JP2009027849A

JP2009027849A - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JP2009027849A
Application number: JP2007189045A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yamaguchi; 信一山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】定格トルク及び最大トルクの両者を向上させるべく、微小なティースを用いた永久磁石式回転電機において、コギングトルク低減のため、ティース先端部形状を弓形状とした場合には、曲面部の加工が難しく、トルク出力の低下を招く等という問題があった。
【解決手段】ティース部１１１を有する鉄心に対して巻線が施された固定子１０と、この固定子に対向する周面に、磁極を構成する永久磁石２２が配置された回転子２０とを備え、上記ティース部の半径方向の長さｈｔを回転軸方向に沿って変化させたことを特徴とする。これにより、工作性及びトルク出力の向上が可能であり、容易にコギングトルクを低減できる。
【選択図】図３

Description

この発明は、例えばサーボモータ等に好ましく用いることができる永久磁石式回転電機に関し、特にコギングトルクを低減した永久磁石式回転電機に関する。

従来の技術として、巻線と鉄心を配置したステータと、複数の磁極を構成する永久磁石を配置したロータを持つ永久磁石形モータにおいて、前記巻線は複数の集中巻された空心を有するコイルによって構成され、前記鉄心は前記コイルの空心に挿入されるティースを備え、前記コイルの角度幅をτ、前記ティースの角度幅をβ×τとした場合、
０＜β≦０．５
であるとともに、前記コイルの外半径をｒｏ、前記コイルの内半径をｒｉ、前記ティースの先端半径をｒｔとした場合、
（τ×ｒｉ×π／１８０）／（ｒｏ−ｒｉ）≧４、
ｒｉ≦ｒｔ＜ｒｏ
とすることで、トルク／電流（定格トルク）の向上を図り、また、ティース先端形状を弓形状とすることで、コギングトルクの低減を図ったものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−１８７３４４号公報（第１頁、図１）

上記のような従来技術においては、微小なティースを固定子鉄心に設けることでトルクの増大が図られているが、コギングトルクやトルクリップルの増加を招くこととなり、モータを精密機械等に使用した場合に振動騒音の発生要因となる場合があった。また、ティース形状を弓形にしたものでは、弓形の曲面部の加工が複雑であり、トルクの低下を招くという問題もあった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、コギングトルクの低減が図られ、しかも製造が容易な永久磁石式回転電機を提供することを目的としている。

この発明における永久磁石式回転電機は、ティース部を有する鉄心に巻線が施された固定子と、この固定子に対向する周面に永久磁石が配置された回転子とを備え、上記ティース部の半径方向の長さを回転軸方向に沿って変化させたものである。

この発明においては、永久磁石式回転電機のティース部の半径方向の長さを回転軸方向に沿って変化させたので、回転電機のコギングトルクが容易に低減され、しかも構造が簡単なので製造も容易である。

実施の形態１．
図１〜図４はこの発明の実施の形態１による永久磁石式回転電機（セミスロットレス回転電機）を説明する図であり、図１は回転軸に直交する方向の断面図、図２は図１に示された固定子を示す斜視図、図３は図２に示された固定子鉄心を示す斜視図、図４は図１、図２に示された巻線（コイル）を示す斜視図である。なお、この例では磁石極数Ｐが１２、コイル数Ｍが９の場合である。図において、回転電機を構成する固定子１０は、略円筒状で内周面の所定位置にティース部である主ティース１１１、及び補助ティース１１２が周方向に所定数（各９個）交互に突設された固定子鉄心１１と、各主ティース１１１に対してそれぞれ巻回された集中巻を施したコイルからなる９個の巻線１２とからなる。固定子１０の中心部に配設された回転子２０は、円筒状の回転子鉄心２１と、この回転子鉄心２１の外周面に設けられた例えば極異方性リング磁石などの複数（１２個）の永久磁石２２からなる。

