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サーボモーターのトルクについて
- サーボモーターのトルクについて調査しました。グラフを見ると、連続使用領域Aにおいて、回転数が変化してもトルクが一定となることに疑問があります。
- インダクションモーターでインバータを用いた場合、低速域でもトルクが確保できますが、減速機で減速した場合ほどにはトルクが確保できない理由について知りたいです。
- サーボモーターの瞬時最大トルクについても疑問があります。突入電流が大きいため、瞬間的にトルクが大きくなるのかどうか、単純な解釈を教えてください。
- 電気設計
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連続使用領域でトルクの上限が一定なのは、理論上ではなく、あくまで提供メーカの線引きです。 ユーザー側がどれだけ荒い使い方をしても品質が保証できるように線引きをしているのです。 一時的には定格の何倍もの出力が出せるのも、「出せる」ではなく「出していい」とメーカが許容範囲を線引きしているからです。 あるメーカにこの線引きの線を上げれないか相談したところ、 「温度があがり、ロータとして使用している磁力が落ち、特性が下がるからだめ」との回答でした。 そして別のメーカには、 「水冷であるのと使用サイクルが決まっているなら、テストの上で定格トルクを上げれる」 という回答をもらったことがあります。
＞「サーボの場合、ある回転数域でトルク一定にするのは何故でしょうか？」 ＞どなたか、シンプルに説明していただけると良いのですが。 ・・・ 要するにハード(出力軸)が耐えられる限界トルクまでコストパフォーマンスを 発揮できる電気的な制御が自在にできるといったことだろうと思われる。 機械設計で言えば、軸径と材質が同じなら最大許容トルクは自ずと限定される [ 軸のねじり応力 τ=16*T/(πd^3) T：トルク,d：出力軸軸径 ] つまり、先の回答で私が申し上げた↓になろうかと思うが如何だろうか。 ＞＞予め設計された設定トルクに従い出力軸径も決定されるだろうから、 自ずと機械的な制限が生じるのだろう
お礼
いろいろ先生方のご回答を読んでいて気がついたのですが、基本的に、サーボモーターの定格トルクは最高回転数時に出力されるトルクと規定されているわけですよね。 軸径もその定格トルクを満たす軸径になっているのは当然ですよね。 しかしP＝Tωの式を考えると、ωが下がってもTが一定なので、何かしら電流制限がなされていると。。。 もう少し先生方の回答を何度も読んで行きたいと思います。
＞「サーボの場合、ある回転数域でトルク一定に する のは何故でしょうか？」 ＞どなたか、シンプルに説明していただけると良いのですが。 回答（12）で既に書いてることとある意味重複するのですが それが一番コストパフォーマンスが高いからです モータコイル自体が焼損する直前までの高トルクに耐えさせることは可能です ごく普通の市販車だってエンジン全開で回す事は無いですよね ハチロクやＧＴＲだってレブリミッタや速度リミッタが付いてるよね サーボモータのトルクカーブも同様で、単なるトルクリミッタなんです それ以上のトルクを出す事も可能ですが、出さないようにしてるダケ 制御は簡単 ＜つまりコストは安い モータコイルが燃える電流にそれなりに安全率を掛けたのがトルクリミッタ このトルクリミッタを回転数に合わせて曲線にする事も可能ですが モータコイルの何か所かに温度センサを入れて監視しなくちゃならん 当然、コストアップ 普通のサーボはモータ内に１か所のみ温度センサが入ってます １か所だけでは内部温度のバラツキとかあるので 必ずしも温度センサで検出した温度以上の箇所が無いとは限らない なので、それなりの安全率を加味すると トルクリミッタのラインは直線にならざるを得ない そのうちにどこかのメーカが安価に温度管理できる方式を見つけて トルクリミッタのラインを曲線にするかも知れませんが だからと言ってその機能にお金を出すお客は居ないでしょう
お礼
