JP2010193617A - Internally embedded magnet type motor having small cogging torque - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コギングトルクの小さい内部磁石埋込型のモータに関するものである。 The present invention relates to an internal magnet embedded type motor having a small cogging torque.
永久磁石をロータコアの内部に埋め込んだブラシレスモータは、高効率で制御性にも優れていることから、近年、多くの分野で使用されるようになってきている。特に、内部磁石埋込型モータ(IPM)は、リラクタンストルクを利用できることから、電気自動車用のモータやサーボモータ等に広く使用されている。 Brushless motors in which permanent magnets are embedded in the rotor core have been used in many fields in recent years because of their high efficiency and excellent controllability. In particular, an internal magnet embedded motor (IPM) is widely used in motors for electric vehicles, servo motors and the like because reluctance torque can be used.
ところで、永久磁石式のモータでは、ロータコア内の永久磁石が、ステータのティース部に対向しているときと、スロット部に対向しているときとでは、磁気抵抗が大きく異なる。そのため、コギングと呼ばれるトルクの脈動が発生することが知られている。コギングトルクは、突極性を有する永久磁石形モータに必ず発生する力であり、このコギングトルクが発生すると、モータの速度変動を生じて回転むらが大きくなったり、モータの位置決め精度が低下したり、さらには、ロータの軸を伝わり振動や騒音の原因となるとともに、静止トルクのように作用してモータの始動トルクを増大させたりする。また、ロータの回転によって磁束が変化するため、ヒステリシス損および渦電流損が存在する場合には、固体摩擦および粘性摩擦のように作用する。 By the way, in the permanent magnet type motor, the magnetic resistance differs greatly when the permanent magnet in the rotor core faces the teeth portion of the stator and when it faces the slot portion. Therefore, it is known that torque pulsation called cogging occurs. Cogging torque is a force that must be generated in a permanent magnet type motor with saliency.When this cogging torque is generated, the motor speed fluctuates, causing uneven rotation, reducing the positioning accuracy of the motor, Furthermore, it is transmitted through the rotor shaft, causing vibration and noise, and acting like a static torque to increase the starting torque of the motor. Further, since the magnetic flux changes due to the rotation of the rotor, when there is hysteresis loss and eddy current loss, it acts like solid friction and viscous friction.
そこで、モータの構造面から、このようなコギングトルクを低減しようとする技術が幾つか開示されている。例えば、特許文献1には、ロータシャフトの周方向に並んだ複数のセグメント磁石を、ロータシャフトの軸方向の途中で少なくとも2つに横割り分割し、それら横割り分割された一方と他方のセグメント磁石群を、周方向に所定角ずらして配置するとともに、それらのセグメント磁石群の間に、スキュー着磁を施したリング磁石を設けることによりコギングトルクを低減しようとするモータが提案されている。 Thus, several techniques for reducing such cogging torque from the structural aspect of the motor have been disclosed. For example, in Patent Document 1, a plurality of segment magnets arranged in the circumferential direction of the rotor shaft are divided into at least two in the middle of the axial direction of the rotor shaft, and one and the other of the divided segments are divided. There has been proposed a motor that arranges magnet groups at a predetermined angle in the circumferential direction and reduces the cogging torque by providing a ring magnet with skew magnetization between the segment magnet groups.
しかしながら、上記特許文献1のモータは、コギングトルクを抑制した、コンパクトな構造のものであるが、モータの構造が複雑であり、かつ、磁石の着磁も特殊なものとなることから、製造コストの上昇が避けられないという問題がある。 However, although the motor of Patent Document 1 has a compact structure in which cogging torque is suppressed, the structure of the motor is complicated and the magnet magnetization is also special, so that the manufacturing cost is low. There is a problem that the rise of unavoidable.
本発明は、従来技術が抱える上記問題点を解決するために開発されたものであって、その目的は、従来と同じ構造であってもコギングトルクの小さい内部磁石埋込型のブラシレスモータを安価に提供することにある。 The present invention was developed in order to solve the above-mentioned problems of the prior art. The purpose of the present invention is to reduce the cost of an internal magnet embedded type brushless motor having a small cogging torque even with the same structure as the conventional one. There is to provide to.
