CN112636486B

CN112636486B - 电机及机器人

Info

Publication number: CN112636486B
Application number: CN202010995374.7A
Authority: CN
Inventors: 小泽欣也; 冲田太志
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2040-09-21
Also published as: US11527929B2; CN112636486A; US20210091613A1; JP2021052456A

Abstract

本发明涉及电机及机器人。提供能够扩大可满足于场磁铁的尺寸、推力要求的范围的电机。一种电机，其特征在于，具备电枢以及场磁铁，所述场磁铁具有在定义与电枢之间的距离的第一方向上被磁化的主磁极以及在与第一方向正交的第二方向上与主磁极相邻并在第二方向上被磁化的副磁极，并形成哈尔巴赫阵列，并且主磁极在第二方向上的第一尺寸、主磁极及副磁极在第一方向上的第二尺寸、以及主磁极及副磁极在第二方向上的尺寸之和即第三尺寸根据在场磁铁的电枢侧的表面上产生的磁通量来决定。

Description

电机及机器人

技术领域

本发明涉及电机及机器人。

背景技术

专利文献1公开了如下的技术：在具有哈尔巴赫(Halbach)阵列结构的线性电机中，通过使主磁极与副磁极的宽度关系在磁轭的两端部与中央部之间不同，来降低推力的变动。

专利文献1：日本特开第2003-209963号公报

发明内容

然而，在专利文献1所记载的技术中，难以根据场磁铁的尺寸和推力要求来扩大具有哈尔巴赫阵列的电机的应用范围。

在第一方面中，一种电机，具备电枢以及场磁铁，所述场磁铁具有主磁极及与所述主磁极相邻的副磁极，并形成哈尔巴赫阵列，所述主磁极在所述电枢与所述场磁铁排列的方向即第一方向上被磁化，所述副磁极在与所述第一方向正交的第二方向上与所述主磁极相邻，并在所述第二方向上被磁化，所述主磁极在所述第二方向上的第一尺寸、所述主磁极及所述副磁极在所述第一方向上的第二尺寸、以及所述主磁极及所述副磁极在所述第二方向上的尺寸之和即第三尺寸根据在所述场磁铁的所述电枢侧的表面上产生的磁通量来决定。

第二方面是在第一方面中，当将所述第一尺寸设为w，所述第二尺寸设为h，所述第三尺寸设为τ，w/τ设为α以及h/τ设为γ时，所述电机满足α^-≤α≤α⁺。

第三方面是在第二方面中，所述电机满足α＝k/(γ-γ₀)+α₀。

第四方面是在第二或第三方面中，α≥γ。

第五方面是在第二至第四方面中的任一项中，所述主磁极及所述副磁极是永久磁铁，并且所述主磁极与所述副磁极的剩余磁通密度相等。

第六方面是在第一至第五方面中的任一项中，所述电机具备所述电枢作为转子和所述场磁铁作为定子。

第七方面是在第一至第六方面中的任一项中，所述电机具备背轭，所述背轭配置在所述场磁铁的与所述电枢相反的一侧。

在第八方面中，一种机器人，具备第一至第七方面中任一项的电机。

附图说明

图1是说明实施方式所涉及的电机的剖视图。

图2是说明场磁铁的磁通量与尺寸比之间的关系的曲线图。

图3是说明当磁通量变为最大时的尺寸比的关系的曲线图。

图4是说明场磁铁的尺寸比的实施例的图。

图5是说明具备实施方式所涉及的电机的机器人的侧视图。

图6是说明实施方式的变形例所涉及的电机的场磁铁的图。

附图标记说明

1…电机；1A…第一电机；1B…第二电机；1C…第三电机；10…电枢；11…电枢芯；12…磁轭部；13…芯部；14…线圈；20、20a～20e、20A、20R…场磁铁；21…第一磁极；22…第二磁极；23…第三磁极；24…第四磁极；30…背轭；50…基座；51…第一连杆；52…第二连杆；53…第三连杆；55…末端执行器；56…作业台；60…控制装置；61…第一直进接头；62…第二直进接头；63…第三直进接头；100…机器人。

