JP7392677B2

JP7392677B2 - 電動駆動装置

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Publication number: JP7392677B2
Application number: JP2021030690A
Authority: JP
Inventors: 紀男米澤; 健二平本; 雅史難波
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2023-12-06
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: JP2022131649A

Description

本発明は、電動駆動装置に関する。

介護ロボットやパワーアシストスーツでは、搭載性や装着性の観点から小型で高いトルクを出力できる電動駆動装置が必要とされている。

アウターロータ型のモータと、モータから入力される入力回転を減速して出力する波動歯車装置と、波動歯車装置の波動発生器および出力軸をそれらの中心軸線の方向に貫通して延びる装置中空部と、出力軸に一体回転するように固定され、装置中空部における出力軸の端面に開口している出力側開口を封鎖しているエンドカバーと、出力軸の回転を検出する検出部とを有する回転アクチュエータが開示されている（特許文献１）。

また、可動子が複数の可動子要素を積層してなり、個々の可動子要素毎に互いに異なる所定の角度範囲のみに内歯を形成された内歯領域が設けられ、複数の可動子要素に設けられた内歯領域の組み合わせにより可動子の内周面の全周に亘る内歯が構成され、各可動子要素が、各々対応する内歯領域に向かう方向にのみ搖動可能に界磁用固定子に対して配置されている可変ギャップ式モータが開示されている（特許文献２）。

特許第６２３４５９２号公報特開２０１８－１９１４６８号公報

ところで、高トルクを出力するためには一般的に高減速比の減速機をモータと組み合わせて用いる。しかしながら、減速機によって大きく減速されたモータのロータは逆駆動時に高速で回転するため、その回転慣性が逆駆動負荷となってギアの破損や逆駆動要因に大きな力をかけてしまうおそれがある。これを回避するためには、逆駆動を検出するセンサが必要となり、駆動制御の応答速度が問題となる。

また、可変ギャップモータでは、回転慣性を低減することが可能であるが、減速比に対しトルクが小さくなってしまうという問題がある。

本発明の１つの態様は、偏心運動入力の減速機と、起磁力源を有するロータと、起磁力源を有するステータと、を備え、前記ロータは、自転運動が拘束されており、前記ステータに対して公転運動のみが可能であり、前記ステータは、前記ロータの回転周波数とは異なる周波数の回転磁界を発生させ、前記ステータによって発生された前記回転磁界により前記ロータの公転運動が駆動され、前記ロータの公転運動を前記減速機により出力軸の回転運動に変換することを特徴とする電動駆動装置である。

ここで、前記ステータに備わるティースの数と、前記ロータに備わる磁極の数とが異なることが好適である。

また、前記ティースの透磁率分布の干渉によって前記ステータから高調波を含む前記回転磁界を発生させることが好適である。

また、前記ロータが前記ステータの外側にあるアウターロータ型であることが好適である。このとき、前記減速機は、前記ロータの外周に設けられたプラネタリギアと、前記プラネタリギアと噛み合うリングギアとを含むことが好適である。

また、前記ロータが前記ステータの内側にあるインナーロータ型であることが好適である。このとき、前記減速機は、前記ロータの内周に設けられたリングギアと、前記リングギアと噛み合うサンギアとを含むことが好適である。

また、前記減速機は、Ｋ－ＨＶ型の遊星歯車機構を有することが好適である。

また、前記減速機は、サイクロイド減速機であることが好適である。

また、前記減速機は、サイクロイド型磁気歯車を有することが好適である。

本発明によれば、逆駆動時の負荷となる回転慣性が小さく、高い出力トルクを出力可能な電動駆動装置を提供することができる。

本発明の実施の形態における電動駆動装置の基本構成を示す図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置のギア部の基本構成を示す図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置のモータ部の基本構成を示す図である。一般的な遊星歯車機構及びその共線図を示す図である。本発明の実施の形態におけるプラネタリギアの固定方法の例を示す図である。プラネタリギアが固定された遊星歯車機構及びその共線図を示す図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置の構成及びその共線図を示す図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置のモータ部の作用を説明するための図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置のモータ部の作用を説明するための図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置の共線図を説明するための図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置におけるモータ磁極幅の制約を説明する図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置における磁気の空間次数変調を説明する図である。機械式ギア、モータ（磁気式ギア）及び磁気変調を適用した場合の共線図を示す図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置における寸法特性の例を示す図である。通常の表面磁石型動機型モータ（ＳＰＭＳＭ）のトルク特性を示す図である。従来の偏心出力モータのトルク特性を示す図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置におけるトルク特性を示す図である。本発明の実施の形態における電動駆動装置の基本構成の別例を示す図である。

