CN114498976A

CN114498976A - 电机及机器人

Info

Publication number: CN114498976A
Application number: CN202111242952.0A
Authority: CN
Inventors: 儿岛长子; 冲田太志
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2022-05-13
Also published as: US20220131452A1; JP2022069822A

Abstract

本发明涉及电机及机器人，能够提高输出效率。该电机具备：圆环状的磁化系统，由沿着以旋转轴为中心的圆周排列的多个磁极构成，并具有第一主磁极和第二主磁极，所述第一主磁极在沿着所述旋转轴的第一方向上磁化，所述第二主磁极在与所述第一方向相反的第二方向上磁化；以及电枢，在沿旋转轴的方向上与磁化系统对置，磁化系统的内径与外径的比值在0.4至0.8的范围内。

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公开了一种大致的海尔贝克结构的转动体，来作为轴向间隙型电机的圆环状的转动体，其具有磁铁片和使用通过卷绕带状的磁性板而得的层叠体制造的磁性部件。

专利文献1：日本特开2010-88269号公报

发明内容

但是，专利文献1所记载的技术未提及磁铁片的尺寸比等，关于这一点，在电机的输出效率方面存在留有改善的余地的情况。

一方式涉及一种电机，其特征在于，具备：圆环状的磁化系统，由沿着以旋转轴为中心的圆周排列的多个磁极构成，并具有第一主磁极和第二主磁极，所述第一主磁极在沿着所述旋转轴的第一方向上磁化，所述第二主磁极在与所述第一方向相反的第二方向上磁化；以及电枢，在沿着所述旋转轴的方向上与所述磁化系统对置，所述磁化系统的内径与外径的比值在0.4至0.8的范围内。

另一方式涉及一种具备上述电机的机器人。

附图说明

图1为说明第一实施方式涉及的电机的剖视图。

图2为说明电机的电枢的俯视图。

图3为说明电机的磁化系统的俯视图。

图4为按照每半周期的磁极数说明从图3的IV-IV线观察到的磁化系统的磁化方向的剖视图。

图5为说明l＝1时的内半径对转矩常数特性的图表。

图6为说明l≥2时的内半径对转矩常数特性的图表。

图7为说明l＝1时的内半径对转矩常数密度特性的图表。

图8为说明l≥2时的内半径对转矩常数密度特性的图表。

图9为说明第一实施方式的变形例涉及的电机的剖视图。

图10为说明第二实施方式涉及的电机的应用例涉及的机器人的立体图。

附图标记说明

1、1A：电机；10：轴；11、11a、11b：电枢；12、12a、12b、12c、12d：磁化系统；13、13a、13b：背轭；14、14a、14b：芯；15、15a、15b：线圈；20：磁极；21a、21b、21c、21d：第一主磁极；22a、22b、22c、22d：第二主磁极；23b、23c、23d：第一辅助磁极；24b、24c、24d：第二辅助磁极；25c、25d：第三辅助磁极；26c、26d：第四辅助磁极；27d：第五辅助磁极；28d：第六辅助磁极；50：机器人；51：基座；52：机械手；53：末端执行器；54：力传感器；60：控制装置；100：机器人系统。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。实施方式是例示用于使本发明的技术构思具体化的装置、方法的例子。本发明的技术构思不会将构成元件的材质、形状、结构、配置等指定为下述内容。在附图中，对于相同或相似的要素对应地标记相同或相似的附图标记，以省略重复的说明。附图为示意性的，有可能包括与实际的尺寸及尺寸的相对比率、配置、结构等不同的情况。

第一实施方式

如图1所示，第一实施方式涉及的电机1例如具备轴10、电枢11、第一磁化系统12a、第一背轭13a、第二磁化系统12b及第二背轭13b。电机1是电枢11与第一磁化系统12a及第二磁化系统12b之间的各间隙被定义在沿轴10(即旋转轴A)的方向上的轴向间隙型电机。即，电枢11在沿旋转轴A的方向上分别与第一磁化系统12a及第二磁化系统12b对置。电机1例如具备电枢11以作为定子，具备第一磁化系统12a及第二磁化系统12b以作为转子。

第一磁化系统12a配置在电枢11与第一背轭13a之间。第二磁化系统12b配置在电枢11与第二背轭13b之间。第一磁化系统12a和第二磁化系统12b具有彼此同样的结构。在图1所示的例子中，电机1具备以隔着电枢11的方式配置的一对磁化系统，即第一磁化系统12a及第二磁化系统12b，磁化系统的数量也可以是一个。下面将第一磁化系统12a及第二磁化系统12b中的任一个简称为磁化系统12。