発明者らは、内部磁石埋込型モータの構造面からコギングトルクの低減を図ろうとする従来技術とは発想を転換し、モータコアを構成する電磁鋼板の特性面から、コギングトルクの低減を図るべく、鋭意検討を重ねた。その結果、内部磁石埋込型モータのステータコア用材料である電磁鋼板(以降、「ステータ材」と称す)とロータコア用材料である電磁鋼板(以降、「コア材」と称す)とで磁気特性に差を設ける、具体的には、ステータ材には、コア材よりも透磁率の高い材料を使用することにより、負荷トルクを損なうことなく、コギングトルクの低減が可能であることを見出し、本発明を完成させた。 The inventors changed the idea from the conventional technology that attempts to reduce the cogging torque from the structural aspect of the internal magnet embedded motor, and aims to reduce the cogging torque from the characteristic aspect of the electrical steel sheet constituting the motor core. , Earnestly studied. As a result, the magnetic properties of the magnetic steel sheet (hereinafter referred to as “stator material”), which is the material for the stator core of the internal magnet embedded motor, and the magnetic steel sheet (hereinafter referred to as “core material”), which is the material for the rotor core. It is found that the cogging torque can be reduced without impairing the load torque by using a material having higher permeability than the core material for the stator material. Was completed.
すなわち、本発明は、環状のヨークとそのヨークの内周側に複数のティースを有するステータと、上記ステータの内周に回転可能に保持され、永久磁石が埋め込まれた円筒状のロータとからなるモータにおいて、上記ステータ材の透磁率(μS)が5000〜20000、ロータ材の透磁率(μR)が500〜10000であり、ステータ材とロータ材の透磁率の比(μS/μR)が1.0超えであることを特徴とする内部磁石埋込型モータである。ここで、上記μSおよびμRは、ロータ材およびステータ材を、50Hzで1.0Tに励磁したときの透磁率である。 That is, the present invention comprises an annular yoke, a stator having a plurality of teeth on the inner peripheral side of the yoke, and a cylindrical rotor that is rotatably held on the inner periphery of the stator and has permanent magnets embedded therein. In the motor, the stator material has a magnetic permeability (μ S ) of 5000 to 20000, the rotor material has a magnetic permeability (μ R ) of 500 to 10,000, and the ratio of the magnetic permeability of the stator material to the rotor material (μ S / μ R). ) Is an internal magnet embedded motor characterized by exceeding 1.0. Here, the mu S and mu R is the rotor member and the stator member, a magnetic permeability when the excitation to 1.0T at 50 Hz.
本発明の内部磁石埋込型モータは、上記ステータ材とロータ材の透磁率の比(μS/μR)が1.1以上であることを特徴とする。 The embedded internal magnet motor of the present invention is characterized in that the ratio of the magnetic permeability of the stator material to the rotor material (μ S / μ R ) is 1.1 or more.
本発明によれば、コギングトルクの小さいモータを安価に提供することができる。このモータは、コギングトルクが小さいので、電気自動車用モータの低速時におけるトルク変動や電動パワーステアリング(EPS)用モータ空転時のトルク変動を低減することができる。さらに、サーボモータにおける位置決め精度の向上を図ることも可能となる。 According to the present invention, a motor having a small cogging torque can be provided at low cost. Since this motor has a small cogging torque, it is possible to reduce torque fluctuation at the time of low speed of the electric vehicle motor and torque fluctuation at the time of idling of the electric power steering (EPS) motor. Furthermore, it is possible to improve the positioning accuracy in the servo motor.
