リニアモーターは急速に普及しています。これらは機械に絶対的に最高の精度とダイナミックなパフォーマンスをもたらします。

リニア モーターは位置決めを非常に迅速かつ正確に行うことができますが、マシン ヘッドやスライド、工具や部品処理システムに対して低速で一定の移動速度を実現することもできます。リニア モーターは非常に信頼性が高く、メンテナンスがほとんど必要なく、生産サイクルが向上するため、レーザー手術、視力検査、ボトルや手荷物の取り扱いなど、さまざまな用途にリニア モーターが使用されています。

より高いスピードと力

リニア モーターは負荷に直接結合されているため、機械的カップリング、プーリー、タイミング ベルト、ボールねじ、チェーン ドライブ、ラック アンド ピニオンなど、多数の結合コンポーネントが不要になります。これにより、コストが削減され、バックラッシュも削減されます。リニア モーターは、一貫した動作、数億サイクルにわたる正確な位置決め、および高速化も可能にします。

リニア モーターで達成できる一般的な速度は次のように異なります。ピック アンド プレース機械 (短い移動が多い) および検査装置での使用リニアステッパー速度は60インチ/秒まで。フライング シアー アプリケーションや、長距離移動を行うピック アンド プレース マシンを使用します。コグフリーブラシレス速度200インチ/秒までのリニアモーター。ジェット コースター、車両発射装置、および人員移動装置はリニアを使用します交流誘導モーターは 2,000 インチ/秒の速度に達します。

どのリニア モーター テクノロジーが最適であるかを決定するもう 1 つの要素は、アプリケーションの負荷を移動するために必要な力です。この力は、負荷または質量とアプリケーションの加速度プロファイルによって最終的に決まります。

各アプリケーションには異なる課題があります。ただし、一般に部品搬送システムでは、220 N または 50 ポンドまでの力を持つリニア ステッパーが使用されます。半導体、レーザー切断、ウォータージェット切断、ロボット工学では、2,500 Nまで歯車のないブラシレスモーターを使用します。コンベア システムは 2,200 N までリニア AC 誘導モーターを使用します。トランスファー ラインと工作機械では、14,000 N までの鉄心ブラシレス モーターが使用されます。アプリケーションはそれぞれ異なるため、通常、メーカーのアプリケーション エンジニアがこの仕様ステップで支援を提供することに留意してください。

速度と力以外の要因も存在します。たとえば、コンベア システムでは、移動距離が長く、永久磁石を使用しない受動二次側を持つ利点があるため、リニア AC 誘導モーターが使用されます。レーザー眼科手術や半導体製造などのアプリケーションでは、正確さとスムーズな移動のために歯車のないブラシレスが使用されています。

基本操作

リニア モーターは、2 つの電磁力の相互作用によって動作します。これは、回転モーターでトルクを生成するのと同じ基本的な相互作用です。

回転モーターを切断して平らにすることを想像してください。これにより、リニア モーターの形状の大まかなアイデアが得られます。負荷を回転シャフトに結合してトルクを得るのではなく、負荷を平らに動く車両に接続して直線運動と力を発生させます。つまり、トルクは回転モーターが提供する仕事の表現であり、力はリニアモーターの仕事の表現です。

正確さ

まず従来のロータリー ステッパー システムを考えてみましょう。1 インチあたり 5 回転のピッチでボールネジに接続されている場合、精度は約 0.004 ～ 0.008 インチ (0.1 ～ 0.2 mm) です。サーボモーターを動力源とする回転システムの精度は 0.001 ～ 0.0001 インチです。

対照的に、負荷に直接結合されたリニア モーターの精度は 0.0007 ～ 0.000008 インチの範囲になります。これらの数値にはカップリングとボールねじのバックラッシュが含まれていないため、回転システムの精度がさらに低下することに注意してください。

相対精度はさまざまです。ここで詳しく説明する典型的な回転ステッパーは、人間の髪の毛の直径内まで正確に位置決めできます。とはいえ、サーボはこれを最大 80 倍改善し、リニア モーターはこれをさらに改善でき、人間の髪の毛の直径の 500 分の 1 まで小さくすることができます。

場合によっては、精度よりもメンテナンスとコスト (機器の耐用年数全体にわたる) の方が重要な考慮事項となります。リニア モーターはここでも優れています。リニア モーターを使用すると、非接触部品により機械の動作が向上し、平均故障間隔が増加するため、一般にメンテナンス コストが削減されます。さらに、リニアモーターのバックラッシがゼロなので衝撃がなくなり、機械の寿命がさらに長くなります。その他の利点: メンテナンス サイクルの間隔が長くなり、より多くの運用フローが可能になります。メンテナンスや人員の関与が減れば、収益、つまり利益が向上し、機器の耐用年数にわたる所有コストが削減されます。

