産業用サーボの問題はピークパフォーマンスではなく一貫性です
UAV モーターはピーク推力向けに仕様化されています。ヒューマノイド ロボットの関節は、最大トルクが指定されています。産業用サーボ モーターは、定格温度で 1,000 万サイクルにわたる一貫した予測可能なトルク出力、サイクル 1 とサイクル 1,000 万で同じ性能を備えた、どちらよりも厳しい条件を求めて仕様化されています。
この要件により、磁石の選択ロジックが完全に変わります。レースの 1 シーズン後に磁束密度が 2% 失われる UAV モーターは、少々不便です。精密組立ラインの産業用サーボが 6 か月の生産シフトでトルク定数の 2% を失うと、部品の不合格、再校正のダウンタイム、および保証請求が発生します。産業用サーボ用途における段階的な減磁の経済的影響は、磁束損失に比例するのではなく、モーターが制御するプロセスの生産価値に比例します。
これが産業用サーボ モーターの磁石の選択を他とは異なるものにしており、UAV や民生用モーターのリファレンスからグレードを選択することが間違った出発点となる理由です。
1. デューティサイクルの熱力学が設計変数の中核となる理由
CNC 加工、ロボット溶接、ピックアンドプレイス自動化における産業用サーボ モーターは、熱を特定のパターンに集中させるデューティ サイクルで動作します。工作機械のスピンドル上のサーボは、6 時間のシフトの間、定格トルクの 70% で連続的に動作する場合があります。ピック アンド プレース アーム上のサーボは、80 ミリ秒間ピーク トルクで動作し、その後 120 ミリ秒でゼロ近くまで低下し、5 Hz で 1 日 16 時間繰り返します。
スピンドル用途における定常状態の巻線温度は、定格電流と熱抵抗から予測できます。ピックアンドプレース用途では、巻線温度サイクルと磁石アセンブリの熱時定数 (60 ～ 100mm フレーム サーボの場合は通常 45 ～ 90 秒) により、磁石温度が瞬間的な巻線温度に追従しないことになります。移動平均をラグ付きで追跡します。高いピーク電流を伴う高速デューティ サイクルでは、磁石は平均電流での定常状態の熱モデルが予測する温度よりも 25 ～ 40 度高い温度に達する可能性があります。
平均電流から磁石のグレードを特定するのは間違いです。マグネットアセンブリの熱時定数におけるピーク電流デューティから指定します。 1 ～ 10 kW の範囲のほとんどの産業用サーボ アプリケーションの場合、これは、有効な磁石の設計温度が 100 ～ 140 度であることを意味し、モーターのデータシートに記載されている 80 度の巻線制限ではありません。
2. IEC 温度クラスとそれが磁石に対して実際に意味するもの
産業用サーボモーターは、IEC 熱クラス - クラス F (巻線制限 155 度)、クラス H (180 度)、クラス C (200 度以上) に準拠して定格されています。これらの定格は、磁石ではなく巻線の絶縁に適用されます。内部冷却を備えた適切に設計されたモーターの磁石温度は、定格負荷時に巻線温度より 30 ～ 60 度低くなりますが、定格デューティを超えて動作するモーターや冷却性能が低下したモーターでは、そのギャップが狭まります。
モーターの熱クラスと磁石のグレードの接尾辞間の実際のマッピングは次のとおりです。
| モーターの熱クラス | 典型的な最大磁石温度 | 最低グレードのサフィックス | 注意事項 |
|---|---|---|---|
| クラスF、強制冷却 | 80～100度 | H | H 接尾辞はマージンを提供します。動作点が保守的でない限り、N 接尾辞は限界に達します |
| クラスF、自冷 | 100～120度 | HからSHへ | SH は連続使用用途に適しています。検証済みの熱モデルで許容可能な H |
| クラスH、強制冷却 | 100～130度 | SH | SHベースライン。磁石温度 130 度で定格電流に近いモーターの EH |
| クラスH、自冷 | 120～150度 | えー | EHまたはAH。動作温度での BH 曲線を確認します - メーカーのデータシートでは不十分なことがよくあります |
| クラスC / スペシャルティ | 150～200度 | SmCo または AH NdFeB | 150 度を超えると、SmCo が正解です。 NdFeB AH グレードは存在しますが、SmCo の方が安定しています |
3. 長期サイクルアプリケーションにおける減磁蓄積問題
生産ラインで年間 5,000 時間稼働するサーボ モーターでは、磁石は 14 極ペア構成および 1,500 RPM の定格速度で約 9,000 万回の電気サイクルを経験します。動作点が BH ニーより下に下がる各サイクルは、たとえ短時間であっても、わずかなマージンであっても、わずかな不可逆的な磁束損失に寄与します。
