JP6503540B2

JP6503540B2 - Ｉｐｍモータ及びそのコギングトルクの抑制方法

Info

Publication number: JP6503540B2
Application number: JP2014176869A
Authority: JP
Inventors: 小久江　幸二; 幸二小久江; 西田　茂; 茂西田
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: JP2016052196A

Description

本発明は、ＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法に関し、特に、ロータに対してロータとは異なる磁気抵抗を有する磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通穴）を用いることによりコギングトルクを抑制するための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種のＩＰＭモータの例を挙げる前に、一般に用いられているＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)モータの場合、マグネットの外側の形状を適切に設計することにより、コギングトルクの低減を実現している。
これに対し、ＩＰＭ(Inter Permanent Magnet)モータは、特許文献１及び２に示されるように、
（Ａ）ロータの限られた体積の中に適切に磁石を配置することにより、より多くのマグネット磁束をステータに流すことが可能である。
（Ｂ）磁石の飛散防止対策を考慮する必要がないためギャップを狭く設計することができる。
（Ｃ）弱め磁界制御を用いることにより高回転域において大きなトルクを得ることができる。
（Ｄ）弱め磁界制御により幅広いダイナミック特性が得られる。
（Ｅ）磁石が電気子電流の磁束変化に直接さらされないため磁石の渦電流損が少ない。
等の利点によって幅広い分野に多用され始めている。

特開２０１０−１５４５９０号公報特開２０１２−２２８１７４号公報

従来のＩＰＭモータは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述のＩＰＭモータは、図８から図１０で示されるように、回転軸１に設けられたロータ２の外周は、所定の半径の外形を有する真円であるため同一直径で形成された円周面となり、図９及び図１０で示されるように、ロータ２のマグネット４と輪状ステータ５の各突出磁極６（ステータ巻線６Ａを有する）とが対応する位置では、全てギャップが一定であると共にギャップが極めて小さいため、多くの磁力線が形成されると共に磁束密度が高くなるため、いわゆる、ロータ２の回転時に大きいコギングトルクの発生となっていた。

そのため、利点として、大トルク型のモータを得ることはできるが、マグネットの形状によって突出磁極６とロータ２間のギャップ部（図示のように極めて狭く設定されている）に流れる磁束の波形をコントロールすることは難しく、また、前述のようにギャップを小さくしたことにより、コギングトルクは非常に大となる傾向があった。
すなわち、ＩＰＭモータがＳＰＭモータに比して様々な利点を持つにもかかわらず、位置決め精度が必要なサーボモータとしては殆んど利用されていなかった。その大きい理由は、このコギングトルクがあまりにも大きく、かつ、サーボ制御が困難であると云うデメリットのためである。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、ロータに対してロータとは異なる磁気抵抗を有する磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通穴）を適切に配置することによりコギングトルクを抑制するようにしたＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法を提供することを目的とする。

本発明によるＩＰＭモータは、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線を有する複数の突出磁極を備えた輪状ステータと、前記輪状ステータの内側に回転軸を介して設けられたロータと、前記ロータ内に設けられた複数のマグネットと、前記ロータに形成され前記各マグネットに対応するロータ極部と、を備え、前記ステータ巻線の励磁により前記ロータを回転させるようにし、前記ロータの前記マグネットが設けられていない前記各ロータ極部には、前記ロータとは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる第１、第２部分が形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分を有しない前記ロータよりもコギングトルクの発生が抑制されている構成としたＩＰＳモータにおいて、前記磁気抵抗の異なる第１部分は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータのロータ外周面の近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第２部分は、長方形よりなると共に、その外周壁は直線ではなくロータ外周面に沿って弧状に形成されていると共に前記各第１部分間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分は、前記ロータのロータ外周面の内側に位置している構成であり、また、本発明によるＩＰＭモータのコギングトルクの抑制方法は、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線を有する複数の突出磁極を備えた輪状ステータと、前記輪状ステータの内側に回転軸を介して設けられたロータと、前記ロータ内に設けられた複数のマグネットと、前記ロータに形成され前記各マグネットに対応するロータ極部と、を備え、前記ステータ巻線の励磁により前記ロータを回転させるようにし、前記ロータの前記マグネットが設けられていない前記各ロータ極部には、前記ロータとは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる第１、第２部分が形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分を有しない前記ロータよりもコギングトルクの発生が抑制されているＩＰＭモータのコギングトルクの抑制方法において、前記磁気抵抗の異なる第１部分は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータのロータ外周面の近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第２部分は、長方形よりなると共に、その外周壁は直線ではなくロータ外周面に沿って弧状に形成されていると共に前記各第１部分間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分は、前記ロータのロータ外周面の内側に位置している方法である。

