JP5905206B2

JP5905206B2 - コギングトルクを低減するモータおよびリニアモータ

Info

Publication number: JP5905206B2
Application number: JP2011092868A
Authority: JP
Inventors: 秀俊植松; 前田　拓也; 拓也前田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: JP2012228049A

Description

本発明は、モータおよびリニアモータ、特にコギングトルクを低減することのできるモータおよびリニアモータに関する。

図５は従来技術におけるモータの断面図である。図５に示されるように、三相交流で回転するモータ１００は、ステータ２００と、ステータ２００内に配置されたロータ３００とから主に構成されている。

ステータ２００は複数の電磁鋼板が積層されたステータコアを含んでおり、また、ステータ２００の内周面には複数、例えば３６個のスロット２１０が等間隔で形成されている。これらスロット２１０にはコイル（図示しない）が巻回されている。また、ロータ３００は、磁束を通すロータコア３１０と、ステータ２００に対面して配置された複数、例えば八個の磁石３２０とを含んでいる。

このようなモータ１００において、ロータ３００の磁石３２０の磁束がステータコアに磁界を発生させる。また、スロット２１０に巻回されたコイル（図示しない）に電流が流れると、電磁誘導により磁界が発生する。ステータコア１周を３６０度とする角度θを設定した場合には、磁石３２０には｜ｓｉｎ（θ÷ｐ×２）｜に比例する磁束が発生し、一般にコイルには｜ｓｉｎ（θ÷ｐ×２）｜に比例する磁束が発生する。なお、文字ｐは極数を表している。これら磁束を乗算すると、一定のトルクが得られ、モータ１００のロータ３００が回転するようになる。

このとき、或るコイル上を通過するロータ３００からの磁束は｜ｓｉｎ（θ÷ｐ×２）｜に応じて異なるので、トルク変動（コギングトルク）が発生する。そして、コギングトルクの大きさに比例してロータ３００が脈動し、モータ１００の滑らかな回転が妨げられることとなる。

ところで、電磁鋼板は、たとえ無方向性電磁鋼板であっても、コイルをロール状に圧延したときの圧延方向と、該圧延方向に対して垂直な方向とに対しては、与えられた磁界に対して流れる磁束量が若干異なる。図６は従来技術におけるモータの磁化力と磁束密度との関係を示す図である。図６における圧延方向における磁束密度を示す実線Ｌ１は、圧延方向に対して垂直な方向における磁束密度を示す実線Ｌ２よりも大きくなっている。このような磁束量の相違を電磁鋼板の磁気異方性と呼ぶ。実線Ｌ１と実線Ｌ２との間の差によって、同一のロータ３００の磁石であっても、ステータコアの角度に応じてステータコアに流れる磁束に差が生じることとなる。

再び図５を参照すると、ステータコアのコイルの圧延方向を０度とし、ステータコアの圧延方向から周方向の回転角度をθ度と設定する。そして、ロータ３００が１回転したときにθ＝０度の発生磁束量の最大値をφ１、θ＝９０度の発生磁束量の最大値をφ２とする。このとき、任意の角度θ１での発生磁束量の最大値φａはφ１×｛１−（φ１−φ２）×｜ｓｉｎθ｜｝となる。

ところで、図７（ａ）は、ロータ位相と一極の発生磁束との間の関係を示す図である。図７（ａ）に示されるように、ロータ３００の一極分の磁石３２０によりステータコアに発生する磁束φはロータ位相θに対してφ＝Ａ×｜ｃｏｓθ｜で表される。なお、Ａは任意の値である。

このような磁束φを全ての磁石３２０について表示すると図７（ｂ）のようになる。図７（ｂ）は、ロータ位相と各極の発生磁束および全極の合計発生磁束との間の関係を示す図である。モータ１００が八極分の磁石３２０を含む場合には、第一極の磁石３２０により生じる磁束φと、第五極の磁石３２０により生じる磁束φとは互いに等しく、他の極についても同様である。このため、図７（ｂ）の上方に示されるように、位相の異なる四つの発生磁束のみが表される。そして、これら八つの発生磁束を合計して、縦軸方向に拡大すると、図７（ｂ）の下方に示されるように合計発生磁束φｂが得られる。合計発生磁束φｂは、Ｂ×｜ｃｏｓ（θ÷ｐ×２）｜で表される。なお、Ｂは任意の値である。

このように、合計発生磁束φｂは、ステータコアの磁気異方性の影響のためにロータ位相に応じて異なる。そして、このことによって発生するコギングトルクは、各極の磁束φａを合計したときの合計発生磁束φｂに比例する。

