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
Improving torque density of Magnetic Worm-Geared Motor by introducing claw poles

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

第36回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム SEAD36

OS3-4-6

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]。しかし固定子コアの間に隙間があり，永久磁石の磁束が無駄になっているという問題点がある。そこで本稿では無負荷鎖交磁束の向上に注目し，固定子コアにクローポールを導入する。

Robot actuators are required to be lightweight. To improve 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]. However, the void between stator cores wastes permanent magnet flux. This paper focuses on improving no-load flux linkage and introduces a claw pole to the stator core.

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。この構造の問題点は，固定子コアの間の隙間において永久磁石の磁束が無駄になっていることである。この無駄により無負荷鎖交磁束およびトルクが低下している。

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. The problem with this structure is that the void between stator cores wastes permanent magnet flux. This waste decreases no-load flux linkage and torque.

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)

MWGMのコイルと永久磁石の配置はほぼ垂直なので，互い違いなティースを持つクローポールの導入により無負荷鎖交磁束を向上する。図2にクローポールの構造[3]を示す。図中の白矢印は磁束の経路である。クローポールは各永久磁石を覆うように互い違いに配置されている。バックヨークがコイルを包むようにクローポールの間の橋渡しとなることで磁路が形成される。

Coils and permanent magnets of MWGM are distributed in the directions almost perpendicular to each other, so no-load flux linkage is improved by introducing claw pole which have alternate teeth. Fig. 2 shows the structure of claw pole. The white arrows in the figure show the flux path. Claw poles are distributed alternately to cover each permanent magnet. Back yoke plays the role of bridge between claw poles like wrapping the coil and generates the flux path.

Fig. 2 クローポールの構造[3] / The structure of claw pole

図3にクローポールの導入前後におけるMWGMの固定子を内側から見た様子を示す。右図において，固定子の内側における灰色の部分は，クローポールの先端にあたるクローヨークである。クローポールの導入により固定子内側表面のうちティース先端が占める面積の割合が増加した。よって無負荷鎖交磁束とトルクの増加が期待できる。以降クローポールを導入したMWGMをCP-MWGMと呼ぶ。

Fig. 3 shows the inside of the stator of MWGM before and after introducing the claw pole. In the right figure, the gray part on the inner surface of the stator is the claw yoke, the tip of the claw pole. Introducing a claw pole increased the ratio of the area of the teeth tip to that of the inner surface of the stator. Therefore, the claw pole is expected to increase no-load flux linkage and torque. In this paper, MWGM, in which the claw pole was introduced, is called CP-MWGM.

Fig. 3 クローポールの導入前(左)と後(右)におけるMWGMの固定子の内側 / The inside of stator of MWGM before (left) and after (right) introducing claw pole

本稿では，MWGMとCP-MWGMの性能を解析によって比較する。これらのモータの違いは固定子の形状および固定子コアの材料である。MWGMとCP-MWGMの固定子コアの材料はそれぞれ電磁鋼板と圧粉磁心である。ターン数などの他の条件や寸法は揃っている。

This paper analyzes and compares the performance of MWGM and CP-MWGM. The difference between these motors is the stator’s shape and the stator core’s material. The stator cores of MWGM and CP-MWGM are made of electric steel and soft magnetic composite, respectively. Other parameters and conditions, like turn number, are equal for these motors.

結果 – Result

図4に無負荷鎖交磁束が最大となる時刻での磁束密度分布を示す。白抜き矢印は磁束を，黒矢印は巻線を示しており，磁束は巻線に対して鎖交している。またクローヨークでの短絡も見られないので，永久磁石の磁束の無駄がない。

Fig. 4 shows the flux density distribution under maximum no-load flux linkage. The white arrows show the flux path, and the black arrow shows the winding, so the flux is linked to the winding. Also, the claw yoke has no short flux, so this structure doesn’t waste permanent magnet flux.

Fig. 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MWGMとCP-MWGMの性能比較を示す。クローポールの導入により，無負荷鎖交磁束，トルク，そして質量あたりのトルク密度が改善された。

Table 1 shows the performance comparison of MWGM and CP-MWGM. Introducing claw poles improved no-load flux linkage, torque, and torque density per mass.

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

	MWGM	CP-MWGM
Amplitude of fundamental component of no-load flux linkage $\textrm{[Wb]}$	$0.051$	$0.078$
Average torque $\mathrm{[N\cdot m]}$	$3.0$	$4.5$
Mass $\mathrm{[kg]}$	$0.52$	$0.58$
Torque density per mass $\mathrm{[N\cdot m/kg]}$	$0.58$	$0.78$

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)にクローポールを導入した。解析によりクローポールの導入によって無負荷鎖交磁束および質量あたりのトルク密度が向上することを示した。

This paper introduced claw pole to Magnetic Worm-Geared Motor (MWGM) which realizes the mechanism of worm gear electromagnetically. Analysis result showed that introducing claw pole improved no-load flux linkage and torque density per mass.

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] Y. Guo, J. G. Zhu, P. A. Watterson, and W. Wu : “Comparative study of 3-D flux electrical machines with soft magnetic composite cores,” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 39, No. 6, pp. 1696-1703 (2003)

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