高度なロボティクスと高精度オートメーションでは、従来のパワートレイン コンポーネントの物理的制約がシステムのパフォーマンスと設計の小型化のボトルネックになっています。標準の内蔵モーターと機械式トランスミッションの組み合わせでは、バックラッシュが発生し、設置面積が増加し、重量が増加し、重要なシステム ユーティリティの配線が複雑になります。電力線、データ ケーブル、流体、光学部品は、多くの場合、かさばるギアボックスやモーター ハウジングの周りを不自然に配線する必要があり、障害点が生じ、可動範囲が制限されます。 中空フレームレス モーターは、 機械的コンプライアンスを排除し、機械構造に直接統合するダイレクトドライブの代替手段を提供します。このガイドでは、高性能アプリケーション向けにフレームレス アーキテクチャを指定することによる技術的な利点と統合のトレードオフを評価します。私たちは、空間効率、ユーティリティ配線、動的パフォーマンス、および厳しい公差の管理、ローターとステーターのエアギャップの維持、および次の機械構築のためのカスタム熱管理ソリューションの設計に必要な機械設計機能を調査します。
最適化された空間効率: エンドベル、ベアリング、外部ハウジングを排除することで、フレームレス モーターは全体の質量と設置面積を削減し、非常にコンパクトなジョイント設計を可能にします。
簡素化されたユーティリティ配線: 大きな内径 (中空ボア) により、ケーブル、レーザービーム、または流体ラインが妨げられることなく回転軸を直接通過できるため、外部ケーブルの摩耗や引っ掛かりの危険が軽減されます。
優れた動的性能: 負荷への直接結合により、ギアボックスのバックラッシュと機械的弾性が排除され、その結果、サーボの剛性が高まり、整定時間が短縮され、優れた位置精度が得られます。
統合の複雑さ: これらの利点を実現するには、厳しい公差を管理し、ローターとステーターのエアギャップを維持し、専用の組み立てツールを設計し、カスタムの熱管理ソリューションを設計するための、厳密な社内の機械設計能力が必要です。
フレームレスモーターは、電磁発電の最も純粋な形式を表します。外装のパッケージをすべて剥がします。トルクを生成するために必要な必須のアクティブコンポーネントのみを受け取ります。この 2 つの部分からなる構造は、別個の磁気ローターと巻線ステーターのみで構成されています。工場ではベアリング、シャフト、フィードバック装置は取り付けられていません。機械製造者は、これらの要素を最終アセンブリに統合する必要があります。あなたはコンポーネントを位置合わせし、回転質量をサポートする責任を負います。
ローターは通常、高エネルギーのネオジム鉄ボロン (NdFeB) 永久磁石を備えています。ステーターの設計は性能要件に応じて異なります。集中固定子巻線と分散固定子巻線のどちらかを選択する必要があります。集中巻により、エンドターンが短くなり、スロット充填率が高くなります。分布巻により、よりスムーズな逆起電力波形が得られます。ローターの構成も異なります。表面永久磁石 (SPM) は、ローターの外側に磁石を取り付ける設計です。内部永久磁石 (IPM) 設計は、ローター積層スタック内に磁石を埋め込み、高速動作のためのより高い構造的完全性を提供します。
ステータは積層された鋼板で構成されています。これらの積層により渦電流損失が低減されます。銅線は積層スタックのスロットを通して巻かれます。巻線パターンによってモーターの電気的特性が決まります。エンジニアは巻線を高温樹脂でカプセル化します。このポッティングプロセスにより、熱伝導率が向上し、ワイヤを環境による損傷から保護します。ローターは、表面に接着または内部に埋め込まれた永久磁石を備えたスチール製ハブで構成されています。多くの場合、保持スリーブは表面に取り付けられた磁石の周囲に巻き付けられます。このスリーブは、高速回転時に磁石が外れるのを防ぎます。
