JP2010014534A - コギングトルクの測定方法及びコギングトルク測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】早期工程における磁気バランスの確認を可能にしてモータ生産性の向上を図ることができるコギングトルクの測定方法を提供すること。
【解決手段】回転軸３の先端に試験体となる永久磁石型ロータ１５を連結し、界磁装置１３の内側に配置することで、完成品と同様の構成を有する擬似モータ１６を形成する。次に、界磁装置１３の形成する磁界が非回転となるように、同界磁装置１３に通電しつつ、駆動モータ４により回転軸３に連結された永久磁石型ロータ１５を回転駆動する。そして、その永久磁石型ロータ１５が回転する際にトルクセンサ２が出力するトルク検出信号Ｓｔに示されるトルク特性（トルク波形）Ｔｄを解析することによりコギングトルクを測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コギングトルクの測定方法及びその測定装置に関するものである。

通常、コギングトルクの測定は、駆動手段によりモータの回転軸を強制的に回転させた際に検出されるトルク特性（トルク波形）を解析することにより行なわれる。そして、従来、計測誤差の低減（例えば、特許文献１参照）、或いは測定時間の高速化（例えば、特許文献２参照）等、こうしたコギングトルク測定の効率化を図るべく、その測定方法及び測定装置に関する様々な技術が提案されている。
特開平６−１０９５６５号公報 特開２００６−２２０４９７号公報

ところで、コギングトルクは、ロータとステータとの間の磁気吸引力が同ロータの回転に伴い脈動することにより生ずるものである。従って、ロータに永久磁石が設けられた永久磁石型ロータを有するブラシレスモータにおいては、その不整なコギングトルクの発生原因が、ロータ側の磁気アンバランスにある場合が多い。

しかしながら、上記従来の構成では、完成した各モータ毎の測定、即ちモータ製造ラインの最終工程に相当する段階で、そのコギングトルク測定が行なわれる。即ち、測定により不整なコギングトルクが検出されたとしても、その修正には、同モータの解体が必要になる。そのため、当該規格外となったモータについては、その発生原因を問わず、同モータごと廃却しているのが実情であり、これがモータの生産性を押し下げる一因となっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、早期工程における磁気バランスの確認を可能にして生産性の向上を図ることができるコギングトルクの測定方法及びコギングトルク測定装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、試験体となる永久磁石型ロータの磁極数に対応する所定数のスロットが形成された界磁手段の内側に前記試験体を同軸配置することにより前記界磁手段をステータとする擬似モータを形成し、該ステータの磁界を非回転とした状態で前記試験体を回転駆動する際のトルク特性を検出することにより、該試験体に固有のコギングトルクを測定するコギングトルクの測定方法であること、を要旨とする。

上記構成によれば、試験体となる各永久磁石型ロータに固有のコギングトルクを測定することができる。これにより、仕掛品として各永久磁石型ロータが完成するモータ製造ラインの早期工程において、その磁気バランスを確認して、組付け前に規格外品を発見することが可能になる。その結果、廃却処分されるモータを低減してモータの生産性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、前記試験体には、着磁前の前記永久磁石型ロータが用いられること、を要旨とする。
即ち、未着磁の永久磁石型ロータを試験体として用いた場合においても、その永久磁石の状態により生ずる透磁率分布のバラツキによって、着磁後と同様の脈動を有するトルク特性を得ることができる。従って、着磁前の永久磁石型ロータを試験体としても精度よくコギングトルクの測定が可能であり、上記構成により、着磁前に規格外品を発見することができる。その結果、より早期に規格外品を排除して、更なる生産性の向上を図ることができるようになる。

請求項３に記載の発明は、前記試験体には、鉄心に複数の磁石片を取着してなる前記永久磁石型ロータが用いられること、を要旨とする。
即ち、磁石片を用いる構成では、磁気アンバランスが生じやすい。従って、このような構成を有する永久磁石型ロータに適用することで、より顕著な効果を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、試験体となる永久磁石型ロータを回転駆動する駆動手段と、前記試験体の磁極数に対応した所定数のスロットを有し、前記試験体と同軸に配置されることにより擬似モータのステータを構成する界磁手段と、前記試験体を回転駆動する際に生ずるトルク特性を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されるトルク特性に基づいて、前記試験体に固有のコギングトルクを測定する測定手段と、を備えたコギングトルク測定装置であること、を要旨とする。

