最新の油圧駆動システムでは、 速度 がモーターの中核となる性能指標の 1 つです。多くのエンジニア、メンテナンス担当者、または機器ユーザーは、モーターの選択時に次のことをよく尋ねます。
「低速、さらには超低速の油圧モーターが必要です。わずか数十 RPM、あるいはわずか数 RPM で安定して動作できますか?」
この一見単純な要求には、実際には、油圧技術における一連の複雑な構造的限界、流体力学の課題、機械的矛盾が隠されています。本当の理由を理解するには 低速モーター は非常に珍しいため、選択する際には特に注意が必要ですが、油圧モーターの速度がどのように分類されるかから始める必要があります。そこから、モーターの構造原理、低速を達成するための技術的困難、超低速に適したモーターの種類、および関連するシステム上の制限について詳しく説明します。
油圧業界では、モーターは一般に定格速度によって次のように分類されます。
高速モーター: 500 rpm 以上
中速モーター: ~300 ～ 500 rpm
低速モーター: 300 rpm未満
ただし、この分類には、見落とされがちな「隠れた間隔」があります。それは、大まかに 50 rpm 未満と定義される 超低速 域です。なぜ 50 rpm 未満の範囲を別個に呼ぶのでしょうか?流体力学、トライボロジー (摩擦科学)、油圧制御の観点から見ると、モーターの動作は 定性的な変化を受けるためです。 50 rpm のしきい値付近で
50 rpm は任意の数値ではありません。これは油圧ドライブにおける重要な技術的境界線を表しています。
極度に低い流量は脈動を拡大します。 極度に低速では、モーターを通過する流量が非常に小さいため、圧力リップルやポンプの脈動が大幅に増幅されます。
摩擦が支配的になり、スティック スリップが発生します。 内部摩擦力がトルクの大部分を占め始め、スムーズな回転ではなくスティック スリップ動作 (這い回る) が発生する可能性があります。
漏れの影響は倍増します。 たとえ軽微な内部漏れであっても、低速での実効回転に比例して大きな影響を及ぼし、速度変動や失速を引き起こす可能性があります。
供給の安定性に対する高い要求: モーターの入口流量と圧力は、高速動作時よりもはるかに安定して一貫している必要があり、そうでない場合、モーターはスムーズに回転しません。
これらの要因により、 「非常に遅い」回転が可能である ように見える多くの油圧モーターは 、数十または 1 桁の RPM の範囲に入ると、固着、起動と停止の動作、速度の急上昇や不均一などの問題を示します。エンジニアリング業界では次のような一般的なコンセンサスがあります。
50 rpm を超える安定した低速を達成することは難しくありませんが、 50 rpm 未満で 連続的でスムーズでジッターのない 回転を維持することは、まったく異なる技術領域です。
これは、超低速モーターに特別な設計機能が必要な理由も説明しています。通常のモーターでは単に 「速度を下げるために流量を下げる」だけで は、この領域で良好なパフォーマンスを期待することはできません。
油圧モーターが超低速で動作すると、「低速化」がますます困難になる一連の構造的および物理的課題に直面します。
1.流体力学: 微小な流れ、脆弱な圧力制御 – A 油圧モーターの速度は、それに入る流れに直接比例します。流量が減少すると、モーターの速度が低下し、 トルクリップルがさらに顕著になります。低速域では、流量は 1 秒あたりわずかミリリットルまで低下することがよくあります。このような小さな流量では、わずかな圧力変動、バルブの微小な振動、またはオイルの粘度のわずかな変化でも、モーターがスムーズに回転せずに 断続的に回転したり、回転したりする可能性があります 。言い換えれば、流量が低いほど、モーターは外乱に対してより敏感になります。
2.内部摩擦と漏れ: 比例して大きな影響 – モーターの内部摩擦と漏れは、高速ではわずかですが、低速では重大な要因になります。例としては、ピストンとシリンダーボアの間の摩擦、バルブプレートまたは整流子の機械的抗力、隙間からの流体の漏れなどが挙げられます。意図した流量が既に非常に小さい場合、少しの余分な摩擦や内部漏れのわずかな増加により、 モーターの回転を停止するのに十分な駆動トルクが奪われる可能性があります。文書化された事例の 1 つでは、公称流量では正常に動作していた 2 つの軌道モーターが、 非常に低い流量で特定のシャフト位置で失速し始めました。これは、内部ポート間の漏れにより、その位置での圧力の上昇が妨げられたためです。この現象は、高流量では目立たなくなりましたが、極度に低速では顕著になりました。基本的に、低 RPM では、内部損失 (摩擦、漏れ) がモーターの出力トルクのはるかに大きな部分を消費し、ためらいや「スティックスリップ」動作が発生します。
