JP2007143255A - 平滑電機子巻線形モータおよびブレーキ付モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ、負作動形ブレーキ、回転検出器等の機器が直列に配置され、さらにそれらの機器の間に軸受、隔壁などが設けてあるため軸方向長さが大きくなり、小形化が困難という従来のブレーキ付モータの問題点を解消する。
【解決手段】電磁ブレーキのブレーキフィールド８と一体に軸受のハウジング部１６を設けるとともに、そのハウジング部１６を、カップ状に形成したモータのロータヨーク１５の内径側の窪みに所定の空隙を介して配置させ、ロータヨーク１５の漏洩磁束をハウジング部１６に鎖交させロータヨーク１５の磁路の一部として兼用した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの関節などを駆動する平滑電機子巻線形モータおよびブレーキ付モータに関する。

従来、ブレーキ付のサーボモータは、例えば図２に示すようになっている。
ステータコア１はケイ素鋼板を積層したもので、その内周には複数の電機子巻線２が図示しない絶縁層を介して、円周方向に等間隔に配置され、所定の起磁力分布を構成するように結線した後、樹脂モールドされ、ステータコアに固着されている。ステータコア１とフレーム３は焼バメ又は接着により固定されている。
電機子巻線２の内周には空隙を介して永久磁石４が対向している。永久磁石４はリング形状の磁石で所定の極数となるよう着磁されており、積層鋼板で構成された環状のロータヨーク１５’の外周に接着固定されている。
ロータヨーク１５はシャフト１４と同心に固定され、シャフト１４は軸受Ａ１２、軸受Ｂ１３によりＬブラケット１１と反Ｌブラケット２１に対して回転自在に支持されている。Ｌブラケット１１および反Ｌブラケット２１はフレーム３とネジにより固定され、モータ部を構成する。
モータ部と軸受Ｂの間にブレーキが設けられている。ブレーキはブレーキディスク５、アーマチェア６、ブレーキコイル７、ブレーキフィールド８より成る。
反Ｌブラケット２１の後方にはエンコーダ１８が取付けられ、エンコーダを保護するため、エンコーダカバ２０がフレーム３にネジで固定されている。
このように、モータとブレーキ、エンコーダがシャフト１４に対して直列に配置された構造となっている。ロボットなど低速、大トルク用途ではシャフト１４の出力軸に減速機を直列に取付け使用する。
その他の従来の一実施例としては、特開２００４−３２８８９８号公報に示されるように、ロータヨーク１５を円筒形状に形成するとともに、円筒部の内周側スペースに、円筒状ソレノイドと、円板状のブレーキディスクとを有するブレーキを配置するものなどがある。
特開２００４−３２８８９８号公報

このように、従来のブレーキ付サーボアクチュエータは、モータ、負作動形ブレーキ、回転検出器等の機器が直列に配置され、さらにそれらの機器の間に軸受、隔壁などが設けてあるため軸方向長さが大きくなり、小形化が困難という問題があった。
また、アクチュエータで発生する熱はブラケットを介して装置に放熱されるため、軸方向長さが長くなると冷却性能が低下してしまうというような問題も抱えていた。
また、その他の一実施例として示した、特開２００４−３２８８９８号公報記載のモータの構成では、ロータヨークの内周にブレーキフィールドが存在するため、ロータヨークの漏洩磁束とブレーキの磁束が互いに干渉する可能性があり、干渉を防ぐためヨーク厚みを厚くすると内外径を小形化できないという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、小形化を達成するとともに、ロータヨークの漏洩磁束とブレーキの磁束が互いに干渉しないブレーキ付モータ提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、固定子と回転子とから成り、前記固定子は、電磁部外周に非磁性の良熱伝導材で構成したフレームと、前記フレームの内周側に固着された円筒状のステータコアと、前記ステータコアの内周に所定の磁極を構成するよう配置された電機子巻線とを有し、前記回転子は、前記電機子巻線の内周側に回転自在に配置されたシャフトと、前記シャフトに固定されたロータヨークと、前記ロータヨークの外周に所定のピッチ毎に交互に異極となるようにかつ前記電機子巻線から空隙を介して配置された界磁永久磁石とを有する平滑電機子巻線形モータにおいて、前記ロータヨークの形状を内径側に窪ませた略カップ状に形成したことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の平滑電機子巻線形モータと前記平滑電機子巻線形モータに併設される電磁ブレーキとを備えたブレーキ付モータに係り、前記電磁ブレーキを、前記シャフトの軸方向に移動可能に前記シャフト側に設けられた前記ブレーキディスクと、前記シャフトの軸方向に移動可能に前記フレーム側に設けられ常時前記ブレーキディスクに接触する方向に付勢されているアーマチュアと、前記フレーム側に設けられて励磁によって前記アーマチュアを前記ブレーキディスクから離反させるブレーキコイルおよびブレーキフィールドとから構成し、かつ前記ロータヨークのカップ状内周側スペースに、前記ブレーキフィールドと一体に設けた軸受ハウジング部を前記ロータヨークと所定の空隙を介して前記ロータヨークと同心に配置したことを特徴としている。
そして、請求項３記載の発明は、請求項２記載のブレーキ付モータにおいて、前記軸受のグリースが前記電磁ブレーキへの浸入を防止するオイルシールを前記軸受ハウジング部に設けたことを特徴としている。

