ロボット フレームレス トルク モーター: アウター ローター vs.インナーローター - 構造の違いと適用シナリオ

導入

人型ロボットの機敏な回転と正確な把握の背後には、静かに働く「筋肉」のグループが存在します。 フレームレストルクモーター。これらのモーターは、従来のモーターのかさばるハウジングを取り除き、コア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ます。裸の「原動機」と同様に、これらはロボットの関節構造に直接組み込まれ、肩、腰、膝などの主要な関節を極めてコンパクトかつ超高トルク密度で駆動するという重要なタスクを引き受けます。

ただし、フレームレス トルク モーターは、万能のソリューションではありません。ローターとステーターの相対位置に応じて、 アウター ローター と インナー ローターの 設計という 2 つの主要な流派に分けることができます。この 2 つは構造的に異なり、それぞれに独自のパフォーマンス上の強みがあり、アプリケーションでは明確な分業を示しています。 Tesla の Optimus の回転ジョイントと MIT Cheetah 四足歩行ロボットの固有受容アクチュエーターは両方とも、これら 2 つの構成の間で意図的な選択を行っています。

01 基本的な理解: フレームレス トルク モーターとは何ですか?

アウターローターとインナーローターの違いを理解するには、まずフレームレストルクモーター自体の基本を理解する必要があります。

従来のモーターは、完全なパッケージ化されたユニットです。ハウジング、エンド キャップ、ベアリング、シャフトが付属しており、電源に接続すると回転できる内蔵型の電源モジュールとなります。フレームレス トルク モーターは、この概念を完全に覆します。 ステーターとローターという 2 つの独立したコンポーネントのみで構成され、ハウジング、ベアリング、出力シャフトはありません。

このミニマルなデザインは、フレームレス トルク モーターをスタンドアロン デバイスから機械構造に直接統合できる「パワー セル」に変換します。エンジニアはステーターをロボットのジョイントハウジングに固定し、ローターを負荷シャフトに直接取り付けることで、モーターからジョイントへの動力伝達「ゼロトランスミッションチェーン」が可能になります。

この設計の中核的な利点は非常に大きく、スペース利用率が大幅に向上し (体積が 30% 以上削減)、トランスミッションのバックラッシュが排除され、95% 以上のトランスミッション効率が達成され、ジョイントの特定の寸法とトルク要件に基づいて高度なカスタマイズが可能になります。

どちらもステーターとローターの組み合わせであるとすると、アウターローターとインナーローターの正確な違いは何でしょうか?

02 解読された構造: ローターの「内側」と「外側」が異なる場合

アウターローターモーターとインナーローターモーターの基本的な違いは、一言で言えば「 ローターとステーターの位置関係が完全に逆転している」ということです。.

インナー ローターの 構成は、より「伝統的な」設計アプローチを表しています。インナーローター フレームレス モーターでは、ローター (永久磁石を含む) がモーターの中心に位置し、ステーター巻線がローターの外側を取り囲み、巻き付けられます。ローターは出力軸を介して負荷と接続されており、全体としては細長い形状となっています。この構成は一般的な産業用モーターの系譜に従っており、エンジニアは深い設計経験を持っています。

アウター ローターの 形状は「裏返し」設計です。アウターローターフレームレスモーターでは、ステーター巻線が中央のベースに固定されており、ローターは中空のカップ型シェルに似ており、ステーター全体を外側から包み込んでいます。ローターシェル自体が回転部品であり、機器の負荷に直接接続されているため、全体の構造がより平坦になります。

簡単に言うと、インナー ローター モーターを「裏返し」にします。もともと外側にあったステーターを内側に移動し、もともとインナー ローターを外側にひっくり返すと、アウター ローター モーターが得られます。この構造の逆転は、パフォーマンスからアプリケーションに至るまで、あらゆる点で包括的な相違をもたらします。

03 パフォーマンス対決：6次元比較

構造的な「反転」は、アウターローターモーターとインナーローターモーターの大きく異なる性能特性を直接決定します。以下に、6 つのコア ディメンションにわたる詳細な比較を示します。

