ロボットフレームレストルクモーターの主要パラメータの詳細説明: トルク密度、トルクリップル、モーター定数の評価方法

これら 3 つのパラメータが重要な理由

人型ロボットや協働ロボットは、研究室から生産ラインへと急速に移行しています。関節作動の中核コンポーネントであるモーターの正しい選択は、ロボットの耐荷重、動作精度、耐久性に直接影響します。数あるモーターの種類の中でも、 フレームレス トルク モーターは、 そのコンパクトな構造とジョイント モジュールに直接組み込むことができるため、主流の選択肢となっています。Tesla Optimus の 28 個のジョイント アクチュエーターすべてが、コア ドライブ ユニットとしてフレームレス トルク モーターを使用しています。

ただし、さまざまな製品データシートに直面した場合、「定格電力」や「定格速度」などの従来の仕様だけを見るだけでは十分とは言えません。フレームレス トルク モーターがロボットの関節動作条件に対応できるかどうかを真に決定する 3 つの詳細パラメーターは、 トルク密度、トルク リップル、およびモーター定数 (Km)です 。 「強度は十分ですか?」、「安定性は十分ですか?」、「パフォーマンスを維持できますか?」という 3 つの主要な質問に答えます。この記事では、エンジニアや技術愛好家がデータシートの数値の背後にある本当の意味を理解できるように、各パラメーターを詳しく説明します。

I. まず理解してください: フレームレス トルク モーターとは何ですか?

パラメータを理解するには、まずこの「メイン コンポーネント」がどのようなものかを知る必要があります。

フレームレス トルク モーターは、「ハウジングを取り除いた」モーターです。 ステーターとローターという2 つのコア電磁コンポーネントのみで構成されています。ハウジング、ベアリング、出力シャフトはありません。これは、従来のモーターのように独立して動作できないことを意味します。代わりに、ロボットの関節構造に直接埋め込む必要があります。ステーターは関節ハウジングに固定され、ローターは負荷シャフトに直接接続されます。

この「フレームレス」設計には 3 つの重要な利点があります。 単位体積あたりのトルク密度が従来のモーターより約 30% 高く、ドライブトレインのバックラッシュが排除されて剛性が約 50% 向上し、中空構造がロボットの内部配線要件に対応します。 これらの理由により、これは協調ロボットおよび人型ロボットの関節モジュールの中核となる動力コンポーネントとなっています。

II.トルク密度 – モーターがどれほど「強力」であるか

トルク密度とは何ですか?

トルク密度 とは、簡単に言えば、モーターが単位体積または単位重量あたりに出力できるトルクのことです。通常、体積トルク密度 (Nm/L) と重量トルク密度 (Nm/kg) の 2 つの方法で表されます。

ロボットの関節スペースは非常に限られています。より高いトルクを得るためにモーターの直径を無限に大きくすることはできません。そうすると、ジョイントが大きくなり、統合が困難になります。したがって、トルク密度は本質的に電磁設計の「コンパクトさ」を測定します。特定のスペースでは、より強い磁界とより高い電流効率を備えたモーターがより多くのトルクを出力できます。

このパラメータを評価するにはどうすればよいですか?

モーターを選択するときは、 最悪の動作条件下でのピークトルク要求に基づいて決定し、10% ～ 20% の安全マージンを確保する必要があります。 人型ロボットのジョイントの場合、ピークトルク要求は定格トルクの 5 ～ 10 倍にもなる可能性があります。例えば、片足で全体重を支える歩行周期では、股関節モーターは瞬間的に等速歩行に必要な数倍のトルクを出力する必要があります。

また、トルク密度は冷却条件と密接に関係していることにも注意してください。フレームレス モーターは熱放散のために組み込まれた機械構造に依存しているため、密閉されたジョイント内で実際に継続的に利用できるトルクは銘板値の 50% ～ 70% にすぎない可能性があります。したがって、トルク密度の仕様を評価する場合は、製品データシートに記載されている軽減曲線を必ず参照してください。

現在、中国国産モーターのトルク密度レベルは急速に向上しています。たとえば、同社の U シリーズ フレームレス トルク モーターは、外径 16 ～ 200 mm、定格トルク 0.01 ～ 65 Nm をカバーし、マイクロジョイントからヘビーデューティージョイントまでのさまざまな要件を満たします。

Ⅲ．トルクリップル – モーターがどの程度「安定」しているか

トルクリップルとは何ですか?

モーターに理想的な定電流を流したとしても、その出力トルクは完全に滑らかな直線にはなりません。小さな周期的な変動が発生します。これが トルク リップルであり、通常、定格トルクに対するリップル振幅のパーセンテージとして表されます。

トルクリップルの主な原因は次の 2 つです。

• コギングトルク: ステーターの歯/スロットとローターの永久磁石の間の磁気吸引力の変化によって引き起こされる変動。これはトルクリップルの主な原因であり、永久磁石モーターの固有の特性です。

• 高調波トルク: 正弦波パターンに従わない巻線分布や磁気回路の飽和などの要因によって生じる電磁高調波成分。

ロボット用途の場合、トルクリップルの実際的な影響は非常に重要です。過剰なトルクリップルは、低速ジョイント動作中のジッターや不連続として現れる「コギング」を引き起こし、精密組み立てや医療手術などのアプリケーションのパフォーマンスに直接影響します。

このパラメータを評価するにはどうすればよいですか?