上記構成によれば、試験体となる各永久磁石型ロータに固有のコギングトルクを測定することができる。これにより、仕掛品として各永久磁石型ロータが完成するモータ製造ラインの早期工程において、その磁気バランスを確認して、組付け前に規格外品を発見することが可能になる。その結果、廃却処分されるモータを低減してモータの生産性を向上させることができる。

請求項５に記載の発明は、前記測定手段は、予め測定された基準トルク特性との比較に基づいて、前記コギングトルクの測定を実行すること、を要旨とする。
請求項６に記載の発明は、前記基準トルク特性は、着磁前の永久磁石型ロータを用いて測定されること、を要旨とする。

請求項７に記載の発明は、前記測定手段は、前記スロットの数に対応した次数の強度に基づいて、前記コギングトルクの測定を実行すること、を要旨とすること。
上記各構成によれば、精度良く、そのコギングトルク測定を行なうことができる。特に請求項６に記載の構成を採用することで、未着磁の永久磁石型ロータを試験体として用いた場合の測定精度を更に向上させることができる。

請求項８に記載の発明は、前記界磁手段において前記ステータを形成する巻線は集中巻により巻回されること、を要旨とする。
即ち、集中巻きモータは、磁気アンバランスに敏感である。従って、このようなモータに適用することで、より顕著な効果を得ることができる。

本発明によれば、早期工程における磁気バランスの確認を可能にして生産性の向上を図ることができるコギングトルクの測定方法及びコギングトルク測定装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態のコギングトルク検出装置１は、トルクセンサ２が設けられた回転軸３と、該回転軸３を回転駆動するための駆動モータ４と、該駆動モータ４の作動を制御するコントローラ５とを備えている。

詳述すると、本実施形態のコントローラ５は、モータ制御信号Ｓ１を生成するモータ制御部６と、そのモータ制御信号Ｓ１に基づいて駆動モータ４に駆動電力を供給する第１駆動回路７とを備えている。尚、本実施形態では、駆動モータ４にはブラシレスモータが採用されており、第１駆動回路７は、電源装置８から供給される直流電流を三相交流に変換して、駆動モータ４に供給する。そして、コントローラ５は、その駆動電力の供給を通じて駆動モータ４の作動を制御する構成となっている。

また、本実施形態のコントローラ５には、コギングトルク測定部９が設けられており、上記トルクセンサ２の出力するトルク検出信号Ｓｔは、このコギングトルク測定部９に入力されるようになっている。そして、測定手段としてのコギングトルク測定部９は、その入力されるトルク検出信号Ｓｔに基づいて、上記回転軸３に連結された試験体が回転する際に発生するコギングトルクを測定する構成となっている。

ここで、本実施形態のコギングトルク検出装置１には、巻線１１が巻回された複数のティース１２を円環状に配置してなる界磁装置１３が設けられている。尚、本実施形態では、この界磁手段としての界磁装置１３には、コントローラ５に設けられた第２駆動回路１４から駆動電力が供給されるようになっており、同第２駆動回路１４は、上記第１駆動回路７と同様、モータ制御部６から入力されるモータ制御信号Ｓ２に基づいて、電源装置８から供給される直流電流を変換し、界磁装置１３に供給する構成となっている。

また、駆動モータ４により回転駆動される上記回転軸３は、この界磁装置１３と同軸に配置されるとともに、その先端が当該界磁装置１３内まで延伸されている。そして、本実施形態では、その回転軸３の先端に試験体となる永久磁石型ロータ１５を連結し、同永久磁石型ロータ１５を界磁装置１３内、詳しくはその径方向内側に延びる各ティース１２と対向する位置に配置することにより、当該界磁装置１３をステータとした擬似モータ１６を形成する構成になっている。

即ち、本実施形態のコギングトルク検出装置１は、主に、ブラシレスモータの製造ラインにおいて用いられ、その仕掛段階にある永久磁石型ロータ１５を試験体として該各試験体毎にコギングトルクを測定することにより、完成前の早い段階で、当該試験体となった各永久磁石型ロータ１５の磁気バランスの確認を可能とする。そして、これにより、モータの生産性向上を図る構成となっている。

