JP4836555B2 - 永久磁石型モータ - Google Patents

Description

本発明は永久磁石を回転子に取り付けた永久磁石型モータに関し、特にそのコギングトルクを低減して騒音と振動を少なくする技術に関する。

図１１は、界磁用永久磁石を回転子に取り付けた永久磁石型モータ５０の一般的な構成の断面図で示したものである。このモータ５０は固定子５１と回転子５２とを備えて構成される。固定子５１は円筒状の固定子鉄心５３と固定子巻線５４から構成される。固定子鉄心５３の周辺ヨーク部５５からは内側に向けて複数の磁極歯５６が形成され、隣り合う磁極歯５６間は固定子巻線５４を巻装するためのスロット５７を構成している。隣り合う磁極歯５６の先端張出部間には隙間５８が形成されており、スロット５７はその隙間５８により回転子５２側に開口した開スロットとなっている。このような形状の固定子鉄心５３は、例えば磁性鋼板を図の断面のような形状に打ち抜いた固定子鉄心片を複数枚積層して製作される。

回転子５２は円筒状の回転子鉄心６０に複数の永久磁石６１を取り付けたもので、固定子５１の内側に回転可能に支持されている。図の回転子５２は、回転子鉄心６０の表面に永久磁石６１に張り付けた表面磁石構造となっている。複数の永久磁石６１はＮ極とＳ極とが交互に配置されている。固定子巻線５４に通電して回転磁界が形成されると回転子５２は回転軸心回りに回転する。

こうした永久磁石型モータ５０では、無通電状態で外部から回転トルクを与えて回転子５２を定速回転させようとした場合、必要トルクに回転ムラが生ずる。このトルクの回転ムラは回転子５２と固定子５１間に働く静的な磁気吸引力が回転位置により異なることによるもので、コギングトルクと呼ばれる。このコギングトルクの大きさは、永久磁石６１の作る磁束の磁路の全磁気エネルギーを回転角度で微分した値と考えられる。図１１に示したモータ５０のように固定子鉄心５３のスロット５７に開口部（隙間５８）が存在すると、回転子５２の回転に伴って磁路の磁気抵抗が変化して磁路の全磁気エネルギーも変化する。その結果としてコギングトルクが発生する。

このコギングトルクは、その値が大きいと振動や騒音を発生するばかりでなくモータ効率も低下させることもある。こうしたことから、永久磁石型モータではコギングトルクを低減させることが大きな課題となっている。

コギングトルクの低減を図る従来技術としては、例えば図１２に示すように回転子５２に取り付ける永久磁石６１を軸方向に複数段に分割し、分割した永久磁石６１を軸心方向に進むにつれ周方向に段単位で徐々に変化させて取り付ける、いわゆる段スキューを形成する提案がある（特許文献１参照）。これは各段で発生するコギングトルクが相互に打ち消し合うようにしようとするものである。しかし、段スキューを形成すると軸方向に互いに極性の異なる永久磁石が近接する部分が生じ、それら近接する部分で図中の矢印６２で示すような漏れ磁束が発生する。このような漏れ磁束が発生すると有効な回転トルクが減少することに加え、永久磁石６１の作る磁束分布が正弦波から外れてコギングトルクを打ち消す効果も小さくなるという問題が生ずる。

この段スキューを形成した場合における上記漏れ磁束を減少させるために、図１３に示すように隣り合う段間に隙間６３を設けたり（特許文献２参照）、その隙間６３に非磁性材料を介在させたりする提案（特許文献３参照）がある。

更には、段スキューにおける隣り合う段の境界に対向する固定子鉄心部分に非磁性材料からなる磁気絶縁層を設ける提案（特許文献４参照）もある。しかし、固定子鉄心は一般にプレス加工で「自動かしめ」しながら一つの製造ラインで製造される。磁性材料と非磁性材料の２種類の材料を積層するには別々の製造ラインが必要となり、かしめ工程も別に必要となる。このため非磁性材料を固定子鉄心の一部に使用することは製造工数の増大を招く他、部品調達の増加、材料の混在などの問題を生じさせる。
実開昭６１−１７８７６号公報 特開平８−２５１８４７号公報 特開２０００−３０８２８７号公報 特開２００３−２８４２７６号公報

