揺れを手なずける：コギングトルクとトルクリップルのガイド

私は長年モーターを使ってきた。その経験から、すべてのトルクが同じではないことがわかりました。十分なパワーがあるように見えるモーターがあるかもしれません。しかし、揺れたり、音が出たり、思うようにスムーズに動かなかったりします。コギングトルクとトルクリップルです。この2つの問題について、私が学んだことをお話ししたいと思います。この記事では、コギングトルクとトルクリップルについてお話しします。また、なぜこのような問題が起こるのか、そしてこの問題を解決するために何ができるのかについてもお話しします。この記事は、モーターシステムを揺れなく作動させたいあなたのためのものです。

モーターにコギングトルクが発生する主な理由とは？

小型のブラシレスDCモーターを初めて手にしたときのことを思い出す。手でシャフトを回してみた。奇妙な、でこぼこした感触を感じた。ローターが特定の場所にカチッとはまりたがっているように感じたのだ。この感覚がコギング・トルクだ。モーターにパワーがないときでも感じられるクリックトルクだ。この効果は、ローターの永久磁石とステーターのスチール部品が連動することで起こる。

こう考えることができる。ローターの永久磁石は常に働いている。強力な磁場を持っている。ステーターは磁界が引っ張る素材でできている。磁石は最も簡単な道を通りたがる。この経路は、ステーターの歯にぴったりとつながる。この引き合う力によって、部品は自然な位置に並ぶ。ローターを回転させようとすると、磁石をステーターの歯から引き離す力が必要になる。これがコギング・トルクである。このでこぼこした感じは、多くのモーター設計では当たり前のことです。静止状態からローターを動かし始めるのに、ある程度のトルクが必要なのはこのためです。

ローターとステーターはどのようにしてトルクリップルを生み出すのか？

次にトルクリップルについて。コギングトルクとよく似ていると感じるかもしれないが、違う。トルクリップルは、モーターが回転しているときに起こります。トルクリップルとは、モーターのシャフトが回転するときに起こるトルクの変化のことです。モーターが不均一なトルクを発生させるのは、いくつかのことが原因です。主な理由は、コギングトルクでお話ししたのと同じ磁気的相互作用です。ローターの磁石はステーターの歯に向かって引っ張られたままです。この引っ張りがリップル・トルクを生み出す。

しかし、モーターに電力を供給する際にこのような現象が起こるのには、もうひとつ大きな理由がある。ステーター巻線に流れる電流は、それ自身の磁界を作る。モーターは、この磁界とローターの永久磁石からの磁界が連動してトルクを発生させる。ステーターの部品と巻線の形状は完全ではありません。そのため、両者の連動は完全にはスムーズではありません。ローターが回転すると、2つの磁界の並び方が変化し続ける。これによりトルクが上下する。これがトルクリップルを生むのです。優れたモーター制御システムは、このリップル・トルクを処理しようとします。

モーターを止めてもコギングトルクを感じるのはなぜ？

これはとてもいい質問だ。コギングトルクの本当の意味を説明するのに役立ちます。前にも言ったように、モーターに電力が供給されていなくてもコギングトルクを感じることができます。これは磁石のために起こる物理的なことです。ローターの永久磁石は常にオンになっています。その磁場は常にそこにある。ステーターコアには、ティースと呼ばれる出っ張った部品がある。この部品が磁束の通り道を作る。

磁場は常に最も簡単な経路を探す。つまり、ローターの磁石をステーターの歯のすぐ横に並べる。これは非常に強い吸引力を生み出す。また、安定した静止位置も作ります。シャフトを回すと、この磁力と戦うことになります。磁石を1つの歯から離し、次の歯に移動させるためにトルクをかけなければならない。これが、"でこぼこした"、あるいはクリックするように感じる理由です。これは、永久磁石とスロット付きステータを持つモーターの自然な動作です。モーターがどのように作られているかの直接的な結果です。このタイプのモーターはすべてコギングトルクを示します。

コギングトルクとトルクリップルの真の違いとは？

コギングトルクとトルクリップルという言葉を同じ意味のように使っている人をよく見かける。これらはつながっていますが、同じではありません。表にしてみると、違いがよくわかると思います。

つまり、コギングトルクはパズルの1ピースと見ることができる。コギングトルクはトルクリップルを生み出すのに役立ちます。モーターが回転しているときは、トータル・トルク・リプルを感じます。これはコギングトルクと電流の流し方によるリップルのミックスです。つまり、電流が流れている間は、トルクリップルを制御しようとしているのです。コギングトルクは、モータ制御が平滑化しようとしなければならない基本レベルの変化を作り出します。モータが低コギングトルクであることは可能です。しかし、制御システムの設定が不十分であれば、トルクリップルが大きくなる可能性があります。