サーボモーターに温度センサーが入っているとは、私も本当に勉強不足です。 P=Tωになるような曲線にすることは可能だが、そうはしていないということですね。
＞「サーボの場合、ある回転数域でトルク一定に する のは何故でしょうか？」 やはり機械設計をシンプルにするためでしょう。 ＤＣモーターのように静止時トルクが一番大きく回転数が上がるにつれて小さくなる特性なら良いですが オープンループＡＣモーターのように回転数の途中の領域にトルクピークがある特性ですと使いにくく 回転数を変更して下げたときにトルク不足で機械が突然止まるとか、始動できたり出来なかったりとか 全ての要素やテスト時の手間を考えるとトルク特性は平坦に近いほうが扱いやすいからではないでしょうか 加減速もトルク一定のほうが加速度が一定で扱いやすくなると思われますし。 最近のサーボモーターはローターが永久磁石のモーターが主流で ステーターに流れる電流が直流でもトルクを発生できますので トルクを発生するためにすべりを生じさせる必要はありませんし ステーターに流す電流もローターの回転数により周波数を変える制御を行なっています このためクローズドループのトルク特性も低回転域では一定に近くなっています。
お礼
サーボモータの特性上、トルク一定のほうが好ましいというのはわかる気がします！
モーターサイズは、（最高）出力です。 可変速モーターでは、トルク一定のとき、出力一定とならない。 なぜ、出力一定でなくて、トルク一定なのだろうか？ 素朴な疑問だと思う。 良い質問だと思います。 ＞ サーボの場合はなぜこういった、ある回転数域でトルク一定といったことになるのでしょうか？ ＞＞ ACサーボモータは、そう云うものだからです。 「サーボの場合、ある回転数域でトルク一定に なる のでしょうか？」 ＞＞ ?ドライバー基板が駆動電流の位相角をそうできるように制御してるからです 「サーボの場合、ある回転数域でトルク一定に する のは何故でしょうか？」 どなたか、シンプルに説明していただけると良いのですが。
お礼
共感していただき、心強いです。
ふははははは 質問者置いてきぼり GWだからな みんな間違っている点 サーボーは止まっているときも電気が流れてる サーボ特有の不快音 老人には聞こえなくなるのか その時の保持力を考えると 質問者の謎が解ける イナーシャーがどうとか トルクがどうとか 小難しく考えずに 単純なフレミングの法則＋慣性の法則 http://s-akademeia.sakura.ne.jp/main/image4/freming2.gif このページも役立つのか http://www.gxk.jp/elec/musen/1ama/H15/html/H1512B05_.html 回転＝動き トルク＝偶力としてお読みください 抜粋＆サーボとしての補完 ［１］原理はフレミングの左手の法則 はそのまま原文のままでいい ↑ 基本だから ［２］コイルに働く回転力が生まれる理屈 トルクを偶力としてお読みください 抜粋 フレミングの左手の法則では、力の向きだけでなく大きさも定義していますが、磁界が一定なら、この偶力は、コイルに流れる電流に比例します。 ↑これ重要 ［３］電流に比例した回転角で止める原理 サーボにはバネがないので電流の向きで制御してます ［２］の このコイルに交流を流すと、半周期ごとに電流の向きが入れ替わり、発生する偶力も向きが入れ替わりますので、コイルや指針の重量による慣性モーメントが、被測定交流の周波数に追随できないほど大きければ、指針は振れないことになります。 