如图2所示，电枢11大致为圆环状。电枢11具有多个芯14及多个线圈15。各芯14大致为具有沿轴10的高度的方柱状。各芯14例如由在轴10的半径方向上层叠且由非晶磁性体构成的多个板构成。多个芯14例如通过由线圈架支承来固定彼此的位置关系。各线圈15由沿芯14的侧面缠绕的绕线构成。

芯14及线圈15的对的数量例如为18。多个芯14及多个线圈15以关于旋转轴A具有18圈的旋转对称性的方式沿以旋转轴A为中心的圆周等间隔地排列。例如，在多个线圈15中，U相、V相、W相这三相电流在排列方向循环流动。

如图3所示，磁化系统12大致为圆环状。磁化系统12由沿以旋转轴A为中心的圆周排列的多个磁极20构成。多个磁极20例如分别由永久磁铁构成。磁化系统12的表面可通过在具有与旋转轴A平行的两边且与旋转轴A分离的矩形绕旋转轴A旋转时、由矩形的轨迹所形成的曲面来定义。多个磁极20具有在排列方向上周期性地不同的磁化方向。多个磁极20每一周期具有一对主磁极、即在沿旋转轴A的第一方向上磁化的第一主磁极以及在与第一方向相反的第二方向上磁化的第二主磁极。磁化系统12例如由每旋转一周为六个周期的多个磁极20构成。

如图4所示，若将每半周期的磁极20在排列方向上的数量设为l，l＝1的磁化系统12a每一周期具有第一主磁极21a及第二主磁极22a以作为两个磁极20。即，除第一主磁极21a及第二主磁极22a以外的磁化系统12a的多个磁极20分别在沿旋转轴A的第一方向或第二方向上磁化。

l＝2的磁化系统12b每一周期具有第一主磁极21b、第一辅助磁极23b、第二主磁极22b及第二辅助磁极24b来作为四个磁极20。磁化系统12b的各磁极20从轴10的半径方向观察时，具有与相邻的磁极20相差90°的磁化方向。磁化系统12b的各磁极20具有以在排列方向上依次以轴10的半径方向为轴每次旋转90°的方式变化的磁化方向。

l＝3的磁化系统12c每一周期具有第一主磁极21c、第一辅助磁极23c、第二辅助磁极24c、第二主磁极22c、第三辅助磁极25c及第四辅助磁极26c来作为六个磁极20。磁化系统12c的各磁极20在从轴10的半径方向观察时，具有与相邻的磁极20相差60°的磁化方向。磁化系统12c的各磁极20具有以在排列方向依次以轴10的半径方向为轴每次旋转60°的方式变化的磁化方向。

l＝4的磁化系统12d每一周期具有第一主磁极21d、第一辅助磁极23d、第二辅助磁极24d、第三辅助磁极25d、第二主磁极22d、第四辅助磁极26d、第五辅助磁极27d及第六辅助磁极28d来作为八个磁极20。磁化系统12d的各磁极20在从轴10的半径方向观察时，具有与相邻的磁极20相差45°的磁化方向。磁化系统12d的各磁极20具有以在排列方向依次以轴10的半径方向为轴每次旋转45°的方式变化的磁化方向。

磁化系统12b、12c、12d的各自的多个磁极20构成海尔贝克阵列。这样，l≥2的磁化系统12的多个磁极20构成海尔贝克阵列。在具有海尔贝克阵列的电机1中，电枢11配置在海尔贝克阵列的强磁场侧。即，在图1所示的例子中，第一磁化系统12a及第二磁化系统12b配置为各个强磁场侧彼此相向。

具有海尔贝克阵列的电机1由于能够增大海尔贝克阵列在电枢11侧的表面中的磁通量密度，故而能够提高转矩常数。尤其是，在l为3或4的情况下，能够使得磁通量密度在排列方向上的变化变得平滑，故而能够进一步提高转矩常数。

一般当电流I在线圈中流动时，转矩T使用转矩常数K_t通过式(1)来表示。

式1

T＝K_tI …(1)

根据劳伦兹力的定义，转矩常数K_t通过式(2)来表示。

式2

p为极对数、即多个磁极20在排列中的周期数。q(＝3)为在电枢11中流动的电流的相数。N为线圈15的匝数。α为线圈15相对于槽距的开角，也就是线圈15的排列间距关于旋转轴A所形成的角度。R_r为磁化系统12的内半径。R_m为磁化系统12的外半径。B_1,l(r)为第l段的磁极20在间隙中的磁通量密度的基本波振幅。

磁化系统12的每一单位体积的转矩常数K_t相当于转矩常数密度J_t，通过式(3)来表示。

式3

其中，z_m为磁化系统12的厚度、即沿旋转轴A的尺寸。

如图5所示，l＝1的磁化系统12a的转矩常数K_t随着内半径R_r的增加而减少。转矩常数K_t由(2)式算出。其中，p＝36、g＝0.5mm、R_m＝100mm，下同。g表示磁化系统12a与电枢11之间的间隙。