本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、製造工数の増大を招くことなくコギングトルクを効果的に低減し、振動、騒音を少なくした永久磁石形モータを提供することにある。

前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、複数の磁極歯と固定子巻線用スロットを設けた固定子鉄心を有する固定子と、複数の永久磁石が固定され固定子の内側に回転自在に支持された回転子とを備え、固定子巻線用スロットが回転子側に開口している永久磁石型モータにおいて、複数の永久磁石は回転軸心方向に複数に分割し、分割した各永久磁石は周方向位置を相互にずらして配置し、分割した永久磁石の境界に対向する固定子鉄心の部位にはスロットを全て閉スロットとした固定子鉄心片を配置したことを特徴とする永久磁石型モータである。
請求項２に記載の発明は、複数の磁極歯と固定子巻線用スロットを設けた固定子鉄心を有する固定子と、複数の永久磁石が固定され固定子の内側に回転自在に支持された回転子とを備える永久磁石型モータにおいて、複数の永久磁石は回転軸心方向に複数に分割し、分割した各永久磁石は周方向位置を相互にずらして配置し、固定子鉄心は、開スロットを有する固定子鉄心片を積層して構成するとともに、分割した永久磁石の境界に対向する当該固定子鉄心の部位にはスロットを全て閉スロットとした固定子鉄心片を配置したことを特徴とする永久磁石型モータである。

このように回転子に取り付ける永久磁石を軸方向に複数に分割して周方向にずらした配置、いわゆる段スキューを形成した配置とすれば、分割した各部で発生するコギングトルクが互いに打ち消し合って合成コギングトルクが減少する効果を奏する。更に、本構成では分割した永久磁石の境界（段スキューの境界）に対向する固定子鉄心位置に閉スロットを形成した固定子鉄心片を配置している。このため段スキュー形成により生じた異極磁石が軸方向に隣り合う部分において新たに発生する漏洩磁束による磁路の磁気エネルギーが、回転子の回転によって変化することが防止される。その結果として段スキュー形成に起因する新たなコギングトルクの発生が防止される効果を奏する。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の永久磁石型モータにおいて、閉スロットとする固定子鉄心部分は、隣接する磁極歯の先端張出部の周方向端面を相互に密着させて構成したことを特徴とする永久磁石型モータである。

このような構成とすれば磁極歯に固定子巻線を巻いた後にスロットを閉スロットにすることができ、固定子巻線の巻装作業が容易となる効果を奏する。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の永久磁石型モータにおいて、永久磁石の境界に対向する固定子鉄心の部位には、隣接する磁極歯の先端張出部の周方向端面を相互に密着させて閉スロットとした２枚の固定子鉄心片を、その密着位置を周方向にずらして重ねて配置したことを特徴とする永久磁石型モータである。

このような構成とすれば、段スキュー形成により生じた異極磁石が軸方向に隣り合う部分において新たに発生する漏洩磁束による磁路の磁気エネルギー変化を一層確実に防止することができる。従って、段スキュー形成に起因する新たなコギングトルクの発生を一層効果的に防止することができる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の永久磁石型モータにおいて、前記閉スロットは、各磁極歯の先端張出部の周方向端の一方にＶ字状の凸溝（３２）を、他方に該凸溝に嵌合する逆Ｖ字状の凸突起（３３）を形成し、それら凸溝と凸突起とを嵌合させて構成したことを特徴とする永久磁石型モータである。

このような嵌め合い構成とすれば、閉スロットを形成した固定子鉄心片の内周面を正確に円筒面状に揃えることが可能となる効果を奏する。

以下、本発明に係る永久磁石型モータの一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態の永久磁石型モータ１は、固定子を構成する固定子鉄心の構成と回転子に取り付ける永久磁石の配置に特徴がある。図１は、その固定子２及び回転子３の構成とその配置関係を斜視図で示したもので、固定子２はモータ１の回転軸心を含む面で２分割した片側部分を示している。モータとして必要な回転軸、その支持機構、固定子巻線、モータケースは省略してある。

