永久磁石モーターのサイズ選定 ― トルク、回転速度、出力、負荷率の定義方法

永久磁石モーターのサイズ選定 ― トルク、回転速度、出力、負荷率の定義方法

適切な永久磁石モーターを選ぶには、まずご使用の機器が実際にどのような性能を必要としているかを理解することが重要です。定格出力が合っていても、始動に失敗したり、連続運転中に過熱したり、特定の回転速度で必要なトルクを発揮できなかったりする場合があります。

永久磁石モーターを正しく選定するには、連続トルクとピークトルク、使用回転速度範囲、機械的出力、負荷率の4つの主要な要求事項を明確にする必要があります。 その後、これらの要求事項を、モーターの実際の性能および動作限界と照らし合わせて検討します。

機器メーカー、エンジニア、技術担当の購買担当者にとって、このアプローチは誤ったモーター選定を防ぎ、サプライヤーとの打ち合わせをより実りあるものにします。

本ガイドでは、収集すべき情報、主要な仕様の見積もり方法、および永久磁石同期モータ（PMSM）を選定する前に確認すべき事項について説明します。

1．永久磁石モータのサイズ選定に先立って必要な情報とは？

モータを選定する前に、そのモータが駆動する負荷の種類、機器の所要回転速度、および運転条件が時間とともにどのように変化するかを特定してください。これらの詳細が、モータに求められる実際の性能要件を決定します。

1.1 負荷の種類と運転条件の特定

すべての機器がモータに同じ要求を課すわけではありません。

コンベアは、通常の運転中には比較的一定のトルクを必要としますが、満載状態での始動時には追加のトルクが必要になる場合があります。遠心ファンやポンプは、回転速度の上昇に伴い、より大きなトルクを必要とします。また、頻繁に加速・停止を繰り返したり、負荷が変動する機器には、こうした変動に対応できるモータが必要です。

まず検討すべき点は、負荷が運転中に安定しているか、あるいは大きく変動するかという点です。

機器の負荷がほぼ一定の場合、連続トルクと定格回転速度が主な検討起点となります。一方、負荷変動が頻繁に発生する場合は、最大負荷の大きさ、その持続時間、および発生頻度も特定する必要があります。

この区別により、モーターの連続定格で十分か、あるいはピークトルク性能を追加で確保する必要があるかを判断できます。

1.2 モーター軸における負荷の定義

機器に必要なトルクは、必ずしもモーターから直接供給されるトルクと一致しません。

たとえば、ギアボックスは出力側の回転速度を低下させる一方で、出力トルクを増大させます。したがって、モーターは駆動対象機器よりも小さいトルクを発生すればよい場合がありますが、より高い回転速度で運転する必要があります。

ギアボックス出力で100 N・mが必要なアプリケーションを例に挙げます。ギア比が5：1で効率が90％の場合、モーターは定常運転時に約22.2 N・mのトルクを発生する必要があります。

ただし、この推定値には加速に必要な追加トルクは含まれていません。

仕様書を作成する際は、トルクおよび回転速度の数値がモーターシャフト側のものか、駆動機器側のものかを確認してください。また、ギア比および伝達効率も記録します。

直結駆動システムでは、ギアボックスによる増速・減速を用いずに、モーターが要求される負荷トルクを直接供給する必要があります。

必要な運転プロファイルを記録する

モーターの運転プロファイルとは、通常の作業サイクル中に生じる状態のことを指します。

必須情報	記録すべき項目
負荷タイプ	一定負荷、変動負荷、または繰り返し負荷
通常トルク	通常運転時に必要なトルク
ピークトルク	最大負荷とその持続時間
速度範囲	最小・通常・最大回転速度（rpm）
開始条件	始動時の負荷および加速時間
作業サイクル	運転時間、休止時間、および1時間あたりの始動回数
変速機	直接駆動またはギアボックス方式
設置環境	温度、冷却、設置条件

