線形モーションシステムは、精密レーザー切断システム、実験室の自動化機器、半導体製造機、CNCマシン、工場自動化など、リストするには多すぎるなど、無数のマシン内にあります。それらは、乗用車の安価なシートアクチュエーターなど、比較的単純なものから、閉ループの位置付け用のコントロールおよび駆動電子機器を備えた複雑な多軸座標系にまで及びます。最も基本的なレベルでの線形モーションシステムがどんなに単純であろうと複雑であっても、それらはすべて共通点が1つあります。特定の時間で線形距離を介して負荷を移動することです。

線形モーションシステムを設計する際の最も一般的な質問の1つは、モーターテクノロジーに集中しています。テクノロジーが選択されると、負荷加速の要求、システムの摩擦の克服、重力の影響を克服するために、すべての安全な最大動作温度を維持しながら、モーターをサイズにする必要があります。モーターのトルク、速度、電力、および位置決め能力は、ドライブとコントロールと相まって、モーター設計の関数です。

どんなモーターから始めるべきですか？

特定のモーターテクノロジーを使用して線形モーションシステムを設計する際に考慮すべきアプリケーションの質問がたくさんあります。プロセス全体の徹底的な説明は、この記事の範囲を超えています。意図は、モーターサプライヤーと話すときに正しい質問をすることを考えさせることです。

すべてのアプリケーションに最適なモーターのようなものはありませんが、特定のアプリケーションに最適なモーターです。増分モーションアプリケーションの大部分では、選択はステッパーモーター、ブラシDCモーター、またはブラシレスDCモーターのいずれかです。最も複雑なモーションシステムは、機械的なパワー変換の必要性を回避し、負荷に直接結合した線形モーターを使用する場合があります。リードネジ/ボールネジ、ギアボックス、またはプーリーシステムを介して翻訳する必要はありません。 Corelless Direct-drive Linear Servoシステムでは、最大精度、再現性、および位置決め解像度を実現できますが、回転モーターと比較すると、最もコストと複雑さが最も高くなります。ロータリーモーターを使用するアーキテクチャははるかに安価であり、線形モーションアプリケーションの大部分を満たします。ただし、負荷を駆動するには、「回転から線形から線形へ」変換（およびその結果、電力変換）のいくつかの手段が必要です。

ステッピング、ブラシ、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。ただし、特定のアプリケーションでエンジニアが他の2つに1つのタイプを支持する微妙さが存在します。この選択は、速度とトルクだけでなく、ポジショニングの精度、再現性、解像度の要件の観点からも、システムの設計要件に大きく依存していることを強調する必要があります。すべてのアプリケーションに最適なモーターはありません。すべての決定には、設計のトレードオフが必要になります。最も基本的なレベルでは、すべてのモーターは、ACまたはDC、ブラシ、ブラシレス、またはその他の電気モーターと呼ばれ、同じ物理学の原理の下で動作してトルクを生成します。磁場の相互作用です。ただし、これらのさまざまなモーターテクノロジーが特定のアプリケーションで対応する方法には、劇的な違いがあります。全体的なモーターパフォーマンス、応答、およびトルクの生成は、物理運動設計に固有のフィールド励起と磁気回路のジオメトリの方法、コントローラー/ドライブによる入力電圧と電流の制御、およびアプリケーションが必要な場合の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、ブラシサーボ、ブラシレスサーボモーターテクノロジーはすべて、それらを動かすためにDC電源を使用します。線形モーションアプリケーションの場合、これはDCの固定源をモーター巻線に直接適用できることを意味しません。巻線（出力トルクに関連）と巻線電圧（出力速度に関連）を制御するには、電子機器が必要です。以下にリストされているのは、3つのテクノロジーの長所と短所の概要です。

線形システムの設計は、負荷質量で始まり、質量がポイントAからポイントBまで横断する必要がある速度で始まります。モータータイプ、サイズ、および機械的設計は、負荷を動かすのに必要なパワー（ワット）から始まります。負荷から始めて、最終的にすべてのコンポーネントを介してドライブ電源に戻ると、分析は、間のコンポーネントのさまざまな効率を考慮しながら、システムのある部分から他の部分への電力変換を理解するための一連のステップです。電圧とドライブへの電流の形のワットは、最終的に特定の時間で特定の負荷を移動する機械的出力ワットに変換されます。

