Transcript H18講義スライド（MS-PowerPoint）

第６章 モータの基礎知識
サーボモータ
ステッピングモータ
●モータ（アクチュエータ）の種類と特徴
●モータの動作原理
●モータ制御（パワーエレクトロニクス）
ソレノイド
【研究紹介】
港湾内の環境保全を目指した
内航船舶用排熱回収システムの開発
排熱利用スターリングエンジン
●研究目的と概要
停泊している船舶のディーゼルエンジ
ンから放出される排ガスが，港湾地域
の大気環境汚染の原因となっている。
東京湾
その対策は急務
●停泊中の船舶による環境汚染
東京都環境局
東京港内の年間排出量推計
解決方法として・・・
停泊中の発電用ディー
ゼルエンジンを停止させ
るシステム
陸上からの電力供給
年間34000隻が入港
自動車の約8倍！
インフラ設備，導入コスト・・・
排熱回収による発電・
蓄電システム
低温排熱利用技術・・・
●排熱回収システム
開発コンセプト
●必要最小限の電力を貯蔵する。
●設置スペースが小さい。
●既存船への設置が可能である。
★2 kWで2日間の蓄電
★10 kW×10時間の利用
●システム構成
●実験用スターリングエンジンの構造
仕様および目標性能
平成17年度に開発した実験用スターリングエンジン
ピストン径
100 mm
ストローク(DP)
36 mm
ストローク(PP)
28 mm
定格ガス圧力
3～4 MPa
定格ガス温度
280～300℃
定格回転数
1000 rpm
目標出力
500 W
ヒータ管材質
銅合金
再生器
SUS製積層金網
クーラ管材質
SUS304
発電機
誘導式
●実験用スターリングエンジンの構造
●実験用スターリングエンジンの外観
●ディーゼルエンジン排ガスによる運転
ディーゼル排気管
●H18/9/22より運転
を実施中。
スターリングエンジン
ディーゼルエンジン仕様
型式
MU323DGSC
立型４サイクル
ディーゼルエンジン
シリンダ数
3
シリンダ径
230 mm
ストローク
380 mm
定格出力
350 PS （257 kW）
定格回転数
420 rpm
●実験結果の一例
ディーゼルエンジンのエネルギーバランス
●実験結果の一例
●排熱エネルギーの回収効率
を上げるためには？
●システムを完成させるため
には？
スターリングエンジンのエネルギーバランス
第６章 モータの基礎知識
サーボモータ
ステッピングモータ
●モータ（アクチュエータ）の種類と特徴
●モータの動作原理
●モータ制御（パワーエレクトロニクス）
ソレノイド
6.1 モータとアクチュエータ
モータ
①原動機，蒸気機関，内燃機関など動力発生機類の総称。
②特に電動機。
③「自動車の，内燃機関の」などの意味で複合語をつくる（モータ
ショー，モータオイルなど）。
アクチュエータ
①機構の制御を行うための「動き」を生みだす部品。
②コントローラによって制御される。
③電気で動作するもの，油圧または空気圧で動作するものがある。
(1) 産業用機械のアクチュエータ
NC工作機械
(2) ロボットのアクチュエータ
実験用魚ロボット
●アクチュエータ技術を利用した機械
工事車両
産業用ロボット
介助用機器
http://www.komatsu.co.jp/
アミューズメントロボット
http://www.ecat.sony.co.jp/
6.2 回転式モータの原理と特徴
★フレミングの左手の法則
に従う電磁力を利用する。
★直流モータと交流モータ
は，アクチュエータ技術の
基本。
(1) 直流モータと交流モータ
●アクチュエータ技術の基本は，直流モータと交流モータ。
●それらの構造・特徴を理解する。
(a) 交流モータ（ACモータ）
(b) 直流モータ（DCモータ「）
産業用モータ
(2) 直流モータ
直流モータの特徴
●小型・高出力
●電圧変化による出力
制御が容易
(a) 産業用直流モータ
(b) 模型用直流モータ
●直流モータの基本原理
●永久磁石とコイル，整流子で構成される。
●フレミングの左手の法則に従って回転する。
●実際のモータで
は，コイルを増や
して，どの位置で
も駆動力が得られ
るようにしている。
●直流モータの構造
直流モータの内部構造
●直流モータの構造
●ケース内側に永久磁石
●回転子に複数のコイル
●整流子とブラシで電流の方向を切り替える。
●直流モータの問題点①
ブラシで発生する火花（スパーク）によってノイズが生じる。
コンデンサによるノイズ低減
コンデンサによって，端子の交流成分（ノイズ）を吸収する。
●直流モータの問題点②
ブラシの摩耗により，保守が必要であり，信頼性が低い。
ステータ
ロータ
（ネオジウム磁石内蔵）
ブラシレスDCモータ
ブラシをなくした直流モータも普及しつつある。
●直流モータの問題点③
マイコン等のデジタル信号による出力制御が難しい？
①専用素子や専用ドライバを使う。
②トランジスタを使う。
次回製作
(3) 交流モータ
交流モータの特徴
●大型化・大出力化が容易
●構造が簡単で高信頼性
●安価
一般に使われているのは，
交流誘導モータ
（交流インダクションモータ）
産業用交流モータ
（出力400W，減速機構付き）
●交流モータの種類
(a) 三相誘導モータ
(b) 単相誘導モータ
交流には，三相と単相の２種類がある。
●三相交流誘導モータの構造
固定子（コイル）
軸受
回転子
●三相交流誘導モータの基本原理