まず、本発明を開発する契機となった実験について説明する。
内部磁石埋込型モータのコギングトルクに及ぼす素材の影響を調査するため、Siを2.5mass%含有する板厚が0.30mmの電磁鋼板を製造するに際して、仕上焼鈍温度を変えて結晶粒径の大きさを変化させることにより、低〜中磁場域の透磁率を広範囲に変化させた材料を得た。ここで、上記低〜中磁場域の透磁率とは、JIS C2550に準拠し、50Hzで1.0Tまで磁化したときの透磁率のことである。これは、高効率モータで一般的に使用される磁石の磁束密度が1.0T程度であるためである。
次いで、これらの材料を、表1に示したような組み合わせでステータ材およびロータ材として用いて、図1に示したような12極18スロットの内部磁石埋込型モータ(IPM)を作製した。上記モータは、ステータの外形が150mmφ、ロータの外形が85mmφ、積み厚が60mmの大きさのものである。
このようにして製作したモータについて、無負荷の状態で、10rpmで回転させたときのトルクの変動(コギングトルク)と、電流を70A流し、800rpmで回転させたときの負荷トルクを測定した。
First, an experiment that triggered the development of the present invention will be described.
In order to investigate the influence of the material on the cogging torque of the motor with a built-in internal magnet, the grain size was changed by changing the finish annealing temperature when manufacturing an electromagnetic steel sheet containing 2.5 mass% of Si and having a thickness of 0.30 mm. By changing the size of the material, a material was obtained in which the permeability in the low to medium magnetic field range was changed over a wide range. Here, the magnetic permeability in the low to medium magnetic field range is a magnetic permeability when magnetized to 1.0 T at 50 Hz in accordance with JIS C2550. This is because the magnetic flux density of a magnet generally used in a high-efficiency motor is about 1.0T.
Then, these materials were used as a stator material and a rotor material in combinations as shown in Table 1, and a 12 pole 18 slot embedded internal magnet motor (IPM) as shown in FIG. 1 was produced. The motor has a stator outer size of 150 mmφ, a rotor outer size of 85 mmφ, and a stacking thickness of 60 mm.
With respect to the motor thus manufactured, torque fluctuation (cogging torque) when rotated at 10 rpm in a no-load state, and load torque when rotated at 800 rpm with a current of 70 A were measured.
上記測定の結果を表1に併記して示した。また、図2は、表1の結果について、ステータ材とロータ材の透磁率の比(μS/μR)と、コギングトルクおよび負荷トルクとの関係を示したものである。これらの結果から、ステータ材およびロータ材の透磁率を共に高めた場合には、コギングトルクは低下するものの、その割合は小さい。しかし、ステータ材とロータ材の透磁率の比(μS/μR)を1.0よりも大きくした場合には、コギングトルクが大きく低下しており、特に、(μS/μR)を1.1以上としたときには、その効果が大きい、つまり、ステータ材とロータ材の透磁率の比(μS/μR)が、コギングトルクおよび負荷トルクに大きく影響していることがわかる。 The results of the above measurements are shown together in Table 1. FIG. 2 shows the relationship between the ratio of the magnetic permeability of the stator material and the rotor material (μ S / μ R ), the cogging torque, and the load torque for the results shown in Table 1. From these results, when both the magnetic permeability of the stator material and the rotor material is increased, the cogging torque decreases, but the ratio is small. However, when the ratio of the magnetic permeability of the stator material to the rotor material (μ S / μ R ) is larger than 1.0, the cogging torque is greatly reduced, and in particular, (μ S / μ R ) is reduced. When the ratio is 1.1 or more, the effect is large, that is, the ratio of magnetic permeability between the stator material and the rotor material (μ S / μ R ) greatly affects the cogging torque and the load torque.
(μS/μR)がコギングトルクに影響を及ぼす理由は、今のところ明確ではないが、ステータ材の磁束密度を高くした場合には、ステータを磁化した際のヒステリシス面積が小さくなり、ヒステリシストルクが低下するため、コギングトルクが小さくなるが、ロータ材の透磁率を高めた場合には、ロータからステータに流れる磁束が多くなり、永久磁石がステータとステータ間に対向したときの磁気抵抗の差がより顕著になるため、コギングトルクが大きくなるものと考えられる。これらのことから、ステータ材の透磁率を高め、ロータ材の透磁率を低くすることにより、負荷トルクの低下を抑制しつつ、コギングトルクを効果的に低減できるものと考えられる。
そこで、本発明のモータにおいては、ステータ材とロータ材の透磁率の比(μS/μR)を1.0超え、好ましくは、1.1以上とする。
The reason why (μ S / μ R ) affects the cogging torque is not clear so far, but when the magnetic flux density of the stator material is increased, the hysteresis area when the stator is magnetized becomes smaller, and the hysteresis is reduced. Since the torque decreases, the cogging torque decreases, but when the permeability of the rotor material is increased, the magnetic flux flowing from the rotor to the stator increases, and the magnetic resistance when the permanent magnet faces the stator is increased. Since the difference becomes more prominent, it is considered that the cogging torque is increased. From these facts, it is considered that the cogging torque can be effectively reduced while suppressing the decrease of the load torque by increasing the magnetic permeability of the stator material and decreasing the magnetic permeability of the rotor material.
