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モーターの熱放散

入力電力と効率から、モーターの熱放散、温度上昇、および動作温度を計算します。

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公式

P_loss = P_in × (1−η), ΔT = P_loss × Rθ

Rθ — Winding-to-ambient thermal resistance (°C/W)
ΔT — Temperature rise above ambient (°C)

仕組み

モーターの放熱は、巻線の絶縁破壊を防ぐために取り除かなければならない熱電力です。総損失は、入力電力から機械出力電力を引いたものに等しく、P_loss = P_in − P_out = P_in × (1 − hz) です。主な損失成分は銅損失 (P_Cu = I² × R_winding) で、これは電流の2乗、したがって負荷トルクの2乗に比例して増加します。定常状態での温度上昇は、モータの熱抵抗 (R_θ、単位は°C/W) によって決まります。ΔT = P_loss × R_θ となります。絶縁クラスによって最大巻線温度が制限されます (クラス B: 130 °C、クラス F: 155 °C、クラス H: 180 °C)。

計算例

24 V、100 W のブラシ付き DC モータは、連続負荷時に 80% の効率で動作します。熱抵抗 (周囲に対する巻線) は 1.8 °C/W、周囲温度は 35 °C、クラス F の絶縁材です。
ステップ 1 — 入力電力:
p_In = P_out/= 100/0.80 = 125 W
ステップ 2 — 放熱量:
p_Loss = P_In − P_Out = 125 − 100 = 25 W
ステップ 3 — 定常状態での巻線温度上昇:
ΔT = P_Loss × R_θ = 25 × 1.8 = 45 °C
ステップ 4 — 絶対巻線温度:
T_ワインディング = T_アンビエント + ΔT = 35 + 45 = 80 °C
ステップ 5 — クラス F 制限までのマージン:
マージン = 155 − 80 = 75 °C — 連続運転には十分
結果：80% の効率、35°Cの周囲温度では、モータの巻線方向は80°Cで動作し、クラスFの制限値を十分に満たしています。効率が 70% まで低下した場合でも、P_損失 = 42.9 W、T_巻線 = 35 + 77 = 112 °Cになります。これらはまだ制限内ですが、43°Cのマージンしかありません。

実践的なヒント

  • ✓サーマルカメラまたは内蔵サーミスタを使用して、実際の取り付け構成で定常温度を測定します。データシートのR_θ 値は自由対流を想定しています
  • ✓起動と停止が頻繁に行われるサーボおよび位置決めアプリケーションでは、熱時定数 (= R_θ × C_Thermal) をモデル化して、バーストが発生してもモーターが確実に冷却されるようにします。
  • ✓高温環境で動作する場合、周囲温度が25°Cを超えると、最大連続電流が摂氏1度あたり3～ 5% 低下します。

よくある間違い

  • ✗モーター本体の温度が巻線温度と等しいと仮定すると、巻線のホットスポットは、測定されたケース温度よりも30～60°C高くなる可能性があります
  • ✗モーターが停止状態（ゼロスピード）で数秒以上稼働すると、シャフトが回転しないと冷却空気の流れが止まり、熱抵抗が急激に上昇し、急激な熱の蓄積を引き起こします。
  • ✗デューティサイクルを無視 — モーターは、定格電流の 150% を10秒間断続的に許容する場合がありますが、そのレベルでは継続的に過熱します。

よくある質問

一部のモーターのデータシートには、R_θ (巻線から周囲への巻線またはケースへの巻線) が記載されています。入手できない場合は、実験的に測定してください。熱平衡状態になるまで既知の電力損失でモーターを稼働させ、次に巻線温度を (抵抗の変化または内蔵サーミスタを使用して) 測定し、ΔT を P_loss で割ります。
ワーストケースで計算した巻線温度よりも少なくとも20～30°Cのマージンがある絶縁クラスを選択してください。クラスF（155 °C）は産業用モーターの標準です。クラスH（180 °C）は、周囲環境や負荷サイクルが高い用途に使用されます。通常、絶縁クラスが高いほどコストが高くなり、モーターのサイズに影響する可能性があります。
はい。PWM周波数が高いと、電流リップルとI²Rの銅損失が減少します。ただし、固定子積層における渦電流損失とヒステリシス損失は周波数とともに増加します。ブラシ付き DC モーターでは、一般に 20 kHz を超える周波数が最適です。BLDC モーターの場合、最適なスイッチング周波数は特定の積層材と厚さによって異なります。

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