本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線を有する複数の突出磁極を備えた輪状ステータと、前記輪状ステータの内側に回転軸を介して設けられたロータと、前記ロータ内に設けられた複数のマグネットと、を備え、前記ステータ巻線の励磁により前記ロータを回転させるようにしたＩＰＭモータにおいて、前記ロータの前記マグネットが設けられていない領域には、前記ロータとは磁気抵抗の異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通穴）が形成されていることにより、前記ロータよりもコギングトルクの発生が抑制されている構成としたことにより、図１１で示されように、コギングトルクが抑制され、サーボモータとして利用できることにより、ＩＰＭモータの大トルクを用いて、従来用いられなかった分野の製品にもＩＰＭモータの展開が可能となる。また、より一層、コギングトルクの細かい抑制の制御が可能となる。また、前記磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通穴）は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかよりなることにより、個々のＩＰＭモータのコギングトルクの細かい調整が可能となる。
また、前記磁気抵抗の異なる部分が長方形よりなり、その外周壁は直線ではなくロータ外周面に沿って弧状に形成されていることにより、長方形としての容積を極力大型化できる。

本発明によるＩＰＭモータを有限要素法で解析して示す平面図である。図１のＩＰＭモータの磁束線図である。図１のＩＰＭモータの磁束密度を示す説明図である。図１の他の形態の要部を有限要素法で解析して示す拡大平面図である。図４の要部を示す拡大図である。図４のＩＰＭモータの磁束線図である。図４のＩＰＭモータの磁束密度を示す説明図である。従来のＩＰＭモータを有限要素法で解析して示す平面図である。図８のＩＰＭモータの磁束線図である。図８のＩＰＭモータの磁束密度を示す説明図である。従来と本発明のＩＰＭモータのコギングトルクの特性図である。

本発明は、ロータに、磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通穴）を用いることによりコギングトルクを抑制することである。

以下、図面と共に本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図１において、符号５で示されるものは、所定角度間隔で内方へ向けて突出しステータ巻線６Ａを有する突出磁極６を複数個有する輪状ステータであり、この輪状ステータ５の内側には、回転軸１に設けられたロータ２が回転自在に設けられている。

前記ロータ２内の回転軸１側には複数のマグネット４が埋設される状態で内設されており、前記ロータ２の外径からなる外周面２Ａと前記輪状ステータ５の内径からなる内周面５Ａとの間には、わずかな隙間からなり、前記ロータ２が回転できる程度で、かつ、全周にわたり同一のギャップ１０Ａが形成されている。

前記ロータ２の各ロータ極部２Ｂの外周縁２Ｄの前記マグネット４が形成されていない領域には、前記ロータ２とは磁気抵抗が異なる状態からなる磁気抵抗の異なる第１部分（例えば、一対の円形の貫通穴）２０が形成されており、この磁気抵抗の異なる第１部分２０は、円形の丸穴であるが、例えば、図示しない多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかとすることもできる。また、この貫通穴２０には空気穴だけとする構成の他に、溝や凹部、さらには、前記ロータ２とは磁気抵抗の異なる物質を埋め込んでもよい。尚、図１及び図４のように、前記ロータ極部２Ｂは、前記マグネット４に対応している。さらに、前記第２部分２０Ａは、図５のように、各第１部分２０，２０間に位置している。

前記第１部分である前記貫通穴２０（空気穴）を用いることで、この部分の磁気抵抗が大となり、図１１で示される磁束線と磁束密度の特性が改良され、結果的に、コギングトルクの大きさが図１１で示されるように改良されることになる。従って、ギャップ磁束密度波形のうち、ギャップ磁束密度をコントロールし、ひとつの磁石がステータと引き合う力の波形のうち、磁石極数とステータスロット数の最小公倍数の整数倍の成分を減らすことが出来れば、そのモータの形状による論理的なコギングは低下する。そのため、前記磁気抵抗の異なる第１部分２０のロータ２における形成位置を選択することにより、コギングトルクの発生状態を任意にコントロールすることができる。

図４は、前述の図１の他の形態を示す要部の拡大図であり、前記ロータ２のロータ極部２Ｂにおける前記各磁気抵抗の異なる第１部分（例えば、貫通穴）２０の間に図１とは形状の異なる長方形に近い形状の磁気抵抗の異なる第２部分２０Ａを形成すると、さらに有効な構成となる。

前記磁気抵抗の異なる第２部分２０Ａの前記ロータ外周面２ａに近い位置の外周壁２０Ａａは直線ではなく、前記ロータ外周面２ａに沿って平行な状態となるように弧状に形成されて空隙としての面積を大とし、直線とした場合よりもさらに大きい容積が確保できるように構成されている。尚、前記第１、第２部分２０，２０Ａは、前記外周面２ａの内側でかつ、外周面２ａの近くに形成されている。

