JP4720024B2

JP4720024B2 - 永久磁石形同期電動機

Info

Publication number: JP4720024B2
Application number: JP2001169154A
Authority: JP
Inventors: 透鹿山; 利之石橋; 前村　　明彦
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2021-06-05
Also published as: JP2002369478A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば工作機械や半導体製造装置などのＦＡ分野で、高加減速の回転運動が要求されるダイレクトドライブ用の永久磁石形同期電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工作機械や半導体製造装置などの分野で、高加減速の回転運動が要求されるダイレクトドライブの永久磁石形同期電動機は、モータ体格に対し大きな最大トルクを得られるものが望まれている。例えば、このような永久磁石形同期電動機として、特願昭５７−１９２０７７に開示されているものがある。図８は従来の永久磁石形同期電動機であって、（ａ）はその断面図を示したもの、（ｂ）は（ａ）における磁極の拡大図を示したものであり、図中矢印の向き（↑↓）は各永久磁石の磁化方向を示している。また、（ｂ）は、図（ａ）中に示す回転座標系ｒ−θにおけるｒ−θを直角座標系として展開し図示している。
図において、１は回転子、２は誘導子、３は誘導子歯、１０は固定子、１１は電機子、１２は電機子コア、１３はティース、１４は継鉄、１５は電機子巻線、１６は磁極、１８は永久磁石である。
回転子１は、回転方向に所定角度λで誘導子歯３が形成された磁性体からなる誘導子２によって構成される。例えば、この磁性体の材料には積層された電磁鋼板が用いられる。
固定子１０は、６つのティース１３とそれらをつなぐ継鉄１４が一体となった電機子コア１２、６つのティース１３に集中巻された３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の電機子巻線１５、各ティース１３先端に設けられた磁極１６からなる電機子１１によって構成される。例えば、電機子コア１２の材料には積層された電磁鋼板が用いられる。６極からなる１個の磁極１６は、その角度ピッチＰｍがλ／２となるように、隣接するものどうしが互いに異極になるように永久磁石１８が６個配置されている。つまり、隣り合った永久磁石１８の磁化方向の角度差θは１８０度で、１極当たりの磁極に使われる永久磁石数ｎは１である。隣接するティース１３間の角度は、ティース１３が６個で構成されているため６０°である。回転子１は図示しない軸受によって、その回転方向に回転自在に支持されている。
【０００３】
次に動作原理について説明する。
永久磁石１８の磁束は、ティース１３、継鉄１４、空隙、誘導子歯３によって構成される磁気回路を流れる。各相のティース１３の位相差が電気角で１２０度なので、回転子１を動かすと互いに電気角１２０度差の磁束が各相電機子巻線１５に鎖交し、電機子巻線１５には３相の誘起電圧が発生する。逆に各相の電機子巻線１５に３相の正弦波電流を通電すると３相同期モータとしてトルクを発生し、回転子１が回転運動する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の永久磁石形同期電動機では、電機子巻線１５に通電する電流とトルクの関係において、電流の増加に応じてトルクが発生しなくなり所定の最大トルクを得られない、いわゆる図２に示すごとく、トルクが飽和する非線形の領域が存在する。このトルクの飽和現象は、電機子巻線１５の作る磁束に永久磁石１８の磁束が重畳した磁束（発生トルクに比例した磁束を意味し、以下、「主磁束」という。）が誘導子歯３で飽和するために起こる。電流が小さければトルクは線形性を確保するものの、誘導子歯３の飽和磁束密度を超える主磁束に相当した電流が流れるとトルクは非線形になる。さらに、電流を大きくすると誘導子歯３を通る磁束は完全に飽和し、電流を幾ら大きくしてもトルクが全く変わらなくなる。このため、従来技術の永久磁石形同期電動機の場合、上記のトルク飽和の現象が原因となり、要求された加減速の回転性能を出しきれないという問題があった。