JP3601757B2

JP3601757B2 - 永久磁石モータ

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Publication number: JP3601757B2
Application number: JP21939998A
Authority: JP
Inventors: 政行梨木
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1998-08-03
Filing date: 1998-08-03
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2018-08-03
Also published as: DE19936361A1; JP2000050544A; US6144132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を用いたモータのロータ構造及びロータ／ステータ構造に関し、本発明の形態としては回転型モータおよびリニアモータを含む。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を用いた、いわゆるブラシレスサーボモータは産業用、民生用のサーボ制御用モータとして広く使用されている。
【０００３】
図１３に従来の永久磁石モータの断面図例を示す。１はロータの軸であり、界磁磁束の磁路もかねている。２は永久磁石であり、最近では、ＮｄーＦｅーＢ（ネオジム、鉄、ホウ素）系の円筒形焼結磁石が多く採用されている。ロータの永久磁石２は８極に磁化されている。
【０００４】
ＳＣはステータのヨーク部であり、ＳＣＴはステータの歯である。ステータの歯に囲まれたスロットの数は２４であり、各スロットには３相８極のステータ巻き線が巻回されており、各巻き線はスロットに記述したＵ１Ｃ，Ｗ８Ｃ，Ｖ１Ｃ等の巻き線名称で示している。図１４に各巻き線の具体的な接続例を示す。Ｕ，Ｖ，Ｗはモータの３相端子であり、例えばＵ１Ｃ〜Ｕ２Ｃは図１３の巻き線名称Ｕ１ＣとＵ２Ｃの間に巻回された巻き線を示す。
【０００５】
この永久磁石モータの動作原理は、一般的なブラシレスモータの動作原理と同じであり、各巻き線の鎖交磁束のロータ回転変化率、即ち、ｄΦ／ｄθが大きい巻き線へ、ロータの回転に応じて電流を通電することにより回転トルクが発生されることになる。一定回転時は、ロータの回転に同期して、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各巻き線へ３相交流電流を通電することにより、原理的には任意の大きさのトルクを得ることができる。３相交流電流の大きさは、その時の所望トルクの大きさに比例した大きさとなっている。
【０００６】
図１３の永久磁石モータにおいて、各巻き線の電流によって発生するトルクＴを部分的に考えてみると、
Ｔ＝ＫＴ・Ｉ・ＮＴ・ｄΦ／ｄθ ・・・・・・（１）
と表現することができる。ここで、ＫＴはトルク定数、Ｉは通電電流、ＮＴは巻き線の巻き回数である。ｄΦ／ｄθは巻き線に鎖交する磁束の回転変化率であり、ｄΦ／ｄθに比例したトルクが得られる。ステータのスロットには開口部があり、ロータ側から見たステータ側の磁気抵抗はスロット開口部の磁気抵抗が大きいが、スロットの開口部の幅は小さく、ロータ表面に永久磁石が生成する磁束はほぼ均等にステータ側のステータの歯を通るものと考えても良い。従って、磁束の回転変化率ｄΦ／ｄθ及びモータの発生トルクは永久磁石の磁束密度に比例することになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、より大きなトルクを発生することができ、したがって、モータ効率が良く安価で、また、モータのトルクリップルを小さくし、振動騒音の小さな精密制御のできるモータを実現することである。
【０００８】
従来技術の課題の一つは、永久磁石の磁束密度の制約により珪素鋼板である電磁鋼板の飽和磁束密度約１．８テスラまで有効に活用されていないことである。
【０００９】
