JP2010166711A - 永久磁石型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 モータのトルクを減少させることなく、磁極検出すなわちロータの回転位置検出精度を向上させる。
【解決手段】 円筒形状コアに電機子コイルを巻装して構成されるステータと、外周表面上に複数個の永久磁石を固定してなる永久磁石ロータ部と、永久磁石ロータ部の軸方向の端部で、電機子コイルのコイルエンドと対向する場所に、永久磁石ロータ部の極対数と同数の凸部を有する突極性磁極部を備えた永久磁石型モータにおいて、ｑ軸を中心に電気角で±４５度の範囲において、インダクタンスの変化量が、正弦波状に変化する場合のインダクタンス変化量よりも大きくなるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータの回転角度に応じて変化する電機子巻線のインダクタンスを検出して、ロータの位置を検出することができる永久磁石型モータに関する。

一般に永久磁石型同期モータをインバータまたはサーボアンプでドライブし、サーボモータとして利用する場合、ロータ位置を検出する必要がある。
通常ロータ軸にパルス発信器等のエンコーダ（位置検出器）を結合することにより、ロータ位置を検出している。この場合、ロータ軸の端部にエンコーダを付加するために、モータの寸法が大きくなり、装置への組み込みが困難になるという問題がある。またこのエンコーダが故障の原因になりシステムの信頼性を低下させる問題も生じる。さらにエンコーダの付加によりモータのコストが高価となる問題がある。

上記問題を解決するために、永久磁石型同期モータにエンコーダなどの位置検出手段を結合することなく、ロータの位置を検出することが可能なエンコーダレスモータが開示されている。
従来のエンコーダレスモータは、円筒形状コアに電機子コイルとティースを有するステータと磁気的ギャップを介して、該ステータ内径側に対向配置され、その外周面に永久磁石を取り付けた永久磁石ロータ部と、ロータ軸方向の端部に突極性を備えた磁極部を備えている（例えば、特許文献１参照）。
図８（a）において、１０１がステータ，１０２が永久磁石ロータ部，１０３が軸，１０４が永久磁石，１０５が突極性磁極部である。これら１０１〜１０４により非突極性を有する永久磁石型モータを構成し、軸１０３の軸方向の一部に突極性磁極１０５を付加することにより、突極性を有する永久磁石型モータ（エンコーダレスモータ）を構成している。
図８（ｂ）に示す形状の突極性磁極部を付加することにより、インダクタンス変化は正弦波となる。

次に上記構成の永久磁石型モータがロータ位置を検出する手順を図９、図１０を用いて説明する。図９にロータ位置検出の手順を示す。
なお、モータを駆動するインバータは電流検出器を有し、該電流をｄ軸・ｑ軸の2軸方向に分解する機能を有している。まず、基本波電圧（図１０ａ）に、磁極（ロータ位置）検出を行うための高周波電圧（図１０ｂ）を重畳した駆動電圧（図１０ｃ）をモータに印加する。次に、電機子電流を検出し、高周波電流成分を抽出する。この高周波電流成分と、駆動電圧に重畳した高周波電圧からインダクタンスを求め、磁極検出、すなわちロータの位置検出を行う。なお実際の制御システムでは、ロータ位置とインダクタンスと高周波電流は対応しているので、検出した高周波電流値を用いて位置制御を行っている。

