アウターローターBLDCモーター設計：電動モーター・モデリングのための簡単ガイド

アウターローター・ブラシレスDCモーターは、強力な種類の電気モーターである。この設計では、ローター上の磁石は、ローター上で回転する。 外側 ステーター巻線のこれにより、高トルクなどの特別な能力が得られる。この記事はあなたのためのものです。より優れたアウターローター・ブラシレスDCモーターを設計する方法を学ぶのに役立ちます。コンピュータ・モデリングがモータ設計のステップをいかに容易にし、成功に導くかをご紹介します。あなたのBLDCモーターが最高の性能を発揮できるように改良するための主なステップを学びます。

アウターローターBLDCモーターとは？

ブラシレス直流モーター（BLDCモーター）は、一般的な電気モーターの一種です。ブラシレス直流モーターは、よく機能し、信頼できるため、人々に好まれている。ほとんどのモーターは、ローターがステーターの内側で回転します。これはインナーローター設計と呼ばれます。

アウターローター・ブラシレスDCモーターは違います。ローターは永久磁石を持ち、外側にある。ステーターとその巻線コイルは内側にある。このモーター設計は、ローターの幅が広いことを意味する。この変更はアウター・ローターBLDCモーターにとって大きなプラスだ。高トルクが得られるのだ。磁力は中央から遠くへ押し出される。そのため、トルクと呼ばれる回転力が非常に強くなる。このため、このBLDCモーターはドローンや電動バイク、扇風機などに最適だ。

なぜ優れたモデリングがモーター設計の第一歩なのか？

実際のBLDCモーターを作る前に、計画が必要だ。モーター設計では、この計画はコンピュータ・モデルです。モデリングとは、コンピューター上でブラシレスDCモーターのコピーを作ることです。これは非常に大きなステップです。

良いモデリングは、多くの時間とお金を節約するのに役立ちます。実際のテスト用モーターを何台も作る必要はありません。その代わり、コンピューター上で何百もの設計案を試すことができます。このモデリングによって、BLDCモーターがどのように機能するかを、モーターを作る前に確認することができます。モータの強度を確認し、弱点を見つけ、良い部分をさらに良くすることができます。優れたモーター・モデルは、優れたモーター設計の出発点です。良いモデリングがなければ、単なる推測に過ぎません。優れたモデリングがあれば、設計と性能が目標を満たすことを確信できます。だからこそ、新しい電気機械はすべて、このようなスマートなモデリングによって作られているのです。

モデリングすべき主要部品とは？

BLDCモーターのモデリングを開始する際には、その主要部品を設定する必要があります。これらの部品を設計パラメータと呼びます。各パラメータによって、モータの最終的なトルクとその動作が変わります。良いモーター設計のためには、これらのパラメータを正しく設定することが非常に重要です。

ここでは、モデリングに必要な最も重要な設計パラメータをいくつか紹介する：

モーターの設計は、これらの設計変数をうまく組み合わせる必要があります。例えば、磁石の厚みを大きくすればトルクは大きくなりますが、bldcモーターが重くなりすぎるかもしれません。モデリングは、必要なものに最適な設計を見つけるのに役立ちます。

有限要素法（FEM）モデリングはどのように機能するのか？

部品点数の多いBLDCモーターを、コンピューターはどのように理解できるのだろうか？答えは有限要素法（FEM）です。これは強力なモデリングツールです。FEMはモーター設計を何千もの小さなビットに切り分けます。これらのビットは "有限要素 "と呼ばれます。そして、それぞれの小さなビットの中で磁場がどのように作用するかを数学で解明します。

これをすべてのビットについて把握することで、FEMソフトウェアはbldcモーター全体の非常に明確な画像を作成することができます。ステーターとローターのすべての領域における磁束密度を表示することができます。有限要素法は、ブラシレスDCモーターがどのように動作するかを確認する最良の方法です。この深いチェックは、単純な計算ルールよりもはるかに優れています。複雑な形状や材料がどのように作用するかを理解できるからです。FEMの使用は、モーター設計を最適化するための大きな一歩です。