上記主ティース１１１は、巻線１２を挿入する際に位置決め用として使用されると共に、通常のティース付永久磁石式回転電機の場合と同様、磁束磁路の役割を担い、トルク向上にも大きく寄与するものである。補助ティース１１２は、隣接する巻線１２間の絶縁及び後述するコギングトルク低減のために配設されている。なお、この例では巻線１２の幅ｗｃは、主ティース１１１の幅ｗｔ、及び補助ティース１１２の幅ｗｓよりも大きく形成されている。また、上記寸法符号の他、各図に示す各部寸法の符号はそれぞれ次のものを示している。ｒｏ；巻線１２の外半径、ｒｉ；巻線１２の内半径、ｒｔ；主ティース１１１の先端半径、ｒｓ；補助ティース１１２の先端半径、ｈｔ；主ティース１１１の半径方向の長さ（＝ｒｏ−ｒｔ）、ｈｓ；補助ティース１１２の半径方向の長さ（＝ｒｏ−ｒｓ）、Ｌｔ；主ティース１１１の回転軸方向の長さ。なお、図１では、ｒｔ＝ｒｉとし、ｋ＝ｒｏ−ｒｉとすると、ｈｔ＝ｋ、ｈｓ＝０．５ｋの場合を示している。ここで、半径方向とは永久磁石式回転電機の半径方向のことであり、回転軸方向とは永久磁石式回転電機の回転軸方向のことである。

上記図３に示す固定子鉄心１１は、例えば図３の鉄心を回転軸方向に直交する方向に電磁鋼板の厚さで所定数に切断することで形成される主ティース１１１または補助ティース１１２を有し、または有さない複数形状の概略環状形状の電磁鋼板（図示省略）を所定順に積層したり、主ティース＋補助ティース毎に分割積層された電磁鋼板（図示省略）を所定順に積層して図３に示す円筒形状にしたり、圧粉鉄心等を用いて焼結形成したり、主ティース１１１または補助ティース１１２を接着して構成するなど、従来公知の方法を適宜選択して形成することができる。また、巻線１２は、鉄心表面に集中巻された空心または非磁性ボビン（図示省略）を有する固定子コイルからなり、例えば接着剤、接着テープ等を用いて固定子鉄心１１の内周面に貼り付けることで設置される。

そして、以下詳述するように上記主ティース１１１の半径方向の長さｈｔや、補助ティース１１２の半径方向の長さｈｓを回転軸方向に沿って変化させることによって、トルク出力を損なうことなくコギングトルクの低減を図っている。以下、表１及び図５〜図７を用いて、主ティース１１１の半径方向の長さ（以下、「主ティース長」という）ｈｔ、及び補助ティース１１２の半径方向の長さ（以下、「補助ティース長」という）ｈｓをパラメータとし、本願発明者によって行なわれた電磁界解析によるシミュレーションの結果を含めてこの発明を更に具体的に説明する。

上記表１はシミュレーションする際の検討パラメータを示している。Ｃａｓｅ０はスロットレスモータの場合（ｈｔ＝ｈｓ＝０）に相当し、Ｃａｓｅ１〜Ｃａｓｅ３は主ティース長ｈｔを０．５ｋ、Ｃａｓｅ４〜Ｃａｓｅ６は主ティース長ｈｔをｋとした場合の条件である。なお、主ティース長ｈｔ、補助ティース長ｈｓは、それぞれ回転軸方向に一定とした。図５はＣａｓｅ１〜Ｃａｓｅ６の各条件に対するコギングトルク比波形の解析結果であり、横軸は電気角度、縦軸はコギングトルク比である。なお、コギングトルク比は、Ｃａｓｅ３（ｈｔ＝０．５ｋ、ｈｓ＝ｋ）の最大値を基準とした相対値で表している。図６はコギングトルクの基本波成分比を示したものであり、図５と同様、Ｃａｓｅ３の最大値を基準としている。なお、図６の正負の符号は、Ｃａｓｅ３の場合に発生するコギングトルクと同位相のコギングトルクの場合には正とし、Ｃａｓｅ３の場合に発生するコギングトルクと位相が１８０度反転する関係にあるコギングトルクが発生する場合には負として表している。図７は表１の条件について行なわれたシミュレーションによる無負荷誘起電圧の解析結果であり、スロットレスモータに相当するＣａｓｅ０（ｈｔ＝ｈｓ＝０．０）の場合を基準（１）として、Ｃａｓｅ１〜Ｃａｓｅ６の無負荷誘起電圧を相対値で示している。

