論文の公開元へFunction improvement of the cross-coupled two-degree-of-freedom motor
概要
1.1 研究背景
現在,高齢化社会による問題は様々な分野に及んでおり,日本だけでなく他の主要国においても高齢化の割合が増加し,世界的な問題になっている。高齢化社会による問題として労働者の減少がある。日本では,2018年時点において65歳以上の割合が28.1%と高い値であるが,2047年に38.4%とさらに高い値になることが予測されている［1］。他の国と比較して高齢化社会の進行が際立つ日本において急務の課題である。さらに,人件費の上昇も課題となっており,産業分野は労働者の減少に対応していく必要がある。このような背景のもと,ロボットや工作機械を用いた白動化による省人化が進められている［3］。しかしながら,将来的に労働者がさらに減少するため,ロボットや工作機械は人の作業をさらに多く実現することが要求されている。そのために,より複雑な作業が実現可能なシステムで構成される必要がある。
また,製造業は少品種を大量に生産することに適したライン生産により高い生産性を確保してきた。しかしながら,近年消費者のニーズが多岐にわたるようになり,高い生産性を維持しつつ多品種生産にも対応する必要がでてきた。これを受けてセル生産が再び注目され始め,ロボットを導入したもの,人間とロボットの協調によるもの等が提案されている［4］。人間とロボットが協調して作業を行うためには,ロボットの制御が人に対してやさしいものである必要があり,人の動作に対応可能なソフト及びハードが必要である［5］。従来のライン生産におけるロボットの作業は限られており,その作業に特化させたものであった。しかしながら,セル生産においてロボットは多品種の生産を行うために高い汎用性を有する必要があり,複雑な作業を多種多様に実現可能なソフト及びハードが必要である。
ロボットを含む産業機械は一般的に多自由度システムで構成されているが,より複雑な作業を実現するためにさらに多くの自由度を有する必要がある［6,7］。多自由度システムは一般的に,各自由度が独立に動作するために一個の自由度に対して一台のモータが搭載されている。このために, 多_由度システムは_由度が増加するにつれて, 体積及び重量が増加するおそれがある。これにより,ロボットの導入環境における制限の発生,ロボットの制御性能低下等の問題が発生する可能性がある。
これを解決する方法の一つとして,一台のモータで複数台分の動作を実現する多自由度モー夕及びアクチュエータの研究が行われている。例えば,可動子をx軸及びy軸の平面方向,すなわち二次元的に移動させる平面モータの研究が行われている［8,9］。また,平面方向と共に他の方向に出力可能な三自由度平面モータも提案されている。三自由度平面モータとして,回転可能なモータ［10,11］,磁気浮上方向を制御可能なモータ［12,13］があげられる。また,磁気浮上を制御するモータは平面モータ以外にもあり,［14］及び［15］のモータは推力方向の力と固定子及び可動子間のギャップを同時に制御する。
自身を変形させることによって多方向に移動可能なアクチュエータもある。その一つとして,圧電素子を用いたものがある［16,17］。これらのアクチュエータは電圧を与えることにより力が発生して変形する素子を利用している。アクチュエータの先端に設置された球体の可動子に高周波の振動を与えることにより,可動子を複数の軸周りで回転させることが可能である。磁界に応じて変形する磁歪素材であるガルフェノール［18］を用いたアクチュエータも提案されている［19］。アクチュエータ自体を変形させることにより,アクチュエータの先端を三次元的に移動させることができる。
