JP2012210149A5

JP2012210149A5 - ロボット

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Publication number: JP2012210149A5
Application number: JP2012171597A
Authority: JP
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2013-08-08

Description

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、ロボットが提供される。このロボットは、永久磁石を有するローターと、電磁コイル、積層構造を有するコイルバックヨーク及びケースを有するステーターと、回動可能なアームと、を備え、前記ローターと前記ステーターは、前記ローターの回転軸を中心とする同心円筒形状を有し、前記永久磁石と前記電磁コイルは、前記ローターと前記ステーターの対向する円筒面に対向して配置され、前記電磁コイルは、前記ローターを移動させる力を生じさせる有効コイル領域及びコイルエンド領域を有し、前記コイルバックヨークは、円筒形状を有し、前記電磁コイルの前記永久磁石と反対側の面側に配置され、前記有効コイル領域を覆い、前記コイルエンド領域を覆っておらず、前記コイルバックヨークは、前記ローターの回転軸と平行な凹部であって、前記円筒形状の前記電磁コイル側の内壁に設けられ、前記円筒形状の外壁まで達していない凹部と、前記電磁コイルの極間において前記極間を中心に凸となる突起部とを有しており、前記永久磁石は、前記永久磁石から前記電磁コイルに向かう方向及び前記移動方向のそれぞれと垂直な方向の両端部に前記ローターの回転軸と平行な方向への磁束の漏れを抑制するサイドヨークを備えている。この形態のロボットによれば、駆動するときに渦電流の発生を抑えることが出来るので、渦電流損によるロスを低減し、大トルクでアームを動作させることが可能となる。

［適用例１］
相対的に移動可能な第１と第２の部材を有するコアレス電気機械装置であって、前記第１の部材に配置された永久磁石と、前記第２の部材に配置された空芯の電磁コイルと、前記第２の部材に配置された積層構造を有するコイルバックヨークと、を備え、前記電磁コイルは、前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間に配置されており、前記電磁コイルは、前記電磁コイルにおいて前記第１の部材を相対的に移動方向に移動させる力を生じさせる有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有しており、前記コイルバックヨークは、前記有効コイル領域を覆い、前記コイルエンド領域を覆っていない、コアレス電気機械装置。
この適用例によれば、渦電流の発生を抑えることが出来るので、渦電流損によるロスを低減し、大トルクを実現できる。

［適用例２５］
コアレス電気機械装置であって、永久磁石を有するローターと、前記ローターを回転させる力を生じさせる有効コイル領域と、コイルエンド領域「とを有し、空芯である電磁コイルを有するステーターと、前記有効コイル領域を覆い、前記コイルエンド領域を覆っていないコイルバックヨークと、前記ローターとステーターと前記コイルバックヨークとを囲うケースと、を備え、前記有効コイル領域は、前記永久磁石から前記電磁コイルに向けて前記永久磁石を投影したときの投影領域であり、前記コイルバックヨークは、前記ローターの回転方向と平行な厚さ０．１ｍｍ以下の鋼板材を積層して形成されており、前記ケースは、前記コイルバックヨークと重ならない部分において、非導電性材料で構成されている、コアレス電気機械装置。
この適用例によれば、渦電流の発生を抑えることが出来るので、渦電流損によるロスを低減し、大トルクを実現できる。

