発電機としての DC モータ

ブラシ付きおよびブラシレス DCモータは、両方とも発電機として運転することが可能です。しかしながら、ドライブを設計する際には、考慮すべき重要な点がいくつかあります。

maxon の DC モータは発電機として使用するのに適しているかというご質問を時折り受けることがあります。当社のモータは非常に効率性が高いものですが、これは発電機として動作する場合も同様です。回転数と電圧、および電流とトルクの基本的な計算は非常に簡単です。以下では、適切な選定を行うために必要ないくつかのルールについてご説明します。

DC電圧？AC電圧？

ルール #1: DC電圧の生成には、ブラシ付き DCモータを選択するか、または電圧整流器付きブラシレス EC(BLDC)モータを使用します。AC電圧の生成には、ブラシレス ECモータを選択し、2相のみを接続します。ブラシレスモータにはホールセンサは不要です。

回転数定数 kn

多くの発電機は、1000rpm 以下の回転数で動作します。これは、小型モータとしては非常に低い回転数です。回転数 1000rpmで 10V 以上を生成するために必要な回転数定数は、わずか100rpm/V 以下です。このような巻線は、maxonの製品ポートフォリオではなかなか見つかりません。この要件を満たす大型モータの高抵抗巻線は、ほんの少しです。モータが小型になるほど、回転定数は高くなります。

表 1 は、回転数定数が低い (または発電機定数が高い = 速度あたりの発電電圧) モータの選択を表しています。通常、回転数定数が 100 rpm/V 未満になるのは、抵抗が最も高いモーター巻線だけです。

ルール #2: 負荷に関係なく、巻線の回転定数は kn < n/U 以下でなければいけません。または、ギアヘッドを使用してモータ回転数を向上することも可能です (下記参照)。

抵抗

ルール #2 では、発電機定数の高いモータが必要です。ただし残念なことに、これらの巻線の抵抗は非常に高いものとなっています。抵抗が高いと負荷時の出力電圧が低下し、出力電圧が負荷電流に非常に敏感に反応するようになります。

ルール #3: 特定の負荷範囲で安定した出力電圧を得るには、発電定数の高いモータでも抵抗が低い、より大型のモータを選択します。

EC-i 40 High Torque モータは、この観点から最適なモータだといえます。

出力制限

モータ発電機を選択するときは、電力以外の要素も考慮してください。トルク要件を満たすには、生成される電力よりもはるかに高い電力定格のモータが必要になる場合があります。特に、発電機の回転数が通常のモータの回転数に比べてむしろ低い場合には、この点を考慮する必要があります。

トルクと回転数制限

モータ発電機のサイズとタイプは、発電機のトルク値により決まります。連続トルクが発電機トルクよりも高いモータタイプを選択してください。トルクや電流負荷を計算する際は、運転方式を考慮してください。発電機は長時間連続運転しますか？断続的運転サイクルで運転しますか？または短い間隔でのみ運転しますか？こうした問いの答えに応じて、十分な連続トルクまたは電流を備えたモータサイズを選択する必要があります。また、モータタイプの最高回転数も順守する必要があります。ただし、一般的に低い回転数であるため、これが問題になることはほとんどありません。

電流と電圧の制限

特定のタイプのモータに最適な巻線は、生成される電流と電圧の要件によって決まります。負荷がかかった状態でも、必要な電圧 U を生成できる巻線を選択してください。一定の発電機回転数 n を仮定すると、U より大きい巻線 Ut の発生電圧が必要になります。

負荷を考慮せずに、ルール 2 に従って速度定数を選択します。つまり、十分に高い抵抗を持つ巻線を選択します。抵抗が高くなると電流容量が減少するため、十分に高い連続電流が確保されることを確認してください。

U_t = n/k_n – R_mot · I_L > U

このチャートは、さまざまな巻線の相反する効果を表しています。

• 巻線抵抗が高いほど、生成される (無負荷の) 電圧は高くなります。
• ただし、巻線抵抗が高いほど、発生する電圧は負荷電流の変化に対して敏感に反応するようになります。

これらの相反する影響は、同じ発電機定数に対して抵抗がより低い大型のモータを選択することによって、ある程度排除することができます (ルール #3 参照)。

500 rpm での、貴金属ブラシを使用した RE 40 のさまざまな巻線の電圧 - 電流ライン。各巻線の異なる勾配を観察してみましょう。

ギアモータの組み合わせ

ルール #4: ギアヘッドを使用して、非常に低い回転数を上げます。ただし、maxon のギアヘッドは、出力から駆動されるのにはあまり適していません。バックドライブ可能なギアヘッド、つまり最大2段までの遊星ギアヘッドまたはスパーギアヘッドを使用してください(または特別に設計されたギアヘッドを使用してください)。

ギアモータの組み合わせを使用する理由は、たとえば、風力タービン、水力タービン、または手動での駆動など、発電機の駆動メカニズムが非常に低速であるためです。

注意事項と推奨事項:

• このような場合は、ギアヘッドを出力軸から駆動する必要があります（バックドライブ）。ただし、maxon のギアヘッドはバックドライブにはあまり向いた設計にはなっておらず、効率は低くなります。
• 高減速ギアヘッド (3 段以上) はバックドライブできません。これはつまり、最大許容トルクで出力から駆動しても回転が起こらないことを意味しています。なお、1段または 2段の遊星ギアヘッドはご使用いただけます。これらのギアヘッドは、出力から作動することが可能になっています。
• 遊星ギアヘッドの代わりに、スパーギアを使用してください。スパーギアヘッドは、より簡単にバックドライブすることができ、バックドライブ効率は全体的に高くなります。

特別なケース：DCタコとして機能する DCモータ

ルール #5: DCタコには、低電流に適した貴金属ブラシ付き DCモータを使用してください。アプリケーションにおいて必要となるタコ電圧と回転数範囲に従って巻線を選択します。巻線抵抗を考慮する必要はありません。電流を低く保つため、数 kΩ の負荷抵抗があることだけは確認してください。