BLDC ギア モーターの説明: 仕組み、使用場所、適切なモーターの選び方

BLDC ギア モーターと他のモーター タイプの違い

BLDC ギア モーターは、ブラシレス DC モーターとその出力シャフトに直接取り付けられた機械式ギアボックスという 2 つの異なるコンポーネントを 1 つの統合ドライブトレイン ユニットに結合します。ブラシレス DC モーター (BLDC モーターまたはブラシレス モーターと呼ばれることが多い) は、古いブラシ付き設計で使用されていた物理的なブラシと整流子接点ではなく、電子的に整流される磁界を通じて回転運動を生成します。取り付けられたギアボックスは、モーターの特徴的な高い回転速度を、実際の機械作業に適した低速で高トルクの出力に減速します。

決定的な核となる違い BLDCギアモーター ブラシ付きギアモーターとは別に、機械的整流が不要になります。ブラシレス モーターでは、ローターは永久磁石を保持し、ステーターは巻線を保持します。電子速度コントローラー (ESC) または統合ドライバーが、正確なタイミングでステーター コイルに順次通電し、永久磁石ローターを引き寄せる回転磁界を生成します。物理的なブラシが回転アセンブリと接触しないため、ブラシの磨耗、アーク放電、カーボンダストの汚染は発生せず、ブラシ付きモーターの 3 つの主要な故障モードが存在しません。

このアーキテクチャにより、ブラシ付き同等のモーターよりも根本的に効率が高く、寿命が長く、静かなモーターが実現します。高精度ギアボックスと組み合わせると、メンテナンスによるダウンタイムにコストがかかり、信頼性が交渉の余地のない連続稼働の産業用および商業用アプリケーションに適したコンパクトで高性能なアクチュエータが得られます。

構造の内部: ブラシレス ギアモーターの組み立て方法

BLDC ギア モーターの内部構造を理解することは、エンジニアや購入者がより適切な選択を決定し、メンテナンスの必要性を正確に予測するのに役立ちます。アセンブリはいくつかの統合されたサブシステムで構成されており、それぞれが特定の方法で全体のパフォーマンスに影響を与えます。

インナーローター構成とアウターローター構成

ギアモーターで使用される BLDC モーターは、永久磁石ローターがステーター巻線の内側に位置するインナーローター構成で構築されるのが最も一般的です。この設計は、比較的低いローター慣性で高 RPM で回転するため、トルクの増大を処理するギアボックスと組み合わせるのに最適です。アウターローター (またはアウトランナー) 設計は、マグネット アセンブリをステーターの外側に配置し、ドローンの推進やハブ モーターなど、ダイレクト ドライブのトルク密度が優先される用途で使用されますが、回転するアウター シェルにギアボックスを取り付けるという幾何学的課題のため、一体型ギアモーター パッケージではあまり一般的ではありません。

ホール効果センサーとセンサーレス動作

正しく転流するには、ドライバーはローターの角度位置を常に知っている必要があります。ほとんどの産業用 BLDC ギア モーターには、ステーターに 120 度離れて配置された 3 つのホール効果センサーが埋​​め込まれています。これらのセンサーはローターの通過する磁極を検出し、位置信号をコントローラーに送り、始動から最高速度まで正確かつスムーズな整流を可能にします。一部の設計では、通電されていない巻線の逆起電力信号からローターの位置を推定するセンサーレス整流を使用します。センサーレス システムは軽量で安価ですが、逆起電力が弱すぎて確実に読み取ることができないため、非常に低速な場合や起動時に問題が発生します。負荷がかかっている状態で始動するほとんどのギアモーター アプリケーションでは、 ホール センサー フィードバックが推奨され、より信頼性の高いオプションです .

BLDC モーターと統合されたギアボックスのタイプ

ブラシレス DC モーターに接続されるギアボックスは、出力トルク、速度範囲、効率要件、アプリケーションの物理的スペースの制約に基づいて選択されます。 BLDC ギアモータ市場を支配しているのは 3 つのタイプです。

• 遊星歯車装置 BLDC モーターで最も広く使用されている組み合わせです。同軸設計により、組み合わせたユニットがコンパクトに保たれ、複数の遊星ギア間で負荷を分散することで、ステージあたり 90 ～ 97% の効率で高いトルク密度が実現します。ラジアル軸荷重とアキシャル軸荷重の両方に適切に対処できるため、要求の厳しい位置決めおよび駆動用途に適しています。
• 平歯車減速機 平行軸ギアトレインを使用しており、軽量用途向けのコスト効率の高い選択肢です。負荷時はプラネタリ設計よりも騒音が大きく、トルク密度も低くなりますが、シンプルで製造コストが低いため、音響性能がそれほど重要ではない機器に適しています。
• ウォームギアボックス 非常に高い単段ギア比 (最大 100:1 以上) と固有の出力シャフトの逆駆動防止を提供します。このため、ホイスト、ゲート、バルブの用途で価値があります。その代償として、効率が低くなり (比率とねじれ角に応じて 40 ～ 85%)、負荷が持続した場合の発熱が大きくなります。

