【DCモーター】　性能線図の見方

先回は機構の設計者から見た、「DCモーターの選定方法」を記載しました。
DCモーターの選定 →→→ こちらから

設計時の選定手順を記載しましたが、それでも分かりにくいのは、『定格を外れても使える』という所だと思います。

「定格を越えたら使えない」 と明確に判断出来ればいいのですが、ＤＣモーターは「定格を越えても ある程度使えてしまう」のです。

そしてどの程度使えるかを判断するのが、今回の『モーターの性能線図』です。

先回のモーター選定と合わせて選定材料としてください。

モーター性能線図

まずはモーターの性能線図をみてみましょう。

記載にあたり web をいくつか見てみましたが、「五十嵐電機製作所」さんのグラフが非常に解り易かったので、そちらを流用しながら捕捉してみます。

五十嵐電機製作所　→→→　こちらから

沢山の線が入っています。　これを順番に説明していきましょう。

性能線図－　トルクと回転数

まずは『トルクと回転数』の関係です。

性能線図の縦軸が『回転数』、横軸が『トルク』になります。
そして赤色の線が、トルクと回転数のグラフになります。

見ての通り、「無負荷時の回転数」と「停止時のトルク」を結んだ直線が『トルクと回転数』になります。

DCモーターは、トルクが上がると回転数がさがります。
『トルク』と『回転数』は反比例の関係です。

また図中の『ストールトルク』は、起動トルク、若しくは停動トルクとも言います。
DCモーターは、起動時に最大トルクを発生するのが良くわかります。

設計者としては、まずこの起動トルクの値を確認します。

先回の「モーターの選定」でも記載しましたが、この『起動トルクの半分程度のトルク』は使えると考えて大丈夫です。

性能線図－　トルクと電流

次に『トルクと電流』の関係です。

性能線図の横軸は先ほどと同じ『トルク』、こんどは縦軸が『電流』になります。

赤い線の電流は、『トルク』が増えれば『電流』も直線的に増える正比例の関係です。

設計者として見ておくのは、「機構側の最大負荷時のとき、回路側に余裕はあるか」です。

仮に起動トルクの半分、グラフではトルクが0.4Nｍの時の電流は、4.1Aほどです。
このぐらいは問題の無い回路である必要があります。

性能線図－　効率線

次は『効率線』です。

効率線とは、モーターの出力を電圧で割ったもので、「モーターがどれだけ効率よく使われているか」の指標です。
赤い曲線が『効率線』で、縦軸が『効率』、横軸が『トルク』になります。

見ての通り、効率が良い場所は、ずいぶんトルクの低い付近なのが解ります。


モーターの仕様には、『定格トルク』『定格回転数』の数値があります。

一般的には一番効率の良い点の値が『定格トルク』であり、その時の回転数が『定格回転数』となります。
このグラフでは青マルの位置で、効率75％といったところでしょうか。

設計者としては、機構の負荷がこの定格トルク辺りで収まれば、一番効率の良い製品になります。

かといって『定格トルク』でしか使えない訳ではありません。
グラフの通り、実際にはもっと上のトルクまで使えるのです。

とは言え、ストールトルク、起動トルク付近では、ほぼ停止しているくらいの回転速度になってしまいます。これでは動作しているとは言えません。

『起動トルクの半分ほどなら使える』としているのは、「トルクと動作速度のバランスを考慮した場合のエリア」と考えられます。

殆んどの製品の機構では、負荷に変動があります。

一時的であれば、少し時間がかかっても、大きなトルクが出るエリアを使わない手は無いと思います。

性能線図-　出力線

最後は『出力線』で、『Ｗ』で表され図中の赤い曲線が　出力線です。

出力Ｗは、『トルクと回転数の積』で求められ、回転数は角速度で表します。

例えば　トルク0.1Nｍの場合の出力は・・・

2000[rpm] × [2π/60] ×0.1[Nｍ]＝21[W」となります。

この位置がほぼ最高効率のため、このモーターの定格出力は　21W　となります。

そして何度も書きましたが、ストールトルクの半分程度、ここでは 0.4Nm　付近を、メカ側の最大負荷として設計をすることができます。

荷重の変化が少い動作ならば、効率の良い『定格』付近の値でモーター選定します。

反対に荷重変化が大きい場合、機構の『最大負荷』が、モーターの『最大出力』付近のものを選定するのが目安になります。

電圧が違う時は、換算してトルクを出す

設計者は、ＤＣモーターの性能線図を見て、「そのモーターが使えるか、使えないか」を判断します。

一般的に性能線図は、『定格電圧』でのグラフになります。

しかし製品設計、機構設計の場合、「定格電圧だけではなく、電圧降下した場合でも動作すること」を求められます。

例えば 定格ＤＣ１２Ｖの製品であれば、「ＤＣ９Ｖでも動作すること」と言った仕様が入っています。

それではＤＣ９Ｖの性能線図を、メーカーからもらわないと進まないのでしょうか？

いいえ、『換算することで、別の性能線図は作る』ことが出来ます。

ＤＣモーターは、電圧をに比例して『トルク-回転数』が変化します。

下のグラフはその説明になります。

電圧の比率分だけ『トルク-回転数』が変わっています。
そして電流は、その比率分だけ、直線が伸びるのです。

仮に黒色の線が１２Ｖ、赤色の線が１５Ｖとします。
すると、トルクも回転数も、１５V÷１２Ｖ＝1.25倍に増えることになります。

こうして定格の性能線図があれば、どの電圧でもトルクや回転数を求めることが出来るのです。

※最終的なモーター選定については、利用するモーターメカーからアドバイスを受けてください。

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