最近のロボット芝刈り機のほとんどは、ブラシレスDCモーターを採用しています。一般的な機種では、刈り取りシステム用に1基の高速BLDCモーターを、駆動輪用に2基のギアードモーターを使用しています。さらに、刈り高さ調整や補助機構には、小型のギアードモーターが追加で使用されることもあります。

刈り取り用モーターは、主に速度、負荷時の安定した性能、効率、および低振動という観点から選定されます。 車輪用モーターは、主にトルク、ギア比、登坂能力、および精密な動作制御を基準に選定されます。

BLDCモーターは、その効率性、耐久性、精密な制御、そしてコンパクトな設計から広く支持されています。とはいえ、モーターの種類だけで芝刈り機の性能が決まるわけではありません。

ロボット芝刈り機に使用される主なモーター

ほとんどのロボット芝刈り機には、2つの主要なモーターグループが搭載されています：

• ブレードディスクまたはカッティングブレードを回転させるカッティングモーター
• 車輪を駆動し、移動を制御する駆動モーター

機種によっては、刈り高さ調整、ステアリング機構、クリーニングシステム、または可動式保護カバー用に、より小型のモーターやアクチュエータが使用されることもあります。

モーターの位置	主な機能	代表的なモーターの種類	主な要件
刈り取りシステム	ブレードまたはカッティングディスクを回転させる	BLDCモーター	高速かつ安定した出力
左側の駆動輪	芝刈り機を移動・旋回させる	ギア付きDCモーターまたはBLDCモーター	高トルクかつ精密な制御
右駆動輪	芝刈り機を前進・旋回させる	ギア付きDCモーターまたはBLDCモーター	高トルクかつ精密な制御
高さ調整	刈り取りアセンブリを上下させる	小型のギア付きモーターまたはアクチュエータ	位置決め精度
補助機構	カバー、ブラシ、またはアタッチメントを制御します	小型DCモーター	コンパクトなサイズとシンプルな制御

通常、カッティングモーターと車輪用モーターは独立して制御されます。これにより、芝生の状態に応じてブレードの回転数を調整しつつ、走行要件に応じて車輪の速度を変更することが可能になります。

ブラシレスDCモーター

ロボット芝刈り機では、機械式整流ではなく電子式整流を備えたBLDCモーターが一般的に使用されています。代わりに、電子スイッチングによってモーターが制御されます。

この設計は、屋外用自律型機器にいくつかの利点をもたらします。

• 機械的摩耗の低減
• 長寿命
• エネルギー効率の向上
• 電気ノイズの低減
• 速度制御の向上
• メンテナンス要件の低減
• 出力対重量比の向上

ロボット芝刈り機は、1日に数時間稼働し、繰り返し始動、停止、加速、後退、旋回を行うことがあります。このような稼働条件では、耐久性と効率が特に重要になります。

ブラシがないため、モーターはブラシの摩耗に伴う性能低下を回避できます。しかし、BLDCモーターには、適切な電子制御装置、ローター位置検出方式、およびモーター制御戦略が必要となります。そのため、駆動システム全体は、基本的なブラシ付きモーターシステムよりも複雑になります。

刈り取り用モーター

刈り取り用モーターは、ブレードディスク、回転バー、または個々のブレードシステムを駆動します。通常、車輪用モーターよりもかなり高い速度で動作します。

その主な役割は、草をきれいに刈り取るのに十分なブレード先端速度を維持することです。モーターの出力要件は、以下のいくつかの要因によって異なります：

• ブレードの直径
• ブレードの数
• ブレードの質量
• 刈り幅
• 草の密度
• 草の水分量
• 刈り高さ
• 芝刈り機の走行速度
• ブレードディスクの設計

小さな可動式ブレードを備えた軽量な刈り取りディスクは、重い一体型ブレードに比べて必要な始動トルクが少なくて済みます。しかし、満足のいく刈り取り結果を得るためには、依然として高い回転速度が必要となる場合があります。

このため、ロボット芝刈り機の刈り取り用モーターは通常、速度、トルク、効率、振動、騒音のバランスを考慮して設計されています。

BLDCモーターが刈り取りシステムに適している理由

BLDCモーターは、コンパクトな筐体で安定した高速回転を実現できるため、ブレードの駆動に非常に適しています。また、ブレードが濃い草に遭遇した際、コントローラーがモーターの回転数を調整することも可能です。

例えば、芝刈り機は、省エネのために軽負荷時には刈り取りモーターを適度な速度で運転させることができます。草が密集して電流消費量が増加した場合は、コントローラーがトルクを増加させたり、走行速度を調整したりすることができます。

このような応答性の高い制御により、モーターを常に最大出力で運転することなく、刈り取りの均一性を向上させることができます。

モーターの選定は、無負荷回転数だけで行うべきではありません。ブレードがない状態で高速に達するモーターは、草に遭遇した際に過度に減速してしまう可能性があります。連続トルク、ピークトルク、熱容量、およびコントローラーの電流制限についても確認する必要があります。

