JP2003125566A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

永久磁石式回転電機

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 磁極数およびスロット数が等しくかつ特
性がほぼ等しい２つの永久磁石式回転電機（１０Ａ、１
０Ｂ）のロータ（１２）を、コギングトルクが互いに相
殺されるように結合した。ロータ（１２Ｃ、１２Ｄ）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（３０、
５０、７０）をロータ（１２Ｃ、１２Ｄ）に結合し、ロ
ータ（１２Ｃ、１２Ｄ）のコギングトルクをコギング相
殺機（３０、５０、７０）のコギングトルクで相殺して
もよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【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
式ロータを有する回転電機において、磁極数およびスロ
ット数が等しくかつ特性がほぼ等しい２つの永久磁石式
回転電機のロータを、コギングトルクが互いに相殺され
るように結合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】同一の目的は、永久磁石式ロータを有する
回転電機において、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前記ロータに結合し、前記ロ
ータのコギングトルクを前記コギング相殺機のコギング
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、によっても達成される。
【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】
【実施態様】図１は本発明の原理を説明する図、図２は
一実施態様の断面図、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に示す実施態様は、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１
０Ａ、１０Ｂを直接したものである。
【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。この実施態様はスロット数（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】この実施態様では、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。すなわちこの実施態様では、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、２
０Ｂが巻付けられている。ロータ１２は各ステータ１４
Ａ、１４Ｂの内側に対向する１２個の永久磁石式２２
Ａ、２２Ｂからなる磁極を持つ。永久磁石２２Ａ、２２
Ｂ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。２
８Ａ、２８Ｂは、センサ２６に出力に基づいてコイル２
０Ａ、２０Ｂの励磁電流を制御するためのセンサ回路で
ある。
【００１８】
【他の実施態様】図４は他の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３
４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７
４がそれぞれ係脱する。すなわちラチェットホイール７
２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３
６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の発明によれば、ほぼ等しい２
つのモータをそれぞれコギングトルクが互いに相殺され
るように位相差を持って結合したものであるから、コギ
ングトルクを消すと共にモータ出力を増大させることが
できる。
【００３４】請求項２の発明によれば、モータにコギン
グトルク相殺機を結合することにより、モータのコギン
グトルクを消し、ロータの回転を滑らかにすることがで
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３）。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４）。
【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５）。ステータのティース
には、隣接するティースが逆極性の電磁石となるように
コイルを直列に接続することができる（請求項６）。
【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７）。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】一実施態様の断面図
【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】他の実施態様の断面図
【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、５６ 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 (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 永久磁石式ロータを有する回転電機にお
    いて、 磁極数およびスロット数が等しくかつ特性がほぼ等しい
    ２つの永久磁石式回転電機のロータを、コギングトルク
    が互いに相殺されるように結合したことを特徴とする永
    久磁石式回転電機。
  2. 【請求項２】 永久磁石式ロータを有する回転電機にお
    いて、 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
    殺機を前記ロータに結合し、前記ロータのコギングトル
    クを前記コギング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。
  3. 【請求項３】 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２の永久磁石式回転電機。
  4. 【請求項４】 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３の永久磁石式回転電機。
  5. 【請求項５】 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２の永久磁石式回転電機。
  6. 【請求項６】 コギングトルク相殺機のステータには、
    隣接するティースが逆極性の磁極となるようにステータ
    コイルが直列に巻かれている請求項２〜５のいずれかの
    永久磁石式回転電機。
  7. 【請求項７】 コギングトルク相殺機は、モータのロー
    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、モータの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、を備える請求項
    ２の永久磁石式回転電機。
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