JP2008278623A - Highly efficient and low-noise motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば電気自動車、FAの各種機器の駆動、電気自転車、電気スクータ、あるいは電気掃除機等へ適用されるモータに関し、特に軟磁性材とこれを用いたモータに関するものである。 The present invention relates to a motor applied to, for example, driving of various electric vehicles, FA devices, electric bicycles, electric scooters, vacuum cleaners, and the like, and more particularly to a soft magnetic material and a motor using the same.
近年、電気、電子機器の小型化が進んでおり、それにつれてハイパワー化とともに、高効率化が要求されている。特にモータは半導体製品と並ぶ「産業の米」として多くの産業をささえ、種々の製品に使用されている。例えば、カメラ産業においては、近年では機能の自動化が進み、オートフォーカスやズームレンズの駆動回路、またフィルムの自動巻き上げ機構などにこの小型電動モータが使用されている。 In recent years, miniaturization of electric and electronic devices has progressed, and accordingly, higher power and higher efficiency are required. In particular, motors are used in various products as “industrial rice” alongside semiconductor products. For example, in the camera industry, in recent years, the automation of functions has progressed, and this small electric motor is used for an autofocus and zoom lens drive circuit, an automatic film winding mechanism, and the like.
小形モータの中でも、PM型2相ステッピングモータを含むクローポール型同期モータは、安価に製造出来る構造を持ち、その代表的なものが非特許文献1に記載されている。
Among small motors, a claw pole type synchronous motor including a PM type two-phase stepping motor has a structure that can be manufactured at low cost, and a typical one is described in Non-Patent
従来のクローポール型同期モータは、当初はステップ動作用のものとして低周波域で用いられていたが、近年は、OA機器のような低速から高速までの領域で運転される機器に用いられるようになり、低周波域から高周波域で作動するものが必要になって来ている。 Conventional claw-pole type synchronous motors were originally used in the low frequency range for stepping operation, but in recent years, they have been used in equipment operating in the low speed to high speed areas such as OA equipment. Therefore, what operates in a low frequency range to a high frequency range is needed.
しかしながら、従来のクローポール型同期モータでは、クローポール即ち極歯はトルクを重視するために面積を大きくしているので、低周波域でしか作動出来なかった。これに対して極歯の面積を単純に小さくすることによって、高周波域で作動するようには出来るが、この場合は大きなトルクを得ることができない。いずれにしても、従来のクローポール型同期モータでは、トルクをあまり落とさずに低周波域から高周波域までの作動範囲をカバー出来ないという問題があった。 However, in the conventional claw-pole type synchronous motor, the claw pole, that is, the pole teeth, has an increased area in order to place importance on the torque, and therefore can only operate in a low frequency range. On the other hand, it is possible to operate in the high frequency range by simply reducing the area of the pole teeth, but in this case, a large torque cannot be obtained. In any case, the conventional claw pole type synchronous motor has a problem that the operating range from the low frequency range to the high frequency range cannot be covered without reducing the torque so much.
また、従来の圧粉磁心を用いたアキシャルモータにおいては、成形時の加圧方向に平行の磁束密度が直角方向のそれに比べて劣るため、鉄心を用いたモータと比較し、透磁率が低い。特に、肉厚の薄いボス部やスカート部を有する磁心ではその傾向が顕著にあらわれる。さらにボス部やスカート部の部位を有する電磁弁のステーターコアでは、これらの部位の加圧方向が磁路となるため、その方向の磁束密度の改善がバルブの開閉力を増す上で課題となっている。 Further, in the conventional axial motor using a dust core, the magnetic flux density parallel to the pressurizing direction at the time of molding is inferior to that in the perpendicular direction, so that the magnetic permeability is lower than that of a motor using an iron core. In particular, this tendency is prominent in magnetic cores having thin bosses and skirts. Furthermore, in the stator core of a solenoid valve having boss and skirt parts, the pressurizing direction of these parts becomes a magnetic path, so improvement of the magnetic flux density in that direction becomes a problem in increasing the opening and closing force of the valve. ing.
