ヒューマノイドロボット工学の押し寄せる波の中で、フレームレストルクモーターは、そのコンパクトなサイズ、高出力密度、低速での高トルクのおかげで、関節作動用の中核的な選択肢となっています。従来のモーターとは異なり、フレームレス トルク モーターはハウジング、ベアリング、ベースを省略し、2 つの主要コンポーネントとしてステーターとローターのみを保持し、システム全体に直接組み込むことができます。しかし、この「ハウスレス」設計は、高集積化に向けた優れた柔軟性を提供する一方で、放熱、集積化、コストという 3 つの大きな問題点も生み出しており、これらが人型ロボットの大規模商業化を制限する重大なボトルネックとなっています。
問題点 1: 熱放散 – 高温はモーターの「目に見えない殺人者」です
放熱の問題 フレームレス トルク モーターは、 その固有の構造的特徴に由来します。独立したハウジングとファンがないため、モーターによって生成された熱は、従来のモーターのようにハウジングベースの空冷によって迅速に放散することができません。ロボットが継続的に動作すると、モーターはかなりの熱を発生します。高温に長時間さらされると、巻線絶縁体の劣化が促進され、ベアリングの潤滑が低下し、モーターの故障が頻繁に発生し、動作の安定性が著しく損なわれます。
さらに深刻なのは、爆発的な熱のシナリオです。ロボットが高ダイナミックな動作コマンドを実行すると、瞬間的な電流が急増し、冷却システムが熱を十分に迅速に除去できないことが多く、内部温度が急上昇します。温度がモーターの熱限界を超えると、簡単に巻線の短絡、絶縁損傷、さらにはモーターの焼損やロボットの制御不能を引き起こす可能性があります。学術研究では、ジュール加熱と渦電流効果によって引き起こされる温度上昇が、フレームレス トルク モーターの応用における大きな課題であることも指摘しています。
この問題点に対処するために、業界は材料とプロセスという 2 つの角度から画期的な進歩を遂げています。 磁気回路の最適化 により、磁場設計を改善し、高級ネオジム鉄ホウ素 (NdFeB) 材料と低損失磁気導体を使用することで、発生源での発熱が低減され、ヒステリシス損失、渦電流損失、および銅損が大幅に削減されます。磁気回路の最適化により、同じ入力電流の下で全体の損失が 20% 削減され、トルクが 10% 増加します。 ポッティング技術は 放熱経路に画期的な進歩をもたらします。真空ポッティングはモーターの内部ギャップを超高熱伝導率のポッティングコンパウンドで満たし、熱源から外部の冷却構造に熱を効率的に伝導します。さらに、固定子巻線を熱伝導媒体を介して接合部の金属ハウジングに直接「はんだ付け」し、ハウジングのフィンや内蔵液冷チャネルを使用して熱を排出することも、連続出力能力を向上させる効果的な手段となっています。
課題 2: 統合 – 「小さなスペースを最大限に活用する」
フレームレス トルク モーターの「ハウスレス」設計は、もともと高集積化を可能にすることを目的としていましたが、集積化自体が新たな課題となっています。ロボットの関節スペースは非常に限られているため、高調波減速機、ブレーキ、センサー、ドライバー、その他多くのコンポーネントを収容しながら、非常に小さな体積内で高トルク密度の出力が必要となります。
統合の課題は、まず ケーブル配線で明らかです。ジョイントの内部空間が狭いため、従来のソリッドシャフト モーターでは内部にケーブルを配線することができません。ケーブルは外部で配線する必要があるため、スペースが取られ、美観と信頼性が損なわれます。これに対処するために、業界は 大きな中空シャフト設計を導入しました。これは、電力ケーブル、信号線、さらには流体パイプがモーター内部を通過できるように、モーターの中心に貫通穴を確保したものです。
もう 1 つの課題は 組み立て精度です。フレームレスモーターには位置決めの基準となるハウジングがないため、ステーターとローターをロボット構造に直接埋め込む必要があり、アセンブリの同心性と同軸性にミクロンレベルの要件が課せられます。従来の「目と手」による組み立てアプローチではもはや十分ではありません。さらに、アキシャル磁束モータなどの新技術はより高い電力密度を提供しますが、ロボットプラットフォーム上でのシステム統合の成熟度はまだ不足しており、業界のサプライチェーン能力はまだ強化されていません。
業界は 標準化 と モジュール化を通じて統合の障壁を下げています。標準化された機械インターフェイスとプラグアンドプレイ ドライブ モジュールにより、お客様は統合の複雑さを軽減できます。同時に、モーター、減速機、センサー、その他のコンポーネントを事前に組み立てる統合ジョイントモジュールにより、ロボットメーカーは社内で組み立てるのではなく、完全なモジュールを購入できるようになります。
フレームレス トルク モーターの普及を妨げる最も明らかな障害はコストです。現在、フレームレス トルク モーター 1 台の価格は 2,000 人民元以上で、ロボットの総コストの 15% を占めています。人型ロボットには約 30 個の関節があり、ドライバーや付属部品を含まないモーターのコストだけでも 60,000 人民元を超えます。
高コストは複数の要因から生じます。 材料コスト- 高性能 NdFeB 永久磁石がモーターの核であり、そのレアアース組成と粒界拡散プロセスがトルク密度を直接決定しますが、レアアースのサプライチェーンの変動により価格が高止まりすることがよくあります。 製造プロセス- フレームレス モーターの巻線、ポッティング、および組み立てステップには非常に高い精度が必要であり、従来の生産方法は手作業に大きく依存しているため、サイクル タイムが不安定になり歩留まりが変動し、単価がさらに上昇します。
コスト削減の道は複数の方向で同時に追求されています。 プロセスの改善 が最も直接的な方法です。ローターの製造プロセスを最適化し、比の大きい中空シャフト設計を採用することで、コストが効果的に削減されました。製品は体積が 30% 減少し、トルクが 20% 増加し、国際ブランドと同等の性能を備えています。 自動化された生産ラインは 、大規模なコスト削減の鍵です。完全に自動化されたインテリジェント ラインは、歩留まり 98.6% で「1 分間に 1 つのモーターを巻く」という出力を達成し、従来の手動方法の効率のボトルネックを完全に打破します。高精度の自動化装置とインテリジェントな検査システムにより、すべてのモーターの一貫した性能パラメータが保証されます。 材料革新 も進んでおり、重希土類還元技術により、希土類磁性材料のコストシェアが 18% に低下しました。統合されたダイカストプロセスにより、生産コストが 18% 削減されました。
結論
放熱、統合、コストは、フレームレス トルク モーターの実験室から量産までの 3 つのチェックポイントを構成します。放散は信頼性に影響を与え、統合は実現可能性を決定し、コストは商業的実行可能性に影響を与えます。これらは複雑に絡み合っていて、1 つのリンクに弱点があるとプロセス全体の足を引っ張ります。幸いなことに、業界は磁気回路の最適化、ポッティングプロセス、中空シャフト設計、自動生産ラインなど、多面的にこれらの課題に組織的に取り組んでいます。今後、埋め込み型マイクロチャネル冷却やアモルファス合金コアなどの新材料の適用や大規模生産の進展により、フレームレストルクモータはまさに、各家庭に人型ロボットを動かす「信頼できるコア」となることが期待されています。
