モーターとドライブシステムのサイジング

適切なサイジングは、モーターの選択の重要な側面です。 。モーターのサイズが小さすぎると、負荷を制御できなくなり、オーバーシュートやリンギングが発生します。

システムのサイズを大きくすることは、サイズを小さくすることと同じくらい悪いことです。負荷を制御することはできますが、価格と運用コストの点で、より大きく、より重く、より高価になります。それは物理的に適合しないかもしれません、そしてそれは確かにより多くの費用がかかります。コントロールキャビネットや製造現場の貴重なスペースを使い果たします。

モーターを購入する際の考慮事項

非常に頻繁に、ベンダーは特定の馬力のモーターを要求する電話を受けるだけです。エンジニアは、以前のプラットフォームと同じサイズのモーターを購入している可能性があります。彼らは、変更を補うために多額の安全マージンを追加した可能性があります。負荷と慣性とモーターの慣性の比率を10：1または5：1、または上記の混合物を使用した可能性があります。

目標は、指定された場所と目的の時間に負荷を配置するために必要な速度、加速度、およびトルクを提供するモーターを指定することです。これには、モーター2モーターの変動または機械の運転状態の予想される変化を補償するように設計された安全マージンが含まれる場合があります。ただし、十分な情報に基づいた計算に加えて、安全マージンを追加する必要があります。

よくある間違いは、アプリケーションの最大トルク要件に等しい連続使用トルクのモーターを選択することです（通常、極端な加速/減速中に見られます ）。 モーションコントロールアプリケーション 多くの場合、短時間の迅速な動きで構成されます。このトルクを継続的に生成する定格のモーターを選択するということは、本質的に必要以上のモーターにお金を払うことを意味します。

モータードライブのサイジング

モーターのサイズを効果的に設定するには、負荷イナーシャ（JL）を計算する必要があります。負荷慣性とモーター慣性の比率（基本的に、ローター慣性 ）モーターが負荷をどれだけ効果的に制御できるかを測定します。高い慣性比は、負荷の制御が困難になるシステムを示します。低い慣性比（たとえば、4：1または1：1）は、モーターが負荷を制御するのに非常に効果的な仕事をすることを示しますが、モーターがシステムに対して特大である可能性があることも明らかにします

多くの場合、設計者は実際の負荷、ギアボックス、およびモーターを含めますが、ベルト、プーリー、およびその他の機械的なものは方程式から除外します。次のメジャーサイズに移動するか、同じフレームサイズを使用しますが、トルクが大きくなります。これが、10％の特大アプローチ全体の由来です。

選択プロセスには、データの収集とそれに続く詳細な分析が含まれます。機械システム、動作パラメータ、および機器が使用される状況に関する知識が必要です。また、運用環境の詳細も含める必要があります。これらが初期段階で考慮されていない場合、選択したシステムが適切でない可能性があるためです。

慣性 –加速度の変化に抵抗するオブジェクトの傾向–は、モーションコントロールの主要な課題の1つです。 。モーターは、負荷の加速度を変更し、制御された方法で変更するために、十分な力（線形システムの場合）またはトルク（回転システムの場合）を適用できる必要があります。

サイジング手順中に考慮しなければならない主な制約は、次のように要約できます。

• ピークトルク
• RMSトルク
• 最高速度
• モーター速度-トルク特性

さらに、2つの適用体制を考慮する必要があります。

• 継続的な義務の適用
• 断続的な義務の申請

これらの2つの適用レジームの違いは、旋盤で説明できます。旋盤のスピンドルドライブは、一定の負荷の下で一定の速度で動作するため、連続使用のアプリケーションです。軸駆動は、必要な工具経路をたどるのに必要な加速と減速のため、断続的なデューティアプリケーションです。

速度とモーター

ロボットと工作機械のドライブは、必要なモーションプロファイルを生成するために絶えず速度を変更します。ギア比の選択とモーターの生成トルクとの関係を十分に考慮する必要があります。負荷が一定の速度またはトルクで動作する必要がある場合は、最適なギア比を決定できます。実際には、考慮すべきケースには、外部から加えられた負荷トルクがある場合とない場合の加速、および可変負荷慣性の影響が含まれます。