一般的に力Ｆの発生は、フレミングの左手の法則により力Ｆ＝（磁束密度Ｂ）×（電流Ｉ）×（作用する電線の有効長）となる。図１３のステータには、磁束を通すステータの歯とスロットに巻回された各巻き線とが全周に分布されており、（磁束密度Ｂ）と（電流Ｉ）とがステータのスペース的な関係より、トレードオフ関係となっている。通常は、力Ｆの最大値は、（磁束密度Ｂ）と（電流Ｉ）とが５０％ずつになるように、すなわち磁気装荷と電気装荷が同程度になるように考えられている。従って、ステータとロータとのギャップの平均磁束密度は電磁鋼板の最大磁束密度１．８テスラの半分である０．９テスラの程度である。永久磁石２として希土類永久磁石を採用した場合は磁束密度の大きいもので約１．１テスラの程度であり、やや磁気装荷の大きいモータ設計となっている。
【００１０】
従って、図１３の永久磁石モータは、磁束の回転変化率ｄΦ／ｄθが電磁鋼板の飽和磁束密度１．８テスラまで有効に活用できていないという課題、即ち発生トルクが小さいという課題がある。
【００１１】
また、従来のトルクリップルの低減技術は、ロータ表面の磁石形状をかまぼこ形の滑らかな凸形状にすることなどによりロータが発生するロータの回転方向の磁束分布をより正弦波状にする方法、巻き線の分布をより正弦波的な分布にして高調波成分を低減する方法、あるいは、ロータあるいはステータをスキューして高調波成分を低減する方法等が組み合わされて使用されている。しかし、いずれもモータ出力トルクが低減してしまうという課題がある。
【００１２】
ステータの課題については、図１３に示す永久磁石モータの各スロットに巻き線を巻く作業が複雑なため作業工数的な課題と、各スロットの巻き線の巻き線密度が４０％程度にしか上げられないという課題と、巻き線をスロットに挿入する都合上どうしてもコイルエンドが長くなってしまいモータ長が長くなるという課題と、同時にコイルエンド部が大きくなるためコイルエンド部の温度上昇が大きくなるという課題がある。また、これらの諸課題によりモータ製作コストが大きくなるという課題がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
永久磁石モータの発生トルク増大、高効率化、小型化、低コスト化、トルクリップルの低減を目的として、本発明は、ステータに配置された各相のステータ突極と、前記各ステータ突極に巻回された各相の巻き線と、ロータ内部に装着した複数の個別永久磁石と、前記複数の個別永久磁石のＮ極に共通に接続されたＮ極用磁気回路と、前記複数の個別永久磁石のＳ極に共通に接続されたＳ極用磁気回路と、前記Ｎ極用磁気回路の一部であってロータ表面に配置された複数のＮ極磁極と前記Ｓ極用磁気回路の一部であって、前記Ｎ極磁極に対しロータ回転方向に交互に配置された複数のＳ極磁極とを備え、磁束が不要な前記Ｎ極磁極から前記Ｎ極用磁気回路を介して磁束を必要とする前記Ｎ極磁極へ磁束を供給し、磁束が不要な前記Ｓ極磁極から前記Ｓ極用磁気回路を介して磁束を必要とする前記Ｓ極磁極へ磁束を供給するために、Ｎ極用磁気回路とＳ極用磁気回路が非磁性体のロータ軸のロータ軸方向に所定の間隔を空けて交互に積層される、永久磁石モータであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記Ｎ極用磁気回路と前記Ｓ極用磁気回路とがロータの軸方向に交互に積層され、前記Ｎ極磁極と軸方向に隣り合う他のＮ極磁極との間をつなぐＮ極補助磁極と、前記Ｓ極磁極と軸方向に隣り合う他のＳ極磁極との間をつなぐＳ極補助磁極と、を備える構造とした永久磁石モータである。
【００１５】
さらには、ロータ内部に装着し、前記Ｎ極用磁気回路と前記Ｓ極補助磁極との間に配置された共通永久磁石を備えることによりさらにモータ界磁を強化してモータトルクの増大を実現する。
【００１６】
また、前記モータ構成において、前記共通永久磁石は配置するが、前記個別永久磁石は省略した構成でも同様効果、特性を得ることができる。
【００１７】
前記Ｎ極用磁気回路および前記Ｓ極用磁気回路はロータ軸に垂直に配置された電磁鋼板が軸方向に積層された構造であり、各電磁鋼板の同一平面上に、Ｎ極用磁気回路とＮ極用磁気回路に部分的にわずかに接続された前記Ｓ極補助磁極とを構成、あるいは、Ｓ極用磁気回路とＳ極用磁気回路に部分的にわずかに接続された前記Ｎ極補助磁極とを構成することにより、複雑な構造でありながら、モータの製作を容易にすることができる。
【００１８】
前記各ステータ突極に巻回された各相の巻き線であるコイルの断面形状は、前記コイルをステータの外で製作してその後にステータ突極に挿入して組み立てることが可能なように各突極間のスロット入り口幅より小さい形状となっており、前記コイルの一つの種類の形状ＣＫ１はスロット入り口幅より薄いほぼ筒上の形状であり、前記コイルの他の種類の形状ＣＫ２の断面形状は、前記形状ＣＫ１がステータ突極に挿入される時に干渉しないように、スロット形状から前記形状ＣＫ１の断面形状を除いた範囲の形状とする。
