モータの温度監視と保護について

技術概要 モータの温度監視と保護 モータを加熱から保護する3つの方法 序論 リニアモータに投入されたエネルギーはすべてを運動に変換できるわけではありません。過剰なエネルギ ーは、ほとんどの場合、熱の形でコイル巻線の磁束損失によって放散されます。モータに発生させる力が 大きいほど、供給する必要のあるエネルギーが多くなり、より多くの熱が発生します。適切な熱伝達は、 モータを動作限界内に保ちながら、最大定格力出力で任意の時間動作させるために不可欠です。コイルが 臨界温度に達すると、熱によってコイルが膨張し、最終的には焼損し短絡を引き起こし、ハウジングとマ グネットトラックに恒久的な損傷を与える可能性があります。幸いなことに、少しの知識と考慮があれ ば、これらの状況は簡単に回避できます。 ここでは、モータの温度を監視し、過熱から保護するために使用できる方法について説明します。 1. 内蔵のKTYまたはNTCの使用 これらのセンサーを使用すると現在のコイル温度のおおよ その読み取り値を取得し、特定の値に達したときに適切な ほぼすべてのTecnotionリニアモータに温度センサが装備 対策を講じることができます。コイルからの熱がセンサ自 されています。これらは、モータの熱的挙動を監視する簡 体に到達するまでに常にわずかな遅延があるため、これは 単な方法を提供します。コア付きモータには、正の温度係 「近似」となります。 したがって、コイルは読み出し時に 数センサであるPTCサーミスタKTY83-122温度センサが装備 実際には少し暖かくなったり冷たくなったりしている可能 されています。これは、モータ内部の温度が高くなると、 性があり、損傷がすでに発生している可能性があります。 センサの抵抗が高くなることを意味します。コアレスモー これは温度応答時間として知られています。 タには、負の温度係数センサであるNTCサーミスタが取り 付けられています。温度が高くなると、抵抗が低くなりま これらの温度センサーは、プロトタイプなどで最もよく使 す。それぞれの特性を図1に示します。 用されます。モータを過熱から保護する確実な方法ではあ りませんが、コイルの温度を継続的に監視するための簡単 で安価な方法です。 図1 1

2. 内蔵のPTCの使用 Tecnotionのモータには通常の温度センサーに加えて、PTC も装備されています。 このセンサーは異なる特性を持ち、スイッチのように機能 します。センサーが100℃に達すると、その抵抗は急激に 10kΩに上昇します。この特性を図2に示します。KTYやNTC とは異なり、PTCを使用してコイルの実際の温度を決定す ることはできませんが、安全対策として使用できます。 センサーがコイルと同じ温度に達するまでに短い時間が かかるため、コイルが過熱すると、PTCにもわずかな遅延 が発生することに注意してください。PTCスイッチ後、モ ータは既に損傷している可能性があります。この方法 は、量産機でよく使用され、過熱によるモータの損傷を 防ぐための簡単で安価な方法です。 ただし、モータの機能の限界に達するアプリケーション では、より正確なアプローチが必要になる場合がありま す。 図2 3. アプリケーションコントローラの使用 各モータには、熱設計の制限を超えることなく継続的に引き出すことができる最大量の電力があります。これは、スペッ クシートに記載されているモータの連続電流定格を使用して計算されます。理想的な状況では、最大連続電流を下回って いる限り、モータが過熱することはありません。実際には、これはモータが使用されるアプリケーションに依存します。 これは、すべてのアプリケーションで可能または現実的であるとは限りません。そのため、Tecnotionリニアモータは、最 大連続電流を超える一定量のエネルギーに短時間耐えられるように設計されています。これは、ピーク電流定格を使用し て計算され、モータを完全停止から加速したり、モータの方向を変更したりするなど、過渡状態で最も頻繁に必要になり ます。 特定のリニアモータのピーク電流定格は、その過負荷能力を示すだけであることに注意が必要です。モータが処理できる 実際の過剰エネルギー量は、提供される冷却量、ピーク電流引き込み時間、アプリケーションの構成など、多くの要因に よって決まります。これらの電流定格、少しの計算、およびアプリケーションのコントローラを使用することにより、モ ータを過熱から保護するためのはるかに正確な方法を使用できます。 これを行うには、以下の点を知る必要があります。 ■過渡状態の間に連続制限を超えて消費されるエネルギーの量 ■モータの過負荷能力 ■モータ使用時の周囲温度とコイル温度の上昇 2

