JP2954552B2 - 永久磁石界磁形ブラシレスモータ - Google Patents
永久磁石界磁形ブラシレスモータInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石界磁形ブラ
シレスモータに関する。 【0002】 【従来の技術】VTR用キヤプスタンモータ等のような
音響機器用小形モータは、大出力でコギングトルクが小
さいことが望まれている。この種のモータには、一般
に、突極磁極のないコアレス形のものが多いがコアレス
形のものはコギングトルクがない反面大出力のものを得
にくい問題がある。一方、コア付形のものは大出力のも
のを得やすいが突極性をもつためにコギングトルクが大
きくなる欠点がある。コア付形モータにおけるコギング
トルクの改善のために、永久磁石極数を突極磁石数より
も大ならしめることが、特公昭49−8568号公報に開示さ
れている。 【0003】コギングトルクは1回転につき突極磁極数
Mと永久磁石磁極数Pとの最小公倍数の脈動トルクであ
り、コギングトルクの大きさは脈動数に反比例する。 【0004】図4および表1を参照して従来のこの種の
永久磁石回転子形ブラシレスモータについて説明する。
ステータ1は外周に電機子巻線29を集中的に巻回した
突極磁極3を備える。ステータ1の外周には、等間隔に
N,Sに着磁した永久磁石4と磁束を通すヨーク5を備
えたロータ6が空隙を介して回転可能に支承されてい
る。特公昭49−8568号の例では、m相構成の永久磁石磁
極数Pと突極磁極数Mの関係を P:M=m+2:m+1 とすることによってコギングトルクの脈動数を多くし、
コギングトルクの大きさを低減することを提案してい
る。更に、電機子巻数2を突極磁極3に集中的に巻回す
るようにして巻線作業性を向上させている。 【0005】 【表1】 【0006】表1は、3相で且つ永久磁石磁極数Pと突
極磁極数Mの比を P:M=4:3 とした場合のコギングトルクの脈動数と巻線利用率をま
とめたもので、永久磁石磁極数Pが16、突極磁極数M
が12の例では、コギングトルクの脈動数が48にも達
し小さなコギングトルクとすることができる。また機械
的に90度の位相をもつ各突極磁極3は電気的には同相
であるので電機子巻線2の利用率がよく、更に脈動トル
クの要因である誘起電圧の脈動を小さくすることができ
る利点をもっている。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの種の
モータでは、更にコギングトルクの低減と電機子巻線の
利用効率向上が望まれている。コギングトルクの低減は
相数mを増すことによって可能であるが、ブラシレスモ
ータにおいては電機子巻線電流制御のために用いる回転
子の磁極位置検出素子数とスイッチング素子数が増える
ことにより、構造が複雑になって高価になる。そして、
電機子巻線2の利用率向上については、突極磁極3の間
に電機子巻線をもたない補助突極を設けて電機子巻線利
用率を1にする方法もあるが、補助突極を多く設けると
巻線作業性が低下し、また補助磁極間の溝が増えてコギ
ングトルクを増大する要因となる。 【0008】本発明の目的は、構成が簡単でコギングト
ルクが小さく、比較的大出力の永久磁石界磁形ブラシレ
スモータを提供することにある。 【0009】 【課題を解決するための手段】本発明は、永久磁石界磁
の永久磁石磁極数Pと固定子の突極磁極数Mの関係を、
(2/3)M<P<(4/3)M 、かつ、M=6n、か
つ、P<6n−2またはP>6n+2 (但しnは2以
上の整数)に設定することにより、コギングトルクと巻
線係数の両面で改善する、すなわち、巻線係数を向上
(出力を向上)させつつ、コギングトルクの大きさを低
減するものであり、かつ、モータの中心に対して機械的
に180度近くなる位置の突極磁極に巻回した電機子巻
線を同相に選べるので、空隙の不平公の影響を少なくし
て、モータの振動を小さくするものである。 【0010】また、上記の永久磁石界磁の永久磁石磁極
数Pと固定子の突極磁極数Mの関係において、特に、P