特開平７−１７７６９０号公報（図４）

従来のエンコーダレスモータでは、重畳印加された高周波電圧とロータ位置に応じて変化する高調波電流からインダクタンスを求め、ロータの位置を検出している。しかしこのインダクタンスが正弦波に近い場合、ｑ軸近傍におけるインダクタンス変化が小さくなり、特に、停止状態からモータを駆動する場合に磁極検出を失敗しモータを暴走させてしまう恐れがあるという問題があった。従って、位置検出精度を向上するために、高周波電流の変化量を大きくすること、すなわちｑ軸近傍のインダクタンス変化を大きくすることが課題となる。
また、ステータ内の電機子コイルと対向する位置に突極性磁極を配置しているために、永久磁石ロータ部の軸長を短くしなければならず、同じ軸長のモータと比較して、トルクが減少してしまう問題もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、ロータ位置に対するインダクタンスを擬似台形波にし、ｑ軸近傍におけるインダクタンス変化を大きくすることにより、磁極検出すなわちロータ位置の高精度検出を実現することを目的としている。さらに、突極性磁極を電機子コイルのコイルエンド部分に対向する位置に配置することにより、ロータ部の軸長を短くする必要性をなくし、従ってモータトルクを減少させることなく突極性を有する永久磁石型モータ（エンコーダレスモータ）を提供することも目的としている。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、円筒形状コアに電機子コイルを巻装して構成されるステータと、外周表面上に複数個の永久磁石を固定してなる永久磁石ロータ部と、前記永久磁石ロータ部の軸方向の一部で、前記電機子コイルのコイルエンドと対向する場所に、前記永久磁石ロータ部の極対数と同数の凸部を有する突極性磁極部を備えた永久磁石型モータにおいて、ｑ軸を中心に電気角で±４５度の範囲において、インダクタンスの変化量が、正弦波状に変化する場合のインダクタンス変化量よりも大きくなるようにしたことを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、ｑ軸を中心に電気角で±４５度の範囲において、インダクタンスが最大値から最小値または最小値から最大値まで変化するようにしたことを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、前記突極性磁極部は、シャフトと嵌合する円筒形状の内周磁極部と凸部の外周磁極部から構成され、外周磁極部のモータの軸に対する垂直な断面形状が略長方形であり、長方形の中心線と頂点がなす中心角をαとし，突極性磁極部の数をβとしたとき、機械角でα＝４５／β度であるともに、長方形外周中心部にＶ字またはＵ字の切り込みを設けた。
請求項４に記載の発明は、前記突極性磁極部は、シャフトと嵌合する円筒形状の内周磁極部と凸部の外周磁極部から構成され、外周磁極部のモータの軸に対する垂直な断面形状が略三角形であり、三角形の頂点と、外周磁極部と内周磁極部の交点がなす中心角をαとし、突極性磁極部の数をβとしたとき、機械角でα＝４５／β度であるようにしたことを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記突極性磁極部は、シャフトと嵌合する円筒形状の内周磁極部と凸部の外周磁極部から構成され、外周磁極部のモータの軸に対する垂直な断面形状が略長方形であり、長方形の中心線と内周磁極部とシャフトの交点がなす中心角をαとし，突極性磁極部の数をβとしたとき、機械角でα＝４５／β度であるようにしたことを特徴としている。

従来のエンコーダレスモータでは、重畳印加された高周波電圧とロータ位置に応じて変化する高調波電流からインダクタンスを求め、ロータの位置を検出している。請求項１〜２記載の発明によると、ｑ軸近傍でのインダクタンス変化を大きくすることができ、磁極（ロータ位置）の検出精度を向上させることができる。請求項３記載の発明によれば、インダクタンスの変化を擬似台形波にすることでさらにｑ軸近傍でのインダクタンス変化が大きくなり磁極検出精度を向上させることができる。
また請求項４〜５記載の発明によると、インダクタンスの変化量（最大値―最小値）を大きくすることができ、磁極（ロータ位置）の検出精度を向上させることができる。
請求項１〜５記載の発明により、磁極検出精度が向上したので、始動時の磁極検出を失敗することがなくなり、サーボモータとしての信頼性が大幅に向上した。
さらに、突極性磁極を、ステータ内の電機子コイルと対向する位置に配置しているために、永久磁石ロータ部の軸長を短くする必要もなく、従来のエンコーダレスモータに比して、高精度なロータ位置検出と高トルクなエンコーダレスモータを提供することができる。

本発明の第１実施例を示す永久磁石型モータの側断面図 突極性磁極部の正断面図 ロータの回転角に対するインダクタンスの変化 本発明の第２実施例を示す突極性磁極部の側断面図 ロータの回転角に対するインダクタンスの変化 本発明の第３実施例を示す突極性磁極部の側断面図 ロータの回転角に対するインダクタンスの変化 従来のエンコーダレスモータの側断面図 磁極検出の手順 磁極検出のために高調波を重畳したモータ駆動電圧波形

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の突極性を有する永久磁石型モータ（エンコーダレスモータ）の側断面図である。
図１において、１は電機子コイルを巻装したステータ，２は永久磁石ロータ部，３はシャフト，４は永久磁石，５は突極性磁極部，６は電機子コイルエンドである。また、図２，図４，図６は、図１に示した突極性磁極部５の正断面図であり、５２が突極性磁極部の外周磁極部（凸部）を表している。また突極性磁極部βを４個設けた。

ところで、ｑ軸を中心とし電気角で±４５度範囲でインダクタンスが最大値から最小値に変化する場合、また特にｑ軸近傍におけるインダクタンスの変化率が大きいほど磁極（位置）検出精度が向上することを実験で確認している。

それゆえ従来のエンコーダレスモータのインダクタンスが正弦波で変化していたものを、本発明では図３に示すような擬似台形波とし、ｑ軸を中心に電気角で±４５度範囲のインダクタンスが最大値から最小値へまたは最小値から最大値へ変化するようにした。