さらに詳述すると、上記擬似モータ１６のステータを構成する界磁装置１３には、永久磁石型ロータ１５を組み付けることにより完成する図示しない製品のステータと同数のティース１２が設けられている。即ち、界磁装置１３には、試験体となる永久磁石型ロータ１５の磁極数に対応した所定数のスロットが形成される。

例えば、図１に示す例では、その製品（完成品）は「１４極１２スロット」のブラシレスモータであり、この場合、界磁装置１３のスロット数もまた、これに合わせて「１２」に設定されている。尚、この例において試験体となる永久磁石型ロータ１５は、鉄心としてのロータコア１７の外周に複数の磁石片（セグメント）１８を固着することにより形成されている（図１〜図３参照）。そして、各巻線１１は、その製品に合わせて、対応する各ティース１２に対して集中巻きにより巻回されている。

このように、本実施形態では、コギングトルクの測定に際しては、先ず、回転軸３の先端に試験体となる永久磁石型ロータ１５を連結し、界磁装置１３の内側に配置することにより、完成品であるブラシレスモータと同様の構成を有する擬似モータ１６を形成する。次に、界磁装置１３の形成する磁界が非回転となるように、同界磁装置１３に通電しつつ、駆動モータ４により回転軸３に連結された永久磁石型ロータ１５を回転駆動する。尚、この場合における界磁装置１３への通電、即ち擬似モータ１６のステータへの通電は、その各ティース１２の極性が交互に「Ｎ」「Ｓ」となるように配置されるとともに、その極性は固定され、磁界の強さは一定に維持されるように行なわれる（図２参照）。そして、コギングトルクの測定は、その永久磁石型ロータ１５が回転する際に、検出手段としてのトルクセンサ２が出力するトルク検出信号Ｓｔに示されるトルク特性（トルク波形）Ｔｄを解析することにより行なわれる。

具体的には、本実施形態では、コントローラ５に設けられたメモリ１９内には、予め測定された望ましいトルク特性を示すデータが、基準トルク特性Ｔｓとして記憶されている。そして、上記コギングトルク測定部９は、そのメモリ１９に記憶された基準トルク特性Ｔｓとの比較に基づいて、トルクセンサ２の出力するトルク検出信号Ｓｔに示されるトルク特性Ｔｄを解析する。

ここで、本実施形態におけるコギングトルクの測定は、未着磁の永久磁石型ロータ１５をその試験体として行なわれる。
即ち、各永久磁石型ロータ１５における透磁率分布は、その着磁状態の有無に関わらず、同各永久磁石型ロータ１５に設けられた磁石の状態に大きく依存する。尚、この場合における「磁石の状態」としては、例えば、上記ロータコア１７の外周に複数の磁石片１８を固着してなる永久磁石型ロータ１５の場合、当該各磁石片１８の厚さ、大きさ（特に周方向幅）、位置、配向、その磁性材料としての差等が挙げられる。従って、未着磁の永久磁石型ロータ１５を試験体として用いた場合においても、その透磁率分布のバラツキによって、着磁後と同様（小さな値とはなるが）の脈動を有するトルク特性Ｔｄを得ることができる。

具体的には、例えば、図３に示すように、ロータコア１７に固着された各磁石片１８のうち、特定の磁石片１８ａの厚さＤ１が、他の磁石片１８の厚さＤ０よりも厚い永久磁石型ロータ１５のトルク特性Ｔｄは、その磁気アンバランスの存在により、未着磁時であっても、そのピークにバラツキのある波形となる（図４参照、同図中「α」に示す部分）。

これに着目し、本実施形態のメモリ１９には、磁気アンバランスのない未着磁の永久磁石型ロータ１５を試験体として得られた波形データが、基準トルク特性Ｔｓとして記憶されている（図５参照）。そして、本実施形態のコギングトルク測定部９は、上記検出される各試験体のトルク特性Ｔｄを、この基準トルク特性Ｔｓに比較することにより、当該各試験体に固有のコギングトルクを測定、詳しくは、その脈動の不整さを測定する構成となっている。

また、本実施形態のコギングトルク測定部９は、基準トルク特性Ｔｓとの比較に基づく測定に加え、上記検出される各試験体のトルク特性ＴｄについてＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析を実行する。