回転子３は、円筒状を成す回転子鉄心４の外表面に永久磁石５を張り付けた表面磁石構造であり、中心孔６に取り付けた図示しない回転軸によりその軸心回りに回転自在に支持されている。永久磁石５は軸方向に２分割して２段配置してある。永久磁石５は断面略円弧状に形成されており、周方向にＮ極とＳ極とが所定の周方向間隙７を隔てて交互に配置してある。そして２分割した各永久磁石５は分割部（段と段の境界９）で周方向位置を相互にずらして配置してあり、いわゆる段スキューが形成してある。

図２は、図１に示した回転子３と固定子２の上面図である。固定子２としては固定子鉄心１０のみを示している。固定子鉄心１０は、外側の円筒状ヨーク１１とその内側から中心に向けて放射状に突出した複数の磁極歯１２により構成されている。ヨーク１１及び磁極歯１２は、珪素鋼板などの磁性鋼板をそれぞれ図２に示したような形状に打ち抜いたものを必要枚数積層し軸方向にかしめて製作したものである。磁極歯１２は、あり溝構造によりヨーク１１の内側に固定されている。

磁極歯１２の先端部には周方向両側に張り出した張出部１４が設けられている。隣り合う磁極歯１２の胴部１５と張出部１４、それらとヨーク１１に囲まれて部分は固定子巻線を通すためのスロット１６を構成している。隣り合う磁極歯１２の先端張出部１４間には間隙１７が形成されており、スロット１６はその間隙１７により回転子３側に開口している。即ち、この場合のスロット１６は開スロットとなっている。

本実施形態の固定子鉄心１０は、図１に示すように軸方向中央の１枚を除き開スロットを有する固定子鉄心片（固定子鉄心の１層分）２０を必要枚数積層して構成してある。中央の１枚の固定子鉄心片２０ａだけは、図３に示すように磁極歯１２の先端張出部１４間の間隙を無くしてスロット１６が閉スロットとなるように構成してある。このような閉スロットは磁極歯１２の先端張出部１４の張り出し長さを長く形成し、周方向端面を相互に密着させることで形成してある。

回転子３は、２段の段スキューを形成した永久磁石５の境界９が上記閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａの板厚の中央に位置するように軸方向位置を調整して取り付けてある。また、回転子３と固定子２と間にはエアギャップ２２が確保されている。

コギングトルクは、「背景技術」でも述べたように回転子位置による固定子２と回転子３の静的な磁気吸引力の差によるものである。その大きさは、永久磁石５の作る磁束の磁路が有する全磁気エネルギーの回転子回転角に対する変化（回転角度による微分値）と考えられる。そして全磁気エネルギーの変化は、回転子３の回転により磁路の磁気抵抗が変化することにより生ずる。

図２に示したような開スロットを有する固定子鉄心１０の内側で回転子３を回転させた場合には、開スロットの間隙１７が周方向に点在するため回転子３の回転角度により磁気抵抗が変化して磁路の全磁気エネルギーが変化する。開スロットの間隙１７は等間隔で存在し、回転子３の永久磁石５も等間隔で取り付けてある。従って、コギングトルクは回転子３が１回転する間に回転子３の極数と固定子２のスロット数との最小公倍数の回数だけ繰り返し発生する。コギングトルクの１周期は３６０°をその最小公倍数で割った機械角度を回転子３が回転する時間に等しく、図２に示したような８極１２スロット構成の場合には回転子３が機械角で１５°回転する時間がコギングトルクの１周期となる。