すなわち、突極性磁極部を、シャフトと嵌合する円筒形状の内周磁極部と凸部の外周磁極部で構成し、外周磁極部のモータの軸に対する垂直な断面形状を略長方形とし、長方形外周中心部にＶ字の切り込みを設けた。この長方形の中心部と外周部の頂点がなす中心角αを機械角で１１．３度とした。本実施例でのロータの回転位置（電気角）に対するインダクタンスの変化を図３に実線で示す。なお従来のエンコーダレスモータのインダクタンス変化を破線で示す。図からわかるように、ｑ軸近傍でのインダクタンス変化は従来モータのインダクタンス変化に比べて大きいことがわかる。なお本実施例では、凸極性磁極部の磁極数が４極であるモータについて説明したが、突極性磁極部の磁極数はモータの回転子の極対数と同数であれば、その他の磁極数であっても同様な効果を得ることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について図４を参照して説明する。
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、突極性磁極部の外周部磁極の形状を断面形略三角形にしたことである。三角形の頂点と、外周磁極部と内周磁極部の交点がなす中心角αを、突極性磁極部の数を４とし、機械角でα＝１１．３度とした。このときのインダクタンス変化を図５において実線で示す。比較のため、従来のエンコーダレスのインダクタンス変化を破線で示す。本実施例においても、ｑ軸近傍でのインダクタンス変化は従来モータのインダクタンス変化に比べて大きいことがわかる。

次に、本発明の第３の実施の形態について図６を参照して説明する。第３の実施例がその他の実施例と異なる点は、突極性磁極部の外周部形状を略長方形としたことである。長方形の中心線と内周磁極部とシャフトの交点がなす中心角αを、突極性磁極部の数を４とし機械角でα＝１１．３度としたことである。このときのモータのインダクタンス変化を図７に実線で示す。また、従来のエンコーダレスのインダクタンス変化を破線で示す。本実施例においても、ｑ軸近傍でのインダクタンス変化は従来モータのインダクタンス変化に比べて大きいことがわかる。

ロボットや自動車用の駆動モータとして最適なサーボモータを提供できる。

１ ステータ
２ 永久磁石ロータ部
３ 軸
４ 永久磁石
５ 突極性磁極部
５１内周磁極部
５２外周磁極部（凸部）
６ 電機子コイルのコイルエンド
１０１ 電機子コイル
１０２ 永久磁石ロータ部
１０３ 軸
１０４ 永久磁石
１０５ 突極性磁極

Claims (5)

1. 円筒形状コアに電機子コイルを巻装して構成されるステータと、外周表面上に複数個の永久磁石を固定してなる永久磁石ロータ部と、前記永久磁石ロータ部の軸方向の端部で、前記電機子コイルのコイルエンドと対向する場所に、前記永久磁石ロータ部の極対数と同数の凸部を有する突極性磁極部を備えた永久磁石型モータにおいて、
   ｑ軸を中心に電気角で±４５度の範囲において、インダクタンスの変化量が、正弦波状に変化する場合のインダクタンス変化量よりも大きくなることを特徴とする永久磁石型モータ。
2. ｑ軸を中心に電気角で±４５度の範囲において、インダクタンスが最大値から最小値または最小値から最大値まで変化することを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。
3. 前記突極性磁極部は、シャフトと嵌合する円筒形状の内周磁極部と凸部の外周磁極部から構成され、外周磁極部のモータの軸に対する垂直な断面形状が略長方形であり、長方形の中心線と頂点がなす中心角をαとし，突極性磁極部の数をβとしたとき、電気角でα＝４５／β度であるともに、長方形外周中心部にＶ字またはＵ字の切り込みを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石型モータ。
4. 前記突極性磁極部は、シャフトと嵌合する円筒形状の内周磁極部と凸部の外周磁極部から構成され、外周磁極部のモータの軸に対する垂直な断面形状が略三角形であり、三角形の頂点と、外周磁極部と内周磁極部の交点がなす中心角をαとし、突極性磁極部の数をβとしたとき、機械角でα＝４５／β度であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石型モータ。
5. 前記突極性磁極部は、シャフトと嵌合する円筒形状の内周磁極部と凸部の外周磁極部から構成され、外周磁極部のモータの軸に対する垂直な断面形状が略長方形であり、長方形の中心線と内周磁極部とシャフトの交点がなす中心角をαとし，突極性磁極部の数をβとしたとき、機械角でα＝４５／β度であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石型モータ。

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