具体实施方式

如图1所示，本实施方式所涉及的电机1具备电枢10和与电枢10对置的场磁铁20。电机1例如是具备电枢10作为转子和场磁铁20作为定子的线性电机。电机1还可以具备配置在场磁铁20的与电枢10相反的一侧的背轭30。

电枢10由沿一个方向即图1中的x轴方向排列的多个电枢芯11和多个线圈14构成。每个电枢芯11例如由铸铁等磁性材料制成。每个电枢芯11例如具有长方体状的磁轭部12和从磁轭部12的场磁铁20侧的一面朝向场磁铁20突出的芯部13。每个线圈14由卷绕于芯部13的绕组构成。多个电枢芯11及多个线圈14以相同的尺寸及相同的定向彼此相邻地配置。

场磁铁20具有在定义与电枢10的距离的第一方向上被磁化的主磁极(21、23)以及在与第一方向正交的第二方向上与主磁极(21、23)相邻并在第二方向上被磁化的副磁极(22、24)，并形成哈尔巴赫阵列。电枢10配置在哈尔巴赫阵列的强磁场侧。即，背轭30配置在哈尔巴赫阵列的弱磁场侧。此外，在本发明中“磁极”是指一对磁极。

主磁极(21、23)及副磁极(22、24)均为永久磁铁。主磁极(21、23)包括第一磁极21及第三磁极23。第一方向是沿图1中的z轴的方向，并且是电枢与场磁铁20排列的方向。副磁极(22、24)包括第二磁极22及第四磁极24。第二方向是沿图1中的x轴的方向。第二方向是沿电机1的推力的方向，并且是哈尔巴赫阵列的排列方向。主磁极(21、23)及副磁极(22、24)例如是具有沿第一方向和第二方向的边的长方体。

第一磁极21在远离电枢10的第一磁化方向D1上被磁化。第二磁极22在与第一磁化方向D1正交的第二磁化方向D2上被磁化，并且在第二磁化方向D2上与第一磁极21相邻。第三磁极23在与第一磁化方向D1相反的第三磁化方向D3上被磁化，并且在第二磁化方向D2上与第二磁极22相邻。第四磁极24在与第二磁化方向D2相反的第四磁化方向D4上被磁化，并且在第二磁化方向D2上与第三磁极23相邻。场磁铁20通过在第二磁化方向D2上循环地分别配置多个第一磁极21、第二磁极22、第三磁极23以及第四磁极24而形成哈尔巴赫阵列。即，第一磁极21在第二磁化方向D2上与第四磁极24相邻。此外，在图1所示的例子中，第一磁化方向D1为-z方向，第二磁化方向D2为+x方向，第三磁化方向D3为+z方向，第四磁化方向D4为-x方向。

将主磁极(21、23)在第二方向上的尺寸设为第一尺寸w。即，第一磁极21及第三磁极23各自在第二方向上的尺寸彼此相等。将主磁极(21、23)及副磁极(22、24)在第一方向上的尺寸设为第二尺寸h。即，第一磁极21、第二磁极22、第三磁极23以及第四磁极24各自在第一方向上的尺寸彼此相等。将一对主磁极(21、23)与副磁极(22、24)在第二方向上的尺寸之和设为第三尺寸τ。即，第一磁极21与第二磁极22在第二方向上的尺寸之和等于第三磁极23与第四磁极24在第二方向上的尺寸之和。第三尺寸τ是哈尔巴赫阵列中的排列周期的1/2。根据在场磁铁20的电枢10侧的表面上产生的磁通量来决定第一尺寸w、第二尺寸h以及第三尺寸τ。

