日本機械学会

ロボティクス・メカトロニクス講演会2023 

ROBOMECH 2023

概要 / Outline

ロボティクス・メカトロニクス講演会 2023(ROBOMECH 2023)参加しました。


開催日:2023年628日(水)~7月1日(

会場:名古屋国際会議場


発表者:遠藤 央(源元 颯人)

講演番号:2A1-D21

タイトル:電磁モータの軽量化を目的とした固定子のトポロジー最適化


発表者:遠藤 央(清水 拓見

講演番号:2P1-D21

タイトル:埋め込み磁石同期モータにおける最適設計された回転子の狭隘部および突起部の検出と修正


発表者:日比野 圭歩

講演番号:2P2-A20

タイトル:産業用ロボットの軽量化を目的とした作業領域と駆動機構の初歩的複合領域最適化


発表者:野田 聡

講演番号:2P2-D20

タイトル:電磁モータの軽量化を目的としたトルクの平均およびリップルを考慮する回転子鉄心のトポロジー最適化


We had presentations on the Robotics and Mechatronics Conference 2023 (ROBOMECH 2023).

Date: June 28th (Wed) - July 1st (Sat), 2023 Venue: Nagoya International Conference Hall


Presenter: Mitsuru Endo (Hayato Minamoto) 

Presentation Number: 2A1-D21 

Title: Topological optimization of the stator aimed at lightening the electromagnetic motor


Presenter: Mitsuru Endo (Shimizu Takumi) 

Presentation Number: 2P1-D21 

Title: Detection and correction of the optimized rotor's narrowed and protruded parts in the embedded magnet synchronous motor


Presenter: Kaho Hibino

Presentation Number: 2P2-A20 

Title: Elementary Multidisciplinary Optimization of Workspace and Driving Mechanism to Reduce Weight of Industrial Robots


Presenter: Satoshi Noda

Presentation Number: 2P2-D20 

Title: Topology Optimization of Rotor Core Considering Torque Averaging and Ripple to Reduce Weight of Electromagnetic Motors


発表内容 1 / Contents No.1

電磁モータの軽量化を目的とした固定子のトポロジー最適化 

Topological optimization of the stator aimed at lightening the electromagnetic motor

1. 背景 / Background

 電磁モータの軽量化は高トルク化や高出力密度化が望め,総合的に高性能化へつながる.従来,軽量化は構造の最適化[1]や軽量な材料の利用[2],電磁モータからの脱却[3]などに取り組まれている.本研究では従来の電磁モータの軽量化を進めるべく,最適化に着目している.形状の最適化はトポロジー最適化が最も自由度が高い設計ができる.これを用いた研究例は,最適化にかかる計算のコストが膨大であることから回転子に限定した研究[4]や固定子だけを対象とした研究[5]など,限られた要素を対象としている.本発表では固定子に着目し,先行研究[5]では固定子の鉄心の形状と形態だけを最適化したものを,巻線まで含めて最適化する手法について提案し,実際の最適化結果より有効性を示した.

The lightweighting of electromagnetic motors can lead to increased torque and higher power density, thereby contributing to overall improved performance. Historically, efforts to achieve lightweighting have centered on structural optimization [1], the use of lightweight materials [2], and even initiatives to move away from electromagnetic motors entirely [3]. In this study, our attention is drawn to the optimization in the pursuit of further reducing the weight of traditional electromagnetic motors. Topology optimization allows for the highest level of design freedom when it comes to shape optimization. Due to the extensive computational costs associated with such optimization, past research efforts have been confined to specific components, with studies focusing solely on the rotor [4] or just the stator [5]. In this presentation, our focus is on the stator. While previous research [5] had only optimized the shape and form of the stator's core, we propose a method that extends the optimization to include the windings. The effectiveness of this approach is validated through actual optimization results.

