JP2022096930A - アキシャルギャップモーター、及びロボット - Google Patents
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Abstract
【課題】寿命を向上させることが可能なアキシャルギャップモーター、及びロボットを提供する。【解決手段】ローター520は、軟磁性体のフレーム521に配置された第1磁石100を有し、ステーター530は、第1磁石100との間に磁力が働くコア531を有し、ベアリング550は、回転軸510を支持する内輪と、ケースに固定された外輪と、を有し、ケースは、ローター520と対向する面である軟磁性体の第1面540aと、第1面540aよりもローター520に近い側の面である軟磁性体の第2面540bと、を有し、第1面540aには、回転軸510の軸方向に沿って磁化された第2磁石200が配置されている。【選択図】図6
Description
本発明は、アキシャルギャップモーター、及びロボットに関する。
例えば、特許文献1には、回転軸と、回転軸に固定されたローターと、回転軸を回転可能に支持するベアリングと、ベアリングを介して回転軸を支持するケースと、ケースに配置されたステーターと、を備えたアキシャルギャップモーターが開示されている。ベアリングは、回転軸に固定された内輪と、ケースに固定された外輪と、内輪と外輪との間に配置されたボールと、を有する。
しかしながら、特許文献1の構成では、ローターとステーターとの磁気吸引によってベアリングが回転軸の軸方向に荷重を受けるため、内輪と外輪とがボールを挟む力が強くなることにより、ベアリングが摩耗や損傷する恐れがあるという課題がある。
アキシャルギャップモーターは、回転軸と、軟磁性体のフレームと、前記フレームに配置された第1磁石と、を有し、前記回転軸の周りを回転するローターと、前記第1磁石との間に磁力が働くコアを有し、前記ローターと離間して配置されたステーターと、前記ローター及び前記ステーターを覆うケースと、前記回転軸を支持する内輪と、前記ケースに固定された外輪と、を有し、前記回転軸を回転可能に支持するベアリングと、を備え、前記ケースは、前記ローターと対向する面である軟磁性体の第1面と第2面と、を有し、前記第2面と前記ローターとの距離は、前記第1面と前記ローターとの距離より小さく、前記第1面には、前記回転軸の軸方向に沿って磁化された第2磁石が配置されている。
ロボットは、上記に記載のアキシャルギャップモーターを備える。
まず、図1を参照しながら、本実施形態のアキシャルギャップモーター500の構成を説明する。
図1に示すように、アキシャルギャップモーター500は、永久磁石である第1磁石100を備え、回転軸510の周りを回転するローター520が配置されている。また、アキシャルギャップモーター500は、回転軸510の周囲に配置されると共に、ローター520から離間して配置されたステーター530を有する。
図1に示すように、回転軸510の上向き方向をZ、回転軸510の径方向をX及びYとする。また、回転軸510の径方向をRとして呼ぶこともある。なお、図1以降の図面においても同様である。また、Z方向に沿った方向を「上」、逆方向を「下」と呼ぶことがある。
回転軸510は、円柱体である。なお、中空の回転軸510としてもよい。アキシャルギャップモーター500では、Z方向の厚みが薄くなり、径方向Rの寸法が大きくなる傾向にあるため、回転軸510の径方向を大きくすると共に中空軸として、内部にアキシャルギャップモーター500への配線を通す構成にしてもよい。
ローター520は、回転軸510と固定される軟磁性体のフレーム521と、フレーム521の外周側に配置された第1磁石100と、を備えている。回転軸510は、例えば、フレーム521に圧入されている。第1磁石100は、円環形状であり、フレーム521の外周側において円周方向に配置されている。
ステーター530には、ローター520の第1磁石100に対向してコア531が配置されている。コア531の外周には、磁力を発生するコイル532が巻かれている。また、ステーター530は、第1磁石100に対してコア531が所定のギャップだけ隔てられるようにして配置されている。
ローター520及びステーター530の周囲には、ローター520及びステーター530を覆うようにケース540が配置されている。具体的には、ケース540は、ステーター530が組み込まれる第1ケース541と、ローター520が組み込まれる第2ケース542と、を有する。
また、第2ケース542は、ローター520の第1磁石100と平面視で少なくとも一部が重なる領域に第1面540aと、第1面540aよりも回転軸510側に設けられた第2面540bと、を有する。第2ケース542は、例えば、軟磁性体である。
第1面540aには、第2磁石200が配置されている。第2磁石200は、第1面540aの上(ローター520側)に配置された第2S極磁石202と、第2S極磁石202の上に配置された第2N極磁石201と、を有する。
第2磁石200は、ローター520の第1磁石100によりベアリング550にかかる軸方向の力を緩和させるために配置されている。具体的には、ローター520に対してコア531と反対側に配置された第2磁石200によって、第2磁石200を含む磁気回路560(図6参照)を形成することにより、ローター520をコア531側から引き戻している。これにより、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることが可能となり、ベアリングが摩耗や損傷することを抑えることができる。また、第2磁石200は、ローター520の第1磁石100とステーター530のコア531との間で形成される磁気回路には含まれておらず、独立しているので、第2磁石200を配置してもモーターの特性が低下しない。
