JP2015039272A - コギングトルクを低減する電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の位置決め誤差により生じるコギングトルクを低減する構造を備えた同期電動機の提供。
【解決手段】突起部１８は、鉄心１０の周方向についてＡ部及びＢ部に交互に配置されているので、隣り合う永久磁石のうち、突起部１８ａが間に存在する永久磁石については、突起部が存在しないＢ部において永久磁石の各端部が磁力によって互いに吸引される。一方、隣り合う永久磁石のうち、突起部１８ｂが間に存在する永久磁石については、突起部が存在しないＡ部において永久磁石の各端部が磁力によって互いに吸引されることになる。このようにして、隣り合う永久磁石は互いに逆方向に傾くので、発生するコギングトルクは大幅に低減される。
【選択図】図２

Description

本発明は、コギングトルクを低減する構成を備えた電動機に関する。

永久磁石を回転子鉄心の表面に貼り付けた、いわゆるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型の回転子を有する電動機では、永久磁石とステータコアの歯との間に作用する磁気吸引力に起因するコギングトルクが大きくなる。このコギングトルクは電動機の送りムラの原因となるため、小さくすることが望まれる。コギングトルクを小さくするための手段の一つとして、永久磁石の表面を曲面にする（図９参照）ことが挙げられる。しかし、このように磁石形状をコギングトルクが小さくなるように設計しても、永久磁石を回転子鉄心の所定位置に正確に位置決めして貼り付けなければ、設計通りの（小さい）コギングトルクを得ることはできない。

そこでコギングトルク低減のためには、永久磁石を回転子鉄心の所定位置に正確に位置決めして貼り付けることが望まれる。これに関する従来技術として、回転子の表面に磁石位置決め用の溝を設ける技術や、台形形状の複数の永久磁石を、交互に向きを変えながら周方向に隣接配置する技術（特許文献１）がある。

特開２００７−００６６２１号公報

一般に永久磁石は焼結体であり、高い寸法精度で作製することが難しいため、各永久磁石は回転子に対してある程度の誤差（ずれ）又は遊びを有した状態で貼り付けられる。ここで、ステータコアのスロット数がｓであり、かつ回転子に貼り付けられた永久磁石の個数が２ｐ（ｐ対）である（いわゆるｓスロット２ｐ極の）同期電動機において、ｓとｐの最小公倍数がｐの奇数倍となる（２ｐで割り切れない）場合は、以下に説明するように、永久磁石が理想磁石中心位置からずれることでコギングトルクが発生する。

図８は、従来技術に係る回転子を構成する鉄心１００の概略図であり、鉄心１００は永久磁石位置決め用の複数の突起部１０２を有する。ここでは、突起部１０２の各々は鉄心の軸方向に平行かつ直線的に延びる畝状の突起であり、図９に示すように、各突起部１０２間に略直方体形状の永久磁石１０４が貼り付けられ、回転子（ロータ）１０６を構成するものとする。なおここでは、突起部１０２の個数を１６とし、永久磁石の個数も１６（８対）とする。

このとき、上述のように各永久磁石１０４には寸法公差や、永久磁石の貼り付け作業性を考慮すると、図１０に示すように、鉄心１００の各突起部１０２間の間隔ｄは、各永久磁石１０６の幅ｗよりもいくらか大きくなっている。従ってこのような鉄心１００に永久磁石を貼り付けていくと、図１０に示すように、隣り合う永久磁石がその磁気吸引力によって矢印で示す方向に引かれ合い、両側に実質隙間なく永久磁石１０４が配置される突起部１０２ａと、両側に永久磁石１０４が離隔配置される突起部１０２ｂとが交互に表れることになる。つまり各永久磁石は、点線１０８で示す理想中心位置からずれることになる。

