JP3754639B2 - 磁石解析装置及び磁石解析方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ等に使用する着磁された磁石の着磁状態を解析する磁石解析装置（マグネットアナライザ）及び磁石解析方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在のモータ業界では、小型化、高トルク化、低損失、及び低騒音が望まれている。そのために、モータに用いる磁石の着磁波形がモータのトルク、コギングトルク、トルクリップル等へ与える影響を解析し、その結果をもとにモータの設計を行っている。
【０００３】
着磁波形を知るためには、例えば、周囲に多極磁石を備えたローターを把持する把み部と、その把み部を回転させる回転部と、前記多極磁石に対向する磁気センサーで構成された着磁検査機（実公平６−１１５１５参照）を用いることが考えられる。
この着磁検査機は、多極磁石を回転させ、回転角度を含む多極磁石と磁気センサーとの相対位置及び回転中心から磁気センサーへ向かうラジアル方向（半径方向）の磁束を検出することによって着磁波形を得ていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この検出結果を用いて磁気計算シミュレーションを行い、例えば、トルク値を設定してモータの設計をした場合には、実際に完成したモータのトルク値がこの設定値からずれるという問題があった。
また、このずれを低減させるためには、経験則に頼らざるを得ないという問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、磁石を組み込んだ完成品の設計の精度を向上させることが可能な磁石解析装置及び磁石解析方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。すなわち、請求項１の発明は、周方向に分割するように多極に着磁された磁石の磁束を検出する磁気検出手段（１４）と、前記磁石と前記磁気検出手段の相対位置を検出する位置検出手段（１３）とを備える磁石解析装置であって、前記磁気検出手段は、周方向の磁束及び前記周方向と垂直な方向の磁束を検出すること、前記磁気検出手段によって検出された周方向の磁束のピーク値又は零値に対応する前記位置検出手段によって検出された相対位置と、前記磁気検出手段によって検出された前記周方向と垂直な方向の磁束のピーク値又は零値に対応する前記位置検出手段によって検出された相対位置との差に基づいて、前記磁束及び／又は前記相対位置の補正を行う補正手段を備えること、を特徴とする磁石解析装置（１０）である。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁石解析装置において、前記磁気検出手段及び前記位置検出手段の検出結果に基づいて、磁束の大きさ及び／又は方向の解析を行なう磁束解析手段（１８）を備えること、を特徴とする磁石解析装置（１０）である。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の磁石解析装置において、前記磁気検出手段は、一方向の磁束を検出する一方向検出手段と、前記一方向検出手段の設置角度を切り替える切り替え手段とを有し、前記切り替え手段によって前記一方向検出手段が検出する磁束の方向を切り替えることによって、周方向及び前記周方向と垂直な方向の磁束を検出すること、を特徴とする磁石解析装置である。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の磁石解析装置において、前記磁気検出手段及び前記位置検出手段の検出結果に基づいて、着磁波形の周波数成分が前記磁石を含む部分と、その余の部分とが、その磁石の磁力によって相対運動する装置の異常な振動や騒音を発生する周波数であるか否かの周波数解析を行なう周波数解析手段（１８）を備えること、を特徴とする磁石解析装置（１０）である。
【００１０】
請求項５の発明は、周方向に分割するように多極に着磁された磁石の周方向の磁束を検出するとともに、前記周方向の磁束を検出する位置を前記磁石の相対位置として検出する第１方向磁気検出ステップ（Ｓ１０２，Ｓ１０４）と、前記周方向と垂直な方向の磁束を検出するとともに、前記周方向と垂直な方向の磁束を検出する位置を前記磁石の相対位置として検出する第２方向磁気検出ステップ（Ｓ１０２，Ｓ１０４）と、前記第１方向磁気検出ステップにおいて検出された磁束がピーク値又は零値となる前記相対位置と、前記第２方向磁気検出ステップにおいて検出された磁束がピーク値又は零値となる前記相対位置との差に基づいて、前記磁束及び／又は前記相対位置の補正を行う補正ステップ（Ｓ１０９）とを備える磁石解析方法である。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項５に記載の磁石解析方法において、前記第１方向磁気検出ステップ及び／又は前記第２方向磁気検出ステップにおける検出結果及び／又は前記補正ステップにおける補正結果に基づいて、磁束の大きさ及び／又は方向の解析を行なう磁束解析ステップ（Ｓ１１０）を備えること、を特徴とする磁石解析方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しくに説明する。
