コアレスモーター - ヒューマノイドロボットが未来をマスターするのを支援
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人型ロボットは人工知能の分野で輝く星となっています.
近年,人型ロボットは AI 技術の画期的な成果の 1 つとなり,次のような分野で広く応用されています.医学そしてサービス.この最先端の製品の開発を促進するために,世界中の国が人型ロボットとその主要コンポーネントに対する政策を導入し,支援を強化しています.人型ロボット産業チェーンでは,コアレスモーターは,モーションコントロールシステムの重要なコンポーネントとして,不可欠な役割を果たします.たとえば,テスラの人型ロボットの器用なハンド + は,コアレス モーターをコア コンポーネントとして使用し,各ロボットが 12 個 (各手に 6 個) のコアレス モーターを組み立てています.本稿では,コアレスモーター+についての考察として,その技術的特徴,市場の現状,将来の展望について考察します.
コアレスモーターとは
1. モーターの概念と分類
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,ワイヤのコイル (固定子巻線) を介して磁界内に力を生成し,それが回転子の回転を駆動することによって機能します.原理的に,モーターは磁場中の電流の力効果を利用して,効率的なエネルギー変換を実現します.
モーター動作の基本原理:
回転軸の周囲には永久磁石が使用されています.
回転磁場を生成することにより,磁石が動き始めます.
「同極は反発し,反対極は引き合う」という原理に基づいて回転軸を駆動します.簡単に言うと,コイル状のワイヤーに電流を流すと回転磁界が発生し,磁石が回転します.
コイルに鉄心を挿入すると,磁束経路がより集中し,磁界強度が大幅に向上します.このとき,コイルの電流と鉄心の組み合わせによってモーターの磁界が発生し,明確なN極とS極が形成され,ローターが回転します.
モーターの主要コンポーネント
ステータ:
ステーターはモーターの固定部分であり,そのコア構造には磁極,巻線,フレームが含まれます.
磁極: 鉄心とコイルで構成されており,主な機能は磁場を生成することです.
巻線: ステーターのコイルは通常,導電性と絶縁性の材料でできており,電流が流れるときに磁力を生成するために使用されます.
フレーム: 通常はアルミニウム合金で作られており,構造をサポートし,優れた耐食性と強度を提供します.
ローター：
ローターはモーターの回転部分であり,次の主要コンポーネントで構成されます.
アーマチュア: 導体と絶縁材料で作られ,電流が流れるときに磁界を生成するために使用されます.
ベアリング：通常スチールやセラミックス製で耐摩耗性,耐食性に優れ,ローターの回転を支えます.
エンドキャップ: アルミニウム合金などの材料で作られており,モーターに密閉性と構造強度を提供します.
モーターのコアコンポーネントとその原理を分析すると,コンパクトで効率的な特性を備えたコアレスモーターが人型ロボット技術の発展の重要な原動力となっていることが簡単にわかります.将来的には,技術の進歩に伴い,知能ロボットの分野におけるコアレスモーターの応用はさらに広がるでしょう.
2. コアレスモーターの定義と分類
コアレスモーターの誕生は,F. ファウルハーバー博士が最初に斜巻きコイル技術を提案した 1958 年に遡ります.1965 年に関連特許を取得し,コアレスモーターの登場が始まりました.その革新的な設計により,モーターのサイズと効率の完璧なバランスが実現されました.コアレスモーターは DC 永久磁石サーボモーターのカテゴリーに属し,主にステーターとローターの 2 つの主要部品で構成されます.ステータはケイ素鋼板とコイルで構成されており,その独自のスロットレス設計により,従来のモーターによく見られるコギング効果が効果的に回避され,鉄損と渦電流損が低減されます.ロータは永久磁石,シャフト,固定アセンブリで構成されており,リング状の永久磁石を使用しているため,加工や取り付けが容易です.
従来のモーターと比較して,コアレスモーターの最大の特徴はローター構造の革新です.従来のモーターの鉄心ローターとは異なり,コアレスモーターはコアレスローターと呼ばれる鉄のないローター構造を採用しています.内部は巻線と磁石で囲まれており,中空のカップ状構造を形成しています.
