鉄損が BLDC モーターの選択に直接影響する仕組み

これは、多くの人々の生活を救い、改善し、向上させるために不可欠な小型電気モーターの世界に特に当てはまります。 モーターの性能の重要な側面の 1 つは、機械的出力と電力の比として定義される効率です: η=(機械的出力)/(電力)

効率はモーターの加熱と電力消費に直接影響するため、利用可能なスペースを最大限に活用するには細心の注意を払って選択する必要があります。 ここでは、BLDC モーターの効率と損失、さらにこれがモーターの設計と選択のプロセスにおいてどのように重要な役割を果たすかを探ります。

BLDC モーターの目的は、電力 (UI) を機械的電力 (Tω) に変換することです。 ただし、モーターは決して完璧を達成することはできないため、電気から機械への変換中に、摩擦損失、銅損、鉄損という 3 つの主な種類の損失が発生します。

電力 – (摩擦損失 + 銅損 + 鉄損) = 機械的電力

摩擦損失: 摩擦損失はボール/ブッシュ ベアリングによって生成され、用途 (速度、荷重、加速度) と環境 (温度、汚れなど) によって決まりますが、材料、摩耗、潤滑剤、そしてシーリング。

銅損 : ジュール損失とも呼ばれる銅損は、コイルの抵抗によって発生します。 トルクは電流に正比例するため (T=kI)、モーターが提供するトルクが大きいほど、生成される銅損も高くなります。 これは二次関数に従います: 銅損 = R * I ²

モーターが加熱すると抵抗が増加し、以下の式に従って効率が低下することに注意してください。 R = R_0.(1+γ.Δ温度)

-R_0: 周囲温度での抵抗 (Ω) 値 (データシートに記載) | γ: 銅の抵抗係数 0.004/°C

鉄損 : 鉄損は誤解されやすいですが、モーターの性能に大きな影響を与えます。 損失は​​、材料への磁束の変化の周波数に大きく依存します。つまり、モーターの回転が速いほど、より多くの損失が発生します。

この現象をより深く理解するために、小さな実験を行うことができます。 磁石をわずかに強磁性の（銅またはアルミニウム）管に投げ込むと、落下する磁石の速度が予想よりもはるかに遅いことが観察されます。 チューブをプラスチックに変更するか、磁石を同じサイズと重量の金属に置き換えることによって、これを比較できます。

レンツの法則によれば、磁石が管内を落下すると、磁場の変化により、磁場の変化を引き起こす変化に逆らう方向に電流が流れる。 これが磁石の速度を低下させる原因です。

レンツの法則:誘導起電力= -(∆Φ/∆t)

ΔΦ/Δtは磁束の変化率です

鉄損は次の 2 つの現象によって発生します。 渦電流

ファラデーの法則によれば、磁場が導体に印加されると、導体を介して電流が発生します。 また、材料には特定の電気抵抗率があるため、ある程度の損失 (R*I²) が発生します。

渦電流損失=RI^2≅CB^2.f^2.t^2。

– C はモーターの設計と材料に依存する定数です

– B は材料内への磁場 (T)

-f は 1 秒あたりの磁気反転の周波数 (Hz)

-t は材料の厚さ (m)

-V は導体の体積 (m3)

前の式を使用すると、これらの渦電流損失の生成に大きな役割を果たすパラメーターがわかります (図 3)。 当然のことですが、磁界反転の頻度は、モーターの速度と同様に、大きな影響を与えます。 磁場の強さや材料の厚ささえも重要な役割を果たします。

材料の厚みによる影響を軽減するには、芯材をラミネートするのが効果的です。 これにより、電流が流れる経路が小さくなり、1 つの大きな電流ではなく、いくつかの小さな電流に分割されます。 損失は​​電流の二乗値で生成されるため、これは非常に効果的です (t/2 => i/2 => 渦電流/4)。 留意すべき点の 1 つは、2 つの積層体の間に電流が流れるのを避けるために、それらの積層体をコーティングで互いに絶縁する必要があるということです。

磁束が強磁性体に反転すると、その材料は磁化と消磁を繰り返し、エネルギーの損失が発生します。 磁束密度を除去するには、逆の磁束を与えて保磁力点を通過する必要があります (図 4)。

これらの損失は主に回路内の磁気誘導に依存しますが、材料特性 (透磁率や体積など) や磁束変動の周波数にも依存します。 このため、適切な速度に合わせて適切な素材を選択することが重要です。

シュタインメッツの式は、これらのヒステリシス損失を計算し、各パラメーターの影響をより深く理解するのに役立ちます。

ヒステリシス損失 = k * V * f * B^n

-ka 材料に応じた定数 -V 磁気回路の体積 (m3) -f 磁場の周波数 (Hz) -B 磁気回路内の最大誘導 (T) -na 材料に応じた係数 (1.6 の間)および 2)

電気モーターはモーターの設計に応じて特定の温度を超えると燃えてしまうため、電気モーターによって発生するさまざまな損失によって最大出力が制限されます。 これは、特定の動作点 (トルクと速度) に基づいて適切なモーターを選択することが重要であることを意味します。

ジュール損失は主にトルクを発生させるときに発生し、鉄損は通常高速時に発生します。 そのため、特定のモーターでは、速度が増加すると可能な最大連続トルクが減少します (図 5)。

磁石の極数を変更すると、モーターの性能に大きな影響を与える可能性があります。 一般的に長いモータは2極で高速回転が可能です。 ただし、極数を増やすとモーターの最大トルクは増加しますが、鉄損も増加するため連続最高速度は低下します。

鉄損は同じ速度の場合の磁束の変化の周波数に大きく依存するため、極数を増やすとモーターの 1 回転あたりの変化の数が増加します。 渦電流損失の場合、増加した周波数の 2 乗で発生し、モーターの効率が急速に低下する可能性があります。

モーターの出力曲線は、損失を含む、25°C の空気中でのモーターの連続動作の限界を示しています。 図 6 では、同じパッケージを持つ 2 つの Portescap モーターの比較が見られますが、一方のモーターは 2 極を持ち、もう一方のモーターは 4 極を持ちます。

4 極モーター (22ECT60 – トルク最適化) は、2 極モーター (22ECT60 – 速度最適化) と比較して、速度が増加する一方でトルク能力をすぐに失うことがはっきりとわかります。

モーターの限界は熱によるものであるため、電気モーターを選択するときは、さまざまな損失を考慮することが重要です。 鉄損は、特に高速時または多極高トルク設計の場合、モーターの効率において重要な役割を果たします。 ジュール損失と鉄損の比率を最適化することで、エネルギーを節約し、改良されたデバイスを開発できるようになります。

Portescap はこれらの特性を非常によく理解しており、高性能かつ低損失のモーターを設計することに細心の注意を払っています。 1 つの設計がすべてのアプリケーションに適合するわけではないため、Portescap チームは、重要な動作点を持つデバイスやアプリケーションに対応するモーター技術の多様なポートフォリオの開発に専念しています。

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