負荷、速度、稼働時間に基づいた減速機付きモーターの選定方法

負荷、速度、運転時間に基づく減速機付きモーターの選定方法

減速機付きモーターを正しく選定するには、モーターに記載された出力だけで判断することはできません。適切な駆動装置は、実際の負荷、始動トルク、出力回転数、減速比、運転時間、および機械への取付形式を同時に満たす必要があります。

出力やトルクが不足している場合、モーターの過熱、過負荷、および減速機の寿命低下を招きます。逆に、過剰な選定はコスト、サイズ、消費電力の増大につながります。以下の手順は、エンジニアや機械メーカーが減速機付きモーターを選定する前に重要なパラメータを決定するのに役立ちます。

1. 機械の負荷タイプの特定

負荷は、減速機のトルク、出力、および負荷係数を決定するため、最初に確認すべき要素です。

安定負荷

安定負荷は、運転中にほとんど変動せず、大きな衝撃がなく、始動も比較的スムーズです。

一般的な用途：

• 軽量コンベア。

• ローラーコンベア。

• 包装機。

• 低粘度液体攪拌機。

• 連続運転する回転機構。

変動負荷または重負荷

変動負荷は、材料の質量、抵抗力、または作業条件が不安定な場合に発生します。

例：

• スクリューコンベア（材料入り）。

• ミキサー。

• 高粘度液体攪拌機。

• 傾斜コンベア。

• バケットエレベーター。

• 昇降機。

これらの用途では、現在使用しているモーターの出力のみを基準にするのではなく、動作トルクと始動トルクを確認する必要があります。

衝撃負荷

破砕機、プレス機、反転機、または頻繁に始動する機構は、軸、ベアリング、および歯車に衝撃負荷を与える可能性があります。

この場合、適切な耐荷重能力を持つ減速機を選択し、メーカーのカタログに記載されているサービス係数（安全率）と照らし合わせる必要があります。

全負荷始動

コンベア、スクリューコンベア、またはバケットエレベーターは、機械に材料が載った状態で始動しなければならない場合があります。その際の始動トルクは、定常運転時よりもはるかに高くなるのが一般的です。

これは、減速機付きモーターの出力および始動方法を選定する際の重要な情報です。

2. 出力回転数と減速比の決定

出力回転数とは、減速機の軸の1分間あたりの回転数であり、通常rpmで表されます。

減速比は、以下の式で概算されます：

i = n₁ / n₂

ここで：

• i: 減速比。

• n₁: モーターの入力回転数。

• n₂: 要求される出力回転数。

例えば、モーターの回転数が約1,450 rpmで、機械の要求出力回転数が48 rpmの場合：

i = 1,450 / 48 ≈ 30

減速比が1/30に近い減速機を検討できます。ただし、実際の回転数はモーターの定格回転数や各伝達段の設計に依存するため、カタログで再確認する必要があります。

単に「減速比1/30の減速機」という要求だけでは不十分です。選定時には、モーターの回転数と希望する出力回転数の両方を明記する必要があります。

3. 出力トルクの計算

出力トルクは、減速機付きモーターが負荷を牽引、昇降、または回転させる能力を表します。

以下の式で概算できます：

T = 9.550 × P × η / n

ここで：

• T: 出力トルク（単位：Nm）

• P: モーター出力（単位：kW）

• η: 伝動装置の総合効率

• n: 出力回転数（単位：rpm）

例：出力1.5 kW、出力回転数50 rpm、想定効率0.9の場合：

T = 9.550 × 1.5 × 0.9 / 50 ≈ 258 Nm

上記の結果はあくまで選定の目安です。モデルを確定する際は、メーカーのカタログに記載されている定格トルク、サービスファクタ、ラジアル荷重、およびアキシアル荷重を照合する必要があります。