2. 手法 / Methods

図1に基本的な正規化ガウス関数ネットワークに基づくデコード化の概念を示す.ガウス分布を持つ波の中央の位置を有限要素解析に用いるメッシュの上に定義する.この各ガウス分布の大きさを設計変数として最適化を実行する.得られた設計変数に基づき,各ガウス分布の大きさを計算し,その”波”を重ねわせることで1つの波を得る.このとき,波の値が閾値(通常は0)よりも大きいところには鉄心があり,小さいところは空気(フラックスバリア)であるとして計算する.

本発表ではこれを,巻線を含む最適化に拡張する.通常は1つの正規化ガウス関数ネットワークにより下記に示す判定をする.

Figure 1 illustrates the basic concept of decoding based on a normalized Gaussian function network. The center positions of waves with a Gaussian distribution are defined on the mesh used for finite element analysis. The size of each Gaussian distribution is optimized as design variables. Based on the obtained design variables, the size of each Gaussian distribution is calculated, and by overlaying these "waves", a single wave is obtained. At this time, where the wave value is greater than a threshold (usually zero), it is considered to have a core (iron core), and where it is smaller, it is considered to be air (flux barrier).

In this presentation, this is extended to include winding in the optimization. Normally, a decision is made by one normalized Gaussian function network as described below.

これを2つの正規化ガウス関数ネットワークを同時に使うことにより,2 bitで4態表せるようになる.そのうちの3つを用いることで,巻線,鉄心,フラックスバリアの3つを表す.

By using two normalized Gaussian function networks simultaneously, it becomes possible to represent 4 states with 2 bits. By using three of those states, we can represent the winding, iron core, and flux barrier.

図2に概念を示す.2つの正規化ガウス関数ネットワークの値がそれぞれ閾値より大きいかを判定することで,3つの状態(図では黄,青,白で示している)を分けることができる. 

Figure 2 illustrates the concept. By determining whether the values from the two Normalized Gaussian Networks are greater than a certain threshold, we can differentiate between three states (represented in the figure as yellow, blue, and white).

図1 正規化ガウス関数ネットワークに基づくデコード化

Figure 1: Decoding based on the normalized Gaussian function network.

図2 巻線を含む固定子の正規化ガウス関数ネットワークを用いた最適化の概念

Figure 2: Concept of stator optimization using normalized Gaussian function network including the winding.

しかしながら実際には,巻線と固定子鉄心の面積は最適化に基づいて変化してしまう.巻線の面積が変化することでモータの性能が著しく変化してしまう.そのため巻線の面積を含めた最適化は複雑になり実行できない.そこで本研究では巻線の面積を決める正規化ガウス関数ネットワークのしきい値を変化させることで面積を最適化開始時から一定にすることを提案した.図3に概念を示す.実際には目標面積を与え,その値になるようにしきい値の値を二分法により最適化する.

However, in reality, the area of both the winding and the stator core changes based on the optimization. When the area of the winding changes, it can drastically alter the motor's performance. Hence, optimizing with the winding area included becomes too complex to execute. This study proposes to keep the area consistent from the start of optimization by adjusting the threshold of the Normalized Gaussian Network that determines the winding area. Figure 3 illustrates this concept. In practice, we set a target area and optimize the threshold value using the binary search method to achieve that area.

図3 しきい値の変化による面積に調整

Figure 3: Area adjustment through threshold value changes.

3. 結果 / Results

図4に適用した結果を示す. CMA-ESの個体数とペナルティ関数のゲインの大きさをパラメータとして,それぞれ3回の結果を示した.これらのパラメータは最適化の性能には影響 を与えるが,最適化結果の物理的な設計結果には影響を与えない.形状を見ると今までにない形が得られていることがわかる.さらに質量は軽いものでは50%の低減,大きいものでも30%程度は軽量化に成功している.また,性能は狙い通り変化していないこともわかる. 

Figure 4 shows the results when applied. The number of individuals in CMA-ES and the magnitude of the penalty function gain were taken as parameters, and the results of three runs for each are shown. These parameters influence the performance of the optimization, but they don't affect the physical design outcome of the optimization. By looking at the shape, it's clear that we obtained a design unlike any before. Furthermore, in terms of weight, we've managed to reduce it by 50% for the lighter designs and by about 30% even for the heavier ones. Also, as targeted, we can see that the performance hasn't changed.