ダイレクトドライブ原理は、これらのモーターの動作方法を定義します。ローターは駆動負荷に直接接続されます。中間の機械式トランスミッションは存在しません。ベルト、プーリー、ギアボックスが不要になります。これにより、モーション コントロールの高性能ベースラインが確立されます。このテクノロジーを指定するには、特定の成功基準を満たす必要があります。アプリケーションが低速で高いトルク密度を必要とする場合は、フレームレス設計を検討する必要があります。極度の精度要件と厳しい空間的制約も、統合の取り組みを正当化します。
これらのモーターの特徴は内径が大きいことです。この中空ボアにより、集中ユーティリティ配線が可能になります。ロボットアームなどの多軸システムでは、ケーブル管理が大幅に容易になります。電源、エンコーダケーブル、空気圧ラインを中心穴を通して配線することで、ケーブルの疲労を防ぎます。ねじれや外部からの引っ掛かりの危険を排除します。機械はきれいな外観を維持します。
6 軸ロボット アームを考えてみましょう。従来の設計では、アームの外側に沿ってケーブルを配線します。これらのケーブルは、あらゆる動作に合わせて曲がります。時間が経つと内部の配線が切れてしまいます。中空のボアにより、各ジョイントの中心を直接通って内部にケーブルを配線できます。ケーブルの曲がりは最小限に抑えられます。これにより、ワイヤーハーネスの平均故障間隔が大幅に改善されます。損傷したケーブルの交換に費やす時間が短縮され、生産の実行に多くの時間が費やされます。
多くの高度なアプリケーションでは、遮るもののない中心軸が必要です。 LiDAR システムは、レーザー光線をモーターの中心に直接通過させます。レーザー加工ヘッドは光学部品をボア内に配線します。医療画像処理装置および化学処理装置は、回転軸に流体ラインを通過させます。中空設計はこれらの要件に完全に対応します。また、スリップ リングの統合も簡素化されます。ローター内部に貫通穴スリップリングを簡単に取り付けることができます。これにより、ケーブルの束縛やねじれを生じることなく、連続 360 度回転が可能になります。
フレームレスモーターは、機械の既存の構造を利用して重量を最適化します。機械フレームはモーターハウジングとして機能します。冗長な機械ケーシング、エンドベル、重い出力シャフトを排除します。この質量の削減は、モバイルおよびロボットのアプリケーションにとって非常に重要です。ロボットリンケージの遠位重量を下げると、重心が向上します。慣性が減少すると、システムの加速と減速に必要なトルクが少なくなります。
エンジニアはカスタム フォーム ファクターを非常に柔軟に指定できます。大きな直径と短い軸長を特徴とするパンケーキ プロファイルを選択できます。これらのフラットな設計は、従来の円筒形モーターが機能しない狭い空間エンベロープに適合します。マシンをモーターに強制的に適応させるのではなく、フォーム ファクターがマシンに適応します。たとえば、パン/チルト ジンバル機構では、パンケーキ モーターを使用して光学ペイロードを回転軸の近くに保つことができます。これにより、ジンバルの掃引容積が最小限に抑えられ、カメラを安定させるために必要なトルクが軽減されます。
機械的コンプライアンスを取り除くと、システムのパフォーマンスが変わります。ギアボックス、ベルト、カップリングにはねじれヒステリシスが生じます。負荷がかかると曲がります。ダイレクトドライブでは、これらの準拠要素が排除されます。負荷はローターにしっかりと結合します。これにより、優れたサーボ剛性が得られます。制御ループは、不安定になることなく、はるかに高いゲインで動作できます。
ダイナミックレスポンスが飛躍的に向上します。より高い帯域幅、より速いセトリング時間、および優れたトラッキング精度を実現します。システムはコマンドの変更に即座に応答します。最新のフレームレス設計では、スロットとポールの構成も最適化されています。傾斜した積層を使用して、トルクリップルとコギングを最小限に抑えます。これにより、非常に低速でも非常にスムーズな動作が保証されます。さらに、ギアの噛み合いをなくすことで、可聴ノイズや機械振動が低減されます。精密機械加工アプリケーションでは、この振動の欠如は、製造部品の優れた表面仕上げに直接つながります。
