JP2013236436A - コアレスモーター、これを備えるロボットおよび移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】利用する装置の設計の自由度の高いモーターを提供する。
【解決手段】本発明のコアレスモーターは、放熱部材のサイズに応じて変化する定格出力トルクが定められている。定格出力トルクに基づいて選択されたサイズの放熱部材を組み付けて、定格出力トルクが変化することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、コアレスモーター、これを備えるロボットおよび移動体に関する。

モーターは、通常、定格出力トルク［Ｎ・ｍ］および定格回転数［ｒｐｍ］で規定される定格出力容量［Ｗ］によって、例えば、５０Ｗ対応モーター（以下、「５０Ｗモーター」のように呼ぶ），１００Ｗモーター，２００Ｗモーターのように、製品の種類が区分されている。そして、利用するモーターの選定は、従来、要求する負荷（「負荷トルク」あるいは「要求トルク」とも呼ぶ）と要求する回転数で既定される要求出力容量［Ｗ］に見合った定格出力容量を有するモーターの中から、要求する負荷を駆動可能な定格出力トルクおよび瞬時出力最大トルクと、要求する回転数に対応する定格回転数と、を有するモーターを選定することにより行われていた。なお、以下では、出力トルクを単に「トルク」とも呼び、瞬時出力最大トルクを単に「瞬時最大トルク」あるいは「瞬時トルク」とも呼ぶ。また、出力容量を単に「出力」とも呼ぶ。

しかしながら、例えば、仮に、要求出力に見合ったモーターとして選定できる定格出力のモーターが複数あったとしても、それぞれの定格トルクや瞬時トルクが、要求する負荷を駆動することが可能な値よりも小さい場合には、結果としていずれのモーターも選定できないことになる。

そこで、従来、このような場合には、選定不可となったモーターよりも大きい定格出力のモーターの中から、要求する負荷を駆動可能な定格トルクや瞬時トルクに対応するモーターを選定することにより対応していた。

ここで、モーターの定格出力と外観サイズとの間には一般的に相関があり、定格出力が大きいほど外観サイズが大きくなる傾向にある。このため、上記のように、要求出力に見合った定格出力よりも大きい定格出力のモーターの選定を余儀なくされた場合には、モーターを搭載する装置の小型化や、配置位置、デザイン等の設計の自由度が低下することになる。また、モーターの仕様の一つとして、定格出力を保証するための放熱板として材質、厚さ、および、面積（あるいは幅および高さ）が一義的に規定されており、定格出力が大きいほど規定される放熱板サイズも大きくなる。このため、上記のように、要求出力に見合った定格出力よりも大きい定格出力のモーターの選定を余儀なくされた場合には、使用する放熱板サイズも大きくなり、同様に、モーターを搭載する装置の小型化や、配置位置、デザイン等の設計の自由度が低下することになる。さらにまた、モーターの外観サイズおよび放熱板サイズが大きくなった場合、それらの重量は重くなる。このため、上記のように、要求出力に見合った定格出力よりも大きい定格出力のモーターの選定を余儀なくされた場合には、モーターや放熱板の重量増加に伴って、搭載した装置の動作特性が低下することによって設計の見直しが必要となる場合もあり、装置設計とモーターの選定との悪循環が生じてしまう場合もある。

特開２００６−０１４４３４号公報 特開２００７−２２１８５２号公報

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、利用する装置に応じて設計の自由度の高いモーターを提供することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
コアレスモーターであって、
放熱部材のサイズに応じて変化する定格出力トルクが定められ、
前記定格出力トルクに基づいて選択されたサイズの放熱部材を組み付けて、定格出力トルクが変化することを特徴とする
コアレスモーター。
この適用例によれば、要求される負荷トルクに対応する定格出力トルクに基づいて選択されたサイズの放熱部材を組み付けて、定格出力トルクが変化するので、搭載する装置の設計の自由度を向上させることができる。例えば、１つのコアレスモーターを種々の出力（出力トルク、瞬時出力トルク等）を有するコアレスモーターとすることが可能であり、１つの装置中に搭載する複数のモーターのそれぞれに対して、１つのコアレスモーターをそれぞれ対応させて用いることも可能である。また、従来の出力トルクから決まるモーターサイズよりも小型のコアレスモーターを選択することが可能であり、小型化、軽量化に対応することも可能である。なお、定格出力トルクとは原動機などの機器類が、指定された条件下で安全に達成できる最大の出力トルクのこととである。

