JP2009100635A - Method for manufacturing spherical surface motor - Google Patents
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Description
本発明は、産業用ロボットやヒューマノイドロボットの首、肩、肘、膝などの関節部の駆動に使われる球面モータに関する。 The present invention relates to a spherical motor used for driving joints such as necks, shoulders, elbows and knees of industrial robots and humanoid robots.
駆動軸の先端が、垂直Z軸からの倒れ角度θと水平X−Y平面上の回転角度φとで表される球座標(θ、φ)の動作をする従来の球面モータとして、例えば、駆動軸が取り付いた球状ロータに永久磁石をX軸周りとY軸周りの外周に一定の磁極ピッチ角で配置させたもの(特許文献1、2参照)、永久磁石を碁盤目状に配置させたもの(特許文献3参照)、磁性材の突起を球状ロータの表面に内接する複数の三角形の各頂点に配置させたもの(特許文献4参照)がある。また、球座標(θ、φ)の回転動作をリンク機構で実現し、リンク機構の回転軸の一端に回転角検出手段を配置させたもの(特許文献5参照)がある。 As a conventional spherical motor in which the tip of the drive shaft operates in spherical coordinates (θ, φ) represented by a tilt angle θ from the vertical Z axis and a rotation angle φ on the horizontal XY plane, for example, drive Permanent magnets placed on the outer circumference around the X and Y axes at a fixed magnetic pole pitch angle on a spherical rotor with a shaft attached (see Patent Documents 1 and 2), and permanent magnets placed in a grid pattern (Refer patent document 3), There exists what arrange | positioned the protrusion of a magnetic material to each vertex of the some triangle inscribed in the surface of a spherical rotor (refer patent document 4). In addition, there is one in which a rotation operation of spherical coordinates (θ, φ) is realized by a link mechanism, and a rotation angle detection means is arranged at one end of a rotation shaft of the link mechanism (see Patent Document 5).
図15は特許文献1の従来技術を示す球面モータである。図において、1が球状ロータ、2が永久磁石、3がステータ、4が電磁石である。球面モータは、永久磁石2が表面に配置された球状ロータ1、電磁石4が配置されたステータ3から構成されている。永久磁石2は、球状ロータ1の外周4箇所に配置され、それぞれの位置において、上半球がN極、下半球がS極と2極になるように配置されている。電磁石4は、4箇所の永久磁石と対向した位置に配置され、それぞれの位置において、永久磁石2の磁極方向と同じ向きに5個並んで配置されている。また、図示していないが、球状ロータ1の内部には、球面軸受が配置され、球状ロータ1の球面動作が自在になっている。
FIG. 15 is a spherical motor showing the prior art of Patent Document 1. In the figure, 1 is a spherical rotor, 2 is a permanent magnet, 3 is a stator, and 4 is an electromagnet. The spherical motor is composed of a spherical rotor 1 having a permanent magnet 2 disposed on the surface and a
このように構成された球面モータにおいて、電磁石4を順次励磁することで、球状ロータを球面動作させることができる。
従来の球面モータでは、例えば、球状ロータがX軸周りの回転を行うと、Y軸周りのトルクを発生させる永久磁石が電磁石に対し傾くことなり、磁極ピッチが短くなるとともに、電磁石の横側に永久磁石がはみ出してしまった。その結果、次にY軸周りに回転させようとした場合、トルク減少にともなうトルク不足が生じ、回転動作させることができなくなった。回転動作量を大きくしようとすると、永久磁石と電磁石の傾きはますます大きくなり、上記した問題が顕著となり回転動作量を大きくすることができなかった。
この問題を解決するために、永久磁石や磁性材の突起といった磁極を碁盤目状に配置させたり、球状ロータの表面に内接する複数の三角形の各頂点に配置させたりするものがある。しかし、X軸周りの回転動作を行った場合、Y軸周りのトルクを発生させる磁極位置がX軸周りの回転動作につられ変化した。つまり、球面動作を実現するには、他軸の動作に合わせ自軸の磁極位置を変化させる励磁制御が必要となり、球面動作制御が極めて複雑なものになった。
一方、回転角度を検出する手段を持ち合わせていないため、励磁制御はステッピングモータの定電流制御、もしくは、オープンループによる電流制御を行わなければならなかった。その結果、球状ロータが脱調するおそれがあった。磁極を突起で構成しリラクタンストルクによって回転トルクを得る構造のものは、磁極を磁石で構成し磁石トルクによって回転トルクを得るものに比べ、本質的に力率が悪く駆動アンプの容量が大きくなった。
これらの問題を解決するために、球座標(θ、φ)の回転動作を実現するリンク機構を持たせ、リンク機構の回転軸の一端に回転角検出手段を配置させるものがある。しかし、回転動作する部分に電磁石を配置させたり、リンク部分で負荷および自重を支える構造となっているため、球状ロータのイナーシャが極めて大きくなり、高角加速度の球面動作を実現することができなかった。
また、球面モータの組立を行う場合、固定子と可動子とのギャップを均一にして組み立てることが難しいといった問題が生じていた。すなわち、ステータに構成される巻線ユニットを取付けたあとにロータを挿入することが出来ない、また、ステータにロータを挿入したあとに、永久磁石をロータに取付けようとすると、一部の永久磁石が取付け出来ない個所がでるという問題も生じていた。