既設機器の場合は、モーターの銘板、運転記録、実測負荷データなどが有用な情報源となります。

新設機器の場合は、機械設計仕様をもとに算出し、推定値がある場合は明確に特定します。

これらの条件をより正確に定義できれば、過大な余裕を持たせることなく、適切なモーターを選定しやすくなります。

2．必要なモータートルクの求め方

トルクとは、モーターが機器を駆動・移動させるために発生させる回転力であり、特に負荷をかけた状態での始動時、低速運転時、あるいは急激な負荷増加時に重要です。

モーターの選定にあたっては、通常運転時に必要なトルクと、一時的に必要となる追加トルクとを明確に区別する必要があります。

2.1 連続負荷トルクの算出

連続トルクとは、指定された運転条件下で、モーターが許容温度限界を超えることなく持続的に発生させることのできる回転力です。

実用的な選定を行うには、まず機器が通常運転時に必要とするトルク量を特定することから始めます。

既存のモーターが通常負荷下で約25 Nmのトルクを発生している場合、これは交換用モーター選定のよい出発点となります。ただし、その既存モーターが適切なサイズであるか、またその運転条件が新しい設置環境と一致するかは、改めて確認する必要があります。

新規機器の場合は、連続トルクを機械的負荷計算から概算するか、あるいは既知のシャフト出力と回転速度から算出できます。

重要な判断ポイントは、候補となるモーターが、所定の回転速度で要求されるトルクを連続的に発生できるかどうかです。

モーターのカタログに記載された最大トルク値が、必ずしも連続運転可能なトルクを意味するとは限りません。

2.2 起動時および加速時のトルクを考慮する

起動および加速時には、通常運転時よりも大きなトルクが必要になることがあります。

モーターは、既存の機械的負荷を克服するとともに、回転部品の加速も行う必要があります。回転質量が大きく、あるいは加速時間が短い機器では、大幅な追加トルクが必要になる場合があります。

たとえば、定格運転速度に達するまでに20秒かかる機械と、同じ機械が3秒で加速する場合とでは、モーターに対する始動負荷が異なります。

この差は、モーターと駆動機器の合成慣性モーメントによって決まります。慣性モーメントとは、回転部品が速度変化に対してどれだけ抵抗するかを表す物理量です。

モーターを選定する際には、想定される始動負荷、所望の加速時間、および大型の回転部品に関する情報を提示してください。

これらの情報が不確かな場合は、通常の定格運転トルクで十分であると勝手に判断せず、加速トルクの評価を依頼してください。

2.3 連続トルクとピークトルクを区別する

連続トルクとピークトルクは、それぞれ異なる用途で使用されます。

要件	連続トルク	ピークトルク
用途	持続的な運転	始動時または一時的な過負荷時
期間	定格条件での連続運転	限定期間
主な懸念事項	長期的な温度上昇	最大トルクおよび許容オーバーロード時間
選択チェック	定常負荷を満たす	所定の回転速度における一時的負荷を満たす

あるアプリケーションでは通常30 Nmの負荷が必要だが、数秒間だけ50 Nmが必要になる場合を想定します。

モーターは、通常の負荷を連続して受け止められるとともに、一時的な50 Nmの負荷に対しても、許容運転限界を超えないようにする必要があります。

ピーク出力が50 Nmと仕様されたモーターが自動的に適しているわけではありません。その出力をどの程度の時間維持できるか、およびドライブが必要な電流を供給できるかも確認する必要があります。

実用上の原則として、連続トルクは定常的な負荷要求に、ピークトルクは最も高い一時的負荷要求にそれぞれ適合させる必要があります。 いずれも、所定の運転回転速度において検証する必要があります。

3．モーターの回転速度と動作範囲の指定方法

モーターの回転速度は通常、1分間あたりの回転数（RPM）で表されます。これは、シャフトが1分間に何回完全に回転するかを示します。

正確な選定を行うためには、通常の運転速度だけでなく、必要な全速度範囲を明示することが重要です。

3.1 連続定格回転速度、最低回転速度、最高回転速度の定義

モーター選定時に特に役立つ回転速度の値が3つあります。

連続定格回転速度とは、メーカーが規定した定格運転条件に対応する回転速度です。通常運転速度とは、装置が最も頻繁に使用する回転速度です。

最低回転速度および最高回転速度は、装置が達成しなければならない全動作範囲を表します。

たとえば、ある機械は通常1500rpmで運転されますが、場合によっては500～2500rpmの範囲で運転する必要があります。

主に1500rpm向けに設計されたモーターは、必ずしもこの全範囲の要求を満たすわけではありません。

選定にあたっては、モーターが所定の回転速度範囲内で動作可能であると同時に、各重要な運転点において十分なトルクを発生できることを確認する必要があります。

3.2 回転速度範囲全体におけるトルクの確保状況の確認

モーターの利用可能なトルクは、その回転速度の上昇に伴って変化することがあります。

一部の永久磁石モーターとドライブの組み合わせでは、定義された回転速度範囲内でほぼ一定のトルクを維持できます。しかし、より高い回転速度では、電圧制限や制御上の制約により、利用可能なトルクが低下することがあります。