図4 適用結果

Figure 4: Applied Results.

4. 結論 / Conclusions

本研究ではトポロジー最適化を用いたモータの軽量化に取り組む.本発表では固定子に着目し,巻線の面積を変えずに巻線の形状や形態も含めて最適化する手法を提案し,実際の設計結果より有効性を示した.従来の半分程度の重さになっただけでなく性能は据え置きであることがわかる.このような「今までの技術者には想像もつかない形」を生み出すことが計算機に設計を任せることの醍醐味であり,今後はモータ全体の設計を完全自動化することに踏み込んでいく.

In this study, we tackled motor weight reduction using topology optimization. In this presentation, we focused on the stator and proposed a method to optimize not only the shape but also the form of the winding without changing the winding area. The actual design results demonstrate its effectiveness. The weight was reduced to about half of the conventional one, while performance was maintained. Generating such "shapes beyond the imagination of traditional engineers" is the true beauty of entrusting design to computers. Moving forward, we aim to fully automate the entire motor design process.

参考文献 / Reference

[1] Zhang, X., et al., Mass Optimization Method of a Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor Based on a Lightweight Structure, IEEE Access (2020).

[2] Rallabandi, et al., Coreless Multidisc Axial Flux PM Machine with Carbon Nanotube Windings, IEEE Transactions on Magnetics (2017).

[3] Sakai, K., et al., Ultralightweight motor design using electromagnetic resonance coupling, IEEE-ECCE (2016).

[4] Sato, T., et al., Multi-material Topology Optimization of Electric Machines Based on Normalized Gaussian Network, IEEE Transactions on Magnetics (2015).

[5] Choi, J. S., et al., Topology Optimization of the Stator for Minimizing Cogging Torque of IPM Motors, IEEE Transactions on Magnetics (2011). 

発表内容 2 / Contents No.2

埋め込み磁石同期モータにおける最適設計された回転子の狭隘部および突起部の検出と修正 

Detection and correction of the optimized rotor's narrowed and protruded parts in the embedded magnet synchronous motor

1. 背景 / Background

トポロジー最適化により電磁モータの高性能化が実現されている.しかし,設計された形状は最適化のメッシュに基づくものであり,凹凸や突起が多く,機械加工するのに適していない.そのため,従来研究[1][2]などでは得られた形状を技術者による手作業で機械加工に適した形状へ修正,変更を加えている.そのため技術者の裁量によるところが生まれ,最適化を設計に用いる良さを殺してしまっている.そこで本研究では,この形状の修正をアルゴリズムに基づいて実施することで,技術者を介さない形でモータの試作や製造まで実現することにチャレンジしている.

本発表では突起部と狭隘部に着目している.図1にトポロジー最適化により得られる形状を示す.図からわかるように有限要素解析で用いるメッシュの形状に基づく形状として得られる.実際のモータはプレス加工で鉄心を加工するため,鋭い突起や細いブリッジ部などは加工できない.そこでこれを発見し修正するアルゴリズムを提案した.

Through topology optimization, the enhancement of electromagnetic motors has been achieved. However, the designed shapes are based on the optimization mesh, resulting in many uneven and protruding parts, making them unsuitable for mechanical processing. Therefore, in previous studies [1][2], the obtained shapes have been manually adjusted and modified by engineers to be more suitable for machining. As a result, the discretion of the engineers interferes, undermining the benefits of using optimization in design. In this research, we are challenging this issue by algorithmically making these shape corrections, aiming to prototype and manufacture motors without the intervention of engineers.

In this presentation, we focus on the protruding and narrow areas. Figure 1 shows the shape obtained by topology optimization. As can be seen from the figure, the shape is obtained based on the mesh used in finite element analysis. In reality, the motor core is processed by press working, so sharp protrusions and thin bridge parts cannot be processed. Therefore, we proposed an algorithm to detect and correct these issues.

図1 トポロジー最適化により得られる形状

Figure 1: Shape obtained through topology optimization.