<6n−2の場合には、永久磁石磁極数Pが少ない方
が、電気角で120度毎に設けられる永久磁石磁極の位
置検出素子の電気角での取り付け誤差が小さくなるの
で、この誤差によって発生するところのトルクリプルを
小さくすることができる。 【0011】 【発明の実施の形態】図1および図2を参照して一実施
例を説明する。 【0012】ステータ1は外周に12個の突極磁極3を
備え、この突極磁極3には電機子巻線2が集中的に巻回
されている。1相当りの突極磁極3の数は4であり突極
3U1,3U2,3U3,3U4に巻回された電機子巻線2が同
相に接続されてU相を構成する。つまりこのU相は中心
の突極磁極3U1(任意に設定し得る)を基準として、電
気角で180K(Kは整数)〜180K+60度未満の
範囲の突極磁極3に巻回された電機子巻線2で構成され
る。V,W相はU相の磁極から機械的に120度,24
0度(−120度)隔てた突極磁極3V1,3W1を中心に1
80K〜180+60度未満の範囲の突極磁極3に巻回
された電機子巻線(図示せず)によってそれぞれ構成さ
れる。 【0013】そして永久磁石ロータ6は、N,Sに交互
に着磁されてヨーク5の内側に配置されて前記突極磁極
3と対向する14個の永久磁石磁極4を備える。 【0014】以上のような永久磁石界磁形ブラシレスモ
ータによれば、1回転当りのコギングトルク脈動数は、
永久磁石磁極数14と突極磁極数12の最小公倍数であ
る84となってコギングトルクが軽減される。 【0015】一方、巻線利用率(巻線係数)については、
短節巻係数がcos30/2=0.966、突極磁極の分布によ
る係数も同様にcos30/2=0.966となることか
ら、全体では0.966×0.966=0.933 となり
従来のものより向上する。同様な結果は、永久磁石磁極
数Pを10,突極磁極数Mを12とすることによっても
得られる。 【0016】更に、同じ相の突極磁極3、例えば3U1,
3U2,3U3,3U4が分布して配置され、これを巻回され
た電機子巻線2の誘起電圧が正弦波状に近くなることか
ら、これに適合した正弦波電流を通電するような電流制
御を行うことにより、誘起電圧高調波成分によるトルク
脈動が補正される効果がある。 【0017】なお、上記では、Mが12でP=M±2の
場合を例にとりコギングトルク及び巻線係数には遜色の
ないことを述べたが、PをMより小さくした場合には、
上記PをMより大きくした場合に比べて上述しないブラ
シレスモータ特有の効果が得られることについて以下に
説明する。 【0018】ブラシレスモータでは電気角で120度毎
に設けられた永久磁石磁極の位置検出素子からの信号に
基づいて三相巻線に電流を分配して流すようにしている
が、位置検出素子の取り付け誤差(120度毎)による
制御精度への影響としては、永久磁石磁極数Pが少ない
方が電気角での誤差が小さくなるのでこの誤差によって
発生するところのトルクリプルを小さくすることができ
る。 【0019】 【表2】 【0020】表2は縦方向に永久磁石磁極数Pを横方向
に突極磁極数Mをおき両者の組合せに対するコギングト
ルクの脈動数,巻数係数を示している。巻線係数は短節
巻係数と分布巻係数の積である。短節巻係数はsin(90
P/M)で求められ、分布巻係数は同じ相の突極磁極の
分布状況から算出される。従来のこの種モータの場合、
M=(3/4)PあるいはM=(3/2)Pにおいて分布巻
係数は1であるが、短節巻係数は0.866 となる。 【0021】表2から、永久磁石磁極数Pと突極磁極数
Mを(2/3)M<P<(4/3)Mとすれば、コギングト
ルクと巻線係数の両面で改善されることが明らかであ
る。しかしM=Pの場合には3相結線ができないことか
らM≠Pであることが必要となる。 【0022】表2の例では、P=M±1,M=3m(但
しmは2より大きい奇数)の場合にコギングトルクの脈
動数が最も大きくなりトルクの脈動が最も小さくなる。 【0023】図3には永久磁石磁極数Pを16,突極磁
極数Mを15の場合例を示しており、この組合せは表2
