2026年 ロボティクス向けフレームレス・トルクモーター選定ガイド

フレームレストルクモーターとは

完全なハウジングやシャフトアセンブリを備えた従来のモーターとは異なり、フレームレスモーターはステーターとローターのみで構成されています。このシンプルな構造により、エンジニアはモーターをロボット関節やアクチュエータなどの機械システムに直接統合することができ、アクチュエータレイアウトのカスタマイズにおいてより高い自由度を得ることができます。さらに、フレームレス設計はスペースをより効率的に活用でき、システム全体の重量を軽減することも可能です。これは特にモバイルロボットやウェアラブルロボットにおいて大きな利点となります。

ロボティクス分野では、コンパクトな構造、高いトルク密度、柔軟な機械統合が求められる用途において、フレームレストルクモーターが広く使用されています。ステーターをロボット構造内に組み込み、ローターを可動部に直接取り付けることで、設計者は全体サイズを縮小し、不必要な機械部品を削減することができます。このアプローチにより、ダイレクトドライブまたは低減速設計の実装も容易になり、要求の高いロボット作業においてトルク制御性能と応答性を向上させることができます。

フレームレスアクチュエータを設計する際、エンジニアは通常、アウターローター（Outrunner）とインナーローター（Inrunner）のレイアウトのいずれかを選択します。それぞれはトルク、回転速度、統合の柔軟性の面で異なるトレードオフを持っています。これらの違いは、通常完全なユニットとして提供される従来のBLDCモーターとフレームレスモーターを比較する際にも有用な視点を提供します。フレームレス構造とBLDC構造の両方を理解することで、設計者は各ロボット用途に最も適したモータータイプを選択することができます。特にフレームレス設計における具体的なアウターローターおよびインナーローター構成を考慮すると、この比較はさらに実用的なものとなります。

フレームレストルクモーター vs BLDCモーター

従来のBLDCモーターは、通常、ハウジング、シャフト、ベアリングが一体化された完成ユニットとして提供されます。このパッケージ化された設計により、設置が容易であり、多くの電動駆動システムで幅広く使用されています。

これに対して、フレームレストルクモーターは、ステーターとローターのみで構成された独立した部品として提供されます。単体の装置として使用されるのではなく、これらの部品はロボット関節やアクチュエータの機械構造に直接組み込まれます。

このような構造上の違いにより、ロボットシステムを設計する際、これら2種類のモーターは異なる方法で使用されることが一般的です。

• BLDCモーターは、スタンドアロンのドライブとして設置されることが多く、ロボット関節に必要なトルクを得るためにギアボックスと組み合わせて使用されることがよくあります。

• フレームレストルクモーターは、通常、カスタムアクチュエータハウジングに組み込まれ、エンジニアがコンパクトな関節を構築し、ダイレクトドライブまたは低減速設計を実現することを可能にします。

システム設計の観点から見ると、どちらの方式が本質的に優 れているというわけではありません。むしろ、それぞれ異なるアクチュエータアーキテクチャをサポートしています。

• BLDCモーターは、統合の容易さと、多くのロボットサブシステムにおけるモジュール化された導入のしやすさを提供します。

• フレームレストルクモーターは、特にコンパクトまたは高度に統合されたロボット関節において、アクチュエータ設計の柔軟性をより高めることができます。

実際には、現代のロボットプラットフォームでは、各サブシステムの具体的な要件に応じて、両方のモータータイプが併用されることが一般的です。

主な違い

これらの違いを理解することで、エンジニアは自らのロボットシステムに最適なモーターアーキテクチャを選択することができます。

BLDCモーターについてさらに詳しく知りたい場合は、「ブラシレスDCモータの総合分析」 をご参照ください。

フレームレストルクモーターのアーキテクチャ

前述のとおり、フレームレストルクモーターはステーター（固定子）とローター（回転子）という2つの主要な構成要素で成り立っています。これらの要素は、ロボットアクチュエータにおいてトルクと運動を生成する電磁システムを形成しています。

しかし、モーターのアーキテクチャを議論する際、エンジニアはモーター構造の中でローターがステーターに対してどのように配置されているかに注目することが多くあります。このローターの配置によって、フレームレスモーターの一般的な2つの構成であるアウターローター とインナーローター が定義され、それぞれ異なる構造的および性能的特徴を持っています。

アウターローターとインナーローターの構造的な違い

アウターローターとインナーローターのモーターの主な違いは、ローターとステーターの配置位置にあります。この構造配置は、モーターのサイズ、トルク性能、そして回転速度に直接影響を与えます。