そこで、本発明は、磁性粉末を圧縮成形した圧粉磁心本体を備えた軟磁性材において、さらなる高磁束密度化による効率向上と、モータに共通な目標である低振動化を図り、そのような軟磁性材を用いて高効率低騒音のモータを提供することが課題である。 Therefore, the present invention aims at improving efficiency by further increasing the magnetic flux density and reducing vibration, which is a common goal for motors, in a soft magnetic material having a dust core body formed by compression molding magnetic powder. It is a problem to provide a motor with high efficiency and low noise using a soft magnetic material.
上記課題を解決する本発明の具体的な手段は、以下の通りである。
(1)モータにおいて、磁束の流れる方向に沿うように電磁鋼板を配置し、磁性粉末と潤滑材で前記電磁鋼板を包み込んで形成した磁心を用いることを特徴とするモータ。
(2)前記磁心において、ステータ構造を3次元構造とし、電磁鋼板を途中で切断することなく磁束の流れ方向に沿うように配置し、磁性粉末と潤滑材で前記電磁鋼板を包みこんで形成した磁心を用いてステータとすることを特徴とする(1)記載のモータ。
(3)前記磁心において、ティース先端部に配置されている電磁鋼板を、ロータの回転方向に対してロータとティースのギャップを順次大きくしていくことを特徴とする(1)又は(2)記載のモータ。
Specific means of the present invention for solving the above-described problems are as follows.
(1) A motor using a magnetic core formed by arranging an electromagnetic steel plate along a direction in which magnetic flux flows and enclosing the electromagnetic steel plate with magnetic powder and a lubricant.
(2) In the magnetic core, the stator structure is a three-dimensional structure, the electromagnetic steel sheet is arranged along the flow direction of magnetic flux without being cut in the middle, and the electromagnetic steel sheet is wrapped with magnetic powder and a lubricant. The motor according to (1), wherein a stator is formed using a magnetic core.
(3) (1) or (2), wherein in the magnetic core, the gap between the rotor and the teeth of the electromagnetic steel sheet disposed at the tip of the teeth is sequentially increased with respect to the rotation direction of the rotor. Motor.
本発明によれば、磁束の流れる方向に平行になるよう、磁性粉末に電磁鋼板を埋め込み、電磁鋼板を磁束の流れ方向に曲げ、ティース先端部に配置されている電磁鋼板を回転方向に対してロータとのギャップを大きくする磁心を用いることで、高効率、低騒音モータを得ることができる。 According to the present invention, the magnetic steel sheet is embedded in the magnetic powder so as to be parallel to the magnetic flux flow direction, the magnetic steel sheet is bent in the magnetic flux flow direction, and the electromagnetic steel sheet disposed at the tip of the teeth is rotated with respect to the rotation direction. By using a magnetic core that increases the gap with the rotor, a high-efficiency, low-noise motor can be obtained.
以下、この発明の実施の形態を添付の図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、その一例に係る永久磁石を用いたアキシャルモータを示す概略図である。モータは、ロータ1およびステータ2を備え、ステータ2は、コア、上部巻線と下部巻線を備えている。コアは、第1の上部磁心3と第2の下部磁心4を備える。上部磁心3は、下部磁心4に対して積層された層と把握できる。
FIG. 1 is a schematic view showing an axial motor using a permanent magnet according to one example. The motor includes a
これらのステータコアは、内部に電磁鋼板5が埋め込まれた、磁性粉末の圧粉体6で作製されている。この場合、磁束は永久磁石7からコアを通り、もう一方の永久磁石に流れている。磁束密度はコアの中で高いほど、機器の形状が小形化でき、かつ大トルクを発生することが出来る。10,000A/mの磁束密度は、粉末磁心で1.68T程度で、電磁鋼板(35A210)では1.80Tであり、磁心には電磁鋼板を用いることが好ましい。しかしながら、3次元形状の場合、限られた複雑なスペースに電磁鋼板片を充填することは困難で、これを克服するため、粉末磁心が用いられている。 These stator cores are made of a green compact 6 in which an electromagnetic steel plate 5 is embedded. In this case, the magnetic flux flows from the permanent magnet 7 through the core to the other permanent magnet. The higher the magnetic flux density in the core, the smaller the shape of the device and the greater the torque. The magnetic flux density of 10,000 A / m is about 1.68 T for the powder magnetic core, 1.80 T for the magnetic steel sheet (35A210), and it is preferable to use the magnetic steel sheet for the magnetic core. However, in the case of a three-dimensional shape, it is difficult to fill a limited complex space with electromagnetic steel sheet pieces, and a powder magnetic core is used to overcome this.