部分に当たります ↑は パルス幅変調（ＰＷＭ）方式←向き自体変えてるが http://www.oidenansho.com/elekijack/indoor_plane/shigyo_siki/pwm/pwm.htm 画像 http://www.oidenansho.com/elekijack/indoor_plane/shigyo_siki/pwm/pwm_graph.gif 電圧 ＝ 電流 ＝ 偶力 ＝ トルク 静止時は高周波(モスキート音発生 老人には聞こえない)で 電気の向き を変えている ＝ 見かけの電力は低いので トルクも小さい ← 静止トルク 静止トルクが小さいと脱調しやすくなる 低回転時はだんだん周波数が下がっていくので 電力 が上がり トルクが大きくなる 中高回転 電流の向きを変えなくても ローターの回転力で回ってくれるので 普通のPWM運転 でトルクは一定 ← 定格トルク ステップはちょっと変わるけどねぇ アルファーステップの場合 https://www.orientalmotor.co.jp/products/stepping/?gclid=CKaYguKxxMwCFYUrvQodNf4Hcg ↑ これの講習会で聞いてきた話 17・18の回答の補足にもなると思う サーボーでもステップでも偶力を超えるトルクが与えられると脱調する アルファーステップでは脱調しないように作られている(原発は爆発しないと同じで脱調するときはするんだけどね) 仕組み ステ－タ－側に電磁石を配置(細かく配置） 分解能 （1000P/R設定時）0.36 それをわかりやすく単純化すると ステーター(電磁石)N極<＝＝>S極ロータ(磁石)N極<＝＝>S極ステーター(電磁石) 引っ張りあっている トルクはステーターに流す電力を強くすることで再現 これによって高トルクを出している＝脱調しない 動画(ステップ) https://www.youtube.com/watch?v=Owc1a6zH-D8 サーボーは上に書いたようにアナログ たぶんみんなぐちゃぐちゃになってる
基本的に大きな誤解してる方がいらっしゃるので ＞?は、電流値を上げ、トルク低下を防いでいる。 逆です、電圧を下げて過電流になるのを防止してるんです サーボアンプと言うのは正確には自分で勝手に出力電流値を上げれないんです 極端な話、モータ軸に何も付けないで駆動した場合（完全無負荷運転） 無負荷で１ｒｐｍの低速状態で電流値を上げようとしても上がる事は有りません 電流値はどんな周波数でもほぼゼロ付近のままです（０～３０００ｒｐｍまで） （無負荷損失があるので必ずしもゼロにはなりませんが） 出力電流は負荷が有って初めて流れます 折角、↓でＦ１２の事例を挙げたのに誰も読んでないしぃ そして更に それなりの負荷を付ければモータが燃えるまで電流を上げる事は可能です 極端な話、出力軸をバイスで挟んでロックしたまま駆動するとか そしてモータドライバのパラメータを弄って過負荷電流を上げて つまり、出力特性グラフが水平の直線なのはそうなるように制限してるに過ぎないのです もし、パラメータの電流制限を無くしたら山なりのカーブになります ＞?は、極端に周波数を低下させると、電流上昇値が高くなる事と、機械的にトルクを一定に サーボモータではなんの問題もなく ＜冷却さえできればと言う制限は付きますが ０．１ｒｐｍの超低回転でも定格トルクで回すことができます ＞一般的に、モータを超低速で使用する場合は、サーボモータを使用しない方が得策。 一般的に、モータを超低速から定格回転速度まで可変速する場合は、サーボモータ以外の選択肢は無い ＞?は、回転数が同じで、トルク（電流値）が短時間であるが2～3倍になるは 単純に短時間の過負荷で燃えないように制限してるだけです 所謂３００％負荷 本来は過負荷と呼ぶのだが短時間の過電流は加熱しない範囲で許容してるのです 概ね加速時の加速電流の事 厳密には突入電流とは区別します 突入電流とは電源投入時とかに瞬間的に流れる電流の事 加速電流はモータが加速中に流れる電流の事 誤解しやすい表現があったので追記 ＞加速電流はモータが加速中に流れる電流の事 訂正 加速電流はモータが負荷を加速中に流れる電流の事 厳密には負荷無しのモータ単体でもモータ自身のイナーシャ（ロータやシャフト） を加速させるトルクは掛かります 従って、↑で無負荷電流はほぼゼロと言うのは定速回転状態での話です 加速トルクは↓の最下段のような階段状になります https://www.orientalmotor.co.jp/tech/reference/sizing_motor04/ 電流は概ねトルクに比例しますので電流グラフもほぼ同形状になります このトルクは負荷イナーシャが加速される時に発生するのであって モータが勝手に発生させるのではない サーボモータを使用しなければならない負荷の多くは急加速、急停止を要求される場合が多いので この加減速時のトルクが最大３００％まで許容されるのです ＞それなら、瞬時最大トルク、最大パワーを上述より厳しく頻繁に(0.1秒通常定格)使用すると、 あくまで過熱しない範囲で許容されるのであって 勝手に瞬時最大トルクを発生させるのではない
