インナーローターとアウターローターのフレームレスモーターの違いとは？構造・性能・用途を比較

ロボット、協働ロボットアーム、ヒューマノイドロボット、外骨格型ロボットなどの駆動システムを設計する際、コンパクトな構造と柔軟な統合性を備えたフレームレスモーター（Frameless Motor）は、エンジニアからますます注目を集めています。

フレームレスモーターを選定する際、モーターのサイズ、トルク、回転速度に加えて、エンジニアは重要な問題についても検討する必要があります。インナーローター型フレームレスモーター（Inrunner Frameless Motor）とアウターローター型フレームレスモーター（Outrunner Frameless Motor）にはどのような違いがあるのでしょうか。また、どちらが自分のロボットプロジェクトに適しているのでしょうか。

両者の主な違いは、ローターとステーターの相対的な配置にあります。インナーローター構造ではローターがステーターの内側に配置され、アウターローター構造ではローターがステーターの外側に配置されます。この構造上の違いは、モーターのトルク出力、回転慣性、空間レイアウト、システム統合にも影響します。

フレームレスモーターとは？

フレームレスモーターとは、一般的にステーターアセンブリとローターアセンブリを主要な構成部品として提供するモーターです。完全なハウジング、出力軸、独立した支持構造を備えた従来型モーターとは異なり、フレームレスモーターは機器自体の機械構造に直接組み込むことができます。

この設計により、エンジニアは機器の空間レイアウト、負荷要件、伝達機構に応じて、モーターマウント、ローター接続部品、ベアリング支持構造、放熱構造を設計できます。

フレームレスモーターの主なメリットは次のとおりです。

• 柔軟な機械統合：モーターをロボットの関節やその他の機器構造に直接組み込むことができ、不要な機械的パッケージングを削減できます。

• コンパクトなシステム設計：モーターと機械構造を一体化することで、駆動アセンブリ全体のサイズを小さくできる可能性があります。

• カスタマイズ可能な伝達機構：用途の要件に応じて、減速機、エンコーダー、ベアリング、その他の機械部品を組み合わせることができます。

• 高精度なモーション制御に適している：適切なドライバー、センサー、制御アルゴリズムと組み合わせることで、滑らかで精密な動作が求められるシステムに使用できます。

なお、フレームレスモーターであっても、外部の機械的支持構造が不要になるわけではありません。実際の用途では、ローターの確実な固定、ステーターの取り付け、ベアリングによる支持、絶縁、放熱などについて、エンジニアが適切な設計を行う必要があります。

インナーローター型とアウターローター型フレームレスモーター：構造上の違いとは？

インナーローター型とアウターローター型のフレームレスモーターは、基本的に類似した電磁動作原理を採用していますが、ローターとステーターの配置が異なります。

1. インナーローター型フレームレスモーター：ローターがステーターの内側に配置される構造

インナーローター型フレームレスモーターでは、ローターがステーターの内側に配置されます。ステーター巻線は外部の支持構造に固定され、ローターはステーターの内側で回転します。

この構造では、一般的にローターの回転半径が小さくなります。その他の条件が同等であれば、回転半径が小さいほど回転慣性を低減しやすくなります。そのため、動的応答、加減速性能、モーション制御に高い要求がある用途に適しています。

インナーローター型モーターは、さまざまな外部取り付け構造にも対応しやすく、精密制御、コンパクトなレイアウト、比較的高い回転速度が求められる駆動システムに適しています。

2. アウターローター型フレームレスモーター：ローターがステーターの外側に配置される構造

アウターローター型フレームレスモーターでは、ローターがステーターの外側に配置され、一般的にリング状またはカップ状の構造でステーターの周囲を回転します。

電磁的な相互作用が生じる領域を、より大きな有効半径に配置できるため、アウターローター構造では一般的に、より長いモーメントアームを確保できます。モーターの体積や設計条件が同程度であれば、このレイアウトはより高い出力トルクの実現に役立ちます。特に、低速で大きなトルクが必要な用途に適しています。

アウターローター構造は、ローターが関節の周囲を回転する設計にも使用でき、モーターと関節ハウジング、出力構造をコンパクトに統合できます。ただし、機械設計の段階では、外側の回転部品のサイズや慣性に加え、必要な保護対策についても慎重に検討する必要があります。

3. 2つの構造の主な違い

以上は一般的な構造上の傾向であり、すべてのモデルが必ずしも同じ性能特性を示すわけではありません。実際の性能は、電磁設計、巻線、寸法、材料、動作電流、放熱条件などにも左右されます。