［適用例２］
適用例１に記載のコアレスモーターであって、前記放熱部材は板状であり、前記定格出力トルクと、前記放熱部材の厚さおよび表面積との関係が定められていることを特徴とするコアレスモーター。
この適用例によれば、要求する出力に対応する定格出力トルクを得ることが可能な放熱部材のサイズを容易に決定し、決定したサイズの放熱部材を組み付けて、要求する出力に対応する定格出力トルクのコアレスモーターを容易に得ることができるので、搭載する装置の設計の自由度を向上させることができる。

［適用例３］
適用例２記載のコアレスモーターであって、前記放熱部材の複数の厚さについて、それぞれ、前記放熱部材の表面積と前記定格出力トルクとの関係が定められていることを特徴とするコアレスモーター。
この適用例によれば、要求する出力に対応するコアレスモーターの放熱部材の選択肢を増やすことができ、要求する出力に対応する定格出力トルクのコアレスモーターをより容易に得ることができるので、搭載する装置の設計の自由度を向上させることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、コアレスモーターのほか、コアレスモーターを備えるロボットや移動体あるいはロボットを利用した医療介護機器等の種々の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのコアレスモーターおよび放熱板の外観構造を概略的に示す説明図である。 本発明の一実施形態としての３種類のコアレスモーターの特性例を示す表である。 図２に示した２００Ｗのコアレスモーターの特性を示すグラフである。 図２に示した１００Ｗのコアレスモーターの特性を示すグラフである。 図２に示した５０Ｗのコアレスモーターの特性を示すグラフである。 コアレスモーターの設定例について示すためのロボットを示す説明図である。 コアレスモーターの設定例について示す表である。 本発明の変形例としてモーターを利用した移動体の一例である電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。 本発明の変形例としてモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。 本発明の変形例としてモーターを利用した双腕７軸ロボットの一例を示す説明図である。 本発明の変形例としてモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。

本発明の実施形態を以下の順に説明する。
Ａ．コアレスモーターの仕様：
Ｂ．コアレスモーターの設定例：
Ｃ．効果：
Ｄ．変形例：

Ａ．コアレスモーターの仕様：
図１は、本発明の一実施形態としてのコアレスモーターおよび放熱板の外観構造を概略的に示す説明図である。図１（Ａ）はコアレスモーター（以下、単に「モーター」とも呼ぶ）１０の外観構造を示しており、このモーター１０は高さおよび幅がＬ１［ｍｍ］で長さがＬ２［ｍｍ］の構造を有している。また、モーター１０の回転軸１２に垂直な一方の面（「放熱板組み付け面」とも呼ぶ）１４には、モーター嵌合部１６および４つの取り付け孔１８が設けられている。例として、以下の説明では、公称出力容量（以下、単に「公称容量」あるいは「公称出力」とも呼ぶ）が、２００Ｗ、１００Ｗおよび５０Ｗの３種類のモーターを例に説明する。また、それぞれのモーターの外観寸法を、図１（Ａ）の下段に例示する。

図１（Ｂ）はモーター１０に組み付ける放熱板２０の外観構造を示しており、この放熱板２０はモーター１０の放熱板組み付け面１４に当接される面の高さおよび幅がＬで厚さがｔの構造を有している。この放熱板２０としては、例えば、アルミ板を用いることができる。放熱板２０の中心位置には、モーター１０のモーター嵌合部１６が嵌め合わされる嵌合孔２２が設けられており、その周りには、モーター１０の４つの取り付け孔１８に対応するように４つの取り付け孔２４が設けられている。なお、放熱板２０のサイズは、従来のモーターとは異なり、一定のサイズに規定されているものではなく、後述するように、設定する定格出力トルクおよび定格出力容量に応じた大きさに設定される。