【００１９】
また、モータのトルクリップルを低減する方法として、同一の相のステータ突極が複数有り、それらのステータ突極のロータ磁極に対する位相が３、５、７、１１次等の高調波成分を除去できるように、電気角で６０度あるいは３６度あるいは２５．７度あるいは１６．３６度等の値だけロータの回転方向にシフトする。
【００２０】
さらに、ステータあるいはロータの軸方向が分割され、それらの電磁的特性が相対的に、３、５、７、１１次等の高調波成分を除去できるように、電気角で６０度あるいは３６度あるいは２５．７度あるいは１６．３６度等の値だけロータの回転方向にシフトする。
【００２１】
永久磁石モータの発生トルク増大、高効率化、小型化、低コスト化、トルクリップルの低減を目的として、前記構成としている。
【００２２】
発生トルクを増大させる作用としては、各ステータスロットの開口部を広くし、いわゆる突極の形状とすることにより、ロータ側から供給される磁束のロータ回転変化率を大きくできる構造にし、トルクが大きくできる構造にしている。
【００２３】
ロータ表面に配置された複数のＮ極磁極とＳ極磁極は永久磁石ではなく電磁鋼板で構成することにより、各ステータスロットの開口部に対向しているＮ極磁極あるいはＳ極磁極の部分はトルク生成に有害な磁束を発生しないような構造としている。一方、ステータの突極部に対向するＮ極磁極あるいはＳ極磁極の部分の磁束密度は、電磁鋼板として現在の珪素鋼板を使用すれば１．８テスラ程度の高い磁束密度を得ることができ、大きなトルクの生成が可能である。
【００２４】
前記の有害な磁束を発生しないような構造とは具体的に、ロータ内部に装着した各永久磁石のＮ極に共通に接続されたＮ極用磁気回路と、各永久磁石のＳ極に共通に接続されたＳ極用磁気回路とを備え、必要な部分にだけ有効な磁束を供給し、各永久磁石のＢＨ特性上の動作点を比較的磁気インピーダンスが低い範囲で動作できる構造とすることにより、トルク生成に有害なステータの開口部等への磁束を発生させない構造としている。
【００２５】
モータコストという点では、ロータ部材の製作と組立を容易な構造として、Ｎ極用磁気回路とＳ極用磁気回路とを軸方向に積層された電磁鋼板で構成し、電磁鋼板内に永久磁石を挿入する穴を設けて容易に装着ができる構造とし、前記電磁鋼板の平面上で磁気的に結合して欲しくない部分は強度的に必要最小限な細い接続部だけがつながる構造とし、その細い接続部に通る磁束は犠牲にして、一体の平面構造としている。一体の平面構造であれば、電磁鋼板製作時及び組立時に各部品の取り扱いが容易であり、平面ではあるがやや複雑な形状をした電磁鋼板を板金プレス機でプレス加工して製作し、その電磁鋼板を積層してその一部に電磁石を挿入することにより比較的容易にロータを製作できる。
【００２６】
ステータコストとしては、巻き線を高密度に巻回すること、巻き線を低コストで製作すること、ステータコアに巻き線を容易に組み付けることが求められる。
【００２７】
本発明永久磁石モータのステータの歯はラジアル方向に直線上の突極形状をなしており、モータの外で巻き線機により高密度に整列巻きをし成形したコイルを製作し、ステータの突極にそのコイルを挿入して容易に組み立てることができる。各突極に巻回されるコイルは全てのコイルが同一形状をしている場合、コイルの挿入時に隣の突極のコイルと物理的に干渉してしまうので、２種類のコイル形状を作り、最初に一方の形状のコイルをモータの円周方向に一個おきのステータ突極に挿入して組み付け、その後、他方の形状のコイルを残った突極に挿入して組み付ける。ここで、最初に組み付けるコイルの形状は、他方の形状のコイルが組み付けられるときに物理的に干渉しない形状としておくことが必要条件である。
【００２８】
また、モータのトルクリップルを低減する方法として、同一の相のステータ突極が複数有り、それらのステータ突極のロータ磁極に対する位相が３、５、７、１１次等の高調波成分を除去できるように、電気角で６０度あるいは３６度あるいは２５．７度あるいは１６．３６度等の値だけロータの回転方向にシフトすることにより、特定の高調波成分を確実に除去することができる。
【００２９】
さらに、ステータあるいはロータが軸方向に分割され、それらの電磁的特性が相対的に、３、５、７、１１次等の高調波成分を除去できるように、電気角で６０度あるいは３６度あるいは２５．７度あるいは１６．３６度等の値だけロータの回転方向にシフトすることにより、特定の高調波成分を確実に除去することができる。