車輪駆動用モーター

車輪駆動用モーターは、ロボット芝刈り機を芝生の上を移動させます。ほとんどの設計では、左側の駆動輪に1つのモーター、右側の駆動輪に別のモーターを使用しています。

これら2つのモーターの速度と回転方向を個別に変更することで、芝刈り機は以下の動作が可能になります：

• 前進
• 後退
• 徐々に旋回する
• 狭い範囲内での回転
• 境界線に沿って移動する
• 方向を修正する
• 障害物を回避する

車輪用モーターは、一般的に切削用モーターよりも低速で動作しますが、より高いトルクを必要とします。ギアボックスは、モーターの回転数を下げながら、出力トルクを高めます。

減速付きDCモーター

ギア付きDCモーターは、電気モーターと減速ギアボックスを組み合わせたものです。モーターにはブラシ付きとブラシレスのタイプがありますが、長寿命が求められる機械では、BLDC（ブラシレスDC）モーターがますます好まれるようになっています。

このギアボックスにより、コンパクトなモーターでも以下の用途に十分な車輪トルクを発生させることができます：

• 芝生での発進
• 坂道の登り
• 凹凸のある路面での走行
• 柔らかい土の上での旋回
• 茂みの間を通り抜ける
• 小さな障害物を乗り越える

必要なトルクは、芝刈り機の重量、車輪の直径、傾斜角度、接地抵抗、および必要な加速度によって左右されます。

平坦で乾燥した芝生専用に選定されたホイールモーターは、濡れた斜面では性能が低下する可能性があります。一方、過剰な出力のモーターは、実質的なメリットをもたらさないまま、コスト、重量、および消費電力の増加を招く恐れがあります。

有刷モーターとブラシレスモーター

低コストのロボット芝刈り機では、依然としてブラシ付きDCモーターが使用されています。これらは制御が簡単で、通常、初期コストも低くなります。

しかし、運転中にブラシが徐々に摩耗します。また、ブラシの接触により、電気ノイズ、摩擦、発熱、および効率の低下が生じる可能性があります。

特徴	ブラシ付きDCモーター	ブラシレスDCモーター
初期コスト	一般的に低い	一般的に高い
制御システム	よりシンプル	より高度
メンテナンス	ブラシの交換が必要になる場合がある	通常は短い
耐用年数	ブラシの摩耗によって制限される	一般的に長い
効率	中程度	高い
速度制御	許容範囲	より正確
電気ノイズ	より高い	低い
頻繁な動作への適合性	中程度	強い
代表的な用途	エントリーレベルの機械	中級および高級機種

数シーズンにわたり定期的に稼働することが想定されるロボット芝刈り機の場合、BLDCモーターの方が通常、総合的に優れたソリューションとなります。部品やコントローラーのコストは高くなりますが、効率の向上、メンテナンスの軽減、および長寿命化によってそのコストは正当化されます。

稼働時間が限られており、製品が厳しいコスト目標を満たす必要がある場合、ブラシ付きモーターが依然として実用的な選択肢となる場合があります。

モーター電圧

ロボット芝刈り機のモーターは、充電式バッテリーシステムによって駆動されます。一般的な芝刈り機プラットフォームでは、製品の設計に応じて、18 V、20 V、24 V、またはそれ以上のバッテリー電圧が使用される場合があります。

高電圧システムでは、より低い電流で同じ出力を得ることができます。電流が低ければ、ケーブルの電力損失、コネクタの発熱、およびコントローラへの負荷を軽減できる可能性があります。ただし、電圧だけではモーターの品質や芝刈り機の性能は決まりません。

モーターの巻線、コントローラ、バッテリー、ギアボックス、および保護システムは、一つのプラットフォームとして設計されなければなりません。

例えば、もともと低電圧バッテリーを前提に設計された機械に24 Vのモーターを搭載しても、自動的にトルクが向上するわけではありません。コントローラーがその電圧に対応していない可能性があり、モーターの巻線も想定された回転数に適合しない可能性があります。

したがって、モーターの選定は、単体の電圧値ではなく、電気アーキテクチャ全体を考慮して行う必要があります。

トルク、回転数、および出力の要件

ロボット芝刈り機において、トルクと回転数はそれぞれ異なる役割を果たします。

刈り取り用モーターは、草を刈るためにブレードを十分に速く動かす必要があるため、一般的に高い回転数が求められます。一方、車輪用モーターは、機械全体を動かす必要があるため、回転数は低めですが、より高い出力トルクが求められます。

モーターの出力は、トルクと回転速度の関係として理解できます。トルクが非常に低い高速モーターでは、負荷がかかった状態で刃の速度を維持できない可能性があります。一方、適切なギア比が設定されていない高トルクの車輪用モーターでは、芝刈り機の移動速度が遅くなりすぎる可能性があります。