Therefore, in the motor of the present invention, the ratio of the magnetic permeability of the stator material to the rotor material (μ S / μ R ) exceeds 1.0, preferably 1.1 or more.
また、本発明のモータに用いるステータ材およびロータ材は、50Hzで1.0Tに磁化したときの透磁率が、ステータ材は5000〜20000、ロータ材は500〜10000であることが必要である。
ステータ材の透磁率が5000以下になると、負荷トルクが大きく低下してしまう。逆に、透磁率を高くするほど負荷トルクを高めることができるものの、20000超とするには、高温で長時間の焼鈍が必要となり、いたずらにコストアップを招くだけである。よって、ステータ材の透磁率(μS)は、5000〜20000の範囲とする。
一方、ロータ材の透磁率は、コギングトルクを小さくする観点からは、低い方が好ましいため、上限を10000に制限する。しかし、透磁率が500未満になると、負荷トルクが著しく低下してしまう。よって、ステータ材の透磁率(μR)は、500〜10000の範囲とする。
Further, the stator material and rotor material used in the motor of the present invention are required to have a magnetic permeability of 5000 to 20000 for the stator material and 500 to 10,000 for the rotor material when magnetized to 1.0 T at 50 Hz.
When the magnetic permeability of the stator material is 5000 or less, the load torque is greatly reduced. On the contrary, although the load torque can be increased as the magnetic permeability is increased, in order to achieve more than 20000, annealing at a high temperature for a long period of time is required, which only increases the cost. Therefore, the magnetic permeability (μ S ) of the stator material is in the range of 5000 to 20000.
On the other hand, the magnetic permeability of the rotor material is preferably low from the viewpoint of reducing the cogging torque, so the upper limit is limited to 10,000. However, when the magnetic permeability is less than 500, the load torque is significantly reduced. Therefore, the magnetic permeability (μ R ) of the stator material is in the range of 500 to 10,000.
上記のように、本発明のモータにおいては、永久磁石式を埋め込んだロータには透磁率の低い材料(電磁鋼板)を、一方のステータには透磁率の高い材料(電磁鋼板)を用いる必要がある。これらの鋼板を製造する方法については、特に限定されるものではなく、通常公知の方法を用いることができる。なお、磁束密度1.0Tにおいて透磁率の低い材料を得る方法としては、例えば、鋼板の結晶粒径を100μm以下とする方法、鋼板に圧延等の加工を施す方法、あるいは、鋼板中に析出物を微細に分散させる方法等、いずれの方法を用いてもよい。 As described above, in the motor of the present invention, it is necessary to use a material with low magnetic permeability (electromagnetic steel plate) for the rotor embedded with the permanent magnet type and a material with high magnetic permeability (electromagnetic steel plate) for one stator. is there. The method for producing these steel plates is not particularly limited, and generally known methods can be used. In addition, as a method of obtaining a material having a low magnetic permeability at a magnetic flux density of 1.0 T, for example, a method of setting the crystal grain size of the steel plate to 100 μm or less, a method of performing processing such as rolling on the steel plate, or a precipitate in the steel plate Any method may be used such as a method of finely dispersing.