このような回転子１０６を、例えば図１１に示すような９個のスロット１１０を有するステータコア１１２の内部に配置して同期電動機１１４を構成した場合、スロット数（ｓ＝９）と極対数（ｐ＝８）の最小公倍数（＝７２）はｐの奇数倍となる。図１２は、このときの電動機１回転当たりのｓとｐの最小公倍数回のコギングトルクを示す図である。図１２において、破線１１６は永久磁石が理想中心位置１０８（図１０参照）にあるときのコギングトルクを示し、実線１１８は図１０のように永久磁石が理想中心位置からずれているときのコギングトルクを示している。なお実線１１８には複数（図示例では５つ）のグラフが含まれているが、これは理想中心位置からのずれ量が大きいほどコギングトルクが大きくなることを示している。

図１２からわかるように、いわゆるｓスロット２ｐ極の同期電動機において、ｓとｐの最小公倍数がｐの奇数倍となる場合は、図１０に示したように隣り合う永久磁石同士が磁気吸引力により（２個１組の）ペアを構成するように近づき、各磁石が理想位置からずれるので、比較的大きなコギングトルクが生じ、電動機の性能低下につながる。また、特許文献１に記載の技術では、各永久磁石の形状が台形であり、台形形状の磁石は単純な直方体形状のものと比べて一般に高価である。

そこで本発明は、永久磁石の位置決め誤差により生じるコギングトルクを低減する構造を備えた同期電動機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、ｓ個のスロット及び２ｐ個の極を有し、ｓとｐの最小公倍数がｐの奇数倍となる同期電動機において、永久磁石を位置決めする突起部を複数備えた回転子鉄心と、前記回転子鉄心に配置される複数の永久磁石とからなる回転子を有し、各永久磁石の一端が、隣り合う永久磁石の一方と互いに吸引し合う方向に傾斜し、かつ他端が、隣り合う永久磁石の他方と互いに吸引し合う方向に傾斜するように、前記突起部が前記回転子鉄心に配置される、同期電動機を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記回転子鉄心をその回転軸方向について２等分した第１部分及び第２部分について、前記第１部分に、前記突起部が隣り合う永久磁石の境界に前記回転子鉄心の周方向について１つ置きに設けられ、前記第２部分に、前記突起部が隣り合う永久磁石の境界に前記回転子鉄心の周方向について１つ置きに設けられ、かつ、１つの境界には前記第１部分及び前記第２部分のいずれか一方にのみ前記突起部が配置される、同期電動機を提供する。

第３の発明は、第１の発明において、前記突起部の各々の形状が、前記回転子鉄心の回転軸方向を高さとする台形であり、前記回転子鉄心をその回転軸方向について２等分した第１部分及び第２部分について、前記第１部分に長辺が位置しかつ前記第２部分に短辺が位置する突起部と、前記第１部分に短辺が位置しかつ前記第２部分に長辺が位置する突起部とが、前記回転子鉄心の周方向に交互に配置される、同期電動機を提供する。

第４の発明は、第１の発明において、前記突起部の各々の形状が、前記回転子鉄心の回転軸方向に、前記回転子鉄心の軸方向長さより短い長さだけ延びる畝状であり、前記回転子鉄心をその回転軸方向について２等分した第１部分及び第２部分について、前記第１部分では前記回転子鉄心の軸方向端部まで延びているが前記第２部分では前記回転子鉄心の軸方向端部まで延びていない突起部と、前記第２部分では前記回転子鉄心の軸方向端部まで延びているが前記第１部分では前記回転子鉄心の軸方向端部まで延びていない突起部とが、前記回転子鉄心の周方向に交互に配置される、同期電動機を提供する。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記複数の永久磁石の各々が直方体形状を有する、同期電動機を提供する。

