インランナー型ブラシレスDC（BLDC）モーターと永久磁石同期モーター（PMSM）は、高回転速度、コンパクトなフォームファクタ、そして高精度なトルク制御が求められる用途で使用されています。電気自動車、ドローン、ロボット工学、医療機器、産業オートメーション、高速工具など、幅広い用途に使用されています。

インランナーにおいて重要な設計上の選択肢の一つは、巻線構成、つまりステータスロットにおける銅コイルの配置方法です。最も一般的な2つのアプローチは以下のとおりです。

• 分布巻線（重ね巻線または分布電機子巻線とも呼ばれる）
• 集中巻線（歯巻線とも呼ばれる）

それぞれの巻線スタイルは、モーターの効率、トルクリップル、製造の複雑さ、そしてコストに大きな影響を与えます。モーターの性能目標、サイズの制約、そしてアプリケーション環境に基づいて、最適な巻線スタイルを選択する必要があります。

この記事では、以下の点について考察します。

• インランナー構造の基礎
• 分布巻とは？
• 集中巻とは？
• 電磁気的および熱的差異
• 性能パラメータへの影響
• 製造およびコストに関する考慮事項
• 用途と最適な使用例
• 比較表
• メーカー向け選定ガイドライン
• 結論と推奨事項

インランナー構造

インランナーモーターは、ローターが内側に、ステーターが外側に配置されています。ローターには永久磁石が取り付けられ、ステーターには銅巻線で巻かれた積層鋼鉄コアが保持されています。両者の間には最小限の空隙があり、磁気結合が強化されています。

インランナー設計の主な特徴：

• 高速性能 – アウトランナーに比べてローターの安定性が向上し、遠心応力が低減します。
• 優れた冷却性能 – ステーター巻線が外枠に取り付けられているため、放熱性が向上します。
• コンパクトなフォームファクター – 特にギア駆動またはダイレクトドライブの高回転システムに効果的です。

巻き線が重要な理由：

巻き線の種類によって以下のことが決まります。

• 磁束の均一な分布
• スロットに収まる銅の量（スロット充填率）
• トルクの滑らかさとコギングトルク
• さまざまな負荷と速度における効率

分布巻とは？

分布巻とは、各相の巻線が複数のステータスロットにまたがり、複数の極ピッチにまたがることを意味します。コイルは、導体がステータの円周上に均等に広がるように配置されます。

主な特徴：

• 極・相ごとに複数スロット（SPP）：通常、SPP > 1。
• コイルのスパン（ピッチ）は通常、ステータ極の5/6、2/3、または全ピッチです。
• 巻線は隣接するコイルと重なります。

利点:

• 逆起電力の高調波成分が低減 → より滑らかなトルクを実現
• トルクリップルを低減し、コギングトルクを最小限に抑えます
• 音響ノイズを最小限に抑えることが求められるアプリケーションに最適です
• より滑らかな電流波形により、高負荷時の効率が向上します。

欠点:

• より複雑な巻き線工程。
• 1ターンあたりの銅線長の増加 → 抵抗増加。
• 巻線端部の体積が大きくなると、銅損とモーター長が増加します。

集中巻とは？

集中巻とは、各コイルが他のコイルと重ならないように、ステータの単一の歯に巻かれることを意味します。各相の巻線は、ステータの小さな領域に集中しています。

主な特徴：

• 1極1相あたり1スロット（SPP ≈ 1）または1極1相あたり分数スロット。
• 短い端部巻線とコンパクトなコイルグループ。
• 非重複コイル設計。

利点:

• 銅線長が短い → 軽負荷から中負荷時の銅損が低い。
• 製造が迅速かつ容易で、自動化製造に適しています。
• スロット充填率の向上が可能 → スロット内の銅量増加が可能。
• 軸長がコンパクト。

欠点:

• 逆起電力における高調波歪み。
• トルクリップルと音響ノイズの増加。
• コギングトルクを低減するために、スキューイングまたは分数スロットの組み合わせが必要になる場合があります。

電磁気と熱の違い

電磁波の影響

• 分布巻線は正弦波状の起磁力（MMF）分布を生成するため、高調波含有量が低くなります。
• 集中巻線は階段状の起磁力（MMF）を生成するため、空間高調波が増加し、磁石と固定子鉄心の損失が増加する可能性があります。

熱挙動

• 分布巻線は端部ターンが長い場合が多く、抵抗加熱が増加します。
• 集中巻線は端部ターンが短いため、ステータフレームへの熱伝導率は向上しますが、熱分布が不均一なため、局所的な高温部分が発生する可能性があります。

