JP4077898B2 - 永久磁石モータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子もしくは回転子の一方、またはその両方に永久磁石を用いた、特にハイブリッド型ステッピングモータに好適な永久磁石モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、永久磁石を用いたモータとしては、直流モータ、ブラシレス直流モータ、ＰＭ型ステッピングモータおよびハイブリッド型ステッピングモータなどがある。この永久磁石の片側の磁極より生じる磁束を、その磁気回路の磁気抵抗の違いにより磁束差を生じせしめ、この磁束差によりトルクを生じるモータの代表的なものとして、例えば前記のハイブリッド型ステッピングモータがある。図７は、該ハイブリット型ステッピングモータｍの概略構成を示す縦断面図である。
【０００３】
図７において、前記モータｍは、鋼板を積層して形成された固定子鉄心２を有する固定子１の内周面に、空隙を介して回転子３を回動自在に配設、支持するとともに、該回転子３は、その軸方向に着磁された円筒状の永久磁石５と、該永久磁石５の軸方向の両側に、鋼板を積層して形成され、該永久磁石５を挟持するように固着された２個の回転子鉄心４，４と、それらを貫通した軸６とにより構成されている。なお、前記固定子１には、巻線７が巻装されている。
そして、該回転子鉄心４，４の外周面には、４〜２００程度の小歯４ａと呼ばれる凹凸が形成されるとともに、前記固定子鉄心２の各突極８の内周面にも複数個の同様の小歯８ａが形成されている。
【０００４】
このため、前記モータｍの磁気抵抗は回転子鉄心４の小歯４ａの凸部と固定子鉄心２の小歯８ａの凸部が対向している際に最も小さくなり、回転子鉄心４の小歯４ａの凸部が固定子鉄心２の小歯８ａの凹部と対向している際に最も大きくなる。該モータｍのトルクは前記小歯４ａ，８ａの対向による磁束差により生じ、固定子鉄心２の各突極８に施された巻線７の界磁によりさらに大きなトルクが生み出される。
【０００５】
一方、この種の永久磁石モータなどに用いられる永久磁石５は、これもまた様々であるが、例えば、フェライト磁石、アルニコ磁石、希土類磁石、さらにはこれら磁石を粉砕した粉とプラスチックなどの樹脂とを混合して成形されたボンド磁石などがある。
これら代表的な磁石の減磁曲線の概略を図８に示す。図８において、フェライト磁石は磁石特性としては中庸ではあるが、他の磁石に比べて低価格なため一般的に最も多く用いられ、永久磁石モータにおいても最も多く用いられ、特に直流モータなどの比較的廉価なモータに使われている。アルニコ磁石はその特性から、磁気抵抗の小さいモータ、例えば他に比べて空隙が小さいステッピングモータなどに用いられている。
【０００６】
希土類磁石には、主としてサマリウムコバルト磁石とネオジム鉄ボロン磁石がある。希土類磁石はその高い磁石特性の恩恵により、この十年程度で急速にその需要が増加している。特に特性が高く、比較的低価格のネオジム鉄ボロン磁石は現在では売り上げ高で、これまでトップのフェライト磁石を超えるまでに成長し続けており、前記モータにもそれまでの磁石に置き換わる形でその使用量は増え続けている。ボンド磁石は用いる磁石粉の種類により異なるが、特にネオジム鉄ボロン磁石の磁石粉を用いたボンド磁石が小型、薄型モータ用等で急進している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記永久磁石モータに用いられている前記永久磁石は、その残留磁束密度の温度係数（単位は、％／℃）が、アルニコ磁石では、-0.02 〜-0.03 ，フェライト磁石では、-0.18 ，サマリウムコバルト磁石では、-0.04 ，ネオジム鉄ボロン磁石では、-0.11 のように負値であるため、該永久磁石から発生する磁束は温度が上昇するに伴い減少する。一方、該モータではその回転に伴い巻線により生じる銅損や渦電流などにより生じる鉄損等のため温度が上昇する。このため、前記永久磁石モータではモータ自身の発熱や使用環境の外部からの熱源等により回転時には温度が上昇することは必至であり、したがって、その出力トルクが低下するという問題点があった。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解決し、モータの温度が上昇しても、これに伴って回転時、該モータの出力トルクが低下しないような永久磁石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】
