さまざまな動作条件下でのアキシャル磁束モータのロータ選択のキーポイント – ハブモータ、ロボットジョイント、ドローン推進

はじめに: 「シリンダー」から「ディスク」へのパラダイム シフト

電気モーターについて考えるとき、ほとんどの人はステーターがローターを囲み、磁場が放射状に伝播する長い円筒を想像します。しかし、この従来の形状を覆すモーターが新たな技術革命を引き起こしています。 アキシャルフラックスモーター。ステーターとローターをほぼ平らなディスクに圧縮し、サンドイッチ クッキーのようにコンパクトにします。

この平坦化革命の核心は、磁路方向の根本的な変化にあります。従来のラジアルフラックスモーターでは、磁場は軸から外側に放射します。アキシャル磁束モータでは、磁場は軸と平行に流れ、ステータとロータはディスク配置で互いに向かい合います。この変更により、驚くべき性能上の利点がもたらされます。 同じ材料を使用した場合、アキシャルフラックスモーターのトルクはローター直径の 3 乗に比例します (一方、従来のラジアルモーターの場合、トルクは直径の 2 乗に過ぎません)。トルク密度は 2 ～ 3 倍増加し、効率は 96% を超えます。 同時に軸長は従来モータに比べて1/3～1/2となり、同出力で体積を50％以上、重量を約40～50％削減しました。

アキシャルフラックスモーターでこのような高い出力密度とトルク密度を達成する鍵は、ローター構造の独創的な設計にあります。アプリケーションシナリオが異なれば、個別の性能要件が課され、多くの場合、ローターの磁気回路構造、永久磁石材料、トポロジーの選択が、モーターがその利点を十分に発揮できるかどうかを直接決定します。この記事では、ハブ モーター、ロボット ジョイント、ドローン推進という 3 つの典型的なアプリケーション シナリオから始めて、ローター選択の中核ポイントを体系的に分析します。

1. ハブモーター: トルク密度と広い速度範囲の間のトレードオフ

ハブ モーターは、スペースが非常に限られているホイール リムの内側に取​​り付けられます。これが主な設計上の制約です。高トルク密度（発進時と登坂時）、広い速度域（低速巡航から高速巡航まで）、良好な放熱性を同時に実現する必要があります。

ローター構造の選択に関して、ハブ モーターは一般的に 表面実装タイプとスポーク (内部) タイプを使用しており、それぞれ設計上の優先順位が異なります。表面実装永久磁石はロータコアの表面に直接取り付けられているため、構造が簡単で、エアギャップ磁束密度が高く、究極の出力密度を追求する用途に適しています。しかし、大径ロータの高速回転には大きな遠心力が発生するため、表面実装磁石を固定するための保持スリーブが必要となります。これには高強度の非磁性材料が必要となり、スリーブ自体がエアギャップを増大させて出力を低下させます。

ローター内部にはスポーク型（内部）永久磁石が埋め込まれています。磁束の集中により、トルク密度と磁束弱めの速度延長能力が大幅に向上します。例えば、江蘇大学が設計したSTAF-PMSMスポーク型ハブモータは、デュアルロータ構造を採用することでエアギャップ励磁領域を拡大し、磁束集中励磁を実現しています。最大トルク280N・m、最大出力15kWを発揮し、分散型インホイールドライブ新エネルギー車に最適です。さらに、内部構造により永久磁石が高温や機械的衝撃に直接さらされるのを効果的に保護し、表面実装タイプが高速で直面する磁石の剥離のリスクを克服します。

熱管理は、ハブ モーターにとってのもう 1 つの主要な課題です。高出力運転下では電磁損失が集中し、冷却状態が悪化します。効果的な冷却を実現するには、損失解析に基づいた正確な熱モデリングが必要です。現在、デュアルステータ シングルロータアキシャル磁束モータ (AFIR) は 2 つのステータによる電気負荷を増加させることで出力密度を向上させますが、ヨークレスアキシャル磁束モータ (YASA) はステータ ヨークを排除して鉄損を低減し、効率とトルク密度を向上させながら熱負荷を低減します。

全体として、ハブ モーターのローターの選択では 、トルク密度、速度拡張能力、信頼性のバランスをとる必要があります。低速高トルクの要件には、表面実装またはスポークタイプの構造が推奨されますが、広い速度範囲が必要な場合は、磁束集中と磁束弱化能力の点でスポークタイプの方が適しています。

2. ロボットの関節: 低慣性と精密制御の 2 つの要件

ロボットの関節には、ハブ モーターとは明らかに異なる特性が要求されます。腰、腰、脚などの大きな関節では、高トルク出力と極度の軽量化が中心的な要件です。従来のラジアルモーターと比較して、これらのシナリオにおけるアキシャルフラックスモーターは、占有スペースを 30% ～ 60%、重量を 30% 以上削減でき、一部の設計では 60% ～ 70% に達します。手首や指などの小さな関節では、精度と低慣性がより優先されます。