モーターの設計は、これらの不要な力をどのように変えるのか？

モーターの設計は、コギングトルクの大きさを決定する上で最も重要な部分である。私は、エンジニアがこの問題に何時間も取り組んでいるのを見てきました。コギングトルクの大きさは、ステーターのスロット数とローターの磁極数によって決まります。これらの数値に変更を加えることで、大きな違いが生まれます。よく使われるもう一つの方法は、ローターを斜めにすることです。 ステーター・ラミネーション またはローターマグネット。ステーター・スロットまたはマグネットは直線ではなく、小さな角度がつけられている。これにより、ローターが回転する際の磁気吸引力の変化がより緩やかになる。これは、ディテント効果を滑らかにするのに役立つ。

トルクリップルについては、モーターの設計も非常に重要です。永久磁石の形状を良くすることができる。ステータースロットへの巻線の配置も大きな違いを生む。巻線をうまくセットアップすれば、電流が流れたときにスムーズな磁場を作ることができる。モーター設計者の目標は、できるだけ一定のトルクを発生するモーターを作ることです。そうすることで、モーター制御システムの仕事はよりシンプルになる。ステーターのラミネーション材質でさえも、磁界や発生するリップル・トルクに影響を与える可能性があります。

モータードライブでトルクリップルを制御できるか？

はい、できます。そこで、新しいモーター制御方法が非常に役立ちます。いったん物理的なモーターを手に入れたら、その内蔵コギングトルクを変えることはできません。しかし、トータル・トルク・リプルを下げるためにいろいろなことができます。モータードライブは電子頭脳のようなものです。モーターに何をすべきかを指示します。ステーター巻線に流れる電流を制御します。この電流を注意深く形成することで、ドライブはトルク変動を打ち消すことができる。

スマートな制御方法は、モーターのトルクリップルパターンを学習することができる。制御システムは、あるローター位置でモーターがトルクの落ち込みを起こすことを知っている。そのため、その瞬間に少し余分な電流を送り、それを補う。そして、モーターがトルクのピークを作る場所に来ると、制御システムは電流を少しだけ下げる。これには、ローターの位置に関する非常に正確な情報と高速処理ループが必要だ。ハイテク・ドライブはトルク・リプルを大幅に下げることができ、時には90％以上下げることもできる。これは、非常に正確でなければならない多くのシステムにとっての目標である。

トルクリップルはどの速度で大きな問題になるのか？

これは非常に興味深い質問だ。トルクリップルは常に悪いものだと思うかもしれません。しかし、その影響はモータの回転数に依存します。非常に低い速度では、トルクリップルに気づくのは簡単です。ロボットのアームが非常にゆっくりとした滑らかな動きをしようとしていることを考えてみてください。トルクに変動があると、ギクシャクした動きになります。このような状況では、コギングトルクとリップルトルクの両方が大きな問題となります。低速でスムーズに動くように作られたモーターと制御システムが必要なのです。

しかし高速では、トルクリップルの影響はそれほど心配する必要はない。ローターとその負荷が動き続ける傾向が、物事を滑らかにするのに役立つ。モーターは非常に高速で回転しているため、トルクの小さな変化が速度を大きく変化させるのに十分な時間がありません。システム自身の前進運動がフィルターのように働くのだ。それでも、高速回転時でさえ、トルクリップルは揺れやノイズといった望ましくない問題を引き起こす可能性がある。だから、動きは滑らかに見えるかもしれない。しかし、その下で起こっているトルクリップルは、モーターやシステム全体にストレスを与えている可能性があります。リップル・トルクが問題となるモーターの回転数は、特定の用途によって異なります。

不均等なトルクはどのような問題を引き起こすのか？

新しいシステムを作るとき、私はいつもトルクリップルの結果について考えなければならない。問題は、迷惑をかけるような小さなものであることもあれば、システム全体を故障させるような大きなものであることもある。あるいは、システム全体を故障させるような大きな問題になることもある。最も一般的な問題は、揺れとノイズだ。トルクの絶え間ない変化により、モーター全体とそれに接続された部品が揺れます。これはしばしば、ブーン、ブーンという音として聞こえます。モーターの回転数が上がったり下がったりすると、さらに悪化します。