1. トルク出力：アウターローターの「剛力」

トルク能力は、アウターローターモーターの最も顕著な性能ラベルです。同じ体積と電流が与えられた場合、アウター ローター フレームレス モーターはインナー ローター モーターよりも 30% ～ 50% 高いトルク出力を実現します。理由は単純で、トルク＝力×レバーアームです。アウターローターは回転半径が大きく、レバーアームも長いため、同じ電磁力でも当然より大きなトルクを発生します。この利点は、低速で高負荷のシナリオで特に顕著です。

2. スピードとダイナミックなレスポンス: インナーローターの「クイックステップ」

インナーローターモーターはローターが中心にあるため、回転慣性が低くなります。これにより、発進、停止、加速時の機敏性が向上し、より速い動的応答が可能になります。さらに、インナーローターモーターは通常、極対が少なく、速度が速いため、高速動作や頻繁な起動と停止が必要なアプリケーションに適しています。ローターの質量が大きく慣性が大きいため、アウターローターモーターの動的応答は比較的遅くなりますが、速度変動が少なくよりスムーズに動作します。

3. 放熱性：アウターローターの「内蔵ラジエーター」

アウターローターモーターのローターシェルは空気と直接接触するため、放熱面積が大きくなります。熱を素早く外部環境に放出することができるため、長時間のハイパワー運転に適しています。インナーローターモーターでは、ステーター巻線がアウターローターに囲まれているため、熱が内部に閉じ込められ、放散が困難になります。これには、熱管理のためにモーターベースまたは追加の熱伝導構造に依存する必要があります。この違いは、継続的な高負荷条件下では重要になります。

4. 制御精度：それぞれに強みがある

測位精度に関しては、この 2 つは興味深い相補性を示しています。インナーローターモーターは、動的応答が速く、位置決め応答速度が要求されるアプリケーションに適しています。アウターローターモーターは、スムーズな動作と低トルクリップルを備えており、厳しい位置決め精度と動きの滑らかさが要求されるシナリオに適しています。

5. 構造の複雑さと設置の難しさ

アウターローターのシェルは、磁束伝導、熱放散、永久磁石の支持という複数の機能を同時に実行する必要があります。これにより、材料と製造プロセスに対する要求が高まり、コストが比較的高くなります。取り付けには、ステーターとローター間のエアギャップの均一性と同軸性の正確な制御も必要となるため、インナーローターモーターよりも困難になります。インナーロータ型モータは構造が比較的シンプルで低コストであるため、現在人型ロボット分野では主流となっています。

6. スペース利用と統合手法

インナーローターモーターはコンパクトで細長い構造となっており、狭い接合スペースへの組み込みに適しています。アウターローターモーターは平らなパンケーキのような構造をしており、ロードローラーやフランジに簡単に直接接続でき、ハブドライブや巻線装置などの用途に独自の利点をもたらします。

直感的に比較できるように、以下の概要表を一目で確認できます。

 

04 アプリケーションマッピング: ロボット関節の役割分担

パフォーマンスの違いが「ハードパワー」である場合、アプリケーション シナリオの分割は、これらの違いを実際の現場に鮮明に反映します。ロボット工学では、インナーローターモーターとアウターローターモーターはそれぞれ異なる役割を果たします。

インナーローター: 俊敏な動きの「主力」

ヒューマノイドロボットでは、慣性が低く応答が速いインナーローターフレームレストルクモーターが、腰や肩など、頻繁な起動、停止、素早い姿勢調整を必要とする関節に最適です。現在、 人型ロボットのフレームレス トルク モーターの選択の 70% 以上を占めています。.

Tesla Optimus のロータリー ジョイントは、インナー ローター フレームレス トルク モーターを高調波減速機やトルク センサーと組み合わせて広範囲に使用し、肩や腰などの大きな関節に爆発的な力と精度を組み合わせた出力を提供します。四足ロボットの分野では、オリジナルの MIT Cheetah も固有受容アクチュエータの設計にインナー ローター構成を選択しました。

アウターローター: 耐荷重性と耐衝撃性の「パワーハウス」

アウターローターモーターの高トルクと優れた滑らかさは、重負荷のジョイントには欠かせないものです。国内企業は、アウターローター フレームレス モーターで産業上の進歩を遂げ、最大出力トルク 285 Nm を達成しました (比較のために、主流のインナーローター モデルのピークは 50 ～ 150 Nm)。これらのモーターは定格トルクの 5 倍の耐衝撃性テストに合格し、ジャンプや荷重負荷などの高強度の動作を静かに処理できます。

