ウォームギアモータ完全ガイド：動作原理、用途、選定のヒント

ウォーム ギア モーターは、小さなスペースに多くのトルクを投入し、出力方向を 90 度変更し、多くの構成で、電源がオフのときに負荷がギアボックスを逆駆動するのを防ぎます。これら 3 つのことを総合すると、コンベヤ システムやゲート オペレータからエレベータ ドライブや包装機械に至るまで、あらゆる場所でウォーム ギア モータが使用される理由が説明されます。これらは、効率と熱制限が重要であるため、すべてのアプリケーションにとって正しい答えではありませんが、それらが適した状況では、これほどコンパクトかつコスト効率よく機能するものは他にありません。このガイドでは、ウォーム ギア モーターがどのように動作するか、その性能を決定するもの、正しいモーターの選択方法、および競合するギア テクノロジーに対して意味がある場合とそうでない場合について説明します。

ウォームギアモーターの仕組み

ウォーム ギア モーターは、電気モーターとウォーム ギアボックスを単一の統合ユニットに組み合わせたものです。ギアボックスは 2 つの主要コンポーネントで構成されます。ウォームは、ねじに似た螺旋状のねじ山が加工された硬化スチール シャフトです。もう 1 つは、ウォーム ホイール (ウォーム ギアとも呼ばれます) で、通常は青銅または鋳鉄で作られ、ウォームのねじ山と噛み合う歯車です。 2 つのシャフトは互いに 90 度の方向を向いており、交差していません。ウォームはホイールに沿って走行し、そのねじ山が接線方向の接触点でホイールの歯と噛み合います。

モーターがウォーム シャフトを駆動すると、らせん状のねじ山がウォーム ホイールの歯の面を横切って滑り、ホイールを押して回転させます。ウォームが 1 回転すると、ウォームの開始 (ねじの開始) 回数だけホイールが進むため、1 回転あたりの速度は大幅に低下します。 40 歯ホイールと噛み合うシングルスタート ウォームは、1 つのコンパクトなステージで 40:1 の減速を実現します。これは、ウォーム ギア構成の中心的な機械的利点です。つまり、ギアボックス ハウジング自体以上のスペースを必要としないパッケージで、単一ステージで 5:1 から 100:1 までの非常に高い減速比を実現します。

90度のシャフトの向きも特徴です。モーターの入力軸はウォームと平行に、出力軸はウォームホイールから垂直方向に伸びています。この直角駆動ジオメトリは、モーターと被駆動負荷を同軸上に配置できない機械レイアウトで非常に役立ち、同じ方向変更を実現するために別個のかさ歯車ステージが必要なくなります。

減速比、始動、および実際の意味

の減速比 ウォームギアボックス ウォームホイールの歯数をウォームのスタート数（ねじリード）で割ることによって求められます。 1 つのスタートと 60 歯のホイールを備えたウォームでは、60:1 が得られます。同じホイールを備えた 2 スタート ワームでは 30:1 になります。始動回数はギア比の演算のみを変更するのではなく、ギアボックスの効率とセルフロック動作にも直接影響します。

シングルスタート ウォームは、最も高い減速比と最も強いセルフロック傾向を生み出しますが、浅いリード角により噛み合い点で高い滑り摩擦が発生するため、効率も最も低くなります。マルチスタート ウォーム (2 スタート、3 スタート、または 4 スタート) は、リード角が急峻であるため、滑り摩擦が低減され、効率が向上しますが、1 段あたりの減速比が低くなり、負荷がかかったときにセルフロックする可能性が低くなります。ほとんどの産業用ウォーム ドライブ アプリケーションの実用的なスイート スポット (目標は、許容可能な効率と組み合わされた有意義な減速比です) は、2 スタート ウォームを使用すると 30:1 ～ 50:1 の間に収まる傾向があり、パッケージがコンパクトなまま効率を 75% 以上に維持します。