図２は、本発明の一実施形態としての３種類のコアレスモーターの特性例を示す表である。また、図３は図２に示した２００Ｗのコアレスモーターの特性を示すグラフである。図４は図２に示した１００Ｗのコアレスモーターの特性を示すグラフである。図５は図２に示した５０Ｗのコアレスモーターの特性を示すグラフである。図２に示すように、２００Ｗ、１００Ｗおよび５０Ｗの３種類のモーターの特性として、それぞれ、定格特性、瞬時特性、および、ＴＮ特性が規定されている。定格特性としては、定格回転数、定格出力、および、定格トルクが規定されている。なお、以下の説明では、２００Ｗのコアレスモーター、１００Ｗのコアレスモーター、および、５０Ｗのコアレスモーターを、２００Ｗモーター、１００Ｗモーター、および、５０Ｗモーターとも呼ぶ。

２００Ｗモーター、１００Ｗモーター、および、５０Ｗモーターの定格回転数Ｎｔｙｐは、図２に示すように、いずれも６０００［ｒｐｍ］と規定されている。各モーターの定格出力および定格トルクについては、後述する。各モーターのＴＮ特性は、図３（Ａ），図４（Ａ），図５（Ａ）に示すように、負荷トルクが０の場合（すなわち、モーターの出力トルクが０の場合）の回転数（「最大回転数」あるいは「無負荷回転数」という）と、回転数が０の場合の負荷トルク（出力トルクに対応し、「停動トルク」あるいは「始動トルク」という）で規定される直線となる。なお、図２には、各モーターの無負荷回転数Ｎｎｌおよび始動トルクＴｓｔが規定されている。

各モーターの瞬時特性としては、瞬時（短時間）に使用できる最大トルクを示す瞬時トルク（瞬時最大トルク）が規定されている。各モーターの瞬時トルクの特性は、図３（Ｃ），図４（Ｃ），図５（Ｃ）に示すように、瞬時時間が長くなるに従って小さくなる。なお、図２には、各モーターの瞬時時間が０．１［ｓ］において使用可能な最大トルクによる瞬時トルクＴｉｍａｘが規定されている。そして、瞬時トルクと定格回転数およびＴＮ特性に基づいて、図３（Ａ），図４（Ａ），図５（Ａ）に示すように、瞬時使用が可能な瞬時時間運転領域（「瞬時トルク領域」とも呼ぶ）Ａｉが規定される。

各モーターの定格トルクは、図３（Ｂ），図４（Ｂ），図５（Ｂ）に示すように、放熱板の放熱面積Ｓを大きくすることにより大きくすることができる。また、放熱板の厚さｔを厚くすることにより、同じ定格トルクを得るための放熱面積を小さくすることができる。ただし、この条件は、厚さｔが幅および高さＬに比べて小さい場合に有効である。そして、定格出力は、定格回転数により定まる角速度と定格トルクとの積で表されるので、定格トルクの変化に応じて、定格出力も変化させることができる。なお、図２には、放熱により得ることが可能な最大の定格トルク（「最大定格トルク」とも呼ぶ）Ｔｍａｘおよび最大の定格出力（「最大定格出力」とも呼ぶ）Ｐｍａｘと、公称の定格トルク（「公称定格トルク」とも呼ぶ）Ｔｎｏｍｉおよび公称の定格出力（「公称定格出力」とも呼ぶ）Ｐｎｏｍｉと、未放熱の場合の標準の定格トルク（「標準定格トルク」とも呼ぶ）Ｔｔｙｐおよび標準の定格出力（「標準定格出力」とも呼ぶ）Ｐｔｙｐと、が規定されている。そして、定格回転数、および、放熱条件に応じて変化する定格トルクに応じて、連続して使用できる連続運転領域（「連続トルク領域」とも呼ぶ）が規定される。図３（Ａ），図４（Ａ），図５（Ａ）には、最大定格トルクＴｍａｘを得ることができる放熱条件における連続トルク領域（放熱時）Ａｍと、公称定格トルクＴｎｏｍｉを得ることができる放熱条件における連続トルク領域(公称)Ａｎと、標準定格トルクＴｔｙｐを得ることができる放熱条件（未放熱時）における連続トルク領域（未放熱時）Ａｔが示されている。