第１の実施例のコアレスモーターの構成を示す説明図である。電磁コイルの製造方法を示す説明図である。電磁コイルに樹脂を埋めるための樹脂充填装置を示す説明図である。電磁コイルを樹脂で固める工程を示す説明図である。コイルバックヨーク１１５の構成を示す説明図である。コイルバックヨーク１１５の他の構成例を示す説明図である。渦電流の測定を模式的に示す説明図である。本実施例の渦電流損を示す説明図である。コイルバックヨーク１１５が積層構造をとる場合における、穴あき円盤１１５ａの厚さと渦電流損の関係を示す説明図である。本実施例によるコアレスモーターと、比較例であるコア付モーターの特性を比較する説明図である。本実施例のコアレスモーターと、比較例のコア付モーターの、トルクと回転数の関係を比較する説明図である。本実施例のコアレスモーターと、比較例のコア付モーターの、トルクと電流と、の関係を比較する説明図である。本実施例のコアレスモーターと、比較例のコア付モーターの、トルクと入力電力と、の関係を比較する説明図である。本実施例のコアレスモーターと、比較例のコア付モーターの、トルクと出力電力（仕事）と、の関係を比較する説明図である。本実施例のコアレスモーターと、比較例のコア付モーターの、トルクと効率（＝出力電力／入力電力）と、の関係を比較する説明図である。第２の実施例を示す説明図である。第３の実施例を示す説明図である。本実施例と比較例のコアレスモーターとのトルク特性を比較する説明図である。第４の実施例のコアレスモーターの構成を模式的に示す説明図である。中央部と電磁コイルの位置の関係を模式的に示す説明図である。無負荷電流と無負荷電力について本実施例と変形例とを比較する説明図である。モーターの回転数と渦電流損の関係を示すグラフである。第５の実施例であるアキシャルギャップ型モーターの構成を示す説明図である。第６の実施例を示す説明図である。コイルバックヨーク１１５の製造方法を示す説明図である。第７の実施例を示す説明図である。コイルバックヨークの構成例を示す説明図である。第８の実施例におけるモーターの回転数と渦電流損の関係を示すグラフである。第９の実施例を示す説明図である。第１０の実施例を示す説明図である。第１１の実施例を示す説明図である。第１２の実施例を示す説明図である。磁場解析のモデルを示す説明図である。従来のモデルを用いた磁場解析シミュレーションの結果を示す説明図である。永久磁石表面から磁気センサーまでの距離と磁束密度の関係の測定結果を示す説明図である。本発明の変形例によるモーターを利用したプロジェクターを示す説明図である。本発明の変形例によるモーターを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。

図１８は、本実施例と比較例のコアレスモーターとのトルク特性を比較する説明図である。本実施例、比較例Ａ〜Ｄとも、永久磁石２００の磁石材として、ネオジムを用いている。最大連続トルク３００ｍＮは、比較例Ｄまたは本実施例しか実現ですることは出来ない。この場合、比較例Ｄでは、出力が２５０Ｗと大出力を要するのに対し、本実施例では、出力が１００Ｗで済む。本実施例では、少ない出力、すなわち、より少ない消費電力で、高トルクを実現できる。また、本実施例は、比較例Ａ、Ｃと同様に小型である。一般に、小型のモーターでは、トルクを大きくし難い。しかし、本実施例は、小型であるにも関わらず、高トルクを実現することができる。すなわち、本実施例によれば、小型低消費電力でありながら、高トルクのモーターを実現できる。

他の変形例：
本発明は、各種の装置に適用可能である。例えば、本発明は、ファンモーター、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モーターなどの種々の装置のモーターに適用可能である。本発明をファンモーターに適用した場合には、上述した種々の効果（低消費電力、低振動、低騒音、低回転ムラ、低発熱、高寿命）が特に顕著である。このようなファンモーターは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式パソコン、燃料電池式デジタルカメラ、燃料電池式ビデオカメラ、燃料電池式携帯電話などの燃料電池使用機器、プロジェクター等の各種装置のファンモーターとして使用することができる。本発明のモーターは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモーターとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本発明によるモーターをスピンドルモーターとして使用することが可能である。また、本発明によるモーターは、移動体やロボット用のモーターとしても利用可能である。

図３６は、本発明の変形例によるモーターを利用したプロジェクターを示す説明図である。このプロジェクター３１００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源３１１０Ｒ、３１１０Ｇ、３１１０Ｂと、これらの３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブ３１４０Ｒ、３１４０Ｇ、３１４０Ｂと、変調された３色の色光を合成するクロスダイクロイックプリズム３１５０と、合成された３色の色光をスクリーンＳＣに投写する投写レンズ系３１６０と、プロジェクター内部を冷却するための冷却ファン３１７０と、プロジェクター３１００の全体を制御する制御部３１８０と、を備えている。冷却ファン３１７０を駆動するモーターとしては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することができる。

１０…モーター（コアレスモーター）
１１…被測定モーター
１２…リニアモーター
１３…シャフトモーター
１５…ステーター
１６…可動部
１７…移動体
２０…ローター
２１…固定部
１００、１００Ａ、１００Ｂ…電磁コイル
１０１Ａ、１０１Ｂ…コイルエンド
１１０…ケーシング
１１１…円筒形状部分
１１２…円盤形状部分
１１３…中央部（有効長領域、円筒形部材）
１１３ＢＳ、１１３ＢＣ…切り欠き部
１１５ａ…穴あき円盤
１１５ｂ…板
１１５Ｃ、１１５Ｓ…切り欠き部
１１５…コイルバックヨーク
１１５ｄ…突起部
１１５ｅ…谷部
１１６…コイルバックヨーク
１１７…コイルケース
１１５ＢＣ、１１５ＢＳ…切り欠き部
１５０…板
１５１、１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ、１５２…凸
１６０…ブラシ
１７０…コミューター
２００…永久磁石
２０１…磁束線
２０２…磁石バックヨーク
２３０…回転軸
２４０…軸受け
２４１…ベアリングボール
２６０…コイルバネ
３００…磁気センサー
３１０…回路基板
５１０…熱伝導性樹脂
３１００…プロジェクター
３１１０…光源
３１４０…液晶ライトバルブ
３１５０…クロスダイクロイックプリズム
３１６０…投写レンズ系
３１７０…冷却ファン
３１８０…制御部
３２００…携帯電話
３２２０…ファン
３２３０…燃料電池
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３５００…鉄道車両
３５１０…モーター
３５２０…車輪

