中空カップモーターとは何ですか?中空カップモーターの技術と応用

中空カップモーター （マイクロコアレスモーター）は特殊なDCモーターです。伝統的 DCモーター は工業生産、家庭用電化製品、輸送などの分野で広く使用されており、ステーターとローターの2つのコア部分で構成されています。DCモーターの固定部分はステーターと呼ばれ、ステーターの主な役割は磁界を生成することであり、フレーム、主磁極、反転極、エンドキャップ、ベアリング、ブラシ装置で構成されています。一般的に使用されるステータ磁石の材料には、Ndfeb、サマリウム コバルト、アルミニウム ニッケル コバルト、フェライトなどがあります。運転中に回転する部品をロータといい、その主な役割は電磁トルクと誘導起電力を発生させることであり、DCモータのエネルギー変換のハブとなるため、通常はアーマチュアと呼ばれ、回転軸、アーマチュアコア、アーマチュア巻線、整流子、ファンで構成されます。

中空カップモーターは、構造的に従来のDCモーターの構造形式を打ち破り、コアのないローターを使用し、電機子巻線が水のカップに似た中空のカップコイルであるため、「中空カップモーター」と呼ばれています。中空カップモーターは、DC、永久磁石、サーボマイクロモーターに属します。この新しいロータ構造により、中空カップモータは以下のような優れた特性を備えています。 ① 省エネルギー特性：コアレス設計により、鉄心の渦電流形成による電力損失が完全になくなり、エネルギー変換効率が非常に高く、最高効率は一般に70％以上、製品によっては90％以上に達することもあります（鉄心モータは一般的に70％）。 (2) 制御特性: 高速始動および高速ブレーキ、高速応答、28 ミリ秒未満の機械的時定数、一部の製品は 10 ミリ秒未満に達する場合があります (コアモーターは通常 100 ミリ秒以上)。推奨動作領域での高速走行状態での速度調整が容易に、かつ敏感に行えます。 (3) ドラッグ特性: 動作安定性は非常に信頼性が高く、速度変動は非常に小さく、マイクロモーターとして速度変動は 2% 以内に容易に制御できます。 ④軽量特性：同じパワーコアモーターと比較して、重量と体積が1/3〜1/2に減少し、エネルギー密度が大幅に向上します。中空カップモーターの中心的な指標は出力密度、つまり重量または体積に対する出力の比率です。鉄心のないローターにより、分子端の渦電流やヒステリシス損失がなくなり、エネルギー変換効率が向上します。分母側の重量と体積が減少しました。

ブラシは重要なコンポーネントです ブラシ付きモーター、回転部分と固定部分の間に電流を流す役割を果たします。より黒鉛でできているため、カーボンブラシとも呼ばれます。通常のDCモーターではローターを回転させ続けるためにローターの電流方向をリアルタイムに変える必要があるため、整流子やカーボンブラシが必要になります。ブラシレス モーターは機械的ブラシ整流モードをキャンセルするため、電子的整流を完了するにはローターの位置を検出する必要があります。ローターの位置情報を取得するには 2 つの一般的な方法があります。(1) センサーレス制御モード。モーターの動作中、ローターの位置はモーターからフィードバックされる測定可能な変数によって決定されます。位置センサー制御モードでは、モーター内部の位置センサーによりモーターローターの位置を直接検出します。一般的に使用される位置センサーは、ホールセンサー、光電エンコーダー、ロータリートランスなどです。ホールセンサーの検出精度は高くありませんが、価格が安いため、光電式エンコーダやロータリートランスの位置検出は正確で誤差が少なく、磁界配向制御や直接トルク制御などの高性能制御システムに一般的に使用されています。

