JP4604199B2

JP4604199B2 - 永久磁石界磁形ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP4604199B2
Application number: JP2006041893A
Authority: JP
Inventors: 明戸恒
Original assignee: Ibaraki University NUC
Current assignee: Ibaraki University NUC
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2026-02-20
Also published as: JP2007221955A

Description

本発明は永久磁石界磁形ブラシレスモータに関する。

永久磁石界磁形ブラシレスモータは、ＯＡ機器やＦＡ機器に広く用いられているが、回転むらの低減が重要な課題となることが多い。

ブラシレスモータの回転むら低減法としては、従来、大きく分けて２種類の方法が提案されている。

１つは固定子巻線に流れる電流を制御する励磁方法等の改善による方法、すなわち、制御によって回転むらを減少させる方法が多数開示されている。例えば、特許文献１, 特許文献２，特許文献３，特許文献４，特許文献５が挙げられる。

しかしながらこれらの方法は、複雑な励磁制御回路を必要とするのみならず、特に周波数の高い回転むらに対しては十分な効果を得るのは困難な欠点がある。

もう１つはモータ本体の改善による方法、例えば、アウターロータ形のブラシレスモータに対して、ロータの着磁波形を台形波にし、しかもスキューする方法（特許文献６）やアキシャルギャプ形の永久磁石界磁形ブラシレスモータに対して、コイル側にマグネット片を取り付け、これとロータマグネットとの間に発生する磁気的吸引反発力を利用して変動トルクを相殺する方法（特許文献７）等が示されている。

しかしながら、このような、本体の改善による方法も、ブラシレスモータのタイプや、回転むらの発生原因によって、個々に改善策が求められる。

特開平１０−１４６０８７特開平０８−２７５４３９特開平０７−１４３３４５特開２００１−１９００８３特開２００４−２０１４５６特開２００４−１２９４８６特開平０５−２２７７１７

このような従来技術の欠点に鑑み、本発明においては固定子巻線に流れる電流の制御回路によらず、本体そのものがトルクリップルの少ない永久磁石界磁形ブラシレスモータを提供することを目的としている。

ブラシレスモータにおいては、１回転中の位置検出回数が限られるため、ロータの位置によるトルク差が生じることになり、周期的なトルクリップルを発生し、これにより回転むらが生じる。例えば、図１に示すロータ磁極数が２のブラシレスモータについて、ロータ位置により発生トルクに変動が生じることを説明する。図１において、ステータ磁界がθ＝120°の位置にあるときに、ロータはθ＝0°の位置からθ＝60°の位置まで回転することになる。この回転区間において、ロータに発生するトルクはθの関数となりトルクの変動を生じる。このトルクリップルは図２に示すように、負荷電流により大きさが異なり、また１回転中のトルクリップルの回数は、ロータ磁極数が大きくなるにつれて増大するため、制御による方法をもってしても除去することは困難なように思われる。本発明は、このようなトルクリップルを低減し、回転むらの少ない永久磁石界磁形ブラシレスモータを提供することを目的としている。

磁極数２Ｐ（Ｐは磁極対数）を有する永久磁石ロータと相数Ｍの電機子巻線を有するステータをもつブラシレスモータにおいて、例えば、３相120°通電方式の場合には、通常、ロータが１磁極ピッチ間隔（電気角360°）回転する間に、６回励磁が切り替わることになるので、磁極数２Ｐをもつ永久磁石ロータの場合には、１回転中にトルク変動は６Ｐ回生じることになる。

本発明は、ロータの位置によってトルクが変動するこのトルクリップルに対して、磁極数２Ｐをもつ永久磁石ロータの一部を、磁極数１２Ｐをもつ永久磁石ロータに置き換え、これとステータ間に発生するトルクで、磁極数２Ｐをもつ永久磁石ロータに発生するトルク変動を打ち消す、または磁極数２Ｐをもつ永久磁石ロータの一部を歯数が６Ｐ個のリラクタンス形ロータに置き換え、それに発生するリラクタンストルクによって、磁極数２Ｐをもつ永久磁石ロータに発生するトルク変動を打ち消すことによって、トルク変動を抑制しようとするものである。

このように、本発明による永久磁石界磁形ブラシレスモータは、ロータ磁極数２Ｐを有する永久磁石ロータと磁極数４ＰＭを有する変動トルク相殺用永久磁石ロータを同軸上に設置したもので永久磁石ロータに発生するトルク変動を効果的に打ち消すことが出来る。

