DCモーター駆動に適した経済的な医療グレード電源

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多くの医療アプリケーションで、強力なDCモーターが必要です。例えば、医療用ベッドや手術台といった重い物の持ち上げ、回転、傾斜や、精密外科用ロボットの操作、人工呼吸器の空気圧の制御などで必要になります。DCモーターは、非常に高い出力対重量比、優れた信頼性、低速での高トルクなどの利点があるため、ロボットアームやベッド機構内に取り付けるのに最適です。また、適切なギアによって、透析装置や輸血装置で非常に正確に液体を送り出すためにも使用できます。

DCモーターの欠点の1つに、起動電流または突入電流が高いことが挙げられます。DCモーターは動作時に内部で逆起電力(電磁力)を生成し、全体の駆動電流を減らす働きをします。この逆起電力はファラデーの電磁誘導の法則から生じるもので、発電機と非常によく似たモーターの構造上、避けられないものです。 生成された逆起電力は駆動起電力と逆向きに働き、その差分がモーターが実際に生み出すことのできる仕事量となります。
Line graph showing motor inrush current over time
図1:DCモーターの起動突入電流(青の曲線)
ただし、停止状態では、静止したローターは発電機として機能せず、モーターの駆動電流は巻線のDC抵抗によってのみ制限されます。突入電流は、モーターが回転するまでの非常に短い時間だけとはいえ、動作電流の3倍に達することがあります(図1)。

モーター起動時のピーク電流を減らす方法の1つは、モーターと直列にPTC(正温度係数)抵抗器を取り付けることです。PTCは、高温時よりも低温時の抵抗が高くなるデバイスです。そのため、最初は温度が上昇するまで高い突入電流を抑制し、その後、最小限のインピーダンスで定格電流を流します。

次の例では、200ミリ秒間、3倍の突入電流を持つ24VDC、125Wのモーターを使用し、ピーク電流を50%削減します(図1の緑の曲線)。
PTCに必要な仕様は、次の関係から求めることができます。

ステップ1:公称電流と突入電流を求めます。

ステップ2:PTCのエネルギー定格を計算します。

ステップ3:ピーク突入電流を50%削減するために必要なPTCの抵抗を計算します。


適切な突入電流制限デバイスは、少なくとも100Jのエネルギー定格と6A以上の定常電流定格を備えた3オームのNTCです。ピーク突入電流が50%に制限されている場合でも、電源はこの短時間の起動電流を供給できる必要があります。


そのため、通常時の電力消費に対応する125Wの電源ではなく、高い突入電流に対応する200Wの電源が必要になります。突入電流をさらに低減するために抵抗値の高いPTCを使用することは、直列抵抗の増加によってモーターの性能に影響が及び、高負荷状態でモーターが停止するリスクがあるため、得策ではありません。突入電流に対処するためだけに電源装置を過剰に大型化するよりも、一時的に高い突入電流を供給でき、なおかつ負荷障害による短絡保護も備えた電源装置を選択する方が良いでしょう。

RECOMの新しいRACM140Eシリーズはまさにそのような電源です。140Wを連続的に供給し、最大10秒間、210Wのブースト電力を供給できるため、ピーク時の起動や短時間のモーター停止電流に十分対応できます。また、連続出力短絡および過電流状態に対する完全な保護機能も備えています。DCモーターによって生成される逆起電力に関してもう1つ考えられる問題は、負荷の突然の切断や急激な減速などの特定の条件下で、モーターとギアトレインの運動エネルギーによってモーターが発電機となり、逆起電力が駆動起電力を超え、モーターにかかる電圧が上昇することです。
Diagram of a DC motor circuit with over-voltage detector
図2:突入電流制限PTCおよびオプションのブレーキ抵抗回路を備えたDCモーター
過剰なエネルギーは、モーターに並列配置されたコンデンサ(C1)によって吸収できますが、これによりモーターの起動時に突入電流が増加するという悪影響も生じるため、コンデンサの容量はあまり大きくできません。より良い解決策は、モーター電圧が駆動電圧を超えた場合にのみQ1によって回路に切り替わる、モーターに並列配置されたブレーキ抵抗器で逆起電力を消散させることです(図2)。

AC/DC電源は、単純なモーターコンデンサまたはより複雑なスイッチ式ブレーキ抵抗器ソリューションのいずれかを使用して、逆起電力によって生成されるモーター電圧を処理できる必要があります。

RACM140Eシリーズには、モーターが生成する逆起電力に安全に対応できるように、公称出力電圧よりも大幅に高く設定された出力過電圧保護機能があります(表1を参照)。

パラメータ モデル 出力電圧 OVPレベル
過電圧保護
(ヒカップモード)
RACM140E-12SK 12V 30V
RACM140E-15SK 15V 30V
RACM140E-24SK 24V 40V
RACM140E-36SK 36V 48V
RACM140E-48SK 48V 65V
表1:RACM140Eシリーズ出力過電圧保護(OVP)レベル

RACM140E-Kの名前の「M」は「Medical」を表しており、このシリーズは医療用途での使用が認証されています。これは、医療安全規格EN IEC 60601-1およびANSI/AAMI ES 60601-1で定義されている2MOPP(2つの患者保護手段)強化絶縁を備えており、医療EMC規格EN 60601-1-2を満たしていることを意味します。接地への出力リーク電流は300µA未満であるため、ボディフローティング(BF)患者接続に適しており、通常動作時のタッチ電流は100µA未満です。
RECOM's RACM140E-K with USPs listed
図3:RACM140E-K(密閉型およびオープンフレームバージョン)
RACM140E電源は、Molexタイプのコネクタ、プッシュインフィッティング、またはスペード端子が利用でき、パネルまたはシャーシマウントが可能です。高さが40mm以下と低いため、1HEラックマウントエンクロージャ内にも収まります。RACM140Eは、医療認証に加えて、高度2000メートルまで過電圧カテゴリOVC III、高度5000メートルまでの運用でOVC IIに対応し、家庭用および産業用安全規格およびEMC規格にも認証されています。

寸法:
  • 密閉型:147 x 81.5 x 40 mm
  • オープンフレーム:147 x 81.5 x 38 mm

システム統合を簡素化するために、RACM140Eシリーズは、サージおよびバースト耐性保護レベルが向上し、EN55032「クラスB」EMC制限に対して十分な余裕を持っています。入力電圧範囲は80~264VACまたは120~370VDCのユニバーサルで、12、15、24、36、48VDCの公称出力電圧は、オンボードのトリムポテンショメータを使用して最大+20%まで調整できます。

RACM140Eは、コンパクトなサイズ、コスト効率、高いピーク負荷能力、幅広い医療、家庭、産業用安全認証およびEMC認証を備えており、DCモーターへの電力供給以外にも、ビルディングおよびホームオートメーション医療用ロボット、データ通信および通信、産業オートメーション、イントラロジスティクス、試験および測定アプリケーションなど、さまざまな用途に使用できます。
アプリケーション
  Series
1 AC/DC, Single Output, Connector RACM140E-K Series
Focus New
  • Cost-efficient and reliable Design
  • 210W boost power up to 10s
  • Over voltage category OVC III; 2000m
  • 5000m operating altitude