リニアモーター

リニアモーターは、ステーターとローターが「展開」された電気モーターです。そのため、トルク(回転)を生成する代わりに、長さに沿って直線的な力を生成します。ただし、リニア モーターは必ずしも直線ではありません。特徴として、リニア モーターのアクティブ セクションには端がありますが、従来のモーターは連続したループとして配置されています。

典型的な動作モードはローレンツ型アクチュエータであり、適用される力は電流と磁場に直線的に比例します。 ${\displaystyle ({\vec {F}}=I{\vec {L}}\times {\vec {B}})}$

リニアモーターは高精度エンジニアリング^[1]アプリケーションで最も一般的に使用されています。

リニアモーターには多くの設計が提案されており、低加速リニアモーターと高加速リニアモーターの 2 つの主要なカテゴリに分類されます。低加速リニアモーターは、磁気浮上式鉄道やその他の地上輸送用途に適しています。高加速リニアモーターは通常、かなり短く、物体を非常に高速に加速するように設計されています。たとえば、コイルガンを参照してください。

高加速リニアモーターは、通常、超高速衝突の研究、兵器、または宇宙船推進用の質量ドライバーとして使用されます。^[要出典]これらは通常、ACリニア誘導モーター（LIM）設計であり、エアギャップの片側にアクティブな3相巻線があり、反対側にパッシブ導体プレートがあります。ただし、直流ホモポーラリニアモーターレールガンは、別の高加速リニアモーター設計です。低加速、高速、高出力モーターは通常、リニア同期モーター（LSM）設計であり、エアギャップの片側にアクティブな巻線があり、反対側に交互極磁石のアレイがあります。これらの磁石は、永久磁石または電磁石です。たとえば、上海磁気浮上列車のモーターはLSMです。

ブラシレスリニアモーターは同期モーターファミリーに属します。これらは通常、標準リニアステージで使用されるか、カスタムの高性能位置決めシステムに統合されます。1980年代後半にAnorad Corporation（現在のRockwell Automation）のAnwar Chitayatによって発明され、工業製造プロセスのスループットと品質の向上に貢献しました。^[2]

ブラシ付きリニアモーターは、ブラシレスリニアモーターが発明される前は、産業オートメーション用途で使用されていました。現在一般的に使用されている3相ブラシレスモーターと比較すると、ブラシモーターは単相で動作します。^[3]ブラシ付きリニアモーターは、可動ケーブルや3相サーボドライブを必要としないため、コストが低くなります。ただし、ブラシが摩耗するため、メンテナンスの手間がかかります。

この設計では、磁場の移動速度が、通常は電子的に制御され、ローターの動きを追跡します。コスト上の理由から、同期リニアモーターでは整流子がほとんど使用されないため、ローターには永久磁石または軟鉄が使用されることがよくあります。例としては、コイルガンや一部の磁気浮上システムで使用されるモーター、その他多くのリニアモーターが挙げられます。高精度の産業オートメーションでは、リニアモーターは通常、磁石のステーターと可動コイルで構成されます。 ホール効果センサーがローターに取り付けられ、ステーターの磁束を追跡します。電流は通常、ケーブルキャリア内の可動ケーブルによって、固定されたサーボドライブから可動コイルに供給されます。

この設計では、磁場内の導体に作用する移動する線形磁場によって力が生成されます。ループ、コイル、または単なる金属板など、この磁場内に置かれたあらゆる導体には渦電流 が誘導され、レンツの法則に従って反対の磁場が生成されます。^[4] 2つの反対の磁場は互いに反発し合い、磁場が金属を通過するときに動きを生み出します。

この設計では、2 本のレールから供給されるスライド接点を横切る金属サボに大電流が流れ、これによって発生する磁場によって金属がレールに沿って突き出されます。

空気圧シリンダーの置き換えに適した効率的でコンパクトな設計。

圧電駆動は、小型リニアモーターの駆動によく使用されます。

リニア電気モーターの歴史は、少なくとも1840年代、ロンドン大学キングス・カレッジのチャールズ・ホイートストンの研究まで遡ることができますが、^[5]ホイートストンのモデルは非効率すぎて実用的ではありませんでした。実現可能なリニア誘導モーターは、米国特許782,312号（1905年、フランクフルト・アム・マインの発明者アルフレッド・ツェーデン）に記載されており、列車やエレベーターの駆動用です。ドイツのエンジニア、ヘルマン・ケンパーは1935年に実用的なモデルを製作しました。 ^[6] 1940年代後半には、マンチェスター大学のエリック・レイスウェイト博士（後にロンドンのインペリアル・カレッジで重電気工学の教授を務める）が、最初のフルサイズの実用的なモデルを開発しました。

