JP2005278268A - Permanent magnet type motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、永久磁石式モータに関するものである。 The present invention relates to a permanent magnet motor.
従来より、巻線が施された複数のティースを有する固定子と、前記ティースと所定のギャップを隔てて対向する複数の永久磁石を有する回転子と、を有して成り、前記巻線に通電することで前記回転子を回転駆動させる永久磁石式モータにおいては、コギングトルク(永久磁石とティース間の磁気吸引力によって生じるトルク脈動)に起因する無負荷時の振動や騒音が課題となっていた。 Conventionally, a stator having a plurality of teeth provided with windings and a rotor having a plurality of permanent magnets opposed to the teeth with a predetermined gap therebetween. Thus, in the permanent magnet motor that drives the rotor to rotate, vibration and noise at no load caused by cogging torque (torque pulsation caused by magnetic attraction force between the permanent magnet and the teeth) have been problems. .
なお、上記課題を解決する従来技術としては、スロット開口部分(隣接するティース間で巻線が施される空間において回転子と対向する部分)の周方向長さよりも広く、かつ、ティース先端部分(ティースにおいて回転子と対向する部分)の周方向長さよりも狭い間隔で永久磁石を配設することにより、コギングトルクの低減が図られた永久磁石式モータが開示・提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
確かに、上記構成から成る永久磁石式モータであれば、何ら対策を講じない場合に比べてコギングトルクを低減することが可能である。 It is true that the permanent magnet motor having the above configuration can reduce the cogging torque as compared with the case where no countermeasure is taken.
しかしながら、上記構成から成る永久磁石式モータでは、永久磁石の周方向長さとティース先端部分の周方向長さとの関係について何ら考慮されておらず、その用途によってはコギングトルクの低減が十分でない場合があった。 However, in the permanent magnet motor configured as described above, no consideration is given to the relationship between the circumferential length of the permanent magnet and the circumferential length of the tip of the teeth, and depending on the application, the cogging torque may not be sufficiently reduced. there were.
なお、上記課題を解決する他の従来技術としては、スロット開口部分の周方向長さを極力狭くする方法も考えられるが、このような構成では、ティースへの巻線作業が困難となる上、隣接するティース先端部分相互間での磁束漏れが大きくなる、といった別の課題が生じるため、現実的な解決方法ではなかった。 In addition, as another conventional technique for solving the above problem, a method of narrowing the circumferential length of the slot opening portion as much as possible can be considered, but with such a configuration, it is difficult to perform winding work on the teeth. This is not a realistic solution because another problem arises that magnetic flux leakage between adjacent tooth tip portions increases.
本発明は、上記の問題点に鑑み、振動や騒音の原因となるコギングトルクを低減することが可能な永久磁石式モータを提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a permanent magnet motor capable of reducing cogging torque that causes vibration and noise.
上記目的を達成するために、本発明に係る永久磁石式モータは、巻線が施された複数のティースを有する固定子と、前記ティースと所定のギャップを隔てて対向する複数の永久磁石を有する回転子と、を有して成り、前記巻線に通電することで前記回転子を回転駆動させる永久磁石式モータにおいて、前記永久磁石の周方向長さ、及び、前記ティースにおいて前記回転子に対向する先端部分の周方向長さは、前記永久磁石の両端と前記回転子の回転中心とで形成される角度、及び、前記ティース先端部分の両端と前記回転子の回転中心とで形成される角度を各々電気角でθm、θtとしたときに、θm+θt=160〜190°となるように調整された構成としている。 In order to achieve the above object, a permanent magnet motor according to the present invention includes a stator having a plurality of teeth with windings and a plurality of permanent magnets facing the teeth with a predetermined gap therebetween. A permanent magnet motor configured to rotate the rotor by energizing the winding, and facing the rotor in the circumferential length of the permanent magnet and the teeth. The circumferential length of the tip portion is an angle formed by both ends of the permanent magnet and the rotation center of the rotor, and an angle formed by both ends of the tooth tip portion and the rotation center of the rotor. Are adjusted so that θm + θt = 160 to 190 °, where θm and θt are electrical angles.
なお、上記構成から成る永久磁石式モータにおいて、前記永久磁石の周方向長さ、及び前記ティース先端部分の周方向長さは、θm=70〜90°、θt=80〜100°となるように調整するとよい。 In the permanent magnet motor having the above-described configuration, the circumferential length of the permanent magnet and the circumferential length of the tooth tip are θm = 70 to 90 ° and θt = 80 to 100 °. Adjust it.
また、上記構成から成る永久磁石式モータは、前記永久磁石の個数と前記ティースの個数との比が2:3である構成にするとよい。 The permanent magnet motor having the above-described configuration may be configured such that the ratio of the number of permanent magnets to the number of teeth is 2: 3.
