フラットワイヤーモーターの解説：ダイレクトドライブ式ホイールベースにおける変化点

フラットワイヤーモーターは、丸ワイヤーではなく長方形の銅導体でステータ巻線を構成するため、各スロットにより多くの銅を収めることができます。 ダイレクトドライブ式ホイールベースでは、主に 一定のトルクでモーターが発生する熱量と、その熱を放出する速さが変化します。これら2つの要素が、熱保護機能によって出力が制限されるまでの間、ベースが強力なフォースフィードバックを維持できる時間を大きく左右します。この熱的な余裕が最も重要になるのは、長時間の耐久レースを走る場合や、ステアリングに継続的に大きな負荷がかかる車を運転する場合、全体的に高いフォースフィードバック強度を使用する場合、または暖かい部屋でレースをする場合です。また、銅のメリットにより、より軽量なモーターでも一定のトルクを実現できます。

フラットワイヤーモーターとは？

ダイレクトドライブモーターの固定部にはステータがあります。そのスロットには銅巻線が収められ、その磁場がローター、ひいてはステアリングシャフトを回転させます。従来、これらのスロットには丸ワイヤーが巻かれていました。

丸ワイヤーでは、空間を完全に埋めることはできません。コイルをどれほど密に巻いても、隣接するワイヤーの間に隙間が残り、短絡を防ぐためにすべてのストランドには薄いエナメル絶縁層が施されています。

フラットワイヤーモーターでは、この形状が変わります。ステータには、長方形の銅導体が使用されています。これらもエナメルでコーティングされており、壁のレンガのように積み重ねられ、利用可能な空間をはるかに完全な形で埋めます。エンジニアはこれを スロット充填率と呼びます。これは、隙間や絶縁体ではなく、銅がスロットの断面積に占める割合です。絶縁体を考慮すると、従来の丸ワイヤー巻線では通常50～60パーセントですが、MOZAのフラットワイヤーモーターは72.5パーセントに達します。

銅が増えると熱が少なくなるのはなぜ？

ダイレクトドライブ式ホイールベースのモーターは通常、永久磁石サーボモーターであり、そのトルクは巻線に流れる電流に比例します。フォースフィードバックでより重いステアリングが必要な場合、駆動用電子機器はより多くの電流を供給します。

その電流が巻線の電気抵抗を流れると熱が発生し（ジュール熱、式で I²R）、熱は電流の2乗に比例して増加します。2倍のトルクを維持すると、巻線では約4倍の速さで熱が発生します。そしてその熱は時間の経過とともに蓄積するため、高速な長いコーナーで維持する大きな負荷は、同じピーク値でも短い縁石への衝撃よりもはるかにモーターを加熱します。

同じスロットにより多くの銅を詰め込むと、同じ巻き数でも巻線の抵抗が下がるため、同じトルクを発生させる際に熱として無駄になるエネルギーが少なくなります。

フラットワイヤーモーターはどのように熱を放出する？

モーターは発生した熱を、銅巻線からステータコアへ、そしてハウジングを通って空気中へと逃がす必要があります。

丸ワイヤーは互いに、またスロットの壁との接触面積がはるかに小さく、その間の不規則な空間は空気や樹脂で満たされています。どちらも銅よりはるかに熱を伝えにくいため、それらの隙間はステータコアへの熱伝達を遅らせる断熱材のような役割を果たします。

フラット導体は互いにぴったりと密着し、スロットの壁と広く接触するため、銅からコアへの経路が短くなり、接続性も向上します。同等の条件下では、MOZAのフラットワイヤーモーターは、理論計算と実機テストの両方で、従来の丸ワイヤーモーターよりも15～20パーセント優れた放熱性能を発揮します。

フラットワイヤーモーターはダイレクトドライブ式ホイールベースの何を変化させる？

持続トルクと熱による出力低下

ダイレクトドライブ式ホイールベースは通常、モーターと電子機器の温度を監視または推定し、その温度が安全しきい値に近づくと、制御システムは電流を減らします。電流が減るとトルクも減り、それを 熱による出力低下として感じます。耐久レースを始めて1時間経つと、同じ高速コーナーでもステアリングが軽く感じ始め、縁石の衝撃が弱まり、フロントのグリップ限界が読み取りにくくなることがあります。より低温で動作するモーターは、電子機器が電流を抑えるまでの間、出力をより長く維持できます。MOZAのフラットワイヤーベースでは、低い発熱と優れた放熱性能の組み合わせにより、強力なフォースフィードバックを長時間使用しても、熱による出力低下を最小限に抑えます。

