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低速モータとは
低速モータは、その名のとおり、低い回転速度で動作するモータのことをいいます。モータの種類や用途、使用環境によって定義は異なりますが、このコラムでは回転速度が1rpm（revolutions per minute：1分間の回転数）から2,000rpmまでのモータを指しています。
この低速モータは、高いトルクを必要とするアプリケーションや、精密な位置制御が必要な場面で使用されます。例えば、工場の自動化機械やロボット、ポンプが備えられている医療機器、ラジコンカーなどのホビー用途などが挙げられます。
低速モータに求められるもの
一般的に低速モータには、高トルク、精密制御、そして直接駆動などが求められます。これらの要求は、様々な産業やアプリケーションで重要となります。高トルクは、大きな負荷を扱う場合や、急速な加速・減速が必要な場面で重要な特性となります。
精密制御は、位置や速度の正確な制御を必要とするアプリケーションで重要となります。そして直接駆動は、伝達機構を使用せず、効率的でかつ低振動での動作を実現する際に重要となります。
高トルク
高トルクが要求される事例として、自動ドアの開閉機構や自動車の電動ウィンドウのようにモータが始動する際に負荷がかかる製品が挙げられます。これらに使用する低速モータは始動した際に高いトルクを出力することが求められます。
また、重いものを搬送するコンベアやリフトに使用されることもあるため、高いトルクが維持できることも要求されます。この高トルクを実現するためには、モータの磁束密度を大きくする設計や、高い巻線効率を実現する設計が求められます。これにより、モータの設計や材料選定が複雑化します。
精密制御
精密制御が要求される事例として、モータの回転エネルギーを直線駆動に変換する電動アクチュエータなどがあります。電動アクチュエータはロボットの関節に使用されることがあり、精密な動きをロボットに要求する際には、モータ自体も精密に制御する必要があります。
この精密制御を実現するには、高分解能のセンサーと、高いリアルタイム性を持つ制御アルゴリズムやプログラムが必要になります。また、モータの構造や磁気設計を最適化することで、精密な位置決め制御や速度制御が実現できます。
直接駆動
直接駆動が要求される事例として、製造ラインに使用される搬送用機器のモータや、モータの試験を行う試験機があります。この直接駆動は、モータと負荷との間に機械的な伝達機構がないため、慣性や伝達機構を介することによる遅延が少なく、高い応答性が実現でき、低振動での動作を実現することができます。
他方で、負荷とモータが直接つながる状態であるため、負荷によるトルクの変動や、モータ自体の慣性モーメントの影響を考慮した設計が必要となります。
DCモータを使って低速回転を実現する方法
DCモータを低速で制御する方法として、インバータ制御によるパルス幅変調（PWM）制御、モータ自身に機械的な機構を設ける方法のギアリダクション、電源の電圧を制御する電圧制御が挙げられます。
パルス幅変調（PWM）制御
PWM（Pulse Width Modulation）制御では、電源電圧を一定にしておき、モータに印加する電圧を短いパルスで供給し、そのパルスの幅を変えることで電圧を制御します。これにより、低速でのスムーズな回転が実現できます。
さらに、低速モータにPWM制御を採用することで、電圧が変動する際のコンデンサの充電と放電の時に流れるリップル電流を小さくすることができ、効率的な電力利用が可能となります。
ギアリダクション
ギアリダクションは、モータに減速機を組み合わせて低速回転を実現する方法です。減速機の減速比を選択することで、モータの高速回転を低速高トルクな出力に変換します。そのため、低速で大きなトルクが得られます。バックラッシの小さい減速機を使用することで精密な制御が可能になります。
さらに、このギアリダクションは、モータのみでトルクを出力する場合よりも、モータと減速機の組み合わせではあるものの、小型化を実現することができます。なお、ギアリダクションは出力軸の方向によって、平行軸型と直行軸型があります。
