JP2011223676A - 永久磁石式電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを低減し小型化した永久磁石式電動機を提供する。
【解決手段】永久磁石式電動機は、Ｐ個の磁極が等間隔配置された可動子と、ｍ相に励磁されるＮ個の巻線コイルの巻回中心が略等間隔に配置された固定子とを備え、可動子の磁極数Ｐと固定子の巻線コイル数ＮとをＰ＝２ｎ（以下ｎは自然数）かつＮ＝２ｎ±１あるいはＮ＝２（ｎ±１）となるように選択し、Ｎはｍの整数倍ではなくしてあり、各相間の位相差が等しくなるように巻線コイルのターン数を巻線コイル間で異なるように設定し、巻線コイルの一つの巻回中心に対して１相分の巻線コイルのみを巻回した。
【選択図】図１

Description

この発明は永久磁石式電動機に関し、特にサーボモータ等に用いるのに適した永久磁石式回転電機などの永久磁石式電動機に関するものである。

一般的な永久磁石式回転電動機においては、固定子の内側に回転子が回転可能に設けられている。固定子は、電磁鋼板の積層体や圧粉鉄心で形成された固定子鉄心と固定子鉄心に巻かれた固定子巻線とを備えており、回転子は、回転子鉄心と回転子鉄心に貼り付けあるいは埋設されたリング状あるいはセグメント状の永久磁石とを備えている。このような永久磁石式同期電動機は、固定子の固定子巻線が作る回転磁界と回転子の永久磁石が作る磁束との相互作用により回転トルクを発生させる。

強力な磁石を用いた永久磁石型モータは、小型で高トルクを発生させるというメリットがあるが、永久磁石の磁束と固定子ティースとの相互作用によって、無負荷時や負荷時に関係なく脈動トルクが発生する。特に、無負荷時の脈動トルクはコギングトルクと呼ばれており、位置決め精度低下や振動騒音等の原因となることがある。

コギングトルクの脈動数は永久磁石の磁極数と固定子のティース数の最小公倍数によって決定される。例えば、永久磁石の磁極数が４で、固定子のティース数が６のモータの場合、一回転当たり１２山のコギングトルクが発生することとなる。また、コギングトルクの大きさとしては、一回転当たりの脈動数が少ない程大きく、一回転当たりの脈動数が多い程小さくなる。

また、小型モータでは、スロット数を大きく設計することができない場合がある。更に、高速モータでは、極数を大きく設計することができない場合がある。このような小型モータの場合、極数とスロット数の最小公倍数を十分に大きく設計することができず、コギングトルクが大きくなるという課題があった。

これに対し、従来、コギングトルクを低減する技術として提案されているモータにおいては、永久磁石の磁極数をＰとしスロット数をＮとした場合、Ｐ＝２ｎ、Ｎ＝２ｎ±１（以下、ｎは自然数)とし、Ｎを相数φの整数倍とならないように設定することで、極数とスロット数の最小公倍数が大きくなるように設計しコギングトルクの低減を図っている。また、このモータでは、１つのティースに１つの相の巻線あるいは２つの相の巻線を施すことで、ＵＶＷ相の誘起電圧を３相平衡させ、３相モータとして動作するように構成されている。（例えば特許文献１参照。）

特開平４−２０８０３９号公報

しかしながら、上述の従来のモータにおいては、１つのティースに２つの相の巻線を施したティースの存在により、誘起電圧が低下するためトルク密度が低下し、また、相間絶縁が必要となってモータを小型化することができないという課題があった。

従ってこの発明の目的は、コギングトルクの低減とモータの小型化を両立させた永久磁石式電動機を提供することである。

この発明による永久磁石式電動機は、Ｐ個の磁極が略等間隔に配置された可動子と、ｍ相に励磁されるＮ個の巻線コイルの巻回中心が移動方向に対し略等間隔となるように配置された固定子とを備え、上記可動子の磁極数Ｐと固定子の巻線コイル数Ｎの組み合わせがＰ＝２ｎ（以下ｎは自然数）かつＮ＝２ｎ±１あるいはＮ＝２（ｎ±１）となるようにＰとＮを選択し、Ｎは相数ｍの整数倍ではないようにした永久磁石式電動機において、上記巻線コイルのターン数を上記巻線コイル間で異なル用に設定し、上記巻線コイルの一つの巻回中心に対して１相分の巻線コイルのみを巻回したことを特徴とするものである。