In the conventional spherical motor, for example, when the spherical rotor rotates around the X axis, the permanent magnet that generates torque around the Y axis is inclined with respect to the electromagnet, the magnetic pole pitch is shortened, and the side of the electromagnet is The permanent magnet has protruded. As a result, when trying to rotate around the Y axis next time, a torque shortage caused by a decrease in torque occurred, making it impossible to rotate. When an attempt was made to increase the amount of rotational movement, the inclination of the permanent magnet and the electromagnet increased further, and the above-mentioned problems became remarkable, and the amount of rotational movement could not be increased.
In order to solve this problem, magnetic poles such as permanent magnets and magnetic material protrusions are arranged in a grid pattern, or are arranged at the apexes of a plurality of triangles inscribed on the surface of the spherical rotor. However, when rotating around the X axis, the position of the magnetic pole that generates the torque around the Y axis changed with the rotating action around the X axis. In other words, in order to realize the spherical motion, it is necessary to perform excitation control in which the magnetic pole position of the own axis is changed in accordance with the motion of the other axis, and the spherical motion control becomes extremely complicated.
On the other hand, since there is no means for detecting the rotation angle, the excitation control has to be performed by constant current control of the stepping motor or current control by open loop. As a result, the spherical rotor may be stepped out. The structure in which the magnetic poles are made of protrusions and the rotational torque is obtained by reluctance torque is inherently inferior in power factor and the capacity of the drive amplifier is larger than that in which the magnetic poles are made of magnets and the rotational torque is obtained by the magnet torque. .
In order to solve these problems, there are some which have a link mechanism that realizes the rotation operation of the spherical coordinates (θ, φ), and arrange the rotation angle detection means at one end of the rotation shaft of the link mechanism. However, due to the structure in which an electromagnet is placed in the rotating part and the load and weight are supported by the link part, the inertia of the spherical rotor becomes extremely large, and it has not been possible to realize spherical operation with high angular acceleration. .
Further, when assembling a spherical motor, there has been a problem that it is difficult to assemble with a uniform gap between the stator and the mover. In other words, the rotor cannot be inserted after the winding unit configured in the stator is installed, and when the permanent magnet is attached to the rotor after the rotor is inserted into the stator, some permanent magnets There was also a problem that some parts could not be installed.
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、他軸回転時の自軸のトルク減少問題を解消し、球面動作量を大きくすることができるとともに、容易な制御で脱調させることなく、球状ロータを高角加速度で球面動作させる球面モータと精度良い製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problem, solves the problem of torque reduction of the own shaft during rotation of the other shaft, can increase the spherical motion amount, and can be stepped out with easy control. An object of the present invention is to provide a spherical motor that moves a spherical rotor spherically with high angular acceleration and a highly accurate manufacturing method.