【００３０】
これらの高調波成分を除去する技術と３相Ｙ結線による３次高調波除去技術、ステータもしくはロータをスキューする技術などにより主要な高調波を除去して、３相正弦波特性のモータを実現することが可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態である、永久磁石モータのステータとロータの構成を図１に示す。図１３に示す従来永久磁石モータの例と同じで、８極の永久磁石モータである。
【００３２】
ＳＣＡはステータのヨーク部である。Ｓ１Ａ，Ｓ２Ａ，Ｓ３Ａ，Ｓ４Ａ，Ｓ５Ａ，Ｓ６Ａはステータの歯であり、ステータの歯の幅は４５度であり、集中した突極形状になっている。図１において、最も右側の歯Ｓ１ＡにはＵ相の巻き線Ｕ１Ａが巻かれており、最も左側の歯Ｓ４ＡにもＵ相の巻き線Ｕ２Ａが巻回されている。歯Ｓ３ＡにはＶ相巻き線Ｖ１Ａが巻回されており、その１８０度反対側の歯Ｓ６ＡにもＶ相巻き線Ｖ２Ａが巻回されている。歯Ｓ５ＡにはＷ相巻き線Ｗ１Ａが巻回されており、その１８０度反対側の歯にもＷ相巻き線Ｗ２Ａが巻回されている。
【００３３】
４はロータの軸であり、非磁性体であるステンレス鋼等である。７は図示した方向にＮ極とＳ極を持つ個別永久磁石である。ロータの極数は、図１３の従来の永久磁石モータと同じ８極であるが、少し複雑な形状になっている。ロータの磁性材料の基本構成は、ステータ同様に、電磁鋼板を軸方向に積層した構造である。しかし、本発明は特に電磁鋼板に限定するものでもない。
【００３４】
５はロータのＮ極磁極であり、ロータ全周に４個のＮ極磁極が有り、それぞれは前記個別永久磁石７のＮ極に磁気的に結合しており、かつ、４個のＮ極磁極が共通に接続された中央のほぼ円盤状のＮ極用磁気回路により磁気的に結合されている。Ｎ極磁極５はＮ極用磁気回路の一部となっている。
【００３５】
６は一部破線で示しているが、Ｎ極磁極５と類似した、ロータのＳ極磁極であり、ロータ全周に４個のＳ極磁極が有り、それぞれは前記個別永久磁石７のＳ極に磁気的に結合しており、かつ、４個のＳ極磁極が共通に接続された中央のほぼ円盤状のＳ極用磁気回路により磁気的に結合されている。Ｓ極磁極６はＳ極用磁気回路の一部となっている。
【００３６】
Ｎ極用磁気回路５とＳ極用磁気回路６はロータ軸方向にある程度の距離を置いて配置されておりお互いに磁気的には結合されておらず、ロータの軸方向に交互に配置されている。
【００３７】
ロータ構造の断面ＡＯＢを図２に示す。９は各Ｎ極磁極５の間に配置されたＮ極補助磁極であり、ロータの回転方向両端部は個別永久磁石７のＮ極に接している。８は各Ｓ極磁極６の間に配置されたＳ極補助磁極であり、ロータの回転方向両端部は個別永久磁石７のＳ極に接している。
【００３８】
ロータの外周表面を平面に展開した平面図を図３に示す。横軸はロータの軸方向であり、縦軸はロータ回転方向である。各構成要素である個別永久磁石７、各Ｎ極磁極５、各Ｓ極磁極６、各Ｎ極補助磁極９，各Ｓ極補助磁極８は図３に示す配置関係となっている。
【００３９】
図４は、図１の永久磁石モータの磁束分布の概略例を示した図である。先に説明したように、永久磁石のＮ極から出た磁束とＳ極から出た磁束とは、ロータ内部では磁気的に分離されている。また、各Ｓ極から出た磁束はロータ内部ではＳ極用磁気回路により磁気的に結合されており、各Ｎ極から出た磁束はロータ内部ではＮ極用磁気回路により磁気的に結合されている。
【００４０】
図４の永久磁石モータのロータ表面に存在する磁束に着目してみると、ステータの各歯の内周表面は全て大きい磁束密度になっており、ステータの歯と歯の間のスロット開口部は磁束密度が小さくなっている。図４の紙面の右側中央のステータの歯はロータのＳ極磁極と完全に対向しており、そのＳ極磁極の両脇にある個別永久磁石の各Ｓ極からの磁束と遠くにある個別永久磁石の各Ｓ極からの磁束とが右側中央のステータの歯へ磁束を供給している。図４の紙面の左側中央のステータの歯もロータのＳ極磁極と完全に対向しており、そのＳ極磁極の両脇にある個別永久磁石の各Ｓ極からの磁束と遠くにある個別永久磁石の各Ｓ極からの磁束とが左側中央のステータの歯へ磁束を供給している。一方、図４の紙面の上側にあるロータのＳ極磁極は中央部の約１／３がステータのスロット開口部に対向しており、その１／３磁極は磁束を供給する必要がない。図４の紙面の下側にあるロータのＳ極磁極も同様に、中央部の約１／３がステータのスロット開口部に対向しており、その１／３磁極は磁束を供給する必要がない。
