様々な種類のサーボモーターの中でも、非同期（誘導）サーボモーターと同期サーボモーターは、様々な用途において優れた選択肢として際立っています。どちらも角度位置、速度、加速度を正確に制御するという同じ目的を果たしますが、動作特性、利点、用途はそれぞれ異なります。
この記事では、非同期サーボモーターと同期サーボモーターの違いを解説し、設計、動作原理、利点、そして理想的な使用例を比較します。
サーボモーターとは？
サーボモーターは、角度位置、速度、加速度を正確に制御できる回転アクチュエータです。一般的に、以下の要素が含まれます。
- モーター機構（非同期または同期）。
- フィードバックシステム（エンコーダーまたはレゾルバ）。
- 制御ユニット（サーボドライブ）。
サーボモーターは、AC（交流）サーボモーターとDC（直流）サーボモーターの2つのカテゴリーに大別されます。産業用途ではACサーボモーターの方が広く使用されています。ACサーボモーターには、非同期（誘導）型と同期型の2つの主要なサブタイプがあります。
非同期サーボモーター
産業用途で最も一般的なモーターは、非同期サーボモーター（誘導モーターとも呼ばれます）です。非同期モーターの動作原理は電磁誘導であるため、回転子の回転磁界の速度と固定子の回転磁界の速度が正確に一致することはありません。「スリップ」と呼ばれる速度差は、モーターに加わる負荷に応じて変動します。
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非同期サーボモーターの動作原理
非同期サーボモーター（誘導サーボモーターとも呼ばれます）は、電磁誘導の原理に基づいて動作します。
同期モータとは対照的に、非同期モータでは、回転子が固定子の磁界に対してわずかにずれて動きます。
非同期サーボモータの主な特性
- トルク-速度曲線：非同期モータは、負荷に応じて変化するトルク-速度曲線を生成します。負荷が増加すると滑りが大きくなり、モータの速度が低下します。
- 効率：滑りによって熱という形でエネルギー損失が発生するため、非同期モータは一般的に同期モータよりも効率が低くなります。
- 費用対効果：同期モータと比較して、非同期モータは通常安価です。ブラシや永久磁石を必要としないため、設計がシンプルで、メンテナンスの手間も少なくて済みます。
- 始動性能：これらのモータは始動トルクが高い傾向があり、高負荷始動が必要な用途で有利です。
- 堅牢性：非同期モータは耐久性に優れ、過酷な動作条件にも耐えることができます。
非同期サーボモーターの用途
非同期モーターは、正確な同期は重要ではないものの、堅牢性とコスト効率が重視される用途に最適です。代表的な用途としては、以下のものがあります。
- Pumps and fans
- HVAC systems
- コンベアシステム
- Basic automation machinery
同期サーボモータ
非同期サーボモータと同期サーボモータは、それぞれ異なる動作をします。これは、ローターが供給電流の周波数に同期することで、様々な負荷状況下において正確かつ一定の速度を維持することを示しています。
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同期サーボモータの動作原理
同期モータに必要な一定の回転速度は、交流電源の周波数によって決まります。交流電圧が供給されると、ステータによって回転磁界が生成されます。同期モータでは、ローターに永久磁石または電磁石が内蔵されており、回転磁界にロックするように設計されているため、ローターと磁界は同じ速度で回転します。
同期サーボモータの主な特性
- 精密な速度制御：同期モーターは、ローターの速度とステーターの磁場が一致するため、精密な速度制御が可能です。さまざまな負荷条件下で速度を維持する必要があるアプリケーションでは、特にこの点が役立ちます。
- 高効率：同期モーターはスリップがないため、熱として失われるエネルギーが少なく、一般的に非同期モーターよりも効率が高くなります。
- 定トルク：同期モーターは幅広い速度範囲で一定のトルクを提供するため、安定した性能が求められるアプリケーションに適しています。
- 力率補正：多くの同期モーターが動作可能な進相力率により、産業システムにおける力率調整が容易になります。
- 複雑な構造：同期モーターは非同期モーターよりも構造が複雑になる傾向があり、設計によってはブラシや外部励磁システムなどの追加部品が必要になる場合があります。
同期サーボモーターの用途
同期モーターは、その高精度と高効率性により、正確な速度と位置制御が求められる高性能アプリケーションに最適です。一般的な用途には以下が含まれます。
- ロボット工学
- CNC machines
- Servo drive systems
- High-precision manufacturing equipment
- Motion control systems
非同期サーボモータと同期サーボモータの比較
| 特性 | 非同期サーボモーター | 同期サーボモーター |
| 回転速度範囲 (RPM) | 0-10,000 | 0-20,000 |
| 効率 (%) | 85-90 | 95-98 |
| コスト指数 (1-10) | 5 | 8 |
| 構造 | 構造が簡単で、部品が少ない | 構造が複雑で、追加部品（例：励磁機）が必要な場合あり |
| トルク | 負荷に応じて変動、トルクはあまり一定でない | 幅広い速度範囲で一定トルク |
| 制御 | 精度は低め、一般的な用途向き | 精密制御が可能、高精度用途に最適 |
非同期サーボモータと同期サーボモータの選択
非同期サーボモータと同期サーボモータのどちらを選択するかは、いくつかの要素を考慮する必要があります。
- 精度要件：アプリケーションで高精度な速度と位置制御が必要な場合は、同期サーボモーターが最適な選択肢です。同期モーターは電源周波数との正確な同期を実現するため、高精度なタスクに最適です。
- 効率に関する考慮事項：連続運転と高いエネルギー効率が求められるアプリケーションでは、優れた効率と一定のトルク出力を持つ同期モーターが適しています。
- コストと複雑さ：非同期モーターは一般的にコスト効率が高く、メンテナンスが容易なため、極端な精度や効率を必要としないアプリケーションに適しています。
- 始動性能：システムに高い始動トルクが必要な場合、またはヘビーデューティーアプリケーションで使用される場合は、非同期モーターの方が優れた性能を発揮する可能性があります。
非同期サーボモーターと同期サーボモーターはそれぞれ独自の利点を持ち、異なる種類の産業用途に適しています。サーボモーターメーカーは、絶対的な精度よりもコスト、堅牢性、シンプルさが重視される用途では非同期モーターを選択するのが一般的ですが、高精度で効率が重視されるタスクでは同期モーターの方が適しています。