転炉で吹練した溶鋼に脱ガス処理を施し、所定の成分組成に調整して3.5%Si鋼を溶製し、連続鋳造してスラブとした。次いで、このスラブを、1140℃で1hr加熱後、熱延仕上温度を800℃とする熱間圧延を行って板厚2.0mmの熱延鋼板とし、610℃で巻き取った。この熱延鋼板に1000℃×30secの熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して板厚0.35mmの冷間鋼板とした。その後、この冷延鋼板に、表2に示したように、焼鈍温度を700〜1050℃の範囲で変えた仕上焼鈍を施し、透磁率の異なる電磁鋼板を作製した。なお、一部鋼板については、透磁率を低下させるため、仕上焼鈍後、冷間圧延を施した。また、これら鋼板からは、25cmのエプスタイン試験片を採取し、JIS C2550に準拠して、50Hz、1.0Tでの透磁率を測定するとともに、組織観察用の試験片を採取し、L方向(圧延方向)断面の平均結晶粒径を測定し、これらの結果を表2に併記した。 The molten steel blown in the converter was degassed, adjusted to a predetermined composition, melted 3.5% Si steel, and continuously cast into a slab. Next, this slab was heated at 1140 ° C. for 1 hr, and then hot-rolled at a hot rolling finishing temperature of 800 ° C. to obtain a hot-rolled steel plate having a thickness of 2.0 mm, and wound at 610 ° C. The hot-rolled steel sheet was subjected to hot-rolled sheet annealing at 1000 ° C. × 30 sec, then pickled and cold-rolled to obtain a cold steel sheet having a thickness of 0.35 mm. Then, as shown in Table 2, this cold-rolled steel sheet was subjected to finish annealing in which the annealing temperature was changed in the range of 700 to 1050 ° C. to produce electromagnetic steel sheets having different magnetic permeability. In addition, about some steel plates, in order to reduce a magnetic permeability, it cold-rolled after finish annealing. In addition, from these steel plates, 25 cm Epstein test pieces were collected, and the permeability at 50 Hz and 1.0 T was measured in accordance with JIS C2550, and the test pieces for structure observation were collected in the L direction ( (Rolling direction) The average crystal grain size of the cross section was measured, and these results are also shown in Table 2.
上記のようにして得た表2の各種材料を、ステータ材およびロータ材として表3に示したように組み合わせて、図1に示したような12極18スロットのIPMモータを作製した。このモータは、ステータ外形が150mmφ、ロータ外形が85mmφ、積み厚が60mmの大きさのものである。
これらのモータについて、無負荷の状態で、10rpmで回転させたときのトルクの変動(コギングトルク)と、電流を70A流し、800rpmで回転させたときの負荷トルクを測定し、その結果を表3に併記して示した。
Various materials shown in Table 2 obtained as described above were combined as shown in Table 3 as a stator material and a rotor material to produce a 12 pole 18 slot IPM motor as shown in FIG. This motor has a stator outer shape of 150 mmφ, a rotor outer shape of 85 mmφ, and a stack thickness of 60 mm.
For these motors, torque fluctuation (cogging torque) when rotating at 10 rpm and no load, and load torque when rotating at 800 rpm with a current of 70 A were measured, and the results are shown in Table 3. It is shown together with.
表3から、素材の透磁率とコギングトルク、負荷トルクの関係を示す。これよりステータ素材の透磁率をロータ素材の透磁率の1.0超え、特に1.1倍以上とした場合には、負荷トルクの低下を抑制しつつ、効果的にコギングトルクの低減が可能であることがわかる。 Table 3 shows the relationship between the magnetic permeability of the material, the cogging torque, and the load torque. As a result, when the magnetic permeability of the stator material exceeds 1.0 of the magnetic permeability of the rotor material, particularly 1.1 times or more, the cogging torque can be effectively reduced while suppressing the reduction of the load torque. I know that there is.
本発明によれば、コギングトルクの小さなモータを作製することができ、電気自動車用モータの低速時のトルク変動や、EPSモータの空回り時のトルク変動を低減することができ、さらには、サーボモータの位置決め精度の向上を図ることも可能である。 According to the present invention, a motor with a small cogging torque can be produced, torque fluctuation at the time of low speed of the motor for electric vehicles, torque fluctuation at the time of idling of the EPS motor can be reduced, and further, the servo motor It is also possible to improve the positioning accuracy.
1:ロータ
2:永久磁石
3:ステータ
4:ヨーク
5:ティース
6:スロット
1: Rotor 2: Permanent magnet 3: Stator 4: Yoke 5: Teeth 6: Slot
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