［基本構成］
本実施の形態における電動駆動装置１００は、図１～図３の基本構成図に示すように、ステータ１０、ロータ１２、プラネタリギア１４及びリングギア１６を含んで構成される。電動駆動装置１００は、ギア部とモータ部とから構成される。図２は、電動駆動装置１００のギア部の構成を示し、図３は、電動駆動装置１００のモータ部の構成を示す。なお、図１～図３において、プラネタリギア１４とリングギア１６に設けた歯車は模式的に示しており、実際には歯数、歯形状等は適宜設定される。

電動駆動装置１００では、例として、ギア部は内接式遊星ギアから構成し、モータ部はアウターロータ型バーニアモータから構成している。

ステータ１０は、ロータ１２に対して回転磁界を発生するための構成要素である。電動駆動装置１００では、ステータ１０は、円柱状の部材であり、駆動軸と同軸に固定される。ステータ１０の外周側には、スロット及びティースが設けられており、それぞれのスロットにコイル１０ａが巻回されており、コイル１０ａに電流を流すことによって回転磁界を発生させることができる。図１～図３では、２４のスロットを設けた例を示している。

ロータ１２は、ステータ１０により発生した回転磁界を受けて回転する構成要素である。電動駆動装置１００では、ロータ１２は、ステータ１０の外周より大きい内周を有する中空の円筒状の部材である。ロータ１２の内部にステータ１０が配置される。

ロータ１２は、固定部１８によって自転が拘束され、ステータ１０の周りの公転のみが可能に固定される。例えば、プラネタリギア１４と一体に構成されているロータ１２には周方向に沿ってピン１８ａが設けられており、固定部１８に儲けられた固定穴１２ｂにピン１８ａを通すことによってロータ１２及びプラネタリギア１４の自転が拘束されており、固定穴１２ｂとピン１８ａとの径の差だけ公転できるように構成されている。公転半径は、モータ部における公転量と一致させ、同時にステータ１０とロータ１２の間隙を維持するように設定される。なお、ロータ１２には周方向に沿って固定穴１２ｂを設け、固定部１８に儲けられたピン１８ａを通すことによってロータ１２及びプラネタリギア１４の自転を拘束し、固定穴１２ｂとピン１８ａとの径の差だけ公転できるように構成してもよい。

また、ロータ１２の内周側には、磁石１２ａが周方向に沿って配置される。これによって、ロータ１２の磁石１２ａとステータ１０の回転磁界との磁気的な相互作用によって、ロータ１２はステータ１０の周りを公転するように構成されている。図１～図３では、４２極の磁石１２ａが配置された例を示している。

プラネタリギア１４は、外周に歯を有する歯車である。プラネタリギア１４は、ロータ１２の外周に沿って設けられており、ロータ１２の公転に伴って公転する。プラネタリギア１４は、リングギア１６と噛み合って、ロータ１２の回転に伴って回転力をリングギア１６に伝達する。

リングギア１６は、プラネタリギア１４の周りを回転する歯車である。リングギア１６は、プラネタリギア１４の外径より大きい内径を有する中空の円筒状の部材である。リングギア１６の内部にプラネタリギア１４が配置される。リングギア１６の内周にはプラネタリギア１４の歯と噛み合う歯が設けられている。プラネタリギア１４とリングギア１６との歯数の比によって、電動駆動装置１００における減速率が決定される。例えば、プラネタリギア１４の外歯の歯数を１２０とし、リングギア１６の内歯の歯数を１２２とすると減速比は６１となる。

