JP3929738B2

JP3929738B2 - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JP3929738B2
Application number: JP2001313783A
Authority: JP
Inventors: 秀明高橋
Original assignee: Yamaha Motor Electronics Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: US20030071530A1; JP2003125566A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石式のロータを有するブラシレス直流モータや発電機などの回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を固定したロータを有するブラシレス直流モータでは、ロータの出力トルクにコギングトルクと呼ばれる周期的なムラが発生することが知られている。
【０００３】
このコギングトルクは、ロータの永久磁石とステータの磁極との間の引力あるいは斥力により発生するものであり、その周期は、永久磁石の数（ポール数、磁極数という）と、ステータのスロット数（巻線溝数であり、ティース数と同数になる）との最小公倍数となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このコギングトルクは、特に低速回転時や低トルク出力時に目立つことになる。例えば電動モータを操舵力のアシスト力として用いる電動アシストパワーステアリング装置では、高速走行中などでステアリングの操舵量が僅かでかつ操舵力も小さい場合に、このコギングトルクが操舵感を悪くする。
【０００５】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、永久磁石式ロータを有するモータや発電機などの回転電機（回転電気機器）に発生するコギングトルクを消してロータの回転を滑らかにすることができる永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。
【０００６】
【発明の構成】
この発明によればこの目的は、永久磁石式ロータを有するモータと、前記ロータに結合され前記ロータのコギングトルクとほぼ同一周期かつほぼ同一大きさのコギングトルクを発生するコギングトルク相殺機とを備える回転電機において、前記コギングトルク相殺機は、隣接するティースが逆極性となるようにステータコイルが直列に巻かれているステータと、モータの１回転あたりのコギング数と同数の突極を持つロータとを有し、前記ステータコイルの直流励磁電流の遮断によって前記コギングトルク相殺機を不作動にすると共に、前記直流励磁電流の供給によって前記モータのコギングトルクを前記コギングトルク相殺機のコギングトルクで相殺するようにしたことを特徴とする永久磁石式回転電機、により達成される。
【０００７】
また発電機に対しては同一の目的は、永久磁石式ロータを有する発電機と、前記ロータに結合され前記ロータのコギングトルクとほぼ同一周期かつほぼ同一大きさのコギングトルクを発生するコギングトルク相殺機とを備える回転電機において、前記コギングトルク相殺機は、隣接するティースが逆極性となるようにステータコイルが直列に巻かれているステータと、発電機の１回転あたりのコギング数と同数の突極を持つロータとを有し、前記ステータコイルの直流励磁電流の遮断によって前記コギングトルク相殺機を不作動にすると共に、前記直流励磁電流の供給によって前記発電機のコギングトルクを前記コギングトルク相殺機のコギングトルクで相殺するようにしたことを特徴とする永久磁石式回転電機により達成される。
【０００８】
ここに用いるコギングトルク相殺機は、モータあるいは発電機と同数のスロット（あるいはティース）を有するステータと、ロータの１回転あたりのコギング数と同数の突極を放射状に配列したロータとを有するもので構成できる。この場合ロータは、コギング数の半数の突極を有する２枚のロータ半体を、互いに位相をずらして固定したものとすることができる。すなわち各ロータ半体は突極が周方向に交互に並ぶように位相を突極間角度の１／２だけずらすものである。
【０００９】
