JP2015233381A

JP2015233381A - Ｉｐｍモータ及びそのコギングトルクの抑制方法

Info

Publication number: JP2015233381A
Application number: JP2014119582A
Authority: JP
Inventors: 小久江　幸二; Koji Ogue; 幸二小久江; 西田　茂; Shigeru Nishida; 茂西田
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-24

Abstract

【課題】本発明は、ＩＰＭモータのロータの外周面を加工すること、またはロータ内磁気抵抗の異なる部分を設けることにより、ＩＰＭモータのサーボ制御化を行うことである。
【解決手段】本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、輪状ステータ(5)の内側のロータ(2)の外周面(2A)に、直線面部分(6B)又は曲線面部分(6Ba)を形成する、またはロータ内に磁気抵抗の異なる部分を設けることにより、ギャップ部の磁束密度の変化を細かくコントロールし、従来のＩＰＭモータのコギングトルクよりも抑制する構成と方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法に関し、特に、ロータの外周面に直線部又は曲線部を形成し、さらに、磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通穴）を用いることによりコギングトルクを抑制するための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種のＩＰＭモータの例を挙げる前に、一般に用いられているＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)モータの場合、マグネットの外側の形状を適切に設計することにより、コギングトルクの低減を実現している。
これに対し、ＩＰＭ(Inter Permanent Magnet)モータは、特許文献１及び２に示されるように、
（Ａ）ロータの限られた体積の中に適切に磁石を配置することにより、より多くのマグネット磁束をステータに流すことが可能である。
（Ｂ）磁石の飛散防止対策を考慮する必要がないためギャップを狭く設計することができる。
（Ｃ）弱め磁界制御を用いることにより高回転域において大きなトルクを得ることができる。
（Ｄ）弱め磁界制御により幅広いダイナミック特性が得られる。
（Ｅ）磁石が電気子電流の磁束変化に直接さらされないため磁石の渦電流損が少ない。
等の利点によって幅広い分野に多用され始めている。

特開２０１０−１５４５９０号公報特開２０１２−２２８１７４号公報

従来のＩＰＭモータは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述のＩＰＭモータは、図１４から図１６で示されるように、回転軸１に設けられたロータ２の外周は、所定の半径の外形を有する真円であるため同一直径で形成された円周面となり、図１５及び図１６で示されるように、ロータ２のマグネット４と輪状ステータ５の各突出磁極６（ステータ巻線６Ａを有する）とが対応する位置では、全てギャップが一定であると共にギャップが極めて小さいため、多くの磁力線が形成されると共に磁束密度が高くなるため、いわゆる、ロータ２の回転時に大きいコギングトルクの発生となっていた。

そのため、利点として、大トルク型のモータを得ることはできるが、マグネットの形状によって突出磁極６とロータ２間のギャップ部（図示のように極めて狭く設定されている）に流れる磁束の波形をコントロールすることは難しく、また、前述のようにギャップを小さくしたことにより、コギングトルクは非常に大となる傾向があった。
すなわち、ＩＰＭモータがＳＰＭモータに比して様々な利点を持つにもかかわらず、位置決め精度が必要なサーボモータとしては殆んど利用されていなかった。その大きい理由は、このコギングトルクがあまりにも大きく、かつ、サーボ制御が困難であると云うデメリットのためである。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、ロータの外周面に直線面部又は曲線面部を形成し、さらに、磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通穴）を適切に配置することによりコギングトルクを抑制するようにしたＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法を提供することを目的とする。

