JP2005269795A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】機器の駆動源に使用されるブラシレスモータにおけるコギングトルクの低減。
【解決手段】回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、マグネット体１とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、突極の前記マグネット体１と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯６が複数個設けられており、ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するするブラシレスモータにおいて、ブラシレスモータが３相構造であり、マグネット体１表面は磁極ピッチより実質電気角α°狭い範囲に磁束を発生させる構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、機器の駆動源に使用されるブラシレスモータに関する。

現在、映像・音響機器、ＯＡ機器、家電機器、輸送用機器、ＦＡ機器等さまざまな機器に、駆動源としてモータが用いられている。これらの機器は、機器の高機能化に伴い、使われるモータの個数は年々増加する傾向にある。また、モータの性能についても近年、機器の小型化、高機能化によって小型でかつ高出力なモータが望まれている。

従来から、モータの小型化と高出力化を実現する方法について、数多くの提案がなされている。

図１０は一従来例の磁気回路を示す図である。この従来例のモータは、コアの突極数を増加させないまま、磁極数のみを増加させることにより、コイル抵抗を増大させない構成を図り、モータのトルク性能を向上させる構成である。（例えば、特許文献１参照）
特開２００３−６１３２６号公報

しかしながら、上記モータ構造は、従来型ブラシレスモータと比較して大幅にトルク性能を向上できるものの、より更に高性能化が望まれる場合もあった。

従来技術において、コギングトルクを低減する方法についていくつかの提案がなされているが、一部特殊な構成をしたマグネット体を用いてモータを構成する場合には、そのままでは十分なコギングトルク低減効果が得られないケースもあり、その際にはさらなる改善が望まれていた。

本発明は、従来技術をさらに改良し、特殊な構成のマグネット体の場合においてもモータのコギングトルクを低減できるようにすることを課題とする。

上記課題を解決するために、本件出願に係る第１の発明のブラシレスモータは、回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極の前記マグネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯が複数個設けられており、前記ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するするブラシレスモータにおいて、ブラシレスモータが３相構造であり、前記マグネット体表面は磁極ピッチより実質電気角α°狭い範囲に磁束を発生させる構成であって、前記突極に設けられた小歯の開角θ°が電気角で８５−α＜θ＜１００−α、１４５−α＜θ＜１６０−α、又は２０５−α＜θ＜２２０−αのうちいずれかの条件を満足する構成である。

また、本件出願に係る第２の発明のブラシレスモータは、回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極の前記マグネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯が複数個設けられており、前記ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するするブラシレスモータにおいて、ブラシレスモータが３相構造であり、前記突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、前記マグネット体表面は磁極ピッチより実質電気角α°狭い範囲に磁束を発生させる構成を有し、コア形状が、前記突極に設けられた小歯の開角θ°が電気角で８５−α＜θ＜１００−α、１４５−α＜θ＜１６０−α、又は２０５−α＜θ＜２２０−αのうちいずれかの条件を満足する基本形状をベースとして、回転方向に電気角で３０／ｎ°±１０％ずつずらしたｎ個のコア基本形状を適時組み合わせた形状の構成である。

このようにモータの構造を具備させることにより、コギングトルクを低減しトルク性能を維持しながら、高精度、低振動なモータを提供できる。

本件出願に係る発明によれば、特殊な構成のマグネット体を使用した場合においてもモータのコギングトルクを低減し、モータの回転精度を向上できるという有利な効果が得られる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態１のブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図である。

図１に示す通り、マグネット体は、円環状のバックヨーク２内周部分に、磁極ピッチ（電気角１８０°）より電気角でα°狭い幅の永久磁石１が固定されている構成となっている。なお、以後説明および図における角度は全て電気角による説明である。

図１においてコア３の突極５先端部に設けられた小歯６はピッチが前記マグネット体の磁極ピッチと等しく（電気角３６０°）、小歯６先端の開角は電気角でθ°となっている。

ここで、図１においてはα＝４０°の場合を図示している。

図２は図１において小歯６先端の開角θを変化させた場合のコギングトルクの変化を示す図である。

図２において、コギングトルクは電気角１１０°、１７０°付近で極小となっている。また、１３０°、１９０°付近でも下に突な波形が現れている。

例えば特許文献１の技術では、小歯６の開角が９０°、１５０°、２１０°付近でコギングトルクが最小となることが示されているが、本実施の形態１の様な磁極が部分的に途切れている特殊な構成をしたマグネット体の場合には、コギングトルクが最小となるポイントが大きく相異する。