【００４１】
ロータ内部では各Ｓ極がＳ極用磁気回路で共通に接続されており、このように、磁束の不要なＳ極磁極から磁束を必要とするＳ極磁極へ磁束を供給しあっている。各Ｎ極磁極についても、Ｎ極用磁気回路で共通に接続されており、このように、磁束の不要なＮ極磁極から磁束を必要とするＮ極磁極へ磁束を供給しあう構造となっている。このロータ構造においては、各個別永久磁石が共通の磁気回路で磁気的に並列に接続されており、各個別永久磁石の磁束密度Ｂと起磁力Ｈとの磁気特性上の動作点はほぼ同一であるということが言える。従って、各個別永久磁石の発生する起磁力Ｈは、常に適正な大きさであり、ステータのスロット開口部で大きな磁束が供給されることはなく、モータのトルク発生上有害な磁気的動作が発生しない。
【００４２】
このような動作の結果、ステータの各歯に存在する磁束は、ロータの回転と共に磁束が大きく変化し、磁束の回転変化率ｄΦ／ｄθを大きくすることが可能となっており、大きなトルクの生成が実現されている。適正なモータ形状設計を行えば、電磁鋼板の飽和磁束密度１．８テスラに相当する磁束の回転変化率ｄΦ／ｄθを得ることが可能であり、原理的には従来比、（１．８テスラ）／（１．１テスラ）＝１．６３６倍のトルクの発生が可能である。
【００４３】
次に、本発明の他の実施形態の軸方向断面図を図５に示す。図５に示す永久磁石モータのラジアル方向断面図は図１と同じであり、図５は図１の断面ＡＯＢである。図５の永久磁石モータは、図２の永久磁石モータに比較して、共通永久磁石１１が追加されている。この共通永久磁石１１は、前記個別永久磁石７と同一の極性にＮ極磁極５とＳ極磁極６とを励磁しており、図２の永久磁石モータに比較して、ロータの各磁極の磁気特性を強化している。従って、より大きなトルクの発生が可能となる。同様に、より低い磁束密度で安価な永久磁石の活用も容易となる。
【００４４】
次に、参考技術に係る永久磁石モータのラジアル方向断面図を図６に示す。図６に示す永久磁石モータの軸方向断面図ＡＯＢは図５と同じである。図６の永久磁石モータは、図１及び図５で示した永久磁石モータに比較して、個別永久磁石７が省略されている。個別永久磁石７が無いため部品点数が少なく、組立も容易であるという特徴がある。
【００４５】
次に、本発明の他の実施形態のラジアル方向断面図を図７に示す。この永久磁石モータは、軸方向に積層された電磁鋼板上にＮ極磁極５と中央部周辺のＮ極用磁気回路とＳ極補助磁極１２を構成するものである。細く接続された接続部２６は、磁気的には不要であり、永久磁石７のＮ極とＳ極の間に漏れ磁束が発生するためむしろ有害なものであるが、この電磁鋼板をプレス機でプレス加工する時およびロータの組立を行う時、各電磁鋼板がバラバラにならないように、また、モータとして動作するときにロータとしての強度を保つために有効である。１０はロータ内のＮ極とＳ極とを磁気的に分離するためのエアギャップである。丸で示した１３は、プレス機で自動積層加工する時に必要な突起部であり、電磁鋼板の厚みの半分程度電磁鋼板の表裏方向に凹凸を設けている。この突起部１３により積層される前後の電磁鋼板と圧接されている。接続部２６の位置を変形した例を図８に示す。この場合は、ロータの外周を円形にすることができ、ロータの外形形状精度を高精度にし易く、ロータ強度も強固に保ちやすい。
【００４６】
図７，図８に示すロータの軸方向断面図ＡＯＢを図９に示す。２１はＳ極用磁気回路であり、Ｓ極磁極１４に接続され、接続部２６を通じてＮ極補助磁極１８に接続されている。２０はロータ内のＮ極とＳ極とを磁気的に分離するためのエアギャップである。１５はＳ極磁極１４とＳ極補助磁極１２とを磁気的に接続する磁性体である。１９はＮ極磁極１５とＮ極補助磁極１８とを磁気的に接続する磁性体である。１６はロータ内のＮ極とＳ極とを磁気的に分離するためのエアギャップあるいは磁気絶縁性のある物質であり、この部分に共通永久磁石１１を追加して配置することも可能である。
【００４７】
図１０は、図１に示す永久磁石モータのステータ巻き線の巻き線関係を示す図である。Ｕ，Ｖ，Ｗは３相のモータ端子である。各巻き線Ｕ１Ａ，Ｕ２Ａ，Ｖ１Ａ，Ｖ２Ａ，Ｗ１Ａ，Ｗ２Ａは図１０のように接続されており、小さな丸は各巻き線の巻き方向を示している。Ｎはスター巻き線の中性点である。
【００４８】
