NdFeB 磁石のエアギャップ磁束密度: 設計目標、グレードの選択、および測定

導入

グレードのデータシートには、閉回路、ゼロギャップ条件下での残留磁束密度 (Br) が報告されています。実際にトルク、逆起電力、巻線の設計を左右する数値はエアギャップ磁束密度です。これは、回路内に実際のエアギャップ、固定子鉄、漏れ経路が存在すると磁石が供給する磁束密度です。データシート Br と使用中のエアギャップ磁束密度の間のギャップは、磁気回路のパーミアンス係数 (Pc) によって支配され、ほとんどの予備的なモーター サイズ設定が誤るのはこの部分です。このガイドでは、エアギャップ磁束密度の目標をグレードの決定に変換する方法、温度によってその目標がどのように変化するか、および生産での結果を検証する方法について説明します。

1. モーター設計においてエアギャップ磁束密度が実際に何を制御するか

エアギャップ磁束密度 (ローターの磁石とステーターの鉄の間の物理的なギャップの磁場) は、永久磁石モーターにおいて最も耐荷重性の高い数値です。これにより、トルク定数、逆起電力、コア損失、および特定のトルク目標を達成するために必要な銅電流の量が決まります。 15% 間違えると、巻線設計がずれ、熱モデルがずれ、効率マップがプロトタイプとまったく異なってしまいます。

磁石のデータシートにある Br (残留磁束密度) は、エアギャップ磁束密度と同じではありません。 Br は、閉回路、ゼロギャップ条件下で測定される材料特性です。物理的なエアギャップが開いた瞬間、磁束密度は低下します。どの程度低下するかは、磁石の形状、エアギャップの長さ、漏れ経路、固定子鉄の飽和挙動によって異なります。 Br をエアギャップ磁束密度の代用として扱うことは、予備的なモーターのサイジングで最もよくある間違いであり、一貫して楽観的なトルク推定値が生成されます。

2. パーミアンス係数とそれがグレードの選択に影響を与える理由

回路内の磁石の動作点は、磁束が通過する有効ギャップに対する磁石の長さの比であるパー​​ミアンス係数 Pc によって定義されます。集中巻を備えたほとんどのラジアル磁束 BLDC ローターの場合、Pc は無負荷状態で 3 ～ 8 の間に収まります。負荷がかかると、ステータの磁界によって磁石が消磁され、動作点が低くなります。負荷線と BH 曲線の交点は、磁石が供給する実際の磁束密度を示します。

漏れのない Pc=5 では、グレード N45 磁石 (Br ≈ 1.33 T) は磁石自体でおよそ 1.1 ～ 1.15 T を供給します。実際の積層ステータに典型的なフリンジ損失と漏れ損失を考慮すると、エアギャップ磁束密度は約 0.85 ～ 0.95 T になります。ギャップ内で 0.9 T を目標とする小型 BLDC モータの場合、N45 が妥当な適合値となります。 N52 (Br ≈ 1.45 T) にアップグレードすると、ギャップが約 0.06 ～ 0.08 T 増加します。これは実質的ですが控えめです。磁石の体積がすでに制限されているコンパクトなモーターでは、その違いが重要になります。

3. グレードとギャップ目標のマッチング: 実用的な決定表

以下の表は、Pc ≈ 4 ～ 6 および典型的な積層ステータを想定して、一般的な設計ターゲットを NdFeB グレードにマッピングしています。これらは出発点であり、FEA に代わるものではありません。

エアギャップ磁束密度の目標が 0.70 ～ 0.80 T の場合、N35 または N38 でカバーされます。この範囲は、磁石のコストが主な制約となるコスト重視のファン、ポンプ、小型家電製品のモーターでは一般的です。ここで N45 を使用すると、お金が無駄になり、固定子鉄が飽和状態になるまで磁化される危険性が生じます。

0.80 ～ 0.90 T の場合: N42 または N45 が標準的な選択肢です。ほとんどのミッドレンジ産業用 BLDC および PMSM モーターがここに配置されます。 N42H は、室温の流束を大きく変えることなく、熱ヘッドルームを 120 度に追加します。

0.90 ～ 1.00 T の場合: N48 または N50。高性能サーボの領域に入りました。通常、磁石の厚さは、より高い動作点を維持するために増加します。このレベルでは、エアギャップの組み立て公差が重要になります。ギャップ長の 0.05 mm の変動により、磁束密度が約 1.5 ～ 2% 変動します。

1.00 T 以上: N52 は小規模で熱に優しい用途のみ。 N52 は、ほとんどの工業用途では境界線にあります。Hcj が N45H よりも低いため、過電流または高温下での減磁に対する耐性が劣ります。 80 度の巻線と弱め界磁動作が発生するモータに N52 を使用すると、界磁故障が発生する可能性があります。 HIMAGNET は、ピーク温度とピーク電流が重なるアプリケーションでは、N52 から N48H または N45SH にサイズをダウンするよう定期的にお客様にアドバイスしています。