問題は個々の出来事ではありません。それは蓄積です。 1,000 動作時間あたり 0.05% Br が減少する磁石は、1 年後には 0.25% 減少します。それは取るに足らないことのように思えます。半導体ボンディングマシンの高精度サーボでは、0.25% のトルク定数ドリフトがあると、力制御ループの再校正が必要になります。ボンディングマシンでの再キャリブレーションでは、ツールが 2 ～ 4 時間オフラインになります。年中無休の施設では、これはマシンごとに年に 2 回発生します。そのダウンタイムのコストは、設計段階で次に高い保磁力グレードを指定するコストを大幅に上回ります。
正しい仕様アプローチ: 予想される最大磁石温度と最大消磁電流で動作点を BH ニーより 20% 上に保つために必要な最小 Hcj を計算します。次に、その最小値の上に 1 グレードの接尾辞を追加します。追加コストはわずかです。信頼性の増加は測定可能です。
4. 産業用サーボ用途別のグレード選択
| 応用 | デューティサイクル | 磁石の最大温度 | 推奨グレード | 理論的根拠 |
|---|---|---|---|---|
| CNCマシニングセンター（スピンドルサーボ） | 連続60～80％ | 100～120度 | N42SH～N45SH | 長時間の連続運転。 SH必須。トルク密度が許せば、より低い BHmax グレードも許容される |
| CNC軸サーボ（送り駆動） | 周期的、30 ～ 60% | 80～110度 | N45H–N48H | 間欠;適切なピーク電流マージン解析により十分な H |
| 産業用ロボットジョイント（6軸アーム） | 周期的、40 ～ 70% | 90～120度 | N42SH～N45SH | CNC スピンドルに似ています。密閉型ジョイントハウジングが対流を制限 |
| ピックアンドプレイス / スカラ | 高周波サイクリック | 80～110度 | N45H–N48H | ピーク電流は高いが短い。ピーク電流での減磁マージンを確認する |
| 半導体・エレクトロニクス組立て | 精密サイクリック | 60～90度 | N48SH～N50SH | 低温ですが精度には磁束ドリフトゼロが必要です。 SH は長期的な安定マージンを提供します |
| 押出機・巻取機 | 連続定格付近 | 110～140度 | N42EH～N45EH または SmCo | 定格に近い電流を数時間持続。正確な温度に応じて EH または SmCo |
5. サーボの再設計で個別のサプライヤーにかかる費用
産業用サーボ モーターの設計サイクルは、初期仕様から認定生産まで 24 か月という長い - 12 です。磁石の形状は、最初のプロトタイプの作成時に固定されています。磁石とローターの積層が異なるサプライヤーから提供されている場合、形状の変更には、開発中に形状の変更が発生する可能性があり、2 つのベンダーとの再契約、2 つのリードタイム、および 2 セットの初品検査書類が必要になります。
実際には、ほとんどのサーボ開発チームは、最初のプロトタイプから製品リリースまでに 3 ～ 5 回の磁石ジオメトリの繰り返しを行います。個別の磁石サプライヤーで個別のツールを必要とする各反復では、スケジュールに 4 ～ 8 週間が追加され、磁石のアークと積層スロットの形状を一緒に最適化する可能性が排除されます。トルクリップルとコギングを直接決定するエアギャップ許容値は、両方のコンポーネントが最初から互いの許容値を念頭に置いて設計および製造されている場合、保持しやすくなります。
6. 産業用サーボマグネットの仕様チェックリスト
- ☐ 定格電流ではなく、最大過渡電流におけるピーク反磁界を計算します。
- ☐ 定常状態の平均電流モデルではなく、熱時定数モデルを使用して有効磁石温度を決定します。
- ☐ 最高磁石温度で BH ニーより上の 20% Hcj マージンを持つグレードの接尾辞を選択してください
- ☐ Add one suffix above calculated minimum for long-cycle applications (>5,000時間/年）
- ☐ データシートの代表値ではなく、20 度、100 度、および 150 度での生産材料からの BH 曲線をリクエストします。
- ☐ 磁束密度均一性要件を指定: 高精度サーボの場合は ±1.5%。標準工業用で±2.5%
- ☐ 130 度を超える持続温度のアプリケーションの場合: NdFeB EH/AH グレードを決定する前に SmCo を評価してください
- ☐ 磁石サプライヤーがローター積層図に一致する円弧セグメントの形状を提供できることを確認してください。
HIMAGNET は、整合した積層調整、動作温度での製造 BH データ、および設計から認定までのプロセスを通じたエンジニアリング サポートを備えた産業用サーボ モーター用のアーク セグメント マグネットを提供します。サーボアプリケーションのグレード選択をサポートするには、弊社のエンジニアリングチームにお問い合わせくださいデューティサイクル、熱クラス、ローターの形状に合わせて調整します。
