JP2016067089A - サーボモータ及びそのコギングトルクの抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、外周にマグネットを貼着したロータ、またはヨーク内部にマグネットを埋め込んだロータ、を輪状ステータの内側で回転させる構成のサーボモータのコギングトルクを抑制させることである。
【解決手段】本発明によるサーボ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(1)の各突出磁極(2)に、この突出磁極(2)とは異なる磁気抵抗を有する磁気抵抗の異なる部分(4)を形成することにより、ロータ(6)と輪状ステータ(1)間のギャップ内の磁束密度の変化を制御し、コギングトルクの発生を抑制する構成と方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータ及びそのコギングトルクの抑制方法に関し、特に、ステータの一部に磁気抵抗の異なる部分を設けることにより、コギングトルクの抑制を行うように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サーボモータとしては、文献名を挙げるまでもなく、実に数多くの特許文献が開示されているが、一般に、サーボモータのコギングトルクは、ステータのスロット数（すなわち、歯の数）とロータの極数の最小公倍数の周期性を持っており、ロータの外周にマグネットを貼り付けた構成の場合、このコギングトルクを低減するための方法の場合、第１の方法として、磁石の形状を最適化する、又は、第２の方法として、ステータの歯に溝を形成する、の二つの方法がとられていた。

また、モータとコギングを主なキーワードとして検索した結果では本発明と同一のものはなく、特許文献１に示されるように、ステータの一部に各積層板を積層させる場合に、カシメ位置又はスポット位置を選ぶことにより、モータの固有振動数の分布を行って、振動抑制を行う方法が開示されているが、コギングの抑制とは異なるものである。

また、図９から図１１までは、一般に用いられているサーボモータを示しており、複数の突出磁極２を有する輪状ステータ１の内側には、複数のマグネット８を外周に有するロータ６が回転軸５によって回転自在に設けられている。
前記各突出磁極２にはステータ巻線３が設けられており、このステータ巻線３の励磁によってロータ６が定速回転するように構成されている。

前述の構成におけるサーボモータにおいては、図１０の磁束線図及び図１１の磁束密度図に見られるようにコギングトルクが大となっていた。

特開２０１０−３５３２８号公報

従来のサーボモータは、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、前述の第１の方法の場合、磁石中央部より磁石両端の厚みを減らし、ギャップ磁束密度の変化を正弦波に近づける方法が一般的だが、この方法ではギャップ部の空気の面積は増え、そのためモータのトルク定数が小さくなることがさけられなかった。また、磁石の形状を整形する方法としてワイヤーカット等の手法がとられる場合には、同一体積の方形の磁石部材から使用できる磁石の量は少なくなってしまうため、使用できる磁石の割に価格が高くなるというデメリットがあった。
また、磁石をヨークの内部に配するＩＰＭモータについても、磁石の形状と配置は、コギングトルクを低減させるよう決定されるため、制約を受けることになっていた。

また、前述の第２の方法の場合、ステータの歯のギャップ面に溝を設けるという方法は、ロータからみたステータの歯の数を疑似的に増やし、ステータの歯の数とロータの極数の最小公倍数を大きくすることにより、コギングトルクの発生周期数を増やし、それによりコギングの振幅の低減を目指したものである。しかし、モールド材等でコイルを固定するような場合、設けたステータの溝にモールド材が流れ込み、稼動中にそのモールド材が剥離し、ギャップ中に挟まるという不具合を発生させる可能性があった。
従って、図８のサーボモータのように、コギングトルクの抑制に対して何らの対策も取っていない構成では、図１０及び図１１のように大きいコギングトルクの発生となっていた。

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、ステータの一部に磁気抵抗の異なる部分を設けることにより、コギングトルクの抑制を行うようにしたサーボ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。

本発明によるサーボモータは、所定角度間隔で内方へ向けて突出しステータ巻線を有すると共に先端の歯部が互いに一体又は別体をなす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、前記ロータの外周部、または内部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サーボモータにおいて、前記輪状ステータの前記突出磁極には、前記突出磁極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ことにより、前記磁気抵抗の異なる部分を有しない前記輪状ステ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、前記磁気抵抗の異なる部分は、前記突出磁極の前記マグネット側に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、貫通孔又は凹部よりなると共に、円形、多角形及び楕円、又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、本発明によるサーボモータのコギングトルクの抑制方法は、定角度間隔で内方へ向けて突出しステータ巻線を有すると共に先端の歯部が互いに一体又は別体をなす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、前記ロータの外周部、または内部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サーボモータを用い、前記輪状ステータの前記突出磁極には、前記突出磁極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ことにより、前記磁気抵抗の異なる部分を有しない前記輪状ステータよりもコギングトルクの発生が抑制される方法であり、また、前記磁気抵抗の異なる部分は、前記突出磁極の前記マグネット側に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、貫通孔又は凹部よりなると共に、円形、多角形及び楕円、又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。