第2面540bは、第1面540aよりもローター520側に近い位置に設けられている。つまり、第2ケース542には、第1面540aから突出した位置に第2面540bを有する凸部540b1が形成されている。この凸部540b1は、上記した磁気回路560の一部を構成している。
ケース540と回転軸510との間には、回転軸510を回転可能に支持するベアリング550が配置されている。ベアリング550は、図5に示すように、回転軸510に固定された内輪551と、ケース540(541,542)に固定された外輪552と、内輪551と外輪552との間に配置されたボール553と、を備えている。ベアリング550を用いることにより、回転軸510及びローター520は、ケース540に対して回転可能に保持されている。
次に、図2を参照しながら、第1磁石100の構成について説明する。
図2に示すように、第1磁石100は、永久磁石であり、上記したように、円環状に形成されている。また、第1磁石100は、ハルバッハ配列になっており、A磁石101と、B磁石102と、A磁石101とB磁石102との間に配置されたC磁石103と、が繰り返し配置されている。
A磁石101は、主磁極磁石であり、例えば、N極に着磁されている。B磁石102は、主磁極磁石であり、例えば、S極に着磁されている。C磁石103は、副磁極磁石であり、例えば、周方向Tの方向に着磁されている。
このように、第1磁石100がハルバッハ配列なので、第1磁石100の磁力の影響を第2磁石200に及ぼさないようにすることが可能となる。
次に、図3を参照しながら、第2磁石200の構成について説明する。
図3に示すように、第2磁石200は、円環状の第2N極磁石201と、第2N極磁石201と略同等の大きさを有する円環状の第2S極磁石202と、を備えている。また、第2N極磁石201及び第2S極磁石202は、回転軸510の軸方向に沿って磁化されている。即ち、磁極の方向が同じ方向である。
このように、第2磁石200は、磁極の方向が同一の方向であり、一体の円環状であるので、例えば、交番磁気力のように、複数の磁石を接着して作る場合と比較して、ギャップが少なくて済むので、第2磁石200の磁力を向上させることができる。また、モーターが動作しているときに交番磁界が発生しないため、鉄損によるモーターの特性低下を抑えることができる。
次に、図4を参照しながら、ケース540を構成する第2ケース542の構成について説明する。
図4に示すように、第2ケース542は、第2磁石200(図3参照)が配置される第1面540aと、第1面540aよりもローター520(図1参照)側に近い第2面540bを有する凸部540b1と、が設けられている。
第2面540bを有する凸部540b1は、第1面540aよりも内側(中心側)に配置されている。
次に、図5を参照しながら、ベアリング550の構成について説明する。
図5に示すように、ベアリング550は、回転軸510に固定された内輪551と、ケース540(541,542)に固定された外輪552と、内輪551と外輪552との間に配置されたボール553と、を備えている。
また、ベアリング550は、ローター520の第1磁石100により回転軸510における軸方向の荷重を受けるため、内輪551と外輪552との間に逆向きの力が働く(図5に示す矢印方向参照)。これにより、内輪551と外輪552とがボール553を挟む力が強くなり、ボール553が摩耗や損傷をする恐れがある。本実施形態では、ケース540(第2ケース542)に第2磁石200を配置することにより、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。よって、ボール553を有するベアリング550が摩耗や損傷することを抑えることができる。
次に、図6を参照しながら、第2磁石200を有する磁気回路560の構成について説明する。
図6に示すように、アキシャルギャップモーター500は、ローター520の第1磁石100と、ステーター530のコア531とが、引き合うように力が働く。本実施形態では、ケース540(具体的には、第2ケース542)の第1面540aに第2磁石200を配置し、第2磁石200の内側に第2面540bを有する凸部540b1を備えている。このように、凸部540b1よりも外径側に第2磁石200が配置されているので、第2磁石200の外径を大きくすることが可能となり、第2磁石200の面積を大きくすることができる。よって、第2磁石200の磁力を強くすることが可能となり、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。
第2磁石200は、例えば、平面視(具体的には、回転軸510の軸方向から見た場合)で第1磁石100と重なるように配置されている。なお、第2磁石200は、平面視で、第1磁石100よりも外径側に配置されていることが好ましい。これによれば、上記したように、第2磁石200の面積を大きくすることが可能となり、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。