ブラシレス DC ギアモーターのコア性能の利点

最新の機械設計における BLDC ギア モーターの魅力は、単に技術トレンドに従うということではありません。それは、同等の出力クラスのブラシ付きギア モーターと AC 誘導モーターの両方を上回る、測定可能なアプリケーション関連の性能上の利点に基づいています。

ブラシレス ギア モーターの効率の利点は、バッテリー駆動のシステムで最も大きな影響を及ぼします。このシステムでは、効率のすべてのパーセント ポイントがそのまま稼働時間の延長につながります。バッテリー パックで 16 時間シフトを実行する AGV は、ブラシ付きドライブトレインからブラシレス ドライブトレインに切り替えることで、大幅な運用改善が見られます。これは、エネルギーの節約だけでなく、モーターの熱も低減され、隣接する電子機器やギアボックスの潤滑剤への熱ストレスも軽減されます。

広い速度制御範囲も同様に重要です。 BLDC ギアモーターは、定格速度の 5% または 100% でスムーズに動作し、全体を通して一貫したトルクを供給するように指令できます。ブラシ付きモーターは非常に低いデューティ サイクルではトルクの安定性が失われ、可変周波数ドライブなしで動作する AC 誘導モーターは本質的に固定速度のデバイスです。この柔軟性により、ブラシレス ギアモーターは、スループットやプロセス速度を動的に変化させる必要がある用途で特に価値があります。

BLDC ギア モーターが使用される場所: 実際のアプリケーション例

ブラシレス DC ギアモーターは、非常に幅広い業界で使用されています。これらのアプリケーションのほとんどに共通するのは、コンパクトなサイズ、信頼性の高い連続動作、可変速度、および低メンテナンス性に対する要求であり、これがこのテクノロジーの特徴的な強みです。

無人搬送車と移動ロボット工学

AGV、自律移動ロボット (AMR)、および協働ロボット (コボット) プラットフォームは、BLDC 遊星歯車モーターの最大の成長分野の 1 つです。これらのシステムには、スムーズなナビゲーションのための正確な速度制御、全負荷下での始動とランプの上昇のための高いピーク トルク、メンテナンス停止間の長い動作寿命、およびタイトなシャーシ設計に適合するコンパクトなパッケージングが必要です。一般的な AGV ホイール ドライブでは、 24V または 48V BLDC 遊星歯車モーター 100 ～ 500W の範囲で、車輪の直径と目標の移動速度に応じて 10:1 ～ 50:1 のギア比になります。モーター シャフトに統合されたエンコーダーは、オドメトリのために位置データをナビゲーション コントローラーに送り返します。

産業用コンベヤおよびハンドリング システム

現代の電子商取引フルフィルメント センターと製造ラインは、製品の流れを計測し、上流と下流のプロセスを同期させ、壊れやすい品目を丁寧に扱うために可変速コンベヤ システムに依存しています。これらのシステムの BLDC ギアモーターは、古い AC 誘導モーターとギアボックスを置き換えます。これは、各駆動ポイントで VFD を使用せずに個別に速度制御できるため、制御キャビネットの複雑さと大規模なコストが削減されます。ローラー コンベア システムでは、多くの場合、小型の 24 V または 48 V ブラシレス ギア モーターが駆動ローラー (電動ドライブ ローラーと呼ばれる構成) の内側に直接組み込まれており、完全に分散された個別に制御可能なコンベア ゾーン レイアウトが作成されます。

医療および実験装置

手術ロボット、輸液ポンプ、研究室自動化プラットフォーム、および診断機器には、微粒子汚染を発生させず (ブラシの排除)、静かに動作し、正確で再現性のある動作を実現し、長年の連続動作にわたって一貫した性能を維持するモーターが求められます。 BLDC ギアモーター、特に高精度の遊星ギアボックスを備えたコンパクトなフレーム サイズの 22 ～ 57 mm のギアモーターは、この分野でのアクチュエーターの主要な選択肢です。低 EMI 出力は、高感度の測定電子機器が近くで動作する環境でも重要です。

