電動アクチュエータと空気圧アクチュエータ

Nov 28, 2023

多くの場合、2 台の小型コンプレッサーは、1 台の大型ユニットよりもランニングコストが安くなります。 写真提供：Bimba Manufacturing Co.

空気圧アクチュエータと電動アクチュエータは非常に異なるため、一方を他方の即時代替品とすることはできません。 写真提供：Bimba Manufacturing Co.

この空気圧シリンダには、ストロークに沿った任意の位置でピストン ロッドを機械的にロックできるオプションのロッド ロックが付属しています。 写真提供：Bimba Manufacturing Co.

空気圧は、導入規模がコンプレッサーの能力と一致する場合に最も経済的です。 写真提供：Bimba Manufacturing Co.

空気圧アクチュエータは、小さな設置面積で、低い単価で高い力と速度を提供します。 写真提供：Bimba Manufacturing Co.

空気圧機器の運転コストを計算するとき、エンジニアはコンプレッサーの馬力と効率、年間運転時間、電気代を考慮する必要があります。 写真提供：Bimba Manufacturing Co.

電動アクチュエータは、性能面での利点が得られるプロセスに中程度の規模で導入され、電子機器がアクチュエータから分離されている場合に最も経済的です。 写真提供：Bimba Manufacturing Co.

圧縮空気のコストを節約するために、コンプレッサーと 200 個の空気圧シリンダーを電動アクチュエーターに置き換えることを検討していますか? あるいは、電動アクチュエータ 30 個の価格がなんと 34,000 ドルなので、空気圧を使用した新しいマシンの構築を検討しているかもしれません。

いずれにせよ、あなたは間違った決定を下し、年間数万ドルを無駄にしている可能性があります。 空気圧アクチュエータと電動アクチュエータの選択には、性能、コンポーネントのコスト、システムのコスト、生産性の向上の評価が含まれます。 2 つのテクノロジーは非常に異なっているため、一方を他方の完全な代替品とすることはできません。 それぞれに固有の長所と短所があります。

空気圧アクチュエータは、小さな設置面積で、低い単価で高い力と速度を提供します。 力と速度は簡単に調整でき、互いに独立しています。 一般的な空気圧アプリケーションでは、安全係数として特大のシリンダーが使用されます。 空気圧シリンダは安価であり、次に大きな直径へのステップアップが実現可能かつ実用的であるため、これは一般的です。 修理不可能なロッドタイプシリンダーの価格は、本体の直径、ストローク、オプションに応じて 15 ドルから 250 ドルの範囲です。 空気圧シリンダーは、油圧を除く他の技術よりも単位サイズあたりにより多くの力と速度を提供します。

空気圧は、導入規模がコンプレッサーの能力と一致する場合に最も経済的です。 小型コンプレッサーは、少数の空圧装置に電力を供給するために使用すると効率的で経済的です。 大型コンプレッサーは、多数の空圧機器に電力を供給する場合に効率的かつ経済的です。 未使用のコンプレッサー容量はコストがかかります。 コンプレッサーが無負荷でアイドリング状態にある時間もコストがかかります。

空気圧コンポーネントのコストは低いですが、特にコストを定量化して最小限に抑えるための真剣な努力が払われていない場合、メンテナンスおよび運用コストが高くなる可能性があります。 メンテナンスと運用のコストには、シリンダーの交換、エアラインの設置とメンテナンス、コンプレッサーの電気代が含まれます。 エネルギー省によると、圧縮空気の年間コストの 24% はメンテナンス、機器、設置にかかる費用であり、76% はコンプレッサーの電気代によるものです。

通常、コンプレッサーに部分的な負荷がかかると、コンプレッサーの効率は低くなります。 さらに、平日の勤務中にコンプレッサーの電源を無負荷でオンにしたままにしておくと、かなりの量の電気が無駄になります。 不適切なメンテナンス（空気漏れ）やコンプレッサーの不必要な使用により、廃棄物が増加します。 現在一般的となっている特大のコンプレッサーとシリンダーは、運転コストがかかります。