図１は、本発明による磁石解析装置の実施形態を示すブロック図である。
この磁石解析装置１０は、チャック１１，モータ１２，ロータリエンコーダ１３、磁気センサ１４等を備えている。
チャック１１は、着磁された円筒型の磁石Ｍを固定する３爪のスクロール型のチャックである。
モータ１２は、このチャック１１を回転させるギャモータであり、Ｄ／Ａ変換器１５Ａ、ドライバ１５Ｂを介して、コンピュータ１８によって駆動制御されている。
【００１３】
ロータリエンコーダ１３は、モータ１２の出力軸の回転角度α（後述する図２参照）を検出するためのものであり、その出力は、カウンタ１６を介して、コンピュータ１８のＩ／Ｏポートに接続されている。
【００１４】
磁気センサ１４は、磁石Ｍの磁束量Ｂを検出するためのセンサであって、例えば、ガウスメータセンサ１４Ａとガウスメータ１４Ｂとが用いられている。
図２は、磁束量Ｂの測定を説明する図であり、円筒型の磁石Ｍを軸方向から見た図である。
図２に示すように、ガウスメータセンサ１４Ａは、プローブ１４１を備え、円筒型の磁石Ｍのラジアル方向であるＸ軸方向の磁束量Ｂｘと、プローブ１４１の設置角度を９０°切り換えることによって接線方向であるＹ軸方向の磁束量Ｂｙとを検出するセンサである。磁気センサ１４の出力は、Ａ／Ｄ変換器１７によってデジタル信号に変換された後に、コンピュータ１８のＩ／Ｏポートに接続されている。
【００１５】
コンピュータ１８は、入力された磁束量Ｂｘ，Ｂｙと回転角度αに基づいて、補正処理等が可能なプログラムを備えている。このコンピュータ１８には、ＣＲＴ等の表示装置１９、キーボード等の入力装置２０、及び、プリンタ又はプロッタ等の出力装置２１が接続されている。
【００１６】
図３は、本発明による磁石解析装置の動作を示すフローチャートである。
磁石解析装置１０が起動されると、コンピュータ１８は、Ｄ／Ａコンバータ１５Ａに電圧設定を行うことにより、ドライバ１５Ｂを介して、スピード設定をして、モータ１２を駆動する（Ｓ１０１）。
Ｓ１０２において、コンピュータ１８は、ロータリエンコーダ１３からの回転角度αを入力し、測定角度か否かを判断し（Ｓ１０３）、否定の場合には、Ｓ１０２に戻り、肯定の場合には、次のＳ１０４に進む。
また、コンピュータ１８は、磁気センサ１４からＸ軸方向の磁束量Ｂｘを入力し（Ｓ１０４）、３６０°になるまで、繰り返して測定する（Ｓ１０５）。
Ｓ１０７において、磁気センサ１４のプローブ１４１を９０°回転し、同様にＹ軸方向の磁束量Ｂｙを測定する（Ｓ１０２からＳ１０６まで）。
【００１７】
次に、コンピュータ１８は、Ｓ１０８、Ｓ１０９において、データ補正処理を行なう。データ補正処理は、プローブ１４１を回転すること等によって生じる測定位置の誤差を低減するために行われる。
図４は、データ補正処理を説明する図であり、横軸は回転角度α、縦軸は磁束量Ｂｘ，Ｂｙを示している。また、図５は、磁石の磁極及び磁束を説明する図である。
図４及び図５に示すように、Ｎ極及びＳ極の境目（ニュートラルゾーン）ＮＺでは、Ｘ軸方向の磁束量Ｂｘは零値、Ｙ軸方向の磁束量Ｂｙはピーク値となり、Ｎ極及びＳ極の中央（セントラルゾーン）ＣＺでは、磁束量Ｂｘはピーク値、磁束量Ｂｙは零値となるべきである。つまり、磁束量Ｂｘ及び磁束量Ｂｙの電気角は、９０°となるべきである。従って、例えば、ｎ極に等分割で着磁された円筒型磁石Ｍの磁束量を測定した場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の磁束量Ｂｘ，Ｂｙが零、ピーク値等を示す回転角度の差である回転角度差β（°）は、β＝３６０／（２ｎ）となる。本実施形態では、Ｎ極及びＳ極が各６極である１２極の円筒型磁石Ｍを用いたため、回転角度差βは、１５°となるべきである。
【００１８】
Ｓ１０８において、コンピュータ１８は、磁束量Ｂｘ，Ｂｙが零値をとる回転角度αであるゼロクロスを求める。コンピュータ１８は、磁束量Ｂｘが増加する過程で零値をとる回転角度αｘｉ、減少する過程で零値をとる回転角度αｘｄ、磁束量Ｂｙが増加する過程で零値をとる回転角度αｙｉ、減少する過程で零値をとる回転角度αｙｄを測定値から抽出する。コンピュータ１８は、隣り合う回転角度αｘｉ，αｙｉ、回転角度αｘｄ，αｙｄの差が１５°となるように磁束Ｂｙに対応する回転角度αをずらし、磁束量Ｂｙを補正磁束量Ｂｙ’に補正する補正処理を行う（Ｓ１０９）（図４参照）。
【００１９】