即ち、試験体となる永久磁石型ロータ１５に磁気アンバランスがない場合、当該ＦＦＴのピークパワー（Ｐ−Ｐ）は、磁極数に対応する次数（上記の例では１４次）に現れ、スロット数に対応する次数（上記の例では１２次）には現れない。一方、試験体に磁気アンバランスがある場合には、その存在が顕著であるほど、当該スロット数に対応する次数（同じく１２次）においてより大きく現れることなり、このような関係は、着磁後或いは未着磁の何れの状態にある永久磁石型ロータ１５を試験体とした場合であっても、同様の傾向を得ることができる（図６参照）。そして、本実施形態では、このような関係を利用したＦＦＴ解析を実行することにより、より精度のよいコギングトルクの測定が可能となっている。

以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）先ず、回転軸３の先端に試験体となる永久磁石型ロータ１５を連結し、界磁装置１３の内側に配置することで、完成品と同様の構成を有する擬似モータ１６を形成する。次に、界磁装置１３の形成する磁界が非回転となるように、同界磁装置１３に通電しつつ、駆動モータ４により回転軸３に連結された永久磁石型ロータ１５を回転駆動する。そして、その永久磁石型ロータ１５が回転する際にトルクセンサ２が出力するトルク検出信号Ｓｔに示されるトルク特性（トルク波形）Ｔｄを解析することによりコギングトルクを測定する。

上記構成によれば、試験体となる各永久磁石型ロータ１５に固有のコギングトルクを測定することができる。これにより、仕掛品として各永久磁石型ロータ１５が完成するモータ製造ラインの早期工程において、その磁気バランスを確認して、組付け前に規格外品を発見することが可能になる。その結果、廃却処分されるモータを低減してモータの生産性を向上させることができる。

（２）試験体には、着磁前の永久磁石型ロータ１５が用いられる。
即ち、未着磁の永久磁石型ロータ１５を試験体として用いた場合においても、その永久磁石の状態により生ずる透磁率分布のバラツキによって、着磁後と同様の脈動を有するトルク特性Ｔｄを得ることができる。従って、着磁前の永久磁石型ロータ１５を試験体としても精度よくコギングトルクの測定が可能であり、上記構成によって、着磁前に規格外品を発見することができる。その結果、より早期に規格外品を排除して、更なる生産性の向上を図ることができるようになる。

（３）磁気アンバランスのない未着磁の永久磁石型ロータ１５を試験体として得られた波形データを望ましいトルク特性を示す基準トルク特性Ｔｓとして参照する。そして、この基準トルク特性Ｔｓとの比較に基づいて、トルクセンサ２の出力するトルク検出信号Ｓｔに示されるトルク特性Ｔｄを解析することによりコギングトルクを測定する。これにより、未着磁の永久磁石型ロータ１５を試験体として用いた場合の測定精度を更に向上させることができる。

（４）各試験体のトルク特性ＴｄについてＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析を実行し、そのスロットの数に対応した次数の強度に基づいて、コギングトルクを測定する。即ち、試験体に磁気アンバランスがある場合には、その存在が顕著であるほど、そのスロット数に対応する次数においてより大きな強度が現れる。そして、このような関係は、着磁後或いは未着磁の何れの状態にある永久磁石型ロータ１５を試験体とした場合であっても、同様の傾向を得ることができる。従って、このような解析手法を採用することにより、より精度良く、そのコギングトルク測定を行なうことができる。

（５）試験体には、ロータコア１７の外周に複数の磁石片１８を固着してなる永久磁石型ロータ１５が用いられる。即ち、複数の磁石片１８を用いる構成では、磁気アンバランスが生じやすい。従って、このような永久磁石型ロータ１５に適用することで、より顕著な効果を得ることができる。

（６）界磁装置１３の各巻線１１は、対応する各ティース１２に対して集中巻きにより巻回される。即ち、集中巻きモータは、磁気アンバランスに敏感である。従って、このようなモータに適用することで、より顕著な効果を得ることができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、着磁前の永久磁石型ロータ１５を試験体としたが、着磁後のものを試験体としてもよい。このようにしてもモータの生産性を向上させることができる。尚、この場合、界磁装置１３への通電をせずに行なうこともできる。