施設に導入されている空気圧機器ごとの運用コストの決定は、特にコスト計算がしばらく行われておらず、運用規模が縮小している場合には、目を見張るものがあります。 コンプレッサーを使用する空気圧デバイスが 500 台ある場合、デバイスあたりのコストは年間平均 100 ドルになる可能性がありますが、デバイスが 50 台しかない場合、デバイスあたりのコストは 10 倍の 1,000 ドルに増加します。

空気圧とは対照的に、電動アクチュエータは正確な制御と位置決めを提供し、機械を柔軟なプロセスに適応させるのに役立ち、運用コストが低くなります。 これらは、性能面でのメリットが得られるプロセスに中程度の規模で導入する場合、およびエレクトロニクスがアクチュエータからセグメントごとに分離されており、交換コストが最小限に抑えられる場合に最も経済的です。

電動アクチュエータは、カプラーを介して電動モーターに接続されたボール、アクメ、またはローラーネジで構成されます。 ネジが回転すると、ロッドまたはキャリッジに接続されているナットが動きます。 ロッドまたはキャリッジが負荷を移動します。 使用する素材によって性能が異なります。 一般的に使用されるモーターには、ステッパーやサーボなどがあります。 位置決め精度がそれほど重要ではない場合、ブラシ付き DC モーターと AC モーターがリミット スイッチとともに使用されることがあります。

ステップ モーターは、低速で正確な位置決めを行うための経済的な選択肢です。 ただし、ステッパーは、エンコーダーなしで開ループで使用される場合、またはアプリケーションに対してサイズが小さすぎる場合、コントローラーとの同期を失う可能性があります。 定義上、サーボは閉ループであり、コストは高くなりますが、高速で優れたパフォーマンスを提供します。

高精度のネジとバックラッシュ防止機構により、10,000 分の 1 インチの位置精度が得られます。 標準コンポーネントの標準精度は、1 インチの数百分の数から数千分の範囲です。

速度と推力は電動アクチュエータの物理学に関連しています。 スピードは推進力のために放棄され、推進力はスピードのために放棄されます。 これは空気圧シリンダとの重要な違いです。 特定の電動アクチュエータでは、低速ではより多くの推力が得られ、高速ではより少ない推力が得られます。 この特性はステップモーターでより顕著であり、サーボではそれほど顕著ではありません。 このため、アプリケーションでの正確なサイジングが重要です。 同じ速度で推力を増加するには、異なるコンポーネントと材料を使用した異なる設計が必要です。 推力と速度の増加には、より大型で強力なコンポーネントと材料が必要となり、コストが増加します。

実際の条件下でのアプリケーションの負荷を理解して評価することで、出費を最小限に抑えながら適切なアクチュエータの仕様を確保できます。 アプリケーションの読み込みを理解していないと、エンジニアはパフォーマンスの低下とコストの上昇にさらされやすくなります。

電動アクチュエータには、駆動ネジとモーターのほかに、モーターに電力を供給するためのアンプと、動作を制御するためのコントローラーが必要です。 これらのコンポーネントの総コストは、800 ドルから 3,000 ドル以上となります。

電動アクチュエーターの運用コストは主にモーターの消費電力によって発生します。 アンプとコントローラーの低電圧回路は、はるかに少ない程度で電力を消費します。

電動アクチュエータの部品コストは高いですが、運用コストは低くなります。 コンポーネントのコストが高いため、電動アクチュエータの使用が妨げられることがよくあります。 しかし、空気圧と比較して運用コストを削減できる可能性は十分に考慮されていない、または無視されています。

