JP2005278333A - 永久磁石型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】安定した低コギングトルクの永久磁石型モータを得ること。
【解決手段】複数のティース部１ａに巻線２が施され、磁性体から成る固定子コア１と、該固定子コア１を収容するフレーム３と、該フレーム３に回転可能に支持されて前記固定子コア１内に設置され、外周部に永久磁石６を有し、磁性体から成る回転子コア４と、を備えた永久磁石型モータ１００において、前記フレーム３に、当該フレームとは別の押圧部材により構成され、前記固定子コア１の一部分を押圧して該固定子コア１内に所望の応力を発生させる押圧手段８を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動パワーステアリング用、サーボ用及びエレベータ用等に用いられる永久磁石型モータに関し、そのコギングトルクを低減したものに関する。

近年、様々な用途、特に電動パワーステアリング用、サーボ用、エレベータ用等に、コギングトルク及び負荷時のトルク脈動の小さいモータが求められている。そして、従来から、永久磁石型モータのコギングトルクを低減する方法として、スキューを設けたり、永久磁石形状を工夫したり、固定子コアに補助溝を設けるなど様々な技術が提案されている。

また、モータの固定子コアのヨーク部分が周方向に複数に分割されている構造をもつ固定子コアにおいて、固定子コアの組立後に固定子コアの内径精度または外転型モータの場合は外径精度、及びティース間のピッチを均等に保つ金型をコアのティース先端部に設置した状態で、コア外周または内周部から周方向に均等に外周または内周方向に向かう方向に応力を加え、組立られたモータの固定子コアが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、極数がＰ、固定子コアの溝数がＳのモータにおいて、前記固定子コアに等間隔で設けられるカシメの数Ｎが、溝数がＳ未満であって、次式〔Ｎ＝ｎ（整数）×（ＳとＰとの最小公倍数）／Ｐ〕で表されるモータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２１８４２９号公報（特許請求の範囲、図１） 特開２００１−２５８２２５号公報（特許請求の範囲、図１）

しかしながら、特許文献１に開示されているものでは、固定子コアの形状は、工作のばらつきによって変わるため、固定子コア内径の真円度をゼロにすることは困難であり、安定した低コギングトルクのモータを得ることができないという問題点があった。

また、特許文献２に開示されているものでは、３つのカシメの磁気影響が均一であればよいが、均一でなければ磁気的なアンバランスが生じて結果的にコギングトルクが増大してしまうという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した低コギングトルクの永久磁石型モータを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の永久磁石型モータは、複数のティース部に巻線が施され、磁性体から成る固定子コアと、該固定子コアを収容するフレームと、該フレームに回転可能に支持されて前記固定子コア内に設置され、外周部に永久磁石を有し、磁性体から成る回転子コアと、を備えた永久磁石型モータにおいて、前記フレームに、当該フレームとは別の押圧部材により構成され、前記固定子コアの一部分を押圧して該固定子コア内に所望の応力を発生させる押圧手段を設けたことを特徴とする。

この発明によれば、固定子コアの一部分が押圧されるので、固定子コア内に所望の応力が発生し、また、固定子コアが所望量微小変形する。

この発明によれば、固定子コアの所望量の微小変形により、固定子コアの内径精度が調整され、また、磁気特性が調整され、元々有しているコギングトルクをキャンセルするコギングトルクを発生させて、コギングトルクの絶対値を低減させることができる。

以下に、本発明にかかる永久磁石型モータの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の永久磁石型モータの横断面図、図２は実施の形態１の永久磁石型モータのコギングトルクを示す図である。

図１に示すように、実施の形態１の永久磁石型モータ１００は、概ね円筒状に形成されフレーム３内に収容される固定子コア１と、シャフト５に支持され、固定子コア１内で回転する円柱状の回転子コア４とから構成されている。フレーム３と固定子コア１との間には、空隙９が設けられている。固定子コア１には、磁性体の板を積層したものや粉末状の磁性体を固めたもの等がある。固定子コア１の内周側には、１２本のティース部１ａ及びスロット１ｂが形成されている。ティース部１ａには、巻線２が施されている。

回転子コア４も、磁性体の板を積層するか、粉末状の磁性体を固めて製作され、外周部に、隣接する端部が互いに異極となるようにして円管状に連なった８個の永久磁石６が固着されている。永久磁石６の外周部と固定子コア１の内周部間には空隙７が設けられ、空隙７には永久磁石６の磁束を生じさせている。

上記のように構成された実施の形態１の永久磁石型モータ１００は、永久磁石６による磁束と巻線２による磁束との作用で発生するマグネットトルクにより回転子コア４の回転力を得て回転する。

