2012 Fiscal Year Annual Research Report
スパイラルモータを用いた人に優しい運動支援システムの基盤技術開発
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24246047
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
藤本 康孝 横浜国立大学, 工学研究院, 准教授 (60313475)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河村 篤男 横浜国立大学, 工学研究院, 教授 (80186139)
下野 誠通 横浜国立大学, 工学研究院, 助教 (90513292)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | アクチュエータ / 電気機器 / 運動支援システム / スパイラルモータ |
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| Research Abstract |
初年度は、運動支援システムに必要となる小型高出力スパイラルモータの設計・製作を行った。具体的には以下の項目に重点を置いて研究を進めた。
スパイラルモータをより高推力密度化するためには、３次元高磁束密度設計、および、損失の低減とその熱設計が重要である。まず、リード長22mm、コア直径Φ60mm、長さ168mm（有効長110mm、ストローク44mm）の実機A、および、リード長20mm、コア直径Φ50mm、長さ122.5（有効長60mm、ストローク60mm）の実機Bにおいて、パラメータ同定実験を行い、推力定数、トルク定数、磁気吸引力定数を求め、FEAによる同定結果と誤差数%以内で一致することを確認した。次に、ヨークおよびティースの磁気飽和と電機子電流による銅損を考慮しつつ推力を最大にするモータ設計を行い、リード長3mm、コア直径Φ42mm、長さ129.5mm（有効長84mm、ストローク45mm）の超多層薄型ヨークのスパイラルモータについてFEAによりモータ特性を明らかにした。その結果、従来モデルBと比べて体積当たりの推力で約3.8倍（有効体積当たりの推力で2.2倍）の性能が得られることが分かった。
その結果を踏まえて、厚さ0.45mm、43層の薄型固定子ヨーク、厚さ0.45mm、27層の薄型可動子ヨーク、厚さ0.45mmの薄型ネオジム磁石、および、厚さ0.3mmの薄型巻線の試作を行った。特にヨークと磁石は寸法精度が悪化しない加工方法を開発した。
また、実機Bにおいて、寸法精度が十分でないためギャップ長が変動する問題に対してゼロパワー制御を提案し、200Nのセンサレス力制御およびフルストロークの位置制御に成功した。
これらの成果に関して、IEEE IECON、IEEE ICM、日本ロボット学会学術講演会、電気学会産業応用部門大会、電気学会産業計測制御研究会において研究発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、将来の少子高齢化社会における作業支援および介護支援を可能にする、小型高推力スパイラルモータを用いた安全な運動支援システムの開発を目的としている。具体的には、人との接触を伴う機械システムにおける人との衝突時の衝撃力の低減、および、パワーアシスト制御における微小力制御の実現を目指している。
初年度である2012年度は、運動支援システムに適用可能な小型スパイラルモータの開発に注力しており、おおむね計画通りの進捗が見られた。特に、FEAシミュレーションによる結果と実機の結果を精緻に比較検証し、十分な精度となるための解析条件を明らかにした点は重要である。この結果を踏まえて高推力密度の小型スパイラルモータの設計を行うことができた。この設計から、薄型ヨーク、薄型ネオジム磁石、および、薄型巻線の試作を行っており、2013年度にモータを完成させられる目処が立った。
また、制御系の構築も並行して進めており、大推力でのセンサレス力制御実験に成功している。
以上から、当初の計画通りに研究が進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に薄型ヨーク、薄型ネオジム磁石、および、薄型巻線の試作を行ったが、その巻線占積率が28%程度に留まることが分かった。これは、従来型モータと比較しておよそ半分程度の値である。そこで、2013年度は巻線占積率が2倍程度になるよう手法を検討する。2倍の巻線占積率が実現できれば、体積あたり推力を従来比7.5倍（有効体積当たり推力で4.5倍）と飛躍的に向上させることができ、運動支援システムにおける適用範囲を大幅に広げることができる。まずは、巻線占積率の向上に取り組む。また、これらのパーツを組み合わせて、小型スパイラルモータを完成させる。
また、スパイラルモータの機械損を低減し、高精度運動制御を実現するために必要不可欠な磁気浮上制御の実装と改良を行う。機械的な接触をなくすために、電磁力によって可動子を固定子のギャップ間に浮上させる。理論上はギャップ中心に磁石吸引力の不安定平衡点が存在するのだが、製作精度などの問題から、実際の平衡点は中心からずれており、かつ、その平衡点の位置は容易には知ることができない。そこで、新しい制御則を開発することで、この目標を達成する。具体的には、ギャップ変位を自動的に力学的平衡点に移動させるゼロパワー制御の応答速度の改良を行う。この制御により力学的平衡点を移動させ、極めて小さい電流で制御帯域以下の負荷力に拮抗させ、高精度かつ省エネルギーな制御を実現する。
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Research Products
(14 results)