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項1記載の発明は、表面に複数の永久磁石を有する球状ロータと、前記球状ロータと一定の空隙を介して配置された複数の巻線を有するステータとで構成される球面モータの製造方法において、前記巻線と前記ステータとから構成される巻線ユニットが形成され、前記巻線ユニットが巻線フレームに取り付けられたものである。
また、請求項2記載の発明は、前記巻線フレームに前記巻線ユニットが取り付けられる溝が形成されたものである。
また、請求項3記載の発明は、前記巻線ユニットが前記巻線フレームに取り付けられる際に、前記球状ロータに磁気吸引力により前記巻線ユニットが固定された状態で装着されるものである。
また、請求項4記載の発明は、前記巻線ユニットの内表面は、前記球状ロータの外表面に一定かつ均一の空隙を持った球状に成形されているものである。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is a method of manufacturing a spherical motor comprising a spherical rotor having a plurality of permanent magnets on the surface, and a stator having a plurality of windings arranged via the spherical rotor and a fixed gap. And a winding unit composed of the winding and the stator is formed, and the winding unit is attached to a winding frame.
According to a second aspect of the present invention, a groove for mounting the winding unit is formed in the winding frame.
According to a third aspect of the present invention, when the winding unit is attached to the winding frame, the winding unit is attached to the spherical rotor in a state of being fixed by a magnetic attractive force.
According to a fourth aspect of the present invention, the inner surface of the winding unit is formed in a spherical shape having a constant and uniform gap on the outer surface of the spherical rotor.
請求項1から4記載の発明によると、巻線フレームに巻線ユニットを挿入する溝を設け、球状ロータと巻線ユニットが一体となって、巻線フレームに挿入されることにより、固定子と可動子間のギャップを一定にして組み立てることができようになったことから、高トルクが得られ、高角加速度で球面動作させることが可能である。 According to the first to fourth aspects of the present invention, a groove for inserting the winding unit is provided in the winding frame, and the spherical rotor and the winding unit are integrally inserted into the winding frame, Since the gap between the movable elements can be assembled with a constant gap, a high torque can be obtained and a spherical operation can be performed with a high angular acceleration.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例1を示す球面モータの斜視図、図2は図1における水平X−Y平面の断面図、図3は図1における垂直Z−X平面の断面図である。なお、これら図において、座標軸は水平にX軸とY軸、これらと直交する垂直軸をZ軸とし、X軸周りの回転をTx、Y軸周りの回転をTy、球状ロータのZ軸からの倒れ角をθ、水平X−Y平面上の回転角をφと表記している。 1 is a perspective view of a spherical motor showing Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of the horizontal XY plane in FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view of the vertical Z-X plane in FIG. In these figures, the coordinate axes are the X and Y axes horizontally, the Z axis is the vertical axis perpendicular to them, Tx is the rotation around the X axis, Ty is the rotation around the Y axis, and the Z axis of the spherical rotor is from the Z axis. The tilt angle is denoted by θ, and the rotation angle on the horizontal XY plane is denoted by φ.