従来のモーターでは,鉄心の機能は次のとおりです.
1. 磁界の集中と誘導: 鉄心は通常,磁束を効果的に集中して誘導する高透磁率材料 (ケイ素鋼板など) でできており,これによりモーターの磁界の強度と効率が向上します.
2. 巻線のサポート: 鉄心はモーター巻線を安定してサポートし,モーター動作中の巻線の形状と位置の安定性を確保します.
対照的に,コアレス モーターは薄肉の中空円筒形ローターを使用し,巻線がローターの周りに直接巻かれているため,追加の鉄心をサポートする必要がありません.
アイアンレス設計の利点は非常に重要です.
1. 渦電流とヒステリシス損失の除去: 従来のモーターでは,鉄心が交流磁界で渦電流とヒステリシス損失を生成しやすく,モーターの効率が低下します.コアレスモーターは鉄芯がないためこれらの損失がなくなり,モーターのエネルギー変換効率が大幅に向上します.
2. 軽量化と回転慣性の低減: アイアンレス設計によりローターが軽量になり,回転慣性が低減され,その結果,応答時間,起動速度と停止速度が速くなり,高い加速と応答時間を必要とするアプリケーションに非常に適しています.
精密に設計された中空円筒構造と最適化された巻線レイアウトにより,コアレスモーターは磁場をより適切に分散し,磁気漏れを低減し,モーターの動作効率と性能をさらに向上させることができます.
コアレスモーターの分類
コアレスモーターは一般に,整流方式に基づいて 2 つのカテゴリに分類されます.
コアレス ブラシ付きモーター: このタイプのモーターは,整流に機械式カーボン ブラシを使用します.
コアレス ブラシレス モーター: このモーターは,整流に従来のカーボン ブラシの代わりに電子整流を使用します.この設計は,従来のモーターによく見られる電気火花や炭素粉塵の粒子を排除してノイズを低減するだけでなく,モーターの寿命を大幅に延ばします.
さまざまな製品を比較すると,ブラシレスコアレスモーターはカーボンブラシを必要とせず,代わりにホールセンサーを使用してローターの磁場の変化をリアルタイムで検出し,機械的な整流を整流用の電子信号に変換することが明らかです.この設計により,モーターの物理的構造が大幅に簡素化され,効率と耐久性が向上します.
| 表: ブラシ付き DC モーターとブラシレス DC モーターの比較 | ||
| カテゴリ | ブラシレスDCモーター | ブラシ付きDCモーター |
| 転流 | 電子スイッチ整流子 | ブラシは整流器部分と機械的に接触しています |
| 構造的特徴 | 一般に,ローターは永久磁石であり,ステーターは電機子です | 一般に,ローターはアーマチュア,ステーターは永久磁石です. |
| 反転方式 | 電子スイッチ整流子のシーケンスを変更する | 端子電圧の極性を変更する |
| 利点 | 良好な機械的性能,長寿命,低騒音,良好な放熱性 | 優れた機械的性能,低コスト |
| 短所 | 初期費用が若干高め | ノイズが高く,放熱性が悪く,整流にはメンテナンスが必要です |
3. コアレスモーターのメリット
コアレスモーターは,革新的なローター構造設計により,従来のモーターローターの限界を打ち破り,鉄心によって生じる渦電流損失を大幅に低減します.同時に,この設計によりモーターの重量が効果的に軽減され,回転慣性が低減されるため,動作中のローターの機械的エネルギー損失が最小限に抑えられます.全体として,コアレスモーターは,高出力密度,長寿命,高速応答,高いピークトルク,優れた放熱性能など,複数の分野で大きな利点を示します.
高電力密度
コアレスモーターの出力密度とは,単位体積または単位重量あたりの出力電力を指します.従来のモーターと比較して,コアレスモーターは鉄のないローターにより軽量で効率的です.鉄のないローターは,鉄心に起因する渦電流とヒステリシス損失を排除し,小型モーターの効率を向上させ,より小さな体積でより大きな出力とトルクを提供できるようにします.コアレス モーターの効率は通常 80% 以上に達しますが,従来のブラシ付き DC モーターの効率は一般にはるかに低く,通常は約 50% です.したがって,コアレスモーターは,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,手持ち式電動工具など,長期間の安定した動作を必要とするバッテリー駆動のデバイスに特に適しています.
