リニアモーションシステムは、精密レーザー切断システム、実験室自動化装置、半導体製造装置、CNC工作機械、工場自動化装置など、数え切れないほど多くの機械に搭載されています。乗用車の安価なシートアクチュエータのような比較的シンプルなものから、閉ループ位置決めのための制御・駆動回路を備えた複雑な多軸座標系まで、多岐にわたります。リニアモーションシステムがどれほどシンプルでも複雑でも、最も基本的なレベルでは、すべてに共通する点が1つあります。それは、特定の時間内に荷重を直線距離だけ移動させることです。

リニアモーションシステムの設計において最もよくある質問の一つは、モーター技術に関するものです。技術を選択したら、安全な最高動作温度を維持しながら、負荷の加速、システム内の摩擦、そして重力の影響といった要求を満たすモーターのサイズを決定する必要があります。モーターのトルク、速度、出力、そして位置決め能力は、モーターの設計、駆動装置、そして制御システムの機能によって決まります。

どのモーターから始めるべきでしょうか?

特定のモーター技術を用いたリニアモーションシステムを設計する際には、考慮すべきアプリケーション上の疑問が数多くあります。この記事では、プロセス全体を網羅的に解説することはできません。この記事の目的は、モーターサプライヤーと交渉する際に適切な質問をするためのヒントを提供することです。

あらゆる用途に最適なモーターというものはなく、特定の用途に最適なモーターというものは存在します。インクリメンタルモーションアプリケーションのほとんどでは、ステッピングモーター、ブラシ付き DC モーター、ブラシレス DC モーターのいずれかを選択します。最も複雑なモーションシステムでは、機械的な動力変換を回避し、負荷に直接結合されたリニアモーターを使用することがあります。つまり、リードスクリュー/ボールスクリュー、ギアボックス、またはプーリーシステムを介した変換は不要です。コアレスダイレクトドライブリニアサーボシステムでは、最高の精度、再現性、および位置決め分解能を実現できますが、回転モーターと比較すると、コストと複雑さが最も高くなります。回転モーターを使用するアーキテクチャははるかに安価で、ほとんどのリニアモーションアプリケーションに対応します。ただし、負荷を駆動するには、何らかの「回転から直線への」変換（および結果として電力変換）が必要です。

ステッピングモーター、ブラシモーター、ブラシレスモーターはすべてDCモーターと見なされますが、特定のアプリケーションにおいて、エンジニアが他の2つのタイプよりもどちらかを優先させる微妙な違いが存在します。この選択は、速度やトルクだけでなく、位置決め精度、再現性、分解能といったシステムの設計要件に大きく依存することを強調しておく必要があります。あらゆるアプリケーションに最適なモーターは存在せず、すべての決定には設計上のトレードオフが伴います。最も基本的なレベルでは、ACモーター、DCモーター、ブラシモーター、ブラシレスモーター、あるいはその他の電気モーターなど、あらゆるモーターは、トルクを生成するための同じ物理原理、すなわち磁場の相互作用に基づいて動作します。しかし、これらの様々なモーター技術が特定のアプリケーションでどのように反応するかには大きな違いがあります。モーターの全体的な性能、応答、そしてトルク生成は、物理的なモーター設計に固有の界磁励起方法と磁気回路形状、コントローラー/ドライブによる入力電圧と電流の制御、そしてアプリケーションで必要な場合は速度または位置フィードバックの方法に依存します。

DCステッピングモーター、ブラシサーボモーター、ブラシレスサーボモーターの技術はいずれも、電力供給にDC電源を使用します。直線運動アプリケーションでは、固定のDC電源をモーター巻線に直接印加できるわけではありません。巻線電流（出力トルクに関連）と巻線電圧（出力速度に関連）を制御するための電子機器が必要です。以下は、3つの技術の長所と短所をまとめたものです。

リニアシステムの設計は、負荷の質量と、その質量がA地点からB地点まで移動するために必要な速度から始まります。モーターの種類、サイズ、機械設計は、負荷を動かすために必要な電力（ワット）から始まります。負荷から始まり、最終的にはすべてのコンポーネントを辿って駆動電源まで遡り、解析は一連のステップで構成されます。システムのある部分から別の部分への電力変換を理解し、その間にあるコンポーネントの様々な効率を考慮する必要があります。駆動装置に供給される電圧と電流の形でのワットは、最終的に、特定の時間内に特定の負荷を動かす機械出力ワットに変換されます。

