JP2611180B2 - ３次元モータの回転磁界発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットマニピュレー
タにおける関節等において有効に利用できるようにした
３次元モータの回転磁界発生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明者は、先に、特開昭６０−２０４
２５２号公報等において、３次元空間内で任意の方向に
回転する磁界を発生させ、それによって回転軸の３自由
度の回転制御を行えるようにした３次元モータを提案し
ている。その３次元モータは、互いに直交する３方向の
軸のまわりにそれぞれ回転磁界を発生させる巻線を設
け、それにより任意の方向の合成回転磁界を発生可能と
したステータと、そのステータ内に任意の方向に回転可
能に支持され、上記ステータの回転磁界により回転する
ロータとを備えたものである。

【０００３】この３次元モータでは、ステータにおける
巻線への電流を制御して、３次元の任意の方向に向けた
軸線のまわりで磁界を回転させると、出力軸をその回転
磁界の軸線のまわりにおいて回転させることができ、従
って、ロボットマニピュレータの関節等における３自由
度の回転制御を行うことができる。

【０００４】また、このような３次元モータの駆動のた
めに、本発明者は、先に特開昭６２−２３０３９１号に
おいて、上記モータに有効な簡単化された回転磁界発生
装置を提案している。その回転磁界発生装置は、３次元
モータにおける巻線を、正弦波電流のような単純な波形
の電流によって所要の向きの回転磁界を発生させること
を可能にするものである。

【０００５】これを具体的に説明すると、上記３次元モ
ータは、図１の分解図及び図２の組立状態を示す部分断
面図に示すように、一対のアーム１，１の間に、球にお
けるＸ軸上の対向両頂部を切落した形状のステータ２を
軸３により固定し、その軸３にステータ２のまわりにお
いてＺ軸のまわりに回転するリング状の第１枠４を回転
自在に取付け、上記第１枠４には、同じくリング状の第
２枠７を、上記Ｚ軸と直交するＹ軸のまわりに回転可能
に取付け、また、上記ステータ２の内部に設けたロータ
１１は、そのロータ１１から突出させた一対の軸１２，
１２を、第２枠７に対して上記Ｙ軸と直交するＸ軸のま
わりに回転可能に取付けている。これにより、ロータ１
１はステータ２に対して、空間における任意の軸のまわ
りに回転可能に且つ回転の方向・量及びトルクが検出可
能な状態に支持される。なお、ポテンショメータ５，
８，１３は、第１枠４、第２枠７及び軸１２の回転の方
向・量を検出するために、トルクセンサ６，９，１４は
同トルクを検出するために設けたものである。

【０００６】上記ステータ２は、コアに巻線を捲回して
なる同一形状の６個の磁極１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１
７ｃを備えたもので、図３では各磁極の位置関係を示す
ためステータ２を平面状に展開して示し、図４では模式
的な斜視図によって示している。これらの図によって明
らかなように、右側及び左側のそれぞれに三つの磁極１
６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１７ｃは、それぞれ１２０°間
隔に配列することにより、Ｘ軸まわりに二つの磁極環を
構成し、且つ左右の磁極環相互間においては、６０°の
位相がずれるように配設して、磁極１６ａと磁極１７
ａ、磁極１６ｂと磁極１７ｂ、磁極１６ｃと磁極１７ｃ
とは、それぞれステータの中心を挟んで対向させ、それ
らの磁極の中心軸線をステータ２の中心において立体的
に交差させている。

【０００７】また、各磁極の幅は、図１及び図２におけ
るＸ軸を含む平面内において、ステータの中心のまわり
に４５°の角を張る大きさに設定し、これによりステー
タ２全体としての幅が９０°の角を張るように形成し、
これによってそれぞれの磁極１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜
１７ｃの中心軸線を、Ｙ軸及びＺ軸を含む平面からそれ
ぞれ２２．５°づつ傾斜させている。

【０００８】上記３次元モータにおいては、このように
して、ステータ２に互いに対向する一対の巻線の中心軸
線が同一平面内にない３組の磁極を備え、制御部からの
位置指令に応じて各巻線に流す回転磁界発生用の正弦波
電流の振幅、位相及び周波数のデータをドライバに出力
させ、ドライバからそのデータに基づく正弦波電流を上
記３組の巻線に供給するようにしている。そのため、制
御部にモータの位置指令を入力すると、その位置指令に
応じて各巻線に流す回転磁界発生用の正弦波電流の振
幅、位相及び周波数のデータがドライバに伝達され、ド
ライバはそのデータに応じた正弦波電流を巻線に供給
し、各巻線に生じる正弦波磁界の合成により３次元的に
任意の平面内に所期の回転磁界が形成され、ロータがそ
の回転磁界の中心軸線のまわりに回転駆動される。