高トルク密度
コアレスモーターのローターは鉄を使わない設計のため,軽量であるだけでなく,回転慣性が小さくなっているため,モーターの加減速が速く,より短時間で大きなトルクを発生することができます.さらに,鉄のないローターのよりコンパクトな構造により,コアレスモーターは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
コアレスモーターにはより多くの整流子セグメントがあり,整流プロセス中の電流変動が小さいため,インダクタンスが減少し,整流中のモーターシステムの電食が大幅に低減されます.したがって,コアレスモーターの寿命は,従来のブラシ付き DC モーターの寿命よりもはるかに長くなります.関連する研究によると,コアレス モーターの予想寿命は通常 1000 ～ 3000 時間ですが,ブラシ付き DC モーターの予想寿命は通常わずか数百時間です.
素早い応答
従来のモーターは鉄心の存在により回転慣性が大きく,応答時間が遅くなります.これに対し,コアレスモーターはコンパクトな構造で,ローターに自立型のカップ型コイルを採用することで軽量化と回転慣性の低減を実現しています.これにより,コアレスモーターに非常に敏感な始動/停止特性が与えられます.関連データによると,コアレスモーターの機械時定数は通常 28ms 未満で,一部の製品では 10ms 未満であり,従来の鉄心モーターの時定数 100ms よりもはるかに優れています.
高いピークトルク
コアレスモーターは,電流上昇時にモーターのトルク定数が安定しており,電流とトルクの間に線形関係があるため,短時間でより大きなピークトルクを実現できます.対照的に,従来の鉄心 DC モーターは,飽和点に達するとトルクを増やすことができなくなります.
優れた放熱性能
コアレスモーターのローター表面は空気の流れを可能にし,従来の鉄芯モーターよりも優れた放熱性を実現します.従来のモーターでは,鉄心ローターのコイルが珪素鋼板の溝に埋め込まれていることが多いため,コイル表面の空気の流れが少なくなり,温度上昇が高くなります.同じ出力条件下では,コアレスモーターは温度上昇が大幅に低く,熱放散がより効率的です.
4. コアレスモーターのテクニカルパス
コアレスモーターの重要な工程はコイルの製造であり,コイルの設計と巻線工程が技術的な障壁となります.ワイヤの直径,巻き数,線形特性はモータのコアパラメータに直接影響し,巻線方法はモータの効率と性能を直接決定します.
コイルの設計と巻き方
コアレスモーターの巻線設計には,主にストレート巻,スキュー巻,サドル巻があります.
ストレート巻き: この巻き方では,ワイヤーがモーターの軸と平行になり,集中巻きを形成するコイルが特徴です.この設計はシンプルですが,アーマチュアの端部で有効なトルクを発生させることができず,アーマチュアの重量と抵抗が増加します.
スキュー巻き: ハニカム巻きとしても知られるこの方法では,巻きの端部分が小さく,端の巻きが存在しない角度のある巻きが使用されます.直線巻と比較して,斜巻は電機子の重量と回転慣性を軽減し,モーターの加速能力と出力トルクを向上させます.ドイツのファウルハーバーやスイスのポルテスキャップなどのブランドがこのデザインをよく使用しています.
サドル巻き：自己融着エナメル線を使用し,複数の整形・配置工程によりスロット充填率を向上させる巻き方です.サドル巻線はエアギャップを効果的に減らし,永久磁石の利用率を高めることができるため,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この巻き取りデザインを採用しています.
これらのさまざまな巻線方法は,コアレス モーターの効率,出力,トルク出力に重要な影響を与え,モーターの製造コストと適切なアプリケーション シナリオも決定します.
巻線工程の分類
コアレスモーターのコイル成形工程は,生産技術の観点から「手巻き」「コイル巻線生産技術」「ワンステップフォーミング生産技術」の3つに分類できます.
