JP4999369B2 - 多相クローポール型モータ，多相クローポール型モータのコギングトルク調整システム，発電機システム、又は、モータシステム - Google Patents

Description

本発明は、産業用，家電，自動車分野で使用される多相クローポール型モータのモータ構造に関するものである。

モータは、産業用，家電，自動車分野の電気エネルギーを機械出力に変換する駆動用機器として使用される。クローポール型のモータは、安価な構造と駆動回路の簡単さなどから、ＯＡ用機器，自動車機器などに使用されており、通常は特開平７−２２７０７５号公報記載のように２相ステッピングモータとして構成されている。モータ形式には、単相，２相，３相があり、用途によって使い分けがなされている。その中でも３相モータは制御性が良く、少ないトランジスタ数で駆動できる利点がある。

通常、この種のクローポール型のモータは、特開平７−２２７０７５号公報に示されるようにステータコアの材料はＳＰＣＣ等の圧延鋼板であり、折り曲げによって爪磁極部分を構成し、そのコアで円筒状に巻線されたコイルを挟み込む構造となっている。

しかし、この構造は、磁気特性に劣るＳＰＣＣを用いるため、コア内に発生する鉄損が大きくなるという課題がある。また、ＳＰＣＣを折り曲げするために、コアの折り曲げられた部分に残留応力が発生し、歪によって磁気特性の更なる劣化を招いてしまう。その折り曲げ部は特に磁束が集中する部分である為に、鉄損が大きく発生し、効率の悪いモータとなっている。また、折り曲げで塑性加工した内径側の磁極コアは、片持ち梁構造となって真円度は非常に悪い。このため、真円度の影響でコギングトルクが大きいといった課題を有しており、現状では、効率，トルク脈動，振動，騒音などを要求されない用途に採用されている。

特開平７−２２７０７５号公報

解決しようとする課題は、圧粉磁心を用いて磁極爪を構成した多相クローポール型モータにおいて、コギングトルクを低減するモータ構造及びその低減方法を確立することにある。クローポール型モータは、固定子が相毎に独立する構造となるため、その独立した相の位置関係は組立誤差などによって変化する。その位置関係は、３相モータであれば、電気角で１２０°ごとにずれる構造となっていることが必須であるが、前述した組立時の誤差などによって、微小に変化し、誤差によるコギングトルクが発生する。この誤差によるコギングトルクは、もともとの設計で決定するコギングトルクに比べ、周期が大きく、絶対値も数倍から数十倍と大きいことが特徴である。コギングトルクは、モータ回転時のトルクリップルや、回転の滑らかさに寄与するものであり、振動，騒音の原因となるものである。従って、コギングトルクは、精密機械や、家電，自動車などモータが適用される全ての領域において重要視される特性でありその低減が望まれている。

本発明は、組立誤差によるコギングトルクを低減するために、組立後にその誤差によるコギングトルクを計測しながら組立状態を変化させて調整することで、誤差によるコギングトルクを最少となるようにする。特に、最も誤差要因の大きい相間の位置関係を調整できるモータ構造として、その位置関係を組立後に変化し得るモータ構造とする。具体的には相の隣り合う面に、同軸を保ち、軸周りにスライド可能な面を設ける。多相モータとして組立後にその相を独立に軸周りに回転させることを可能とする。多相モータのコギングトルクを測定しながら、１相の位置を基準として１相、または複数相を回転させ、コギングトルクが最少となる位置関係を探索し、最少となった位置関係でその位置を固定する。

本発明の多相クローポール型モータは、トルク脈動が小さく、滑らかに回転することができる。

多相クローポール型モータを組立後に位置調整する機構を設けること、その位置調整は、コギングトルクを測定しながら変更できること。変更後の位置関係は固定手段によって固定できることなどの構造的な特徴を有する多相クローポール型モータとする。

