JP2005198381A

JP2005198381A - バーニアモータ

Info

Publication number: JP2005198381A
Application number: JP2004000233A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaro Matsushima; 由太郎松島; Yoshihisa Anazawa; 義久穴澤
Original assignee: Hamamatsu Foundation for Science and Technology Promotion
Current assignee: Hamamatsu Foundation for Science and Technology Promotion
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】
永久磁石に係るコストを抑えつつ、大きなトルクを得ることができるバーニアモータを提供することにある。
【解決手段】
固定子極数と回転子極数とが異なる同期モータであるバーニアモータにおいて、固定子スロット数Ｓ、回転子スロット数Ｒ及び固定子極数Ｐとの関係をＳ＝Ｒ±（Ｐ／２）に形成すると共に、固定子スロット又は回転子スロットの少なくとも一方に永久磁石を備え、固定子突極又は回転子突極の少なくとも一方をエアギャップ中に突出させたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を備えるバーニアモータに関する。

従来より、小型モータのうち、固定子極数と回転子極数とが異なる同期モータであるバーニアモータの低回転での回転力性能の向上のための試みがなされてきた。特許文献１に示すバーニアモータは、その一例である。

特許文献１に示されたバーニアモータは、回転子を軸方向に沿って二つに分けたブロックにて固定子に対向させ、この二つのブロックどおしを回転子スロットピッチの１／２だけ円周方向に相互にずれた位置に軸に固定している。また、固定子及び回転子の少なくとも一方の全スロットに永久磁石を埋め込み、ブロック毎に全磁石を同一方向に着磁するとともに、双方のブロックでは磁石の極性が互に逆になるよう着磁している。そして、埋込んだ永久磁石のうち固定子及び回転子の少なくとも一方の永久磁石をエアギャップ中に突出させた構造となっている。
特開平６−１２１５０４号公報

しかしながら、従来のバーニアモータは、固定子及び回転子の少なくとも一方の永久磁石をエアギャップ中に突出させるために、サイズの大きな磁石を用いる必要があり、永久磁石が高価なことからトルクを大きくできるもののバーニアモータのコストを抑えることができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、永久磁石に係るコストを抑えつつ、大きなトルクを得ることができるバーニアモータを提供することにある。

請求項１記載のバーニアモータは、固定子スロット数Ｓ、回転子スロット数Ｒ及び固定子極数Ｐとの関係をＳ＝Ｒ±（Ｐ／２）に形成すると共に、固定子スロット又は回転子スロットの少なくとも一方に永久磁石を備え、固定子突極又は回転子突極の少なくとも一方をエアギャップ中に突出させたことを特徴とする。

請求項２記載のバーニアモータは、固定子突極を、固定子スロットに備えられた永久磁石よりも突出させたことを特徴とする。

請求項３記載のバーニアモータは、回転子突極を、回転子スロットに備えられた永久磁石よりも突出させたことを特徴とする。

請求項４記載のバーニアモータは、固定子突極又は回転子突極の少なくとも一方をエアギャップ中に突出させたことにより、突極性によるトルクを増大させることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、固定子スロット数Ｓ、回転子スロット数Ｒ及び固定子極数Ｐとの関係をＳ＝Ｒ±（Ｐ／２）として、２極あたりの突極数を少なくし、固定子突極又は回転子突極の少なくとも一方をエアギャップ中に突出させてエアギャップを狭くすることで、大きなトルクを得ることができる。

請求項２の発明によれば、固定子突極を、固定子のスロットに備えられた永久磁石よりも突出させることで、永久磁石を大きくすることなく、永久磁石に係るコストを抑えつつ、大きなトルクを得ることができる。

請求項３の発明によれば、回転子突極を、回転子のスロットに備えられた永久磁石よりも突出させることで、永久磁石を大きくすることなく、永久磁石に係るコストを抑えつつ、大きなトルクを得ることができる。

請求項４の発明によれば、固定子突極又は前記回転子突極の少なくとも一方をエアギャップ中に突出させたことにより、突極性によるトルクを増大させ、モータ全体として大きなトルクを得ることができる。

以下、本発明の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。本発明の形態におけるバーニアモータは、小型モータであり、固定子極数と回転子極数とが異なる同期モータである。