• アウターローターモーターの構造

アウターローターモーターでは、ステーターは中央に固定され、ローターがその外側を囲む回転シェルを形成します。磁石はこの外側のローターに取り付けられており、ステーター巻線の周囲を回転します。

ローターが中心から離れた位置にあるため、アウターローターモーターは一般的に直径が大きく、トルクアームが長いという特徴があります。この設計により、低回転速度でも高いトルクを発生させることができるため、強い回転力を必要とする用途で広く使用されています。

• インナーローターモーターの構造

これに対して、インナーローターモーターではローターがステーターの内部に配置されます。ステーター巻線がローターを取り囲み、モーターの中心でシャフトが回転します。

この構成では通常、モーターの直径が小さく、本体が長い形状になります。インナーローターモーターは一般的に非常に高い回転速度を実現できるため、最大トルクよりも高RPMが重要となる用途に適しています。

構造の比較（並列比較）

これらの構造的な違いを踏まえると、次にアウターローターおよびインナーローターモーターが、さまざまなロボット用途においてどのように性能を発揮するかを見ていきます。特に、トルク、回転速度、ローター慣性、そして熱特性といった観点から比較します。

アウターローターとインナーローターの主な性能の違い

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は同じ基本構成要素を共有していますが、ローターの配置構造によって、トルク、回転速度、ローター慣性、熱特性に明確な違いが生まれます。これらはいずれもロボットの性能において重要な要素です。これらの違いを理解することで、エンジニアは特定のアクチュエータ設計に最適なモーター構造を選択することができます。

トルク密度

アウターローターモーターは、同じモーターサイズにおいて優れたトルク出力を発揮します。ローターがステーターの外側を囲む構造のため、磁力が作用する有効半径が大きくなり、より長いトルクアームを得ることができます。この設計により、より大きな回転力を生み出し、連続的な負荷にも効果的に対応することが可能です。そのため、ロボットの脚部、外骨格アクチュエータ、重負荷関節などの用途で重要な役割を果たします。また、分散されたローター質量によりトルク出力が滑らかに維持され、繊細なアクチュエータ用途における振動の低減にも寄与します。

これに対して、インナーローターモーターはローターがステーター内部に配置されているため、トルクアームが短くなり、同じサイズではトルク出力が比較的低くなります。その代わり、この設計は高回転速度とコンパクトな構造に重点を置いた特性を持っています。これは、高速エンドエフェクタやスペースに制約のあるアクチュエータにおいて有利となる場合があります。減速機の追加やモーターサイズの拡大によって不足するトルクを補うことも可能ですが、これらの方法はシステムの複雑化や効率低下を招く可能性があります。

回転速度性能

最大回転速度は一般的にトルクと反比例の関係にあります。トルク重視で設計されたアウターローターモーターは、通常、最高回転数（RPM）が比較的低くなります。一方、インナーローターモーターはローター質量が小さく慣性も低いため、非常に高い回転速度を実現できます。以下の詳細比較は、それぞれのトレードオフを示しています。

性能のポイント:負荷下で安定したトルクが重要な場合はアウターローターを選択します。一方、高速動作や高速サイクルが求められる用途、特に小型ロボットアームや高速エンドエフェクタではインナーローターが適しています。

ローター慣性と動的応答

ローター慣性は、モーターが加速や制御変化にどれだけ迅速に応答できるかに直接影響します。

• フレームレスアウターロータートルクモーター:ローターが大きい → 慣性が高い → 加速は遅くなるが、大きな負荷変動時でも安定したトルクを維持できる。そのため、周期的負荷や高負荷がかかるロボット作業において予測可能な動作を提供します。

• フレームレスインナーロータートルクモーター:ローターが小さい → 慣性が低い → 加速が速く、より俊敏な応答が可能。高速操作やコンパクトで高速に動作するアクチュエータに適しています。トルクや回転速度とは異なり、慣性は主に動的応答性や制御性能に関係します。エンジニアは、アクチュエータの用途に応じて応答速度と負荷安定性のバランスを検討する必要があります。

熱性能

熱特性は、モーターの連続運転性能および動作効率に大きく影響します。

1. 発熱:どちらのモータータイプも、トルクと電流に比例して熱を発生します。ただし、ローターとステーターの配置によって熱の伝導経路は異なります。

2. 放熱経路:

• フレームレスインナーロータートルクモーター:ステーターがハウジング近くに配置 → 熱伝導経路が短い → 効率的な放熱 → 高RPMでの長時間運転に適する。

• フレームレスアウターロータートルクモーター:ステーターが中央にあり、ローターが外側シェルを形成 → 構造伝導または空気流による放熱に依存 → 長時間の高トルク運転では追加の熱管理が必要になる場合がある。

