの重要な位置合わせ基準があります。1つはコイルとマグネットトラック間のモータ・マグネットギャップ距離、もう1つは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する場合には不要になります。

ヒント：

直線運動用ベアリングは、ギャップ許容値を満たすのに十分な精度を備えている必要があり、支持部材は、部品を適切に配置し、直線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る。

これらの基準を満たした後、ベアリングと支持部材の選定および設計は、最終的には機械の性能要件によって決まります。高い精度と精密さが求められる用途では、高分解能かつ高精度のエンコーダに加え、高精度のリニアベアリングが必要となります。

これらのベアリングのサイズを決定する際には、ペイロードと鉄心リニアモーターに伴う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マグネットトラックの支持部材は、機械フレームと一体化することができます。