図１は、本発明に係るバーニアモータの第１の実施例の構成を示す構成図、図２は、図１の要部拡大図である。図３は、同バーニアモータの静止トルク特性を示すグラフ、図４は、同バーニアモータの静止トルク特性を説明する説明図である。

図において、本実施例のバーニアモータ１は、固定子２０と回転子１０とを備える同期モータである。固定子２０には、６個の固定子スロット２２が穿設されると共に、６個の固定子突極２１が設けられている。すなわち、固定子スロット数Ｓが６である。固定子スロット２２中には、三相巻線が設けられている（図示せず）。また、回転子１０には、７個の回転子スロット１２が穿設されると共に、７個の回転子突極１１が設けられており、この回転子スロット１２は、永久磁石３０を備えている。すなわち、回転子スロット数Ｒが７である。尚、本実施例では、固定子スロット数Ｓ＝６、回転子スロット数Ｒ＝７で説明するが、他の組み合わせでもよく、２極あたり、固定子スロット数Ｓ＝６で回転子スロット数Ｒ＝５、固定子スロット数Ｓ＝１２で回転子スロット数Ｒ＝１１又は１３、固定子スロット数Ｓ＝１８で回転子スロット数Ｒ＝１７又は１９等の組み合わせであってもよい。すなわち、固定子極数をＰとすると、Ｓ＝Ｒ±（Ｐ／２）の構成である。

また、本実施例のバーニアモータ１では、回転子突極１１と固定子突極２１とのギャップ長（ギャップ長）ｇ１と回転子１０の直径Ｄとの比を、ｇ／Ｄ＝０．００１〜０．０１に定めている。そして、回転子突極１１を、エアギャップ中に突出させている。具体的には、回転子１０の永久磁石３０の永久磁石端面ｆ２に比べ、回転子突極端面ｆ１をｐ１分突出させている。

このバーニアモータ１を実際に回転させて得られる静止トルク特性を示したグラフが図３である。バーニアモータ１の実際の外形は、固定子外形が３１０ｍｍ、固定子内径が１８０ｍｍで、永久磁石３０にサマリウムコバルトＳｍｃｏ２４を用いている。そして、図３では、３種類のバーニアモータの静止トルクを示しており、ｈｖ０５００は、ギャップ長が０．５ｍｍで回転子突極端面ｆ１と永久磁石端面ｆ２との差であるｐ１が０．０ｍｍである。また、ｈｖ０５０２は、ギャップ長が０．５ｍｍで回転子突極端面ｆ１と永久磁石端面ｆ２との差であるｐ１が０．２ｍｍであり、ｈｖ０５０３は、ギャップ長が０．５ｍｍで回転子突極端面ｆ１と永久磁石端面ｆ２との差であるｐ１が０．３ｍｍである。すなわち、ｈｖ０５００は従来の一般的なバーニアモータを示し、ｈｖ０５０２及びｈｖ０５０３は、本実施例に係るバーニアモータを示している。

図３に示すように、一般的なバーニアモータｈｖ０５００に比べ、回転子突極１１が突出したバーニアモータ１（ｈｖ０５０２又はｈｖ０５０３）は、ピーク時にトルクが大きくなっている。これは、回転子突極１１が突出したことによりより大きくなった突極性によるトルク（リラクタンストルク）によるものと考えられる。従来のバーニアモータの考え方によれば、固定子又は回転子のスロットに設けられた永久磁石により生じた磁束密度の２極成分が固定子の三相巻線が発生する基本波回転磁界に同期して回転することからトルクが発生し、固定子電流のみによるリラクタンストルクも生じるがその値は省略できる程度だとされている（非特許文献の石崎，他：「ＰＭ形バーニアモータの理論とトルク特性」，電学論Ｄ，１１３，１０，１１９２（平５−１０）等）。しかしながら、固定子又は回転子の少なくとも一方のスロットに、永久磁石を埋め込んだ構造で、ギャップ長が比較的小さい場合や固定子及び回転子の突極数が少ない場合、リラクタンストルクが大きくなることが見いだされ、その考え方を導入したのが本実施例におけるバーニアモータ１である。