インナーローター型とアウターローター型フレームレスモーターの性能比較

モーターを選定する際、ローターが内側にあるか外側にあるかだけで、どちらの性能が優れているかを判断することはできません。ロボット用途では、構造上の違いが実際の動作要件にどのような影響を与えるかを分析することが、より重要です。

1. トルク出力：アウターローター構造は一般的に半径の面で有利

モーターのトルクは、作用する力とそのモーメントアームに関係しています。モーターでは、その他の条件が同等であれば、有効な電磁作用半径を大きくすることで、トルク出力を高めやすくなります。

アウターローター型フレームレスモーターでは、ローターがステーターの外側に配置されるため、一般的に、より大きな有効半径を利用できます。そのため、限られたスペースで比較的高いトルク出力を実現するうえで、構造上の利点があります。

負荷を支えるシステム、ロボット関節を駆動するシステム、または低速で回転するシステムでは、アウターローター構造を重点的に検討する価値があります。

ただし、アウターローター型モーターが常に高いトルクを発生できるという意味ではありません。実際の選定では、構造の種類だけで判断するのではなく、連続トルク、ピークトルク、トルク定数、許容電流、熱的制限を比較する必要があります。

2. 動的応答：ローター慣性と負荷慣性を考慮する

ロボットのモーション制御では、モーターは加速、減速、方向転換を頻繁に行う必要があります。そのため、回転慣性は重要な設計パラメータです。

インナーローター型フレームレスモーターでは、回転部品が比較的小さな半径内に集中する傾向があり、ローター慣性を低減しやすくなります。これは、高速応答、頻繁な起動・停止、精密なモーション制御が求められる用途で特に重要です。

アウターローター構造では、回転する質量がより大きな半径に分布するため、ローター慣性が大きくなる可能性があります。高い動的応答が求められる関節では、この慣性がシステム要件を満たしているかを確認する必要があります。

ただし、実際の応答性能は、負荷慣性、減速機、コントローラーの帯域幅、電流ループの性能、制御アルゴリズムにも密接に関係しています。駆動システム全体の応答速度を、インナーローター構造かアウターローター構造かという違いだけで判断することはできません。

3. 回転速度とトルク：モーター特性曲線を用いて総合的に評価する

同じ電圧で、その他の条件が同等である場合、モーターの回転速度性能は、逆起電力定数、巻線設計、コントローラーの電源供給能力などの要因に左右されます。

インナーローター型モーターは、比較的高い回転速度や高速な動的応答が求められるシステムによく使用されます。一方、アウターローター型モーターは、より大きな有効半径や高いトルク出力が求められる用途によく使用されます。ただし、これらは一般的な設計傾向であり、絶対的なルールではありません。

モーターを選定する際は、次の項目を総合的に確認してください。

• 無負荷回転速度と定格動作回転速度

• 連続トルクとピークトルク

• トルク－回転速度特性曲線

• 逆起電力定数とトルク定数

• ドライバーの電圧、電流、速度制御範囲

高回転速度と高トルクを同時に必要とする用途では、最大回転速度とピークトルクを個別に比較するのではなく、目標動作点においてモーターが実際にどの程度の性能を発揮できるかを重点的に確認してください。

4. 放熱と熱管理：機械設計全体に左右される

フレームレスモーターでは、一般的に取り付け構造を通じてステーターから熱を逃がします。ステーターとハウジングの接触面積、材料の熱伝導率、取り付け公差、周囲温度、冷却方法は、いずれもモーターの連続出力能力に影響します。

インナーローター構造かアウターローター構造かという違いだけで、どちらの放熱性能が優れているかが決まるわけではありません。実際の設計では、ステーターの固定方法、熱伝導経路、連続運転時の温度上昇に注目する必要があります。

ロボット関節のようにスペースが限られた用途では、モーターが短時間で高いピークトルクを発生できる場合でも、実際のデューティサイクルにおいて継続的に動作できるかを検証する必要があります。

インナーローター型とアウターローター型フレームレスモーターは、それぞれどのような用途に適しているのか？

1. ヒューマノイドロボット

ヒューマノイドロボットの股関節、膝関節、肩関節、肘関節では、駆動システムに求められるトルク、重量、スペース、動的応答の要件がそれぞれ異なります。

高速応答が求められる軽量関節には、インナーローター構造を候補として検討できます。一方、より高いトルク出力が必要で、周囲を囲むような機械レイアウトに適した関節では、アウターローター構造も検討する価値があります。

選定にあたっては、関節のピーク負荷、連続動作のデューティサイクル、減速機の構成、ロボット全体の重量を考慮する必要があります。ロボットの種類だけを基準に、モーター構造を決定すべきではありません。