そこで、永久磁石形同期電動機のトルクの線形性を向上するには、誘導子歯３の磁気飽和を抑えるか、電機子１１と誘導子２間における空隙の磁束密度を高める磁極構造を採用するかの何れかの対策が必要である。前者は、トルクの線形性を向上する誘導子歯３の歯幅が検討され、すでに公知技術である。後者は、最近の希土類系高性能永久磁石により可能となるが、飛躍的な向上は見られず、別の改善策が必要な状況にある。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、電機子と誘導子間における空隙の磁束密度を高め、従来に比べて最大トルクを大幅に向上することが可能な磁極構造を有した永久磁石形同期電動機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、電磁鋼板を積層してなる電機子コアのティースに巻装された電機子巻線と前記ティース先端に配置された複数の磁極（１極あたりの角度を磁極ピッチＰｍ）を有する電機子と、前記磁極と空隙を介して対向配置されるとともに磁性体からなる誘導子歯を有する誘導子とを備え、前記電機子と前記誘導子のいずれか一方を固定子に、他方を回転子として相対運動を行う永久磁石形同期電動機において、１極あたりの前記磁極を、交互に磁化方向が異なるように隣接して配置されたｎ個（ｎは２以上の整数）の永久磁石で構成したものである。これにより、誘導子歯の側面と先端部に流れ込む主磁束が増えるため、電機子と誘導子間における空隙の磁束密度を高め、従来技術よりも各電流値におけるトルクおよび最大トルクを向上することができる。また本発明は、前記１極あたりの磁極内に配置されるｎ個の隣り合う永久磁石同志の磁化方向の角度差θを、互いにθ＝１８０°／ｎずつずらしたものであってもよい。これにより、上記と同様に、誘導子歯の側面と先端部に流れ込む主磁束が増えるため、電機子と誘導子間における空隙の磁束密度を高め、従来技術よりも各電流値におけるトルクおよび最大トルクを向上することができる。また本発明は、前記１極あたりの磁極内に前記永久磁石を２個配置したときに、磁極ピッチ方向の角度幅をＷａとする一方の永久磁石の磁化方向を回転子の回転方向と一致させると共に、磁極ピッチ方向の角度幅をＷｂとする他方の永久磁石の磁化方向を回転子の径方向と一致させ、磁極ピッチＰｍと前記他方の永久磁石の角度幅Ｗｂとの関係を、０．３≦Ｗｂ／Ｐｍ＜１．０としたものであってもよい。これにより、上記と同様に、誘導子歯の側面と先端部に流れ込む主磁束が増えるため、電機子と誘導子間における空隙の磁束密度を高め、従来技術よりも各電流値におけるトルクおよび最大トルクを向上することができる。特に、他方の永久磁石の角度幅Ｗｂが磁極ピッチの０．６倍の場合、従来技術に比べ最大トルクを１０％向上することができる。また本発明は、前記１極あたりの磁極内に前記永久磁石を２個配置したときに、一方の永久磁石の磁化方向η１を回転方向に対して０°＜η１＜９０°の角度だけずらすとともに、他方の永久磁石の磁化方向η２を一方の永久磁石の磁化方向η１に対して、η２＝１８０°−η１の角度だけずらし、磁極ピッチ方向の角度幅Ｗｃとした永久磁石Ｃと角度幅Ｗｄとした永久磁石Ｄから成るｎ＝２個の前記磁極において、前記２個の永久磁石の磁極ピッチ方向における角度幅を等しくしたものであってもよい。これにより、上記と同様に電機子と誘導子間における空隙の磁束密度が高めることができ、従来技術よりも最大トルクを向上することができる。さらに、すべて同じ永久磁石によって構成できるため、部品点数を少なくし、磁極組み立てを容易にすることができる。また本発明は、電磁鋼板を積層してなる電機子コアのティースに巻装された電機子巻線と前記ティース先端に配置された複数の磁極（１極あたりの角度を磁極ピッチＰｍ）と有する電機子と、前記磁極と空隙を介して対向配置されるとともに磁性体からなる誘導子歯を有する誘導子とを備え、前記電機子と前記誘導子のいずれか一方を固定子に、他方を回転子として相対運動を行う永久磁石形同期電動機において、前記複数の磁極を、回転方向に向かって磁化方向が円弧状となるように多極着磁された永久磁石で構成したものであってもよい。これにより、上記と同様に従来技術に対し最大トルクを向上させることができる。