JP2002300765A - 永久磁石モータ - Google Patents
永久磁石モータInfo
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- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000011295 pitch Substances 0.000 claims 7
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- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
- H02K37/10—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type
- H02K37/12—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets
- H02K37/14—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
- H02K1/14—Stator cores with salient poles
- H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来の永久磁石モータは、磁束量向上とコギ
ングトルクの低減において満足できるものは無かった。 【解決手段】 本発明の永久磁石モータにおいては、ス
テータ小歯のピッチをロータ磁極ピッチの１±１／（２
mｓ）（ここでmは相数、ｓはステータ極の小歯数）倍と
する。また、ステータ小歯の幅を磁極対ピッチの37〜47
％とする。更に、小歯の溝深さを空隙長の15倍以上とす
る。
ングトルクの低減において満足できるものは無かった。 【解決手段】 本発明の永久磁石モータにおいては、ス
テータ小歯のピッチをロータ磁極ピッチの１±１／（２
mｓ）（ここでmは相数、ｓはステータ極の小歯数）倍と
する。また、ステータ小歯の幅を磁極対ピッチの37〜47
％とする。更に、小歯の溝深さを空隙長の15倍以上とす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石モータ、特
に磁束量を向上し、コギングトルクを低減できる永久磁
石リングロータを用いた永久磁石モータに関するもので
ある。
に磁束量を向上し、コギングトルクを低減できる永久磁
石リングロータを用いた永久磁石モータに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】ハイブリッド（HB）形ステータの内部に
永久磁石（PM）リングロータを装着した３相ステッピン
グモータは，特開平6−14514号あるいは特開平7−13196
8号公報などによって既知である。
永久磁石（PM）リングロータを装着した３相ステッピン
グモータは，特開平6−14514号あるいは特開平7−13196
8号公報などによって既知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】然しながら、従来この
ようなモータについて磁束量向上とコギングトルクの低
減のための効果的手段は得られていない。
ようなモータについて磁束量向上とコギングトルクの低
減のための効果的手段は得られていない。
【０００４】本発明の目的は上記要望を達成できる永久
磁石モータを得るにある。
磁石モータを得るにある。
【０００５】本発明者等は上記目的を達成するため現在
生産されているHB形ステータの内部にPMリングロータを
装着したタイプのモータについて２次元磁場解析を行な
った結果、予想外の磁束流が観察され、最適磁極形状に
ついて検討したところ、まだ、かなり改良の余地がある
ことも判明した。
生産されているHB形ステータの内部にPMリングロータを
装着したタイプのモータについて２次元磁場解析を行な
った結果、予想外の磁束流が観察され、最適磁極形状に
ついて検討したところ、まだ、かなり改良の余地がある
ことも判明した。
【０００６】図１は、計算に用いたオリジナル設計の鉄
心構造を示す。この永久磁石式ステッピングモータは、
円筒状のステータヨークと、複数個の小歯３をその先端
に有し、上記ステータヨークの内周面から半径方向内方