2. 手法 / Methods

本発表では図2に示すようにデータをモデル化し,線分と点の距離Dに基づいて判定する.このDの距離が小さいところでは狭隘部や突起部が発生する.図1に示すように,実際はこの線と点により構成される閉ループが複数存在する.

In this presentation, as shown in Figure 2, we model the data and make decisions based on the distance D between the line segments and points. In areas where this distance D is short, narrow sections or protrusions occur. As shown in Figure 1, in reality, there are multiple closed loops composed of these lines and points.

図2 最適化出力データの概念図

Figure 2: Conceptual diagram of optimization output data.

実際の 𝑖 番目の線分と 𝑗 番目の節点の距離は次式でもとまる.

The actual distance between the  ith line segment and the jth node is determined by the following equation.

これにおいて,線分と節点が存在する閉ループが一致しない場合は狭隘部であると判定 できる.この場合,点を追加することで十分に広い差をつける.一方で,一致する場合は突 起部と判定できる.この場合では狭いと判定された点より先を削除することで突起をなく すことができる.

図3に実際に本研究室の別プロジェクトで得られたトポロジー最適化の結果に適用した 例を示す.左が適用前,右が適用後である.⻘丸で示したところでは,別な閉ループに存在 しているため狭隘部であると判定されブリッジ部が太くなっていることがわかる.また赤 い丸で示したところは同じ閉ループに存在しているため突起部であると判定され,削除さ れている.これらより狙い通りの挙動が確認され,実問題へも適用可能であることが示され た.

In this context, if the closed loop in which the line segment and node exist doesn't match, it can be identified as a narrow section. In this case, by adding points, we can create a sufficiently large difference. On the other hand, if they do match, it can be identified as a protrusion. In this scenario, by deleting beyond the point identified as narrow, we can eliminate the protrusion.


Figure 3 shows an example of the application to the results of topology optimization obtained from another project in our lab. On the left is the pre-application, and on the right is the post-application. As indicated by the blue circles, because it exists in a different closed loop, it's determined to be a narrow section, and we can see that the bridge part has become thicker. Moreover, the areas indicated by the red circles exist in the same closed loop and are thus determined to be protrusions and have been removed. From these results, we can confirm that the desired behavior is achieved, and it's demonstrated that this can be applied to real-world problems.

図3 実際の最適化結果への適用

Figure 3: Application to actual optimization results.

参考文献 / Reference

[1] 佐藤孝洋,五十嵐一,高橋慎矢,内山翔,松尾圭祐,松橋大器,“トポロジー最適化による埋込磁石同期モータの回転子形状最適化”,電気学会論文誌D(産業応用部門誌),  Vol.135-3, pp.291–298, 2015. 

[2] 坂本宏紀,阿部崇史,“回転機のトポロジー最適化”,明電時報, vol.364, pp.42–46, 2019. 

発表内容 3 / Contents No.3

産業用ロボットの軽量化を目的とした作業領域と駆動機構の初歩的複合領域最適化

Elementary Multidisciplinary Optimization of Workspace and Driving Mechanism to Reduce Weight of Industrial Robots

1. 背景 / Background

 本研究では,設計段階から使用目的を考慮して,目的を達成するのに最低限必要となるリンクの長さやモータ・減速機の種類を選定する.これにより無駄のないマニピュレータの設計ができ,必要となる資源やエネルギーの削減に繋がると考え,シリアルリンクマニピュレータの最適設計に取り組む.その際に複合領域設計最適化[1] を用いてマニピュレータ全体の質量を軽量化することを目的に,目標軌道とマニピュレータの相対位置,リンクの長さ,モータ・減速機の種類を最適化する手法と結果を述べる.

 In this research, the minimum link lengths and types of motors and reducers required to achieve the purpose of use are selected by considering the purpose of use from the design stage. We believe that this will enable us to design a lean manipulator and reduce the number of resources and energy required, and we will work on the optimal design of serial link manipulators. In doing so, we describe the method and results of optimizing the relative position of the manipulator to the target trajectory, link lengths, and types of motors and reducers, with the aim of reducing the overall mass of the manipulator by using multidisciplinary design optimization [1].