本願発明に係る同期電動機によれば、スロット数ｓと極数ｐの最小公倍数がｐの奇数倍となる同期電動機において、各永久磁石の一端を、隣り合う永久磁石の一方と互いに吸引し合う方向に傾斜させ、かつ他端を、隣り合う永久磁石の他方と互いに吸引し合う方向に傾斜させることにより、コギングトルクが軸方向の両端で相殺され、永久磁石の位置ずれによるコギングトルクの発生を防ぐことができる。また永久磁石は単純な直方体形状とすることができるので、安価な同期電動機が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る電動機の回転子を構成する鉄心の概略構造を示す図である。 図１の鉄心に永久磁石を貼り付けたときの各磁石の位置の変化を模式的に示す図である。 本発明に係る電動機における、コギングトルクの相殺効果を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る電動機の回転子を構成する鉄心の概略構造を示す図である。 図４の鉄心に永久磁石を貼り付けたときの各磁石の位置の変化を模式的に示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電動機の回転子を構成する鉄心の概略構造を示す図である。 図６の鉄心に永久磁石を貼り付けたときの各磁石の位置の変化を模式的に示す図である。 従来技術に係る電動機の回転子を構成する鉄心の概略構造を示す図である。 図８の鉄心に永久磁石を貼り付けて回転子を構成した例を示す図である。 図８の鉄心に永久磁石を貼り付けたときの各磁石の位置の変化を模式的に示す図である。 図９の回転子をステータコア内に配置した状態を示す図である。 従来技術に係る電動機において発生するコギングトルクを説明する図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電動機の回転子を構成する回転子鉄心（以降、単に鉄心と称する）１０の概略構造を示す図である。鉄心１０は、複数（ここでは１６個（８対））の永久磁石１２（図２）を貼り付けて使用するＳＰＭ型の回転子であり、略円筒形の本体（スリーブ）１４と、永久磁石が貼り付けられる外側面（磁石貼付面）１６と、永久磁石を位置決めする突起部１８とを有する。永久磁石を備えた鉄心１４（回転子）は、極対数（ｐ）とスロット数（ｓ）との最小公倍数（ＬＣＭ）がｐの奇数倍（２ｐで割り切れない）となる同期電動機に使用され、例えば、図１１に示すスロット数が９個のステータコア１１２内に配置されて同期電動機を構成する。なお本発明では、ステータコアの構成自体は従来のものと同様でよいので、詳細な説明は省略する。

図１に示すように、本体１４の外側面１６に設けられる突起部１８は、各永久磁石１２の貼り付け位置の境界（図示例では外側面１６上かつ回転子１０の軸方向に平行な直線で示す部位）２０に配置される。具体的には、鉄心１０をその回転軸方向（図１では上下方向）について２等分した第１部分（Ａ部）及び第２部分（Ｂ部）を考えた場合、上半分すなわちＡ部において、突起部１８ａが境界２０に鉄心１０の周方向について１つ置きに設けられ、同様に下半分すなわちＢ部において、突起部１８ｂが境界２０に鉄心１０の周方向について１つ置きに設けられる。ここで、１つの境界２０にはＡ部及びＢ部のいずれか一方にのみ突起部１８が設けられ、すなわち突起部は、本体１４の周方向についてＡ部及びＢ部に交互に配置される。

図２は、図１の鉄心１０に永久磁石を貼り付けたときの各磁石の位置の変化を模式的に示す図である。上述のように、突起部１８（１８ａ及び１８ｂ）は、鉄心１０の周方向についてＡ部及びＢ部に交互に配置されているので、隣り合う永久磁石のうち、突起部１８ａが間に存在する永久磁石（例えば１２ａ及び１２ｂ）については、突起部が存在しないＢ部において永久磁石の各端部が磁力によって互いに吸引される。一方、隣り合う永久磁石のうち、突起部１８ｂが間に存在する永久磁石（例えば１２ｂ及び１２ｃ）については、突起部が存在しないＡ部において永久磁石の各端部が磁力によって互いに吸引されることになる。このようにして、各永久磁石１２は、破線２２で示す理想的な磁石位置（理想磁石中心位置）からずれる或いは傾くことになるが、図２に示すように、隣り合う永久磁石は互いに逆方向に傾くので、発生するコギングトルクは大幅に低減される。以下、図３を参照してその理由を説明する。