図１には極数が１６極の３相クローポール型モータの構造を斜視図と断面図によって示す。（ａ）図にはモータの断面構造を示す。この実施例の回転子はリング磁石構造であり、円筒状の磁石に１６極の着磁を施した磁石が軸１に接着などの方法で固定されている回転子構造となっている。その回転子は、軸方向両端をハウジング７に保持されるベアリング８Ａ，８Ｂで回転可能に保持される構造となっている。固定子は、ハウジングに保持され内径側の面が、回転子の外径側の面と空隙を介して対抗する。このモータの固定子は、１相分が独立して存在する構造であり、軸方向にＡ相，Ｂ相，Ｃ相と配置されて３相モータを構成する。

（ｂ）図には固定子側の構造を斜視図で示す。軸方向に配置される固定子コアは、それぞれが電気角で１２０°毎、その回転方向位置が異なるよう配置される。本実施例の１６極モータでは、電気角１２０°は、機械的な角度で１５°であり、Ａ，Ｂ，Ｃがそれぞれ１５°ずつずれる形となる。（ｃ）〜（ｅ）図にＡからＣの断面を示す。磁石の極の周方向位置を図示するような位置とすると、ＡからＣの各断面での回転子磁石の極の位置は同じとなる。Ａ断面では爪磁極中心と磁石の極の中心が一致する。Ｂ断面は爪磁極の位置が１５°ずれた位置となり、Ｃ断面では、爪磁極の位置がＡに比べて３０°ずれた位置となるような位置関係で構成される。

このクローポール型モータの一相分のコギングトルクは、回転子の起磁力の大きさと、爪磁極の形状によって決まるものであり、設計時に或る程度は把握することができる。

図２には、ＦＥＭ（電磁場解析）を用いてクローポール型モータのコギングトルクを計算した例を示す。爪磁極の形状と、一相分のコア形状を示す。（ａ）図には、２４極のクローポール型モータの電気角一周期分（機械角度３０°）のＦＥＭメッシュモデルを示す。このメッシュモデルを用いて、磁石，爪磁極の磁気特性を入力条件としてモータのコギングトルクを計算した結果を（ｂ）図に示す。回転子磁石を０°から３０°回転させると、磁石極と爪磁極の関係によって空隙磁束密度が変化し、正弦波状の２周期のトルクが発生することがわかる。この１相に発生するコギングトルクは、どの相においても同様のコギングトルクが発生するが、図１で示したように、磁石極の位置は軸方向同一であるが、固定子の爪磁極位置は、電気角で１２０°ずつずれた位置となるので、Ｂ相，Ｃ相に発生するコギングトルクは、図２（ｂ）のコギングトルクの周期が、電気角で１２０°ずつずれたコギングトルクが発生することになる。各相のコギングトルクを示した図を図２(ｃ)に示す。コギングトルクの波形（振幅，周期）は同じで、位相のみ、１２０°ずつずれた波形となる。３相モータとして見た場合のコギングトルクは、３相分の合成である。(ｄ)図にその合成トルク波形を示す。３相分を合成することで、モータとしてのコギングトルクは、一相分コギングトルクの振幅の１／３０と非常に小さくすることができることがわかる。

このモータを製造するにあたり、組立時の誤差が発生する。すなわち許容寸法公差内で位置関係にズレが生じる課題である。図２に示した２４極のモータの場合には、電気角一周期分が機械角度で３０°であり、組立の許容公差を±０.５° 程度に設計したとすると、電気角でのズレ量は、±６°となる。図３には、組立誤差によって一相が機械角度で
０.５° ずれた場合の例を示す。（ａ）図に示すように、Ａ，Ｂ相は、機械的な角度で
１０°ずれた状態で組立てられたものとし、Ｃ相が、Ｂ相に対して本来は１０°ずれるべきところを９.５° として組立てられたものとする。このとき、各相のコギングトルクは、図（ｂ）に示すように、Ａ相とＢ相のトルクは、電気角で１２０°ずれた関係で、Ｂ相とＣ相が１１４°ずれた関係となる。この３相分のコギングトルクを合成した結果を図３（ｃ）図に示す。結果、コギングトルクの振幅は、設計値に対して１０倍以上と大きくなる。周期も電気角一周期に対して２次と、もともとの３相モータのコギングトルクである６次よりも大きくなり、回転時に低周波の振動，騒音の原因となる。

