コードレス・パワーツール(電動工具)のエコシステム

著者:  Bob Card  - 08-24-2021 

メイン州南部に住んでいる私は、庭仕事や改良作業を継続的に行うことが多いのですが、これらはコードレス・パワーツール(電動工具)の助けを借りれば簡単に行えます。最近、自宅用に18インチのコードレス・チェーンソーを購入しましたが、とても気に入っています。直径12インチまでの木を切ることができ、エンジンがかからなかったり、スターターコードを引っ張ったりする心配もないので、購入した甲斐がありました。私のコードレス・チェーンソーは、40V/5Ahのリチウムイオンバッテリ(200Wh)を搭載しており、1時間で約200Wの出力が得られます。モータによっては400Wで30分程度の使用が可能です。

電動工具、特にコードレス電動工具は、1961年にブラック・アンド・デッカー社が最初のコードレス電気ドリルを開発し、主に工業・商業企業向けに販売されたのが始まりです。1969年には、マキタが一般消費者向けに初めての充電式コードレス電動ドリル「6500D」を発売しました。

現在、家庭で過ごす時間が長くなり、自分で自宅のものに手を加える人が多くなったことで、電動工具メーカーは爆発的な成長を遂げています。また、自宅で過ごす時間が長くなった人は、気分転換のために業者に依頼して改良やアップグレードを行っています。さらに、インダストリ4.0の成長に伴い、ブラシレスDC(BLDC)モータやリチウムイオンなどの技術革新も進んでいます。電動工具のユーザーは、実用的で買い手に優しく、使いやすいコードレス電動工具のエコシステムから恩恵を受けています。このエコシステムには、2〜4個のバッテリシステムで駆動する数百種類の工具が含まれています。

例えば、下の表(Table 1)は、M12、M18、MX Fuelの3種類のリチウムイオン電池システムを搭載した数百種類のツールを提供しているある企業のエコシステムを示している。単純なドリルから、ジャックハンマー、現場照明、チェーンソー、ネイルガン、サンダー、重作業用ソーイング、コーキング、さらにはヒーター付きウェアまで、この電動工具企業は、仕事やプロジェクトに関わらず、必要なすべてのツールを提供できます。

インダストリ4.0

コードレス電動工具は、自動車メーカー、航空宇宙メーカー、白物家電メーカー、農業機械メーカーなどのさまざまな業界や、インダストリ4.0でもシェアを拡大しています。これは、機動性、安全性、高トルク、高精度、データ収集能力の向上によるものです。リチウムイオン技術の進化は、ケーブルや転倒の危険性を減らし、狭い場所でも作業者が自由に動けるようにし、電源ケーブルの不慮の切断の懸念を取り除き、自由な動きを可能にします。

製品の品質、信頼性、寿命は、工場での製造や組み立ての際に、トルクやRPM(回転数)の制御基準を正確に調整していることに直接起因します。最近のBLDCモータ制御の技術革新により、トルクと回転数を非常に厳密に制御することが可能になりました。コードレス電動工具の中には、Wi-FiやBluetooth low energy (BLE)を搭載しているものもあり、集中管理されたコントローラによって、すべての機器が正確かつ一貫して組み立てられるようになっています。例えば、5人の工場労働者が、3つの異なるシフトで、5つの組立ラインにファスナーを取り付けることができます。ワイヤレス接続により、5つの組立ラインすべてにおいて、ユーザーが認証したRPM/トルク制御の精度と再現性を24製品の品質、信頼性、寿命は、工場での製造や組み立ての際に、トルクやRPM(回転数)の制御基準を正確に調整していることに直接起因します。最近のBLDCモータ制御の技術革新により、トルクと回転数を非常に厳密に制御することが可能になりました。コードレス電動工具の中には、Wi-FiやBluetooth low energy (BLE)を搭載しているものもあり、集中管理されたコントローラによって、すべての機器が正確かつ一貫して組み立てられるようになっています。例えば、5人の工場労働者が、3つの異なるシフトで、5つの組立ラインにファスナーを取り付けることができます。ワイヤレス接続により、5つの組立ラインすべてにおいて、ユーザーが認証したRPM/トルク制御の精度と再現性を24時間365日維持することができます。また、品質製造コンプライアンス基準を満たすための自動化されたリアルタイム・データロギングや、過去の手順のトレースも可能です。時間365日維持することができます。また、品質製造コンプライアンス基準を満たすための自動化されたリアルタイム・データロギングや、過去の手順のトレースも可能です。

