JP4738759B2 - 永久磁石モータ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石モータに関し、さらに詳しくは、１２個の永久磁石を有する回転子と９つの磁極を有する固定子からなる永久磁石モータに関する。

一般に、永久磁石モータは、効率が高く制御性が良いことから、サーボモータをはじめとする制御用モータに広く用いられている。
図８は、従来の永久磁石モータを示したもので、この永久磁石モータは、回転子ヨーク１１の表面に、ラジアル方向にＣ形の永久磁石１０を貼り付けた回転子１２と、ギャップを介して配置された複数のスロット１５を有する固定子ヨーク１３とティース１４に巻かれたコイル１７からなる固定子とで構成されている。この永久磁石モータの場合、永久磁石１０の極数は６、ティースの数は１８である。

高精度のトルク制御を必要とするＡＣサーボモータ等のトルクは、脈動の小さなものでなければならない。したがって、永久磁石１０が回転したときに固定子のスロットと永久磁石との位置関係から空隙の磁束分布が変化することに起因する回転トルク変動、いわゆるコギングトルク（コイルに電流を流さない状態でのトルク）が発生し、回転ムラや位置決め精度に悪い影響を与える。
このコギングトルクを低減する方法として図９に示すように、永久磁石２０の端部形状が薄くなるように、Ｃ形あるいはＤ形の永久磁石の外径の中心を偏心させた永久磁石を用いる方法がある。
この方法では、回転子磁石における固定子対向部の円弧形状を、回転子回転中心部より偏心したところに中心をとり、回転子半径と異なる径にするという技術を提案している。図９の２１は回転子ヨーク、Ｒ１２は永久磁石２０の曲率半径、Ｒ１３は回転子ヨーク２１の半径、Ｒ１５は回転子の半径を示す。
この方法により、磁束分布の変化が大きな磁極の切り替わり部分である永久磁石端部での磁束分布が滑らかになり、コギングトルクを低減することができる（特許文献１参照）。
特開２０００−３５０３９３号公報

しかしながら、このような従来の永久磁石モータにあっては、上記円弧形状の半径をどのような値にするのが最適なのかを、経験的、あるいは試行錯誤で決めていたため、個体ごとに検討しなければならなかった。
本発明は、上記課題を解決し、１２個の永久磁石を有する回転子と９つの磁極を有する固定子からなる永久磁石に限定した上で、円弧形状の半径をどのような値にすればコギングトルクを最小にできるのかを理論的に検証し、最適値を求めることができる永久磁石モータを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、回転軸に支持されるとともに、周縁部の周方向に一定間隔で配設された１２個の永久磁石を有する回転子と、この回転子の周囲に、該回転子と間隙をおいて配設されるとともに、前記回転子の外周面に対向し、かつ、それぞれ巻線を巻回した９つの磁極を円周方向に一定間隔で有する固定子からなる永久磁石モータであって、前記回転子の半径を前記永久磁石の固定子対向面の曲率半径で割った値を、コギングトルクを低減させる２．５５〜２．７の範囲内の値に設定したことにある。

本発明によれば、コギングトルクを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、永久磁石モータを示す概念図、図２は、回転子の外周面の半径と、永久磁石の固定子対向部曲率半径を示す概念図である。図３は回転子の回転角度に対するコギングトルクの特性を示す特性図である。

図１において、１は、回転軸２に支持された回転子で、この回転子１は周縁部に円周方向に沿って一定間隔で、１２個の永久磁石３が配設されている。これらの永久磁石３は、外周面が円周方向に沿って一定の曲率を有する円弧面３ａに形成されている。４は、回転子１の周囲に、回転子１と間隙５を置いて配設された固定子で、この固定子４は、前記回転子１の外周面に、半径方向に対向する９つの磁極４ａを円周方向に一定間隔で設け、これら磁極４ａには回転子１を回転させるための回転磁界を発生させるそれぞれ図示しない固定子巻線が巻回されている。固定子４の固定子鉄心は、固定子巻線を施すためにスロット構造に構成されている。
上記永久磁石３は、回転子１の回転子鉄心上に固定子４の磁極４ａの先端に半径方向に対向するように装着されている。

図２に示すように、上記回転子１の外周面１ａの半径をＲ１とし、上記固定子４の磁極４ａと対向する上記永久磁石３の円弧面３ａの曲率半径をＲ２とすると、パラメータとして、αを、α＝Ｒ１/Ｒ２と規定する。
αは、回転子１の外周面１ａの半径を、固定子４の磁極４ａと対向する上記永久磁石３の円弧面３ａの曲率半径で割った値であるから、パラメータαの値が大きいほど永久磁石３の中心部がより肉厚になる。

図３は、回転子１の回転角度に対するコギングトルクの特性を示したものである。パラメータは、α（＝Ｒ１/Ｒ２）の値としている。
図３の曲線は、それぞれ、αが２の場合、αが２．６の場合、αが３．６の場合の特性である。グラフの下にあるモータの断面図は、左から順に、回転子１の回転角が０°(基準点)、回転角が１５°、回転角が３０°のそれぞれの状態を図示したものである。
図３からα＝２．６の場合に、コギングトルクが極端に小さくなることがわかる。