2. 手法 / Methods

 マニピュレータの軽量化を目指すにあたって,本研究では複合領域設計最適化(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)によって最適化する.MDO とは,複数の領域に渡るグローバル設計変数について,各領域での解析に基づいて最適解を得る手法である[1].本稿では,なかでも幾何学的領域と動力学的領域に着目して最適化し,逐次最適化のアーキテクチャに従う.

 In order to reduce the weight of manipulators, this study uses Multidisciplinary Design Optimization (MDO), which is a method for obtaining the optimal solution for global design variables across multiple regions based on analysis in each region [1]. In this paper, we focus on the geometric and dynamic regions and follow the architecture of sequential optimization.

 本稿における最適化の構造は図1に示すように,全体を最適化するシステムレベルオプティマイザと,領域別に最適化する2つのサブオプティマイザからなる.

The optimization structure in this paper consists of a system-level optimizer for overall optimization and two sub-optimizers for region-specific optimization, as shown in Figure 1.

図1 本研究での複合領域設計最適化の構造

Fig.1 Structure of multidisciplinary optimization in this research

 システムレベルオプティマイザでは,マニピュレータ全体の軽量化を目的として,2つのサブオプティマイザの結果をもとに質量を計算し評価することで最適設計となるリンクの長さを出力する.目的関数f(A)を以下のように定める.

 The system-level optimizer outputs the length of the link that results in the optimal design by calculating and evaluating the mass based on the results of the two sub-optimizers, with the aim of reducing the overall weight of the manipulator. The objective function f(A) is defined as follows.

サブオプティマイザ1(幾何学的領域)では,システムレベルオプティマイザで設定されるリンクの長さに基づいて軌道を解析し,可操作度を判定に用いて目標軌道とマニピュレータの相対位置を出力する.目的関数f_1 (A_1 )を以下のように定める.

Suboptimizer 1 (geometric region) analyzes the trajectory based on the link lengths set by the system-level optimizer and outputs the relative position of the manipulator to the target trajectory using the degree of manipulability as a decision. The objective function f_1 (A_1 ) is defined as follows.

サブオプティマイザ2(動力学的領域)では,リンクの長さとサブオプティマイザ1の結果を用いて動力学計算を行う.計算の結果,目標軌道上を動くのに必要なトルクを満たすモータと減速機の最も軽量となる組み合わせを出力する.目的関数f (A )を以下のように定める.

In sub-optimizer 2 (the dynamic region), dynamics calculations are performed using the link lengths and the results of sub-optimizer 1. The calculation results output the lightest combination of motor and reducer that satisfies the torque required to move on the target trajectory. The objective function f (A) is defined as follows.

3. 結果 / Results

システムレベルオプティマイザによるマニピュレータ全体の最適化結果を表3に示す.

Table 3 shows the results of overall manipulator optimization by the system-level optimizer.

表3 各条件での最適化結果

Fig.1 Structure of multidisciplinary optimization in this research

 目標軌道として正方形軌道を与え,正方形の辺の長さと移動時間ごとに最適化を行った.軌道の大きさが大きくなるほど,システム全体の構造が大きくなるため質量は増える傾向にある.また,移動時間が短くなるほど必要とする駆動速度・加速度が大きくなるため,必要トルクが大きくなり,これを満たすために駆動機構の質量が大きくなる.人の近くで柵なしで稼働する人協働ロボットは低速で稼働するため,40~50kgある従来の汎用機と比較すると移動時間に2.0sを与えた最適化結果は軽量化されていることがわかる.

 A square trajectory was given as the target trajectory, and optimization was performed for each square side length and travel time. The larger the orbit size, the larger the overall system structure, and thus the mass tends to increase. In addition, the shorter the travel time, the greater the required drive speed and acceleration, and thus the greater the required torque, and the greater the mass of the drive mechanism to meet these requirements. Since the Co-bot that operates near humans without fences operates at low speed, the optimization result with a travel time of 2.0 s shows that the robot is lighter than a conventional general-purpose machine that weighs 40~50 kg.