再々出です。 虎こと、tigersの知識があれば、通じる内容かもしれませんが、質問者に通じない難解 記載は、帰って迷惑. >>> ?ドライバー基板が駆動電流の位相角をそうできるように制御してるからです ＞＞“モータの発生するトルクは電流に比例します” > ふ～ん。本当に？ 固定コイルに流す位相角は関係ないの？ 位相角は、回転数に関係があるので、トルクの事を記載する場合は電流だけで問題なし。 質問者もインバーター等で、理解しているみたいだし、トルク⇒電流値の方を記載するだけ の方が判り易い。 >>> ?トルクの大きいモーター選択すればいいだけ（EVホイール内モーターとか） ＞＞発熱に対しての冷却性能に限界があるので > ふ～ん。本当に？ トルクとどう関係あるの？？？ 著しく低速域では、電流値を上げる割合が多くなり、電線や接点、等々の問題で限界が生じ、 電流が上げられないから。 虎は、エンジンに例えれば、4サイクル4気筒エンジンなら、どのサイクルでもどこかの気筒が 燃焼してフラットトルクに近い状態となるが、4サイクル1気筒エンジンならクランクシャフト のバランサーに頼るしかない≒ホイールとなり、？？？ 同じ回転数で、トルクの大きいモーター選択すればいいだけとなると、ワット数(馬力)が 増え、ワット数の大きいモーター選択すればいいだけに聞こえ、質問内容と乖離と感じる。 >>> ?ドライバー基板の制限タイマーで短時間だけ頑張れる仕様になっているはず ＞＞ですが、1秒定格の使用法が、1秒定格使用⇒0.5秒通常定格⇒1秒定格使用⇒0.5秒通常定格⇒… を繰り返せば、モータの高温異常等のエラーにてアラームが出て停止します。 > ドライバーの仕様なら、高温になる前に初めからできないと思うけど？ > できるモーター機種ってなあに？？？ と、 ＞＞これらは、サーボモータの選定ソフトで、瞬時最大トルク（電流）を使用する時間的条件が設定され、はじかれて大きなモータを選定するようになるだけで、真意が記載されていない。 > 時間的条件を設定するのが、ドライバーの制限タイマーの仕事なのでは？ > 理解してないのかしらん？？？ “時間的条件を設定するのが、ドライバーの制限タイマーの仕事なのでは？”それなら、瞬時最大トルク、最大パワーを上述より厳しく頻繁に(0.1秒通常定格)使用すると、 ａ）小生の記載では、サーボモータ選定ソフトではじかれ大きなモータを選定するとなる ｂ）虎の記載では、時間的条件を設定するのが、ドライバーの制限タイマーの仕事なので、 ドライバーが使用条件を学習すると、時間的条件を設定し始め性能低下となる、又は プログラム入力がエラーとなりできないとなり、モータを購入後に問題が発生する、前代未聞 のサーボモータ登場でいいのかな？？(こんな販売をするメーカーはいないのでは？？) ファナックは、独自の選定をしますが、三菱電機や安川電機、等々はａ）なんだがね。 後は、質問者さん待ちだが、虎ことtigers記載の如く、そんなに他人批判する内容ではない。 あっ！！、虎ことtigersも、この種の人間で、性格が悪かったのか。iwanai方が良いのに。 この問いは、トルク＝電流値で考え、 ?は、電流値を上げ、トルク低下を防いでいる。 回転数は、周波数（位相）で制御しているが、回転数低下は実質的な（平均）電流値ダウン となり、モータのワット数（馬力）は、定格内となる。 機械的ワット数（馬力）計算は、回転数×トルク×定数なので、回転数が下がればトルクが 上がるとなる。 電気的ワット数（馬力）計算は、電圧(Ｖ)×電流(Ａ)×定数であるが、電流値が上がると 電圧が一定ならワット数が上昇する。 ですが、回転数低下＝周波数低下であれば、電流値の平均値が低下するので、その分電流値を 上げてもワット数が上昇しないとなる。