ユニテックの低速モータは主にこのギアリダクションを使用しています。既存構造で可能な限り低速回転を実現しつつ、トルク値が充足すれば、定格回転数を低速に設定する方法を採用しています。ユニテックでは、これまでに以下の特性の低速モータを制作しています。
製作例1：電圧DC24V/定格出力11W/定格トルク0.39Nm/定格回転260rpm/定格時間：連続
製作例2：電圧DC75V/定格出力31W/定格トルク1.0Nm/定格回転数320rpm/定格時間：連続
電圧制御
電圧制御は、モータに供給される電圧を調整することで回転速度を制御します。低速での運転を実現するためには、低い電圧をモータに供給します。これにより、低速での安定した回転とトルクの出力が可能となります。電源電圧を直接制御し回転数を設定するため応答性がよい制御方法となります。
低速DCモータの用途例
低速DCモータは多岐にわたる用途で使用されます。自動化機械、ロボット、医療機器、ホビーなどがその代表的な例です。
自動化機器
自動化機械においては、低速DCモータがコンベアベルトやコンベアローラーの駆動に使用されます。工場の製造ラインや物流センターなどでの製品の移動や仕分けで重要な役割を果たしており、工場の省人化や生産性の向上に寄与しています。
ロボット
ロボットの関節部やロボットアームの先端に取り付けられ、掴む、加工するなどの動作をするエンドエフェクターの駆動にも低速DCモータが使用されます。これにより、ロボットの動作がスムーズに制御され、精密な作業や操作が可能となります。
特に、エンドエフェクターに使用する低速DCモータは、掴む対象物の硬さや重さによって力の強さを調整することが重要であることから、低速高トルクの低速DCモータによりトルクの調整が実現でき重要な役割を果たします。
医療機器
人工透析装置や輸液ポンプのような医療機器に、低速DCモータがポンプや吸引器などの駆動に使用されます。また、回診車等に使用されている移動式の健診機器にも低速DCモータが使用されています。
低速で安定した高トルクが出力できる低速DCモータを使用することで、医療処置や診断装置の正確な動作が確保され、患者への安全性と信頼性を高めています。
ホビー
ホビー用途では、ラジコンカー、模型飛行機、模型船などの駆動に低速DCモータが利用されます。低速DCモータの具体的な使用例として、操舵を必要とする際に使用されることが多く、ラジコンカーでいえば、タイヤの向きを変えるために使用します。
ホビー用の低速DCモータは趣味としての楽しみもあれば、プログラミング学習のために使用されることもあります。
低速モータに関するよくある質問
なぜモータは低速になるほど回りにくくなるのですか？
低速域では回転エネルギーが小さいため、わずかな負荷変動や摩擦抵抗の影響を受けやすくなります。また、PWMなどの制御方式ではモータへの入力が断続的になりやすく、回転がカクついたり停止に近い状態が発生することがあります。結果として「低速ほど回りにくい」「滑らかに回らない」という現象が起こりやすくなります。
より直感的に理解するとしたら、車や自転車の運転を想像してみて下さい。遅い速度で安定した速度を出すためには、非常に細かな調整が必要になると思います。ある程度速度をだした方が、「安定した速度」を保ちやすい思います。これと同じで、弱い力を調整することは、難易度が高く、難しいとされてきています。
低速で「高トルク」が必要になるのはなぜですか？
低速であっても、装置側には重量・摩擦・慣性などの負荷がかかります。特に起動時は静止状態から動かすための力が必要で、定常運転でも負荷に負けずに回転を保つためのトルクが求められます。低速では回転の勢いが少ない分、トルク不足が失速や停止に直結しやすくなるため、余裕を持ったトルク設計が重要です。
低速モータに求められる「安定性」とは具体的に何ですか？
