電気と磁気の?館

No.63　リニアモータとマグネット

水平離陸・水平着陸する夢の宇宙往還機“スペースプレーン”
時速500kmで東京-大阪を1時間で結ぶリニア中央新幹線
産業機器で活躍するリニアモータ

水平離陸・水平着陸する夢の宇宙往還機“スペースプレーン”

航空母艦では航空機を離陸させるときに、カタパルトという射出装置が使われます。空港の滑走路よりも短い甲板でも、離陸に必要なスピードが得られるように、蒸気圧や油圧、電磁力などでアシストするのです。伸ばしたゴムの力で、紙飛行機を飛ばすのと似ています。もともとカタパルトとは“投石器”という意味で、石粒を飛ばすゴムパチンコも小型カタパルトです。

　宇宙往還機の発射に、リニアモータのカタパルトを利用しようという構想もあります。ロケットの重量の90％以上は燃料が占めています。スペースシャトルは、航空機のように滑空して地上に戻るとはいえ、打ち上げには巨大な燃料タンクと2本の固体燃料ロケットが必要です。また、燃料タンクは使い捨てであることなど、あまり効率的とはいえません。

　そこで、巨大なジェットコースターのようなスロープをつくり、リニアモータ駆動のカタパルトで宇宙往還機を射出しようというもの。補助ロケットは小さなものですむので、運航コストも大幅に低減できます。これは、リニアカタパルトとか宇宙カタパルトなどと呼ばれます。射出には短時間で大電力を必要とするので、超電導コイルを利用した蓄電システムの利用も構想されています。1980年代の日本で提案されたアイデアですが、技術的な問題がクリアされたとしても、難点は巨大なスロープの建設コスト。何しろ東京スカイツリーの3倍あまりにも及ぶ高さ2,000m超の構造物となるからです。そこで、アメリカNASAでは地上のレール上を磁気浮上しながら速度を高めて、離陸するリニアカタパルトも構想しています。実現のカギを握るのは、超音速で推進するスクラムジェットエンジンと、軽くて耐熱性と強度にすぐれた機体材料です。リニアカタパルトを利用した水平離陸・水平着陸の宇宙往還機“スペースプレーン”が実用化されると、宇宙もぐんと身近なものになるにちがいありません。

時速500kmで東京-大阪を1時間で結ぶリニア中央新幹線

　JR東海のリニアモーターカー（通称“マグレブ”）に正式な建設指示が出て、東京-大阪間を約1時間で結ぶリニア中央新幹線として、構想段階から実施段階に入りました。リニアモータは東京メトロの大江戸線など、一部の地下鉄などで実用化されています。これは推進力にリニアモータを利用したもので、レールの上を車輪で走行します(テクの雑学第160回　大規模に本格化してきた、リニアモーターカーをみてみよう！）。

　かたや、JR東海のリニアモーターカーが世界的にも注目されているのは、超電導磁石を利用した磁気浮上式だからです。重い車体を約10cmも持ち上げるには強力なマグネットが必要で、車体側には超電導磁石が搭載されます。超電導磁石はニオブ・チタン合金のコイルです。これを液体ヘリウムで冷却すると、電気抵抗がゼロの超電導状態となるので、大電流を流しても発熱ロスなしに強力なマグネットとなります。

　超電導磁石とともに、磁気浮上のキーテクノロジーとなるのはコイルです。コイルに向けて磁石を近づけたり、遠ざけたりすると、電磁誘導により、その運動を妨げる向きに、コイルに起電力が生まれて磁束が発生します。いわば“押さば押せ”“引かば引け”という関係です（レンツの法則）。磁気浮上式リニアモーターカーは、これをたくみに利用したもの。ガイドウェー側壁には推進コイルとともに、浮上コイルが設置されています。この浮上コイルは8の字型にひねった構造となっているところがミソ。電磁誘導によってコイルに流れる電流は、8字の下の輪と上の輪では逆向きになります。このため、車体の走行とともに超電導磁石からの磁束が近づくと、下の輪は反発力が、上の輪は吸引力が作用して車体を磁気浮上させるのです。したがって、停止状態では浮上せず、推進コイルのリニアモータでタイヤ走行によってスタートして、ある程度のスピードが出たところで磁気浮上するしくみです。

産業機器で活躍するリニアモータ

　乗り物用ではないリニアモータは、半導体の製造装置や搬送装置など、産業分野でも広く活躍しています。直線的（リニア）に運動するモータなので、“位置決め”や“送り”機構などにうってつけなのです。

　可動物を直線運動させる装置として、従来は回転モータとボールねじを組み合わせたものが使われてきました。これはボルトをモータで回転させると、ナット側が直線的に動くことを利用したもの。摩擦の少ない滑らかな動きが得られるように、ボルト・ナットのねじ溝に、小さなボール（ベアリング）を入れていることからボールねじと呼ばれます。しかし、ねじを利用したメカニックな機構のため、高速・高精度な位置決めやロングストロークには限界があり、またグリースの飛散といった問題も発生します。リニアモータはボールねじのこうした弱点をクリアできるので、産業機器の位置決め装置などに多用されるようになりました。左右（X軸）および前後（Y軸）の2次元の位置決めができるXYステージ（XYテーブル）にも利用されています。

　リニアモータの動作原理は難しいものではありません。回転式のモータを切り開いて展開すると、直線的（リニア）な駆動力を得るリニアモータとなります。リニアモータにもさまざまなタイプがありますが、位置決め装置などに用いられるのは、強力なネオジム磁石（TDKの製品名は“NEOREC”）とコイルを組み合わせたLSM（リニア同期モータ）と呼ばれるタイプ。コの字型のステータの断面に、ネオジム磁石を敷き並べ、その隙間を可動コイルがスライドするしくみです。数mにも及ぶロングストロークの位置決めも、ネオジム磁石のハイパワーにより高速・高精度にこなします。半導体製造装置ばかりでなく、印刷機や露光機、顕微鏡、各種計測機器などにも活用されています。