このコギングトルクの大きさは、１周期の期間中にほぼ正弦波に近い波形で変化する。図４の曲線（１）は、図１の永久磁石型モータ１において回転子３の上半分部分（上段部分）で発生するコギングトルクの波形例である。コギングトルクがこのような波形で変化することから、その波形を１／２周期分だけずらして足し合わせれば２つのコギングトルクが互いに打ち消しあって合成コギングトルクを小さくできることが予想できる。

図４の曲線（２）は、図１の永久磁石型モータ１における回転子３の下半分部分（下段部分）の永久磁石５を上段部分に対して７．５°（８極１２スロット構成におけるコギングトルクの１周期波形に対応する回転子３の回転角１５°の１／２に相当）だけ周方向にずらして取り付けた場合における回転子３の下段部分で発生するコギングトルクの大きさである。上段部分の曲線（１）と下段部分の曲線（２）の２つを合成した合成コギングトルクは、理想的には図４の曲線（３）に示すように波形が互いに打ち消しあって非常に小さな値となる。僅かに残る合成コギングトルクは、波形の歪によるものである。

ところで、上記のように段スキューを形成することよりコギングトルクを互いに打ち消しあわせることができるのは、永久磁石５の作る磁束成分の内、回転軸に垂直な面上の成分による磁気エネルギーの変化分のみである。軸方向成分による磁気エネルギーの変化分は打ち消し合うことがない。

永久磁石５を２分割して周方向にずらした段スキューを形成した場合には、図１に示すように軸方向に異極磁石が軸方向に隣り合う部分２４が極数個だけ形成される。その部分では図中の矢印に示すようなトルク発生に寄与しない漏洩磁束が生ずる。図５は、異極磁石が軸方向に隣り合う部分２４を拡大し、漏洩磁束の通る磁路を模式的に示したものである（異極磁石が軸方向に隣り合う部分２４に向き合う部分の固定子鉄心１０は縦断面図で示す。）。漏洩磁束の磁路としては、図に示すように異極磁石間を直接繋ぐ磁路２６の他、回転子３と固定子２との間のエアギャップ２２通る磁路２７と、エアギャップ２２を通って固定子鉄心１０に入り再度エアギャップ２２を通って異極磁石に入る磁路２８とがある。

このうち固定子鉄心１０をも通る漏洩磁束の磁路２８は、異極磁石が軸方向に隣り合う部分２４に対向する部分に固定子鉄心１０の磁極歯１２の先端部３０が存在する場合に形成される磁路である。固定子鉄心１０が開スロットに形成されている場合、異極磁石の隣り合う部分２４がその開スロットに対向する位置にきたときは開スロットに相当する部分だけ磁極歯１２の先端部（先端張出部１４を含む。）３０が存在しないことになる。そのため、その位置では固定子鉄心１０をも通る漏洩磁束の磁路（図５の磁路２８）は形成されず、図６に示すようにエアギャップ２２を通る磁路２７と異極磁石間を直接繋ぐ磁路２６のみが形成される。

このように段スキューの境界９に対向する位置に開スロットの形成された固定子鉄心片２０が配置されていると、回転子３の回転により磁路が変化して異極磁石の隣り合う部分２４に隣接するエアギャップ２２が有する軸方向磁束成分による磁気エネルギーが変化する。この変化はコギングトルクを生じさせる。即ち、段スキューを形成するとコギングトルクを発生させる新たな要因がその境界９付近に生ずる。

この新たな要因によるコギングトルクの発生を防止するには、異極磁石が軸方向に隣り合う部分２４に対向する位置にあるエアギャップ２２及び固定子鉄心１０の状態が回転位置に関わらず常に同じになるようにすればよい。そうすれば回転子３が回転しても磁気エネルギーは変化しないためコギングトルクは発生しなくなる。

こうしたことから本実施形態の永久磁石型モータ１では、図１の全体図及び図７の境界部拡大図に示すように段スキューの境界９に対向する位置の固定子鉄心１０部分に閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａを配置している。異極磁石の隣り合う部分２４に生ずる漏洩磁束は隣り合う部分２４の近傍のみを通るので、閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａは１枚のみでよい。回転子３の軸方向位置は、段スキューの境界９が閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａの厚みの中心に位置するように調整しておく。