上記構成から成る永久磁石式モータであれば、回転子の回転に伴って磁束が急激に変化する永久磁石端部付近の応力を隣接する永久磁石相互間で互いに相殺し、コギングトルクを低減することが可能となる。 In the case of the permanent magnet type motor having the above configuration, the stress near the end of the permanent magnet where the magnetic flux changes rapidly with the rotation of the rotor cancels each other between adjacent permanent magnets, thereby reducing the cogging torque. Is possible.
図1は本発明に係る永久磁石式モータを回転軸方向から見た際の断面図である。本図に示すように、本発明に係る永久磁石式モータは、固定子10と、該固定子10の内側に回転自在に配設された回転子20と、を有して成る内転型モータである。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a permanent magnet motor according to the present invention as viewed from the direction of the rotation axis. As shown in the figure, the permanent magnet type motor according to the present invention includes an inner rotation type motor having a
固定子10は、電磁鋼板を積層して成る固定子鉄心11と、該固定子鉄心11の内周面に等間隔で配設された18個のティース12と、各ティース12に施された巻線13と、を有して成る。なお、ティース12において回転子20に対向する先端部分(以下、ティース先端部分12aと呼ぶ)は、その曲率が回転子20の外径より大きくなるように(例えばティース先端部分が直線形状となるように)形成されている。このような構成とすることにより、ティース12と回転子20との間を隔てるギャップを不均一化することができるので、両者間に働く磁気吸引力の変化を平滑化してコギングトルクを低減することが可能となる。また、固定子鉄心11及びティース12については、一体成形としてもよいし、巻線13の占積率を高めるべく分割パーツを組み合わせて成る構成としてもよい。
The
回転子20は、電磁鋼板を積層して成る回転子鉄心21と、ティース先端部分12aと所定のギャップを隔てて対向するように、回転子鉄心21の外周面に沿って等間隔で配設或いは埋設された12個の永久磁石22と、を有して成る。永久磁石22の極性は、隣り同士でN、S交互とされており、磁化の強度は各々略同一とされている。なお、本図では各極毎に永久磁石22を1つずつ設けた構成を例示したが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、各極毎に永久磁石22を複数個ずつ設けても構わない。
The
上記構成から成る12極18スロットの永久磁石式モータでは、ティース12に施された巻線13に3相交流が通電され、永久磁石22と巻線13との間に生じる吸引力及び反発力(マグネットトルク)と、隣接した永久磁石22に挟まれた部分の回転子鉄心21であって磁気的な突極性を有する部分(以下、磁気突極部21aと呼ぶ)が巻線13に引き付けられる力(リラクタンストルク)の両方を利用して、回転子20が回転駆動される。
In the 12-pole 18-slot permanent magnet motor having the above-described configuration, a three-phase alternating current is applied to the
次に、本発明の特徴部分である永久磁石22の周方向長さとティース先端部分12aの周方向長さとの相関関係について、図2を参照しながら、詳細な説明を行うことにする。図2は、図1中の一点鎖線Aで示された範囲の拡大図である。
Next, the correlation between the circumferential length of the
本図に示す通り、本発明に係る永久磁石モータにおいて、永久磁石22の周方向長さ、及び、ティース先端部分12aの周方向長さは、永久磁石22の両端(複数の永久磁石を用いて1つの磁極を形成する場合には、当該磁極の両端)と回転子20の回転中心Oとで形成される角度、及び、ティース先端部分12aの両端と回転中心Oとで形成される角度を各々電気角(信号正弦波の1周期を360[°]にとって表現したときの位相角)でθm、θtとしたときに、θm+θt=160〜190°(1/2周期近傍)となるように調整されている。
As shown in the figure, in the permanent magnet motor according to the present invention, the circumferential length of the
このような構成とすることにより、永久磁石22が配設される間隔は、ティース先端部分12aの周方向長さと略同一となるので、回転子20の回転に伴って磁束が急激に変化する永久磁石22端部付近の応力は、図3(a)〜(c)に示すように、隣接する永久磁石22相互間で相殺されることになり、コギングトルクを低減することが可能となる。
By adopting such a configuration, the interval at which the
図4は、θm、θtとコギングトルクとの相関関係を示す図である。なお、本図の縦軸にはコギングトルクの大きさが示されており、横軸にはθmの大きさが示されている。また、図中の凡例で示すように、本図の丸マーカ、三角マーカ、四角マーカは、各々θtが100°、90°、80°であるときのコギングトルクの大きさを示している。本図から明らかなように、永久磁石22の周方向長さ、及びティース先端部分12aの周方向長さは、θm+θt=160〜190°という関係を満たすθm、θtの中でも、θm=70〜90°、θt=80〜100°となるように調整することが望ましいことが分かる。
FIG. 4 is a diagram showing the correlation between θm, θt and cogging torque. In addition, the magnitude | size of cogging torque is shown on the vertical axis | shaft of this figure, and the magnitude | size of (theta) m is shown on the horizontal axis. Further, as shown in the legend in the figure, the round marker, triangular marker, and square marker in this figure indicate the magnitude of cogging torque when θt is 100 °, 90 °, and 80 °, respectively. As is clear from this figure, the circumferential length of the
なお、上記した12極18スロットの永久磁石式モータにつき、スロット開口部分とティース先端部分の各周方向長さに基づいて永久磁石の配設間隔を決定する前述の従来技術をそのまま適用した場合、例えばθtを90°とすると、θmは90〜150°に制限されることになる。すなわち、当該従来技術では、θm=130°近傍の極小値までしかコギングトルクを低減することができないことになる。 In addition, for the above-described 12 pole 18 slot permanent magnet motor, when the above-described conventional technique for determining the arrangement interval of the permanent magnet based on the circumferential lengths of the slot opening portion and the tooth tip portion is applied as it is, For example, when θt is 90 °, θm is limited to 90 to 150 °. That is, in the related art, the cogging torque can be reduced only to a minimum value in the vicinity of θm = 130 °.