負荷の必要な速度範囲と必要なギア比の初期推定値を知っていると、モーターのピーク速度を推定できます。供給電圧の変動によりモーターが必要な速度に達しないようにするには、必要な最高速度を1.2倍に上げる必要があります。この係数は、ほとんどの産業用アプリケーションにとって十分です。 、ただし、航空機や海洋石油プラットフォームなどの多様なアプリケーションで見られるように、システムが制限された供給で動作する必要がある場合など、特別なアプリケーション用に改良される場合があります。

電圧

モーターのピーク速度は供給電圧に依存するため、低電圧の期間を考慮する必要があります。ガイドラインとして、ドライブは通常、公称供給電圧の80％でピーク速度で動作できるサイズになっています。システムが電圧低下または停電に対して脆弱な電源から給電される場合、ドライブ、そのコントローラー、および負荷が損傷から保護されるように、かなりの注意を払う必要があります。これはマイクロプロセッサシステムでは特に深刻であり、適切に構成されていないと、警告なしにロックアップまたはリセットされ、壊滅的な状況が発生する可能性があります。

加速性能がすべて重要である場合、モーターイナーシャを反射負荷イナーシャに追加する必要があり、この総イナーシャを必要な速度で加速するために必要なトルクを決定する必要があります。 モーターとドライブの組み合わせ 十分なトルク能力を確保するには、この値の少なくとも1.5〜2倍のピークトルク能力が必要になります。

モーターとドライブの組み合わせのピークトルクは、少なくとも15％の安全マージンで、推定摩擦トルクと加速トルクの合計に、加速中に存在する連続トルク負荷を加えたものを超えている必要があります。これが達成できない場合は、別のモーターまたはギア比が必要になります。

非常に高性能なマシンでは、最新の自動調整ドライブがマシンの共振と振動を非常に効果的に補償し、非常に高速でも正確なパフォーマンスをサポートします。電磁両立性は、システムの設計とアプリケーションにかなりの影響を及ぼします。

動力伝達部品

モーターの機械的要件は、サイジングおよび選択手順の早い段階で特定する必要があります。見落とされがちなアイテムには、機械設計に起因する寸法および方向の制限が含まれます。

これらを早期に特定できれば、機器を設置した後のパフォーマンスの低下を防ぐことができます。特に、モーターが垂直位置に取り付けられている場合は、特別なシミングまたはベアリングの予圧が必要になる場合があります。

ドライブ要件の決定において、摩擦トルクはおそらくモーターサイジング手順の最も難しい側面です。 。

ベアリング

回転軸の場合、ベアリングが最も広く使用されている支持方法です。さまざまなタイプが利用可能ですが、最も一般的なのはローラーベアリングとボールベアリングです。

ギアボックス

従来の歯車列は、入力軸と出力軸の間の角速度とトルクを変更するための2つ以上の歯車で構成されています。ギアボックスは、慣性を管理するための重要なツールを提供します。ギアボックスは、ギア比の2乗で慣性を低減します。トレードオフは、ギアボックスもモーター速度を下げることです。 。ほとんどのサーボモーターは2000〜6000rpmの速度で動作するため、高減速比のギアボックスを使用した場合でも、有用な速度で動作できます。

平歯車またはらせん歯車は通常、従来の歯車列内で使用されます。平歯車には、軸方向の力が最小限に抑えられるという利点があり、歯車のベアリングの動きの問題が軽減されます。

はすば歯車は、同じ速度変化率の平歯車に比べて接触率が高く、軸方向の歯車荷重が不利になるため、ロボットシステムで広く使用されています。

歯車の伝達を制限する要因は、歯車の歯の剛性です。これは、個々の歯車間のバックラッシュや失われた動きを最小限に抑えながら、アプリケーションに実用的な最大直径の歯車を選択することで最大化できます。

リードとボールスクリュー

親ねじでは、ねじとナットが直接接触するため、摩擦が比較的大きくなり、駆動が非効率になります。精密な用途では、摩擦が少なく動的応答が良好なボールねじが使用されます。

ボールねじは原理的に親ねじと同じですが、ナットのねじ山にあるリニアボールベアリングを介して動力がナットに伝達されます。

ベルトドライブ

歯付きベルトまたはチェーンドライブの使用は、同期性を維持しながら、モーターと負荷の間の動力伝達の効果的な方法です。

リニアドライブの用途では、親ねじとボールねじに適用されたのと同じ手順をベルトドライブに適用できます。

モーターのサイジングに関する非常に優れたリファレンスは、次のWebサイトにあります。
http://www.electricmotors.com/sizing.html