以下はこの理由と、この様な特殊な構造のマグネット体の場合でも効果的にコギングトルクを低減する方法とを詳細に説明する。

一般的に多極着磁のマグネット体はＮ極（Ｓ極）からＳ極（Ｎ極）への磁極切り替え部分＝Ｓ極（Ｎ極）の磁束の立ち上がり部分＝Ｎ極（Ｓ極）の磁極の立ち下がり部分であるが、本実施の形態のように、磁極間に隙間を設けると、Ｓ極（Ｎ極）の磁束の立ち上がり部分≠Ｎ極（Ｓ極）の磁極の立ち下がり部分となり、両者を分けて考える必要がある。

ここで、コギングトルク発生のメカニズムを説明するために、その最小単位である１つの小歯６で発生するコギングトルクについて考える。

図３は小歯でのコギングトルク発生原理の説明図である。

図３においてまず小歯６の前側エッジ部６−１に磁極の切り替え部分が差し掛かった場合を考える。

図４（ａ）は小歯前側エッジ部６−１で発生するコギングトルクの説明図である。

図４（ａ）において、磁極の立ち下がり部７−１と小歯前側エッジ部６−１が一致するところを基準として考える。

図４（ａ）に示した様に磁極立ち下がり部７−１が小歯前側エッジ部６−１が通過する際にほぼゼロとなり、電気角１８０°で１周期の周期性がある波形となる。

図４（ｂ）は同様に小歯後側エッジ部６−２で発生するコギングトルクの説明図である。

ここで、図４（ａ）のトルクと、図４（ｂ）のトルク波形を比較すると、小歯後側エッジ６−２で発生するコギングトルクは、小歯前側エッジ部６−１を磁極の立ち下がり部７−１が通過する時点を基準として考えると、小歯前側エッジ６−１で発生するコギングトルクと点対称の形をしており、基準点がθ＋α°ずれた波形となっていることが分かる。

以上より小歯前側エッジ６−１で発生するコギングトルクと、小歯後側エッジ６−２で発生するコギングトルクには規則性があり、この小歯６の開角θを調整すれば、コギングトルクの特定成分を除去できることが想像できる。

図４（ｃ）は（ａ）と（ｂ）を合成した１つの小歯６で発生するコギングトルクの説明図である。

ここで、小歯前側エッジ６−１を磁極の立ち下がり７−１が通過する時点を基準として、回転角度を電気角でｘ°と表すと、小歯前側エッジ６−１で発生するトルク波形は下記の式１として示される。

また、小歯後側エッジ６−２で発生するトルク波形は下記の式２として示される。

ここで１つの小歯におけるコギングトルク波形である、両者の合成波形は（（式１）＋（式２））でありこれを整理すると下記の式３として示される。

ここでθ＋αを特定の値にすると、特定の成分を除去することができる。

具体的にはθ＋α°を９０°、１５０°、２１０°（言い換えればθ＝９０−α、θ＝１５０−α、θ＝２１０−α）とした場合に、両エッジで発生するコギングトルクの３次成分（ｓｉｎ（６ｘ）成分）が除去されたトルクとなる。

図４（ｄ）はモータ全体としてのコギングトルク波形を示す。

このモータは３相構造であるので、図４（ｃ）に示すトルクのうち１次、２次、４次、５次、７次・・・（記載省略）・・・のトルクは、位相が電気角で１２０°ずれた、他の２相のトルクによりキャンセルされるため、モータ全体としては３次、６次・・・（記載省略）・・・のトルクが現れる状態となるので、θ＝９０−α、θ＝１５０−α、θ＝２１０−αいずれかとし、この小歯一つあたりで発生するトルクの３次成分を抑えることができれば、モータ全体として現れるコギングトルクの周期は通常の半分となり、その振幅も小さく収まる。

