JP2008301628A - ハイブリッド式永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明課題は、複合ハイブリッド型回転子による回転電機の安価で高トルク、低振動な回転電機の実現である。
【解決手段】
2相８主極でそれらの各先端に６個の誘導子歯をその歯ピッチを不等ピッチで特定化して有し、エアギャップを介して回転自在に設けられた複数個の歯を等ピッチに有した回転子を２個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分づらして挟持した単位回転子を２組、近接部を同極性に設けて軸方向に分離した2つの磁気回路を有するハイブリッド型回転電機として任意の１主極の6個パーミアンスの第4次高調波成分の2つの磁気回路による合計１２のベクトル内で第４次平面内でパーミアンスベクトルをバランスさせたことを手段とする永久磁石式回転電機。
【選択図】 図１

Description

本発明は巻き線極である主極の数が８個の２相式固定子とハイブリッド永久磁石式回転子を２個同軸に近接して設けそれらの永久磁石を互いに逆方向に反発磁化したステッピングモータ等の回転電機に関する。

小型で高トルク、低振動がＯＡ機器等に使用されるステッピングモータ等の回転電機に
要求されている。この問題を解決する手段の一つとして以下の先行技術がある。

日本国公開特許 平３−２１２１４９

１）ハイブリッド（以下ＨＢと略す）の構造のステッピングモータで大きなトルクを得ようとすると、軸方向に固定子積厚を増加させてトルクを増加させるがこのときモータ径が決められているので永久磁石の磁束を出す面積も決まっているため単に磁石の厚みを増加させても磁束は増加せず磁石も２個使用することになりＨＢ型回転子を２個軸方向に設ける。即ち回転子は永久磁石を挟持してその外周に均等ピッチで複数の磁歯を有した磁性体回転子を２個でその歯ピッチの１／２ずらして形成したHB型回転子を軸方向に非磁性円板を介して２個以上配置した多段回転子を用いている。しかし以下の回転子に関する問題点と固定子に関する問題点で十分大きなトルクを低振動で得ることができなかった。
２）回転子に関する問題点は上述した２段回転子間に磁気絶縁のための所定の厚さの非磁性円板（後述する図３の３３）を介在させ、軸方向に同一方向に磁化する方式ではその非磁性円板部分はトルクを発生せずまたその付近では2つの磁気回路の磁束が弱め合う方向となり高トルク化の阻害要因であった。また非磁性板の厚みが十分でないと漏洩磁束が発生してトルクが期待したほど出ない問題があった。
またアルミ等の非磁性円板の使用は回転機の価格を高くするものであった。
３）回転子を多段として固定子積み厚を増加すると永久磁石の磁束によるコギングトルクも増加してこのコギングトルクがモータ回転時の振動トルクを発生させたり位置決め精度を悪化させる問題が発生する。そこでこのコギングトルクを低減させるために回転子歯ピッチに対して固定子の主極の先端に設ける誘導子歯ピッチを一定の角度だけ異ならせてコギングトルクを減少させる先行技術の引例としてあげた「特許文献１」等の適用が考えられるが、回転子が多段の複合回転子の場合は磁気回路のバラツキや固定子の積み厚大の場合の軸方向の固定子積層方向の磁気抵抗のバラツキの増大による影響、あるいは固定子の６個の誘導子歯の内側位置、中央部位置、外側部位置によるパーミアンスの偏差の影響で十分な空間高調波の低減ができず、従ってコギングトルクを十分にキャンセルさせることが困難であるという固定子における問題があった。
以上のような回転子及び固定子の問題がありこれらを解決するのが課題となる。