1.手巻き
手巻きは,ピンの挿入,手巻き,手巻きの配置などの一連の複雑な手順を含む手作りの製造プロセスです.この方法は高度にカスタマイズされた製品に適していますが,生産効率が比較的低く,製品の一貫性と安定性には限界があります.したがって,このプロセスは,小ロットまたは特別な要件の生産によく使用されます.
2. コイル巻線の製造技術
コイル巻線生産技術は,エナメル線をダイヤモンド断面のスピンドルに指定された順序で巻き付ける半自動プロセスです.必要な長さに達したら,コイルを取り外し,平らにしてワイヤーボードにし,それをカップ状のコイルに巻きます.このプロセスは生産効率が高く,中規模の生産ニーズに対応できます.記事「コアレス電機子製造のためのコイル巻線プロセスと装置」のデータによると,4 人の作業員を使用する装置は年間 30,000 個の生産を達成できます.ただし,コイル巻線技術の限界は,主に直径 20-30 mm のコアレス コイルに適していることです.直径が 10-12 mm 未満の小さなコイル,特にタップ間隔が 7 mm 未満のコイルの場合,巻線はより困難になります.さらに,コイルを巻くプロセスにはかなりの手作業が必要であり,製品の一貫性に影響を与える可能性があります.
3. ワンステップフォーミング生産技術
ワンステップフォーミング生産技術では,高度に自動化された装置を使用して,特定のパターンに従ってエナメル線をスピンドルに巻き付けます.コイルをカップ状に巻いた後は,ワンステップで直接コイルを取り外すことができるため,丸めたり平らにしたりするなどのさらなるプロセスは必要ありません.この方法により,高度な自動化が実現し,生産効率が向上し,製品の一貫性が向上します.ただし,設備への初期投資も高額になります.コイル巻線技術と比較して,ワンステップフォーミング技術は,より多様なモータータイプと仕様を生産でき,コイル配置の品質と緊密性をより適切に制御できます.
| 表：巻線プロセスとワンステップ成形プロセスの比較 | ||
| 創傷プロセス | ワンショットフォーミング生産技術 | |
| 設備価格 | 低い | 高い |
| 自動化の程度 | 低いため,大規模な自動生産には適さない | 高度かつ大規模な自動生産が可能 |
| スクラップ率 | 高い | 低い |
| 総合的な技術的難易度 | 低い | 高い |
もっと見る:巻線技術は中空カップモーターのコアバリアです
コアレスモーター - ヒューマノイドロボットの中核コンポーネント
擬人化ロボットとしても知られるヒューマノイド ロボットは,人間と同様の環境で動作し対話するように設計されたインテリジェント ロボットです.これらのロボットは人間の外観と行動を模倣するように設計されており,周囲の環境を感知し,物体と人間を認識し,空間データを処理して理解し,効率的でインテリジェントなサービスを提供することができます.センサー,アクチュエーター,アルゴリズム,その他のハードウェアおよびソフトウェア システムの統合を通じて,ヒューマノイド ロボットは効率的に情報を認識し,処理し,人間のニーズに応答できます.
テクノロジーの継続的な発展に伴い,人型ロボットはさまざまな業界でますます応用されており,将来的にはスマートフォン,乗用車,その他のテクノロジーと同等の数兆ドル規模の市場になることが予想されています.産業分野,特に製造業では,マテリアルハンドリング,溶接,研磨などの高強度で危険な反復作業を人間に代わって人型ロボットが実行できます.テスラは,生産効率を高め,労働者の負傷リスクを軽減するために,自社のギガファクトリーに組立ライン作業用の人型ロボットを導入する予定です.中国原子力集団もまた,原子力発電所に人型ロボットを導入することを検討している. Foxconn は,品質管理の問題や従業員の離職率に対処し,特定の反復作業によって生じる身体的負担を軽減するために,人型ロボットを試験運用しています.サービス業も例外ではありません.強力な環境認識と人間とロボットの優れたインタラクション能力により,ヒューマノイド ロボットは,レストラン,病院,その他の場所での配達や付き添いなどのタスクを引き受けるだけでなく,家庭環境でのホームケア提供者やコンパニオンとしても機能します.たとえば,米国に本拠を置く Apptronik 社のロボットである Apollo は,主に倉庫管理に使用され,商品の輸送を支援します.バッテリー寿命は 4 時間です.優秀テクノロジーが開発した汎用人型ロボット「G1」は,ボトルのキャップを開けるなどの細かい動作が可能.