三相交流
● 複数のコイルに120°ずつずれた三相交流電圧を入
力することで回転磁界が生じ，回転力が得られる。
●単相交流誘導モータの構造
回転子
固定子（コイル）
コンデンサ
●単相交流誘導モータの動作原理
●複数のコイルで構成されている。
●コンデンサによって，一方のコイルの位相をずらすことで，回
転磁界が生じ，回転力が得られる。
●交流モータの使用例
交流モータの問題
モータ
回転数・出力制御
が難しい。
モータ
(a) ボール盤
(b) コンプレッサ用モータ
●産業分野や家電（扇風機や洗濯機）の汎用モータとして広
く使用されている。
●交流モータの問題点①
回転数・出力制御が難しい。
汎用インバータと周辺機器
インバータによって回転数制御ができる。ただし，厳重なノイズ
対策が必要。
●交流モータの問題点②
交流の電気を蓄えることはできないので，原則として商用電源が
必要となる。
市販インバータ
（AC100V，3kW）
ディープサイクル
鉛蓄電池
（12V 60Ah×18個
→10 kWh）
直流バッテリとインバータ
インバータで直流を交流に変換する。
(4) モータの性能特性
直流モータの性能線図
●電圧とトルク（負荷）によって，回転数や出力が変わる。
●一般に，直流モータは一定電圧を与えたときの特性を表す。
●直流モータのカタログ（参考）
●直流モータのカタログ（参考）
【補足】エンジンの性能特性
(a) エンジンの性能特性
(b) 自動車用エンジンの
性能曲線（カタログ）
6.3 サーボモータ
★回転角度制御・回転速度制御ができるモータ
サーボ機構
回転速度や機械的な位置などの
フィードバック制御系
サーボモータ
サーボ機構に使用するモータ
またはサーボ機構を使用したモータ
①正確な回転が必要な場合に使用される。
②直流モータを利用したもの，交流モータを利用したものがある。
③駆動力が比較的大きく，ロボットのアクチュエータとしてよく利用
されている。
④制御の時間遅れが問題となることがある。
(1) R/Cサーボモータ
●回転軸の回転角度が可変抵抗によって検知される。
●回転角度が外部からの制御信号による目標角度と一致す
るように制御するシステムが構成されている。
(1) 産業用サーボモータ
交流モータ
ロータリエンコーダ
(a) コントローラ
(b) サーボモータ
産業用ACサーボモータ（200W）
(3) サーボモータの使用例
実験用水槽の造波装置（海技研）
実験用動揺装置（海技研）
●動揺台を用いた車いすの実験
●スターリングエンジン用発電機の性能評価装置
サーボモータ
トルク計
IPM発電機
6.4 ステッピングモータ
★メカトロニクス機械で重要なアクチュエータ
①パルス信号を与えるごとに，一定の
角度ずつ回転する。
②正確な回転角度制御が可能である。
③パルス周波数を変えることで，回転
速度が変わる。
④パルスモータとも呼ばれる。
⑤限界のトルクを超えると制御できなく
なる（脱調）。
⑥回転数が高いほど，トルクが小さい。
ステッピングモータ
(1) ステッピングモータの構造
●ケース内に永久磁石を用いた回転子
●周囲に複数のコイル
●コイルに対して順番に電流を流す。
(2) ステッピングモータの動作原理
(3) ステッピングモータの使用例
(a) 時計
(b) OA機器
(4) ステッピングモータのマイコン回路
ステッピングモータとマイコン回路
(4) ステッピングモータのマイコン回路
マイコン回路
●ウミガメ型海中ロボット
●ウミガメ型海中ロボット
●ウミガメ型海中ロボット
●ウミガメ型海中ロボット
●ウミガメ型海中ロボット
6.5 リニアアクチュエータ
★メカトロニクス機械ではリニア運動が必要となることがある。
ロボットアーム
電動リニアアクチュエータ
介助用ベッド
(1) 電動リニアアクチュエータ
回転式モータとラック・アンド・ピニオン機構を
用いたリニアアクチュエータの一例
●電動リニアアクチュエータの使用例
介助用車いすの駆動モデル（2004年度卒業研究）
●介助用車いすの駆動モデル
●介助用車いすの駆動モデル
(2) ソレノイド
★電磁石を機械的運動に利用したアクチュエータ
①鉄心にコイルを巻き，電流を流すと磁力が生じる。
②電気機器の制御に使われる（リレー）。
③簡単な機械的運動ができる。
(a) リレー
(b) 小型ソレノイド
●簡単なソレノイド（電磁石）
簡単なソレノイド
(3) 油圧アクチュエータ
★大出力・大推力が必要な場合に使用される。
①油圧エネルギーを機械エネルギー
に変換する。
②圧力差を利用して，ピストンを動か
す。
③土木機械，工作機械，建設機械の
ような大出力が必要な装置で使用さ
れる。
工事車両（重機）
●油圧アクチュエータの基本構成
油圧ポンプ，コントロールバルブ，油圧シリンダから
構成される。
●油圧アクチュエータの動作原理
コントロールバルブの動作
6.6 まとめ
★直流モータと交流モータが基本
★サーボモータとステッピングモータはメカトロ機械を
組み上げる際に重要
★リニアアクチュエータはメカトロ機械を組み上げる際
に使いこなしたい技術
★それぞれの特徴を把握して，モータ（アクチュエータ）
を選定することが重要
【演習問題】
★リニアアクチュエータの特徴を活かしたメカ
トロニクス機械を考えなさい。
その構造を図面で表し，特徴が活かされる
理由を文章で説明しなさい。