JP3797488B2

JP3797488B2 - 多極回転電機

Info

Publication number: JP3797488B2
Application number: JP2003330338A
Authority: JP
Inventors: 和夫大西; 康彰茂木; 昭二大岩
Original assignee: 日本サーボ株式会社
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP2005102366A

Description

本発明は，ＯＡ機器駆動用,ＦＡ設備等において使用されるハイブリッド形(ＨＢ形)ステッピングモータに代表される多極回転電機のトルクアップとコギングトルク低減に関するものである。

ステッピングモータ（以下モータと称する）
には，ロータに永久磁石を使用しないバリアブル・レラクタンス形(ＶＲ形)と，ロータを永久磁石で構成した永久磁石形(ＰＭ形)と，両者を混合したハイブリッド形(ＨＢ形)とがある。ＰＭ形，ＨＢ形は，小型化が容易であるため，比較的小型の産業機器に用いられる。中でもＨＢ形は，高精度，高トルク，微小ステップ角等に優れた特性を示すため，多くの分野で活用されている。そして，これらの用途においては，常に使用モータに対して一層の小形・高トルク化が要求される。

一方，高トルクを得るためには，後にも示すように各相の鎖交磁束（磁束が入るコイルの巻数と磁束の積の総和）を増加するのが有効である。この一方策として，分解能すなわちロータの歯数を減らすことなくコイルの鎖交磁束を増加できる特開昭５６−１２８５６で開示されているアウターロータ構造が考えられる。しかしながら，そのままの構造で従来のような積層鉄心を用いたのでは意図した効果が十分でなく，コギングトルクも増加するなど著しく支障を生じることがわかったので，これを解決するための新構造を提供することが本発明の目的である。
図４は，特開昭５６−１２８５６に示されるアウターロータ構造のＨＢ形モータ（以下従来モータと称する）の断面図であり，図６は図４の有歯構造部分の断面図で，（ａ）はＡ−Ａ断面，（ｂ）はＡ’−Ａ’断面，（ｃ）はＢ’−Ｂ’断面，（ｄ）はＢ−Ｂ断面をそれぞれ示している。但し，図６では，上側の一部の空隙部分のみを示し，その他の空隙部分は省略しているが，多数の小歯が外側と内側コアの全周にわたって図示の延長として一様に形成されている。図４において，３はリング状のマグネットでモータ固定軸方向に単極に着磁され，中心部分を貫通するモータ固定軸１に固着されている。４はＡ相を形成する円柱状のステータコアで，Ａ相コアの外周に設けられた小歯群は６のＡと７のＡ’のように構成され，Ａ’側でステータコア４の端面を上記リング状マグネット面に面接触して，モータ固定軸１に固着されている。同様に５はＢ相を形成する円柱状のステータコアで，その小歯群は８のＢ’と９のＢのように構成され，Ｂ’側でステータコア５の端面をリングマグネットの逆側面に面接触して，モータ固定軸１に固着されている。これらのステータコア４，５にはその軸方向中央部に円周方向の環状溝が設けられていて，これらの溝にそれぞれ円筒形状の励磁用コイル１２，１３が巻装されている。また，図６に示すようにステータの小歯群ＡとＡ’は歯並びの位相が０．５ピッチ（１ピッチは小歯の間隔とする）ずれている。また，小歯群ＢとＢ’は位相がＡに対してそれぞれ０．２５ピッチ，０．７５ピッチずれている。なお，図６はロータの小歯が位置Ａ，Ａ’，Ｂ’，Ｂにおいてすべて同相で内側のステータの小歯が０．２５ピッチずつずれている場合であるが，逆にステータ側を同相にしてロータ側の小歯群を互いに０．２５ピッチずつずらしても同じ効果が得られる。

１０は円筒状のロータコアであり，前後カバー２，２’により軸受１１を介して回転可能となるように支持されている。ロータコア１０の内周面は，ステータコア４の外周面と小空隙を介して対向し，このロータコア１０の内周面には軸方向に，ステータコア４の外周面に軸方向に設けられた小歯と同数の小歯が設けられている。なお，図ではロータの外周がローラのように回転して外部に仕事をすることを想定しているが，回転可能に改造した中心シャフトに連結してシャフトから回転を取り出すことも可能である。

