永久磁石を用いない Swirling Actuator のトルク密度向上を目的とした電磁部の改良
Improvement of the Electromagnetic Structure for Torque Density Enhancement in a Swirling Actuator without Permanent Magnets

著者（Authors）：江原 武 / Takeshi Ehara, 筒井 幸雄 / Yukio Tsutsui, 千葉 明 / Akira Chiba, 清田 恭平 / Kyohei Kiyota, 遠藤 央 / Mitsuru Endo, 國分 涼 / Ryo Kokubu

電気学会 回転機・モータドライブ/産業応用合同研究会 2025-11 講演番号：MD-25-119 / RM-25-145

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背景 – Background

ロボット用アクチュエータでは，軽量化のために質量あたりのトルク（トルク密度）の向上が重要である．本研究は，モータと減速機を統合し，電磁的な半径方向力を利用して低速高トルクを得る Swirling Actuator に着目する．とくに，起動・制動トルクのために高電流密度運転が必要となる産業用ロボットの用途を想定し，永久磁石を用いない構成に焦点を当てる．

In robot actuators, improving torque density is essential for lightweight design. This study focuses on a Swirling Actuator, which integrates an actuator and a cycloidal reduction mechanism and generates high torque at low speed using electromagnetic radial forces. Motivated by high current-density operation required for start/stop torque in industrial robots, we target a permanent-magnet-free configuration.

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手法 – Method

先行研究の永久磁石なし Swirling Actuator に対し，巻線構成と通電パターンを改良する．具体的には，各相巻線を分割し，半波整流された正弦波電流を各相の片側巻線に供給する構成を導入することで，最大起磁力の増加を狙う．提案構成の妥当性は，電流密度とモデル寸法を揃えた条件での電磁界解析により検証する．

We improve the winding configuration and energizing pattern of a conventional PM-less Swirling Actuator. Each phase winding is divided, and a half-wave-rectified sinusoidal current is supplied to only one side of the phase winding to increase the maximum magnetomotive force. The effectiveness is evaluated via electromagnetic field analysis under matched current-density and geometry conditions.

Fig. Proposed winding configuration and example circuit (half-wave energizing)

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結果 – Result

電磁界解析により，提案構成は従来構成と比べて起磁力分布を改善し，トルク密度が向上することを確認した．また，各偏心方向に応じた起磁力分布の変化から，提案構成でも回転磁界を生成できることが示された．一方で，偏心角度に対する力（特に 𝐹d 成分）のリプル増加など，今後の損失・機械要因を含めた検討課題も残る．

Electromagnetic field analysis confirms that the proposed configuration improves the magnetomotive-force distribution and achieves higher torque density than the conventional model. The results also indicate that a rotating field can be generated in the proposed scheme. At the same time, increased force ripple (e.g., in the 𝐹d component) suggests the need for future studies considering losses and mechanical effects.

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結論 – Conclusion

巻線分割と半波整流による通電パターンの改良により，永久磁石を用いない Swirling Actuator のトルク密度向上に向けた設計指針を示した．高電流密度運転を前提とするロボット用途において，永久磁石に依存しない高トルク密度化のための具体的な構成案となる．今後は，磁気飽和の抑制や損失評価を含め，大電流密度領域でのさらなる性能向上を検討する．

By improving the winding partitioning and adopting a half-wave energizing pattern, this work provides a concrete design direction to enhance torque density in a permanent-magnet-free Swirling Actuator. The approach is relevant to robotics applications that require high current-density operation and high starting/braking torque without relying on permanent magnets. Future work will address magnetic saturation and loss mechanisms to further improve performance at high current density.

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