上記のように、定格トルクを、放熱板の放熱面積に応じて変化させることができるのは、以下の理由による。モーターのトルクおよび出力はモーターの温度によって制限されるが、モーター内部の温度上昇の大きな要因として鉄損による発熱が挙げられる。コア付モーターの場合には、磁路を形成するコアが鉄損に大きく影響し、回転数が大きくなるに従って鉄損が増大し、モーター内部の温度上昇が許容値を越えない範囲で可能な定格出力は、定格回転数および定格トルクの両方に依存してしまうことがわかった。このため、コア付モーターの場合には、定格トルクに応じた放熱条件を単純に設定することが難しい。これに対して、コアレスモーターの場合には、鉄損に大きく影響するコアを有していないので、回転数に依存して増加する鉄損が非常に小さくなり、モーター内部の温度上昇の要因は、トルクの大きさに応じた損失が支配的となることがわかった。このため、上記のように、回転数に関係なく、定格トルクを、放熱板の放熱面積に応じて変化させることが可能となり、これに応じて、定格出力を変化させることができる。

Ｂ．コアレスモーターの設定例：
図６は、コアレスモーターの設定例について示すためのロボットを示す説明図である。このロボット１０００は、４つの間接モーター１０２０と、１つの把持部モーター１０４０と、３つのアーム１０６０と、把持部１０８０と、を備える。間接モーター１０２０および把持部モーター１０４０として、上述したコアレスモーター１０を利用することが可能であり、以下で説明するように適用する種類を設定することができる。なお、以下の説明では、５つのモーター１０２０，１０４０を、符号Ａ〜Ｅを用いて、設定される位置で位置Ａ〜位置Ｅのように区別することとする。

図７は、コアレスモーターの設定例について示す表である。図７（Ａ）は設定例１について示し、図７（Ｂ）は設定例２について示している。各位置Ａ〜Ｅで用いるモーターへの要求仕様が、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように規定されているものとする。

設定例１は、各位置Ａ〜Ｅで用いるモーターとして、それぞれ、図２に示した仕様および図３に示した特性を有する２００Ｗモーターを適用した場合の例を示している。公称定格出力Ｐｎｏｍｉが２００［Ｗ］である２００Ｗモーターは、図２に示したように、公称定格トルクＴｍｏｎｉは３１８［ｍＮ・ｍ］である。このため、位置Ｂ〜位置Ｅについては要求トルクが３００［ｍＮ・ｍ］以下であるので、２００Ｗモーターをそれぞれの位置において適用可能である。しかしながら、位置Ａについては要求トルクが６００［ｍＮ・ｍ］で要求出力が３７７［Ｗ］であるため、従来のモーターの場合には、使用できないことになる。しかしながら、本発明のコアレスモーターの場合には、上記したように、放熱板の面積に応じて出力可能な定格トルクが可変となる。そこで、図３（Ｂ）を参照し、例えば、厚さｔが８［ｍｍ］の放熱板を適用して、図７（Ａ）に示したように、その面積Ｓを位置Ａ：２３０［ｃｍ²］、位置Ｂ：５０［ｃｍ²］、位置Ｃ：４０［ｃｍ²］、位置Ｄ：３０［ｃｍ²］、位置Ｅ：０［ｃｍ²］（放熱なし）とする。これにより、２００Ｗモーターを、図７（Ａ）に示したように、各位置Ａ〜Ｅの要求トルクおよび要求出力に対応する許容定格トルクおよび許容定格出力のモーターとして適用することが可能である。