図1〜3において、100が球状ロータ、101が軸、102が軸101の軌跡、103がTxリンク、104がTyリンク、110が磁石ヨーク、111が永久磁石、200がステータ、201がベース、202が脚、203がフランジ、204が巻線フレーム、211が巻線、300が回転軸受、400が回転エンコーダ、410が回転スケール、411が検出ヘッド、412がエンコーダカバーである。
1-3, 100 is a spherical rotor, 101 is a shaft, 102 is a trajectory of the
球状ロータ100は、球状の磁石ヨーク110、磁性材の磁石ヨーク110の表面に配置された永久磁石111、球状ヨークに串刺しにされた軸101から構成されている。軸101の上部と下部ではリング状のTxリンク103が取り付けられ、Txリンク103とX軸の交点で、回転軸受300によりX軸周りの回転が自在になるようにTyリンク104に取り付けられている。Tyリンク104は、同じくリング状に形成されており、Y軸との交点で、回転軸受300によりY軸周りの回転が自在になるように脚202に取り付けられている。脚202はベース201に取り付けられている。また、Txリンク103のX軸交点では、回転エンコーダ400が配置されている。Txリンク103と直結した軸に回転スケール410が取り付けられ、Tyリンク104に回転スケール410と空隙を介して検出ヘッド411とエンコーダカバー412が取り付けられている。同様に、Tyリンク104のY軸交点箇所には、Tyリンク104と直結した軸に回転スケール410が取り付けられ、フランジ203に検出ヘッド411とエンコーダカバー412が取り付けられている。フランジ203は脚202に取り付けられている。このように構成された球面モータの球状ロータ100は、ステータ200に対し、X軸周りとY軸周りの回転動作(Tx、Ty)をすることによって、軸が球面座標(θ、φ)の動作するようになっている。また、回転角度(Tx、Ty)は、それぞれの軸に取り付けられた回転スケール401の目盛を光学式の検出ヘッド402により読み取ることにより検出される。
The
次に、永久磁石と巻線の配置関係について図2と3、新たに図4〜6を用いて説明する。図4は球状ロータの永久磁石配置図、図5は回転角度(Tx、Ty)=(0、0)時の永久磁石と巻線の配置関係図、図6は回転角度(Tx、Ty)=(0、30)時の永久磁石と巻線の配置関係図である。球状ロータ100とX軸との交点を中心X、Y軸との交点を中心Yとすると、永久磁石111は中心Xを囲む領域121(以下、中心X領域と呼ぶ)、中心Yを囲む領域122(以下、中心Y領域と呼ぶ)の4領域に分かれて配置されている。図4はY軸方向から見た中心Y領域122の永久磁石111の配置を示したものである。永久磁石111は、中心Yを中心として、磁極ピッチ角λごとにN極とS極の磁束密度の波が現れるように波紋状に配置されている。なお、1個の永久磁石111は円柱状に形成されており、円柱の上面と下面にN極とS極、もしくは、S極とN極となるように磁化されている。そして、磁石ヨーク110に予め波紋状の穴加工がされており、その穴に永久磁石111をはめ込むことで精度良く波紋状に配置するようにしている。また、磁束密度の波の山(N極)と谷(N極)の間隔である磁極ピッチ角λは11.25°(=360/2n、n=16)となっている。全周に永久磁石111が配置されていれば、32極で構成された回転モータとして考えることができる。このように波紋状に配置された永久磁石111は、中心X領域121と中心Y領域122の4領域で同じように配置されている。一方、巻線211は、中心X領域121と中心Y領域122に対向する4箇所において巻線フレーム204の内周側に配置されている。1箇所の巻線211は、U相、V相、W相の3個のコイルで構成され、3個のコイルは15°間隔に配置されている。このように構成された巻線211は、永久磁石の磁極に合わせた位相に3相交流電流を通電することで、回転磁界を発生させることができる。この回転磁界の方向は、中心X領域に対向する巻線211がY軸周りの回転Ty方向、中心Y領域に対向する巻線211がX軸周りの回転Tx方向となっている。そして、永久磁石111の磁界との作用により球状ロータ100を回転動作させることができる。また、球状ロータ100がY軸周りにTy=30°傾いた位置にあるとき、中心Y領域122の永久磁石111とそれと対向する巻線211の関係は図6のようになっている。図5と比較してわかるように、巻線211に対向する永久磁石111の磁極ピッチや磁極位置は変化しておらず、他軸の回転によって自軸の磁極ピッチや磁極位置が変化しないことを表している。よって、図6において、中心Y領域122に対向する巻線211に同様に3相交流通電することで、球状ロータ100をトルク不足なしにX軸周りの回転Txを実現することができる。なお、これら巻線211に3相交流通電するとき、回転エンコーダ400で検出された回転角度(Tx、Ty)をもとに永久磁石111の磁極位置を計算し、その磁極に合った電流位相にて通電する。さらには、各回転方向の駆動制御は、32極の回転モータと同様の電流制御によってなされる。