トルク対慣性比 は、ロボット関節モーターの重要な設計パラメータです。研究によると、アキシャルフラックスモーターのトルクはローター直径の3乗に比例します。これは、非常に高い低速トルク出力を平坦なジョイントのコンパクトなスペースで達成できることを意味し、同時に薄いディスク構造をジョイントに直接埋め込むことができ、熱放散を簡素化することができます。

ローターの選択では、ロボット ジョイントは表面実装構造またはハルバッハ アレイを優先します。ロータ損失と慣性モーメントが低い表面実装構造により、 より高速な動的応答が可能になります 。加速応答時間を 15 ms から 5 ～ 8 ms に短縮できます。これは、迅速な開始/停止と正確な位置決めが必要なロボットの動作にとって重要です。ハルバッハ アレイは、特定の磁化方向パターンにより、一方の側では磁界を強化し、もう一方の側では磁界をほぼ打ち消します。これにより、ローター コアの排除が可能になり、ローターの慣性と損失がさらに低減されます。

磁気回路設計や永久磁石材料の選択にも精密な制御が必要です。アキシャル磁束モータは環状磁石レイアウトを使用しているため、従来のラジアル磁束モータのラジアル レイアウトと比較して磁路長が短くなり、トルク密度が増加します。また、ロボットのジョイントには減速機や準直接駆動 (QDD) 方式が含まれることが多いため、より高い保磁力と熱安定性が必要です。コストが許せば、ジスプロシウムやテルビウムなどの重希土類を含む高保磁力グレードを使用すると、動作中の逆磁場による減磁を効果的に防ぐことができます。

16 ～ 18 mm の範囲の小型ジョイントでは、PCB タイプのアキシャルフラックスモーターが独自の利点を発揮します。従来の銅巻線の代わりにエッチングを使用することで、高い製造一貫性、低鉄損、および極度の軽量化を実現します。

3. ドローンの推進: 出力密度と熱減磁に対する耐性という極端な課題

ドローンの推進システムは根本的な矛盾に直面しています。 重量が 1 グラム増えるごとに飛行時間が短縮され、温度が上昇するごとに出力が低下します。データによると、推力対重量比が 25:1 を超えるアキシャルフラックスモーターの場合、質量を 1 kg 減らすと航続距離が約 10 km 増加する可能性があります。したがって、軽量化と高出力密度がドローン推進モーターの主要な設計基準となります。

出力密度の点では、アキシャルフラックスモーターはドローンの推進において圧倒的な利点を示します。体積出力密度はに達し 14.9 kW/kg、従来のラジアル モーターをはるかに上回ります。測定された出力密度の範囲は 5.8 ～ 21 kW/kg 、トルク密度は 15 ～ 25 Nm/kgです。最新の「Yufeng」T シリーズ軸流推進システムは、10 Nm/kg の連続出力密度と 20 Nm/kg のピークトルク密度を達成しており、有人 eVTOL や複翼ドローンなどの先進的な航空機の直接駆動推進に最適です。

ドローン推進モーターは、電力密度以外にも、高温環境下では減磁のリスクにも直面します。飛行中、モーターは長時間高出力で動作するため、巻線や永久磁石の温度が急激に上昇します。夏の暑い地域や砂漠地帯でミッションが実施される場合、周囲温度と自己発熱の組み合わせにより、永久磁石に深刻な減磁の問題が発生します。

永久磁石材料の選択は、ドローンモーターの高温信頼性に直接影響します。 一般的な永久磁石材料の中で、ネオジム鉄ボロン (NdFeB) は最高の磁気性能を備えていますが、標準グレード (N シリーズ) の最大使用温度は 80 ～ 100°C にすぎず、200°C を超えると不可逆的な磁気損失が発生する可能性があります。高保磁力のNdFeBグレード（SH、UH、EH、AHシリーズ）は150～240℃まで動作可能ですが、高温安定性は依然としてサマリウムコバルト（SmCo）より劣ります。 SmCo 磁石は、キュリー温度が 720°C を超える以上で安定して動作でき 300°C、その磁気特性は温度による NdFeB の 1/4 ～ 1/3 しか変化しません。欠点は、磁気エネルギー積がわずかに低く、コストが高いことです。民生用ドローンの場合、ほとんどのニーズには高性能 NdFeB で十分です。しかし、高温、高出力の条件下にある産業用ドローンや有人 eVTOL の場合、SmCo はコストにもかかわらず、信頼性を確保するために必要な選択肢です。

4. ロータータイプの概要: 表面実装型と内部実装型の比較

上記の分析に基づいて、アキシャルフラックスモーターの主なローター構造タイプを次の表にまとめます。

5. SDM: 表面実装アキシャル磁束モーターローターの主要なドライバー

3 つの主要なシナリオに対する重要なローター選択ポイントを分析した後、私たちは中核要素である 高性能永久磁石と表面実装ローター構造のエンジニアリング能力に到達しました。まさにここに SDM の技術的利点があります。