業界をリードするレベルでは、通常、 トルク リップルが 1% 未満であることが求められます。 器用な手のような精密な操作の場合、トルクリップルを 2% 以内に制御する必要がある場合もあります。

トルクリップルの低減は、モーター設計における重要な課題の 1 つです。一般的なエンジニアリング方法には、極とスロットの組み合わせの最適化、斜めスロットまたは斜め極の使用、永久磁石の幅とアーク係数の調整、歯の先端への補助スロットの追加が含まれます。ただし、コギング トルクの低減と出力トルクの増加の間には多くの場合トレードオフがあることに注意してください。コギング トルクを抑制する一部の設計 (エアギャップ長の増加など) では、出力トルクが低減される可能性があります。さらに、トルクリップル要件が非常に厳しいアプリケーション向けに、メーカーは、 スロットレス（空芯）フレームレストルクモーターを提供する場合があります。出力密度をある程度犠牲にしてコギングトルクを完全に排除する、

したがって、トルクリップルの仕様を評価する際には、「低ければ低いほど良い」ということではなく、「動作のスムーズさ」と「トルク出力能力」の最適なバランスを見つけることが重要になります。

IV.モーター定数 Km – モーターが「性能を維持できるかどうか」

モーター定数Kmとは何ですか?

モーター定数 Km は、おそらく 3 つのパラメータの中で「最も馴染みのない」ものの「最も実用的」なパラメータです。多くの製品データシートにはこの値が直接記載されていませんが、モーターの選択におけるその重要性はトルクと速度の重要性に劣りません。

Km の定義は次のとおりです。

Km = Kt / √R

ここで、Kt はトルク定数 (単位電流あたりに発生するトルク)、R は巻線抵抗です。その物理的な意味は、  1 ワットの抵抗損失電力を消費する条件下で、モーターはどのくらいのトルクを出力できるかということです。 単位はNm/√Wです。

この定義がなぜ重要なのでしょうか?モーターが動作すると巻線抵抗が発熱するためです。蓄積された熱により温度が上昇し、最終的にはモーターの連続動作能力が制限されます。 Km 値が高いということは、同じ量の熱が発生した場合 (同じ抵抗電力が消散した場合)、モーターがより多くのトルクを出力できることを意味します。言い換えれば、  Km は熱的制約下でのモーターの真のトルク出力能力を測定します。

たとえて言えば、トルク密度がモーターの「爆発力」を測定する場合、Km はモーターの「耐久性」を測定します。モーターのピーク トルクは非常に高い可能性がありますが、巻線抵抗も高い場合 (細いワイヤ、巻数が多い)、高電流の連続動作中に急速に加熱し、連続出力能力が制限されます。この場合、Km 値は多くの場合高くありません。

このパラメータを評価するにはどうすればよいですか?

異なるメーカーや異なるモデルのモーターを比較する場合、単に「定格電力」や「ピーク トルク」を見るよりも、Km の方が公平な指標となります。理由は次のとおりです。

• 同じ体積の 2 つのモーターは同様のピーク トルクを持つ可能性がありますが、一方の Km 値が大幅に高い場合は、長期間の動作中により安定した性能を維持でき、加熱による出力低下の可能性が低いことを示します。

• Km はトルク出力能力と熱損失を結び付け、ロボットの連続動作下でのモーターの性能をより現実的に評価します。

実際の選択では、次のように進めることができます。

1. 必要な最小 Km を計算します。 負荷トルク T と許容抵抗損失 P を考慮すると、Km_min = T / √P となります。この最小値より大きい Km 値を持つ候補モーターを選択します。

2. テスト温度に注意してください:  Km と Kt の校正温度は通常 20°C ～ 40°C です。メーカーが異なれば、異なる温度で校正を行う場合があります。温度が高くなるほど、Kt 値は低くなります。相互比較を行う場合は、校正条件が一貫していることを確認してください。

3. データを積極的に要求する: 前述したように、多くのデータシートでは Km 値が直接提供されません。選択プロセス中にこのパラメータについてサプライヤーに積極的に問い合わせることをお勧めします。

V. 3 つのパラメータの関係と共同検討

トルク密度、トルクリップル、モーター定数 Km は独立した指標ではありません。これらには固有の関係があり、設計上のトレードオフがあります。

モーターがトルク密度を向上させようとすると（たとえば、エアギャップ磁束密度を高めることによって）、トルクリップルの増加につながる可能性があります。逆に、スロットレス構造など低トルクリップルを追求しすぎると、トルク密度が低下する場合があります。したがって、優れたフレームレス トルク モーター設計では、 最適なバランス ポイントを見つけます。 これら 3 つのパラメーターの間で

結論: 選択は数字遊びではありません

エンジニアの日常業務のシナリオに戻ると、コンポーネントを選択するときに「パラメーターは大きいほど良い」という考えに陥りがちです。ただし、真に成熟した選択戦略ではに基づいてトレードオフを決定します。 実際の動作条件 、ロボット ジョイントの

• 頑丈な下肢関節? トルク密度を優先して 耐荷重と過負荷マージンを確保します。

• 精密で器用な手、それとも手術用ロボット? トルクリップルを優先し 、低速での滑らかさを確保します。

• 産業用ロボットは長時間連続稼働しますか？ Km 値を優先してください。 熱安定性と長期信頼性を確保するには、

ヒューマノイドロボット産業が2026年に量産スケールアップの重要な段階に入る中、中国国内で製造されたフレームレストルクモーターは、トルク密度やトルクリップルなどの重要なパラメータにおいて国際レベルに急速に追いつきつつあり、価格は同等の海外製品のわずか50％～70％に過ぎません。エンジニアにとって、パラメータを理解し、データシートの数値の背後にある物理的意味を見抜くことは、「機能させる」から「うまく機能させる」までの重要なステップです。