片面バージョンでは、磁気反発力により導体が固定子から引き離され、浮上して移動する磁場の方向に運ばれます。彼は後期バージョンを「磁気川」と呼びました。この技術は後に、1984 年にバーミンガム空港と隣接する鉄道駅を結ぶ エア・レール・リンクシャトルに採用されました。

これらの特性のため、リニアモーターは、名古屋近郊の日本の磁気浮上式鉄道リニモのように、磁気浮上式の推進力としてよく使用されています。しかし、世界中のボンバルディア・イノビア・メトロシステムや、東京の都営大江戸線を含む日本の多くの近代的な地下鉄のように、リニアモーターは磁気浮上とは独立して使用されてきました。

同様の技術は、改造を加えたいくつかのジェットコースターにも使用されていますが、理論的にはスロット付きの導管に埋め込むことで実現できるものの、現時点では路面を走る路面電車ではまだ実用的ではありません。

公共交通機関以外では、垂直リニアモーターは深い鉱山での昇降機構として提案されており、リニアモーターのモーションコントロール用途でも使用が拡大しています。また、アルストム シタディスやソシミ ユーロトラムなどの低床路面電車のスライドドアにもよく使用されています。2軸リニアモーターも存在します。これらの特殊なデバイスは、布や板金の精密レーザー切断、自動製図、ケーブル成形のための直接的なX - Yモーションを提供するために使用されています。使用されているリニアモーターのほとんどは、LIM（リニア誘導モーター）またはLSM（リニア同期モーター）です。リニアDCモーターはコストが高いため使用されず、リニアSRMは推力が弱いという欠点があります。そのため、牽引での長距離走行にはLIMが好まれ、短距離走行にはLSMが好まれます。

高加速リニアモーターは、さまざまな用途に提案されてきました。現在の徹甲弾は、非常に高い運動エネルギーを持つ小型の弾丸で構成される傾向があり、まさにこのようなモーターが適しているため、武器としての使用が検討されてきました。現在、多くの遊園地で打ち上げられるジェットコースターは、リフトヒルを使用する代わりに、列車を高速で推進するためにリニア誘導モーターを使用しています。

アメリカ海軍は、将来の航空母艦で従来の蒸気カタパルトに代わる電磁航空機発射システムにもリニア誘導モーターを使用している。また、宇宙船の推進にも使用することが提案されている。この文脈では、これらは通常マスドライバーと呼ばれる。宇宙船の推進にマスドライバーを使用する最も簡単な方法は、貨物を脱出速度まで加速できる大型のマスドライバーを構築することであるが、低地球軌道へのスタートラムのようなRLV発射補助も研究されている。

高加速リニアモーターの設計は、いくつかの理由から難しい。非常に短時間に大量のエネルギーを必要とする。あるロケット発射装置の設計^[7]では、1 秒未満の時間内に 300 GJ のエネルギーを必要とする。通常の発電機はこの種の負荷用に設計されていないが、短期間の電気エネルギー貯蔵法を使用することができる。コンデンサはかさばり高価だが、大量のエネルギーを迅速に供給することができる。ホモポーラ発電機を使用すると、フライホイールの運動エネルギーを非常に迅速に電気エネルギーに変換することができる。高加速リニアモーターには、非常に強い磁場も必要であり、実際、磁場が強すぎて超伝導体を使用できないことがよくある。しかし、慎重に設計すれば、これは大きな問題にはならない。^[8]

高加速リニアモーターには、レールガンとコイルガンという 2 つの異なる基本設計が発明されています。

リニア モーターは、高性能な産業オートメーション機器の駆動によく使用されます。ボール スクリュー、タイミング ベルト、ラック アンド ピニオンなどの他の一般的なアクチュエータとは異なり、リニア モーターの利点は、高精度、高速、高出力、長い移動距離のあらゆる組み合わせを提供できることです。

