ロボティクスの電力密度

トルクの課題 - 配管やダクトの検査ロボット、災害現場でのレスキューロボット、ヒューマノイドロボット - これらには 1 つの共通点があります。それは、これらはすべて、人を支援する移動ロボットであるということ。ここでは、これらのロボットのドライブ技術に求められるいくつかの要件をさらに詳しく説明します。

移動ロボットのドライブシステムに求められる基本要件のひとつは、高い電力密度です。通常、これはロボットにとっては、最小限のスペースで高トルクを実現することが求められることを意味します。また、ロボット工学では、回転数は 1000 rpm 未満で十分だと通常は考えられています。これは、高速の動作を行う場合も変わりません。

DC モータ：高電力密度

高電力密度が必要な用途では、通常、DC モータが真っ先に選ばれます。DC モータは始動トルクが高いため、加速が必要な用途に最適です。ブラシ付きまたはブラシレスの「アイロンレス」maxon モータは、こうした DC モータの典型例です。また、これらのモータは優れた効率性を発揮します。一般に、こうした高速モータは細長い形状で、トルクは比較的低くなっています。ロボット工学で必要となる高トルクは、モータとギアヘッドを組み合わせることで実現されます。

高出力の直線運動が必要となる場合は、高い減速比で最適な機械設計を施すことで、高速モータの特性を犠牲にすることなくこれを実現することができます。ローピッチスピンドルや小型デフレクタプーリを備えたケーブル ドライブなどもその一例です。

多極モータ: さらに高いトルクを実現

磁極数を増やすことで、より高いトルクを確保することができます。maxon EC-4pole モータは、多極モータの可能性を開く最初のモデルです。ここでは、磁極を追加するには、より複雑な設計と組み立てが必要になります。従来のスロット式鉄芯付きブラシレス DC モータは、ほとんどが多極設計で、低回転数で高トルクを発揮します。

EC フラットモータ:  パワフルで低価格

maxon の多極フラットモータは、ロボット工学に最も理想的なモータです。これらの外部ロータモータは、回転軸から可能な限り最大の距離で力を生成するため、中程度の回転数で比較的高い電力密度が得られます。ただし、ロータの慣性も高いため、ダイナミクスは制限されます。フラットモータを応用した例には、水中清掃ロボット Hullbug があります。従来の鉄芯付き多歯巻線と、単一ステップで磁化される等方性永久磁石リングを使用することで、EC フラットモータを経済的に製造することが可能となります。ここでは、個別の部品からマグネットリングを組み立てる複雑な作業が不要になっています。

トルクモータ: 極数は多いが高額

トルクモータは、極数が非常に多いモータの一例です。中空シャフトが備わったこの電気モータは、低速で高トルクを発揮します。ほとんどの場合、このモータはロータとステータのみで構成されており、アプリケーションに直接組み込まれています。このため、ギアヘッド、ベルト、カップリング、またはベアリングなどは不要です。これらのダイレクトドライブにはバックラッシュがなく、通常、正確な制御を伴う動的アプリケーションに用いられます。一方、リニアドライブは特殊なアプリケーションに用いられます。極数が多いため、トルクモータには高いスイッチング周波数が必要になります。また、発生した熱は水冷式で放散する必要があります。

トルクモータは、ロボットアプリケーションのトルクとダイナミクスの要件を完全に満たしていますが、標準化されておらず、また設計の影響が広範囲に及ぶため、これらの使用には非常にコストがかかります。結果として、ロボットにとって好ましいソリューションは、モジュール式で柔軟性に優れたモータとギアヘッドの組み合わせとなります。モータのタイプと設計は、電力、スペース、およびコストといった個別の要件に応じて選択する必要があります。

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