さらに、複数の磁極を１個の永久磁石で構成しているため、部品点数を大幅に少なくできるとともに磁極の組み立てを容易にし、磁極の機械的強度も増すことができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示す永久磁石形同期電動機であって、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）における磁極の拡大図である。なお、図中矢印の向き（↑↓）は各永久磁石の磁化方向を示している。また、図（ａ）中に示す座標系ｒ−θにおいて、（ｂ）はｒ−θを直角座標系として展開し図示している。以下、本発明の構成要素が従来技術と同じ構成要素については、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図において、１７ａは磁極ピッチ方向の角度幅をＷａとする永久磁石、１７ｂは磁極ピッチ方向の角度幅をＷｂとする永久磁石を示している。
本発明が従来技術と基本的に異なる点は、以下のとおりである。
１極あたりの磁極を交互に磁化方向が異なるようにｎ個（ｎは２以上の整数）の永久磁石を隣接して配置し、隣り合う永久磁石同志の磁化方向の角度差θを、互いにθ＝１８０°／ｎずつずらした点である。
図１に１極あたりの磁極をｎ＝２個の永久磁石１７ａ、１７ｂで構成し、磁化方向の角度差θを、９０°に設定した場合を示している。具体的には、一方の永久磁石１７ａの磁化方向を回転子の回転方向と一致させると共に、他方の永久磁石１７ｂの磁化方向を回転子の径方向と一致させ、磁極ピッチＰｍと永久磁石１７ｂの角度幅Ｗｂとの関係を、０．３≦Ｗｂ／Ｐｍ＜１．０としたものである。
なお、永久磁石形同期電動機の動作については、従来技術と基本的に同じなので省略する。
【０００７】
次に、本発明の実施例によるトルク特性の効果の確認を図２、図３を用いて以下に説明する。
図２は本発明と従来技術の電機子巻線に通電する電流とトルクの関係を示した図である。図３は本発明の実施例による磁極と誘導子歯間における主磁束の流れを示した説明図であって、（ａ）は第１の実施例、（ｂ）は従来技術の場合である。
従来技術における主磁束は、図３（ｂ）に示すごとく誘導子歯３の側面と先端に分かれて流れ込む。誘導子歯３の先端に流れ込む主磁束は、その磁極構図から、回転方向に向いて流れる主磁束の分布が疎になっている。つまり、トルクは小さいことを意味している。
これに対して、第１の実施例では、図３（ａ）に示すごとく磁化方向を回転方向となる永久磁石１７ａにより、誘導子歯３の側面と先端部に流れ込む主磁束の分布が密になっている。つまり、従来技術よりも大きなトルクを得ることを意味している。したがって、本発明の第１の実施例は上記の磁極構造を採用することで、永久磁石１７ａ、１７ｂによる空隙の磁束密度を、図２に示すように、従来技術よりも各電流値におけるトルクおよび最大トルクを大幅に向上することができる。
また、次に、永久磁石の角度幅と最大トルクの関係における効果の確認について説明する。
図４は、磁極ピッチＰｍに対する永久磁石１７ｂの角度幅Ｗｂの比（Ｗｂ／Ｐｍ）と従来技術に対する本発明の最大トルク比の関係をグラフに表したものである。図において、Ｗｂ／Ｐｍ＜０．３では従来技術よりも低下し、０．３≦Ｗａ／Ｗｂ＜１．０の範囲では従来技術よりも大きな最大トルクを得ることがわかる。
特に、Ｗｂ／Ｐｍ＝０．６付近で最大トルクは１０％向上する。
【０００８】
次に第２の実施例について説明する。
図５は、本発明の第２の実施例における磁極の拡大図であって、第１の実施例の図１（ｂ）に相当するものである。なお、図中矢印の向きは、第１の実施例と同様に各永久磁石の磁化方向を示している。また、図５は、図１（ａ）における回転座標系ｒ−θを、直角座標系として展開し図示している。
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、１極あたりの磁極内に２個の永久磁石１７ｃ、１７ｄを配置したときに、一方の永久磁石１７ｃの磁化方向η１を回転方向に対して０°＜η１＜９０°の角度だけずらすとともに、他方の永久磁石１７ｄの磁化方向η２を一方の永久磁石１７ｃの磁化方向η１に対して、η２＝１８０°−η１の角度だけずらし、永久磁石１７ｃ、１７ｄの磁極ピッチ方向における角度幅Ｗｃ、Ｗｄを等しくした点である。
第２の実施例は、第１の実施例と同様に電機子と誘導子間における空隙の磁束密度が高まるため、従来技術よりも最大トルクを向上することができる。