設計プロセスでは、以下の点を考慮する必要があります：

• 連続運転トルク
• 短時間のピークトルク
• 無負荷回転数
• 負荷時の回転数
• 減速比
• 始動電流
• ストール電流
• コントローラー電流制限
• 連続出力
• 温度上昇

ピークトルクは、起動時、登坂時、旋回時、およびブレードの衝撃時に特に重要です。一方、連続トルクは、温度上昇や長期的な信頼性を評価する際により重要です。

モーター制御とフィードバック

ロボット芝刈り機は、通常の手押し式芝刈り機よりも精密なモーター制御を必要とします。制御システムは、センサー、ナビゲーションソフトウェア、境界検知、障害物回避と連動して動作を調整しなければなりません。

車輪用モーターでは、回転速度や位置を測定するためにホールセンサーやエンコーダーが使用されることがあります。このフィードバックにより、芝刈り機は走行距離を推定し、制御された経路を維持することができます。

コントローラは、指令された車輪速度と実際の車輪速度を比較することができます。その差は、以下のことを示している可能性があります：

• 車輪のスリップ
• 車輪の詰まり
• 地形の凹凸
• 芝生の抵抗が過大
• 機械的な故障

刈り取りモーターは、電流、回転数、または温度信号を通じて監視することも可能です。電流の急激な増加は、草の絡まり、ブレードの破損、または刈り取りディスクの詰まりを示している可能性があります。

フィードバックは、性能を向上させるだけではありません。故障の検出やモーターの保護にも役立ちます。

モーターの効率とバッテリー駆動時間

モーターの効率は、バッテリーの稼働時間に直接影響します。モーター内部で失われるエネルギーは、有用な機械的出力ではなく熱となってしまいます。

しかし、ある動作点において最も効率の良いモーターを選定するだけでは不十分です。ロボット芝刈り機は、刻々と変化する条件下で動作します。車輪にかかる負荷は地形によって変わり、刈り取り時の負荷は草の高さや密度によって変化します。

最適なモーターとは、芝刈り機の一般的な動作範囲全体にわたって効率的に動作するものであるべきです。

適切に設計されたシステムは、以下の点を通じて稼働時間を延長することができます：

• 高効率なBLDCモーター
• 適切なギア比
• 軽量な刈り取り部品
• 低抵抗のベアリング
• 適応型ブレード速度制御
• スムーズな加速
• 不要な旋回を低減
• 適切なホイールサイズの選定

したがって、モーターの効率は、機械設計や制御ソフトウェアと併せて考慮する必要があります。

騒音と振動

家庭用ロボット芝刈り機は、住宅、庭、オフィス、または公共スペースの近くで稼働することがよくあります。したがって、低騒音化は重要な設計目標となります。

モーターの騒音は、電磁力、ベアリング、ギアボックスの接触、構造共振、またはコントローラーのスイッチングに起因する場合があります。 多くの場合、モーター自体よりも、刃のシステムや草との接触による騒音の方が大きくなります。

静音性の高いモーターであっても、振動を増幅させる柔軟なハウジングに取り付けられていると、目立つ音が発生することがあります。

騒音低減には、以下の対策が必要となる場合があります：

• バランスが取れたローター
• 高精度なブレードディスク
• 低振動ベアリング
• 最適化された磁気設計
• 適切なコントローラのスイッチング
• 剛性の高いモーターマウント
• 防振部品
• 適切に設計された歯形

モーターと芝刈り機の構造は、一つの振動システムとして評価されるべきです。

屋外使用における保護要件

ロボット芝刈り機のモーターは、湿気、ほこり、草の粒子、肥料の残留物、および温度変化が存在する環境下で動作します。したがって、モーターは汚染や腐食から保護されなければなりません。

重要な設計上の考慮事項には以下が含まれます：

• 密閉型ベアリング
• 保護されたケーブル出口
• 耐食性シャフト
• コーティング処理された電気部品
• 信頼性の高いコネクタ
• 耐湿性絶縁
• モーターハウジング周囲の排水
• 必要箇所での制御された換気

完全に密閉されたモーターは理想的のように思えるかもしれませんが、密閉は放熱にも影響を及ぼします。熱が逃げられない場合、激しい刈り込みや傾斜地での作業中に巻線の温度が上昇する可能性があります。

正しい解決策は、単に密閉性を最大化することではありません。モーターは、環境保護と熱管理の間で実用的なバランスを実現しなければなりません。

車輪用モーターは、想定される最も過酷な始動および登坂条件を用いて評価する必要があります。刈り取り用モーターは、実際のブレードアセンブリと現実的な草の負荷をかけて試験する必要があります。

実験室のベンチでモーターのみを試験すると、ギアボックス、ハウジング、ブレードの不均衡、車輪のスリップ、または気流の制限によって引き起こされる問題が隠れてしまう可能性があります。