2. 協働ロボットアーム

協働ロボットアームでは、一般的にコンパクトな構造、滑らかな動作、制御精度を両立させる必要があります。フレームレスモーターは関節構造に直接組み込むことができるため、独立したモーターハウジングが占めるスペースを削減し、機械設計の自由度を高めることができます。

このような用途では、インナーローター構造とアウターローター構造の比較に加えて、次の項目も考慮してください。

• 低速運転時の滑らかさ；

• コギングトルク；

• 負荷慣性と動作応答；

• ステーターの放熱性能と連続運転能力；

• エンコーダーの構成と制御システムの性能。

3. 外骨格型ロボットとウェアラブルロボット

外骨格型ロボットでは、限られたスペースと重量の範囲内で適切な補助トルクを発生させるとともに、装着者の動きを妨げないようにする必要があります。

インナーローター型フレームレスモーターは、軽量で高い動的応答が求められる駆動システムの候補となります。実際の用途では、関節の取り付けスペース、人間の可動範囲、伝達効率、騒音、長時間運転時の熱的快適性についても考慮する必要があります。

4. 精密回転プラットフォームと自動化設備

精密回転プラットフォーム、検査装置、産業オートメーション機構では、モーターの構造が取り付け方法、回転慣性、伝達システムのレイアウトに影響します。

ダイレクトドライブや低速での高トルクが必要な用途では、アウターローター構造を検討できます。一方、回転部品の慣性や動的制御をより重視するシステムでは、インナーローター構造も検討できます。最終的な判断は、実際の負荷、精度、動作プロファイルに基づいて行う必要があります。

CubeMars RIシリーズとROシリーズ：2種類のフレームレスモーターを理解する

CubeMarsは、インナーローター型フレームレストルクモーターのRIシリーズと、アウターローター型フレームレストルクモーターのROシリーズを提供しており、さまざまな機械構造やロボット駆動の要件に対応する選択肢を用意しています。

1. RIシリーズ：インナーローター型フレームレストルクモーター

CubeMars  RIシリーズはインナーローター構造を採用しており、RI20、RI30、RI50、RI60、RI70、RI80 V2.0、RI100などのモデルが含まれます。このシリーズは、高トルク密度、低コギングトルク、コンパクトな設計を特徴としており、一部のモデルではホールセンサーもオプションで選択できます。

RIシリーズは、設計スペース、動作応答、機械統合のバランスを取る用途に適しています。軽量ロボット関節、協働ロボットアーム、外骨格型ロボット、その他の精密駆動システムでは、実際に必要なトルクとサイズに応じて、適切なモデルをさらに絞り込むことができます。

モデルを選定する際は、特に次の項目を確認してください。

• ステーターの外径と軸方向の長さが、取り付けスペースの要件を満たしているか；

• 連続トルクとピークトルクが、負荷要件を満たしているか；

• ローター慣性が、目標とする動的応答に適しているか；

• 巻線パラメータが、ドライバーと適合しているか；

• ステーターの取り付け構造が、十分な放熱性能を確保できるか。

2. ROシリーズ：アウターローター型フレームレストルクモーター

CubeMars ROシリーズはアウターローター構造を採用しており、RO40 Lite、RO50 Lite、RO60、RO80、RO100などのモデルが含まれます。このシリーズは、ロボットや柔軟な統合性が求められるその他の駆動用途を対象としています。トルク、寸法、重量、回転速度の性能については、各モデルの仕様に基づいて評価する必要があります。

アウターローター構造は、より大きな有効半径を必要とする回転駆動設計に、もう一つの選択肢を提供します。トルク出力が求められ、外側のローターが回転できる空間レイアウトを採用できる関節や駆動アセンブリでは、ROシリーズを比較検討する価値があります。

モデルを選定する際は、特に次の項目を確認してください。

• 外側の回転部品が周囲の構造物と干渉しないか；

• モーターの外径、軸方向の長さ、取り付けインターフェースが要件を満たしているか；

• 連続トルクとピークトルクが、負荷要件を満たしているか；

• ローター慣性が、システムの動的応答要件を満たしているか；

• ローターの固定、機械的保護、放熱対策が適切であるか。

3. RIシリーズとROシリーズはどのように選べばよいのか？

2つのシリーズを単純に性能の優劣で捉えるべきではありません。選択にあたっては、ロボット関節の機械構造と動作条件に基づいて判断する必要があります。

• プロジェクトでローター慣性の低減、動的応答、インナーローター構造を重視する場合は、まずRIシリーズを評価することを検討してください。

• プロジェクトで、より大きな有効半径を活用したトルク出力を重視し、機械構造がアウターローターのレイアウトに適している場合は、まずROシリーズを評価することを検討してください。