4. エアギャップ磁束密度に対する温度の影響

NdFeB 残留磁化は、標準グレードの場合、約 -0.11 ～ -0.12%/度で温度とともに減少します。 100 度の動作範囲 (たとえば、20 度のコールドスタートから 120 度の定常状態のローター磁石温度まで) にわたって、Br はおよそ 11 ～ 12% 低下します。つまり、20 度で 0.90 T 向けに設計されたモーターは、動作温度で 0.79 ～ 0.80 T に近い出力を発生することになります。トルク定数の計算が低温時の値に基づいていた場合、モーターは定常状態でトルクが約 11% 不足します。

正しいアプローチは、予想される最大磁石温度でのエアギャップ磁束密度を指定し、必要な室温グレードを逆計算することです。 100 度の磁石温度で 0.88 T のターゲットの場合、同じ動作点 (N45 ではなく N48 または N50 を指す) で 20 度で約 0.98 ～ 1.00 T を実現するグレードが必要です。これは、測定温度を修飾せずに「N45」を指定している多くのモーター データシートにおける系統的エラーです。

H または SH 接尾辞グレードに切り替えても、室温での磁束は増加しません。保磁力 (Hcj) が増加して、高温での減磁に抵抗します。動作温度が 100 度未満で、磁界が弱まっていない場合は、標準 N45 の Hcj が適切であり、磁気的に N45H にプレミアムを支払う理由はありません。

5. 製造におけるエアギャップ磁束密度の測定

エアギャップ内の磁束密度は、組み立てられたローターのホールプローブを使用して直接測定することも、個々の磁石と回路モデルの磁束測定から推測することもできます。どちらのアプローチにもトレードオフがあります。

ギャップ内の直接ホールプローブ測定は、測定される特定のアセンブリに対して正確ですが、モーターが少なくとも部分的に組み立てられている必要があります。部品レベルの測定では見逃される、不正確な磁石の厚さ、ローターのスキュー、接着剤のラインのばらつきなど、アセンブリのばらつきを検出します。大量生産の場合、100% のギャップ内測定は現実的ではありません。強力な磁石を使用したサンプルベースの検査、Br 制御が標準的なアプローチです。

受入磁石の検査では、校正された治具での磁束測定 (全磁束またはピーク表面磁場の測定) は、磁石面全体で平均化されるため、ホール プローブの読み取り値よりも再現性が高くなります。治具は、既知の Br を持つ磁石に対して校正する必要があり、モーター内のエアギャップ磁束密度との相関関係は、モーターの形状ごとに経験的に確立する必要があります。 BLDC ローターのセグメント化されたアーク磁石では、治具の表面磁界とモーター内のエアギャップ密度の間の相関係数 0.75 ～ 0.85 が一般的です。

6. グレードを指定する前のグレード選択チェックリスト

図面上のグレードをロックする前に、次の 5 つの点を確認してください。それぞれをスキップすると、生産上の問題が発生します。

まず、周囲温度だけでなく最悪の場合の磁石の表面温度は何度ですか?巻線と磁石の温度間のギャップはモーターの設計に固有であり、スロット充填率の高い設計では 20 ～ 40 度になる可能性があるため、巻線温度のみに基づいた推定値ではなく、熱シミュレーションまたは測定を使用してください。

第二に、最大消磁電流下での回路の最小 Pc はいくらですか?これは、磁石が膝の上で動作するか膝の下で動作するかを決定する荷重線の交点です。選択したグレードで界磁弱化時の動作点が膝より下に低下すると、不可逆的な減磁が発生し、モーターの特性が永久に変化します。

3 番目: ギャップ許容差の妥当な Cpk によって磁束密度の変動が ±3% を超えないように、エア ギャップの長さは十分に厳密に制御されていますか?そうでない場合は、磁石のグレードをアップグレードする前に公差を厳しくしてください。

4 番目: 固定子鉄には目標のエアギャップ磁束密度で適切な Bsat マージンがありますか?ギャップを 0.85 T から 0.95 T にすると、不適切な設計の歯が飽和して、トルク増加のほとんどが失われ、鉄損が増加する可能性があります。

第 5 に、N48 または N50 のコストプレミアムはトルク密度の増加によって正当化されるのでしょうか、それとも N45 とわずかに大きな磁石で同じトルクを達成できるでしょうか?生産数量が 10,000 ユニットを超える場合、グレードとコストの差が、わずかに大きいローター ポケットの工具コストを超えることがよくあります。 HIMAGNET のエンジニアリング チームは、お客様の形状の比較を実行できます。モーターの外径、スタック長、トルク目標をお知らせください。

HIMAGNET によるエアギャップ磁束密度仕様のサポート方法

HIMAGNET は、複数の温度 (グレードに応じて 20 度、60 度、100 度、120 度、150 度) での完全な減磁曲線を含む磁石の性能データを提供するため、お客様は空のデータシートから始めることなく、負荷線および動作点の解析を実行できます。カスタム モーター プログラムの場合、当社のエンジニアリング チームは回路形状 (磁石の長さ、エア ギャップ、ステーター構成) をレビューして、設計がロックされる前に、グレードの選択が指定された動作温度で目標のエア ギャップ磁束密度を満たしていることを確認します。

目標のエアギャップ磁束密度、動作温度、およびモーターの形状がある場合は、グレード選択の検討のために仕様を HIMAGNET に問い合わせてください。