本実施例のバーニアモータ１のトルクについて説明すると、以下の３通りのトルクが考えられ、それらのトルクを合計したものが、バーニアモータ１全体の静止トルクとなる。
（１）回転子Ｒ個の永久磁石及び突極を２Ｒ極の単相巻線に置き換えた場合、この単相巻線と固定子Ｓ個の突極によるギャップバーミアンスの脈動によりギャップ磁束密度の２極成分が大きな成分となり，これと固定子の三相巻線の作る基本波回転磁界が同期して回転することにより発生するトルク。
（２）回転子Ｒ個の永久磁石及び突極を２Ｒ極の単相巻線に置き換えた場合、この単相巻線が作るＲ次磁束密度と固定子（Ｓ±１）次スロット高調波（回転磁界）が同期して回転することにより発生するトルク。
（３）固定子及び回転子突極のギャップバーミアンスの脈動により生じる２×（Ｓ−Ｒ）次の２極成分が固定子の巻線による基本波回転磁界と同期して回転することから発生するトルク。
ここで、（１）及び（２）は磁気トルクであり、（３）は突極性によるトルク（リラクタンストルク）である。

そして、磁気トルク（１）＋（２）及び突極性によるトルク（３）（リラクタンストルク）が合算されたバーニアモータ１の静止トルクを概念的に説明したのが図４である。図４に基づいて説明すると、静止トルクは、Ｔ＝Ｃｓｉｎδ＋Ｄｓｉｎ２δ（数１）で表される。数１の第１項は永久磁石による成分（磁気トルク（１）＋（２））であり、第２項は突極性によるもの（突極性によるトルク（３）（リラクタンストルク））である。図４のグラフにあてはめて考えると、静止トルクのＴがＡ＋Ｂのグラフであり、第１項がＡのグラフであり、第２項がＢのグラフである。第２項（Ｂ）の突極性による成分は、永久磁石による成分に対し、波長が１／２倍である。静止トルクは、永久磁石による成分と突極性による成分との和であることが、図３と図４のグラフを比べることで明らかである。そして、静止トルクのピークの値を左右する成分は、よりトルクの大きい突極性によるものであることから、突極性によるトルク（リラクタンストルク）を大きくするような本実施例のような構造にすることにより、静止トルクを大きくすることが可能となる。

このように、本実施例のバーニアモータ１によれば、固定子スロット数Ｓ、回転子スロット数Ｒ及び固定子極数Ｐとの関係をＳ＝Ｒ±（Ｐ／２）として、２極あたりの突極数を少なくし、回転子突極１１をエアギャップ中に突出させてエアギャップを狭くすることで、大きなトルクを得ることができる。
また、回転子突極１１を、回転子スロット１２に備えられた永久磁石３０よりも突出させることで、永久磁石３０を大きくすることなく、永久磁石３０に係るコストを抑えつつ、突極性によるトルクを大きくさせることにより、全体としてより大きなトルクを得ることができる。

図５は、本発明に係るバーニアモータの第２の実施例を示す説明図である。

図において、本実施例のバーニアモータ２は、固定子２３と回転子１３とを備える同期モータである。固定子２３には、６個の固定子スロット２５が穿設されると共に、６個の固定子突極２４が設けられており、この固定子スロット２５は、永久磁石３１を備えている。すなわち、固定子スロット数Ｓ＝６である。また、固定子スロット２５中には、三相巻線が設けられている（図示せず）。回転子１３には、７個の回転子スロット１５が穿設されると共に、７個の回転子突極１４が設けられている。すなわち、回転子スロット数Ｒが７である。尚、本実施例では、固定子スロット数Ｓ＝６、回転子スロット数Ｒ＝７で説明するが、他の組み合わせでもよく、２極あたり、固定子スロット数Ｓ＝６で回転子スロット数Ｒ＝５、固定子スロット数Ｓ＝１２で回転子スロット数Ｒ＝１１又は１３、固定子スロット数Ｓ＝１８で回転子スロット数Ｒ＝１７又は１９等の組み合わせであってもよい。すなわち、固定子極数をＰとすると、Ｓ＝Ｒ±（Ｐ／２）の構成である。