市販のウォーム ギア モーターの標準比率範囲は通常、5:1、7.5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、40:1、50:1、60:1、80:1、100:1 などの値を段階的に変化させます。これらは特定のウォームとホイールの組み合わせに対応しており、ほとんどの主要なギアモーター サプライヤーからカタログ品目として入手できます。この標準範囲外の比率では、カスタムの歯車カットが必要となり、コストとリードタイムが大幅に増加します。

効率: 最も誤解されている仕様

ウォーム ギアボックスの効率は、他のほぼすべての駆動コンポーネントの仕様よりも変動しやすく、誤解されることがよくあります。根本的な問題は、ウォームホイールのインターフェースが、はすば歯車や平歯車で使用される転がり接触ではなく、滑り接触に依存していることです。滑り摩擦は本質的に転がり摩擦よりも高いため、ウォーム ギアボックスは入力パワーの測定可能な部分を有効な出力トルクではなく熱に変換します。

ウォーム ギアボックスの効率範囲は約 50% ～ 90% であり、具体的な値は主に減速比 (およびその結果生じる進角) に加え、潤滑剤の種類、動作温度、慣らし運転条件によって決まります。急峻なリード角を備えた 5:1 ウォーム ギアボックスは、全負荷時に 85 ～ 90% の効率を達成できます。リード角が非常に浅い 60:1 ユニットでは、40 ～ 60% しか達成できない可能性があります。対照的に、ヘリカル ギアボックスは通常、ステージあたり 96 ～ 99% の効率を達成し、遊星ギアボックスは 95 ～ 97% を達成します。

効率が低下すると、実際には発熱が生じます。 1.5 kW の入力で 60% の効率で動作するウォーム ギア モーターは、ギアボックス ハウジング内で 600 W を熱として放散します。断続的な負荷のアプリケーションの場合、これは管理可能です。ハウジングは動作中に熱を吸収し、休止期間中に熱を放散します。高負荷での連続使用のアプリケーションでは、この熱バランスがトルク定格だけでなく、サイジングの制約になります。多くのメーカーが、まさにこの理由から、機械的トルク定格と並行して熱出力定格を公表しています。意図したデューティサイクルの熱定格を確認せずに、純粋にトルク容量に基づいてウォームギアモータを選択することは、これらのユニットの早期故障の最も一般的な原因です。

要求の厳しいアプリケーションの効率を向上させる方法

効率は重要だが、コンパクトな直角形状、高い一段比、セルフロックといったウォーム ギアの他の利点も必要な場合には、ヘリカル ウォーム コンビネーション ギアボックスが実用的なソリューションとなります。これらのユニットは、ウォームステージの前にヘリカル一次減速ステージを追加します。ヘリカル ステージは全体の比率の一部を高効率で処理し、ウォーム ステージは残りを処理します。最終的な結果として、同じ総比率の純粋なウォームギアボックスよりも効率が 10 ～ 30% 向上し、発熱が低くなり、連続使用能力が長くなります。ウォーム段が依然として摩擦バランスを支配しているため、セルフロック特性は通常、高比構成でも維持されます。

セルフロック: それが何を意味するのか、そしていつそれを信頼すべきか

セルフロックとは、出力軸に外部負荷がかかり、モーターに電力が供給されていないときに、ウォームホイールが逆回転するのを防ぐ特性です。これは、ウォームのリード角が十分に浅く、ウォームとホイール面の間の摩擦が、荷重によってメッシュ点で生成される可能性のある接線力よりも大きい場合に発生します。実際には、これは通常、一発ウォームギアボックスの減速比が 40:1 を超える場合に発生しますが、正確なしきい値は、ギア面の材質、表面仕上げ、潤滑剤、状態によって異なります。

セルフロックは本当に便利です。ゲートオペレータ、斜面上の位置を保持するコンベア、または位置決めアクチュエータでは、ウォームギヤモータがモータ出力を継続しなくても出力シャフトを静止状態に保持できるため、多くの設計で別個のパーキングブレーキが不要になります。これによりシステムが簡素化され、コストが削減されます。

