JP4656913B2

JP4656913B2 - 多相クローポール形回転電機

Info

Publication number: JP4656913B2
Application number: JP2004318836A
Authority: JP
Inventors: 和夫大西; 昭二大岩; 康彰茂木; 裕治榎本
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Servo Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: US7250698B2; JP2006136040A; US20060091760A1

Description

本発明は２相、３相等の多相クローポール形回転電機、特に、コギングトルクを低減せしめたＰＭステッピングモータに関するものである。

ここでは、ＰＭステッピングモータ構造のコギングトルク低減法について検討する。ここで言うＰＭステッピングモータとは、図１Ａ及び図１Ｂに２相モータの一例を示すように、交互にＮ、Ｓ極に着磁された永久磁石回転子の外側に、空隙を介して回転子磁極と同数の爪形磁極（Claw−Poles）を設け、一方側の爪磁極より入った磁束がリング巻線の外側を回って（鎖交して）他方側の爪磁極に帰る形の固定子を持つ単相モータを同軸上に複数個設置して構成されるものとする。このとき、２相モータでは９０°位相差を付けた単相モータを２個、３相モータでは互いに１２０°位相差のある単相モータを３個従属接続している。現在実用化されているこの種の爪形磁極モータでは通常爪形磁極のピッチが回転子磁極のそれと等しいため、コギングトルクが大きいのが欠点であった。

従来、爪磁極ピッチを変化させてコギングトルクを低減せしめたＰＭステッピングモータは知られている。
特開平１０−１３６６３１号公報特開２００１−１６１０５５号公報

然しながら、このようなモータでは爪の間隔が変動していたずらに狭い個所を生じたり、爪磁極がシャフトに対して対称位置になかったりして、磁気吸引力に不平衡を生じて、振動・騒音を発生するという問題があった。

本発明は上記の欠点を除くようにしたものである。

本発明は、この種の爪形磁極モータに対して、軸対称性を持たせながら爪磁極間隔を適切に変更するバーニア方式を採用して、コギングトルクの大幅に低減することを目的としている。

本発明の多相クローポール形回転電機は、円周方向に交互にＮ極とＳ極に着磁されたマグネットロータと、このマグネットロータに空隙を介して対接されるクローポール形ステータと、このステータに設けたリングコイルとより成る１相分の回転電機素子を回転軸方向に２個併設して成り、上記各回転電機素子のクローポールを円周方向に複数ブロックに分け、各ブロックを形成する同極側爪磁極間の間隔を実質的にβ₀−Δβ（ここでβ₀は上記同極側爪磁極を３６０°に亘り等間隔に配置したときの基準ピッチ、Δβは（π／２ｑ）／ｐ、ｑは各ブロック同極側爪磁極の数、ｐは片側の爪の数）とし、併設された各回転電機素子は互いに円周方向に９０°（電気角）ずらしたことを特徴とする２相クローポール形回転電機。

また、本発明の多相クローポール形回転電機は、円周方向に交互にＮ極とＳ極に着磁されたマグネットロータと、このマグネットロータに空隙を介して対接されるクローポール形ステータと、このステータに設けたリングコイルとより成る１相分の回転電機素子を回転軸方向に３個併設して成り、上記各回転電機素子のクローポールを円周方向に複数ブロックに分け、各ブロックを形成する同極側爪磁極間の間隔を実質的にβ₀−Δβ（ここでβ₀は上記同極側爪磁極を３６０°に亘り等間隔に配置したときの基準ピッチ、Δβは（π／３ｑ）／ｐ、ｑは各ブロック同極側爪磁極の数、ｐは片側の爪の数）とし、併設された各回転電機素子は互いに円周方向に１２０°（電気角）ずらしたことを特徴とする３相クローポール形回転電機。

本発明の多相クローポール形回転電機においては、軸対称性を維持しているため、磁気吸引力の不平衡が発生せず、コギングトルクも小さいため、低振動・低騒音になるという特徴を持っている。また、構造的には従来のものと大差がないので、製作も容易で特別な問題は発生しない。

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

コギングトルクを検討するための直線展開モデルを図２のように設定する。磁極数を２ｐとすると磁極ピッチは機械角で２π／２ｐになる。固定子磁極は、図１Ｂのような台形状になっているが、ここでは簡単のために幅を一定とし磁極ピッチに対してα倍とする。また、同図は回転子が角度γだけ右方向に回転した位置を示している。なお、αは任意であるから、台形のように幅が変化する場合にはその平均値的なαを使用すればこの結果を拡張することができる。また、ステータ磁極に溝がなく平坦な場合の空隙磁束密度Ｂ_gは、図３のＢ_gで示すように磁極対を周期とする交番的周期関数とし、この磁束のうち図２の固定子側磁極απ／ｐに面する磁束のみが固定子磁極に入るものと仮定する。