BLDCモータのモデリングにANSYSを使用できますか？

はい、できます。ANSYSは、FEMモデリングのための非常に一般的で強力なソフトウェアツールです。多くのエンジニアが電気機械の設計とテストにANSYSを使用しています。これには、アウターローターのブラシレスDCモーターも含まれます。ANSYSを使用すると、BLDCモータの完全なコンピュータモデルを構築できます。磁石のタイプから巻線の詳細に至るまで、あらゆるパラメータを設定できます。

モーターモデルをANSYSで構築した後、コンピュータ上でテストを実行することができます。これらのテストは、コンピュータ上でのテストのようなものです。このソフトウエアは、bldcモーターがどれくらいのトルクを出すのか、出力パワーはどれくらいなのか、どの程度機能するのかを示してくれます。ANSYSのシミュレーション結果は信頼できるものです。モーター設計をより良いものにするための賢い選択に役立ちます。ANSYSは、電気自動車やその他の用途の本格的なモータにとって、素晴らしいツールです。ANSYSのFEMモデリング能力は一流です。

モデリングで正しい素材を選ぶには？

BLDCモーターに選ぶ材料は大きな問題です。適切な材料は高効率とモーター性能の向上につながります。FEMモデリングには、これらの材料に関する情報が必要です。BLDCモータの材料で最も重要なのは、その磁気挙動、つまり磁石とどのように作用するかです。

ローターには永久磁石を使用します。ネオジム（NdFeB）のような磁石の種類は大きな違いを生む。ステーターには特殊なスチールを使用します。このスチールがどのように作用するかは、B-Hカーブと呼ばれるもので示されます。B-H曲線は、材料が磁場中でどのように作用するかをモデリング・ソフトウェアに伝えます。磁石が飽和点まで磁化されていることが重要です。B-H曲線はこの点を閉回路で示します。この詳細なモデリングは、鉄損を推測するのに役立ちます。また、bldcモーターが思ったように動作することも確認できます。FEMモデリングで正しいB-H曲線を使用することは、真のシミュレーション結果を得るために非常に重要です。

最もトルクのある設計にするには？

アウターローター・ブラシレスDCモーターを使用する最大の理由の1つは、高トルクを得ることです。そのため、一般的な目標は、モーター設計から最大トルクを得ることです。これを実現するのがモデリングです。最大トルクを得るためには、さまざまな設計変数をテストする必要があります。

FEMモデリングソフトウェアを使用して、テストを実行することができます。これらのテストでは、各パラメータを変更するとトルクがどのように変化するかを示します。

• 磁石の厚みを大きくしたらどうでしょう？あなたのモデリングでは、トルクが10%跳ね上がるかもしれません。
• エアギャップを小さくしたら？FEMチェックでは、より強い磁気吸引力とトルクが示されるでしょう。
• 極数を変えたら？シミュレーション結果は、異なる定格回転数での新しいトルクを教えてくれます。

このようなテストをコンピューター上で何百回も行うことができる。このように、さまざまなことを試して変更するプロセスを設計最適化と呼びます。これは、BLDCモーターから最大トルクを得るための設計パラメータの最適な組み合わせを見つけるのに役立ちます。これは、電気自動車のように大きなトルクが必要な場合に非常に必要となります。

高効率のための設計最適化のゴールとは？

最大トルクを得ることは素晴らしい。しかし、それだけが目標ではありません。ブラシレス直流モーターには高い効率も求められます。効率の高いモーターは、電力をうまく利用します。電力を有用な出力電力に変えます。熱として電力を無駄にすることも少ない。これは、ドローンや電気自動車のようにバッテリーを使用するものにとって非常に大きな意味を持つ。