電動駆動装置１００の出力は、外側のリングギア１６に接続された出力軸から行われる。また、ステータ１０とリングギア１６は同軸に配置されている。

なお、遊星の歯車をピン／カム構造にしたサイクロイド歯車やサイクロイド歯車を磁気歯車に置き換えた構成としてもよい。

［ギア部の構成及び特性］
図４は、一般的な遊星歯車機構の歯数と回転速度との関係を示す。サンギア、プラネタリギア、リングギアの歯数をそれぞれＺｓ、Ｚｐ、Ｚｒとし、回転角速度をそれぞれωｓ、ωｐ、ωｒとする。

電動駆動装置１００で用いる偏心軸の遊星歯車は、サンギアがなく、プラネタリギアの自転ができないようにした構成である。このような構成を、Ｋ－Ｈ－Ｖ型遊星歯車機構という。プラネタリギアの自転を拘束する方法は、電動駆動装置１００のように固定穴１２ｂにピン１８ａを通した構成とする方法、図５に示すようにプラネタリギアの偏心を許容できる自由継手を利用する方法等がある。

図６は、Ｋ－Ｈ－Ｖ型遊星歯車機構の共線図を示す。プラネタリギアの自転が拘束されているため、リングギアとキャリア軸は同じ方向に回転し、リングギア及びキャリア軸の順に回転速度が高くなる。ここで、キャリア軸を入力、リングギアを出力とすると、公転運動を自転運動に変換することができる。また、この場合の減速比は（Ｚｒ－Ｚｐ）／Ｚｒとなる。したがって、プラネタリギアの歯数Ｚｐとリングギアの歯数Ｚｒの差を少なくすることで大きな減速比を得ることができる。なお、キャリア軸の公転半径は歯車の歯の高さよりも大きくすることが必要である。

減速機は、逆駆動時において増速機として機能するが、電動駆動装置１００では自転運動はなく、公転運動のみとなる。自転運動時の慣性力は、回転慣性と角加速度の積で表される。回転慣性は、Ｉ＝∫ｒ^２ｄｍ［ｋｇｍ^２］（ここで、ギアの半径ｒ、質量ｍ）である。一方、公転慣性は、Ｉ＝ε^２ｍ［ｋｇｍ^２］（ここで、偏心半径ε、質量ｍ）である。Ｋ－Ｈ－Ｖ型遊星歯車機構において大きな減速を実現する場合、偏心量は小さくなるため、逆駆動時の慣性を小さく抑えることができる。

［モータ部の構成及び特性］
Ｋ－Ｈ－Ｖ型遊星歯車機構を用いても、自転入力とした場合には低慣性化の効果は得られない。そこで、電動駆動装置１００では、図７に示すように偏心出力となるモータ機構を採用している。

この場合、ステータ１０から発生する回転磁界によってロータ１２に公転運動を与える必要がある。そこで、ロータ１２に公転運動を与える手段について検討する。理解を簡単にするため、図８に示すように、ひとまず公転運動のない系においてステータ１０の作る磁界をロータ１２のように見做して考える。すなわち、ステータ１０が回転磁界を発生することでロータ１２の磁石１２ａとの相互作用によってロータ１２が回転する態様を、ロータ１２内にて磁束分布を持つもう一つのロータが回転することでロータ１２の磁石１２ａとの相互作用によってロータ１２が回転する態様に置き換えて考察する。

図９に示すように、ステータ１０に対応する内部のロータ及び外部のロータ１２の両方が自転する状態を内部のロータと外部のロータ１２との相対的な回転に置き換えることで、ステータ１０に対応する内部のロータが自転と公転をし、外部のロータ１２が停止している等価な状態と見做すことができる。さらに、この状態を軸変換することで、ステータ１０に対応する内部のロータが自転し、外部のロータ１２が公転している等価な状態と見做すことができる。すなわち、図９に示すように、図系全体をロータ１２の自転が静止して見えるよう相対回転させ、且つステータ１０を系の中心とみなすと、ステータ１０が回転することでロータ１２が公転する駆動状態が得られる。