このようなコギングトルクを低減するために、特許文献１および特許文献２においては、モータに使用されるステータコアの打抜き方向をずらすことが提案されている。このような場合、コギングトルクを逆位相にも発生させられるので、結果的にコギングトルクを打消すことができる。モータが８極である場合には、打抜き方向を２２．５度ずらすことにより、１回転あたり８回のコギングトルクも逆位相に発生させることによりコギングトルクを打消すことができる。

また、特許文献３においては、ステータコアの歯先に生じる段差が存在する場合であっても、複数の鉄心部材を互いに所定角度だけ回転させて積層してステータ鉄心を構成し、それにより、コギングトルクを抑えることが提案されている。

特開２００５−０６５４７９号公報特開２００６−２１１８１９号公報特開２００９−１３１０５１号公報

前述したように、合計発生磁束φｂはＢ×｜ｃｏｓ（θ÷ｐ×２）｜で表される。そして、これら磁束φを逆位相で発生させて合計した合計発生磁束φｃはＢ×｜ｃｏｓ（θ÷ｐ×２）｜＋｜ｃｏｓ（（θ＋π／２）÷ｐ×２）｜で表される。

このように、合計発生磁束φｃは合計発生磁束φｂに比べてそれほど小さくない。従って、特許文献１および特許文献２で提案される解決策では、コギングトルクを低減させる効果は比較的小さい。さらに、特許文献３で提案される解決策は、ステータを構成する部品を複数、作成する必要がある上に、その組立も煩雑となる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、作成が容易であると共に、コギングトルクを大幅に低減することのできるモータおよびリニアモータを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、磁束を通すコアに取付けられる複数の磁石を含むロータと、コイルが巻回される複数のスロットが形成されたステータと、を具備し、前記ロータは前記ステータ内で回転するようになっており、前記ステータの横断面において前記ロータに対向する内周面は、前記ステータを構成する電磁鋼板の圧延方向の線上を０度とした場合に、−９０〜＋９０度および＋９０〜２７０度の範囲で正弦波形状を全内周面において２箇所形成するようにし、それにより、モータ回転時のコギングトルクを抑えるように、前記モータ回転時のコギングトルクとは逆位相のコギングトルクが発生するようにした、モータが提供される。

１番目の発明においては、ステータの内周面に凹部が少なくとも部分的に形成されるので、ステータの内周面とロータとの間の距離（ギャップ）が少なくとも部分的に大きくなり、磁束の発生量が減る。その結果、モータ回転時のコギングトルクとは逆位相のコギングトルクが発生し、モータ回転時のコギングトルクを抑えることができる。また、凹部を単に形成するだけでコギングトルクを抑えられるので、モータの作成が複雑になるのを回避できる。

（ａ）本発明の第一の実施形態におけるモータの断面図である。（ｂ）第一の実施形態のモータにおいて、ロータ位相と各極の発生磁束および全極の合計発生磁束との間の関係を示す図である。（ａ）本発明の第二の実施形態におけるモータの断面図である。（ｂ）第二の実施形態のモータにおいて、ロータ位相と各極の発生磁束および全極の合計発生磁束との間の関係を示す図である。（ａ）本発明の第三の実施形態におけるモータの断面図である。（ｂ）第三の実施形態のモータにおいて、ロータ位相と各極の発生磁束および全極の合計発生磁束との間の関係を示す図である。他の実施形態におけるモータの断面図である。従来技術におけるモータの断面図である。従来技術におけるモータの磁化力と磁束密度との関係を示す図である。（ａ）ロータ位相と一極の発生磁束との間の関係を示す図である。（ｂ）ロータ位相と各極の発生磁束および全極の合計発生磁束との間の関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１（ａ）は、本発明の第一の実施形態におけるモータの断面図である。図１（ａ）に示されるように、三相交流で回転するモータ１０は、ステータ２０と、ステータ２０内に配置されたロータ３０とを主に含んでいる。

ステータ２０は複数の電磁鋼板が積層されたステータコアを含んでいる。ステータコア２０を形成する電磁鋼板の圧延方向が図１（ａ）に示されている。そして、ステータ２０の内周面には複数、例えば３６個のスロット２１が等間隔で形成されている。これらスロット２１にはコイル（図示しない）が巻回されている。また、ロータ３０は、磁束を通すロータコア３１と、ステータ２０に対面して配置された複数、例えば八個の磁石３２とを含んでいる。

