減磁は突然起こる故障ではありません
磁石の減磁に関する一般的なメンタル モデルはステップ関数です。つまり、モーターは正常に動作しますが、その後磁石が故障し、モーターはトルクの生成を停止します。実際にはそんなことは起こりません。 NdFeB モーターの減磁は、ほとんどの場合、部分的かつ段階的に発生します。磁石は残留磁気の一部を失い、同じ電流でモーターが生成するトルクはわずかに低下します。制御システムは電流を増やすことで補償しますが、これによりより多くの熱が発生し、さらに減磁が促進されます。障害モードは、崖ではなく、ゆっくりとしたドリフトです。
部分的な減磁がモーター性能の低下として検出されるまでに、通常、磁石は元の Br の 5 ～ 15% を失っています。この時点での減磁は不可逆的です。完全に分解して着磁治具に戻さない限り、磁石をモーター内で再着磁することはできません。展開されたロボット ジョイントまたは密閉されたサーボ アクチュエータの場合、これは完全な再構築を意味します。
この記事では、モーターの動作時に減磁を引き起こす 3 つのメカニズム、特定の磁石グレードと動作点における減磁リスクの計算方法、および設計に適切なマージンを確保するために何を指定するかについて説明します。
1. 3つの消磁機構
熱減磁、短絡減磁、および動作点減磁は、原因も解決法も異なる別個のメカニズムです。これらを混同すると、間違った修正につながります。
熱減磁磁石の温度が保磁力 Hcj がモーター自体の減磁界に抵抗するのに必要なレベルを下回る点を超えると発生します。これは閾値効果です。臨界温度以下では磁石は安定しますが、臨界温度以上では減磁が始まり、冷却すると不可逆になります。 N グレード NdFeB (熱接尾辞なし) の場合、Hcj は 80 度を超えると急激に低下します。特定のモーター設計の臨界温度は、エアギャップ磁界と磁石の体積によって異なります。薄い磁石セクションと大きな反磁界を備えたモーターは 90 度で減磁する可能性がありますが、同じグレードのより適切に設計されたモーターは 120 度まで安定します。
短絡減磁これは、相間短絡、駆動故障、または回生制動イベントなどの故障状態で発生し、ステータ電流によって動作温度で磁石の Hcj を超える減磁界が生成されます。通常の動作条件では、適切に設計されたモーターのピーク電流は、N グレードの磁石でさえ消磁できるほど高くはありません。障害状態では、電流がミリ秒間で定格値の 5 ～ 10 倍に達する可能性があります。そのパルスが磁石を消磁するかどうかは、磁石の厚さ、温度での Hcj、および故障の継続時間によって決まります。
動作点減磁これは、障害イベントがなくても通常の動作温度で発生する可能性があるため、最も危険です。これは、必要なピーク トルクに対して不十分な磁石の厚さでモーターが設計されており、ピーク電流での減磁界が Hcj に近づくか、Hcj を超えている場合に発生します。トルクパルスが発生するたびに、磁石はわずかに弱まります。時間の経過とともに、パフォーマンスは低下していきます。これは一般に、ベアリングの摩耗または巻線の劣化として誤診されます。
2. 減磁負荷線
減磁解析の重要なツールは、BH 減磁曲線上の磁石の動作点です。すべての NdFeB 磁石には、複数の温度 (通常は 20 度、100 度、150 度、場合によっては 180 度) での BH 曲線が公表されています。モーターの設計者は、動作点、つまり最悪の動作条件における B (磁石内の磁束密度) と H (磁石にかかる反磁界) の組み合わせを計算します。これは通常、最高動作温度でのピーク電流です。
操作点は、BH 曲線の「膝」の右側、つまり曲線が急激に下向きに曲がり始める点に留まる必要があります。膝より下では、反磁界がさらに増加すると、不可逆的な磁束損失が発生します。膝より上では、減磁は可逆的です。磁束は印加された磁場の下で一時的に減少しますが、磁場が除去されると回復します。
150 度の N42SH 磁石 (産業用サーボ アプリケーションの一般的なグレード) では、BH 曲線の曲がり部分は約 H=-950 kA/m で発生します。モーターの設計により、150 度でのピーク反磁界が -700 kA/m となり、ピーク電流が発生する場合、膝より上には 250 kA/m の余裕があります。保守的な設計の場合、そのマージンは磁石間の Hcj のばらつき (製造時は通常 ±50 kA/m) と温度測定の不確実性を考慮して、少なくとも 150 ～ 200 kA/m にする必要があります。