減速機の種類や減速段数が確定していない段階で、効率を自己判断で仮定することは避けてください。

4. 始動トルクの確認

機械の始動時に必要なトルクは、通常、定常運転時のトルクよりも大きくなります。

これは特に以下の用途で重要です：

• 荷を積載した状態のコンベア

• 内部に原料が入った状態のスクリューコンベア

• 高負荷の攪拌機

• 昇降機およびバケットエレベーター

• ブレーキ付き機構

• 頻繁に始動する機械

選定前に以下を確認する必要があります：

• 負荷あり始動か、無負荷始動か

• 要求される加速時間

• 1時間あたりの始動回数

• 頻繁な正逆転の有無

• インバータの使用有無

インバータはソフトスタートやトルク制御をサポートしますが、適切な出力や減速比の選定に代わるものではありません。

5. 運転時間に基づく減速機付きモーターの選定

運転時間は、モーターの温度、潤滑油、ベアリング、および減速機の寿命に直接影響します。

1日8時間未満の運転

負荷が安定しており始動回数が少ない場合、運転条件は比較的軽微です。ただし、負荷トルクと環境条件の確認は依然として必要です。

1日8～16時間の運転

放熱能力、実負荷レベル、および潤滑状態に注意が必要です。高温環境や換気が不十分な場所では、モーターを定格限界付近で継続的に運転すべきではありません。

24時間365日の連続運転

連続運転する減速機付きモーターは、メーカー指定のサービスファクタに基づいて選定する必要があります。同時に、周囲温度、オイル交換サイクル、モーターの効率クラス、およびメンテナンス性を確認してください。

間欠運転だが始動回数が多い場合

運転時間は短くても、始動電流や繰り返される衝撃荷重によってモーターが過熱する可能性があります。この場合、1時間あたりの始動回数は総運転時間と同等に重要です。

6. サービスファクタと出力の余裕

サービスファクタ（Service factor）は、定格負荷と比較した運転条件の厳しさを表します。

この値は通常、以下に依存します：

• 負荷の種類

• 1日あたりの運転時間

• 始動回数

• 衝撃の程度

• 正逆転の頻度

• 周囲温度

• 伝動方式

常に20%や30%大きなモーターを選択するといった一般的なルールを適用すべきではありません。余裕率は、実際の負荷および各メーカーの選定表に基づいて決定する必要があります。

過剰な容量選定は、コストの増加、機械台座の大型化、およびシステム電流の増大を招く可能性があります。

7. ラジアル荷重およびアキシアル荷重の確認

トルク以外に、出力軸にはラジアル方向およびアキシアル方向の力がかかる場合があります。

ラジアル荷重

ラジアル荷重は、出力軸に以下を取り付ける際に発生します：

• スプロケット

• プーリー

• 歯車

• コンベヤドラム

作用点が軸の肩から離れるほど、軸およびベアリングにかかる負荷は大きくなります。そのため、軸径だけでなく、スプロケットやプーリーの取り付け位置も確認する必要があります。

アキシアル荷重

アキシアル荷重とは、軸方向に作用する引張力または押圧力のことです。この種の荷重は、スクリューコンベヤ、攪拌機、または直接駆動機構などで発生する可能性があります。

許容荷重値は、特定のモデルのカタログに従って確認する必要があります。

8. 適切な減速機の選定

あらゆる用途に最適な減速機というものは存在しません。選定は、負荷、設置スペース、効率、軸方向、およびメンテナンス要件に基づいて行う必要があります。

9. 設置タイプの選定

減速機付きモーターには、さまざまな構成があります：

• 脚取付形（フットマウント）

• フランジ取付形

• 水平設置

• 垂直設置

• 中実軸

• 中空軸

脚取付形はベースがある機械に適しており、芯出しやメンテナンスの際に便利です。フランジ取付形は、機械の壁面に直接取り付ける場合や、コンパクトな構造が求められる場合に適しています。

中実軸は通常、カップリング、スプロケット、またはプーリーを介して動力を伝達します。中空軸は機械の軸に直接取り付けることができますが、軸径、キー、回り止め方法、および作用する荷重を確認する必要があります。

