電動モーターの効率と持続可能性を向上させる予知診断保守ソリューション

モーターの故障や異常によって引き起こされる効率の低下は、長期間持続する可能性があり、経済的損失を大きくするため、ますます懸念される問題となっています。モーターの運転効率を向上させるには、高効率なモーター性能を確保する予知診断保全ソリューションを採用することが不可欠です。本記事では、一般的なモーターの故障がどのようにモーター効率に影響を与えるか、そしてAnalog DevicesのSmart Motor Sensor (SMS)や関連ソリューションがどのようにモーター運転効率を向上させることができるかについて紹介します。

インダストリー4.0は、製造業における新しい時代と見なされており、テクノロジー、ロボティクス、人工知能、そしてオートメーションを統合することで、高効率で生産性の高い製造プロセスを実現します。産業アプリケーションは世界のエネルギー消費の30%を占め、そのうち70%がモーターによる消費です。モーターが最大効率で動作する場合、世界の電力消費は10%減少する可能性があります。しかし、この目標はどのように達成されるのでしょうか？証拠は、コンディションベースモニタリングと予測保守（CbM/PdM）を通じた運用効率の向上が生産性、品質、ロジスティクス管理のパフォーマンスを最適化し、持続可能性指標を満たすのに役立つことを示しています。

近年、モーターのエネルギー消費が多いことを受けて、メーカーはより効率的な誘導モーターを設計するために多大な努力を行ってきました。しかし、モーター効率に大きな影響を与える要因が見過ごされることがよくあります。通常、産業用モーターは50%から85%の効率範囲で稼働し、モーターの状態が悪いとエネルギー効率が著しく低下する可能性があります。メーカーが提供する定格効率値は、理想的なモーター状態、つまり運転中に重大な異常、欠陥、または故障がない場合にのみ有効です。初期段階であっても故障が発生すると、モーター効率は損なわれます。

モーターの電力損失は主に2つのカテゴリに分けられます：固有の電力損失（銅損失（抵抗、表皮効果）、鉄損失（渦電流、ヒステリシス）、機械的損失（摩擦、風損））と異常な電力損失です。固有の電力損失は、モーター設計の段階で最小化することが可能です。さらに、異常な電力損失には、モーターの状態が最適でない場合に発生する追加の損失が含まれています。例として、ローターバーの故障、ステータ巻線の故障、モーターシャフトの位置ずれによる故障、ソフトフットの故障、冷却ファンモーターの故障などがあります。これらはモーターの効率を低下させます。モーターを最適な動作状態に維持することで異常な電力損失を最小化することが可能であり、これは保守戦略と密接に関係しています。

ADI の OtoSense SMS は、産業用電動モーターの CbM および PdM のための包括的なAIベースのハードウェアおよびソフトウェアのフルターンキーソリューションです。高度なセンシング技術とデータ解析を組み合わせてモーターの状態を監視します。このソリューションはハードウェアサブシステムとソフトウェアサブシステムで構成されており、後者にはクラウドプラットフォーム、Webアプリケーション、モバイルアプリケーションが含まれ、クラウドプラットフォームにはモーターフォルト診断のための機械学習ベースのAIアルゴリズムが搭載されています。

OtoSense SMSは、ADIが開発した複数の高性能センサーを統合しています。これには、x軸およびz軸の振動センシング用の2つの低ノイズ高周波数MEMS加速度センサー（ADXL1002）と、モーターフレームおよび周囲温度の監視用の2つの高精度16ビットデジタル温度センサー（ADT7420）が含まれます。さらに、モーター速度検知および電気的故障診断のための磁場センサーや、データ収集および2.4 GHz Wi-Fi転送用データパッキングを行うWi-Fiプロセッサも搭載されています。OtoSense SMSは、機械データの感知・解釈において市場で卓越したソリューションです。

OtoSense SMSを利用してモーターの運用効率を向上させることにより、モーターの故障を減らし、計画外のダウンタイムを回避することで経済的な利益を最大化できます。さらに、高効率モーターは標準効率モーターよりも電力消費量が少ないため、モーター効率は運用ごとのコスト削減において基本的な役割を果たします。研究によれば、ローター故障、固定子巻線の非対称性、絶縁システムの故障、不均衡/ミスアライメント、換気システムの故障など、さまざまなタイプの故障が機械効率に異なる程度の影響を与えることが示されています。

クラウドプラットフォームは、モーターの動作状態およびメンテナンスのニーズについて深い洞察を提供します。独自のOtoSense SMS予知保全分析を活用することで、ユーザーは最も一般的な9つのモーター故障を早期に特定し、それらがモーターの動作に影響を与える前に対処することができます。各モーター故障に対して、Fault Score Index (FSI) が算出され、モーター故障の深刻度を示します。FSIは0から10の範囲内で表示されます。FSIが7以上の場合、モーターは良好な健康状態にあることを示し、FSIが5から7の間の場合は初期段階の故障を示しており、警告通知が電子メールを介して低レベルの深刻度でトリガーされます。警告状態のモーターは、まだ一定期間正常に動作することができますが、最適な状態ではなくなっているため、運転効率が低下します。

OtoSense SMSの大きな経済的利点は、モーター効率の向上によるコスト削減にあります。より多くの企業が運用効率の向上、計画外のダウンタイムの削減、および持続可能性の達成に重点を置く中で、CbMおよびPdM技術の採用は不可欠となっています。OtoSense SMS技術は、モーターのステータスのリアルタイム監視、初期故障の検出、および初期のトラブルシューティングアクションの推奨を提供します。モーターの故障を早期に検出し排除することは、予期しない故障や停止を防ぐだけでなく、モーターが高効率で動作することを保証し、エネルギー節約につながります。次の10年で運用効率を向上させ、持続可能性目標を達成しようとする企業は、これらの推奨事項を実施する必要があります。