より高い効率を得るためには、BLDCモーターの損失を下げる必要があります。主な損失は銅損（巻線）と鉄損（固定子）の2種類です。FEMモデリングはこの2つを推測することができます。効率のための設計最適化とは、これらのことを行うことを意味するかもしれません：

• 巻線を太いものに変更し、銅損を下げる。
• 鉄損を下げるために、B-Hカーブの良い鋼材を選ぶ。
• 十分なトルクが得られ、効率も高い最適な設計を見つけよう。

最大トルクを得ようとすると、効率が低下することがある。そこで、多目的最適化が役立ちます。このスマートなモデリングツールは、大きなトルクを持ち、かつ非常によく動作するモーター設計を見つけるのに役立ちます。必要なものに最適な値を見つけます。

モデリングによるテスト結果をどのように研究するか？

FEMモデリング・ソフトウェアがテストを実行すると、多くのデータが得られます。これがシミュレーション結果です。モータ設計をより良いものにするためには、これらの結果をどのように読み取るかが非常に重要です。解析結果は多くの場合、グラフやカラーマップで表示されます。

例えば、BLDCモーターのカラーマップで磁束密度を見ることができます。磁場が弱すぎたり強すぎたりする箇所を探すことができます。グラフはモーターが回転しているときのトルクを示すかもしれません。トルクが安定しているか、上下しているかをチェックできます。これらの解析結果を見ることで、問題点を見つけることができます。ステーターの形状が余計な鉄損を引き起こしているのかもしれません。あるいは磁石の厚みが定格回転数とトルクを出すのに十分でないのかもしれません。シミュレーション結果は、bldcモーターを最適化するために次に何をすべきかを示してくれます。のような論文に書いてあることを忘れないでください。 2019年電気機械とシステムに関する国際会議議事録すべての出版物に含まれる意見やデータは、多くの場合、その一人のライターによるものです。つまり、自分でFEMモデリングデータを理解できなければならないのです。

デザインと作業チェックの最後のステップは？

あなたはモデルを作った。コンピューター上でテストを行った。その結果を見て変更を加えました。あなたのモデリングは、高出力の優れたモーター設計ができたことを示しています。次は何でしょうか？最後のステップは、モーターが全体としてどのように動作するかをチェックすることです。これがモーターの性能です。すべての目標を満たす最終的なモーター設計が完成しているはずです。

ここで最適設計の最終チェックを行う。モデリングによって、最大効率と最大トルクが目標に達していることを確認する必要があります。また、bldc電気モーターが他の状況でどのように機能するかをチェックするのも良いアイデアです。暖かくなったらどうなるか？モデリングはこれを推測するのに役立ちます。多くの論文、例えば 2018年電気機械システム国際会議議事録異なるデザインのアイデアを示している。すべての出版物に含まれるデータは、それらの研究者によるものであることを知っておくことが重要です。あなた自身のFEMモデリングと研究こそが、あなたの設計が優れていて準備が整っていることを証明するものです。このモデリングによる最終チェックは、最終的に実際に動作するモーターを製作したときに、BLDCモーターの性能が素晴らしいものであることを保証します。

覚えておくべきこと

• アウターローターBLDCモーターは、ローターが外側にあるため、高いトルクが得られます。
• モデリングは最初の大きなステップです。最初にコンピューター上でBLDCモーターをテストできるので、時間とお金の節約になります。
• 有限要素法(FEM)は強力なモデリングツールであり、BLDCモーターの磁場について非常に正確な結果を得ることができます。
• ANSYSのようなソフトウェアを使えば、モーターモデルを作成し、モーター性能をチェックするためのテストを実行することができます。
• 設計の最適化とは、BLDCモーターをより良いものにするために設計パラメータ（磁石の厚さやエアギャップなど）を変更することです。
• 主な目標は通常、最大トルクを得ることと、ロスを減らして高効率を得ることだ。
• モデリングによるシミュレーション結果を見れば、最適なブラシレスDCモーターを作るために、モーター設計をより良くする方法がわかります。