このため、モーターが要求される最大回転数（RPM）に達することは可能でも、その回転数において必要な負荷トルクを出力できない場合があります。

これを確認する最も簡単な方法は、メーカーが提供するトルク－回転速度特性曲線（トルク・スピード・カーブ）を確認することです。

このグラフは、異なる回転速度においてモーターが連続的におよび一時的に発揮できるトルクの大きさを示しています。

ご使用機器の通常運転点および最大負荷運転点を、このグラフと照合してください。もし要求される運転点のいずれかが許容範囲外にある場合は、モーターまたはドライブの構成を見直す必要があります。

3.3 低速運転と冷却について検討する

機器が長時間にわたり高トルクを必要とする場合、低速運転には特に注意が必要です。

一部のモーターは、シャフトに取り付けられたファンによる冷却に依存しています。モーターの回転速度が低下すると、ファンによる空気流量も減少し、放熱効率が低下します。

このため、定格回転数付近で一定のトルクを連続して出力できるモーターでも、極めて低速での同程度の出力維持はできない場合があります。

独立ファン冷却方式や液体冷却方式を採用したモーターは、異なる運転性能を有する可能性があります。

装置が重負荷下で頻繁に低速運転を行う場合、サプライヤーに対し、その特定の条件における連続トルク値を明確に確認してください。

冷却方式の選定は、単にモーターの出力だけに基づいて行ってはなりません。運転回転数、負荷継続時間、周囲環境条件、およびモーターの設計も併せて考慮する必要があります。

4．トルクと回転数からモーター出力を算出する方法

モーター出力は、モーターが単位時間あたりに発生させる機械的仕事量を表します。これはトルクと回転速度の両方に依存します。

出力を算出することで、おおよそのモーター定格を把握できますが、これだけではトルクや負荷率（デューティーサイクル）の検討を代替することはできません。

4.1 単純なトルク・回転速度・出力の計算を用いる

トルクと回転速度が既知の場合、機械的シャフト出力は、基本的な関係式を用いて概算できます。

出力（kW）＝トルク（Nm）×回転速度（rpm）÷9550

たとえば、あるモーターが1500 rpmで20 Nmのトルクを発生させる必要がある場合、計算は次のようになります。

20 × 1500 ÷ 9550 ≈ 3.14 kW

この値は、その運転点において必要な機械的出力を示しています。

ただし、3.14 kWの定格を持つモーターが必ずしも適切な選択肢とは限りません。始動時の負荷、連続運転能力、およびメーカーが定める性能限界も考慮する必要があります。

