JP2006074976A

JP2006074976A - 永久磁石型電動機

Info

Publication number: JP2006074976A
Application number: JP2004258954A
Authority: JP
Inventors: Takao Yabumi; 崇生藪見
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】コギングトルクの低減と通電時のトルクリップルの低減とを高度に両立させることが可能な永久磁石型電動機を提供する。
【解決手段】本発明の永久磁石型電動機は、永久磁石をロータに有する永久磁石型電動機であって、前記永久磁石にスキュー着磁が施され、前記スキュー着磁の方向が少なくとも２回にわたり反転させられ、前記反転がコギングトルクとトルクリップルとがともに低減されるようにしてなされるものである。
【選択図】図８

Description

本発明は、永久磁石型電動機に関する。さらに詳しくは、コギングトルクおよび通電時のトルクリップルが低減された永久磁石型電動機に関する。

従来より、様々な用途にコギングトルクと、通電時のトルクリップルの小さい電動機が求められている。例えばＥＰＳ（電動パワーステアリング）用モータに代表される回転滑らかさが要求されるモータや、リニアアクチュエータ用モータに代表される位置精度が必要とされるモータは、コギングトルクおよびトルクリップルの低減の要求値が非常に高い。

コギングトルクを低減する方法として、コギングトルクの周期に対応する角度のスキュー着磁を電動機に施すことが考えられる（特許文献１等参照）。ところが、コギングトルクを低減するのに最適なスキュー角が通電時のトルクリップルを低減できるスキュー角ではない場合、コギングトルとトルクリップルとを共に低減することは困難になる。

例えば、ロータ（回転子）に用いられる永久磁石の極数が「４」、ステータ（固定子）のスロット数（極数）が「１２」である場合（以下、４極１２スロット、などと表現する）には、コギングトルクが最小となる理論上の最適スキュー角度は、ロータ極数「４」とステータスロット数「１２」との最小公倍数である「１２」で、１周３６０度を割った角度である３０度となる。

一方、方形波で駆動される電動機の場合、線間誘起電圧をより方形波に近づけなければトルクリップルが増大することが知られている。このとき、前記４極１２スロットの電動機では、スキュー角度を少なくとも１５度以下に設定する必要がある。

したがって、このような場合には、コギングトルクが最小となる最適スキュー角度では、通電時のトルクリップルを十分に低減することができず、前述した低減の要求値を満足することが困難になるといった問題がある。
特開平８−２２３８３２号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、コギングトルクの低減と通電時のトルクリップルの低減とを高度に両立させることが可能な永久磁石型電動機を提供することを目的としている。

本発明の永久磁石型電動機は、永久磁石をロータに有する永久磁石型電動機であって、前記永久磁石にスキュー着磁が施され、前記スキュー着磁の方向が少なくとも２回にわたり反転させられてなることを特徴とする。

本発明の永久磁石型電動機においては、全体スキュー角度がトルクリップルを最小とする角度となるように、スキュー着磁の方向が反転させられてなるのがさらに好ましい。

本発明の永久磁石型電動機によれば、ラジアル異方性磁石を用いてもコギングトルクとトルクリップルとの低減を同時に高度に実現でき、電動機の滑らかな回転が確保されるという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係る永久磁石型電動機の要部を斜視図で示す。図２に、同電動機要部を一部切り欠き斜視図で示す。図３に、電動機Ｋの駆動回路Ｂを示す。この駆動回路Ｂは、方形波により電動機Ｋを駆動する、Ｕ、Ｖ、Ｗ、３相のブラシレスモータ駆動回路とされている。

電動機Ｋは、図１および図２に示すように、円柱形状のロータ（回転子）１と、このロータ１の外周面を囲むように配されたステータ（固定子）２とを含む。

ステータ２は、図２に示すように、大径円筒体形状のステータヨーク２ａと、ステータヨーク２ａ内側に周方向所定間隔、例えば３０°ピッチでロータ１の外面に向けて立設されたステータネック２ｂと、ロータ１の外面と対向するように各ステータネック２ｂの先端に設けられたステータティース２ｃとを含む。各ステータネック２ｂは、図示省略するが、ステータ２の周方向例えば右回りの順に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかに対応する駆動コイルが巻回されるものとされる。