請求項１記載の平滑電機子巻線形モータによると、ブレーキのハウジング部をモータのロータヨーク内径側に所定の空隙を介して配置することで、小形化が可能となる。
請求項２記載のブレーキ付モータによると、ブレーキフィールドと一体に軸受のハウジング部を設けるとともに、前記ハウジング部をモータのロータヨーク内径側に所定の空隙を介して配置し、ロータヨークの漏洩磁束を前記ハウジング部に鎖交させロータヨークの磁路の一部として兼用させているので、小形化を達成するとともに、ロータヨークの漏洩磁束とブレーキの磁束が互いに干渉しないブレーキ付モータとすることができる。
また、軸受の径を大きくできるため、シャフトをホローシャフトとすることが容易にでき、ホローシャフト内部にケーブルや配管を通すことにより装置全体の省スペース化が可能となる。
請求項３記載のブレーキ付モータによると、軸受のグリースが電磁ブレーキへ浸入することを防止できるので、安全なブレーキが確保される。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のブレーキ付モータの断面図である。
図において、１はステータコア、２は電機子巻線、３はフレーム、４は永久磁石、５はブレーキディスク、６はアーマチェア、７はブレーキコイル、８はブレーキフィールド、９はモールド樹脂、１０は結線基板、１１はＬブラケット、１２は軸受Ａ、１３は軸受Ｂ、１４はシャフト、１５はロータヨーク、１６は反Ｌ軸受けハウジング、１７はブレーキカバ、１８はエンコーダ、２０はエンコーダカバとなっている。
ステータコア１はケイ素鋼板を積層したもので、その内周には複数の電機子巻線２が図示しない絶縁層を介して、円周方向に等間隔に配置されている。各電機子巻線を結線基板１０に半田づけした後、ステータコア１、電機子巻線２、結線基板１０は樹脂モールド９により一体に固着されている。モールド後、ステータコア１とフレーム３は焼バメ又は接着により固定されている。
電機子巻線２は通電により発熱し、その熱はステータコア１を通してフレーム３に伝達されるため、フレーム３の材質としてはアルミニウムなどの高熱伝達率物質が望ましい。本実施例ではフレーム３をアルミニウムで構成している。電機子巻線２の内周には空隙を介して永久磁石４が対向配置されている。
永久磁石４はリング磁石または複数のセグメント磁石により構成され、所定の極数となるよう着磁されており、軟磁性材料で構成されたロータヨーク１５の外周に接着固定されている。ロータヨーク１５は本発明により内径側に窪ませた略カップ状に形成したのが特徴である。すなわち、図２の従来のロータヨーク１５’は肉厚の環状形状で、シャフト１４に全面に固定されていたが、本発明による
ロータヨーク１５は、肉厚の環状形状の従来のロータヨーク１５’のシャフト１４に固定される部位を抉（えぐ）って、内径側を軸方向に窪ませたカップ状に形成している。そして、このロータヨーク１５はシャフト１４と同心に固定され、シャフト１４は軸受Ａ１２、軸受Ｂ１３により回転自在に支持されている。Ｌブラケット１１はフレーム３と一体に形成されており、軸受Ａ１２の外輪がＬブラケット１１に嵌合されている。本発明により、ブレーキフィールド８と反Ｌ軸受ハウジング１６とは一体に形成されている。そして、軸受Ｂ１３の外輪は反Ｌ軸受ハウジング１６に嵌合されており、ブレーキフィールド８の外周は図示しないボルトによりフレーム３に固定されモータ部を構成している。
一般にロータヨーク１５のラジアル方向の厚さは磁石磁束とヨーク材質の飽和磁束密度より決定されるが、ロータヨーク内周には微小な空隙を介して、これも本発明により軟磁性材料で構成された反Ｌ軸受ハウジング１６が配置されており、ロータヨーク１５のラジアル方向厚さを薄くしてもモータ磁束は反Ｌ軸受ハウジング１６に鎖交しモータの磁気回路の一部となるので、誘導起電力の低下などは発生せず、モータの特性に影響しない。このため、従来に比べロータヨークを薄くできるのでモータ外径の小形化やホローシャフトの場合は中空径の拡大が可能となる。

