モーター&ドライブ・システムのサイジング：アンダーサイジングとオーバーサイジングを避けて最適性能を引き出す

適切なサイジングはモーター選定の重要な側面です。モーターがアンダーサイジングだと、負荷を制御できず、オーバーシュートとリンギングを引き起こします。

オーバーサイジングもアンダーサイジングと同じくらい悪いです。負荷を制御できるかもしれませんが、より大型・重量になり、価格と運用コストの両面でより高価になります。物理的に収まらない可能性があり、制御キャビネットやショップ・フロアの貴重なスペースを消費します。

モーター購入時に考慮すべきこと

ベンダーが特定馬力のモーターを求める電話を受けることは非常に頻繁です。エンジニアが前のプラットフォームと同じサイズのモーターを買うかもしれません。変更を補うために多めの安全マージンを追加したかもしれません。負荷慣性とモーター慣性の10:1または5:1の比率を使ったかもしれません。あるいはこれらの混合かもしれません。

目標は、負荷を指定位置と希望時間で位置決めするために必要な速度、加速度、トルクを提供するモーターを指定することです。モーター間のバラツキや機械の予想運転条件変化を補うための安全マージンを含めてもよいですが、安全マージンは情報に基づいた計算の上に追加すべきです。

よくある間違いは、アプリケーションの最大トルク要件（通常は極端な加速/減速時に見られる）と等しい連続定格トルクを持つモーターを選ぶことです。 モーション制御アプリケーションは頻繁に短時間の急速な動きで構成されます。このトルクを連続的に発生する定格のモーターを選ぶことは、本質的に必要以上のモーターに支払うことを意味します。

モーター・ドライブ・サイジング

モーターを効果的にサイジングするには、負荷慣性（JL）を計算する必要があります。負荷慣性とモーター慣性（本質的にロータ慣性）の比率は、モーターが負荷をどれだけ効果的に制御できるかの尺度になります。高い慣性比は、負荷制御に難があるシステムを示します。低い慣性比（例：4:1または1:1）は、モーターが負荷を非常に効果的に制御できることを示しますが、同時にシステムに対してモーターがオーバーサイズであることも明らかにします。

設計者は実際の負荷、ギアボックス、モーターを含めることが多いですが、ベルト、プーリー、その他の機械要素を計算から除外しがちです。ただ次のメジャー・サイズに進むか、同じフレーム・サイズでよりトルクの大きいものを使います。これが10%オーバーサイズ・アプローチの由来です。

選定プロセスには、データ収集と詳細な分析が含まれます。メカニカル・システム、運転パラメータ、機器が使用される状況の知識が必要です。また、運転環境の詳細も含める必要があります。早期段階で考慮されないと、選定システムが適さない可能性があります。

慣性（加速度変化に抵抗する物体の傾向）は、モーション制御における主要な課題の一つです。モーターは、直線システムでは十分な力、回転システムでは十分なトルクを適用し、負荷の加速度を制御された方法で変化させられる必要があります。

サイジング手順で考慮すべき主な制約は以下の通りです：

• ピーク・トルク
• RMSトルク
• 最大速度
• モーター速度-トルク特性

さらに、2つのアプリケーション体制を考慮する必要があります：

• 連続定格アプリケーション
• 間欠定格アプリケーション

これら二つの体制の違いは、旋盤で説明できます。旋盤のスピンドル・ドライブは、一定速度で一定負荷下で運転するため連続定格アプリケーションです。軸ドライブは、必要な工具パスを追従するために加速/減速が必要なため、間欠定格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継続的に速度を変化させます。ギア比の選択と、モーターが発生するトルクとの関係を完全に考慮する必要があります。負荷が一定速度またはトルクで動作する必要がある場合、最適ギア比を決定できます。実際には、外部負荷トルクの有無による加速、可変負荷慣性の影響などを考慮する必要があります。