低速用途では「回るかどうか」だけでなく、回転の滑らかさや一定速度を保てるかが重要になります。低速では回転の勢いが少ないなか、モータ特有のコギングトルク（電源をとめて軸を手で回すとカクカクする現象）による影響も受けやすく、これにより速度が揺れたり、負荷が変わったときに急に止まりそうになったりすると、装置の精度や安全性に影響します。そのため、低速域でもスムーズに回り続けること、停止や再始動が安定していること、発熱が過剰にならないことなどが安定性の要素になります。
「直接駆動（ダイレクトドライブ）」が低速用途で好まれる理由は？
直接駆動はギアなどの機械要素を挟まないため、バックラッシ（ガタ）や摩耗による誤差が少なく、応答性も良くなります。また、構造がシンプルになることで制御系の挙動も読みやすくなり、低速での滑らかさや位置決め精度が求められる用途で有利です。一方で、必要トルクをモータ単体で確保する必要があるため、モータ選定が重要になります。
PWM制御で低速回転を作ると、なぜムラが出ることがあるのですか？
PWM制御は電圧をON/OFFして平均値で回転数を制御しますが、低速にしようとするとONの時間が短くなったり、OFFの時間が長くなったりします。結果としてモータに力が入る時間が減り、負荷がある場合は回転が一瞬止まりかけたり、トルクが不足してカクつくような挙動になります。低速域ほど「滑らかに回し続ける」ための工夫が必要になります。
電圧制御で低速にすると何が起こりやすいですか？
電圧制御は構成が単純で分かりやすい一方、電圧を下げて回転数を落とすとモータが発生できる力も小さくなります。そのため、負荷が少し増えただけで回転数が落ちたり、起動できなかったり、停止しやすくなることがあります。安定性が必要な低速用途では、単に電圧を下げるだけでは不十分になるケースがほとんどで、この方式はあまり使われることは少ないです。
ギア減速を使うと低速と高トルクを作れるのはなぜですか？
ギア減速はモータの回転を機械的に落として出力側のトルクを増やす仕組みです。モータは回しやすい回転域で運転しつつ、出力側では低速かつ高トルクを得やすくなります。ただしギアには損失やバックラッシがあり、騒音や寿命にも影響するため、用途に合わせた選定が必要です。
バックラッシ（ガタ）は低速・位置決めにどう影響しますか？
バックラッシがあると、回転方向を変えたときに入力側は動いているのに出力側がすぐには反応せず、遅れが発生します。これにより位置決めの誤差が出たり、微小な動きを繰り返す制御で再現性が悪化します。低速で滑らかに動かしたい用途ほど、このガタの影響が顕著になります。
低速で「精密制御」が必要な場合、どんな要素が重要ですか？
低速域では回転数が小さいため、速度や位置の測定精度が不足すると制御が粗くなり、滑らかに動かせなくなります。また、制御周期が遅いと追従が間に合わず、挙動が乱れやすくなります。さらに、機械側に摩擦やガタがあると制御信号に対して出力が素直に動かず、結果として精度が出にくくなるため、制御と機械の両面での設計が重要になります。
低速モータは発熱しやすいですか？
低速で負荷を支えるにはモータに大きな力が必要になる場合があり、その際に電流が増えて発熱につながります。特に連続運転や高負荷条件では温度上昇が積み重なり、性能低下や寿命に影響することがあります。低速用途では回転数だけでなく、発熱と連続運転条件を含めた定格確認が重要です。
低速用途では「起動トルク」と「定常トルク」どちらを重視すべきですか？
起動トルクが不足すると、そもそも動き出せず失速します。一方、定常トルクが不足すると回転中に負荷変動が起きたときに速度が落ちたり停止しやすくなります。低速用途では「動き出す力」と「回り続ける力」の両方が安定性に直結するため、運転パターンに合わせてどちらに余裕を持たせるかを決めることが重要です。
「低速」と「低騒音」は必ずしも両立しますか？
低速だから静かとは限らず、ギアの噛み合い音やバックラッシ、PWMのスイッチング音、負荷側の振動などが原因で騒音が出ることがあります。特に減速機を用いる場合は方式によって音や振動の特性が大きく変わります。静音性が重要な場合は、回転数だけでなく構造と制御方式を含めて検討する必要があります。
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