次に、ブレーキ部を説明する。
ブレーキフィールド８は同心のスロットを有した円筒形状もので、鉄などの軟磁性材料で構成されている。ブレーキコイル７は、図示しないボビンに円筒形状に巻回し、ブレーキフィールド８の溝に挿入後、樹脂モールド等により固着されている。ブレーキフィールド８の外周にはブレーキディスク５をアーマチェア６とサイドプレート２２に押付けるため、図示しないコイルばねが配置されている。
ブレーキディスク５はアーマチェア６とサイドプレート２２の間に配置されており、ハブ２３を介してシャフト１４に取付けられている。
また、サイドプレートは図示しないカラを介してブレーキフィールド８に固定されている。
次に、ブレーキの動作について説明する。
ブレーキコイルに通電していない状態ではコイルばねの力によりブレーキブレーキディスク５はアーマチェア６とサイドプレート２２に押付けられ拘束されている。ブレーキディスク５はハブ２３を介してシャフト１４に取付けられているため、シャフト１４も回転しない。
コイル７に通電すると、磁気吸引力によってアーマチェア６がブレーキフィールド８に吸着するので、ブレーキディスク５は回転自在となり、ブレーキが開放されている。
図示しないサーボアンプには磁気センサによるロータの位置情報が入力されており、図示しないサーボコントローラからの指令とロータの位置情報から電機子巻線に所定の電流位相、所定振幅の電流を通電することでモータが回転する。
アーマチェア６とブレーキフィールド８が吸着している状態ではブレーキコイルに通電する電流を下げ、電力消費およびブレーキからの発熱を低減することもできる。ブレーキコイル７の発熱はブレーキフィールド８に伝達されるが、ブレーキフィールド８はフレーム３に固着されるため、フレームを通して効率よく放熱できる。ブレーキの反Ｌ側には保護のためブレーキカバ１７が取付けられており、ブレーキカバ１７の反Ｌ側にはエンコーダ１８の固定子側が取付けられている。
エンコーダの回転子側は固定子側と対向するようシャフト１４に取付けられている。エンコーダ保護のため、ブレーキカバ１７の反Ｌ側にエンコーダカバが設けられている。本例では軸受Ｂ１３のグリースのブレーキへの浸入を防止するため反Ｌ側軸受ハウジングにオイルシール２４を設けている。
本発明はモータの出力軸に減速機を設けることで、ブレーキ、減速機付モータとして構成できることはいうまでもない。