本発明のモータにおいては、電磁鋼板で充填できない空間を磁性粉末で補う構造にしている。また、磁束の流れと平行に配置した電磁鋼板が途中で途切れると透磁率および磁束密度が低下する。したがって、磁性粉末内に埋め込まれた電磁鋼板は磁束の流れと平行に連続していることが好ましい。磁束が曲線を描いて流れる場合は、電磁鋼板もこの曲線に合わせて曲げて配置することで、透磁率を低下させないようにする。磁気特性以外の問題では、ロータを回転したとき、ティースとスロット間の透磁率が急激に変化する場合、トルクの変動が大きく、振動を発生しやすい。この場合、磁性粉末で形成されたコア内の電磁鋼板とロータ間のギャップをティースの中心から、順次高くする構造にすると、コギングトルクが減少する。 In the motor of the present invention, the space that cannot be filled with the electromagnetic steel sheet is made up with a magnetic powder. Moreover, if the magnetic steel sheet disposed in parallel with the flow of magnetic flux is interrupted, the magnetic permeability and the magnetic flux density are lowered. Therefore, it is preferable that the magnetic steel sheet embedded in the magnetic powder is continuous in parallel with the flow of magnetic flux. When the magnetic flux flows in a curved line, the magnetic steel sheet is also bent according to the curved line so as not to lower the magnetic permeability. As for problems other than magnetic characteristics, when the rotor rotates, if the permeability between the teeth and the slot changes abruptly, the torque varies greatly, and vibration is likely to occur. In this case, if the gap between the electromagnetic steel plate and the rotor in the core made of magnetic powder is increased sequentially from the center of the teeth, the cogging torque is reduced.
実際のφ300mm×100mmのアキシャルモータで試作した場合、モータの効率は電磁鋼板を磁性粉末に埋め込んだことで1.3%向上した。さらに、電磁鋼板を磁束の流れる方向に平行にまげて構成するとさらに、0.5%の向上が見られた。騒音はティース部のロータ対抗表面に対し、均一に分布したものより、径方向のエッジに行くに従いロータからの距離を2倍に配置した構造で、トルクリップルを30.5%から16.1%に低減することが出来た。 When a prototype was manufactured with an actual φ300 mm × 100 mm axial motor, the efficiency of the motor was improved by 1.3% by embedding the magnetic steel sheet in the magnetic powder. Furthermore, when the magnetic steel sheet was configured to be parallel to the direction in which the magnetic flux flows, an improvement of 0.5% was observed. The noise is a structure where the distance from the rotor is doubled as it goes to the edge in the radial direction, rather than being evenly distributed on the rotor facing surface of the tooth part, and the torque ripple is 30.5% to 16.1% It was possible to reduce it.
次に、実施例にもとづき本発明をさらに説明する。 Next, the present invention will be further described based on examples.
ここで、トルクリップルとは、ロータを回転する際に生じる、トルク変動を定量的に表したもので、平均トルクに対するその変動の割合を意味する。また、磁性粉体とは、強磁性を帯びる粉末で、具体的に純Fe粉、Fe−Si、Fe−Si−Al、Fe−Ni、アモルファス、ナノクリスタル(ナノ結晶合金)などの粒状の軟磁性粉末からなり、これらの表面には電気絶縁処理がなされているものをいう。さらに、潤滑材とは、プレス時、磁性粉末の充填率が高く、隙間を作らないように移動促進のため用いるもので、具体的にはステアリン酸、オレイン酸などの脂肪酸などが利用できる。 Here, the torque ripple is a quantitative expression of torque fluctuation that occurs when the rotor rotates, and means the ratio of the fluctuation to the average torque. In addition, magnetic powder is ferromagnetic powder, specifically granular soft powder such as pure Fe powder, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorphous, nanocrystal (nanocrystalline alloy). These are made of magnetic powder and the surfaces thereof are electrically insulated. Further, the lubricant is used for promoting the movement so that the filling rate of the magnetic powder is high at the time of pressing so as not to form a gap. Specifically, fatty acids such as stearic acid and oleic acid can be used.