上記解析結果より、主ティース長ｈｔ及び補助ティース長ｈｓを回転軸方向に沿って変化させることで、コギングトルクの振幅及び位相が変化していることが分かる。具体的には、Ｃａｓｅ３（ｈｔ＝０．５ｋ、ｈｓ＝ｋ）の場合とＣａｓｅ４（ｈｔ＝ｋ、ｈｓ＝０）の場合では、コギングトルク波形が反転する関係にあることが分かる。よって、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４の２つのケースを組み合わせて使用することでコギングトルクの低減が図れる。特に、Ｃａｓｅ３の場合のコギングトルク比１に対して、Ｃａｓｅ４の場合のコギングトルク比が０．４６であることから、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４の組合わせ比率（積層比率）を約１：２（＝０．４６：１）とすることで、コギングトルクを低減（３次元的に相殺）することが可能となる。次に、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４の組合わせ比率を約１：２とした場合の主ティース部分の側面断面図を図８に、補助ティース部分の側面断面図を図９に示す。

図８に示すように、主ティース１１１は、Ｃａｓｅ４（ｈｔ＝ｋ）に対応する部分が図８の上下２箇所に突出され、Ｃａｓｅ３（ｈｔ＝０．５ｋ）に対応する部分がその中央部に配設されることで、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４の回転軸方向の組合わせ比率が約１：２（＝０．４６：１）に構成されている。一方、補助ティース１１２は主ティース１１１のＣａｓｅ４（ｈｔ＝ｋ）に対応する部分はｈｓ＝０、Ｃａｓｅ３に対応する部分はｈｓ＝ｋとなるように図９の中央部分のみが突出されている。この構成における無負荷誘起電圧は、Ｃａｓｅ０のスロットレスモータ（ｈｔ＝ｈｓ＝０）に比べ約２６％（＝（１．１８×１＋１．４１×２）／３）向上させることが可能であった。永久磁石式回転電機の発生トルクは、無負荷誘起電圧と通電電流の積に比例するため、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４を組み合わせたことで、同一電流に対するトルク出力が向上され、コギングトルクが低減されると共に、トルク出力が向上された永久磁石式回転電機を得ることができた。

上記のように、実施の形態１によれば、ティース部としての主ティース１１１を有する鉄心に対して巻線１２が施された固定子１０と、この固定子１０に対向する周面に、磁極を構成する永久磁石２２が配置された回転子２０と、隣接する上記巻線１２相互の間に設けられた補助ティース１１２を備え、主ティース１１１の半径方向の長さｈｔ及び補助ティース１１２の半径方向の長さｈｓを、回転子２０の軸方向、即ち回転軸方向に沿って階段状に変化させることで、容易にコギングトルクを低減すると共に、無負荷誘起電圧も高められることでトルク出力が向上されるという効果が得られる。また、巻線１２として集中巻方式のコイルを用いたことで、モータの小型化を図ることができる。そして、主ティース１１１及び補助ティース１１２の形状が単純なので工作性もよく、容易に製造することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４を組み合わせたが、必ずしもその組み合わせに限定されるものではなく、例えば表１の例では、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ２、Ｃａｓｅ６とＣａｓｅ４、Ｃａｓｅ６とＣａｓｅ５を組み合わせても同様にコギングトルクの低減及び無負荷誘起電圧のアップによるトルク出力の向上を図ることができることは明らかである。なお、これらの組み合わせの場合は、補助ティース１１２の半径方向の長さｈｓのみを回転軸方向に対して変化させ、主ティース１１１の半径方向の長さｈｔは回転軸方向に一定（ｈｔ＝０．５ｋ、またはｈｔ＝ｋ）として、変化させないこととなる。
なお、上記実施の形態１及び実施の形態２では、図６に示すコギングトルク比が＋（プラス）側のＣａｓｅと−（マイナス）側のＣａｓｅを１つずつ、計２つのＣａｓｅを組み合わせた場合について例示したが、組み合わせの数及び組み合わせパターンは上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば３つ以上のＣａｓｅを組み合わせることもできる。また、実施の形態１ではＣａｓｅ３のコギングトルク比１に対し、Ｃａｓｅ４のコギングトルク比が約０．４６であることから、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４との組合わせ比率（積層比率）を約１：２（＝０．４６：１）として、図８及び図９に示すように回転軸方向にＣａｓｅ４、Ｃａｓｅ３、Ｃａｓｅ４と略均等に３分割した組み合わせたパターンとしたが、組み合わせを変更した場合には、上記組合わせ比率を、組み合わせるＣａｓｅのコギングトルク比に応じてプラス方向のコギングトルクとマイナス方向のコギングトルクが相殺されるように変更することで同様の作用効果が期待できる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、主ティース長ｈｔ、及び補助ティース長ｈｓを、それぞれ０、０．５ｋ、及びｋとした場合について説明したが、当然のことながら、０≦ｈｔ≦（ｒｏ−ｒｉ）、０≦ｈｓ≦（ｒｏ−ｒｉ）の範囲であれば、任意の値を選択することができる。なお、主ティース長ｈｔや補助ティース長ｈｓの大きさによってコギングトルクの位相が変化するので、場合によっては、例えば補助ティース長ｈｓは回転軸方向に沿って変化させずに、主ティース長ｈｔのみを回転軸方向に沿って変化させることによりコギングトルクを低減することができる。

