人型ロボットは人工知能の分野で輝く真珠となっています。
近年、人型ロボットは人工知能の分野で輝かしい存在となり、医療やサービスなどさまざまな分野で応用が広がっています。産業の発展をさらに促進するために、地方自治体は人型ロボットとその主要コンポーネントへの支援を増やす政策を導入しています。ヒューマノイドロボット産業チェーンでは、中空カップモーターはヒューマノイドロボットの動作制御システムで重要な役割を果たしています。たとえば、テスラヒューマノイドロボットの器用な手のコアコンポーネントは中空カップモーターであり、単一のロボットアセンブリ12（右手に6つずつ）です。本論文は、研究を通じて中空カップモータの技術的特徴、市場状況および将来展望について議論することを目的としている。
とは何ですか 中空カップモーター
1. モータの概念と分類
電気モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置です。これは、通電されたコイル (つまり、固定子巻線) を使用して回転磁界を生成し、回転子 (かご状の密閉アルミニウム フレームなど) に使用されて磁気電気回転トルクを形成します。これは、磁界内の電流によって生成される力を回転動作に変換するものです。原理は、磁界を利用して電流を流し、モーターを回転させることです。
モーターの回転の基本原理: 回転軸を持つ永久磁石の周りで、1 磁石を回転させます (回転磁界が生成されるように)、2 N 極と S 極の異極吸引、同極反発の原理に従って、3 回転軸を持つ磁石が回転します。
モーターでは、実際にはワイヤーを流れる電流がワイヤーの周りに回転磁界 (磁力) を生成し、磁石を回転させます。線材をコイル状に巻くと磁力が合成されて大きな磁束（磁束）が形成され、N極とS極が生じます。コイル状のワイヤーの中に鉄心を入れることで磁力線が通りやすくなり、より強い磁力を発生させることができます。
モーターの構造は主にステーターとローターの 2 つの部分で構成されます。
ステータ: モーターの固定部分。その主な構造には磁極、巻線、ブラケットが含まれます。磁極はモーターの磁界を発生させる部分で、通常は鉄心とコイルで構成されます。巻線は固定子のコイルであり、通常は導体と絶縁体で構成され、その役割は電流が流れるときに磁界を生成することです。ブラケットはステーターの支持構造であり、通常はアルミニウム合金などの材料で作られ、耐食性と強度に優れています。
ローター: モーターの回転部分。その主な構造にはアーマチュア、ベアリング、エンド キャップが含まれます。アーマチュアは回転子のコイルであり、通常は導体と絶縁体で構成され、その役割は電流が流れるときに磁界を生成することです。ベアリングはローターの支持構造であり、通常はスチールまたはセラミックで作られており、耐摩耗性と耐食性に優れています。エンドカバーはモーターの端部構造であり、通常はアルミニウム合金などの材料で作られており、優れたシール性と強度を備えています。
2、中空カップモーターの定義と分類
1958 年に、FF aulhaber 博士が傾斜巻線コイル技術を開発し、1965 年に中空カップ モーターの関連特許を取得しました。これが中空カップ モーターの到来を告げました。その創造的な構造設計により、モーターの小型化と効率の向上が可能になりました。中空カップモーターは DC 永久磁石サーボモーターに属し、モーターの構造は次の図に示されており、主にステーターとローターで構成されます。ステータは珪素鋼板とコイル巻線で構成されており、歯溝のない珪素鋼板構造により歯溝効果を回避し、鉄損と渦電流損を低減できます。ローターは永久磁石、回転軸およびその固定部品で構成されており、モーターには加工や取り付けが容易なリング永久磁石を使用しています。
通常のモーターと比較して、ローターの最大の特徴は、従来のモーターのローター構造を構造的に打ち破り、中空カップローターとも呼ばれるノーコアローターを採用していることです。ローターは、巻線と磁石で囲まれた中空のカップ状の構造です。通常のモーターにおける鉄心の役割は主に次のとおりです。 1) 磁界を集中させて誘導します。鉄心は透磁率の高い材料 (ケイ素鋼板など) で作られており、磁束を集中させて誘導することができ、それによってモーターの磁界強度と効率が向上します。 2) サポート巻線: 鉄心は巻線に強力な支持構造を提供し、モーターの動作中に巻線が安定した形状と位置を維持します。中空カップモーターでは、薄肉の中空シリンダーがローターとして使用され、中空シリンダーは追加のコアサポートなしで巻線の内側に直接巻かれます。コアレス設計の利点: 1) 渦電流損失とヒステリシス損失の排除: 一般的なモーターの鉄心は、交流磁界中で渦電流損失とヒステリシス損失を生成し、モーターの効率を低下させます。中空カップモーターはコアレスローターを採用することでこれらの損失を完全に排除し、モーターのエネルギー変換効率を向上させています。 2) 重量と慣性モーメントの低減：コアレス設計によりローターの重量が大幅に軽減され、モーター全体が軽量化されます。同時に、慣性モーメントの低減により、モーターの応答速度と加速度が向上し、高速な起動と停止が必要なアプリケーション シナリオに非常に役立ちます。