ロータ１は、図１に示すように、シャフト（電動機出力軸）１１に磁極を構成している永久磁石１２を外嵌してなるものとされる。永久磁石１２は、図２に示すように、外面から内面に向けてＮ極−Ｓ極が形成された部分（図の網掛けの部分）１２ａと、その逆に内面から外面に向けてＮ極−Ｓ極が形成された部分（図の白抜きの部分）１２ｂとが周方向に交互に配置されるように着磁され、これにより周方向に並ぶ各磁極が形成されている。なお、図２は、永久磁石１２が６極の場合を示す。

ここで、実施形態の永久磁石１２は、熱間押出加工によるラジアル異方性磁石（材質：Ｎｄ-Ｆｅ-Ｂ）とされる。熱間押出加工によるラジアル異方性磁石は、図４に示すように、成形容器２１に入れられた磁石素材２２をポンチ２３により押し出すことにより磁石素材の成形がなされる。このため、成形された磁石素材の特性が一様ではなく、押出方向に依存性を有し、長手方向（ロータ１の軸方向）に沿って特性分布を生ずる。例えば、図４に示す例では、保磁力は、上端で最小であり、下に行くにしたがって大きくなり、そして下端で最大となる。そのため、一様な所定磁界による着磁では、出来上がった磁石の磁力が一様とはならない。

なお、本明細書では、前記製法により製作された磁石素材において、保磁力が最大となる端部を高保磁力端と称し、その逆に保磁力が最低となる端部を低保磁力端と称することにする。

図５に、このようなラジアル異方性磁石素材からなる永久磁石１２の保磁力特性を示す。この実施形態では、図５に二点鎖線Ｌ１で示すように、永久磁石１２の軸方向上端（ここでは低保磁力端）の保磁力が８１０ｋＡ/ｍ、軸方向下端（高保磁力端）の保磁力が８８０ｋＡ/ｍ、その間は保磁力が直線的に変化するものとされる。

しかるに、一般的になされているスキュー着磁を用いたコギングトルク低減方法は、コギングトルクの周期性を利用し、図６に示すように、その周期に対応させたスキュー角度θで永久磁石１２を着磁することにより、コギングトルクを相殺させてコギングトルクを低減させようとするものである。そのためには、磁石の軸方向の保磁力は一定であることが前提として必要であり、保磁力が一定でない場合には、理論上の最適スキュー角度で永久磁石１２にスキュー着磁を施しても保磁力が一定である場合のようにコギングトルクを低減させることはできない。

図７に、永久磁石１２の軸方向に８１０ｋＡ/ｍ−８８０ｋＡ/ｍの保磁力分布がある場合のコギングトルク特性を二点鎖線Ｌ１１により示す。また、保磁力が一定（８４５ｋＡ/ｍ）である場合のコギングトルク特性を破線Ｌ１２により示す。図７において、最大コギングトルクとは、無通電時のモータ１回転におけるトルク最大値とトルク最小値の差、いわゆるpeak to peak値である。

そのため、この実施形態では、図８に折れ線Ｌ２１により示すように、全体スキュー角度θ１がトルクリップルを最小にする角度（トルクリップル最小化スキュー角度と称する）となるように、各部分のスキュー角度をコギングトルクが最小となる最適スキュー角度に維持しながら、スキューの方向を所定位置（スキュー方向変更位置と称する）Ｐ１、Ｐ２で例えば２回にわたり反転させるものとされる。

ここで、全体スキュー角度θ１は、折れ線Ｌ２１の始点（下端点）と終点（上端点）とを結ぶ線分Ｌ２２によるスキュー角度をいう。

以下、スキューの方向を反転させる理由を述べる。

電動機Ｋが方形波により駆動される場合、通電時のトルクリップルを低減するためには線間誘起電圧をより方形波に近づける必要がある。すなわち、図９に示すように、方形波の波幅が１８０度（電気角）であることから、トルクリップルを低減するためには線間誘起電圧において１相あたり１２０度（電気角）以上の平坦部分、つまり、１相あたり約６７％（１２０／１８０×１００＝６６．６６・・・）以上の平坦部分が必要になる。

