利用可能なさまざまなリニア モーターと、アプリケーションに最適なタイプを選択する方法をご覧ください。
ここではリニアモータの種類について、その動作原理、永久磁石の開発の歴史、リニアモータの設計方法、各種類のリニアモータが使われている産業分野などを概説します。
リニア モーター テクノロジーには、リニア誘導モーター (LIM) または永久磁石リニア同期モーター (PMLSM) があります。PMLSM は鉄心または鉄なしの場合があります。すべてのモーターはフラットまたはチューブラー構成でご利用いただけます。Hiwin は 20 年間、リニア モーターの設計と製造の最前線に立ってきました。
リニアモーターのメリット
リニア モーターは、直線運動を提供するために使用されます。つまり、指定された加速度、速度、移動距離、精度で所定のペイロードを移動します。リニアモーター駆動以外のすべてのモーション技術は、回転運動を直線運動に変換するための何らかの機械的ドライブです。このような運動システムは、ボールネジ、ベルト、またはラックアンドピニオンによって駆動されます。これらすべてのドライブの耐用年数は、回転運動を直線運動に変換するために使用される機械部品の摩耗に大きく依存しており、比較的短いものです。
リニア モーターの主な利点は、空気が伝達媒体であるため、機械システムを使用せずに直線運動を提供できることです。したがって、リニア モーターは本質的に摩擦のない駆動装置であり、理論的には無限の耐用年数を提供します。直線運動を生成するために機械部品が使用されていないため、ボールねじ、ベルト、ラックアンドピニオンなどの他の駆動装置が重大な制限に遭遇する場合でも、非常に高い加速速度が可能になります。
リニア誘導モーター
図1
リニア誘導モーター (LIM) が最初に発明されました (米国特許 782312 – 1905 年の Alfred Zehden)。それは、電磁鋼板の積層体と三相電圧によって供給される複数の銅コイルで構成される「一次側」と、一般に鋼板と銅またはアルミニウム板で構成される「二次側」で構成されます。
一次コイルが通電されると、二次コイルが磁化され、二次導体に渦電流の場が形成されます。この二次磁場は一次逆起電力と相互作用して力を生成します。動きの方向はフレミングの左手の法則に従います。動きの方向は、電流の方向および磁場/磁束の方向に対して垂直になります。
図2
リニア誘導モーターは二次側に永久磁石を使用していないため、非常に低コストであるという利点があります。NdFeB および SmCo 永久磁石は非常に高価です。リニア誘導モーターは、二次側に非常に一般的な材料 (鋼、アルミニウム、銅) を使用するため、供給に関するこのリスクが排除されます。
ただし、リニア誘導モーターを使用する場合の欠点は、そのようなモーター用のドライブが利用できるかどうかです。永久磁石リニアモーター用のドライブを見つけるのは非常に簡単ですが、リニア誘導モーター用のドライブを見つけるのは非常に困難です。
図3
永久磁石リニア同期モーター
永久磁石リニア同期モーター (PMLSM) は、基本的にリニア誘導モーターと同じ一次側 (つまり、電磁鋼板の積層体に取り付けられ、三相電圧で駆動される一連のコイル) を備えています。二次は異なります。
鋼板にアルミニウムまたは銅の板を取り付ける代わりに、二次側は鋼板に取り付けられた永久磁石で構成されます。図 3 に示すように、各磁石の磁化方向は前の磁石に対して交互になります。
永久磁石を使用する明らかな利点は、二次側に永久磁場を生成できることです。誘導モータでは、一次磁界と二次磁界の相互作用によって力が生成され、この相互作用はモータのエアギャップを介して二次磁界が形成された後にのみ利用可能になることがわかりました。これにより、「スリップ」と呼ばれる遅延が発生し、二次側の動きが一次側に供給される一次電圧と同期しなくなります。
このため、誘導リニアモーターは「非同期」と呼ばれます。永久磁石リニア モーターでは、二次磁場が常に利用可能で遅延がないため、二次運動は常に一次電圧と同期します。このため、永久リニアモーターは「同期」と呼ばれます。
PMLSM ではさまざまなタイプの永久磁石を使用できます。過去 120 年間にわたり、各素材の比率は変化してきました。現在のところ、PMLSM は NdFeB 磁石または SmCo 磁石を使用していますが、大多数は NdFeB 磁石を使用しています。図4に永久磁石開発の歴史を示します。
図4
磁石の強さは、メガガウス エルステッド (MGOe) のエネルギー積によって特徴付けられます。80 年代半ばまでは、スチール、フェライト、アルニコのみが利用可能であり、非常に低エネルギーの製品を提供していました。SmCo 磁石は、Karl Strnat と Alden Ray の研究に基づいて 1960 年代初頭に開発され、その後 60 年代後半に商品化されました。
図5
SmCo 磁石のエネルギー積は、当初はアルニコ磁石のエネルギー積の 2 倍以上でした。1984年、ゼネラルモーターズと住友はネオジム、鉄、ホウ素の化合物であるNdFeB磁石を独自に開発しました。SmCo磁石とNdFeB磁石の比較を図5に示します。
NdFeB 磁石は SmCo 磁石よりもはるかに高い力を発生しますが、高温に対してはるかに敏感です。SmCo 磁石は耐腐食性や耐低温性にも優れていますが、より高価です。動作温度が磁石の最高温度に達すると、磁石は減磁を開始し、この減磁は元に戻せません。磁石の磁化が失われるとモーターの力が失われ、仕様を満足できなくなります。磁石が常に最高温度以下で動作する場合、その強度はほぼ永久に維持されます。
SmCo 磁石はコストが高いため、特により大きな力が利用できることを考慮すると、NdFeB 磁石はほとんどのモーターに最適です。ただし、動作温度が非常に高くなる可能性がある一部の用途では、最高動作温度を避けるために SmCo 磁石を使用することが望ましいです。