この計算結果は、候補となるモーターの適切な範囲を特定するための指標として用い、最終的な選定を決定するものではありません。

4.2 軸出力と電気入力電力の区別

モーターカタログでは、一般的に定格機械出力（軸出力）が示されていますが、電気システムはモーターの損失分を含めた十分な入力電力を供給できる必要があります。

たとえば、モーターの軸出力が3.14 kWで、想定効率が94％の場合、その電気入力は約3.34 kWとなります。

この例における効率値は説明用のものであり、特定のモーターの公称値ではありません。

実際の効率は、モーターの設計、回転速度、負荷および運転条件によって異なります。また、インバータ（ドライブ）も追加的な電気的損失を生じさせます。

電源容量の検討にあたっては、軸出力＝電気入力という単純な仮定ではなく、モーターおよびドライブのメーカー仕様書に基づいて評価してください。

4.3 同じ定格出力でも、適用性が必ずしも等しくない理由

定格出力が同一の2つのモーターであっても、定格回転速度が異なるため、発生するトルクは異なります。

例えば、仮に定格出力5 kW、定格回転数1500 rpmのモーターは、その定格動作点で約31.8 N・mのトルクを発生します。

一方、定格出力が同じ5 kWでも、定格回転数3000 rpmのモーターは、定格動作点で約15.9 N・mのトルクを発生します。

両者とも定格出力は同一ですが、定格トルクの値には大きな差があります。

低速域でより大きなトルクを必要とする機器には、他の仕様が用途に適合するという前提で、前者のモーターの方が適している可能性があります。

このことから、モーター選定では トルク、回転数、および連続運転時間の3つを総合的に検討する必要がある ことがわかります。単にkW（キロワット）の数値だけに頼ってはいけません。

5．デューティーサイクルは永久磁石モーターのサイズ選定にどのように影響しますか？

デューティーサイクルとは、モーターが時間とともにどのように運転されるかを表すもので、運転時間の長さ、負荷の大きさ、および停止・休止のタイミングなどを含みます。

これは、モーターが運転中に熱を発生させるため重要です。たとえ要求されるトルクを発生できるモーターであっても、作業サイクル全体を通じて許容温度範囲内に収まらなければなりません。

5.1 S1、S2、S3およびその他の関連する運転方式を理解する

産業用モーターには、回転電気機械の定格および性能要求を規定するIEC 60034-1に基づく運転方式分類が適用される場合があります。

初期選定において最も関連性の高い運転方式を以下にまとめます。

負荷タイプ	意味	代表的な選定状況
ポイント	一定負荷での連続運転	長期間にわたり稼働する機器
S2	短時間運転の後に十分な休止期間をとる運転	冷却前に限定された時間だけ運転する機器
S3 について	起動時の損失による熱的影響が無視できる程度の、運転と休止を繰り返す運転	作業サイクルを繰り返す断続運転機器

例えば、生産シフト全体にわたり連続運転するモーターは、通常、連続運転仕様で評価されます。

数分間運転した後に休止するモーターは、実際の熱条件に応じて、異なる定格となる場合があります。

頻繁な始動がモーターの発熱に大きく寄与する場合は、S4またはその他の適切な運転様式分類が必要になることがあります。

これらの違いについては、以下の資料でも説明されています。 SEW-EURODRIVE 運転様式ガイドライン .

