ドローンのモーター積層：厳しい重量制限の下での効率の最適化

ドローンの1グラム1グラムは飛行時間から借りたものです。この単純な事実が、ドローン用モーターのラミネーション・スタック設計を、製造現場で扱う、より容赦のないエンジニアリング問題のひとつにしている。自動車用モーターのコアを縮小してそれで終わりというわけにはいかない。制約が違うのです。物理学はあなたのスケジュールを気にしません。.

この記事では、私たちがランニングで学んだことを取り上げる。 BLDCドローンモーター用カスタムラミネーションスタック 超小型FPVプラットフォーム、農業用噴霧器、中型産業用UAVなど。材料のトレードオフ、ゲージの選択、スロットポールの形状、スタッキング方法、そして従来の常識が間違っているいくつかの場所について説明します。.

ドローンのラミネーションが別問題である理由

一般的な産業用モーターは固定負荷、1500回転/分で何年も動き続ける。ドローンのモーターは25,000 RPMを記録し、ホバリングまで下がり、再び全開にする。電気周波数は高い。デューティ・サイクルは過酷だ。ステーターの重さは12グラムかもしれない。.

ということだ：

• 高周波でのコアロスが支配的 - 渦電流損失はラミネーションの厚さの2乗に比例する。エレベーター・モーターでは0.35mmでも許容できるものが、1,200Hzの電気で動く14極のドローン用ステーターでは大惨事になる。.
• 熱質量は小さい - 熱を吸収するハウジングがないのだ。ステーター は サーマルリザーバー.
• 構造的な決定が重みを増す - 溶接ビード、インターロック・タブ、過剰なエポキシ・コーティング......すべてが推力重量比に現れる。.

そのため、ラミネーション・スタックはより少ない量でより多くのことをこなさなければならない。.

結論：ドローン用モーターのラミネーションは、一般的な産業用モーターの5～20倍の電気周波数で動作し、熱ヘッドルームが実質的にゼロのパッケージです。標準的な工業用ラミネーションでは、このようなことは起こりません。.

素材の選択：ゲージ-ロス-ウェイトのトライアングル

ドローンのモーターに適切な電気鋼板を選ぶのは、スペックシートの練習ではない。ゲージの厚さ、1キログラムあたりのコアロス、小径での加工性など、三者三様の交渉が必要なのだ。.

ケイ素鋼主力鋼種

当社が製造するドローン用モーター・ステーターのほとんどは、0.2mmまたは0.1mmゲージの無配向ケイ素鋼板を使用しています。ドローン用モーターが動作する電気周波数（極数や回転数にもよりますが、通常400Hz～1,500Hz）では、薄板化により渦電流損失が大幅に削減されます。.

計算は簡単だ。渦電流損失はt^2 f^2 B^2に比例し、tは積層厚さ、fは周波数、Bは磁束密度である。0.35mmから0.2mmにすると、渦電流損失はおよそ67%低下する。0.1mmにすると、渦電流成分だけで、0.35mmに比べて約92%の減少になります。.

しかし、薄ければいいというものではない。0.1mmになると、鋼はきれいにスタンプするのが難しくなります。バリの制御が厳しくなる。金型の摩耗が加速する。また、積層係数も低下します。単位高さあたりの絶縁層が多いシートを積層することになるため、有効な磁気断面積が縮小します。当社の0.1mmスタンピング・ラインでは、全生産工程でバリの高さを15μm以下に抑えていますが、これには専用のダイクリアランス・プロファイルと、500ストロークごとのインライン光学検査が必要です。このレベルの工程管理は、このゲージでプレーするためのコストです。.

コバルト・アイアンが理にかなっているとき（そして、そうでないとき）

コバルト-鉄合金の飽和磁束密度は約2.35Tに達するのに対し、ケイ素鋼は約1.8～2.0Tである。つまり、より小さな断面積でより多くの磁束を押し出すことができ、同じトルク出力であれば、より軽量でコンパクトなステーターが得られるということです。.

私たちはコバルト鉄ラミネートを特殊なドローンプログラム（通常、一桁グラム単位のペイロードバジェットを持つ航空宇宙隣接型UAV）に使用してきました。材料費はケイ素鋼の8～12倍です。脆い。異なる金型クリアランス、遅いスタンピング速度、制御された大気アニールが必要です。.

ほとんどの商業用ドローンのモーターには？その価値はない。外径20mmのステーターの軽量化は2-3グラムかもしれない。コスト増はモーター全体の競争力をなくします。コバルト鉄は、重量予算が存在的に厳しいプログラム用に取っておきましょう。.

アモルファス合金：外れ値

0.025mmのアモルファス・ストリップはコアロスが非常に低く、ケイ素鋼より70-90%低い。また、飽和磁束密度は約1.56Tしかなく、アニール後は脆く、従来の順送金型ではプレスできません。.