を見るように、いずれの組合せよりもコギングトルク脈
動数,巻線係数ともに良い。しかし、特にPが大きくな
るに従い巻線係数の減少傾向が大きくなっていることが
わかる。なお、同図においてはPとMの組合せとは関係
なく、電機子巻線方式として、これまでの図1や図2と
異なる巻線方式を記載しているが、同図の場合には、同
じ相の電機子巻線2が巻回される突極磁極3が一ヶ所に
偏在するために、空隙長を均等にしないと相間に電圧の
不平衡を生じやすい。 【0024】一方、表2で示した例では永久磁石磁極数
Pと突極磁極数Mの関係を、6n±2:6n(但しnは
2以上の整数)とすることによって、コギングトルクの
脈動数を大きくしつつ、機械的に180度近く異なる位
置の突極磁極3に巻回した電機子巻線2を同相に選べる
ために、空隙の不平衡の影響が少ないモータを得ること
ができる。 【0025】なお、巻線係数は、電気角で180K+0
〜660度(Kは整数)未満の範囲に位置する突極磁極
3に巻回した電機子巻線2を同相として接続した場合に
最も大きくなり、表2はこの考え方に基づいた最良の巻
線係数を示している。 【0026】以上の実施例は突極磁極3のすべてに電機
子巻線2を巻回することを前提にして説明したが、突極
磁極3の一部を補助突極(電機子巻線を巻回しない)と
することも可能である。 【0027】また本発明は直線モータにも適用できる。
この場合には、永久磁石の幅1/Pと突極磁極の幅1/
Mを 2/3<P/M<4/3 にすることになる。 【0028】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、永久磁石
磁極数Pと突極磁極数Mとの関係を適切に選ぶことによ
り、巻線係数を向上(出力を向上)させつつ、コギング
トルクの小さな永久磁石界磁形ブラシレスモータを提供
することができる。さらに、モータの中心に対して機械
的に180度近く異なる位置(対称な位置)の突極磁極
に巻回した電機子巻線を同相に選ぶことにより、空隙の
不平衡の影響が少なく、振動が小さなモータを提供する
ことができる。 【0029】また、P<6n−2の場合には、永久磁石
磁極数Pが少ない方が、電気角で120度毎に設けられ
る永久磁石磁極の位置検出素子の電気角での取り付け誤
差が小さくなるので、この誤差によって発生するところ
のトルクリプルを小さくすることができる。
シレスモータに関する。 【0002】 【従来の技術】VTR用キヤプスタンモータ等のような
音響機器用小形モータは、大出力でコギングトルクが小
さいことが望まれている。この種のモータには、一般
に、突極磁極のないコアレス形のものが多いがコアレス
形のものはコギングトルクがない反面大出力のものを得
にくい問題がある。一方、コア付形のものは大出力のも
のを得やすいが突極性をもつためにコギングトルクが大
きくなる欠点がある。コア付形モータにおけるコギング
トルクの改善のために、永久磁石極数を突極磁石数より
も大ならしめることが、特公昭49−8568号公報に開示さ
れている。 【0003】コギングトルクは1回転につき突極磁極数
Mと永久磁石磁極数Pとの最小公倍数の脈動トルクであ
り、コギングトルクの大きさは脈動数に反比例する。 【0004】図4および表1を参照して従来のこの種の
永久磁石回転子形ブラシレスモータについて説明する。
ステータ1は外周に電機子巻線29を集中的に巻回した
突極磁極3を備える。ステータ1の外周には、等間隔に
N,Sに着磁した永久磁石4と磁束を通すヨーク5を備
えたロータ6が空隙を介して回転可能に支承されてい
る。特公昭49−8568号の例では、m相構成の永久磁石磁
極数Pと突極磁極数Mの関係を P:M=m+2:m+1 とすることによってコギングトルクの脈動数を多くし、
コギングトルクの大きさを低減することを提案してい
る。更に、電機子巻数2を突極磁極3に集中的に巻回す
るようにして巻線作業性を向上させている。 【0005】 【表1】 【0006】表1は、3相で且つ永久磁石磁極数Pと突
極磁極数Mの比を P:M=4:3 とした場合のコギングトルクの脈動数と巻線利用率をま
