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リニア誘導モータ（LIM）は交流（AC）の非同期リニアモータで、他の誘導モータと同じ原理で動作しますが、通常は直線上で直接運動を生み出すように設計されています。特徴としては、リニア誘導モータは一次側または二次側の長さが有限で、端効果を生成しますが、従来の誘導モータは無限ループに配置されています。[1]
名前に反して、すべてのリニア誘導モーターが直線運動を生成するわけではありません。一部のリニア誘導モーターは、連続一次側の使用が非常に高価になる大きな直径の回転を生成するために使用されます。
ロータリー モーターと同様に、リニア モーターは 3 相電源で動作する場合が多く、非常に高速に対応できます。ただし、モーターの力を低減するエンド エフェクトがあり、力と速度のバランスを取るためにギアボックスを取り付けることができないことがよくあります。そのため、リニア誘導モーターは、必要な力の出力に対して、通常のロータリー モーターよりもエネルギー効率が低いことがよくあります。
LIMは回転型とは異なり、浮上効果を発揮します。そのため、非接触型の力が必要な場所、メンテナンスの手間が少ない場所、デューティサイクルが低い場所でよく使用されます。実際の用途としては、磁気浮上、直線推進、リニアアクチュエータなどがあります。また、液体金属のポンプにも使用されています。[2]
歴史
リニア電気モーターの歴史は、少なくとも1840年代、ロンドンのキングス・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、 [3]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782312（1905年、フランクフルト・アム・マインのアルフレッド・ツェーデン発明）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作成しました。 [4] 1940年代後半、ロンドンのインペリアル・カレッジのエリック・レイスウェイト教授は、最初のフルサイズの実用的なモデルを開発しました。
片側バージョンでは、磁場が反発力を生み出し、導体を固定子から押し離して浮上させ、移動する磁場の方向に沿って運ぶことができます。レイスウェイトは後のバージョンを磁気川と呼びました。これらのバージョンのリニア誘導モーターは、2つの反対の極が並んで配置される横方向磁束と呼ばれる原理を使用します。これにより、非常に長い極を使用できるため、高速かつ効率的になります。[5]
工事
リニア誘導モータの一次側は、通常、平らな磁気コア（通常は積層）で構成され、横方向のスロットは直線状にカットされることが多く[6]、コイルがスロットに配置され、各相は極性が交互になっており、異なる相が物理的に重なり合っています。
二次コイルは多くの場合アルミニウム板で、鉄製の裏板が付いていることが多いです。LIM の中には、二次コイルの両側に一次コイルが 1 つずつある両面コイルもあり、この場合は鉄製の裏板は必要ありません。
リニアモーターには2つのタイプがあります。コイルが二次側よりも短く切り詰められた短い一次側と、導電板が小さい短い二次側です。短い二次側LIMは、同じ位相のコイル間に並列接続として巻かれることが多いのに対し、短い一次側は通常直列に巻かれます。[7]
横方向磁束 LIM の一次側は、反対方向の巻き線で横方向に並んだ一連のツイン ポールで構成されています。これらのポールは通常、適切にカットされた積層バッキング プレートまたは一連の横方向 U コアで作られています。
原則
この電気モーターの設計では、直線的に移動する磁場が磁場内の導体に作用して力を生み出します。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。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。
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ここで、f sは供給周波数（Hz）、pは極数、nsは磁場の同期速度（回転数/秒）です。
移動フィールドパターンの速度は次のようになります。
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ここで、v s は直線移動場の速度（m/s）であり、t は極ピッチです。
滑り角がsの場合、リニアモーターの二次側の速度は次のように表される。
- [8]
力
推力