に突出する６個の巻線磁極２を持つステータ鉄心１と、
この各巻線磁極に巻回した励磁コイル（図示されない）
と、上記小歯の内周面にエアギャップを介してその外周
面を対向配置せしめた円筒状の永久磁石５と、この永久
磁石５の内周面に密着せしめた磁性材料のバックヨーク
６を持つロータ４とより成る。そして、上記永久磁石５
には円周方向に交互に等ピッチでｐ個のＮ極とｐ個のＳ
極が着磁されている。
心構造を示す。この永久磁石式ステッピングモータは、
円筒状のステータヨークと、複数個の小歯３をその先端
に有し、上記ステータヨークの内周面から半径方向内方
に突出する６個の巻線磁極２を持つステータ鉄心１と、
この各巻線磁極に巻回した励磁コイル（図示されない）
と、上記小歯の内周面にエアギャップを介してその外周
面を対向配置せしめた円筒状の永久磁石５と、この永久
磁石５の内周面に密着せしめた磁性材料のバックヨーク
６を持つロータ４とより成る。そして、上記永久磁石５
には円周方向に交互に等ピッチでｐ個のＮ極とｐ個のＳ
極が着磁されている。
【０００７】また、小歯３の溝の深さは0.4mm、ステー
タ鉄心１とロータ４間空隙長は0.06mmである。
タ鉄心１とロータ４間空隙長は0.06mmである。
【０００８】永久磁石５は32極のラジアル異方性で、材
質はネオジボンド材である。なお、角形コアや局部的な
カットなどの形状は計算結果にあまり影響しないと思わ
れるので、計算効率向上のために省略した。
質はネオジボンド材である。なお、角形コアや局部的な
カットなどの形状は計算結果にあまり影響しないと思わ
れるので、計算効率向上のために省略した。
【０００９】FEM計算用の分割は、周期性を利用して上
半分を対象とし、空隙部分はコギングトルクの精度を確
保するために3層を0.25°間隔で分割し、0.75°おきに
一周期22.5°まで回転して、コイル鎖交磁束及びコギン
グトルクを計算した。
半分を対象とし、空隙部分はコギングトルクの精度を確
保するために3層を0.25°間隔で分割し、0.75°おきに
一周期22.5°まで回転して、コイル鎖交磁束及びコギン
グトルクを計算した。
【００１０】図２Ａ及び図２Ｂに解析結果の磁束流線図
を示す。これを見て次のことがわかる。
を示す。これを見て次のことがわかる。
【００１１】（１）小歯３間の溝部分にもかなり大きい
磁束が流れている。
磁束が流れている。
【００１２】（２）隣接磁極間で閉じる磁束が存在す
る。
る。
【００１３】（３）巻線極鎖交磁束の約75％が中央小
歯、残りの約25％が両側小歯より入っている。
歯、残りの約25％が両側小歯より入っている。
【００１４】（４）中央小歯を通る磁束が溝部を通りな
がら蛇行して、両側小歯を再度通過する。
がら蛇行して、両側小歯を再度通過する。
【００１５】一般に溝部には殆んど磁束が通らず、各小
歯には略均等に有効磁束が流れるものとして磁気回路を
構成していると思われていたが、実際のモータは上記の
ように予期せぬ磁束の流れが発生していることがわかっ
た。なお、この状態の鎖交磁束計算値3.36E−5（Wb）
は、誘起電圧実測値から計算した鎖交磁束値3.18E−5
（Wb）と比較的良く一致しているので、本計算の妥当性
が検証されている。
歯には略均等に有効磁束が流れるものとして磁気回路を
構成していると思われていたが、実際のモータは上記の
ように予期せぬ磁束の流れが発生していることがわかっ
た。なお、この状態の鎖交磁束計算値3.36E−5（Wb）
は、誘起電圧実測値から計算した鎖交磁束値3.18E−5
（Wb）と比較的良く一致しているので、本計算の妥当性
が検証されている。
【００１６】そこで、表１の改造案について検討した。
第１案は、まず小歯間隔は現行の88.9％ショートピッチ
から磁極周期と同じフルピッチに変更し、小歯幅と溝深
さは溝部での磁束漏れを極小化すること、バックヨーク
および肩部厚さは飽和の影響をなくすことをねらったも
のである。
第１案は、まず小歯間隔は現行の88.9％ショートピッチ
から磁極周期と同じフルピッチに変更し、小歯幅と溝深
さは溝部での磁束漏れを極小化すること、バックヨーク
および肩部厚さは飽和の影響をなくすことをねらったも
のである。
【００１７】
【表１】
【００１８】この結果、鎖交磁束は40％も増加したが、
一方でコギングトルクが８倍近くに増加するので、この
