UAV 推進モーター用の磁石の選択: 高 KV と熱的現実性が両立する場所

UAV モーターの問題はあなたが考えているものではありません

UAV 推進モーター用の磁石を指定するほとんどのエンジニアは、エネルギー製品に焦点を当てています。 BHmax が高いほど磁束密度が高く、モーター重量 1 グラム当たりの KV と推力が高くなります。このロジックは、その限りでは正しいのですが、実際の設計問題の途中で停止します。

テストでチームが悩まされる部分: UAV の推進モーターは、プロペラ自体が生成するもの以外に冷却空気流がなく、100 ミリ秒未満でアイドル状態からフルスロットルまで変化する負荷サイクルのもとで、極端な電気周波数で動作します。 N52 は最高の静磁束密度を提供するかもしれませんが、高い周囲温度での継続的な上昇で磁石の温度が 140 度に達した場合 (40 度の日の密閉されたナセル内でのことです)、最も熱に敏感なグレードを最悪の環境に置いたことになります。

UAV の磁石を正しく選択するには、電気周波数、実際の飛行負荷下でのローター温度、飛行エンベロープ全体にわたる磁束密度と保磁力の間のトレードオフを考慮する必要があります。これを解決する方法は次のとおりです。

1. 電気周波数は最初のフィルターです

マルチローター UAV 推進モーターは通常、小型フレーム (3 ～ 7 インチの支柱) の場合は 1,400 ～ 2,200 KV、大型のプロフェッショナル プラットフォームの場合は 100 ～ 400 KV で動作します。 14S バッテリー電圧 (公称 58.8V) および 1,800 KV では、負荷時に無負荷速度の 80% に達するモーターは約 84,000 RPM で回転します。高 KV アウトランナー設計の標準である 14 極ペア構成では、電気周波数は 19,600 Hz になります。

その周波数では、積層における渦電流損失は、周波数と積層の厚さの両方の二乗に比例します。 20,000 Hz で 0.35 mm のシリコン鋼を使用したモーターは、0.20 mm の積層を使用した同じモーターよりも約 6 倍多くのコア損失を放散します。その熱はローターに入り、ローターから磁石に入ります。したがって、積層の選択は磁石のグレードの決定から切り離すことはできません。ターゲットの動作周波数に基づいて両方を一緒に指定する必要があります。

1,000 KV を超える高 KV モーターの場合: 0.20 mm のシリコン鋼が実用的な最小値です。より低い電気周波数で動作する 200 KV 未満のプロ仕様のスローフライヤー モーターの場合、0.35 mm が許容され、製造コストが削減されます。

2. 実際の飛行負荷における熱包絡線

スロットル 50% でのホバリングは熱設計のポイントではありません。熱設計のポイントは、ウォーム スタートからの 30 秒間の持続的なフルスロットル上昇です。これは、最小限の対流冷却で最大の銅と鉄の損失を集中させるシナリオです。

一般的な 5 インチのレーシング モーター (ステーター直径 22 mm、12N14P 構成) では、このシナリオでは、磁石の外側表面で測定した巻線温度が 110 ～ 135 度、磁石温度が 85 ～ 105 度になります。ローターのバックアイアンに接着された磁石の内側は 10 ～ 15 度高温になります。したがって、最悪の場合の動作時の有効磁石温度は 95 ～ 120 度になります。

120 度では、N52 磁石 (Hcj 通常 955 kA/m) は、室温と比較して保磁力が約 15% 低下して動作します。その温度における BH 曲線のニーポイントは、大電流モーターの動作点に十分近い位置にあるため、電流スパイクによる部分的な減磁は理論上のリスクではなく現実のリスクです。 N52H は 20 度で約 1,274 kA/m の Hcj を持ち、高温で大幅に大きなマージンを提供します。