また、この磁極数４ＰＭを有する変動トルク相殺用永久磁石ロータと同等の機能を持つ歯数２ＰＭを有するリラクタンス形ロータを同軸上に設置しても同様にトルク変動を効果的に打ち消すことが出来る。

発明を実施するための最良の形態を図３乃至図１４を用いて説明する。

図３は永久磁石界磁ロータＲm及びステータＳを有するラジアルギャップ形の永久磁石界磁ブラシレスモータに本発明を適用した例を示す。ステータＳの磁極U1, V1, W1, U2,V2, W3には図４に示すごとく３相の電機子巻線LU1,LV1,LW1,LU2,LV2,LW2が巻かれている。

本発明のラジアルギャップ形の永久磁石界磁ブラシレスモータにおいては、磁極数２ＰをもつロータＲmに、図５に示すように６×（２Ｐ）＝１２Ｐの磁極数をもつロータＲsを同軸に設置する。

図３に示す本発明のラジアルギャップ形永久磁石界磁ブラシレスモータにおける切断面X１−X１'の構造を、ロータＲｍについては図６（Ａ）に、ステータＳについては図７（Ａ）に示す。また、当該永久磁石界磁ブラシレスモータの切断面X２−X２'の構造を、ロータＲｓについては図６（Ｂ）に、ステータＳについては図７（Ｂ）に示す。

ロータＲｍとロータＲｓは図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ロータＲｍのＮ極の点線で示す中心位置（θ＝0°）と、その中心位置（θ＝0°）に最も近いロータＲｓのＮ極の中心位置とが互いに（15°／Ｐ）または（―15°/Ｐ）ずれて配置されている。

また、ロータＲｓに対応するステータＳの部分のステータ磁極には、図７（Ｂ）のように小歯をもたせている。これは、ロータＲｓの磁極数が大きくなるため、ステータ磁極を図７（Ａ）のままにすると、ステータの１磁極中にロータＲｓの何組ものＮ−Ｓ両磁極が含まれることになり、ロータＲｓからの磁力が打ち消されることになるからである。図７（Ｂ）の小歯のピッチは、図８に示す如く、ロータＲｓの磁極ピッチ（電気角360°）と等しくしてある。

次に、永久磁石界磁ブラシレスモータに本発明を適用した別の実施例を示す。

ステータは上記実施例と同一であるが、磁極数２Ｐをもつロータの一部を、図９に示すように、磁極をもたずに６Ｐ個の歯をもつリラクタンス形のロータＲs'に置き換える（元のロータ部分をＲｍ、６Ｐ個の歯数をもつロータ部分をＲｓ'で示す）。このとき、図３の切断面Ｘ２−Ｘ２'の構造は図１０に示すようになる。

ロータＲｍとロータＲｓ'は図１１に示すように、近接するロータＲｍの磁極とロータＲｓの歯の中心位置とが互いに（15°／Ｐ）または（ ― 15°/P）ずれて配置されている。

また、ロータＲｓ’に対向するステータ磁極には図１２のように小歯をもたせ、小歯間の間隔をロータＲｓ'の歯ピッチ（電気角360°）と等しくしている。これは、前記ロータＲｓ'の歯数が大きくなっても、一つのステータ磁極の中に複数個のロータＲｓ'の歯が含まれないようにして、変動トルクの低減効果を高めるためである。

つぎに、図１（ロータ磁極数２Ｐ＝２の場合）を参照して、永久磁石界磁形ブラシレスモータのトルク変動を求め、本発明の永久磁石界磁ブラシレスモータにおいては、トルク変動が抑えられる理由を説明する。

図１に示す永久磁石界磁ブラシレスモータには、図13に示す回路により、電機子巻線LU1,LV1,LW1,LU2,LV2,LW2に３相電流が流れる。図において、Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, Tr5, Tr6は３相電流を流すように制御するトランジスタ、D1, D2,D3,D4, D5, D6はダイオードを示す。

ステータの合成磁界がθ＝120°の位置にあるとき、ロータＲｍはθ＝０°からθ＝60°まで移動することになる。このとき、ロータＲｍに発生するトルクは最大値を１とすると、

と表されるから、最大トルクは１、最小トルクは

となり、トルク変動が生じることになる。そこで、ロータＲｓが発生する脈動トルクの振幅が

となるようにロータＲｓの界磁の強さを選んだとすると、ロータＲｓの発生トルクは

となる。

このような関係が磁界の移動に伴って６０°（電気角）周期で繰り返されることになるので、ロータＲｍの変動分トルク、ロータＲｓの発生トルク、および両者を合成した変動トルクは図１４のようになり、変動トルクの振幅はロータＲｍが発生する変動分トルクの0.0401／0.134=0.3倍に減少することになる。

