一般的に電気機器の寿命と聞くと、「壊れた」「動かなくなった」という状態をイメージするかと思います。しかし実際は、動いていても求める性能が出ていなければ、使える状態とはいえません。この状態を「寿命を迎えた」と表現することが多々あります。
例として、スマートフォンをイメージしてみてください。数年使い続けていたら、バッテリーの持ちが次第に悪くなった、という経験をされた方もいらっしゃるかと思います。頻繁に充電しなくてはならない状態に我慢できず、新しいものへ買い替える、状況も少なくないでしょう。
これはまさに、壊れたとはいえないものの、求める性能が出ていない状態です。スマホが寿命を迎えた、と言い換えることができると思います。
（スマートフォンに詳しい方の中には、「バッテリーを交換すればよいではないか」と反論される方もいるかもしれません。その考え方については、当記事の「保守管理」の項目に該当するものとご理解いただければと思います。）
これはモータにおいても同様で、定義された性能が出なくなった状態を「寿命」と表現します。モータの寿命は、様々な条件によって長くなったり短くなったりします。どのような条件が寿命に影響するのでしょうか。
Contents
モータ寿命の要因
使用条件
モータをどのような条件で使うかによって、寿命は大きく変動します。
- 負荷の大小による内部発熱量の変動
- 運転時間や回転数による摩耗スピードの変動
- 正転・反転の頻度による接点部の劣化度合い
上記のような要因が寿命へ影響しますが、基本的には使用条件が過酷であればあるほど、寿命は短くなります。
環境条件
モータが設置される周辺環境も、寿命に影響を与えます。
- 温度・湿度による部品劣化速度の変化や金属部品のサビの進行
- 塵埃が内部に入り込むことによる回転部品の損傷や摩耗
電子部品が組み込まれたモータの場合、埃と高湿度の環境にさらされると、堆積した埃が湿気を帯び、回路がショートすることで寿命を迎える場合もあります。
保守管理
定期的なメンテナンスは、寿命管理に重要となります。
小型モータの場合は、メンテナンスというよりは寿命を迎えたら新品に交換する、といった対応を取ることが多いです。しかし人間よりも大きなサイズの大型モータになってくると、ちょっと話が変わります。丸ごと交換ということがコスト的にも時間的にも難しいこともあり、下記のようなメンテナンスを行うことがよくあります。
- 軸受の交換・清掃・グリスアップ
- オーバーホールによるモータ内部の部品交換・清掃
大型モータは、こういったメンテナンスを行うことが前提で設計されているものもあります。
製造品質
寿命設計を行うに当たり、部品設計や製造品質管理は、大変重要となります。
事前にお客様から長寿命の要望を頂いた場合は、その要望を満たすために特別な構造を採用したり、通常とは異なる製造工程を追加したりすることもあります。
先に挙げた使用条件、環境条件、保守管理をお客様からヒアリングし、それに合わせた製品設計、製造工程設計、品質管理設計を行います。具体的には下記のような対応があります。
- 強度や対応温度などを考慮した最適な部品選定
- ワンランク上の寸法管理
- 組み付け精度のチェック
- 組み立て工程内での抜き取り検査
- 通常出荷検査に加えて特殊検査を追加
要望を満たすために上記のような専用の対応を行うこともあります。
モータの寿命を計算する方法
寿命に影響する部品
寿命を計算するためには、「劣化するとモータの性能に直結する部品」を考えることが重要です。該当する部品をピックアップし、それぞれの部品の寿命を計算、最も短い寿命時間をそのモータの寿命時間と考えます。
一般的に、「モータの性能に直結し、かつ劣化が早い部品」は、
- カーボンブラシ
- 軸受
- コンデンサ（電子回路搭載モータの場合）
の3つが挙げられます。
これらの寿命を計算し最も短い時間を、そのモータの寿命時間と考えます。
（ブラシレスモータや、電子回路非搭載のモータもあるため、その場合は軸受寿命のみを考慮します）
実際の計算方法
先に挙げた、3つの部品で考えてみましょう。
1. カーボンブラシ寿命
ブラシは、回転軸に機械的に接している部品で、電気信号の伝達の役割を持っています。ブラシが寿命を迎えると、電気信号がうまく伝わらなくなり、回転が止まってしまいます。
回転軸に接していますので、常に摩耗が発生しています。寿命計算は、どのくらいの速度で摩耗が進むのかがポイントとなります。回転速度、運転時のブラシの温度などで摩耗速度は変化しますので、計算のみで容易に算出できる、といったものではありません。必ず、耐久試験などの根拠となる試験データをもとに、メーカ独自のパラメータを設定するなどして導き出された寿命計算式をもとに計算されます。
2. 軸受寿命
軸受には様々な種類があります（焼結軸受、ボールベアリング、流体軸受など）。ここでは最もメジャーな軸受であるボールベアリングを例にして考えてみましょう。
ボールベアリングには、以下の2つの寿命モード（2つの壊れ方）があります。
- 疲れ寿命
- グリス寿命
疲れ寿命とは、内部にあるボールの摩耗による寿命です。
疲れ寿命を迎えると、ボールがうまく回らなくなり、軸に高負荷を与えてしまったり、軸が回らずロックしてしまったり、異音を発生したりします。
グリス寿命とは、内部に封入されたグリス量の低下による寿命です。
グリス寿命を迎えると、疲れ寿命ほどではないですが、軸に高負荷を与えてしまったり、異音を発生したりします。
疲れ寿命は、ボールベアリングメーカに使用条件を提示することで、計算で算出が可能です。ただ、その使用条件はモータの内部構造のパラメータが必要なため、設計者による算出が必要です。
