ヒューマノイドロボットの関節モーター：トルク制御を向上させるラミネーションの選択

要点

• 接着されたラミネーション・スタックは、溶接されたスタックと比較して、測定されたコア損失を8-12%減少させ、第6/12調波コギング・トルク成分を抑制します。.
• 肩と腰にはEN 10303に準拠した0.20-0.27mmの薄板NOES（≤15 W/kg @ 1.0 T/400 Hz）、手首と指のアクチュエーターには0.10-0.15mmの超薄板NOESまたは中Ni合金が使用される。.
• 全ステーターティースにわたって±0.03mmという歯先面取りの一貫性は、面取り寸法そのものよりもコギングに大きな影響を与える。.
• 0.20mmという薄型のNOESは、ヒューマノイドの関節モーターに最も幅広く対応します。Co-Feは、二足歩行の脚関節以外では、10倍から20倍のコストアップを正当化することはほとんどありません。.

ヒューマノイドロボットの肩が腕を支え、手首が針に糸を通す。同じ機械だが、モーターの問題は大きく異なる。そして両者の底には、文字通り物理的に、名刺よりも薄いプレス鋼板の束が置かれている。.

私たちはそのようなスタックを構築します。人型関節アクチュエータに搭載されるフレームレスPMSMや高極BLDCトルクモータは、最も要求の厳しいもののひとつです。 ステータ・ラミネーション・スタック アプリケーションを出荷しました。ここでは、どのラミネーションがトルクリップル、コギングトルク、スムーズなモーションコントロールを改善し、どのラミネーションがコストを浪費するかについて、生産データが実際に示していることを紹介します。.

ヒューマノイド関節モーターのトルクリップルの原因

関節モーターのトルクリップルは、ロボットのぎくしゃくした動きとして現れます。確かに制御ループはその一部を補正することができる。しかし、そのリップルの電磁的な原因（コギングトルク、高調波歪み、不均一な磁束分布）は、積層レベルで焼き付いてしまいます。間違った鋼材の選択、ずさんな歯の形状、間違った積層方法、そして世界最高のFOCアルゴリズムでは、あなたを救うことはできません。.

ヒューマノイドロボット用の関節モーター（ピーク定格40～100Nmの肩回転アクチュエーターや100Nmを超える膝関節を駆動するようなもの）は、ほとんどの場合、フレームレスのPMSMまたは高電極数のBLDC設計です。ハウジングがない。ベアリングもない。ステータースタックは、ロボットの構造的なジョイントハウジングに直接押し込まれます。スタックの寸法誤差はモータの同心円誤差となる。これがトルクリップルの原因となる。.

シミュレーションは、あなたの溶接がラミネーションをショートさせていることを知らない。.

私たちは、美しいFEAの結果、定格トルクで0.3%未満のコギングを示すモデルが、スタックが十分に平らでなかったか、または接合方法がスチールにストレスを与えたために、予測された性能の30～40%を失ったお客様を見てきました。ジョイントモーターのシミュレーションと現実のギャップは、ほとんどの場合、ラミネーションの問題です。.

関節機能によるラミネート材料の選択

ヒューマノイドロボットのすべての関節に同じラミネート鋼板が必要なわけではありません。肩、肘、手首のモーターを同じように扱うことは、コストか性能のどちらか、通常は両方が犠牲になる、よくあるファーストパスの間違いです。現世代のヒューマノイド・プラットフォームでは、体全体で28～40以上のアクチュエータを使用しており、トルク、スピード、精度の要件は関節ごとに大きく異なります。.

肩関節と股関節

これらは最も重い負荷を運びます。連続トルクの要件は、ロボットの質量に応じて40Nmから200Nmを超えます。モーターは比較的低速で動作しますが、高い電流密度を長時間維持する必要があるため、熱性能が重要になります。.

このような高荷重、中程度の頻度の継手には、通常、以下を推奨する。 0.25-0.35 mm 無方向性電磁鋼板 で、シリコン含有量は2.5-3.0%程度である。薄い方（0.25-0.27mm）では、以下の規格が適用されます。 EN 10303 / IEC 60404-8-8 - のようなグレードがある。 NO25-13 (0.25 mm, ≤ 13 W/kg @ 1.0 T/400 Hz）または NO27-15 (0.27 mm, ≤ 15 W/kg @ 1.0 T/400 Hz）。0.35mmオプションの場合は、次のようになります。 EN 10106 / IEC 60404-8-4 のような成績が標準である。 M270-35A (0.35 mm, ≤ 2.70 W/kg @ 1.5 T/50 Hz）が適用される。.

