【再投稿】吊り合いの取れた時の動力

質問

またまたお世話になります。
先日表記内容で投稿させていただき、あるところまでは理解できてベストアンサーも選ばさせていただきました。
しかしその後、教えていただいた考え方で進めていきましたが、やはり最後の段階で計算ができなくなり、再投稿させていただきます。
要は、質量のある物を持ち上げる際、動いていれば動力(電力、仕事率)は算出可能なのですが、持ち上げているアクチュエータ(焼けない物)が徐々に動力を落として行き停止した場合、物理学的には仕事をしていないので動力としては「０」になるのですが、機械的なブレーキなどは使わない時、アクチュエータに動力を与えていないと質量のある物は落下します。
そのちょうど吊り合いの取れた時(停止している時)に、アクチュエータに与えている動力は何Ｗ(ワット)なのか、計算の方法を教えていただきたく思います。
動く距離も時間も「０」になるので、一般の公式では破綻します。
ヒントは以前いただいておりますが、挫折してしまいました。
何卒宜しくお願い致します。

回答No.15

lumiheart · ベストアンサー

ドローンが単体で空中でホバリング静止してる時の電力と
ドローンが１０ｋｇのワークを掴んで空中でホバリング静止してる時の電力の差は
https://viva-drone.com/delivery-drones/

ロボットが単体で姿勢を保つ時の電力と
ロボットが１０ｋｇのワークを掴んで静止してる時の電力の差と等しい
http://www.e-mechatronics.com/product/robot/picking_packing/index.html

ハズだよね？

ただ腕を上げてその姿勢を保つためのエネルギと
１０ｋｇのバーベルを持ち上げてその姿勢を保つためのエネルギの差は
上記２点の差と等しい　ハズだよね？

普通の三相誘導モータは軸が回らないように固定するとモータが焼損する
この考え方は正しいけれど
この考え方から抜けれ出れないと、本件の答えは出せない

ところで
ロボットの腕のサーボモータは普通の三相誘導モータじゃないよ
サーボモータはオープンループのステッピングモータとは違うよ
ロボットの腕が静止してるのはメカブレーキで固定してるんじゃないよ

クローズドループのサーボモータは軸を固定した状態でも最大トルクを発生して
コイルは焼損しないよ
位置制御ループと電流制御ループの２つで軸が固定したまま最大トルクを保持できる
http://www.mitsubishielectric.co.jp/fa/products/drv/servo/pmerit/mr_jn/motor/torque.html
ゼロｒｐｍで最大トルクが出せる
まぁ、その状態のまま長時間放置するとさすがに加熱するけど数分程度なら何の問題も無い

お礼

皆様、貴重な時間を使って私の愚問にお付き合いいただき、ありがとうございます。
御礼が遅れて大変申し訳ありません。(出張が多いもので・・・)
どうやら私が求めている「一般的な公式」とやらは無いわけですね。
ドローンの例えは私が一番表したかった表現です。
ホバリングしている時は吊り合っているわけで、一般的な公式で考えると「０」なんですが、ドローンは動力を消費している。
であれば、エネルギ保存則に則って考えれば、ドローンだろうが何だろうが、吊り合いを保つためのエネルギと入れたエネルギの和は等しくなるので、一般的に算出できる公式があっても良いのではと思っていたのですが、そうではないとのこと。
未だに不思議なのですが、どなたかが書かれていましたが、混乱するだけなので少し頭を冷やしてみます。
ドローンならドローンでの動力を求め、サーボならサーボでの動力を求めると言う方法になると言うことを言われておられると感じ取りました。
また何かあればお願いいたします。
この場をお借りして御礼申し上げます。
ありがとうございました。

回答No.14

nowane4649

系全体のエネルギー増減の話、つまり、リフトは
が行うべき「仕事」の話と、リフト駆動源のエネルギー消費(エネルギー損失)をごっちゃにしている人が出ていますね。

リフトがワークの加速や上昇を行うときに必要とする「仕事」というのは、簡単に計算出来ます。
単にエネルギー保存則に基づいて収支計算すれば良いだけですから。
質問者のいう加速時動力や上昇時動力に公式は此方に該当します？