固定子鉄心１０の中に入る漏洩磁束は固定子鉄心１０の表層部分を通るので、このようにすることで漏洩磁束の磁路は図７に示すようになる。この磁路の形状は図５に示した磁路と殆ど同一であり、しかも回転子３が回転しても変化しない。従って、異極磁石の隣り合う部分２４で新たに生じた漏洩磁束による新たなコギングトルクの発生を防止することができる。

図８は、コギングトルクを減少させる対策を施した場合と施さない場合とのコギングトルクの大きさを測定値で比較したものである。（１）の曲線は対策を施してない場合の測定値、（２）の曲線は前述したように段スキューを形成する対策と段スキューの境界９に対向する位置に閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａを配置する対策の双方を施した本実施形態の永久磁石型モータ１のコギングトルクである。対策を施した本実施形態の永久磁石型モータ１は、コギングトルクが大幅に減少することを示している。

このような本実施形態の永久磁石型モータ１は固定子鉄心１０を全て磁性材料のみで製作しており、特許文献４に記載があるような非磁性材料は使用していない。従って、固定子鉄心１０は同一の製造ラインで製作することが可能であり、材料が一種類であることから部品調達の増加がなく材料の混在も生じないという効果も奏する。

なお、上記実施形態では８極１２スロットで回転子鉄心の表面に永久磁石を取り付けた永久磁石型モータを例に挙げて説明したが、極数、スロット数が異なるモータについても上記考えは同様に適用でき、同様の効果を奏する。更には、永久磁石を固定子鉄心の内部に埋め込んだ磁石埋め込み型モータ、固定子の外側で永久磁石を取り付けた円筒状回転子が回転する外転型（アウターロータ型）モータ、固定子側に永久磁石を配置し巻線を施した回転子鉄心が回転する整流子モータについても同様に適用でき同様の効果を奏する。

（変形実施形態）
前記の永久磁石型モータ１は、次のように変形して実施してもよい。
（１）上記実施形態では回転子に取り付けた永久磁石を回転軸心方向に２分割して２段の段スキューを設けた構成について説明したが段数は更に増やしてもよい。この場合における各段間の永久磁石の周方向ずらし角度は、各段で発生するコギングトルクの１周期に相当する回転角（機械角）を段数で割った角度とする。このようにすることで各段で発生するコギングトルクを合成した合成コギングトルクをより効果的に打ち消し合わせることができる。

（２）前記実施形態における閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａの平面形状は図３に示したものであり、閉スロットを形成している各磁極歯１２の先端張出部１４の周方向端面は平面に形成されて隣の端面と密着させていた。この密着端面の形状は、図９の平面図に示すように一方には軸方向にＶ字状の凸溝３２、他方にはそれに嵌合する軸方向に逆Ｖ字状の凸突起３３を設け、嵌合により互いの面を密着させるように構成してもよい。このような嵌め合い構成とすれば、閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａの内周面を正確に円筒面状に揃えることが可能となる利点がある。