厚み分割が重要な理由：300 RPMの10極ペア・モーターは、基本周波数がわずか～50 Hzである。この周波数では、0.25mmと0.35mmの渦電流ペナルティの差はわずかです。ショルダー・ジョイントで0.20mmを下回ることが正当化されることはほとんどありません。このような低い電気周波数では、比例した損失低減を得ることなく、薄いゲージを支払うことになります。.

透磁率を高くする必要があるのは、モーターの設計上、ピークトルク時の磁束密度がティース内で1.6～1.7Tになるためです。それ以上になると飽和し始め、逆起電力波形を歪ませ、トルクリップルをそのまま出力に送り込むことになる。.

肘関節と膝関節

ミッドレンジトルク（10～80 Nm）、高い動的要件。これらのジョイントは加速が速く、方向転換が頻繁に行われます。ラミネーションの優先順位は、生の熱耐久性から次の方向へシフトします。 低ヒステリシス・ロスで、中程度の誘導レベルで高い透磁率を実現 (動作範囲1.0～1.4T）。.

我々は0.20mmのグレードで良い結果を得ている。 NO20-12 EN 10303 (≤ 12 W/kg @ 1.0 T/400 Hz)に従っています。当社の製造データから得られた重要な洞察：実際の動作磁束範囲（ピークではなく）で透磁率を正しく設定すると、逆起電力線形の直線性が測定可能なほど向上します。これは、よりクリーンな電流制御に直接反映されます。サーボループは、よりスムーズなトルクを得ることができます。.

手首・指用アクチュエータ

小さなステーター。細かい歯。非常に狭いスロット。トルク要件は控えめ（1～20Nm）だが、要求精度は極めて高い。これらは、0.1°の位置誤差が問題となる、現世代プラットフォームの22自由度の器用な手のような操作タスクを扱う関節である。.

ここで私たちは、次のようにプッシュする。 0.10～0.15mm極薄NOESグレード (EN 10303によるNO10またはNO15）、または特定のハイエンド・プログラム用、, 40-50% Ni系ニッケル鉄合金.

Ni-Feオプションは驚異的な透磁率（$Tur$>50,000、低磁界時）、これらの小型モーターが動作する低磁束密度ではコギングがほぼゼロになります。トレードオフ：材料費が著しく高く、$Bが低い。{sat}$（48-50% Ni鋼種では≈1.5T）、および特定の合金組成に依存する焼鈍要件：

• 40-42% Niグレード (磁気用制御膨張タイプ）：でアニールする。 保護雰囲気中 850-1000°C (N₂、解離アンモニア、または乾燥H₂）。これらはより寛容な選択肢である。.
• 高透磁率49% Niグレード (最大$と最小保磁力のために最適化): require 乾燥水素中1100～1200 (露点-40℃以下)、～60～100℃/時間で制御された炉内冷却。これを省略すると、透磁率が完全アニール状態から50～80%低下することがある。.

総重量80グラムの手首モーターでは、鋼材のコストアップはロボットの部品全体から見ればごくわずかだ。しかし、焼きなましは些細なことではありません。利用可能な最もエキゾチックなオプションではなく、実際に必要な磁気性能に合ったグレードを選んでください。.

注目に値する：Ni-Feラミネーションはスタンピング応力に弱い。私たちは、レーザー切断し、適切なアニールサイクルでフォローアップすることを好みます。Ni-Feの順送型スタンピングは可能であり、0.15-0.20 mmの厚さであれば、成功するプログラムもあるが、金型は材料の柔らかさと延性に合わせて最適化する必要があり、スタンピング後のアニールは、冷間加工で失われた特性を回復するためにさらに重要になる。.

ヒューマノイド関節モーターのラミネート材比較

コアロスの値は、EN 10303:2015およびEN 10106:2015による最大保証値（該当する場合）、または非標準グレードの受入コイルEpstein試験による検証範囲を示します。.

0.20mmのオーバーラップを明確にするために：このゲージはちょうど境界に位置する。基本的な電気周波数が～100 Hz以下にとどまる関節（ほとんどの肩／腰の用途）では、0.25 mm、あるいは0.35 mmがロス低減の大部分をカバーし、刻印もしやすい。動的要件が高く、周波数が200～400 Hzに達する肘／膝関節の場合は、0.20 mmがスイートスポットです。モーター設計チームがまだゲージを固定していない場合、私たちは0.20mmをデフォルトとしています。これは、ヒューマノイドの関節に典型的な動作条件の範囲において、最も広いマージンを与えるからです。.

ラミネーションアッセンブリー：コギングトルクでボンディングが溶接に勝る理由

ラミネートのつなぎ方は構造的な決定だけではありません。電磁気の問題なのだ。スチールは正しくても、積層を失敗したチームがテーブルの上に残した “自由なパフォーマンス ”はここにある。.