3.機械構造の制限: すべての設計がクローリング用に構築されているわけではありません。 低速でスムーズに動作する油圧モーターの能力は、その設計に大きく依存します。モーターの種類が異なれば、本質的に低速特性も異なります。
構造的な観点から見ると、低速で真に優れたモーターは通常、 大きな排気量 (低流量で 1 回転あたりにより多くのトルクを生成するため)、 複数の作動チャンバー (脈動を低減し、よりスムーズな出力を生み出すため)、 高容積のシールと正確なクリアランス (漏れを最小限に抑えるため)、および 安定した潤滑を備えた低摩擦コンポーネントを備えています。これらすべての条件を満たしているモーター設計はわずかです。そのため、超低 RPM で安定して動作できるモーターの種類は比較的少ないのです。
ギア モーター: 一般に、 極低速には適していません 。低 RPM ではトルク リップルが大きく、内部漏れが大きくなる傾向があり、その結果、低速での安定性が低下します (実際、ギア モーターは、 低速で不安定で、 定格トルクと比較して始動トルクが低いことで知られています)。
アキシャル ピストン (斜板) モーター: 通常は中速から高速向けに最適化されています。特別に設計されていない限り、超低速でスムーズな動きを維持するのが難しい場合があります。
オービタル (ジェローター/ジェローラー) モーター: これらの 低速高トルク (LSHT) モーターは、内部のサイクロイド機構により、低速範囲で自然な利点を発揮します。その設計は、特に大排気量モデルにおいて、低 RPM での出力を本質的に滑らかにします。
ラジアルピストンモーター: 複数のピストンが放射状に配置されているため (「スター」モーターと呼ばれることが多い)、非常に低速を達成できます。多くのピストンが順番に動作することでトルクリップルが大幅に平滑化され、 クリープレベルの速度が 可能になります。
回転要素を備えた内側曲線 (カム ローブ) モーター (スチール ボールまたはローラー モーターなど): これらのモーターは、 超低速、高トルク 動作用に特別に構築されています。複数のカムと転動体 (ボールまたはローラー) を使用して、最小限のリップルで継続的なトルクを生成しますが、その代償として製造時に非常に高い精度が必要になります。
数十 RPM から 1 桁 RPM の範囲で スムーズで連続的な動作を確実に動作できる油圧モータのタイプはほんの一握りです。主なカテゴリには次のものがあります。
オービタル モーター (ジェローター/ジェローラー モーター): これらは、 低速、高トルクのアプリケーションで一般的に選択されます。軌道モーター (サイクロイド モーターまたはとも呼ばれる 「オービター」モーター ) には、複数のチャンバーを作成する内部リング ギアとローター セットが備わっています。この構造により、低速動作に自然な利点がもたらされます。基本的に、その出力は設計によりすでに低速で高トルクになっており、排気量を増やすと達成可能な速度がさらに低下します。実際には、排気量が大きいほど、モーターは非常に低い RPM でより安定して動作できます。例えばOMER-300（排気量300cc/rev）のようなモデルであれば 15rpm程度で安定して走行できます。 400+ cc/rev 範囲の軌道モーターの多くは、最小限のジャダーで安定した回転を維持できます。 30 ～ 50 rpm 以上の範囲で実際、メーカーは 最低速度を指定することがよくあります。 軌道モーターのたとえば、Danfoss OMR 125 (125 cc) の参照最小安定速度は約 9 rpm (およそ 1.2 L/min の流量に相当) です。これは、適切に設計されたジェローター モーターは適切な条件下で 1 桁の RPM に近づくことができることを示していますが、規定の最小値を下回ると「速度リップル」または断続的な動作が発生する可能性があります。
ラジアルピストンモーター：これらは油圧における と考えられます 超低速の王様 。ラジアルピストンモーターにはカムの周囲に複数のピストンが配置されており、多くの場合、サイクルごとに複数のピストンが押します。十分なピストン (したがって 1 回転あたりのトルク インパルスの数が多い) を使用すると、出力トルク リップルを非常に小さくすることができ、モーターをぎくしゃくすることなく 非常に ゆっくりと回転させることができます。大排気量のラジアル ピストン モーター (たとえば、特定の「アウター スター」ラジアル設計) は、 ~10 rpm で安定して動作でき、特殊なバルブ マニホールドまたはサーボ制御を使用すると、スムーズな状態を保ちながら 5 rpm 以下を達成できます 。このパフォーマンスにはコストがかかります。このようなソリューションは高価であり、通常、厳しい要件を持つハイエンド機器またはアプリケーションでのみ使用されます。