適切な運転様式分類は、機械が連続運転か断続運転かという単純な判断ではなく、実際の運転パターンに基づいて決定されます。

5.2 繰り返し負荷変動の評価

一部の機器は連続運転を行いますが、トルクが繰り返し変化する場合があります。

例えば、ある機器は1分の大部分を中程度の負荷で運転し、その後数秒間にわたって大幅に高い負荷を受けることがあります。

この高負荷は短時間ではありますが、追加の発熱を引き起こすため、これを考慮する必要があります。

技術者は、このような繰り返し負荷を評価する際に、等価連続トルク（一般にRMSトルクと呼ばれる）の推定値を用いることがあります。

簡単に言えば、この推定値は、適切な仮定のもとで、同程度の電流による発熱効果を生じさせるおおよその定常トルクを示しています。

初期のモーター問い合わせに際して、複雑な計算を行う必要はありません。代わりに、各運転ステージにおけるトルクと、そのトルクが継続した時間を記録してください。

例えば、「20 N・mを58秒間、その後35 N・mを2秒間」というサイクルを連続して繰り返す場合です。

サプライヤーはその後、実際のモーターの熱的特性を用いて、この負荷プロファイルを評価します。

5.3 過負荷持続時間および熱限界の確認

平均的な運転負荷が許容範囲内であっても、短時間の高トルク負荷によってモーターまたはドライブの限界を超える可能性があります。

2秒間で50 N・mを出力可能なモーターでも、30秒間同じトルクを維持できない場合があります。

同様に、過負荷を繰り返すと、モーターが十分な冷却時間または放熱能力を持たない限り、熱が蓄積していきます。

候補となるモーターを検討する際は、最大過負荷トルク、許容過負荷持続時間、繰り返し頻度、および冷却条件を確認してください。

連続運転または厳しい周期運転の場合、最終的な選定にはメーカーによる熱評価が必要になることがあります。

6．要求される運転プロファイルに対するモーターの検証方法

初期のトルク・回転数・出力・負荷率の要件が明らかになったら、次に特定のモーターがそれらを満たすかどうかを検証します。

このステップにより、一般的なサイズ選定計算が実際の製品選定へと具体化されます。

6.1 負荷プロファイルとモーターのトルク－回転数特性曲線の比較

まず、候補となるモーターのトルク－回転数特性データを入手します。

モーターが装置の通常運転回転数において十分な連続トルクを発生できるかを確認します。

次に、最低および最高の要求回転数におけるモーターの利用可能なトルクを検証します。

最後に、ピーク負荷が発生する各回転数において、モーターが一時的なピーク負荷に対応できるかを確認します。

例えば、モーターは1500rpmで十分な連続トルクを発生できても、2500rpmではトルクが不足する場合があります。

このような場合、定格出力のみに基づいてモーターを選定すると、重要な運転制限を見落とすことになります。

ABB DriveSizeなどのツールを活用すれば、負荷の種類や作業サイクルに応じたモーターおよびドライブの選定方法を確認できます。

6.2 電源、始動方式およびドライブとの適合性の確認

永久磁石同期モーター（PMSM）は、適切な電源および制御構成のもとで運用する必要があります。

産業用の可変速PMSMの多くは、電子式ドライブを用いてモーターの回転速度およびトルクを制御します。ただし、特殊に設計されたラインスタータイプのPMSMであれば、異なる始動方式でも運用可能です。

したがって、対象となるモーターの型式に応じて、必要な始動方式を事前に確認する必要があります。

可変速PMSMを選定する際には、電源電圧、適合するドライブの種類、連続電流、ピーク電流、および必要な速度制御機能を確認してください。

モーターは機械的なトルク性能が十分であっても、選定したドライブが所要の電圧または電流を供給できない場合、正常に動作しないことがあります。

最終承認の前に、モーターとドライブを一体として評価する必要があります。

6.3 冷却・取付・環境条件の確認

機械的および環境的な条件は、モーターの適用性に影響を与えることがあります。

周囲温度の高さ、換気不足、設置空間の制限などは、連続出力性能に影響を及ぼす可能性があります。

取付寸法、軸径、機械的接続方式、保護構造（エンクロージャ）なども、対象機器と適合している必要があります。

追加的な熱管理が必要な用途では、メーカーが以下の異なる冷却方式を提供することがあります。 水冷式永久磁石モーター .