電動バイク、スクーター、小型EV

ミッドドライブ電動自転車モーターは本質的に、人間規模の電力入出力に最適化された高性能 BLDC ギアモーターです。内部遊星減速段を使用してドライブトレインにスムーズなトルクを供給しながら、地形に関係なくモーターが効率的な RPM 範囲で回転できるようにします。同様に、電動スクーターや小型多用途車は、巡航速度でのモーター効率を犠牲にすることなく、低速車輪速度でのトルクを最大化するために、内部減速ギアを備えた BLDC ハブ モーターを使用しています。これらの消費者向け製品ではブラシのメンテナンスが不要であるため、エンドユーザーが機械的なサービス能力を持たない市場に販売される製品にとって、信頼性に関する重要な利点となります。

スマートホームとビルディングオートメーション

電動ブラインド、スマート カーテン システム、HVAC ダンパー アクチュエーター、および自動ドア オープナーでは、以前これらのカテゴリを支配していた AC 同期モーターではなく、コンパクトな BLDC ギアモーターを使用するケースが増えています。低電圧 DC 電源 (12V または 24V) で動作し、位置と速度を正確に制御し、マイクロコントローラーベースのスマート ホーム プラットフォームと簡単に統合できるため、ブラシレス ギアモーターはコネクテッド ビルディング システムに自然に適合します。動作音が静かであることは、住宅環境におけるユーザー エクスペリエンスの重要な利点でもあります。

アプリケーションに適した BLDC ギアモーターを選択する方法

ブラシレス DC ギアモーターを選択するには、相互に依存する一連のパラメーターを検討する必要があります。これらのいずれか (特にトルクや熱定格) を間違えると、モーターが早期に故障したり、初日から性能が低下したりする可能性があります。選択プロセスは、負荷分析からドライバーの互換性までの論理的な順序に従う必要があります。

ステップ 1 — 負荷プロファイルを定義する

出力シャフトの要件から始めます。つまり、負荷はどのようなトルクを必要とし、どの速度で、どのようなデューティ サイクルを行うのでしょうか?負荷を移動するために必要な力、モーメントアームまたはドライブの半径、摩擦損失、高速始動に必要な加速トルクを考慮して、第一原理に基づいて必要な出力トルクを計算します。 計算されたトルクに常に 1.5 ～ 2 倍のサービスファクターを適用します。 現実世界の変動、起動時の慣性ピーク、負荷の不確実性を考慮します。次に、必要な出力速度を決定します。これら 2 つの値 (出力トルクと出力速度) は、ギアモーターが満たさなければならない機械的動作点を定義します。

ステップ 2 — 必要なギア比を計算する

モーターの定格無負荷速度を必要な出力速度で割って、目標のギア比を取得します。たとえば、モーターが 4,000 RPM で動作し、アプリケーションの出力シャフトで 80 RPM が必要な場合、目標比率は 50:1 です。ギアボックスがその比率で出力トルクを伝達できることを確認します。0.15 N·m を発生するモーターに取り付けられた 50:1 遊星ギアボックスは、出力で約 7.5 N·m を供給するはずです (0.15 × 50 × ギアボックス効率 ~0.92 ≈ 6.9 N·m)。これをギアボックスの定格連続出力トルクと照合して、適切なマージンを確認します。

ステップ 3 — 熱およびデューティサイクル定格を確認する

所定の連続出力に対して定格されたモーターは、適切な熱放散を前提としています。モーターが繰り返し起動および停止する断続的な負荷のアプリケーションでは、各アクティブ期間がサイクル間のモーターの冷却に十分短い限り、モーターは連続定格よりも高いピーク負荷を処理できる場合があります。連続使用用途 (稼働時間の 60% 以上) の場合、定格連続トルクと出力の数値を超えてはなりません。周囲の動作温度と比較したモーターの熱クラス定格 (クラス B = 130 °C、クラス F = 155 °C、クラス H = 180 °C) を常に確認してください。

ステップ 4 — 供給電圧とドライバーを一致させる

BLDC ギアモーターは、標準電圧クラス (産業用ユニットでは通常 12V、24V、36V、48V、およびそれ以上) で入手できます。既存の電源アーキテクチャに適合する電圧を選択してください。電圧が高くなると、より低い電流でより多くの電力が得られるため、ケーブル損失とドライバーの発熱が減少しますが、より高価なドライバートランジスタとより優れた絶縁が必要になります。システムで使用されているフィードバック デバイス (ホール センサー、エンコーダー) および制御インターフェイス (PWM、アナログ、CAN バス、RS-485、または EtherCAT) のサポートを含め、モーターに互換性のあるドライバーまたは統合コントローラーが存在することを確認します。

統合コントローラーとスマートギアモーターモジュール

BLDC ギアモーター市場の成長セグメントは、完全に統合されたスマート ギアモーター モジュールで構成されています。これは、ブラシレス モーター、ギアボックス、エンコーダー、ドライバー電子機器がすべて単一のコンパクトなアセンブリに収容されているユニットです。これらの統合ブラシレス ギアモータは、個別のモータ ドライバ、ドライバとモータ間のワイヤリング ハーネス、および特定のモータとドライバの組み合わせに合わせて整流パラメータを調整する必要性を排除することで、システム設計の複雑さを大幅に軽減します。

