フレームレストルクモーターに対するローターマグネットのアーク係数の影響の解析

精密ロボットの関節、ドローンのローターの下、さらには医療機器の微妙な動作にも、重要なコンポーネントが隠されています。 フレームレストルクモーター。中でもローターマグネットのアーク係数はモーターの性能を左右する不思議な力です。

最新のテクノロジーでは、フレームレス トルク モーターはロボット関節、医療用ロボット、ドローン推進システムの中核コンポーネントとなっています。従来のモーターとは異なり、フレームレストルクモーターは フレームレス設計を採用しており、小型、軽量、低慣性、コンパクトな構造を特徴としています。

モーターの性能に影響を与える多くの要因の中でも、ローターマグネットのアーク係数は、磁界分布とモーター全体の性能において重要な役割を果たします。この記事では、この一見小さいように見えますが非常に重要なパラメーターについて深く理解します。

01 フレームレストルクモーターの紹介

フレームレス トルク モーターは、 特殊なアプリケーション シナリオ向けに特別に設計された新しいタイプのモーターです。従来のモーターのフレーム構造を取り除き、ステーターとローターを顧客の機器に直接統合します。

この設計により、モーターの 出力密度が向上し 、構造がよりコンパクトになるため、スペースが限られている用途に非常に適しています。

02 円弧係数の定義と重要性

アーク係数 (または極アーク係数) は、 永久磁石の極アーク長と極ピッチの比を指します。これは、磁極のカバー範囲を記述する重要なパラメータです。モーターの設計において、アーク係数はエアギャップ磁場の分布と波形に直接影響を及ぼし、それによりモーターのトルク出力性能と動作の滑らかさに影響を与えます。

適切なアーク係数により、エアギャップ磁界分布を正弦波に近づけ、 高調波成分を低減し、トルクリップルを低減し、モータの制御精度と動作効率を向上させることができます。

研究によると、極アーク係数 0.85 を使用すると、比較的理想的な出力特性を達成できることがわかっています。

03 磁場分布に対するアーク係数の影響

アーク係数は、いくつかの方法でモーターの磁界分布に影響を与えます。

磁束の大きさ:

通常、アーク係数が大きいほど磁石の断面積が大きくなり、 より多くの磁束を生成できるため、モーターの出力トルクが増加します。

磁場波形:

適切なアーク係数により、エアギャップ磁界分布をより正弦波状にし、高調波成分を低減し、その結果、モーターのトルクリップルと動作ノイズを低減できます。

コギングトルク：

アーク係数の最適化により、 コギングトルク （ステータスロットと永久磁石間の相互作用によって生じる周期的なトルクリップル）を効果的に低減できます。

鉄心飽和度:

アーク係数は、ステーターの歯幅とともに、モーターの鉄心の飽和度に影響します。過度の飽和は、モーターのトルク特性曲線の非直線性を増大させ、トルク変動を増大させます。

04 アーク係数と他のパラメータのインタラクティブな効果

アーク係数は独立して機能しません。他のモーターパラメータと複雑な相互作用があります。

表: アーク係数と他のパラメータの相互作用の効果

パラメータ名	インタラクションの発現	最適化の提案
極数	極の数が増えると、個々の磁極のアークが減少し、磁束が減少する可能性があります。	を見つけます。 最適なバランス 極数とアーク係数の
ステータ歯幅	ステータの歯幅は鉄心の飽和に影響を与える主なパラメータであり、アーク係数とともに磁場分布にも影響を与えます。	ステーターの歯幅とアーク係数を同時に最適化します。
エアギャップ長	エアギャップの長さは磁気抵抗に影響し、それにより磁束と磁場の分布に影響を与えます。	磁場に対するエアギャップ長とアーク係数の複合効果を考慮してください。
PM素材	異なる永久磁石材料 (N38EH、N48UH など) は異なる磁気特性を持っており、異なるアーク係数の最適化が必要です。	PM の材料特性に応じてアーク係数を調整します。

05 円弧係数の最適化手法

アーク係数の最適化は、モーター設計の重要な部分です。主な方法は次のとおりです。

有限要素解析 (FEA):

FEA ソフトウェアを使用して 正確にシミュレーションし、パラメトリック スキャンを通じて最適なアーク係数を見つけます。 モーターの磁界を

スキューイング (スロットまたは極):

スキュー技術を使用すると、コギング トルクを効果的に弱めることができます。アーク係数の最適化と組み合わせることで、モーターの性能をさらに向上させることができます。

補助スロットの設計:

固定子の歯の先端に補助スロットを追加すると、 磁界の分布が変化し 、トルク リップルが低減されます。研究によると、0.5 mm の補助スロットを追加すると、トルク リップルを 0.25 パーセント ポイント削減できることがわかっています。

多目的の最適化:

アーク係数がトルク出力、トルクリップル、鉄損、銅損に与える影響を総合的に考慮して、複数の性能要件を満たす最適な妥協点を見つけます。

06 実践的なアプリケーションとケーススタディ

実際のアプリケーションでは、アーク係数の最適化によりパフォーマンスが大幅に向上しました。

ロボットトルクモーター:

研究によると、極アーク係数の最適化などの対策により、鉄心の飽和によるトルク特性への影響が軽減され、 直線性が向上し、トルク変動が低減されることがわかっています。 モーターのトルク特性曲線の

フレームレスモーター設計:

協働ロボット用フレームレスモータは、24スロット28極設計とパラメータ最適化（アーク係数を含む）により、定格トルク0.52Nm、ピークトルク1.2Nmを達成し、コギングトルクはわずか0.0047Nmで、 トルクリップル率は1%未満に抑えられました。.

ハルバッハ配列のアプリケーション:

従来の表面実装磁石と比較して、ハルバッハ配列を備えたロータ構造を使用することにより、トルク定数を定格条件下で 7.6%、過負荷条件下で 21.6% 増加させることができます。

07 今後の開発動向

技術の進歩に伴い、フレームレス トルク モーターのローター マグネットのアーク係数の最適化は引き続き進んでいます。

マルチフィジックス連成解析:

将来の最適化では、電磁性能だけでなく、熱性能や機械的応力などの複数の物理分野の影響も統合されるようになります。

新しい材料の用途:

新しい永久磁石材料の開発と応用は、高温でのより優れた耐減磁性能を備えた磁石材料など、アーク係数設計のさらなる可能性を提供します。

インテリジェントなデザイン:

を使用して 人工知能アルゴリズム アーク係数の最適化プロセスを加速し、モーター設計の自動化と最適化を実現します。

カスタマイズされたソリューション:

さまざまなアプリケーション シナリオ (ロボット ジョイント、医療機器、ドローンなど) の特性に合わせてカスタマイズされたアーク係数最適化ソリューションを開発します。

アーク係数の最適化はフレームレス トルク モーター設計の一部にすぎませんが、極数、ステーター歯幅、エア ギャップ長などのパラメーターとの 相乗効果 により、より強力で正確な動力源を生み出すことができます。

将来的には、新しい材料とインテリジェントな設計技術の適用により、アーク係数の最適化がより正確になり、高精度モーター用途の新たな可能性が開かれるでしょう。