このように、第2ケース542の第1面540aに第2磁石200を配置し、第2磁石200の内側に第2面540bを有する凸部540b1を設けることにより、第2磁石200、フレーム521、凸部540b1、第2ケース542に磁束が通る磁気回路560を形成することができる。よって、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。よって、ベアリング550が摩耗や損傷することを抑えることができる。
なお、第2磁石200と凸部540b1との間の隙間H1は、第2磁石200とフレーム521との間の隙間H2よりも大きい。第2磁石200と凸部540b1との間に隙間H1を設けることにより、第2磁石200と第2面540bを有する凸部540b1との間で短絡することを防ぐことが可能となり、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくするための磁気回路560を形成することができる。
また、第2面540bの幅W1は、第2磁石200の幅W2と同じ、又は、第2磁石200の幅W2よりも大きい。よって、凸部540b1の第2面540bによって磁束が絞られることが抑えられ、磁束が流れやすくなるので、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。
また、第2磁石200と対向するフレーム521の表面521aは、平坦になっている。このようにすることにより、第2磁石200、フレーム521、凸部540b1、第2ケース542で形成される磁気回路560を最短にすることが可能となり、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。
次に、図7及び図8を参照しながら、ロボット1000の構成について説明する。
図7に示すように、ロボット1000は、例えば、各種ワーク(対象物)の搬送、組立、検査等の各作業で用いられる。ロボット1000は、基台1001、ロボットアーム1100、駆動部1501,1502,1503,1504,1505,1506と、を有する。
基台1001は、水平な床2000に載置されている。なお、基台1001は、床2000ではなく、壁、天井、架台等に載置されていてもよい。
ロボットアーム1100は、第1アーム1010、第2アーム1020、第3アーム1030、第4アーム1040、第5アーム1050、及び第6アーム1060を備えている。第6アーム1060の先端には、図示しないエンドエフェクターを着脱可能に取り付けることができ、そのエンドエフェクターでワークを把持等することができる。
エンドエフェクターとしては、特に限定されないが、ワークを把持するハンド、ワークを吸着する吸着ヘッド等が挙げられる。エンドエフェクターで把持等するワークとしては、特に限定されず、例えば、電子部品、電子機器等が挙げられる。なお、本明細書では、第6アーム1060を基準にしたときの基台1001側を「基端側」とし、基台1001を基準にしたときの第6アーム1060側を「先端側」とする。
ロボット1000は、基台1001と、第1アーム1010と、第2アーム1020と、第3アーム1030と、第4アーム1040と、第5アーム1050と、第6アーム1060とが、基端側から先端側に向ってこの順に連結された単腕の6軸垂直多関節ロボットである。
第1アーム1010~第6アーム1060の長さは、それぞれ、特に限定されず、適宜設定可能である。なお、ロボットアーム1100が有するアームの数は、1~5本、又は、7本以上であってもよい。また、ロボット1000は、スカラロボットであってもよく、2つ、又は、それ以上のロボットアーム1100を備える双腕ロボットであってもよい。
基台1001と第1アーム1010とは、図8に示すように、関節1011を介して連結されている。第1アーム1010は、基台1001に対し、鉛直軸と平行な第1回動軸O1を回動中心として回動可能となっている。第1アーム1010は、モーター1501m、及び図示しない減速機を有する駆動部1501の駆動により回動する。モーター1501mは、第1アーム1010を回動させる推力を発生する。
第1アーム1010と第2アーム1020とは、関節1021を介して連結されている。第2アーム1020は、第1アーム1010に対し、水平面と平行な第2回動軸O2を回動中心として回動可能となっている。第2アーム1020は、モーター1502m、及び図示しない減速機を有する駆動部1502の駆動により回動する。モーター1502mは、第2アーム1020を回動させる推力を発生する。
第2アーム1020と第3アーム1030とは、関節1031を介して連結されている。第3アーム1030は、第2アーム1020に対し、水平面と平行な第3回動軸O3を回動中心として回動可能となっている。第3アーム1030は、モーター1503m、及び図示しない減速機を有する駆動部1503の駆動により回動する。モーター1503mは、第3アーム1030を回動させる推力を発生する。
第3アーム1030と第4アーム1040とは、関節1041を介して連結されている。第4アーム1040は、第3アーム1030に対し、第3アーム1030の中心軸と平行な第4回動軸O4を回動中心として回動可能となっている。第4アーム1040は、モーター1504m、及び図示しない減速機を有する駆動部1504の駆動により回動する。モーター1504mは、第4アーム1040を回動させる推力を発生する。