特開昭５４−０８４２０７号公開公報特開昭５６−０１２８５６号公開公報このモータ構造は，各相のコイルがそれぞれ１個だけでよくステータコアの円筒状の溝に外周から整列巻線するので，巻線作業が容易である上に占積率が高いこと，ステータ構造が単純で安価になる等の点に特長がある。

次に磁束の流れについて説明する。図７において磁石３を出てステータコア４に入る磁束はＡ部を通る磁束φ_AとＡ’部を通る磁束φ_A’に分かれてロータコア１０に入り，ロータコア内を右方向に流れ，Ｂ部を通る磁束φ_BとＢ’部を通る磁束φ_B’に分かれてステータコアに入り磁石に戻る。このとき，Ａ，Ａ’，Ｂ，Ｂ’各部の小歯は図６のように，互いに０．２５ピッチずれた形に設けられているため，それぞれの磁束は次式に示す位相関係になる。すなわち，φ_A，φ_B，φ_A’，φ_B’の順に９０°ずつ位相が遅れることになる。
ここに，θはロータの回転電気角，Φ_A，Φ_A’，Φ_B，Φ_B’は変化する磁束φ_A，φ_A’，φ_B，φ_B’の平均値，k，k’は変動分の割合である。なお，図４に示されるように，Ａ相とＢ相は位相関係を除いてリングマグネットに関して左右対称であるから，Φ_A＝Φ_B≡Φ，Φ_A’＝Φ_B’の関係にある。また，ここでは簡単のために高調波分を省略して磁束変動が正弦波的であると仮定した。

次に発生トルクについて検討する。図７において，Ａ相コイル１２およびＢ相コイル１３に入る有効な主磁束は，それぞれφ_Aとφ_Bである。ここで，ロータが電気角速度で回転している場合を考えるとそのときのコイル逆起電力ｅ_A，ｅ_Bはそれぞれ次式となる。nは，各相コイルの巻数である。
一方，トルクは，逆起電力と電流の積である理論出力を機械的角速度ω_M＝ω/pで割ったものであるから，次式のようになる。ここに，pは極対数すなわちステータまたはロータの小歯数である。
上式からわかるように，コイル巻数と小歯数を一定とすれば，トルクを大きくするにはコイルを通る平均磁束Φと変動比率kを大きくする必要のあることがわかる。

一般的にモータ用のステータコアとロータコアは珪素鋼板を積層して構成され，珪素鋼板表面の防錆用皮膜を含め機械的に避けられない隙間が積層間に生じている。上記に示すような従来のモータ構造では，モータ軸方向の磁路が多く存在し，積層間の隙間によりコアのパーミアンス（磁束の通り易さ）が悪くなり，巻線の鎖交磁束が低下する欠点がある。特に，図４に示した構造ではコイルを通る有効な主磁束は（５）式と（６）式にあるようにφ_Aとφ_Bであって，φ_A’とφ_B’は完全な無効磁束である。しかるに，磁束は通りやすいところを通る性質があるため，積層鋼板を用いた構造では磁石より出た磁束の大部分がφ_A’とφ_B’となって流れ，有効な主磁束φ_Aとφ_Bは非常に少なくなるので，（７）式（８）式によるトルクが少なくなる上に，コギングトルクも大きくなってしまい実用に至らなかったのである。
図２は，５００ｒ／ｍ時のモータの１相の逆起電力波形であり，図中のｐが従来のモータ構造の特性で出力電圧の振幅は１０Ｖである。一般的構成の同一体格のモータに比べて，出力電圧が低下している。その結果，モータの効率悪化と出力低下の原因となっている。

また，図３は従来モータ構造のコギングトルクの波形であり，図中ｒは従来のモータ構造の特性でコギングトルクの振幅は０．１Ｎｍである。一般的構成の同一体格のモータに比べて，ゴギングトルクが増加している。その結果，モータ回転中に大きな振動を伴うという問題が生じる。

