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リニアモーションデザインエンジニアリング

モーターは、ローターとステーターの磁界の相互作用によってトルクと回転力を生み出します。理想的なモーター(機械部品が完璧に機械加工・組み立てられ、電界が瞬時に増加・減少するモーター)では、トルク出力は完全に滑らかで、変動はありません。しかし現実の世界では、たとえわずかな量であっても、トルク出力にばらつきを引き起こす様々な要因が存在します。通電中のモーターの出力トルクのこの周期的な変動は、トルクリップルと呼ばれます。

数学的には、トルクリップルは、モーターの 1 回転で生成される最大トルクと最小トルクの差を、1 回転で生成される平均トルクで割った値として定義され、パーセンテージで表されます。

直線運動アプリケーションにおいて、トルクリップルの主な影響は、動作の不安定化です。軸を特定の速度まで加速するにはモータートルクが必要であるため、トルクリップルは速度リップル、つまり「ぎくしゃくした」動作を引き起こす可能性があります。機械加工やディスペンシングなどのアプリケーションでは、この不安定な動作がプロセスや最終製品に重大な影響を及ぼす可能性があります。例えば、加工パターンの目に見えるばらつきや、塗布された接着剤の厚さのばらつきなどが挙げられます。一方、ピックアンドプレースなどのアプリケーションでは、トルクリップルと動作の滑らかさは、重大な性能問題とはならない場合があります。つまり、粗さが振動や可聴ノイズを引き起こすほど深刻でない限り、特に振動がシステムの他の部分に共振を励起するような場合は、この限りではありません。

モーターが生成するトルクリップルの量は、モーターの構造と制御方法という 2 つの主な要因によって決まります。
モーターの構造とコギングトルク

ブラシレスDCモーター、ステッピングモーター、同期ACモーターなど、ローターに永久磁石を使用するモーターでは、コギング、またはコギングトルクと呼ばれる現象が発生します。コギングトルク(ステッピングモーターではディテントトルクと呼ばれることが多い)は、ローターの特定の位置において、ローターとステーターの歯が引き合うことによって発生します。

コギング トルクは、通常は電源が入っていないモーターを手で回したときに感じられる「ノッチ」に関連付けられますが、モーターに電源が入っているときにも存在し、その場合は特に低速で動作しているときに、モーターのトルクリップルに影響します。

コギングトルクと、それによって生じるトルクの不均一性を軽減する方法はいくつかあります。例えば、磁極とスロットの数を最適化すること、そして磁石とスロットを斜めにしたり形状を変えたりして、あるデテント位置から次のデテント位置への重なりを作り出すことです。また、新しいタイプのブラシレスDCモーター(スロットレス、またはコアレス設計)では、巻線型ステーターコアを使用することでコギングトルク(ただしトルクリップルは排除)を排除しています。ステーターコアには、ローター磁石との間に周期的な吸引力と反発力を生み出す歯がありません。
モーターの整流とトルクリップル

永久磁石ブラシレスDCモーター(BLDCモーター)と同期ACモーターは、ステータの巻線方法と整流方式によって区別されることが多いです。永久磁石同期ACモーターは、ステータに正弦波巻線を使用し、正弦波整流方式を採用しています。つまり、モーターへの電流は連続的に制御されるため、トルク出力は非常に一定で、トルクリップルは低くなります。

モーション制御アプリケーションでは、永久磁石AC(PMAC)モータは、フィールドオリエンテッドコントロール(FOC)と呼ばれるより高度な制御方式を採用する場合があります。フィールドオリエンテッドコントロールでは、各巻線の電流を個別に測定・制御するため、トルクリップルがさらに低減されます。この方式では、電流制御ループの帯域幅とフィードバックデバイスの分解能も、トルク生成の品質とトルクリップルの量に影響します。また、高度なサーボドライブアルゴリズムにより、極めて繊細なアプリケーションにおいてトルクリップルをさらに低減、あるいは完全に除去することも可能です。

PMACモーターとは対照的に、ブラシレスDCモーターは台形巻のステータを有し、通常は台形整流を使用します。台形整流では、3つのホールセンサーが60電気角ごとにローターの位置情報を提供します。つまり、巻線には方形波状の電流が流れ、モーターの電気サイクルごとに6つの「ステップ」が存在します。しかし、巻線のインダクタンスにより、巻線の電流は瞬時に上昇(または下降)できないため、ステップごとに、つまり60電気角ごとにトルクが変動します。

トルクリップルの周波数はモーターの回転速度に比例するため、高速回転時には、モーターと負荷の慣性がこの不安定なトルクの影響を平滑化します。BLDCモーターのトルクリップルを低減する機械的な方法としては、ステーターの巻線数を増やす、またはローターの極数を増やすなどがあります。また、PMACモーターと同様に、BLDCモーターでは正弦波制御やベクトル制御を用いてトルク発生の平滑性を向上させることができますが、これらの方法はシステムのコストと複雑さを増加させます。


投稿日時: 2022年3月21日
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