実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４による永久磁石式回転電機の回転軸に直交する方向の断面図、図１１はその変形例を示す断面図である。上記実施の形態１では、巻線１２の幅ｗｃが主ティース１１１の幅ｗｔや補助ティース１１２の幅ｗｓよりも大きい場合について例示したが、この実施の形態４は図１０に示すように固定子１０Ａの固定子鉄心１１Ａとして、主ティース１１１Ａの幅（ｗｔ）、及び補助ティース１１２Ａの幅（ｗｓ）を巻線１２Ａのコイル幅（ｗｃ）よりも大きく形成した他は実施の形態１と同様に構成されている。この実施の形態４では、上記実施の形態１〜３と同様に主ティース長ｈｔや補助ティース長ｈｓを回転軸方向に沿って変化させることで、同様にコギングトルクを低減すると共に、トルク出力の向上を図ることができる。

なお、図１０に示す補助ティース１１２Ａは、図１１に示す実施の形態４の変形例のように省いても差し支えない。即ち、図１１に示す変形例では固定子１０Ｂの固定子鉄心１１Ｂとして、主ティース１１１Ｂの幅（ｗｔ）が巻線１２Ｂのコイル幅（ｗｃ）よりも大きく形成され、補助ティースを備えていない他は実施の形態１と同様に構成されている。このように構成された変形例の場合でも、主ティース長ｈｔを回転軸方向に沿って変化させることで、同様のコギングトルク低減効果が得られる。

実施の形態５．
図１２、図１３はこの発明の実施の形態５による永久磁石式回転電機を説明するもので、図１２は固定子に用いた主ティース部分を示す側面断面図、図１３は固定子に用いた補助ティース部分を示す側面断面図である。上記実施の形態１〜４では、主ティース長ｈｔまたは補助ティース長ｈｓを回転軸方向に沿って階段状に変化させるに際し、変化部分が角張った形状の場合について例示したが、この実施の形態５では主ティース１１１Ｃの主ティース長ｈｔは図１２に示すように階段状の角部が曲面形状に形成され、補助ティース１１２Ｃの補助ティース長ｈｓも図１３に示すように階段状の角部が曲面形状に形成されている。その他の構成は実施の形態１〜４の何れかと同様である。この実施の形態５によれば、主ティース長ｈｔまたは補助ティース長ｈｓを回転軸方向に沿って階段状に変化させるに際し、階段状の角部を曲面形状に形成させたことにより更なるコギングトルク低減効果が得られる。

実施の形態６．
上記実施の形態１〜５では、コイル（スロット）数Ｍ＝９コイルと、極数Ｐ＝１２極からなる集中巻モータ、即ちＭ：Ｐ＝３：４の場合についてコギングトルクを低減すると共にトルク出力の向上を図った例について説明したが、勿論これに限定されるものではなく、一般的な集中巻永久磁石式回転電機であるコイル（スロット）数Ｍと極数Ｐの比、Ｍ：Ｐ＝３ｎ：３ｎ±１（ｎは１以上の整数）の回転電機の場合も同様の効果が得られる。また、分布巻方式の永久磁石式回転電機の場合でも回転軸方向に沿ってティース長や補助ティース長を同様に変化させることで、同様のコギングトルク低減効果を得ることが可能である。