また、本実施例のバーニアモータ２では、回転子突極１４と固定子突極２４とのギャップ長（ギャップ長）ｇ２と回転子１３の直径Ｄとの比を、ｇ／Ｄ＝０．００１〜０．０１に定めている。そして、従来のバーニアモータに比べ、固定子突極２４を、エアギャップ中に突出させている。具体的には、固定子２３の永久磁石３１の永久磁石端面ｆ４に比べ、固定子突極端面ｆ３をｐ２分突出させている。

本実施例のバーニアモータ２のトルクについて説明すると、以下の３通りのトルクが考えられ、それらのトルクを合計したものが、バーニアモータ２全体の静止トルクとなる。
（１）固定子Ｓ個の永久磁石及び突極を２Ｓ極の単相巻線に置き換えた場合、この単相巻線と回転子突極によるギャップバーミアンスの脈動によりギャップ磁束密度の２極成分が大きな成分となり，これと固定子の三相巻線の作る基本波回転磁界が同期して回転することにより発生するトルク。
（２）固定子及び回転子突極のギャップバーミアンスの脈動により生じる２×（Ｓ−Ｒ）次の２極成分が固定子の巻線による基本波回転磁界と同期して回転することから発生するトルク。
ここで、（１）は磁気トルクであり、（２）は突極性によるトルク（リラクタンストルク）であり、磁気トルク（１）及び突極性によるトルク（２）（リラクタンストルク）が合算されたものがバーニアモータ２の静止トルクである。バーニアモータ２の静止トルクに関しても、実施例１のバーニアモータ１と同様な説明が成り立つ（図４）。

このように、本実施例のバーニアモータ２によれば、固定子スロット数Ｓ、回転子スロット数Ｒ及び固定子極数Ｐとの関係をＳ＝Ｒ±（Ｐ／２）として、２極あたりの突極数を少なくし、固定子突極２４をエアギャップ中に突出させてエアギャップを狭くすることで、大きなトルクを得ることができる。
また、固定子突極２４を、固定子スロット２５に備えられた永久磁石３１よりも突出させることで、永久磁石３１を大きくすることなく、永久磁石３１に係るコストを抑えつつ、突極性によるトルクを大きくさせることにより、全体としてより大きなトルクを得ることができる。

図７は、本発明に係るバーニアモータの第３の実施例を示す説明図である。

図において、本実施例のバーニアモータ３は、固定子２６と回転子１６とを備える同期モータである。固定子２６には、６個の固定子スロット２８が穿設されると共に、６個の固定子突極２７が設けられており、この固定子スロット２８は、永久磁石３３を備えている。すなわち、固定子スロット数Ｓが６である。また、固定子スロット２８中には、三相巻線が設けられている（図示せず）。回転子１６には、７個の回転子スロット１８が穿設されると共に、７個の回転子突極１７が設けられており、この回転子スロット１８は、永久磁石３３を備えている。すなわち、回転子スロット数Ｒが７である。尚、本実施例では、固定子スロット数Ｓ＝６、回転子スロット数Ｒ＝７で説明するが、他の組み合わせでもよく、２極あたり、固定子スロット数Ｓ＝６で回転子スロット数Ｒ＝５、固定子スロット数Ｓ＝１２で回転子スロット数Ｒ＝１１又は１３、固定子スロット数Ｓ＝１８で回転子スロット数Ｒ＝１７又は１９等の組み合わせであってもよい。すなわち、固定子極数をＰとすると、Ｓ＝Ｒ±（Ｐ／２）の構成である。

また、本実施例のバーニアモータ３では、回転子突極１７と固定子突極２７とのギャップ長（ギャップ長）ｇ３と回転子１６の直径Ｄとの比を、ｇ／Ｄ＝０．００１〜０．０１に定めている。そして、従来のバーニアモータに比べ、回転子突極１７及び固定子突極２７を、エアギャップ中に突出させている。具体的には、固定子２６の永久磁石３３の永久磁石端面ｆ８に比べ、固定子突極端面ｆ７をｐ４分突出させおり、また、回転子１６の永久磁石３２の永久磁石端面ｆ６に比べ、回転子突極端面ｆ５をｐ３分突出させている。