たとえば、手動による切り替え (組立ラインを別の製品に適応させる) は、生産損失と変更の実装に必要な工数の両方の点で費用がかかる可能性があります。 年間を通じて、切り替えが週に 1 回必要で、各切り替えに 2 人が 4 時間、1 時間あたり 50 ドルを必要とする場合、人時コストは年間 20,800 ドルになります。 ラインが 1 分あたり 1 つのアセンブリを生産し、各製品の価値が 10 ドルの場合、生産コストの損失は 124,800 ドルになります。 したがって、切り替えにかかる年間総コストは 145,600 ドルになります。

電動アクチュエータはプログラム可能であるため、これらの切り替えコストを大幅に削減できます。 年間のコスト削減は、実装の決定の一部として考慮する必要があります。

交換コスト、運用コスト、プロセス効率を考慮すると、電動アクチュエータの年間コストは空気圧アクチュエータの年間コストに匹敵します。 導入の規模が中程度で、モーション コントロール システム全体を交換するのではなく、モーション システム コンポーネントが摩耗したときに個別に交換できる場合に役立ちます。

電気アクチュエータと空気圧アクチュエータを実際に比較するには、いくつかの例を参照することが役立ちます。

あるプラントで 100 馬力のコンプレッサーが 90% の効率で年間 2,000 時間全負荷で稼働しているとします。 これは、1 個あたり平均 50 ドルの 20 個の空気圧アクチュエーターに電力を供給します。 コンプレッサーが使用されていないときは、25% の出力と 85% の効率でアイドリング状態になります。 空気圧アクチュエータの寿命は平均 3 年です。 電気料金は 1 キロワット時あたり 0.10 ドルです。

代替品として電動アクチュエータが検討されています。 電気部品は平均して 1 台あたり 900 ドル、さらに制御装置と電源装置に 1,200 ドルがかかります。 各アクチュエータは、48 VDC で 30% の時間、フル負荷で 6 アンペアを消費します。 残りの時間はアクチュエータが 3 アンペアを消費します。 電源は全負荷時に 120 VAC で 6 アンペアを消費し、48 VDC で 9 アンペアを生成します。 機械式アクチュエーターの寿命は 3 年ですが、電子機器の寿命は 10 年です。

この例の寿命は仮定です。 コンポーネントの実際の寿命は異なります。 さらに、電気部門は、時給 30 ドルを稼ぐ 2 人の従業員にとって、毎週 2 時間を費やすライン交換を自動化します。 ライン変更により生産が停止します。 生産時間ごとに、100 個のアセンブリをそれぞれ 1 ドルで生産できます。

この例では、空気圧システムのコストは次のとおりです。

古い 100 馬力のコンプレッサーを小型の 50 馬力ユニットに置き換えることができれば、コストは下がります。 新しいコンプレッサーは約 1 年半で元が取れます。 使用しないときにコンプレッサーを停止すれば、さらにコストが削減されます。 年間最大 25,000 ドルの節約になる可能性があります。 導入の効率化により、空気圧アクチュエータ 1 台あたりの実際のコストは 2,000 ドル以上から約 300 ドルに低下することに注意してください。

比較すると、電気システムのコストは次のようになります。

さらに、電気システムにより次のコストが節約されました。

この場合、運用コストとメンテナンスコストの点で、電気システムが空気圧システムよりも明らかに有利になります。 年間の総コストは 9,648 ドルですが、機械の適応性の向上によって得られる節約は含まれていないことに注意してください。 切り替えを排除することで得られる利益を考慮すると、電動アクチュエータの導入により、実際にはコストが追加されるのではなく、年間約 7,000 ドル削減されます。

あるプラントには空気圧用に 200 馬力のコンプレッサーが設置されており、年間 2,000 時間の全負荷で 93% の効率で稼働しています。 これは、1 台平均 50 ドルの 150 個の空気圧アクチュエーターに電力を供給するために使用されます。 コンプレッサーを使用しないときは、コンプレッサーをオフにします。

