1. 直観に反する現象: なぜ速度が遅いほど危険なのか?
多くのエンジニアは、モーターが高速で動作するほど熱くなる、と直感しています。しかし、の世界では フレームレス トルク モーターでは、この論理はまったく逆になります。
フレームレス トルク モーターには、ハウジング、ベアリング、出力シャフトがありません。これは本質的に、機械構造に直接埋め込まれた「裸のローター + ステーター」で構成されるパワーコアです。ロボットの関節、協働ロボットのアーム、ダイレクトドライブ回転テーブルなどの非常に狭い空洞に詰め込まれており、従来の内蔵モーターよりも放熱条件がはるかに悪くなります。そして、その最も一般的な動作シナリオである低速ジョイント保持と高トルク出力は、まさに磁石を「焼き付ける」可能性が最も高い動作条件です。
理由は簡単です。低速では逆起電力が非常に低いため、ドライブはトルクを維持するために大きな電流を出力し続ける必要があります。銅損は電流の二乗に比例し、この熱はすべて固定子巻線に蓄積されますが、回転子の磁石には直接的な熱放散経路がほとんどありません。その結果、速度が低いほど磁石は熱くなります。人型ロボットの 5 km の連続歩行テストでは、関節温度が 80°C と測定され、すでにほとんどのグリースの高温破壊限界に近づいています。
温度上昇は単独の問題ではありません。それは同時に、巻線の絶縁（老化の促進）、ベアリングの潤滑（性能の低下）、そして最も重要なことに永久磁石自体を脅かします。不可逆的な減磁が発生すると、モーターのトルク能力は永久に低下します。
2. 消磁の 2 つの側面: 「戻ってくる」ものと、決して戻らないもの
NdFeB（ネオジム鉄ボロン）は現在フレームレストルクモーターの主流の磁石材料です。キュリー温度は約 310 ～ 370°C で、モーターの動作範囲からは遠く離れているように見えます。しかし、磁石がどのくらいの期間使用できるかを実際に決定するのはキュリー温度ではなく、保磁力の温度係数です (通常は -0.55%/°C から -0.65%/°C の間)。
この係数の意味は、温度が 1°C 上昇するごとに、外部の減磁場に抵抗する磁石の能力が 0.55% から 0.65% 低下することを意味します。 20°C から 80°C までの間で、保磁力はすでに約 36% 減少しています。 100℃では損失は半分近くになります。保磁力が電機子の反作用によって生成される反磁界を下回ると、磁区の配列が永久に損傷します。
消磁は次の 2 つのカテゴリに分類されます。
可逆減磁 は「誤警報」です。温度が上昇すると磁力は減少します。温度が下がると回復します。モーターは「高温時には電流が増加し、低温時には回復」を示します。一見問題ないように見えますが、実際にはすでに限界点に達しています。
不可逆減磁は 本当に問題です。磁石が耐えられる温度を超えた場合、または高温で十分に強い逆磁場が重畳された場合、磁区配列の一部が永久に損傷し、温度が正常に戻っても磁力が完全に回復できなくなります。
不可逆減磁には「部分的」と「全体的」の形式もあります。部分的な減磁は多くの場合、磁石の角で始まります。渦電流は角に集中し、最初に臨界温度に達します。これは、逆起電力定数 KE の 3% ～ 5% の低下として現れます。同じ速度でもトルクを維持するためにより多くの電流が必要となり、温度はさらに上昇し、悪循環が形成されます。全体的な減磁は、機械全体が長時間 120°C を超えた結果であり、KE は 10% 以上低下します。モーターは同じ作業を行うために「スロットルを 10% 追加」する必要があり、「熱磁気」による正帰還の死のスパイラルに入ります。
一般的に使用される NdFeB 磁石の場合、不可逆減磁の臨界温度は、磁石のグレードに応じて通常 80°C ～ 150°C です。高温グレードでは、しきい値が 150°C 近く、またはそれ以上になる可能性がありますが、価格は磁気性能とコストのトレードオフになります。
3. 熱はどこから来て、どこに閉じ込められるのでしょうか?