性能を評価するには、トルク密度と速度特性を調べる必要があります。フレームレス モーターは、アクティブな電磁気量に比べて優れた連続トルクとピーク トルクを提供します。低速、高トルク領域に優れています。内蔵モーターは通常、低速で同様のトルクを達成するためにギア減速を必要とします。直接接続は、機械的効率の低下によって電力が失われることがないことを意味します。
システム時定数も異なります。電気的時定数と機械的時定数によって、モーターの応答速度が決まります。フレームレスダイレクトドライブ設計は、多くの場合、内蔵ギアモーターと比較して優れた機械的時定数を示します。ギアボックスに固有のトランスミッションの摩擦と粘性減衰損失が排除されるため、効率が向上します。より多くの電力を有用な機械的仕事に直接変換します。
メトリック |
中空フレームレスモーター（ダイレクトドライブ） |
ギアボックス付きハウジングモーター |
|---|---|---|
トルク伝達 |
負荷に直接、低速で高トルク。 |
高トルクを得るには機械的な減速が必要です。 |
バックラッシュ |
ゼロ。 |
あり（ギアの種類により異なります）。 |
ユーティリティルーティング |
内部貫通中空ボア。 |
外部ルーティングが必要です。 |
機械効率 |
高い（伝送損失なし）。 |
低い（摩擦損失と減衰損失）。 |
統合への取り組み |
高 (カスタムハウジング/ベアリングが必要)。 |
低 (プラグアンドプレイ)。 |
サーボの剛性 |
直結のため非常に高い。 |
ギアボックスのコンプライアンスによって制限されます。 |
フレームレス モーターのサイズを決定するには、デューティ サイクルを注意深く分析する必要があります。任意の馬力指標に依存することはできません。完全な動作プロファイルにわたる熱等価 RMS トルクを計算します。これにより、連続動作中にモーターが過熱することがなくなります。ピーク トルク要件により、加速中にドライブが供給しなければならない最大電流が決まります。
ダイレクトドライブ モーターのサイズ決定には、いくつかの重要な手順が含まれます。
動作プロファイルを定義します。必要な加速、等速、減速のフェーズを計画します。
負荷慣性の計算: ローターに取り付けられたすべての可動部品の正確な慣性モーメントを決定します。
ピーク トルクの決定: 負荷慣性を目的の速度で加速するために必要なトルクを計算します。
RMS トルクの計算: デューティ サイクル全体にわたる二乗平均平方根トルクを決定し、熱要件を評価します。
モーターの選択: 計算された RMS トルクよりも高い連続トルク定格と、計算されたピーク トルクよりも高いピーク トルク定格を持つモーターを選択します。
ダイレクトドライブアプリケーションでは、慣性整合のルールが変わります。ギア付きシステムは伝統的に、安定性のために 1:1 の負荷とローターの慣性比を必要とします。直接結合では、この制限が回避されます。負荷とローターの慣性比が 100:1 以上であれば、正常に動作できます。強固な機械的接続と高度な制御アルゴリズムがこれを可能にします。これにより、モーターが十分なトルクを生成できる場合、比較的小さなモーターで大きな負荷を駆動することができます。
フレームレスの統合には、厳密な機械設計が必要です。ハウジングから外されたローターとステーターの間の正確な同心度とエアギャップを維持することは、エンジニアリング上の重要な課題です。この空隙は、多くの場合、10 分の 1 ミリメートルまで測定されます。機械加工部品の公差の積み重ねにより、このギャップが容易に消費され、壊滅的なローターとステーターの接触が発生する可能性があります。ステーター ハウジングとローター シャフトを厳密な公差に合わせて機械加工する必要があります。振れは最小限に抑える必要があります。