（３）前記の永久磁石型モータ１では段スキューの境界９に対向する位置の固定子鉄心１０に閉スロットを形成した１枚の固定子鉄心片２０ａを配置した。これに代えて閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａを２枚使用し、隣り合う磁極歯１２の先端張出部１４の周方向端面が相互に密着する位置３５が一致しないようにずらして重ねたものを配置するようにしてもよい。そのような構成として固定子鉄心１０の構成例を図１２に２分割した断面部分の斜視図で示す。図中の閉スロットを形成した２枚の固定子鉄心片２０ａは、図３に示した固定子鉄心片２０ａにおける磁極歯１２の先端張出部１４の張り出し長さを長短２種類としてそれらを一つ置きに配置したものを、磁極歯の一極分だけ周方向にずらして重ねたものである。
このような構成とすれば、異極磁石の隣り合う部分２４での漏洩磁束によるコギングトルクの発生を一層確実に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る永久磁石型モータ１の構成図である。 図１に示す永久磁石型モータ１の回転子３と固定子２の上面図である。 閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａの平面図である。 段スキューの形成によるコギングトルクの減少を説明する図である。 異極磁石の隣り合う部分２４に対向する位置に固定子鉄心１０がある場合における漏洩磁束の磁路を説明する図である。 異極磁石の隣り合う部分２４に対向する位置に開スロットがある場合における漏洩磁束の磁路を説明する図である。 異極磁石の隣り合う部分２４に対向する位置に閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａを配置した場合の漏洩磁束の磁路を説明する図である。 コギングトルクを減少させる対策を採った永久磁石型モータ１のコギングトルク減少効果を説明する図である。 閉スロットを形成した固定子鉄心片２０ａの他の実施形態である。 固定子鉄心片２０ａを２枚使用した固定子鉄心１０の構成例である。 従来技術に係る永久磁石型モータの一構成の断面図である。 段スキューを形成した従来技術に係る回転子の構成例である。 段スキューを形成した従来技術に係る回転子の他の構成例である。

符号の説明

図面中、１は永久磁石型モータ、２は固定子、３は回転子、４は回転子鉄心、５は永久磁石、９は永久磁石の境界（段スキューの境界）、１０は固定子鉄心、１２は磁極歯、１４は張出部、１６はスロット、２０は開スロットを形成した固定子鉄心片、２０ａは閉スロットを形成した固定子鉄心片、３２はＶ字状の凸溝、３３は逆Ｖ字状の凸突起を示す。

Claims (5)

1. 複数の磁極歯（１２）と固定子巻線用スロット（１６）を設けた固定子鉄心（１０）を有する固定子（２）と、複数の永久磁石（５）が固定され前記固定子の内側に回転自在に支持された回転子（３）とを備え、前記固定子巻線用スロットが前記回転子側に開口している永久磁石型モータにおいて、
   前記複数の永久磁石は回転軸心方向に複数に分割し、分割した各永久磁石は周方向位置を相互にずらして配置し、
   前記分割した永久磁石の境界（９）に対向する前記固定子鉄心の部位にはスロットを全て閉スロットとした固定子鉄心片（２０ａ）を配置したことを特徴とする永久磁石型モータ。
2. 複数の磁極歯（１２）と固定子巻線用スロット（１６）を設けた固定子鉄心（１０）を有する固定子（２）と、複数の永久磁石（５）が固定され前記固定子の内側に回転自在に支持された回転子（３）とを備える永久磁石型モータにおいて、
   前記複数の永久磁石は回転軸心方向に複数に分割し、分割した各永久磁石は周方向位置を相互にずらして配置し、
   前記固定子鉄心は、開スロットを有する固定子鉄心片（２０）を積層して構成するとともに、前記分割した永久磁石の境界（９）に対向する当該固定子鉄心の部位にはスロットを全て閉スロットとした固定子鉄心片（２０ａ）を配置したことを特徴とする永久磁石型モータ。
3. 請求項１または２に記載の永久磁石型モータにおいて、前記閉スロットは隣接する磁極歯の先端張出部（１４）の周方向端面を相互に密着させて構成したことを特徴とする永久磁石型モータ。
4. 請求項１または２に記載の永久磁石型モータにおいて、前記永久磁石の境界に対向する前記固定子鉄心の部位には、隣接する磁極歯の先端張出部の周方向端面を相互に密着させて閉スロットとした２枚の固定子鉄心片を、その密着位置を周方向にずらして重ねて配置したことを特徴とする永久磁石型モータ。
5. 請求項３又は４に記載の永久磁石型モータにおいて、前記閉スロットは、前記各磁極歯の先端張出部の周方向端の一方にＶ字状の凸溝（３２）を、他方に該凸溝に嵌合する逆Ｖ字状の凸突起（３３）を形成し、それら凸溝と凸突起とを嵌合させて構成したことを特徴とする永久磁石型モータ。

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