本発明によるサーボ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しステータ巻線を有すると共に先端の歯部が互いに一体又は別体をなす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、前記ロータの外周部、または内部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サーボモータにおいて、前記輪状ステータの前記突出磁極には、前記突出磁極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ことにより、前記磁気抵抗の異なる部分を有しない前記輪状ステ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方法としたことにより、図１２の特性図に示されるように、サーボモータのコギングトルクを大幅に低減させることができる。
また、前記磁気抵抗の異なる部分は、前記突出磁極の前記マグネット側に形成されていることにより、ギャップに流れる磁束量を制御し、コギングの低減を達成できる。
また、前記磁気抵抗の異なる部分は、貫通孔又は凹部よりなると共に、円形、多角形及び楕円、又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、その形状加工が容易となる。

本発明によるサーボモータの基本構成を有限要素法で解析して示す平面図である。 図１の要部の拡大平面図である。 図１のサーボモータの磁束線図である。 図１のサーボモータの磁束密度を示す説明図である。 図１の要部の拡大図である。 図３の要部の拡大図である。 図４の要部の拡大図である。 図５の他例を示す拡大図である。 従来のサーボモータの基本構成を有限要素法で解析して示す平面図である。 図９のサーボモータの磁束線図である。 図１のサーボモータの磁束密度を示す説明図である。 従来と本発明のサーボモータのコギングトルク特性を示す特性図である。

本発明によるサーボモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、ステータの一部に磁気抵抗の異なる部分を設けることにより、コギングトルクの抑制を行うことである。

以下、図面と共に本発明によるサーボ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、同一符号を用いて説明する。
図１において符号１で示されるものは、所定角度間隔毎に内方へ向けて突出する複数の突出磁極２を有する輪状ステータであり、前記各突出磁極２にはステータ巻線３が巻回して設けられている。

前記突出磁極２の最も内側に形成され前記輪状ステータ１の円周方向に沿って幅広状となる歯部２Ａには、前記突出磁極２とは磁気抵抗の異なる領域からなる磁気抵抗の異なる部分４が形成されている。
尚、前記各歯部２Ａは図５のように隙間を介して別体の場合と、図８のように一体につながっている場合の何れも用いることができる。
前記磁気抵抗の異なる部分４は、貫通孔又は凹部からなると共に、その形状は円形、多角形及び楕円、又はそれらを組み合わせた形状の何れかよりなり、その数は少なくとも１個又はそれ以上の任意の数で構成されている。
前記磁気抵抗の異なる部分４は、前記歯部２Ａの歯部幅Ｗの中央位置Ｗ_０に位置している。

前記輪状ステータ１の内側には、回転軸５に設けられたロータ６が回転自在に配設されており、前記ロータ６の外周には、所定間隔で突起状に形成された突条７が前記ロータ６の軸方向に沿って形成されている。
前記ロータ６の外周における前記各突条７間には、前記軸方向に沿って長手状をなす板状のマグネット８が貼着され、前記磁気抵抗の異なる部分４は、前記突出磁極２の歯部２Ａの最も前記マグネット８に近い側に配設されている。

図３は、図１のサーボモータの磁束線図を有限要素法で解析して示した説明図であり、図４は、図１のサーボモータの磁束密度を有限要素法で示した説明図である。
前述の図１から図４に示される８極１２スロット（歯部２Ａの数）のサーボモータの前述の磁束線と磁束密度を前述の従来例の図８から図１０に示される磁束線と磁束密度を比較すると、その変化の周期が従来例より高くなっていること明らかなため、コギングが大であることを理解することができる。
すなわち、磁束密度の大小がコギングトルクではなく、変化率がコギングトルクであるため、磁束密度の変化の周期性を上げ、変化の振幅を小さくすることが本発明である。
尚、磁束量を減らすと、モータのトルク定数も小さくなってしまうため、この方法は従来のコギング制御方法に相当するものである。

前述の本発明の前記磁気抵抗の異なる部分４を有する輪状ステータ１を有するサーボモータと前述の従来構成のサーボモータとを、コギングトルク特性について比較した結果は、図１１で示されるように、前記突出磁極２に１個もしくは複数の空気穴である磁気抵抗の異なる部分４を設けた本発明のサーボモータの方が、前記ロータ６と前記突出磁極２間のギャップ部１０に流れる磁束量の周期性が変化し、本発明構成Ａは従来構成Ｂに対して大幅にコギングトルクが低減されていることが明らかである。