第4アーム1040と第5アーム1050とは、関節1051を介して連結されている。第5アーム1050は、第4アーム1040に対し、第4アーム1040の中心軸と直交する第5回動軸O5を回動中心として回動可能となっている。第5アーム1050は、モーター1505m、及び図示しない減速機を有する駆動部1505の駆動により回動する。モーター1505mは、第5アーム1050を回動させる推力を発生する。
第5アーム1050と第6アーム1060とは、関節1061を介して連結されている。第6アーム1060は、第5アーム1050に対し、第5アーム1050の先端部の中心軸と平行な第6回動軸O6を回動中心として回動可能となっている。第6アーム1060は、モーター1506m、及び図示しない減速機を有する駆動部1506の駆動により回動する。モーター1506mは、第6アーム1060を回動させる推力を発生する。
これらのモーター1501m~1506mのうちの少なくとも1つに、上記実施形態のアキシャルギャップモーター500が用いられる。すなわち、ロボット1000は、前述した実施形態に係るアキシャルギャップモーター500を備える。このようなアキシャルギャップモーター500を用いることにより、ロボットアーム1100の小型化および設計自由度の向上を容易に図ることができる。
また、駆動部1501~1506には、図示しない角度センサーが設けられる。これらの角度センサーとしては、例えば、ロータリーエンコーダー等の各種エンコーダーが挙げられる。角度センサーは、駆動部1501~1506のモーター1501m~1506mまたは減速機の出力軸の回動角度を検出する。
駆動部1501~1506および角度センサーは、それぞれ、図示しないロボット制御装置と電気的に接続されている。ロボット制御装置は、駆動部1501~1506の動作を独立して制御する。
以上述べたように、本実施形態のアキシャルギャップモーター500は、回転軸510と、回転軸510の周りを回転するローター520と、ローター520と離間して配置されたステーター530と、ローター520及びステーター530を覆うケース540と、回転軸510を回転可能に支持するベアリング550と、を備え、ローター520は、軟磁性体のフレーム521に配置された第1磁石100を有し、ステーター530は、第1磁石100との間に磁力が働くコア531を有し、ベアリング550は、回転軸510を支持する内輪551と、ケース540に固定された外輪552と、を有し、ケース540は、ローター520と対向する面である軟磁性体の第1面540aと、第1面540aよりもローター520に近い側の面である軟磁性体の第2面540bと、を有し、第1面540aには、回転軸510の軸方向に沿って磁化された第2磁石200が配置されている。
この構成によれば、ケース540に第2磁石200が配置されている、言い換えれば、ローター520の第1磁石100に対してステーター530のコア531側とは反対側に第2磁石200が配置されているので、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることが可能となり、ベアリング550が摩耗や損傷することを抑えることができる。
また、第2磁石200は、一体の円環状であり、磁極の方向が同じ方向であることが好ましい。この構成によれば、第2磁石200は、磁極の方向が同一であり一体の円環状であるので、例えば、交番磁気力のように複数の磁石を接着して作る場合と比較して、ギャップが少なくて済むので、第2磁石200の磁力をより向上させることができ、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。
また、第1磁石100は、ハルバッハ配列になっていることが好ましい。この構成によれば、第1磁石100は、ハルバッハ配列なので、第1磁石100の磁力の影響を第2磁石200に及ぼさないようにすることが可能となる。
また、第2磁石200は、第2面540bよりも外径側に配置されていることが好ましい。この構成によれば、外径側に第2磁石200が配置されているので、第1磁石100よりも外径を大きくすることが可能となり、第2磁石200の面積が大きくなるので、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。
また、第2面540bの幅W1は、第2磁石200の幅W2と同じ、又は、第2磁石200の幅W2よりも大きいことが好ましい。この構成によれば、第2面540bの幅W1が第2磁石200の幅W2と同じ又はそれ以上なので、第2面540bによって磁束が絞られることが抑えられ、磁束が流れやすくなるので、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。
また、第2磁石200と第2面540bを有する凸部540b1との隙間H1は、第2磁石200とフレーム521との隙間H2よりも大きいことが好ましい。この構成によれば、第2磁石200と第2面540bを有する凸部540b1との隙間H1が大きいので、第2磁石200と第2面540bを有する凸部540b1との間で短絡することを防ぐことが可能となり、磁気回路560を形成することができる。
また、フレーム521は、第2磁石200と対向する面としての表面521aが平坦であることが好ましい。この構成によれば、フレーム521の表面521aが平坦なので、第2磁石200、フレーム521、凸部540b1、第2ケース542で構成される磁気回路560を最短にすることが可能となり、ベアリング550にかかる軸方向の荷重を少なくすることができる。