ドローン用モーターのアモルファス・コアはワイヤーEDM切断で製造していますが、試作品や少量生産のOEMプログラムに限っています。加工時間とコストがかかるため、現在では大量生産は現実的ではありません。3～5年後にこの分野に注目してください。.

設計者にとっての結論0.20mmの無方向性ケイ素鋼は、商用ドローン用モーター・プログラムの90%の出発点として最適です。0.10mmに移行するのは、効率がコストを正当化するような競技用またはプレミアム・プラットフォーム用である。コバルト鉄とアモルファス合金はエッジケースである。.

ラミネーションゲージ対モーター周波数：生産の参考

この表は、理論的な理想ではなく、生産現場で実際に行っていることを反映しています。この表は、過去数年間にわたる何百ものOEMステーターコアプログラムに基づいています。.

0.20mmグレードは、当社が扱うほとんどのドローン・プログラムの中心に位置しています。0.20mmグレードは、高速で確実にスタンプするのに十分な厚さであり、約1,000Hzまでの損失を管理するのに十分な薄さで、複数の製鋼所から広く入手可能です。ロットごとに厚さ公差（±0.005mm）、400Hz/1.0Tでのエプスタイン損失、表面絶縁抵抗をテストしてからスタンピング・ラインに入ります。.

スロットとポールの組み合わせ幾何学とグラムの出会い

ドローンのモーターは、ほとんど例外なく、分数スロット集中巻きのアウターローターBLDCである。ローターはステーターの周りを回転し、マグネットはベルの内側にあり、ステーターの歯は外側を向いている。このトポロジーは、低速での高トルク密度に有利であり、まさにプロペラが望むものである。.

ドローンの世界で支配的な2つの構成：

• 12スロット/14極（12N14P） - デフォルト。良好な巻線係数（～0.933）、管理可能なコギングトルク、サイズクラスとしては優れたトルク密度。FPVレース、フリースタイル、軽商用プラットフォームで使用されている。.
• 9スロット/12極（9N12P） - よりシンプルなステーター、より広いティース、わずかに高いトルクリップル。超小型プラッ トフォームや低価格モーターで一般的。スロットが少ないため巻線が容易だが、磁場制御が粗くなる。.

ラミネーションの観点からは、スロット極の選択は歯幅を制約する。歯幅が狭い（スロットが多い）と、特に磁束集中が最も高い歯先で飽和しやすくなります。0.1mmの積層を0.93の積層係数で運転する場合、有効歯断面はさらに縮小します。紙面上では1.5Tの歯束密度で設計されたモーターが、積層係数と実際の形状を考慮すると、実際には1.8T以上で動作し、飽和に追い込まれ、薄い積層による効率向上が帳消しになるケースを見たことがあります。.

その解決策は、必ずしも鋼材を薄くすることではありません。スロットの開口部を調整したり、歯の先端を広げたり、磁束を再分配するために（14P18Sのように）極数を増やしたりすることもあります。これは、金型をカットする前にモーター設計者とラミネーションメーカーの間で行われるべき会話です。後ではありません。私たちは、このような問題を発見するために、すべての新しいステーター形状についてDFMレビューを実施しています。実際の積層係数で歯束密度をチェックし、スロット充填目標を検証し、目標ゲージできれいに刻印されないフィーチャーにフラグを立てます。.

結論：スロットポール・ジオメトリーとラミネーション・ゲージは連動した決定事項である。一方を切り離して最適化すると、ドローンモータープロジェクトでは、テストはうまくいくが量産できないプロトタイプのステーターになってしまう。.

スタッキングの方法ドローンに必要なもの

ドローンのモーター積層に関連する3つの積層方法は、インターロック、接着（自己接着／バックラックを含む）、レーザー溶接である。ドローンスケールでは、それぞれにトレードオフがある。.

インターロッキング

長方形または円形のインターロック・タブは、プログレッシブ・ダイ作業中に各ラミネーションに刻印されます。このタブは、シートを積み重ねる際にシート同士を機械的にロックします。.

• 長所:速い、安い、二次加工不要。大量生産に適している。.
• 短所:タブは積層間に局所的な短絡経路を作る。大型の産業用モーターでは、その影響はごくわずかです。スタック高さ15mmのドローン固定子では測定可能で、小さなコアのインターロック・タブによって3-5%のコア損失が増加するのを見たことがある。また、タブは局所的な磁気不連続面を作ります。.

接着（グルー・ドット／バックラック）

接着剤は、プレコートバックラック（熱と圧力で活性化する自己接着ワニス）として、または積層時にグルードットディスペンサーを介してラミネート面に塗布される。.