在定义为α＝w/τ、γ＝h/τ的情况下，通过以下的公式(1)来计算在场磁铁20的电枢10侧的表面上每半个周期所产生的磁通量Φ。

其中，B_r为主磁极(21、23)及副磁极(22、24)的剩余磁通密度，θ_p＝nπ(1-α)/2。磁通量Φ对应于从场磁铁20的电枢10侧的表面延伸的磁力线的总数，并且对应于将场磁铁20的电枢10侧的表面的磁通密度除以面积所得的量。此外，忽略粘贴主磁极(21、23)及副磁极(22、24)的粘合剂的厚度。

如图2所示，基于公式(1)而计算出的针对α的磁通量Φ的特性为，例如在γ＝0.10～3.00的范围内每隔0.02所得的值处，分别具有最大值。此外，采用了τ＝0.02[m]、B_r＝1.2[T]。另外，各磁极具有线性磁化特性并且设为不具有磁各向异性。图2中的曲线Cmax是连接各最大值而成的线的近似曲线。即，在每个γ的特性中当α位于曲线Cmax附近时，磁通量Φ大致达到最大。在第一尺寸w与第二尺寸h相对于第三尺寸τ的关系中，磁通量Φ达到最大是指电机1的推力达到最大。

如图3所示，例如在γ＝0.1～1的范围内，将磁通量Φ达到最大时的α与γ的关系表示为曲线C。即，曲线C是与图2中的曲线Cmax对应并在γ-α特性中将磁通量Φ的各最大值连接而成的线的近似曲线。曲线C由以下的公式(2)表示。其中，k＝0.07，γ₀＝-0.07，α₀＝0.40。

α＝k/(γ-γ₀)+α₀…(2)

从图2中的所有特性可知，为了获得最大值的大致在80％以上的磁通量Φ，α必须处于磁通量Φ达到最大的值的±0.1的范围内。据此，将曲线C⁺及曲线C^-定义为磁通量Φ大致达到最大时的α与γ可选取的范围。曲线C⁺及曲线C^-是两条与曲线C的距离一定、即将曲线C的法线上的距离定义为Δ的曲线。曲线C⁺及曲线C^-由以下的公式(3)表示。其中，符号一致，Δ＝0.1。

如上所述，当α和γ在由曲线C⁺和曲线C^-包围的范围内时，磁通量Φ大致达到最大。即，通过以满足α^-≤α≤α⁺的方式来决定第一尺寸w、第二尺寸h以及第三尺寸τ，从而能够在α与γ的关系中提高磁通量Φ。进而，通过以满足公式(2)的方式来决定第一尺寸w、第二尺寸h以及第三尺寸τ，从而能够在α与γ的关系中使磁通量Φ最优化。另外，通过满足α^-≤α≤α⁺或公式(2)的条件且满足α≥γ的条件，从而能够提高磁通量Φ并且使场磁铁20轻量化。

如图4所示，一般的场磁铁20R由交替排列的、沿+z方向和-z方向被磁化的两种磁极而构成。两种磁极相当于本实施方式中的第一磁极21和第三磁极23。在这种情况下，场磁铁20R在磁极的排列方向上的尺寸分别相当于第一尺寸w和第三尺寸τ。图4是在将第三尺寸τ设为10时，将分别具有基于公式(2)而计算出的最优的第一尺寸w和第二尺寸h的场磁铁20a～20e作为场磁铁20的实施例而示出。

在场磁铁20a中，第一尺寸w为6.62，第二尺寸h为2.5。在场磁铁20b中，第一尺寸w为5.81，第二尺寸h为3.75。在场磁铁20c中，第一尺寸w为5.37，第二尺寸h为5.0。在场磁铁20d中，第一尺寸w为4.92，第二尺寸h为7.5。在场磁铁20e中，第一尺寸w为4.65，第二尺寸h为10.0。