また、通電時のトルクリップルを低減するためには、スキュー角度は、前記平坦部両端に相当する電気角である３０度（（１８０−１２０）／２＝３０）に影響を与えない角度にする必要がある。この角度は、極数「４」の永久磁石の機械角に換算すると約１４．９度（（９０（１極分の機械角）×０．３３）／２＝１４．８５）である。さらに、実際の着磁では極の変わり目に傾斜が発生することから、それを考慮して計算すると、トルクリップル最小化スキュー角度は、約１２．５度（機械角）以下の角度となる。

一方、コギングトルクを最小にする最適スキュー角度は、例えばロータ１の極数が「４」、ステータ２のスロット数（極数）が「１２」であれば、「４」と「１２」の最小公倍数「１２」により３６０度を割った値である３０度となるが、前述したような保磁力の分布を有する永久磁石１２においては、実際の最適スキュー角度は理論上の最適スキュー角度（３０度）よりもさらに大きなものとなる。したがって、４極１２スロットの電動機Ｋの場合は、実際の最適スキュー角度とトルクリップル最小化スキュー角度とがさらに大きく異なることになり、コギングトルクとトルクリップルとを共に高度に低減することは困難になる。

このため、この実施形態では、コギングトルクと通電時のトルクリップルを共に高度に低減することを可能とするために、永久磁石１２に施されるスキューの角度を全体としてトルクリップルを低減できるスキュー角度とし、かつ永久磁石１２の軸方向各位置においてはコギングトルクを低減し得る角度でスキューを施すことができるように、スキュー着磁の方向を少なくとも２回にわたり適宜位置で変更するものとしている。

以下、図１０を参照して、本発明の実施例を説明する。図１０において、実施例１〜実施例４は、軸方向長さが５５ｍｍである永久磁石１２において、スキュー着磁の方向を２回反転させる場合の前記２つのスキュー方向変更位置Ｐ１、Ｐ２を後述する各位置に設定し、そのようにスキュー方向変更位置Ｐ１、Ｐ２が設定された各場合について、全体スキュー角度θ１と最大コギングトルクとの関係を調べたものである。

実施例１は、下側のスキュー変更位置Ｐ１を永久磁石１２の下端（高保磁力端）から上端（低保磁力端）に向かって２５．０ｍｍの位置に設定し、上側のスキュー変更位置Ｐ２を下側のスキュー変更位置Ｐ１から永久磁石１２の上端（低保磁力端）に向かって１５．０ｍｍの位置に設定した場合である。このとき、上側のスキュー変更位置Ｐ２から永久磁石１２の上端（低保磁力端）までの長さは１５．０ｍｍとなる。

図１０に示すように、実施例１では、最大コギングトルクを最小にする全体スキュー角度θ１は約１９度であった。

実施例２は、下側のスキュー変更位置Ｐ１を永久磁石１２の下端（高保磁力端）から上端（低保磁力端）に向かって２３．０ｍｍの位置に設定し、上側のスキュー変更位置Ｐ２を下側のスキュー変更位置Ｐ１から永久磁石１２の上端（低保磁力端）に向かって１６．０ｍｍの位置に設定した場合である。このとき、上側のスキュー変更位置Ｐ２から永久磁石１２の上端（低保磁力端）までの長さは１６．０ｍｍとなる。

図１０に示すように、実施例２では、最大コギングトルクを最小にする全体スキュー角度θ１は約１８度であった。

実施例３は、下側のスキュー変更位置Ｐ１を永久磁石１２の下端（高保磁力端）から上端（低保磁力端）に向かって２１．０ｍｍの位置に設定し、上側のスキュー変更位置Ｐ２を下側のスキュー変更位置Ｐ１から永久磁石１２の上端（低保磁力端）に向かって１７．０ｍｍの位置に設定した場合である。このとき、上側のスキュー変更位置Ｐ２から永久磁石１２の上端（低保磁力端）までの長さは１７．０ｍｍとなる。

