ハーネス 48V ロボティクス:産業オートメーションの効率と電力を向上

電気システムの効率と費用対効果に対する需要により、業界全体で 48V システムの採用が推進されています。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合に、従来の 12 または 24 V アーキテクチャに代わるより最適な代替手段を提供します。産業オートメーションと通信では、48 V を利用してモーター、アクチュエーター、その他の高電力機器に電力を供給します。

48V システムを使用する利点は次のとおりです。

• より大きな負荷を駆動する: 現代の電力要件を満たすのに苦労している 12V システムとは異なります

• 電流が低い: 電圧が高いと電流要件が 4 倍削減されます

• 電力損失の削減: 電流が低いということは、電力損失が少なく、放散される熱が少なく、効率が高いことを意味します。より高い電圧で動作

• より高い電力密度: 統合された 48V ソリューションにより、より高い電力密度の空間が実現し、クリーン エネルギー システムにおける走行距離の延長とエネルギー損失の低減につながります

• ケーブル配線の軽量化: ケーブルが細いほどコストが削減され、重量とスペースが削減されます。

配電システムの歴史

6V 配電システムは、当時のバッテリーの普及の影響を大きく受けて、初期の自動車の点火と照明の実用的な標準となりました。そのシンプルさと使いやすさにより、人気の選択肢となりました。当初は 24V システムが試用されましたが、たとえば 1912 年のキャデラックには電動スターターが搭載されていましたが、ほとんどの自動車電気機能では 6V システムがすぐに主流になりました。

自動車技術が進歩するにつれて、ラジオ、ヒーター、さらにはパワー ウィンドウなどの電気アクセサリの需要も高まり始めました。これにより、電気システムに大きな負担がかかり、6V セットアップの限界が浮き彫りになりました。 12V システムには重要な利点がありました。同じ電力出力の場合、必要な電流は半分だけであるため、過熱のリスクが軽減され、より軽量で扱いやすい配線の使用が可能になります。

信頼性の高い 12V 鉛蓄電池とオルタネーターの開発が、この移行をさらにサポートしました。これらのコンポーネントの製造が年々容易になり、コスト効率も向上したため、12V システムが新しい標準になりました。これにより、高電圧でより効率的に動作する照明やモーターなど、互換性のある電気部品が設計され、広く採用されるようになりました。

従来のシステムの闘争

AMT49100 3 相 BLDC ゲート ドライバー。 （画像：アレグロ）

現在の電力供給の主流である従来の 12V システムでは、現代の電力需要を満たすことができません。 12V システムの限界は、電力損失やケーブルの太さなどの要素を考慮すると明らかになります。

電力需要が増加すると、12V システム内の電流も直線的に増加します (P =V * I)。これにより、電源から負荷までの配線に沿った電力損失が増加します (Ploss =I2 * R)。

これらの電力損失は、不要な熱やシステム効率の低下として現れます。また、より大きな電流を管理するには、より太くて重いケーブルが必要となり、システム設計の重量とコストが増加します。

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やロボット工学での使用が増えており、低電圧システムよりも高い電力と安全性の向上を実現します。これには、産業用アプリケーションのより高い電圧と電力の需要に対応するように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。

これらのシステムに存在する電流が低いため、発熱と潜在的な火災の危険が軽減されます。より高い電圧システムと比較して、48V システムは必要な絶縁が少なく、これがコンパクトな設計の要因となる可能性があります。それらは 60V の安全制限を下回るため、多くの場合 SELV (安全超低電圧) とみなされます。これは、シールドされていない機器との直接接触に対して安全であるように設計されていることを意味します。