本発明を実現するには以下の手段による。
「手段１」
四辺形を含めた多角形や環状の磁性体より放射状に設けた2相８主極でそれらの各先端に６個の誘導子歯を有し、エアギャップを介して回転自在に設けられた複数個の歯を等ピッチに有した回転子を２個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分づらして挟持した単位回転子を２組、単位回転子ＡとＢとして共通回転軸上に設けて近接させ、単位回転子ＡとＢの近接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化されて回転子を形成し、この回転子の２個の単位回転子による軸方向に分離した2つの磁気回路を有するハイブリッド型回転電機において、固定子の８個の主極の各先端に設けた６個の誘導子歯は中央に位置する第１のピッチを形成するお互いに隣接する一対２個の内側位置歯と、これらの歯の各々に第２のピッチで隣接して配置される中間位置の歯と、この中間位置の歯の各々にこれより第３のピッチで隣接される外側位置の歯とよりなり、第１から第３のピッチがお互いに少なくとも1個は異なり、且つ回転子歯ピッチとも異なり、第1の中央ピッチの片側の内側、中間、外側の３個の歯群のパーミアンスの第4次高調波成分の和を零となるようにし、かつ2つの群の第4次高調波平面のそれぞれの軸対象となる2個の歯のパーミアンスのベクトルの和も零にとなるようにし、モータ全体としては軸方向に設けた2つの磁気回路により別々に2重にパーミアンスの第4次高調波成分の和を零としたことを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段２」
手段１で、2つの群内の少なくとも１対の小歯の歯幅が他の小歯の歯幅と異なることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段３」
手段１で、内側位置小歯幅を第1のピッチで割り算した値、中間位置小歯幅を第２のピッチで割り算した値、及び、外側位置の小歯幅を第3のピッツチで割り算した値がともに０．３７〜０．３９であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
「手段４」
手段１で、2つの群内の少なくとも１対の小歯の回転子との空隙が他の小歯の空隙と異なることを手段とする永久磁石式回転電機。

１）２個のＨＢ回転子をお互いに軸方向で逆極性に着磁して同軸上で近接させる回転子の採用で漏洩磁束が少なくて異方向磁束の干渉による減少も無くスペースの無駄もないため高トルクが得られる。
２）固定子の６個の誘導子歯を中央から両サイドに3個づつの歯で構成する2つの歯群にして、その歯ピッチを隣接の歯ピッチと異ならせた不等ピッチ歯位置構成とすることで、第4次の空間高調波を消す自由度を増加させることができる。
３）更に２つの誘導子歯群の中から選んだ少なくとも一対の歯幅を変えることで、磁気回路のアンバランスの影響や固定子誘導子歯位置によるパーミアンスの違いによる影響をキャンセルさせて高調波の低減効果を高めることができる。
４）あるいは２個のＨＢ回転子をお互いに軸方向で逆極性に着磁して同軸上で近接させる回転子により軸方向に回転子の永久磁石からの磁束による磁気回路を２つの短磁気回路することで各磁気回路の部分で磁束密度がより均一となり高調波の低減効果を高めることができる。
５）ステッピングモータはエアギャップが０．０５ｍｍ程度に設計するため僅かなエアギャップのバラツキにより回転子による上述した2つの磁気回路間の磁気抵抗はモータ長を増大させるほどバラツキができる。この場合には従来の等ピッチ誘導子方式では高調波を十分に低減できない問題があった。これに対して誘導子歯ピッチの不等ピッチ効果による自由度の高い高調波の低減効果、更にこれに加えて不等歯幅効果により２重に高調波をキャンセルさせてることで2つの磁気回路間の磁気抵抗差による問題も本発明で解決できる。
６）更に歯幅比を適切に選べば回転子磁束が固定子コイルと漏洩磁束を最小にして鎖交するので高トルク化に有利である。それは内側位置小歯幅を第1のピッチで割り算した値、中間位置小歯幅を第２のピッチで割り算した値、及び、外側位置の小歯幅を第3のピッツチで割り算した値がともに０．３７〜０．３９とするものである。この値はコンピユータによる磁場解析で得られる値である。
７）さらに本発明で軸方向で２つの磁気回路に分割構成することで、回転子磁束を２分割させて誘導子の第４次高調波平面でのパーミアンスベクトルを２重で合計１２個のベクトルとして、不等ピッチ歯位置による点対象の４ベクトル間（後述する図8のV1,V7,V4,V10等）で第４次高調波をキャンセルさせる自由度を設けることができて高調波低減効果を向上させることができる。
また６個の誘導子歯を各３個の２群に分けるが、その群内の３個による第４次高調波 平面でのパーミアンスベクトルを２重で合計６個のベクトル間（後述する図8のV1,V7, V２,V８,V３,V９等）で更に２重に第４次高調波成分をキャンセルできる。
８）同じくそれほど大トルクを要しない用途でモータ長さを増大させない場合でも本発明 で軸方向で２つの磁気回路に分割構成することで短磁気回路としてフェライト磁石等の低グレード磁石が採用でき、安価でかつフェライト磁石のＢ―Ｈカーブのフラットな傾きによる動作点の安定化によるより均一な磁束密度効果により低振動なモータとなる。Ｂ―Ｈカーブがフラットな傾きの場合はエアギャップ等のバラツキで多少動作点が移動しても得られる磁束のバラツキが少なくできることによる。
９）さらにエアギャップを固定子誘導子歯位置で異ならせれば高調波低減効果の自由度を高めることができる。

