産業オートメーションモーターの選択方法は？

産業オートメーションのモーター負荷には 4 つの種類があります。

1. 可変馬力・定トルク：可変馬力・定トルクの用途には、コンベア、クレーン、ギアポンプなどがあります。これらの用途では、負荷が一定であるため、トルクは一定です。必要な馬力は用途によって異なるため、定速ACモーターおよびDCモーターが適しています。

2. 可変トルク・定馬力：可変トルク・定馬力のアプリケーションの例としては、紙の巻き取り機が挙げられます。材料の速度は一定であるため、馬力は変化しません。しかし、ロールの直径が大きくなると、負荷が変化します。小規模システムでは、DCモーターまたはサーボモーターが適しています。回生電力も重要な考慮事項であり、産業用モーターのサイズを決定したり、エネルギー制御方法を選択したりする際に考慮する必要があります。エンコーダ、閉ループ制御、フルクアドラントドライブを備えたACモーターは、大規模システムに適しています。

3. 調整可能な馬力とトルク：ファン、遠心ポンプ、撹拌機には可変の馬力とトルクが必要です。産業用モーターの速度が上昇すると、必要な馬力とトルクに応じて負荷出力も増加します。このような負荷は、インバータが可変速ドライブ（VSD）を使用してACモーターに負荷をかけることから、モーター効率の議論が始まる領域です。

4. 位置制御またはトルク制御：複数の位置への正確な移動が求められるリニアドライブなどのアプリケーションでは、厳密な位置制御またはトルク制御が求められ、多くの場合、正しいモーター位置を確認するためのフィードバックが必要になります。これらのアプリケーションにはサーボモーターまたはステッピングモーターが最適ですが、鉄鋼や製紙の生産ラインなどのアプリケーションでは、フィードバック付きDCモーターやエンコーダ付きインバータ搭載ACモーターが一般的に使用されています。

さまざまな産業用モーターの種類

産業用途で使用されるAC/DCモーターは36種類以上あります。モーターの種類は多岐にわたりますが、産業用途では多くの用途が重複しており、市場はモーターの選択を簡素化しようと努めてきました。そのため、ほとんどの用途において実用的なモーターの選択肢は狭まっています。最も一般的な6種類のモーターは、ブラシレスDCモーターとブラシ付きDCモーター、ACかご型および巻線ローターモーター、サーボモーター、ステッピングモーターであり、これらはほとんどの用途に適しています。これらのモーターはほとんどの用途に適していますが、その他の種類は特殊な用途にのみ使用されます。

産業用モーターの主な3つの用途

産業用モーターの主な用途は、定速制御、可変速制御、位置（またはトルク）制御の3つです。産業オートメーションの状況によって、用途や課題は異なり、それぞれに固有の問題セットも存在します。例えば、最高速度がモーターの基準速度よりも低い場合、ギアボックスが必要です。ギアボックスを使用することで、小型モーターをより効率的な速度で動作させることもできます。モーターのサイズを決定する方法についてはオンラインで豊富な情報が得られますが、考慮すべき詳細事項が多いため、ユーザーが考慮すべき要素は数多くあります。負荷慣性、トルク、速度を計算するには、負荷の総質量とサイズ（半径）、摩擦、ギアボックス損失、機械サイクルなどのパラメータを理解する必要があります。負荷の変化、加減速速度、デューティサイクルも考慮する必要があります。そうしないと、産業用モーターが過熱する可能性があります。AC誘導モーターは、産業用回転運動用途でよく使用されます。モーターの種類とサイズを選択した後、ユーザーは環境要因やモーターハウジングの種類（オープンフレームやステンレススチールハウジングの洗浄用途など）も考慮する必要があります。

産業用モーターの選び方

産業用モータの選択における3つの主な問題

1. 一定速度のアプリですか?