図1に示す3スロット/4極アキシャルモータを対象とし、本発明の条件を満たしたステータ2によりモータを作製した。上述した図1に示すコアでは、上部の磁心はいずれも上部磁心3に沿って巻線を配置し、下部の磁心はいずれも下部磁心4に沿って巻線を配置する。従って、上部磁心および下部磁心に巻線を配置するだけで、巻線の構成を分布巻かつ2段にすることができる。 A motor was manufactured by using the stator 2 that satisfies the conditions of the present invention for the 3-slot / 4-pole axial motor shown in FIG. In the core shown in FIG. 1 described above, the upper magnetic core has windings arranged along the upper magnetic core 3, and the lower magnetic cores all have windings arranged along the lower magnetic core 4. Therefore, the winding structure can be distributed and arranged in two stages only by arranging the windings in the upper magnetic core and the lower magnetic core.
上部磁心と下部磁心は磁性粉末により一体化しており、かつ電磁鋼板5は、図1の点線に示すように磁束の流れる方向に平行に配置してある。これらの電磁鋼板は上部下部ともつながっており、コイルの内部に配置されるよう、曲線を持って磁束の流れる方向に平行に配置されている。よって、当該コアに巻線を設けて電機子を形成し、下部側及び上部側の少なくとも一方にロータ1を配置することで、電機子で発生した磁束をロータに多く与えることができる。これは、電機子とロータとの間で相対的な駆動を行う場合に、駆動の効率を良くする。
The upper magnetic core and the lower magnetic core are integrated by magnetic powder, and the electromagnetic steel sheet 5 is arranged in parallel to the direction in which the magnetic flux flows as shown by the dotted line in FIG. These electromagnetic steel sheets are also connected to the upper and lower parts, and are arranged in parallel with the direction in which the magnetic flux flows so as to be arranged inside the coil. Therefore, by providing a winding on the core to form an armature and disposing the
ティース表面については、電磁鋼板の先端を均一な高さに配置したものより、径方向のエッジに行くに従いロータからの距離をギャップ距離の0.3から2倍に離して配置した構造であるとトルクリップルが抑えられ、騒音の低いモータが出来る。 The tooth surface has a structure in which the distance from the rotor is separated from 0.3 to 2 times the gap distance as it goes to the edge in the radial direction, rather than the one in which the tip of the electromagnetic steel sheet is arranged at a uniform height. Torque ripple is suppressed and a motor with low noise can be produced.
表1と表2に、この実施例に基づいて作成した磁心を用いたモータと従来の圧粉磁心を用いたモータとを比較した結果を示す。本発明で規定した条件を満たす磁心を用いることにより、モータの高効率化および低騒音化が図れた。 Tables 1 and 2 show the results of comparison between a motor using a magnetic core prepared based on this example and a motor using a conventional dust core. By using a magnetic core that satisfies the conditions defined in the present invention, high efficiency and low noise of the motor can be achieved.
以下、第2の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図1よりスロット数の多い、18スロットクローポール型モータを対象とし、本発明の条件を満たしたステータによりモータを作製した。図2に示すステータも、内部を電磁鋼板で形成し、そのまわりを圧粉体で包含した形状で、Aステータリング8とBステータリング9からなる。その間にU相コイルとV相コイルを備える。AステータリングとBステータリングは軸線のL方向に重ね合わされる。
The second embodiment will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, an 18-slot claw pole type motor with a larger number of slots was used, and a motor was manufactured using a stator that satisfied the conditions of the present invention. The stator shown in FIG. 2 also includes an A stator ring 8 and a B stator ring 9 in a shape in which the inside is formed of an electromagnetic steel plate and the periphery thereof is enclosed by a green compact. In the meantime, a U-phase coil and a V-phase coil are provided. The A stator ring and the B stator ring are overlapped in the L direction of the axis.