また、本実施形態のロボット1000は、上記に記載のアキシャルギャップモーター500を備えるので、寿命を向上させることが可能なロボット1000を提供することができる。
以下、上記した実施形態の変形例を説明する。
上記したように、第2磁石200は、一体の円環状の第2N極磁石201と、一体の円環状の第2S極磁石202と、を組み合わせて構成することに限定されず、例えば、図9に示す構成にしてもよい。図9は、変形例の第2磁石1200の構成を示す斜視図である。
図9に示すように、変形例の第2磁石1200は、大きく4分割されている部分が、上記実施形態の構成と異なっている。具体的には、第2N極磁石は、4つの第2N極磁石201a,201b,201c,201dを貼り合わせて形成されている。また、第2S極磁石は、4つの第2S極磁石202a,202b,202c,202dを貼り合わせて形成されている。このような構成においても、上記実施形態と同様に、アキシャルギャップモーター500に用いることができる。
100…第1磁石、101…A磁石、102…B磁石、103…C磁石、200…第2磁石、201,201a,201b,201c,201d…第2N極磁石、202,202a,202b,202c,202d…第2S極磁石、500…アキシャルギャップモーター、510…回転軸、520…ローター、521…フレーム、521a…表面、530…ステーター、531…コア、540…ケース、540a…第1面、540b…第2面、540b1…凸部、541…第1ケース、542…第2ケース、550…ベアリング、551…内輪、552…外輪、553…ボール、560…磁気回路、1000…ロボット、1001…基台、1010…第1アーム、1011,1021,1031,1041,1051,1061…関節、1020…第2アーム、1030…第3アーム、1040…第4アーム、1050…第5アーム、1060…第6アーム、1100…ロボットアーム、1200…第2磁石、1501,1502,1503,1504,1505,1506…駆動部、1501m,1502m,1503m,1504m,1505m,1506m…モーター、2000…床、O1…第1回動軸、O2…第2回動軸、O3…第3回動軸、O4…第4回動軸、O5…第5回動軸、O6…第6回動軸。
Claims (8)
- 回転軸と、
軟磁性体のフレームと、前記フレームに配置された第1磁石と、を有し、前記回転軸の周りを回転するローターと、
前記第1磁石との間に磁力が働くコアを有し、前記ローターと離間して配置されたステーターと、
前記ローター及び前記ステーターを覆うケースと、
前記回転軸を支持する内輪と、前記ケースに固定された外輪と、を有し、前記回転軸を回転可能に支持するベアリングと、
を備え、
前記ケースは、前記ローターと対向する面である軟磁性体の第1面と第2面と、を有し、
前記第2面と前記ローターとの距離は、前記第1面と前記ローターとの距離より小さく、前記第1面には、前記回転軸の軸方向に沿って磁化された第2磁石が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモーター。 - 請求項1に記載のアキシャルギャップモーターであって、
前記第2磁石は、一体の円環状であり、磁極の方向が同じ方向であることを特徴とするアキシャルギャップモーター。 - 請求項1に記載のアキシャルギャップモーターであって、
前記第1磁石は、ハルバッハ配列になっていることを特徴とするアキシャルギャップモーター。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のアキシャルギャップモーターであって、
前記第2磁石は、前記第2面よりも径方向の外側に配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモーター。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載のアキシャルギャップモーターであって、
前記第2面の幅は、前記第2磁石の幅と同じ、又は、前記第2磁石の幅よりも大きいことを特徴とするアキシャルギャップモーター。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のアキシャルギャップモーターであって、
前記第2磁石と前記第2面との隙間は、前記第2磁石と前記フレームとの隙間よりも大きいことを特徴とするアキシャルギャップモーター。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のアキシャルギャップモーターであって、
前記フレームは、前記第2磁石と対向する面が平坦であることを特徴とするアキシャルギャップモーター。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のアキシャルギャップモーターを備えることを特徴とするロボット。
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JP2020210207A JP2022096930A (ja) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | アキシャルギャップモーター、及びロボット |
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