なお、ステータ１０とロータ１２が同軸ではない場合、図１０に示すようにＫ－Ｈ－Ｖ型遊星歯車機構と同様の共線図となる。電動駆動装置１００では、この状態を用いる。このとき、対向部の回転力と隣接する磁力の吸引／反発力が公転力となるため，吸引力のみで偏心させる既存技術よりも高トルクが得られる。

［モータ部の制約］
電動駆動装置１００のような非同軸なモータが成立するためには、図１１に示すように、ステータ１０とロータ１２の磁極の幅が一致しなければならない。すなわち、ロータ１２の半径Ｒｒｔとステータ１０の半径Ｒｓｔの比がロータ１２の磁極数Ｎｒｔとステータ１０の磁極数Ｎｓｔの比と等しくＲｒｔ：Ｒｓｔ＝Ｎｒｔ：Ｎｓｔを満足すればよい。半径Ｒｒｔ，Ｒｓｔは有理数となり得るが、磁極数Ｎｒｔ，Ｎｓｔは必ず偶数であるので、磁極数Ｎｒｔ，Ｎｓｔが少ないと２つの磁極数Ｎｒｔ，Ｎｓｔに（最小差である）２極の差を持たせるだけで半径Ｒｒｔ，Ｒｓｔの比を大きくしなければならない。例えば、ロータ１２の磁極数Ｎｒｔが４極とステータ１０の磁極数Ｎｓｔが６極でありＮｒｔ：Ｎｓｔ＝４極：６極＝Ｎｒｔ：１．５Ｎｒｔである場合、ロータ１２の半径Ｒｒｔとステータ１０の半径Ｒｓｔの比もＲｒｔ：Ｒｓｔ＝Ｒｒｔ：１．５Ｒｒｔを満たす必要がある。また、例えば、ロータ１２の磁極数Ｎｒｔが２０極とステータ１０の磁極数Ｎｓｔが２２極でありＮｒｔ：Ｎｓｔ＝２０極：２２極＝Ｎｒｔ：１．１Ｎｒｔである場合、ロータ１２の半径Ｒｒｔとステータ１０の半径Ｒｓｔの比もＲｒｔ：Ｒｓｔ＝Ｒｒｔ：１．１Ｒｒｔを満たす必要がある。

また、ステータ１０を通常の３相モータのものとすると、１磁極対あたり３スロット必要である。多極化すると上記の幾何制約は緩和されるが、スロット数が増大してしまう。多極化によって磁石の起磁力に大きな変化はないが、ステータ１０は１極あたりのコイル断面積が減少するため起磁力が低下してしまい、モータとして力が出なくなってしまう。

そこで磁気ギアやバーニアモータにみられる磁気変調を利用することが好適である。ある磁束分布に異なる空間次数の透磁率分布を与えると、図１２に示すように、その透磁率分布を通過した磁束はその積となる。余弦加法定理の関係に基づいて磁束分布と透磁率分布の積を２つの空間周波数の和と差の周波数を持つ磁束分布の差に分解することができる。すなわち、磁束分布に透磁率分布を与えると、両空間周波数の和と差の周波数を持つ磁束分布が得られる。

電動駆動装置１００では、バーニアモータと同様に、ステータ１０のティースによって透磁率分布を与え、ステータ１０によって発生する磁束を磁気変調した磁束分布から得られる高調波を用いている。

例えば、ステータ１０が８極２４スロットである場合、磁気変調を適用しないときの磁束分布は空間４次である。ステータ１０のティース数は２４本であり、磁気変調が適用されたときの磁束分布は空間４次に加え空間２０次と空間２８次の成分を有することになる。このとき、２０次の分布を持つ磁束は４次の分布を持つ磁束に対して逆方向に進む（時間進行時に位相の増加／減少が反対の関係となる）。この磁気変調を用いることでスロット数を抑えたまま磁極数を増加させることができ、それにより幾何制約が緩和される。したがって、電動駆動装置１００を小型化することができる。