磁気吸引力により、組み立てに重大な危険が生じます。ローターとステーターの間の半径方向の磁気吸引力は計り知れません。非磁性の組み立て治具とガイドを使用する必要があります。適切な工具を使用せずに組み立てを試みると、コンポーネントが損傷したり、作業者が重傷を負ったりする危険があります。当社では通常、アルミニウムまたは 300 シリーズ ステンレス鋼を使用してカスタム挿入ツールを設計します。これらのツールは、半径方向の引っ張りに抵抗しながら、ローターをステーターにガイドします。
ベアリングの選択もシステム設計者に委ねられます。ラジアル磁気力に抵抗しながらペイロードを処理するベアリングを指定する必要があります。あらゆる動作条件下で、剛性の軸方向および半径方向の振れプロファイルを維持する必要があります。クロスローラー ベアリングは、フレームレス モーターのジョイントとして一般的な選択肢です。非常にコンパクトな軸方向の設置面積内で、ラジアル荷重、軸方向荷重、およびモーメント荷重を同時に処理します。
ダイレクトドライブには高解像度のフィードバックが必要です。光学式または磁気式のリング エンコーダを中空シャフトに直接取り付けると、位置合わせが複雑になります。エンコーダのリードヘッドは、スケールに対して正確な距離と方向を維持する必要があります。シャフトの振れは位置精度を直接的に低下させます。エンコーダの取り付け面は、ベアリング ジャーナルと同じ精度で機械加工する必要があります。
整流調整、つまり位相調整により、別のステップが追加されます。エンコーダのゼロ位置とローターの磁極の間の正確なオフセット角度を決定する必要があります。サーボドライブは、適切な正弦波整流のためにこの情報を必要とします。位相調整が正しくないと、動作効率が悪くなったり、回転不能になったりします。最新のドライブの多くは、ウェイク アンド シェイク アルゴリズムを使用して、電源投入時にこのオフセットを自動的に決定します。あるいは、高解像度エンコーダに切り替える前に、初期整流にホール効果センサーを使用することもできます。
熱管理の責任は完全にシステム インテグレーターに移ります。マシンのフレームは主なヒートシンクとして機能します。固定子巻線によって生成された熱を放散するには、適切な熱経路を設計する必要があります。熱放散が不十分だと、巻線の温度が上昇します。熱抵抗を最小限に抑えるために、しっかりと締まり嵌めを行うか、ステーターとハウジングの間に熱伝導性エポキシを使用する必要があります。
過度の熱は深刻な減磁の危険を引き起こします。高温により、NdFeB ローター磁石が不可逆的に減磁する可能性があります。 PTC サーミスタ、NTC サーミスタ、RTD などの温度センサーを固定子巻線に直接埋め込む必要があります。これらのセンサーにより、ドライブは温度を監視し、損傷を防ぐことができます。冷却方法はデューティサイクルに応じて異なります。機械フレームを介した受動的な伝導は、多くの用途で機能します。高連続トルクの用途では、カスタム液体ジャケットや強制空気循環などのアクティブな冷却が必要な場合があります。液体冷却ジャケットを設計するときは、熱伝達を最大化するために、ステーターと冷却スリーブの間の締り嵌めをしっかりと確保する必要があります。
医療機器はフレームレス技術に大きく依存しています。 MRI 装置、CT スキャナー、手術用ロボットの関節にはこれらのモーターが使用されています。敏感な画像環境では、非磁性の変動が存在します。中空のボアにより、イメージング コンポーネントとケーブルが回転軸を通過できます。スムーズで歯のない動きにより、外科手術に必要な正確な操作が可能になります。手術ロボットでは、外科医は触覚フィードバックに依存します。関節内の摩擦やガタがあると、このフィードバックが歪みます。ダイレクトドライブのフレームレスモーターは、正確な触覚レンダリングに必要な透明性を提供します。