• 長所:全面接触。層間短絡がない。層間の熱伝導性が向上（空隙がない）。より静かな動作 - 溶接やインターロックが引き起こす「周波数ブザー」が減少。.
• 短所:工程時間が追加される（接着剤システムにより130～220℃で硬化）。接着強度は振動環境で検証する必要がある。接着剤の厚み（通常3～5μm）により、スタッキングファクターが若干低下する。.

効率が主要な指標であるドローン用モーターでは、ボンディングがより良い選択です。同じ形状と材質のインターロック・スタックと比較すると、コアの総損失がおよそ5-8%改善されます。これは動作温度の低下に直結し、実際にはホバリング時間が大幅に長くなります。.

当社の接着ラインは、グルードットディスペンスとバックラックアクティベーションの両方を行っています。接着剤の厚みは4 µm以下に抑えられており、すべての製造バッチからサンプルコアの剥離強度を検証しています（硬化後最低2 N/mm²）。.

レーザー溶接

ステーター・スタックの外径に沿った細い溶接線。.

• 長所:速い。強力な機械的接着。硬化不要。.
• 短所:溶接部は積層間にデッドショートを生じさせる。熱影響部は局所的に鋼の磁気特性を劣化させる。外径20mmのステーターでは、幅0.5mmの溶接線でも周長のかなりの割合を占める。コアの損失は、ボンドスタックと比較して通常8-15%です。.

私たちは今でも溶接されたドローン・ステーター・スタックを製造していますが、それは通常、大量生産の消費者向けプラットフォームでコストを最適化する顧客のためです。しかし、顧客からモーターからさらに2-3%の効率を引き出す方法を尋ねられた場合、通常は溶接から接合に切り替えることを最初に提案します。.

結論ボンディングはドローン用モーターのステーターに最高の電磁性能をもたらす。インターロッキングは、スピードと量産コストで勝る。溶接は妥協の産物で、高速で強度が高いが、ドローンスケールではコアの損失が問題となる。.

エポキシ・コーティングに関する質問

ほとんどのドローン・ステーター・スタックには、積層後に静電エポキシ粉体塗装が施され、その厚さは通常0.20～0.30mmです。このコーティングは、巻線からステーターを絶縁し、腐食から保護し、ある程度の機械的減衰をもたらします。.

重量のペナルティは実際にある。小さなステーター（例えば外径18mm、スタック高さ5mm）の場合、0.25mmのコーティングはおよそ0.5～0.8グラムを追加します。モーター総重量が28グラムの250クラスのレーシングクアッドを作るまでは、これは大したことではありません。これで、モーターの質量は2-3%となり、電磁機能はゼロとなる。.

私たちのアプローチ：重量が重要な用途では、ステーター表面全体で±0.02 mm以内のばらつきで、コーティングの厚さを0.15 mmまで管理します。これを達成するには、正確な帯電制御、塗布中の部品温度管理、有効な硬化プロファイル（エポキシ系によって異なりますが、通常180℃で20～30分）が必要です。競技グレードのモーターでは、コーティングを完全に省略し、巻線絶縁だけに頼る顧客もいます。これは耐久性のトレードオフであり、モータの設計者に委ねられています。.

結論：標準的な0.25mmのエポキシコーティングは、小型ドローンのステーターに0.5～0.8gの重さを加える。より厳密な工程管理により、0.15mmに半減させることができる。エポキシ・コーティングを完全に省略すると、重量はさらに軽くなりますが、巻線の絶縁体に誘電体負担をすべて負わせる必要があります。.

ホバータイムで実際に針を動かすもの

私たちはモーター設計者と十分なやりとりを行ってきたため、ラミネーションの選択が実際の耐久性を向上させる場所について感覚的に理解している。大まかなヒエラルキーは以下の通りである：

1. 0.35mmゲージから0.20mmゲージへの落下 - これは、ラミネーション側から得られる唯一最大の効率向上です。典型的な12N14Pドローン用モーターでは、巡航スロットル時の総モーター損失が10-18%減少すると予想されます。.
2. 溶接スタックから接着スタックへの切り替え - 5-8%コア損失低減。この効果は、溶接部が磁気回路に占める割合が大きい小型のステータでより顕著である。.
3. 実際の動作点に合わせたスロット形状の最適化 - ほとんどのドローン用モーターは、飛行時間の70%以上を40～60%のスロットル（ホバー）で過ごします。ラミネーション形状は、最大スロットル時ではなく、この動作時の磁束密度に対して最適化されるべきである。これは設計段階での決定であり、製造段階での決定ではないが、金型設計に影響する。.
4. エポキシコーティングの厚みを減らす - わずかな軽量化だが、4つのモーターで複合的に効果がある。.
5. ゲージ0.20mmから0.10mmへ - 追加的なロスの削減は可能だが、コストとスタッキングの複雑さの増加に比してリターンは逓減する。コンペティションやプレミアム・プラットフォームにとっては価値があるが、商業用フリートにとってはそうでもない。.

よくあるご質問

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