4. 結論 / Conclusions

本稿では,マニピュレータの軽量化を目的として,複合領域設計最適化手法を用いて,標軌道を満たす質量最小となるリンクの長さとモータ・減速機を選定することを目指した.最適化結果を従来製品と比較することで,人協働を目的としたマニピュレータは現在の設計よりも軽量化が見込まれることを示した.

This paper aims to select the link length and motor/reducer with the minimum mass that satisfies the target trajectory by using a multidisciplinary design optimization method to reduce the weight of manipulators.By comparing the optimization results with those of conventional products, it is shown that manipulators designed for human cooperation can be expected to be lighter than current designs.

参考文献 / Reference

[1] Mykel J.Kochenderfer, Tim A.Wheeler, 岸本祥吾, 島田直樹, 清水翔司, 田中大毅, 原田耕平, 松岡勇気, “最適化アルゴリズム”, 共立出版, pp.345–363, 2022.

発表内容 4 / Contents No.4

電磁モータの軽量化を目的としたトルクの平均およびリップルを考慮する回転子鉄心のトポロジー最適化

Topology Optimization of Rotor Core Considering Torque Averaging and Ripple to Reduce Weight of Electromagnetic Motor

1. 背景 / Background

協働ロボットの軽量化を目的として,構成要素の一つである電磁モータの軽量化に取り組む.本研究ではこれまでに,IPMSMの回転子の軽量化を目的としてトポロジー最適化を適用した最適設計に取り組んできた.源元らの研究[1] ではトポロジー最適化の目的関数に多目的最適化の手法を取り入れ,質量を最小化する目的関数と,平均トルクを最大化する目的関数を重み付け和で結合した目的関数を用いた.また,源元らの研究[2] では,目的関数を質量の単目的とし,平均トルクについてはペナルティー関数として扱うことを提案した.これらの最適化の結果,平均トルクを維持しつつ,軽量な構造が得られた.一方で,トルクリプルが増加したことが課題とされた.

本稿では,低トルクリプルも実現する手法を提案する.目標トルクを達成しつつ,軽量かつ低トルクリプルとなるように,トポロジー最適化を用いてIPMSM の回転子の電磁鋼板の形状を設計する.

In order to achieve the lightweight design of collaborative robots, efforts have been made to reduce the weight of electromagnetic motors, one of their constituent elements. In our research so far, we have been engaged in the optimal design by applying topology optimization with the objective of reducing the weight of the rotor of the IPMSM. Genmoto et al.'s study [1] introduced a multi-objective optimization method into the objective function of topology optimization, using an objective function that combines a function to minimize mass with a function to maximize average torque using a weighted sum. Furthermore, Genmoto et al.'s study [2] proposed treating the average torque as a penalty function while having a single objective for mass. As a result of these optimizations, a lightweight structure was obtained while maintaining the average torque. On the other hand, the challenge was that torque ripple increased.

In this paper, we propose a method to also achieve low torque ripple. We design the shape of the electromagnetic steel sheet of the rotor of the IPMSM using topology optimization so that it achieves the target torque while being lightweight and having low torque ripple.

2. 手法 / Methods

本稿ではトポロジー最適化の手法として,正規化ガウス関数ネットワーク(Normalized Gaussian Network:NGnet)を用いる[1][3].図1に本稿におけるNGnetを用いたトポロジー最適化のフローチャートを表す.

In this paper, we use the Normalized Gaussian Network (NGnet) as a method for topology optimization [1][3]. Figure 1 shows the flowchart of topology optimization using NGnet in this study.

