JP5549326B2 - モータの回転子、この回転子を有するモータ、及び、着磁装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転子、この回転子を有するモータ、及び、着磁装置に関し、特に、表面磁石型モータの効率向上や静音化を改善する技術に関するものである。

表面磁石型モータ（ＳＰＭモータ：Surface Permanent Magnet Motor）は、いわゆるブラシレスモータの１つであるが、その駆動方式は、省エネルギー化や静音化の要請が高まるにつれて、矩形波駆動から正弦波駆動に置き換わりつつある。

正弦波駆動は電流を常に流し続ける制御方式であり、矩形波駆動に比べてトルク変動が少なく、静かで高効率なモータを実現することができる反面、回転子の磁極位置を正確に検出して、電気子電流を緻密に制御することが要求される。例えば、巻線インダクタンス成分の影響で回転数に応じて電気子電流の位相ズレが生じるため、これを常に回路補正して進角調整しないと、幅広い回転領域で高効率を維持することができない。そのため、正弦波駆動は複雑な制御が可能なマイコン制御機能付きの高価なドライバが必要であった（例えば、下記非特許文献１）。

また、下記特許文献１には、モータの巻線コイルに誘起される逆起電圧波形を正弦波形状にすることで、回転を円滑にし、静音化等を図ることが開示され、そのために、モータ用永久磁石の表面磁束波形が正弦波になるように着磁を行っていたことが記載されている。しかし、仮に表面磁束波形を正弦波形状にしても、巻線コイルに誘起される逆起電圧（誘起電圧）は正弦波形状にならず、静音化等を低減する妨げとなることが記載されている。

そこで、上記特許文献１では、表面磁束形状が痩せた正弦波形状、及び／又は、磁極が切り換わる境界近傍領域における表面磁束が略零値となるように着磁を行っている（特許文献１の図２の波形グラフ参照）。これにより、誘起電圧を正弦波形状に近づけ、モータの騒音を低減するとともに、コギングトルク、トルクリップルを低減している。

特開２００３−１１１３６０号公報 Matsushita Technical Journal Vol.1-55 "空調ファン用高性能ブラシレスモータ" ２００５年２月発表

特許文献１に開示される着磁方法によれば、確かに従来に比べて静音化を図るという面では改善されているが、着磁された波形に表面磁束が略零値となる領域が多く存在するため、モータの効率という面では改善の余地がある。すなわち、出力トルクに寄与するのは、磁束の径方向成分（波形の波高値）であるが、上記表面磁束が略零値となる領域は、磁束の径方向成分がないために、出力トルクに寄与していない。従って、エネルギーの利用効率という面で問題がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、トルクリップルを低減して静音化を図るだけでなくモータの効率をさらに高めることができる表面磁石型モータの回転子、この回転子を有する表面磁石型モータ、及び、着磁装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係るモータの回転子は、
周方向に沿って形成される表面磁束波形が三角波となるように着磁されたモータの回転子であって、
前記三角波は、１次の基本波の波高値に対して３次の高調波の負の波高値が５〜１５％となるように着磁されていることを特徴とするものである。

かかる構成による回転子の作用・効果を説明する。この回転子は、表面磁束波形が三角波となるように着磁される。三角波は、フーリエ級数展開すると、１次の基本波、３次、５次・・・の高調波により構成される。そして、１次の基本波の波高値に対して、３次の高調波の負の波高値が５〜１５％になるように着磁させる。図１０は、実測した三角波であるが、この実測値の場合は３次の高調波の負の波高値が約１１％となっている。ちなみに、前述の特許文献１に開示される痩せた正弦波形状の場合、３次の高調波は２０％程度になる。本発明のような三角波とすることで、表面磁束が略零値となる領域をなくし、さらに、モータ誘起電圧を理想的な正弦波形状に近づけ、トルクリップルを低減して静音化を図ると共にモータ効率も高めることができる。

本発明に係る回転子を製造するための着磁装置は、
回転子の回転表面に向かい合う着磁表面と、
この着磁表面の周方向に沿って配置される着磁用コイルと、を備え、
回転子の回転軸に直交する前記着磁用コイルの断面形状が、着磁表面側を底辺とする略三角形に形成されることを特徴とするものである。