また、第１の実施例で用いた永久磁石が、回転子の回転方向と同じ磁化方向を持つ一方の永久磁石１７ａおよびこの永久磁石１７ａと磁化方向を９０°ずらした他方の永久磁石１７ｂの２種類が必要であったの対して、第２の実施例では回転方向に対して磁化方向が対称な１種類の永久磁石で構成できるので、部品点数を少なくでき、磁極の組立てを容易にすることができる。
なお、永久磁石形同期電動機の動作は従来例と同じであり、トルク向上の理由は第１の実施例と基本的に同じなので説明を省略する。
【０００９】
次に第３の実施例について説明する。
図６は、本発明の第３の実施例における磁極の拡大図であって、第１の実施例の図１（ｂ）に相当するものである。なお、図中矢印の向きは、第１、第２の実施と同様に各永久磁石の磁化方向を示している。また、図６は、第２の実施例同様、図１（ａ）における回転座標系ｒ−θを、直角座標系として展開し図示したものである。
第３の実施例が、第１および第２の実施例と異なる点は、１極あたりの磁極が、互いに磁化方向の異なる４個の永久磁石１７ｅ、１７ｆ、１７ｇ、１７ｈを隣接して配置させた点である。第３の実施例は、第１および第２の実施例と同様に、電機子と誘導子間における空隙の磁束密度が高まるため、従来技術よりも最大トルク向上することができる。
また、第３の実施例は、第１の実施例において直交する磁化方向を有する永久磁石１７ａと１７ｂ間で起き易い逆磁界による不可逆的減磁作用の無い磁極構造となっている。第１の実施例では、隣接する永久磁石１７ａと１７ｂの磁化方向が９０度であるため、永久磁石１７ａが逆磁界起磁力源となり、永久磁石１７ｂに部分的に逆磁界を与えている。そこで、第３の実施例では、永久磁石１７ｅと１７ｇの間に４５°の傾斜方向を磁化方向とする永久磁石１７ｆを挿入している。この結果、隣接する永久磁石の磁化方向は滑らかな変化となる不可逆的減磁作用の無い磁極構造を構成することができる。
【００１０】
次に第４の実施例について説明する。
図７は、本発明の第４の実施例における磁極の拡大図であって、第１の実施例の図１（ｂ）に相当するもである。なお、図中矢印の向きは、第１〜３の実施例と同様に各永久磁石の磁化方向を示している。また、図７は、第２、３の実施例同様、図１（ａ）における回転座標系ｒ−θを、直角座標系として展開し図示したものである。
第４の実施例が、第１〜３の実施例と異なる点は、複数の磁極内に配置される永久磁石は、回転方向に向かって磁化方向が円弧状となるように多極着磁されたものであって、６極着磁した１個の永久磁石１７ｉによって構成した点である。
第４の実施例は、第１〜第３の実施例と同様に従来技術に対し最大トルクを向上させることができる。
また、第４の実施例では複数の磁極を１個の永久磁石で構成しているので、部品点数も少なくできるとともに、磁極の組立てを容易にし、磁極の機械的強度も増す利点を備えている。
【００１１】
なお、回転動作は従来技術および第１〜３の実施例と同じであり、トルク向上の理由については、第１の実施例と基本的に同じなので省略する。
以上の実施例では、誘導子歯を回転子側に、永久磁石を固定子のティース先端に配置する構造としたが、永久磁石を備えた電機子を回転子に、誘導子歯を備えた誘導子を固定子とする構造としても構わない。
また、誘導子歯を誘導子の先端に、永久磁石を電機子のティース先端に配置する構造としたが、誘導子歯を電機子のティース先端に、永久磁石を誘導子の先端に設ける構造としても構わず、本発明の効果を同じく発揮できることは言うまでもない。
【００１２】
【発明の効果】
以上のような構成により、以下の効果を得ることができる。
（１）第１の実施例によれば、１極あたりの磁極内に配置されるｎ個の隣り合う永久磁石同志の磁化方向の角度差θを、互いにθ＝１８０°／ｎずつずらす構成にした。また、１極あたりの磁極内に永久磁石を２個配置したときに、磁極ピッチ方向の角度幅をＷａとする一方の永久磁石の磁化方向を回転子の回転方向と一致させ、磁極ピッチ方向の角度幅をＷｂとする他方の永久磁石の磁化方向を回転子の径方向と一致させ、磁極ピッチＰｍと他方の永久磁石の角度幅Ｗｂとの関係を、０．３≦Ｗｂ／Ｐｍ＜１．０とした。このような構成により、誘導子歯の側面と先端部に流れ込む主磁束を増やし、電機子と誘導子間における空隙の磁束密度を高めることができる。その結果、従来技術よりも各電流値におけるトルクおよび最大トルクを向上することができる。特に、他方の永久磁石の角度幅Ｗｂが磁極ピッチの０．６倍の場合、従来技術に比べ最大トルクを１０％向上することができる。