人型ロボットの構造は,大きく実行系,知覚系,その他の系に分けられます.実行システムには主にリニア アクチュエータ,回転アクチュエータ,器用な手が含まれます.認識システムには,技術的なパスに応じて,視覚センサー,ミリ波レーダー,慣性航法システム,その他のデバイスが含まれます.他のシステムには,チップやバッテリーなどの主要コンポーネントが含まれています.器用な手は,実行システムの重要なコンポーネントの 1 つとして,コアレス モーターと遊星ギアボックスの連携に基づいて動作します.コアレスモーターは遊星ギアボックスを駆動して逆反力を生成し,その反力がヒンジやその他の接続部を介して指の関節を引っ張り,回転運動を直線運動に変換します.順方向または逆方向の電圧を印加することで,コアレスモーターはフィンガーの伸縮を制御し,物体を掴んだり解放したりすることができます.
テスラのオプティマス ロボットを例に挙げると,その器用なハンドは,コアレス モーター,高精度遊星ギアボックス,ボールネジ,センサー,エンコーダーで構成されています.コアレスモーターはハンドのアクチュエーター部品のコストの約50％,ロボット単体の総コストの約4～4.5％を占めます.器用な手はそれぞれ 6 つのモーターによって駆動され,親指部分には 2 つのコアレス モーター モジュールが取り付けられており,伸ばす動作とひっくり返す動作を同時に実行します.他の各フィンガーは 1 つのコアレス モーター モジュールによって駆動されます. 6 つのモーター モジュールがウォーム ギアおよび腱システムと連携して,手の柔軟かつ正確な操作を実行します.
さらに,人型ロボットには,フレームレス トルク モーターという別の重要なコンポーネントも含まれています.フレームレス トルク モーターは,通常,関節などの高トルクが必要な領域で使用されます.コアレスモーターはサーボモーターの一種で,制御精度が高く,応答速度が速いため,精密さや応答性が求められる器用な手先などに広く使用されています.この記事はコアレス モーターに焦点を当てているため,フレームレス トルク モーターの詳細な分析については詳しく説明しません.
コアレスモーターの市場規模推計
1. 現在,人工知能の急速な発展により,ロボットの 2 つの重要な課題,つまり知能の欠如とアプリケーション シナリオの欠如が解決されました.同時に,人型ロボットのハードウェアも急速に改良されています.国内の産業チェーンのレイアウトは迅速なコスト削減に役立ち,それによって人型ロボットの普及の基礎を築きました.この記事では,人型ロボット市場の成長は次の 3 段階で起こると考えています.
ステージ 1: 2024-2026: 主に政策と資本によって推進され,企業は徐々に人型ロボットの量産段階に入ることが予想されます.最初の 3 年間は,商業用途の焦点は,産業市場の非構造化ニーズに応え,従来の産業生産ラインを補完することにあります.この段階では,人型ロボットの売上高の年間平均成長率 (CAGR) は約 50% になると予想されます.
ステージ 2: 2027-2030: サプライチェーンにおける継続的なコスト削減と効率向上,および継続的な技術的進歩により,人型ロボットは潜在的な家庭やサービス市場分野で徐々に普及し,普及し,その応用可能性は継続的に高まります.探検した.この段階における人型ロボットの売上の CAGR は約 100% になると予想されます.
ステージ 3: 2030 年以降: 高齢者の介護,心の友愛,軍事用途などの需要が人型ロボットの成長の主な原動力となり,市場の長期的な上昇傾向につながります.この段階における人型ロボットの売上の CAGR は約 20% になると予想されます.
2. 価格の観点から見ると,国内および国際市場におけるコアレスモーターの現在の平均単価は,1 個あたり 1200 RMB です.今後も価格が安定すると仮定します.
3. 各ヒューマノイド ロボットで使用されるコアレス モーターの数が現在と同じであると仮定します.つまり,ロボットあたり 12 個のモーターです.
