磁気ウォームギヤドモータにおける半スキュー構造の提案
Proposal of half skew structure for Magnetic Worm-Geared Motor

山中治紀，筒井幸雄，千葉明，清田恭平，藤井勇介 / Haruki Yamanaka, Yukio Tsutsui, Akira Chiba, Kyohei Kiyota, Yusuke Fujii

2024年電気学会産業応用部門大会 ヤングエンジニアポスターコンペティション 2024年電気学会産業応用部門大会

Y-26

• T2R2

背景 – Background

ロボットのアクチュエータには軽量化が求められている。筆者らは更なるトルク密度向上を目的として，Worm Drive Actuator (WDA)[1] におけるウォームギヤの機構を電磁気的に実現する磁気ウォームギヤドモータ(Magnetic Worm-Geared Motor, MWGM)を提案した[2]。そしてそこにクローポールを導入し，トルク密度を34%向上した[3]。本稿では，さらなるトルク密度向上のために，回転子周りの極数を変更せずに永久磁石のスキュー角を下げる半スキュー構造を提案する。

The robot actuators are required to be lightweight. To improve the torque density, the authors proposed a Magnetic Worm-Geared Motor (MWGM), which electromagnetically realizes the mechanism of worm gear in a Worm Drive Actuator (WDA)[1]. Then, introducing a claw pole improved the torque density by 34%[3]. To improve it further, this paper proposes a half-skew structure, which reduces the skew angle of a permanent magnet without changing the pole number around the rotor.

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手法 – Method

図1に従来構造の3Dモデルを示す。MWGMは，リング状の電機子巻線，クローポールを導入した2極6スロットの固定子コア，そして永久磁石にスキューを施した回転子で構成される。

Fig. 1 shows the whole structure of MWGM. MWGM is composed of ring coils, a core with a claw pole, which imitates a 2-pole 6-slot linear motor, and a rotor with a skewed permanent magnet.

図1 従来構造の3Dモデル / 3D model of the previous structure

図2に従来構造における接線力，軸方向力，およびそれらの合力である電磁力を示す。電磁力ベクトルと接線力ベクトルの間の角はスキュー角に等しいので，スキュー角を小さくすることで電磁力の接線方向成分を増やすことができる。

Fig. 2 shows the tangential force, the axial force, and the resultant electromagnetic force. The angle between the tangential and electromagnetic force vectors is equal to the skew angle, so reducing the angle increases the tangential component of electromagnetic force.

図2 従来構造における接線力と軸方向力 / Tangential and axial force of previous structure

図3に従来構造および提案する半スキュー構造を示す。半スキュー構造は従来構造を軸方向に半減させた構造である。よって永久磁石における軸長に対するスキューの大きさと固定子のスロット数が半減している。

Fig. 3 shows the previous (left) and proposed half-skew (right) structure. The half-skew structure is axially half of the previous one. Therefore, the structure has half a skew of permanent magnets in the axial length and half the number of stator slots.

図3 従来構造(左)と提案構造(右)の比較 / Comparison of previous (left) and proposed (right) structure

本稿では，従来構造と提案構造の性能を解析によって比較する。回転子ではスキュー角以外の全ての条件が揃っており，磁気装荷が等しい。固定子では1相当たりの巻数と電流密度が揃っており，電気装荷が等しい。

This paper analyzes and compares the performance of previous and proposed structures. Their rotors have the same condition except for the skew angle, so they have equal magnetic loading. Their stators have equal turn numbers per phase and current density and equal electric loading.

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結果 – Result

表1に従来構造と提案構造の性能比較を示す。半スキュー構造においても電磁力の方向はスキューに対して垂直であり，従来構造に比べて接線方向成分の割合が向上した。結果として質量あたりのトルク密度は18%向上した。

Table 1 shows the performance comparison of previous and proposed structure. Even with the half skew structure, the direction of electromagnetic force is perpendicular to that of skew, so the structure improved the ratio of tangential component of the force. As a result, torque density per mass was improved by 18%.

表1 解析結果の比較 / Comparison of analysis result

Item	Previous structure	Proposed structure
Tangential force density $\mathrm{[N/cm^2]}$	0.47	0.58
Axial force density $\mathrm{[N/cm^2]}$	0.090	0.052
Electromagnetic force density $\mathrm{[N/cm^2]}$	0.48	0.58
Torque density per mass $\mathrm{[N \cdot m/kg]}$	0.78	0.92

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結論 – Conclusion

本論文では磁気ウォームギヤドモータにおいてトルクに寄与する成分を増やす半スキュー構造を提案した。解析により質量あたりのトルク密度が18%向上することを示した。

This paper proposed half skew structure which increases the component contributing to torque for Magnetic Worm-Geared Motor. Analysis result shows that the structure improved torque density per mass by 18%.

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参考文献 - References

[1] O. Efobi and Y. Fujimoto, “Design Considerations for a Radially Magnetized Permanent Magnet Worm Drive Actuator,” IEEE Conf. on A.I.M., pp. 1303-1308, Busan (2015)

[2] 山中・筒井・千葉・清田・藤井：「トルク密度の改善を目的とした磁気ウォームギヤドモータの提案」，令和6年電気学会全国大会，pp. 125-126 (2024)

[3] 山中・筒井・千葉・清田・藤井：「磁気ウォームギヤドモータのクローポールの導入によるトルク密度の向上」，電磁力関連ダイナミクスのシンポジウム, pp. 213-216 (2024)

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