図３は、本発明に係る電動機１回転当たりのｓとｐの最小公倍数回のコギングトルクを示すグラフであり、グラフＩ及びIIはそれぞれ、図２のＡ部及びＢ部において発生するコギングトルクを実線（ずれ量に応じた５つのグラフ）２４で示している。なお同図の破線２６は、各永久磁石が理想磁石中心位置（図２の破線２２）に整合配置されているときの理想的なコギングトルクを示している。図１２を参照して説明したように、回転子のＡ部及びＢ部のそれぞれにおいてずれ量に応じたコギングトルクが発生するが、図３のグラフＩ及びIIの比較からわかるように、Ａ部とＢ部とではコギングトルクの位相がちょうど１極分ずれるので、両部でのコギングトルクは相殺され、結果としてグラフIII（実線２８）に示すように、各永久磁石が理想磁石中心位置（図２の破線２２）に整合配置されているときと実質同等のコギングトルクが得られる。

次に、Ａ部とＢ部とではコギングトルクの位相がちょうど１極分ずれる理由を説明する。スロット数がｓで極数が２ｐ（いわゆるｓスロット２ｐ極）の同期電動機において、本発明に係る同期電動機のようにｓとｐの最小公倍数がｐの奇数倍である場合は、各永久磁石１２が理想磁石中心位置２２からずれた（傾いた）時に、電動機１回転当り、ｓとｐの最小公倍数（ＬＣＭ）に相当する回数のコギングトルクが発生する。このコギングトルクの周期θは、以下の式（１）で表すことができる。但しＬＣＭ（ｐ，ｓ）はｐとｓの最小公倍数であり、ｍは奇数（ｍ＝２ｎ−１、ｎは自然数）である。
θ＝２π／ＬＣＭ（ｐ，ｓ）＝２π／（ｐ×ｍ） （１）

式（１）からわかるように、仮にｍが偶数の場合は、ＬＣＭ（ｐ，ｓ）は２ｐで割り切れることになり、永久磁石が理想磁石中心位置からずれることによるコギングトルクは発生しない。

ここで、図２に示したように、Ａ部において各永久磁石（例えば１２ｂ）の一端を、隣り合う永久磁石の一方（１２ｃ）に吸引される方向に傾斜させ、かつ、Ｂ部において他端を隣り合う永久磁石の他方（１２ａ）に吸引される方向に傾斜させることにより、図２のＡ部とＢ部とではコギングトルクの位相がずれる。この位相のずれφは、ちょうど１極分に相当し、以下の式（２）で表すことができる。
φ＝２π／２ｐ （２）

式（１）及び（２）から、以下の式（３）が導かれる。
θ＝２π／（ｐ×（２ｎ−１））＝φ／（ｎ−１／２） （３）

式（３）を変形することにより、位相のずれφは以下の式（４）で表される。
φ＝θ×（ｎ−１／２） （４）

式（４）から、Ａ部とＢ部のコギングトルクの位相のずれφは１周期の１／２に相当する。その結果、図３のグラフＩ及びIIからわかるように、Ａ部とＢ部とでコギングトルクが相殺され、電動機全体としては、グラフIIIに示すように理想状態に近いコギングトルクを実現することができる。

以上のことから、本発明のように、スロット数ｓと極対数ｐの最小公倍数がｐの奇数倍となる（極数２ｐで割り切れない）場合には、隣り合う永久磁石がそれらの吸引力によって、鉄心の軸方向について互いに逆方向かつ対称に傾斜するように突起部（位置決め部）を鉄心に設けることにより、永久磁石が理想磁石中心位置からずれることによるコギングトルクが相殺できることになる。

なお図１及び図２に示すように、第１の実施形態では各突起部１８は、境界２０を挟んで隣接配置された２つのピン状（円柱状）部材として図示されているが、隣り合う永久磁石がその磁力によって互いに逆方向に傾斜するように各磁石の位置・姿勢を規制できるものであれば、他の形状も可能である。例えば、各突起部１８におけるピン状部材を１つ又は３つ以上としてもよいし、ピン状部材を楕円柱や角柱形状としてもよい。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る電動機の回転子を構成する鉄心１０′の概略構造を示す図である。なお第２の実施形態は突起部の構造を除けば第１の実施形態と同様でよいので、対応する構成要素には同一の参照符号を付して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、鉄心１０′の本体１４の外側面１６に設けられる突起部１８′は、本体１４の軸方向長さに概ね等しい高さを有する台形形状を有し、各永久磁石１２の貼り付け位置の境界（図示例では外側面１６上かつ鉄心１０の軸方向に平行な直線で示す部位）２０に形成される。具体的には、鉄心１０′をその回転軸方向（図４では上下方向）について２等分したＡ部及びＢ部を考えた場合、Ａ部に長辺が位置しＢ部に短辺が位置する突起部１８ａ′と、Ａ部に短辺が位置しＢ部に長辺が位置する突起部１８ｂ′とが、本体１４の周方向に交互に配置される。