かかる構成による着磁装置の作用・効果を説明する。着磁装置は、回転子の回転表面に向かい合う着磁表面を有する。この着磁表面の周方向に沿って配置される着磁用コイルを備えている。なお、モータの構造により、回転子の内面に着磁する場合と外面に着磁する場合があるが、本発明としては、いずれの場合にも適用可能である。そして、着磁用コイルの断面形状が着磁表面側を底辺とする略三角形となっている。着磁する場合の磁束波形は、断面形状に依存し、三角波にする場合は、それに対応して着磁用コイルも略三角形とすればよい。これにより、回転子の表面に三角波状の磁束波形を着磁させることができる。

本発明において、隣接する断面三角形の着磁用コイルの底辺と底辺が近接していることが好ましい。表面磁束が略零値となる領域をなくすためには、隣接する着磁用コイル同士をできるだけ近接させることである。そこで、上記のように構成することで、理想的な三角波に近づけることができる。

本発明に係る前記着磁用コイルは、前記回転軸方向に伸びる薄板の多数を積層して構成されることが好ましい。かかる構成にすることで渦電流損を低減し、所望の磁界強度を確保することができる。

回転子を示す図 着磁波形の操作を説明する図 本実施形態に係る着磁装置の構成を示す図 着磁装置の部分拡大図 略三角形の断面形状の着磁用コイルを実現する方法を示す図 略三角形の断面形状の着磁用コイルを実現する方法を示す図 着磁装置の外観構成を示す斜視図 着磁された磁束波形（実施例：負の３次の高調波５％の場合）とそのデータを示す図 着磁された磁束波形（実施例：負の３次の高調波７％の場合）とそのデータを示す図 着磁された磁束波形（実施例：負の３次の高調波１１％の場合）とそのデータを示す図 着磁された磁束波形（実施例：負の３次の高調波１３％の場合）とそのデータを示す図 着磁された磁束波形（実施例：負の３次の高調波１５％の場合）とそのデータを示す図 着磁された磁束波形（比較例：負の３次の高調波２１％の場合）とそのデータを示す図 着磁された磁束波形（実施例：負の３次の高調波９．２％の場合鉄心積層・コイル積層・６極・極ピッチ２０ｍｍの場合）とそのデータを示す図 モータの実施例を示す図 本発明による励起電圧のＦＦＴ解析結果を示す図 比較例による励起電圧のＦＦＴ解析結果を示す図

本発明に係る表面磁石型モータの回転子とその着磁装置の好適な実施形態を図面を用いて説明する。

＜モータ回転子について＞
本発明が対象とするモータは、その回転子の表面磁束波形に特徴がある。回転子には、図１（ａ）に示す回転子１１のようにヨークｂの外面に配置した磁石ａの外周面である回転表面に着磁する構成と、図１（ｂ）に示す回転子１２のようにヨークｄ（バックヨーク）の内面に配置した磁石ａの内周面である回転表面に着磁する構成がある。図中ｃは回転軸である。図１（ａ）（ｂ）は４極の場合の事例であるが、極数は特に限定されるものではない。なお、回転子に使用する磁石は、着磁制御が容易な等方性のＮｄＦｅＢボンド磁石を用いることが好ましい。本発明では、主に図１（ａ）の回転子を用いる表面磁石型モータ（ＳＰＭモータ）に好適に用いられる。

上記回転子において、表面磁束波形を正弦波とすることで、トルクリップルを低減し静音化を図る試みがなされているが、仮に、回転子を波形歪のない理想的な正弦波に着磁できたとしても、モータの巻線コイルに発生する誘起電圧は正弦波形状にならず、静音化等を低減する妨げとなる。従って、誘起電圧が正弦波形状に近づくように回転子を着磁することが要求される。実際に、回転子を理想的な正弦波に着磁しても、誘起電圧の波形は磁石と対向する電気子歯先部の影響を受けるため、磁束の時間変化率が常に一定にはならず、基本波（１次正弦波）に対して、同位相から始まる３次の高調波成分を含む。このときの誘起電圧の波形は、理想の正弦波よりも若干（３〜５％）太い正弦波にならざるを得ない。この誘起電圧の高調波成分の影響のために、トルクリップルが生じて静音化に悪影響を及ぼす。