リニアモーターは広く使用されています。リニアモーターの主な用途の 1 つは、織機のシャトルを推進することです。

リニアモーターは、スライドドアや類似のさまざまなアクチュエータに使用されてきました。また、手荷物の取り扱いや、大規模なバルク材料の輸送にも使用されています。

リニアモーターは回転運動を生み出すために使用されることがあります。例えば、天文台では大きな曲率半径を扱うためにリニアモーターが使用されてきました。

リニア モーターは、従来のチェーン式リフト ヒルの代わりとして、ジェット コースターにも使用できます。シーダー ポイントのコースター「マーベリック」では、チェーン リフトの代わりに、このようなリニア モーターが 1 つ使用されています。

リニアモーターは衝突試験で自動車を加速するために使われてきた。^[9]

高精度、高速、高力、長い移動距離の組み合わせにより、ブラシレス リニア モーターは産業オートメーション機器の駆動に魅力的です。半導体ステッパー、電子機器の表面実装技術、自動車の直交座標ロボット、航空宇宙化学ミリング、光学電子顕微鏡、ヘルスケアラボ オートメーション、食品および飲料のピック アンド プレースなどの業界やアプリケーションで使用されています。

工作機械に使用される同期リニアモーターアクチュエータは、高力、高速度、高精度、高動的剛性を提供し、高い滑らかな動きと短い整定時間を実現します。2m/sの速度とミクロンレベルの精度に達し、サイクルタイムが短く、表面仕上げが滑らかです。 ^[10]

以下の用途はすべて高速輸送分野であり、車内にモーターの能動部分が搭載されています。^{[11] [12]}

もともとは1970年代後半にカナダのUTDCによって中規模輸送システム（ICTS）として開発されました。プロトタイプ車両の徹底的なテストのためにオンタリオ州ミルヘイブンにテスト線が建設され、その後3つの路線が建設されました。

• トロントの3号線スカボロー駅（1985年開業、20​​23年閉鎖）^[13]
• バンクーバー スカイトレインのエキスポ ライン(1985 年に開業、1994 年に延長)
• デトロイトのデトロイト ピープル ムーバー(1987 年開業)

ICTS は1991 年にBombardier Transportationに売却され、その後Advanced Rapid Transit (ART) として知られるようになり、2011 年に現在のブランド名が採用されました。それ以来、さらにいくつかの設備が導入されました。

• クアラルンプールのケラナ・ジャヤ線（1998年に開通し、2016年に延伸）
• バンクーバー スカイトレインのミレニアム ライン(2002 年に開業、20​​16 年に延長)
• ニューヨークのエアトレイン JFK (2003 年開業)
• エアポートエクスプレス（北京地下鉄）（2008年開業）
• 韓国龍仁のエバーライン（2013年オープン）

すべての Innovia Metro システムでは、第三軌条電化が採用されています。

1970年代から1980年代にかけて日本の鉄道技術者が直面した最大の課題の1つは、地下鉄の建設コストが高騰し続けることだった。これに対応して、日本地下鉄協会は1979年に都市交通需要を満たすための「ミニメトロ」の実現可能性について研究を開始した。1981年に日本鉄道技術協会は、このような小型地下鉄へのリニア誘導モーターの使用について研究し、1984年までに国土交通省と共同で都市鉄道へのリニアモーターの実用化について調査していた。1988年には、埼玉でリムトレインによる実証実験が成功し、大阪の長堀鶴見緑地線と東京の都営12号線（現在の都営大江戸線）にリニアモーターが最終的に採用されるきっかけとなった。^[14]

現在までに、日本国内の以下の地下鉄路線ではリニアモーターを採用し、架空線で電力を集電しています。

• 大阪には2つの大阪メトロ路線があります。
  • 長堀鶴見緑地線（1990年開業）
  • 今里筋線（2006年開業）
• 東京の都営大江戸線（2000年開業）
• 神戸市営地下鉄海岸線（2001年開業）
• 福岡市地下鉄七隈線（2005年開業）
• 横浜市営地下鉄グリーンライン（2008年開業）
• 仙台市地下鉄東西線（2015年開業）