SDM は、磁石と磁気ソリューションに重点を置いた国内ハイテク企業であり、専門的な磁石生産で 16 年の経験があります。同社は中国最大のレアアース採掘企業チャイナ・アルミニウムと戦略的協力関係を結んでおり、レアアース原料の安定的かつ確実な供給を確保している。同時に、SDMは 中国科学院と綿密な共同研究を実施し 、顧客と協力して有限要素解析（FEA）に取り組み、磁気回路設計の最初から正確なシミュレーションをサポートすることで、開発サイクルを短縮し、試行錯誤のコストを削減します。

表面実装アキシャルフラックスモーターローターの分野において、SDM は体系的な製造と設計の利点を提供します。

まず、高レベルの認証を取得した完全な生産システムです。 同社は IATF 16949 (自動車品質管理システム) を取得しており、2010 年以来ゼネラル モーターズの Tier-2 サプライヤーとして無欠陥 (0 PPM) の記録を維持しており、ISO 9001、ISO 14001、ISO 45001、二酸化炭素排出量および BSCI 認証も取得しています。その製品は RoHS、REACH、および SGS テスト要件に準拠しています。これは、永久磁石のすべてのバッチが、原材料のトレーサビリティから完成品の出荷に至るまで、厳格な品質管理を受けていることを意味します。

2 つ目は、表面実装ローター構造用の成熟した統合プロセス技術です。 アキシャル磁束モータでは、表面実装永久磁石ロータディスクは、 磁石の高強度固定、高速動作時の安定性、製造/組立の容易さという3 つの主要な技術的問題を同時に解決する必要があります。 SDMは、高保磁力NdFeBグレードやSmCoシリーズなど、さまざまな磁性材料オプションを提供しています。低損失で高強度のポリマープレスプレート/固定フレーム、ローターバックアイアン、カーボンファイバー保持スリーブの組み合わせを使用し、ローター渦電流損失を最小限に抑えながら、高速動作下でも確実な磁石の位置決めを保証します。このソリューションは、ローター損失が低く、構造強度が高く、組み立て加工性が良好であるという総合的な利点を証明しています。

第三に、ハイエンドのカスタマイズをサポートするトップレベルの技術チームです。 によって編成された技術チームには、 中国科学院の磁性材料の専門家博士号取得者 2 名、修士号取得者 5 名、上級エンジニア 8 名、エンジニアリングおよび技術担当者 80 名以上が含まれています。同社は市立研究開発センターと博士研究員ワークステーションを設立しました。したがって、SDMは従来の磁石を製造するだけでなく、磁石グレードの選択（超高保磁力NdFeB N/M/UHグレード、SmCo5 / Sm-Co-₇シリーズ）、減磁温度マージン計算、および有限要素シミュレーションを含む、さまざまな動作条件（ハブモーター、ロボットジョイント、ドローン推進）下での実際の磁気回路要件に対応するフルプロセスの技術ソリューションも提供できます。

4つ目は、産学研究連携と幅広い製品ポートフォリオです。  SDM は寧波材料技術工学研究所 (CAS) および西南交通大学と協力関係を維持し、磁性材料の進歩を継続的に追跡しています。その製品範囲は、マイクロモーターのステーターとローター、リニアモーターカー、センサー、レゾルバー、光アイソレーター、永久磁石、軟磁性コンポーネントをカバーしており、さまざまな業界のモーター設計にワンストップの磁性材料サポートを提供します。

結論

アキシャルフラックスモーターは、その平坦な構造と変換可能な電力密度により、電気自動車、人型ロボット、低空航空機の電力アーキテクチャを再定義しています。 「トルク密度」と「軽量化」を中心とするこの技術競争では、ロータの構造設計と永久磁石材料の品質が下限を決める一方で、シンプル な設計、高速な動的応答、高トルク密度を備えた表面実装構造は、 ロボットの関節や低速高トルクのハブドライブなど、高効率と低慣性が要求されるアプリケーションにおいて、かけがえのない地位を占めています。

磁気回路トポロジーの精密な最適化から永久磁石材料の高温安定性設計に至るまで、コア材料技術とローター製造プロセスの完全な連鎖を習得することによってのみ、熾烈な市場競争で真の堀を確立することができます。 SDM は、国家ハイテク企業としての資格、永久磁石における 16 年間の蓄積された経験、CAS が構築した専門家チームによる技術サポート、体系的な品質管理システムにより、表面実装アキシャルフラックスモーターローターの高い信頼性と高性能のための強固な基盤を提供します。ハブ モーターの幅広い速度範囲の課題、ロボット ジョイントの低慣性精密制御の要求、またはドローン推進における出力密度と減磁耐性の極端な要件のいずれであっても、SDM は材料からシミュレーションに至るフルプロセス エンジニアリング ソリューションを提供します。これはまさにアキシャル フラックス モーターを実験室から大規模アプリケーションに移行させる不可欠な駆動力です。