そこで，本発明は，上記従来例モータの問題点を解決すべく，コア材料に積層しない磁性材料を用いてモータ軸方向の磁路の磁気抵抗を下げ，Ａ，Ａ’，Ｂ’，Ｂ各磁路をバランスさせてモータ巻線への鎖交磁束を増加させモータの高出力化を図り，かつモータのコギングトルクを低減することを目的とするものである。

従来の珪素鋼板を積層したステータコア構造を，絶縁処理した軟磁性粉末と樹脂の複合材から成る粉末体を成形した構造に変更することで，モータ軸方向の磁路の透磁率を高くすることが可能になり，磁束が磁石から離れたＡおよびＢの磁路にも流れやすくなってφ_Aとφ_Bが増加し，モータ逆起電力したがってトルクが増加する。なお，コアは樹脂のバインダで磁性粉末を接着成形するほかに焼結などで非積層ブロック化する方法も有効である。

また，前記ステータの環状溝により分離されるＡ相の小歯群Ａ，Ａ’において，Ａの小歯群の軸方向コア厚みに対するＡ’の小歯群軸方向コア厚みの比率をＣとし，同様にＢ相の小歯群Ｂ，Ｂ’において，Ｂの小歯群の軸方向コア厚みに対するＢ’の小歯群軸方向コア厚みの比率をＣとし，Ｃを0.5から0.8に設定することでコギングトルクが低減される。これは，小歯群Ａ，を通る磁路のパーミアンスに比べて，小歯群Ａ’，を通る磁路のパーミアンスが小さくなりすぎることを補正することになるためである。

本発明のステッピングモータは，下記のような特長を有する。
（１）巻線形状が円筒形で巻線数が少ない構造でありながら，粉末軟磁性材料を使用することで主磁束磁路のパーミアンスを改善し，逆起電力を多く取り出し，従来モータに比べて２倍以上の高トルク・高出力化が可能となる。
（２）２組の小歯群からなる各相の小歯群の軸方向厚みを適切な比率にすることで，逆起電力を低下させることなく，コギングトルクを最小に設定することが可能である。
（３）ステータとロータを軟磁性粉末で加圧成形して構成できるため，形状の自由度が広がる。また，磁性材料の打ち抜き残材などの無駄がなくなり，モータ構造の簡略化と低コスト化が可能になる。
（４）モータ高速回転時の鉄損が低減でき，モータ効率がアップできる。
（５）また，この構造は，ステッピングモータだけに限らず，ブラシレスモータや同期モータあるいは発電機としても使用できる。

モータ軸の軸方向中心部近くに，軸方向にＮ極とＳ極に着磁されたリング状のマグネットを具備し，その軸方向両サイドに隣接する位置にＡ相とＢ相を形成する円柱状の二組のステータコアを具備し，前記円柱状の二組のステータコアのそれぞれには軸方向中央外周部にリングコイルを巻回した環状溝を設け，その両サイドの円柱体の外周部には複数の磁極を形成する小歯群Ａ（またはＢ’）とＡ’（またはＢ）が配置され，それぞれのＡ’およびＢ’側端面が前記リング状のマグネットの両端面と固着されるとともに，前記ステータコア外周の小歯群とラジアル方向にエアギャップを介して配置された同数の小歯を内径に具備し，軸受を介して回転自在に支承した円筒状ロータコアが配置され，上記小歯群Ａ，Ａ’，Ｂ’，Ｂのロータ小歯に対する相対位相差がほぼ４分の１ピッチずつずれている構成において，小歯群Ａ’（およびＢ’）とＡ（およびＢ）の軸方向長の比を0.5ないし0.8にするとともに，前記ステータコアとロータコアを，軟磁性粉末と樹脂の複合材から成る粉末を加圧成形して構成したことを特徴とする多極回転電機。

従来のモータ断面図４を用いて，本発明の請求項１に係わるモータ実施例を説明する。モータの構造自体は図４の従来のモータ構造と同じであるが，ステータコアを構成する４，５，６，７，８，９と，またロータコア１０の材質を軟磁性粉末と樹脂の複合材から成る粉末を成形して構成している点が異なる。軟磁性粉末材料としては，例えば日立粉末冶金社のニッカロイＥＵ−６６ｘ等がある。