ただし、制御されていない荷重の動きが人員を傷つけたり、機器に損傷を与えたりするような用途では、セルフロックを安全機構として信頼すべきではありません。いくつかの現実世界の要因により、セルフロックの動作が損なわれる可能性があります。耐用年数によるギアの磨耗により、ロックを維持する摩擦が減少し、名目上のセルフロック形状であっても振動により増分バックドライブが誘発される可能性があり、合成潤滑剤による効率向上により、限界比率がバックドライブ可能な領域に押し上げられる可能性があります。昇降装置、ホイスト、または荷重保持が安全に関わる用途では、ギアボックスのセルフロック仕様に関係なく、機械式ブレーキまたは二次ロック装置が必要です。

ウォームギアモーターの主な応用分野

コンパクトな直角形状、高い一段減速、セルフロック傾向、静かな動作、低コストの組み合わせにより、ウォーム ギア モータは幅広い業界や機械タイプで好まれる選択肢となっています。

コンベヤおよびマテリアルハンドリングシステム: ウォーム ギア モーターは、フラット ベルト コンベヤ、ローラー コンベヤ、スクリュー フィーダで最も一般的な駆動装置の 1 つです。中空ボア出力オプションを使用すると、別個のカップリングやシャフト サポートを使用せずに、ギアボックスをコンベヤのドライブ シャフトに直接取り付けることができます。

ゲートとドアのオペレーター: 自動ゲート、シャッター、ロールアップ ドアには、セルフ ロック機能を実現するためにウォーム ギア モーターが使用されており、電源が遮断されてもゲートは別のブレーキを必要とせずに所定の位置に留まります。

エレベーターとプラットフォームリフト: 家庭用および商業用の小型エレベーターでは、コンパクトな形状と保持能力を実現するためにウォーム ギア モーターが使用されています。産業用シザーズリフトとプラットフォームリフターは同様の構成を使用します。

包装および食品加工機械: ウォーム ギア モーターの静かな動作とコンパクトな直角駆動は、食品加工および包装環境のスペースの制約と騒音の影響を受けやすい環境に適しています。衛生的な用途には、密閉ベアリングを備えた洗浄定格ハウジングが利用可能です。

ミキサーと撹拌機: 化学処理、水処理、食品製造用の工業用ミキサーでは、ウォーム ギア モーターを使用して、低速パドルとインペラ アセンブリを高連続トルクで駆動します。

ロボティクスとオートメーション: ウォーム ギア モーターは、位置保持とコンパクトな形状の組み合わせが重要なロボット ジョイント、回転テーブル、インデックス機構で使用されます。ウォーム ギア ステッピング モーターは、精密オートメーション システムにおいてセルフロックを備えた個別の位置制御を提供します。

自動車および船舶用付属品: フロントガラス ワイパー、電動シート アジャスター、トラック ウインチ、およびボート リフト機構には、小型 DC ウォーム ギア モーターが使用されており、固有の位置保持機能を備えたコンパクトで信頼性の高い作動を実現します。

ウォーム ギア モーターとヘリカルおよびプラネタリの代替品

ウォーム ギア モーターとヘリカル インラインまたは遊星ギア モーターのどちらを選択するかについては、特定のアプリケーションにとってどの性能パラメータが最も重要であるかを正直に評価する必要があります。普遍的に優れた選択肢はありません。各ギア タイプには、明らかに勝てる領域があります。

直角駆動、高い単段比、静かな動作、またはセルフロック保持機能が必要で、用途が断続的である場合や、必要な比率で効率のトレードオフが許容される場合には、ウォーム ギア モータを選択してください。アプリケーションが高負荷の連続使用である場合、エネルギーコストや熱管理のために効率が重要である場合、または中程度の比率の複数のステージが許容される場合には、ヘリカルインラインギアモータを選択してください。高トルク密度、正確な位置決め、低バックラッシュが必要で、コストを割いても構わない場合は、遊星歯車モーターを選択してください。

適切なウォーム ギア モーターの選択方法

正しく選択するには、特定の一連のパラメーターを処理する必要があります。間違った方向から始めること、つまりモーター出力を選択してから適合するギアボックスを見つけることは、ユニットが過大または過小になる最も一般的な原因です。