負荷で必要な出力電力の兆候を得るために、単純な電力計算はモーターの球場に役立ちます。必要な平均出力電力を理解した後、モーターに戻り、さまざまな電力変換要素を駆動することにより、電力要件の分析を完了します。製造業者のデータは、さまざまなコンポーネントの効率を考慮して参照する必要があります。これにより、最終的にモーターのサイズと電源が決定されるためです。どのユニットと協力するかについては個人的な好みですが、SIユニットを強くお勧めします。 SIユニットで作業することで、複数の変換定数を覚える必要性が回避され、最終結果はいつでも英語ユニットに変換できます。

必要な時間に負荷を移動するのにどれくらいの電力が必要ですか？

重力に対して持ち上げられた9 kgの質量には、約88nの力が必要です。負荷を移動するために必要なワットを計算すると、システムの残りの部分のコンポーネントを決定するための出発点が提供されます。これは、1秒でポイントAからポイントBに垂直に9kgの質量を移動す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。必要なモーターシャフトの出力はやや高くなり、ギアボックスやリードネジなどのシステムで使用される他のコンポーネントに依存します。

p =（f×s） / t

p =（88n×0.2m） / 1.0s = 17.64w

これは、システムから必要とされるピーク電力とは異なります。加速度と減速が考慮されると、移動プロファイル中の瞬間的なパワーはやや高くなります。ただし、負荷で必要な平均出力は約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後、このようなシステムには、ジョブを達成するために約37Wのピーク電力が必要になります。この情報は、他のさまざまなアプリケーション仕様とともに、最も適切なモーターテクノロジーを選択するのに役立ちます。

どのモーターテクノロジーを考慮する必要がありますか？

優れたポジショニング機能と比較的単純なコントロールにより、設計者は最初にステッパーモーターを使用する可能性を検討するようになります。ただし、ステッピングモーターは、負荷の要求を満たしている間、小さな機械的フットプリントの要件を満たしていません。 37ワットのピーク電力要件には、非常に大きなステッパーモーターが必要です。 Stepper Motorsは低速で非常に高いトルクを持っていますが、移動プロファイルのピーク速度と電力要件は、最大のステッパーモーター以外のすべての機能を超えています。

ブラシDCサーボモーターは、負荷要件、小さな機械的フットプリントを満たし、低速で非常に滑らかな回転を行います。ただし、厳密なEMC要件により、この特定のアプリケーションのブラシモーターを避けることがおそらく最善です。これは、ブラシレスシステムと比較してより安価な代替手段になりますが、厳しいEMC要件に合格するのが難しい場合があります。

sinosoidal駆動システムを使用したブラシレスDCモーターは、負荷とモーションプロファイル（高出力密度）を含むすべてのアプリケーション要件を満たすための最初の選択です。低速での滑らかでシットフリーモーション。そして小さな機械的フットプリント。この場合、ドライブエレクトロニクスの高周波スイッチングにより、EMIシグネチャの可能性がまだあります。ただし、これは、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して軽減できます。ブラシDCモーターは、より広いバンドEMIシグネチャーを示し、フィルタリングをより困難にします。

モーターサイジングはほんの始まりに過ぎません

この記事は、比較的単純な線形モーションアプリケーションのためにモーターテクノロジーを選択する際に、さまざまな考慮事項を設計者に紹介する簡単な議論でした。原理は、XYテーブルや多軸精度のピックアンドプレイスメカニズムなどのより複雑なシステムで同一ですが、各軸は独立して負荷を分析する必要があります。この記事の範囲外のもう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因子を選択する方法です。システムの寿命は、モーターサイズの単なる機能だけでなく、ギアボックスやリードスクリューアセンブリなどのシステム内の他の機械的要素でもあります。位置決めの精度、解像度、再現性、最大ロール、ピッチ、ヨーなどのその他の要因はすべて、線形モーションシステムがアプリケーションの目標を満たすか、それを超えることを保証するための重要な考慮事項です。