より正確さが求められるシステムでは、結果は悪くなる。

• 正しい位置で停止しないロボットや切断機では、トルクリップルによってモーターが正確な目標位置で停止しないことがある。これにより、精度が低下します。
• 悪い速度制御：非常に一定の速度を必要とするシステムにとって、トルクリップルは非常に大きな問題である。速度リップル」と呼ばれる小さな速度変化が発生します。これは、スキャナー、プリンター、レコードプレーヤーなどには不向きです。
• 部品の摩耗：リップル・トルクによる絶え間ない揺れは、ベアリングやその他の機械部品の磨耗を早めます。長期間にわたってストレスや損傷を引き起こす可能性がある。トルクリップルの高いモーターは、スムーズな応答を得るために、より困難でコストのかかる制御システムを必要とします。

永久磁石はこの挙動にどう影響するか？

永久磁石は、特にブラシレスDCモーターにとって、このトピックの非常に重要な部分である。これらのモーターは強力で、新しいタイプの磁石による強力な磁界のおかげでエネルギー消費が少ない。しかし、その強力な磁場がコギングトルクを発生させているのです。磁石の強さ（磁束密度）は、コギングトルクの強さに直接影響します。磁石が強いモーターは、通常コギングトルクが大きくなります。

永久磁石の形状とローター上の配置もモーター設計の非常に重要な部分である。設計者は、磁界をより滑らかにするために磁石を成形することができます。これは、コギングトルクとトルクリップルの両方を下げるのに役立ちます。例えば、単純な四角い磁石の代わりに、より丸みを帯びた形状を使用することもできる。また、ローター周りの磁石の設置方法も利用できる。例えば、特別なセットアップをすることで、磁界を一方に集中させ、もう一方を弱くすることができる。これも、モーターをより良く動作させ、不要なトルク変動を減らすためのツールです。すべてのモーターが同じ方法で永久磁石を使用するわけではないので、モーターの種類は重要です。

コギングトルクとリップルトルクを低減させる最良の方法とは？

このような問題を解決するには、2つのステップで問題を解決する方法が必要だとわかった。モーターを改良し、よりスマートな制御方法を使わなければならない。モーターが最初から非常に高いコギングトルクを持っている場合、コンピュータープログラムだけで解決することはできません。優れたシステム設計がすべてなのです。

まず、適切なモーターを選ぶ必要がある。低速で非常にスムーズな動きが必要な場合は、コギングトルクの低いモーターを探す必要があります。これは、"コアレス "または "スロットレス "のモーターを意味します。これらのモーターには、磁石が引っ張られるステーターの歯がありません。あるいは、ステーターの積層が斜めになっていたり、極数が多かったり、特殊な形状の磁石を使用しているモーターもあります。これらの特徴は、問題の物理的原因を克服するのに役立つ。標準的なモーターはコストが安いかもしれませんが、その仕事に適したモーターではないかもしれません。

第二に、スマート制御を適用する必要がある。高速プロセッサを搭載した新しいドライブでは、特別な命令を使用してトルクリップルを積極的に取り除くことができる。これには通常、エンコーダのようなフィードバック用のデバイスが必要です。この部分は、制御ループに正確なローター位置を伝えます。この知識があれば、ドライブは毎秒何百、何千回も電流を変えることができる。これはトルクを滑らかにするために行われる。優れたモーターとスマートなドライブを併用することで、スムーズで連続的、かつ正確な動きを得ることができます。

要点

思いつく限りのあらゆるタイプのモーターを長年扱ってきた私が、コギングトルクとトルクリップルについて覚えておくべき最も重要なことを以下に示します：

• コギングトルクとは、磁気クリックトルクのこと。モーターに力がないときに感じることができる。ローターの永久磁石とステーターの歯が引き合うことによって発生する。
• トルクリップルとは、モーターがオンになっているときのトルクの上下変化のこと。コギングトルクと、電流がモーター巻線にどのように送られるかに起因するリップルの混合である。
• 制御プログラムでコギングトルクを取り除くことはできない。しかし、コギングトルクが少なくなるように設計されたモーターを選ぶことはできます。傾斜積層とスロットレス設計は、この2つの方法です。
• スマート・モータードライブでトルクリップルと戦うことができる。ハイテク制御方式は、トルクの変化を打ち消すように電流を形成することができる。しかし、これには正確な位置情報が必要だ。
• トルクリップルによる問題は、低回転域で最も顕著に現れる。回転数が高くなると、モーター自身の動きがスムーズになる。しかし、揺れやノイズが問題になることもある。