リニア誘導モータによって生成される駆動力は、従来の誘導モータと多少似ています。駆動力は、端面効果によって調整されるものの、スリップに対してほぼ同様の特性形状を示します。[9]
モーターの推力を計算するための方程式が存在する。[10]
終了効果
円形誘導モーターとは異なり、リニア誘導モーターには「端部効果」が見られます。これらの端部効果には、一次側と二次側の相対的な動きによって一次側の端部で磁気エネルギーが運び去られ失われることによって引き起こされると考えられる、性能と効率の損失が含まれます。
二次側が短い場合、その動作は回転機とほぼ同じです。ただし、二次側が少なくとも2極長であれば、一次側が短いため、8極以上になるまでは、低スリップ（約0.3以下）で推力が低下します。[7]
しかし、エンド効果のため、リニアモーターは「軽い状態で動作」することはできません。通常の誘導モーターは、低負荷状態でほぼ同期磁界でモーターを動作させることができます。対照的に、エンド効果はリニアモーターではるかに大きな損失を生み出します。[7]
浮遊
さらに、回転モーターとは異なり、電気力学的浮上力が示され、これはスリップがゼロのときにゼロであり、スリップがどちらの方向にも増加すると、ほぼ一定の力/ギャップを与えます。これは片面モーターで発生し、二次側に鉄製のバッキングプレートを使用すると、揚力を圧倒する引力が発生するため、通常は浮上は発生しません。[9]
パフォーマンス
リニア誘導モーターは、従来の回転誘導モーターに比べて効率が低いことがよくあります。端効果と、しばしば存在する比較的大きなエアギャップにより、通常、同じ電力で生成される力が低下します。[1]同様に、リニア誘導モーターを使用した発電機の動作（電気ブレーキ/回生）中の効率は、端効果のために比較的低いと報告されています。[11]エアギャップが大きいと、モーターのインダクタンスも増加し、より大きくて高価なコンデンサが必要になる場合があります。
しかし、リニア誘導モーターはギアボックスや同様のドライブトレインの必要性を回避できますが、これらには独自の損失があります。また、グッドネス係数の重要性に関する実用的な知識があれば、より大きなエアギャップの影響を最小限に抑えることができます。いずれにせよ、電力の使用は常に最も重要な考慮事項ではありません。たとえば、多くの場合、リニア誘導モーターは可動部品がはるかに少なく、メンテナンスが非常に簡単です。また、モーション制御システムで回転モーターの代わりに回転-リニアトランスミッションを備えたリニア誘導モーターを使用すると、制御システムの帯域幅と精度が向上します。これは、回転-リニアトランスミッションが制御システムにバックラッシュ、静摩擦、および/または機械的コンプライアンスをもたらすためです。
用途
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、磁気浮上式鉄道の推進によく使用されます。
世界初の商用自動磁気浮上システムは、1984年から1995年にかけてバーミンガム空港の空港ターミナルから近くのバーミンガム国際鉄道駅まで運行された低速磁気浮上シャトルであった。 [12]線路の長さは600メートル（2,000フィート）で、列車は電磁石で浮上し、リニア誘導モーターで駆動して15ミリメートル（0.59インチ）の高度で「飛行」した。[13]このシステムは11年近く運用されたが、電子システムの老朽化の問題により、後年は信頼性が低かった。オリジナルの車両の1つは現在、ピーターバラのレールワールドでRTV31ホバー列車車両とともに展示されている。 [14]
しかし、リニアモーターは、東京の都営大江戸線のように、磁気浮上とは独立して使用されている。ボンバルディア・イノビア・メトロは、 LIM推進を利用した自動化システムの一例である。このような技術を採用している最長の高速輸送システムは広州地下鉄で、 4号線、5号線、6号線に沿ってLIM推進の地下鉄車両を使用し、約130 km (81 mi)のルートを走っている。これらはまた、スカイトレイン（バンクーバー）、フロリダ州ベイ・レイクのウォルト・ディズニー・ワールド・リゾートのトゥモローランド・トランジット・オーソリティ・ピープルムーバー、およびテキサス州ヒューストンのジョージ・ブッシュ・インターコンチネンタル空港のサブウェイ・ピープルムーバーでも使用されており、同じ設計を使用している。
リニア誘導モーター技術は、発売されたジェットコースターにも使用されています。理論的には、スロット付き導管に埋め込むことで実現可能ですが、現時点では路面電車での使用はまだ現実的ではありません。
