アキシャル磁束モータに異なる磁石が必要な理由
アキシャル磁束モータ (パンケーキ モータまたはディスク モータとも呼ばれる) は、磁束を回転軸から半径方向外側ではなく回転軸と平行に向けます。空隙は円筒形の環ではなく、平らなディスクです。この形状は、ラジアル磁束設計よりも単位体積あたりのトルク密度が高くなります。そのため、アキシャル磁束モータは、EV トラクション ドライブ、風力発電機、ダイレクトドライブ洗濯機に使用され、さらには、長い円筒形モータよりも短く平らなモータの方が適合するロボット工学分野で使用されることが増えています。
磁気回路の形状の違いは単なる形状の変化ではなく、必要な磁石の形状、磁化方向の指定方法、および磁石がどのような故障モードにさらされるかが変化します。ラジアル磁束モータの経験から磁石を指定し、同じロジックをアキシャル磁束設計に適用するエンジニアは通常、最初のプロトタイプで問題に遭遇します。つまり、磁石が幾何学的に正しいが間違った方向に磁化されているか、磁束集中係数が考慮されておらず、磁石が部分負荷で固定子鉄を飽和させている設計です。
1. 扇形磁石の幾何学問題
ラジアル磁束モータでは、磁石は円筒状のロータ表面の周りを包み込む湾曲したタイルである円弧セグメントです。磁石の幅、円弧の角度、半径方向の厚さが重要な寸法であり、これらは極数とローターの直径に応じて直接的に変化します。
アキシャル磁束モータでは、磁石は扇形、つまり平らなローター ディスク表面の一部を覆うパイスライス タイルです。セクターの角度は、360 度を極数で割ったものに等しくなります (フルカバレッジ設計の場合)。 16 極モーターは 16 個のセクター磁石を使用し、それぞれが 22.5 度をカバーします。幾何学的に重要な問題は、磁石の幅が内側の半径から外側の半径に向かって変化することです。各セクターの内側の端は外側の端よりも狭いです。これは一定の断面の逆であり、2 つの問題が発生します。
まず、エアギャップ内の磁束密度は磁石の半径全体にわたって均一ではありません。磁石の外側部分は、同じ磁化レベルの内側部分よりも単位面積当たりより多くの磁束を生成します。これは、外側アークが長く、より広い範囲に及ぶためです。適切に設計されたアキシャル磁束モーターでは、この不均一性は固定子巻線のピッチとスロットの形状によって管理されますが、磁石のサプライヤーは正しい形状を見積もるために内外半径比と極の円弧率を知る必要があります。
第 2 に、焼結 NdFeB ブロックからセクター形状を切断すると、円弧セグメントに比べて材料の無駄が大幅に発生します。ラジアルモーター用に 12 個の 30 度の円弧セグメントを生成する NdFeB ブロックは、セクターの角と幅のばらつきにより歩留まりが低下するため、同じローター直径のアキシャル モーターに対して使用可能なセクターが少なくなります。同じグレードとコーティングの同等のラジアル磁束アーク磁石と比較して、アキシャル磁束セクター磁石のモーターあたりの材料コストが 20 ～ 35% 高いことが予想されます。
2. 磁化方向: ラジアルではなくアキシャル
これは、ラジアル磁束設計からアキシャル磁束設計に移行するエンジニアにとって最も一般的な仕様エラーです。ラジアル磁束モーターでは、磁石が半径方向に磁化され、N 極と S 極が内側と外側の曲面にあります。アキシャル磁束モータでは、磁石は軸方向に磁化されています。N 極と S 極は平らな上面と底面にあり、モータ シャフトと平行に配向されています。
軸方向磁束セクター磁石にラジアル磁化を指定すると、幾何学的には正しいものの、アプリケーションでは磁気的に役に立たない磁石が生成されます。磁束は、空隙のある平面ではなく、湾曲したエッジから出ます。磁石の寸法が正しいため、このエラーは受入検査時に常に検出されるわけではありません。モーターが最初に動作するとき、それはほぼゼロの逆起電力として現れます。
高効率設計でますます一般的になっている、ハルバッハ配列ローター構成を備えたアキシャル磁束モーターの場合、磁化方向はローター ディスクの周りを 45 度または 90 度ずつ回転します。仕様には各磁石位置の磁化角度を明示的に含める必要があり、組立図には各部品の方向をマークする必要があります。これを表す標準的な略記法はありません。購入仕様書に位置ごとの磁化マップが必要です。
3. シングルローターとデュアルローターのステーター構成
アキシャル磁束モーターには 3 つの主要な機械構成があります。シングル ローターとシングル ステーター (SRSF)、デュアル ローターとシングル ステーター (TORUS または YASA タイプ)、およびシングル ローターとデュアル ステーターです。これらの構成では磁石の仕様が異なります。