このようなモータ１０において、ロータ３０の磁石３２の磁束がステータコアに磁界を発生させる。また、ステータ２０のスロット２１に巻回されたコイル（図示しない）に電流が流れると、電磁誘導により磁界が発生する。ステータコア１周を３６０度とする角度θを設定すると、磁石３２には｜ｓｉｎ（θ÷ｐ×２）｜に比例する磁束が発生し、コイルには｜ｓｉｎ（θ÷ｐ×２）｜に比例する磁束が発生する。これら磁束を乗算すると、一定のトルクが得られ、モータ１０のロータ３０が回転するようになる。なお、文字ｐは極数を表すものとする。

本発明においては、ステータ２０の内周面には凹部２５ａが、内周面全体にわたって形成されている。図１（ａ）における凹部２５ａは黒色で示されており、凹部２５ａは従来技術のステータ２００の内周面からの偏差を表す。なお、後述する他の凹部２５ｂ等も同様である。

図１（ａ）における凹部２５ａはＣ１×｜ｓｉｎθ｜で表される。ここで、文字Ｃ１は、コギングトルクに応じて定まる値、例えば磁束の変化量の最大値Ｂ１だけ磁束量が減るような値であり、実験等により予め求められているものとする。一つの実施例においては、発生磁束量の最大値Ａ１＝１．０Ｔ、磁束の変化量の最大値Ｂ１＝０．１Ｔ、ステータ２０の内周面とロータとの間のギャップ１ｍｍの場合に、Ｃ１＝０．１ｍｍ程度である。つまり、ステータ２０の内周面は少なくとも部分的に正弦波形状になっており、他の実施形態でも同様である。

このような凹部２５ａが形成された場合には、ステータ２０の内周面とロータ３０の外周面との間のギャップが場所に応じて大きくなり、その結果、磁束が減るようになる。これにより、ロータ３０が発生する磁束の波形が変化し、発生磁束は均一になる。

図１（ｂ）は第一の実施形態のモータにおいて、ロータ位相と各極の発生磁束および全極の合計発生磁束との間の関係を示す図である。図１（ｂ）の上方に示されるように、第一の実施形態においては、八つの極のそれぞれの発生磁束は互いに等しい。そして、図１（ｂ）の下方に示されるように、八つの極の発生磁束を合計した合計発生磁束φｂもロータ位相に関わらず均一になっている。なお、合計発生磁束φｂは縦軸方向に拡大されているものとする。

図２（ａ）は本発明の第二の実施形態におけるモータの断面図であり、図２（ｂ）は第二の実施形態のモータにおいて、ロータ位相と各極の発生磁束および全極の合計発生磁束との間の関係を示す図である。図２（ａ）に示されるように、第二の実施形態においては、ステータ２０の内周面の圧延方向０度の位置から１／８周分までの位置にのみ凹部２５ｂが形成されている。この凹部２５ｂは、Ｃ２×｜ｓｉｎ（θ÷８×２）｜で表される。

ここで文字Ｃ２は、コギングトルクに応じて定まる値、例えば磁束の変化量の最大値Ｂ２の８倍だけ磁束量が減るような値であり、実験等により予め求められているものとする。一つの実施例においては、発生磁束量の最大値Ａ２＝１．０Ｔ、磁束の変化量の最大値Ｂ２＝０．１Ｔ、ギャップ１ｍｍの場合に、Ｃ２＝０．８ｍｍ程度である。

ここで、モータ１０が八極分の磁石３２を含む場合には、第一極の磁石３２により生じる磁束φと、第五極の磁石３２により生じる磁束φとは互いに等しく、他の極も同様である。このため、図２（ｂ）の上方には、位相の異なる四つの発生磁束のみが表されている。これら四つの発生磁束は上に凸な互いに同一形状の曲線であり、それら曲線の位相のみが互いに異なっている。しかしながら、これら曲線を合計して得られる合計発生磁束φｂは図２（ｂ）の下方に示されるように、概ね平坦である。

さらに、図３（ａ）は本発明の第三の実施形態におけるモータの断面図であり、図３（ｂ）は第三の実施形態のモータにおいて、ロータ位相と各極の発生磁束および全極の合計発生磁束との間の関係を示す図である。図３（ａ）に示されるように、第三の実施形態においては、ステータ２０の内周面の圧延方向０度の位置から１／８周分ごとに、等間隔で八つの凹部２５ｃが形成されている。八つ凹部２５ｃのそれぞれは、Ｃ３×｜ｓｉｎ（θ÷８×２）｜で表される。

ここで文字Ｃ３は、コギングトルクに応じて定まる値、例えば磁束の変化量の最大値Ｂ３だけ磁束量が減るような値であり、実験等により予め求められているものとする。一つの実施例においては、例えば発生磁束量の最大値Ａ３＝１．０Ｔ、磁束の変化量の最大値Ｂ３＝０．１Ｔ、ギャップ１ｍｍの場合に、Ｃ３＝０．１ｍｍ程度であるものとする。