Ｓ１１０において、コンピュータ１８は、磁束量Ｂｘと、補正磁束量Ｂｙ’を合成し、各回転角度αにおける磁束量Ｂを求める（図２参照）。コンピュータ１８は、各回転角度αにおけるＸ軸方向の磁束量Ｂｘと、軸方向の補正磁束量Ｂｙ’をもとに、磁束量Ｂ＝（Ｂｘ² ＋Ｂｙ’² ）^1/2 を算出する。
また、コンピュータ１８は、各回転角度における磁束の方向θ＝ｔａｎ^-1（Ｂｙ’／Ｂｘ）を算出する。
【００２０】
最後に、コンピュータ１８は、回転角度α、磁束量Ｂｘ、補正磁束量Ｂｙ’、磁束の方向θを表示装置１９に表示すると共に、入力装置２０からの指示にしたがって、出力装置２１から出力する（Ｓ１１１）。
【００２１】
図６及び図７は、本実施形態に係る磁石解析装置の出力結果を示す図であって、図６は、コギングトルクが小さい磁石ＯＫの回転角度αと磁束量Ｂ，Ｂｘ，Ｂｙ’との関係を示した線図、図７は、コギングトルクが大きい磁石ＮＧの回転角度αと磁束量Ｂ，Ｂｘ，Ｂｙ’との関係を示した線図である。
【００２２】
このように、磁石Ｍのラジアル方向（Ｘ軸方向）の磁束量Ｂｘのみならず、接線方向（Ｙ軸方向）の磁束量Ｂｙ（Ｂｙ’）を測定するガウスメータセンサ１４Ａを備えるため、磁石Ｍの磁束量Ｂをベクトル量として解析することによって、モータ等、磁石を組み込んだ完成品の設計の精度を高めることが可能となった。また、プローブ１４１の測定位置等による誤差を補正することが可能であるため、測定誤差を減少させることによって、より精度の高い設計が可能となった。
【００２３】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
例えば、磁石Ｍは、円筒型の例で説明したが、棒状のものであってもよい。この場合には、モータ１２の代わりに、スライダ等の移動装置を用い、エンコーダ１３も、リニア型のものを用いればよい。
【００２４】
コンピュータ１８は、周波数解析を行なうＦＦＴ処理が可能なプログラムを備えていてもよい。
図８及び図９は、図６又は図７における磁束量ＢをＦＦＴ解析した結果である周波数と磁束量の関係を示し、図８は、コギングトルクが小さい磁石ＯＫ、図９は、コギングトルクが大きい磁石ＮＧを示している。
図８及び図９を比較すると、コギングトルクが低い磁石ＯＫのレベルが全体的に低くなる。
このように、ＦＦＴ解析の結果からコギングトルクのレベルを判断することができる。
尚、ＦＦＴの演算は、ＦＦＴアナライザをコンピュータ１８に接続して行ってもよい。
【００２５】
コンピュータ１８は、隣り合う回転角度αｘｉ，αｙｉ、回転角度αｘｄ，αｙｄの差を基に補正を行うが、磁束Ｂｘ及び磁束Ｂｙは、一方が零値となれば、他方はピーク値となることから、零値及びピーク値での回転角度を検出し、一方が零値となる回転角度を他方がピーク値となる回転角度に合わせることによって補正処理を行ってもよい。
また、コンピュータ１８は、プローブ１４１を回転することによって生じる測定位置の誤差等を低減させるため、磁束Ｂｙについて補正処理を行うが、磁束Ｂｘについて、又は、磁束Ｂｘ，Ｂｙについて補正処理を行ってもよい。それぞれの磁束Ｂｘ，Ｂｙの測定における回転角度αに生じる誤差を考慮して補正量の分配を行うことが可能である。
【００２６】
磁気センサ１４は、プローブ１４１の設置角度を９０°切り換えることによってＸ軸方向及びＹ軸方向の磁束量Ｂｘ，Ｂｙを検出するセンサであるが、同様にプローブ１４１の設置角度を９０°切り換えることによって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交する方向であるＺ軸方向の磁束量Ｂｚを検出できるセンサであってもよい。
また、図１０に示すように、磁石解析装置１０は、磁気センサ１４の代わりに、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の磁束Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚを検出する方向に設置されているプローブを有する３つのガウスメータセンサ１４Ａ−１，１４Ａ−２，１４Ａ−３と、これらに接続された３つのガウスメータ１４Ａ−１，１４Ｂ−２，１４Ｂ−３とを備える磁気センサ１４−２を備えていてもよい。
【００２７】
更に、磁気センサ１４は、設置角度を自由に設定できるプローブを有するガウスメータセンサ１４Ａを備え、コンピュータ１８は、その設置角度をガウスメータ１４Ｂから入力することによって、補正処理を行い、磁束の大きさ、向きを求めてもよい。
磁石の磁束を３次元ベクトルとして解析することによって、磁石を組み込んだ完成品の設計の精度を高めることが可能となった。
【００２８】
なお、この磁石解析装置は、ハミング窓、ブリックマンハウス、ローゼンフィールドの関数が内蔵されている。