フレームレス トルク モーターの熱源は従来のモーターの熱源よりも複雑で、大まかに 4 つのカテゴリに分類できます。
銅損は 最も基本的なものです。連続電流下で巻線抵抗によって発生する I⊃2;R 損失は、電流の 2 乗に比例します。問題は、フレームレスモーターは高トルク密度を追求するため、スロット充填率が高く、ワイヤーが細い設計が採用されることが多いため、巻線抵抗自体が比較的大きくなってしまうことです。たとえ小さな電流でもかなりのベースライン熱が生成され、「加熱→抵抗の増加→さらに加熱」という正のフィードバック ループが形成されます。
鉄損は 、極数の多い設計で特に顕著になります。フレームレス トルク モーターで一般的に使用される 16 ～ 32 極の設計により、磁界の交流周波数が通常のサーボ モーターの周波数よりもはるかに高くなります。低速で無負荷の場合でも、鉄心のヒステリシスと渦電流損失はすでにかなりの量になります。
ローターの渦電流損失は 、見落とされやすい隠れた熱源です。ステーターのコギング効果と PWM キャリア高調波により、ローター マグネットの表面に渦電流が誘導されます。この熱は磁石内部で直接発生し、外部に伝導する経路はほとんどありません。
制御戦略によってもたらされる追加損失は 、最も隠蔽されるカテゴリーです。 FOC 磁界方向エラー、ゼロ速度高周波注入の継続的なアクティブ化、不適切な PID パラメータによって引き起こされる継続的な補正電流など、これらの「目に見えない電流」は、無負荷条件下でも銅損を継続的に発生させます。これが、多くのエンジニアが「無負荷でも高温である」と発見する根本的な原因です。
これら 4 つの熱経路が重なると、実際の磁石の温度は通常、ハウジングの表面温度より 8 ～ 12°C 高くなります。赤外線温度計でハウジング表面の 70°C を読み取ると、磁石が 80°C の赤い線に乗っている可能性があります。
4. 選択における 3 つの強硬なライン
温度上昇のメカニズムが理解できれば、選択のロジックも明確になります。フレームレス トルク モーターの温度選択は、3 つの異なるレベルの保護目標に対応する 3 つの明確な線に要約できます。
1 行目: 磁石のグレードが「最終ライン」を決定します
NdFeB 磁石は固有保磁力に応じて複数のグレード レベルに分類され、温度耐性は段階的に増加します。
Nシリーズは常温用途に適した標準グレードで、耐熱温度は約80℃です。 Hシリーズは120℃、SHシリーズは150℃、UHシリーズは180℃まで耐えられます。 NからUHまでは保磁力の温度係数を向上させるために重希土類元素DyやTbを添加しますが、コストも1.5～3倍になります。
一般的なフレームレス トルク モーター アプリケーション (ロボット ジョイントや協働ロボット アーム) では、 SH グレード以上を開始点として推奨します。その理由は、フレームレス モーターには本質的に厳しい放熱条件があり、磁石の動作温度とハウジング温度の間の「隠れた差」が 15°C に達する可能性があるためです。 N シリーズは机上では十分であるように見えますが、実際の操作では簡単に限界を超える可能性があります。たとえば、人型ロボットの第一世代の膝関節モーターでは、失速状態での減磁が検証されていませんでした。落下衝撃が繰り返されると、磁石は不可逆減磁を起こし、出力トルクが 15% 以上永久に低下しました。
2 行目: 断熱クラスによって「天井」が決まります。
巻線の絶縁クラスも温度制約の 1 つであり、磁石よりも早く限界に達することがよくあります。 F種絶縁の定格温度は155℃で、現在フレームレストルクモーターの主流となっている構成です。クラス B 絶縁 (130°C) は、コスト重視の製品やスペースに非常に制約のある一部の製品に使用されます。
磁石の温度と巻線の温度の間には熱結合があり、巻線の熱はステーター コアを通ってローターに伝わり、最終的には磁石に影響を与えます。したがって、155°C の巻線絶縁限界は、実際には磁石温度の間接的な上限も設定します。工学的な検証ロジックでは、熱定常状態では、巻線温度は絶縁クラスの制限を超えてはならず、一方、磁石の温度は減磁臨界温度を超えてはいけないというもので、通常、後者が早期にボトルネックになります。
業界の慣例では、NdFeB SH グレード磁石の最大連続動作温度は通常 120°C に設定されています。この値を超えると、モーターは減磁リスク範囲に入り始めます。
3 行目: 電流制限により「動的境界」が決まります。
定常状態の温度に加えて、見落とされがちなもう 1 つの動的要因があります。それは、 ピーク電流下での減磁リスクです。.