推計によると,2028年から人型ロボット分野におけるコアレスモーターの市場規模増加は10億元レベルに達すると予想されている. 2030年までに,人型ロボット分野の市場規模は,他の分野を合わせた市場規模の40％を超えると予想されています.
| 表：人型ロボットがもたらす中空カップモーターのスケール増分の推定 | |||||||||
| 2024 | 2025 | 2026 | 2027 | 2028 | 2029 | 2030 | 2031 | 2032 | |
| 人型ロボットの販売 (10,000 台) | 1 | 1.5 | 2.25 | 4.5 | 9 | 18 | 36 | 43.2 | 51.84 |
| 人型ロボット売上高(前年比) | 50% | 50% | 100% | 100% | 100% | 100% | 20% | 20% | |
| デバイスあたりの中空カップモーターの数 (ユニット) | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| この分野の中空カップモーターの販売(10,000台) | 12 | 18 | 27 | 54 | 108 | 216 | 432 | 518.4 | 622.08 |
| 中空カップモーターの単価(元) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 中空カップモーターの市場規模拡大(10,000元) | 12000 | 18000 | 27000 | 54000 | 108000 | 216000 | 432000 | 518000 | 622080 |
コアレスモーターの競争環境
国際的には,コアレスモーターの製造は,その高度な技術と競争上の優位性,それに適合する高度な巻線装置技術と高度な自動化により,長い間高い市場シェアを維持しており,先行者利益をもたらしています.世界的な業界リーダーには,スイスの Maxon,ドイツの Faulhaber,スイスの Portescap などがあります.中国市場の代表的な企業としては,2011年に設立されたVSD社が挙げられる.中国でのコアレスモーターの製造は後発であり,海外企業と比べると一定の技術差がある.しかし,中国の完全な産業チェーンの強力な優位性とエンジニアの人材プールの恩恵を受けて,急速な追い上げが期待されています.
Maxon (スイス): Maxon は 1961 年に設立され,世界 40 か国に約 3,300 人の従業員を擁しています.同社は 2022 年に 7 億 800 万スイス フランの売上高を達成し,年間生産量は 500 万個,製品種類は約 12,000 となりました.同社の製品には主に,ブラシレスおよびブラシ付き DC モーター,さまざまなギアボックス,センサー,エンコーダー,サーボ アンプ,位置コントローラー,CIM および MIM コンポーネント,顧客のニーズに合わせたカスタム ソリューションが含まれます.コアレスモーターの直径は 4-90 mm で,出力は 1.2-400 ワットです.トルク性能に優れ,高出力,広い回転範囲,長寿命を実現します.
Faulhaber (ドイツ): 独立した家族経営の Faulhaber のドライブ技術は,精密工学とモーター技術の優れた例です. Faulhaber は,ドイツ,スイス,米国,ルーマニア,ハンガリーに研究開発および生産センターを持ち,30 を超える国と地域に広がるネットワークと 2,300 人を超える専門従業員を擁しています.同社のブラシレスコアレスモーター B-Micro の最小サイズは 3mm,ブラシレスコアレスモーター 0615N1.5S の最小サイズは 6mm です.
Portescap (スイス): Portescap は 1931 年にスイスで設立され,当初は時計製造業界に焦点を当てていましたが,1959 年に革新的なコアレス ローター DC モーター EscapTM を導入し,ミニチュア モーター業界に参入しました. 2023年にRegalRexnordに買収されました.同社のマイクロモーター製品は,医療機器からさまざまな産業用途に至る最終市場の伝送ニーズを満たします.
VSD (中国): 2011 年に設立された VSD は,当初は中国で急速に発展し,数年以内に急速に中国有数のマイクロモーター メーカーの 1 つに成長し,国際的に拡大し始めました.すでにMontaplast,Panasonic,Philipsなどの有名な国際企業と提携しており,信頼と賞賛を得ています.同社の総工場面積は10,000平方メートルを超え,ブラシ付きモーターとブラシレスモーターの個別の生産施設,数百台の高度な自動機械(高度な巻線機を含む),数十人の経験豊富な研究エンジニア,数百人の現場従業員がいます. ,毎日 200,000 個のモーターを生産します.
