4極DCモータを選ぶ理由

航空宇宙産業や坑内掘削検査向け用途に使用されるDCマイクロモータを選定する場面では、4極モータが優位性を発揮します。4極設計モータは、 同等設計の2極モータよりもさらに強力で、さらに同じスペースと重量に収めることができます。maxon UKのグレッグ・ダットフィールド氏 (Greg Dutfield) は、次のように説明します。

軽量でコンパクトなエンベロープで高トルクを必要とするDCモータ用途には、4極モータが最適な選択肢です。4極モータは2極設計と同じフットプリント内に収まりつつも、より高いトルクを生成することができます。またこのモータの重要な特徴は、4極モータは同等サイズの2極モータよりも強力で、負荷がかかった際に、回転速度をより厳密に維持することができることです。

極数の説明 - 回転速度

極数とは、モータ内の永久磁石ペアの数を表しています。2極モータには、北磁極と南磁極の反対側に1組の磁石が装備されています。電流が流れると、磁石の極対の間に磁界が発生し、回転子が強制的に回転します。モータ構成には、2極ペアの磁石を含む4極設計から、最大12極を含む多極設計も含まれます。

極数は、モータの速度とトルク特性に影響を与えるため、モータを設計する上で重要な要素です。極数が少ないほど、モータの回転速度は速くなります。これは、回転子の機械的回転が、各極対の回転磁界サイクルに依存するためです。モータに装備された永久磁石のペアが多いほど、より多くの磁界サイクルが必要になり、すなわち、回転子が360°回転するのにより長い時間がかかることになります。回転速度は、固定周波数での極対の数で除算されるため、10,000 rpmの2極モータを基準にすると、4極モータは5,000rpmを生成し、6極モータは3,300rpmで動作します。

極数の説明 - トルク

極数に関わりなく、より大きなモータはより高いトルクを生成できます。ただし、同じ体積のモータを比較した場合は、極数を増やすことでより高いトルクを発生させることができます。4極モータの場合、トルクは大幅に増加します。そのコンパクトな設計により、より薄い磁気ヨークを実現することが可能で、さらには永久磁石の2対の極により多くのスペースを確保できるためです。また、maxon motorの場合は、特許取得済みのより厚い編み込み巻線を使用することができます。  

4極モータは 2 極設計と同じフットプリント内に収めることができますが、極数を6極から12極にさらに拡張すると、追加の銅、鉄、および磁石に対応するために、それに応じてフレームのサイズと質量を増やす必要があることに注意しなければなりません。

maxonのEC4極モータは、高負荷時でも回転速度を正確に維持します。

より強力な4極モータ

通常、モータの強度は、回転速度とトルクの勾配によって定義され、より強力なモータは、負荷がかかった際に回転速度をより正確に維持することができます。回転速度とトルクの勾配は、1mNm負荷ごとの速度低減によって測定されます。数値が低く、勾配が浅いほど、負荷がかかった状態でモータがより安定した回転速度を維持できることを表しています。

巻線の増加など、より高いトルクを確保するための設計属性と、製造に最適な材料を使用することで、より強力なモータを実現することができます。このため、4極モータ設計は、同等のフレームサイズの2極モータよりも強力です。

たとえば、22mmのmaxon4極モータの回転速度とトルク勾配は19.4rpm/mNm です。つまり、1mNm適用されるごとに、わずか19.4rpmのみ減速し、同じフレームサイズの2極のmaxonモータの回転速度とトルク勾配は110rpm/mNmとなります。すべてのモータメーカーがmaxonの設計および材料仕様と互換性を有しているわけではないため、他社製の2極モータの回転速度とトルクの勾配が高く、モータの性能が弱くなる場合もあります。

4極モータはどのような場合に使用しますか？

航空宇宙産業全体の用途で、軽量化され、より強力なパワーを発揮する4極モータは、多大な優位性を発揮します。これらの属性は、ハンドヘルド電動工具にも必要とされます。これらの電動工具は、低質量と小型フォームファクタを維持し、2 極モータが発揮する以上の高いトルクが頻繁に必要となります。

移動式ロボットのメーカーにとっても、4極モータの特性は非常に重要です。石油やガスのパイプラインを検査する場合や、閉じ込められた地震の犠牲者を救助する場合も、車輪付きロボットまたは追跡ロボットは、起伏の多い地形、障害物、急な傾斜を乗り越える必要があります。4極モータは、これらの負荷に対応するために必要なトルクと強度を発揮するほか、移動式ロボットメーカーはこのモータにより、コンパクトで軽量な設計を実現することができます。

低速トルク勾配と組み合わされた小型サイズのこのモータは、石油およびガス産業部門のダウンホール掘削検査にも不可欠な存在です。この用途では、小型の2極モータでは十分な強度が得られず、多極モータは大きすぎてドリルビットの検査スペースエンベロープに収まらないため、maxonは32 mmの4極モータを特別設計してこれに適合させました。

最適化された4極モータ

4極モータが適している多くの用途では、過酷な環境や条件で、高温、高圧、および振動に晒されても正常に機能する能力が求められます。たとえば、ダウンホール掘削検査用のモータは200°Cを超える温度で動作する必要があります。また、自律型水中車両 (AUV) の油で充填されたハウジングに取り付けられたモータは、最大深度6,000mの最高水圧に耐えることができなければなりません。スリーブなどの追加設計機能や熱放散を強化する技術を適用することで、コンパクトな4極モータは極端な動作条件に長期間対応することができます。

モータの仕様は根本的な必須要件ですが、用途に合わせて最適化を行うには、ギアボックス、エンコーダ、ドライブ、およびコントロールを含む完全なドライブシステムの設計を考慮する必要があります。maxonのエンジニアは、モータの仕様についてアドバイスを提供するのみならず、OEM設計チームと協力して、用途固有の要件に適合した駆動システム一式を開発しています。

EC 4pole 22 + GP24

1/3

貴社の用途に応じたモータについてのお問い合わせは、 Industrial & E-Mobility Sales Engineer、maxon UKのグレッグ・ダットフィールドまで、電話 01189 733337 または greg.dutfield@maxongroup.comにてお問い合わせください。