【０００９】このような３次元モータにおいては、次の
ような問題がある。即ち、ステータ２の巻線に電流を流
して、任意の平面内で回転磁界を発生させるとき、その
制御は、それぞれの磁極でできた磁界の磁束分布が正弦
波分布になる、という仮定のもとに行っている。一組の
磁極１６，１７について考えると、その巻線に電流を流
したときには、図５の（Ａ）（Ｂ）に示すように、発生
する磁界は、磁極の中心軸方向が最も強くて、その軸回
りの立体的に任意の方向でその軸との間の角度がθのと
ころがｓｉｎθの分布になるような磁界ができている、
というのが制御の前提であり、その場合に理論通りの性
能を発揮するものである。しかも、１軸のまわりに回転
する通常のモータとは異なり、３次元モータでは中心軸
のまわりにおいて立体的にどの方向にも角度に比例した
ｓｉｎθの磁束分布があることが必要である。

【００１０】しかしながら、実際には、各磁極に単純に
巻線を巻くだけでは、図６に示すように、磁極１６，１
７において発生する磁界が正弦波分布にはならず、磁極
があるところだけが磁界が強く、磁極を離れると急激に
その強さが低下し、制御の前提となるｓｉｎθの強度分
布の磁界とは一致しない、という問題がある。そのた
め、実際の３次元モータでは、あるところでロータが殆
ど止まりかけ、別のところでは急に回る、というような
回転むらが生じるなど、その制御性能が低下することに
なる。

【００１１】このような問題を解決して、ロータをスム
ースに回転させるには、前記図５の（Ｂ）に示すよう
に、発生する磁界がその中心軸回りでｓｉｎθの分布に
なるように考慮すればよく、そのためには、例えば、補
極的な磁極を別設し、それに対して角度φだけずれた位
置にｃｏｓφ分だけの巻線を巻いて本来の磁極の周囲に
磁界を強制的に作ることにより、その包絡線を制御の前
提である前記ｓｉｎθに近づけることができる。しかし
ながら、実際に、３組の磁極について、ステータ内の狭
い空間にこの補極的な磁極を設けることは不可能に近
く、その実現が困難である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、ステータに、互いに対向する一対の巻線の中心軸線
が同一平面内にない３組の磁極を備え、上記ステータ内
に３次元的に回転可能に支持されたロータを回転させる
ようにした３次元モータにおいて、簡単な構造によりそ
れぞれの磁極で発生する磁界がその中心軸回りでｓｉｎ
θの分布に近づくように構成し、３次元モータの制御性
能を向上させることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の３次元モータの回転磁界発生装置は、ステー
タに、任意の方向の合成回転磁界を発生させるための互
いに対向する一対の巻線の中心軸線が同一平面内にない
３組の磁極を備え、上記ステータ内で３次元的に回転可
能に支持されたロータを任意の軸まわりで回転させるよ
うにした３次元モータにおいて、それぞれの磁極におけ
る巻線の一部を隣接する磁極に巻くことにより、各磁極
において発生する磁界の磁束分布をその中心軸のまわり
における３次元的な正弦波分布に近づけたことを特徴と
するものである。

【００１４】

【作用】上記３次元モータにおいては、ステータにおい
て発生する磁界の回転軸を３次元の任意の方向に向ける
ように制御し、出力軸を任意の方向に向けて駆動するこ
とができるが、それぞれの磁極における巻線の一部を隣
接する磁極に巻くことにより、各磁極において発生する
磁界の磁束分布をその中心軸のまわりにおける３次元的
な正弦波分布に近づけ、制御の前提に一致させるように
しているので、理論通りの性能を発揮させることが可能
になる。

【００１５】また、各磁極において発生する磁界の磁束
分布を、その中心軸のまわりの３次元的な正弦波分布に
近づけるため、各磁極について補極的な磁極を設けるこ
となく、隣接する磁極を利用し、それぞれの磁極におけ
る巻線の一部を隣接する磁極に巻くようにしたので、ス
テータ内の狭い空間において簡単かつ容易に上記正弦波
分布の磁界を発生させることができる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て詳述する。本発明に係る３次元モータの基本的構成
は、先に図１〜図４によって説明した従来例と同じ構成
を有するもので、ステータ２に、任意の方向の合成回転
磁界を発生させるための互いに対向する一対の巻線の中
心軸線が同一平面内にない３組の磁極１６ａ〜１６ｃ、
１７ａ〜１７ｃを備え、上記ステータ２内で３次元的に
回転可能に支持されたロータを任意の軸まわりで回転さ
せるようにしたものである。

【００１７】即ち、ステータ２においては、図３の展開
図及び図４の模式的な斜視図に示すような位置関係にお
いて６個の磁極１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１７ｃを備え
ている。また、上記ステータ２は、図１及び図２に示す
ように、一対のアーム１，１の間に軸３で固定し、その
軸３に第１枠４を回転自在に取付け、その第１枠４には
同じく第２枠７を回転可能に取付け、ロータ１１の軸１
２，１２をその第２枠７に回転可能に取付けている。