代わりに電動アクチュエータを使用することもできます。 交換用アクチュエータの価格は 1 個あたり 1,200 ドルで、これには内蔵ドライバと制御が含まれますが、電源は含まれません。 各アクチュエータは、48 VDC でフル負荷で 6 アンペアを消費します。これは時間の約 30 パーセントに相当します。 アクチュエータが 3 アンペアで動作する残りの時間。 電源は全負荷時に 120 VAC で 6 アンペアを消費し、48 VDC で 9 アンペアを生成します。

この例では、空気圧システムのコストは次のとおりです。

200 hp の大型コンプレッサーを使用しても、デバイスあたりのコストは非常に低く、大規模な導入のメリットが得られます。 代わりに 100 馬力のコンプレッサーを使用できれば、コストをさらに削減できます。

比較すると、電気システムのコストは次のようになります。

導入規模が大きいため、アクチュエータの交換コストにより年間システムコストが増加し、電動アクチュエータは実用的ではありません。 システムを追求する価値があるものにするには、生産性を大幅に向上させる必要があります。

この場合、空気圧がより経済的な代替手段であることが判明しました。 配備される空気圧アクチュエータの数が増えるため、コンプレッサーの利用効率が向上します。 電動アクチュエータの交換コストが電気システムのコストを押し上げます。 モジュール式電動アクチュエータ設計であっても、コストは空気圧よりも大幅に高くなります。

アクチュエータの初期コストは、インテリジェントでコスト効率の高い自動化を実装する上で考慮すべき問題の 1 つにすぎません。 電気部品のコストが高いと誤解を招く可能性がありますが、コンプレッサーの運転コストも同様です。 どちらもすべてを物語っているわけではありません。

空気圧機器の導入規模に合わせてコンプレッサーのサイズを変更することで、空気圧の運用コストを制御できます。 電動アクチュエータのコストは、正確なサイジング、モーション コントロール コンポーネントを個別に購入し、プロセス効率を向上できるアプリケーション用に確保することで最小限に抑えることができます。 空気圧アクチュエータにはコスト、サイズ、推力、速度の点で利点がありますが、電気アクチュエータには精度、柔軟性、制御の点で利点があり、機械とプロセスをより効率的にします。 アプリケーションを事前に見積もって評価することで、見落としを防止し、長期的には大幅なコスト削減を実現できると同時に、機器が当面のタスクに適合していることを確認できます。

電動アクチュエータの運用コストを見積もるには、次の式を使用します。

コスト = 電流 x 電圧 x 0.001 x 年間稼働時間 x 電気代 x デューティ サイクル

電流は、モーター巻線に電力を供給する電源またはコントローラーの電流引き込みです。 電圧は AC 線間電圧です。 デューティ サイクルは、モーターが指定された電流を消費している時間の割合です。 通常、モーターはある時間に全電流を消費し、一部の時間は全電流の一部を消費し、消費電流の大部分が制御電子機器によるものである場合、無負荷でさらに一定の時間はアイドリング状態になります。

アクチュエーターに電力を供給するために DC 電源を使用していると仮定します。 この電源は、最大 12 アンペアで 48 VDC を供給します。 メーカーのデータシートによると、電源は 120 VAC で最大 8 アンペアを消費します。 当社の電動アクチュエータのコスト計算では、アクチュエータのモータが全負荷時に 6 アンペアの直流電流を消費し、アイドル時に 1 アンペアの直流電流を消費すると仮定しています。 また、アクチュエータの電流引き込みの半分が電源の電流引き込みの半分に直線的に変換されると仮定します。

このシステムは 1 日 8 時間、週 5 日稼働し、電気料金は 1 キロワット時あたり 0.10 ドルです。 システムは半分の時間はアイドル状態になり、半分の時間は全負荷がかかります。

