半スキュー構造を有する磁気ウォームギヤドモータにおける磁気飽和の低減を目的とした電機子巻線の軸方向分割
Axial Segmentation of Armature Windings to Suppress Magnetic Saturation of Magnetic Worm-Geared Motor with Half Skew Structure

山中 治紀 / Haruki Yamanaka, 筒井 幸雄 / Yukio Tsutsui, 千葉 明 / Akira Chiba, 清田 恭平 / Kyohei Kiyota, 遠藤 央 / Mitsuru Endo

• 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-25-111 / RM-25-137

---

背景 – Background

協働ロボットにおいては，ダイレクトティーチング性能の向上のため，高いバックドライバビリティが求められる。バックドライバビリティの向上には，出力軸から見た反射慣性の低減が重要であり，そのためにはモータの高トルク密度化が有効である。本研究は，磁気ウォームギヤとモータを統合した磁気ウォームギヤドモータ（MWGM）に着目し，Fig. 1に示す半スキュー構造において顕在化する磁気飽和の課題に取り組む。

In collaborative robots, high backdrivability is essential for effective direct teaching. Improving backdrivability requires reducing reflected inertia seen from the output shaft, and increasing motor torque density is a key approach. This study focuses on a Magnetic Worm-Geared Motor (MWGM), which integrates a magnetic worm gear and a motor, and addresses magnetic saturation issues observed in the half-skew structure shown in Fig. 1.

Fig. 1 MWGM with half skew (HS) structure

---

手法 – Method

Fig. 1に示す半スキュー構造ではクローヨークの軸方向長さが増大し，負荷時にティースで磁気飽和が顕著となる。本研究では，Fig. 2に示すように，固定子の電機子巻線を軸方向に分割し，磁路を反転させた 2 つのクローポールを組み合わせる構造を提案する。これによりクローヨークの軸方向長さを短縮し，負荷時の磁気飽和を緩和することを狙う。従来構造と提案構造を 3 次元電磁界解析により比較し，磁束密度分布およびトルク密度の観点から評価する。

In the half-skew structure shown in Fig. 1, the axial length of the claw yoke increases, leading to significant magnetic saturation at the stator teeth under load. As shown in Fig. 2, the armature windings are axially segmented, and two claw poles with reversed flux paths are combined. This structure shortens the effective claw-yoke length and mitigates on-load magnetic saturation. Conventional and proposed structures are compared through three-dimensional finite element analysis in terms of flux density distribution and torque density.

Fig. 2 Proposed structure which combines two claw poles with flipped flux path

---

結果 – Result

解析結果より，提案構造では負荷時のティースにおける磁気飽和が抑制されることを確認した。特に高電流密度領域において，従来の半スキュー構造よりもトルク密度が向上する傾向が示された。一方で，低電流密度領域では巻線構成の違いによる特性差も確認され，動作条件に応じた設計最適化の重要性が示唆された。

The analysis confirms that the proposed structure suppresses magnetic saturation at the stator teeth under load. Particularly in higher current-density regions, the torque density shows improvement compared with the conventional half-skew structure. Differences at lower current densities highlight the importance of design optimization depending on operating conditions.

---

結論 – Conclusion

電機子巻線の軸方向分割により，半スキュー構造の利点を維持しつつ磁気飽和を低減できることを示した。本提案は，高トルク密度と高バックドライバビリティを両立するモータ設計に向けた有効な構造指針を与える。今後は損失評価や実機検証を含めた包括的な検討を進める。

By axially segmenting the armature windings, magnetic saturation can be mitigated while maintaining the advantages of the half-skew structure. The proposed approach provides a practical structural guideline for achieving both high torque density and high backdrivability. Future work will include loss evaluation and experimental validation.

---

The content on this page is not freely available for reproduction or redistribution. Unauthorized use may lead to legal consequences.