【００１８】このような基本構成を有する３次元モータ
において、本発明の回転磁界発生装置は、各磁極１６ａ
〜１６ｃ、１７ａ〜１７ｃで発生する磁界の磁束分布を
その中心軸のまわりにおける３次元的な正弦波分布に近
づけるため、それぞれの磁極１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜
１７ｃにおける巻線の一部を隣接する磁極に巻いてい
る。

【００１９】即ち、各磁極１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１
７ｃにおいては、図５の（Ｂ）に示すように、中心軸の
まわりにおいて立体的にどの方向にも角度θの位置でｓ
ｉｎθとなる磁束分布を形成するため、図７（Ａ）にお
いて磁極１６ａの場合について例示するように、磁極１
６ａに隣接する他の磁極を相互に補極として利用し、そ
れらの磁極に、その角度φに応じてｃｏｓφ分の巻数の
巻線１８を巻いている。もちろん、上記磁極１６ａ以外
の磁極についても同様であり、全部の磁極１６ａ〜１６
ｃ、１７ａ〜１７ｃについて、それぞれの磁極に隣接す
る磁極に、補極に相当する上記ｃｏｓφ分の巻数の巻線
１８を巻いて、それらの巻線を相互に接続している。一
つの磁極に隣接する磁極は、図３からわかるように、例
えば、磁極１６ｂについては、それに隣接する他の四つ
の磁極１６ａ，１６ｃ，１７ａ，１７ｃであり、これら
を補極に相当するものとして上記ｃｏｓφ分の巻線を巻
くことになる。

【００２０】このように構成すると、本来の磁極の周囲
に必要な磁界を強制的に作ることにより、図７の（Ｂ）
に実線で示すように、一つの磁極のまわりの磁束分布を
制御の前提である前記ｓｉｎθに近づけることができ
る。なお、同図に示す実線の磁束分布は、模式的に示し
ているために正弦波が変形しているが、実際には、コア
などによって点線で示す包絡線のように更になだらかな
正弦波分布とすることができる。

【００２１】上記構成を有する３次元モータにおいて
は、ステータ２において発生する磁界の回転軸を３次元
の任意の方向に向け、それにより出力軸を所要の方向に
向けて駆動することができるが、それぞれの磁極１６ａ
〜１６ｃ、１７ａ〜１７ｃにおける巻線の一部を隣接す
る磁極に巻くことにより、各磁極において発生する磁界
の磁束分布をその中心軸のまわりにおける３次元的な正
弦波分布に近づけ、制御の前提に一致させるようにして
いるので、理論通りの性能を発揮させることが可能にな
る。

【００２２】また、各磁極において発生する磁界の磁束
分布を、その中心軸のまわりの３次元的な正弦波分布に
近づけるために、各磁極１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１７
ｃについて補極的な磁極を設けることなく、隣接する磁
極を利用し、それぞれの磁極における巻線の一部を隣接
する磁極に巻くようにしたので、ステータ内の狭い空間
において、磁極の数が３組しかないのにも拘らず、磁束
分布が非常に滑らかな正弦波分布を持つ磁極を、簡単か
つ容易に構成することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の回転磁
界発生装置によれば、ステータに、互いに対向する一対
の巻線の中心軸線が同一平面内にない３組の磁極を備
え、上記ステータ内に３次元的に回転可能に支持された
ロータを回転させるようにした３次元モータにおいて、
簡単な構造によりそれぞれの磁極で発生する磁界がその
中心軸回りでｓｉｎθの分布に近づくように構成し、３
次元モータの制御性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における３次元モータの基本構成（従来
例と同じ）を示す分解斜視図である。

【図２】上記３次元モータの組立状態を示す部分断面図
である。

【図３】上記３次元モータにおけるステータの切断展開
図である。

【図４】上記ステータにおける磁極の３次元的配置に関
する模式的説明図である。

【図５】（Ａ）は一組の磁極とその中心軸線に対する角
度θの関係を示し、（Ｂ）はその磁極における理想的な
磁束密度分布を示す説明図である。

【図６】磁極に単純に巻線を巻いた場合の実際の磁束密
度分布を示す説明図である。

【図７】（Ａ）は本発明において隣接する磁極に巻く巻
線について説明するための説明図、（Ｂ）はそれらの磁
極によって形成される磁束密度分布についての説明図で
ある。

【符号の説明】

２ ステータ １１ ロータ １６ａ〜１６ｃ 磁極 １７ａ〜１７ｃ 磁極

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステータに、任意の方向の合成回転磁界を
   発生させるための互いに対向する一対の巻線の中心軸線
   が同一平面内にない３組の磁極を備え、上記ステータ内
   で三次元的に回転可能に支持されたロータを任意の軸ま
   わりで回転させるように制御する３次元モータにおい
   て、それぞれの磁極における巻線の一部を隣接する磁極
   に巻くことにより、各磁極において発生する磁界の磁束
   分布をその中心軸のまわりにおける３次元的な正弦波分
   布に近づけたことを特徴とする３次元モータの回転磁界
   発生装置。