本発明の効果を検証するために，３次元有限要素法による磁界解析を用いて性能を比較した。対象にしたモータは，ロータ外径３５mm，コア軸方向長２８mm，磁石厚２mm，リングコイル部厚さ６mmである。図２はモータ逆起電力波形を示すもので，図中のｑはこの軟磁性粉末にてモータを構成した場合の，５００ｒ／ｍ時のモータ逆起電力波形を示すもので，従来の珪素鋼板を積層して構成したステータコアとロータコア構成での逆起電力波形ｐと比べ，誘起電圧が約２．２倍に改善されていることが分かる。

また，図３はモータのコギングトルク波形を示すもので，図中のｓはこの軟磁性粉末にてモータを構成した場合のコギングトルク波形を示すもので，従来の珪素鋼板を積層して構成したステータコアとロータコア構成でのコギングトルクｒと比べ，コギングトルクが約１／５倍に改善されていることが分かる。

また，軟磁性粉末材料自身で電気抵抗が高い特長があり，モータとしての渦電流損が低いという利点があり，高速回転ほど効果が大きく，有効となる。

図1は本発明の請求項2に係わる実施例を示すものである。図4においてA相を構成する6のAの小歯群の軸方向鉄心厚みtlmmに対して，7のA'の小歯群の厚みをt2mmとし，その比率C(t2/t1)をはぼ０．６に設定している。また，同様にB相の小歯群のB，B'も同様の関係に設定されている。

この比率Ｃを変えた場合の逆起電力とコギングトルクの関係を図５に示す。図５の横軸がｔ１とｔ２の比率Ｃであり，縦軸は逆起電力出力電圧値とコギングトルク値を示す。図中ｅが逆起電力の出力電圧値特性で，比率Ｃの変化に対し出力電圧値の変化は少ない。また，図中Ｔｃがコギングトルク特性で，比率Ｃが０．６４付近で極小となることが分かる。図４は，このように調整した構造であって，この場合には図３のコギングトルクもｓのカーブより小さくなり，ほぼゼロに近くなることは図５の示すところである。

これは図４のステータコアＡ’部７とＢ’部８がマグネットに近接しているため最短ループの磁路が存在し，ステータコアＡ’部とＢ’部を通る磁束が優勢になるためである。これを避けるため，図１ではステータコアＡ’部とＢ’部の軸方向厚みを短くＡ部とＢ部の軸方向厚みをその分長くすることによって，Ａ部とＡ’部並びにＢ部Ｂ’部の磁束のバランスを図っている。このため，逆起電力の出力電圧値の変化が少なく，コギングトルクが小さくなるものと推定される。なお，図５における比率Ｃの最適値は，Ａ部とＡ’部並びにＢ部Ｂ’部の磁路のパーミアンス（磁束の通り易さ関係）に依存するので，これらの部分の寸法によって変わってくることは自明である。

実用上，図５のように逆起電力ｅを低下させることなく，コギングトルクＴｃが低減可能な特性は非常に有効であり，低振動で小型高出力のモータが設計可能になる。

図８は，本発明の請求項３に係わる本発明の構造をブラシレスモータに適用した実施例である。１２，１３は図1に示した本発明のモータのＡ相およびＢ相巻線であり、２０は電源，２１は磁極位置検出用ホール素子２３，２４からの出力に応じて巻線１２，１３の通電を制御するための制御回路であつて,その出力がＨ形ブリッジを構成するパワートランジスタ２５，２６，２７，２８に導かれモータを駆動する。パワートランジスタ２５と２８は同時に通電されて電流が巻線１２に右方向に流れ，２７と２６が同時に通電されるときは逆に左方向に流れて巻線には交番磁束が発生することになる。Ｂ相側でも同様な動作が行われる。２２はホール素子の電流調整回路である。このシステムは，ＡおよびＢ相巻線の誘起電圧の位相に応じてそれぞれの巻線にトルクを発生させるに必要な電流を流すように制御されて２相ブラシレスモータを構成している。さらに図示されていないが，通常の２相ステッピングモータに使用されているように，Ａ相およびＢ相の巻線にそれぞれ２本のバイファイラー巻を採用した場合には，各巻線には半波電流が流れパワートランジスタは４個で済むため安価になる。なお,ブラシレスモータとして使用する場合には，回転子位置検出用ホール素子の取付精度を難しくしないために，磁極対数すなわち小歯数を通常のＨＢ形モータより少なくすることが望ましい。