本発明によるＩＰＭモータは、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線を有する複数の突出磁極を備えた輪状ステータと、前記輪状ステータの内側に回転軸を介して設けられたロータと、前記ロータ内に設けられた複数のマグネットと、を備え、前記ステータ巻線の励磁により前記ロータを回転させるようにしたＩＰＭモータにおいて、前記ロータの外周面には、直線状面をなす直線面部分又は前記ロータの外径からなる外周面とは異なる形状の曲線状の面をなす曲線面部分が形成されていることにより、前記直線面部分又は曲線面部分を有しない前記ロータよりもコギングトルクの発生が抑制されている構成であり、また、前記ロータの前記マグネットが設けられていない領域には、前記ロータとは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる部分が形成されている構成であり、また、前記磁気抵抗の異なる部分は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかよりなる構成であり、また、本発明によるＩＰＭモータのコギングトルクの抑制方法は、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線を有する複数の突出磁極を備えた輪状ステータと、前記輪状ステータの内側に回転軸を介して設けられたロータと、前記ロータ内に設けられた複数のマグネットと、を備え、前記ステータ巻線の励磁により前記ロータを回転させるようにしたＩＰＭモータを用い、前記ロータの外周面には、直線状面をなす直線面部分又は前記ロータの外径からなる外周面とは異なる形状の曲線状の面をなす曲線面部分が形成されていることにより、前記直線面部分又は曲線面部分を有しない前記ロータよりもコギングトルクの発生が抑制されている方法であり、また、前記ロータの前記マグネットが設けられていない領域には、前記ロータとは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる部分が形成されている方法であり、また、前記磁気抵抗の異なる部分は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかよりなる方法である。

本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線を有する複数の突出磁極を備えた輪状ステータと、前記輪状ステータの内側に回転軸を介して設けられたロータと、前記ロータ内に設けられた複数のマグネットと、を備え、前記ステータ巻線の励磁により前記ロータを回転させるようにしたＩＰＭモータにおいて、前記ロータの外周面には、直線状面をなす直線面部分又は前記ロータの外径からなる外周面とは異なる形状の曲線状の面をなす曲線面部分が形成されていることにより、前記直線面部分又は曲線面部分を有しない前記ロータよりもコギングトルクの発生が抑制されている構成としたことにより、コギングトルクが抑制され、サーボモータとして利用できることにより、ＩＰＭモータの大トルクを用いて、従来用いられなかった分野の製品にもＩＰＭモータの展開が可能となる。
また、前記ロータの前記マグネットが設けられていない領域には、前記ロータとは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通孔）が形成されていることにより、より一層、コギングトルクの細かい抑制の制御が可能となる。
また、前記磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通孔）は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかよりなることにより、個々のＩＰＭモータのコギングトルクの細かい調整が可能となる。

本発明によるＩＰＭモータを有限要素法で解析して示す平面図である。図１のＩＰＭモータの磁束線図である。図１のＩＰＭモータの磁束密度を示す説明図である。図1の他の形態を示すＩＰＭモータの有限要素法で解析して示す平面図である。図４のＩＰＭモータの磁束線図である。図４のＩＰＭモータの磁束密度を示す説明図である。図４の要部を有限要素法で解析して示す拡大平面図である。図７のＩＰＭモータの磁束線図である。図７のＩＰＭモータの磁束密度を示す説明図である。図７の要部の拡大構成図である。図１０の要部の他の形態を示す拡大構成図である。図１０の要部の他の形態を示す拡大構成図である。図１２の要部の他の形態を示す拡大構成図である。従来のＩＰＭモータを有限要素法で解析して示す平面図である。図１４のＩＰＭモータの磁束線図である。図１４のＩＰＭモータの磁束密度を示す説明図である。従来と本発明のＩＰＭモータのコギングトルクの特性図である。

本発明は、ロータの外周面に直線面部分又は曲線面部分を形成し、さらに、磁気抵抗の異なる部分（例えば貫通孔）を用いることによりコギングトルクを抑制することである。

以下、図面と共に本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図１において、符号５で示されるものは、所定角度間隔で内方へ向けて突出しステータ巻線６Ａを有する突出磁極６を複数個有する輪状ステータであり、この輪状ステータ５の内側には、回転軸１に設けられたロータ２が回転自在に設けられている。