全負荷時の年間コスト = 120 x 4 x 0.001 x 8 x 5 x 52 x 0.1 x 0.5 = 49.92 ドル

アイドル時の年間コスト = 120 x 0.67 x 0.001 x 8 x 5 x 52 x 0.1 x 0.5 = 8.36 ドル

総運用コストについては、これらのコストを合計すると、アクチュエータごとに年間約 58 ドルになります。

交換コストも見積もる必要があります。

アクチュエータ = (ユニットあたりのコスト x 数量) ÷ 寿命

電子機器 = (ユニットあたりのコスト x 数量) ÷ 寿命

アクチュエータ システムのコストが合計 1,200 ドルで、そのうちアクチュエータ自体のコストが 900 ドルで、寿命が 3 年間ある場合、年間総コストは約 (900 ドル ÷ 3) + 58 ドル、つまり、展開されるアクチュエータ 1 台につき 358 ドルになります。 電子機器がアクチュエータに埋め込まれており、製品が故障したときにユニット全体を交換する必要がある場合、年間の所有コストの合計は、アクチュエータ 1 台あたり年間 458 ドルになります。 通常、電子機器の寿命は長くなり、メンテナンス費用への寄与は小さくなります。

空気圧アクチュエータでは、力はピストンの表面積に比例します。 力を計算するには:

F = (ピストン直径)² x 0.785 x (空気圧)

たとえば、直径 1.0625 インチのシリンダーは 100 psi で 89 ポンドの力を生成します。

速度と力は独立して制御できます。 力を増減するには、レギュレーターを使用して空気圧を上げたり下げたりします。 速度を下げるには、フロー制御を使用します。 これらの要素を組み合わせることで、アプリケーションのサイジングが簡単になります。

コストの見積もりをより簡単かつ迅速に行うために、次の式を使用して圧縮空気の年間コストを見積もることができます。

コスト = (馬力 x 0.982 x 年間運転時間 x 電気代) ÷ 効率

年間運転時間は、コンプレッサーが年間にフル負荷で運転される時間を表します。 電気料金を計算するには、合計電気代を消費キロワット時で割って、キロワット時あたりの金額を求めます。 効率とは、コンプレッサーの仕様に記載されているコンプレッサーモーターの効率です。

コンプレッサーの定格が 200 馬力で、フル負荷で 1 日 8 時間、週 5 日運転すると仮定します。 電気料金が 1 キロワット時あたり 0.10 ドルで、コンプレッサーの効率がフル負荷で 90% である場合、圧縮空気の年間コストは次のように計算できます。

コスト = (200 x 0.982 x 8 x 5 x 52 x 0.1) ÷ 0.9 = 45,390.24 ドル

この式は、コンプレッサーが全負荷でオンかオフのいずれかであることを前提としています。 実際には、コンプレッサーは、使用されていない無負荷時に、全負荷使用量の 20 ～ 30% の電力を消費していることがよくあります。 さらに、部分的に負荷がかかるとコンプレッサーの効率が低くなります (この例では 90% ではなく 85%)。

平日にコンプレッサーを無負荷で稼働させたままにすると、圧縮空気の総コストに次の金額が追加される可能性があります。

無負荷コスト = (200 x 0.982 x 16 x 5 x 52 x 0.1 x 0.25) ÷ 0.85 = 24,030.12 ドル

総運用コストは全負荷コストと無負荷コストを加算することで求められ、その額は 69,000 ドルを超えます。 実際のコンプレッサー シャフトの馬力が 5% 大きい場合、負荷時コストと無負荷時コストの両方が 5% 増加します。 コンプレッサーをオンにし続けるのではなく停止すると、コストは 45,000 ドルに下がります。

交換用シリンダーのコストも考慮する必要があります。

シリンダーの年間交換コスト = (数量 x シリンダーあたりのコスト) ÷ 寿命

システムの総コストを決定するには、コンプレッサーのフル負荷運転コスト、無負荷運転コスト、およびシリンダーの総交換コストを加算する必要があります。 この数値を配備されているシリンダーの数で割ると、シリンダーあたりの平均コストが求められます。

Robert Kral 著、イリノイ州ユニバーシティパーク、Bimba Manufacturing Co. シニア テクニカル サポート エンジニア