如图6所示，l＝2的磁化系统12b的转矩常数K_t远大于磁化系统12a的转矩常数K_t，并随着内半径R_r的增加而减少。R_r＝20时，磁化系统12a的转矩常数K_t约为450mNmA^-1，而磁化系统12b的转矩常数K_t约为700mNmA^-1。

l＝3的磁化系统12c的转矩常数K_t大于磁化系统12b的转矩常数K_t，并随着内半径R_r的增加而减少。R_r＝20时，磁化系统12c的转矩常数K_t约为740mNmA^-1。l＝4的磁化系统12d的转矩常数K_t略大于磁化系统12c的转矩常数K_t，并随着内半径R_r的增加而减少。R_r＝20时，磁化系统12d的转矩常数K_t约为750mNmA^-1。各磁化系统12的转矩常数K_t随着内半径R_r的增加而减少，且朝向0收敛。

如图7所示，l＝1的磁化系统12a的转矩常数密度J_t在内半径R_r约为75mm时，约为1.59NmA^-1m^-3取极大值。即，磁化系统12a的转矩常数密度J_t在磁化系统12a的内径与外径的比值V_R约为0.75时成为极大值。这样，在比值V_R大概在0.7到0.8的范围内的情况下，磁化系统12a的转矩常数密度J_t取接近极大值的值。这样，通过调整比值V_R能够提高意味着相对于输入电流I的转矩T的电机1的输出效率。

如图8所示，l＝2的磁化系统12b的转矩常数密度J_t在内半径R_r约为65mm时，约为2.4NmA^-1m^-3取极大值。即，在磁化系统12b的内径与外径的比值V_R约为0.65时，磁化系统12b的转矩常数密度J_t成为远大于磁化系统12a的转矩常数密度J_t的极大值。磁化系统12b的转矩常数密度J_t在比值V_R大概在0.4到0.8的范围内的情况下，取接近极大值的值。更优选的是，磁化系统12b的转矩常数密度J_t在比值V_R大概在0.55到0.75的范围内的情况下，取更接近极大值的值。这样，通过调整比值V_R，能够提高意味着相对于输入电流I的转矩T的电机1的输出效率。

l＝3的磁化系统12c的转矩常数密度J_t在内半径R_r约为65mm时，约为2.55NmA^-1m^-3取极大值。即，磁化系统12c的转矩常数密度J_t在磁化系统12c的内径与外径的比值V_R约为0.65时，成为比磁化系统12b的转矩常数密度J_t大的极大值。磁化系统12c的转矩常数密度J_t在比值V_R大概在0.4到0.8的范围内的情况下，取接近极大值的值。更优选的是，磁化系统12c的转矩常数密度J_t在比值V_R大概在0.55到0.75的范围内的情况下，取更接近极大值的值。这样，通过调整比值V_R，能够提高意味着相对于输入电流I的转矩T的电机1的输出效率。

l＝4的磁化系统12d的转矩常数密度J_t在内半径R_r约为65mm时，约为2.6NmA^-1m^-3、取极大值。即，磁化系统12d的转矩常数密度J_t在磁化系统12d的内径与外径的比值V_R约为0.65时，成为略大于磁化系统12c的转矩常数密度J_t的极大值。磁化系统12d的转矩常数密度J_t在比值V_R大概在0.4到0.8的范围内的情况下，取接近极大值的值。更优选的是，磁化系统12d的转矩常数密度J_t在比值V_R大概在0.55到0.75的范围内的情况下，取更接近极大值的值。这样，通过调整比值V_R，能够提高意味着相对于输入电流I的转矩T的电机1的输出效率。

综上所述，在比值V_R大概在0.4到0.8的范围内的情况下，能够提高意味着相对于输入电流I的转矩T的电机1的输出效率。也就是说，由于能够削减用于获得一定的转矩T的电流I，故而能够降低与电流I的平方成比例的电力消耗。并且，通过以使转矩常数密度J_t大概成为极大值的方式调整比值V_R，能够实现电机1的轻量化。由此，例如在将电机1搭载于移动机器人、电动汽车等的情况下，能够有助于续航距离、运行时间的延长、加减速性能的提高、制造成本的降低等。

变形例

如图9所示，第一实施方式的变形例涉及的电机1A具备轴10、第一电枢11a、第一磁化系统12a、背轭13、第二磁化系统12b及第二电枢11b。电机1A与电机1同样，是轴向间隙型电机，但是在第一磁化系统12a及第二磁化系统12b和背轭13作为一个转子配置在分别为定子的第一电枢11a和第二电枢11b之间这一点上与电机1不同。在变形例中不说明的构成、作用及效果与上述的第一实施方式同样且重复，故而省略。