たとえば、OtoSense SMSはコンプレッサーの監視に使用できます。コンプレッサーは工場内で最も重要な設備のひとつであり、OtoSense SMSデバイスを設置することで24時間365日の連続監視が可能になります。また、OtoSense SMSは、空港の旅客手荷物コンベヤーなどの高密度モーター駆動アプリケーションにおける材料搬送システムにも適用できます。OtoSense SMSソリューションを採用することで、ベアリングの初期故障を検出し、顧客に警告通知を送信することで、ベアリングの恒久的な損傷を防止し、システムの予期しない稼働停止を回避できるため、運用時のエネルギー消費や保守コストの削減につながります。

ADT7420は、ADI OtoSense SMSソリューションの一部であり、4 mm × 4 mm LFCSPパッケージで提供される高精度デジタル温度センサーで、広い産業用温度範囲で画期的なパフォーマンスを発揮します。内部バンドギャップ温度基準、温度センサー、および温度のモニタリングとデジタル化のための16ビットADCを備えており、0.0078°Cの分解能で温度をデジタル化できます。デフォルトのADC分解能は13ビット（0.0625°C）に設定されています。ADC分解能はユーザーがプログラム可能で、シリアルインターフェースを介して調整することができます。

ADT7420は、2.7 Vから5.5 Vの電源電圧範囲内で動作することが保証されています。3.3 Vでは、平均電源電流は通常210 µAです。ADT7420にはシャットダウンモードが含まれており、3.3 Vでの典型的なシャットダウン電流は2.0 µAです。その定格動作温度範囲は-40°Cから+150°Cです。

ADT7420のピンA0とA1はアドレス選択に使用され、4つのI2Cアドレスが設定可能です。CTピンはオープンドレイン出力で、温度がプログラム可能な臨界限界を超えるとアクティブになります。INTピンもオープンドレイン出力で、温度がプログラム可能な限界を超えるとアクティブになります。INTピンとCTピンは、コンパレータモードと割り込みイベントモードで動作します。

製品開発を加速させるために、ADIはEV-TempSense-ARDZ などの互換評価ボードを提供しています。これは、±0.1°C、±0.25°C、および±0.5°C の精度で温度センサーを評価するためのプラットフォームです。さらに、EVAL-ADT7420-PMDZ は±0.25°Cの温度測定をサポートするPMODボードであり、EV-COG-AD3029 は超低消費電力アプリケーション向けのADuCM3029 Cog 開発プラットフォームです。EV-COG-AD4050 はCog 開発プラットフォームのADuCM4050 バリアントで、MCUおよびRFトランシーバー製品群を対象としたADIの超低消費電力技術用に設計されています。

ADI の ADXL1001/ADXL1002 は、低ノイズで高周波数帯域に対応した ±100 g/±50 g の MEMS 加速度計です。これらは、2 つのフルスケールオプションを備え、拡張された周波数範囲全体で超低ノイズ密度を実現し、産業用状態監視向けに最適化されています。ADXL1001 (±100 g) と ADXL1002 (±50 g) は、それぞれ典型的なノイズ密度が 30 µg/√Hz および 25 µg/√Hz となっています。両方の加速度計は安定して再現性のある感度を提供し、最大 10,000 g の外部衝撃に耐えることができます。

ADXL1001/ADXL1002 は、統合された完全静電セルフテスト (ST) とオーバーレンジ (OR) インジケーターを含んでおり、組み込みアプリケーション向けの高度なシステムレベル機能を可能にします。低消費電力で 3.3 V から 5.25 V の単一電源動作により、ワイヤレスセンシング製品の設計もサポートします。ADXL1001/ADXL1002 は 5 mm × 5 mm × 1.80 mm の LFCSP パッケージで提供され、-40°C から +125°C の温度範囲で動作します。

ADXL1001/ADXL1002は、アナログ出力を備えた単一面内軸加速度センサーであり、DCから11 kHz（3 dBポイント）までの線形周波数応答範囲と21 kHzの共振周波数を提供します。これらは、超低ノイズ密度、DC結合による高速復帰を可能にするオーバーレンジセンシング、包括的な電気機械的セルフテスト、および感度性能を特徴としています。温度感度の安定性は5%、直線性はフルスケール範囲の±0.1%、およびクロス軸感度は±1%（ZX）および±1%（YX）です。単一電源で駆動し、比例出力電圧を提供し、消費電力はわずか1.0mAです。高速復帰可能な省電力スタンバイモードもサポートしており、これらのデバイスはRoHS準拠です。ADXL1001/ADXL1002は、状態監視、予知保全、資産の健康状態、テストおよび測定、Health and Usage Monitoring Systems (HUMS) などで広く利用されています。また、ADIはADXL1001/ADXL1002評価ボードも顧客向けに提供しています。

予測診断および保守技術を採用することで、モーターシステムの効率性と持続可能性を大幅に向上させることができます。センサーデータ、エッジコンピューティング、人工知能を組み合わせることで、モーターの状態をリアルタイムで監視し、積極的な障害予防を可能にするだけでなく、設備の寿命を延ばし、エネルギー消費を削減し、メンテナンスコストを抑えることができます。本記事で紹介されるADI OtoSense SMSは、モーターの予測診断保守を実現する方法の一例です。このような革新的なソリューションは、スマート製造およびグリーンな産業変革の重要な推進力となり、企業に安定した運用と持続可能な発展の基盤を提供しています。