ラジアル ピストン モーターの低速性能は十分に文書化されています。ラジアル ピストン モーターは 低速高トルク モーターとして分類され 、多くの場合 10 rpm 未満で安定した動作を示します。実際、一部のマルチピストンラジアル設計では、負荷がかかると 0.5 rpmほど遅く動作することがあります 。パーカーの LSHT モーターのカタログには、 0.5 rpm から数千 rpm までの速度が含まれており、1 RPM 未満の動作に合わせて調整されたモーターが入手可能であることがわかります。要約すると、ラジアル ピストン モーター (Staffa、Poclain、または Hägglunds ドライブなどの変種を含む) は、制御された連続的な方法でクロール速度 (1 rpm 程度) を達成できる数少ないモーターの 1 つです。
スチール ボール モーター (インナー カーブ ボール ピストン モーター): 中国では「QJM」シリーズまたはインナー カーブ モーターと呼ばれることが多く、これらはラジアル設計の一種で、 スチール ボールが内側のカム リングに対する回転ピストンとして機能します 。これらは本質的に低速、高トルク出力に適しています。例えば1QJM-32シリーズ以上の機種は連続 10rpm程度で安定して動作することが知られています 。スチールボールモーターは、大きな変位と複数の接触点 (ボール) を組み合わせて、スムーズなトルクを提供します。ただし、これらは非常に高い加工精度と適切な組み立てに依存しており、わずかな誤差でも低速で振動を引き起こす可能性があります。このようなモーターを選択する場合、メーカー 超低速要件をメーカーに通知することが重要です。 がその動作範囲に合わせてモーターを構築および調整できるように、実際には、適切に構築されたインナーカーブ ボール モーターは、低速性能において他のラジアル ピストン モーターに匹敵しますが、品質と精度が最も重要です。
現実世界のエンジニアリングでは、モーター速度を遅くするために一部の人々が試みる「即効性のある解決策」があります。それは、 モーターの戻りラインに一方向スロットル (流量制限器)を使用して 、少しの背圧を生成することです。このアイデアは、出口の流れに抵抗を追加することで、モーターが制御された負荷を認識し、低速動作を滑らかにし、簡単に空転したりけいれんしたりするのを防ぐことができるというものです。この追加の背圧により、実際にモーターが 低流量で飛び出す傾向が少なくなり、事実上、特定の低速範囲内でより安定して動作するようになります。
ただし、この方法には重大な欠点があります。
これは システム内の背圧が増加します。、モーターと油圧回路全体がより高いベースライン圧力の下で動作することを意味します。この無駄な圧力は、 熱としてのエネルギー損失につながります。言い換えれば、戻りを絞ると効率が犠牲になります。流体を制限部に押し込むために油圧ポンプはより多くのエネルギーを使用して動作する必要があり、そのエネルギーの多くは流体内の熱として放散されます。
背圧が上昇すると、 内部漏れが悪化する可能性があります。 モーターの戻りラインの圧力が高くなるため、内部シール間の圧力差が減少し、出力トルクに寄与する代わりに、より多くの流体がクリアランスをすり抜けてしまう可能性があります。これにより、低速のパフォーマンスと効率がさらに低下する可能性があります。
可能性があります。 モーターのシャフトシールが損傷する 極端に行うと、標準的な油圧モーターのリップ シールは、 システムの全圧力に耐えるように設計されていません 。通常、モーターの内部ケースのドレン圧力 (これははるかに低い) を保持することのみを目的としています。適切なケースドレンを使用せずに戻りを絞ると、モーターの出口とケーシング内に高圧が蓄積する危険があります。シャフトシールが吹き飛び、漏れやモーターの故障の原因となる可能性があります。 (戻りラインを閉じる、または戻りが小さすぎる/ブロックされるなどの一般的な間違いも、閉じ込められた圧力によってオイルがシールを通過するため、致命的なシールの破損を引き起こす可能性があります。)
その他の副作用には、 オイルへの熱負荷の増加 (過熱) や、 部品の寿命の短縮などがあります。 部品にかかる継続的な余分な応力と高圧による動作圧力が高くなると、時間の経過とともにベアリング、シール、その他のコンポーネントの摩耗が加速する可能性があります。
要約すると、リターンラインスロットルの使用は、 応急処置的な解決策にすぎません。 せいぜい設計が不適切なモーターを低速でもう少しスムーズに動作させるためのそれは最後の手段としてください。これは 適切な低速モーターの真の代替品ではないため 、そのように見なすべきではありません。超低速を達成するための正しいアプローチは、標準的なモーターを無理に無理な速度に設定するのではなく、その目的のために本質的に設計されたモーターを使用することです。