（磁気エネルギーとコギングトルク）

空隙内の微少部分の磁気エネルギー密度ｗ_mは数１で与えられる。

ここで、μ₀は真空透磁率、Ｂ_gは当該部分の空隙磁束密度である。そこで、空隙磁束密度の角度関数Ｂ_g(θ)に対応してＢ_g ²(θ)の形を同じ図３に示す（φ：電気角＝ｐθ）。すなわち、Ｂ_g ²(θ)は磁石の中央を原点とするθに関するπ／ｐを基本周期とする偶関数として、Fourier級数を用いて数２のように表すことができる。

ここで、２ｐは極数、ｎはフーリエ級数の次数で正の整数、θは磁極中心からの角度である。また、軸方向には同じ分布をしているものとする。磁気エネルギーは主として空隙に蓄えられるので、数１のｗ_mを空隙全体にわたって積分したものが、全磁気エネルギーになる。積分に当たっては、図２の固定子磁極の下にある磁束だけを考慮するものとする。数３で、Ｌは実効積厚、ｇは空隙長さである。

トルクは磁気エネルギーＷ_mの回転角γに関する微係数で与えられるため、右辺第１項は微分が零となってトルクに関係しない。そこで、以下では第２項についてのみ検討する。この巻線磁極下の磁気エネルギーを集計したものが全体の磁気エネルギーになると考えると、１磁極分については次数ｎの項を数４のように表すことができる。

一方、コギングトルクはロータを仮想変位させた場合の磁石による磁気エネルギーの変化率であるから、同様に１磁極分について求めると数５のようになる。

１相分のトルクはこれを１相の磁極数だけ集計したものである。これを、Ｎ極群とＳ極群に分けて集計すると数６と数７のようになる。

ここに、β_κは各磁極の角度、εはＮ極側磁極とＳ極側磁極の正規変位電気角πからの偏差（電気角）である。ここで、簡単のため共通部分をＴ_mANnで表すと、数８のように表現することができる。なお、γ_e（＝ｐγ）は電気角である。

また、各相のトルクは互いに２π／ｍ（ｍ：相数、２相では４）だけ位相を変位させたものである。２相モータの場合、Ｂ相では数９のようになる。

全体のトルクは各相のＮおよびＳ極側トルクをすべて集計したものである。そこで、２相モータの低位の次数について整理すると表１のようになる。

この表１において、係数Ｔ_mANnは各次数毎に各相共通であるため見やすくするため省略した。この表１を見ると、次数ｎが１と３の場合にはトルクに対応する総和が零になるが、２の場合には各相加わる形になるため、この周波数４γ_eのコギングトルクが発生する。また、前者の場合には、正相（Ａ、Ｂ）と逆相（外１、外２）の間に僅かの偏差角εが存在しても、相間に９０°（π／２）の変位があればトルクが自動的に相殺されて零になることがわかる。

◎（外１）

◎（外２）

これより、コギングトルクをさらに小さくするためには、ｎ＝２の係数Ｔ_mAN2自体を零にすることが必要である。３相モータの場合は、数１０〜数１２のように表される。

そこで、２相モータの場合と同様にして、３相モータの低位の次数について整理すると表２のようになる。

ｎが１と２の場合には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相成分および外３、外４、外５相成分がそれぞれ２π／３の位相差を持つため総和はバランスして零になる。また、Ｕ、Ｖ、Ｗ相と外３、外４、外５相の間の位相差が１８０°（π）ではなく微少な偏差εがあっても、これとは無関係に総和＝零が成立することを示している。ｎが３の場合には、各相の成分がほぼ同相になるため、総和が零にならずこの成分のコギングトルクが発生する。したがって、コギングトルクをさらに小さくするためには、ｎ＝３の係数Ｔ_mAN3を零にすることが必要である。表１と表２を比較して言えることは、２相モータではｎ＝２の成分が存在するのに対し、３相モータではこの成分が本質的に存在しないため、コギングトルクの点で後者モータが有利であると言うことができる。