圧電素子による振動ではなく磁気エネルギーによって駆動する球状の可動子を有する球面モー夕も数多く提案されている。球面モータとして,永久磁石が配置された可動子とそれを覆うように巻線が配置されたものがある［20-25］。内部に巻線が配置され,それを覆うように永久磁石を有する可動子が配置され,複数の軸周りに回転可能なモータも提案された［26］。また,永久磁石を有さず渦電流によって駆動するインダクションモータ構造の球面モータもある［27］。これにより,人のように複数の回転動作を行う関節を再現することが可能である。すなわち,球面モータは多自由度を有する人の関節を再現することができ,多自由度システムのモータ台数が増えることを防ぐと共により人に近い動作を再現可能となる。また,球面モータは多軸周りに回転可能であることにより,［27］に示されるように車いす等のように乗り物の駆動源としての利用が期待できる。可動子にカメラを取り付け,ロボット用のビジョンセンサとして利用することも期待されている［28］。球面モータ以外にも多軸周りに回転可能なモータが提案されている［29］.本モータは巻線が巻かれた円弧形状のヨークと,永久磁石が取り付けられたカメラレンズから構成されており,カメラの手ぶら補正を行うことができる。
ところで,産業機械は人の作業を実現するために,必ずしも人の動作を実現する必要はない。産業分野では,物品等の運搬のためにスカラロボットが広く普及している。スカラロボットはエンドエフェクタを水平方向に移動させるための回転モータニ台と,エンドエフェクタの位置を保持したまま姿勢を回転させるための回転モーター台を有する。さらに,エンドエフェクタを垂直方向に移動させるためのリニアモーター台を有する。このような構成により,スカラロボットは効率よく運搬作業を行うことができる。
先述した球面モータでは,回転モータニ台で実現される動作であり,エンドエフェクタの水平方向における移動の動作を実現することが難しい。また,スカラロボットは回転動作だけでなく直動動作を有する構造である。従って,産業機械はモータ台数をさらに減らすために,回転動作だけでなく直動動作も実現可能な多自由度モータが必要となり,その研究が行われている［30］。
回転動作及び直動動作を実現する多_由度モータとして,回転軸を中心としたトルクを発生させると共に,その回転軸方向に推力を発生させる二自由度インダクションモータが提案された［31］。二自由度インダクションモータは,円筒形状の可動子を有し,それを覆うように円筒形状の固定子が配置されている。固定子には,円筒形状の半周において直動方向の推力を発生させる巻線が配置され,残りの半周において回転方向のトルクを発生させる巻線が配置されている。また,リラクタンスカによって推力及びトルクを発生させる二自由度スイッチトリラクタンスモータ(SRモータ)も提案された［32,33］。二自由度SRモータは,二自由度インダクションモータと略同様に円筒形状の可動子を有する。その可動子にトルクを発生させるために二組の固定子を有する。二自由度SRモータでは,その二組の固定子が直動方向に並んで配置されており,二組の固定子間における吸引力のバランスにより直動方向の推力を発生させる。
さらに,より大きなトルク及び推力を発生させるために,永久磁石を有するリニア・ ロータリPMアクチュエータが提案された［34］。リニア・ ロータリPMアクチュエータはトルク及び推力を同時かつ独立に制御することが可能であり,らせん方向の動作も実現することができる。しかしながら,提案されたリニア・ ロータリPMアクチュエータは九種類の巻線を有し,その巻線をそれぞれ独立に制御する必要がある。このために,制御器が大きく,高価になるおそれがある。
リニア・ ロータリPMアクチュエータより卷線の種類が少ない二自由度アクチュエータも提案された［35,36］。提案された二自由度モータは二種類の三相巻線を有し,一方の三相巻線によって推力を発生させ,他方の三相巻線によってトルクを発生させる。可動子に配置された各永久磁石は二種類のうち一方の三相巻線に対してのみ対向するので,トルク及び推力の一方のみにしか寄与しない。すなわち,トルク体積比や推力体積比を向上させることが難しかった。
