どのような場合に電動アクチュエーターではなくシリンダーを選ぶべきか？

エンジニアは、空気圧シリンダーと電動アクチュエーターのどちらを選ぶかという重要な決断に迫られます。間違った選択をすると、産業オートメーションシステムの性能問題、過剰なコスト、メンテナンスの頭痛の種につながります。

電動アクチュエータは、精密な位置決め、エネルギー効率、複雑なモーションコントロールに優れています。

先週、テキサス州の化学処理工場のマーカスは、高価な電動アクチュエータが危険な環境で故障していることに気づき、私たちに電話をかけてきた。

目次

• シリンダーと電動アクチュエーターの主な性能の違いは？
• 空圧シリンダーが電気的ソリューションより有利な用途は？
• シリンダー・システムと電動アクチュエーター・システムのコスト比較は？
• アクチュエータを選択する際の環境と安全への配慮とは？

シリンダーと電動アクチュエーターの主な性能の違いは？

基本的な性能特性を理解することで、エンジニアは特定のアプリケーション要件やシステム制約に基づいて、十分な情報に基づいた意思決定を行うことができます。

空気圧シリンダーは、優れた速度、力重量比、シンプルさを提供し、電動アクチュエーターは、正確な位置決め、エネルギー効率、プログラム可能なモーションプロファイルを提供します。

スピードとレスポンス特性

空気圧シリンダーの利点

圧縮空気システムは高速用途に優れています：

• 急加速:制御信号に対するほぼ瞬時の応答
• 高いサイクルレート:最大毎分1000回以上のサイクル
• 安定したスピード:負荷が変化しても速度を維持
• シンプルなスピードコントロール:流量調整バルブの基本調整

電動アクチュエータの特性

電気式にはさまざまな速度プロファイルがある：

• 可変速度:プログラム可能な加減速カーブ
• 正確なコントロール:正確な速度マッチングと同期
• 負荷補償:様々な負荷に対応する自動速度調整
• 複雑なプロファイル:マルチセグメントモーションパターン

力とパワーの比較

空気圧力能力

シリンダーは優れた力特性を発揮する：

シリンダータイプ	フォース・レンジ	パワー・トゥ・ウェイト1	代表的なアプリケーション
標準シリンダー	10-5000 lbf	素晴らしい	力仕事、クランプ
ロッドレスシリンダー2	50～3000ポンド	非常に良い	ロングストロークのポジショニング
ミニシリンダー	5～200ポンド	グッド	精密組立
ヘビーデューティー	100-10000ポンド以上	素晴らしい	工業用プレス

電動アクチュエータフォースプロファイル

電気系統は異なる力特性を示す：

• 安定したトルク:ストローク全体で均一な力
• プログラム可能なリミット:ソフトウェア制御による力の制限
• フィードバック制御:リアルタイムフォースモニタリングと調整
• より低い出力対重量:同等の力に対して一般的に重い

制御システムの複雑さ

空気圧のシンプルさ

シリンダー・コントロール・システムは相変わらず単純だ：

• 基本コンポーネント: 電磁弁³圧力調整器、流量制御
• シンプルな配線:必要最小限の電気接続
• 信頼性の高いオペレーション:故障する電子部品が少ない
• 簡単なトラブルシューティング:視覚および聴覚による診断機能

電気システムの高度化

電動アクチュエーターは複雑な制御システムを必要とする：

• 高度なコントローラ:プログラマブル・ロジックとモーション・コントロール
• センサー統合:位置、速度、力のフィードバック
• 通信プロトコル:ネットワーク接続とデータ交換
• ソフトウェアのメンテナンス:定期的なアップデートとプログラム変更

メンテナンスと信頼性

空気圧メンテナンスの要件

シリンダーシステムは基本的なメンテナンスが必要だ：

• 空気の質:適切なろ過と潤滑
• シール交換:シールとガスケットの定期点検
• 簡単な診断:目視検査と圧力テスト
• フィールド修理:ほとんどのメンテナンスは現地で実施

電動アクチュエータのメンテナンス

電気系統は専門的なメンテナンスを必要とする：

• 電子診断:コンピュータベースのトラブルシューティングツール
• モーターサービス:ブラシの交換とベアリングのメンテナンス
• ソフトウェア・アップデート:定期的なプログラミングとキャリブレーション
• 専門修理:工場での修理が必要な場合が多い