Next, the arrangement relationship between the permanent magnet and the winding will be described with reference to FIGS. 2 and 3 and newly FIGS. 4 is a permanent magnet arrangement diagram of a spherical rotor, FIG. 5 is an arrangement relation diagram of permanent magnets and windings at a rotation angle (Tx, Ty) = (0, 0), and FIG. 6 is a rotation angle (Tx, Ty) =. It is an arrangement relation figure of a permanent magnet and winding at the time of (0, 30). When the intersection of the
このような構成により、球状ロータの他軸回転時における自軸の永久磁石の磁極ピッチや磁極位置が変わることがない。その結果、トルクをまったく減少させることなく、大きな回転動作量を得ることができる。また、従来の回転モータ同様の電流制御により球面動作を容易に実現することができる。さらには、回転エンコーダを使用したフィードバック制御を実現することができ、球状ロータを脱調なしで球面動作させることができる。 With such a configuration, the magnetic pole pitch and magnetic pole position of the permanent magnet of its own axis do not change when the other axis of the spherical rotor rotates. As a result, a large amount of rotational motion can be obtained without reducing torque at all. Further, spherical operation can be easily realized by current control similar to that of a conventional rotary motor. Furthermore, feedback control using a rotary encoder can be realized, and the spherical rotor can be operated spherically without step-out.
次に、本実施例の球面モータの製造方法について図7から図10を用いて説明する。図7において、ベース201の両端に脚202をねじ止め等により組み立てておく。また、巻線ユニット5は図8に示すように、複数個の巻線211、プレート6、絶縁シート7から構成される。複数個の巻線211は球状ロータ1の外表面に一定かつ均一の空隙を持つ同芯の球状に成形されている。プレート6は複数個の巻線211に接する面を、絶縁シート7を挟んだ状態で、複数個の巻線211と同芯の球状に、また、巻線フレーム204に当接する部分は巻線フレーム204の溝8に勘合する形状に加工されている。巻線ユニット5はプレート6に絶縁シート7を挟んで、複数個の巻線211に沿って接着したあと、球状ロータ1の外表面に一定かつ均一の空隙を持った球状に、樹脂モールドで覆うように成形されている。プレート6には複数個のタップが加工され、巻線フレーム204には、プレート6に加工された複数個のタップに対応した位置に穴が加工されている。
次に図9に示すように永久磁石3が取り付けられた球状ロータ1に巻線ユニット5を永久磁石3とプレート6間にはたらく磁気吸引力により固定された状態で、巻線フレーム204に挿入し、さらにTxリンク103に軸101を挿入して組み立てる。
組み立てられたTxリンク103は、図10に示すように予め組み立てられた脚202と巻線フレーム204がねじ止め等により組み立てられる。
次に、図11に示すように不図示の軸受を介してシャフトを巻線フレーム204およびTxリンク103に挿入する。最後にTyリンク104に不図示の軸受を介してシャフトを挿入し、図12のように球面アクチュエータが組み立てられる。
尚、図12に示したように巻線ユニット5が球状ロータ1と一体となって巻線フレーム204に挿入される際、巻線フレーム204には、巻線ユニット5と当接する溝8が形成されている。このようにすることで、巻線ユニット5は球状ロータ1に対して正確な位置に配置される。
Next, a method for manufacturing the spherical motor of this embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 7,
Next, as shown in FIG. 9, the winding
As shown in FIG. 10, the assembled Tx link 103 is assembled by
Next, as shown in FIG. 11, the shaft is inserted into the winding
As shown in FIG. 12, when the winding