これらのシステムは、エネルギー損失を削減することで効率と精度を向上させ、より高速な制御を可能にし、機器の小型軽量化、機敏性の向上、熱管理の向上を可能にします。

高効率の 48V ソリューション

ACS37220 低抵抗電流センサー。 （画像：アレグロ）

Allegro は、無数のロボット アプリケーションにわたる 48 V システムの設計にすぐに使用できる幅広いセンサーおよびパワー IC 製品を提供しています。 Allegro の 48 V ソリューションによる電力損失の削減は、マイルド ハイブリッドの燃費の目に見える向上につながり、すべての電動車両の航続距離を大幅に延長し、ソーラー インバーターのエネルギー変換効率を向上させます。

Allegro のモーターとゲート ドライバーは、自動車および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ーに正確かつ効率的な制御を提供し、生産性と信頼性を向上させます。統合された電流センサー IC は高電圧アプリケーションをサポートし、デジタル位置センサーはモーター 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、物流や検査のための動的な環境をナビゲートし、正確な動作、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 の統合されたモーター ドライバー、位置決めおよび負荷検知用の磁気センサー、効率的な電源管理 IC は、AMR パフォーマンスを向上させ、エネルギー使用量を最適化し、さまざまな設定での動作の安全性を確保します。

協働ロボット (協働ロボット) は人間と安全に連携し、正確な動作、高度な安全機能 (SIL-2/3)、多関節関節の効率的な電力を必要とします。 Allegro の 48V ゲート ドライバー、高解像度位置センサー、正確な電流センサーにより、信頼性の高い人間とロボットのコラボレーションのための堅牢な結合パフォーマンス、信頼性の高いブレーキ、最適化された電力管理が可能になります。

ヒューマノイド ロボットは人間のような動作とインタラクションを目指しており、洗練された作動、動的なバランス、複雑な認識が要求されます。 Allegro の高度なサーボ モーター制御、多用途の多軸位置検出、効率的な電力管理テクノロジーは、人型ロボットの多数の関節に必要な複雑な機構と要求の厳しいパフォーマンスの基礎となります。

なぜ 48V で停止するのですか?

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 ACS37220 電流センサー用の評価ボード (左)。 APEK85111KNH-02-T-MH AHV85111 絶縁型ゲートドライバー用評価ボード (右)。 （画像：アレグロ）

この制限の背後にある主な要因は、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、シールドされていない機器と人が接触しても安全であると考え、60 V 未満の電圧を SELV として分類しています。 48V 以上で動作するシステムには、適切な絶縁と絶縁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が必要であり、全体のコストと複雑さが増加しました。

48V システムはコスト効率が高い可能性がありますが、高電圧システムでは特殊なコンポーネントや配線が必要なため、多くの場合初期費用が高くなります。特殊な部品はより高価であるか、より複雑な製造プロセスを必要とするため、設計はより複雑になる傾向があり、実装にはよりコストがかかる可能性があります。

人工知能革命を推進する

低遅延の AI 応答を提供するには、相当なコンピューティング能力が必要となり、データセンターのエネルギー需要が大幅に増加します。効率を向上させ、冷却要件を削減するために、データセンターは電源システムを 12V から 48V に移行しています。

電源設計の革新がこの変化をサポートしており、将来の開発は電源の性能と密度の向上を目指しています。したがって、データセンターには、ワークロードを効果的に管理するために、高性能サーバー、高度な冷却システム、堅牢な電力インフラストラクチャを装備する必要があります。

データセンター運営者は、二酸化炭素排出量を削減し、運用コストを削減するために、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の高いテクノロジーをますます導入しています。

結論

12V システムから 48V システムへの移行は、効率の向上と冷却要件の削減の必要性によって推進されています。産業オートメーションでは、これらのシステムは、低電圧オプションと比較して、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は、安全性、出力、可動性、コスト削減に重点を置いて、48V システム専用に設計されています。 Allegro は幅広い 48V 製品を提供し、高度な統合とスペースとエネルギーの節約を可能にし、お客様がアプリケーションに集中できるソリューションを提供します。

Rich Miron は、DigiKey (ミネソタ州シーフ リバー フォールズ) のシニア テクニカル コンテンツ開発者です。詳細については、 ここをご覧ください。