負荷の必要速度範囲の知識と、必要ギア比の初期見積もりにより、ピーク・モーター速度を見積もれます。電源電圧変動によりモーターが必要速度に達しないのを防ぐには、必要最大速度を1.2倍する必要があります。この係数はほとんどの産業アプリケーションで満足できますが、航空機や洋上石油プラットフォームのような制限付き電源で動作する特殊アプリケーションでは調整が必要かもしれません。

電圧

モーターのピーク速度は電源電圧に依存するため、低電圧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、公称電源電圧の80%でピーク速度で運転できるようにサイズ設定されます。システムが電圧低下や停電に弱い電源から供給される場合、ドライブ、そのコントローラー、負荷が損傷から保護されるよう相当な注意が必要です。これはマイクロプロセッサー・システムで特に深刻で、適切に設定されていないと、予告なしにロックアップやリセットが発生し、壊滅的な状況を招く可能性があります。

加速性能が最優先の場合、モーター慣性を反映負荷慣性に加え、必要レートでこの総慣性を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。この値の1.5〜2倍以上のピーク・トルク能力を持つモーター・ドライブ組み合わせが必要です。

モーター・ドライブ組み合わせのピーク・トルクは、推定摩擦トルク＋加速トルク＋加速中に存在する連続トルク負荷の合計を、少なくとも15%の安全マージンで超える必要があります。達成できない場合、別のモーターまたはギア比が必要です。

非常に高性能な機械では、最新のオートチューニング・ドライブが機械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性能を支援します。電磁両立性はシステムの設計とアプリケーションに相当な影響を与えます。

動力伝達コンポーネント

モーターの機械的要件は、サイジングと選定手順の早期段階で特定する必要があります。機械設計に起因する寸法と向きの制約など、頻繁に見落とされる項目があります。

これらを早期に特定できれば、機器設置後の不満足な性能を防止できます。特に、モーターが垂直取り付けの場合、特殊なシミングやベアリング・プリロードが必要になることがあります。

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・サイジング手順で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る支持方法です。多くの種類があり、最も一般的なのはローラーとボール・ベアリングです。

ギアボックス

従来のギア・トレインは、入力軸と出力軸の間で角速度とトルクを変えるための2つ以上のギアで構成されます。ギアボックスは慣性管理の重要なツールです。ギアボックスは慣性をギア比の二乗で減らします。トレードオフは、ギアボックスはモーター速度も落とすことです。ほとんどのサーボ・モーターは2000〜6000rpmで動作するため、高減速比ギアボックスを使っても有用な速度で動作できます。

スパー・ギアまたはヘリカル・ギアが従来のギア・トレインで通常使用されます。スパー・ギアは軸方向力を最小限に抑える利点があり、ギア・ベアリングの動きの問題を軽減します。

ヘリカル・ギアはロボット・システムで広く使用され、同じ速度変化比でスパー・ギアより高い接触比を得られます。ペナルティは軸方向ギア・ロードです。

ギア伝達の限界要因は歯の剛性で、アプリケーションに実用的な最大径ギア・ホイールを選び、個々のギア間のバックラッシュ（ロスト・モーション）を最小化することで最大化できます。

リード・スクリューとボール・スクリュー

リード・スクリューでは、ネジとナットが直接接触するため、比較的高い摩擦と非効率な駆動になります。精密アプリケーションでは、低摩擦で良好な動的応答が得られるためボール・スクリューが使用されます。

ボール・スクリューは原理的にリード・スクリューと同一ですが、ナットのねじ山を介してリニア・ボール・ベアリングでナットに動力が伝達されます。

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、モーターと負荷間の動力伝達として効果的で、同期性を維持しながら可能です。

リニア・ドライブ・アプリケーションでは、リード・スクリューとボール・スクリューに適用された同じ手順をベルト・ドライブに適用できます。

モーター・サイジングの非常に良い参考資料はウェブで見つかります：
https://www.electricmotors.com/sizing.html