同時に、中空シリンダー構造と巻線レイアウトの精密設計により、中空カップモーター内の磁場分布を最適化し、磁気漏れとエネルギー損失を低減し、モーターの効率と性能をさらに向上させることができます。
中空カップモーターは、整流モードに応じて 2 種類に分けられます。1 つは機械式カーボンブラシ整流モードを採用する中空カップブラシモーターです。もう 1 つは中空カップ ブラシレス モーターで、ブラシの整流を電子整流に置き換え、ブラシ モーターの動作中に発生する電気火花やトナー粒子を回避し、騒音を低減してモーターの耐用年数を延ばします。次の図で Mingzhi 電化製品のさまざまな製品を比較すると、ブラシレス中空カップ モーターにはブラシが必要ないことがわかりますが、ホール センサーがローターの磁界信号を検出し、機械的反転を電子信号の反転に変換し、中空カップ モーターの物理的構造をさらに簡素化します。
3、中空カップモーターの利点
中空カップモーターは、従来のモーターのローター構造を構造的に打ち破り、鉄心に渦電流が形成されることによる動力損失を低減し、質量と慣性モーメントを大幅に低減し、ローター自体の機械的エネルギー損失を低減します。要約すると、中空カップモーターには、高出力密度、長寿命、高速応答、高ピークトルク、良好な放熱などの利点があります。
高い出力密度: 中空カップモーターの出力密度は、重量または体積に対する出力の比率です。重量に関しては、ノンコアローターは通常のコアローターよりも軽量です。効率の面では、コアレスローターにより発生する渦電流やヒステリシス損がなくなり、マイクロモーターの効率が向上し、高い出力トルクと出力を確保します。ほとんどの中空カップモーターの最大効率は 80% 以上ですが、ほとんどのブラシ付き DC モーターの最大効率は一般に約 50% です。軽量化と高効率により、中空カップモーターはより高い出力密度を達成できます。したがって、中空カップモーターは、ポータブル空気サンプリングポンプ、人型ロボット、バイオニックハンド、手持ち式電動工具、その他の用途など、長時間の動作を必要とするバッテリー駆動の用途に特に適しています。
高トルク密度: コアレス設計により、ローターの重量と慣性モーメントが軽減され、慣性モーメントが低いため、モーターの加速と減速が速くなり、短時間でより多くのトルクを生成できるようになります。同時に、鉄心がないため、中空カップモーターはよりコンパクトで小さくなり、限られたスペースでより高いトルク出力を提供することができます。
長寿命：中空カップモーターの反転個数により、反転時の電流変動とモーターのインダクタンスが小さくなり、反転過程での反転システムの電食が大幅に減少し、長寿命になります。 「中空カップモーターのカスタマイズされた管理の応用研究」のデータによると、ブラシ付き DC モーターの寿命は一般的にわずか数百時間ですが、中空カップモーターの期待寿命は通常 1000 ～ 3000 時間であり、より長い信頼性の高い動作が可能です。
応答速度が速い：従来のモータは鉄心の存在により慣性モーメントが比較的大きいのに対し、中空カップモータはコンパクトで、ロータがカップ状の自立コイルであるため軽量であり、慣性モーメントが小さいため、中空カップモータは敏感な起動停止調整特性を備えています。 「中空カップマイクロモーターとコイルの研究経過」によると、一般的なコアモーターの機械時定数は100ms程度であるのに対し、中空カップモーターの機械時定数は28ms以下、製品によっては10ms以下になることもあります。
高いピークトルク：中空カップモーターのピークトルクと連続トルクの比率は非常に大きく、電流がピークトルク定数まで上昇するプロセスは変化せず、電流とトルクの線形関係によりマイクロモーターは大きなピークトルクを生成できます。通常のコア DC モーターが飽和に達すると、電流を増加しても DC モーターのトルクは増加しません。
優れた放熱性：中空カップローターの表面には空気の流れがあり、コアローターの放熱性能よりも優れています。コアローターのエナメル線は珪素鋼板の溝に埋め込まれており、コイル表面の空気の流れが少なく、温度上昇が大きく、同じ出力条件下では、中空カップDCモーターの温度上昇は小さくなります。
4、中空カップモーターの技術的パス
中空カップモーターの製造における重要なステップはコイルの製造であるため、コイルの設計と巻線プロセスが中核的な障壁となります。ワイヤの直径、巻き数、直線性は、モーターのコアパラメータに直接影響します。巻線タイプが異なれば自動化率や銅消費量も異なるため、コイル巻線のコアバリアはコイル設計に直接反映されます。一方、これは巻線設備や巻線方法にも反映され、異なる巻線機で巻かれる中空カップ溝の充填率が異なり、それがスパースの違いにつながり、モーターの損失、放熱、出力などに直接影響します。