以下図面によって説明する。

図１は本発明の１例である２相８主極機の固定子と特殊２段ＨＢ型回転子の組み合わせによる回転電機の軸方向から見た回転子がＮ極部分とＳ極部分の構成図及び軸を含む横断面図である。８個の巻き線極である主極の先端には６個の誘導子歯が設けられて、回転子Ｎ極と対向している主極部をＮ１〜Ｎ８とし、回転子Ｓ極と対向している８個の主極部をＳ１からＳ８とする。１相巻き線はＮ１とＳ１、Ｎ３とＳ３，Ｎ５とＳ５、及びＮ７とＳ７に同一コイルで巻かれて１相を形成し、残りが同様に巻かれて２相を形成している。Ｎ極側の固定子中の実線矢印はＮ極回転子からの磁束の流れを示し、Ｓ極側の固定子中の実線矢印はＮ極回転子からの磁束がＳ極回転子へ向かう磁束の流れを示す。回転子はエアギャップを介して回転自在に設けられた複数個の歯を等ピッチに有した回転子を２個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分づらして挟持した単位回転子を２組、単位回転子ＡとＢとした場合、共通回転軸上に設けて近接させ、単位回転子ＡとＢの近接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化されて回転子を形成し、この回転子の２個の単位回転子による軸方向に分離した2つの磁気回路を有するハイブリッド型回転電機を構成する。そして回転子は部品番号は省略するが軸受け及び前後ブラケットを経由して固定子と回転自在に支持されている。
図２はその軸方向の固定子部と回転子部の断面図である。１は固定子鉄心であり２１，２２，２３、２４は珪素鋼鈑等を積層した回転子である。その外周には等ピッチで５０個の磁歯が設けられた場合は１．８°ステップ角のステッピングモータとなる。図２で２５，２６は円盤状の永久磁石でありお互いに逆極性になるように磁化するため図２では２１、２４がＳ極性に２２，２３がＮ極性に磁化される。このとき２１と２２及び２３と２４は歯ピッチの１／２ずれている。２２と２３は歯位置は原則として同じ位置である。２１，２５，２２で単位回転子Ａを、２３、２６、２４で単位回転子Ｂを構成する。固定子１に示した点線矢印Φ１は単位回転子Ａによる磁束とその磁気路、Φ２は単位回転子Ｂによる磁束とその磁気路であり、固定子１の軸方向での中央部ではΦ１、Φ２は同一方向なので干渉による２つの磁束の弱め合いは発生しないことが分かる。図２の３はコイル、４は回転子軸である。同極性に磁化される回転子同士２２，２３は隣接でも近接でも良い。本構成では永久磁石を挟んで対抗した単位回転子の２１と２２間では永久磁石の外周部分では漏洩磁束はあるが、同極性に磁化された回転子同士間では漏洩磁束なく、ほとんどの磁束が固定子に向かうので磁束の無駄が極めて少ないく高トルクが得られる。