次に、前述の本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法の要旨とするところは、次の通りである。
すなわち、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線６Ａを有する複数の突出磁極６を備えた輪状ステータ５と、前記輪状ステータ５の内側に回転軸１を介して設けられたロータ２と、前記ロータ２内に設けられた複数のマグネット４と、前記ロータ２に形成され前記各マグネット４に対応するロータ極部２Ｂと、を備え、前記ステータ巻線６Ａの励磁により前記ロータ２を回転させるようにし、前記ロータ２の前記マグネット４が設けられていない前記各ロータ極部２Ｂには、前記ロータ２とは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる第１、第２部分２０，２０Ａが形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分２０，２０Ａを有しない前記ロータ２よりもコギングトルクの発生が抑制されている構成としたＩＰＭモータにおいて、前記磁気抵抗の異なる第１部分２０は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータ２のロータ外周面２ａの近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第２部分２０Ａは、長方形よりなると共に、その外周壁２０Ａａは直線ではなくロータ外周面２ａに沿って弧状に形成されていると共に前記各第１部分２０，２０間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分２０，２０Ａは、前記ロータ２のロータ外周面２ａの内側に位置している構成であり、また、本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線６Ａを有する複数の突出磁極６を備えた輪状ステータ５と、前記輪状ステータ５の内側に回転軸１を介して設けられたロータ２と、前記ロータ２内に設けられた複数のマグネット４と、を備え、前記ステータ巻線６Ａの励磁により前記ロータ２を回転させるようにし、前記ロータ２の前記マグネット４が設けられていない前記各ロータ極部２Ｂには、前記ロータ２とは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる第１、第２部分２０，２０Ａが形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分２０，２０Ａを有しない前記ロータ２よりもコギングトルクの発生が抑制されているＩＰＭモータのコギングトルクの抑制方法において、前記磁気抵抗の異なる第１部分２０は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータ２のロータ外周面２ａの近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第２部分２０Ａは、長方形よりなると共に、その外周壁２０Ａａは直線ではなくロータ外周面２ａに沿って弧状に形成されていると共に前記各第１部分２０，２０間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分２０，２０Ａは、前記ロータ２のロータ外周面２ａの内側に位置している方法である。

本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、ロータのロータ極部ロータの磁気抵抗とは異なる部分である磁気抵抗の異なる部分を形成することにより、円周方向におけるギャップ磁束密度の変化を細かくコントロールし、コギングトルクを抑制して低減化し、ＩＰＭモータのサーボ制御化を実現できる。

１回転軸
２ロータ
２ａロータ外周面
２Ａ外周面
２Ｂロータ極部
２Ｄ外周縁
４マグネット
５輪状ステータ
５Ａ内周面
５Ｅ内壁面
６突出磁極
６Ａステータ巻線
６Ｂ直線面部分
６Ｃ円弧部
６Ｂａ曲線面部分
１０ギャップ部
１０Ａギャップ
２０，２０Ａ磁気抵抗の異なる第１、第２部分（貫通穴）

Claims

所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線(6A)を有する複数の突出磁極(6)を備えた輪状ステータ(5)と、前記輪状ステータ(5)の内側に回転軸(1)を介して設けられたロータ(2)と、前記ロータ(2)内に設けられた複数のマグネット(4)と、前記ロータ(2)に形成され前記各マグネット(4)に対応するロータ極部(2B)と、を備え、前記ステータ巻線(6A)の励磁により前記ロータ(2)を回転させるようにし、前記ロータ(2)の前記マグネット(4)が設けられていない前記各ロータ極部(2B)における、前記各マグネット(4)と、ロータ外周面(2a)との間以外の領域に、前記ロータ(2)とは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる第１、第２部分(20,20A)が形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分(20,20A)を有しない前記ロータ(2)よりもコギングトルクの発生が抑制されている構成としたＩＰＳモータにおいて、前記磁気抵抗の異なる第１部分(20)は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータ(2)のロータ外周面(2a)の近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第２部分(20A)は、長方形よりなると共に、その外周壁(20Aa)は直線ではなくロータ外周面(2a)に沿って弧状に形成されていると共に前記各第１部分(20,20)間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分(20,20A)は、前記ロータ(2)のロータ外周面(2a)の内側に位置しているＩＰＭモータ。
所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線(6A)を有する複数の突出磁極(6)を備えた輪状ステータ(5)と、前記輪状ステータ(5)の内側に回転軸(1)を介して設けられたロータ(2)と、前記ロータ(2)内に設けられた複数のマグネット(4)と、前記ロータ(2)に形成され前記各マグネット(4)に対応するロータ極部(2B)と、を備え、前記ステータ巻線(6A)の励磁により前記ロータ(2)を回転させるようにし、前記ロータ(2)の前記マグネット(4)が設けられていない前記各ロータ極部(2B)における、前記各マグネット(4)と、ロータ外周面(2a)との間以外の領域に、前記ロータ(2)とは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の第１、第２部分(20,20A)が形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分(20,20A)を有しない前記ロータ(2)よりもコギングトルクの発生が抑制されているＩＰＭモータのコギングトルクの抑制方法において、前記磁気抵抗の異なる第１部分(20)は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータ(2)のロータ外周面(2a)の近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第２部分(20A)は、長方形よりなると共に、その外周壁(20Aa)は直線ではなくロータ外周面(2a)に沿って弧状に形成されていると共に前記各第１部分(20,20)間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第１、第２部分(20,20A)は、前記ロータ(2)のロータ外周面(2a)の内側に位置していることを特徴とするＩＰＭモータのコギングトルクの抑制方法。