このように構成したブラシレスモータは，制御回路が２相であるため簡単安価になるとともに，モータ本体も安価でかつ小形・高トルクであるため，民生用，業務用を問わず各方面の用途に幅広く使用できる。

以上はモータの場合について説明したが，モータと発電機の可逆性によって，同じ構成が発電機として使用できることは自明の理である。

本発明の基本となる従来モータ（特開昭５６−１２８５６号公報）は巻線が容易であり安価に構成される特長があるが，逆起電力の出力値が小さいため出力トルクも小さく，またコギングトルクが大きい等の欠点があり使用される用途が少なかった。しかし，粉末軟磁性材料の特性アップと普及により，上述のようなモータ特性改善を安価に実施できる目処がつき本発明に至った。

さらに，２組の小歯群からなる各相の小歯群の軸方向厚みを適切な比率にすることで，逆起電力を低下させることなく，コギングトルクを最小に設定することが可能であることから，振動を嫌うＯＡ機器，家電機器や高速運転するＦＡ設備機器等の広い範囲で使用することが可能となる。また，本発明の実施例をアウターロータ形モータで説明してきたが，同様の考えでインナーロータ形モータに適用できることは言うまでもない。さらに，本発明はブラシレスモータや同期モータあるいは発電機としても使用できる。

本発明のモータの断面図（実施例２）逆起電力波形（実施例１，従来例）コギングトルク波形（実施例１，従来例）従来のモータの断面図（実施例１を含む）ステータコア厚み比率に対する逆起電力・コギングトルク特性（実施例２）ステータコア小歯群の配置図磁石より発生した磁束の通路を示す説明図本発明の構造を利用したブラシレスモータ（実施例３）

符号の説明

１モータ固定軸
３リング状マグネット
４Ａ相用ステータコア
５Ｂ相用ステータコア
６Ａ部のステータコアの小歯群
７Ａ’部のステータコアの小歯群
８Ｂ部のステータコアの小歯群
９Ｂ’部のステータコアの小歯群
１０ロータコア
１１軸受
１２Ａ相巻線
１３Ｂ相巻線

Claims

モータ軸の軸方向中心部近くに，軸方向にＮ極とＳ極に着磁されたリング状のマグネットを具備し，その軸方向両サイドに隣接する位置にＡ相とＢ相を形成する円柱状の二組のステータコアを具備し，前記円柱状の二組のステータコアを、それぞれには軸方向中央外周部にリングコイルを巻回した環状溝を設け，その両サイドの円柱体の外周部には複数の磁極を形成する小歯群Ａ（またはＢ’）とＡ’（またはＢ）が配置され，それぞれのＡ’およびＢ’側端面が前記リング状のマグネットの両端面と固着されるとともに，前記ステータコア外周の小歯群とラジアル方向にエアギャップを介して配置された同数の小歯を内径に具備し，軸受を介して回転自在に支承した円筒状ロータコアが配置され，上記小歯群Ａ，Ａ’，Ｂ’，Ｂのロータ小歯に対する相対位相差がほぼ４分の１ピッチづつづれている構成において，前記ステータコアとロータコアが，軟磁性粉末と樹脂の複合材から成る粉末の加圧成形で形成されると共に，前記Ａの小歯群の軸方向コア厚みに対する前記Ａ’の小歯群の軸方向コア厚みの比率をＣとし，同様に前記Ｂの小歯群の軸方向コア厚みに対する前記Ｂ’の小歯群の軸方向コア厚みの比率をＣとして，Ｃが１より小さく設定されていること、を特徴とする多極回転電機。
前記Ｃが０．５から０．８の範囲に設定されていること、を特徴とする請求項１所載の多極回転電機。
請求項１所載の多極回転電機を用いた２相ブラシレスモータ。