メリットの比較

アプリケーションでは直線運動が必要です。回転モーターを使用する場合は、回転を直線運動に変換する機械的な変換機構が必要です。ここで、設計者は制限を最小限に抑えながら、アプリケーションに最も適した変換メカニズムを選択します。

• リニアモーターとベルトおよびプーリー:回転モーターから直線運動を得るには、ベルトとプーリーを使用するのが一般的な方法です。通常、スラスト力はベルトの張力によって制限されます。急速な始動と停止はベルトの伸びを引き起こし、共振を引き起こし、整定時間が長くなる可能性があります。機械的なワインドアップ、バックラッシュ、ベルトの伸びも再現性、精度、機械のスループットを低下させます。サーボ モーションでは速度と再現性が命であるため、これは最良の選択ではありません。ベルトプ​​ーリー設計が 3 m/秒に達する場合、リニアは 10 m/秒に達します。バックラッシュやワインドアップのないダイレクトドライブ リニア モーターにより、再現性と精度がさらに向上します。
• リニアモーターとラックアンドピニオンの比較:ラックアンドピニオンは、ベルトアンドプーリー設計よりも高い推力と機械的剛性を提供します。ただし、時間の経過とともに双方向に摩耗すると、再現性に疑問が生じたり、不正確になったりします。これがこのメカニズムの大きな欠点です。バックラッシュにより、モーターのフィードバックによる実際の負荷位置の検出が妨げられ、不安定性が生じ、ゲインが低下し、全体的なパフォーマンスが低下することになります。対照的に、リニアモーターを搭載した機械は高速で、より正確に位置決めされます。
• リニアモーターとボールねじ:回転運動を直線運動に変換する最も一般的な方法は、リードねじまたはボールねじを使用することです。これらは安価ですが効率が低く、送りねじは通常 50% 以下、ボールねじは約 90% です。摩擦が大きいと熱が発生し、長期間の摩耗により精度が低下します。移動距離は機械的に制限されています。さらに、線形速度制限はピッチを増加することによってのみ拡張できますが、これにより位置分解能が低下します。また、回転速度が高すぎるとネジが回転し、振動が発生する可能性があります。リニア モーターは長く無制限の移動を可能にします。負荷にエンコーダを使用した場合、長期精度は通常 ±5 µm/300 mm です。

基本的なリニアモーターの種類

さまざまな回転モーター技術があるように、ステッパー、ブラシレス、リニア AC 誘導など、リニア モーターの種類もいくつかあります。リニア テクノロジーでは、業界で一般的に入手可能なドライブ (アンプ) とポジショナー (モーション コントローラー) およびフィードバック デバイス (ホール センサーやエンコーダーなど) が利用されることに注意してください。

多くの設計はカスタム リニア モーターの恩恵を受けますが、通常はストック設計が適しています。

ブラシレス鉄心リニアモーター磁束を導く可動フォーサーの鋼板積層が特徴です。このタイプのモーターは定格力が高く、効率も優れていますが、重量は同等のサイズの歯のないモーターに比べて 3 ～ 5 倍大きくなります。固定プラテンは、ニッケル冷間圧延鋼板に多極交互極性の永久磁石を貼り付けたものです。しかし、可動フォーサー上の鋼板の積層は固定プラテン上の磁石と反応し、「吸引力」を発生させ、モーターがある磁場から別の磁場に移動する際に少量のコギングやリップルを示し、その結果速度変動が生じます。

これらのモーターは、大きなピーク力を発生し、より大きな熱質量と長い熱時定数を備えているため、トランスファー ラインや工作機械など、非常に重い負荷を移動させる高力で断続的なデューティ サイクルのアプリケーションに適しています。それらは無制限に移動できるように設計されており、軌道が重なり合う複数の可動プラテンを含む場合があります。

ブラシレスコグフリーモーター可動フォーサー内にスチール積層板のないコイルアセンブリを備えています。コイルはワイヤ、エポキシ、および非磁性の支持構造で構成されています。このユニットは重量がはるかに軽いです。基本設計では生成される力が少ないため、追加の磁石が固定トラックに挿入され (力を高めるのに役立ちます)、トラックは U 字型になり、この U の両側に磁石が配置されます。フォーサーは U 字の中央に挿入されます。 。