［電動駆動装置の特性］
図１３は、電動駆動装置１００の系全体の共線図を示す。図１３は、左からそれぞれ電動駆動装置１００に機械式ギア、モータ（磁気式ギア）、磁気変調モータを適用したときの共線図を示す。

電動駆動装置１００では、ステータ１０で生成された３相の回転磁界を上記のように磁気変調により高調波に変調し、その回転磁界を用いてロータ１２を駆動する。ステータ１０とロータ１２は非同軸かつ磁極数がわずかに異なるサイクロイド型となっており、これによりステータ１０の回転磁界によりロータ１２を公転駆動する。プラネタリギア１４を固定した内接式遊星歯車機構にロータ１２の公転運動を入力することで自転運動へと変換する。この際、プラネタリギア１４とリングギア１６の歯数の差をリングギア１６の歯数に対して十分に小さく設定することで大きな減速比を得る。

また、図１３の共全図に示すように、電動駆動装置１００の構成において自転運動しているのは出力軸とステータ１０の回転磁界だけである。これにより、電動駆動装置１００の低慣性化が達成される。

図１４は、電動駆動装置１００における寸法特性を示す。図１４において各寸法の単位はｍｍで表記している。上記のように、電動駆動装置１００ではステータ１０とロータ１２の磁極幅を一致させる必要がある。したがって、磁極数によって電動駆動装置１００のサイズが変化する。ステータ１０の作る空間４次の回転磁界をそのまま使用すると、ステータ１０の径７４ｍｍに対しロータ１２の径が１０４ｍｍ（内径９１．３ｍｍ）となる。これは、電動駆動装置１００の外径が従来のモータの外径より１５％増加してしまうことを意味する。これに対して、高調波を利用することで、多極化によるバックヨーク低減分を含めてロータ１２の外径を９０．４ｍｍに抑えることができる。

図１５、図１６及び図１７は、それぞれ表面磁石型動機型モータ（ＳＰＭＳＭ）、従来の偏心出力モータ及び電動駆動装置１００に適用した偏心出力モータについて有限要素法を用いてトルクの時間変化及びＵ相の電流位相に対するトルクの変化についてシミュレーションを行った結果を示す。なお、従来の偏心出力モータについては、特許文献２に記載の構成を適用した。

図１５に示すように、通常の表面磁石型動機型モータ（ＳＰＭＳＭ）では、三相コイルの最大電流５Ａにおいて最大９．７５Ｎｍのトルク出力が得られた。これに対して、図１７に示すように、電動駆動装置１００に適用した偏心出力モータでは、最大電流５Ａにおいて最大０．３Ｎｍのトルク出力が得られた。すなわち、電動駆動装置１００に適用した偏心出力モータでは通常の表面磁石型動機型モータ（ＳＰＭＳＭ）に対して３％程度のトルク出力しか得られないが、プラネタリギア１４とリングギア１６とで構成される減速機を適用することによって高トルク出力を実現することができる。

例えば、減速機の減速比を１／１１３（プラネタリギア１４の歯数を１１２：リングギア１６の歯数を１１３）とすると、電動駆動装置１００に適用した偏心出力モータでは通常の表面磁石型動機型モータ（ＳＰＭＳＭ）に対して３３９％程度のトルク出力を得ることができる。

また、ロータ１２の質量は、通常の表面磁石型動機型モータ（ＳＰＭＳＭ）において０．３１ｋｇであるのに対して、電動駆動装置１００に適用した偏心出力モータでは０．２６ｋｇと大きな変化がない。しかしながら、回転慣性に換算すると、通常の表面磁石型動機型モータ（ＳＰＭＳＭ）では５．３８ｅ^－４ｋｇｍ^２となるのに対し、電動駆動装置１００に適用した偏心出力モータではロータ１２は自転しないため４．７６ｅ^－７ｋｇｍ^２となる。すなわち、通常の表面磁石型動機型モータ（ＳＰＭＳＭ）に対して電動駆動装置１００に適用した偏心出力モータでは回転慣性を９９．９１％低減できる。そのため、回転慣性による応答性の低下や逆駆動時の抵抗を２桁程度ほど大幅に低減できる。