案は好ましくないことがわかった。このときのコギング
トルク波形計算値を図３に示す。ここで〇は現流品、
は第１案、は第２案、は第３案である。
一方でコギングトルクが８倍近くに増加するので、この
案は好ましくないことがわかった。このときのコギング
トルク波形計算値を図３に示す。ここで〇は現流品、
は第１案、は第２案、は第３案である。
【００１９】これより、他の３相ハイブリッドステッピ
ングモータと同様に、コギングトルクは６倍調波の振動
を持つことがわかる。これは一般にｍ相モータの場合、
２m倍調波になる。従って、この場合に６倍調波を除去
する案として第６調波平面で各ベクトルが360°／ｓ＝1
20°でバランスする偏差角（120°／2ｍ／ｐ＝1.25°）
を選び、第２、第３案では360°／ｐ（１−１／２ｍ
ｓ）＝21.25°のピッチとした。ここに、ｓ：巻線極あ
たりの小歯数、ｍ：相数＝３、ｐ：極対数＝16である。
この結果、コギングトルクも現流品並で鎖交磁束を30数
％増加できることがわかった。トルクは磁束に比例する
ので、30％以上の出力アップが期待できる。また、小歯
幅は多少広くても良いことがわかった。なお、ここでは
ロータ磁極対ピッチ360°／ｐから偏差角だけ小さいピ
ッチを選んだが、偏差角だけ大きいピッチ360°／ｐ
（１＋１／２ｍｓ）＝23.75°にしても同じ効果が得ら
れる。
ングモータと同様に、コギングトルクは６倍調波の振動
を持つことがわかる。これは一般にｍ相モータの場合、
２m倍調波になる。従って、この場合に６倍調波を除去
する案として第６調波平面で各ベクトルが360°／ｓ＝1
20°でバランスする偏差角（120°／2ｍ／ｐ＝1.25°）
を選び、第２、第３案では360°／ｐ（１−１／２ｍ
ｓ）＝21.25°のピッチとした。ここに、ｓ：巻線極あ
たりの小歯数、ｍ：相数＝３、ｐ：極対数＝16である。
この結果、コギングトルクも現流品並で鎖交磁束を30数
％増加できることがわかった。トルクは磁束に比例する
ので、30％以上の出力アップが期待できる。また、小歯
幅は多少広くても良いことがわかった。なお、ここでは
ロータ磁極対ピッチ360°／ｐから偏差角だけ小さいピ
ッチを選んだが、偏差角だけ大きいピッチ360°／ｐ
（１＋１／２ｍｓ）＝23.75°にしても同じ効果が得ら
れる。
【００２０】以上より、小歯ピッチ21.25°の改善第２
案と第３案の付近に最適値のあることがうかがえるが、
次のような疑問点を検討して最適設計値を決める必要が
ある。
案と第３案の付近に最適値のあることがうかがえるが、
次のような疑問点を検討して最適設計値を決める必要が
ある。
【００２１】（１）小歯の幅はいくらがよいか。
【００２２】（２）溝深さはいくらがよいか。
【００２３】（３）磁石のバックヨークの厚さはいくら
にすべきか。
にすべきか。
【００２４】（４）巻線極の小歯をつなぐ肩部の厚さは
いくらにすべきか。
いくらにすべきか。
【００２５】そこで次に、これらが鎖交磁束に与える影
響を磁場解析で究明することにした。ここでは、表１で
最も良好な第３案の形状を基準にして上記の諸元を変更
して、鎖交磁束を計算した結果を以下に示す。
響を磁場解析で究明することにした。ここでは、表１で
最も良好な第３案の形状を基準にして上記の諸元を変更
して、鎖交磁束を計算した結果を以下に示す。
【００２６】（小歯幅の影響）
【００２７】小歯幅を1.6mmから2.4mmまで変更した場合
の鎖交磁束とコギングトルクの計算値を図４に示す。
の鎖交磁束とコギングトルクの計算値を図４に示す。
【００２８】なお、小歯ピッチは、0.944mm、小歯溝深
さは1.0mm、巻線極肩部厚さは1.5mm、バックヨーク厚さ
は1.75mmである。
さは1.0mm、巻線極肩部厚さは1.5mm、バックヨーク厚さ
は1.75mmである。
【００２９】鎖交磁束は、小歯の幅が2.2mmのとき最大
になっている。これは、磁極ピッチ22.5°に対して0.43
1の比率になる。また、コギングトルクはあまり歯幅の
影響を受けない。
になっている。これは、磁極ピッチ22.5°に対して0.43
1の比率になる。また、コギングトルクはあまり歯幅の
影響を受けない。
【００３０】（小歯溝深さの影響）
【００３１】小歯部分の溝の深さを0.4mmから1.6mmまで
変化させた場合の鎖交磁束の計算値と現流品（表１）に