一般に、このような永久磁石型モータにおいては、様々な原因でコギングトルクが発生する。固定子コア１の内径精度の悪さや、磁気特性の不均一性により発生するコギングトルクは、回転子の一回転当り、モータの極数と同じ山を持つ成分として発生する。このようなコギングトルク成分、例えば、８極のモータでは回転子の一回転当り８山の成分を、通常の製造工程において除去することは困難である。

本発明の永久磁石型モータ１００では、固定子コア１内に応力を発生させる機構を設け、コギングトルク成分を抑制する。この機構は、例えば、フレーム３にねじ孔を設け、押圧手段としてのフレームとは別の押圧部材であるねじやボルト等のねじ部材８をねじ込み、ねじ部材８の先端部で固定子コア１の外周部を押圧し、固定子コア１内に所望の応力を発生させるものである。ねじ部材８の押圧の程度により、固定子コア１内の応力と固定子コア１の微小変形を所望値に調整する。

固定子コア１内の応力を調整することによって、ティース１ａを内外に微小変位させ、固定子コア１の内径精度を上げることができる。また、固定子コア１内に応力が発生して磁気特性が変化し、透磁率を低下させることができる。このように、固定子コア１の微小変形や磁気特性の変化を強制的に発生させることにより、永久磁石型モータ１００が元々持っていたコギングトルク特性をキャンセルし、低減させることが可能である。

図２は、８極１２スロットの永久磁石型モータ１００のコギングトルクを示す図である。従来のもののコギングトルクには、主として、極数の成分（回転子一回転当り８山の成分）と、極数とスロット数の最小公倍数の成分（回転子一回転当り２４山の成分）が含まれている。特に、８山の成分は、固定子コア１の内径加工精度の悪さや、固定子コア１の磁気特性の不均一性によって発生し、通常の製造方法において除去することは難しい。

実施の形態１の永久磁石型モータ１００では、固定子コア１の外周部を押圧するねじ部材８をフレーム３に設け、固定子コア１に径方向の微小変位及び磁気特性の変化を発生させ、永久磁石型モータ１００が元々持っていたコギングトルク特性をキャンセルし、コギングトルクの絶対値を低減させる。

固定子コア１内に応力を発生させる押圧手段を、ねじ部材８で構成することにより、固定子コア１の内径精度（例えば、真円度）及び内部応力の調整が容易であり、容易にコギングトルクを低減することができる。また、図１に示すように、ティース部１ａの背面を押圧するねじ部材８を設けたことで、ティース部１ａの変位量を調整しやすく、コギングトルクの調整が容易となっている。さらに、永久磁石型モータ１００の製造ロット内で、ねじ部材８の締めつけトルクを管理するようにすれば、安定して、低コギングトルクの永久磁石型モータ１００を供給することができる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２の永久磁石型モータの縦断面図である。図３において、図１と同等のものには同一の符号を付してある。

図３に示すように、実施の形態２の永久磁石型モータ２００は、概ね円筒状に形成されフレーム３内に収容される固定子コア１と、シャフト５に支持され、固定子コア１内で回転する円柱状の回転子コア４とから構成されている。シャフト５は、軸受１０によりフレーム３に支持されている。実施の形態１の永久磁石型モータ１００とは異なり、永久磁石型モータ２００のフレーム３と固定子コア１との間には空隙がなく、固定子コア１はフレーム３に焼き嵌めや圧入などによって固定されている。固定子コア１には、磁性体の板を積層したものや粉末状の磁性体を固めたもの等がある。図示はしないが、固定子コア１の内周側には、１２本のティース１ａ及びスロット１ｂが形成されている。スロット１ｂには、巻線２が施されている。

回転子コア４も、磁性体の板を積層するか、粉末状の磁性体を固めて製作され、外周部に、隣接する端部が互いに異極となるようにして円管状に連なった８個の永久磁石６が固着されている。永久磁石６の外周部と固定子コア１の内周部間には空隙７が設けられ、空隙７には永久磁石６の磁束を生じさせている。

上記のように構成された実施の形態２の永久磁石型モータ２００は、永久磁石６による磁束と巻線２による磁束との作用で発生するマグネットトルクにより回転子コア４の回転力を得て回転する。

実施の形態２の永久磁石型モータ２００では、固定子コア１の外周部を押圧するねじ部材８をフレーム３に設け、特定のティース１ａに径方向の所望の微小変位及び磁気特性の変化を発生させ、永久磁石型モータ２００が元々持っていたコギングトルク特性をキャンセルし、コギングトルクの絶対値を低減させる。

実施の形態２の永久磁石型モータ２００では、固定子コア１はフレーム３に焼き嵌めや圧入などによって固定されているので、ねじ部材８で固定子コア１の外周部を押圧しても、固定子コア１全体が変位することはなく、ねじ部材８で押圧された特定のティース１ａ及びその近傍のティースのみが微小変位し磁気特性が変化する。

