48Vロボティクス活用：産業オートメーションの効率と電力を向上

電気システムにおける効率とコスト効率への要求が、産業全体で48Vシステムの採用を推進しています。これらの高電圧システムは、特に高電力供給が不可欠な場面で、従来の12Vまたは24Vアーキテクチャより最適な代替となります。産業オートメーションと通信は、48Vを使用してモーター、アクチュエータ、その他の高電力機器を駆動します。

48Vシステム使用の利点には以下が含まれます：

• より大きな負荷を駆動：現代の電力要求を満たすのに苦労する12Vシステムとは異なり

• 低電流：高電圧により電流要求を4分の1に削減

• 電力損失削減：低電流は電力損失減、発熱減、高効率を意味し、より高い電圧で動作

• 高電力密度：統合48Vソリューションがより高い電力密度スペースを実現、クリーンエネルギーシステムで更なる航続距離と低エネルギー損失に変換

• 軽量ケーブル：細いケーブルがコスト削減、重量とスペース削減

電力配電システムの歴史

6V電力配電システムは、当時のバッテリー普及の影響を大きく受け、初期自動車の点火と照明の実用標準となりました。そのシンプルさと使いやすさが、ほとんどの自動車電気機能で優先選択肢となりました。24Vシステムが最初に試された——例えば1912年キャデラックの電気スターター——ものの、6Vシステムが急速に優勢となりました。

自動車技術が進歩するにつれ、ラジオ、ヒーター、後にはパワーウィンドウなどの電気アクセサリー需要が増大。これが電気システムにより大きな負担をかけ、6Vセットアップの限界を浮き彫りにしました。12Vシステムは重要な利点を提供しました：同じ電力出力で半分の電流しか必要とせず、過熱リスクを減らし、より軽量で管理しやすい配線を可能にしました。

信頼性の高い12V鉛蓄電池とオルタネーターの開発が移行をさらに支援。これらのコンポーネントが年々より容易に生産可能になり、コスト効率が良くなるにつれ、12Vシステムが新標準となりました。これにより、より高い電圧でより効率的に動作する照明とモーターを含む、互換性のある電気部品の設計と広範な採用につながりました。

従来システムの苦悩

AMT49100 3相BLDCゲートドライバー。（画像：Allegro）

現代の電力要求は、現在電力供給の主流である従来12Vシステムでは満たせません。12Vシステムの限界は、電力損失とケーブル太さなどの要因を考慮すると明確になります。

電力需要増大に伴い、12Vシステム内の電流も線形に増加します（P = V × I）。これにより、電源から負荷までの配線でより高い電力損失が生じます（Ploss = I² × R）。

これらの電力損失は不要な発熱とシステム効率低下として現れます。また、より高い電流管理にはより太く重いケーブルが必要で、システム設計に重量とコストを追加します。

産業オートメーション機器

これらの48Vシステムは、産業オートメーションとロボティクスでますます使用され、低電圧システムより高電力と改善された安全性を提供します。これには、産業用途のより高い電圧と電力要求を処理するよう設計されたモーター、センサー、ゲートドライバーなどのコンポーネントが含まれます。

これらのシステムの低電流は発熱と潜在的火災危険を削減します。より高電圧システムと比較し、48Vシステムはより少ない絶縁で済み、コンパクト設計の要因となり得ます。60V安全限界を下回るため、多くの場合SELV（安全超低電圧）と見なされ、非シールド機器との直接接触に安全に設計されています。

これらのシステムは、エネルギー損失削減、より速い制御、より小型軽量機器、向上した器用さ、改善された熱管理により、効率と精度を向上させます。

高効率48Vソリューション

ACS37220低抵抗電流センサー。（画像：Allegro）

Allegroは、ロボティクス用途全般の48Vシステム設計に使用可能な、幅広いセンサーと電力IC製品を提供します。Allegroの48Vソリューションによる電力損失削減は、マイルドハイブリッドの燃費向上、全電動車両の航続距離大幅延長、ソーラーインバーターのエネルギー変換効率改善に直結します。