とめたもので、永久磁石磁極数Pが16、突極磁極数M
が12の例では、コギングトルクの脈動数が48にも達
し小さなコギングトルクとすることができる。また機械
的に90度の位相をもつ各突極磁極3は電気的には同相
であるので電機子巻線2の利用率がよく、更に脈動トル
クの要因である誘起電圧の脈動を小さくすることができ
る利点をもっている。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの種の
モータでは、更にコギングトルクの低減と電機子巻線の
利用効率向上が望まれている。コギングトルクの低減は
相数mを増すことによって可能であるが、ブラシレスモ
ータにおいては電機子巻線電流制御のために用いる回転
子の磁極位置検出素子数とスイッチング素子数が増える
ことにより、構造が複雑になって高価になる。そして、
電機子巻線2の利用率向上については、突極磁極3の間
に電機子巻線をもたない補助突極を設けて電機子巻線利
用率を1にする方法もあるが、補助突極を多く設けると
巻線作業性が低下し、また補助磁極間の溝が増えてコギ
ングトルクを増大する要因となる。 【0008】本発明の目的は、構成が簡単でコギングト
ルクが小さく、比較的大出力の永久磁石界磁形ブラシレ
スモータを提供することにある。 【0009】 【課題を解決するための手段】本発明は、永久磁石界磁
の永久磁石磁極数Pと固定子の突極磁極数Mの関係を、
(2/3)M<P<(4/3)M 、かつ、M=6n、か
つ、P<6n−2またはP>6n+2 (但しnは2以
上の整数)に設定することにより、コギングトルクと巻
線係数の両面で改善する、すなわち、巻線係数を向上
(出力を向上)させつつ、コギングトルクの大きさを低
減するものであり、かつ、モータの中心に対して機械的
に180度近くなる位置の突極磁極に巻回した電機子巻
線を同相に選べるので、空隙の不平公の影響を少なくし
て、モータの振動を小さくするものである。 【0010】また、上記の永久磁石界磁の永久磁石磁極
数Pと固定子の突極磁極数Mの関係において、特に、P
<6n−2の場合には、永久磁石磁極数Pが少ない方
が、電気角で120度毎に設けられる永久磁石磁極の位
置検出素子の電気角での取り付け誤差が小さくなるの
で、この誤差によって発生するところのトルクリプルを
小さくすることができる。 【0011】 【発明の実施の形態】図1および図2を参照して一実施
例を説明する。 【0012】ステータ1は外周に12個の突極磁極3を
備え、この突極磁極3には電機子巻線2が集中的に巻回
されている。1相当りの突極磁極3の数は4であり突極
3U1,3U2,3U3,3U4に巻回された電機子巻線2が同
相に接続されてU相を構成する。つまりこのU相は中心
の突極磁極3U1(任意に設定し得る)を基準として、電
気角で180K(Kは整数)〜180K+60度未満の
範囲の突極磁極3に巻回された電機子巻線2で構成され
る。V,W相はU相の磁極から機械的に120度,24
0度(−120度)隔てた突極磁極3V1,3W1を中心に1
80K〜180+60度未満の範囲の突極磁極3に巻回
された電機子巻線(図示せず)によってそれぞれ構成さ
れる。 【0013】そして永久磁石ロータ6は、N,Sに交互
に着磁されてヨーク5の内側に配置されて前記突極磁極
3と対向する14個の永久磁石磁極4を備える。 【0014】以上のような永久磁石界磁形ブラシレスモ
ータによれば、1回転当りのコギングトルク脈動数は、
永久磁石磁極数14と突極磁極数12の最小公倍数であ
る84となってコギングトルクが軽減される。 【0015】一方、巻線利用率(巻線係数)については、
短節巻係数がcos30/2=0.966、突極磁極の分布によ
る係数も同様にcos30/2=0.966となることか
ら、全体では0.966×0.966=0.933 となり
従来のものより向上する。同様な結果は、永久磁石磁極
数Pを10,突極磁極数Mを12とすることによっても
得られる。 【0016】更に、同じ相の突極磁極3、例えば3U1,