このような、実施の形態２の永久磁石型モータ２００でも、特定のティース１ａに径方向の微小変位及び磁気特性の変化を発生させ、永久磁石型モータ２００が元々持っていたコギングトルク特性をキャンセルし、コギングトルクの絶対値を低減させることができる。また、ねじ部材８は、固定子コア１とフレーム３との相対移動を防止する固定手段としての機能を持つ。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３の永久磁石型モータの縦断面図、図５は実施の形態３の永久磁石型モータの変形例を示す縦断面図である。図４及び図５において、図１及び図３と同等のものには同一の符号を付してその説明は省略する。

実施の形態３の図４に示す永久磁石型モータ３０１は、固定子コア１の負荷側軸端部を軸方向に押圧するねじ部材８をフレーム３の負荷側ブラケット３ａに設けたものであり、図５に示す変形例の永久磁石型モータ３０２は、固定子コア１の反負荷側軸端部を軸方向に押圧するねじ部材８をフレーム３の後端部３ｂに設けたものである。

上記のように構成した実施の形態３の永久磁石型モータ３０１、３０２では、ねじ部材８により押圧された固定子コア１の軸端部の磁気特性が変化し透磁率が低下して、永久磁石型モータ３０１、３０２が元々持っていたコギングトルク特性をキャンセルし、コギングトルクの絶対値を低減させる。また、ねじ部材８を負荷側ブラケット３ａ又はフレーム３の後端部３ｂに設置したので、永久磁石型モータ３０１、３０２の径方向寸法を増大させずに済むという効果がある。

実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４の永久磁石型モータの横断面図、図７は実施の形態４の永久磁石型モータの変形例を示す横断面図、図８は実施の形態４の永久磁石型モータの他の変形例を示す縦断面図である。図６〜図８において、図１及び図３と同等のものには同一の符号を付してその説明は省略する。

実施の形態４の図６に示す永久磁石型モータ４０１は、固定子コア１の外周部を押圧する３本のねじ部材８をフレーム３に周方向に離間させて設けたものであり、図７に示す変形例の永久磁石型モータ４０２は、固定子コア１の負荷側又は反負荷側軸端部を軸方向に押圧する３本のねじ部材８をフレーム３の負荷側ブラケット３ａ又は後端部３ｂに周方向に離間させて設けたものであり、図８に示す他の変形例の永久磁石型モータ４０３は、固定子コア１の外周部を押圧する３本のねじ部材８をフレーム３に軸方向に離間させて設けたものである。

上記のように構成した実施の形態４の永久磁石型モータ４０１では、３本のねじ部材８をフレーム３に周方向に離間させて設けたので、固定子コア１の内径精度及び内部応力の調整を効率よく行うことができ、効率よくコギングトルクを低減することができる。

また、実施の形態４の変形例の永久磁石型モータ４０２では、固定子コア１の負荷側又は反負荷側軸端部を軸方向に押圧する３本のねじ部材８をフレーム３の負荷側ブラケット３ａ又は後端部３ｂに周方向に離間させて設けたので、固定子コア１の磁気特性の調整を効率的に行うことができ、コギングトルクの低減を効率よく行なうことができる。

また、実施の形態４の他の変形例の永久磁石型モータ４０３では、固定子コア１の外周部を押圧する３本のねじ部材８をフレーム３に軸方向に離間させて設けたので、軸方向の内径精度や磁気特性の不均一性を調整し、コギングトルクの低減を効率よく行なうことができる。

以上、３本のねじ部材８を設けた例を説明したが、ねじ部材８は、３本に限らず２本でも４本以上としてもよい。このように、固定子コア１内に所望の応力を発生させる押圧手段を離間させて複数設けたので、元々発生していたコギングトルクをキャンセルするために発生させるコギングトルクの位相や振幅を調整することができる。

実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５の永久磁石型モータの縦断面図である。図９において、図１及び図３と同等のものには同一の符号を付してその説明は省略する。

図３に示す実施の形態２の永久磁石型モータ２００では、固定子コア１の軸方向中央付近に応力が集中してしまい、固定子コア１の内径精度及び磁気特性の調整を軸方向に均一に行うことが難しい。実施の形態５の永久磁石型モータ５００では、ねじ部材８の先端に、ねじ部材８の押圧力を分散させる固定子コア１の軸長にほぼ等しい板部材８ａを設置した。

板部材８ａを設置したことで、固定子コア１の軸方向中央付近に応力が集中してしまうことがなく、軸方向にほぼ均一に応力を発生させることができる。

実施の形態６．
図１０及び図１１は、固定子コア１に用いられる磁性体における応力と比透磁率の関係を示す図である。

これらの図において、横軸は磁束密度を示し、縦軸は比透磁率を％値で示し応力がゼロのときの値を１００％としている。図には、応力がゼロの状態のときと、応力が発生している状態のときの磁束密度と比透磁率の関係を示す。図１１に示す磁性体は、図１０に示すものよりグレードが高いものである。