従って、本発明によるサーボモータの輪状ステータ１に前記磁気抵抗の異なる部分４を設けることにより、前記ギャップ部１０内の磁束密度の変化を制御し、コギングトルクの周期を増やし、その振幅の低減ができる。
また、このコギングトルクの低減が可能となることにより、このコギングトルクの低減のために決定していたマグネット８の形状をもっと自由に決定することができるため、マグネット８を増やすことが可能となり、トルク定数を増加させることができる。

また、マグネット８の形を選ぶための整形方法に合わせて、同一体積の部材からより多くのマグネット８を取り出す形状を選択することができる。
また、モールド材等でステータ巻線３をモールド材等で固定する場合、前述の突出磁極２の溝にモールド材が流れ込み、サーボモータ稼動中にそのモールド材が剥離するようなことは回避することができる。
また、磁石をヨークの内部に配するＩＰＭモータについては、磁石の形状と配置をもっと自由に決定することができるため、トルク定数を増加させることが出来る。
尚、本発明によるサーボモータは、ロータ形状に依存することはないため、図示のようにロータ６の外周にマグネット８を設けるＳＰＭ型だけでなく、ロータ６の内部にマグネット８を埋め込むＩＰＭ型のロータ６についても適用できる。
また、前記マグネット８は円筒状でも可である。

前述の本発明によるサーボモータ及びそのコギングトルクの抑制方法の要旨とするところは、次の通りである。
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３を有する複数の突出磁極２を備えた輪状ステータ１と、前記輪状ステータ１の内側に回転軸５を介して設けられたロータ６と、前記ロータ６の外周部、または内部に設けられた複数のマグネット８と、を備え、前記ステータ巻線３の励磁により前記ロータ６を回転させるようにしたサーボモータにおいて、前記輪状ステータ１の前記突出磁極２には、前記突出磁極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４が形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる部分４を有しない前記輪状ステータ１よりもコギングトルクの発生が抑制されている構成及び方法であり、また、前記磁気抵抗の異なる部分４は、前記突出磁極２の前記マグネット８側に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４は、貫通孔又は凹部よりなると共に、円形、多角形及び楕円、又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。

本発明によるサーボモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、輪状ステータの突出磁極に磁気抵抗の異なる部分が形成されていることにより、ギャップ部内の磁束密度の変化を制御しているため、コギングトルクの抑制が可能となり、サーボモータのマグネットの設計が容易となる。

１ 輪状ステータ
２ 突出磁極
２Ａ 歯部
３ ステータ巻線
４ 磁気抵抗の異なる部分
５ 回転軸
６ ロータ
７ 突条
８ マグネット
１０ ギャップ部
Ｗ 歯部幅
Ｗ_０ 中央位置

Claims (6)

1. 所定角度間隔で内方へ向けて突出しステータ巻線(3)を有すると共に先端の歯部(2A)が互いに一体又は別体をなす複数の突出磁極(2)を備えた輪状ステータ(1)と、前記輪状ステータ(1)の内側に回転軸(5)を介して設けられたロータ(6)と、前記ロータ(6)の外周部、または内部に設けられた複数のマグネット(8)と、を備え、前記ステータ巻線(3)の励磁により前記ロータ(6)を回転させるようにしたサーボモータにおいて、
   前記輪状ステータ(1)の前記突出磁極(2)には、前記突出磁極(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(4)が形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる部分(4)を有しない前記輪状ステータ(1)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サーボモータ。
2. 前記磁気抵抗の異なる部分(4)は、前記突出磁極(2)の前記マグネット(8)側に形成されていることを特徴とする請求項１記載のサーボモータ。
3. 前記磁気抵抗の異なる部分(4)は、貫通孔又は凹部よりなると共に、円形、多角形及び楕円、又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記載のサーボモータ。
4. 所定角度間隔で内方へ向けて突出しステータ巻線(3)を有すると共に先端の歯部(2A)が互いに一体又は別体をなす複数の突出磁極(2)を備えた輪状ステータ(1)と、前記輪状ステータ(1)の内側に回転軸(5)を介して設けられたロータ(6)と、前記ロータ(6)の外周部、または内部に設けられた複数のマグネット(8)と、を備え、前記ステータ巻線(3)の励磁により前記ロータ(6)を回転させるようにしたサーボモータを用い、
   前記輪状ステータ(1)の前記突出磁極(2)には、前記突出磁極(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(4)が形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる部分(4)を有しない前記輪状ステータ(1)よりもコギングトルクの発生が抑制されるようにしたことを特徴とするサーボモータのコギングトルクの抑制方法。
5. 前記磁気抵抗の異なる部分(4)は、前記突出磁極(2)の前記マグネット(8)側に形成されていることを特徴とする請求項１記載のサーボモータのコギングトルクの抑制方法。
6. 前記磁気抵抗の異なる部分(4)は、貫通孔又は凹部よりなると共に、円形、多角形及び楕円、又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記載のサーボモータのコギングトルクの抑制方法。

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