(正弦波等の周波数の山を描いてみれば解ります) ?は、極端に周波数を低下させると、電流上昇値が高くなる事と、機械的にトルクを一定に することが困難になり、慣性力の大きなホイールにて機械的に平均化させる。 ですが、ホイールが大きくなると、目的外のワット数（馬力）を使用することになり、 効率が悪くなる。 一般的に、モータを超低速で使用する場合は、サーボモータを使用しない方が得策。 ?は、回転数が同じで、トルク（電流値）が短時間であるが2～3倍になるは、実質的なワット数 （馬力）上昇。 それを、継続使用又は準継続使用(本体や接点等の冷却性能を損なう使用法)することはできない。 質問者記載の突入電流もあるが、サーボモータのサーボの語源の性能を引き出すために、 意図的な手法として使用されている。
サーボモータに限らず、モータ全般に共通な特性として、 発生トルクは、回転子と固定子間ギャップの磁束密度と、通電電流とに比例 する関係があります。 磁束密度は、鉄心に磁気飽和特性があるので、一定限度以上に上げることは できません。一方、通電電流には、磁気飽和のような変曲点をもつ制約はあ りません。しかし、電流を多く流せば、電気抵抗に基づく発熱があるので、 温度上昇が制約になります。連続運転できる電流に基づくトルクが、定格 トルクですが、短時間であればより多くの電流を流すことで、定格よりも 大きなトルクを発生させることができます。これが短時間（瞬時）トルク です。 モータをインバータ等を使って可変速駆動した場合（サーボモータも可変速 駆動の一種です）、上記の理由によって、回転数を変化させても発生させる ことのできるトルクは一定値となります。（グラフのトルク一定領域） この領域では、トルク一定なので、出力（パワー）は、回転数に比例して増 加することになります。 回転数の上限は、遠心力の増加や共振の発生など主として機械的な制約によ って決まります。（グラフの回転数一定領域） なお、駆動回路の供給電力の制限などが加わると、グラフに出力一定の 領域が現れる場合もあります。 （説明の主旨を明確にするため、事象は単純化してあります） 上記が、お問い合わせのうち減速機を使用した場合を除く、?～?に対応 した説明です。 機械的な減速機を使用すれば、一定の出力（パワー）を変速比に応じて トルクと回転数の関係を調整できることは自明のことです。 可変速駆動と変速器の利用の得失を比較することは結構ですが、モータの 基本的な特性とは分けて理解しましょう。 トルク－回転数の特性グラフについて、 ご質問者さんがお示しのサーボモータのデータは、メーカーとして、定常的 な動作を保証できる領域を示したものと思います。 一方で、例えば汎用の誘導電動機のトルク－回転数の特性グラフは、定常的 な動作を保証できるものではなく、負荷の重さを連続的に変化させた場合の トルク－回転数の実態を表したものと思います。 両者の姿は似ていますが、表す内容は異なっていることに留意下さるように お願いします。汎用の誘導電動機のトルク－回転数の特性は、連続使用でき るのは、定格負荷よりも小さなトルクの範囲の同期回転数に近い回転数の 領域に限られ、低速領域は加速途上の短時間の動作を考える場合の参考資料 的な情報と理解なさる方がいいと思います。
お礼
ありがとうございます。 なんとか理解できてきた気がします
(GW中はサーバメンテでお休みかと思っていました) ? この回転域（0-3,000r/min）では、回転速度が上がるにつれ 出力も比例して上がる特性（仕様）なので、トルクは一定と なると読み取れます それ以上（3,000-4,000r/min）では、出力が一定となるので、 トルクは回転速度に反比例します ? 同じ仕様のモータであれば、減速比分だけトルクが増えます 同じ回転速度で減速機無しでトルクを増やそうとすると、それだけ 高い出力が必要となります
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お礼
たしかに、メーカーとしては余裕がある使い方をしてほしいですよね。