モータの選択に対するトルク、ラジアル、アキシアル荷重の影響

バレンティン・ラシュケ | 2023 年 7 月 7 日

特定の用途に合わせてモーターを選択するのは困難な作業となる場合があります。 アプリケーションに必要な電圧、最大電流と直径、速度、効率、電力など、多くの要素を考慮する必要があります。 これらの考慮事項と他の固有のアプリケーション要件のバランスを取ることは、理想的なモーターを確実に選択するのに役立ちます。 モーション ソリューション チームと設計エンジニアリング チーム間のコラボレーションは、最初から不可欠です。

ミニチュアモーターの選択について最初にサプライヤーに問い合わせるときは、「アプリケーションの特定の動作点、または必要なトルクと速度は何ですか?」という重要な質問に対処する必要があります。 モーターの負荷を理解すると、必要なモーター出力と必要なアクセサリを特定するのに役立ちます。 モーターをアプリケーションにどのように統合するかを議論することも重要です。 さまざまな種類の負荷は、必要なモーターの設計、モーターの寿命と信頼性に大きな影響を与えます。

トルク、ラジアル、アキシアル荷重は、一般的な小型モーターの用途に存在するさまざまな種類の荷重です。 これらはモーターの選択プロセスにとって非常に重要です。

トルクとは、モーターの動作中に発生する回転力の量です。 (上の図 1 を参照してください。) モーターの一般的な目的は、電気エネルギー (Pelec = 電圧 x 電流) を機械エネルギー (Pmech = トルク x 回転速度) に変換することであるため、回転モーターのほぼすべてのアプリケーションにトルク負荷が存在します。 。

通常、必要なトルク値「x」に基づいてモーターを選択するだけでは不十分です。 モーターは過熱することなく必要な機械的出力を提供する必要があるため、アプリケーションで必要なトルク (および速度) は動作サイクル全体にわたって理解する必要があります。 モーションサプライヤーは多くの場合、モーターが予想される正確なモーションサイクルを提供するよう求めます。 これにより、モーターが過熱する前に到達できる最大温度を分析できます。 この例を以下の図 2 に示します。

図 2: 産業用電動工具で使用されるモーターの一般的な動作サイクル。

留意事項: 適切なモーターを選択するには、必要なトルク値を理解するだけでなく、動作サイクル全体にわたるトルク/速度プロファイルとそのデューティ サイクルも理解する必要があります。

図 3: ベルトドライブの例。

特定の用途では、モーターまたはギアボックスは、負荷を駆動するために特定のトルクを提供するだけでなく、ラジアル荷重もサポートする必要があります。 モーターシャフトに半径方向に作用する力です。 一例は、モーターと平行な軸を駆動するために使用されるベルト ドライブ (図 3、左) です。 特にベルトにプレストレスが加えられている場合、張力はモーター シャフトに作用するラジアル荷重として考慮する必要があります。

2 番目の例はダイヤフラム ポンプです。 ピストンはバルブ内で正圧または負圧になるまで上下に移動し、液体またはその他の物質の流れを促進します。 モーターシャフトに取り付けられたピストンは動きを生み出し、モーターにラジアル荷重を加えます。

ラジアル荷重はベアリングのオプションに影響を与えるため、モーターの選択に関連します。 ブラシ付き DC モーターまたはステッピング モーターの例では、スリーブ ベアリングまたはボール ベアリングという 2 つの標準ベアリング オプションがあります。 通常、スリーブ ベアリングはより低いラジアル荷重をサポートし、寿命が短くなりますが、これらの欠点は低コストによって相殺されます。 モーターの総コストに応じて、ボール ベアリングの代わりに 2 つのスリーブ ベアリングを使用すると、経費を大幅に削減できます。 ただし、ベルトドライブやダイヤフラムポンプなどのラジアル荷重が存在するアプリケーションの場合は、モーターの前部ベアリングに少なくとも 1 つのボールベアリングを使用することが、妥当な寿命を確保するのに役立つため、より良い選択となります。

図 4: 2 つのボール ベアリングを使用した BLDC モーターにかかるラジアル荷重。

対照的に、ブラシレス DC モーターは通常 2 つのボール ベアリングを使用し、DC モーターやステッピング モーターよりもはるかに高速で駆動できます。 モーターの製造元は、特定の速度でのモーターの最小寿命が達成できる最大ラジアル動的力を推奨します。 最大ラジアル動的力は、使用するベアリングのサイズ、モーター内の 2 つのボール ベアリング間の距離 (図 4: 距離「B」)、およびラジアル荷重がかかる位置 (図 4: 距離「A」) によって異なります。 ）。 特大のボールベアリングを備えた長いモーターは、通常、短いモーターよりも大きなラジアル荷重をサポートします (図 4)。