モビリティ

電動工具のモビリティにはさまざまな意味があります。トラクタートレーラの運転手は、故障に備えてコードレスのリチウムイオン・パワードリルをキャビンに収納しておくことで、大きなメリットを得ることができます。農業従事者は、牛舎に戻ることなくちょっとした機器の修理ができる。風力発電や太陽光発電の設置技術者は、100フィート以上の電源ケーブルを引き回すことは現実的ではないので、メリットがあります。同じことが、石油/ガス炉、HVAC(冷暖房空調)、電気設備、配管などの住宅/商業設備の点検、予防保全、現場での修理サービスにも言えます。また、主電源が確保できない新築現場では、従来の発電機による電源供給では、特に多くの電動工具を並行して使用する場合、インライン電源の変動によりコード付き電動工具のモータに負担がかかることがあります。また、使用中に不意に発電機の燃料が切れてしまうと、モータにダメージを与えてしまいます。最近の新築現場では、発電機を使って複数のバッテリを充電し、電動工具のモータをAC電源の変動から守っています。リチウムイオンは、モータにクリーンな直流電圧を供給し、モータの寿命を延ばします。作業員のアクセスが困難な場所では、コードレスツールが役立ちます。

リチウムイオンバッテリ

ほとんどのコードレス電動工具は、18650フォームファクターの円筒形リチウムイオン電池を使用しています。上位2桁の「18」は直径18mm、続く3桁「650」は長さ65.0mmを意味します。18650の公称電圧は3.3V~3.7Vで、正極の種類によって異なります。18650は、「ジェリーロールセル」と呼ばれることもあります(内部の陽極、陰極、セパレーター、電解液が中心のスピンドルの周りに巻き付けられている)が、電圧を上げるために直列に積み重ねることも、容量を上げるために並列に接続することもできます。例えば、3.6V(公称値)の3Ahセルを5個直列に重ねると、18V(5×3.6V)、あるいは54Wh(3Ah×18V)になります。

コードレス電動工具のベンダは、リチウムイオン電池メーカーと密接に連携して、コスト、重量、充電率、サイクル寿命、容量、堅牢性(衝撃、振動、温度耐性)に対する「最大連続放電」(MCD)の性能を最適化しています。下の表(Table 2)は、今日のコードレス電動工具に搭載されている18650リチウムイオンセルのほんの一例を示しています。

1サイクルとは、フル充電とフル放電を繰り返すことです。サムスンの25Rは、「標準的な充電と20AのMCDを250回繰り返した後、元のフェースプレートの容量の少なくとも60%を保持する 」というサイクル寿命を規定しています。LGのHG2は、「標準的な充電を200回行い、20AのMCDを行った後、元のフェースプレートの容量の少なくとも70%を保持する 」というサイクル寿命を規定しています。

ブラシレスDCモータ(BLDC)

BLDCモータは、PMDC(Brushed Permanent Magnet DC)モータと比較して、信頼性が高く、メンテナンスがほとんど不要で、電気的・音響的ノイズが少なく、熱的性能が高く、回転数範囲が広く、出力密度が高いなど、多くの利点があります。一般的なコードレス電動工具用BLDCモータは、ロータに永久磁石、ステータに3つの電機子巻線(U、V、W)を使用しています。マイクロコントローラ(MCU)は、さまざまな制御・変調方式(台形波、正弦波、SVM付きFOC、DTCなど)のいずれかを実装し、モータの巻線に戦略的に通電します。これにより電磁界が発生し、ロータの磁石とステータの巻線の間に相互作用が発生します。この相互作用が適切に行われると、モータの速度、トルク、またはパワーを目的の方向に正確に制御することができます。

下の図(Figure 1)は、3相BLDCモータを搭載したコードレス電動工具の典型的なブロック図です。MCUは、制御および変調方式のファームウェアを実行し、PWMペリフェラルに対して、3つのNCP81080(2mm×2mm)ハーフブリッジゲートドライバに、6つの調整されたデューティーサイクルを出力するように命令します。これらの3つのドライバーは、出力ブリッジの6つのパワーMOSFETのパワーステアリングとして機能し、ローサイド(LS)とハイサイド(HS)のU、V、WのMOSFETにエネルギーを供給します。

これらのMOSFETは、表3に示すように、バッテリ電圧の1.5〜2.0倍の定格を持つNチャネルMOSFETが一般的です。ドレイン・ソース間電圧(VDSS)は、MOSFETを選択する際の1次近似パラメータです。MOSFETの選定には、BLDCパワーのほか、コスト、RDS(on)、QG、パッケージなど、多くの考慮事項があります。

MCUは、NCS2007xを介して各巻線に流れる電流を測定でき(3MHz典型BW)、オプションでホール効果センサのフィードバックによりロータの角度位置を評価することもできます。また、センサレスのアーキテクチャを実装することもできますが、その場合は処理オーバーヘッドが大きくなります。RSL10 BLEは、バッテリ/ツールの資産追跡、Firmware Over the Air Updates (FOTA)、機能選択/チューニング、テレメトリデータ収集などに使用できます。

本ブログでご紹介した製品の詳細は以下のリンクをご参照ください。

Tags:MOSFET, Industrial
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