油圧から電動アクチュエータへの移行：検討すべき重要ポイント

グローバル化による競争激化の中で、製造業者はコアプロセスの変革により優位性を維持しようとしています。これには油圧システムから電動システムへの転換も含まれます。

油圧シリンダーと電動アクチュエータの両方が、多くの直線運動アプリケーションでメリットを提供します。油圧は低コストで高推力を実現しますが、電動アクチュエータは同等の能力に加え、柔軟性、精度、信頼性を備えています。

本記事では、油圧システムから電動アクチュエータへの転換の性質、関わる主要パラメータ、潜在的メリットを理解していただくお手伝いをします。

検討すべき主要パラメータ

油圧システムから電動アクチュエータへの転換時に検討すべき主要パラメータは以下の通りです。

推力

油圧シリンダーは高圧で動作するよう設計されています。例えば、3インチの油圧シリンダーを2,200 psiで運転すると、約15,000ポンド（約6,800 kg）の推力が得られます。一方、ローラースクリュー駆動の電動アクチュエータは50,000 lbf（約22,700 kg）の推力を発揮可能です。

電動アクチュエータは瞬時に推力を発生できるため魅力的ですが、油圧システムは圧力上昇に時間を要します。

モーション制御

電動アクチュエータは油圧シリンダーよりはるかに精密な制御が可能です。電動モーターはエンコーダーなどのフィードバックデバイスで迅速かつ容易に制御できるためです。また、電動アクチュエータは無限の位置決めが可能で、ストローク上の任意のポイントで停止できます。

一方、油圧シリンダーはバルブで流量を制御するため精度は劣りますが、シンプルなアプリケーションでは最適に機能します。

温度耐性

電動アクチュエータは油圧シリンダーより広い温度範囲で動作可能です。電動モーターの方が極端な温度に耐性があるためです。油圧フルードは高温で劣化し、システム損傷の原因となります。

データ収集

電動アクチュエータは位置、速度、推力などのデータを収集できます。このデータはシステム効率改善に活用できます。油圧シリンダーにはこの機能がありません。

環境リスク

電動アクチュエータは油圧シリンダーのような環境リスクを持ちません。油圧フルードは漏れると環境を汚染しますが、電動アクチュエータは電気で駆動するため環境に無害です。

ライフサイクルコスト

電動アクチュエータは油圧シリンダーよりライフサイクルコストが低くなります。油圧フルードの定期交換が不要で、電動アクチュエータの方が寿命が長いためです。

油圧から電動への転換プロセス

油圧システムから電動アクチュエータへの転換には多くの理由があります。電動アクチュエータのメリットにより、自動車、換気装置、冷蔵庫など電動モーターを用いる機械の多くのアプリケーションで魅力的な選択肢となります。

転換の第一歩は、「流体動力に基づくサイジングをやめること」です。エンジニアは、多くの流体動力シリンダーが必要サイズの2〜3倍で設計されていることを念頭に置く必要があります。

流体動力に基づくサイジングに頼ると、オーバーサイズの油圧シリンダーの推力出力が、アプリケーション仕様より大きく見える問題が生じます。シリンダーが大きくなるほど推力能力が増すためです。

これにより2つの具体的な問題が発生します：

• 第一に、アプリケーションの推力要件が、電動アクチュエータで提供可能な値より高く見えてしまう。
• 第二に、電動アクチュエータの購入価格は油圧シリンダーより高い傾向があり、オーバーサイジングはコスト面からも非現実的になる。

実際の推力要件の特定

電動アクチュエータを検討する前に、エンジニアはアプリケーションの実際の推力要件を明確にする必要があります。そのために一連のテストを実施すべきです。

これらのテストでアクチュエータに必要な推力出力が特定でき、電動アクチュエータ選定の重要なステップとなります。テストは全ストローク範囲、異なる速度、様々な負荷条件で実施すべきです。

1. ピーク推力の決定

一連のテスト実施後、エンジニアはアプリケーションに必要な推力を明確に把握し、ピーク推力を決定できます。

ピーク推力とは、アプリケーションが必要とする最大推力です。油圧システムの圧力を、シリンダーがギリギリ動作するレベルまで下げることで特定できます。

実際の圧力を「推力＝圧力×面積」の式に用いるのは実際の推力を求める良い方法ですが、このプロセスではアプリケーションのピーク推力しか特定できず、伸縮サイクル全体での推力マッピングはできません。

2. ロードセルの設置

次のステップはロードセルの設置です。ロードセルは推力を測定するセンサーの一種で、重量計など推力の精密測定が必要なアプリケーションで使用されます。

この場合、ロードセルで電動アクチュエータの推力出力を測定し、その精度を確保するとともに、伸縮サイクル全体での推力マッピングに活用します。

ロードセルの測定値は、パーソナルコンピュータやデータ収集システムでアクセス、評価、記録可能です。ロードセルには多くの種類があるため、アプリケーションに適したものを選ぶことが重要です。

電動アクチュエータ転換のメリットを最大限に活かす

油圧シリンダーから電動アクチュエータへの転換は困難に思えるかもしれませんが、精度向上、安全性向上、信頼性向上など多様なメリットをもたらします。

モーションパラメータのプログラマブル制御、再現性、データ収集・レポート機能を提供します。また、電動アクチュエータは油圧シリンダーよりメンテナンスが容易です。

本記事で述べた重要パラメータとその他の要因を転換時に念頭に置けば、プロセスは 훨씬スムーズになります。

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