前記目的を達成するための本発明の構成は、固定子部と回転子部とから成り、該固定子部もしくは回転子部の一方、またはその両方に永久磁石を有し、該固定子部または回転子部に巻回された巻線を介して励磁、駆動される永久磁石モータにおいて、次のとおりである。
【００１０】
前記永久磁石モータがハイブリッド型ステッピングモータであり、該モータが前記永久磁石のキュリー温度またはボンド磁石の可塑化温度以下の温度で使用されるとき、該モータの温度上昇に対して、該モータの前記巻線における逆起電力の変化率が、内蔵される前記永久磁石自体の残留磁束密度の温度係数よりも小さく、零または正値になるように、該永久磁石を含めて磁気回路を形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明は、以上のように構成されているので、モータの出力トルクがその逆起電力に比例することから、前記永久磁石モータの温度上昇に対して、該モータの前記巻線における逆起電力の変化率が、内蔵される永久磁石自体の残留磁束密度の温度係数よりも小さく、零または正値になるように、該永久磁石を含めて前記磁気回路を形成するようにしている。
【００１４】
前記永久磁石は、前記アルニコ系永久磁石、フェライト系永久磁石、希土類コバルト系永久磁石および希土類鉄硼素系永久磁石だけでなく、その残留磁束密度の温度係数（単位は、％／℃）が、負値であればよい。
【００１５】
次いで、本発明の作用を説明する。
図２は、空隙１０を介して複数個の永久磁石１１を対向させた場合の、該永久磁石１１の各極より生じる磁束の差の様子を示す図である。この場合には、磁束の差に比例した接線方向の力が発生するが、磁束の差が永久磁石１１より生じる磁束そのものであるため、温度が上昇して該永久磁石１１の温度が上昇すると、その表面より発せられる磁束１２が減少し、磁束の差が減少するため前記接線方向の力は低下する。前記永久磁石１１のＮ極またはＳ極から生じる磁束を、磁気抵抗の違いにより磁束差を生じせしめ、該磁束差によりトルクを生じるモータにおいても、一般にはモータのトルクは低下する。
【００１６】
しかしながら、以下の作用を満足するように永久磁石およびその磁気回路を形成することで、該永久磁石モータの温度上昇に伴うトルクの低下を防ぐことが可能である。これを確認することは一般には難しいが、本発明の請求項１に記載の条件のように、該モータの温度上昇に対する該モータの前記巻線における逆起電力の変化率を満足させることで、以下に記した永久磁石およびその磁気回路を形成させている。
【００１７】
一般には、モータの磁気回路は透磁率の大きな電磁鋼板と透磁率の小さな空気との組合せで構成されることが多いが、磁気回路を形成する要素の透磁率の違いは、電気回路を構成する要素の導電率の違いに比べると著しく小さいため、該磁気回路の磁束を増していくと次第に磁束の漏れが生じる。図３は、前記のハイブリッド型ステッピングモータの回転子の小歯部分と固定子の小歯部分の漏れ磁束を表すための模式図で、両者とも永久磁石１１と電磁鋼板のような軟磁性材料１３から構成される。この場合においても、図２と同様に接線方向の力が発生するが、永久磁石１１の磁力が強くなると図３に示すような漏れ磁束１４が生じている。
【００１８】
そこで、使用する永久磁石１１の磁束を増加していくと当初は接線方向の力も増加するが、磁束は次第に飽和し、さらなる磁束の増加では接線方向の力は逆に低下し、永久磁石１１から発する磁束に対して該接線方向の力は、ある磁束量でピークを持つようになる。図６は後記実施例のハイブリッド型ステッピングモータにおいて、永久磁石から発する磁束量を変えたときの該モータのトルクであり、ある磁束量でピークを持つようになる。ここで、磁束量は突極部での値である。
【００１９】
そこで、温度上昇前の前記モータについて、該永久磁石により生じる磁束が、該永久磁石から発する磁束に対する前記モータのトルクのピーク値よりも大きくなるよう前記永久磁石および磁気回路を形成させておくようにする。。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な発明の実施の形態を詳しく説明する。
本発明による永久磁石モータとしては、固定子もしくは回転子の一方、またはその両方に永久磁石を有し、該固定子または回転子に巻回された巻線を介して励磁、駆動される永久磁石モータであって、該永久磁石により生じる磁束が、該永久磁石から発する磁束に対する前記モータのトルクのピーク値よりも大きくなるように前記永久磁石および磁気回路が形成される。このようにすることで、前記モータの温度が、該永久磁石のキュリー温度、または該永久磁石がボンド磁石である場合、その可塑化温度より低い温度で使用されるとき、該モータの温度が上昇して前記永久磁石より発する磁束が減少しても、前記モータの出力トルクが低下することを防ぐことができるだけでなく、出力トルクを増加することができる。