そこで、上記に対応するために、回転子の表面磁束波形（着磁波形）を正弦波ではなく、三角波とする。三角波は、基本波（１次正弦波）と基本波に対して逆位相から始まる負の３次の高調波成分を含む。これにより、誘起電圧を理想的な正弦波に近づけることができ、トルクリップルを低減し、静音化をさらに達成することができる。逆位相というのは、図８（ｂ）のＦＦＴ解析値のグラフからもわかるように、１次の基本波と３次の基本波とは位相が１８０゜ずれているという意味である。

＜着磁波形の操作＞
図２は、ヨークの外周面に配置した磁石の外周面である回転表面に着磁する場合に、その表面に形成する着磁波形を操作する場合の着磁用コイルの構成例を示す図である。この着磁装置は、リング状の鉄心１に着磁表面１ｂに沿って等間隔に着磁用コイル１ａが配置されている。この着磁用コイル１ａは、あらかじめ鉄心１の内周面に所定ピッチで形成される着磁用コイル１ａと相似形のコイル配置溝に配置される。この着磁用コイル１ａの断面形状（回転子の回転軸に直交する方向の断面形状）を変えることで着磁波形を調整することができる。多極着磁をする場合、電流が上向き（紙面に対して垂直上向き）の着磁用コイル１ａと電流が下向き（紙面に対して垂直下向き）の着磁用コイル１ａが交互に周方向に配置される。

各着磁用コイル１ａは、多数の絶縁被覆されたエナメル線１０の束により構成される。このエナメル線１０の線径や配列により着磁用コイル１ａの断面形状を決めることができる。図２（ａ）は、着磁波形を矩形波に着磁する場合の例である。（ｃ）も同じく矩形波に着磁する場合であるが、矩形状着磁用コイルの高さや幅が（ａ）とは異なる。（ｂ）は、三角波に近い着磁を行うことができるが、多数本のエナメル線にて着磁用コイル１ａを構成するため巻線作業が煩雑であるばかりでなく、着磁用コイル全体としての抵抗が大きくなり発熱しやすく、隣接する着磁用コイル間の電気的な短絡等を考慮すると必然的に隣接する着磁用コイル１ａの底辺と底辺の間の間隔ｄを大きくする（通常、極ピッチの３０％以上）必要があり、理想とする三角波に着磁はできない。また、前記間隔ｄの存在により、表面磁束の波高値に平坦部が形成されて、モータの効率が低下する原因となる。

＜本発明による着磁装置＞
次に、好ましい着磁装置の構成を図３により説明する。図３において鉄心１の内周部に着磁表面の周方向に沿って等間隔に着磁用コイル１ａが配置されている。この着磁用コイル１ａは、着磁表面側を底辺１ｃ（図４参照）とする略三角形に形成されている。ここで極間Ｘとは、コイル直下つまり着磁波形のゼロクロス部に相当する位置であり、極中央Ｙはコイルとコイルの間の中間位置をいう。

極中央Ｙから極間Ｘに向けて磁化方向を略零値となる領域ができないよう連続的に変化させる場合、図示のように略三角形に着磁用コイル１ａを形成すればよい。しかし、着磁波形を三角波にするには、極中央Ｙにおいて磁化方向を急峻に変化させる必要がある。そのためには、隣接する着磁用コイル１ａの底辺１ｃどうしを点接触に近い形で配置する必要がある。そこで、図４の拡大図に示すように、底辺１ｃと底辺１ｃの間の間隔１ｄをできるだけ小さくなるようにする。間隔１ｄは、着磁装置の大きさにもよるが、極ピッチ（極間Ｘのピッチ）の１〜２０％が好ましく、極ピッチの２〜１０％がより好ましい。なお、略三角形からなる着磁用コイル１ａの高さｈについては、この高さを大きくすれば、着磁用コイル１ａの断面積が増えて、より大きな電流を印加できるので、磁界の強度を大きくすることができる。