溶接

スタックの外径に沿ったレーザー溶接やTIG溶接は、隣接するラミネート間に局所的な短絡を生じさせる。熱影響部は絶縁被覆を劣化させ、層間導電率を増加させます。0.20mm厚のNOESスタック（NO20-12グレード）の試験では、4シームのレーザー溶接は、接着剤で接着した同じスタックと比較して、測定されたコアロスにおよそ8-12%を追加しました。.

その余分な損失は一様に分布しているわけではない。溶接線付近に集中する。スロットの位置に対する溶接の配置によっ て、これは非対称的な加熱を生み出し、フラックス 分布にさらなる高調波成分をもたらします。コギング波形のFFTで測定したところ、溶接スタックと接着スタックでは、第6および第12高調波成分が顕著に増加しました。.

産業用モーターでは誰も気にしません。コギングが定格トルクの0.5%未満という仕様のジョイントモーターでは、それが合否を分けることもある。.

インターロッキング

電磁気の観点からは溶接よりも優れている。しかし、インターロックのディンプルは鋼材に局所的な変形を生じさせる。各ディンプルは残留応力が増加するポイントであり、局所的なヒステリシス損失が発生する。.

小径のステーター（手首や肘の関節をカバーする外径60mm以下のもの）では、磁気回路に影響を与えずにインターロックを配置するのに十分なバックアイアンがないことがよくあります。40mmのステーターのヨーク領域にインターロックを配置すると、エアギャップ内に測定可能な磁束密度の非対称性が生じるケースを見たことがあります。.

接着剤による接着（推奨）

自己融着ワニス（バックラック）-以下に分類される。 C-3タイプ につき en 10342 / iec 60404-1-1 / astm a976 絶縁コーティング規格 - またはポストスタンプ接着剤塗布は、スタックを生成します：

• 層間短絡なし
• 残留応力点がない
• 磁気回路を破壊しない
• 固有振動数 75%+ 同等形状のインターロック・スタックより高い
• 溶接／インターロック・スタックにはない振動減衰性

当社の粘着剤層の厚さ：界面あたり2～5μm。これにより、積層係数を97%以上に保つことができます。接着剤層が厚いと、活性鋼分まで食い込み、トルク密度が2-3%低下します。.

また、接着スタックはより静かに動作します。層間の接着剤は、溶接またはインターロックされたスタックがロボットの構造に伝える高周波のうなり音を減衰させます。人間の近くで作業する協働ロボットでは、モーターコアから聞こえるハムノイズはUX上の大きな問題です。ボンディングはそれを解消します。.

歯形とスロット/ポール設計：スタンピングの精度が試される場所

高い極数（16極以上）を持つ分数スロット集中巻線設計は、関節トルクモーターの標準です。12スロット/10極や24スロット/22極といった一般的な組み合わせは、低次のコギング高調波を本質的に抑制します。しかし、ラミネーションはまだ仕様通りの形状を実行する必要があります。.

教科書に書かれている以上に重要なことがいくつかある：

歯先の面取り。. 当社では、ロボット用モータのステータ・ラミネーショ ンのティース先端に0.2～0.4mmの面取りを日常的 に施しています。FEAでは、これによって典型的な高極設計のコギングが15-25%減少します。しかし、この改善は、面取りがすべてのティースで±0.03mm以内で一貫している場合にのみ実現します。一貫性のない面取りは、実際には 増加 コギングが発生するのは、分数スロット設計が扱うことを意図していない幾何学的な非対称性が生じるからだ。.

バーの高さ調節。. 0.20mmのラミネーションでは、バリの高さは10μm以下です。バリは1ミクロンごとに潜在的な層間接触点となり、絶縁を劣化させ、渦電流経路を作ります。より薄い材料（0.10～0.15 mm）では、バリの厚み比は急速に厳しくなります。.

0.15mm以下のゲージの場合、一般的にファイバーレーザー切断に切り替えますが、その主な理由は、より厳密なバリ制御が可能であり、変動要因としての金型の摩耗がなくなるからです。0.10mmのNOESのプログレッシブ・ダイ・スタンピングは可能です（この材料は室温でスリット、シャー、パンチ加工に対応できます）が、フル生産でバリの高さを10μm以下に一貫して維持するには、積極的なダイ・メンテナンス・スケジュールが必要で、ほとんどのプログラムでは非現実的です。生産量や形状の複雑さによって、使用できる範囲は異なります。.

スロットの開口幅。. 開口部が狭いとコギングは減少するが、巻線が難しくなり、熱がこもりやすくなる。40～80mmのステーター外径範囲にあるジョイントモーターのスイートスポットは、通常1.5～2.5mmである。ラミネート・ツールは、すべてのスロットでこの寸法を±0.02mmに保たなければなりません。.