モバイル機器であっても産業機器であっても、低速動作が伴う場合は常に、次の原則に留意してください。
超低速での高負荷トルクを回避する – モーターが非常にゆっくり回転しているときに、過剰なトルク出力を要求しないでください。速度が低いほど、モーターが高負荷時にスムーズな動きを維持することが難しくなります。這う速度で高い圧力 (トルク) を要求すると、モーターが不安定になったりエンストしたりする可能性が高くなります。実際、ほとんどのモーターは、 非常に低速では、 高速での公称トルクよりも低い始動トルクを示します。モーターの始動トルク仕様を常に確認し、停止に近い状態で最大定格トルクを期待しないでください。トルクの安全マージンを確保するために、必要に応じてモーターのサイズを大きくしてください。
流量の供給が継続的かつ安定していることを確認します。 低速では、流量の変動が回転速度の変動に直接変換されます。小さなパルスや流量の低下は、モーターの動作における震えやジャークとして現れます。安定した低速回転を実現するには、油圧ポンプとバルブが可能な限りスムーズな流れを提供する必要があります。これには、高品質の比例弁またはサーボ弁、脈動を減衰するためのアキュムレータの使用、および流れのリップルの原因の回避が含まれる場合があります。基本的に、低速モーターは、モーターに供給されるオイルの安定性によって決まります。システムの流れが脈動したりドリフトしたりすると、モーターはそれらの外乱を不均一な出力として反映します。
オイルの温度と粘度を制御する – 低速ではオイルの温度管理がより重要になります。油は高温になると粘度が下がります。薄い（低粘度）オイルは内部隙間から漏れやすくなり、 内部漏れが増加し 、モーターの実効出力トルクが低下します。これにより、より多くの流れがシャフトを動かす代わりに内部で「スリップ」するため、モーターが低速回転を維持することがさらに困難になります。これに対処するには、作動油を最適な温度範囲内に維持し（冷却器または適切なリザーバー サイズ設定により）、隙間をシールするのに十分な粘度を維持します。より低温で粘度の高い流体は、漏れを減らし、潤滑のためのより良い油膜を提供することで低速性能を向上させ、それによって摩擦も低減します。
無負荷時と負荷時の違いを認識する – モーターが、負荷がほとんどまたはまったくない状態で極低速で回転するのは比較的簡単です (内部摩擦のみを克服する必要があるため)。実際、多くの油圧モーターは、 1 RPM またはそれより遅い速度でクリープ動作させることができます。 出力シャフトが開いている場合、 ただし、負荷がかかった状態で同じことを行うことは、指数関数的に困難になります。モーターに実際の負荷トルクをかけた瞬間、超低速性能が大幅に低下する可能性があります。無負荷では 1 rpm でスムーズに回転していても、中程度の負荷でも失速したり、ぎくしゃくしたりする可能性があります。したがって、常に低速性能を評価してください 予想される負荷条件下で。ます 。 モーターの最小安定速度は通常、特定の負荷または圧力で指定され無負荷での動作では、動作シナリオにおけるモーターの低速安定性を実際にテストすることはできません。無負荷テストに惑わされないでください。モーター (および油圧回路) が実際の使用負荷下で低速動作に耐えられることを確認してください。
多くの人は、油圧モーターで低速を達成するには、単に「流れをもう少し絞る」だけだと考えています。実際には、真の低速性能は さまざまな要因の集合の結果です。モーターの構造設計、流体力学、摩擦特性、シール精度、制御システムの安定性がすべて連携して作用し、モーターが安定して制御された方法でゆっくりと動作できるかどうかが決まります。
したがって、油圧モーターの種類はごくわずかです。 オービタル モーター、ラジアル ピストン モーター、およびインナー カーブ (スチール ボール/ローラー) モーターは、 非常に低い回転速度で真にスムーズな動作を実現する固有の設計機能を備えています。これらにはそれぞれ、考慮する必要があるトレードオフ (サイズ、コスト、複雑さなど) が伴います。低速デューティ用のモーターを選択する場合は、望ましい RPM だけでなくシステム全体を考慮する必要があります。ポンプ、バルブ、流体の品質、温度制御、負荷条件はすべて成功に不可欠です。
結局のところ、「低速モーター」の本質は単にゆっくり回転できるかどうかではなく、 を継続できるかどうかです**。 もジャダーのない安定した回転 低速でこのことを念頭に置くと、適切なモーターの選択と超低速動作の課題に対処する油圧システムの構成の両方に役立ちます。慎重な設計と適切なコンポーネントを使用すると、油圧モーターは、その技術が約束する高トルクを提供しながら、実際に驚くほど低速で走行することができます。