◎（外３）

◎（外４）

◎（外５）

（歯配列の調整によるコギングトルクの低減）

さきに述べたように、コギングトルクを減らすためには、２相モータではｎ＝２のトルク成分、３相モータではｎ＝３のトルク成分の係数を零にする必要がある。この係数は数６で表される。このためには、右辺前半のｓｉｎｎαπを零にするか、後半のΣ部分を零にするかの二通りある。前者の場合には、磁極の広がり度合いαを１／ｎに小さくしなければならない。すなわち、２相では０．５、３相では０．３３となり、コイル磁束が大幅に減少するため不利である。そこで、ここでは後者のΣ部分で係数を零にする方策を検討する。これは、Σ内にある爪磁極の変位角β_κを調節することを意味する。この場合、モータでは空隙部の磁気吸引力が強いため、このアンバランスによって振動騒音が発生することを避けねばならない。このためには、爪磁極の軸センターに関する対称性を維持しながらその間隔を調節しなければならない。そのままで全体の爪磁極間隔を狭く微調（バーニア）すると、ある一個所に間隔の広いところが発生してその部分の磁気吸引力が小さくなり、中心軸に関して対向する部分の吸引力に対して弱くなってバランスが崩れる。この個所は回転に伴って回転子上で変化する磁束密度にさらされるため、この磁気吸引力の不平衡関係が変動して振動を発生することになるが、各相の爪磁極を２群以上に分割して互いに磁気吸引力をバランスさせることができれば、このような磁気吸引力のアンバランスによる振動は発生しない。完全なバランスを得るためには、２の倍数個の群に分割して軸対称性を維持することが最善であるが、２の倍数に分割できない磁極対数の場合には、３あるいは５群等に分けて空間ベクトル的にバランスさせることもできる。そして、分割したそれぞれの群内で数６の総和を零にすればよいことになる。群の数をｄとすると、ｑ＝ｐ／ｄ個のベクトルが２π（電気角）内に均等に並べばよいので、隣り合うβ_κ間の基準角β₀からの偏差角Δβ（電気角）を数１３のようにすればよい。

なお、基準角β₀はバーニアを掛けない場合の一方側爪磁極間の角度であって、機械角では３６０°／ｐ、電気角で表すと２πになる。これより、Δβ＝０の場合には各磁極のトルクが電気角上で同じ位相に並ぶので相加わって消えないが、数６のΔβを採用した場合には等間隔に並んで総和が零になって消滅するのである。以下に具体的な方法について考察する。

本発明においては、表面上に交互に均等にＮ、Ｓ極に着磁された磁極を持つ回転子と、それに空隙を介して対向し、リング状コイルを抱く形で両方から交互に伸びた回転子の磁極と同数の爪形磁極を持つ固定子とよりなるモータ単位をｍ個、互いに電気角で２π／ｍ（ただし，２相ではｍ＝４でπ／２）変位させて同軸上に従属接続してなる爪形磁極回転電機において、ステータの爪形磁極を空隙の円周上に均等に分布する複数群に分けて、それぞれの群内で同極側の爪形磁極ピッチ（間隔）を基準ピッチβ₀＝３６０／ｐ（機械角）から角Δβ（電気角）（ここで、Δβ＝π／ｎｑ、ｎ＝正の整数（２相モータでは２、３相モータでは３）、ｑ＝一つの群内の爪同極側磁極の数（＝ｐ／ｄ）、ｐ＝磁極対数＝片側の爪の数）に相当する機械角（電気角の１／ｐ）だけ変化させる。

（２相モータの場合）

２相モータでは、ｎ＝２である。ここでは、ｐ＝１６のモータを例にとって説明するが、これはその他の任意の数でもよいことはもちろんである。２群と４群では次のようになる。２群の場合は、ｑ＝８であるから、Δβ＝（１８０／（２×８）／２＝０．７°、実際の爪間隔は、β ₀ −Δβ＝２２．５−０．７＝２１．８°になる。この場合の爪配置を示すと、図４のようになる。４群の場合は、ｑ＝４であるから、Δβ＝１８０／（２×４）／２＝１．４°、実際の爪間隔は、β ₀ −Δβ＝２２．５°−１．４＝２１．１°になる。この場合の爪配置を示すと、図５のようになる。