この発明によれば、コギングトルクを低減しつつ、トルク密度を向上させると共に、生産性をも向上させることが可能である。

この発明の実施の形態１による永久磁石式電動機の概略断面図である。 図１の永久磁石式電動機の結線図である。 図１の永久磁石式電動機の誘起電圧ベクトル図である。 実施の形態１による永久磁石式電動機の各ティースの巻線コイルの接続する相と巻数および線径の割合を示す図である。 実施の形態１による永久磁石式電動機の巻線係数である。 実施の形態１による永久磁石式電動機のシミュレーションによる誘起電圧解析結果である。 実施の形態１による永久磁石式電動機のシミュレーションによるトルク波形解析結果である。 実施の形態２による永久磁石式電動機の回転子の斜視図である。 実施の形態３による永久磁石式電動機の可動子の断面図である。 実施の形態４による永久磁石式リニア電動機の断面図である。 実施の形態４による永久磁石式リニア電動機の断面図拡大図である。 実施の形態５による永久磁石式電動機の断面図である。 実施の形態５による永久磁石式電動機の結線図である。 実施の形態５による永久磁石式電動機の誘起電圧ベクトル図である。 実施の形態５による永久磁石式電動機の各ティースの巻線コイルの接続する相と巻数および線径の割合を示す図である。 実施の形態６による永久磁石式電動機の結線図である。 実施の形態６による永久磁石式電動機の各ティースの巻線コイルの接続する相と巻数および線径の割合を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するため、この発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１にこの発明の実施の形態１による永久磁石式電動機の断面図を、図２に結線図を、図３に誘起電圧のベクトル図を、図４に各ティースの巻線コイルの接続する相と巻数および線径の割合の関係を示す。

図１において、この発明の永久磁石式電動機は、固定子２０と、固定子２０の内側に回転可能に設けられた回転子である可動子３０とを備えている。固定子２０は、電磁鋼板の積層体や圧粉鉄心で形成された固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１のティース２２に巻かれた固定子巻線である巻線コイル２３とを備えている。可動子３０は、可動子鉄心３１と、可動子鉄心３１に取り付けられたリング磁石である永久磁石３２とを備えている。図示の例では永久磁石式電動機は、磁石極数が４、固定子ティース数が５であり、磁石極数と固定子ティース数の最小公倍数は２０であるため、１回転当たり２０山のコギングトルクが発生することとなる。

一方、小型モータの磁石極数が４の場合の一般的なスロット数は３あるいは６であり、最小公倍数は１２となる。よって４極５スロット構造を適用することで、従来の４極６スロットのモータに比べ、最小公倍数が２０／１２＝１．６倍となり、コギングトルクの大きさはおよそ１／１．６倍に低減できる。

図２には、本発明により、各ティースに所定の巻数比を満足するような巻線を施した結線を示してある。これは、ＵＶＷ相での誘起電圧を３相平衡させ、３相モータとして動作するように構成するためである。

図２には、図１の４極５スロットモータで、１ティースに１相分の巻線のみを巻回する場合の結線を示し、各ティースの番号を＃１、＃２、＃３、＃４、＃５とすると、＃１に１００ターン、＃２および＃５に３５ターン、＃３および＃４に６９ターンの巻線が必要であり、結線方法は、＃１をＵ相、＃２をＶ相、＃３を−Ｖ相、＃４を−Ｗ相、＃５をＷ相となるように結線することが必要である。