他社製品と置き換える場合は、発注前に脚取付寸法、フランジ寸法、軸中心高さ、および出力軸寸法を図面で照合してください。

詳細はこちら： 脚取付形とフランジ取付形の減速機付きモーターの違いとは？

10. インバータ駆動の減速機付きモーター

インバータを使用することで、速度調整、ソフトスタート、および機械的衝撃の抑制が可能になります。ただし、以下の点に注意してください：

• 低速運転を長時間続けると、ファン回転数が低下し、冷却能力が低下する可能性があります。

• 周波数を上げると、モーターおよび減速機の機械的回転速度が上昇します。

• 低速時のトルクは、インバータの制御モードに依存します。

• 減速比の選定ミスを補うためにインバータを使用すべきではありません。

• 低速運転を継続する場合は、独立した冷却ファンが必要になることがあります。

許容周波数範囲は、モーターおよび減速機の仕様書に従って確認してください。

11. 減速機付きモーター選定時に必要な情報一覧

旧モーターを交換する必要がある場合は、銘板の写真、図面、軸寸法、および機械への取付位置の画像を追加で送付してください。

詳細はこちら: DSK減速機 - MFGシリーズ

12. コンベア用減速機選定の例

出力速度40 rpm、1日16時間稼働、負荷ありで始動、スプロケット・チェーン駆動、インバータ制御を行うコンベアを想定します。

選定手順は以下の通りです：

1. 搬送物の重量、摩擦、傾斜角からコンベアの牽引力を算出する。

2. 牽引力とドラム半径からドラム軸トルクを特定する。

3. トルクと速度から必要な出力を算出する。

4. モーター速度と出力速度から減速比を選定する。

5. 負荷あり始動時の始動トルクを確認する。

6. 稼働時間に基づいた負荷係数を適用する。

7. スプロケット・チェーンによるラジアル荷重を確認する。

8. コンベアフレームに適した取付タイプを選定する。

9. インバータ使用時の速度範囲と冷却能力を確認する。

牽引力、ドラム径、負荷条件が不十分な状態で、出力速度のみから特定のモデルを決定すべきではありません。

減速機選定時によくある間違い

• 旧モーターの出力のみで選定する。

• 始動トルクを計算しない。

• ラジアル荷重を確認しない。

• 減速比を選定するだけで、実際の速度を確認しない。

• 1日あたりの稼働時間を考慮しない。

• 始動回数や正逆転の頻度を無視する。

• 取付脚、フランジ、または取付方向を誤って選定する。

• インバータで極端な低速または高速運転を長時間行う。

• 機械台座を加工する前に図面を照合しない。

結論

正確な減速機選定は、負荷、速度、稼働時間の3要素から始める必要があります。負荷はトルクと出力を決定し、速度は減速比を決定し、稼働時間は負荷係数、発熱量、および機器の寿命に影響を与えます。

MDriveTechは、負荷、速度、稼働時間、および機械構造に基づいた減速機の選定をサポートします。負荷パラメータ、機械の写真、図面、または現在使用中の機器の銘板写真を送付いただければ、適切なモデルの確認と提案を行います。

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よくある質問

減速機付きモーターは負荷に対してどれくらいの余裕を持つべきですか？

すべての用途に適用できる一律の安全率はありません。必要な余裕は、負荷の種類、稼働時間、起動回数、衝撃の程度、および環境条件によって異なります。実際のトルクを算出し、メーカーのカタログに記載されている負荷係数と照らし合わせることを推奨します。

減速機付きモーターを動力（kW）だけで選定しても良いですか？

いいえ。同じ動力の減速機付きモーターでも、減速比、出力トルク、許容負荷、軸径、取り付け形状が異なる場合があります。動力は確認すべきパラメータの一つに過ぎません。

24時間連続運転する場合の注意点は？

負荷係数、放熱能力、モーターの効率クラス、潤滑油、および周囲温度を確認する必要があります。冷却条件や負荷が不安定な場合、モーターを定格限界付近で常時運転することは避けるべきです。

インバータを使用すればモーターの容量を小さくできますか？

それを前提に選定すべきではありません。インバータは始動や速度制御をサポートしますが、モーター自体が負荷に対して十分なトルクを提供できなければなりません。モーターを小さくしすぎると、システムが過負荷になったり、始動できなくなったりする可能性があります。

古い機器で銘板がない場合、どのようにモーターを選定すればよいですか？

出力回転数、軸径、ベースまたはフランジの寸法を測定し、負荷と運転電流を特定する必要があります。交換モデルを選定する前に、機器全体の写真と取り付け箇所の情報を技術担当者に送り、確認を依頼することをお勧めします。