3. グレードサフィックスの選択: 文字の実際の意味
NdFeB グレード指定の熱接尾語 - H、SH、UH、EH - は、保磁力 Hcj が最小仕様を満たす最大動作温度を示します。接尾辞のない N42 の最大動作温度は 80 度です。 N42H の定格は 120 度です。 N42SH の定格は 150 度です。 N42UH の定格は 180 度です。 N42EH の定格は 200 度です。
これらは磁石が即座に故障する絶対的な温度限界ではなく、最小 Hcj 仕様が満たされる温度です。定格温度を超えても、モーター内の特定の減磁場に応じて、磁石は依然として安定している可能性があります。定格温度以下では、追加の Hcj マージンがあります。
現場での故障の最も多くを引き起こすグレード選択エラー: 磁石温度ではなく巻線温度に基づいて接尾辞を指定します。ハウジングが強制対流冷却される密閉型サーボ モータでは、磁石が冷却されたハウジング壁に近いため、巻線は 130 度に達する一方、磁石の表面温度 (Hcj に直接影響します) は 110 度に達します。逆に、ロータが真空または低導電性構造で囲まれたフレームレス モータでは、継続的な動作中に磁石の温度が巻線の温度を超える可能性があります。磁石の温度は測定またはモデル化する必要があります。モーターの形状の熱モデルがなければ、巻線の温度から温度を推測することはできません。
4. アプリケーション別の実質証拠金要件
産業用サーボ軸 (CNC、産業用ロボット): 最大巻線温度で膝より上の Hcj マージンが 30% になるように設計します。この 30% は、Hcj の ±5% の製造ばらつき、温度測定の不確実性、および故障状態によって時折モータが定格を超える電流にさらされるという事実を考慮しています。
協調ロボットジョイントとダイレクトドライブトルクモーター: 40% のマージンを考慮した設計。協働ロボットは接触の多い作業でトルク制限近くで使用されることが多く、予期せぬ接触イベント時のピーク電流が一時的に定格電流を超えることがあります。現場の再建にかかる費用は、保守主義が報われるほど高額です。
UAV 推進モーター: 定格連続温度で 25% のマージンを考慮して設計します。 UAV モーターが持続的にピーク電流になることはほとんどありません。ピーク電流は離陸時と積極的な操縦中にのみ発生します。巡航時には、減磁場はピークをはるかに下回ります。 25% のマージンは離陸条件をカバーします。
高温用途 (押出機ドライブ、加熱工具の近くの加工機械): SH または UH グレードを使用し、周囲温度ではなく予想される最大磁石温度で 35% のマージンを考慮して設計してください。モーターが 180 度に加熱されたプラテンにボルトで固定されている場合、巻線の温度に関係なく、磁石の温度は定常状態で 180 度に近づきます。
5. 磁石のサプライヤーに何を要求するか
完全な減磁抵抗仕様には、有能な磁石サプライヤーが提供できる 3 つの項目が含まれています。
まず、室温曲線だけでなく、動作温度における完全な BH 減磁曲線です。 150 度の磁石温度に定格されるモーターの場合、150 度の曲線が必要です。多くのデータシートには 20 度のデータのみが示されていますが、これは減磁解析には不十分です。
2 番目は、典型値または公称値ではなく、生産ロット全体の温度における最小 Hcj です。製品の NdFeB の Hcj 変動は、同じグレードでも ±3 ～ 5% です。公称 Hcj に合わせて設計されたモーターは、設計分析で安全であると判断された動作条件で減磁するユニットが生産されます。
3 番目は、磁化された磁石のサンプル バッチの磁束密度マッピングの測定です。測定により、製造時に達成された磁化レベルが仕様と一致していることが確認されます。また、受け入れ検査のベースラインも提供します。将来の生産ロットをベースラインと比較して、磁化プロセスのドリフトが現場でのモーターの性能に影響を与える前に検出できます。
HIMAGNET は、動作温度での BH 曲線データ、生産ロットごとの最小 Hcj スペック、およびモーター磁石認定のための磁束密度マッピング サービスを提供します。減磁余裕解析サポートについては、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グレード、動作温度、ピーク減磁場に応じて調整してください。