設定例２は、各位置Ａ〜Ｅで用いるモーターとして、図２に示した仕様および図３，４，５に示した特性を有する２００Ｗモーター、１００Ｗモーター、および、５０Ｗモーターの３種類のモーターを、２００Ｗモーターよりも小型の１００Ｗモーターを主に適用した場合の例を示している。位置Ａについては、設定例１と同様に、図３（Ｂ）を参照し、例えば、厚さｔが４［ｍｍ］の放熱板を適用して、図７（Ｂ）に示したように、その面積Ｓを３５０［ｃｍ²］とすることにより、要求トルクおよび要求出力に対応する許容定格トルクおよび許容定格出力のモーターとして２００Ｗモーターを適用することができる。

位置Ｂ〜位置Ｄについては、要求トルクが、図２に示した１００Ｗモーターの公称定格トルクＴｎｏｍｉ＝１５９［ｍＮ・ｍ］よりも大きく、位置Ｂ：３００［ｍＮ・ｍ］、位置Ｃ：２５０［ｍＮ・ｍ］、位置Ｅ：２００［ｍＮ・ｍ］であるため、従来のモーターの場合には、１００Ｗモーターを用いることはできない。しかしながら、上記したように、本願発明のコアレスモーターの場合には、放熱板の面積に応じて出力可能な定格トルクが可変である。そこで、図４（Ｂ）を参照し、位置Ａの場合と同様に、厚さｔが４［ｍｍ］の放熱板を適用することとし、図７（Ｂ）に示したように、その面積Ｓを位置Ｂ：３８０［ｃｍ²］、位置Ｃ：２７０［ｃｍ²］、位置Ｄ：１６０［ｃｍ²］とする。これにより、１００Ｗモーターを、図７（Ｂ）に示したように、各位置Ｂ〜Ｄの要求トルクおよび要求出力に対応する許容定格トルクおよび許容定格出力のモーターとして適用することが可能である。

位置Ｅについても、要求トルクが１００［ｍＮ・ｍ］であるので、図７（Ｂ）に示したように、位置Ｂ〜位置Ｄと同様に、厚さｔが４［ｍｍ］でその面積Ｓが４０［ｃｍ²］の放熱板を適用することにより、１００Ｗモーターを適用することも可能であるが、以下のように、１００Ｗモーターよりも小型の５０Ｗモーターを用いることができる。具体的には、図５（Ｂ）を参照し、位置Ａ〜位置Ｄと同様に、厚さｔが４［ｍｍ］の放熱板を適用することとし、図７（Ｂ）に示したように、その面積Ｓを１５０［ｃｍ²］とすることにより、要求トルクおよび要求出力に対応する許容定格トルクおよび許容定格出力のモーターとして５０Ｗモーターを適用することができる。

設定例１のようにした場合には、要求仕様の異なる複数の位置に対して、それぞれ、１種類のモーターのみで対応することが可能である。また、設定例２のようにした場合には、要求仕様の異なる複数の位置に対して、それぞれの要求仕様に応じて、オーバースペックとはならない適切な仕様のモーターで対応することが可能である。

Ｃ．効果：
以上のように本発明のコアレスモーターは、適用する放熱板の条件を変えることにより、定格トルクおよび定格出力が可変となるので、公称の定格トルクおよび公称の定格出力よりも大きい要求に対しても、適用することが可能であり、利用する装置の設計の自由度が高くなる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