実際的な推奨事項: 配送用ドローン、プロの映画撮影プラットフォーム、農業用噴霧器など、フルスロットル動作の継続が予想される UAV モーターの場合は、N52 または N52H ではなく N48H または N50H を指定してください。公称磁束密度を 3 ～ 5% 削減し、120 度の磁石温度で安全に動作するのに十分な保磁力マージンを獲得します。

3. UAV アプリケーションによるグレードの選択

4. アウトランナーローターのアークセグメントとタイルマグネットの比較

アウトランナー UAV モーター - ローターが外側のシェルで、ステーターが固定されている - は、ローター缶の内側に接着された表面実装磁石を使用します。 2 つのジオメトリの選択が可能です。ローターの半径に一致するように湾曲した円弧セグメントと、平らなタイルです。

フラット タイルは製造コストが安く、調達も容易です。問題は、湾曲したローター バック アイアン上の平らなタイルにより、タイルの端で最大、タイルの中心で最小となる可変のエア ギャップが生じることです。ステーター直径 22mm のモーターでは、この変動は無視できるほど小さいです。プロ仕様のプラットフォームで一般的な 40 mm 以上のステータでは、平らなタイルからのエアギャップの変動により、極通過周波数で測定可能なトルク リップルが生成されます。

ステーター直径が 35 mm を超えるモーターの場合、ローターの曲率に合わせた円弧セグメントが均一なエアギャップを生成し、同等グレードのフラット タイルと比較してトルク リップルを 40 ～ 60% 低減します。通常、生産量ではフラット タイルに比べてコスト プレミアムが 15 ～ 25% 高くなりますが、カメラ ジンバルの防振節約や機体の構造疲労の軽減を考慮すると、コストはすぐに消えてしまいます。

5. 接着剤と組み立てしろ

NdFeB の熱膨張係数 (約 5 ～ 7 × 10-6/度 ) は、アルミニウムローター缶の熱膨張係数 (23 × 10-6/度 ) とはおよそ 3 ～ 4 倍異なります。温度が 100 度変化すると、直径 40 mm のアルミニウム ローター上の 15 mm 円弧セグメントの結合線で約 0.027 mm の膨張差が生じます。

ショア D 硬度が 80 を超える標準的な 2 液型エポキシ接着剤は、接着ラインの厚さが 0.08 mm 未満の場合、このサイクルで亀裂が発生します。正しいアプローチは、ショア D が 60 ～ 75 の範囲で、ボンド ラインが 0.10 ～ 0.15 mm に制御された柔軟なエポキシです。磁石のサプライヤーは、ローターの材質と動作温度範囲に対する接着剤の適合性を確認できる必要があります。それができない場合でも、モーターの最初のバッチがフィールドテストに入る前に、その情報を入手する価値があります。

6. 磁石のサプライヤーに尋ねるべきこと

• ☐ 製造材料からの 20 度、80 度、および 120 度の BH 曲線 - データシートの代表値では十分ではありません
• ☐ 生産バッチ全体にわたる磁束密度の均一性: ±2% が達成可能。 ±5% は許容範囲です。それを超えるとモーターごとにばらつきが生じ、個別の校正が必要になります
• ☐ 円弧セグメントの半径公差: ±0.05mm が標準です。公称エアギャップが 0.35mm 未満の場合は、±0.03mm を要求します
• ☐ ローターの材質と動作温度に応じた推奨接着剤
• ☐ モーターが湿気の多い環境または海岸環境で動作する場合の塩水噴霧テストの結果 (亜鉛コーティングは最低、海洋用途ではエポキシコーティングを考慮してください)
• ☐ カスタム円弧セグメントの最小注文数量 - ほとんどのサプライヤーはカスタム ジオメトリに 500 ～ 2,000 個を必要とします。それに応じてエンジニアリングサンプルの数量を計画します

HIMAGNET は、UAV モーター用のアーク セグメントおよびタイル マグネットを、少量のエンジニアリング サンプルから量産まで供給しています。お客様のモーター設計に固有のグレード選択の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KV、極数、動作温度の推定値、ローターの形状などを考慮してください。