図３は図２と固定子は同じで回転子のみ異なる図である。軸方向に長くして高トルクを得る場合図３に示す２段の回転子も考えられる。２７、２８及び２９、３０は回転子であり、お互いに歯ピッチの１／２ピッチずれて配置されており、図示したように軸方向に同一方向に２個の永久磁石３１，３２を磁化する。このため３３なる非磁性の磁気絶縁体が必要になる。３３を軸方向に薄くすれば２８と２９間で漏洩磁束が増加し、厚くすれば１との対向面積が減少するので図２と比較して同一固定子ではトルクが減少する。また２つの単位回転子２７，３１、２８及び２９、３２、３０による磁束Φ１とΦ２は固定子１の軸方向に中央部で方向がお互いに逆方向となるため。磁束が干渉し弱めあい、歪み、磁束の減少等の問題を起こす。このため磁束密度が不均一になり低振動化には適さない構成となる。

図１０は従来の通常の２相ＨＢ型回転電機を示す図であり単位回転子１個で構成されているためこの構成で軸方向にモータ長を長くしてもトルクの増加は期待できない。固定子の基本的構成は図１と同じである。

図４は引例した先行技術である特許文献１の誘導子歯を等ピッチ歯とする１主極と回転子の対向する図である。特許文献１には固定子の誘導子歯ピッチを６．９°として回転子歯を５０とした場合の機械角で７．２°に対してそのピッチを０．３°狭くする例が開示されている。この場合、図４での固定子歯位置と回転子歯位置のずれ角は７．２°を電気角の３６０°とすればθ３＝θ４＝（０．３°/２）（３６０°／７．２°）=７．５°、
θ２＝θ５＝（０．３°+０．３°/２）（３６０°／７．２°）=２２．５°、θ１＝θ６＝（０．３°+０．３+０．３°/２）（３６０°／７．２°）=３７．５°となるため、コギングトルクを構成するパーミアンスの第４次空間高調波成分は次式で計算できる。
P4＝ｃｏｓ４θ３+ｃｏｓ４θ２+ｃｏｓ４θ１+ｃｏｓ４θ４
+ｃｏｓ４θ５+ｃｏｓ４θ６
＝２｛ｃｏｓ３０+ｃｏｓ９０+ｃｏｓ１５０｝＝０ （１）
これを機械角７．２°が電気角３６０°の第４次平面でインピーダンスベクトル表示すれば図５となりベクトルの総和は零となる。理論的にはこのようにすればコギングトルクはキャンセルされることになる。
この場合の鎖交磁束となりモータトルクとなる基本波成分は次式とる。
P１＝ｃｏｓθ３+ｃｏｓθ２+ｃｏｓθ１+ｃｏｓθ４
+ｃｏｓθ５+ｃｏｓθ６
＝２｛ｃｏｓ７．５+ｃｏｓ２２．５+ｃｏｓ３７．５｝／６＝０．９０２ （２）
即ち９０％がトルク成分として残ることになる。
しかしこれは６個の固定子の誘導子歯のパーミアンスが全く等しいという仮定での話である。図４で固定子の８個の主極の各先端に設けた６個の誘導子歯は中央に位置する互いに隣接する一対２個の内側位置歯と、これらの歯の各々に隣接して配置される中間位置の歯と、この中間位置の歯と隣接する外側位置の歯とでは主極中央位置から見て距離が異なり特に外側に位置する歯はその外側は空気であるため磁束の漏洩状態も異なる。このため計算値のように第４次成分は実際には等ピッチ歯方式では、零にならないという問題がある。

