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
Proposal of Magnetic Worm-Geared Motor for Torque Density Improvement

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

K309-C2-2

T2R2

背景 – Background

ロボットのアクチュエータには，小型軽量であり，摩耗や騒音を生む機械的な接触がないことが求められている。Worm Drive Actuator(WDA)は機械的な接触を無くしたアクチュエータである[1]。しかしWDAはホイールの周りにステータとウォームを複数配置するので，アクチュエータ全体の質量はステータと同じサイズの同期モータの数倍に相当する。そこでウォームギヤの機構を電磁気的に実現するモータを磁気ウォームギヤドモータ(Magnetic Worm-Geared Motor, MWGM)として提案する。

The robot actuators must be small and lightweight and not have mechanical contact, which causes wear and noise. A Worm Drive Actuator (WDA) is an actuator that doesn’t have mechanical contact [1]. However, WDA has several stators and worms around the wheel, so the mass of the whole actuator is several times the mass of a synchronous machine of the same size. Therefore, this paper proposes a motor that realizes the mechanism of worm gear electromagnetically as a Magnetic Worm-Geared Motor (MWGM).

手法 – Method

図1にMWGMの全体構成を示す。MWGMは，リング状の電機子巻線，2極6スロットのリニアモータを模したコア，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 that imitates a 2-pole 6-slot linear motor, and a rotor with a skewed permanent magnet.

Fig. 1 MWGMの全体構成(電機子巻線の一部を省略) / The whole structure of MWGM (part of ring coil is omitted)

図2にMWGMの回転原理を示す。N極とS極は電機子電流が作る磁界分布を示す。この磁界分布が軸方向に移動すると，回転子が磁界分布に合わせて回転する。

Fig. 2 shows the rotational principle of MWGM. The N pole and S pole show the field distribution generated by the armature current. This field distribution moves in the axial direction, and the rotor rotates according to it.

Fig. 2 MWGMの回転原理 / Rotational principle of MWGM

図3に回転軸方向から見たMWGMと比較用のSPMSMを示す。これらのモータの巻線配置は共に2極6スロットである。よってMWGMとSPMSMの極対数はそれぞれ12と2である。これらのモータのターン数，回転速度，電流を揃えて解析する。

Fig. 3 shows MWGM and SPMSM for comparison from the axial direction. These motors have the same 2-pole, 6-slot winding distribution, so MWGM and SPMSM have 12 and 2-pole pairs, respectively. They are analyzed using equal turn numbers, rotational speeds, and current.

Fig. 3 回転軸方向から見たMWGM(左)とSPMSM(右) / MWGM (left) and SPMSM (right) from the axial direction

結果 – Result

図4に鎖交磁束の波形を示す。鎖交磁束の振幅の差の理由は，MWGMの方が回転子を覆うコアの面積が少なく，永久磁石のスキューによってティースを経由して短絡する磁路が形成されるからである。

Fig. 4 shows the waveform of flux linkage. The reason for the different amplitudes of flux linkage is that MWGM has less core area, which covers the rotor, and the skew of the permanent magnet generates a short flux path via the teeth.

図4 無負荷時のU相における鎖交磁束 / No-load flux linkage through phase U

表1に負荷時の解析結果を示す。SPMSMの質量にはコイルエンドの質量を概算[2]して含めた。MWGMの質量あたりのトルク密度はSPMSMのトルク密度よりも18%高かった。MWGMの電流周波数(50Hz)はSPMSMの周波数(8.3Hz)より高いが，MWGMはSPMSMと同じ速度かつ一定のトルクで回転するので，MWGMは減速機構を持つことが示された。

Table 1 shows the analysis result. The mass of SPMSM contains approximately the calculated mass of the coil end[2]. The torque density per mass of MWGM is 18% higher than that of SPMSM. The current frequency of MWGM (50Hz) is higher than that of SPMSM (8.3Hz), but MWGM rotates at the same speed as SPMSM and generates constant torque. Therefore, the result shows that MWGM has a gear mechanism.

表1 負荷時の解析結果 / Analysis result under on-load condition

	MWGM	SPMSM
Average torque $[\text{N}\cdot\text{m}]$	3.0	3.4
Mass $[\text{kg}]$	5.2	7.0
Torque density $[\text{N}\cdot\text{m}/\text{kg}]$	0.58	0.49

結論 – Conclusion

本稿では，ウォームギヤの機構を電磁気的に模した磁気ウォームギヤドモータ(MWGM)を提案した。解析の結果，MWGMは減速機構を持っていること，そして同じ寸法の永久磁石同期モータよりも質量あたりのトルク密度が18%高いことを示した。

This paper proposed Magnetic Worm-Geared Motor (MWGM) which imitates the mechanism of worm gear electromagnetically. The analysis result shows that MWGM has gear mechanism and 18% higher torque density than permanent magnet synchronous machine in the same size.

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] 森本茂雄・真田雅之：「省エネモータの原理と設計法」，p.203，科学情報出版株式会社，茨城(2018)

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