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。
公式
仕組み
この計算機は、効率と熱抵抗のパラメータからモーターの放熱と巻線温度の上昇を計算します。熱エンジニア、モーター設計者、信頼性エンジニアはこのツールを使用して、巻線の温度が絶縁クラスの制限内に収まるようにしています。温度が高すぎると絶縁寿命が短くなります。アレニウスの式によれば、定格温度が 10 °C 高くなるごとに、モーターの寿命は半分になります。
IEC 60034-1 によると、熱放散は入力電力から機械出力を引いたものに等しく、P_loss = P_in × (1-hz) となります。85% の効率で動作するモーターでは、入力電力の 15% が熱になります。IEEE 112に基づく損失分布：銅損失（I²R）は全体の30～ 60%、鉄損失（ヒステリシス+渦電流）は 15-25%、摩擦および風損は 10-20%、漂遊負荷損失は 10-15% です。
温度制限は、IEC 60085に従って絶縁クラス（クラスA（105°C）、クラスB（130°C）、クラスE（120°C）、クラスF（155°C）、クラスH（180°C）によって定義されています。最近の産業用モーターでは、主にクラス B の温度上昇を伴うクラス F 絶縁材が使用されています (周囲温度が 40°C を超えると 105 °C 上昇 = 最大 145 °C)。熱方程式は T_winding = T_ambient + P_loss × R_θ, で、 R_θ は°C/W単位の熱抵抗、標準値は、小型ブラシ付きモーターの場合は0.5〜2°C/W、強制冷却を備えた産業用モーターの場合は0.1-0.5°C/Wです。
計算例
密閉型キャビネット内の1.5 kW サーボモーターの熱性能を確認してください。動作効率は 88%、熱抵抗 (周囲に対する巻線) は 0.35°C/W、キャビネット周囲温度は 50°C、モーターはクラス F 絶縁です。
ステップ 1 — 入力電力と損失の計算: P_in = P_out / η = 1500 / 0.88 = 1705W P_loss = P_in - P_out = 1705 - 1500 = 205W
ステップ 2 — IEEE 112による損失の内訳を推定します。 銅線損失 (50%): 102 W 鉄損失 (25%): 51ワット メカニカル (15%): 31ワット ストレイ (10%): 21W
ステップ 3 — 定常状態の巻線温度の計算: ΔT = P_loss × R_θ = 205 × 0.35 = 71.8°C T_winding = T_ambient + ΔT = 50 + 71.8 = 121.8°C
ステップ 4 — クラス F の制限値に対する検証: クラス F の最大値:155°C マージン:155-121.8 = 33.2°C IEC 60034-1 に準拠しているため、信頼性のために最低 10°C のマージンが推奨されています
ステップ 5 — キャビネットが 60°C に過熱した場合の寿命への影響を計算します。 T_winding = 60 + 71.8 = 131.8°C (まだクラス F 内) T_winding = 70 + 71.8 = 141.8°C (わずか13°Cのマージン。冷却性能を低下させるか改善する)
結果：周囲温度が50°Cでは、巻線が122°Cに達し、33°CのマージンがクラスFの制限値に達します。これは許容範囲です。キャビネットの温度が60°Cを超える場合は、強制空冷を追加するか、モーター出力を下げて、設計寿命を20,000時間維持してください。
実践的なヒント
- ✓IEEE 1415モーター診断によると、サーマルカメラを使用して実際の取り付け時の定常温度を測定します。データシート R_θ は自由空気対流を想定しており、密閉型取り付けでは R_θ の実効が30〜50％増加します
- ✓NEMA MG-1-14.35では、周囲温度40°Cを超えると、連続電力を1°Cあたり3〜5％低下させます。周囲温度が60°Cでは、定格寿命を維持するために、100Wモーターの連続電力は60〜80Wに制限する必要があります。
- ✓起動/停止が頻繁に行われるサーボアプリケーションでは、デューティサイクル全体でのRMS電力を計算してください。 P_rms = √(Σ(P_i² × t_i) / T_total); 使用 P_rms はピーク電力ではなく熱解析に使用します
よくある間違い
- ✗ケース温度が巻線温度と等しいと仮定すると、IEC 60034-1によると、巻線のホットスポットは通常、測定されたケース表面より30〜60°C高くなっています。正確な巻線温度を得るには、組み込みサーミスタまたは抵抗法を使用してください
- ✗時間制限なしでモーターを停止させる：ゼロ速度では自己冷却ファンが停止し、熱抵抗はモーターメーカーのデータによると3〜5倍に増加します。継続的な失速は、モーターのサイズにもよりますが、5〜20秒で巻線が損傷します
- ✗熱計算におけるデューティサイクルの無視:IEC 60034-1デューティタイプS1-S10によると、モーターは、10秒間隔で 150% の定格電流を処理できます。その後に適切な冷却時間が経過すると、モーターは定格電流の 150% を処理できます。断続的なデューティの場合はモデルの熱時定数 (τ = R_θ × C_th) です。
よくある質問
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