リニア モーターは、従来の回転モーター駆動のリニア アクチュエーターと比較して、より高速、より正確、より信頼性の高いパフォーマンスにより、モーション コントロールの可能性を再定義しました。リニアモーターのユニークな特性は、機械的な動力伝達コンポーネントを使用せずに負荷を移動させることです。代わりに、モーターコイルの磁場によって生成される線形力が負荷に直接結合されます。これにより、回転運動を直線運動に変換する機械装置が不要になり、システムの寿命、精度、速度、および全体的なパフォーマンスが向上します。

生産性の向上、製品品質の向上、迅速な開発時間、エンジニアリングコストの削減に対する需要が高まるにつれ、モジュール式リニアモーター設計を活用することにより、リニアモーター技術の採用がますます一般的になってきています。これらは、計測学、精密切断システム、半導体およびエレクトロニクス製造装置、ウェーハハンドリング、リソグラフィー、画像検査システム、医療機器および医療機器、テストシステム、航空宇宙および防衛、組立ライン自動化、印刷および包装アプリケーション、その他多くの用途に使用されています。高スループットと高精度の直線運動が必要な場合。

リニアモーター設計のコンポーネントは、高精度で再現可能なプロセスで機械加工および組み立てられる必要があります。これらの部品を適切に配置することが重要であり、かなりの詳細な設計と組み立てスキルが必要です。

今日、新世代のモジュラー リニア モーターが状況を一変させました。ターンキーモジュラーリニアモーターはシステムに簡単にボルトで固定でき、すぐに稼働できるようになり、エンジニアリング時間を大幅に短縮します。エンジニアは、モジュラー リニア モーター テクノロジーの強力な利点を、数か月、場合によっては数年ではなく、わずか数日で機械設計に活用できるようになりました。

リニア モーター システムを構成する 9 つの主要コンポーネント:

1. ベースプレート
2. モーターコイル
3. 永久磁石トラック (通常はネオジム磁石)
4. モーターコイルと負荷を接続するキャリッジ
5. キャリッジがガイドされ、ベースに接続されるリニア ベアリング レール
6. 位置フィードバック用のリニアエンコーダ
7. エンドストップ
8. ケーブルトラック
9. マグネット トラック、エンコーダ、リニア レールを環境汚染から保護するオプションのベローズ。

制御ループ

リニアモーター設計のコンポーネントは、高精度で再現可能なプロセスで機械加工および組み立てられる必要があります。これらの部品を適切に配置することが重要であり、かなりの詳細な設計と組み立てスキルが必要です。たとえば、磁気トラックと可動モーター コイルは平らで平行であり、間に特定のエア ギャップを持って取り付けられている必要があります。可動コイルは、磁気トラック上の平行な精密リニア ベアリング レールに接続されたキャリッジ上に搭載されています。リニア スケールと読み取りヘッドを備えた位置エンコーダは、リニア モーターのもう 1 つの重要な部品であり、適切な位置合わせ手順と最大 5 G の加速度に耐える堅牢な取り付け設計が必要です。モジュール式リニアモーターでは、これらの詳細はすでに考慮されており、箱から出してすぐに事前設計されています。

図に示したようなモジュラー リニア モーター システムは、正確で高速、反復可能な直線運動が必要な場合に使用されます。このシステムは、ボールねじ、ベルト、ラックアンドピニオンのアクチュエータに代わるものです。

リニアモーターの動きを制御するために、高度なモーションコントローラーとサーボドライブが使用されています。リニアモーターは、剛性と周波数応答に関して明確な利点を持っています。特定の周波数範囲では、従来のボールねじの 10 倍以上の顕著な剛性を示します。この特性により、リニア モーターは、外部外乱があっても、高い位置および速度ループ帯域幅を驚異的な精度で処理できます。10 ～ 100 Hz の共振周波数に遭遇することが多いボールねじとは異なり、リニア モーターはより高い周波数で動作し、共振が位置ループ帯域幅をはるかに超えています。