この組立誤差によるコギングトルクを低減する為には、組立の精度を向上することが必須となるが、各部品の精度や、材料特性のばらつき，組立誤差の積算などを考慮するとその誤差を毎回ゼロにすることは非常に困難であることが容易に推測できる。

そこで、本発明では、この誤差によるコギングトルクの低減方法として、モータの組立後にコギングトルクを最少にするように調整できるモータ構造を提案する。前述したように、この多相のクローポール型モータは相の回転方向の位置ズレによって大きくコギングトルクが変化する。従って、組立後にこの回転方向の位置を調整することによりコギングトルクを低減しようとするものである。

図４にはコギングトルクの調整システムの概要を示す。組立られたクローポール型モータのコギングトルクを調整可能なシステムの一例を示している。まず、クローポール型モータは、外部から回転位置を調整可能なように、固定子の外周部にはハウジングなどのカバーを設けない構造とする。相毎の固定子コアユニットの組立は、インロー部などにより、同心度が確保されるように組立できる構造を有する。さらに、相が隣接する面は摺動しやすい材料によってメッキ、または、有機材料によるモールド化される構造を有し、外部からの力によって回転可能とする。このような構造のモータを測定、調整用装置の取付けプレートに取付け、カップリングを介してトルク計測器と接続する。トルク測定器の反対側には、コギングトルクを全く発生しない構造のモータ(例えばＤＣコアレスモータなど)をカップリングを介して接続する。本実施例では、コギングトルクを測定する目的のため、非常に低速度（数rpm 程度）で測定したいため、このモータにＤＣコアレスモータの減速機付モータを選定した。コギングトルクを測定する為に、ＤＣコアレスモータで低速度に供試のクローポール型モータを回転させる。ＤＣコアレスモータとトルク計測器にはトルク変動は無いため、クローポール型モータのトルク変動、すなわちコギングトルクが測定できる。測定したコギングトルクは、システムの制御装置に入力され、評価する。システム制御装置は、Ａ相の固定子ユニットを固定した状態で、Ｂ相の固定子を回転させる駆動機構を制御し、Ｂ相固定子の回転位置を変化させ、コギングトルクの振幅が小さくなる点を探索する。Ｂ相の位置が決定された状態で、Ｃ相の回転位置駆動機構を動作させ、更にコギングトルクが小さくなる点を探索する。コギングトルクが最少となった点で固定子コアの位置関係を完全に固定するために、接着、または溶接などの固定手段を用いてコアの回転方向の固定を行う。このモータ構造、及び、調整システムによって、コギングトルクの絶対値が小さく、その個体間ばらつきが少ないクローポール型モータを製造することができる。

図５には最適解（コギングトルク最少点）の探索方法の一例を示す。前述した方法は
（ａ）に示す方法である。この方法は、初期値１の地点から探索開始してＡ相固定で、まずＢ相変更による最適点２に到達する。その後Ｃ相の調整でコギング最少点３に到達する方法であるが、図示するように、本当の最適点が、等高線の中心からずれている場合においては、最適点に到達しない場合が発生する。そこで、探索の方法としては、（ｂ）図に示すように、或る程度のマトリクスのポイントを測定して最適点近いポイントを探す方法も考えられる。マトリクスの網の目を細かくすればするほど、精度良く最適点を見つけることができる。測定ポイントを増やすと調整に時間がかかることを考えると（ｂ）の方法で、或る程度近いポイントまで近づき、（ａ）の方法で最適点に到達するなどの組合せ方法も有効である。