【００２１】
特に、前記モータを、使用される環境温度において、前記永久磁石から発する磁束に対して該モータの出力トルクがピークとなるように、該永久磁石および磁気回路を形成することで、前記使用温度環境下で最大のトルクが得られる。
なお、前記モータの温度が該永久磁石のキュリー温度以上などでは、該永久磁石から発せられる磁束が零となるので、該永久磁石と磁気回路による出力トルクは零となる。
【００２２】
前記出力トルクのピーク値や温度上昇によるトルク変化分は、前記永久磁石、磁気回路、モータの温度などにより種々変化する。
また、前記モータの出力トルクについては、該モータの前記巻線における逆起電力に比例することがファラデーの法則から一般に知られているため、該逆起電力を測定することにより、間接的に求めることができる。
【００２３】
以下、実施例および比較例を用いて本発明による永久磁石モータを詳細に説明する。
【００２４】
［実施例］
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の永久磁石モータの一実施例を示す図で、図１（ａ）は５相ハイブリッド型ステッピングモータの概略断面図、図１（ｂ）は該モータの回転子の概略正面図である。
【００２５】
図１（ａ）および図１（ｂ）において、ステッピングモータＭは、固定子２１と、該固定子２１内に回動自在に配設、支持された回転子２３とからなる。該固定子２１は固定子鉄心２２、巻線２７から成り、該固定子鉄心２２には、放射状に配設された複数個の突極２８を有し、さらに該突極２８の内周面に複数個の小歯２８ａを有する。前記回転子２３は、軸方向に着磁された円筒状の永久磁石２５と、その両側に該永久磁石２５を挟持するように固着された回転子鉄心２４，２４と、それらを貫通する軸２６とからなり、該回転子鉄心２４の外周面には複数個の小歯２４ａを有する。
【００２６】
前記ハイブリッド型ステッピングモータＭの回転子２３の前記永久磁石２５には、希土類磁石を用いた。この希土類永久磁石としては、希土類コバルト系永久磁石、例えばサマリウムコバルト磁石および希土類鉄硼素系永久磁石、例えばネオジム鉄ボロン磁石などがある。該永久磁石２５の寸法は、設計値から計算されるパーミアンス係数より、常温における該永久磁石２５の動作点磁束密度および動作点磁束を算出し、この動作点磁束の最大値を前記固定子鉄心２２の突極２８の断面積の半分で除した値が、該固定子鉄心２２に用いた鉄板の飽和磁束密度から固定子鉄心２２に巻かれた巻線２７の励磁による磁束密度を考慮した値よりも大きくなるように決定する。
【００２７】
図４は、前記ハイブリッド型ステッピングモータＭの温度試験に用いた装置の構成図で、この装置は、オーブン（恒温槽）３０、温度記録計３１、ディジタルオシロスコープ３２、回転計３３、試験モータＭ回転用の外部モータ３４から構成され、該ステッピングモータＭを前記オーブン３０内に設置し、該モータＭの温度はその固定子鉄心２２の突極２８の間に挿入した熱電対３１ａの出力を前記温度記録計３１により記録した。
【００２８】
試験方法は、オーブン３０内の温度が所定温度に保持された後、該オーブン３０内に設置された前記ステッピングモータＭを、外部モータ３４により回転させ、所定回転数における該ステッピングモータＭの巻線２７に発生する電圧（逆起電力）を、前記オシロスコープ３２で測定する。この測定はファラデーの法則に基づく測定で、前記モータＭの永久磁石２５の磁束の変化は、固定子鉄心２２の突極２８に通る磁束で評価している。
【００２９】
図５は、その試験結果を示す該ステッピングモータＭの温度と逆起電力との関係図、図６は該ステッピングモータＭの固定子鉄心２２の突極部２８の磁束密度と該モータＭの静止トルクとの関係図で、それぞれ後記する比較例１および２の結果も同時に示す。ここで、図５の逆起電力変化率とは、図中破線で示し、あるモータ温度の逆起電力とモータ基準温度の逆起電力との差を、前記モータ基準温度の逆起電力で除した値のパーセンテージである。
【００３０】
図５および図６より、前記発明の作用に記載した条件で、前記永久磁石モータＭの永久磁石２５およびその磁気回路を形成することで、残留磁束密度の温度係数が負値の永久磁石２５を用いた該モータＭの温度が上昇しても、その逆起電力、すなわちトルクは減少することなくむしろ増加するという効果を奏する。