ただし、機械式トランスミッションの除去にはトレードオフが伴います。ボールねじなどの機械コンポーネントは、機械の力、固有共振周波数、または軸を横切る振動による外乱を低減するのに役立ちます。それらを排除すると、リニアモーターはそのような混乱に直接さらされることになります。したがって、これらの外乱を補償することは、モーション コントローラーと駆動電子機器の責任となり、サーボ軸に直接作用して、これらの外乱に正面から取り組む必要があります。そこで、今日の洗練された閉ループ動作アルゴリズムが登場し、共振を排除し、優れた位置ループ制御を提供します。

リニア アクチュエータの分野では、リニア モータは卓越した技術力を発揮します。優れた剛性を示し、より高い周波数で動作するモーターの能力は、従来の代替モーターとは一線を画しています。リニアモーターは、共振周波数を無視し、外部障害が存在する場合でも高い精度を維持することで、魅力的なソリューションを提供します。

それにもかかわらず、機械的伝達がないため、外乱に対抗し、システムの継続的なパフォーマンスと信頼性を確保するための堅牢な補償戦略が必要になります。モーション コントローラーの速度ループと位置ループのサンプリング周波数は、通常 5 kHz から始まります。リニア モーター軸は、従来の回転モーター駆動軸の 5 ～ 10 倍の位置ループ帯域幅を持つことができ、1 または 2 kHz の周波数が許容されます。現在のモーション コントローラーの中には 20 kHz 以上のサンプル レートに対応しているものもあります。これにより、超高速のフィードバック制御や超高精度のパス制御が可能になります。

モジュラー リニア モーターのほとんどのメーカーはモーション コントロールとサーボの専門家でもあるため、多くの制御ループの課題や機械的共振の懸念も十分に考慮されており、これらの課題を軽減するためのソリューションとツールが提供されています。

リニアモーターの応用

私は何年も前に、世界初のリニア モーター ベースのレーザー切断機を作成するという革新的なプロジェクトに着手したエンジニア チームとともに、リニア モーターを使用した貴重な経験を積みました。回転サーボモーターによって駆動される従来のリニアアクチュエーター技術では、リニアモーターで達成できる高性能機能を提供できなかったため、リニアモーターの使用は業界を破壊するのに最適でした。

このテクノロジーの実装は簡単な作業ではありませんでした。プロジェクトを掘り下げていくと、私たちのアプリケーションには市販されていないリニアモーターの性能仕様が必要であることがわかりました。それでも私たちは、アプリケーション専用にリニア モーターを設計することにしました。

1,000 ポンドのガントリー システムを 1.5 G の加速度で 2.5 m/秒の高速で動かす必要があるため、私たちは多くの課題に直面しました。これは、極端な力を生成できるリニア モーターを設計する必要があることを意味します。私たちのチームは、最終的にレーザー切断機の要求を満たすことができるリニア モーターを考案するまで、研究開発に数えきれないほどの時間を費やして粘り強く努力しました。14 か月後、ついにリニア モーターが動作し、信じられないほどの速度、容易さ、正確さでガントリー システムを推進しているのを見たときは、誇らしい瞬間でした。達成されたパフォーマンスは前例のないものでした。もし当時ターンキーモジュラーリニアモーターが利用可能であったなら、私たちのマシンコンセプトがどれだけ早く完成できたかを考えると注目に値します。

1990 年代にリニア モーターの設計に着手して以来、リニア モーター テクノロジーは大きく進化してきました。新しいモジュラー設計の導入により、モーション設計とリニアモーターにおける革新と進歩の可能性がこれまで以上に大きくなっています。モジュラー リニア モーターは、より速く、より正確で、信頼性の高いモーション制御機能を備え、迅速に展開して多くの業界の幅広いアプリケーションに利益をもたらすことで、可能性を再定義しています。