• 高トルク、高速応答、コンパクトなサイズを同時に必要とするプロジェクトでは、各モデルの連続トルク、回転慣性、外形寸法、回転速度範囲、温度上昇データを比較してください。

最終的な選定は、該当モデルの公式技術仕様と実際の試験結果に基づいて行う必要があります。

フレームレスモーターの選定時に確認すべきパラメータ

インナーローター型とアウターローター型のどちらを選ぶ場合でも、設計の初期段階で次のパラメータを明確にすることを推奨します。

1. 連続トルクとピークトルク

連続トルクは、指定された熱条件下でモーターを長時間運転する能力を示します。一方、ピークトルクは通常、時間的な制限を伴う短時間の出力を指します。負荷プロファイルとデューティサイクルに基づいて、それぞれを計算する必要があります。

2. 回転速度と動作点

モーターが目標回転速度で必要なトルクを出力できるかを確認し、ドライバーの電圧、電流、逆起電力に関する制限も確認してください。無負荷回転速度を、負荷がかかった状態での動作回転速度と同一視してはいけません。

3. 回転慣性と動的応答

起動と停止を頻繁に繰り返すシステム、急速な正逆転が必要なシステム、または高帯域幅の制御を採用するシステムでは、計算時にモーターのローター慣性と負荷慣性の両方を考慮してください。

4. 取り付けスペースと機械インターフェース

モーターの外径と軸方向の長さに加え、ローターの回転スペース、ステーターの固定構造、ベアリング、ケーブル、メンテナンスのためのスペースも確保してください。特にアウターローター構造では、外側の回転部品が周囲の構造物と干渉しないことを確認する必要があります。

5. 放熱と連続運転能力

ステーター取り付け面の熱伝導性、周囲温度、冷却方法、許容温度上昇を確認し、モーターが実際のデューティサイクルの要件を満たしていることを確かめてください。

6. ドライバーと位置フィードバック

モーターの電気的パラメータがドライバーと適合していることを確認し、制御要件に応じて適切なエンコーダーやその他の位置フィードバック方式を選択してください。高精度なロボット関節では、コントローラー、電流ループ、位置ループを含むシステム全体の性能も検証する必要があります。

まとめ

インナーローター型とアウターローター型のフレームレスモーターには、それぞれ異なる特徴があります。どちらの構造を選ぶべきかは、どちらの性能が優れているかという単純な判断ではなく、ロボットシステムの具体的な要件によって決まります。

インナーローター型フレームレスモーターは、ローターをステーターの内側に配置し、一部の設計ではローターのサイズと回転慣性を抑えやすいという特徴があります。動的応答、モーション制御、コンパクトな構造レイアウトを重視する用途に適しています。アウターローター型フレームレスモーターは、ローターをステーターの外側に配置し、より大きな有効半径を利用できます。そのため、その他の設計条件が同等であれば、より高いトルクを発生できる可能性があります。ただし、実際のトルク出力は、電磁設計、寸法、巻線パラメータ、動作電流、放熱条件にも左右されるため、ローターの構造だけで性能を判断することはできません。

ヒューマノイドロボット、協働ロボット、外骨格型ロボット、精密自動化設備などの用途において、フレームレスモーターの利点は、機器自体の機械構造に組み込めることです。これにより、関節、回転部品、コンパクトな駆動システムに対して、より柔軟な統合方法を選択できます。ただし、実際の選定では、インナーローター型とアウターローター型の構造上の違いを比較するだけでなく、連続トルクとピークトルク、目標回転速度、回転慣性、取り付けスペース、熱管理、ドライバーとの互換性、位置フィードバックの要件についても総合的に評価する必要があります。特に高負荷や長時間の運転では、モーターの連続出力能力と放熱設計も同様に重要です。

CubeMarsのフレームレスモーターを選択する際は、RIインナーローターシリーズとROアウターローターシリーズを、それぞれ異なる構造方式の参考として活用できます。シリーズ名や単一の性能指標だけで判断するのではなく、機器の機械レイアウト、動的応答の要件、目標動作点に応じて各モデルの仕様を比較し、実際の負荷と取り付け条件に照らして検証することを推奨します。

総じて、適切なフレームレスモーターを選ぶには、トルク出力、動作応答、構造統合、熱管理のバランスを取ることが重要です。用途の要件を明確にし、モーターの仕様全体、駆動・制御方式、システム設計を総合的に評価することで、ロボット関節やその他の精密モーションシステムに、より適した駆動ソリューションを選定できます。