【００３１】
［比較例１］
前記実施例で用いた永久磁石２５の寸法を、設計値から計算されるパーミアンス係数より永久磁石２５の動作点磁束密度および動作点磁束を算出し、この動作点磁束を固定子鉄心２２の突極２８の断面積の半分で除した値が、固定子鉄心２２に用いた鉄板の飽和磁束密度になるように設計して、実施例と同様の回転子２３を作製し、実施例１と同様の方法で測定を行った。図５および図６に結果を示す。
【００３２】
［比較例２］
前記実施例および比較例１で用いた永久磁石２５の寸法を、設計値から計算されるパーミアンス係数より永久磁石２５の動作点磁束密度および動作点磁束を算出し、この動作点磁束を固定子鉄心２２の突極２８の断面積の半分で除した値が、固定子鉄心２２に用いた鉄板の飽和磁束密度よりも小さくなるように設計して、実施例および比較例１と同様の回転子２３を作製し、実施例および比較例１と同様の方法で測定を行った。図５および図６に結果を示す。
【００３３】
なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の永久磁石モータによれば、前記永久磁石モータがハイブリッド型ステッピングモータであり、該モータが前記永久磁石のキュリー温度またはボンド磁石の可塑化温度以下の温度で使用されるとき、該モータの温度上昇に対して、該モータの前記巻線における逆起電力の変化率が、内蔵される前記永久磁石自体の残留磁束密度の温度係数よりも小さく、零または正値になるように、該永久磁石を含めて磁気回路を形成するので、該ハイブリッド型ステッピングモータの温度が上昇しても、これに伴って該モータの出力トルクが低下しないという効果を奏する。
【００３６】
本発明の永久磁石モータは、温度上昇による出力トルクの低下を回避することができるとともに、さらに該出力トルクを増加することができる。このため、実使用時における出力トルクの増加が可能となり、前記モータ本来の能力を最大限に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の永久磁石モータの一実施例を示す図で、図１（ａ）は５相ハイブリッド型ステッピングモータの概略断面図、図１（ｂ）は該モータの回転子の概略正面図である。
【図２】永久磁石の各極より生じる磁束の差によりトルクを生じるモータの磁束の様子を説明する模式図である。
【図３】永久磁石のＮ極あるいはＳ極から生じる磁束を磁気抵抗の違いにより磁束を生じせしめ、該磁束差によりトルクを生じるモータの磁束の様子を説明する模式図である。
【図４】図１（ａ）および図１（ｂ）の５相ハイブリッド型ステッピングモータの実施例、比較例１および比較例２の温度試験に用いた装置の構成図である。
【図５】図１（ａ）および図１（ｂ）の５相ハイブリッド型ステッピングモータの実施例、比較例１および比較例２の温度と逆起電力の関係を示す図である。
【図６】図１（ａ）および図１（ｂ）の５相ハイブリッド型ステッピングモーターの実施例、比較例１および比較例２の固定子ヨークの突極部の磁束密度と該モータのトルクの関係を示す図である。
【図７】従来の永久磁石モータの代表例である、ハイブリット型ステッピングモータの概略構成を示す縦断面図である。
【図８】代表的な永久磁石の典型的な減磁曲線を示す図である。
【符号の説明】
Ｍ，ｍ ハイブリッド型ステッピングモータ
１，２１ 固定子
２，２２ 固定子鉄心
３，２３ 回転子
４，２４ 回転子鉄心
５，１１，２５ 永久磁石
６、２６ 軸
７，２７ 巻線
８，２８ 突極
８ａ，２８ａ 小歯
１０ 空隙
１２ 磁束（表面磁束）
１３ 軟磁性材料
１４ 漏れ磁束
３０ オーブン（恒温槽）
３１ 温度記録計
３１ａ 熱電対
３２ ディジタルオシロスコープ
３３ 回転計
３４ 試験モータ回転用外部モータ

Claims (1)

1. 固定子部と回転子部とから成り、該固定子部もしくは回転子部の一方、またはその両方に永久磁石を有し、該固定子部または回転子部に巻回された巻線を介して励磁、駆動される永久磁石モータにおいて、
   前記永久磁石モータがハイブリッド型ステッピングモータであり、該モータが前記永久磁石のキュリー温度またはボンド磁石の可塑化温度以下の温度で使用されるとき、該モータの温度上昇に対して、該モータの前記巻線における逆起電力の変化率が、内蔵される前記永久磁石自体の残留磁束密度の温度係数よりも小さく、零または正値になるように、該永久磁石を含めて磁気回路を形成することを特徴とする永久磁石モータ。

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