一方で、リフト駆動源は電気など、何らかのエネルギーを運動エネルギー・位置エネルギーに変換するわけですが、そのもの変換には常に損失を伴います。
質問者が知りたい位置保持における必要動力、つまり、エネルギー消費はこちらに該当します。
こちらは、何がどのようになって損失が発生するのかを知らなければ、計算を行うことは出来ません。
例えば、モーターを例に出せば、超伝導配線を用いることができれば、一定トルクを生じさせて、静止というのはエネルギー消費ゼロで実現出来ます。逆に、理想絶縁体でコイルを作れば、無限大のエネルギー消費を要求されます。つまり、コイル材質の抵抗率が分からないと計算出来ない訳です。
同様に、永久磁石を利用するモーターにおいて、使う永久磁石が弱いフェライト磁石なのか、強いネオジム磁石なのかで所定トルクの発生に必要な電流が変わってきます。やはり、使う磁石の強さが分からないと計算出来ないわけです。

また、静止させる方法によってもエネルギー消費は変化します。
ステッピングモーターでの特定位置への静止や、トルクモーターでの突き当て静止においては、必要トルク「以上」のトルクを発生させることになります。なので、余剰トルクをどれだけ発生させるかでも、エネルギー消費は変わってくるのです。

なので、質問者の知りたい情報は、モーターの軸拘束時の電流ー発生トルク特性およびコイル抵抗率、アクチュエータの逆効率、安全率が分からないと何も言えないのです。

回答No.13

02526956

再出です。
質問に対しての回答になっていませんでした。
停止している時の考えは動力ではなく、力や荷重で検討することになるのではないでしょうか。

回答No.12

02526956

停止した時の効率が0で説明できませんか。
重量挙げでバーベルを床かから持ち上げた時は仕事をしていますが、頭上で停止した時は仕事はしていません。
でも、そのままでいると人は汗をかきます。
入力（汗をかく）があるものの、バーベルは動かない（出力が0）。
これと同じではないでしょうか。

回答No.11

lumiheart

動かない物の動力はゼロの呪縛から抜けれない方々の為に

空中でホバリング静止してるドローンの動力はゼロなのか？
https://www.droneskyfish.com/entry/2018-best-drone

油圧プレスで型締め点で圧力保持してる状態の油圧ポンプの動力はゼロか？
https://www.kousakukikai.tech/pressbrake/

真空中を飛ぶイオンエンジンの出力はゼロか？
http://spaceinfo.jaxa.jp/hayabusa/about/principle2.html

回答No.10

ohkawa3

回答(1)再再再出
回答(9)さんの記述に賛同いたします。
多様な視点からこれ以上の回答がついても、ご判断に困るでしょうから、いったん締め切ったら如何でしょうか？

回答No.9

nowane4649

自分で考えることをしなければ、いつまでたっても答えにはたどり着けず、ありもしない公式探しに時間を浪費するだけですね。

あなたが知りたい問題というのは、拘束された鉄塊に電磁石で所定の力を掛けたいというのと等価です。
しかし、あなたはこの計算に必要な、コイルの大きさ、ヨーク材質、コイルー鉄塊間距離、制御方式に相当する情報(要するにモーター型番)を出そうとしない、故に誰も正答は教えることは出来ません。先の質問のように誤答をつかまされて無為に時間が流れるだけです。

回答No.8

lumiheart

ロボットやサーボモータをご存じない方は
静止状態の動力はゼロの観点から抜け出せれない

分かりやすい事例としては
ルームランナーでしょうかねぇ

ルームランナー上で走っても見た目の速度はゼロなので
消費エネルギは果たしてゼロなのか？

ルームランナー上で人が走ってもそれを電力に換算できる人は少ないんで
電力に換算しやすい電動車を走らせてみる

電動車質量＝１００ｋｇ
電動車速度＝１０ｍ/sec
コンベア速度＝－１０ｍ／sec　
走行抵抗＝１０ｋｇ

このコンベアが３０度だったら？もっと傾いて９０度になったら？
http://www2.nissei-gtr.co.jp/sentei/keisan_conv.php