さらに、川崎重工業は中国の広州地下鉄にもリニアメトロを輸出しており、 ^[15]広州のリニアメトロの全路線は第三軌条電化を採用している。

• 4号線（2005年開業）
• 5号線（2009年開業）。
• 6号線（2013年開業）

• 磁気浮上式ではないが、リニアモーターを使用しているモノレールシステムが少なくとも1つ知られています。それがモスクワモノレールです。当初は、従来のモーターと車輪を使用する予定でした。しかし、テスト走行中に、提案されたモーターと車輪では、レールに氷が張った場合など、特定の条件下では十分な牽引力が得られないことが判明しました。そのため、車輪は引き続き使用されていますが、列車は加速と減速にリニアモーターを使用しています。他の列車システムではこのような要件がないため、これがおそらくこのような組み合わせの唯一の使用例です。
• TELMAGVは、磁気浮上式ではなくリニアモーターを使用するモノレール システムのプロトタイプです。

• 高速列車：
  • トランスラピッド：上海で最初の商業利用（2004年に開業）
  • 日本で建設中の超高速リニアモーターカー（世界最速の鉄道、2027年までに開業予定）
• 高速輸送:
  • バーミンガム空港、英国（1984年開港、1995年閉鎖）
  • ドイツ、ベルリンのM バーン(1989 年に開業、1991 年に廃止)
  • 大田EXPO、韓国（1993年のみ開催）^[16]
  • HSST：愛知県のリニモ線（2005年開業）
  • 仁川空港磁気浮上鉄道（2014年7月開業）
  • 長沙リニアモーターカー（2016年開業）
  • 北京地下鉄S1線（2017年開業）

世界中には、LIM を使用して乗り物の加速を行うジェットコースターが数多くあります。最初のジェットコースターは、キングスアイランドとキングスドミニオンのフライト オブ フィアーで、どちらも 1996 年にオープンしました。ユニバーサル スタジオ シンガポールのバトルスター ギャラクティカ: ヒューマン VS サイロン&リベンジ オブ ザ マミーは2010 年にオープンしました。どちらも、乗り物の特定のポイントから加速するために LIM を使用しています。

「リベンジ・オブ・ザ・マミー」は、ユニバーサル・スタジオ・ハリウッドとユニバーサル・スタジオ・フロリダにもあります。ユニバーサル・アイランド・オブ・アドベンチャーの「インクレディブル・ハルク・コースター」と「ヴェロキコースター」もリニアモーターを使用しています。ウォルト・ディズニー・ワールドでは、ディズニー・ハリウッド・スタジオの「ロックンローラー・コースター・スターリング・エアロスミス」とエプコットの「ガーディアンズ・オブ・ギャラクシー：コズミック・リワインド」の両方で、屋内乗り物エンクロージャーに乗り物を発射するために LSM を使用しています。

2023年、米国オハイオ州シーダーポイントの油圧発射ジェットコースター「トップ・スリル・ドラッグスター」が改装され、油圧発射が、重力加速度の少ないLSMを使用した、より弱いマルチ発射システムに置き換えられました。

• 電磁航空機発射システム

• 打ち上げループ– リニアモーター駆動のループを使用して宇宙に車両を打ち上げるための提案されたシステム
• StarTram – 極限規模のリニアモーターのコンセプト
• テザーケーブルカタパルトシステム
• エアロトレイン S44 – 郊外通勤用ホバートレインのプロトタイプ
• 研究試験車両31 – トラックで誘導されるホバークラフト型車両
• ハイパーループ– 起業家イーロン・マスクが提唱する高速輸送システムの概念
• エレベーター 「ティッセンクルップ エレベーター: ティッセンクルップは、世界初のロープ不要のエレベーター システムを開発し、建築業界が世界的な都市化の課題に対処できるようにしました」。2016 年 3 月 3 日にオリジナルからアーカイブ。2015年 6 月 2 日に閲覧。
• Lift 「テクノロジー：リニア同期モーターエレベーターが現実に」。2015年3月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年6月2日閲覧。
• Magway - 地上および地下の直径 90 cm の配管を介してポッドで商品を配送することを目指して研究開発中の英国貨物配送システム。

ウィキメディア・コモンズには、リニアモーターに関連するメディアがあります。

• 設計方程式、スプレッドシート、図面
• モータートルク計算
• 電磁砲の概要