また、上記実施例は、小歯の開角θが１５０−α°でコギングトルクが最小になることを示したが、１５０−α°から角度がある程度前後した場合を考えると、小歯の開角を電気角で１４０−α°又は１６０−α°とした場合は、小歯で発生するコギングトルクの３次成分は５０％除去され、小歯の開角を電気角で１４５−α°又は１５５−α°とした場合は、小歯で発生するコギングトルクの３次成分は７４％除去される状態となり、実用的な性能を得るためには、小歯で発生するコギングトルクの３次成分が約４分の１以下となる１４５−α〜１５５−α°に設定することにより、コギングトルクの基本周期成分が大幅に低減され、コギングトルクを小さく抑えることができる。

また、小歯６の形状が図５（ａ）のようにコア半径より小さいＲで形成した場合、あるいは図５（ｂ）のように面取り部を設けた場合、あるいは、コアの磁気飽和等の影響を考慮した場合は、磁気特性上は小歯６の開角が狭まった状態に近い条件となり、小歯３の開角αが若干（電気角にして５°前後）大きい場合にコギングトルクが最小となる現象が発生する場合がある。

従って一般的には、ブラシレスモータが３相構造であり、前記マグネット体表面は磁極ピッチ（電気角１８０°）より実質電気角α°狭い範囲（１８０−α°）に磁束を発生させる構成であって、前記突極に設けられた小歯の開角θ°が電気角で８５−α＜θ＜１００−α、１４５−α＜θ＜１６０−α、又は２０５−α＜θ＜２２０−αのうちいずれかの条件を満足する範囲に設定することで、基本コギングトルク周期の２分の１の周期のコギングトルクを発生し、コギングトルクの絶対値も小さいモータを提供することができる。

なお上記実施の形態では、円環状バックヨーク内周部に、磁極ピッチより小さい幅の磁石を固定する構成で説明したが、図６に示すように、ラジアル方向と円周方向に着磁した磁石を交互に貼り合わせたいわゆるハルバッハ配列の磁石構成、あるいは、図７に示すような円環状バックヨークに磁石挿入穴を設けた構成であって、永久磁石から出た磁束を集中させる空間部８（フラックスバリア）を設けた構成等、実質的に部分的に磁束を発生する構成となっているものについて同様に適用可能である。

なお上記は、前側エッジ部６−１を磁極の立ち下がり部７−１が通過する時点を基準として考察しているが、同様に前側エッジ部６−１を磁極の立ち上がり部７−２が通過する時点を基準として考察する場合は、小歯前側エッジ６−１と小歯後側エッジ６−２では、基準点がθ−α°ずれた点対称波形とも解釈できる。

ここで上記と同じような計算を実施するとθ＝３０＋α、θ＝９０＋α、θ＝１５０＋αいずれかの場合でも、同様の効果が得られることが分かる。

しかしながら、前側エッジ部６−１を磁極の立ち上がり部７−２が通過する際の磁気エネルギの変化は、前側エッジ部６−１を磁極の立ち下がり部７−１が通過する際の磁気エネルギ変化より小さい場合が一般的でコギングトルクは極小にならない場合が多く、より大きな効果を得る為には上記のようにθ＝９０−α、θ＝１５０−α、又はθ＝２１０−αいずれかとすることが望ましい。

また、上記ではアウターロータ型の構成を示しているが、ロータが内周でコアが外周であるインナーロータ型構成も可能であることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図８は本実施の形態２のブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図である。

図８に示す通り、コア１の突極２先端部に設けられた小歯３開角は１１０°であり、小歯のピッチが電気角で３５０°と磁極２極分よりわずかに小さくなっているところが特徴である。

基本的にこの形状も本発明と同一出願人による先願の特許（特開２００３−６１３２６号公報、実施例７）記載の技術を展開したものであるが、ロータが、部分的に磁束を発生する構造になっていること、そして基本形状のコアの小歯開角が電気角で１１０°となっているところが異なる。

具体的には、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように同一形状で角度が電気角で１０°ずづずれた３つのコア３−１、３−２、３−３の形状の斜線部分を組み合わせることにより設計されている。