なお、上記各実施の形態では、主ティース長ｈｔまたは補助ティース長ｈｓを回転軸方向に沿って階段状に変化させた場合について説明したが、回転軸方向への変化のさせ方としては必ずしも階段状に限定されるものではない。例えば主ティース長ｈｔまたは補助ティース長ｈｓの回転軸方向の変化による形状が、波形状、楔状、山形状、谷形状、あるいはそれらを複数組み合わせた形状、さらには周方向に変えることで回転軸方向に変化させたものなど、任意の形状に変化させたものでも同様の効果が期待できる。さらに、実施の形態１〜５では極異方性リング磁石を用いた場合について説明したが、これに限定されず、例えばセグメント磁石、ラジアル方向性リング磁石等を用いた場合でも同様の効果が期待できる。また、トルク出力向上のためコイルエンド部にもコアバック部鉄心が配置された構成について例示したが、モータの軽量化を重視したい場合等においては、コイルエンド部のコアバック鉄心を設けないように構成しても差し支えない。

この発明の実施の形態１による永久磁石式回転電機の回転軸に直交する方向の断面図である。図１に示された固定子を示す斜視図である。図２に示された固定子鉄心を示す斜視図である。図１、図２に示された巻線（コイル）を示す斜視図である。実施の形態１の効果を検証するために表１の条件について行なわれたシミュレーションによるコギングトルク比波形の解析結果である。実施の形態１の効果を検証するために表１の条件について行なわれたシミュレーションによるコギングトルクの基本波成分比を示す解析結果である。実施の形態１の効果を検証するために表１の条件について行なわれたシミュレーションによる無負荷誘起電圧比の解析結果である。図３に示された主ティース部について、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４の組合わせ比率を約１：２とした場合の主ティース部分の側面断面図である。図３に示された補助ティース部について、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ４の組合わせ比率を約１：２とした場合の補助ティース部分の側面断面図である。この発明の実施の形態４による永久磁石式回転電機の回転軸に直交する方向の断面図である。図１０の変形例を示す断面図である。この発明の実施の形態５による永久磁石式回転電機の固定子に用いた主ティース部分を示す側面断面図である。この発明の実施の形態５による永久磁石式回転電機の固定子に用いた補助ティース部分を示す側面断面図である。

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ固定子、１１、１１Ａ、１１Ｂ固定子鉄心、１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ主ティース（ティース部）、１１２、１１２Ａ、１１２Ｃ補助ティース、１２、１２Ａ、１２Ｂ巻線（コイル）、２０回転子、２１回転子鉄心、２２永久磁石。

Claims

ティース部を有する鉄心に巻線が施された固定子と、この固定子に対向する周面に永久磁石が配置された回転子とを備え、上記ティース部の半径方向の長さを回転軸方向に沿って変化させたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
ティース部を有する鉄心に巻線が施された固定子と、この固定子に対向する周面に永久磁石が配置された回転子と、隣接する上記巻線相互の間に設けられた補助ティースを備え、上記補助ティースの半径方向の長さを回転軸方向に沿って変化させたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
上記ティース部の半径方向の長さを回転軸方向に沿って変化させたことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
上記ティース部の半径方向の長さ、または上記補助ティースの半径方向の長さを回転軸方向に階段状に変化させたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の永久磁石式回転電機。
上記回転軸方向に階段状に変化させた部分は、階段状の角部が曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石式回転電機。
上記巻線は、集中巻された空心または非磁性ボビンを有するコイルからなることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の永久磁石式回転電機。
上記固定子は、円筒状の鉄心に上記コイルがＭ個設けられたものから構成され、上記回転子はＰ個の永久磁石磁極が配置され、上記Ｍと上記Ｐの比が、
Ｍ：Ｐ＝３ｎ：３ｎ±１（ｎは１以上の整数）
であることを特徴とする請求項６に記載の永久磁石式回転電機。
上記Ｍと、上記Ｐは、
Ｍ：Ｐ＝３：４であることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石式回転電機。