前記ロータ２内の回転軸１側には複数のマグネット４が埋設される状態で内設されており、前記ロータ２の外径からなる外周面２Ａと前記輪状ステータ５の内径からなる内周面５Ａとの間には、わずかな隙間からなるギャップ１０Ａが形成されている。
前述の図１から図３で示される本発明の第１形態の場合、前記ロータ２の各ロータ極部２Ｂの前記外周面２Ａの両側には、図１０で示されるように、ロータ２の直線状面をなす直線面部分６Ｂが一対設けられ、前記輪状ステータ５の円周面５Ａと前記ロータ２の外周面２Ａの直線面部分６Ｂとの間に従来のＩＰＭモータよりも大きいギャップ部１０がロータ２の全周にわたって間欠的に形成されている。

尚、図１０で示されるように、各ロータ極部２Ｂの外周面２Ａにおいて、前記各直線面部分６Ｂ間に形成されている円弧状の部分は、前記ロータ２の真円の外径を示す外周面２Ａの一部であり、前記輪状ステータ５の内周面５Ａと前記ロータ２の外周面２Ａとの間のギャップ１０Ａは図１２及び図１４の従来のＩＰＭモータと同一構成である。
従って、前述のギャップ部１０は前記ギャップ１０Ａより大なる隙間とした構成されている。

また、前述の図１０の構成では、前記ギャップ部１０を形成するためにロータ極部２Ｂの両側に一対の直線面部分６Ｂを形成した場合について述べたが、図１１の他の形態においては、図１０の直線面部分６Ｂに代り、凹状又は弧状の曲線面部分６Ｂａが一対形成され、前記ギャップ１０Ａよりも大なる隙間からなる前記ギャップ部１０が図１０と同様に形成されていると共に、前記曲線面部分６Ｂａは、前記ロータ２の外径からなる前記外周面２Ａとは異なる曲線状の面で構成されている。
尚、図１１においては、図１０と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略している。

次に、本発明の他の形態として、前記各ロータ極部２Ｂの前記各直線面部分６Ｂ又は曲線面部分６Ｂａの内側に貫通穴２０が形成された構成を図４から図９及び図１２と図１３に示している。
尚、図４から図９においては、前述の図１から図３及び図１０と図１１で開示した構成と同一部分には同一符号を付し、その説明は重複を避けるために省略して追加構成のみ説明するものとする。
図４において、前記ロータ２の各ロータ極部２Ｂの外周縁２Ｄの前記マグネット４が形成されていない領域には、磁気抵抗の異なる部分（例えば、一対の円形の貫通穴）２０が形成されており、この磁気抵抗の異なる部分２０は、図４から図９では円形の丸穴であるが、例えば、多角形、及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかとすることもできる。また、この貫通穴２０には空気孔だけとする構成の他に、前記ロータ２とは磁気抵抗の異なる物質を埋め込んでもよい。

前記貫通穴２０（空気穴）を用いることで、この部分の磁気抵抗が大となり、図１及び図１０で示した前記直線面部分６Ｂ又は図１１で示した曲線面部分６Ｂａと前記貫通穴２０を組合わせて用いることにより、図２及び図３で示される磁束線と磁束密度の特性が図５及び図６で示されるように若干変化して改良され、結果的に、コギングトルクの大きさが図１７で示されるように改良されることになる。

図７から図９は、前述の図４から図６で示される図の一部を拡大して示すものであり、特に、図７においては、輪状ステータ５の内周面５Ａと前記ロータ２の外周面２Ａとの間のギャップ１０Ａが前記ギャップ１０によって、従来は常に一定の隙間であった前記ギャップ１０Ａが前記直線面部分６Ｂ又は曲線面部分６Ｂａによる前記ギャップ部１０との組合せにより、所定角度毎に大小を繰り返していることが明確に示されている。

また、図１２及び図１３は、前述の図４から図６で示した本発明の他の形態の要部を拡大して示すものである図１０、図１１に対応した構成を示し、図１２及び図１３には、前記貫通穴２０が示された構成として示され、他の部分は符号のみ同一としてその説明は省略している。