図４は、１２個の永久磁石３を有する回転子１と９つの磁極を有する固定子４からなる永久磁石モータの磁気的安定点を示した図である。左がα＝２の場合で、右がα＝３．６の場合である。この図に示されているように、α＝２とα＝３．６では磁気的安定点が異なることが確認できる。このことによって、図３のコギングトルク波形の位相がαの値によって変化する理由も説明できる。α＝２では、図３の基準点が磁気的安定点である。これに対し、α＝３．６では１５°(中央の図)の時が、安定点である。

こので、図３を用いて、コギングトルクのグラフと回転子１の磁気的安定点との関係について簡単に説明する。
磁気的安定点とは、グラフの負の傾き(右下がり)の部分で値がゼロになる点を指す。この点では、回転子１に外力が加わると、それを打ち消すようなトルクが発生する。そのため、回転子１がこの点にあるときは、グラフの山を越えるような外力を加えない限りは常にこの点に静止する。ゆえにこの点を安定点という。
α＝２．６の時には、コギングトルクの値が低減して、周期も半分になっていることがわかる。この傾向は、α＝２．５５〜２．７の間で現れる。

これらの現象を説明するために、磁気回路は線形性が保たれていると仮定し、永久磁石３が１個の場合におけるコギングトルクを考える。
図５は永久磁石３が１個の場合におけるコギングトルク波形を示す。図３と同様に、それぞれα＝２，α＝２．６，α＝３．６の場合である。９スロットの為、コギングトルクの周期は４０°となる。

図６は、図５の波形を周波数分析して、基本波に対する比率（基本波の値を１とした時波の値がその何％にあたるか）を示している。ここで基本波の周期は４０°である。ここには多くの周波数成分が存在している。永久磁石３の数は１２であり、各々３０°の位相差がある為、モータのコギングトルクは３０°位相をずらしたコギングトルク波形を重ね合わせたものになる。

その結果、多くの周波数成分は相殺され、結局４の倍数の高調波成分だけが残ることになる。図７は、４の倍数の周波数成分のみ抽出したものである。α＝２の場合とα＝３．６の場合とを比較すると４次高調波成分の符号が反転している。換言すれば、位相が反転していることになる。これは図３のグラフとも一致する。
α＝２．６の場合は、α＝２の場合とα＝３．６の場合の中間で、４次高調波が低減している。但し、８次高調波については他と比較して増加している。

以上をまとめると、図７のグラフから言えることは、次のとおりである。
（ｉ） α＝２の場合とα＝３．６の場合、コギングトルクは、４次の高調波成分だけが際立って高く、他の次数(８次、１２次)は無視できる。
（ｉｉ）α＝２．６の場合、４次の高調波成分が低いとともに、８次高調波成分は高めである。したがって、α＝２．６では、コギングトルクは、４次高調波と８次高調波の２つの成分から構成される。
（ｉｉｉ）α＝２．６の場合は、８次高調波成分が効いてくるため、コギングトルクの周期が、４次高調波成分のみの（α＝２の場合とα＝３．６の）場合の半分になる（これは、図３の特性とも一致する）。

以上のように、本発明によれば、以下に列挙する効果が得られる。
回転軸に支持されるとともに、周縁部の周方向に一定間隔で配設された１２個の永久磁石を有する回転子と、この回転子の周囲に、該回転子と間隙をおいて配設されるとともに、前記回転子の外周面に対向し、かつ、それぞれ巻線を巻回した９つの磁極を円周方向に一定間隔で有する固定子からなる永久磁石モータであって、前記回転子の半径を前記永久磁石の固定子対向面の曲率半径で割った値を、コギングトルクを低減させる２．５５〜２．７の範囲内の値に設定したことにより、より一層、コギングトルクを低減させることができる。

本発明の一実施の形態による永久磁石モータを示す概念図である。 回転子の外周面の半径と、永久磁石の固定子対向部曲率半径を示す概念図である。 回転子の回転角度に対するコギングトルクの特性を示す特性図である。 １２個の永久磁石を有する回転子と９つの磁極を有する固定子からなる永久磁石モータの磁気的安定点を示した図である。 永久磁石が１個の場合におけるコギングトルク波形を示す波形図である。 図５の波形を周波数分析して、基本波に対する比率（基本波の値を１とした時波の値がその何％にあたるか）を示すグラフである。 ４の倍数の周波数成分のみ抽出したグラフである。 従来技術による永久磁石モータの断面図である。 コギングトルク低減のために永久磁石外径の中心を偏心させた図である。

符号の説明

１ 回転子
２ 回転軸
３ 永久磁石
３ａ 円弧面
４ 固定子
４ａ 磁極
５ 間隙

Claims (1)

1. 回転軸に支持されるとともに、周縁部の周方向に一定間隔で配設された１２個の永久磁石を有する回転子と、この回転子の周囲に、該回転子と間隙をおいて配設されるとともに、前記回転子の外周面に対向し、かつ、それぞれ巻線を巻回した９つの磁極を円周方向に一定間隔で有する固定子からなる永久磁石モータであって、
   前記回転子の半径を前記永久磁石の固定子対向面の曲率半径で割った値を、コギングトルクを低減させる２．５５〜２．７の範囲内の値に設定したことを特徴とする永久磁石モータ。

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