図３にはこのような巻数を巻回した場合の誘起電圧ベクトル図を示し、図３より、ＵＶＷ相の合成ベクトルは１２０度ずつ位相差を有していると共に、振幅も同等となっていることが分かる。よって、この巻線方法とすることで３相電源での駆動が可能となる。

また、本発明では、１ティースに１つの巻線を施すため、コイル間絶縁も不要となり、従来に比べ高トルク密度化が可能となる。

一方、特許文献１に示されている従来の方法で４極５スロットモータを構成した場合には、１つのティースに２つの相の巻線を施すことが必要となる。具体的には、従来の巻線方法では、＃２でＵ相とＶ相が巻回され、＃４ではＶ相とＷ相が巻回されている。このため、従来の巻線方法では、＃２と＃４のティースでは、異なる相の巻線が施されることから、相間絶縁が必要となり、巻線の占積率低下を招いていた。

図４に各ティースの巻線コイルの接続する相と巻数および線径の割合の関係を示す。図１および図４に示すように、本発明では、各ティースには所定の線径比を満足するような巻線を施している。これは、ＵＶＷ相での抵抗値を平衡させると共に、高占積率化を図るためである。

４極５スロットモータで、１ティースに１相分の巻線のみを巻回する場合、図４に示したように各ティースの番号を＃１、＃２、＃３、＃４、＃５とすると、＃１の線径を１とした場合、＃２および＃５の線径は約１．６８、＃３および＃４の線径は約１．２０となるように設定することで、抵抗値も３相平衡し、高占積率化が可能となる。換言すれば、巻線コイル２３の巻数は、巻線コイルの移動方向すなわち回転方向配置の順（図４で反時計方向）に巻線コイル２３に第１〜第５巻線コイルと名付けると、第１巻線コイルが１００ターン、第２および第５巻線コイルが３５ターン、第３および第４巻線コイルが６９ターンであり、巻線コイル２３が、第１巻線コイルがＵ相、第２巻線コイルがＶ相、第３巻線コイルが−Ｖ相、第４巻線コイルが−Ｗ相、第５巻線コイルがＷ相となるように結線されており、巻線コイル２３の線径は、第１巻線コイルの線径を１とした場合、第２および第５巻線コイルが約１．６８、第３および第４巻線コイルが約１．２０である。

図５には本発明の永久磁石式電動機の巻線係数を示す。本発明の巻線方法を採用することで、例えば特許文献１に記載の従来技術によれば０．８９７であった巻線係数が、０．９２３に向上できていることが分かる。

図６および図７には、発明者らが本発明による電動機のモータ特性をシミュレーションにより検証した結果を示す。図６より、誘起電圧はＵＶＷ相で三相平衡状態であることが確認できる。

また、３相電源を接続した場合のモータのトルク波形解析結果を示す図７より、トルク波形には、電気角度一回転あたり１０山および６山の脈動成分が観測される。これは、1０山成分は４極５スロット構造に起因するものであり、６山成分は３相駆動に起因するものである。

このように、この永久磁石式電動機は、Ｐ個の磁極が略等間隔に配置された可動子である可動子３０と、ｍ相に励磁されるＮ個の巻線コイル２３の巻回中心が移動方向に対し略等間隔となるように配置された固定子２０とを備え、可動子３０の磁極数Ｐと固定子２０の巻線コイル数Ｎの組み合わせがＰ＝２ｎ（以下ｎは自然数）かつＮ＝２ｎ±１となるようにＰとＮを選択し、Ｎは相数ｍの整数倍ではないようにした永久磁石式電動機において、各相間の位相差が等しくなるように巻線コイル２３のターン数を巻線コイル間で異なるように設定し、巻線コイル２３の一つの巻回中心に対して１相分の巻線コイル２３のみを巻回したことを特徴とする構成を持っており、この構成により、モータのコギングトルクの低減を図ると共に、小型化し、トルク密度と生産性を向上させることができるのである。