次に前述した調整が可能なクローポール型モータの構造について詳細に説明する。図６には、調整可能とするためのモータ構造をそれぞれ示す。（ａ）図には３相クローポール型モータの断面図を示す。図１で示したクローポール型モータと同様の構造であるが、調整が可能な機能を有している。クローポール型モータの一相分の固定子コアブロックの軸方向両端面は、モータ組立後に回転調整を可能とするために、軸中心をずらすことなく回転可能な機能を実現するための凹凸などのインロー部を有する構造とする。（ｂ）図にはその具体的構造例を示す。円筒状となる一相分の固定子コアブロックの軸方向の片端面には凸となるような突起を、反対面には、凹部のインロー部２４を構成し、その凹凸が組合せ時にガタ（隙間）を最小としながら、回転可能な寸法公差に設定する。たとえば、その径が、はめあい公差のＨ７−ｇ６などの公差を持つよう、凸部の外径を、凹部の内径よりも若干（径の絶対値によって値は異なる）大きく設定するなどの方法で設定する。これにより、同心度を保ったまま、隣り合わせる固定子コアブロックの一相分同士が、回転できる構造となる。なお、インロー部２４の形状は凹凸だけではなく、同心度を保つことができる形状であれば良い。

さらに、この回転を可能とするためには、コア同士の回転が、低摩擦である必要がある。しかし、（ａ）図に示すように両端面のブラケットとコアを通しボルトなどの方法を用いて軸方向に強固に固定する場合、圧粉磁心表面同士の接触では摩擦抵抗が大きく、回転できない場合が考えられる。このような場合においての解決策として、固定子コアブロックの軸方向両端面にポリテトラフルオロエチレンなどの摺動性の良い材料を薄くコーティング、またはメッキ，蒸着するなどの方法が効果的である。摺動性の良い材料は、銅とニッケルなどの異材種の組合せでも良く、両端面ごとにその材質を異なるように設定しても可能である。さらに、両端部のコアブロックは、エンドブラケットとも摺動するため、エンドブラケットのコア側の面にも同様の処理が必要である。これにより、通しボルトなどで軸方向に強固に固定した後も、外部からの回転力印加によってその位置関係を調整することが可能となる。また、この摺動面は別の部材によって構成することも可能であり、コアブロック間、またはエンドブラケットとコアブロック間に摺動性の良い材料で構成した相間板を構成することでも同様の機能達成が可能である。さらにこの材料は、有機材料として、コアブロックと一体として構成しても良い。

次に、外部から回転力を印加する場合の固定子コアブロックの構造について示す。(ｃ)図には、固定子コアブロックの一相分の斜視図を示す。円筒状のままでは、外部から把持して回転力を印加しにくいため、図示のように一部の切り欠きを設ける。これにより、
（ｄ）図に示すようなスパナ形状の工具、または回転機構の先端部で回転力を伝達することが容易にできる。この一相分コアブロックの外周部形状は、外部からの回転力を伝達可能な形状とすることを特徴とする。図４に示した調整機構では、歯車機構によって回転力を伝達する機構となっており、この場合には外周部には、歯車がかみ合うような凹凸の歯車を有するようなコアとなっていることが望ましい。もちろん、円筒状のままで、摩擦によるプーリー構造でも、その摩擦力で回転力を印加可能な場合は円筒状のままでも本目的は達成可能である。

最後に、回転力を印加して、コギングトルクを最少に設定した後の処理について説明する。回転力を印加してモータのコギングトルクが最少となった後に、モータとして完成させる場合に、その位置関係の固定が必要である。これを実現する為に、コアブロックの少なくとも一箇以上の一部に、固定用切欠き溝２７を設け、その部分を調整後に溶接，接着などの手段により固定する構造を設ける。これにより、モータとして組みあがった後には、外部からの外乱（回転力，振動など）によってそのコア同士の位置関係が崩れることが無くすることができる。