図１１は、図１の永久磁石モータが一定回転数で回転するときの各巻き線に誘起する誘起電圧を横軸をロータ回転角の電気角ＲＡとして示す図である。図１１の（ａ）はＵ相端子と中性点Ｎとの間の誘起電圧Ｕ−Ｎ、同様に、図１１の（ｂ）は誘起電圧Ｖ−Ｎ、図１１の（ｃ）は誘起電圧Ｗ−Ｎである。それぞれ相対的に電気角で１２０度位相がずれた３相の矩形波電圧となる。現実にはロータとステータ間の漏れ磁束もあり、各Ｎ極磁極、Ｓ極磁極のロータ表面磁束密度も完全には均一ではないので、矩形波の角が多少丸まった電圧波形となる。
【００４９】
次に図１１の各電圧の振幅について説明する。例として、図１の永久磁石モータのステータ突極Ｓ２Ａを通る磁束、即ち、Ｗ相巻き線Ｗ２Ａに鎖交する磁束は、ステータ突極Ｓ２Ａに対向する部分のロータ表面磁束密度に依存する。ロータ表面で、各ステータ突極に対向する部分へは個別永久磁石７あるいは共通永久磁石１１により十分な磁束を各ステータ突極へ供給することが可能であり、その部分の磁束密度は電磁鋼板の飽和磁束密度１．８テスラにまで高めることが可能である。今、ステータ突極Ｓ２Ａに対向するロータ表面は、回転方向のステータ突極幅に対してＳ極磁極６が約３５％でＮ極磁極５が約６５％であり、その差分の約３０％がステータ突極Ｓ２Ａを通っていることになり、その磁束Φが巻き線Ｗ２Ａに鎖交している。今、ステータ突極Ｗ２Ａのターン数をＴＮとすると、この巻き線に誘起する電圧（Ｗ−Ｎ）／２は、
（Ｗ−Ｎ）／２＝ＴＮ×ｄΦ／ｄθ −−−−−−−−−−−−（１）
となる。θはロータ回転角であり、ｄΦ／ｄθは巻き線Ｗ２Ａに鎖交する磁束の回転変化率ｄΦ／ｄθである。ロータが反時計回転方向に一定の回転数で回転していると仮定すると、巻き線Ｗ２Ａに鎖交する磁束ΦはＮ極磁束が増加していき、その部分の磁束密度は１．８テスラであるから、磁束の回転変化率ｄΦ／ｄθも１．８テスラに相当する量となる。
【００５０】
一方、図１３に示す従来の永久磁石モータの場合、各ステータ巻き線に鎖交するロータ表面の平均磁束密度は、磁束密度の大きい希土類永久磁石を使用しても、１．１テスラ程度である。従って、各ステータ巻き線に誘起する電圧は、磁束の回転変化率ｄΦ／ｄθに比例し、１．１テスラの磁束密度に相当する量となる。
【００５１】
図１の本発明永久磁石モータと図１３の従来の永久磁石モータとはステータ構造が異なり、誘起電圧を直接比較することは難しいが、それぞれの総巻き線数が同じであると仮定して考える。それぞれに発生する誘起電圧の値はステータ巻き線に作用する磁束密度に比例するので、本発明の永久磁石モータに発生する電圧は、従来の永久磁石モータに比較し、１．８／１．１＝１．６３６倍であるといえる。この時両モータに同一の電流を通電したときに発生するトルクは、やはり、１．６３６倍であり、本発明永久磁石モータは大きなトルクを発生することができることになる。
【００５２】
なお、モータ電流の波形としては、３相正弦波形状の電流を通電することもできるが、例えば、電圧波形に適した台形波形状の電流に制御することもできる。
【００５３】
次に、本発明の他の実施形態のラジアル方向断面図を図１２に示す。ロータ構造は図１の永久磁石モータと類似構造であるが、極数が８極から１０極に増加している。２４はＮ極磁極、２５はＳ極磁極であり、１磁極のロータ回転方向角度は３６度である。ステータには６個のステータ突極Ｓ１Ｂ，Ｓ２Ｂ，Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ｂ，Ｓ５Ｂ，Ｓ６Ｂがロータ回転方向に配置されている。各突極のロータ回転方向の幅は、ロータの磁極幅とほぼ同じであり、従って、各ステータ突極間のスロットの開口部の角度幅は、ステータ歯の幅が図１の永久磁石モータの４５度に比較して３６度となっていることから、９度だけ広くなっている。各ステータ突極のロータに対向する部分の磁束密度は、図１の永久磁石モータと同様に、１．８テスラと高い磁束密度に設計することが可能であり各ステータ巻き線が発生できるトルクは同じである。しかし、ステータの各スロットの幅は前記のように９度広くなっており、スロットの巻き線配置スペースが広くなっており、ステータ巻き線の線径が同じとすると巻き線回数を増加させることが可能である。したがって、図１２の永久磁石モータは、巻き線を増加できる分だけ大きなトルクの生成が可能である。
【００５４】