スキューイングいつ、どのくらい

斜めのラミネーション・スタックは、磁気相互作用をより大きな角度範囲に広げることでコギング・トルクを低減します。効果はある。しかし、無料ではない。.

1スロットピッチの連続的なスキューは、基本的なコギング成分を事実上排除します。また、平均トルクが1-3%減少し、巻線が複雑になります。.

分数スロット設計の高極性ジョイントモーターの場合、ほとんどのプログラムでは、次のような要求がある。 ハーフスロットまたはパーシャルスキュー - 有意義なトルクを犠牲にすることなく、残留コギングを打ち消すのに十分である。私たちはこれを、互いに相対的に回転させた2～4個のサブスタックを使用するステップスキューとして実装しています。.

標準能力：2ステップまたは3ステップのスキュー、角度精度±0.3°/ステップ。より厳しい仕様には4ステップ構成は±0.15°で、特注の治具が必要で、コストが追加されます。.

十分に議論されていない相互作用のひとつに、スキューと積層法がある。スキューに段差のある溶接スタックは、各溶接段差の界面に応力集中が生じます。接着スタックでは、わずかな角度のオフセットがきれいに処理されます。.

アモルファスとナノ結晶材料：なぜ（まだ）そうしないのか

ジョイントモーター用のアモルファス金属リボンについて時々質問を受けます。コアロスの数値は目を見張るもので、～0.025mmの厚みで、同等の条件下でNOESに対して70-90%もロスが減少しています。現実的な問題は以下の通りです。 スタッキングファクターは80-85%に低下。. リボンの厚さが～25μmで、単位高さあたりのコーティング/空気の量が比例して多くなるため、磁性体の活性が失われる。- 脆さ。. 複雑なステーターの形状を微細な歯でプレスすることは、生産規模では不可能に近い。レーザー切断はうまくいきますが、熱影響部は部分的に材料を結晶化させ、特性を劣化させます。- B_sat ≈ 1.56 T - NOESより低い。同じトルクを得るためにはより大きなコアが必要であり、損失の利点は部分的に否定される。単純な巻線形状のトランスコアや特定の軸流トポロジーでは、アモルファスは理にかなっている。人型関節のアプリケーションで主流となっているラジアル磁束フレームレストルクモーターでは、現在では実用的ではありません。ボンデッドスタッキングによる薄ゲージNOESは、80%の理論的利益を20%のプロセス難易度で得ることができる。.

ヒューマノイド関節モータースタックの製造プロセス

1. 材料受入検査 - エプスタイン・フレームで製造所証明書と照合された電気コイル。生産に入る前に各コイルのサンプルをテストします。1.0T/400Hzでのコア損失と2500A/mでの磁気分極がゲート値です。.
2. スリット - コイルは、ステーターまたはローターの外径に合わせて正確なストリップ幅にスリットされます。0.10mmから0.50mmまでのゲージを扱っています。.
3. スタンピングまたはレーザー切断 - ゲージが0.15 mm以上、数量が～5,000スタック以上の場合、最大400 SPMの高速順送型（バリの仕様：0.20 mmで10 μm以下）。より薄い材料、プロトタイプ、または微細な形状（歯幅2mm未満）の場合：ファイバーレーザー切断。超精密プロトタイプ加工にはワイヤー放電加工が可能。.
4. アニーリング - NOESはN₂雰囲気中750℃で応力除去焼鈍。Ni-Fe合金の場合：特定のグレードに合わせた雰囲気と温度-40-42% Niタイプは保護ガス中で850-1000℃、高透磁率49% NiタイプはドライH₂（露点≦-40℃）中で1100-1200℃。Co-Feは真空アニール可能。.
5. スタッキングとボンディング - 自己融着ワニス（EN 10342によるC-3クラス）またはポストスタンプ接着剤塗布。管理された治具で加熱・加圧硬化。同心度はレーザー測定により±0.01mmで確認。.

1. 最終検査 - 寸法CMM、バリの高さ測定、積層間の絶縁抵抗。ハイスペック注文の場合：完成したスタックのサンプル破壊的コアロス検証。.
2. スキュー・アセンブリ - 指定された場合、サブスタックはモーター設計のスキュースケジュールに従って角度オフセットで組み立てられる。.

プロトタイプリードタイム：7-15営業日。生産：6-8週間。.

よくあるご質問

ヒューマノイド・ロボットのプログラム用にジョイント・モーターを開発していて、FEAが約束したコギングとリップルのスペックを実際に満たすラミネーション・スタックが必要な場合、, エンジニアリングチームに連絡する. .お客様のモーター設計を検討し、材料とスタッキングアプローチを提案し、プロトタイプから生産数量までお見積もりいたします。.