Claims

永久磁石を有するローターと、
電磁コイル、積層構造を有するコイルバックヨーク及びケースを有するステーターと、
回動可能なアームと、
を備え、
前記ローターと前記ステーターは、前記ローターの回転軸を中心とする同心円筒形状を有し、
前記永久磁石と前記電磁コイルは、前記ローターと前記ステーターの対向する円筒面に対向して配置され、
前記電磁コイルは、前記ローターを移動させる力を生じさせる有効コイル領域及びコイルエンド領域を有し、
前記コイルバックヨークは、円筒形状を有し、前記電磁コイルの前記永久磁石と反対側の面側に配置され、前記有効コイル領域を覆い、前記コイルエンド領域を覆っておらず、
前記コイルバックヨークは、前記ローターの回転軸と平行な凹部であって、前記円筒形状の前記電磁コイル側の内壁に設けられ、前記円筒形状の外壁まで達していない凹部と、前記電磁コイルの極間において前記極間を中心に凸となる突起部とを有しており、
前記永久磁石は、前記永久磁石から前記電磁コイルに向かう方向及び前記移動方向のそれぞれと垂直な方向の両端部に前記ローターの回転軸と平行な方向への磁束の漏れを抑制するサイドヨークを備えている、ロボット。
請求項１に記載のロボットにおいて、
前記円筒形状は、穴あき円盤を前記ローターの移動方向と垂直な方向に積層することにより形成されている、ロボット。
請求項１に記載のロボットにおいて、
前記円筒形状は、幅よりも小さい厚さを有する板を厚さ方向に螺旋状に巻くことにより形成されている、ロボット。
請求項２または３に記載のロボットにおいて、
前記穴あき円盤または前記幅よりも小さい厚さを有する板は、鋼板材で形成されており、
前記鋼板材の厚さは、０．１ｍｍ以下である、ロボット。
請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記永久磁石から前記電磁コイルに向かう方向に前記永久磁石を投影したときの前記ケースの投影領域に前記コイルバックヨークが設けられ、前記ケースの投影領域外には、前記コイルバックヨークが設けられていない、ロボット。
請求項５に記載のロボットにおいて、
前記ケースのうち前記投射領域を除いた部分は、非導電性材料で構成されている、ロボット。
請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載のロボットにおいて、さらに、前記回転軸を支持する軸受けを有し、
前記軸受けは、非導電性材料で構成されている、ロボット。
請求項７に記載のロボットにおいて、
前記軸受けは、非導電性材料で構成されたボール部を有する、ロボット。
請求項１〜８のうちのいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記コイルバックヨークは、外気に露出している、ロボット。
永久磁石を有するローターと、
前記ローターを回転させる力を生じさせる有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有し、空芯である電磁コイルを有するステーターと、
前記有効コイル領域を覆い、前記コイルエンド領域を覆っていないコイルバックヨークと、
前記ローターとステーターと前記コイルバックヨークとを囲うケースと、
回動可能なアームと、
を備え、
前記有効コイル領域は、前記永久磁石から前記電磁コイルに向けて前記永久磁石を投影したときの投影領域であり、
前記コイルバックヨークは、前記ローターの回転方向と平行な厚さ０．１ｍｍ以下の鋼板材を積層して形成されており、
前記コイルバックヨークは、前記ローターの回転軸と平行な凹部であって、前記円筒形状の前記電磁コイル側の内壁に設けられ、前記円筒形状の外壁まで達していない凹部と、
前記電磁コイルの極間において前記極間を中心に凸となる突起部とを有しており、
前記ケースは、前記コイルバックヨークと重ならない部分において、非導電性材料で構成されており、
前記永久磁石は、前記永久磁石から前記電磁コイルに向かう方向及び前記移動方向のそれぞれと垂直な方向の両端部に前記ローターの回転軸と平行な方向への磁束の漏れを抑制するサイドヨークを備えている、ロボット。