3. システム統合への影響: 適切な取り付け、冷却チャネルの設計、そして空気流管理は、負荷下でも安定した性能を維持するために重要です。したがって、熱効率はローター配置と機械的統合設計の両方によって決まります。

フレームレストルクモーターの統合設計における考慮事項

適切なモーターを選定することは、設計プロセスの一部にすぎません。たとえ最適なアウターローターまたはインナーローターモーターを選んだとしても、機械・電気・熱設計の統合が適切に行われなければ、その性能を最大限に引き出すことはできません。モーターの取り付け方法、結合方式、制御方法、そして冷却設計は、トルクの安定性、応答性、そして長期的な信頼性に直接影響します。

取り付けと機械的結合

外側に大きなローターを持つフレームレスアウターロータートルクモーターは、剛性が高く精密な取り付け構造を必要とします。取り付け部が柔軟すぎたり位置ずれがある場合、振動やトルクリップルが発生し、高負荷や繰り返し動作のタスクにおいて性能が低下する可能性があります。高剛性構造と正確なアライメントを確保することで、モーターは滑らかで予測可能なトルク出力を実現できます。これは特に、ヒューマノイドロボットの関節、外骨格アクチュエータ、産業用ロボットアームにおいて重要です。

一方、フレームレスインナーロータートルクモーターはコンパクトなローターと低慣性を特徴としており、狭いアクチュエータハウジングにも比較的容易に統合できます。ローター質量が小さいため、取り付け精度の誤差による振動の影響を受けにくく、小型ロボットアームやUAVアクチュエータのような高速かつ高精度の動作に適しています。

追加のポイント:フレームレス設計では、ベアリングの選定およびエンコーダーの統合が、ローターの機械的負荷を支えつつ高い位置精度を維持するうえで重要となります。

ダイレクトドライブと減速機

CubeMarsのフレームレスアウターローターモーターは、ダイレクトドライブ構成を実現できる場合が多く、ギアボックスを不要にすることが可能です。これにより機械設計が簡素化され、以下のような一般的な問題を回避できます。

• バックラッシュ（位置精度の低下を引き起こす）

• メンテナンス負担（ダウンタイムの増加）

• 効率損失（特に周期的な高トルク動作時）

一方、インナーローターモーターは通常、関節に必要なトルクを得るために減速機を使用します。コンパクトな設計が可能ですが、精度、効率、そして長期信頼性の面でトレードオフが生じる可能性があります。

重要なポイント:低減速比で高トルクを必要とするロボット関節の設計では、ダイレクトドライブのアウターローターを採用することで、機械構造の複雑さを抑えながらトルク性能とバックドライバビリティを維持できます。

制御電子回路とフィードバック

モーターの統合設計は、制御ループおよびセンサーフィードバックの設計にも影響します。

1.  トルク制御:ローター慣性が高いアウターローターモーターでは、大きな負荷変動時のオーバーシュートを防ぐため、電流制御を慎重に調整する必要があります。

2.  バックドライバビリティ:ダイレクトドライブのアウターローターモーターは、より滑らかにバックドライブできるため、安全な人間とロボットの協働に適しています。

3.  インピーダンス制御:フレームレスの低減速設計では、動的なロボット作業において柔軟性と精密性を両立した動作制御が可能になります。

4.  高周波制御ループ:インナーローターモーターは低慣性のため、高速加速と俊敏な応答を実現しやすく、高速センサーやドライバーと組み合わせることで高RPM動作に適します。

制御電子回路を適切に調整することで、モーターの物理特性を実際の動作性能へと効果的に変換することができます。目的が滑らかで強力な動作であれ、高速かつ高精度な動作であれ、その性能を最大限に引き出すことが可能になります。

冷却と熱統合

連続負荷下で性能を維持するためには、熱管理が極めて重要です。

• アウターローターモーター:ローターがステーターを外側から覆う構造のため、熱は主に構造伝導または空気流によって放散されます。高トルクで長時間運転する用途では、追加のヒートシンクやアクティブ冷却が必要になる場合があります。