中空カップモーターはその構造によりブラシとブラシレスの2種類に分けられます。 ① ブラシ付き中空カップモーター (DC ブラシ付きコアレスモーターとも呼ばれ、鉄心のないローター) : 機械式ブラシ整流子の使用。一般にシェル、軟磁性材料のインナーステーター、永久磁石ステーター、中空カップローターアーマチュア構成によって構成されます。中空カップブラシモーターに通電すると、巻線に電流が流れてトルクが発生し、ローターが回転し始めます。ローターが特定の角度に回転すると、ブラシは機械式整流子を使用して電流の方向を変えるため、出力トルクの方向は変わらず、ローターは回転し続けます。中空カップブラシモーターはブラシ整流を使用するため、モーターの動作中に一定の相対摩擦が発生し、ノイズや電気火花が発生し、モーターの耐用年数が短くなります。一般的に国内で「中空カップモーター」というとブラシモーターを指します。 ② ブラシレス中空カップモーター (DC ブラシレススロットレスモーターとも呼ばれ、鉄心のないステーター) : 一般にシェル、軟磁性材料、絶縁材料、およびステーターと永久磁性鋼ローターで構成される中空カップアーマチュアによる電子整流の使用。中空カップブラシレスモーターは、電子部品のオンオフを制御することにより、異なる巻線を回路に接続し、逆転の効果を実現します。この整流モードにより、中空カップブラシレスモーターは、高効率、小さいトルク変動、長い耐用年数、コンパクトな構造、容易なメンテナンスなどの特性を備えます。

1.2.コアバリア：巻き取り工程

中空カップモーターは加工フローが複雑で、通常のDCスロットモーターに比べて加工難易度がはるかに高くなります。 Dingzhi Technology の DC スロットレス モーター (中空カップ モーター製品) を例にとると、フロント コイルの巻線、中間ベアリング、マンドレル、サポート リングなどのコア部品の取り付けから、リア カバーの取り付け、基板の溶接ラインなどに至るまで、30 近くの工程があり、その複雑さは通常の DC スロット モーターよりはるかに複雑です。コイルの製造は、エナメル線→巻線→加熱整形→電線の被覆剥き→コモン線の接続→コイルの取り付け等の工程を経る必要があります。

中でもコイル製造は中空カップモーターの中核工程の一つです。コアレス自立巻線は、外側に塗装が施された絶縁銅線である、いわゆるエナメル線でできています。製造プロセスでは、圧力と温度を加えることにより、隣接するワイヤーの塗装が融合されます。適切な接着 (テープまたはグラスファイバー) により、巻線の強度と形状安定性がさらに向上します。これは、高電流負荷下で特に重要です。

中空カップモーターコイルの製造技術は、コイルの形成方法に応じて主に3つのカテゴリーに分けられます: 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。 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。巻線中空カップを例にとると、製造プロセスは次のステップに大別できます。 (1) 六角線ビレットコイルの巻線：傾斜巻群巻線機で行われます。 ② ワイヤーブランクコイルを 2 枚の成形された感圧テープで貼り付け、型から外して平らにします。 ③ 平坦化：形状板を素線コイルに挿入し、平坦化した後、平坦化機に送って平角線素地とします。竹スクレーパーで形を整えます。余分なテープを切り取り、ヒッチを 1 つだけ残します。リールが列を形成できるように、ヒッチは平らなストランドのわずかに盛り上がった側に残しておく必要があります。 ④コイル：平角線ブランクを中空カップコイル機のコイルに送り込んで端に接続し、線材ヘッドの表面にテープを貼り付けて中空カップコイルになります。 ⑤ エポキシの塗布・整形：エポキシ接着剤を塗布後、オーブンに入れて硬化・整形します。 3) 1つの成形生産技術。巻線機は、自動化設備により法規に従ってエナメル線をスピンドルに巻き取り、カップに巻いた後のコイルを取り出して一括成形するもので、圧延や平坦化など複数の工程を必要とせず、高度に自動化されています。

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。中空カップモーターは巻き方により直線巻き、鞍型、傾斜巻きに分けられます。 1958年にドイツのFF aulhaber博士（フォン・ハーバー）が傾斜巻コイル巻線技術を開発し、1965年に中空カップモーターの回転子コイルの傾斜巻の特許技術を取得しました。ドイツ、スイス、日本などの中空カップモーターの開発に先駆けて、巻線工程において豊富な経験を蓄積してきました。世界三大中空カップモーターのうち、スイスのマクソン社は直線巻形とサドル形が多く、ドイツのファウルハーバー社とスイスのポルテスキャップ社は傾斜巻形が多い。直線巻き巻きのプロセスはより複雑で、主に複数巻きで構成される長い巻き構造に使用されます。サドル形状により、コイルの厚さを減らし、高出力密度モーターの磁気空隙を効果的に減らし、切断磁界の長さを長くし、ステーターの磁気をより有効に利用できます。斜め巻きは初期に開発され、比較的簡単な巻き、密な配線、大量生産に適しています。