いずれの図においても、応力がゼロの状態のとき比透磁率が最大となる磁束密度Ｂmax[Ｔ]付近において、応力が発生している状態のとき比透磁率％値が低い値を示している。すなわち、磁束密度Ｂmax[Ｔ]付近において、電磁鋼板の磁気特性の変化が最も顕著であるといえる。応力がゼロの状態において比透磁率が最大となる磁束密度Ｂmax[Ｔ]±０．５[Ｔ]の範囲では磁気特性の変化が顕著である。

したがって、本発明の永久磁石型モータの固定子コア１において、応力が発生する部分の磁束密度Ｂ[Ｔ]が、次式、
Ｂmax[Ｔ]−０．５[Ｔ]≦Ｂ[Ｔ]≦Ｂmax[Ｔ]＋０．５[Ｔ]
をみたすようにすれば、応力による磁気特性の変化が顕著に出るので、より効率的にコギングトルクを低減することができる。また、好ましくは、次式、
Ｂ[Ｔ]＝Ｂmax[Ｔ]
とするのがよい。

以上のように、本発明にかかる永久磁石型モータは、電動パワーステアリング用、サーボ用及びエレベータ用等の、小さなコギングトルク及び小さな負荷時のトルク脈動が求められるモータに適している。

本発明の実施の形態１の永久磁石型モータの横断面図である。 実施の形態１の永久磁石型モータのコギングトルクを示す図である。 本発明の実施の形態２の永久磁石型モータの縦断面図である。 本発明の実施の形態３の永久磁石型モータの縦断面図である。 実施の形態３の永久磁石型モータの変形例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態４の永久磁石型モータの横断面図である。 実施の形態４の永久磁石型モータの変形例を示す横断面図である。 実施の形態４の永久磁石型モータの他の変形例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態５の永久磁石型モータの縦断面図である。 電磁鋼板における応力と比透磁率の関係を示す図である。 電磁鋼板における応力と比透磁率の関係を示す図である。

符号の説明

１ 固定子コア
１ａ ティース部
１ｂ スロット
２ 巻線
３ フレーム
３ａ 負荷側ブラケット
４ 回転子コア
５ シャフト
６ 永久磁石
７ 空隙
８ ねじ部材（押圧手段）
８ａ 板部材
９ 空隙
１０ 軸受
１００，２００，３０１，３０２，４０１，４０２，４０３，５００ 永久磁石型モータ

Claims (10)

1. 複数のティース部に巻線が施され、磁性体から成る固定子コアと、
   該固定子コアを収容するフレームと、
   該フレームに回転可能に支持されて前記固定子コア内に設置され、外周部に永久磁石を有し、磁性体から成る回転子コアと、を備えた永久磁石型モータにおいて、
   前記フレームに、当該フレームとは別の押圧部材により構成され、前記固定子コアの一部分を押圧して該固定子コア内に所望の応力を発生させる押圧手段を設けたことを特徴とする永久磁石型モータ。
2. 前記押圧手段は、フレームに設けられたねじ孔にねじ込まれ、先端で前記固定子コアの一部分を押圧するねじ部材であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型モータ。
3. 前記押圧手段は、前記固定子コアの外周部の一部分を押圧する押圧手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石型モータ。
4. 前記押圧手段は、前記固定子コアの軸端部の一部分を押圧する押圧手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石型モータ。
5. 前記押圧手段を、前記固定子コアの周方向に離間させて、前記フレームに複数設けたことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型モータ。
6. 前記押圧手段を、前記固定子コアの軸方向に離間させて、前記フレームに複数設けたことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型モータ。
7. 前記押圧手段を、前記固定子コアの周方向に離間させて、前記フレームに複数設けたことを特徴とする請求項４に記載の永久磁石型モータ。
8. 前記押圧手段の先端に、該押圧手段の押圧力を分散させるための固定子コアの軸長に相当する長さの板部材を備えたことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型モータ。
9. 前記固定子コアの応力がゼロの状態のときの比透磁率が最大となる磁束密度をＢmax[Ｔ]とするとき、前記固定子コアの、前記押圧手段により押圧され応力を発生する部分の磁束密度Ｂ[Ｔ]が、
   Ｂmax[Ｔ]−０．５[Ｔ]≦Ｂ[Ｔ]≦Ｂmax[Ｔ]＋０．５[Ｔ]
   とされていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の永久磁石型モータ。
10. 前記磁束密度Ｂ[Ｔ]が、
    Ｂ[Ｔ]＝Ｂmax[Ｔ]
    とされていることを特徴とする請求項９に記載の永久磁石型モータ。
    
    

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