低電圧モーターガイド: 効率、選択、および用途 2026

効率基準と世界的な規制状況

低電圧モーター (作動しているものとして定義) 1000V以下 、世界中でますます厳しくなる最小エネルギー性能基準（MEPS）の対象となります。 EU エコデザイン規則 (EU) 2019/1781 は、包括的なフレームワークを表しており、2 つのステップで実装されます。ステップ 1 は 2021 年 7 月から、ステップ 2 は 2023 年 7 月から実施され、範囲が拡大され、連続使用 (S1、S3 ≥ 80%、S6 ≥ 80%）。

2023年7月1日より、 定格出力75kW～200kWの2極、4極、6極モータにIE4効率クラスが義務化 、一方 0.75 kW ～ 1000 kW のモーターには IE3 が必須 (IE4 でカバーされる 75 ～ 200 kW の範囲を除く)、および最大 1000 kW の 8 極モーター、安全性向上モーター (Ex eb)、耐圧防爆モーター (Ex ec、Ex d、Ex de、Ex t)、外部ブレーキ付きブレーキモーター、および完全密閉空気オーバー (TEAO) 設計も含まれます。

EU 以外の多くの国は、IE 分類に合わせた独自の MEPS を実装しており、メーカー間の効率を直接比較できるようにしています。

IE3 と IE4 のモーター設計の違い

IE3 および IE4 モーターは、内部設計の最適化と導電性材料の改良により、より高い効率を実現します。この効率の向上により、任意のキロワット定格におけるモーターの定格電流が減少します。ダイレクトオンライン (DOL) 始動を必要とするアプリケーション向けに、AC-3e 利用カテゴリーは IE3/IE4 プレミアム効率モーター用に特別に開発され、増加する可能性のある突入電流特性と始動電流特性に対応するために、標準の AC-3 カテゴリよりも高いパフォーマンスを提供します。

モーター電力要件の計算: R.I.S.E アプローチ

モーターを選択する前に、アプリケーションの速度と負荷トルクの特性を決定する必要があります。誘導モーターは通常、単一速度の機械であり、同期速度は供給周波数とステーターの極数に依存し、次のように計算されます。 速度 (rpm) = 周波数 (Hz) x 60 / 極対 。たとえば、50Hz 電源の 4 極モーターは、通常、実際の全負荷速度で 1500 rpm の同期速度を実現します。 スリップにより2～4%低下 [引用:8]。

可変速ドライブ (VSD) を使用する場合は、両方の動作速度を考慮する必要があります。これは、冷却配置とベアリングの選択に影響するためです。速度パラメータを定義したら、以下を使用してパワーを計算できます。 出力(kW) = 速度(rpm) x トルク(Nm) / 9550 [引用:8]。

3つの基本的な負荷トルク特性

• 一定のトルク: 負荷は、始動して走行速度まで加速した後、比較的固定されたトルクを必要とします。一般的な用途には、エレベータ、ホイスト、コンベア、容積式ポンプなどがあります。サイジングは、走行速度での連続トルク要件に基づいています。
• リニアトルク: トルクは速度に比例して変化します。用途には、紙加工、繊維圧延、押出機などがあります。サイズ設定は、通常は高速で発生する継続的な負荷に基づいて行われます。
• 可変（二次）トルク: トルクは速度の二乗に応じて増加します。これは、ブロワー、ファン、遠心ポンプなど、気体または液体の摩擦が関係する場所で発生します。これらのアプリケーションでは、スロットルやスライドバルブを使用して流量を制御するのではなく、VSD でモーター速度を調整することにより、大幅なエネルギー節約を達成できます。

IEC 60034-1 に基づくデューティ サイクルの分類

IEC 60034-1 では、S1 から S10 までの 10 種類のデューティ タイプが定義されています。 S1（連続使用） 熱平衡に達するのに十分な時間、一定の負荷で動作することを示します。 S3（間欠定期勤務） 80% 以上の場合にエコデザインの範囲に含まれますが、暖房に大きな影響を与えない始動期間と制動期間での運転が含まれます。デューティ サイクルを正確に分類することで、過大化を防ぎ、熱容量が動作上の現実に一致することを保証します。

低電圧アプリケーション向けのブラシ付き DC モーターとブラシレス DC モーター

60V 未満の低電力アプリケーションの場合、ブラシ付き DC モーターとブラシレス DC モーターの選択は、耐用年数、メンテナンス要件、制御の複雑さに影響します。