コギングトルク相殺機は、モータあるいは発電機のコギング数と同数のスロット（ティース）を有するステータと、モータあるいは発電機のコギング数と同数の突極を放射状に有するロータとで構成することもできる。これらのコギングトルク相殺機に用いるステータは、隣接するティースが互いに逆極性の電磁石となるように直流励磁すればよい。この励磁電流は、コギングトルクを消す必要がある時、例えば低速回転時に供給し、高速時などのコギングトルクが問題にならない時には供給を遮断すれば、電力の消耗を少なくできる。
【００１０】
コギングトルク相殺機は機械的に構成したものであってもよい。例えばロータの回転に伴いコギングトルクと逆相のトルク（ディテントトルク）を発生させるものであり、ロータに固定したラチェットホイールにボールを弾接させるように構成することができる。
【００１１】
コギングトルク相殺機は、モータのロータに直接結合する構造であってもよいが、モータの回転出力を減速あるいは加速した後でモータ出力に相殺用のコギングトルクを付加するものであってもよい。
【００１２】
【参考例】
図１は本発明の原理を説明する図、図２は一参考例の断面図、図３はそのＡ−Ａ線断面図（Ａ）およびＢ−Ｂ線断面図（Ｂ）である。なお図２、３ではモータケース１６を省いている。
【００１３】
図２、３に示す参考例は、１８個のスロットと１２個のロータ磁極（１８Ｓ−１２Ｐ）を有するブラシレス直流モータであり、図１はこのモータのコギングトルクの変化を示すものである。図２において符号１０はブラシレス直流モータであり、磁極数（ポール数Ｐ）およびスロット数（Ｓ）がそれぞれ等しくかつ特性がほぼ等しい２つの永久磁石式ブラシレス直流モータ１０Ａ、１０Ｂを直結したものである。
【００１４】
ここにモータ１０Ａと１０ＢのそれぞれのコギングトルクＴｃｏｇ（Ａ）、Ｔｃｏｇ（Ｂ）は、図１に示すように電気角で１８０°変位するように結合されている。この参考例はスロット数（Ｓ）１８−ポール数（Ｐ）１２の最小公倍数が３６であるから、ロータ１２の１回転の間に３６回のコギングが発生する。従ってロータ１２の機械角１０°が電気角３６０°に相当するから、モータ１０Ａとモータ１０ＢのコギングトルクＴｃｏｇ（Ａ）、Ｔｃｏｇ（Ｂ）は機械角で５°の位相差を持つように両モータ１０Ａ、１０Ｂは結合される。
【００１５】
この参考例では、モータ１０Ａと１０Ｂのステータ１４Ａ、１４Ｂは同相であり、モータ１０Ａと１０Ｂのロータ１２Ａ、１２Ｂが５°の位相差を持つ。この結果各モータ１０Ａ、１０Ｂが発生するコギングトルクＴｃｏｇ（Ａ）、Ｔｃｏｇ（Ｂ）は図１に示すように相殺される。すなわちこの参考例では、モータ１０Ｂがモータ１０Ａのコギングトルク相殺機となると共に、モータ１０の出力トルクを増大する。すなわち約２倍にする。
【００１６】
なお図２において１６はモータケースであり、ステータ１４Ａ、１４Ｂはこのモータケース１６の内壁に固定される。ステータ１４Ａ、１４Ｂの１８個のティース１８Ａ、１８Ｂにはステータコイル２０Ａ、２０Ｂが巻付けられている。ロータ１２は各ステータ１４Ａ、１４Ｂの内側に対向する１２個の永久磁石式２２Ａ、２２Ｂからなる磁極を持つ。永久磁石２２Ａ、２２Ｂはそれらの外周側が周方向に交互に異なる磁極性となるように配列される。
【００１７】
２４はモータ１０Ａの永久磁石２２Ａの一端に埋設されたセンサ磁石、２６はモータケース１６側に固定されセンサ磁石２４を検出するセンサである。２８Ａ、２８Ｂは、センサ２６に出力に基づいてコイル２０Ａ、２０Ｂの励磁電流を制御するためのセンサ回路である。
【００１８】
【実施態様】
図４は本発明の一実施態様を示す断面図、図５はそのＡ−Ａ線断面図（Ａ）とＢ−Ｂ線断面図（Ｂ）である。この実施態様はブラシレス直流モータ１０Ｃにコギングトルク相殺機３０を結合したものである。
【００１９】
ここに用いるモータ１０Ｃは前記図２、３に示したモータ１０Ａと同じ構造であるから、同一部分に同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２０】
ここで用いるコギング相殺機３０は、モータ１０ＣのコギングトルクＴｃｏｇ（Ａ）（図１参照）を相殺するトルクであるＴｃｏｇ（Ｂ）と同等のコギングトルクを発生するものである。コギングトルク相殺機３０は、モータ１０Ａと同数のティース３２すなわちスロットを有するステータ３４と、モータ１０Ｃのコギング数（３６）と同数の突極３６を放射状に配列したロータ１２Ｃとを有する。
【００２１】
なおこの実施態様では、突極３６を狭い間隙で多数形成するのに代え、コギング数の半数（３６／２＝１８個）の突極３６を有する２枚のロータ半体３８を位相をづらして固定したものとした。なおステータ３４のティース３２には、図５（Ｂ）に示すように、隣接するティース３２が逆極性の電磁石となるようにステータコイル４０が直列に巻かれている。