・本実施形態では、未着磁の永久磁石型ロータ１５を試験体として得られた波形データを基準トルク特性Ｔｓとした。しかし、これに限らず、着磁後のもの試験体として得られた波形データを基準トルク特性Ｔｓとしてもよい。即ち、検出されるトルク特性Ｔｄと基準トルク特性Ｔｓとの比較は、上記ＦＦＴ解析についての記述（図６参照）にも明らかなように、必ずしも単純比較に限定されるものではなく、その関連性に基づくものであればよい。従って、着磁後の永久磁石型ロータ１５を試験体として用いる場合において、未着磁のものを試験体として用いた基準トルク特性Ｔｓとする構成に具体化してもよい。

・本実施形態では、鉄心としてのロータコア１７の外周に複数の磁石片１８を固着してなる永久磁石型ロータ１５を試験体とした。しかし、これに限らず、各磁石片が鉄心に埋設されたもの（所謂ＩＰＭモータ用ロータ）、或いは円筒状磁石を用いるものや、鉄心を有しない永久磁石型ロータを試験体として用いる構成に具体化してもよい。

・本実施形態では、本発明を製品（完成品）が「１４極１２スロット」のブラシレスモータである場合に具体化したが、これ以外の極数及びスロット数を有するモータに具体化してもよい。

・本実施形態では、界磁装置１３の各巻線１１は、対応する各ティース１２に対して集中巻きにより巻回されることとしたが、これについては、完成品となるモータに合わせて擬似モータを構成すればよい。つまり、完成品が分布巻きであれば、当然に分布巻きとすればよい。

コギングトルク測定装置の概略構成図。 コギングトルク測定時における界磁の態様を示す説明図。 磁気アンバランスが生ずる例を示す説明図。 磁気アンバランスがある場合のトルク特性を示す波形図。 基準トルク特性の波形図。 ＦＦＴ解析における着磁前後の相関を示す説明図。

符号の説明

１…コギングトルク測定装置、２…トルクセンサ、３…回転軸、４…駆動モータ、５…コントローラ、９…コギングトルク測定部、１１…巻線、１２…ティース、１３…界磁装置、１５…永久磁石型ロータ、１６…擬似モータ、１７…ロータコア、１８，１８ａ…磁石片、１９…メモリ、Ｓｔ…トルク検出信号、Ｔｄ…トルク特性、Ｔｓ…基準トルク特性。

Claims (8)

1. 試験体となる永久磁石型ロータの磁極数に対応する所定数のスロットが形成された界磁手段の内側に前記試験体を同軸配置することにより前記界磁手段をステータとする擬似モータを形成し、該ステータの磁界を非回転とした状態で前記試験体を回転駆動する際のトルク特性を検出することにより、該試験体に固有のコギングトルクを測定するコギングトルクの測定方法。
2. 請求項１に記載のコギングトルクの測定方法において、
   前記試験体には、着磁前の前記永久磁石型ロータが用いられること、
   を特徴とするコギングトルクの測定方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のコギングトルクの測定方法において、
   前記試験体には、鉄心に複数の磁石片を取着してなる前記永久磁石型ロータが用いられること、を特徴とするコギングトルクの測定方法。
4. 試験体となる永久磁石型ロータを回転駆動する駆動手段と、
   前記試験体の磁極数に対応した所定数のスロットを有し、前記試験体と同軸に配置されることにより擬似モータのステータを構成する界磁手段と、
   前記試験体を回転駆動する際に生ずるトルク特性を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出されるトルク特性に基づいて、前記試験体に固有のコギングトルクを測定する測定手段と、を備えたコギングトルク測定装置。
5. 請求項４に記載のコギングトルク測定装置において、
   前記測定手段は、予め測定された基準トルク特性との比較に基づいて、前記コギングトルクの測定を実行すること、を特徴とするコギングトルク測定装置。
6. 請求項５に記載のコギングトルク測定装置において、
   前記基準トルク特性は、着磁前の永久磁石型ロータを用いて測定されること、
   を特徴とするコギングトルク測定装置。
7. 請求項４〜請求項６の何れか一項に記載のコギングトルク測定装置において、
   前記測定手段は、前記スロットの数に対応した次数の強度に基づいて、前記コギングトルクの測定を実行すること、を特徴とするコギングトルク測定装置。
8. 請求項４〜請求項７の何れか一項に記載のコギングトルク測定装置において、
   前記界磁手段において前記ステータを形成する巻線は集中巻により巻回されること、
   を特徴とするコギングトルク測定装置。

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