4．過度エネルギー 巻線抵抗RLのある特定のモータの場合、過渡状態の間に連続限界を超えて消費されるエネルギーは次の式で与えられま す。 ここで、Etransは過渡状態に必要な追加エネルギー、Itransは過渡RMS電流、Icontはモータの最大連続電流定格です。 RL は一定であるため、それを無視して上記の方程式を次のように単純化できます。 Etransの単位は（電流2乗）秒またはI2tです。繰り返しになりますが、これは、過渡状態の期間中にモータの連続制限を超 える熱に変換されるエネルギーの量です。 5．過負荷容量 モータの過負荷能力は同じ式を使用して、過渡電流をモータのピーク電流定格に置き換えることで計算できます。 6．周辺温度と温度上昇 これらの値はアプリケーション自体に依存し、固定された値ではありません。 これらはユーザー自身で決定する必要があ ります。 7．過熱からの保護 最新のコントローラのほとんどで、I2tパラメータを設定できます。コントローラはこれを使用して、過渡エネルギーがピ ークエネルギーを超える前に出力電流を制限し、過熱が発生しないようにします。コントローラは、過負荷エネルギーの 最大量を超えた場合にのみ出力を制限するため、過負荷電流がピーク電流よりも低い場合はより長い過負荷状態が可能に なり、ピーク電流よりも高い場合はより短い過渡状態に制限されます。 前述のように、センサーが温度の上昇を記録する前に損傷が発生する可能性があるため、内蔵センサーだけを使用しても 過熱に対する適切な保護は保証されません。コントローラでI2tパラメータを使用すると、モータの熱設計限界を超えるこ とがなく、はるかに信頼性の高い種類の保護が提供されます。 これをアプリケーション事例で実践してみましょう。 3

8．アプリケーション事例 この例では、アンプを使用してUL12Nモータを駆動します。モータのスペックシートには、次の特徴があります。 最大連続電流：4.2 Arms @ 110°Cコイル温度 ピーク電流：14.1 Arms@ 20°C /秒 周囲温度を20°C、温度上昇を毎秒20°Cと想定します。これにより、ピーク電流の最大使用時間が4.5秒になります(それま でに、コイルはこのモータの最大値である110°Cに達します)。 最大過負荷エネルギーは、与えられたデータから計算できます： アンプのI2tパラメータを815.3に設定すると、1つまたは複数のフェーズが14.1アンペアを4.5秒間受信したときの電流が制 限されます。 過負荷電流が14.1Aより大きい場合、電流制限はより早く有効になり、過負荷電流が14.1Aよりも小さい場合 は後で有効になります。 20Aで過負荷になると、制限は次の式で与えられる時間t1の後に有効になります。 最大過負荷エネルギーに達するとコントローラは、過剰なエネルギーの量が相殺されるまで出力電流を連続電流設定より も低いレベルに下げます。 その後、通常の出力を再開します。この動作を図3に示します。 コントローラでI2t値を設定する方法については、付属の取扱説明書を参照するか、コントローラメーカーへお問い合わせ をください。 図3

9．まとめ リニアモータを過熱から保護する3つの異なる方法について説明しました。この情報を元にアプリケーションを保護し、リ ニアモータを長く、不安のない動作が保証できることが期待できます。 シミュレーションツールを使用して、アプリケーション内のモータの熱的挙動を計算することも可能です。 これは、実際 にモータをテストする前に、さまざまな条件で実験するリスクのない方法です。シミュレーションツールはTecnotionウェ ブサイトで利用することができます：https://www.tecnotion.com/ 国内総代理店 日本シュネーベルガー株式会社 〒105-0001 東京都港区虎ノ門3-20-5 クレイン虎ノ門ビル7階 TEL: 03-6435-7474 FAX: 03-6435-7475 Mail: Sales-Japan@schneeberger.com URL: https://www.schneeberger.com/ja/