このように、小歯の開角を電気角で１３０°とし、コギングトルク基本周期の２分の１の周期のコギングトルクを発生する形状をベースとし、コギングトルクの基本周期の６分の１である電気角１０°分ずつずらした３つのコア形状を組み合わせることで、基本コギングトルク周期の４分の１の周期で絶対値も極めて小さく回転精度が高いモータを提供できる。

また、この構成は一つの突極あたりの小歯数が３の時に限らず、より一般的には、ブラシレスモータが３相構造であり、前記突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、
前記マグネット体表面は磁極ピッチより実質電気角α°狭い範囲に磁束を発生させる構成であって、コア形状が、前記突極に設けられた小歯の開角θ°が電気角で８５−α＜θ＜１００−α、１４５−α＜θ＜１６０−α、２０５−α＜θ＜２２０−αのうちいずれかの条件を満足する基本形状をベースとして、回転方向に電気角で３０／ｎ°±１０％ずつずらしたｎ個のコア基本形状を適時組み合わせた形状に構成にすることで、発生するコギングトルクが基本コギングトルク周期の４分の１以下の周期となり、絶対値も極めて小さくすることができ、回転精度が高いモータを提供できる。

本発明のブラシレスモータは、モータのコギングトルクを低減し、モータの回転精度を向上できるという有利な効果が得られる。例えば、映像・音響機器、ＯＡ機器等さまざまな機器の駆動源用のモータして有用である。

本発明の実施の形態１によるブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図 本発明の実施の形態１における小歯開角とコギングトルクとの関係を示す説明図 本発明の実施の形態１における小歯でのコギングトルク発生原理を示す説明図 本発明の実施の形態３におけるコギングトルクの波形図、（ａ）は前側小歯エッジ部６−１で発生するトルク波形図、（ｂ）は後側小歯エッジ部６−２で発生するトルク波形図、（ｃ）は上記（ａ）と上記（ｂ）との合成トルク波形図、（ｄ）は３相合成トルク波形図 本発明の実施の形態１による別のブラシレスモータのコア形状を示す説明図、（ａ）は小歯先端にＲを設けた場合の説明図、（ｂ）は小歯先端に面取りを設けた場合の説明図 本発明の実施の形態１による別のブラシレスモータの磁気回路の構成図 本発明の実施の形態１による別のブラシレスモータの磁気回路の構成図 本発明の実施の形態２によるブラシレスモータの磁気回路の構成図 本発明の実施の形態２によるコア形状設計方法の説明図、（ａ）はコアの３−１の説明図、（ｂ）はコアの３−２の説明図、（ｃ）はコアの３−３の説明図 従来例の説明図

符号の説明

１ 永久磁石
２ バックヨーク
３、３−１、３−２、３−３ コア
４ コイル
５、５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６ 突極
６ 小歯
６−１ 小歯前側エッジ部
６−２ 小歯後側エッジ部
７−１ 磁極立ち下がり部
７−２ 磁極立ち上がり部
８ 空間部（フラックスバリア）

Claims (2)

1. 回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極の前記マグネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯が複数個設けられており、前記ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するするブラシレスモータにおいて、ブラシレスモータが３相構造であり、前記マグネット体表面は磁極ピッチより電気角α°狭い範囲に磁束を発生させる構成を有し、前記突極に設けられた小歯の開角θ°が電気角で８５−α＜θ＜１００−α、１４５−α＜θ＜１６０−α、又は２０５−α＜θ＜２２０−αのうちいずれかの条件を満足することを特徴とするブラシレスモータ。
2. 回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極の前記マグネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯が複数個設けられており、前記ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するするブラシレスモータにおいて、ブラシレスモータが３相構造であり、前記突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、前記マグネット体表面は磁極ピッチより電気角α°狭い範囲に磁束を発生させる構成を有し、コア形状が、前記突極に設けられた小歯の開角θ°が電気角で８５−α＜θ＜１００−α、１４５−α＜θ＜１６０−α、又は２０５−α＜θ＜２２０−αのうちいずれかの条件を満足する基本形状をベースとして、回転方向に電気角で３０／ｎ°±１０％ずつずらしたｎ個のコア基本形状を適時組み合わせた形状に構成したことを特徴とするブラシレスモータ。
   
   

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