アイアンレスブラシDC/ブラシレスDCモータの 熱に関する考慮事項

アイアンレスブラシDC/ブラシレスDCモータの 熱に関する考慮事項

はじめに(基本的な考え方)

電力を機械力に変換する過程では、必ず損失が発生します。この損失は主として熱に変わります。 そして、得られる機械力が大きいほど、損失も大きくなる傾向があります。電動モータ内に生じた熱 エネルギーは、温度上昇をもたらします。その結果、(伝導と対流により)高温部から低温部に熱が 移動し、最終的にはモータ外部に運ばれます。

電動モータの製造元にとっての大きな課題として、モータ内部の瞬間温度が、個々の部品の最高 許容温度を超えないようにすることがあります。モータの設計や使用する材料にもよりますが、熱 現象はモータの性能に大きく影響します。

設計者は通常、部品が過熱により破損することなく性能を発揮できるよう、次の2点を改善しようと 試みます。

  • 損失を最小限に抑えること。電力の変換効率を上げるため、得られる機械力に対して発生 する熱を抑えます(あるいは、発生する熱が同じでも、より大きな機械力が得られるようにし ます)。
  • 発生した熱エネルギーを周囲環境に移動する(熱放散)能力を高めること。これにより内 部の温度上昇を抑え、より多くの熱エネルギーが発生しても同じ温度が保たれるようにし ます。

この現象を分かりやすく説明する喩えとして、排水口がある浴槽に、水を注いでいる状況を考えて みましょう。

蛇口から注がれる水の流れは、モータ内部の熱エネルギーの発生に相当します。水が浴槽にた まっても、底にかかる圧力により、排水口から出ていきます。これが熱放散に相当します。水位が 高いほど、浴槽の底にかかる圧力が高くなり、したがって排水の流速も増します。

同様に、モータの熱放散は、モータの内部温度と外部(周囲)温度の差に比例します。しかし、排水 の流速が排水口の口径に依存するのと同様に、熱放散は、熱抵抗、すなわち、モータからの熱移 動が「どれだけ難しいか」にも依存します。熱抵抗が小さいほど、熱はモータの外部に、迅速に移動 します。言い換えれば、熱放散力が大きくなるのです。

浴槽の容積には限りがあり、水位がある点を超えるとあふれ出します。同様に、モータの部品には それぞれ決まった熱容量があり、瞬間温度がある点を超えると、たちまち破損してしまう可能性が あります。モータの定格性能は、モータを許容動作温度の範囲内に保つための要件を考慮したも のでなければなりません。

通常、この要件を決定づける最も重要な部品はコイルです。ここがまさに、ジュール熱が発生する 部分だからです。限界以上の高温になると、銅線の周りの絶縁被膜が溶け、モータが恒久的に破 損することになります。

定常状態での運用

ブラシ付きDCモータ

コアレスブラシDCモータは通常、永久磁石とハウジング(いずれも固定子の一部)の間の空隙で、 自立コイルが回転するものとして設計します。

回転コイルで発生するジュール熱の量(W)は、コイルの電気抵抗 R(Ω)および電流 I(A)に依存し ます。回転子は無鉄芯なので、鉄損はありません。

コイルの温度が上昇すると、熱はコイルからチューブ(1)に移動し、次いで周囲環境(2)に移動しま す(図2を参照)。この2つの段階で、熱抵抗(それぞれRth1、Rth2と表記)は異なります。材料の熱伝 導率の相違に加え、部品の形状や重量、表面積も熱移動の挙動に影響を与えるためです。

熱の発生と放散の平衡について

コイルを流れる電流 𝐼𝐼 が過大でなければ、コイルの温度が上昇すると、ある点までは熱放散も増加 します( Tcoil - Tamb に比例)。この状態では、発生した熱はそのまま周囲環境に放散します。モータ内 部の熱エネルギーは、時間が経過しても一定であり、したがって部品の温度は変化しません。

毎秒の注水量と排水量がまったく同じであるとき、浴槽の水位が一定を保つのと同じように、コイル もある温度で安定します。コイル温度がこの安定値をわずかに上回ると、放散力もわずかに増加 し、温度を安定値に戻すように働きます。その結果、定常状態に達します。

コイルの定常温度は、電流I(A)、電気抵抗R(Ω)、熱抵抗Rth1およびRth2(K/W)(この2つは前後に つながっているため加算)、周囲温度Tamb(K)の関数として計算できます。定常状態では、熱の発生 と放散が平衡しているためです。

温度の上昇につれて電気抵抗も上昇…

実際には、コイルの電気抵抗(R)は瞬間温度によって変わります。コイルの温度は周囲に比べては るかに高くなっているので、特定の温度における、実際の電気抵抗を考慮することが重要です。

例えば、コイルの温度上昇 (𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 − 𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎) が100°Cとしましょう。上記の式によれば、122°Cのときの コイル抵抗は、22°Cのときの抵抗(𝑅𝑅22)に比べて39%高くなります。これは大きな差であって、無視 して熱計算することはできません。

この現象により、高温になるほどジュール熱の量 R * I2 は大きくなり(電流は同じであると仮定)、次 の式で求められる温度で、コイルは最終的な定常状態に達します。

図 1:モータの熱移動:浴槽を使った喩え
図 2:コアレスブラシDCモータの熱放散
グラフ1:コイルの温度が定常状態に達する様子(電流は時間経過によらず常に一定)
図 3:ブラシレスDCモータの構造の例
図 4:熱の発生源が2つあるBLDCモータ:浴槽を使った喩え
図 5:モータ本体と外部部品との接触による熱放散
図 6:熱抵抗を小さくして熱放散を促進:浴槽を使った喩え水位が低いので、水位が浴槽の上端(最高許容温度)に達す るまでの間に、より大きなトルクを得ることができます(より多くの熱発生に耐えるだけの余裕があります)。
図 7:非常に強い電流が、短時間(熱放散を無視してもよい程度)だけ流れる状況:浴槽を使った喩え