TORUS/YASA 構成では、2 つのローター ディスクが 1 つの中央のコアレス ステーターの両側に配置されており、各ローター ディスクには磁石が搭載されており、2 つのディスクは反対の極性で組み立てられているため、磁路はスチール コアなしでステーター巻線を通って閉じられます。これは、各ローター ディスク上の磁石がステーター ギャップを挟んで反対側のディスクに引き寄せられる必要があり、組み立て順序では取り付け中にこの吸引力を維持する必要があることを意味します (一般的な直径 200 mm の TORUS モーターの 10 mm のエア ギャップにわたる 2 つの対向するローター ディスク間の力は 500 ～ 1500 N で、組み立て治具が故障した場合に手に重傷を負うのに十分です)。
コアレス TORUS モーターの場合、小さな磁束の不均一性を飽和させて平均化する鉄がないため、磁石はより厳しい残留磁化公差 (標準の ±5% に対して ±2%) で指定する必要があります。逆起電力波形は局所的な磁束密度分布に直接比例するため、磁石間の変動はトルク リップルに直接変換されます。このより厳しい公差要件により、通常、磁石のコストが 15 ～ 25% 増加します。
4. 軸磁束用途のグレード選択
アキシャル磁束モータの熱環境はラジアル磁束とは異なります。平らなディスクの形状は表面積と体積の比が優れており、ほとんどの設計では磁石が外周に近くなっているため、対流または伝導冷却がより効果的です。ダイレクトドライブのトラクションおよび発電機アプリケーションにおけるアキシャルフラックスモーターの動作磁石温度は通常 60 ～ 100 度であり、高速ラジアルフラックスサーボモーターで見られる 100 ～ 150 度よりも低くなります。
これは、保磁力要件が予想よりも厳しくないことが多いことを意味します。ほとんどの EV ホイール モーターおよび風力発電機の用途には、N42H (120 度定格) が適切なグレードです。 N42SH (150 度) は、モーターの冷却が制限された高温環境にある場合を除き、ほとんど必要ありません。十分に冷却されたアキシャル磁束モータに N42SH 以上を指定すると、磁石のコストが 8 ～ 12% 増加しますが、動作温度での性能上の利点はありません。
例外は、高速アキシャル磁束モーター (スピンドル ドライブ、フライホイール エネルギー貯蔵ローター) で、ディスク磁石にかかる遠心応力が主要な設計制約となります。 10,000+ RPM では、外側半径セクター磁石の半径方向応力は、焼結 NdFeB の引張強度限界 (約 80 MPa) に近づく可能性があります。これらのアプリケーションでは、ローター ディスクの有限要素応力解析が必要で、場合によっては磁石の形状の変更 (応力集中を軽減するために内側半径の面取りを追加) や、BHmax を下げる代わりに優れた引張特性を持つ接着 NdFeB または SmCo への切り替えが必要になります。
5. 軸磁束セクター磁石の調達チェックリスト
標準ラジアル磁束磁石の購入仕様では、アキシャル磁束セクター磁石に対して次の追加が必要です。
形状: 内側半径 (Ri)、外側半径 (Ro)、扇形角度 (degree)、および平面の厚さを指定します。 Ri/Ro 比を明示的に含めます。これにより、収率の計算と磁束分布の均一性が決まります。
磁化方向: 標準設計の場合は軸方向 (厚さ方向) を指定します。ハルバッハ アレイ ローターの場合は、位置ごとの磁化マップ図を提供します。
残留磁束密度許容差: 鉄心固定子の設計では標準 ±5% が許容されます。コアレス TORUS/YASA 構成の場合は ±2% を指定します。
コーティング: 標準の Ni-Cu-Ni は、ほとんどの軸方向磁束用途に適しています。腐食環境 (海岸風、海洋) または高湿度の用途の場合は、無電解ニッケルまたはエポキシ オーバーコートを指定してください。モーターが医療環境または半導体環境にある場合を除き、金のオーバーコートが必要になることはほとんどありません。
組立マーキング: 各磁石面の平面上に磁化方向 (N または S) をマーキングしてください。セクターの形状は自動的に方向を変えるものではありません。多極アセンブリ内のマークのない磁石は、重大な組み立てエラーの危険性があります。
HIMAGNET は、アキシャルおよびハルバッハ配列磁化、厳しい公差のコアレス バリアント、およびアセンブリ マーキングを備えた、N35 から N52 までのグレードのアキシャル フラックス モータ用のセクター マグネットを製造しています。推奨形状とグレードについては、Ri、Ro、極数、動作温度を当社のエンジニアリング チームにお問い合わせください。
