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リニアモーターとは、固定子と回転子が「展開」された電気モーターであり、回転力（トルク）ではなく、その長さに沿って直線的な力を発生させます。ただし、リニアモーターは必ずしも直線状であるとは限りません。特徴としては、リニアモーターの有効部には両端がありますが、より一般的なモーターは連続したループ状に配置されています。
リニアモーターは、高精度CNC加工や産業用ロボットで何百万台も使用されています。2024年には、リニアモーターの市場規模は18億米ドルと評価されました。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
典型的な動作モードはローレンツ型アクチュエータとして動作し、印加される力は電流と磁場に線形的に比例する。。
リニアモーターには多くの設計案があり、大きく分けて低加速度型と高加速度型の2種類に分類されます。低加速度型リニアモーターは、磁気浮上式鉄道やその他の地上交通機関に適しています。高加速度型リニアモーターは通常、比較的短く、物体を非常に高速に加速するように設計されています。例えば、コイルガンなどが挙げられます。
高加速度リニアモーターは、超高速衝突の研究、兵器、宇宙船推進用の質量駆動装置として使用されます。これらは通常、交流リニア誘導モーター（LIM）設計で、エアギャップの片側にアクティブ三相巻線があり、反対側にパッシブ導体板があります。ただし、直流単極リニアモーターレールガンも高加速度リニアモーター設計の一種です。低加速度、高速、高出力のモーターは通常、リニア同期モーター（LSM）設計で、エアギャップの片側にアクティブ巻線があり、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、上海の磁気浮上式鉄道のモーターは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の一員です。これらは通常、標準的な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組み込まれます。1980年代後半にAnorad Corporation（現在のRockwell Automation）のAnwar Chitayatによって発明され、産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。[ 6 ]
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以前は、産業オートメーション用途で使用されていました。今日一般的に使用されている三相ブラシレスモーターと比較すると、ブラシ付きモーターは単相で動作します。[ 7 ]ブラシ付きリニアモーターは、可動ケーブルや三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高くなります。
この設計では、ローターの動きを追跡するために、通常は電子的に磁場の移動速度が制御されます。コスト上の理由から、同期リニアモーターは整流子を使用することはほとんどなく、ローターには永久磁石または軟鉄が含まれてい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あります。高精度産業オートメーションでは、リニアモーターは通常、磁石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を介して、固定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状磁場によって力が生じます。ループ、コイル、または単なる金属板など、この磁場内に配置さ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。[ 8 ] 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際に動きが生じます。
この設計では、2本のレールから給電される摺動接点を介して金属製のサボットに大電流が流されます。これにより発生する磁場によって、金属がレールに沿って押し出されます。
効率的かつコンパクトな設計で、空気圧シリンダーの代替として適しています。
圧電駆動は、小型リニアモーターの駆動によく用いられる。
直線電動機の歴史は、少なくとも1840年代にまで遡ることができ、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にまで遡ることができます[ 9 ]が、ホイートストンのモデルは効率が悪すぎて実用的ではありませんでした。実現可能な直線誘導電動機は、列車やエレベーターの駆動用に、米国特許782,312 （1905年 - 発明者：フランクフルト・アム・マインのアルフレッド・ツェーデン）に記載されています。ドイツのエンジニア、ヘルマン・ケンパーは1935年に実動モデルを製作しました[ 10 ] 。 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・カレッジの重電工学教授）が、最初の実物大実動モデルを開発しました。
片面式の場合、磁気反発力によって導体が固定子から押し出され、浮上して移動する磁場の方向に運ばれる。彼は後のバージョンを「磁気河川」と呼んだ。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応用された。
こうした特性から、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、磁気浮上推進によく用いられています。しかし、リニアモーターは磁気浮上とは無関係に、世界各地のボンバルディア・イノビア・メトロシステムや、東京の都営大江戸線をはじめとする日本の多くの近代的な地下鉄でも使用されています。
同様の技術は、改良を加えて一部のジェットコースターにも使用されているが、現状では路面電車にはまだ実用的ではない。ただし、理論的には、スリット状の導管に埋め込むことで実現可能となる。
公共交通機関以外では、垂直リニアモーターは深部鉱山の昇降機構として提案されており、モーションコントロール用途でのリニアモーターの使用が増加しています。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。デュアル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、ケーブル成形において、 X - Y方向の直接的な動きを提供するために使用されています。現在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ておらず、リニアSRMは推力が低いという問題があります。そのため、牽引の長距離走行では主にLIMが、短距離走行では主にLSMが好まれています。
高加速リニアモーターは、様々な用途で提案されている。現在の徹甲弾は運動エネルギーが非常に高い小型弾丸で構成されているため、まさにこのようなモーターが適しており、兵器としての利用も検討されている。遊園地の多くのジェットコースターでは、巻き上げ式リフトヒルの代わりに、リニア誘導モーターを使って列車を高速で推進させている。