• インナーローターモーター:ステーターがハウジングに近いため、効率的な受動冷却が可能であり、高速かつ長時間の運転に適しています。

設計上のポイント: 温度上昇によるトルク低下や部品摩耗を防ぐため、機械取り付け、空気流設計、熱伝導経路を慎重に設計する必要があります。

システムレベルでの考慮事項

統合設計の判断は、ロボットの機能要件と密接に関係しています。

• 高トルク・周期負荷の関節（ヒューマノイド脚部、産業用ロボットアーム）→ 強固な機械構造と熱管理を備えたアウターローターダイレクトドライブが有利。

• コンパクトで高速な関節（ロボットアーム、ドローン、ジンバル）→ インナーローターモーターが適しており、低慣性と高い統合性により高速加速が可能。

• 制御戦略、センサー分解能、アクチュエータの結合方式は、選択したモーター構造と一致させることで、その特性を最大限に活かすことができます。

機械設計、制御設計、熱設計を総合的に考慮することで、モーターの理論性能を安定した予測可能なロボット動作へと変換することができます。

応用例

すべての統合要素、すなわち機械構造、制御戦略、熱管理を考慮すると、モーター選択はロボットの機能要件に合わせて最適化できます。

• 高負荷・低速関節（ヒューマノイド脚部、産業用外骨格）→ 高トルクと負荷下での安定性を提供するアウターローターが適しています。

• 高速かつ高精度の動作（ロボットアーム、ドローンジンバル）→ 低慣性と高速応答性を持つインナーローターが適しています。

統合設計全体の観点から評価することで、エンジニアは単なるトルクや回転速度の数値に依存するのではなく、それぞれのモータータイプの強みを活かし、アプリケーションごとの性能目標を達成することができます。

ロボティクスにおけるフレームレストルクモーターの応用

エンジニアがモーター性能の違いと統合要件を理解した後、次のステップはロボットの種類と機能要件に応じて適切なモーター構造を選択することです。ロボットの用途ごとに、トルク、速度、応答性、そしてパッケージング制約の組み合わせが異なるため、特定のモータータイプがより適している場合があります。

ヒューマノイドロボット

ヒューマノイドロボットは、歩行、バランス維持、そしてペイロードの取り扱いを支えるために、高トルク、低減速比、そして衝撃耐性を必要とします。関節は、動的な動作中でも安定性を保ちながら、継続的な負荷に耐える必要があります。

これらの関節には、フレームレスアウターロータートルクモーターがよく採用されます。多くのヒューマノイド関節設計では、十分な関節トルクを確保しながらコンパクトなアクチュエータ構造を維持するために、RO80やより大型のRO100トルクモーターのようなフレームレスモーターが選択されます。ローター半径が大きいため、周期的な負荷条件下でも安定したトルクを提供でき、さらに高い統合柔軟性により、過度な減速機を使用することなく股関節、膝関節、足首アクチュエータへ直接組み込むことが可能です。

四足歩行ロボット

四足歩行ロボットプラットフォームは、周期的な高トルク出力と動的な移動能力を重視します。機体重量を支えながら、迅速な力制御を行う必要があります。そのため、アウターローターモーターまたはQDDアクチュエータが特に効果的です。これらは高いトルク密度と制御可能なローター慣性を兼ね備えているためです。

例:四足ロボットの脚関節では、アウターローターダイレクトドライブモーターを使用することで、安定した歩行に必要な予測可能なトルクを提供すると同時に、ジャンプや走行動作において滑らかな動的応答を実現できます。

ロボットアーム

ロボットマニピュレーターは、多くの場合、高精度かつコンパクトな関節構造を必要とします。用途によって最適なモーター構成は異なります。

• インナーローター + 減速機:高速回転と低ローター慣性を実現でき、小型で高速動作が求められるマニピュレーターに適しています。

• アウターローター ダイレクトドライブ:より重い負荷を扱うロボットアームや、周期的な作業で滑らかなトルクが必要な用途に適しています。

ポイント:スペースが限られたロボットアームでは、インナーローターの方が統合しやすい傾向があります。一方、機械部品を減らしつつ高い負荷を支える関節では、アウターローターが優れた性能を発揮します。

まとめ表（クイックリファレンス）

適切なフレームレストルクモーターの選び方

アウターローターとインナーローターの選択は、単にトルクや回転速度を比較するだけでは決まりません。最適な選択は、ロボットの負荷特性、動作速度、スペース制約、そしてデューティサイクルといった具体的な要件によって決まります。性能データ、統合設計の考慮事項、そしてアプリケーションの背景を総合的に分析することで、エンジニアはより適切なモーター選定を行うことができます。

負荷と動作プロファイルに応じたモータータイプの選択

フレームレスアウターロータートルクモーターは、高トルク・高負荷用途で優れた性能を発揮します。ローター半径が大きいため、重い周期的負荷の下でも安定したトルクを維持することができ、ヒューマノイドロボットの脚部、外骨格関節、またはペイロードを扱うロボットアームに最適です。