それに対して、本発明に係る永久磁石式モータであれば、θm=80°、θt=90°となるように永久磁石22及びティース先端部分12aの周方向長さを調整することで、コギングトルクをより小さい値にまで低減することができる。
On the other hand, in the case of the permanent magnet motor according to the present invention, the cogging torque is adjusted by adjusting the circumferential lengths of the
また、本発明に係る永久磁石式モータは、図2に示す通り、リラクタンストルクの最適化を図るべく、永久磁石22の両端に回転子鉄心21が存在しない空隙部23を有して成る。ここで、空隙部23の大きさは、該空隙部23を除いた磁気突極部21aの両端と回転中心Oとで形成される角度を電気角でθpとしたときに、θp=70〜90°となるように調整することが望ましい。
In addition, as shown in FIG. 2, the permanent magnet motor according to the present invention has a
なお、上記の実施形態では、永久磁石22とティース12の個数比が2:3である永久磁石式モータ(12極18スロット)を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、両者の個数比が上記と異なる永久磁石式モータについても、広く適用が可能である。
In the above embodiment, a permanent magnet motor (12 poles and 18 slots) in which the number ratio of the
本発明は、永久磁石式モータのコギングトルク低減を図る上で有用な技術であり、例えば、補助駆動手段として永久磁石式モータを搭載した電動アシスト自転車の手押し時における振動や騒音の低減に好適である。 The present invention is a technique useful for reducing cogging torque of a permanent magnet motor, and is suitable for, for example, reducing vibration and noise when pushing an electric assist bicycle equipped with a permanent magnet motor as auxiliary drive means. is there.
10 固定子
11 固定子鉄心
12 ティース
12a ティース先端部分
13 巻線
20 回転子
21 回転子鉄心
22 永久磁石
23 空隙部(磁気突極調整部)
O 回転子の回転中心
θm 永久磁石の両端と回転中心とで形成される角度
θt ティース先端部分の両端と回転中心とで形成される角度
θp 空隙部を除いた磁気突極部の両端と回転中心とで形成される角度
DESCRIPTION OF
O Rotation center of rotor θm Angle formed by both ends and rotation center of permanent magnet θt Angle formed by both ends of tooth tip and rotation center θp Both ends and rotation center of magnetic salient pole part excluding gap And the angle formed by
Claims (3)
前記永久磁石の周方向長さ、及び、前記ティースにおいて前記回転子に対向する先端部分の周方向長さは、前記永久磁石の両端と前記回転子の回転中心とで形成される角度、及び、前記ティース先端部分の両端と前記回転子の回転中心とで形成される角度を各々電気角でθm、θtとしたときに、θm+θt=160〜190°となるように調整されていることを特徴とする永久磁石式モータ。 A stator having a plurality of teeth provided with windings, and a rotor having a plurality of permanent magnets facing the teeth with a predetermined gap therebetween, and energizing the windings. In the permanent magnet motor that drives the rotor to rotate,
The circumferential length of the permanent magnet and the circumferential length of the tip portion facing the rotor in the teeth are an angle formed by both ends of the permanent magnet and the rotation center of the rotor, and The angle formed between both ends of the tooth tip portion and the rotation center of the rotor is adjusted to be θm + θt = 160 to 190 °, where θm and θt are electrical angles, respectively. Permanent magnet motor.
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