ステータリングの内端はT字状をなし、テーパーしながら軸線のL方向両側に延びている。磁性粉末で形成されたティース10の内部には電磁鋼板11が配置され、ティースの外側にはコイルの径方向の高さに対応する部分であり、それよりも径方向内側の部分はポール12となる。ここで、ポールとは、磁束がロータに向かって発生する磁極を意味する。 The inner end of the stator ring is T-shaped and extends to both sides of the axis in the L direction while being tapered. An electromagnetic steel plate 11 is disposed inside a tooth 10 formed of magnetic powder. A portion corresponding to the height in the radial direction of the coil is provided on the outside of the tooth. Become. Here, the pole means a magnetic pole in which magnetic flux is generated toward the rotor.
図2から明らかなように、Aステータリング8はBステータリング9に関して鏡面対称な部材であり、かつ裏返すことでBステータリングと互換可能な同一形状を有している。 As apparent from FIG. 2, the A stator ring 8 is a mirror-symmetrical member with respect to the B stator ring 9, and has the same shape that can be interchanged with the B stator ring by turning it over.
本実施例のモータは二相交流で作動するものであり、U相、V相のポールは電気角で90°ずつ周方向にずれて配置される。それに対してロータの各永久磁石はU相、V相のポールに対して共用されていて同一位相の磁束を発生する。これにより各相のポールはロータに均一なトルクを発生させることができる。 The motor of this embodiment operates with a two-phase alternating current, and the U-phase and V-phase poles are arranged with an electrical angle shifted by 90 ° in the circumferential direction. On the other hand, each permanent magnet of the rotor is shared by the U-phase and V-phase poles and generates the same phase magnetic flux. Thereby, the pole of each phase can generate a uniform torque in the rotor.
Aステータリング8およびBステータリング9においては、電磁鋼板11は図3に示すように磁束の流れる方向に平行に配置してある。これらの電磁鋼板は周りに磁性粉末で覆われており、ひとつのリングを構成している。よって、当該コアに巻線を設けて電機子を形成し、リング内部に回転子を配置することで、電機子で発生した磁束を回転子に多く与えることができる。これは、電機子と回転子との間で相対的な駆動を行う場合に、駆動効率を良くする。 In the A stator ring 8 and the B stator ring 9, the electromagnetic steel plate 11 is arranged in parallel to the direction in which the magnetic flux flows as shown in FIG. These electromagnetic steel sheets are covered with magnetic powder and constitute one ring. Therefore, by providing a winding on the core to form an armature and disposing the rotor inside the ring, a large amount of magnetic flux generated by the armature can be given to the rotor. This improves driving efficiency when relative driving is performed between the armature and the rotor.
ティース9表面については、電磁鋼板の先端を均一な高さに配置したものより、径方向のエッジに行くに従いロータからの距離をギャップの2倍に離して配置した構造を用いた。そうすることでトルクリップルが抑えられ、騒音の低いモータができる。 As for the surface of the teeth 9, a structure in which the distance from the rotor is set to be twice the gap as it goes to the edge in the radial direction is used rather than a structure in which the tips of the electromagnetic steel plates are arranged at a uniform height. By doing so, torque ripple is suppressed and a motor with low noise can be produced.
表3と表4に、この実施例に基づいて作成した磁心を用いたモータと従来の圧粉磁心を用いたモータとを比較した結果を示す。本発明で規定した条件を満たす磁心を用いることにより、モータの高効率化および低騒音化が図れた。 Tables 3 and 4 show the results of comparison between a motor using a magnetic core prepared based on this example and a motor using a conventional dust core. By using a magnetic core that satisfies the conditions defined in the present invention, high efficiency and low noise of the motor can be achieved.
1 ロータ
2 ステータ
3 上部磁心
4 下部磁心
5 電磁鋼板
6 磁性粉末の圧粉体
7 永久磁石
8 Aステータリング
9 Bステータリング
10 ティース
11 電磁鋼板
12 ポール
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