3U2,3U3,3U4が分布して配置され、これを巻回され
た電機子巻線2の誘起電圧が正弦波状に近くなることか
ら、これに適合した正弦波電流を通電するような電流制
御を行うことにより、誘起電圧高調波成分によるトルク
脈動が補正される効果がある。 【0017】なお、上記では、Mが12でP=M±2の
場合を例にとりコギングトルク及び巻線係数には遜色の
ないことを述べたが、PをMより小さくした場合には、
上記PをMより大きくした場合に比べて上述しないブラ
シレスモータ特有の効果が得られることについて以下に
説明する。 【0018】ブラシレスモータでは電気角で120度毎
に設けられた永久磁石磁極の位置検出素子からの信号に
基づいて三相巻線に電流を分配して流すようにしている
が、位置検出素子の取り付け誤差(120度毎)による
制御精度への影響としては、永久磁石磁極数Pが少ない
方が電気角での誤差が小さくなるのでこの誤差によって
発生するところのトルクリプルを小さくすることができ
る。 【0019】 【表2】 【0020】表2は縦方向に永久磁石磁極数Pを横方向
に突極磁極数Mをおき両者の組合せに対するコギングト
ルクの脈動数,巻数係数を示している。巻線係数は短節
巻係数と分布巻係数の積である。短節巻係数はsin(90
P/M)で求められ、分布巻係数は同じ相の突極磁極の
分布状況から算出される。従来のこの種モータの場合、
M=(3/4)PあるいはM=(3/2)Pにおいて分布巻
係数は1であるが、短節巻係数は0.866 となる。 【0021】表2から、永久磁石磁極数Pと突極磁極数
Mを(2/3)M<P<(4/3)Mとすれば、コギングト
ルクと巻線係数の両面で改善されることが明らかであ
る。しかしM=Pの場合には3相結線ができないことか
らM≠Pであることが必要となる。 【0022】表2の例では、P=M±1,M=3m(但
しmは2より大きい奇数)の場合にコギングトルクの脈
動数が最も大きくなりトルクの脈動が最も小さくなる。 【0023】図3には永久磁石磁極数Pを16,突極磁
極数Mを15の場合例を示しており、この組合せは表2
を見るように、いずれの組合せよりもコギングトルク脈
動数,巻線係数ともに良い。しかし、特にPが大きくな
るに従い巻線係数の減少傾向が大きくなっていることが
わかる。なお、同図においてはPとMの組合せとは関係
なく、電機子巻線方式として、これまでの図1や図2と
異なる巻線方式を記載しているが、同図の場合には、同
じ相の電機子巻線2が巻回される突極磁極3が一ヶ所に
偏在するために、空隙長を均等にしないと相間に電圧の
不平衡を生じやすい。 【0024】一方、表2で示した例では永久磁石磁極数
Pと突極磁極数Mの関係を、6n±2:6n(但しnは
2以上の整数)とすることによって、コギングトルクの
脈動数を大きくしつつ、機械的に180度近く異なる位
置の突極磁極3に巻回した電機子巻線2を同相に選べる
ために、空隙の不平衡の影響が少ないモータを得ること
ができる。 【0025】なお、巻線係数は、電気角で180K+0
〜660度(Kは整数)未満の範囲に位置する突極磁極
3に巻回した電機子巻線2を同相として接続した場合に
最も大きくなり、表2はこの考え方に基づいた最良の巻
線係数を示している。 【0026】以上の実施例は突極磁極3のすべてに電機
子巻線2を巻回することを前提にして説明したが、突極
磁極3の一部を補助突極(電機子巻線を巻回しない)と
することも可能である。 【0027】また本発明は直線モータにも適用できる。
この場合には、永久磁石の幅1/Pと突極磁極の幅1/
Mを 2/3<P/M<4/3 にすることになる。 【0028】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、永久磁石
磁極数Pと突極磁極数Mとの関係を適切に選ぶことによ
り、巻線係数を向上(出力を向上)させつつ、コギング
トルクの小さな永久磁石界磁形ブラシレスモータを提供
することができる。さらに、モータの中心に対して機械
的に180度近く異なる位置(対称な位置)の突極磁極