図１０に示すように、実施例３では、最大コギングトルクを最小にする全体スキュー角度θ１は約１６度であった。

実施例４は、下側のスキュー変更位置Ｐ１を永久磁石１２の下端（高保磁力端）から上端（低保磁力端）に向かって１５．０ｍｍの位置に設定し、上側のスキュー変更位置Ｐ２を下側のスキュー変更位置Ｐ１から永久磁石１２の上端（低保磁力端）に向かって２０．０ｍｍの位置に設定した場合である。このとき、上側のスキュー変更位置Ｐ２から永久磁石１２の上端（低保磁力端）までの長さは２０．０ｍｍとなる。

図１０に示すように、実施例４では、最大コギングトルクを最小にする全体スキュー角度θ１は約１２．５度であった。

また、参考例は、スキュー着磁の方向を変更しない通常のスキュー着磁によるものであり、この場合には、最大コギングトルクが最小となるスキュー角度は図の右端の角度（２５度（機械角））よりも大きくなっている。

図１０より、最大コギングトルクの最小値は実施例１〜４を通じてほとんど変化しないが、最大コギングトルクが最小となるスキュー角度（全体スキュー角度θ１）はスキュー方向変更位置Ｐ１、Ｐ２の設定に応じて変化するのが分かる。前述したように、通電時のトルクリップルを小さくするためにはスキュー角度（全体スキュー角度θ１）を１２．５度（電気角）以下にする必要がある。したがって、実施例１〜４の中では、実施例４が、コギングトルクの低減と通電時のトルクリップルの低減とを高度に両立させることができる最適な位置に前記スキュー方向変更位置Ｐ１、Ｐ２が設定されたものであるといえる。

また、図１０に示すように、各実施例１〜４においては、コギングトルクを２．５ｍＮ・ｍ〜３．５ｍＮ・ｍの範囲に抑えることが可能である。現状ではＥＰＳ用に適した出力のブラシレスモータは、２０ｍＮ・ｍ程度のコギングトルクを有するのが通常であり、ＥＰＳ用の電動機としてはコギングトルクが１０ｍＮ・ｍ以下であることが望ましいことから、スキューの方向を少なくとも２回以上変更することにより、例えばＥＰＳ用電動機として十分な程度までコギングトルクを低減できることが分かる。

なお、実施形態では、スキュー着磁の方向を変える回数を２回としたが、永久磁石の軸方向長さ、極数、スロット数等に応じて、スキュー着磁の方向を変える回数をより適切な回数（４回、６回、・・・）に設定し得ることは勿論である。

本発明は、滑らかな動作性を要求される電動式駆動装置に適用できる。

本発明の一実施形態に係る永久磁石型電動機のロータおよびステータの構造を示す斜視図である。同構造の詳細を示す一部切欠き斜視図である。本発明の永久磁石型電動機に適用可能な駆動回路の一例を示す図である。ラジアル異方性磁石の磁石素材の成形要領を示す説明図である。ラジアル異方性磁石からなる永久磁石の保磁力特性を示すグラフ図である。通常の方法によるスキュー着磁の態様を示す斜視図である。永久磁石の保磁力特性が相違する場合のスキュー角度とコギングトルクとの関係を示すグラフ図である。実施形態における着磁の態様を模式的に示す斜視図である。トルクリップルと線間誘起電圧波形との関係を示すグラフ図である。本発明の各実施例における全体スキュー角度とコギングトルクとの関係を示すグラフ図である。

符号の説明

Ｋ永久磁石型電動機
１ロータ（回転子）
２ステータ（固定子）
１１シャフト（電動機出力軸）
１２永久磁石

Claims

永久磁石をロータに有する永久磁石型電動機であって、
前記永久磁石にスキュー着磁が施され、前記スキュー着磁の方向が少なくとも２回にわたり反転させられてなることを特徴とする永久磁石型電動機。
全体スキュー角度がトルクリップルを最小とする角度となるように、スキュー着磁の方向が反転させられてなることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型電動機。