空圧シリンダーが電気的ソリューションより有利な用途は？

特定の産業用途や使用条件により、最適な性能と信頼性を得るためには、電動アクチュエーターよりも空気圧シリンダーの方が優れています。

空圧シリンダーは、高速反復操作、危険な環境、単純なオン／オフ位置決め、ヘビーデューティー・アプリケーション、防爆操作を必要とする状況で優れている一方、基本的なオートメーション・タスクでは優れた費用対効果を発揮します。

高速オートメーション・アプリケーション

製造組立ライン

高速サイクル運転では、空気圧ソリューションが有利です：

• ピック＆プレース:迅速な部品搬送と位置決め
• プレス加工:高速プレス成形
• 包装機械:製品の迅速なハンドリングとシーリング
• 選別システム:迅速な迂回とルーティング操作

マテリアルハンドリングシステム

空気圧シリンダーが材料の動きを支配する：

• コンベア搬送:製品のプッシュとポジショニング
• ゲート操作:高速開閉サイクル
• リフティング機構:迅速な垂直位置決め
• クランプシステム:迅速なワーク固定

シンプルなポジショニングの条件

基本的なオン／オフ操作

単純な伸縮動作を必要とするアプリケーション：

• ドアとゲートの制御:基本的な開閉方法
• 安全バリア:非常停止および遮断システム
• ツールの位置決め:シンプルなイン/アウトの動き
• 部品排出:完成品の取り出し

2ポジション・アプリケーション

開始位置と終了位置だけを必要とするシステム：

• バルブ作動:中間位置なしの開閉制御
• ブレーキシステム:エンゲージ／ディスエンゲージ操作
• クランプ機構:セキュア／リリース機能
• ディバーターゲート:ルート選択操作

ヘビーデューティー産業用アプリケーション

ハイフォースの要件

空気圧シリンダーは要求の厳しい用途に優れています：

アプリケーション・タイプ	戦力要件	シリンダーの利点	代替コスト
工業用プレス	1000～5000ポンド	シンプルで信頼できる	電気料金の3～5倍
力仕事	500～3000ポンド	優れたパワー/ウェイト	複雑な電気システム
クランプ作業	200～2000ポンド	迅速な対応	電気的レスポンスが遅い
成形作業	1000～8000ポンド	一貫した力	可変電気トルク

過酷な環境での業務

極端な温度条件

空気圧システムは極端な温度に対応する：

• 高温:極端な暑さの中で作動する空気システム
• 低温:凍結条件下での圧縮空気の機能
• 温度サイクル:空気圧部品が熱応力に対応
• 熱膨張:エアシステムは寸法変化に対応

汚染された環境

シリンダーは汚れた状態でも確実に機能する：

• ホコリとゴミ:汚染に強い密閉空気圧システム
• 湿気への暴露:適切な空気処理で腐食を防ぐ
• 化学物質への暴露:適切な素材はケミカル・アタックに強い
• ウォッシュダウン環境:密閉されたシリンダーは、洗浄手順を処理する

コスト重視のアプリケーション

予算重視のプロジェクト

空気圧ソリューションには経済的な利点があります：

• イニシャルコストの低減:シリンダーは同等の電気式より50-70%安い。
• 簡単な設置:セットアップと試運転時間の短縮
• 最低限のトレーニング:空気圧システムを素早く理解するオペレーター
• 標準部品:共通部品で在庫コストを削減

英国の食品加工会社でオートメーション・プロジェクトを管理するAnna氏は、新しい包装ラインに電動アクチュエータではなくBeptoのロッドレスシリンダを選択しました。空気圧式ソリューションは、必要な毎分200サイクルを40%の低コストで実現し、追加トレーニングなしで既存のスタッフが扱えるシンプルなメンテナンスを提供しました。

シリンダー・システムと電動アクチュエーター・システムのコスト比較は？

総所有コスト分析では、初期投資、運転コスト、メンテナンス費用において、空気圧アクチュエータシステムと電動アクチュエータシステムの間に大きな違いがあることが明らかになりました。