実施の形態２．
図８に示す永久磁石式電動機の回転子においては、可動子３０の永久磁石３２にスキューが設けられていて、その他の構成は実施の形態１のものと同様である。なお、スキュー角度は、３６０／（ＰとＮの最小公倍数）となるように設定した。これは、４極５スロット構造に起因するトルク脈動成分低減のためであり、スキューを併用することで更なるコギングトルク低減が可能となる。

実施の形態３．
図９に示す永久磁石式電動機においては、固定子が固定子巻線である巻線コイル２３とティース部を持たない固定子鉄心２１とから構成されている。このようなスロットレスモータの場合、４極モータでは、４極３コイル構造が一般的であるが、この場合３コイルであるため、コイルエンド部が長くなり、トルク密度が低下するということがあった。これに対し、本発明では、６極５コイル構造としているため、コイルエンド部を短くすることが可能となる。また、巻数や線径についても、実施の形態１と同様、巻線コイル２３毎に変化させることで高トルク密度化を図ることが可能となる。

実施の形態４．
図１０および図１１に実施の形態４による永久磁石式リニア電動機の断面図を示す。本実施の形態では、可動子側に巻線コイルが、固定子側に永久磁石が配置されているが、動作原理については、実施の形態１による永久磁石式電動機と同様である。図１０に示したように、リニア電動機の場合も電動機と同様に巻線コイル毎に巻数や線径を変化させることで、コギングトルク低減とトルク密度向上が可能となる。

実施の形態５．
図１２〜図１５には、磁石極数が６、固定子ティース数が７の永久磁石式電動機を示す。図１２にはこの永久磁石式電動機のモータ断面図を、図１３に結線図を、図１４に誘起電圧のベクトル図を、図１５に各ティースの巻線コイルの接続する相と巻数および線径の割合を示す。

本実施例の場合、磁石極数と固定子ティース数の最小公倍数は４２となり、１回転当たり４２山のコギングトルクが発生することとなる。一方、小型モータ（集中巻モータ）の磁石極数が６の場合の一般的なスロット数は９であり、最小公倍数は１８となる。よって６極７スロット構造を適用することで、従来の６極９スロットのモータに比べ、最小公倍数が４２／１８＝２．６倍となり、コギングトルクの大きさはおよそ１／２．６倍に低減できる。

また、本発明では、図１２に示したように、各ティースには所定の巻数比を満足するような巻線コイルを施している。これは、ＵＶＷ相での誘起電圧を３相平衡させ、３相モータとして動作するように構成するためである。

６極７スロットモータで、１ティースに１相分の巻線のみを巻回する場合、図１２、図１３および図１５に示したように各ティースの番号を＃１、＃２、＃３、＃４、＃５、＃６、＃７とすると、＃１に１００ターン、＃２および＃７に５６ターン、＃３および＃6に１３７ターン、＃４および＃５に６９ターンの巻線が必要であり、結線方法は、＃１をＵ相、＃２を−Ｕ相、＃３を−Ｖ相、＃４をＶ相、＃５をＷ相、＃６を−Ｗ相、＃７を−Ｕ相となるように結線することが必要である。

このような巻数コイルを巻回した場合の誘起電圧ベクトル図である図１４より、ＵＶＷ相の合成ベクトルは１２０度ずつ位相差を有していると共に、振幅も同等となっていることが分かる。よって、この巻線方法とすることで３相電源での駆動が可能となる。

また、本発明では、図１２に示したように、各ティースには所定の線径比を満足するような巻線コイルを施している。これは、ＵＶＷ相での抵抗値を平衡させると共に、高占積率化を図るためである。

６極７スロットモータで、１ティースに１相分の巻線のみを巻回する場合、図１２、図１３および図１５に示したように各ティースの番号を＃１、＃２、＃３、＃４、＃５、＃６、＃７とすると、＃１の線径を１とした場合、＃２および＃７の線径は約１．３３、＃３および＃６の線径は約０．８５、＃４および＃５は約１．２０となるように設定することで、抵抗値も３相平衡し、高占積率化が可能となる。この構成により小型モータのコギングトルクの低減を図ると共に、トルク密度と生産性を向上させることができる。