ただし、冷却方式のみで適用可否が決まるわけではありません。最終的な判断は、当該モーターの定格性能および実際の設置条件に基づいて行う必要があります。

7．可変負荷コンベアの計算例

簡略化された例を用いて、主な選定要件がどのように関連し合うかを説明します。

このアプローチは、他の機器にも応用可能であり、その際には、本例の数値を実際の運転データに置き換えます。

7.1 用途要件の定義

永久磁石モータで駆動される仮想のコンベアを想定します。

このコンベアは1450 rpmで運転され、通常はモータシャフトに20 N・mのトルクを必要とします。

60秒ごとに、トルクが2秒間だけ35 N・mまで上昇し、その後58秒間は再び20 N・mに戻ります。

本例では、すでにモータシャフトにおける負荷値として与えられています。始動時の加速、減速、および伝達系による追加影響は考慮していません。

7.2 功率の概算と作業サイクルの評価

基本的な電力計算式を用いると、通常の機械的出力要件は約3.04 kWとなります。

一時的な35 Nmの負荷中、同一回転数において機械的出力は約5.31 kWまで上昇します。

これは、必ずしもこのアプリケーションが連続定格5.31 kWのモーターを必要とするという意味ではありません。

代わりに、モーターは、繰り返し動作サイクルに対して十分な連続出力性能と、2秒間のピーク負荷に対して十分な一時的トルクを提供できる必要があります。

正確な連続定格は、候補モーターの電流関連発熱、冷却構成、その他の損失に依存します。

7.3 残りの選定確認事項の特定

本例でモーターを承認する前に、そのモーターが1450 rpmで繰り返し負荷プロファイルをサポートできることを確認してください。

また、メーカーは、所定の繰り返し頻度において35 Nmのトルクが2秒間得られることを検証する必要があります。

コンベアが負荷をかけた状態で始動する場合、あるいは急加速する場合、これらの条件をサイズ選定要件に追加しなければなりません。

重要なポイントは、通常出力、ピーク出力、および運転時間という各パラメーターが、同一の選定課題の異なる側面を表しているということです。

適切なモーターを選ぶには、この3つの条件をすべて満たす必要があります。

8．永久磁石モーターの選定でよくある誤り

単一の仕様に注目するのではなく、機器の運用に必要な全条件を確認すれば、ほとんどの選定ミスは防げます。

特に注意すべき誤りが3つあります。

8.1 定格出力（kW）だけでモーターを選定すること

定格出力だけでは、モーターが各回転速度でどれだけのトルクを発生できるかはわかりません。

定格出力が十分であっても、低速での長時間運転や高負荷始動には不適切な場合があります。

モーターの価格や外形寸法を比較する前に、機器の全運転回転速度域において必要なトルクが確保できることを確認してください。

8.2 瞬時最大負荷を無視する、あるいは瞬時最大トルクを連続定格値として扱うこと

一時的なトルク性能を、無制限の連続出力と見なしてはいけません。

設備が負荷をかけた状態で頻繁に起動したり、急加速したり、周期的に過負荷になる場合、これらの条件は仕様書に明記する必要があります。

そうでないと、モーターが過熱したり、保護機能により停止したり、加速性能が不十分になったりする可能性があります。

連続トルクおよびピークトルクの定格値を、それぞれ適用される条件とともに確認してください。

実際の運転条件を検証せずに、恣意的な安全率を適用すること

計算で求められた必要容量よりも大幅に大きなモーターを選定すれば、一見安全なように思えるかもしれませんが、過大設計が常に最適な解決策とは限りません。

過大なモーターは、駆動装置との互換性、冷却性能、あるいは運転速度に関連する課題を解決しないまま、コストや寸法、回転慣性を増加させてしまいます。

出力定格値に恣意的な割合を上乗せする代わりに、まず不確実な運転条件を特定してください。

必要に応じて、負荷変動、測定精度、メーカー推奨事項、および想定される使用条件に基づき、適切な余裕率を設定してください。

9．永久磁石モーターのサイズ選定チェックリスト（見積もり依頼前）

最終ステップは、計算結果と運転要件を、モーター供給業者が確認できる明確な仕様書にまとめることです。

十分に整備された仕様書を作成することで、不要な確認作業が減り、提案されるモーターが同一の運転条件で評価されることを保証できます。

9.1 モーターのサイズ選定仕様書を完成させる

技術的なお問い合わせを送信する前に、以下の情報が揃っているかご確認ください。

装置の種類および機械的負荷の特性

通常連続トルク（Nm）

最大必要トルクおよびその継続時間

最低・通常・最大運転回転数（rpm）

推定機械シャフト出力（kW）

始動条件および加速時間

運転時間、休止時間、および1時間あたりの始動回数

ギア比および（該当する場合）トランスミッションの配置

利用可能な電源および想定される駆動方式

冷却要件および周囲動作温度

モーター取付寸法およびシャフト仕様

すべての数値がまだ確定していない場合は、どの項目が確定済みで、どの項目が暫定的な見積もりであるかを明記してください。

これにより、選定に影響を与える未確定情報にサプライヤーが集中できます。

9.2 モーターサプライヤーと最終仕様を確認する

仕様書を作成した後、サプライヤーに対し、お客様の要求仕様と実際のモーター性能データとの照合を依頼してください。

レビューでは、連続トルク、ピークトルク、回転速度範囲、デューティサイクル対応能力、ドライブ互換性、および冷却要件を確認します。

過酷な運転条件では、必要に応じて追加の計算または試験を依頼してください。

新規機器設計または既設設備向けのモーター評価を行う場合、 運転要件をHiestへご提出いただけます。 プロジェクト固有の技術レビューのために。

最も信頼性の高い永久磁石モーターのサイズ選定は、単に入手可能な定格出力に近いものではなく、実際の負荷要件に基づいて行うべきです。 トルク、回転速度、出力、デューティサイクルを総合的に定義することで、エンジニアは適切なモーター候補を特定し、一般的なサイズ選定ミスを回避し、より明確な技術仕様に基づいて次のステップへ進むことができます。