統合ユニットは通常、CAN バス、Modbus プロトコルを備えた RS-485、または EtherCAT などの産業用イーサネットのバリアントなどのデジタル バス インターフェイスを介して通信します。 PLC またはモーション コントローラーは、バス経由で速度、トルク、または位置コマンドを送信し、統合されたドライバーがすべての低レベルの整流、電流制御、およびフィードバック処理を内部で処理します。このアーキテクチャは、多軸機械で特に効率的です。たとえば、20 個の個別に制御される駆動ポイントを備えたコンベア システムは、中央制御キャビネットに戻る 20 本の個別のケーブル配線を必要とせずに、単一の RS-485 デイジー チェーン上でネットワーク接続できます。

統合型 BLDC ギアモーター モジュールを評価する場合は、内蔵コントローラーが回生ブレーキ (減速中に運動エネルギーを供給バスに戻す)、過熱および過電流保護、およびソフトウェアで構成可能な PID ゲインをサポートしているかどうかを確認してください。最良のユニットは、構成ソフトウェアを通じて完全なパラメータセットを公開するため、エンジニアはハードウェアを変更せずに速度ループ帯域幅、加速ランプレート、および障害応答動作を調整できます。

BLDCギアモータの設置・取付・長期メンテナンス

ブラシレス ギア モーターは、ブラシ付きギア モーターに比べて日常的なメンテナンスの必要性がはるかに少なくなりますが、真の意味でメンテナンスが不要というわけではありません。適切な設置と定期的な検査により、耐用年数が大幅に延長され、最も一般的な故障モードが防止されます。

軸心調心とカップリングの選択

ギアモーターの出力シャフトと被駆動負荷の間のミスアライメントは、ベアリングの早期故障の主な原因の 1 つです。わずかな角度または平行のミスアライメントでも、出力シャフトのベアリングに周期的なラジアル力が発生し、数百万回転を超えると、ベアリングの定格寿命よりもはるかに早く疲労破壊を引き起こします。直接カップリングが必要な場合は、フレキシブル シャフト カップリングを使用してわずかな位置ずれに対応し、取り付け時にダイヤル インジケータで平行度を確認します。ベルトまたはチェーン ドライブの場合は、張力がギアボックスの定格オーバーハング荷重仕様内であることを確認してください。締めすぎたベルトによる過剰なオーバーハング荷重も、ベアリングの初期故障の一般的な原因です。

ギアボックスの潤滑と再グリスアップ

精密遊星ギアボックスには工場で高品質の合成グリースが充填されており、通常、通常の動作条件では生涯にわたって潤滑されると評価されています。ただし、高サイクル、高負荷、または高温の環境では、グリースは時間の経過とともに劣化するため、規定の間隔 (通常は 5,000 ～ 10,000 時間ごと、またはメーカーの指定に従って) で交換する必要があります。ウォーム ギアボックスにはオイル潤滑が必要ですが、ウォーム ギアの噛み合わせが滑り接触する性質があるため、再潤滑間隔が短くなります。常にメーカーが指定したグレードの潤滑剤を使用してください。互換性のないタイプのグリースを置き換えると、添加剤の相互作用が発生し、摩耗が促進される可能性があります。

モニタリングと予知保全の指標

• 異音 — ギアボックスからのゴリゴリ音やゴロゴロ音は、通常、ベアリングの摩耗またはギア表面の損傷を示します。速度とともに増加する甲高い鳴き声は、ギアの噛み合いの問題または潤滑不足を示唆しています。
• 動作温度の上昇 — モーターまたはギアボックスが通常の動作ベースラインよりも大幅に高温で動作する場合は、熱によって巻線の絶縁やシールが劣化する前に、負荷状態、潤滑状態、換気を調査してください。
• 消費電流の増加 — 既知の負荷でモーターが定格値より多くの電流を消費する場合は、機械的抵抗 (ベアリングの磨耗、不十分な潤滑、位置ずれ) か、巻線またはドライバーに電気的障害が発生していることを示します。
• 出力軸の遊び — ギアボックス出力シャフトの測定可能な半径方向または軸方向の遊びは、ベアリングの摩耗を示します。ギア歯の衝撃による損傷に至る前に対処してください。
• シール漏れ — ギアボックスの出力シールまたはモーター シャフト シールからオイルがにじみ出ている場合は、シールの摩耗または熱サイクルによる圧力の上昇を示唆しています。潤滑剤の損失や汚染の侵入を防ぐために、シールを速やかに交換してください。