如上所述，根据本实施方式所涉及的电机1，根据磁通量Φ来决定哈尔巴赫阵列中的第一尺寸w、第二尺寸h以及第三尺寸τ。即，以哈尔巴赫阵列的排列周期为基准的各磁极的长度及厚度与磁通量Φ相关。由此，能够扩大可适应于场磁铁20的尺寸、电机1的推力要求的范围，从而扩大电机1的应用范围。另外，由于场磁铁20的厚度即第二尺寸h是一定的，所以场磁铁20不需要具有复杂的结构。

下面，参照图5对机器人100进行说明，该机器人100具备分别具有与本实施方式所涉及的电机1相同的结构的第一电机1A、第二电机1B以及第三电机1C。机器人100具备基座50、第一连杆51、第二连杆52、第三连杆53、末端执行器55、作业台56、控制装置60、第一直进接头61、第二直进接头62以及第三直进接头63。

第一直进接头61由于第一电机1A的推力而在沿X轴的方向上与基座50相对地驱动第一连杆51。第二直进接头62由于第二电机1B的推力而在沿Y轴的方向上与第一连杆51相对地驱动第二连杆52。第三直进接头63由于第三电机1C的推力而在沿Z轴的方向上与第二连杆52相对地驱动第三连杆53。具有X、Y、Z轴的正交坐标系相对于基座50而设定。即，机器人100是针对相互正交的三个轴具有自由度的正交机器人。

末端执行器55例如对配置在作业台56上的对象实施规定的作业。作为末端执行器55，例如可以采用夹爪、螺丝起子、焊枪、喷枪等各种工具。控制装置60具备：控制电路，构成计算机系统；以及驱动电路，根据控制电路的控制来驱动第一电机1A、第二电机1B以及第三电机1C。末端执行器55通过根据控制装置60的控制来决定基座50和作业台56的相对位置，从而对对象实施作业。

机器人100通过具备与本实施方式所涉及的电机1相同的第一电机1A、第二电机1B以及第三电机1C，从而能够扩大可满足于尺寸、推力要求的范围。这样，根据电机1扩大了应用范围。

尽管如上所述对实施方式进行了说明，但是本发明并非限定于这些公开。各部分的结构可以被替换为具有相同的功能的任意结构，另外，在本发明的技术范围内，也可以省略或追加各实施方式中的任意结构。这样，根据这些公开，对于本领域的技术人员而言各种代替的实施方式是显而易见的。

例如，在前述的实施方式中，配置在场磁铁20的端部的磁极没有必要是第一磁极21。如图6所示，其他实施方式中的场磁铁20A具备配置在两端的第二磁极22和第四磁极24。即，在哈尔巴赫阵列的排列方向上位于两端的一对副磁极(22、24)在彼此面对的方向上被磁化。由此，能够提高磁通量Φ相对于场磁铁20在第二方向上的总长度的比率。

另外，在前述的实施方式中，也可以是场磁铁20作为转子，电枢10作为定子而发挥功能。电机1也可以具备多个场磁铁20和多个电枢10。当然，电机1还可以作为能够提高所发电的发电量的发电机而发挥功能。而且，即使哈尔巴赫阵列的排列方向是圆周方向，也可以根据各磁极的尺寸而包括公式(1)～(3)可适用的情况。哈尔巴赫阵列的排列方向是轴方向且各磁极作为整体是圆筒状的情况也是同样的。因此，主磁极(21、23)和副磁极(22、24)的磁特性也可以彼此不同。例如，副磁极(22、24)也可以具有比主磁极(21、23)更高的保磁力，主磁极(21、23)也可以具有比副磁极(22、24)更高的剩余磁通密度。由此，抑制了永久磁铁的消磁。