産業用ロボット分野では、高トルクと精度が要求される腰関節や手首関節などにアウターローターモーターが広く使われています。 MIT Cheetah Miniは、四足ロボットの中でもアウターローター構造を採用し、平坦な構造と高トルクの利点を最大限に活かし、コンパクトな関節設計を実現しました。

クロスオーバー アプリケーション: ロボット工学からより広い世界へ

これら 2 種類のモーターの応用範囲は、ロボットの関節をはるかに超えています。アウターローターモーターは、フラットな構造と高トルク特性を備え、ハブドライブ（電動自転車、電動スクーター）、医療用画像機器（CTスキャナーの回転部品）、精密ジンバルなどで優れています。インナーローターモーターは、その高速応答性を活かし、高速スピンドル（CNC機械、彫刻機）やドローン推進システム、各種小型サーボシステムなどに幅広く使用されています。協働ロボットと外骨格には、どちらも独自の強みがあります。外骨格のシナリオでは、遊星ギアボックスが統合されたアウター ローター モーターが使用される傾向がありますが、協働ロボットでは主に、高調波減速機と統合されたフレームレス トルク モーターが採用されます。

05 技術動向と市場展望

フレームレス トルク モーターは急速な発展の黄金時代を迎えています。 QYResearch によると、フレームレス トルク モーターの世界売上高は 2025 年に 54 億 6,100 万人民元 (約 8 億 300 万米ドル) に達し、2032 年までに 96 億 3,000 万人民元 (約 14 億 1,600 万米ドル) まで成長し、年平均成長率は約 8.4% になると予測されています。

この成長の中心的な原動力は、人型ロボット産業の爆発的な成長です。ある調査によると、2030年までに人型ロボットモーターの世界市場規模は917億6,000万人民元に達し、人型ロボット用のフレームレストルクモーター部門だけでも23億9,700万米ドルに達する可能性があると予測されています。

技術進化の観点から見ると、アウター ローターとインナー ローターは別々の開発途上にあります。インナー ローター モーターは、より高い出力密度とより低いコギング トルクを目指して最適化を続けており、人型ロボットのジョイントにおける主流の地位を強化しています。アウターローターモーターは、より高いトルク出力とより優れた熱設計に向けて進歩しています。一方、製造プロセスが成熟するにつれてコストは徐々に低下しており、より過酷な接合部や産業シナリオで従来のソリューションに取って代わることが期待されています。

06 概要と選択に関する推奨事項

アウターローターとインナーローターのフレームレストルクモーターには絶対的な優位性はありません。重要なのは、  「関節に合わせてモーターを調整する」ことです。 次の選択原則が参考になります。

• 負荷を考慮する: 重負荷、低速、高トルクの関節 (股関節や膝など) の場合は、アウター ローター モーターを優先します。軽負荷、高速、頻繁に起動/停止する関節 (肩や手首など) には、インナーローター モーターが適しています。

•  スペースを考慮する: 軸方向のスペースは十分にあるものの、半径方向のスペースが狭い細いジョイントの場合は、インナー ローター モーターがよく適合します。フラットな設計を必要とする半径方向のスペースが比較的緩やかなシナリオでは、アウター ローター モーターには明らかな利点があります。

• 冷却条件を考慮する: 冷却が自然対流に依存する長時間の高負荷運転の場合、アウター ローター モーターの信頼性が高くなります。

• コストと設置を考慮する: 予算が限られている場合、または迅速な統合が必要な場合は、インナーローター モーターがより実用的な選択肢となります。トルクの滑らかさと耐衝撃性が極めて要求される用途では、アウターローターモーターは投資する価値があります。

• 精度要件を考慮する: 位置決め応答が速いインナーローターモーターを選択してください。動きの滑らかさと位置決めの精度を高めるために、アウターローターモーターを選択してください。

人型ロボットが研究室から量産に移行するにつれて、フレームレス トルク モーターの技術の反復と工業化が加速しています。アウターローターとインナーローターの核となる違いを理解することは、さまざまな位置の関節に適切な「筋肉」を選択するのと同じように、エンジニアが複雑な選択を決定する際に最適なソリューションを見つけるのに役立ちます。それぞれに最適な力の発揮方法があります。