（２）第２の実施例によれば、１極あたりの磁極内に２個の永久磁石を配置したときに、一方の永久磁石の磁化方向η１を回転方向に対して０°＜η１＜９０°の角度だけずらすとともに、他方の永久磁石の磁化方向η２を一方の永久磁石の磁化方向η１に対して、η２＝１８０°−η１の角度だけずらし、２個の永久磁石の磁極ピッチ方向における幅Ｗｃ、Ｗｄを等しくする構成とした。その結果、第１の実施例と同様に電機子と誘導子間における空隙の磁束密度が高まることから、従来技術よりも最大トルクを向上することができる。さらに、すべて同じ永久磁石によって構成できるため、部品点数を少なくし、磁極の組み立てを容易にすることができる。
（３）第３の実施例によれば、１極あたりの磁極を、互いに磁化方向の異なる４個の永久磁石を用いて隣接して配置する構成とした。その結果、第１および第２の実施例と同様に電機子と誘導子間における空隙の磁束密度が高まるため、従来技術よりも最大トルクを向上することができる。さらに、回転子の回転方向と径方向を磁化方向とする永久磁石間に起こる不可逆的減磁作用を防ぐ効果がある。
（４）第４の実施例によれば、複数の磁極内に配置される永久磁石を、回転方向に向かって磁化方向が円弧状となるように多極着磁する構成とした。その結果、第１〜第３の実施例と同様に従来技術に対し最大トルクを向上させることができる。さらに、複数の磁極を１個の永久磁石で構成しているため、部品点数を大幅に少なくできるとともに磁極の組み立てを容易にし、磁極の機械的強度も増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す永久磁石形同期電動機であって、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）における磁極の拡大図である。
【図２】本発明と従来技術の電機子巻線に通電する電流とトルクの関係を示した図である。
【図３】本発明の実施例による磁極と誘導子歯間における主磁束の流れを示した図であって、（ａ）は本実施例、（ｂ）は従来技術の場合である。
【図４】本発明の第１実施例における、磁極ピッチＰｍに対する永久磁石１７ｂのＷｂの比（Ｗｂ／Ｐｍ）と従来技術に対する本発明の最大トルク比との関係をグラフに表したものである。
【図５】本発明の第２の実施例における磁極の拡大図であって、第１の実施例の図１（ｂ）に相当するものである。
【図６】本発明の第３の実施例における磁極の拡大図であって、第１の実施例の図１（ｂ）に相当するものである。
【図７】本発明の第４の実施例における磁極の拡大図であって、第１の実施例の図１（ｂ）に相当するものである。
【図８】従来技術の永久磁石形同期電動機であって、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）における磁極の拡大図である。
【符号の説明】
１回転子
２誘導子
３誘導子歯
１０固定子
１１電機子
１２電機子コア
１３ティース
１４継鉄
１５電機子巻線
１６磁極
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆ、１７ｇ、１７ｈ、１７ｉ永久磁石

Claims

電磁鋼板を積層してなる電機子コアのティースに巻装された電機子巻線と前記ティース先端に配置された複数の磁極（１極あたりの角度を磁極ピッチＰｍ）を有する電機子と、前記磁極と空隙を介して対向配置されるとともに磁性体からなる誘導子歯を有する誘導子とを備え、前記電機子と前記誘導子のいずれか一方を固定子に、他方を回転子として相対運動を行う永久磁石形同期電動機において、
前記複数の磁極を、前記誘導子側の極性が交互に異なるように前記回転子の回転方向に隣接させて並べ、
１極あたりの前記磁極を、前記回転方向に隣接させて並べた２個の永久磁石で構成し、
前記２個の永久磁石のうち、一方の永久磁石の磁化方向η１を前記回転方向に対して０°＜η１＜９０°の角度だけずらすとともに、他方の永久磁石の磁化方向η２を前記一方の永久磁石の磁化方向η１に対して、η２＝１８０°−η１の角度だけずらし、
前記２個の永久磁石の形状を、同一形状とし、
前記回転子の回転軸方向と垂直な断面において、
前記２個の永久磁石の断面形状それぞれを、前記ティース先端に沿うように曲げた形状としたことを特徴とする永久磁石形同期電動機。