また、負荷変化により、電機子電流が変化してトルク変動の大きさが変化した場合でも、同時にロータＲｓによる発生トルクも電流とともに変化するため、この場合にもトルクリップルが最も抑制される条件は満たされることになる。

一般的には、磁極数２Ｐを有する永久磁石ロータと相数Ｍの電機子巻線を有するステータをもつブラシレスモータにおいては、該永久磁石ロータに磁極数４ＰＭを有する変動トルク相殺用永久磁石ロータを同軸上に設置し、ロータＲｍとロータＲｓが、それぞれ近接する同極磁極の中心位置が互いに（90°／２ＰＭ）または（−90°／２ＰＭ）ずれて配置させることにより、図１４の関係が得られ、両者の合成変動トルクの振幅はロータＲｍが発生する変動分トルクの0.0401／0.134=0.3倍に減少することになる。これにより、トルク変動の少ないブラシレスモータが得られることになる。
上記の（90°／２ＰＭ）は、Ｍ＝３の場合、ロータＲｍとロータＲｓのずれは（15°／Ｐ）となり、図６および図１１に示す場合の一般式であることがわかる。

実用的には、ＲｍとＲｓのずれ角、およびＲｍとＲｓ'とのずれ角を、
(90±１0)°／２ＰＭ
程度に選べば、変動トルクの低減効果は十分期待される。

このように、本発明になる永久磁石界磁形ブラシレスモータは、トルク変動を効果的に打ち消すことが出来るので、回転むらが極めて少ないことを要求されるＯＡ機器やＦＡ機器に広く用いられる。

従来の永久磁石界磁形ブラシレスモータにおけるロータの位置によるトルク変動発生の説明図。従来の永久磁石界磁形ブラシレスモータにおけるロータの位置によるトルク変動とその巻線電流による影響。本発明における１実施例としての永久磁石界磁ブラシレスモータの断面図。図３に示す永久磁石界磁ブラシレスモータにおけるステータの電機子巻線を示す図。図３に示す永久磁石界磁ブラシレスモータにおけるロータ構造を示す図。図５のロータＲｍとロータＲｓを接続する際の互いの磁極位置関係を説明する図。図５のロータＲｍに対向するステータコアＳを示す図（図７（Ａ））と、図５のロータＲｓに対向するステータコアＳを示す図（図７（Ｂ））。図７（Ｂ）のステータ磁極中にある小歯のピッチとロータＲｓの磁極ピッチの関係を示す図。本発明による他の実施例としての永久磁石界磁ブラシレスモータのロータの説明図。図９のロータＲｓ'部分のロータコアを示す図。図９のロータＲｍ（図１１（Ａ））とロータＲｓ'（図１１（Ｂ））を接続する際の互いの歯の位置関係を示す図。図７（Ｂ）のステータ磁極中にある小歯のピッチとロータＲｓ'の歯ピッチの関係を示す図。本発明における永久磁石界磁ブラシレスモータの３相駆動回路。本発明における永久磁石界磁ブラシレスモータのロータＲｍとロータＲｓまたはＲｓ'が発生するトルクの関係、および合成トルクを説明する図。

Ｒ、Ｒｓ、Ｒｓ'…ロータ、Ｓ…ステータ、U1, V1, W1, U2, V2, W3…ステータＳの磁
極、LU1,LV1,LW1,LU2,LV2,LW2…電機子巻線。

Claims

磁極数２Ｐを有する永久磁石ロータとＭ相電機子巻線を有するステータからなる永久磁石界磁ブラシレスモータにおいて、
該永久磁石ロータに磁極数４ＰＭを有する変動トルク相殺用永久磁石ロータを同軸上に設置し、
前記永久磁石ロータの特定の磁極の中心線と、該特定の磁極と同極である前記変動トルク相殺用永久磁石ロータの磁極であって前記中心線に対して最寄りの磁極の中心線によって形成されるずれ角が±(90±10)°/2PMであることを特徴とする永久磁石界磁ブラシレスモータ。
磁極数２Ｐを有する永久磁石ロータとＭ相電機子巻線を有するステータからなる永久界磁ブラシレスモータにおいて、
該永久磁石ロータに歯数２ＰＭを有するリラクタンス形ロータを同軸上に設置し、
前記永久磁石ロータの特定の磁極の中心線と、該リラクタンス形ロータの歯であって前記中心線に対して最寄りの歯の中心線によって形成されるずれ角が±(90±10)°/2PMであることを特徴とする永久磁石界磁ブラシレスモータ。