空気圧シリンダーは通常、電動アクチュエーターよりも初期費用が50-70%安く、設置の複雑さやメンテナンスの必要性も低い。一方、電動システムは特定の用途ではエネルギー節約になるが、高い初期投資と専門的なサポートを必要とする。

初期投資の比較

空気圧システム・コスト

シリンダーベースのシステムは、初期投資を最小限に抑えることができる：

• コンポーネント・コスト:基本的なシリンダー、バルブ、継手
• 設置が簡単:標準空気圧接続
• 制御システム:シンプルな電磁弁と基本制御
• サポート機材:空気圧縮機と処理装置

電動アクチュエーター投資

電気システムは初期費用が高い：

• アクチュエーター価格同等の空圧シリンダーの2～3倍のコスト
• コントローラーの要件:洗練されたモーションコントロールシステム
• 設置の複雑さ:専門的な電気およびプログラミング作業
• サポート・インフラ:電源と通信ネットワーク

ベプトのコスト優位性分析

空気圧機器の価格比較

コンポーネント・タイプ	ベプト価格	OEM価格	エレクトリック・オルタナティブ	貯蓄
標準シリンダー	$85-$450	$150-$750	$400-$1200	60-75%
ロッドレスエアシリンダー	$180-$850	$300-$1400	$800-$2500	65-80%
ミニシリンダー	$45-$200	$80-$350	$300-$800	70-85%
完全システム	$500-$2000	$800-$3500	$2000-$8000	60-75%

営業コスト分析

エネルギー消費要因

エネルギープロファイルの違いは、長期的なコストに影響する：

• 空気圧効率:エアコンプレッサーのエネルギー消費
• 電気効率:直接電力の使用
• デューティ・サイクルへの影響:連続運転と間欠運転の効果
• 負荷変動:異なる条件下でのエネルギー消費

メンテナンス・コストの比較

長期サービス費用は大きく変動する：

メンテナンス部門	空気圧シリンダー	電動アクチュエーター	コスト差
定期サービス	$50-$150/year	$200-$500/year	75% 節約
部品交換	$25-$100/service	$150-$800/service	60-85% 節約
専門サービス	最小限	$500-$2000/year	90%+ 節約
トレーニング要件	ベーシック	スペシャライズド	大幅な節約

システム統合費用

設置と試運転

セットアップ費用は大幅に異なる：

• 空気圧による設置:標準継手と接続
• 電気設備:特殊な配線とプログラミング
• 試運転時間:複雑な電気システムの時間対日数
• トレーニング要件:電気システムにおける最小と最大の比較

長期サポート費用

継続的なサポート費用は様々である：

• 空気圧サポート:現地の技術者と標準部品
• 電気サポート:専門サービスと独自部品
• アップグレード費用:シンプルな空気圧式と複雑な電気式の比較
• 陳腐化リスク:標準的な空圧部品と独自の電気部品の比較

投資収益率分析

投資回収期間の計算

用途によって投資回収期間は異なる：

• 高速アプリケーション:6～12カ月で空気圧に優位性
• シンプルなポジショニング:空気圧のコスト優位性
• 重作業:空気圧による節約
• 複雑な動き:電気システムは高いコストを正当化するかもしれない

総所有コスト

5年間のコスト分析では、通常、空気圧が有利である：

• 初期投資:50-70% 空気圧の利点
• 営業費用:デューティ・サイクルとエネルギー・コストにより変動
• メンテナンス費用60-80% 空気圧の利点
• アップグレードの柔軟性:空圧システムは改造が容易

アクチュエータを選択する際の環境と安全への配慮とは？

環境条件と安全要件が、最適なアクチュエータ技術の選択を決定することが多く、それぞれが特定の動作条件において明確な利点を提供する。

空気圧シリンダーは、固有の防爆操作、温度耐性、耐汚染性を提供し、電動アクチュエーターは、正確な制御とエネルギー効率を提供するため、環境要因と安全要件が重要な選択基準となります。

危険環境アプリケーション

防爆要件

空気圧システムは、危険な雰囲気に優れています：

• 本質安全防爆⁴:電気スパークや発熱がない
• 危険区域定格:爆発性ガスや粉塵の環境に適している
• 化学的適合性:適切な素材はケミカル・アタックに強い
• 火災安全:空気圧操作では発火源はない