以上のように、請求項１記載の平滑電機子巻線形モータによると、ブレーキのハウジング部をモータのロータヨーク内径側に所定の空隙を介して配置することで、小形化が可能となる。
また、請求項２記載のブレーキ付モータによると、ブレーキフィールドと一体に軸受のハウジング部を設けるとともに、前記ハウジング部をモータのロータヨーク内径側に所定の空隙を介して配置し、ロータヨークの漏洩磁束を前記ハウジング部に鎖交させロータヨークの磁路の一部として兼用させているので、小形化を達成するとともに、ロータヨークの漏洩磁束とブレーキの磁束が互いに干渉しないブレーキ付モータとすることができる。
また、軸受の径を大きくできるため、シャフトをホローシャフトとすることが容易にでき、ホローシャフト内部にケーブルや配管を通すことにより装置全体の省スペース化が可能となる。
そして、請求項３記載のブレーキ付モータによると、軸受のグリースが電磁ブレーキへ浸入することを防止できるので、安全なブレーキが確保される。

本発明に係るモータの出力軸に減速機を取付けることによって小形の減速機付きサーボモータを構成できるので、ロボットのアームに内蔵し従来に比べ非常に小形のロボットを製作できる。また、中空軸構成とすることでケーブル、配管をすべて内蔵したロボットアームが容易に実現可能である。

本発明の実施例を示すブレーキ付モータの側断面図である。 従来のブレーキ付モータの側断面図である。

符号の説明

１・・・・ステータコア
２・・・・電機子巻線
３・・・・フレーム
４・・・・永久磁石
５・・・・ブレーキディスク
６・・・・アーマチェア
７・・・・ブレーキコイル
８・・・・ブレーキフィールド
９・・・・モールド樹脂
１０・・・・結線基板
１１・・・・Ｌブラケット
１２・・・・軸受Ａ
１３・・・・軸受Ｂ
１４・・・・シャフト
１５・・・・ロータヨーク
１６・・・・反Ｌ側軸受ハウジング
１７・・・・ブレーキカバ
１８・・・・エンコーダ
２０・・・・エンコーダカバ
２１・・・・反Ｌブラケット
２２・・・・サイドプレート
２３・・・・ハブ
２４・・・・オイルシール

Claims (3)

1. 固定子と回転子とから成り、前記固定子は、電磁部外周に非磁性の良熱伝導材で構成したフレームと、前記フレームの内周側に固着された円筒状のステータコアと、前記ステータコアの内周に所定の磁極を構成するよう配置された電機子巻線とを有し、前記回転子は、前記電機子巻線の内周側に回転自在に配置されたシャフトと、前記シャフトに固定されたロータヨークと、前記ロータヨークの外周に所定のピッチ毎に交互に異極となるようにかつ前記電機子巻線から空隙を介して配置された界磁永久磁石とを有する平滑電機子巻線形モータにおいて、
   前記ロータヨークの形状を内径側に窪ませた略カップ状に形成したことを特徴とする平滑電機子巻線形モータ。
2. 請求項１記載の平滑電機子巻線形モータと、前記平滑電機子巻線形モータに併設される電磁ブレーキと、を備えたブレーキ付モータにおいて、
   前記電磁ブレーキを、前記シャフトの軸方向に移動可能に前記シャフト側に設けられた前記ブレーキディスクと、前記シャフトの軸方向に移動可能に前記フレーム側に設けられ常時前記ブレーキディスクに接触する方向に付勢されているアーマチュアと、前記フレーム側に設けられて励磁によって前記アーマチュアを前記ブレーキディスクから離反させるブレーキコイルおよびブレーキフィールドとから構成し、かつ前記ロータヨークのカップ状内周側スペースに、前記ブレーキフィールドと一体に設けた軸受ハウジング部を前記ロータヨークと所定の空隙を介して前記ロータヨークと同心に配置したことを特徴とするブレーキ付モータ。
3. 前記軸受のグリースが前記電磁ブレーキへの浸入を防止するオイルシールを前記軸受ハウジング部に設けたことを特徴とする請求項２記載のブレーキ付モータ。

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