図1 トポロジー最適化のアルゴリズム

目的関数を次式のように定める.ここで第1項は質量を最小化する目的関数,第2項はトルクリプル率を最小化する目的関数,第3項は平均トルクが目標トルク以上となるようにするペナルティー関数である.これは質量最小化とトルクリプル最小化を多目的最適化として重みwを用いて導入すると同時に,平均トルクをペナルティー関数として考慮する目的関数である.図2に最適化のベースモデルとする電気学会Dモデル[4]の概形を示す.また,図3に本稿での最適化対象を示す.赤色で示す領域の回転子鉄心の構造を最適化する

The objective function is defined as follows. The first term is the objective function to minimize mass, the second term is the objective function to minimize torque ripple rate, and the third term is a penalty function to ensure that the average torque is greater than or equal to the target torque. This is an objective function that introduces weight w for multi-objective optimization to minimize both mass and torque ripple, while considering average torque using a penalty function. Figure 2 shows the general shape of the Institute of Electrical Engineers D model [4], which serves as the base model for optimization. Also, Figure 3 indicates the optimization target in this study. We aim to optimize the structure of the rotor iron core represented in red.

図2 電気学会Dモデルの1/4断面図

図3 設計領域

3. 結果 / Results

 表1に,本稿と先行研究[1][2]の最適化結果とベースモデルにおける,回転子鉄心の形状,平均トルク,回転子鉄心質量,トルクリプル率を表す.また,図4に,本稿と先行研究の最適化結果とベースモデルにおける機械角ごとのトルクを示す.本稿における最適化の結果,先行研究では50% 以上あったトルクリプル率が10%以下まで低減された.平均トルクは先行研究と同等である.一方で,回転子鉄心の質量は先行研究と比較して20 g程度増加している.ただ,その増加比率はトルクリプル率の減少比率と比較して小さい.ベースモデルと比較した場合,軽量化とトルクリプル率の減少の両方を達成している.

Table 1 shows the rotor iron core shape, average torque, rotor iron core mass, and torque ripple rate in the optimized results of this study, previous research [1][2], and the base model. Additionally, Figure 4 illustrates the torque for each mechanical angle in the optimized results of this study, previous research, and the base model. As a result of the optimization in this study, the torque ripple rate, which was over 50% in previous research, has been reduced to less than 10%. The average torque is equivalent to that of previous research. On the other hand, the mass of the rotor iron core has increased by about 20g compared to previous research. However, this increase rate is small compared to the reduction rate of the torque ripple. Compared to the base model, both weight reduction and a decrease in torque ripple rate have been achieved.

表1 本稿と先行研究における最適化結果

図4機械角ごとのトルク

4. 結論 / Conclusions

 本稿では,人協働ロボットの軽量化のためのトポロジー最適化を用いたIPMSMの回転子鉄心の軽量化について,先行研究で課題とされたトルクリプルの低減との両立に取り組んだ.目的関数にトルクリプルを最小化する項を追加したところ,トルクリプルを抑えつつ軽量な構造を得られた.

In this study, we tackled the challenge of reconciling rotor iron core weight reduction for IPMSMs, which are used in collaborative human robots, with the torque ripple reduction, which was identified as an issue in previous research. By adding a term to minimize torque ripple to the objective function, we were able to obtain a lightweight structure while suppressing torque ripple.

参考文献 / Reference

[1] 源元颯人, 遠藤央, 中村裕司, 田中真平, 野口孝浩, “軽量化のためのトポロジー最適化を用いた電磁モータにおける回転子鉄心の最適設計”, ロボティクス・メカトロニクス講演会講演概要集, vol.2022 ,2022.

[2] 源元颯人, 遠藤央, 中村裕司, 田中真平, 野口孝浩, “平均トルクを制約条件に持つトポロジー最適化を用いた電磁モータ回転子鉄心の軽量設計”, 第23 回システムインテグレーション部門講演会, 2022.

[3] 佐藤孝洋, 五十嵐一, 高橋慎矢, 内山翔, 松尾圭祐, 松橋大器, “トポロジー最適化による埋込磁石同期モータの回転子形状最適化”, 電気学会論文誌D(産業応用部門誌), vol. 135, no. 3, pp. 291–298,2015.

[4] 電気学会回転機のバーチャルエンジニアリングのための電磁界解析技術調査専門委員会, “回転機のバーチャルエンジニアリングのための電磁界解析技術”, 電気学会技術報告, no. 776, pp. 1–58, 2000.