安全システムの統合

空圧シリンダーは全体的な安全性を高める：

• フェイルセーフ動作:スプリングリターンおよび空気圧損失保護
• 緊急停止:安全信号への即時対応
• 手動オーバーライド:メカニカル・バックアップ機能
• 目に見える操作:アクチュエータの位置と状態を明確に表示

環境耐性要因

極端な気温

空気圧システムは過酷な温度条件に対応する：

環境要因	空気圧能力	電気制限	アプリケーションの優位性
高温	-40°F～+200°F	エレクトロニクスによる制限	鋳造、熱処理
低温	40°Fまで動作	バッテリー／モーターの問題	冷蔵倉庫、屋外
サーマルサイクリング	優れた耐性	電子ストレス	さまざまな条件
湿度	密閉運転	電気的な懸念	湿潤環境

耐汚染性

シリンダーは汚れた環境でも確実に機能します：

• 防塵:パーティクルの侵入を防ぐ密閉設計
• ウォッシュダウン機能:食品用および医薬品用
• 耐薬品性:適切なシール材とコーティング
• 振動耐性:衝撃と振動に対応する機械システム

規制遵守に関する考慮事項

業界標準

業界によって特定の技術が好まれる：

• 食品・飲料:空気圧システムは衛生要件を満たす
• 医薬品:クリーン・オペレーションとバリデーション要件
• 化学処理:防爆および化学的適合性
• 鉱業と石油:過酷な環境と安全要件

認定要件

コンプライアンス要因が技術選択に影響を与える：

• ATEX認証⁵:欧州防爆要求事項
• UL規格:北米安全基準
• FDAコンプライアンス:食品接触および医薬品用途
• ISO規格:国際的な品質・安全要求事項

エネルギーと持続可能性の要因

環境影響分析

長期的な環境への配慮：

• エネルギー効率:電気システムは連続運転に有利かもしれない
• カーボンフットプリント:現地の発電方法による
• リサイクル性:空気圧部品は一般的にリサイクル可能
• 耐用年数:空気圧システムは、多くの場合、運転寿命が長い

圧縮空気インフラ

既存の航空システムが意思決定に影響を与える：

• 利用可能な容量:既存の圧縮空気システムの活用
• 品質要件:空気処理とろ過のニーズ
• 流通システム:配管および接続インフラ
• バックアップシステム:冗長性と緊急操業能力

アプリケーション別選択ガイド

技術選択のための意思決定マトリックス

応募条件	フェイヴァー・ニューマチック	フェイバー・エレクトリック	主な検討事項
防爆操作	✓	✗	安全性が重要
高速サイクル	✓	✗	パフォーマンス要件
正確なポジショニング	✗	✓	精度が重要
シンプルなオン/オフ操作	✓	✗	コストとシンプルさ
複雑なモーションプロファイル	✗	✓	洗練が必要
過酷な環境	✓	✗	信頼性が重要

ドイツの化学プラントのプロジェクトエンジニアであるジェームスは、当初、新しいリアクターシステム用に電動アクチュエータを指定していました。爆発性雰囲気の要件について当社チームに相談した後、彼は必要な安全認証を60%の低コストで提供し、短納期で、危険な環境での設置が簡単なBeptoロッドレスシリンダーに切り替えました。

結論

空圧シリンダーは、高速性、防爆性、シンプルな制御、費用対効果、過酷な環境での使用が必要な場合に選択し、電動アクチュエーターは、精密な位置決めや複雑なモーションコントロールの用途に優れています。

シリンダーと電動アクチュエーターの選択に関するFAQ

1. エンジニアリングにおいて、異なる装置やエンジンの出力を比較するために使用される重要な性能指標であるパワーウェイトレシオを理解する。 ↩

2. 産業オートメーションにおけるロッドレス空圧シリンダーの設計、種類、操作上の利点についてご紹介します。 ↩

3. ソレノイドバルブの動作原理と、空気圧アクチュエータを制御するための圧縮空気の流れを制御するソレノイドバルブの使用方法について説明します。 ↩

4. 危険な場所で安全に使用するために電気機器に適用される設計技術である本質安全防爆の概念をご覧ください。 ↩

5. 爆発の危険性がある環境で使用される機器の要件を定義する欧州連合の規制であるATEX指令についてご覧ください。 ↩