7 – スピンドルモータの基本特性解析

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概要

スピンドルモータはハードディスクなどの情報機器など限られたスペースでの駆動用モータとしてよく使われます。薄型で大きなトルクを出すことが期待されるため、アウターロータ構造を採用することで永久磁石を多く使い、薄型、小型かつ大トルクを実現しています。構成する部品点数を減らすため、ロータコアは磁石の磁路を担う機能と磁石を支え発生するトルクをシャフトに伝える機能をもっています。このため、ロータコアには加工性の高い材料が用いられるため、磁気回路としての効率が下がってしまう恐れがあります。また小型化を進めるためにロータのディスク部が漏れ磁束による影響を受ける課題があります。
このため、スピンドルモータについて精度良い評価を行うためには、詳細な3次元形状や材料の磁気飽和を考慮することが出来る有限要素法による電磁界シミュレーションが必須となります。
ここでは、スピンドルモータの基本特性である回転数-トルク特性、トルク-電流特性および磁束密度分布を求めます。

N-T特性、T-I特性

N-T特性グラフを図1、T-I特性グラフを図2に示します。
回転速度が上がるとトルクが小さくなり、電流が増えるとトルクが大きくなるというスピンドルモータの特徴を得られていることが確認できます。N-T特性グラフより、回転速度に対してトルクはほぼ反比例していることがわかります。この結果から、巻線のインダクタンスの影響はほとんど無いと考えることができます。

磁束密度分布

回転速度7,200(r/min)時における磁束密度分布を図3に示します。
スピンドルモータは構造上、ロータコアの回転軸方向に磁束密度分布を持つことがわかります。また、磁石の磁束の向きに対してロータコアの厚みが薄いため、ロータコアの磁束密度が高くなります。磁束密度が高くなると磁気飽和が起こり漏れ磁束が生じるため、トルクの低下につながります。

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