定速アプリケーションでは、モーターは通常、加速と減速のランプをほとんど、あるいは全く考慮することなく、一定の速度で動作します。このタイプのアプリケーションでは、通常、フルラインオン/オフ制御が用いられます。制御回路は通常、コンタクタ付きの分岐回路ヒューズ、過負荷保護付き産業用モータースタータ、手動モーターコントローラまたはソフトスタータで構成されます。ACモーターとDCモーターはどちらも定速アプリケーションに適しています。DCモーターはゼロ速度で最大トルクを発生し、取り付けベースが大きくなっています。ACモーターは力率が高く、メンテナンスがほとんど不要なため、優れた選択肢です。一方、サーボモーターやステッピングモーターの高性能特性は、シンプルなアプリケーションには過剰であると考えられます。

2. 可変速度アプリ?

可変速アプリケーションでは通常、コンパクトな速度と速度変化、および定義された加速および減速ランプが必要です。実際のアプリケーションでは、ファンや遠心ポンプなどの産業用モーターの速度を下げるのは、通常、全速力で動作させて出力を絞り込むか抑制するのではなく、負荷に合わせて消費電力を調整することで効率を向上させるためです。これらは、瓶詰めラインなどの搬送アプリケーションで考慮することが非常に重要です。AC モーターと VFDS の組み合わせは、効率を高めるために広く使用されており、さまざまな可変速アプリケーションでうまく機能します。適切なドライブを備えた AC モーターと DC モーターはどちらも可変速アプリケーションでうまく機能します。DC モーターとドライブ構成は長い間、可変速モーターの唯一の選択肢であり、そのコンポーネントは開発され、実証されています。現在でも、DC モーターは可変速、小馬力アプリケーションで人気があり、低速で最大トルクを、さまざまな産業用モーター速度で一定トルクを供給できるため、低速アプリケーションで役立ちます。しかし、DCモーターのメンテナンスは考慮すべき課題です。多くのDCモーターはブラシによる整流を必要とし、可動部品との接触により摩耗するためです。ブラシレスDCモーターはこの問題を解消しますが、初期費用が高く、利用可能な産業用モーターの種類も限られています。AC誘導モーターではブラシの摩耗は問題になりませんが、可変周波数ドライブ（VFDS）は、ファンやポンプなど1HPを超える用途で効率を向上させる便利なオプションとなります。産業用モーターを駆動するためのドライブタイプを選択すると、位置認識機能を追加できます。アプリケーションで必要な場合はモーターにエンコーダを追加し、エンコーダフィードバックを使用するようにドライブを指定できます。その結果、この構成ではサーボのような速度を実現できます。

3. 位置制御が必要ですか?

厳密な位置制御は、モーターが移動する際にその位置を常に確認することで実現されます。位置決めリニアドライブなどのアプリケーションでは、フィードバック付きまたはフィードバックなしのステッピングモーター、あるいはフィードバックを内在するサーボモーターを使用できます。ステッピングモーターは中程度の速度で正確な位置に移動し、その位置を保持します。オープンループステッピングシステムは、適切なサイズであれば強力な位置制御を提供します。フィードバックがない場合、ステッピングモーターは、その能力を超える負荷中断が発生しない限り、正確なステップ数だけ移動します。アプリケーションの速度とダイナミクスが増加すると、オープンループステッピング制御ではシステム要件を満たさなくなる可能性があり、フィードバック付きのステッピングモーターまたはサーボモーターシステムへのアップグレードが必要になります。クローズドループシステムは、高精度で高速なモーションプロファイルと正確な位置制御を提供します。サーボシステムは、高速時にステッピングモーターよりも高いトルクを提供し、高い動的負荷や複雑なモーションアプリケーションでもより効果的に機能します。位置オーバーシュートが少ない高性能モーションを実現するには、反射負荷慣性がサーボモーター慣性と可能な限り一致している必要があります。アプリケーションによっては、最大10:1の不一致でも十分ですが、1:1の一致が最適です。ギア減速は、反射負荷の慣性が伝達比の2乗に比例して減少するため、慣性不一致の問題を解決するのに適した方法ですが、計算ではギアボックスの慣性を考慮する必要があります。