リニアモーターの設計
リニアモーターは通常、有限要素電磁シミュレーションを介して設計されます。積層体、コイル、磁石、磁石を支える鋼板を表す3Dモデルを作成します。空気はモーターの周囲とエアギャップ内でモデル化されます。次に、磁石、電磁鋼板、鋼鉄、コイル、空気などのすべてのコンポーネントの材料特性を入力します。次に、H 要素または P 要素を使用してメッシュが作成され、モデルが解決されます。次に、モデル内の各コイルに電流が適用されます。
図 6 は、テスラ単位の磁束が表示されるシミュレーションの出力を示しています。シミュレーションで対象となる主な出力値は、もちろんモーターの力であり、利用可能になります。コイルのエンドターンは力を生成しないため、積層体、磁石、磁石を支える鋼板を含むモーターの 2D モデル (DXF またはその他の形式) を使用して 2D シミュレーションを実行することもできます。このような 2D シミュレーションの出力は 3D シミュレーションに非常に近く、モーターの力を評価するのに十分な精度になります。
図6
リニア誘導モーターは 3D モデルまたは 2D モデルを介して同じ方法でモデル化されますが、解決は PMLSM の場合よりも複雑になります。これは、PMLSM 二次側の磁束が磁石のプロパティを入力すると即座にモデル化されるため、モーターの力を含むすべての出力値を取得するために必要な解析は 1 回だけであるためです。
ただし、誘導電動機の二次磁束については、LIM 二次側の磁束を構築して初めて力を取得できるように、過渡解析 (一定の時間間隔で複数の解析を行うことを意味します) が必要になります。電磁有限要素シミュレーションに使用されるソフトウェアには、過渡解析を実行する機能が必要です。
リニアモーターステージ
図7
Hiwin Corporation は、コンポーネント レベルでリニア モーターを供給しています。この場合、リニアモータと二次モジュールのみの納品となります。PMLSM モーターの場合、二次モジュールは異なる長さの鋼板で構成され、その上に永久磁石が組み立てられます。Hiwin Corporation は、図 7 に示すような完全なステージも供給しています。
このようなステージには、フレーム、リニア ベアリング、モーターの一次側、二次側の磁石、顧客がペイロードを取り付けるためのキャリッジ、エンコーダー、およびケーブル トラックが含まれます。リニアモーターステージは納品後すぐに使用可能であり、お客様は専門知識を必要とするステージの設計・製作が不要となり、作業が容易になります。
リニアモーターステージの寿命
リニアモーターステージの寿命は、ベルト、ボールネジ、ラックアンドピニオンなどで駆動するステージに比べてかなり長くなっています。間接駆動ステージの機械コンポーネントは、通常、摩擦や磨耗に継続的にさらされるため、最初に故障するコンポーネントです。リニアモーターステージは、伝達媒体が空気であるため、機械的接触や磨耗のないダイレクトドライブです。したがって、リニア モーター ステージで故障する可能性がある唯一のコンポーネントは、リニア ベアリングまたはモーター自体です。
リニアベアリングはラジアル荷重が非常に低いため、通常、耐用年数が非常に長くなります。モーターの耐用年数は、平均動作温度によって異なります。図 8 は、温度の関数としてのモーターの絶縁寿命を示しています。規則では、動作温度が定格温度を 10 ℃上回るごとに耐用年数が半減します。たとえば、絶縁クラス F のモーターは、平均温度 120°C で 325,000 時間動作します。
したがって、モーターを慎重に選択した場合、リニアモーターステージの耐用年数は 50 年以上になることが予想されます。これは、ベルト、ボールネジ、またはラックアンドピニオン駆動のステージでは決して達成できない耐用年数です。
図8
リニアモーターの用途
リニア誘導モーター (LIM) は主に、移動距離が長く、非常に高い速度と非常に大きな力が必要な用途で使用されます。リニア誘導モーターを選択する理由は、二次側のコストが PMLSM を使用する場合よりも大幅に低くなり、非常に高速でのリニア誘導モーターの効率が非常に高いため、電力損失がほとんどないためです。
たとえば、航空母艦で航空機を発射するために使用される EMALS (電磁発射システム) には、リニア誘導モーターが使用されています。最初のこのようなリニア モーター システムは、USS ジェラルド R. フォード空母に搭載されました。このモーターは、91 メートルの軌道上で 45,000 kg の航空機を 240 km/h で加速できます。
遊園地の乗り物のもう 1 つの例。これらのシステムの一部に搭載されているリニア誘導モーターは、非常に高い積載量を 0 km/h から 100 km/h まで 3 秒で加速できます。リニア誘導モーターステージは、RTU (ロボット搬送ユニット) でも使用できます。ほとんどの RTU はラック アンド ピニオン ドライブを使用していますが、リニア誘導モーターはより高いパフォーマンス、より低いコスト、そしてより長い耐用年数を提供できます。
永久磁石同期モーター
PMLSM は通常、ストロークがはるかに小さく、速度は遅いが、高精度から非常に高精度で負荷サイクルが激しいアプリケーションで使用されます。これらのアプリケーションのほとんどは、AOI (自動光学検査)、半導体、レーザー機械業界で見られます。
リニア モーター駆動ステージ (直接駆動) を選択すると、間接駆動 (回転運動を変換することで直線運動が得られるステージ) に比べてパフォーマンスが大幅に向上し、設計の耐久性が向上し、多くの業界に適しています。
投稿日時: 2023 年 2 月 6 日