ロボットジョイント、協働ロボットアーム、ダイレクトドライブ回転テーブルなどの高性能モーションコントロールシナリオでは、 フレームレス トルク モーター はますます一般的になってきています。これらにはハウジングもベアリングもありません。基本的に「ベア ローター + ステーター」パワー コアが機械構造に直接組み込まれ、高トルク密度、高剛性、コンパクトな設置面積を実現します。
しかし、多くの技術者は、選択および使用中の潜在的なリスク、 つまり高温での永久磁石の不可逆減磁を見落としています。減磁が発生すると、モーターのトルクが低下し、発熱が増加し、ジョイント全体が「弱くなる」可能性もあります。
I. フレームレス トルク モーターの磁石は何ですか?
フレームレス トルク モーターは通常、ローター表面または内部に高性能永久磁石 (一般に「磁石」と呼ばれる) が取り付けられた永久磁石同期モーターです。
現在使用されている主流の磁石材料は ネオジム鉄ホウ素 (NdFeB)です。その卓越した磁気性能により、非常に小さな体積で高いエアギャップ磁束を生成することができ、極めて高いトルク密度が要求されるフレームレス トルク モーターに最適です。
しかし、NdFeB にはという固有の弱点があります。 耐熱性が比較的低い.
II.高温減磁はどのようにして起こるのでしょうか?
永久磁石の磁性は「永久」ではありません。温度が一定以上上昇すると、磁石内部の磁区の配列が不安定になり、磁力は徐々に低下します。
消磁は次の 2 つのタイプに分類されます。
1. 可逆減磁
温度が上昇すると磁力は一時的に低下しますが、温度が下がると磁力は回復します。このタイプはモーター設計ですでに考慮されており、制限を超えない限り通常は問題になりません。
2. 不可逆減磁
温度が磁石の許容限界を超えた場合、または高温で強い反磁界が印加された場合、一部の磁区は永久に破壊され、温度が正常に戻った後でも磁気が完全に回復することはできません。これが 永久減磁です。 私たちが最も懸念する
通常の NdFeB 磁石の場合、不可逆減磁の臨界温度は、 80°C ～ 150°Cです。磁石のグレードに応じて、通常フレームレス トルク モーターでは、そのコンパクトな構造と不十分な熱放散により、動作中に局所的な温度がこの範囲を容易に超える可能性があります。
Ⅲ．フレームレス トルク モーターはなぜ高温で減磁しやすいのですか?
従来の内蔵モーターと比較して、フレームレス トルク モーターにはいくつかの「高温トラップ」があります。
1. コンパクトな構造、放熱経路が狭い
フレームレスモーターは機械構造に直接組み込まれており、ステーターとハウジング間の接触面積が限られているため、熱の排出が困難になります。多くのロボット ジョイントには密閉空間があり、自然対流または単純な熱伝導のみに依存しているため、内部温度が急上昇します。
2. 高いトルク密度は高い電流密度を意味します
限られた体積内で高トルクを供給するために、フレームレス トルク モーターは多くの場合、高電流密度で動作します。銅損は電流の二乗に比例し、かなりの熱が発生します。
3. 頻繁な過負荷状態
始動、緊急停止、衝突保護、負荷保持のシナリオ中、モーター電流は瞬間的に定格値の 2 ～ 3 倍に達し、急激な温度上昇を引き起こす可能性があります。
4. 磁石が近くの熱源に直接さらされる
ローターの磁石はステーターの巻線に近接しています。ステータからの熱は放射され、エアギャップを通ってロータに伝わり、磁石の温度が巻線の温度に近づくか、それを超える場合があります。
IV.高温減磁の影響
不可逆減磁が発生すると、モーターに一連の問題が発生します。
トルク定数の低下：同じ電流でも出力トルクが低下します。
逆起電力の減少：モーターの特性曲線が変化し、制御精度が低下します。
トルクを維持するためにさらに電流が増加し、さらに発熱するという悪循環に陥ります。
システム効率の低下: エネルギー消費量が増加し、バッテリ寿命または全体的な電力消費量が悪化します。
関節剛性の低下：ロボットの場合、位置決め精度や耐荷重に影響します。
さらに悪いことに、この劣化は徐々に進行し、不可逆的であることが挙げられます。ユーザーは、明らかな障害を特定できずに、時間の経過とともに「モーターの出力が低下したように感じる」ことにのみ気づく場合があります。
V. 磁石の高温減磁のリスクを軽減するにはどうすればよいですか?
良いニュースは、適切な選択、設計、および制御戦略を通じて、リスクを大幅に軽減できることです。
1. より高い温度グレードの磁石を選択する
NdFeB 磁石には、一般に N、M、H、SH、UH、EH などのさまざまな温度グレードがあります。アルファベットの文字が後ろになるほど、温度耐性が高くなります。例えば：
Nシリーズ：最高使用温度80℃
Hシリーズ：120℃
SHシリーズ：150℃
UHシリーズ：180℃
EHシリーズ：200℃
フレームレス トルク モーター、特にロボット ジョイント アプリケーションの場合は、少なくとも SH グレード以上、可能な場合は UH または EH を選択することをお勧めします。
2.「減磁カーブ」とニーポイントに注意
モーターの設計中、磁石の動作点は減磁曲線の「ニーポイント」から十分離れた位置にある必要があります。最高動作温度と最大減磁電流の下でも、磁石は依然として安全領域で動作するはずです。選定の際は、各温度における減磁曲線やシミュレーションデータをメーカーにご依頼ください。
3. 熱管理の強化
ステータとハウジングの間にサーマル グリースまたはサーマル パッドを使用します。
適切な放熱経路を設計し、必要に応じて強制空冷または液体冷却を追加します。
温度センサーをモーターの内部または巻線の近くに配置します。
高温環境でのモーターの長時間の全負荷運転は避けてください。
4. 電流と過負荷期間の制御
長時間にわたる過負荷を避けるために、ドライブを介したピーク電流と持続時間を制限します。持続的な保持トルクが必要なアプリケーションの場合は、保持電流を減らすか、補助として機械ブレーキを使用することを検討してください。
5. 「ストール + 高電流」の組み合わせを避ける
ストール中は逆起電力がゼロになり、すべての電流が熱に変換されます。これは減磁の最もリスクの高いシナリオの 1 つです。システム設計では、長時間にわたるストール状態を回避するか、ストール保護を実装する必要があります。
6. モーターの状態を定期的に監視する
逆起電力定数、無負荷電流、温度上昇などのパラメータを監視することで、減磁が発生したかどうかを間接的に判断できます。ハイエンド システムには、モデルベースのオンライン状態推定を組み込むことができます。
VI.まとめ
フレームレス トルク モーターの磁石の高温減磁は、「目に見えないが致命的な」リスクです。これはシャフトの破損や巻線の焼けほど明白ではありませんが、ひそかにモーターのトルクと精度を奪います。
ロボット工学、CNC 回転テーブル、ダイレクト ドライブ ジョイントなどのアプリケーションの場合、 選択時に高温グレードの磁石にもう少し費用をかけて、設計に余分な熱マージンを残し、制御に過負荷保護を 1 つ追加することで、 将来の重大な性能低下や販売後の問題を防ぐことができます。
