フレームレス・トルクモーター: コギングトルクの除去から2026年の3大技術的ブレークスルーまで

この記事は、フレームレスモーターにおけるコギングトルクの原理から始まり、スロットレスコア技術がどのようにトルクリップルと振動を排除するかを解説し、2025年にフレームレストルクモーターが達成した3つの主要なブレークスルー、すなわち32極対を超える高極対設計による低速トルクの向上、中空フレームレス構造の採用によるコンパクトで軽量な設計、そして高グレードNdFeB永久磁石の活用によるトルク密度の向上を紹介します。

また、この記事では、フレームレストルクモーターの利点として、コンパクトなサイズと高いトルク密度をまとめる一方で、磁気回路の最適化や熱管理などの課題についても論じています。最後に、「トルク優先」の原則に基づく実践的な選定ガイドラインと、取り付けおよび放熱に関する主要なエンジニアリング上の考慮事項を示します。

基本を理解する: コギングトルクの原因は何か?

モーターの動作を十分に理解するには、まずモーターコアの3つの基本構成要素を理解することが不可欠です。

固定子の最外周にある連続した円環はヨークと呼ばれます。ヨークから内側に向かって伸びる歯状の突起はティースと呼ばれます。隣接するティースの間の空間はスロットと呼ばれ、各スロットの前面開口部はスロット開口部と呼ばれます。

モーターを動作させるために、導電性の銅巻線がティースに巻き付けられます。ティースは優れた磁気透過性を持つため、磁場を強化するのに役立ちます。

ローターを固定子内に配置して回転させると、明確な周期的抵抗または「引っかかる」感覚が感じられます。モーター工学では、この現象はコギングトルクとして知られています。

例えば、6スロット4極の固定子に4極ローターを組み合わせる場合を考えてみましょう。磁極数とスロット数は完全には一致しないため、回転中にローター磁石と固定子ティース間の磁気吸引力は周期的に変動します。ローターがスロット位置を通過するたびにトルクの乱れが発生し、振動と不均一な動きが生じます。

コギングトルクを効果的に排除する最も有効な方法の1つは、スロットレスコア構造の採用です。

その名の通り、スロットレスモーターにはスロットもティースもありません。代わりに、銅巻線は鉄心の滑らかな内面に直接取り付けられます。ティースがないため、回転中にローター磁石と固定子の間の磁気吸引力は一定に保たれます。

その結果、スロットレスモーターはコギングトルクを完全に排除し、以下を実現します:

• 超スムーズな動作

• 引っかかりや振動がない

• 極めて低いトルクリップル

• 高い位置決め精度

これは、スロットレスモーター技術の最も重要な性能上の利点の1つです。

2025年にフレームレストルクモーターはどのような技術的ブレークスルーを達成したのか?

フレームレストルクモーターは、多極永久磁石同期式ダイレクトドライブモーターです。従来のモーターとは異なり、ハウジング、ベアリング、出力軸などの必須ではない構造を排除しています。

その開発は、次の3つの主要目標に重点を置いています:

• 低速での一定トルク

• 高トルク密度

• 低トルクリップル

2025年には、電磁設計、構造革新、材料開発の各分野で大きな技術進歩が実現し、フレームレストルクモーターはヒューマノイドロボットの関節に求められるコンパクト性、柔軟性、高精度の要件に理想的に適合するようになりました。

1. 電磁設計: 低速振動の解決

極対数の増加が、性能向上を推進する重要な要因となっています。

5年前に一般的だった主流の12極対構成と比べて、ハイエンドのフレームレストルクモーターは現在、32、64、あるいはそれ以上の極対を備えています。

極数が多いほど、モーターはゼロ速度や0.1°/sという超低速域でも安定した定格トルクを発揮でき、従来モーターに伴う這行き、固着、振動の問題を効果的に排除します。

同時に、業界では48極324スロットなどの最適化された分数スロット集中巻線構成が広く採用され、コギングトルクを定格トルクの1%未満に低減しています。

これにより、以下のような要求の厳しい用途で、非常に滑らかなモーション制御が可能になります:

• 手術用ロボット

• ヒューマノイドロボットの関節

• 半導体装置

• 精密自動化システム

2. 構造革新: ヒューマノイドロボット向けのコンパクト設計

フレームレストルクモーターは、ヒューマノイドロボットに最適なモーターアーキテクチャとなっています。

一体型フレーム付きDD（ダイレクトドライブ）モーターとは異なり、フレームレスモーターは以下を特徴とします:

• 外部ハウジングがない

• ベアリングがない

• 出力軸がない

このミニマルなアーキテクチャは、統合面で大きな利点をもたらします。

固定子はロボットのハウジングに直接組み込むことができ、ローターは負荷軸に直接取り付けることができます。

主な利点は以下の通りです:

軸方向長さを従来の駆動モーターの約3分の1に削減

全体重量を30%以上削減

関節寸法を大幅に縮小

ケーブル、センサー、流体ラインのための内部配線スペースを確保

中空構造は、ヒューマノイドロボットの関節におけるコンパクトな設置要件に特に適しています。

3. 材料の進歩: 広い温度範囲で安定した高トルク性能

ハイエンドのフレームレストルクモーターでは、一般にN52Hグレード以上のNdFeB永久磁石が使用され、最大1.45テスラの残留磁束密度を提供します。

高導電性銅合金巻線と組み合わせることで、これらの材料は以下を大幅に向上させます:

電磁変換効率

トルク密度

連続出力能力

この完全な材料システムは、-40°Cから125°Cまでの広い温度範囲での動作を支え、以下のような厳しい条件下でも安定したトルク出力を確保します:

• 高温環境

• 低温環境

• 頻繁な起動停止サイクル

• 軽度の過負荷条件

このアプローチは、性能と長期信頼性の両方を両立します。

フレームレストルクモーターの利点と課題

1. コアとなる利点

コンパクトサイズ

中空設計により占有スペースを最小化し、ロボット関節内でのケーブル配線やシステム統合を容易にします。

高トルク密度

低回転速度でも大きなトルク出力を実現できるため、フレームレストルクモーターは低速・高負荷のロボット用途に理想的です。

安定した性能

機械構造への直接統合により、以下に対する耐性が向上します:

• 高温

• 高電圧

• 放射線曝露

• 過酷な産業環境

• 優れた起動特性と無負荷特性

• 低い起動電圧

• 低い無負荷電流

• 向上したエネルギー効率

2. 技術的課題

磁気回路の最適化

エンジニアは、磁性材料と巻線構成を慎重に最適化し、磁気回路効率とスロット充填率を最大化する必要があります。

熱管理

低電圧システムでは高電流動作が必要になることが多く、大きな熱を発生します。過度の温度上昇は部品の劣化を早め、システム寿命を短くする可能性があります。

一貫性要件

多関節ロボットシステムでは、すべての関節にわたって高度に一貫したモーター性能が求められます。ばらつきは立ち上げの複雑さを増し、制御性能に悪影響を及ぼします。

コスト削減

主要部品の現地化は、製造コストを削減し、大規模な商業展開を可能にするために依然として重要です。

適切なフレームレストルクモーターの選び方?

1. 黄金の選定原則

最も重要なルールは以下の通りです:

トルク優先、速度は次点

ヒューマノイドロボットは、頻繁な起動停止動作と急速に変化する動的負荷を経験します。

推奨される設計マージンは以下の通りです:

• 連続トルク ≥ 1.2–1.5 × 定常負荷トルク

• ピークトルク ≥ 2 × 衝撃負荷トルク

ロボット関節では、慣性のマッチングも慎重に管理する必要があります。

負荷慣性とモーター慣性の比は以下を維持する必要があります:

≤ 5:1

これにより、振動、不安定性、発振を防止できます。

エンコーダの選定

標準的なヒューマノイドロボット用途では:

• 23-bit絶対値エンコーダ

• 分解能は約0.0001°

以下のような超高精度用途では:

• 医療ロボット

• 半導体製造

29-bit超高分解能エンコーダが推奨されます。

2. 重要な統合上の考慮事項

同軸度制御

過度の同軸度誤差は、フレームレスモーターの故障で最も一般的な原因の1つです。

固定子とローターの同心度は以下の範囲に維持する必要があります:

0.02 mm

過度のずれは以下を引き起こす可能性があります:

トルクリップルの増加

局所的な過熱

ベアリング故障

正確な位置合わせのため、組立時には精密ダイヤルインジケーターを使用する必要があります。

熱管理

フレームレスモーターは低速・高電流で動作するため、発熱が大きくなる可能性があります。

以下のような条件では:

• 連続拘束

• 最大出力運転

強制空冷または液冷システムを強く推奨します。

高度な関節設計では、以下を採用できます:

• 関節ハウジングに一体化されたヒートパイプ

• 絶縁冷却液の循環

これにより、連続トルク密度を最大4倍まで向上させることができます。

構造剛性

ダイレクトドライブシステムにはギアボックスの減衰がありません。

構造剛性が不十分だと、共振と振動を引き起こす可能性があります。

推奨される対策は以下の通りです:

中空一体型関節構造

強化鋳鉄製支持ベース

システム剛性の向上

3. 試運転とEMI最適化

試運転時には、次の3つの主要機能を有効にする必要があります:

• コギングトルク補償

• 高調波抑制

• 摩擦フィードフォワード補償

電流ループ帯域幅は以下を超える必要があります:

• 標準用途では2 kHz

• ハイエンド精密用途では5 kHz

これらの対策は、トルクリップルを効果的に低減し、動作の滑らかさを向上させます。

例えば、手術用ロボティクス用途では、PIコントローラを以下に調整すると:

• Kp = 0.35

• Ki = 1200

電流応答時間を0.5 msという高速で達成できます。

EMI抑制

1.2 MHz干渉のような固定周波数ノイズ源に対応するため、推奨される対策は以下の通りです:

• 固定子巻線への銅箔シールド

• ナノ結晶磁気シールド層

• 導電性布シールド

• 電源ケーブルに設置するフェライトコア

PWM周波数を15 kHzから18 kHzに上げると、スイッチング損失はわずかに増加しますが、機械共振周波数を回避し、電磁ノイズピークを約8 dB低減するのに役立ちます。

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