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式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、宇宙船の推進にも利用が提案されている。この文脈では、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建造することだが、スター・トラムのような低地球軌道への再利用可能なロケットの打ち上げ支援も検討されている。
高加速リニアモーターの設計は、いくつかの理由から困難です。非常に短い時間で大量のエネルギーを必要とします。あるロケットランチャーの設計[ 11 ]では、1秒未満で1回の発射につき300 GJのエネルギーを必要とします。通常の発電機はこの種の負荷用に設計されていませんが、短時間の電気エネルギー貯蔵方法を使用できます。コンデンサはかさばり高価ですが、大量のエネルギーを迅速に供給できます。単極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できます。高加速リニアモーターは非常に強力な磁場も必要とします。実際、磁場が強すぎて超伝導体の使用ができない場合がよくあります。しかし、慎重な設計を行えば、これは大きな問題にはなりません。[ 12 ]
リニアモーターは、高性能産業オートメーション機器の駆動に広く使用されています。その主な利点は、高精度、高速、高力、長ストロークのあらゆる組み合わせを実現できることです。従来の回転モーターやねじ駆動システムと比較して、リニアモーターはダイレクトドライブ動作を提供し、バックラッシュを排除し、メンテナンス要件を軽減します。[ 2 ] [ 3 ]
リニアモーターの初期の産業用途の 1 つは織機で、織機ではシャトルを織布上で高速に推進するために使用されていました。現代の環境では、リニアモーターはCNCマシン、ピックアンドプレースシステム、半導体ステッピングモーター、高速直交座標ロボットに広く使用されています。[ 13 ] [ 2 ] [ 4 ]
リニアモーターは、消費者向けおよびインフラ関連の用途にも使用されています。これには、スライドドア、荷物処理システム、コンベアベルトや搬送カートなどの大規模なバルク材料輸送システムの動力源が含まれます。[ 3 ]
欧州超大型望遠鏡（ELT）などの大型天文台望遠鏡では、ミラーセグメントの精密な位置決めのために、リニアモーターと圧電素子を組み合わせたハイブリッドアクチュエータが使用されています。これらのアクチュエータは、望遠鏡の分割主鏡の光軸調整を維持するために不可欠な、高い力とナノメートルレベルの精度を提供します。[ 14 ]
リニアモーターは、ジェットコースターの従来のチェーン式リフトヒルに代わるものとしても使用できる。シダーポイントにあるジェットコースター「マーベリック」は、チェーン式リフトの代わりにリニアモーターを使用している。
リニアモーターは、衝突試験のために自動車を加速するために使用されてきました。[ 15 ]
高精度、高速、高力、長ストローク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なものとなっています。半導体ステッピングモーター、電子機器表面実装技術、自動車用直交座標ロボット、航空宇宙化学ミリング、光学電子顕微鏡、医療検査室オートメーション、食品・飲料ピックアンドプレースなどの産業や用途で利用されています。[ 3 ]
工作機械や産業オートメーションで使用される同期リニアモータアクチュエータは、高力、高速、高精度、高動的剛性を実現します。これらの特性により、バックラッシュのない動作、短い整定時間、そして非常に滑らかな動作が可能になります。最新のシステムでは 、ミクロンレベルの位置決め精度と高速サイクルタイムで2 m/s以上の速度を実現でき、優れた表面仕上げとスループットに貢献します。[ 2 ] [ 3 ]
Haptech Inc.は、軍事兵器訓練向けに独自のアプリケーションで電磁リニアモーターを使用しており、兵士に高精度かつ費用対効果の高い訓練を提供しています。これらのモーターは、訓練装置にリアルな反動やその他の触覚フィードバックを提供し、訓練体験を向上させると同時に、訓練目的のための精密なシミュレーションを実現します。軍事訓練において、これらの製品は、ユーザーが訓練装置に順応する必要のない、唯一の実現可能な電子ソリューションです。
以下のアプリケーションはすべて高速輸送用であり、モーターのアクティブ部分は車両に搭載されています。[ 16 ] [ 17 ]
元々は1970年代後半にカナダのUTDCによって中間容量輸送システム（ICTS）として開発された。オンタリオ州ミルヘイブンに試作車両の広範な試験を行うための試験線が建設され、その後3つの路線が建設された。
ICTSは1991年にボンバルディア・トランスポーテーションに売却され、その後アドバンスト・ラピッド・トランジット（ART）として知られるようになり、2011年に現在のブランド名に変更されました。それ以来、さらにいくつかの設置が行われています。
Innovia Metroの全システムは第三軌条方式の電化を採用している。
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、地下鉄の建設費がますます高騰することであった。これに対し、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調査を開始した。1981年には、日本鉄道技術協会がこのような小型地下鉄へのリニア誘導電動機の使用について調査し、1984年には国土交通省とともに都市鉄道へのリニア電動機の実用化について調査していた。1988年には埼玉県のリムトレインで実証実験が成功し、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）へのリニア電動機の採用に影響を与えた。[ 19 ]
現在までに、日本の地下鉄路線のうち、リニアモーターを使用し、架線による電力収集を行っている路線は以下のとおりです。
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いる。 [ 20 ]広州のリニアメトロの全路線は第三軌条方式の電化を採用している。
世界には、ライド車両の加速にLIM（リニア誘導モーター）を使用するジェットコースターが数多く存在する。最初にLIMを使用したのは、1996年にオープンしたキングス・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」である。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」と「リベンジ・オブ・ザ・マミー」は2010年にオープンした。どちらもライド中の特定の地点から加速するためにLIMを使用している。
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・フロリダの両方にある「リベンジ・オブ・ザ・マミー」、ユニバーサル・アイランズ・オブ・アドベンチャーの「ハグリッドの魔法生物バイクアドベンチャー」、そして「ヴェロシコースター」は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」の両方が、ライドビークルを屋内ライドエンクロージャーに発射するためにLSMを使用しています。
2023年、アメリカ合衆国オハイオ州のシダーポイントにある油圧式発射ジェットコースター「トップ・スリル・ドラッグスター」が改修され、油圧式発射装置が、より弱いGフォースを発生させるLSMを使用したマルチ発射システムに置き換えられた。
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