この略三角形の断面形状の着磁用コイル１ａを実現する方法として、図５、図６が例示される。図５はバルクコイル２の事例であり、（ａ）は正面図（ｂ）は側面図である。このバルクコイル２は、金属（例えば、銅）により形成され、外周部は適宜の方法で絶縁される。バルクコイル２は長手方向（回転子の回転軸方向）に沿って伸びており、両端にねじ部２ａが形成される。

図６は積層コイル３の事例であり、（ａ）は正面図（ｂ）は側面図である。この積層コイル３は、互いに絶縁された状態で多数の薄い銅板３ｂの積層物として形成される。銅板３ｂは、回転子の回転軸方向、すなわち、電流の流れる方向に沿って伸びている。このような積層コイル３は、図６（ｃ）に示すような絶縁積層した銅板の塊（積層体）からワイヤーカットで切り出すことで形成することができる（実線参照）。かかる積層体は銅板３ｂの表面に絶縁塗装を施したものを強力な接着力が得られる耐熱エポキシ樹脂などで固化したものが好ましい。バルクコイル２の場合と同様に、両端にねじ部３ａが形成される。

着磁用コイル１ａをバルクコイル２で形成すると、渦電流損の影響が顕著になり、磁界強度が著しく低下する場合もある。この渦電流損は、磁石の径と極数、すなわち、極ピッチ（極間Ｘのピッチ）に依存する。極ピッチが１０ｍｍを超えると、渦電流損により磁界強度が著しく低下する可能性が高くなり、図６（ａ）に示すような積層コイル３にすることが好ましい。積層する方向は図６では、三角形の底辺方向（図の左右方向）であるが、この方向は特定の方向に限定されるものではない。図６（ｄ）に示すように、三角形の高さ方向に積層してもよい。

図７は、着磁装置の外観構成を示す斜視図である。周方向にて隣接する着磁用コイル１ａ、すなわち、電流が上向きの着磁用コイル１ａと下向きの着磁用コイル１ａは、直列接続するために端部で結線する必要がある。結線部４で発生する磁界は着磁には利用しないため、渦電流損を考慮する必要がない。従って、結線部４は強固な１枚の銅板で構成することができる。結線部４と着磁用コイル１ａは、前述のねじ部２ａ，３ａを利用してボルト５により結合することができる。なお、図７では８つの着磁用コイル１ａが配置されているが、そのうちの２つは、端子６と連結される。

着磁しようとする回転子の表面と、着磁装置の着磁表面１ｂとのクリアランスは、０．５ｍｍ程度が好ましい。また、着磁用コイル１ａの周囲は、回転子や鉄心１との短絡を防止するために絶縁処理を施す。

＜実施例１＞
実際に本発明に係る着磁装置を用いて着磁した場合の実施例を説明する。まず、着磁装置の鉄心の外径はφ８０ｍｍ、内径はφ２５．４ｍｍとした（図３参照）。回転子の磁極は外周に８極である。極ピッチは１０ｍｍである。コイルは図６（ａ）に示すような着磁表面側を底辺とする略三角形で、かつ、積層構造とした。鉄心も積層構造とした。回転子の磁石の材質は、等方性のＮｄＦｅＢボンド磁石（外径２５ｍｍ）を用いた。磁力計の型式は日本電磁測器（株）製の回転式マグネットアナライザ：ＮＤＫ−６８００である。

図８，９，１０，１１，１２は、計測されたデータである。それぞれ間隔１ｄ（図４参照）を０．２ｍｍ（極ピッチの２％），０．５ｍｍ（極ピッチの５％），１．０ｍｍ（極ピッチの１０％），１．５ｍｍ（極ピッチの１５％），２ｍｍ（極ピッチの２０％）と変えている。基本波（１次）の波高値を１００％とした場合、負の３次の高調波の波高値は５％（図８）、７％（図９）、１１％（図１０）、１３％（図１１）、１５％（図１２）である。各図において、（ａ）は１回転の磁束波形データを示す。縦軸は磁束密度（Ｔ）横軸は角度（゜）を示す。（ｂ）は１周期分の磁束波形データと、波形をフーリエ級数展開した結果（ＦＦＴ）を示す。

これらの波形を見ても分かるように、いずれの場合も、ほぼ三角波であることが見た目にも認識できる。フーリエ級数展開の次数と波高値は、上部の数値データに示される。これらのデータから、負の３次の高調波の波高値は、好ましくは、５〜１５％であり、より好ましくは７〜１３％である。