グリス寿命も、モータの内部構造が影響しますが、計算のみでは算出ができません。必ず耐久試験などを実施し、その結果をもとに計算式を導き出し、決定します。
3. コンデンサ寿命
コンデンサが寿命を迎え、機能しなくなった場合どういった症状になるか。これは、その周辺回路によって変わります。
コンデンサ寿命を迎えても、発火や事故につながらないような回路設計をしておく必要があるといえます。コンデンサ寿命の計算は、電子部品メーカが計算式を公表しているため、それをもとに算出が可能です。ただし計算に必要な値の一部は、モータ現物をつかって測定する必要があります。
以上から、寿命計算には様々な試験と、計算が必要なことがわかると思います。
モータの寿命を延ばす方法
ブラシ、軸受、コンデンサ全てに共通することとして、「温度上昇が寿命を短くする」という点があります。これを考慮すると、以下の方法が寿命を延ばすために有効です。
ブラシ付きモータの場合
ブラシの摩耗・温度上昇を抑えることで寿命を延ばすことができます。その手段としては下記が挙げられます。
- 摩耗しにくい部品を選定する
- 高効率駆動を実現したり、過負荷での駆動を避け、内部発熱を抑える
（これによりブラシ部の温度上昇を抑える） - 正転・反転駆動頻度を抑えることで摩耗を抑える
ブラシレスモータの場合
軸受、コンデンサの温度上昇を抑えるために、下記が有効です。
- 高効率駆動を実現、過負荷駆動を避けること（ブラシ付きモータと同様）
- 起動時の急激な速度上昇指令を抑える
急な速度上昇は、瞬間的に大きな電流が必要となります。これは結果的に、内部発熱量の急上昇につながるため、寿命に対しては悪影響となります。 発熱を抑えるにはどうすればよいかを考えていくと、寿命を伸ばすことができます。
モータ寿命に関するよくある質問
寿命判定の「性能劣化」は具体的に何を指標にすると良いですか？
一般的にはトルク低下、回転数のばらつき、温度上昇、振動や騒音の増加などが候補になります。モータ単体の指標を選ぶよりも、装置として困る現象（位置ズレ、搬送不良、動作時間の増加など）に直結する指標から逆算すると、寿命判定がブレにくくなります。
寿命要求は「保証」できますか、それとも「目安」になりますか？
寿命は条件依存とばらつきが大きいため、「目標寿命」「期待寿命」「B10寿命（10%故障）」などとして示すことが一般的です。仕様化の段階では「何％の個体が何時間持てば良いか」「どの条件で成立させるか」を明確にすると、要求が実現可能な形に落ち着きます。
寿命仕様で「連続運転」と「間欠運転」は同じ時間で比較できますか？
間欠運転では停止・起動のたびに電流や負荷が変動し、熱の上がり方や摩耗の進み方が変わるため、連続運転とは劣化の仕方が異なります。寿命要求を決める際は「総運転時間」だけでなく、運転Duty（ON/OFF比）や起動回数を含めた運転プロフィールとして示す方が適切です。
回転数が低い場合、寿命は伸びると考えて良いですか？
低速でも高トルクが必要になる場合は電流が増え、温度上昇によって劣化が進むことがあります。また低速域は制御の影響でトルク変動が大きくなり、結果として機械側の負担が増えるケースもあります。寿命は回転数だけでなく、負荷と温度がセットで決まると考えるのが安全です。
モータ寿命とドライバ寿命は別物として扱うべきですか？
モータが問題なくてもドライバ側が先に寿命に達するケースがあり、逆もあります。寿命要求を仕様化するなら、「モータ寿命」と「ドライバ寿命」を別々に書くのか、「システムとして何時間稼働できること」と書くのかを決めておくと、設計判断が明確になります。
寿命として定義する「温度」はどの温度を設定すれば良いですか？
実務上は「巻線温度」「ケース温度」「ドライバ内部温度」など、実際にさらされる可能性のがある温度で設定する方が有効です。測定可能性や管理しやすさも踏まえ、仕様書では「周囲温度＋温度上昇許容」または「ケース温度上限」のように落とし込むことが多いです。
寿命評価試験は実使用を完全に再現しないと意味がないですか？
重要なのは「寿命に効く要因」を試験条件に含めることです。例えば、実運用で急加速・反転が多いなら、そのサイクルを試験に入れないと寿命を過大評価する可能性があります。再現できない部分は明確にし、安全率や追加評価で補う設計が必要です。
寿命試験の加速（Accelerated test）はどこまで信頼できますか？
温度を上げすぎると材料劣化が支配的になったり、負荷を増やしすぎると通常では起きない損傷が先に出ることがあります。加速試験を使う場合は、実使用と同じ劣化モードであることを確認しながら条件を設定するのがポイントです。
寿命要求に対して「安全率」はどのように設定すべきですか？
製造ばらつきが大きい場合、温度条件が実運用で変動する場合、過負荷が起きうる場合などは安全率を厚く取る必要があります。仕様化では「最悪条件でも満たす」のか「標準条件で満たし保守で補う」のか方針を決めると、安全率の根拠が作りやすくなります。
寿命要求とコストが両立しない場合、仕様をどう分解すると進めやすいですか？
寿命を単一の数値で固定するのではなく、「交換前提」「保守前提」「保証範囲」「消耗部品の交換周期」などに分解すると、設計の自由度が増します。例えばブラシや軸受が交換可能なら、システム寿命と部品寿命を切り分けられ、寿命要求を満たしながらコストも抑えられる設計に落とし込みやすくなります。
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