一方、フレームレスインナーロータートルクモーターは、高速かつ高精度の作業において優れた性能を発揮します。低ローター慣性とコンパクトなサイズにより、迅速な加速と俊敏な応答が可能であり、高速マニピュレーター、ドローン、またはスペースが限られ応答速度が重要となる小型ロボットエンドエフェクタに適しています。

モーターを選定する際、エンジニアは次の問いを考える必要があります。この関節は負荷下でのトルク安定性を優先するのか、それとも速度と応答性を重視するのか。この答えが、アウターローターとインナーローターの構造選択に大きく影響します。

システムレベルの制約を評価する

モーター性能は、ロボットシステム全体の文脈の中で評価する必要があります。

1.  スペース制約:インナーローターモーターはコンパクトなアクチュエータに組み込みやすい一方、アウターローターモーターは外側ローターのため追加のクリアランスが必要です。

2.   機械結合:アウターローターのトルク性能は、剛性が高く精密な取り付けによって最大限に発揮されます。一方、インナーローターはハウジング精度への要求が比較的低い傾向があります。

3.   制御システム設計:慣性の大きいアウターローターは、適切に調整された加速プロファイルが必要です。インナーローターは高速制御ループに適していますが、応答性の高いセンサーが求められます。

4.   熱管理:継続的な高負荷運転では追加冷却を備えたアウターローターが有利です。一方、インナーローターはコンパクトなハウジング内でも効率的に熱を放散でき、特に高速用途に適しています。

これらの制約を検討することで、モーター性能を制限したりアクチュエータの寿命を短縮したりする設計ミスマッチを防ぐことができます。

トレードオフと最終選択

単一のモータータイプが常に優れているわけではありません。選択には必ずトレードオフが存在します。

• アウターローターモーター:高トルク、負荷下で安定した性能、最高回転速度はやや低い、機械構造および熱設計の慎重な統合が必要。

• インナーローターモーター:高速回転、俊敏な応答性、コンパクトな構造、高トルク用途では減速機または高度な制御が必要になる場合がある。

実用的なアプローチとしては、まずロボットの機能要件を優先的に定義し、それに最も適したモーター構造を選択します。その後、取り付け、制御、熱管理などの統合設計を最適化することで、モーターの性能を最大限に引き出すことができます。

事例

例えば、ヒューマノイドロボットの脚部アクチュエータを考えてみます。この関節は体重を繰り返し支え、安定性を維持する必要があります。そのため、多少の加速性能を犠牲にしてでも、高トルクと予測可能な性能を持つアウターローターモーターが好まれます。

一方、小さな部品を高速で仕分けするロボットアームでは、インナーローターモーターが適しています。高速かつ高精度な動作が可能で、コンパクトなリンク構造にも組み込みやすく、高いサイクルタイムを実現できます。

これらの例は、トレードオフと統合要因を理解することで、モーター選定が単なる理論比較ではなくシステムレベルの設計判断へと変わることを示しています。これにより、ロボットは性能と信頼性の両方の目標を満たすことができます。

アウターローター vs インナーローター：クイック選定ガイド

このクイックガイドは、ロボット用途においてアウターローターとインナーローターのどちらを選択するかを検討する際に、エンジニアが考慮すべき主要な要素をまとめたものです。性能の優先順位、統合要件、そしてシステム制約を適切なモーターアーキテクチャと照らし合わせるために活用してください。

Quick Tip: すべての用途に完璧に適した単一のモーターは存在しません。最適な選択は、ロボットの機能目的を考慮しながら、トルク、速度、統合制約、制御要件のバランスを取ることによって決まります。多くの場合、まずシステムレベルの要因を評価し、その後このガイドを活用することで、より適切な選定が可能になります。

代表的なフレームレスモーターと典型用途

実際のアクチュエータ設計を検討するエンジニア向けに、以下に代表的なモーターとその用途例を示します。

結論

ロボット用途においてフレームレスアウターローターとインナーローターモーターを選択する際には、トルク、速度、ローター慣性、熱特性、そしてシステム統合のバランスを考慮する必要があります。アウターローターは高トルク、負荷支持、ダイレクトドライブ用途で優れた性能を発揮し、インナーローターは高速動作、迅速な応答、そしてコンパクトな統合に適しています。

最終的に最適なモーターは、ロボットの機能要件、スペース制約、そして制御戦略によって決まります。性能特性と統合要因の両方を考慮することで、エンジニアはさまざまなロボットシステムにおいて効率、精度、信頼性を最大化する適切な選択を行うことができます。

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