フレームレストルクモーターの原理と応用の解析

01 フレームレストルクモーターとは何ですか?

フレームレストルクモーターは高効率・省エネタイプの電動モーターです。その最も特徴的な特徴は、シャフト、ベアリング、ハウジング、エンドキャップなどの従来のモーターに見られるコンポーネントを取り除き、ローターとステーターの 2 つのコアコンポーネントのみを残すことです。

この構造設計により、モーターを 機械構造にシームレスに統合することができ、機械自体のベアリングを利用してローターをサポートし、システムの統合とコンパクト性が大幅に向上します。

フレームレス トルク モーターは、サーボ モーターに一般的に使用される出力定格とは異なり、出力トルクによって測定されます。これにより、低速で高トルクを提供でき、ロボット関節の動作要件に完全に適応できます。

02 動作原理を明らかにする

フレームレストルクモーターの動作原理は電磁誘導の法則に基づいています。モーターのドライバーが電力を供給すると、三相電気によって 回転電磁場が励起されます。 固定子巻線にこの電磁場はローター内の永久磁石と相互作用し、ローターを回転させるトルクを生成します。

プロセス全体はドライバーによって制御され、U/V/W 三相電力を介して電磁場を形成します。永久磁石を備えたローターは、この磁場の影響を受けて回転します。フレームレス トルク モーターは、フィードバック信号にホール素子を使用したり、追加されたエンコーダーからの信号を利用したりできます。

ドライバーはフィードバック値と目標値を比較して ローターの回転角度を調整し、高精度なサーボ制御を実現します。

03 従来のモーターとの違い

従来のフレームレス トルク モーターと比較して、フレームレス トルク モーターには複数の利点があります。機械のパフォーマンスが向上し、直接結合 (バックラッシュなし) とより高いシステム帯域幅が可能になります。構造がよりコンパクトになるため、機械の設置面積が小さくなり、単位体積あたりのトルクが高くなります。

また、高い剛性を備えており、ベルトやプーリー、リードスクリュー、ギアボックスを必要とせずに負荷を直接駆動するダイレクトドライブ動力源として機能します。機械の構造に直接組み込むことで伝達方法が変更され、騒音が大幅に低減されるため、動作は静かです。

さらに、機械部品が少なく、摩耗しやすいコンポーネントや定期的なメンテナンスが必要なコンポーネントがないため、メンテナンスの必要性が軽減されます。

04 人型ロボットのコアパワー

人工知能とロボット技術の急速な発展の時代において、人型ロボットは産業、サービス、ヘルスケアなどの多くの分野に深く浸透しています 4。フレームレス トルク モーターは、 駆動コンポーネントの主流になっています。 人型ロボットの関節の

テスラのオプティマスは、28 個すべての関節の動力源としてフレームレス トルク モーターを利用しています。これらのジョイントには 14 個のロータリー ジョイントと 14 個のリニア ジョイントが含まれており、各アクチュエータにはフレームレス トルク モーターが含まれています。

ロータリージョイントは、フレームレストルクモーター、ハーモニック減速機、トルクセンサー、位置センサー、エンコーダーなどで構成され、肩 (6)、手首 (2)、腰 (4)、胴体 (2) に分散されています。

直動関節は、フレームレストルクモーター、遊星ローラーネジ、トルクセンサー、位置センサーなどで構成され、肘（2）、手首（4）、腰（2）、膝（2）、足首（4）に配置されています。

05 3つの重要な役割

フレームレス トルク モーターは、人型ロボットの関節の柔軟性において 3 つの重要な役割を果たします。

高トルク出力の提供:

タスクの実行中、ロボットの関節は多くの場合、レバー効果や負荷慣性を克服するために低速で高トルクを出力する必要があります。フレームレス トルク モーターは、比較的低速でも高トルク出力を生成できます。

正確な制御の実現:

高精度エンコーダやトルク センサーなどのコンポーネントと緊密に統合され、高性能の統合ドライブ ユニットを形成します。コントローラーはエンコーダーのフィードバックからジョイントの位置情報をリアルタイムで読み取り、トルクセンサーからのトルクデータと組み合わせてモーターのトルクと速度を微調整できます。

ジョイントの応答速度の向上:

ローターの慣性が極めて低いため、モーターは ミリ秒の速度で制御コマンドに応答できます。外部環境の変化や動作が急変した場合でも、ロボットの各関節が素早く姿勢を調整し、ロボットの安定性と安全性を確保します。

06 幅広い応用分野

フレームレストルクモーターの応用分野は非常に広範囲です。主にロボットの関節やアームに使用され、高トルクと高精度の制御を実現します。

医療機器では、フレームレストルクモーターが手術用ロボットや医用画像処理システムなどにマッチングされ、高精度でスムーズな動作制御を実現します。これらは医療画像処理ロボットや手術ロボットなどの医療分野で使用され、人間の手で処理できる範囲よりもはるかに狭い領域で高精度の手術を実行できます。

ハイエンド CNC 工作機械の分野では、フレームレス トルク モーターを高精度 5 軸機械に使用して、成形、研削、穴あけなどのプロセスの精度と再現性を向上させることができます。

さらに、レーダー、慣性航法システム、ターンテーブルなどの航空宇宙分野の用途にも使用されています。

07 広大な市場の見通し

フレームレストルクモーターの市場の見通しは非常に広いです。世界のフレームレストルクモーター市場規模は2022年に45億元、 2030年までに 224億元に達すると予想されており 、そのうちヒューマノイドロボット市場セグメントは163億元を占める。

Valuates Reports のデータによると、フレームレス トルク モーターの世界市場規模は 2022 年に 6 億 7,000 万ドルで、2029 年までに 11 億 7,000 万ドルに成長すると予想されており、年間平均成長率 (CAGR) は 8% です。協働ロボットとインテリジェント需要の急速な成長により、フレームレストルクモーター市場は高速発展を維持すると予想されます。

08 技術的課題と今後の動向

フレームレストルクモーターは人型ロボットの分野で大きな可能性を示していますが、その技術と生産にはまだいくつかの課題があります。

技術的な観点から見ると、フレームレストルクモーターのトルク密度をさらに高めながら温度上昇を抑え、定格速度と最高速度の間のギャップを狭めるには、電磁設計に高い要求が課されます。

コストの面では、人型ロボットの重要なコンポーネントとして、中国国内でのコアコンポーネントの国内生産率が現在低いため、コストは依然として高くなっています。

将来の開発トレンドには、人型ロボットの関節の柔軟性と出力に対するより高い要件を満たすために、フレームレス トルク モーターの性能指標を継続的に改善することが含まれます。

同時に、 生産プロセスの最適化と生産コストの削減が 将来の開発の重要な目標になります。

ヒューマノイド ロボットが「実験室でのデモンストレーション」から「特定のシナリオでの最初の商品化」に移行する中、その中核となる動力源であるフレームレス トルク モーターは開発の黄金期を迎えています。

2025 年は人型ロボットの量産にとって重要な年になると見られています。フレームレス トルク モーターは、人型ロボットの価値の 16% を占めます。現在の価格は、パワーとサイズに応じて、数百元から千元以上の範囲です。

今後、規模拡大やプロセス革新により価格は大幅に低下すると予想され、人型ロボットの導入がさらに進むと考えられます。

このコンパクトで強力な技術であるフレームレス トルク モーターは、 人型ロボットの柔軟な関節の影の主役となり、ロボット産業の急速な発展を静かに支えています。