DC モーターの速度を制御する方法

速度制御は、エンジンの最も重要な性能特性の 1 つです。 DCモーター これが、正確で調整可能で応答性の高い動作を必要とするアプリケーションで DC モーターが広く使用され続ける主な理由です。速度が電源の周波数に密接に関係する AC モーターとは異なり、DC モーターの速度は、確立されたいくつかの方法によってスムーズかつ経済的に調整できます。これらの方法を理解することで、エンジニアや製品設計者は、コスト、効率、トルク要件、制御の複雑さなどの要素のバランスをとりながら、特定のアプリケーションに最適なアプローチを選択できるようになります。

DC モーターの速度は、電機子電圧、逆起電力、電機子抵抗、界磁によって生成される磁束の関係によって決まります。これらの要素のいずれかを操作することにより、モーターの回転速度を増減できます。実際には、これは主に 3 つの電気制御方法によって実現されますが、ギアボックス減速機を使用する 4 つ目の純粋な機械的アプローチは、現在モーター ソリューション設計の主流かつ重要な方法となっており、モーターの電気システムを変更することなく速度調整を実現します。

電機子電圧制御

電機子電圧制御は、DC モーターの速度を調整する最も一般的で広く適用されている方法です。モーターの速度は電機子巻線にかかる電圧にほぼ比例するため、供給電圧を増加させるとモーターの回転が速くなり、供給電圧を減少させるとモーターの回転が遅くなります。この関係により、電機子電圧制御は、スムーズで連続的な速度調整を実現する直感的で非常に効果的な手段となります。

最新のアプリケーションでは、電機子電圧は通常、パルス幅変調 (PWM) を使用して調整されます。この場合、制御されたデューティ サイクルで電源を急速にオン/オフすることによって、モーターに供給される平均電圧が変化します。このアプローチは、抵抗方式に比べて発熱が比較的少なく、優れた効率、高速応答、幅広い速度調整範囲を実現します。アーマチュア電圧制御は、モータの定格速度以下のアプリケーションに特に適しており、調整可能な速度範囲全体で比較的一定のトルク出力を維持するため、精密ドライブ、自動化機器、バッテリ駆動のデバイスに最適です。

磁束制御

DC ブラシ付きモーターの場合、逆起電力は磁束と回転速度によって決まります。電機子電圧は逆起電力と電機子巻線の電圧降下の合計です。通常動作では巻線電圧降下は非常に小さいため、電機子電圧は逆起電力とほぼ同等になります。

電機子電圧と負荷トルクが一定に保たれると、モーターの速度は磁束に反比例します。磁束が減少すると、逆起電力が低下し、電機子回路の電圧差が増加し、電機子電流が増加します。大電流により磁束の弱まりによるトルク損失を補い、安定した出力トルクを維持します。最終的に、磁束が小さいとモーターはより速く動作し、磁束が大きいとより遅く動作します。

界磁巻線を備えた DC モーターの場合、界磁電流を変えることで磁束を調整できます。界磁コイルの電源回路内に直列に接続された可変抵抗器により調整が可能になります。抵抗を下げると界磁電流が増加し、磁界が強化され、磁束が増加します。

永久磁石 DC モーターには界磁巻線が装備されておらず、その磁界は永久磁石によって供給されます。磁束を増やすには、より高い磁気性能の磁石を使用できます。さらに、磁性止め輪は高透磁率部品です。マグネットからの迷走磁束を抑制し、内部の磁気回路を最適化します。磁気止め輪を取り付けると、磁気損失が減少し、電気機械エネルギー変換のための有効磁束が増加します。

電機子抵抗制御

電機子抵抗制御は、電機子回路に直列に可変抵抗器を挿入することで減速を実現します。抵抗が増加すると、抵抗器の両端の電圧降下が増加し、モーターの駆動に利用できる電圧が減少し、結果として速度が低下します。逆に、抵抗を減らすと、より多くの電圧がアーマチュアに到達できるようになり、モーターの定格値まで速度が向上します。

この方法はシンプルで低コストで実装が簡単ですが、顕著な欠点があります。入力エネルギーのかなりの部分が抵抗器内の熱として放散されるため、特に速度が低下した場合に全体の効率が低下します。また、この方式では定格速度以下の減速しかできず、電子方式に比べて制御が比較的粗くなります。その結果、電機子抵抗制御は一般に、低電力アプリケーション、基本的な制御システム、または時折の重要ではない速度調整で十分であり、電子駆動ソリューションがコスト的に正当化されない状況に限定されます。

ギアボックス減速機の追加

上記の電気制御方法に加えて、DC モーターをギアボックス減速機に接続することにより、出力速度を機械的に調整することもできます。ギアボックスは、用途に合わせて選択されたギア減速比に従って、モーター シャフトによって伝達される回転速度を低下させ、出力シャフトで利用可能なトルクを比例的に増加させます。

このアプローチは、アプリケーションがモーターの自然な動作範囲よりも大幅に低い、固定された予測可能な出力速度を必要とする場合、またはモーター自体に過剰な電気的要求を課さずに低速での高トルクが必要な場合に特に価値があります。ギアボックスが減速を処理している間、モーターは最適な速度と効率の範囲近くで動作し続けることができるため、この組み合わせにより、電気的方法のみに依存して非常に低い出力速度を達成するよりも、全体的な効率と耐久性が向上することがよくあります。ギアボックス減速機は、ロボット工学、産業オートメーション、家電製品、電動工具のアプリケーション全体でブラシ付き DC モーターと組み合わせて広く使用されており、最終出力速度をさらに微調整するために上記の電気速度制御方法のいずれかと組み合わせることができます。

結論

DC モーターの速度制御は、システムのパフォーマンスを最適化し、エネルギー効率を高め、設計された機能を達成するために重要です。適切なソリューションを選択する際には、実際のアプリケーションの需要、エネルギー効率の目標、コスト予算を十分に考慮することが重要です。 Honyang Motor のブラシ付き DC モーターは、柔軟な設計を特徴としており、さまざまな速度制御ソリューションと互換性があり、顧客の多様なニーズを満たします。当社は、機器が最高の動作状態に到達できるよう、包括的な製品構成と専門的な技術サポートを提供します。