実施の形態６．
図１６および図１７に示す永久磁石式電動機は、磁石極数が８、固定子ティース数が１０の電動機である。図１６はこの永久磁石式電動機のモータ断面図を示し、図１７は各ティースの巻線コイルの接続する相と巻数および線径の割合を示す。本実施の形態による永久磁石式電動機は、実施の形態１の永久磁石式電動機の磁極数およびティース数を２倍したものであるため、巻線方法や結線方法は実施の形態１と同様のパターンとなるように図１７のように設定すればよい。

このように、この永久磁石式電動機においては、可動子３０の磁極数Ｐと固定子２０の巻線コイル数Ｎ（Ｎは相数ｍの整数倍ではない）との組み合わせが、Ｐ＝２ｎ（以下ｎは自然数）かつＮ＝２（ｎ±１）となるようにＰとＮを選択した巻線方法とすることで、モータを大型化させる場合でもコギングトルクを低減しつつ３相電源での駆動が可能となる。

さらに、実施の形態１では、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の巻線が集中的に存在するため、局所的な電磁力（電磁加振力）が発生することとなり、これにより電磁音が発生する可能性がある。これに対し、本実施の形態では、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相の巻線が機械角度１８０毎に分散的に存在しているため、局所的な電磁力を低減することが可能となり、実施の形態１よりも電磁音を低減可能である。

以上に図示して説明した永久磁石式電動機は単なる例であって様々な変形が可能であり、またそれぞれの具体例の特徴を全てあるいは選択的に組み合わせて用いることもできる。

この発明は永久磁石式電動機として利用できるものである。

２０ 固定子、２１ 固定子鉄心、２２ ティース、２３ 巻線コイル、３０ 可動子、３１ 可動子鉄心、３２ 永久磁石。

Claims (8)

1. Ｐ個の磁極が略等間隔に配置された可動子と、ｍ相に励磁されるＮ個の巻線コイルの巻回中心が移動方向に対し略等間隔となるように配置された固定子とを備え、上記可動子の磁極数Ｐと固定子の巻線コイル数Ｎの組み合わせがＰ＝２ｎ（以下ｎは自然数）かつＮ＝２ｎ±１あるいはＮ＝２（ｎ±１）となるようにＰとＮを選択し、Ｎは相数ｍの整数倍ではないようにした永久磁石式電動機において、
   上記巻線コイルのターン数を上記巻線コイル間で異なるように設定し、上記巻線コイルの一つの巻回中心に対して１相分の巻線コイルのみを巻回したことを特徴とする永久磁石式電動機。
2. 上記固定子がティースあるいはスロットを有し、上記固定子のティース数を巻線コイル数Ｎと同一としたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式電動機。
3. 上記ティース毎の上記巻線コイルの巻数が異なることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石式電動機。
4. 上記ティース毎の上記巻線コイルの線径が異なることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石式電動機。
5. 上記巻線コイル数Ｎを５とし、上記磁極数Ｐを４あるいは６としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の永久磁石式電動機。
6. 上記巻線コイル数Ｎを７とし、上記磁極数を６あるいは８としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の永久磁石式電動機。
7. 上記巻線コイルの上記巻数が、上記巻線コイルの移動方向配置の順に名付けて第１巻線コイルが１００ターン、第２および第５巻線コイルが３５ターン、第３および第４巻線コイルが６９ターンであり、上記巻線コイルが、第１巻線コイルがＵ相、第２巻線コイルがＶ相、第３巻線コイルが−Ｖ相、第４巻線コイルが−Ｗ相、第５巻線コイルがＷ相となるように結線されており、上記巻線コイルの線径は、第１巻線コイルの線径を１とした場合、第２および第５巻線コイルが約１．６８、第３および第４巻線コイルが約１．２０であることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石式電動機。
8. 上記固定子が、巻線コイルとティースを持たない固定子鉄心とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式電動機。

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