ステップ 1: 必要な出力トルクを決定する

実際の負荷特性 (力、半径、下流のトランスミッション要素の効率、必要な安全率) から被駆動シャフトに必要なトルクを計算します。コンベヤの場合、始動条件と潜在的な詰まり負荷に応じて、サービス係数は 1.5 ～ 2.5 が一般的です。ミキサーのようなスムーズな連続負荷の場合、多くの場合、サービス係数 1.25 で十分です。ギアボックスの出力トルク定格は、サービスファクターを含む計算された要件を超える必要があります。平均トルクだけで判断しないでください。ギアボックスが耐えられるかどうかは、ピーク始動トルクと衝撃負荷トルクによって決まります。

ステップ 2: 必要な比率を決定する

公称比を得るには、モーター速度 (通常、50 Hz で 1400 または 2800 RPM、または 60 Hz で 1750/3500 RPM) を必要な出力速度で割ります。次に、これをカタログから入手可能な最も近い標準比と一致させます。計算された比率と利用可能な比率の間のわずかな不一致は正常であり、速度精度が必要な場合は下流のトランスミッションによって、または VFD を介してモーター周波数を調整することによって処理されます。

ステップ 3: デューティ サイクルの熱定格を確認する

候補となるギアボックスがトルクと比率によって特定されたら、その熱出力定格 (S1 連続使用定格) を実際の動作出力と比較して確認します。アプリケーションが全負荷またはそれに近い負荷で継続的に動作する場合、熱定格は機械的トルク容量だけでなく、入力電力を超える必要があります。多くのウォーム ギアボックスは、熱限界を大幅に超える機械的トルク容量を備えています。熱定格を超えると、たとえギア自体が機械的に過負荷になっていない場合でも、潤滑剤の故障や初期故障につながります。

ステップ 4: 取り付けとインターフェイスの要件を確認する

ウォーム ギア モーターは、機械のレイアウトに適合する必要があるいくつかの標準的な取り付け構成で利用できます。

フットマウント（ベースマウント）： フラットフレームにボルトで固定するためのハウジング上の 4 つの取り付け脚。一般産業用途向けの最も一般的で柔軟なオプションです。

フランジマウント: 機械構造に直接取り付けるための機械加工された出力フランジ。包装およびインデックス装置で一般的。

中空ボア（中空軸）出力： 出力は、従動シャフト上を直接スライドする中空ボアであり、別個のカップリングとシャフトサポートが不要になります。コンベアヘッドシャフトドライブおよびアジテータードライブの標準。

IECモーターフランジ入力(B5/B14): 別個のカップリング アダプタを使用せずに標準 IEC フレーム モータを直接受け入れ、ギアモータ パッケージをコンパクトで適切な位置に保ちます。

取り付け方向もギアボックス内のオイルレベルに影響します。入力シャフトが水平に動作するように設計されたユニットは、入力シャフトが垂直になるように取り付けると、オイル レベルが不正確になります。選択したユニットの潤滑が意図した取り付け方向に対して定格されていることを常に確認するか、正しいオイル充填量が提供されるようにサプライヤーに方向を指定してください。

ステップ 5: 潤滑とメンテナンスの間隔を考慮する

標準 ウォームギアボックスes オイルバス潤滑システムを使用し、オイル交換間隔は通常 5,000 ～ 10,000 運転時間または毎年のいずれか早い方と指定されています。合成油、特にポリアルファオレフィン (PAO) ギアオイルは、ウォームギア用途において鉱物油よりも大幅に優れた潤滑性を提供し、摩擦を低減し、効率を向上させ、発熱を抑え、オイルの寿命を延ばします。一部のコンパクトなフラクショナル フレーム ウォーム ギア モータは、寿命まで密閉グリース潤滑を使用します。これらはオイル交換を必要としませんが、熱容量が限られており、断続的または軽度の連続使用に最適です。 1 日に複数のシフトを実行するウォーム ギア モーターには、最初から合成潤滑剤を指定することを強くお勧めします。