図５は、図４の鉄心１０′に永久磁石を貼り付けたときの各磁石の位置の変化を模式的に示す図である。上述のように、突起部１８′の長辺（幅の大きい部分）と短辺（幅の小さい部分）とが本体１４の周方向について交互に配置されているので、隣り合う永久磁石のうち、長辺がＡ部にある突起部１８ａ′が間に存在する永久磁石（例えば１２ａ及び１２ｂ）については、突起部１８ａ′の短辺があるＢ部において永久磁石の各端部が磁力によって互いに吸引される。一方、隣り合う永久磁石のうち、長辺がＢ部にある突起部１８ｂ′が間に存在する永久磁石（例えば１２ｂ及び１２ｃ）については、突起部１８ｂ′の短辺があるＡ部において永久磁石の各端部が磁力によって互いに吸引されることになる。このようにして、各永久磁石１２は、破線２２で示す理想的な磁石位置（理想磁石中心位置）からずれる或いは傾くことになるが、図５に示すように、隣り合う永久磁石は互いに逆方向に傾くので、発生するコギングトルクは大幅に低減される。その理由は、図３を参照して説明した通りである。

第２の実施形態のように、突起部が台形となるように磁石貼付面１６を加工する場合、エンドミルなどの工具を、回転子鉄芯１０′の軸に対して所定の角度で傾けた状態で動かせば容易に加工でき、安価な加工費とすることができる。また、永久磁石を台形などの異形状（単純な直方体ではない）の磁石とする必要もなく、磁石も安価に製造できる。

なお第２の実施形態では、突起部１８′は境界２０を左右対称軸とする台形形状を有するが、隣り合う永久磁石がその磁力によって互いに逆方向に傾斜するように各磁石の位置・姿勢を規制できるものであれば、他の形状も可能である。例えば、台形形状を左右非対称としてもよいし、台形の側辺が完全な直線ではなくともよい。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る電動機の回転子を構成する鉄心１０″の概略構造を示す図である。なお第３の実施形態は突起部の構造を除けば第１又は第２の実施形態と同様でよいので、対応する構成要素には同一の参照符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、鉄心１０″の本体１４の外側面１６に設けられる突起部１８″は、鉄心の軸方向に平行かつ直線的に延びる畝状の突起として、各永久磁石１２の貼り付け位置の境界（図示例では外側面１６上かつ鉄心１０″の軸方向に平行な直線で示す部位）２０に形成されているが、各突起部１８″の軸方向長さは本体１４の軸方向長さより短い。さらに、鉄心１０″をその回転軸方向（図６では上下方向）について２等分したＡ部及びＢ部を考えた場合、Ａ部では本体１４の軸方向端部まで延びているがＢ部では本体１４の軸方向端部まで延びていない突起部１８ａ″と、Ｂ部では本体１４の軸方向端部まで延びているがＡ部では本体１４の軸方向端部まで延びていない突起部１８ｂ″とが、本体１４の周方向に交互に配置される。

図７は、図６の鉄心１０″に永久磁石を貼り付けたときの各磁石の位置の変化を模式的に示す図である。上述のように、本体１４の各軸方向端部において、該端部まで延びている突起部と延びていない突起部とが本体１４の周方向について交互に配置されているので、隣り合う永久磁石のうち、本体１４のＡ部において軸方向端部まで延びている突起部１８ａ″が間に存在する永久磁石（例えば１２ａ及び１２ｂ）については、突起部１８ａ″が軸方向端部まで延びていないＢ部において永久磁石の各端部が磁力によって互いに吸引される。一方、隣り合う永久磁石のうち、本体１４のＢ部において軸方向端部まで延びている突起部１８ｂ″が間に存在する永久磁石（例えば１２ｂ及び１２ｃ）については、突起部１８ｂ″が軸方向端部まで延びていないＡ部において永久磁石の各端部が磁力によって互いに吸引されることになる。このようにして、各永久磁石１２は、破線２２で示す理想的な磁石位置（理想磁石中心位置）からずれる或いは傾くことになるが、図７に示すように、隣り合う永久磁石は互いに逆方向に傾くので、発生するコギングトルクは大幅に低減される。その理由は、図３を参照して説明した通りである。