＜比較例１＞
図１３は、比較例のデータを示す。この比較例では、実施例１と同じ鉄心、コイル、磁石を用い、間隔１ｄを３ｍｍ（極ピッチの３０％）としている。この比較例では負の３次の高調波の波高値は２１％である。磁束波形を見てもわかるように、三角波に歪みが目立つようになっている。

＜実施例２＞
他の実施例を説明する。図１４は、鉄心（外径１００ｍｍ、内径４０．５ｍｍ）とコイルの両方を積層構造にした実施例である。極数は６であり、極ピッチは２０ｍｍである。間隔１ｄ（図４参照）は１．７ｍｍ（極ピッチの８％）としている。回転子の磁石の材質は等方性のＮｄＦｅＢボンド磁石（外径４０ｍｍ）を用いた。磁力計の形式は実施例１と同じものを使用した。この実施例では負の３次の高調波の波高値は９．２％であり、磁束波形は、ほぼ三角波であることが認識できる。

＜実施例３＞
次に、図１５の固定子、回転子を用いたモータにおいて、図８の着磁波形にて着磁した回転子を実装し、モータ励起電圧を測定し、フーリエ級数展開した結果（ＦＦＴ）をグラフにしたものを図１６に示す。２次以上の高調波の合計である歪率が１．０％であった。なお、図１５中の寸法の単位はｍｍである。

＜比較例３＞
図１５のモータにおいて、図１３の着磁波形で着磁した回転子を実装し、モータ励起電圧を測定し、フーリエ級数展開した結果（ＦＦＴ）をグラフにしたものを図１７に示す。２次以上の高調波の合計である歪率が５．７％もあった。
＜効果＞
以上のように回転表面の表面磁束波形を三角波に着磁した回転子を製造することができる。本発明による三角波は、負の３次の高調波が５〜１５％の範囲内であるから、モータの巻線コイルの誘起電圧を理想的な正弦波に近づけることができ、モータのトルクリップルを低減し、静音化を実現することができる。

＜別実施形態＞
本実施形態に係る着磁装置は、回転子の外周面に着磁する構成を示したが、回転子の内周面に着磁する場合にも本発明は応用できる。

１ 鉄心
１ａ 着磁用コイル
１ｂ 着磁表面
１ｃ 底辺
２ バルクコイル
３ 積層コイル
１０ エナメル線
１１，１２ 回転子
ａ 磁石
ｂ ヨーク
ｃ 回転軸
ｄ バックヨーク

Claims (7)

1. 周方向に沿って形成される表面磁束波形が三角波となるように着磁されたモータの回転子であって、
   前記三角波は、１次の基本波の波高に対して３次の高調波の負の波高値が５〜１５％となるように着磁され、
   前記表面磁束波形の磁極数が、前記回転子の回転軸に沿った方向で変化しないことを特徴とするモータの回転子。
2. 請求項１に記載の回転子を有するモータ。
3. 周方向に沿って形成される表面磁束波形が三角波となるように着磁されたモータの回転子であって、前記三角波は、１次の基本波の波高に対して３次の高調波の負の波高値が５〜１５％となるように着磁されたモータの回転子を製造するための着磁装置であって、
   回転子の回転表面に向かい合う着磁表面と、
   この着磁表面の周方向に沿って配置される着磁用コイルと、を備え、
   回転子の回転軸に直交する前記着磁用コイルの断面形状が、着磁表面側を底辺とする略三角形に形成されることを特徴とする着磁装置。
4. 隣接する着磁用コイルの底辺と底辺が近接していることを特徴とする請求項３に記載の着磁装置。
5. 前記着磁用コイルは、前記回転軸方向に伸びる薄板の多数を積層して構成されることを特徴とする請求項３又は４に記載の着磁装置。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の着磁装置により製造されたモータの回転子であって、
   周方向に沿って形成される表面磁束波形が三角波となるように着磁され、
   前記三角波は、１次の基本波の波高に対して３次の高調波の負の波高値が５〜１５％となるように着磁されていることを特徴とするモータの回転子。
7. 請求項６に記載の回転子を有するモータ。

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