公共交通機関以外では、深い鉱山での昇降機構として垂直リニアモーターが提案されており、動作制御アプリケーションでもリニアモーターの使用が増えています。また、アルストム シタディスや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。これらの特殊な装置は、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X - Y運動を提供するために使用されています。また、円筒形の二次側を持つリニア誘導モーターは、プリント基板に電子デバイスを取り付けるための同時直線運動と回転運動を提供するために使用されています。[15]
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く、リニアSRM は推力が弱いため使用されません。そのため、牽引では長距離走行では LIM が主に好まれ、短距離走行では LSM が主に好まれます。
リニア誘導モーターは航空機の打ち上げにも使用されており、1945年のウェスティングハウスエレクトロパルト[7]システムがその初期の例であり、電磁航空機発射システム(EMALS)は2010年に納入される予定でした。
リニア誘導モーターは織機にも使用されており、磁気浮上によりボビンが繊維に直接接触することなく浮上することができます。
ティッセンクルップ社が発明した最初のロープレスエレベーターは、リニア誘導駆動電力を使用しています。[16]
参照
参考文献
- ^ ab Ghaseminejad Liasi、Sahand (2015年5月15日)。「リニアモーターとは何か?」pp. 1–50。doi :10.13140/RG.2.2.16250.18887 。2017年12月24日閲覧。
- ^ 「Bulletin of the Atomic Scientists」。Educational Foundation for Nuclear Science, Inc. 1973 年 9 月 1 日 – Google ブックス経由。
- ^ 「チャールズ・ホイートストン - カレッジの歴史 - キングス・カレッジ・ロンドン」Kcl.ac.uk。2009年10月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年3月1日閲覧。
- ^ 「CEM - 1997年秋冬号 - ドイツのトランスラピッド」。2011年9月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年8月24日閲覧。
- ^ 特許番号 3585423、1971 Laithwaite 他
- ^ [1] [永久リンク切れ]
- ^ abcd リニア電気機械 - 個人的な見解 ERIC R. LAITHWAITE、IEEE フェロー、IEEE 議事録、第 63 巻、第 2 号、1975 年 2 月
- ^ abc 「リニア誘導モーター：動作、応用および構造」。sunilsaharan.in 。
- ^ ab 磁気浮上システム用リニア誘導モータの力の解析 第 14 回国際パワーエレクトロニクスおよびモーションコントロール会議、EPE-PEMC 2010
- ^ Journal of Modern Transportation 2012年6月、第20巻、第2号、pp 76–81 瞬間電流値に基づいてリニア誘導モータの推力を計算する新しい方法
- ^ Flankl, Michael; Tuysuz, Arda; de Oliveira Baumann, Lukas; Kolar, Johann W. (2019). 「二次導電性コーティングを備えた片面リニア誘導マシンによるエネルギーハーベスティング」(PDF) . IEEE Transactions on Industrial Electronics . 66 (6): 4880–4890. doi :10.1109/TIE.2018.2821637. S2CID 53447221 . 2018年4月4日閲覧。
- ^ 「電車の磁力」BBCニュース1999年11月9日
- ^ Maglev、ピープルムーバーグループ向けの映画
- ^ Railworld Rail 425号2001年12月26日号65ページに掲載された磁気浮上ユニット
- ^ z-φ 誘導アクチュエータのメカトロニクス設計、P. de Wit、J. van Dijk、T. Blomer、および P. Rutgers、IEE EMD '97 会議議事録。ケンブリッジ 1997。pp. 279–283、1997 年 9 月 1 日～3 日
- ^ マイリー、ジェシカ (2017-06-26). 「世界初のロープレス多方向エレベーターがベルリンに設置される」。Interesting Engineering。