次に、コアブロックが回転できる機能を利用したモータ、及び、発電機についての実施例を示す。先に説明したとおり、各相が回転位置を変えることで、その電気的特性が変化することは、回転数の増加による電圧向上の制限を制御することが出来る。例えば、図７に示すような発電機において、発電機の制御装置への入力電圧が上限値を持つ場合に、想定外のエンジン回転数となった場合に発電機からの発生電圧がその上限値を超える場合が発生する。このとき、回転数を検出し、その回転数を超える場合に、クローポール型モータの一相分、または２相分のコアの位置関係を調整することにより、図８に示すように、発電機からの発生電圧を小さくすることができるため、制御装置の損傷を防止することが可能となる。また、この調整方向は、コギングトルクが増加する方向となるので、ブレーキ力の増加にもなってシステムの損傷防止に効果的である。この方法は、自動車や、緊急時用エンジン発電機などの発電機や、風力用発電機などのシステムに利用可能である。

また、コアブロックを回転させることにより電気的特性を変化させることができるため、発電機又はモータの出力を変化させることができる。これにより、コアブロックを回転させることで発電機又はモータの出力を制御することが可能である。

以上のように、本発明の多相クローポール型モータは、コギングトルクが最少かつ、ばらつきを小さくすることができるため、トルク脈動の小さい、滑らかに回転するモータを得ることができる。また、コギングトルク，トルク脈動が小さくできることで、モータの振動，騒音を低減することができ、本モータを適用したシステムの静粛性向上などの効果が期待できる。さらに、発電機又はモータの出力を制御することも可能である。

本発明の多相クローポール型モータの構造を示した断面図及びコアの斜視図及び各相の断面図の一例である。 本発明のクローポール型モータＦＥＭ解析用メッシュモデルとそのモデルを用いてコギングトルクの解析を行った結果を示す図の一例である。 本発明のクローポール型モータのＢ相とＣ相間の位置関係に誤差がある場合のモータコア位置関係を示す斜視図とその場合のＦＥＭ解析でのコギングトルク計算結果を示す図の一例である。 本発明の多相クローポール型モータのコギングトルク調整システムの構成を説明する図での一例である。 本発明の多相クローポール型モータのコギングトルク調整システムにおいて最適点を探索する方法を説明する図の一例である。 本発明の多相クローポール型モータのコギングトルクを調整するために必要なモータ構造の詳細を説明する図面の一例である。 本発明の多相クローポール構造をモータや発電機として利用する場合のシステム構成の一例を示す図面である。 本発明の多相クローポール構造をモータや発電機として利用する場合の制限電圧以内に電圧を調整する方法を説明する図面の一例である。

符号の説明

１…軸、２…回転子、３…回転子コア、４…回転子磁石、５…固定子、６…固定子コア、８…軸受、１３…コイル、１４…カップリング、１５…トルク計測器、１６…ＤＣコアレスギヤモータ、１７…システム制御装置、１８…モータ制御装置、１９…歯車駆動用モータ、２０…歯車、２１…歯車機構、２４…インロー部、２５…摺動材料膜、２６…回転力伝達用Ｄカット、２７…固定用（接着，溶接用）切欠き溝、２８…エンジン等駆動装置、２９…発電制御装置。

Claims (1)

1. それぞれ圧粉磁心を用いて構成された環状の上側爪磁極と下側爪磁極にリング状の巻線されたコイルを挟み込んで１相のコアブロックを構成し、それと同一の形状の相のコアブロックを少なくとも２個軸方向に配置して固定子コアを構成する多相クローポール型モータにおいて、前記固定子コアの各相コアブロックにおけるそれぞれの軸方向両端面の外周部には、当該コアブロックと同心状の外径を有するインロー凸部及び当該コアブロックと同心状の内径を有するインロー凹部が形成され、該インロー凸部の外径と該インロー凹部の内径とが、軸方向に隣り合う２つのコアブロックの一方のインロー凸部と他方のインロー凹部とが同心度を保ったまま互いに周方向に回転可能な状態で嵌合し得る大きさに設定されており、さらに、軸方向に隣り合う２つの前記コアブロックにおける互いに対向する両端面の一方もしくは両方には、摺動性をよくするための物質が備えられていることを特徴とする多相クローポール型モータ。

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