モーターの持続トルク（連続して維持できるトルク）を主に制限するのは熱であるため、トルク単位あたりの発熱が少なければ、同じサイズのモーターでもより高いトルクを維持できます。数十分間強力なトルクを維持できることは、MOZAがUltraシリーズをフラットワイヤーモーターを中心に設計している主な理由の一つです。Ultraベースは、ピーク値ではなく持続トルクで定格付けされています。 MOZA R16 Ultraは16 Nm、 MOZA R21 Ultraは21 Nm、 MOZA R25 Ultraは25 Nmです。

トルク密度

各スロットにより多くの銅が収まるため、フラットワイヤーモーターはより小さなサイズと重量で一定のトルクを発生させます。そのメリットが、余分な熱的余裕ではなく、モーターの軽量化にどの程度割り当てられるかは設計上の選択です。同程度の性能を持つ非フラットワイヤーモーターと比較すると、MOZAのフラットワイヤーモーターはトルク重量密度において41.94パーセント優位にあり、より軽量な設計から同等のトルクを得られます。その軽量なモーターは完成したベースの重量を軽減し、設置や移動、より幅広いセットアップへの統合を容易にします。MOZA R25 Ultraでは、9.1 kgのベースで持続トルク25 Nmを実現しています。

フラットワイヤーモーターが変化させないもの

• フォースフィードバックの特性。巻線の種類だけで決まるものではありません。感じられるディテールやレスポンスは、システム全体から得られます。シミュレーターの物理演算出力、ホイールベースのフォースフィードバックアルゴリズムと そのチューニング、それらのコマンドを電流に変換する制御用電子機器、モーターの磁気設計、ベースのメカニクスです。チューニングの不適切なアルゴリズムで駆動されるフラットワイヤーモーターは、単にチューニングの不適切なフォースフィードバックをより長く提供するだけです。MOZA R16 Ultraでは、そのチューニング層にNexGen Force Feedback Algorithm U1が採用されています。

• 熱保護。モーターは負荷がかかると依然として発熱するため、MOZA R21 Ultraのようなフラットワイヤーベースでも、モーターにリアルタイムの温度監視とトルク調整を組み合わせています。また、巻線が駆動用電子機器で発生する熱を減らすわけではありません。熱制限はさらに後退しますが、取り除かれるわけではありません。

• 熱が蓄積しない場合。セッションが短く、フォースフィードバックの強度が中程度であれば、モーターが熱制限に近づくことはなく、違いに気づくこともないでしょう。

なぜフラットワイヤーモーターはシムレーシングではまだ珍しいのか？

長方形導体は電気自動車や高速鉄道の牽引モーターで確立されており、そこでは構造的な剛性、電力密度、効率、熱性能が評価されています。最もよく知られた欠点は、高い電気周波数で蓄積する追加損失ですが、これは主に電気自動車モーターの高速域に影響します。ホイールベースモーターは低速で動作し、駆動系ではなくステアリングホイールを回転させます。フラットワイヤーがシムレーシング機器で一般的でない主な理由は、製造において求められる条件にあります。

フラットワイヤーの製造には、長方形導体の厳しい寸法公差、組み立て時の正確な位置決め、そして分断型設計では端部巻線における精密な溶接が必要です。また、長方形導体の鋭いエッジは、丸ワイヤーよりもエナメル絶縁層に大きなストレスを与えます。これを確実に実現するには精密な自動化設備が必要であり、長方形ワイヤーは通常、丸ワイヤーよりも高価です。シムレーシングホイールベースに特化して最適化されたプロセスを備えたMOZA独自の自動フラットワイヤーモーター生産ラインが、この技術を実用的なものにしています。

時間の経過に伴う一貫性の問題

フラットワイヤーモーターは、強力なフォースフィードバックをより長く利用できます。そのフォースフィードバックの感覚は、依然としてホイールベースの他の部分に依存します。 ホイールベースを選ぶとき、巻線の形状は、最終的なラップでのステアリングの重さとディテールが、最初のラップで感じたものとどの程度一致するかを知る手がかりになります。