次に、前述の本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルク抑制方法の要旨とするところは、以下の通りである。
すなわち、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線６Ａを有する複数の突出磁極６を備えた輪状ステータ５と、前記輪状ステータ５の内側に回転軸１を介して設けられたロータ２と、前記ロータ２内に設けられた複数のマグネット４と、を備え、前記ステータ巻線６Ａの励磁により前記ロータ２を回転させるようにしたＩＰＭモータにおいて、前記ロータ２の外周面２Ａには、直線状面をなす直線面部分６Ｂ又は前記ロータ２の外径からなる外周面２Ａとは異なる形状の曲線状の面をなす曲線面部分６Ｂａが形成されていることにより、前記直線面部分６Ｂ又は曲線面部分６Ｂａを有しない前記ロータ２よりもコギングトルクの発生が抑制されている構成と方法であり、また、前記ロータ２の前記マグネット４が設けられていない領域には、１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる部分２０が形成されている構成と方法であり、また、前記磁気抵抗の異なる部分２０は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかよりなる構成と方法である。

本発明によるＩＰＭモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、ロータの外周面に直線面部又は曲線面部を形成することにより、円周方向におけるギャップ磁束密度の変化を細かくコントロールし、コギングトルクを抑制して低減化し、ＩＰＭモータのサーボ制御化を実現できる。

１回転軸
２ロータ
２Ａ外周面
２Ｂロータ極部
２Ｄ外周縁
４マグネット
５輪状ステータ
５Ａ内周面
６突出磁極
６Ａステータ巻線
６Ｂ直線面部分
６Ｃ円弧部
６Ｂａ曲線面部分
１０ギャップ部
１０Ａギャップ
２０磁気抵抗の異なる部分（貫通穴）

Claims

所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線(6A)を有する複数の突出磁極(6)を備えた輪状ステータ(5)と、前記輪状ステータ(5)の内側に回転軸(1)を介して設けられたロータ(2)と、前記ロータ(2)内に設けられた複数のマグネット(4)と、を備え、前記ステータ巻線(6A)の励磁により前記ロータ(2)を回転させるようにしたＩＰＭモータにおいて、
前記ロータ(2)の外周面(2A)には、直線状面をなす直線面部分(6B)又は前記ロータ(2)の外径からなる外周面(2A)とは異なる形状の曲線状の面をなす曲線面部分(6Ba)が形成されていることにより、前記直線面部分(6B)又は曲線面部分(6Ba)を有しない前記ロータ(2)よりもコギングトルクの発生が抑制されている構成としたことを特徴とするＩＰＭモータ。
前記ロータ(2)の前記マグネット(4)が設けられていない領域には、前記ロータ(2)とは磁気抵抗が異なる１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる部分(20)が形成されていることを特徴とする請求項１記載のＩＰＭモータ。
前記磁気抵抗の異なる部分(20)は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかよりなることを特徴とする請求項１又は２記載のＩＰＭモータ。
所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線(6A)を有する複数の突出磁極(6)を備えた輪状ステータ(5)と、前記輪状ステータ(5)の内側に回転軸(1)を介して設けられたロータ(2)と、前記ロータ(2)内に設けられた複数のマグネット(4)と、を備え、前記ステータ巻線(6A)の励磁により前記ロータ(2)を回転させるようにしたＩＰＭモータを用い、
前記ロータ(2)の外周面(2A)には、直線状面をなす直線面部分(6B)又は前記ロータ(2)の外径からなる外周面(2A)とは異なる形状の曲線状の面をなす曲線面部分(6Ba)が形成されていることにより、前記直線面部分(6B)又は曲線面部分(6Ba)を有しない前記ロータ(2)よりもコギングトルクの発生が抑制されていることを特徴とするＩＰＭモータのコギングトルクの抑制方法。
前記ロータ(2)の前記マグネット(4)が設けられていない領域には、１個もしくは複数の磁気抵抗の異なる部分(20)が形成されていることを特徴とする請求項４記載のＩＰＭモータのコギングトルクの抑制方法。
前記磁気抵抗の異なる部分(20)は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかよりなることを特徴とする請求項４又は５記載のＩＰＭモータのコギングトルクの抑制方法。