そこで,二種類の三相巻線を重ねて配置したクロスカップル型二自由度モータが提案された［37,38］。クロスカップル型二自由度モータの可動子は,シャフトとシャフト表面に配置された永久磁石から構成される表面磁石(SPM)型構造となっている。永久磁石はセグメント形状に形成されており,N極及びS極が直動方向及び回転方向において交互に配置された二次元的な配置となっている。また,クロスカップル型二自由度モータの固定子は,シャフトの径方向に重なって配置された内側三相巻線と外側三相巻線から構成される。内側三相巻線は右らせん方向に沿って卷かれており,外側三相卷線は左らせん方向に沿って卷かれている。すなわち,内側三相巻線と外側三相巻線はたすき掛けのように重ねて巻かれている。本稿では,このような巻線の構造をクロスカップル構造と定義する。
ローレンツカが導線に対して直交する方向に発生するので,クロスカップル型二自由度モー夕は,二種類の三相巻線によって右らせん方向及び左らせん方向の二種類のマグネットカを独立に発生させることができる。この二種類のマグネットカの組み合わせにより,直動方向の推力及び回転方向のトルクを独立に発生可能である。このクロスカップル構造により,クロスカップル型二自由度モータでは永久磁石に対して二種類の三相巻線が対向しているので,永久磁石一個当たりにおいて右らせん方向及び左らせん方向両方のマグネットカに寄与可能である。これにより,トルク体積比や推力体積比を向上させることが可能である。また,クロスカップル型二自由度モータでは,内側三相巻線及び外側三相巻線が対称的な構造であり,内側三相巻線及び外側三相巻線において同構造の制御器を使用可能である。さらに,内側三巻線によって発生するマグネットカに対する慣性と外側三相卷線に対する慣性が等しいため,クロスカップル型二自由度モータでは,発生するマグネットカの向きと加速度の向きが等しく,内側三巻線及び外側巻線間での干渉を防ぐことができ,制御性能を向上させることができる。
二自由度モータは,このように様々な種類が提案されているが,多くの分野で適用可能とするためにも更なる性能向上が期待される。性能向上の一つとしてトルク及び推力の向上がある。例えば,メーカで市販されている無冷却型コア付きリニアモータの推力密度は1.0〜2.0 Χίο5 N/m3となっている［39］。また,回転モータは3.0〜5.0 x10 3 Nm/m3となっている［40］。リニアモータと回転モータを組み合わせた際の力密度及びトルク密度を目標にトルク及び推力の向上を図る。すなわち,1.0 X105 N/m3,トルク密度2.5 x103 Nm/m3を目標とする。
一般的な一自由度モータのトルク及び推力を向上させる手法として,二つの手法がある。一つ目の手法がハルバッハ配列の適用である［41,42］。ハルバッハ配列とは,永久磁石から発生して巻線に鎖交する鎖交磁束を増加させる特殊な磁石配置である。例えば,一自由度のリニアモータである円筒型PM装置では,ハルバッハ配列を適用することにより推力を1.09〜1.13倍向上させることができた［43,44］。
また,［35］に記載のらせん動作型二自由度モータにもハルバッハ配列が適用されている。らせん動作型二白由度モータは円筒形状の可動子を有し,その可動子の外側及び内側の両面において永久磁石が配置されている。内側の永久磁石はN極S極が直動方向において交互に配置されており,外側の永久磁石は回転方向において交互に配置されている。従って,内側の永久磁石は直動方向の推力を発生させるためのもであり,外側の永久磁石は回転方向のトルクを発生させるためのものである。その内側及び外側の両面においてハルバッハ配列が適用されている。
これらのハルバッハ配列が適用されたモータは,永久磁石が回転方向又は直動方向において N極及びS極が交互に配置された一次元的な磁石配置に対してハルバッハ配列が適用されたものである。しかしながら,クロスカップル型二自由度モータは二次元的な磁石配置を有する。そこで,第3章においてハルバッハ配列を用いた表面磁石クロスカップル型二自由度モータを提案する。本二自由度モータを提案するにあたり,二次元的な磁石配置に対する最適なハルバッハ配列の適用方法を検討する。そして,ハルバッハ配列を適用することにより,二自由度モー夕の推力及びトルクが一自由度モータと同様に向上することを確認する。すなわち,トルク及び推力が1.13倍以上となることを目標要件として,本提案二_由度モータの設計を行う。
