磁石アセンブリがモータープロジェクトの失敗の原因となる理由
すべてのモータープロジェクトは最終的には組立ベンチに到着します。磁石は指定され、等級付けされ、正しくコーティングされています。ローターの積層は図面に合わせて機械加工されます。そして、何か問題が発生します。取り扱い中に磁石がスチール製の固定具にスナップして欠けたり、測定された空隙が周囲で 0.3 mm 変化し、全負荷時にモーターが振動したり、接着剤の硬化中に磁石が移動したため、20 個のローターのうち 3 個のローターに逆起電力波形がシミュレーションと一致しませんでした。
これらの故障は磁石の不良によって引き起こされるものではありません。それらは、NdFeB 磁石が鋼鉄の近くにある場合や、NdFeB 磁石同士が実際にどのように作用するかを考慮せずに設計された組み立てプロセスによって引き起こされます。 NdFeB を有用なものにする材料特性 (高い残留磁気、高い保磁力、非常に高い BHmax) は、取り扱いが非常に危険であり、組み立てるのに寸法的に容赦のないものでもあります。この記事では、最初のアセンブリの成功と慢性的なやり直しを分ける特定の許容誤差とプロセスの決定について説明します。
1. 組み立て中の磁力: ほとんどのエンジニアが無視する数値
焼結 NdFeB 磁石と強磁性表面の間の引力は、ギャップ距離の減少の 2 乗に比例します。つまり、ギャップが閉じるにつれて、力は線形ではなく急速に増加します。 40mm × 20mm × 5mm の N42 磁石は、完全に接触した場合、平らなスチール表面に対して約 14kg の引力を持ちます。 5 mm 離れた時点で、その力は表面積に応じてすでに 6 ～ 8 kg になります。 1mm では完全接触値に近くなります。
組立治具、工具、および近くのコンポーネントはほとんどの場合強磁性であるため、これは重要です。技術者がローターハブから 100mm 離れた位置に磁石を保持しても、ほとんど何も感じません。 20mmになるとその魅力が顕著になります。 5 mm では、手袋をしていない手から磁石が引き出され、一定の速度でローター表面に衝撃を与えます。焼結 NdFeB のチップ破損モードについては十分に文書化されており、この材料の引張強度は約 80 MPa ですが、磁化方向の圧縮強度はわずか約 1100 MPa であり、他の方向でははるかに弱いです。高速で衝撃を受けると、コーナーチップやエッジスポールが発生します。これらはニッケルコーティングの下では見えませんが、有効磁気体積が 2 ～ 8% 減少し、応力集中点が生じて長期疲労が生じます。
実際的なルール: 磁石が強磁性表面から 50 mm 以内にある組み立て作業には、非磁性固定具、閉じる速度を制限する制御されたアプローチの治具、またはその両方が必要です。アルミニウムおよびオーステナイト系ステンレス鋼 (304、316) が標準の治具材質です。固定具は、磁石が目的の最終軸に沿ってローターポケットに近づくように設計する必要があります。組み立て中の横荷重は、衝撃後のチップ損傷の 2 番目に一般的な原因です。
2. ボンド磁石アセンブリにおける公差スタックアップ
ほとんどの永久磁石モーターは、嫌気性接着剤、エポキシ、または構造用アクリルを使用して磁石をローターポケットに接着します。接着ジョイントには 2 つの目的があります。1 つは遠心荷重下で磁石を所定の位置に保持すること、もう 1 つはエアギャップを設定する寸法基準を提供することです。接着されたジョイントがエアギャップの基準である場合、公差の積み重ねが重要になります。
典型的なラジアル磁束ローターのポケット設計を考えてみましょう。ポケットの深さの許容差は ±0.05mm (CNC 旋削加工で実現可能)、磁石の厚さの許容差は ±0.05mm (焼結 NdFeB の標準)、接着剤のボンドラインの厚さは、制御されていればさらに ±0.03mm 追加されます。最悪の場合のスタックは、磁石表面位置の半径方向の変動が ±0.13 mm です。エア ギャップが 0.5 mm のモーターの場合、ギャップの変動は ±26% になります。エアギャップが 0.8mm のモーターの場合、±16% です。どちらの数値も高精度サーボ ドライブには大きすぎます。逆起電力高調波成分が生成され、電気周波数の倍数でのトルク リップルに直接変換されます。
これを管理するには 3 つの方法があります。まず、研削によって磁石の厚さの公差を ±0.02 mm まで厳しくします。これはコストがかかりますが、高精度サーボ モータの磁石の標準です。次に、接着剤ボンドラインの厚さを明示的に指定し (通常は 0.05 ～ 0.10 mm)、硬化中にそれを制御する治具を使用します。 3 番目に、ローター外径の組み立て後の研削操作を使用して、すべての磁石を同じ半径方向位置にします。これは、磁石表面がエアギャップ基準面である多極数のサーボ ローターでは一般的です。それぞれのアプローチには、コストとプロセスの複雑さが異なります。正しい選択は、モーターのエアギャップ仕様と生産量によって異なります。
3. 磁化前アセンブリと磁化後アセンブリ
焼結 NdFeB は、完全に磁化された部品として、または磁化されていないブランクとして組み立てることができます。この選択により、各段階でどのような工具、取り扱い上の注意、品質チェックが必要かが決まります。これは恣意的な決定ではなく、収率とプロセスのリスクに直接影響します。