第一电枢11a及第二电枢11b具有彼此同样的结构。即，第一电枢11a具有多个芯14a及多个线圈15a。第二电枢11b具有与多个芯14a及多个线圈15a同样的多个芯14b及多个线圈15b。第一电枢11a在沿旋转轴A的方向上与第一磁化系统12a对置。同样地，第二电枢11b在沿旋转轴A的方向上与第二磁化系统12b对置。

第二实施方式

如图10所示，第二实施方式涉及的机器人系统100例如具备机器人50和控制装置60。机器人50例如具有基座51和多个接头J1～J6，并且具备由基座51支承的机械手52、末端执行器53以及力传感器54。作为机器人50例如可以采用能够遵照通过未图示的示教装置生成的程序进行各种作业的通用机器人。机器人50可以是具有无人搬运车(AGV)、自主移动机器人(AMR)等移动支架的移动机器人。

机械手52例如是通过具有通过六个接头J1～J6相互连结的七个连杆在六自由度下运动的机器人臂。在图10所示的例子中，机械手52是具备分别是旋转接头的六个接头J1～J6的六轴臂。机械手52只要是具有多个接头的关节机构，则可以具有任意关节机构。

末端执行器53例如是螺丝刀、抓取器、研磨机等工具。末端执行器53例如进行拧螺丝、把持、研磨等各种作业。末端执行器53隔着力传感器54安装于机械手52的前端的机械式接口。机械手52通过被控制装置60控制驱动来决定末端执行器53的位置及姿势、即姿态。

力传感器54例如隔着末端执行器53来检测作用于是末端执行器53的位置的基准的工具中心点(TCP)的外力。详细而言，力传感器54通过将表示外力的信号输出至控制装置60，来在控制装置60中检测作用于TCP的三个检测轴的力及绕三个检测轴的转矩来作为外力。三个检测轴例如是由彼此正交的x轴、y轴及z轴定义的世界坐标系。

多个接头J1～J6中的至少任一个可以具有电机1和检测电机1的旋转角的编码器。电机1通过控制装置60的控制而被驱动，由此来驱动接头J1～J6中的具有电机1的接头。编码器检测电机1的旋转角，并将其输出至控制装置60。

控制装置60具备构成计算机系统的处理电路及存储电路。处理电路例如通过执行存储于存储电路的控制程序来实现记载于实施方式的各功能。存储电路是存储表示机器人系统100的动作所需的一系列处理的控制程序、各种数据并且能够由计算机读取的存储介质。

根据机器人系统100，通过具备能够提高输出效率的第一实施方式涉及的电机1，能够提高机械手52的速度、加速度、加加速度、运动范围等运动性能。并且，在机器人50是具备通过电机1的驱动进行移动的移动支架的移动机器人的情况下，电机1能够有助于续航距离、运动时间的延长、加减速性能的提高等。

其他实施方式

如上对实施方式进行了说明，但是本发明不限于对这些实施方式的公开。各部的构成也可以替换成具有同样的功能的任意构成，另外，在本发明的技术范围内，可以省略或追加各实施方式中的任意构成。这样，根据这些内容的公开，各种代替的实施方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。

例如、电机1能够作为产生旋转运动的致动器适用于各种装置，而不限于机器人、电动汽车等。另外，机器人50所具备的机械手52及末端执行器53的数量、机械手52的自由度等能够任意变更。机器人50可以是正交机器人、水平多关节机器人、垂直多关节机器人、双腕机器人等。

另外，本发明显然包括通过相互应用上述各构成而得的构成等以上没记载的各种实施方式。根据上述说明本发明的技术范围是仅由权利要求书中的合理的发明特定事项规定的。

Claims

1.一种电机，其特征在于，具备：

圆环状的磁化系统，由沿着以旋转轴为中心的圆周排列的多个磁极构成，并具有第一主磁极和第二主磁极，所述第一主磁极在沿着所述旋转轴的第一方向上磁化，所述第二主磁极在与所述第一方向相反的第二方向上磁化；以及

电枢，在沿着所述旋转轴的方向上与所述磁化系统对置，

所述磁化系统的内径与外径的比值在0.4至0.8的范围内。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述多个磁极分别在所述第一方向或所述第二方向上磁化，

所述比值在0.7至0.8的范围内。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述多个磁极构成海尔贝克阵列，

所述比值在0.55至0.75的范围内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电机，其特征在于，

所述电机还具备：

其他磁化系统，具有与所述磁化系统同样的结构；以及

其他电枢，在沿着所述旋转轴的方向上与所述其他磁化系统对置，

所述磁化系统及所述其他磁化系统配置在所述电枢与所述其他电枢之间。

5.一种机器人，其特征在于，具备：

权利要求1至4中任一项所述的电机。