また,トルク及び推力を向上させる二つ目の手法は,強磁性体のシャフトに永久磁石を埋め込む埋込磁石(IPM)型構造の適用である。IPM構造では永久磁石がシャフト表面ではなく内部に埋め込まれるために,磁石形状に対する自由度が高く,永久磁石を最適な形状に形成することができる。また,SPM構造では可動子が高速で動作する際に永久磁石がシャフトから飛ばないように,永久磁石の表面を樹脂や非磁性体で覆うことが一般的である。このために,永久磁石と固定子のティースとの間のギャップが広がり,発生可能な力が低下する問題がある。しかしながら,IPM構造では強磁性体のシャフトに永久磁石が埋め込まれるので樹脂等で永久磁石を覆う必要がなく,ギャップを狭くすることができ,発生可能な力を上昇させることができる。さらに,マグネットトルクだけでなくリラクタンストルクも発生させることができ,この二種類の力を組み合わせることによりモータが発生する力を向上させることができる。トルク向上を目的として,IPM構造が適用されたロータリモータの研究が数多く行われている［45-48］。さらに,IPM構造が適用されたリニアモータ［49］及び球面モータ［50］の研究も近年行われている。
ところで,先述したように多自由度システムは,自由度が増加することによりモータの台数が増加し,体積及び重量が増加する問題が発生するおそれがあると述べた。しかしながら,各自由度を制御するために,モータの台数だけでなく位置センサの台数も増加し,システムが高価になるおそれがある。さらに,センサは高精度なほど繊細であり,使用環境に対する制限が強くなる。このために,センサの台数が増加するほど使用環境に制限が発生するおそれがある。このような観点から,多自由度システムはセンサレス制御の需要も予測される。
これまで,モータのセンサレス制御のために逆起電力に基づいた位置推定方法が提案された［51,52］。逆起電力はモータ速度に応じて発生するため,提案された推定法は主に高速で回転するモータの位置推定に用いられた。また,停止時及び低速度領域においてモータ及びアクチュエータの位置を推定する手法も提案された［53-55］。提案された手法は,モータ及びアクチュエータの位置に応じて変動するインダクタンスに基づいた手法であり,印加された高周波の電圧値とそれによって発生した電流値からインダクタンスを推定する。そして,そのインダクタンスの推定値からモータ及びアクチュエータの位置を求める。さらに,インダクタンス推定時にフィルタによる遅れを低減するために,異なる周波数の信号を掛け合わせる変調を利用して推定するために必要な周波数成分を抽出する手法も提案されている［56］。そこで,第4章ではトルク向上及び今後の位置センサレス制御への発展を考慮して,クロスカップル構造に基づいたIPM型二自由度モータを提案する。
1.2 論文構成
本論文の構成を以下に述べる。第2章では従来のクロスカップル型二自由度モータの構造を説明すると共に,以降の章において用いる電圧方程式とトルク及び推力方程式について説明する。本電圧方程式とトルク及び推力方程式は,IPM構造にも適用可能なように従来のクロスカップル型二自由度モータにおける電圧方程式とトルク及び推力方程式からさらに拡張したものとなっている。第3章ではハルバッハ配列を用いた表面磁石クロスカップル型二自由度モー夕を提案する。表面磁石クロスカップル型二_由度モータに対する最適な磁石配置を示すと共に,三次元有限要素法解析び実験から本提案手法の有効性を示す。第4章ではクロスカップル構造に基づいたIPM型二自由度モータを提案する。提案するIPM型二自由度モータの構造を説明する。特に,回転方向のリラクタンストルク及び直動方向のリラクタンスカを発生させるための磁路の設計について説明する。本提案手法の有効性を示すために,三次元有限要素法解析及び実験を行う。最後に,第5章において結論を述べ,本論文をまとめる。
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