（３相モータの場合）

３相モータでは、ｎ＝３である。ここでは、ｐ＝１６のモータを例にとって説明するが、これはその他の任意の数でもよいことはもちろんである。ここでも、軸対称性を維持できる２群と４群を考える。２群の場合は、ｑ＝８であるから、Δβ＝（１８０／（３×８）／２＝０．４７°、実際の爪間隔は、β₀−Δβ＝２２．５−０．４７＝２２．０３°になる。この場合の爪配置を示すと、図６のようになる。４群の場合は、ｑ＝４であるから、Δβ＝（１８０／（３×４）／２＝０．９４°、実際の爪間隔は、β ₀ −Δβ＝２２．５−０．９４＝２１．５６°になる。この場合の爪配置を示すと、図７のようになる。なお、上記の２相、３相とも爪磁極のＮ側とＳ側の偏差は、正確には電気角πではなくε＝Δβ／２の偏差が存在するが、これは表１、表２のところで示したように問題ではない。また、いずれの場合も、バーニアなしの基準角からそれほど大きい偏差を持たないため、コイルの鎖交磁束は大きく減少しないで、コギングトルクを大幅に減少することができる。以上では、内転形回転子について述べたが、固定子を内側に配置した外転形回転子を持つモータでも成立することは自明である。

（３次元有限要素法磁界解析による検証）

代表例である図７の構造について、３次元有限要素法を用いて検証を試みた。爪間隔は有限要素法のメッシュ分割の関係で０.５度おきとなっている。結果を図８に示す。これより、コギングトルクは爪間隔２１．５度付近に最低値がありバーニアでない２２．５度に比べて約８分の１に低減されており、本理論が妥当であることが検証されている。また、このときの誘起電圧は図９のようになっている。すなわち、このバーニア（２１．５度）によって約１０％減少するが、２群分割では爪間隔が２２度なのでさらに少ない減少になるものと推定され、大きい支障は発生しないと思われる。なお、図８から、角度２１．５度より大きい側の角度ではコギングトルクの変化が急峻であるが、小さい側は緩やかであるため、小さい側への変位は誘起電圧の低下を伴うものの、わずかであれば許容できることがわかる。

本発明の多相クローポール形回転電機の縦断側面図である。図１に示すステータの爪形磁極の展開図である。コギングトルクを検討するための回転電機のステータとロータ磁極の直線展開モデルの説明図である。空隙磁束密度β_gとβ_g ²分布の関係説明図である。２相モータの２群構成の爪磁極配置説明図である。２相モータの４群構成の爪磁極配置説明図である。３相モータの２群構成の爪磁極配置説明図である。３相モータの４群構成の爪磁極配置説明図である。図７の例における爪間隔とコギングトルクの関係説明図である。図７の例における爪間隔と誘起電圧の関係説明図である。

符号の説明

β_κ 磁極の角度
ε 偏差角
γ_e 電気角
μ₀ 真空透磁率
Ｂ_g空隙磁束密度
２ｐ極数
ｗ_m 磁気エネルギー密度
β₀ 基準角

Claims

円周方向に交互にＮ極とＳ極に着磁されたマグネットロータと、このマグネットロータに空隙を介して対接されるクローポール形ステータと、このステータに設けたリングコイルとより成る１相分の回転電機素子を回転軸方向に２個併設して成り、上記各回転電機素子のクローポールを円周方向に複数ブロックに分け、各ブロックを形成する同極側爪磁極間の間隔を実質的に
β₀−Δβ（ここでβ₀は上記同極側爪磁極を３６０°に亘り等間隔に配置したときの基準ピッチ、Δβは（π／２ｑ）／ｐ、ｑは各ブロック同極側爪磁極の数、ｐは片側の爪の数）とし、併設された各回転電機素子は互いに円周方向に９０°（電気角）ずらしたことを特徴とする２相クローポール形回転電機。
円周方向に交互にＮ極とＳ極に着磁されたマグネットロータと、このマグネットロータに空隙を介して対接されるクローポール形ステータと、このステータに設けたリングコイルとより成る１相分の回転電機素子を回転軸方向に３個併設して成り、上記各回転電機素子のクローポールを円周方向に複数ブロックに分け、各ブロックを形成する同極側爪磁極間の間隔を実質的に
β₀−Δβ（ここでβ₀は上記同極側爪磁極を３６０°に亘り等間隔に配置したときの基準ピッチ、Δβは（π／３ｑ）／ｐ、ｑは各ブロック同極側爪磁極の数、ｐは片側の爪の数）とし、併設された各回転電機素子は互いに円周方向に１２０°（電気角）ずらしたことを特徴とする３相クローポール形回転電機。