但し、本件のモータがサーボモータではないなら上記の考え方はあてはまらない
何故ならサーボモータ以外ではそのような使用は不可能だから

＞実は人の重さ程度の物を持ち上げるリフトを作るのですが、
普通にインバータ駆動する場合は停止状態ではメカブレーキで停止させます
モータ駆動をバランスさせてで停止させるのは不可能です
メカブレーキを解除して駆動させて上昇させるときは
http://www2.nissei-gtr.co.jp/sentei/keisan_lifter.php
普通に計算するだけ

それと、初心者に多い勘違いは
最小のモータを選定しなければならないと思い込んでる事
そうではなくて
予算が許す限りの最大のモータを選定するべきなんです
大きなモータ＝安全率
モータが大きすぎて困るのは予算だけ
概ね計算値の２倍～３倍程度の安全率を見込む

前回の質問では負荷質量１０ｋｇだったけど
安全率を見込んで２０ｋｇ～３０ｋｇ程度にするって事

回答No.7

ohkawa3

回答(1)再再出
＞空中で静止している状態の動力を加算しないと正確な全体の動力と言うのは出ないのでは？
ご質問の主旨は理解しています。

初心者に説明する場合、身近な「例」を使うことがありますが、例の選定やその説明を誤ると、誤解を生むこともあります。
人間腕の力で、荷物を一定の位置に持ち続けるためには、それなりのパワーが必要であることは経験から知っています。だから、空中で静止している状態を維持するには、一定の理論的なパワーが必要だと考えるのは誤りです。
静止させたい位置に棚を設けておいて、棚に荷物を置いておけば、腕は力を出し続ける必要はありません。一定に位置させておくために必要なパワーの理論値は、ゼロなのです。
ゼロでない値が欲しいのであれば、現実に使う駆動系の特性に基づいて考える必要があることを、ご理解頂けると幸いです。

回答No.6

hahaha8635

平行線なのはモーターの仕組みを知らないからです

N　S＝＝＝＝N　S
止まっているときの　モータの中身は　上記のように釣り合って引き合ってます
この時の引き合ってる力はコイルに流れる電流の強さによって　決まります

ただし普通のモーターこのような状況を設定して作られてないので
そのまま電源電流がかかり　コイルはジュール熱によって焼けます
モーターは回り続けないといけないのです

サーボやステップの場合このような状態で流れる電流をドライバ側で規制して
焼けません

流しても焼けない電流値がメーカ側で出されてます
許容電流
この時の静止トルクもメーカ側で出されています
保持トルク　静止トルク

>>持ち上げているアクチュエータ(焼けない物)が徐々に動力を落として行き停止した場合
普通のモーターがこうなっることは仕組み上なりません　極数が少なすぎるため

ステップやサーボで言う脱調状態になります
https://www.youtube.com/watch?v=LW_jxKldiLk&t=380s
7:00
回転子の周波数と誘導電流の周波数０にしたときたまたまステーターとローターが直列にあっていればいいが
普通のモーターは最大でもステーター４　ローター４極の位置がたまたまあってれば　止まるが　まずありえないので　脱調しモーターは発電機化する
脱調しても戻す機能はない

サーボ　ステップの場合極数が多いのとドライバー側で制御されてるので止まる

回答No.5

yamada82

なるほどです。
動力（仕事率）であれば、既回答ですがやはりゼロになるかと。
時間をどれだけかけようとも、距離が変わらないと仕事したとこにはならないので。
仕事L=FSでS=0なので、L=0, 動力(仕事率)P=L/t=0
距離S=0（Pがプラスにもマイナスにもならない条件）にするためのFは条件によって異なりますが。
物が売れなければどんなに頑張っても仕事したことにならないともいえるわけで。