ブラシ付き DC モーターの特性

ブラシ付き DC モーターは、固定子と回転子の電機子巻線に永久界磁を使用し、整流子セグメント上を滑るブラシによって整流が行われます。このシステムは動作に DC 電圧のみを必要とし、バッテリーに直接接続します。ただし、ブラシ タイプ モーターには重要な制限があります。 耐用年数は通常 1000 ～ 5000 時間です。 、速度は 通常10,000rpm未満 。速度が高くなると、摩擦、ブラシの跳ね返り、接触面を侵食するアークの増加により、ブラシと整流子の摩耗が加速します。

ブラシレスDCモーターの利点

ブラシレス モーターは構成を逆にします。巻線は静止したまま永久磁石がローター上で回転します。電子コントローラーは、ホール効果デバイス、エンコーダー、または逆起電力検出によって感知されたローター位置に基づいてステーター電流を継続的に変化させます。耐用年数と速度は主にベアリングによって制限されます。 20,000時間稼働、50,000rpmが共通仕様 。 2 つの転流方法が存在します。1 つはブロック転流です。コストは低くなりますが、トルク リップルは高くなります。正弦波整流は低速でもスムーズな動作を提供し、精密な位置決めやサーボの用途に適しています。

超低電圧モーターの需要を促進する 5 つのトレンド

超低電圧 (ULV) モーター。 ≤60V は、モバイルロボット、倉庫システム、精密製造における自動化の進歩によって成長しているセグメントを表しています。業界研究者による分析では、市場の拡大が 5 つの要素によって推進されていることを示しています。

1. モバイルロボティクスの成長: 物流、倉庫、産業環境に導入された AGV と AMR は、人間中心の設定で効率、トルク、安全性のバランスをとるコンパクトなバッテリー駆動のモーション システムに依存しています。
2. 倉庫自動化のリカバリ: 短期的な投資低迷の後、倉庫自動化は、AS/RS、自動仕分け、安全コンプライアンスとコンパクトな統合のためにULVモーションコンポーネントへの依存度が高まるモバイルロボティクスによって推進され、2026年から回復すると予測されています。
3. 半導体製造の拡大: ウェーハハンドリングやフォトリソグラフィーのアプリケーションでは、ULV モーターとドライブが提供する精度、信頼性、コンパクトな設置面積が必要です。クリーンルームへの準拠と超低振動向けに最適化された製品は、これらの用途にとって重要です。
4. 小軸の自動化の拡大: OEM は、特にパッケージングや電子機器の組み立てにおいて、これまで手動で行われていた小規模なサブシステムを自動化しています。 ULV モーターは、自動化された二次軸を追加するためのモジュール式のコスト効率の高いソリューションを提供します。
5. 空気圧システムの交換: エネルギー効率、精度、メンテナンスにおける空気圧の限界により、ビジネスケースは実行可能な用途での ULV 電動代替品へと移行しています。

ベアリングの選択と機械的考慮事項

アキシャル力とラジアル力はベアリングの寿命に直接影響します。高ラジアル力の用途では、シャフトの寸法も検証する必要があります。 2 つの主なベアリング タイプには、異なる特徴があります。

焼結スリーブベアリングは経済的で、低いベアリング負荷での連続運転に適していますが、逆転作業、真空環境、または回転負荷では使用しないでください。ボールベアリングは、低速、高速 (最大 10,000 rpm)、連続、逆転、および始動停止動作に対応します [引用:3]。

アプリケーション別の選択決定マトリックス

次のマトリックスは、負荷特性と動作要件に基づいて、一般的な低電圧モータ アプリケーションと推奨されるモータ タイプを関連付けています。

低電圧モーター選択の重要なポイント

正しい低電圧モーターを選択するには、単に銘板の定格に一致させるだけでなく、体系的な評価が必要です。プロセスの指針となるのは 3 つの原則です。まず、 効率クラスへの準拠は交渉の余地がありません : モーターが電力範囲の地域の MEPS 要件を満たしていることを確認します。第二に、 モーターの特性を負荷の動作に合わせる : デフォルトでオーバーサイジングを行うのではなく、速度範囲全体で実際のトルク要件を計算します。第三に、 ライフサイクル全体を考慮する : IE4 モーターまたはブラシレス DC システムのより高い初期コストは、動作寿命全体にわたるエネルギー節約によって相殺されることがよくあります。モバイル機器や精密軸を含む新しいオートメーション プロジェクトでは、超低電圧ブラシレス モーターが業界の発展の方向性を表します。産業用固定負荷の場合、可変速ドライブと組み合わせた IE3 および IE4 誘導モータは、効率と規制準拠への堅牢なパスを提供します。