トルクモーターにはピークトルクとストールトルクがあります。ピークトルクは短時間の始動トルクであり、通常は 10 ～ 15 秒しか続きません。ストールトルクは連続出力可能な値です。ピーク電流が大きすぎると、高温条件下で電機子反作用によって発生する減磁界が直接的に不可逆減磁を引き起こす可能性があります。
永久磁石の減磁によって制限されるダイレクトドライブトルクモーターの最大電流が「減磁限界点」です。一部の製品では、高性能磁石を使用すると、最大温度上昇のみでトルクが制限され、ピークトルクを大幅に増加させることができます。ただし、磁石のグレードが不十分な場合、減磁が最初に引き起こされる制約となります。
選択時には、連続電流下での温度上昇だけでなく、失速および過渡過負荷条件下での電流がその温度での磁石の減磁限界を超えているかどうかも検証する必要があります。この制限は通常、磁石サプライヤーの減磁曲線によって与えられ、モーター設計における電機子反力の計算と組み合わせて決定する必要があります。
5. 冷却に対する工学的アプローチ
昇温制御の本質は発熱と放熱のバランスです。フレームレス トルク モーターには、いくつかの成熟したエンジニアリング パスがあります。
放熱性を高める方法としては現在ポッティング が最も主流です。 TQ Robodrive はエポキシカプセル化とポッティング技術を使用しており、Kinco はフレームレスポッティングプロセスの先駆者です。両方の核となるロジックは、モーターの内部ギャップを高熱伝導率のポッティング材で埋めることで、巻線の熱がより早くステーターコアと取り付けフランジに伝導されるようにすることです。ポッティング材料の熱伝導率は 1.4 ～ 1.6 W/mK に達することがあり、空気の熱伝導率よりもはるかに高くなります。
水冷チャネルは、 コンパクトなジョイントや熱流束密度が高いその他のシナリオに適しています。らせん状のチャネルがステーター スリーブまたはハウジングに切り込まれ、そこを冷却剤が通過することで、温度上昇を 40 ～ 60°C 直接低減できます。そのコストは、システムの複雑さとシーリング要件の増加です。
制御戦略の最適化は 、ハードウェアコストゼロのパスです。磁極ゼロ点の再校正、PID パラメータの最適化、ゼロ速度高周波注入の管理、最小電流制御の有効化により、ハードウェアを変更することなく静的保持電流を 50% ～ 80% 削減できます。すでに無負荷加熱の問題を抱えているシステムの場合、制御の最適化は、放熱対策を追加するよりもすぐに結果が得られることがよくあります。
内蔵温度センサー が安全性の最重要ポイントです。 NTC (100k) および PT1000 は現在、フレームレス トルク モーターの標準温度測定構成であり、巻線温度をリアルタイムで監視し、限界に近づくとディレーティングまたは保護をトリガーします。ただし、センサーは磁石の温度ではなく巻線の温度を測定することに注意してください。この 2 つの違いは放熱経路の設計品質によって決まり、選択時には十分な安全マージンを残す必要があります。
結論
フレームレス トルク モーターの温度選択は、基本的に 3 つの制約の間のバランスによって決まります。磁石のグレードによってどの程度の温度に耐えられるかが決まり、絶縁クラスによって巻線の上限が決まり、電流制限によって動的動作条件の境界が決まります。 3 つのラインは互いに結合されており、いずれかが破損すると、減磁から焼損までの連鎖反応が引き起こされる可能性があります。
最も現実的なアプローチは、 選定段階で最も過酷な放熱条件を想定し、磁石のグレードを 1 つ上げ、十分な温度上昇マージンを残し、失速および過負荷条件での減磁検証を必須項目にすることです。結局のところ、減磁は元に戻すことができず、二度目のチャンスは与えられません。