また、従来の偏心出力モータでは、最大電流５Ａの印加時において０．１０５Ｎｍ（吸引力が２４６Ｎ、偏心量が０．４ｍｍ）となり、減速比１０３の自転変換機構を介すことで１１．１Ｎｍの出力が得られた。すなわち、電動駆動装置１００では従来の偏心出力モータに対しても出力トルクが大幅に増加した。

また、電動駆動装置１００において体積当たりの出力トルクは２１６Ｎｍ／Ｌとなり、従来にない大きなトルク密度を実現できた。

また、例えば、図１～図３に示した構成では、減速機の減速比を１／６１（プラネタリギア１４の歯数を１２０：リングギア１６の歯数を１２２）とすると、出力トルクは１８．３（Ｎｍ）、トルク密度はおおよそ１１６．６（Ｎｍ／Ｌ）となった。すなわち、先行技術に対して８０％程度出力を向上させることができた。

なお、本実施の形態では、アウターロータ型の電動駆動装置１００を例に説明したが、図１８の構成概念図に示すように、ステータ１０の内部にロータ１２を配置したインナーロータ型の電動駆動装置１０２としてもよい。インナーロータ型とした場合、ギアの構成がアウターロータ型とは反転し、公転するリングギア１６と噛み合ったサンギア２０が自転して出力軸となる。

なお、本発明は上述した実施形態及びその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。

１０ステータ、１０ａコイル、１２ロータ、１２ａ磁石、１２ｂ固定穴、１４プラネタリギア、１６リングギア、１８固定部、１８ａピン、２０サンギア、１００，１０２電動駆動装置。

Claims

偏心運動入力の減速機と、起磁力源を有するロータと、起磁力源を有するステータと、を備え、
前記ロータは、自転運動が制限されており、前記ステータに対して公転運動が可能であり、
前記ステータは、前記ステータに対する前記ロータの公転運動の周波数とは異なる周波数の回転磁界を発生させ、
前記ステータによって発生された前記回転磁界を磁気変調により変調したロータ回転磁界により前記ロータの公転運動が駆動され、
前記ロータの公転運動を前記減速機により出力軸の回転運動に変換することを特徴とする電動駆動装置。
請求項１に記載の電動駆動装置であって、
前記ステータに備わるティースの数と、前記ロータに備わる磁極の数とが異なることを特徴とする電動駆動装置。
請求項２に記載の電動駆動装置であって、
前記ティースの透磁率分布の干渉によって前記ステータから高調波を含む前記ロータ回転磁界を発生させることを特徴とする電動駆動装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の電動駆動装置であって、
前記ロータが前記ステータの外側にあるアウターロータ型であることを特徴とする電動駆動装置。
請求項４に記載の電動駆動装置であって、
前記減速機は、前記ロータの外周に設けられたプラネタリギアと、前記プラネタリギアと噛み合うリングギアとを含むことを特徴とする電動駆動装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の電動駆動装置であって、
前記ロータが前記ステータの内側にあるインナーロータ型であることを特徴とする電動駆動装置。
請求項６に記載の電動駆動装置であって、
前記減速機は、前記ロータの内周に設けられたリングギアと、前記リングギアと噛み合うサンギアとを含むことを特徴とする電動駆動装置。
請求項１～７のいずれか１項に記載の電動駆動装置であって、
前記減速機は、遊星歯車と、前記遊星歯車の公転中心を回転軸とする外歯車又は内歯車をそれぞれ少なくとも１つ持ち、前記遊星歯車の公転と前記外歯車及び前記内歯車のいずれかの自転とを入出力とするＫ－Ｈ－Ｖ型の遊星歯車機構を有することを特徴とする電動駆動装置。
請求項１～７のいずれか１項に記載の電動駆動装置であって、
前記減速機は、サイクロイド減速機であることを特徴とする電動駆動装置。
請求項１～７のいずれか１項に記載の電動駆動装置であって、
前記減速機は、サイクロイド型磁気歯車を有することを特徴とする電動駆動装置。