前述したようにモータ１０が八極分の磁石３２を含む場合には、図３（ｂ）の上方に示されるように、位相の異なる四つの発生磁束のみが表される。これら四つの発生磁束は上に凸な互いに同一形状の曲線であり、それら曲線の位相のみが互いに異なっている。しかしながら、これら曲線を合計して得られる合計発生磁束φｂは図３（ｂ）の下方に示されるように、概ね平坦である。

このように、本発明の第一から第三の実施形態においては、ステータ２０の内周面に凹部２５ａ〜２５ｃを形成している。このため、ステータ２０の内周面とロータ３０との間の距離（ギャップ）が少なくとも部分的に大きくなり、磁束の発生量が減る。その結果、モータ回転時のコギングトルクとは逆位相のコギングトルクが発生し、モータ回転時のコギングトルクが低減するようになる。また、本発明においては、凹部を単に形成するだけでコギングトルクを抑えられるので、モータの作成が複雑になるのを回避できる。

なお、一般的にコギングトルクはφｂ＝Ｂ×｜ｃｏｓ（θ÷ｍ÷ｐ×２）｜に比例する。ここで、文字Ｂは任意の値であり、文字ｍはコギングトルクの発生周期に応じて定まる整数である。従って、Ｃ×｜ｓｉｎ（θ÷ｍ÷ｐ×２）｜で表される凹部をステータ２０の内周面に形成することにより、コギングトルクを同様に低減することができる。また、形成される凹部は１個から（ｍ×ｐ）個まで形成してもよく、凹部の数が多いほど、コギングトルクを低減する効果が大きいことが分かるであろう。

さらに、基準方向に対するステータ２０のコアの圧延方向の角度をθ１とし、１とｍとの間の整数をｎとする。そして、凹部の最大位置を角度θ１＝（（ｎ＋１／２）×３６０÷ｍ）の位置で表されるようにするのも好ましい。この場合には、ステータ２０をわずかに加工するだけで、コギングトルクを低減させられるのが分かるであろう。

ところで、図４は、他の実施形態におけるモータの断面図である。図４には、ロータ３０およびステータ２０の代わりにそれぞれ磁石板５０およびスライダ４０を含むリニアモータ１１が示されている。図４に示されるように、磁石板５０は、その上面に複数の磁石５１が等間隔で一直線に並置されている。また、スライダ４０の下面には複数のスロット４１が等間隔で形成されており、これらスロット２１にはコイル（図示しない）が巻回されている。また、図４においては、スライダ４０の進行方向を位相θの方向とする。そして、二つのスロット４１を含む一つの極の上流端を０度とし、下流端を１８０度とする電気角θを設定する。

他の実施形態においては、スライダ４０の下面には、少なくとも一つの凹部２５ｄが形成されている。図４に示されるように、凹部２５ｄは位相が０度と１８０度との領域に形成されている。この凹部２５ｄはＣ×｜ｓｉｎθ｜をなすように凹んでいるものとする。なお、複数の凹部２５ｄがスライダ４０の下面に形成されていてもよい。

このようなリニアモータ１１には、極数ｐに応じてコギングトルクが発生する場合がある。しかしながら、本発明においては、少なくとも一つの凹部２５ｄが設けられているので、前述したのと同様に、構成を複雑にすることなしに、コギングトルクを低減させることが可能となる。

以上、磁石を備えたモータ１０およびリニアモータ１１について説明した。ところで、ロータに磁石を用いないリラクタンスモータおよび誘導式モータも存在しており、これらモータも極とスロットとを有しているので、コギングトルクおよび／またはトルクリップル（トルクむら）が起きる可能性がある。そのようなロータに磁石を用いないモータであっても、本発明を同様に適用でき、その結果、コギングトルクおよびトルクリップルを低減できるのは明らかであろう。

１０モータ
１１リニアモータ
２０ステータ
２１スロット
２５ａ〜２５ｄ凹部
３０ロータ
３１ロータコア
３２磁石
５０磁石板
５１磁石

Claims

磁束を通すコアに取付けられる複数の磁石を含むロータと、
コイルが巻回される複数のスロットが形成されたステータと、を具備し、
前記ロータは前記ステータ内で回転するようになっており、
前記ステータの横断面において前記ロータに対向する内周面は、前記ステータを構成する電磁鋼板の圧延方向の線上を０度とした場合に、−９０〜＋９０度および＋９０〜２７０度の範囲で正弦波形状を全内周面において２箇所形成するようにし、それにより、モータ回転時のコギングトルクを抑えるように、前記モータ回転時のコギングトルクとは逆位相のコギングトルクが発生するようにした、モータ。