磁束の図解

• 分散型：エアギャップ内の磁束密度プロファイルは滑らかな正弦波状になります。
• 集中型：磁束ピークはより局所的になり、基本波の振幅は高くなりますが、高調波は高くなります。

パフォーマンスパラメータへの影響

パラメータ	分布巻線	集中巻線
トルクリップル	低い	高い（低減策が必要）
コギングトルク	低い	高い（スキュー／分数スロットがない場合）
効率（低負荷時）	エンドターンの影響でやや低い	銅長が短いため高い
効率（高負荷時）	高い（高調波が少ない）	やや低い（鉄心／磁石損失による）
出力密度	中程度	高い（軸方向長が短い）
騒音（音響）	低い	設計対策がなければ高い
冷却	均一だが熱経路が長い	熱経路が短く局所的に高温になりやすい

 

製造とコストに関する考慮事項

分布巻き線：

• コイルが重なり合うため、組み立てが複雑です。
• 熟練した手巻きまたは半自動巻きが必要となる場合が多くあります。
• 銅の使用量が多いため、材料費が高くなります。
• 少量から中程度の生産量で、スムーズなトルクを生み出すのに最適です。

集中巻き：

• 組み立てが簡単で、成形済みのコイルを使用することで完全自動化が可能です。
• 必要な銅の量が少ないため、材料コストを削減できます。
• 生産スループットが向上します。
• コスト重視の用途における大量生産に適しています。

アプリケーションと最適なユースケース

分布巻き線は次のような場合に最適です。

• CNCおよびロボット工学向け高精度サーボモーター
• あらゆる速度域でスムーズなトルクが求められる電気自動車用トラクションモーター。
• 低騒音・低振動が不可欠な航空宇宙機器および医療機器。
• コストよりも動的性能が重視される産業オートメーション。

集中巻きは次のような場合に最適です。

• ドローンやRCアプリケーション向け小型インランナーBLDCモーター。
• 電動自転車や電動スクーター向け高出力密度モーター。
• コストとサイズが重要となる量産ファンやポンプ。
• 短い軸長が重要な小型ギア駆動ツール。

詳細比較表

特徴 / 要因	分布巻線	集中巻線
MMF波形	滑らかな正弦波	ステップ状で高調波が多い
銅の使用量	多い	少ない
エンドワインディング長	長い	短い
鉄損	高負荷時に低い	高調波によって高い
磁石損失	少ない	多い
トルク密度	中程度	高い
熱管理	均一に熱を分散	伝導性は良いが局所的に高温化の可能性
製造性	複雑	単純
生産コスト	高い	低い
典型的な用途	精密、低騒音、スムーズトルクが必要なシステム	大量生産、コンパクト、コスト重視のシステム

 

メーカー向け選定ガイドライン

インランナー設計において、分布巻線と集中巻線の選択にあたっては、以下の点を考慮してください。

性能の優先順位

• スムーズなトルク → 分散。
• コンパクトサイズと高トルク密度 → 集中。
• 騒音・振動要件
• 厳しい制限 → 分散。
• 中程度の公差 → 斜めスロットで集中。

生産量

• 低/中 → 分散型。
• 高容量 → 集中型。

動作速度範囲

• 広範囲・高効率 → 分散型。
• 狭範囲・高速・コンパクト → 集中型。

熱限界

• 冷却が難しい場合は、集中巻線の短い熱経路が役立つ場合があります。
• 材料コストに対する感度

集中巻は銅線の長さとコストを削減します。

分布巻と集中巻はどちらもインランナー設計において優れた用途がありますが、平滑性、効率、コスト、コンパクト性の間でトレードオフの関係にあります。

トルクの滑らかさ、低騒音、変動負荷時の高効率が最優先事項である場合は、分布巻を選択してください。これは、精密サーボドライブ、EVトラクションモーター、航空宇宙産業などでよく見られます。

コンパクトサイズ、高トルク密度、製造効率が最も重要となる場合は、集中巻を選択してください。これは、電動自転車、ドローン、量販家電製品に最適です。

メーカーは、以下の緩和策も検討する必要があります。

集中巻の場合：分数スロット巻線の組み合わせ、ロータースキュー、最適化された磁極形状を用いてコギングトルクを低減します。

分布巻の場合：効率を向上させるために、エンドターン長を最小限に抑える設計を行います。

最終的には、巻線の選択は、電磁設計、機械的制約、コスト目標、生産能力のバランスを考慮した総合的なモーター設計プロセスの結果であるべきです。