本実施例のバーニアモータ３のトルクについて説明すると、以下の４通りのトルクが考えられ、それらのトルクを合計したものが、バーニアモータ３全体の静止トルクとなる。
（１）固定子Ｓ個の永久磁石及び突極を２Ｓ極の単相巻線に置き換えた場合、この単相巻線と回転子突極によるギャップバーミアンスの脈動によりギャップ磁束密度の２極成分が大きな成分となり，これと固定子三相の巻線の作る基本波回転磁界が同期して回転することにより発生するトルク。
（２）回転子Ｒ個の永久磁石及び突極を２Ｒ極の単相巻線に置き換えた場合、この単相巻線と固定子Ｓ個の突極によるギャップバーミアンスの脈動によりギャップ磁束密度の２極成分が大きな成分となり，これと固定子の三相巻線の作る基本波回転磁界が同期して回転することにより発生するトルク。
（３）回転子Ｒ個の永久磁石及び突極を２Ｒ極の単相巻線に置き換えた場合、この単相巻線が作るＲ次磁束密度と固定子（Ｓ±１）次スロット高調波（回転磁界）が同期して回転することにより発生するトルク。
（４）固定子及び回転子突極のギャップバーミアンスの脈動により生じる２×（Ｓ−Ｒ）次の２極成分が固定子の巻線による基本波回転磁界と同期して回転することから発生するトルク。
ここで、（１）、（２）及び（３）は磁気トルクであり、（４）は突極性によるトルク（リラクタンストルク）であり、磁気トルク（１）＋（２）＋（３）及び突極性によるトルク（４）（リラクタンストルク）が合算されたものがバーニアモータ３の静止トルクである。バーニアモータ３の静止トルクに関しても、実施例１のバーニアモータ１と同様な説明が成り立つ（図４）。

このように、本実施例のバーニアモータ３によれば、固定子スロット数Ｓ、回転子スロット数Ｒ及び固定子極数Ｐとの関係をＳ＝Ｒ±（Ｐ／２）として、２極あたりの突極数を少なくし、回転子突極１７及び固定子突極２７をエアギャップ中に突出させてエアギャップを狭くすることで、大きなトルクを得ることができる。
また、固定子突極２７を固定子スロット２８に備えられた永久磁石３３よりも突出させると共に、回転子突極１７を回転子スロット１８に備えられた永久磁石３２よりも突出させることで、永久磁石３２，３３を大きくすることなく、永久磁石３２，３３に係るコストを抑えつつ、突極性によるトルクを大きくさせることにより、全体としてより大きなトルクを得ることができる。

以上のように、本発明のバーニアモータは、固定子の巻線がつくる基本波回転磁界の１／Ｒで回転することから、低速回転で大きなトルクを必要とする用途にも適用することができる。

本発明に係るバーニアモータの第１の実施例の構成を示す構成図である。図１の要部拡大図である。同バーニアモータの静止トルク特性を示すグラフである。同バーニアモータの静止トルク特性を説明する説明図である。本発明に係るバーニアモータの第２の実施例の構成を示す構成図である。図５の要部拡大図である。本発明に係るバーニアモータの第３の実施例の構成を示す構成図である。図７の要部拡大図である。

符号の説明

１，２，３・・・・・・バーニアモータ
１０，１３，１６・・・回転子
１１，１４，１７・・・回転子突極
１２，１５，１８・・・回転子スロット
２０，２３，２６・・・固定子
２１，２４，２７・・・固定子突極
２２，２５，２８・・・固定子スロット
３０〜３３・・・・・・永久磁石

Claims

固定子極数と回転子極数とが異なる同期モータであるバーニアモータにおいて、
固定子スロット数Ｓ、回転子スロット数Ｒ及び固定子極数Ｐとの関係をＳ＝Ｒ±（Ｐ／２）に形成すると共に、固定子スロット又は回転子スロットの少なくとも一方に永久磁石を備え、
固定子突極又は回転子突極の少なくとも一方をエアギャップ中に突出させたことを特徴とするバーニアモータ。
前記固定子突極を、前記固定子スロットに備えられた永久磁石よりも突出させたことを特徴とする請求項１記載のバーニアモータ。
前記回転子突極を、前記回転子スロットに備えられた永久磁石よりも突出させたことを特徴とする請求項１記載のバーニアモータ。
前記固定子突極又は前記回転子突極の少なくとも一方を前記エアギャップ中に突出させたことにより、突極性によるトルクを増大させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のバーニアモータ。