また、計算上によるサイン波形との比較をしたり、カーソルによる任意位置での磁束量の表示、及び、縦カーソルによるクロス点角度リストを出すことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳しく説明説明したように、本発明によれば、第１の方向及び第２の方向の磁束及び相対位置を検出し、この検出結果に基づいて補正、周波数解析、磁束解析を行うため、磁石を組み込んだ完成品の設計の精度を向上させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁石解析装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】磁束量の測定を説明する図である。
【図３】本発明による磁石解析装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】データ補正処理を説明する図である。
【図５】磁石の磁極及び磁束を説明する図である。
【図６】コギングトルクが小さい磁石の回転角度と磁束量の関係を示した線図である。
【図７】コギングトルクが大きい磁石の回転角度と磁束量の関係を示した線図である。
【図８】図６のデータに基づいて、ＦＦＴ解析した結果を示した線図である。
【図９】図７のデータに基づいて、ＦＦＴ解析した結果を示した線図である。
【図１０】本発明による磁石解析装置の変形形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 磁石解析装置
１１ チャック
１２ モータ
１３ ロータリエンコーダ
１４，１４−２ 磁気センサ
１４Ａ ガウスメータセンサ
１４Ｂ ガウスメータ
１５Ａ Ｄ／Ａ変換器
１５Ｂ ドライバ
１６ カウンタ
１７ Ａ／Ｄ変換器
１８ コンピュータ
１９ 表示装置
２０ 入力装置
２１ 出力装置
１４１ プローブ

Claims (6)

1. 周方向に分割するように多極に着磁された磁石の磁束を検出する磁気検出手段と、
   前記磁石と前記磁気検出手段の相対位置を検出する位置検出手段と
   を備える磁石解析装置であって、
   前記磁気検出手段は、周方向の磁束及び前記周方向と垂直な方向の磁束を検出すること、
   前記磁気検出手段によって検出された周方向の磁束のピーク値又は零値に対応する前記位置検出手段によって検出された相対位置と、前記磁気検出手段によって検出された前記周方向と垂直な方向の磁束のピーク値又は零値に対応する前記位置検出手段によって検出された相対位置との差に基づいて、前記磁束及び／又は前記相対位置の補正を行う補正手段を備えること、
   を特徴とする磁石解析装置。
2. 請求項１に記載の磁石解析装置において、
   前記磁気検出手段及び前記位置検出手段の検出結果に基づいて、磁束の大きさ及び／又は方向の解析を行なう磁束解析手段を備えること、
   を特徴とする磁石解析装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の磁石解析装置において、
   前記磁気検出手段は、
   一方向の磁束を検出する一方向検出手段と、
   前記一方向検出手段の設置角度を切り替える切り替え手段とを有し、
   前記切り替え手段によって前記一方向検出手段が検出する磁束の方向を切り替えることによって、周方向及び前記周方向と垂直な方向の磁束を検出すること、
   を特徴とする磁石解析装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の磁石解析装置において、
   前記磁気検出手段及び前記位置検出手段の検出結果に基づいて、着磁波形の周波数成分が前記磁石を含む部分と、その余の部分とが、その磁石の磁力によって相対運動する装置の異常な振動や騒音を発生する周波数であるか否かの周波数解析を行なう周波数解析手段を備えること、
   を特徴とする磁石解析装置。
5. 周方向に分割するように多極に着磁された磁石の周方向の磁束を検出するとともに、前記周方向の磁束を検出する位置を前記磁石の相対位置として検出する第１方向磁気検出ステップと、
   前記周方向と垂直な方向の磁束を検出するとともに、前記周方向と垂直な方向の磁束を検出する位置を前記磁石の相対位置として検出する第２方向磁気検出ステップと、
   前記第１方向磁気検出ステップにおいて検出された磁束がピーク値又は零値となる前記相対位置と、前記第２方向磁気検出ステップにおいて検出された磁束がピーク値又は零値となる前記相対位置との差に基づいて、前記磁束及び／又は前記相対位置の補正を行う補正ステップと
   を備える磁石解析方法。
6. 請求項５に記載の磁石解析方法において、
   前記第１方向磁気検出ステップ及び／又は前記第２方向磁気検出ステップにおける検出結果及び／又は前記補正ステップにおける補正結果に基づいて、磁束の大きさ及び／又は方向の解析を行なう磁束解析ステップを備えること、
   を特徴とする磁石解析方法。

Images