【００２２】
従ってコイル４０に流す電流を切ればコギングトルク相殺機３０を不作働にさせることができる。逆にコイル４０に直流電流を流せばモータ１０Ｃのコギングトルクを相殺することにより、コギングトルクを消すことができる。この場合コイル４０に流す直流電流の大きさを適切に調節してコギングトルクの消去を確実にする。
【００２３】
【他の実施態様】
図６は他の実施態様を示す断面図、図７はそのＡ−Ａ線断面図（Ａ）とＢ−Ｂ線断面図である。この実施態様はブラシレス直流モータ１０Ｄにコギングトルク相殺機５０を結合したものである。
【００２４】
ここに用いるモータ１０Ｄは前記図２、３に示したモータ１０Ａと同じ構造であるから、同一部分に同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２５】
ここに用いるコギングトルク相殺機５０は、前記図１に示したコギングトルクＴｃｏｇ（Ｂ）と同等のコギングトルクを発生するものである。コギングトルク相殺機５０はモータ１０Ａのティース１８Ａの数（１８個）に比べて２倍（３６個）のティース５２を有するステータ５４と、このティース５２と同数（３６個）の突極５６を有するロータ１２Ｄとを有する。
【００２６】
ステータ５４のティース５２には、図７（Ｂ）に示すように、隣接するティース５２が逆極性の電磁石となるようにステータコイル５８が直列に巻かれている。
【００２７】
従ってコイル５８に流す直流電流を切ればコギングトルク相殺機５０を不作働にすることができる。逆にコイル５８に直流電流を流せばモータ１０Ｄのコギングトルクを相殺して消すことができる。この場合コイル５８に流す電流の大きさを調節することにより、コギングトルクの相殺を確実にする。
【００２８】
【他の実施態様】
図８は他の実施態様となるコギングトルク相殺機７０を示す正面図、図９は同じくそのIX−IX線断面図である。このコギングトルク相殺機７０は前記モータ１０Ａと組合せて用いられるものであり、コギングトルクＴｃｏｇ（Ｂ）と同様なコギングトルクを機械的に発生する。
【００２９】
図８、９において７２はモータ１０Ａのロータ１２Ａに固定されたラチェットホイールであり、その外周には、モータ１０Ａのロータ１２Ａが１回転する間に発生するコギング数（３６回）と同数（３６個）の凹部が形成されている。各凹部にはディテントボール７４がそれぞれ係脱する。すなわちラチェットホイール７２の外周は、モータケース１６（図２参照）側に固定された環状の保持器７６で囲まれ、３６個のディテントボール７４はこの保持器３６によって少くともその周方向移動が規制されている。
【００３０】
保持器７６の外側は環状の外輪７８で囲まれ、この外輪７８と保持器７６との間には、ディテントボール７２を内側へ弾性的に押圧するスプリング８０が装着されている。前記保持器７６はこの外輪７８に保持されてその回転が規制される。なおラチェットホイール７２は、図９で上下方向（ロータ１２Ａの軸方向）へ例えば電磁ソレノイド機構により移動可能である。
【００３１】
この実施態様によれば、ラチェットホイール７２をディテントボール７４に係合させた状態でモータ１０Ａを駆動すれば、ラチェットホイール７２の凹部がディテントボール７４を乗り越える度に回転抵抗が増減する。この回転抵抗はロータ１２Ａの１回転につき３６回増減するから、このコギングトルク相殺機７０のロータ１２Ａに対する結合角度を適切に設定することにより、モータ１０ＡのコギングトルクＴｃｏｇ（Ａ）を打消すことができる。
【００３２】
またモータ１０Ａの回転速度が上昇してコギングトルクＴｃｏｇ（Ａ）が問題にならない状態では、ラチェットホイール７２を移動させ、相殺用のコギングトルクＴｃｏｇ（Ｂ）を発生しなくする。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１または請求項５の発明によれば、コギングトルク相殺機のステータの隣接するティースに逆極性となるようにステータコイルを巻き、このステータコイルの直流励磁電流の断続によってコギングトルク相殺機を不作動または作動に切り換えることができる。従って直流励磁電流の供給によってコギングトルクを消すと共にモータあるいは発電機の出力を増大させることができる。
【００３４】
また高速時などコギングトルクが問題にならない時には、コギングトルク相殺機のステータコイル励磁電流を遮断することにより電力の消耗を少なくすることができる。
【００３５】