次に第2の実施例について説明する。図13は実施例2を示す球面モータの斜視図、図14は図1における垂直Z−X平面の断面図である。図13、14において、150は磁石ヨーク、151は軸、152は軸151の軌跡、153はTxリンク、154はTyリンク、251はベース、500は球面軸受、501は太陽球、502は軸受脚、503が遊星球である。実施例2が実施例1と異なる点は、磁石ヨーク150の内部に球面軸受500を設け、Txリンク153とTyリンク154を骨細とした点である。磁性ヨーク150の内部は球状にくり貫かれ、そのくり貫かれた部分に球面軸受500が配置されている。磁石ヨークの上部には軸151が取り付けられ、下部は球面軸受500の軸受脚502が通るように開口されている。軸受脚502は一端に太陽球501、もう一端にベース251が取り付けられている。球面軸受500は、遊星球503と遊星球503を保持するリテーナ504からなる転動ユニット505を、太陽球501の外周面と磁性ヨーク150の内周面との間に、少なくとも全周3等分の位置(図8では全周4等分の位置)に配置され、遊星球503が転動することで、球状ロータ100が球面動作できるように構成されている。このように、太陽球501は球面軸受500に接する部分は球面形状が形成されており、軸受脚に取り付けられる部分は平面形状に形成されている。なお、実施例1と異なり、球面軸受500が球状ロータ100の自重や軸151に取り付く負荷を支持するようになっている。回転軸受300は回転エンコーダの取り付けのみに使用される。そのため、Txリンク153とTyリンク154は実施例1に比べ骨細に形成され、大幅に軽量化されている。なお、永久磁石111や巻線211の配置については実施例1と同じである。
Next, a second embodiment will be described. FIG. 13 is a perspective view of a spherical motor showing the second embodiment, and FIG. 14 is a cross-sectional view of the vertical ZX plane in FIG. 13 and 14, 150 is a magnet yoke, 151 is a shaft, 152 is a locus of the
このような構成により、リンク機構のイナーシャが大幅に低減され、球状ロータを高角加速度で球面動作させることができる。 With such a configuration, the inertia of the link mechanism is greatly reduced, and the spherical rotor can be operated spherically with high angular acceleration.
なお、実施例1および2では、巻線をコイルのみで構成するもので示したが、鉄心に巻線を巻回した構造であっても良い。また、永久磁石の形状は円柱状としたが、断面形状が楕円形や長方形であったり、また、磁極表面が円弧や弓状であったりしても良い。 In the first and second embodiments, the winding is composed of only the coil. However, the winding may be wound around the iron core. Moreover, although the shape of the permanent magnet is a cylindrical shape, the cross-sectional shape may be an ellipse or a rectangle, and the magnetic pole surface may be an arc or an arc.
1、100 球状ロータ
2、200 ステータ
3、111 永久磁石
4 電磁石
5 巻線ユニット
6 プレート
7 絶縁シート
8 溝
101、151 軸
102、152 軸の軌跡
103、153 Txリンク
104、154 Tyリンク
121 中心X領域
122 中心Y領域
201、251 ベース
202 脚
203 フランジ
204 巻線フレーム
211 巻線
300 回転軸受
400 回転エンコーダ
401 回転スケール
402 検出ヘッド
403 エンコーダカバー
500 球面軸受
501 太陽球
502 軸受脚
503 遊星球
504 リテーナ
1, 100
Claims (4)
前記巻線と前記ステータとから構成される巻線ユニットが形成され、前記巻線ユニットが巻線フレームに取り付けられたことを特徴とする球面モータの製造方法。 In a method of manufacturing a spherical motor comprising a spherical rotor having a plurality of permanent magnets on the surface, and a stator having a plurality of windings arranged via the spherical rotor and a fixed gap,
A method of manufacturing a spherical motor, wherein a winding unit including the winding and the stator is formed, and the winding unit is attached to a winding frame.
12. The method of manufacturing a spherical motor according to claim 11, wherein the inner surface of the winding unit is formed into a spherical shape having a constant and uniform gap on the outer surface of the spherical rotor.
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