航空宇宙アプリケーションでは、極端な最適化が求められます。ジンバル システム、ターゲティング ポッド、衛星通信アンテナにはフレームレス モーターが使用されています。主な価値の推進要因は、SWaP-C (サイズ、重量、電力、コスト) の最適化です。これらのダイレクト ドライブ システムは、ギアボックスが故障する可能性がある過酷で高振動の環境でも優れた信頼性を提供します。衛星アンテナのポインティング機構では、モーターは真空中で動作する必要があります。これにより、対流冷却が排除されます。システムは、ジンバル構造を介した伝導熱伝達に完全に依存する必要があります。
現代のファクトリーオートメーションはコンパクトなパワーに依存しています。協働ロボット (コボット) のジョイント、回転インデックス テーブル、および半導体製造装置はフレームレス設計を活用しています。コンパクトなジョイントパッケージで高いトルク密度を提供します。ダイレクト ドライブにより、固有受容として知られる、安全で予測可能なフォース フィードバックが可能になります。これにより、協働ロボットが衝突を感知し、人間の作業員と一緒に安全に動作できるようになります。半導体ウェーハの取り扱いでは、モーターはクリーンルームで動作する必要があります。フレームレスモーターは、ギアの歯の磨耗や潤滑剤の劣化に伴う粒子の生成を排除します。
中空フレームレス モーターは、コンパクトな統合、ゼロ バックラッシュ、高いサーボ剛性、正確な位置決め、および集中ユーティリティ ルーティングを必要とする機械にとって理想的なソリューションです。ただし、実装が成功するかどうかは、正確なモーターのサイジング、厳格なローターとステーターの位置合わせ、適切なベアリングとエンコーダーの選択、専用の組み立てツール、および効果的な熱管理にかかっています。
Shenzhen Tiger Motion Control Technology は、 高度なオートメーションおよび精密機器アプリケーション向けのモーション コントロール ソリューションを提供します。その技術サポートは、機械メーカーがモーターの選択、機械の統合、制御性能、システムの信頼性要件に対処するのに役立ちます。
モーション コントロール エンジニアと包括的な設計レビューを開始して、アプリケーションの実現可能性を評価します。
メーカーに 3D CAD モデルをリクエストして、空間エンベロープと積分点を検証します。
生産ユニットを注文する前に、特殊な非磁性アセンブリ ツールを設計および製造します。
プロトタイプの評価キットを注文して、熱性能を検証し、ループの剛性を制御します。
A: フレームレス モーターは、ベアリング、エンドベル、シャフトのない、個別のローターとステーターのコンポーネントとして供給されます。機械製造業者は、これらの能動電磁部品を独自の機械構造に直接統合します。内蔵モーターは工場で組み立てられた完全なユニットで、すぐに機械にボルトで固定できます。
A: 通常は、ステータを機械フレームに圧入するか、構造用接着剤で接着するか、機械的にクランプします。ローターは、接着剤、焼きばめ、または機械的クランプ リングを使用して被駆動シャフトに固定され、正確な同心度が保証されます。
A: 永久磁石は極端な半径方向の引張力を生成します。ローターが中心からずれて挿入されると、ローターがステーターに激しくぶつかり、指を押しつぶし、磁石が粉々に砕け散ります。組み立て時には、専用の非磁性位置合わせ治具を使用する必要があります。
A: いいえ、ダイレクトドライブ構成向けに設計されており、負荷に直接結合してバックラッシュを排除します。ただし、狭いスペースで極度のトルク増大が必要な用途では、中空シャフト波動歯車と組み合わせることができます。
A: 熱は、ステーターからホスト マシンの構造への伝導によって放散されます。高出力アプリケーションの場合、インテグレーターは周囲のハウジングにカスタムの液体冷却チャネルを機械加工します。埋め込まれた熱センサーが巻線の温度を監視し、磁石の減磁を防ぎます。
A: 大口径の光学式または磁気式リングエンコーダが最適です。これらはモーターの中空ボアプロファイルと一致しており、ケーブルとユーティリティがモーターとフィードバックデバイスの両方の中心を完全に通過できるようになります。