事前に磁化された磁石を組み立てる (少量生産の最も一般的なアプローチ) ということは、すべての取り扱いステップに実際の磁力が関与することを意味します。上記の取り扱いリスクはすべての段階に適用されます。利点は、入ってくる磁石がモーターに入る前に磁化の均一性を検証できることです。これは磁束計またはホール プローブ アレイを使用すると簡単です。欠点は、組み立て固定具が完全に非磁性である必要があり、取り付け中に極間の反発力によって磁石が横に折れるのを避けるために、制御された極性順序でロータ上の隣接する磁石に 1 つずつ負荷をかける必要があることです。
Assembling unmagnetized blanks and magnetizing after assembly eliminates most handling hazards. The magnets are inert during bonding and fixture operations. Magnetization is done in a single fixture pass using a pulsed magnetizer, which simultaneously magnetizes all poles to the correct orientation. The disadvantage is that post-assembly magnetization requires a magnetizing fixture designed specifically for that rotor geometry - this is a non-trivial tooling investment, and the fixture must be validated to confirm saturation of all poles evenly. For high-pole-count rotors (>16 極）、着磁治具の設計が慎重に最適化されていない場合、着磁中の極間の磁束漏れにより一部の極が磁化不足のままになる可能性があります。
ほとんどのモーター メーカーのクロスオーバー ポイントは年間約 500 ～ 1000 ユニットです。この体積未満では、慎重に取り扱いを行った事前に磁化されたアセンブリの方が一般的に総コストが低くなります。その量を超えると、品質の一貫性と組み立て後の磁化の処理効率により、通常、治具への投資が正当化されます。
4. 磁気ジョイント用の接着剤の選択と硬化プロセス
ボンド磁石とスチールローターポケットの間の磁力は、接着剤の硬化中に消えることはなく、常に存在し、活動します。ほとんどの接着システムでは、磁気予圧によって磁石がポケット表面に接触している間に接着が形成されます。これは実際に便利です。磁石がポケットの底部に対して自動的に位置するため、その軸に専用の固定具を使用しなくても、一貫した深さの位置決めが可能になります。
制御が必要な寸法は横方向の位置です。ポケット内の接線方向の位置合わせによって極間の間隔の均一性が決まり、これが逆起電力波形の対称性に影響します。標準的なアプローチは、半径方向の面で接着ギャップを制御しながら、横方向の位置を機械的に拘束するポケット形状 (ポケットの接線方向の面でのサイド クリアランスが狭い) を使用することです。ポケット側のクリアランスは片側 0.05 ～ 0.10 mm なので、拘束せずに手動で装填することができ、横方向の位置決め精度は合計 0.1 mm よりも優れています。
接着剤の選択は、ほとんどのモーター設計者が認識している以上に重要です。嫌気性接着剤 (Loctite 638、648) は、150 度までの温度で鋼と磁石の接着に適しており、制御された条件下で迅速に硬化し、遠心応力モード (接着面に沿ったせん断) に対して優れた耐性を備えています。エポキシ (Araldite 2011、3M DP420) は、より高い耐熱性 (最大 180 度) を提供し、より大きなボンドラインのギャップをより確実に充填しますが、より長い硬化時間と治具の保持が必要です。 120 度を超えて連続的に動作するモーターの場合、エポキシは正しい選択です。高温で嫌気性材料が柔らかくなり、高速動作時の遠心荷重下でも磁石の動きが可能になります。
5. 組み立て後の検査: 何を測定するのか、またその理由は
ボンド磁石ローターが仕様どおりに動作するかどうかを予測する 3 つの測定は、基準速度での逆起電力波形、磁石表面振れ (磁石面全体で測定されたローター外径の TIR)、および対極間の磁束バランスです。
基準巻線に対して 500 ～ 1000 RPM で測定された逆起電力は、すべての組み立て公差の総合結果を示します。極間の磁束変動、角度間隔誤差、磁化の不均一性はすべて、波形内の高調波成分として現れます。適切に組み立てられたローターの場合、5 次高調波の振幅は基本波の 1% 未満である必要があります。 2 ～ 3% を超える値は、モーターが巻線とハウジングの段階に入る前に調査する価値のある体系的な組み立ての問題を示しています。
ダイヤルインジケータを使用して磁石の面全体にわたって測定される磁石の表面振れ (TIR) は、半径方向の位置の一貫性を直接測定します。 0.5mm 以上のエアギャップの場合、0.05mm 未満の TIR が達成可能であり、適切です。 0.4mm 未満のエアギャップ (精密サーボ アプリケーション) の場合、TIR は 0.03mm 未満が目標です。これには通常、セクション 2 で説明した組み立て後の研削作業が必要です。
HIMAGNET は、残留磁気、保磁力、寸法検証を含む検査レポートを備えたモーター用磁石を提供します。また、組み立て治具の設計や組み立て後の磁化ツールの検証についてもお客様と協力しています。推奨プロセスについては、ローターの形状と生産量をお知らせください。
