直線運動システムは、精密レーザー切断システム、ラボオートメーション機器、半導体製造機械、CNC 機械、ファクトリーオートメーションなど、数え切れないほどの機械の内部に使用されています。これらは、乗用車の安価なシートアクチュエータのような比較的単純なものから、閉ループ位置決めのための制御および駆動電子機器を備えた複雑な多軸座標システムまで多岐にわたります。線形運動システムがどれほど単純であるか複雑であるかに関係なく、最も基本的なレベルでは、すべてに 1 つの共通点があります。それは、特定の時間内に直線距離を通って荷重を移動するということです。

直線運動システムを設計する際に最もよくある質問の 1 つは、モーター技術に関するものです。テクノロジーを選択したら、安全な最大動作温度を維持しながら、負荷の加速、システム内の摩擦の克服、重力の影響の克服の要求を満たすモーターのサイズを設定する必要があります。モーターのトルク、速度、出力、および位置決め機能は、モーターの設計と駆動および制御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すか?

特定のモーター技術を使用してリニアモーションシステムを設計する際には、アプリケーション上で考慮すべき多くの質問があります。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。その目的は、モーターのサプライヤーと話すときに適切な質問をすることについて考えてもらうことです。

すべてのアプリケーションに最適なモーターというものはなく、特定のアプリケーションに最適なモーターが存在します。インクリメンタル モーション アプリケーションの大部分では、ステッピング 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を選択します。最も複雑なモーション システムでは、負荷に直接接続されたリニア モーターを使用することができ、機械的な電力変換の必要性を回避できます。親ねじ/ボールねじ、ギアボックス、またはプーリー システムを介して移動する必要はありません。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大の精度、再現性、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あり、ほとんどの直線運動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「回転から線形への」変換手段 (およびその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 モーターとみなされます。ただし、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 1 つのタイプを優先する原因となる微妙な点が存在します。この選択は、速度とトルクだけでなく、位置決め精度、再現性、分解能の要件など、システムの設計要件に大きく依存することを強調しなければなりません。すべての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 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、その他の電気モーターなど、同じ物理原理、つまり磁場の相互作用に基づいて動作してトルクを生成します。ただし、これらのさまざまなモーター技術が特定の用途でどのように応答するかには、大きな違いがあります。全体的なモーターの性能、応答、およびトルクの生成は、物理的なモーター設計に固有の界磁励起の方法と磁気回路の形状、コントローラー/ドライブによる入力電圧と電流の制御、および速度または位置フィードバックの方法に依存します。アプリケーションには必要です。

DC ステッパー、ブラシ サーボ、およびブラシレス サーボ モーター テクノロジーはすべて、電力を供給するために DC 電源を使用します。直線運動アプリケーションの場合、これは固定 DC 電源をモーター巻線に直接適用できることを意味するものではありません。巻線電流 ​​(出力トルクに関連) と巻線電圧 (出力速度に関連) を制御するには電子機器が必要です。以下に 3 つのテクノロジーの長所と短所をまとめます。

リニア システムの設計は、負荷の質量と、その質量が点 A から点 B まで移動するのに必要な速度から始まります。モーターのタイプ、サイズ、機械設計は、負荷を移動するのに必要な電力 (ワット) から始まります。負荷から始めて、最終的にはすべてのコンポーネントを介して駆動電源まで遡る解析は、間にある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別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。ドライブへの電圧と電流の形でのワットは、最終的には特定の時間内に特定の負荷を移動させる機械的な出力ワットに変換されます。

負荷で必要な出力電力の指標を得るには、単純な電力計算がモーターのおおよその計算に役立ちます。必要な平均出力電力を理解したら、モーターに戻って作業し、さまざまな電力変換要素を介して駆動することで、電力要件の分析を完了します。さまざまなコンポーネントの効率を考慮するには、メーカーのデータを参照する必要があります。これにより最終的にモーターと電源のサイズが決定されます。どの単位を使用するかは個人の好みですが、SI 単位を強くお勧めします。 SI 単位で作業すると、複数の変換定数を覚える必要がなくなり、最終結果はいつでも英国単位に変換し直すことができます。

必要な時間内に荷物を移動するにはどのくらいの電力が必要ですか?

9 kg の質量を重力に逆らって持ち上げるには、約 88 N の力が必要になります。負荷を移動するために必要なワット数を計算すると、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開始点が得られます。これは、9kg の質量を 1 秒間に点 A から点 B まで垂直に移動させるのに必要な平均力です。摩擦などのシステム損失は含まれません。必要なモーター シャフトの出力は多少高くなりますが、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異なります。

P = (F × S) / t

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

これは、システムに必要なピーク電力とは異なります。加速と減速を考慮すると、移動プロファイル中の瞬間的なパワーは若干高くなります。ただし、負荷で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が作業を完了するには約 37 ワットのピーク電力が必要になります。この情報と他のさまざまなアプリケーション仕様は、最適なモーター技術の選択に役立ちます。

どのようなモーター技術を検討すればよいでしょうか?

優れた位置決め機能と比較的シンプルな制御により、設計者はまずステッピング モーターの使用の可能性を検討することになります。ただし、ステッピング モーターは、負荷の要求を満たしながら、機械的設置面積を小さくするという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それに伴う電力要件は、最大のステッピング モーターを除くすべてのステッピング モーターの能力を超えています。

ブラシ付き DC サーボ モーターは、負荷要件を満たし、機械的設置面積が小さく、低速でも非常にスムーズに回転します。ただし、EMC 要件が厳しいため、この特定の用途ではブラシ モーターの使用を避けることがおそらく最善です。これはブラシレス システムに比べて安価な代替手段となりますが、厳しい EMC 要件に合格することが困難になる可能性があります。

正弦波駆動システムを使用するブラシレス DC モーターは、負荷と動作プロファイル (高電力密度) を含むすべてのアプリケーション要件を満たす最初の選択肢となります。低速でも歯車のない滑らかな動き。機械的設置面積も小さいです。この場合、駆動電子回路の高周波スイッチングによる EMI サインの可能性が依然として存在します。ただし、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とこれを軽減できます。ブラシ付き DC モーターは、より広帯域の EMI の特徴を示すため、フィルタリングがより困難になります。

モーターのサイジングは始まりにすぎません

この記事は、比較的単純な直線運動アプリケーション用のモーター技術を選択する際のさまざまな考慮事項を設計者に紹介するための簡単な説明です。 XY テーブルや多軸の精密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係数を選択する方法です。システムの寿命はモーターのサイズだけでなく、ギアボックスや送りねじアセンブリなどのシステム内の他の機械要素にも影響します。位置決め精度、分解能、再現性、最大ロール、ピッチ、ヨーなどのその他の要素はすべて、リニア モーション システムがアプリケーションの目標を満たしているかそれを超えていることを確認するために重要な考慮事項です。