対する比率を図５に示す。
変化させた場合の鎖交磁束の計算値と現流品（表１）に
対する比率を図５に示す。
【００３２】なお、小歯ピッチは0.944mm、小歯幅は2.2
mm、巻線極肩部厚さは1.5mm、バックヨーク厚さは1.75m
mである。
mm、巻線極肩部厚さは1.5mm、バックヨーク厚さは1.75m
mである。
【００３３】これより、鎖交磁束は溝深さとともに一様
に増加することがわかる。溝深さが大きくなると、その
効果は飽和気味になるので、1.0mmあたりが適当であ
る。1.0mmの場合でも、現流品に対しては35％程度増加
する値になっている。
に増加することがわかる。溝深さが大きくなると、その
効果は飽和気味になるので、1.0mmあたりが適当であ
る。1.0mmの場合でも、現流品に対しては35％程度増加
する値になっている。
【００３４】（巻線極肩部厚さとバックコア厚さの影
響）
響）
【００３５】巻線極の肩部厚さおよびロータ磁石のバッ
クコア厚さの鎖交磁束に対する影響を、夫々図６及び図
７に示す。図の範囲ではこれらの影響はほとんど見られ
ないことがわかる。バックヨーク厚さは、0.75mmでは磁
束がわずかに低下するので、0.9mm以上が必要である。
クコア厚さの鎖交磁束に対する影響を、夫々図６及び図
７に示す。図の範囲ではこれらの影響はほとんど見られ
ないことがわかる。バックヨーク厚さは、0.75mmでは磁
束がわずかに低下するので、0.9mm以上が必要である。
【００３６】以上の結果、最適値として表１の推奨値欄
に示した諸元が適当であるということができる。このと
きの誘起電圧波形を現流品と比較して図８に示す。振幅
が約37％大きくなり、波形も正弦波に近くなっているこ
とがわかる。
に示した諸元が適当であるということができる。このと
きの誘起電圧波形を現流品と比較して図８に示す。振幅
が約37％大きくなり、波形も正弦波に近くなっているこ
とがわかる。
【００３７】また、磁束流線の様子を図９に示す。図２
Ｂの現流品と比較して、各小歯の磁束分配が改善され、
溝部を通って蛇行する磁束が減少している。なお、巻線
極肩部厚さは磁気回路的には0.9mmでよいが、機械的に
薄すぎるようならば、現流品と同程度まで多少厚くする
ことも考えられる。
Ｂの現流品と比較して、各小歯の磁束分配が改善され、
溝部を通って蛇行する磁束が減少している。なお、巻線
極肩部厚さは磁気回路的には0.9mmでよいが、機械的に
薄すぎるようならば、現流品と同程度まで多少厚くする
ことも考えられる。
【００３８】本発明は上記知見をもとになされたもので
ある。
ある。
【００３９】
【課題を解決するための手段】本発明の永久磁石モータ
は、ステータ小歯のピッチがロータ磁極ピッチの１±１
／（２ｍｓ）（ここでｍは相数、ｓはステータ極の小歯
数）倍であることを特徴とする。
は、ステータ小歯のピッチがロータ磁極ピッチの１±１
／（２ｍｓ）（ここでｍは相数、ｓはステータ極の小歯
数）倍であることを特徴とする。
【００４０】上記ステータ小歯の幅が磁極ピッチの37〜
47％であることを特徴とする。
47％であることを特徴とする。
【００４１】また、上記小歯の溝深さがステータとロー
タ間の空隙長の15倍以上であることを特徴する。
タ間の空隙長の15倍以上であることを特徴する。
【００４２】
【発明の実施の形態】以下図面によって本発明の実施例
を説明する。
を説明する。
【００４３】本発明の実施例においては以下の通りとす
る。
る。
【００４４】（１）歯幅は2.2とする。（現流：2.0）
【００４５】（２）歯溝深さは1.0以上とする（現流：
0.4）
0.4）
【００４６】（３）歯ピッチは94.4％とする。（現流：
88.9％）
88.9％）
【００４７】（４）巻線極肩部厚さは0.9程度とする。
（現流：1.1）
（現流：1.1）
【００４８】（５）内部バックコア厚さは1.0とする。
（現流：1.0）
（現流：1.0）
【００４９】また好ましくは、ステータ小歯４のピッチ
をロータ磁極ピッチの１±１／（2ｍｓ）（ここでｍは
相数、ｓはステータ極の小歯数）倍とする。
をロータ磁極ピッチの１±１／（2ｍｓ）（ここでｍは
相数、ｓはステータ極の小歯数）倍とする。
【００５０】また、ステータ小歯の幅を磁極ピッチの37
〜47％とする。
〜47％とする。