次にステータ巻き線の装着方法について説明する。ステータ巻き線の装着上の課題の一つは、スロットの開口部が狭いことである。ステータ巻き線の装着方法には、各スロットへ直接巻き線を巻回する方法とステータの外で巻き線を巻回してコイルを作っておきそのコイルをスロットへ挿入する方法とがある。図１２は後者の巻き方であり、特定形状の電気絶縁性のある樹脂製ボビンなどに巻き線を巻回してコイルを作成し、そのコイルを各スロットに挿入するものである。まず最初に各コイルＷ３Ｂ，Ｕ３Ｂ，Ｖ３Ｂをそれぞれ各ステータ突極Ｓ２Ｂ，Ｓ４Ｂ，Ｓ６Ｂへ挿入する。次に各コイルＷ２Ｂ，Ｕ２Ｂ，Ｖ２Ｂをそれぞれ各ステータ突極Ｓ２Ｂ，Ｓ４Ｂ，Ｓ６Ｂへ挿入する。最後に各コイルＵ１Ｂ，Ｖ１Ｂ，Ｗ１Ｂをそれぞれ各ステータ突極Ｓ１Ｂ，Ｓ３Ｂ，Ｓ５Ｂへ挿入する。このようなコイル形状とし、このような順番で各コイルを挿入すれば、各スロットの開口部が狭くても物理的に干渉することなく容易にコイルを装着することができる。各コイルの形状、コイルの装着順は同様主旨で変形も可能である。
【００５５】
また、ステータ巻き線の巻き線密度は、巻き線をステータの外で巻き線機により整列巻きしてコイルを作った方が、一般的に大幅に大きくすることができる。
【００５６】
次に、モータのトルクリップル低減方法として、図１１に示すモータの誘起電圧を正弦波化する方法について説明する。正弦波化の考え方は良く知られているように、この矩形波波形に含まれる高調波成分を除去すればよい。図１１の矩形波は左右対称性があるので偶数高調波成分は含まれておらず、図１０に示すように３相巻き線をデルタ結線することから３次高調波もモータ端子間電圧へは表れない。従って、５次、７次、１１次、１３次等の高調波を除去すればよい。例えば、図１の永久磁石モータのＵ相の電圧において５次高調波を除去するためには、巻き線Ｕ１ＡとＵ２Ａとが同じ電圧であるからステータ突極Ｓ１ＡとＳ４Ａとのロータ回転方向位置を相対的に５次高調波がキャンセルされる角度だけシフトすればよい。Ｕ相電圧の回転周期は機械角で９０度であるので、５次高調波成
分の周期の半分である角度は９度であり、ステータ突極Ｓ１ＡとＳ４Ａとのロータ回転方向位置を相対的に９度シフトすれば、図１０のＵ−Ｎあるいは図１１の（ａ）のＵ−Ｎの電圧から５次高調波を除去することができる。なおこの時のＵ相電圧の基本波成分の振幅低減の程度は、巻き線Ｕ１Ａの電圧とＵ２Ａの電圧との位相が電気角で３６度ずれることから、ＣＯＳ１８°＝０．９５１となり４．９％低減する。実用的には許容される範囲である。この手法をＶ相、Ｗ相電圧あるいは他の高調波成分の除去にも適用することができる。
【００５７】
誘起電圧を正弦波化する他の方法として、図１の永久磁石モータのロータ軸方向にロータあるいはステータを２分割し、前記の高調波除去手法と同様に、高調波成分の周期の半分の角度だけロータ回転方向へシフトすることにより特定の高調波成分を除去することができる。
【００５８】
誘起電圧を正弦波化する他の方法として、ステータ突極の回転方向幅をロータ磁極幅に対して変える方法、ステータ突極の内周形状を丸みを帯びた滑らかな形状にする方法、ロータの磁極に外周形状を丸みを帯びた滑らかな形状にする方法、ロータあるいはステータをスキューする方法などがある。上記の種々高調波除去技術を組み合わせて使用することにより、５次、７次、１１次、１３次等の高調波成分を除去することが可能であり、図１１に示す矩形波状の電圧波形を正弦波化することが可能であり、図１の永久磁石モータのトルクリップルを低減することが可能である。
【００５９】
以上本発明の具体例について説明したが、本発明の主旨の範囲内で変形したものについても本発明に含むものである。３相交流モータの場合について説明したが、３相以外の多相交流についても適用可能である。回転モータについて説明したが、直線上に展開したリニアモータについても本発明を適用可能である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明により、ロータの磁束をより有効に活用することにより、永久磁石モータの発生トルク増大、高効率化、小型化、低コスト化が可能である。
【００６１】
本発明のステータ構造により、ステータ巻き線を容易に、かつ、高密度に装着することができ、小型化と低コスト化が可能である。
【００６２】
本発明のトルクリップル低減手法により、低トルクリップルな永久磁石モータが実現でき、低振動低騒音で高精密なモータ制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の永久磁石モータの断面図である。