此外，当然包括相互应用上述的各结构而得的结构等本发明在上面未记载的各种实施方式。本发明的技术范围是根据上述说明仅由合适的权利要求书所涉及的发明特定事项来确定。

下面，将从上述的实施方式导出的内容作为各方面而进行记载。

在第一方面中，一种电机，具备电枢以及场磁铁，所述场磁铁具有主磁极及与所述主磁极相邻的副磁极，并形成哈尔巴赫阵列，所述主磁极在所述电枢与所述场磁铁排列的方向即第一方向上被磁化，所述副磁极在与所述第一方向正交的第二方向上与所述主磁极相邻，并在所述第二方向上被磁化，所述主磁极在所述第二方向上的第一尺寸、所述主磁极及所述副磁极在所述第一方向上的第二尺寸、以及所述主磁极及所述副磁极在所述第二方向上的尺寸之和即第三尺寸根据在所述场磁铁的所述电枢侧的表面上产生的磁通量来决定。根据第一方面，能够扩大可满足于场磁铁的尺寸、电机的推力要求的范围，并且能够扩大电机的应用范围。

第二方面是在第一方面中，当将所述第一尺寸设为w，所述第二尺寸设为h，所述第三尺寸设为τ，w/τ设为α以及h/τ设为γ时，满足α^-≤α≤α⁺。根据第二方面，通过以满足由公式(3)定义的条件的方式来决定场磁铁的各尺寸，从而能够提高场磁铁的磁通量。

第三方面是在第二方面中，所述电机满足α＝k/(γ-γ₀)+α₀。根据第三方面，能够使场磁铁的磁通量最优化。

第四方面是在第二或第三方面中，α≥γ。根据第四方面，能够提高场磁铁的磁通量并且使场磁铁轻量化。

第五方面是在第二至第四方面中的任一项中，所述主磁极及所述副磁极是永久磁铁，并且所述主磁极与所述副磁极的剩余磁通密度相等。根据第五方面，通过使各磁极的剩余磁通密度与用于导出公式(3)的条件一致，从而能够进一步提高场磁铁的磁通量。

第六方面是在第一至第五方面中的任一项中，所述电机具备所述电枢作为转子和所述场磁铁作为定子。根据第六方面，能够实现具备哈尔巴赫阵列作为定子的电机。

第七方面是在第一至第六方面中的任一项中，所述电机具备背轭，所述背轭配置在所述场磁铁的与所述电枢相反的一侧。根据第七方面，背轭配置在哈尔巴赫阵列的弱磁场侧，从而能够使背轭的厚度变薄。

在第八方面中，一种机器人，具备第一至第七方面中任一项的电机。根据第八方面，通过可满足于场磁铁的尺寸、电机的推力要求的范围较广的电机，从而能够实现机器人。

Claims

1.一种电机，其特征在于，具备电枢以及场磁铁，

所述场磁铁具有主磁极及与所述主磁极相邻的副磁极，并形成哈尔巴赫阵列，

所述主磁极在所述电枢与所述场磁铁排列的方向即第一方向上被磁化，

所述副磁极在与所述第一方向正交的第二方向上与所述主磁极相邻，并在所述第二方向上被磁化，

所述主磁极在所述第二方向上的第一尺寸、所述主磁极及所述副磁极在所述第一方向上的第二尺寸、以及所述主磁极及所述副磁极在所述第二方向上的尺寸之和即第三尺寸根据在所述场磁铁的所述电枢侧的表面上产生的磁通量来决定，

当将所述第一尺寸设为w，所述第二尺寸设为h，所述第三尺寸设为τ，w/τ设为α以及h/τ设为γ时，所述电机满足α^-≤α≤α⁺与下述数学公式1，

公式1为：

其中，符号一致，k＝0.07，γ₀＝-0.07，α₀＝0.40，Δ＝0.1。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述电机满足α＝k/(γ-γ₀)+α₀。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，

α≥γ。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述主磁极及所述副磁极是永久磁铁，并且所述主磁极与所述副磁极的剩余磁通密度相等。

5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述电机具备所述电枢作为转子和所述场磁铁作为定子。

6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述电机具备背轭，所述背轭配置在所述场磁铁的与所述电枢相反的一侧。

7.一种机器人，其特征在于，具备权利要求1至6中任一项所述的电机。