これらのモーターは、スキャン装置や検査装置など、磁気コギングのないスムーズな動作が必要な用途に適しています。より高い加速度は、半導体のピック アンド プレース、チップの選別、はんだや接着剤の塗布に役立ちます。これらのモーターは無制限に移動できるように設計されています。

リニアステッパー長い間利用可能でした。可動フォーサは、歯が正確に形成された積層鋼鉄心、単一の永久磁石、および積層鉄心に挿入されたコイルで構成されています。 (コイルが 2 つあると 2 相ステッパーになることに注意してください。) このアセンブリはアルミニウムのハウジングに封入されています。

固定プラテンは、研磨されニッケルメッキされた鋼棒に光化学的にエッチングされた歯で構成されています。これは、長さ無制限に端から端まで積み重ねることができます。モーターにはフォーサー、ベアリング、プラテンが付属しています。磁石からの吸引力はベアリングの予圧として使用されます。また、さまざまな用途に合わせてユニットを逆さまの位置で操作することもできます。

AC誘導モーター鋼の積層と相巻線で構成されるコイルアセンブリであるフォーサーで構成されます。巻線は単相または三相のいずれかです。これにより、直接オンライン制御、またはインバータまたはベクトルドライブを介した制御が可能になります。固定プラテン (リアクション プレートと呼ばれる) は、通常、冷間圧延鋼板上に接着されたアルミニウムまたは銅の薄層で構成されています。

フォーサー コイルに通電すると、リアクション プレートと相互作用して動きます。高速性と無制限の移動距離がこの設計の強みです。これらは、マテリアルハンドリング、人員移動装置、コンベア、スライドゲートに使用されます。

新しいデザインコンセプト

最新の設計改善の一部は、リエンジニアリングによって実装されました。たとえば、一部のリニア ステッピング モーター (当初は 1 つの平面内で動作を提供するように設計されていました) は、現在では 2 つの平面内での動作、つまり XY 動作を提供するように再設計されています。ここで、移動フォーサーは 90° で直角に取り付けられた 2 つのリニア ステッパーで構成され、1 つは X 軸の動きを提供し、もう 1 つは Y 軸の動きを提供します。軌道が重なる複数のフォーサーも可能です。

これらの 2 プレーン モーターでは、固定プラットフォーム (またはプラテン) に強度を高めるための新しい複合構造が採用されています。剛性も向上し、たわみは従来品に比べて60～80％減少しました。プラテンの平面度は 300 mm あたり 14 ミクロンを超えており、正確な動きを実現します。最後に: ステッパーには自然な吸引力があるため、このコンセプトによりプラテンを上向きまたは反転して取り付けることができるため、アプリケーションに多用途性と柔軟性が提供されます。

もう 1 つの技術革新である水冷により、リニア AC 誘導モーターの動力能力が 25% 拡張されます。この機能の拡張と無制限の移動長さの利点により、AC 誘導モーターは、遊園地乗り物、荷物の取り扱い、人の移動など、多くの用途で最高のパフォーマンスを提供します。現在業界で入手可能な速度調整可能なドライブにより、速度は可変 (6 ～ 2,000 インチ/秒) です。

さらに別のモータは、運動を提供する線形可動部分を備えた固定円筒形ハウジングを備えている。可動部品は、銅被覆鋼からなるロッド、可動コイル、またはシリンダー内のピストンのような可動磁石です。

これらの設計は、リニア モーターの利点に加えて、リニア アクチュエーターと同様の性能を提供します。アプリケーションには、生物医学結腸内視鏡検査、ロングシャッターアクチュエータを備えたカメラ、振動減衰が必要な望遠鏡、リソグラフィー集束モーター、発電機をオンラインにするためにブレーカーを投入する発電機スイッチギア、トルティーヤを打ち抜くときなどの食品プレスなどが含まれます。

完全なリニア モーター パッケージまたはステージは、ペイロードの位置決めに適しています。これらは、モーター、フィードバックエンコーダー、リミットスイッチ、およびケーブルキャリアで構成されます。ステージを積み重ねて多軸移動が可能です。

リニアステージの利点の 1 つは、その薄型であるため、従来のポジショナと比較して狭いスペースに収まることができることです。コンポーネントが少ないため、信頼性が向上します。ここで、モーターは通常のドライブに接続されています。閉ループ操作では、位置ループはモーション コントローラーで閉じられます。

繰り返しになりますが、在庫製品以外にも、カスタムおよび特殊なデザインが豊富にあります。最終的には、アプリケーション エンジニアと一緒に機器のニーズを検討し、アプリケーションのニーズに適した最適な線形製品を決定することが最善です。