【００５１】更に、小歯の溝深さをステータとロータ間
の空隙長の15倍以上とする。
の空隙長の15倍以上とする。
【００５２】
【発明の効果】上記のように本発明によれば磁束量向上
とコギングトルク低減を実現できる。
とコギングトルク低減を実現できる。
【図１】磁場解析用鉄心の構造説明図である。
【図２Ａ】磁束流線図である。
【図２Ｂ】図２Ａの一部の拡大図である。
【図３】コギングトルク波形図である。
【図４】小歯幅と鎖交磁束及びコギングトルクの関係を
示す線図である。
示す線図である。
【図５】小歯の溝深さと鎖交磁束の関係を示す線図であ
る。
る。
【図６】巻線極の肩厚と鎖交磁束の関係を示す線図であ
る。
る。
【図７】磁石バックヨークと鎖交磁束の関係を示す線図
である。
である。
【図８】誘起電圧波形の比較図である。
【図９】磁束流線図である。
１ ステータ鉄心 ２ 巻線極 ３ 小歯 ４ ロータ ５ 永久磁石 ６ バックヨーク
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年５月２４日（２００１．５．２
４）
４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３９】
【課題を解決するための手段】本発明の永久磁石モータ
は、円周方向に交互に等ピッチでＮ極とＳ極が着磁され
た永久磁石ロータと、それに対向して、ｓ個の小歯をそ
の先端に有し、回転子周面に向かって半径方向に突出し
た巻線磁極を有するステータとより成るm相永久磁石モ
ータにおいて、ステータ小歯のピッチがロータ磁極対ピ
ッチの１±１／（２mｓ）倍であることを特徴とする。
また、本発明の永久磁石モータは、円周方向に交互に等
ピッチでＮ極とＳ極が着磁された永久磁石ロータと，そ
れに対向して、ｓ個の小歯をその先端に有し、回転子周
面に向かって半径方向に突出した巻線磁極を有するステ
ータとより成る３相永久磁石モータにおいて、ステータ
小歯のピッチがロータ磁極対ピッチの１±１／６ｓ倍で
あることを特徴とする。
は、円周方向に交互に等ピッチでＮ極とＳ極が着磁され
た永久磁石ロータと、それに対向して、ｓ個の小歯をそ
の先端に有し、回転子周面に向かって半径方向に突出し
た巻線磁極を有するステータとより成るm相永久磁石モ
ータにおいて、ステータ小歯のピッチがロータ磁極対ピ
ッチの１±１／（２mｓ）倍であることを特徴とする。
また、本発明の永久磁石モータは、円周方向に交互に等
ピッチでＮ極とＳ極が着磁された永久磁石ロータと，そ
れに対向して、ｓ個の小歯をその先端に有し、回転子周
面に向かって半径方向に突出した巻線磁極を有するステ
ータとより成る３相永久磁石モータにおいて、ステータ
小歯のピッチがロータ磁極対ピッチの１±１／６ｓ倍で
あることを特徴とする。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊池 範芳 群馬県桐生市相生町３−93番地 日本サー ボ株式会社桐生工場内
Claims (4)
- 【請求項１】 円周方向に交互に等ピッチでＮ極とＳ極
が着磁された永久磁石ロータと、それに対向して、ｓ個
の小歯をその先端に有し、回転子周面に向かって半径方
向に突出した巻線磁極を有するステータとより成るm相
永久磁石モータにおいて、ステータ小歯のピッチがロー
タ磁極対ピッチの１±１／（２mｓ）倍であることを特
徴とする永久磁石モータ。 - 【請求項２】 円周方向に交互に等ピッチでＮ極とＳ極
が着磁された永久磁石ロータと，それに対向して、ｓ個
の小歯をその先端に有し、回転子周面に向かって半径方
向に突出した巻線磁極を有するステータとより成るm相
永久磁石モータにおいて、ステータ小歯のピッチがロー
タ磁極対ピッチの１±１／６ｓ倍であることを特徴とす
る永久磁石モータ。 - 【請求項３】 ステータ小歯の幅が磁極ピッチの37〜47
％であることを特徴とする請求項１または請求項２記載
の永久磁石モータ。 - 【請求項４】 小歯の溝深さがステータとロータ間の空
隙長の15倍以上であることを特徴する請求項１、請求項
２または請求項３記載の永久磁石モータ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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