に巻回した電機子巻線を同相に選ぶことにより、空隙の
不平衡の影響が少なく、振動が小さなモータを提供する
ことができる。 【0029】また、P<6n−2の場合には、永久磁石
磁極数Pが少ない方が、電気角で120度毎に設けられ
る永久磁石磁極の位置検出素子の電気角での取り付け誤
差が小さくなるので、この誤差によって発生するところ
のトルクリプルを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の各実施例を示すモータの側面図。
【図2】図1に示したモータの展開図。
【図3】本発明の各実施例を示すモータの側面図。
【図4】従来のモータの側面図。
【符号の説明】
1…ステータ、2…電機子巻線、3…突極磁極、4…永
久磁石磁極、6…ロータ。
久磁石磁極、6…ロータ。
フロントページの続き
(72)発明者 今野 猛夫
茨城県日立市東多賀町1丁目1番1号
株式会社 日立製作所 多賀工場内
(56)参考文献 特開 平3−198645(JP,A)
特開 昭60−226759(JP,A)
(58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名)
H02K 29/00
H02K 21/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 1.全周にわたって等間隔に配列されたP個の永久磁石
磁極をもつ永久磁石界磁と、全周にわたって等間隔に配
列されたM個の突極磁極とこの突極磁極に集中的に巻回
され且つ3相接続された電機子巻線を有する電機子とを
備え、前記永久磁石界磁の移動位置に応じて前記電機子
巻線電流を制御して該永久磁石界磁にトルクを発生する
永久磁石界磁形ブラシレスモータにおいて、 前記永久磁石磁極数Pと前記突極磁極数Mの関係を、 (2/3)M<P<(4/3)M、かつ、M=6n、かつ、P≦6n−2またはP≧6n+2 (但しPは、2の倍
数、nは2以上の整数) としたことを特徴とする永久磁石界磁形ブラシレスモー
タ。 2.請求項1の永久磁石界磁形ブラシレスモータにおい
て、 (2/3)M<P<6n−2、かつ、M=6n(但しn
は2以上の整数) としたことを特徴とする永久磁石界磁形ブラシレスモー
タ。 3.請求項2の永久磁石界磁形ブラシレスモータにおい
て、 P:M=10:12 としたことを特徴とする永久磁石界磁形ブラシレスモー
タ。 4.請求項1の永久磁石界磁形ブラシレスモータにおい
て、 6n+2<P<(4/3)M、かつ、M=6n(但しn
は2以上の整数) としたことを特徴とする永久磁石界磁形ブラシレスモー
タ。 5.請求項4の永久磁石界磁形ブラシレスモータにおい
て、 P:M=14:12 としたことを特徴とする永久磁石界磁形ブラシレスモー
タ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27239697A JP2954552B2 (ja) | 1997-10-06 | 1997-10-06 | 永久磁石界磁形ブラシレスモータ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27239697A JP2954552B2 (ja) | 1997-10-06 | 1997-10-06 | 永久磁石界磁形ブラシレスモータ |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8349299A Division JP2743918B2 (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 永久磁石界磁形ブラシレスモータ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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-
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