図６は本発明に採用される不等ピッチで不等歯幅の固定子の６個の誘導子歯を説明する図である。６個の誘導子歯の歯幅を図で左からT1からT6とし、歯溝幅をU1からU5としてU3を中央に位置させる。歯ピッチは中央のT3,T4の歯幅の２つの歯によるピッチをAとしてその両サイドがB,またその両外側のピッチがCとする。歯ピッチ、歯幅、溝幅はU3の中心線より線対象とする。従ってT1=T6、T2=T5,T3=T4, U1=U5,U2=U4 とする。
このようにすれば回転子歯溝の中心と図のようにU3の中心が一致して回転子と固定子が対向したときに回転子歯と固定子の６個の誘導子歯とのずれ角δ１〜δ３を所望の値に設定できる自由度は従来技術の固定子等ピッチ歯方式とに対してはるかに増加する。そのため不等ピッチ歯方式では、６個のパーミアンスのバラツキの影響を等ピッチ歯方式より受けず、第４次成分を零にできる。
また、最外側のT1,T6の歯と内側T3,T4の歯は歯幅が同じであるとそのパーミアンスは歯位置による磁気抵抗の差や漏洩磁気路差等から異なる。例えば歯から磁束の漏洩路は歯溝形状で変わるので最外側歯とそれ以外の歯では異なることになる。これを補正して６個の歯のパーミアンスが均一な値にするための手段が不等歯幅誘導子歯である。例えば６個が等歯幅で最外側のT1,T6の歯のパーミアンスが内側T3,T4の歯のそれよりも小さい場合はT1=T6>T3=T4とするものである。
U１〜U3、T1〜T3, A〜Cは３個が全て異なるものでもよいが少なくとも１個が異なる必要がある。また歯幅を変える代わりに回転子に対する固定子歯のエアギャップを変えてパーミアンスを変えることでも良い。このとき歯幅比は前述したように内側位置小歯幅を第1のピッチで割り算した値、中間位置小歯幅を第２のピッチで割り算した値、及び、外側位置の小歯幅を第3のピッツチで割り算した値がともに０．３７〜０．３９とすることが高トルク化で望ましい。

図７は不等ピッチ誘導子歯による第４次平面でのインピーダンスベクトルをバランスさせた一例である。図６のA＝６．６６°、B＝C＝７．０２°とし、T1からT6の歯幅の歯の第４次のパーミアンスベクトルをそれぞれV1からV6とすれば回転子歯とのずれ角δ１からδ６は機械角で図７の（ ）内の値となり０°軸への投影成分は線対称でキャンセルされる。仮にV2とV5が他のベクトルよりその値が大きくてもキャンセルされる。
さらにV1〜V３の３ベクトル内及び同じくV4〜V6内の２つの群内で個別にもキャンセルされることになる。

図８はHB型回転子を２つの単位回転子で構成し近接配置して永久磁石はお互いに逆磁化させ、軸方向に２つの独立磁気回路を構成させたHB型回転電機と不等ピッチ誘導子歯の組み合わせによる本発明の構成による６個の誘導子歯の第４次成分パーミアンスベクトルを第４次平面に表示した図である。単位回転子AによるパーミアンスベクトルをV1〜V６、単位回転子BによるパーミアンスベクトルをV７〜V１２とする。任意の主極の６個の誘導子に着目すれば本発明では図８のように１２個のベクトルで分散してバランスさせることができる。このベクトル配置は例えば図７の回転子とのずれ角による配置でもよく中心を通る水平軸への投影である余弦成分はキャンセルされる。この１２個によるベクトルバランスは６個のベクトルバランスより更に自由度が高まりモータ組み立てや部品精度の影響を受けにくくする。例えば前述した第４次パーミアンス成分の例えばV1〜V3による歯群内線対称キャンセルやV1とV4のような点対称１８０°反対方向ベクトルキャンセルに加えて単位回転子Aによるベクトルと単位回転子Bによるベクトル間でもキャンセルができる。
即ち２重消去法が可能となることであり、例えばV1とV3,やV1とV10でキャンセルができる。このことは特にモータ長を増大して高トルク化を図る場合に効果大である。モータ長を増大させるほどエアギャップを均一に保つことが困難になり高調波が出易いからである。即ち２段HB回転子にすることは高トルク化に加えて本発明では低振動化にも有益となる。