コイル設計角度：中空カップモーターの巻線設計は、直線巻線タイプ、斜め巻線タイプ、サドルタイプに分けられます。
ストレート巻き：コイルの線がモーターの軸と平行で、集中巻き構造となっています。直巻きコイルの設計思想は、まず通常の円形エナメル線を必要なターン数に従って巻ダイスに巻き、次に線の芯軸に巻線を接続し、両端のバインダーを使用して硬化して成形します。比較的言えば、直線巻線の端ではトルクが発生せず、アーマチュアの重量とアーマチュアの抵抗が増加します。
斜め巻き：ハニカム巻きとも呼ばれ、途中にタップを残してハニカム巻きする方法で、連続して巻くためにはエレメントの有効面と電機子軸を一定の傾斜角度にする必要があります。この巻き方はエンドサイズは小さいですが、斜め巻き連続巻きはある程度のライン角度が必要なため、エナメル線が重なりスロット充填率が低くなります。傾斜巻アーマチュアは、直巻タイプに比べ、端巻がないためアーマチュア重量が軽減され、慣性モーメントが小さく、時定数が小さく、引きずり特性が良く、出力トルクが大きいという利点があります。ドイツのファウルハーバーやスイスのポルテスカップでは傾斜巻きが主流。
サドル型：同心巻きや菱形巻きとも呼ばれ、成形したコイルを巻いてから配線する方法が使用されます。つまり、粘着エナメル線を特殊な成形巻線ダイスに巻き、アーマチュアカップは複数の成形配列で作られます。巻線時に、2層のコイルが整然と配置され、成形されるため、再成形後のアーマチュアカップのサイズを制御し、スロットの充填率を向上させるのに便利です。同時に生産効率も高く、大量生産に適した方法です。サドル巻線のアーマチュア端は重なり合う層が少なく、空隙が小さく、永久磁石の利用率が高いため、モーターの出力密度が向上します。スイスのマクソン社の一部の製品はサドル型巻きを採用しています。
巻線プロセスの観点: 生産技術の観点から、コイルの成形方法に応じて、主に手巻、巻線、ワンタイムフォーミング生産の 3 つのカテゴリに分類されます。
1) 手巻き。ピン挿入、手巻き、手配線など一連の複雑な工程を経て生産されます。高度なカスタマイズが必要な製品に適していますが、生産効率や製品の安定性に限界があります。
２）巻線製造技術。巻線製造技術は半自動生産となっており、まず菱形断面のエナメル線を主軸に順次巻き付け、必要な長さに達したら取り出し、平らにして線板にし、最後に線板をカップ状のコイルに巻きます。 「巻線中空カップ電機子の製造プロセスと設備」の巻線プロセスによると、次の巻線機は4人の作業員で構成して年間生産量30,000個を達成できますが、巻線の制限は中空カップ径20〜30mmに適しており、タップ間隔が7mm未満の小さなコイル、つまり直径10〜12mm未満の製品を巻くのは困難です。全体として、巻線プロセスの生産効率は比較的高く、中規模生産の要件を満たすことができます。しかし、手作業の参加率が高いため、完成品の一貫性が自動生産ほど良くない可能性があり、中空カップコイル巻線の小型化に対応することが困難です。
3) 1つの成形生産技術。自動化装置による巻線機は、スピンドルの規則に従ってエナメル線を巻き取り、取り外した後にカップにコイルを巻き付け、1回の成形で、複数のプロセスを巻いて平らにする必要がなく、高度な自動化により、生産効率と完成品の一貫性が向上します。ただし、それに対応する設備の先行投資は高額になります。
海外の巻線工程は早くから開発されており、国内に比べ自動化度が高い。国内は主に巻線生産を採用しており、工程がより複雑で、労働者の労働強度が高く、より太い線径のコイルを完成させることができず、スクラップ率が高い。外国では主にワンタイムワインド生産技術、高度な自動化、高い生産効率、コイル径の範囲、優れたコイル品質、密な配置、モータータイプ、優れた性能を採用しています。
産業用チェーンリンクと下流アプリケーション
中空カップモーターの上流は原材料と部品であり、原材料には銅、鋼、磁性鋼、プラスチックなどが含まれ、部品にはベアリング、ブラシ、整流子などが含まれます。産業チェーンの中流はモーターメーカーです。産業チェーンの下流はアプリケーションエンドであり、中空カップモーターは高感度、安定した動作、強力な制御という特性を備えており、電気駆動のハイエンド分野の厳しい要件を満たしているため、主に航空宇宙、医療機器、産業オートメーション、ロボット工学などのハイエンド分野で使用されています。同時に、中空カップモーターは、OA、電動工具などの民生分野にも徐々に適用されています。
期待できる中空カップモーター
鉄心のない独自の設計の中空カップモーターは、高速、高効率、高動的応答などの重要な利点を示し、航空宇宙、医療機器などの分野で広く使用されており、ヒューマノイドロボットのハンドの柔軟性も大きな影響を与えます。現時点ではマクソンやファウルハーバーなどの海外企業が先行者利益を持っていますが、国内メーカーの技術レベルの継続的な向上と人型ロボット市場の急速な発展により、国産の中空カップモーターは新たな開発の機会をもたらすでしょう。