Allegroのモーターとゲートドライバーは、自動車と産業オートメーションで使用される48Vモーターとアクチュエータの精密で効率的な制御を提供し、生産性と信頼性を向上。統合電流センサーICが高電圧用途をサポートし、デジタル位置センサーがモータードライバーを補完する堅牢性と信頼性を提供します。

自律移動ロボット（AMR）は、物流と検査のために動的環境をナビゲートし、精密な動作、堅牢なバッテリー管理、信頼性の高い障害物検出を要求します。Allegroの統合モータードライバー、位置決め用磁気センサーと負荷センシング、効率的な電力管理ICがAMR性能を向上、エネルギー使用を最適化、多様な設定での運用安全を確保します。

協働ロボット（コボット）は人間と安全に協働し、精密な動作、高度な安全機能（SIL-2/3）、関節用の効率的な電力を要求します。Allegroの48Vゲートドライバー、高分解能位置センサー、精密電流センサーが堅牢な関節性能、信頼性の高いブレーキ、最適化された電力管理を実現し、信頼性の高い人間-ロボット協働を可能にします。

ヒューマノイドロボットは人間のような動作と相互作用を目指し、高度なアクチュエーション、動的バランス、複雑な知覚を要求します。Allegroの高度サーボモーター制御、多機能マルチ軸位置センシング、効率的な電力管理技術が、ヒューマノイドロボットの多数の関節で要求される複雑なメカニズムと要求性能の基盤となります。

なぜ48V止まりなのか？

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 ACS37220電流センサー評価ボード（左）。APEK85111KNH-02-T-MH AHV85111絶縁ゲートドライバー評価ボード（右）。（画像：Allegro）

この限界の主な要因は、満たさなければならない安全基準でした。ULやNFPAなどの組織は、60V未満の電圧をSELVとして分類し、非シールド機器との人体接触に安全と見なします。48V超のシステムは、適切な絶縁と分離を確保するためにより堅牢なコンポーネントとエンジニアリングを必要とし、全体的なコストと複雑性を増大させます。

48Vシステムがコスト効率良い可能性がある一方、より高電圧システムは、専門コンポーネントと配線の必要性により、多くの場合より高い初期費用を伴います。設計はより複雑になりがちで、専門部品がより高価またはより複雑な製造プロセスを要求するため、実装コストも高くなります。

人工知能革命の電力供給

低レイテンシAI応答の提供には大量のコンピューティング電力が必要で、データセンターのエネルギー需要を大幅に増加させます。効率改善と冷却要件削減のため、データセンターは12Vから48V電力システムへ移行しています。

電源設計の革新がこのシフトを支援し、将来の開発は電源性能と密度の向上を目指します。結果として、データセンターは高性能サーバー、高度冷却システム、堅牢な電力インフラを装備し、ワークロードを効果的に管理する必要があります。

データセンター運営者は、液冷、再生可能エネルギー源、サーバー仮想化などのエネルギー効率技術をますます採用し、カーボンフットプリント削減と運用コスト低減を図っています。

結論

12Vから48Vシステムへのシフトは、効率改善と冷却要件削減の必要性によって駆動されます。産業オートメーションでは、これらのシステムが低電圧オプションより高電力と強化された安全性を提供します。

モーター、センサー、ゲートドライバーなどのコンポーネントが48Vシステム専用に設計され、安全性、電力出力、可動性、コスト削減に焦点を当てています。幅広い48V製品で、Allegroはより高い統合、スペースとエネルギー節約を可能にするソリューションを提供し、あなたがアプリケーションに集中できるよう支援します。

Rich MironはDigiKey（Thief River Falls, MN）シニアテクニカルコンテンツデベロッパーです。詳細については、こちらをご覧ください。