負荷に必要な出力電力の目安を得るには、簡単な電力計算でモーターの大まかな値を把握できます。必要な平均出力電力を把握したら、モーターと駆動回路にまで遡って、様々な電力変換要素を通し、電力要件の分析を完了します。各部品の効率は最終的にモーターと電源のサイズを決定するため、メーカーのデータを参照する必要があります。どの単位を使用するかは個人の好みですが、SI単位系を強くお勧めします。SI単位系を使用することで、複数の変換定数を覚える必要がなくなり、最終結果をいつでも英国単位系に換算できます。

必要な時間内に荷物を移動するにはどれだけの電力が必要ですか?

9kgの質量を重力に逆らって持ち上げるには、約88Nの力が必要です。この荷重を動かすために必要なワット数を計算することで、システムの残りのコンポーネントを決定するための出発点が得られます。これは、9kgの質量を1秒間でA地点からB地点まで垂直に移動させるのに必要な平均電力です。摩擦などのシステム損失は含まれていません。必要なモーター軸出力は、ギアボックスやリードスクリューなど、システムで使用される他のコンポーネントによって多少高くなります。

P = (F × S) / t

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

これは、システムに要求されるピーク電力とは異なります。加速と減速を考慮すると、動作プロファイル中の瞬間電力は多少高くなりますが、負荷に必要な平均出力電力は約18ワットです。すべてのコンポーネントを徹底的に分析した結果、このようなシステムでは、動作を完了するために約37ワットのピーク電力が必要であることがわかります。この情報とその他の様々なアプリケーション仕様を考慮することで、最適なモーター技術を選定するのに役立ちます。

どのようなモーター技術を検討すべきでしょうか?

優れた位置決め能力と比較的シンプルな制御性から、設計者はまずステッピングモーターの使用を検討します。しかし、ステッピングモーターは、負荷要件を満たしながら機械的な設置面積を小さくするという要件を満たすことができません。37ワットのピーク電力要件を満たすには、非常に大きなステッピングモーターが必要になります。ステッピングモーターは低速では非常に高いトルクを発揮しますが、動作プロファイルのピーク速度、ひいては電力要件は、最大級のステッピングモーターを除くほとんどのステッピングモーターの能力を超えてしまいます。

ブラシ付きDCサーボモーターは、負荷要件を満たし、機械的な占有面積が小さく、低速では非常に滑らかな回転を実現します。しかし、厳しいEMC要件を満たすため、この特定のアプリケーションではブラシ付きモーターの使用は避けた方が良いでしょう。ブラシレスシステムと比較するとコストは低くなりますが、厳しいEMC要件を満たすのは困難かもしれません。

正弦波駆動システムを採用したブラシレスDCモーターは、負荷および動作プロファイル（高電力密度）、低速時のスムーズでコグフリーな動作、そして小さな機械占有面積など、すべてのアプリケーション要件を満たす第一の選択肢となります。この場合、駆動回路の高周波スイッチングにより、EMIシグネチャが発生する可能性がありますが、周波数帯域が狭いため、インラインフィルタリングを使用することで軽減できます。ブラシ付きDCモーターはEMIシグネチャの帯域が広く、フィルタリングがより困難になります。

モーターのサイズ決定はほんの始まりに過ぎない

この記事は、比較的単純な直線運動アプリケーション向けのモータ技術を選択する際に設計者が考慮すべき様々な事項を簡単に紹介するものでした。XYテーブルや多軸高精度ピックアンドプレース機構などのより複雑なシステムでも原理は同じですが、各軸の負荷を個別に分析する必要があります。この記事の範囲外となるもう1つの考慮事項は、システムの望ましい寿命（サイクル数）を満たすために適切な安全係数を選択する方法です。システム寿命はモータのサイズだけでなく、ギアボックスやリードスクリューアセンブリなど、システム内の他の機械要素にも左右されます。位置決め精度、分解能、再現性、最大ロール、ピッチ、ヨーなどの他の要素も、直線運動システムがアプリケーションの目標を満たすか、それを上回ることを保証するために重要な考慮事項です。