コギングトルク相殺機は種々の構造のものが可能であり、例えばモータと同数のスロットを有するステータと、モータの１回転あたりのコギング数と同数の突極を有するロータとを有するもので構成することができる（請求項２）。この場合ロータは、コギング数の半数の突極を有する２枚のロータ半体を、互いに位相をずらせて重ねたものとすることができる（請求項３）。
【００３６】
コギングトルク相殺機は、モータの１回転あたりのコギング数と同数のスロットを有するステータと、このコギング数と同数の突極を有するロータとで構成することができる（請求項４）。
【００３７】
コギングトルク相殺機は、機械的に周期的に変化するトルクを発生するものであってもよい（請求項６）。例えばディテントボールに係脱する凹部を外周に設けたラチェットホイールをモータのロータに結合し、ラチェットホイールの凹部がディテントボールに係脱する際の抵抗により、相殺用のコギングトルクを発生するものが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図
【図２】一参考例の断面図
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図（Ａ）およびＢ−Ｂ線断面図（Ｂ）
【図４】本発明の一実施態様の断面図
【図５】図４におけるＡ−Ａ線断面図（Ａ）およびＢ−Ｂ線断面図（Ｂ）
【図６】他の実施態様の断面図
【図７】図６におけるＡ−Ａ線断面図（Ａ）およびＢ−Ｂ線断面図（Ｂ）
【図８】他の実施態様の正面図
【図９】図８におけるIX−IX線断面図
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄモータ
１２、１２Ｃ、１２Ｄロータ
１４Ａ、１４Ｂ、３４、５４ステータ
１８Ａ、１８Ｂ、３２、５２ティース
２０Ａ、２０Ｂ、４０、５８ステータコイル
２２Ａ、２２Ｂ永久磁石
３０、５０、７０コギングトルク相殺機
３６、５６突極
３８ロータ半体

Claims

永久磁石式ロータを有するモータと、
前記ロータに結合され前記ロータのコギングトルクとほぼ同一周期かつほぼ同一大きさのコギングトルクを発生するコギングトルク相殺機とを備える回転電機において、前記コギングトルク相殺機は、隣接するティースが逆極性となるようにステータコイルが直列に巻かれているステータと、モータの１回転あたりのコギング数と同数の突極を持つロータとを有し、前記ステータコイルの直流励磁電流の遮断によって前記コギングトルク相殺機を不作動にすると共に、前記直流励磁電流の供給によって前記モータのコギングトルクを前記コギングトルク相殺機のコギングトルクで相殺するようにしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
コギングトルク相殺機は、モータと同数のスロットを有するステータと、モータの１回転あたりのコギング数と同数の突極を放射状に配列したロータとを有する請求項１の永久磁石式回転電機。
コギングトルク相殺機のロータは、モータの１回転あたりのコギング数の半数の突極を放射状に配列した２つのロータ半体を互いに位相をづらして固定したものである請求項２の永久磁石式回転電機。
コギングトルク相殺機は、モータの１回転あたりのコギング数と同数のスロットを有するステータと、モータのコギング数と同数の突極を放射状に配列したロータとを有する請求項１の永久磁石式回転電機。
永久磁石式ロータを有する発電機と、
前記ロータに結合され前記ロータのコギングトルクとほぼ同一周期かつほぼ同一大きさのコギングトルクを発生するコギングトルク相殺機とを備える回転電機において、前記コギングトルク相殺機は、隣接するティースが逆極性となるようにステータコイルが直列に巻かれているステータと、発電機の１回転あたりのコギング数と同数の突極を持つロータとを有し、前記ステータコイルの直流励磁電流の遮断によって前記コギングトルク相殺機を不作動にすると共に、前記直流励磁電流の供給によって前記発電機のコギングトルクを前記コギングトルク相殺機のコギングトルクで相殺するようにしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
永久磁石式ロータに結合され前記ロータのコギングトルクとほぼ同一周期かつほぼ同一大きさのコギングトルクを発生するコギングトルク相殺機を備える回転電機において、コギングトルク相殺機は、ロータに結合され外周にモータのコギング数と同数の凹部を有するラチェットホイールと、このラチェットホイールの外周に弾接して前記凹部に係脱するディテントボールと、ステータ側に固定された前記ディテントボールの保持器と、前記ディテントボールを前記ラチェットホイール側へ押圧するスプリングと、を備える永久磁石式回転電機。