【図２】図１の永久磁石モータの断面ＡＯＢの断面図である。
【図３】図１のロータ表面形状の平面展開図である。
【図４】図１の永久磁石モータの磁束分布を示す図である。
【図５】本発明の永久磁石モータの断面ＡＯＢの断面図である。
【図６】参考技術に係る永久磁石モータの断面図である。
【図７】本発明の永久磁石モータのロータの断面図である。
【図８】本発明の永久磁石モータのロータの断面図である。
【図９】図７，図８のロータの断面ＡＯＢの断面図である。
【図１０】本発明の永久磁石モータのステータ巻き線の結線図である。
【図１１】本発明の永久磁石モータの誘起電圧波形である。
【図１２】本発明の永久磁石モータの断面図である。
【図１３】従来の永久磁石モータの断面図である。
【図１４】従来の永久磁石モータのステータ巻き線の結線図である。
【符号の説明】
４ロータ軸、５Ｎ極磁極、６Ｓ極磁極、７個別永久磁石、８Ｓ極補助磁極、９Ｎ極補助磁極、１１共通永久磁石。

Claims

ステータに配置された各相のステータ突極と、前記各ステータ突極に巻回された各相の巻き線と、ロータ内部に装着した複数の個別永久磁石と、前記複数の個別永久磁石のＮ極に共通に接続されたＮ極用磁気回路と、前記複数の個別永久磁石のＳ極に共通に接続されたＳ極用磁気回路と、前記Ｎ極用磁気回路の一部であってロータ表面に配置された複数のＮ極磁極と、前記Ｓ極用磁気回路の一部であって、前記Ｎ極磁極に対しロータ回転方向に交互に配置された複数のＳ極磁極とを備え、
磁束が不要な前記Ｎ極磁極から前記Ｎ極用磁気回路を介して磁束を必要とする前記Ｎ極磁極へ磁束を供給し、磁束が不要な前記Ｓ極磁極から前記Ｓ極用磁気回路を介して磁束を必要とする前記Ｓ極磁極へ磁束を供給するために、Ｎ極用磁気回路とＳ極用磁気回路が非磁性体のロータ軸のロータ軸方向に所定の間隔を空けて交互に積層される、
ことを特徴とする永久磁石モータ。
前記Ｎ極用磁気回路と前記Ｓ極用磁気回路とがロータの軸方向に交互に積層され、前記Ｎ極磁極とロータ軸方向に隣り合う他のＮ極磁極との間をつなぐＮ極補助磁極と、前記Ｓ極磁極とロータ軸方向に隣り合う他のＳ極磁極との間をつなぐＳ極補助磁極と、を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータ。
前記Ｎ極用磁気回路と前記Ｓ極用磁気回路の間に配置された共通永久磁石を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石モータ。
前記Ｎ極用磁気回路および前記Ｓ極用磁気回路はロータ軸に垂直に配置された電磁鋼板が軸方向に積層された構造であり、各電磁鋼板の同一平面上に、Ｎ極用磁気回路とＮ極用磁気回路に部分的にわずかに接続された前記Ｓ極補助磁極とを構成、あるいは、Ｓ極用磁気回路とＳ極用磁気回路に部分的にわずかに接続された前記Ｎ極補助磁極とを構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の永久磁石モータ。
前記各ステータ突極に巻回された各相の巻き線であるコイルの断面形状は、前記コイルをステータの外で製作してその後にステータ突極に挿入して組み立てることが可能なように各突極間のスロット入り口幅より小さい形状となっており、前記コイルの一つの種類の形状ＣＫ１はスロット入り口幅より狭いほぼ筒形状であり、前記コイルの他の種類の形状ＣＫ２の断面形状は、前記形状ＣＫ１がステータ突極に挿入される時に干渉しないように、スロット形状から前記形状ＣＫ１の断面形状を除いた範囲の形状であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
同一の相のステータ突極が複数有り、それらのステータ突極のロータ磁極に対する位相が３、５、７、１１次等の高調波成分を除去できるように、電気角で６０度あるいは３６度あるいは２５．７度あるいは１６．３６度等の値だけロータの回転方向にシフトされていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
ステータあるいはロータの軸方向が分割され、それらの電磁的特性が相対的に、３、５、７、１１次等の高調波成分を除去できるように、電気角で６０度あるいは３６度あるいは２５．７度あるいは１６．３６度等の値だけロータの回転方向にシフトされていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。