図７は図６のA,B,Cに相当する歯ピッチをABCとした例であったが、図９は本発明の別の不等ピッチ歯位置のA BCの例であり、A=６．６６°、B=６．８４°、C=７．３８°としたものであり、このとき対向する回転子歯とのずれ角はθ１〜θは図９に記した値となる。この場合の第４次パーミアンス成分を計算で求めると以下となる。
P4＝ｃｏｓ４θ３+ｃｏｓ４θ２+ｃｏｓ４θ１+ｃｏｓ４θ４
+ｃｏｓ４θ５+ｃｏｓ４θ６
＝２｛ｃｏｓ4×０．２７×３６０／７．２+ｃｏｓ4×０．６３×３６０／７．２
+ｃｏｓ4×０．４５×３６０／７．２｝
＝ｃｏｓ５４°+ｃｏｓ１２６°+ ｃｏｓ９０°＝０．５８７７−０．５８７７ ＝０
（３）
この場合の鎖交磁束となりモータトルクとなる基本波成分は次式とる。
P１＝ｃｏｓθ３+ｃｏｓθ２+ｃｏｓθ１+ｃｏｓθ４
+ｃｏｓθ５+ｃｏｓθ６
＝２｛ｃｏｓ１３．５°+ｃｏｓ３１．５°+ｃｏｓ２２．５°｝／６＝０．９１６３ （４）
即ち９１．６％がトルク成分として残ることになり、従来技術の等ピッチ方式の値である（２）式の値の９０％より優れておりトルクを得るのに不等ピッチ歯方式はは有利である。

本発明による回転電機は高トルクと低振動が両立して安定して出せ、生産性も良く、安価にもなるので、２相式のステッピングモータや２相交流同期電動機あるいは２相ブラシレスDCモータとして、ＯＡ機器である複写機やプリンターの用途に対し安価で高トルク低振動の回転電機の提供が可能であり、工業的に大きな寄与が期待される。その他、医療機器、ＦＡ機器、ロボット、遊戯機械、住宅設備機器への応用も大いに期待される。

本発明の回転電機の図 図１の側面断面図 従来技術の固定子と回転子の図 従来技術の固定子の図 従来技術によるベクトルバランスの図 本発明に使用する固定子の図 本発明に使用するベクトルバランスの原理図 本発明によるベクトルバランスの図 本発明に使用する別の固定子の図 従来の回転電機の図

符号の説明

１
：固定子
２１，２２、２３，２４、２７、２８、２９、３０ ：回転子
３
：コイル、
４
：軸
２５，２６、３１，３２ ：永久磁石
３３ ：非磁性板

Claims (4)

1. 四辺形を含めた多角形や環状の磁性体より放射状に設けた2相８主極でそれらの各先端に６個の誘導子歯を有し、エアギャップを介して回転自在に設けられた複数個の歯を等ピッチに有した回転子を２個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分づらして挟持した単位回転子を２組、単位回転子ＡとＢとして共通回転軸上に設けて近接させ、単位回転子ＡとＢの近接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化されて回転子を形成し、この回転子の２個の単位回転子による軸方向に分離した2つの磁気回路を有するハイブリッド型回転電機において、固定子の８個の主極の各先端に設けた６個の誘導子歯は中央に位置する第１のピッチを形成するお互いに隣接する一対２個の内側位置歯と、これらの歯の各々に第２のピッチで隣接して配置される中間位置の歯と、この中間位置の歯の各々にこれより第３のピッチで隣接される外側位置の歯とよりなり、第１から第３のピッチが少なくとも１個は異なり、且つ回転子歯ピッチとは全てのピッチが異なり、１個の単位回転子部と対向する固定子の第1の中央ピッチの片側の内側、中間、外側の３個の歯群のパーミアンスの第4次成分の和を零となるようにし、かつ2つの群の第4次高調波平面のそれぞれの点対象となる2個の歯のパーミアンスのベクトルの和も零にとなるようにし、且つモータ全体としては軸方向に設けた別の単位回転子と対向する固定子部の同様な第4次パーミアンスとの間でもパーミアンスの第4次成分をキャンセルさせるようにし、第4次のパーミアンスをベクトル表示すれば単位回転子の磁気路にできる第4次平面での6個のベクトルをモータ全体では別の単位回転子の磁気路にできる６個のベクトルとの間でもバランスさせる、２重ベクトル化によりバランスさせたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１で、2つの群内の少なくとも１対の小歯の歯幅が他の小歯の歯幅と異なることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１で、内側位置小歯幅を第1のピッチで割り算した値、中間位置小歯幅を第２のピッチで割り算した値、及び、外側位置の小歯幅を第3のピッツチで割り算した値がともに０．３７〜０．３９であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１で、2つの群内の少なくとも１対の小歯の回転子との空隙が他の小歯の空隙と異なることを特徴とする永久磁石式回転電機。

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