第３の実施形態のように、各突起部１８″が鉄心１０″の軸方向に平行に延び、かつ隣り合う突起部の一端が周方向について交互に短くなるように磁石貼付面１６を加工する場合、エンドミルなどの工具を用いて容易に加工でき、安価な加工費とすることができる。また、永久磁石を台形などの異形状（単純な直方体ではない）の磁石とする必要もなく、磁石も安価に製造できる。

なお第３の実施形態では、突起部１８″は境界２０を左右対称軸とする畝状（細長い直方体）形状を有するが、隣り合う永久磁石がその磁力によって互いに逆方向に傾斜するように各磁石の位置・姿勢を規制できるものであれば、他の形状も可能である。例えば、軸方向に略平行な畝状形状の側辺が完全な直線ではなくともよい。

なお本発明において、各永久磁石の形状には特段の制約はないが、上述の実施形態ではいずれも、各永久磁石は単純な直方体形状とすることができ、コストダウンが図れる。

１０、１００ 回転子鉄心
１２、１０４ 永久磁石
１４ 本体
１６ 磁石貼付面
１８、１８′、１８″、１０２ 突起部
２０ 境界
２２ 理想磁石中心位置

Claims (5)

1. ｓ個のスロット及び２ｐ個の極を有し、ｓとｐの最小公倍数がｐの奇数倍となる同期電動機において、
   永久磁石を位置決めする突起部を複数備えた回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心に配置される複数の永久磁石とからなる回転子を有し、
   各永久磁石の一端が、隣り合う永久磁石の一方と互いに吸引し合う方向に傾斜し、かつ他端が、隣り合う永久磁石の他方と互いに吸引し合う方向に傾斜するように、前記突起部が前記回転子鉄心に配置される、同期電動機。
2. 前記回転子鉄心をその回転軸方向について２等分した第１部分及び第２部分について、前記第１部分に、前記突起部が隣り合う永久磁石の境界に前記回転子鉄心の周方向について１つ置きに設けられ、前記第２部分に、前記突起部が隣り合う永久磁石の境界に前記回転子鉄心の周方向について１つ置きに設けられ、かつ、１つの境界には前記第１部分及び前記第２部分のいずれか一方にのみ前記突起部が配置される、請求項１に記載の同期電動機。
3. 前記突起部の各々の形状が、前記回転子鉄心の回転軸方向を高さとする台形であり、前記回転子鉄心をその回転軸方向について２等分した第１部分及び第２部分について、前記第１部分に長辺が位置しかつ前記第２部分に短辺が位置する突起部と、前記第１部分に短辺が位置しかつ前記第２部分に長辺が位置する突起部とが、前記回転子鉄心の周方向に交互に配置される、請求項１に記載の同期電動機。
4. 前記突起部の各々の形状が、前記回転子鉄心の回転軸方向に、前記回転子鉄心の軸方向長さより短い長さだけ延びる畝状であり、前記回転子鉄心をその回転軸方向について２等分した第１部分及び第２部分について、前記第１部分では前記回転子鉄心の軸方向端部まで延びているが前記第２部分では前記回転子鉄心の軸方向端部まで延びていない突起部と、前記第２部分では前記回転子鉄心の軸方向端部まで延びているが前記第１部分では前記回転子鉄心の軸方向端部まで延びていない突起部とが、前記回転子鉄心の周方向に交互に配置される、請求項１に記載の同期電動機。
5. 前記複数の永久磁石の各々が直方体形状を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の同期電動機。

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