巻線は中空カップモーターの中核となる技術的障壁です。 ① 設計リンク：海外の 3 つの主要技術は 1960 年代に始まり、国内の中空カップモーターの開始が遅く、研究が少なく、材料細分グレードの組み合わせの欠如、モーターを最適化するためのローターカップタイプ、体系的な前向き設計の欠如、システム駆動スキーム構成のカスタマイズ要件と製品設計能力の欠如。 ②加工リンク：従来のブラシレスモーター、ブラシモーター、サーボモーターと比較して、中空カップモーターの構造は歯のない溝構造に属し、固定溝がなく、すべてのエナメル線は吊り下げ巻かれており、内部サポートがなく、プロセスが非常に難しく、初期歩留まりが低いです。巻き取り精度に関しては、中空カップモーターの精度要件は従来のモーターよりも高くなります。中空カップモーターは自体が小型で、一般的な永久磁石モーターやステッピングモーターに比べて誤差の許容度が低く、加工精度が磁界の安定性に直接影響します。ワイヤの太さと巻線の回数の違いにより、巻線抵抗値、起動電流、速度定数、その他のモータパラメータに大きな違いが生じます。このため、国内メーカーは生産および加工リンクの精度、歩留まり、自動化を向上させる必要があります。中国は海外に比べて巻線設備も相対的に弱い。巻線装置は自動装置と手動非自動装置に分けられます。海外と比較して、中国の巻線設備の自動化の度合いは比較的低いです。巻線装置の世界大手メーカーとしては、スイスのメテオール、日本の田中精機株式会社、ヒトテメカニカルエンジニアリング株式会社などがあります。国内企業はまだ設備が比較的空いており、数十万から数百万の価格で日本製の巻線設備をさらに購入している。中国の比較的代表的な企業には、Zhongspecial Technology、Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD.、Qinlian Technology、Kunshan Cook などがあります。

1.3 下流アプリケーション: 中空カップモーターの特性が下流アプリケーションシナリオを決定します

中空カップモーターはマイクロモーターに属し、上流の原材料は銅、鋼鉄、磁性鋼、ベアリング、プラスチックなどを含むマイクロモーターの原材料と同様です。中空カップモーターはもともと航空、航空宇宙、軍事およびその他の最先端産業で使用されていましたが、近年、その用途は医療機器、家庭用電化製品、電動工具、産業オートメーションおよびその他のシナリオなどの民間産業に徐々に拡大されました。

中空カップモーターのさまざまな性能は、さまざまな分野での用途に対応しています。1) 小型、軽量、出力対体積比が大きいという特性により、さまざまな種類の航空機などの高い重量要件が必要な分野に適しており、航空機の重量を最小限に抑えることができます。電動歯ブラシや携帯扇風機など、さまざまな家電製品にも広く使われています。 2) 素早い起動・制動と極めて高速な応答特性により、高い制御性能が要求されるミサイルの方向調整、高速光学ドライブ追従、高感度機器、産業用ロボット等、高速な自動制御が必要な分野に適しています。 3) 高いエネルギー変換効率と長時間駆動の特徴により、携帯機器や現場作業機器など、省エネや電池寿命が要求されるあらゆる分野に適しています。

ヒューマノイド ロボットは、中空カップ モーター アプリケーションの新たな青い海を切り開きます。テスラがリリースした人型ロボット、オプティマスの最新開発によると、各ハンドには 6 つのドライブと 11 の自由度があり、親指に 2 つのドライブと他の 4 本の指に 1 つのドライブがあり、ハンドは最大 20 ポンドまで運ぶことができます。ハンドジョイントモジュールは主に中空カップモーター、精密遊星減速機、ボールネジ、センサーで構成されています。中空カップモーターにより指を動かすことが可能になり、精密遊星ギアボックスによりマニピュレーターはより正確に位置決めし、より柔軟に使用できるようになり、エンコーダーにより手の高精度位置フィードバックと速度フィードバックが可能となり、センサーによりロボットが人間のような知覚機能と反応能力を持つことが可能になりました。マスク氏によれば、将来的には人型ロボットの数が人間の数を超え、長期的には1000億台の水準に達すると予想されている。中空カップモーターは、確実性の高いロボットハンドの主流の技術ソリューションです。ヒューマノイドロボットは片手に6つの中空カップモーターを使用しており、最終的な状況を考慮すると、ヒューマノイドロボットの量産が上陸すれば、ヒューマノイドロボットは10億台のレベルに達すると予想されており、中空カップモーター関連企業の収益成長を牽引します。