（１）変形例１
上記実施形態では、厚さｔが４［ｍｍ］，６［ｍｍ］，８［ｍｍ］の場合のアルミ板を放熱板の例として、放熱面積とトルクおよび出力との関係が設定されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、種々の厚さのアルミ板でもよいし、アルミ板以外のものでもよい。実施形態における放熱面積とトルクおよび出力との関係は、アルミ板の厚さおよび放熱面積とトルクおよび出力との関係を代表して示しているものであり、アルミ板以外の放熱部材においても、アルミ板において厚さおよび放熱面積により規定される熱伝導特性以上の熱伝導特性を有する放熱条件となるように設定すれば、されている部材の厚さおよび放熱面積以上の熱伝導特性を有する放熱条件とすることにより、同様に扱うことができる。

（２）変形例２
上記実施形態において、図１で示したコアレスモーターの構造や放熱板の構造は一例であって、これに限定されるものではなく、種々の構造とすることができる。

（３）変形例３
上記実施形態においては、２００Ｗモーター、１００Ｗモーター、および、５０Ｗモーターを例に説明したが、この公称出力のモーターに限定されるものではなく、種々の出力のコアレスモーターにおいても本発明を適用することができる。

（４）変形例４
上記実施形態で説明したコアレスモーターは、以下に示すように、電動移動体や電動移動ロボットあるいは医療機器の駆動装置等の駆動装置として適用することが可能である。

図８は、本発明の変形例としてモーターを利用した移動体の一例である電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車３３００は、前輪にモーター３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モーター３３１０は、充電池３３３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモーター３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、上記したモーターの駆動と回生とを制御する回路である。駆動制御部分は上記した駆動制御装置５００によって構成される。このモーター３３１０としては、上述したコアレスモーター１０を利用することが可能である。

図９は、本発明の変形例としてモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モーター３４３０とを有している。このモーター３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモーター３４３０としては、上述したコアレスモーター１０を利用することが可能である。

図１０は、本発明の変形例としてモーターを利用した双腕７軸ロボットの一例を示す説明図である。双腕７軸ロボット３４５０は、関節モーター３４６０と、把持部モーター３４７０と、アーム３４８０と、把持部３４９０と、を備える。関節モーター３４６０は、肩関節、肘関節、手首関節に相当する位置に配置されている。関節モーター３４６０は、アーム３４８０と把持部３４９０とを、３次元的に動作させるため、各関節につき２つのモーターを備えている。また、把持部モーター３４７０は、把持部３５９０を開閉し、把持部３４９０に物を掴ませる。双腕７軸ロボット３４５０において、関節モーター３４６０あるいは把持部モーター３４７０として、上述したコアレスモーター１０を利用することが可能である。

図１１は、本発明の変形例としてモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、電動モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。この電動モーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、電動モーター３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。この電動モーター３５１０としては、上述したコアレスモーター１０を利用することが可能である。

１０…コアレスモーター
１２…回転軸
１４…放熱板組み付け面
１６…モーター嵌合部
１８…取り付け孔
２０…放熱板
２２…嵌合孔
２４…取り付け孔
１０００…ロボット
１０２０…間接モーター
１０４０…把持部モーター
１０６０…アーム
１０８０…把持部
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３４５０…腕７軸ロボット
３４６０…関節モーター
３４７０…把持部モーター
３４８０…アーム
３４９０…把持部
３５００…鉄道車両
３５１０…電動モーター
３５２０…車輪
３５９０…把持部

Claims (5)

1. コアレスモーターであって、
   放熱部材のサイズに応じて変化する定格出力トルクが定められ、
   前記定格出力トルクに基づいて選択されたサイズの放熱部材を組み付けて、定格出力トルクが変化することを特徴とする
   コアレスモーター。
2. 請求項１に記載のコアレスモーターであって、
   前記放熱部材は板状であり、
   前記定格出力トルクと、前記放熱部材の厚さおよび表面積との関係が定められていることを特徴とするコアレスモーター。
3. 請求項２に記載のコアレスモーターであって、
   前記放熱部材の複数の厚さについて、それぞれ、前記放熱部材の表面積と前記定格出力トルクとの関係が定められていることを特徴とするコアレスモーター。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のコアレスモーターを備えるロボット。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のコアレスモーターを備える移動体。

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