JP6503540B2 - IPM motor and method of suppressing cogging torque thereof - Google Patents
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Description
本発明は、IPMモータ及びそのコギングトルクの抑制方法に関し、特に、ロータに対してロータとは異なる磁気抵抗を有する磁気抵抗の異なる部分(例えば貫通穴)を用いることによりコギングトルクを抑制するための新規な改良に関する。 The present invention relates to an IPM motor and a method for suppressing the cogging torque, and in particular, for suppressing the cogging torque by using a portion (for example, a through hole) having different reluctance having a reluctance different from that of the rotor. On new improvements.
従来、用いられていたこの種のIPMモータの例を挙げる前に、一般に用いられているSPM(Surface Permanent Magnet)モータの場合、マグネットの外側の形状を適切に設計することにより、コギングトルクの低減を実現している。
これに対し、IPM(Inter Permanent Magnet)モータは、特許文献1及び2に示されるように、
(A) ロータの限られた体積の中に適切に磁石を配置することにより、より多くのマグネット磁束をステータに流すことが可能である。
(B) 磁石の飛散防止対策を考慮する必要がないためギャップを狭く設計することができる。
(C) 弱め磁界制御を用いることにより高回転域において大きなトルクを得ることができる。
(D) 弱め磁界制御により幅広いダイナミック特性が得られる。
(E) 磁石が電気子電流の磁束変化に直接さらされないため磁石の渦電流損が少ない。
等の利点によって幅広い分野に多用され始めている。
In the case of a commonly used SPM (Surface Permanent Magnet) motor, a cogging torque can be reduced by appropriately designing the outer shape of the magnet before giving an example of this type of IPM motor conventionally used. Is realized.
On the other hand, as shown in Patent Documents 1 and 2, an IPM (Inter Permanent Magnet) motor is
(A) By appropriately arranging the magnets in the limited volume of the rotor, it is possible to pass more magnet flux to the stator.
(B) The gap can be designed to be narrow because it is not necessary to consider measures to prevent the scattering of magnets.
(C) A large torque can be obtained in a high rotation range by using the field weakening control.
(D) A wide dynamic characteristic can be obtained by the field weakening control.
(E) The eddy current loss of the magnet is small because the magnet is not directly exposed to the flux change of the armature current.
It has begun to be widely used in a wide range of fields due to its advantages.
従来のIPMモータは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述のIPMモータは、図8から図10で示されるように、回転軸1に設けられたロータ2の外周は、所定の半径の外形を有する真円であるため同一直径で形成された円周面となり、図9及び図10で示されるように、ロータ2のマグネット4と輪状ステータ5の各突出磁極6(ステータ巻線6Aを有する)とが対応する位置では、全てギャップが一定であると共にギャップが極めて小さいため、多くの磁力線が形成されると共に磁束密度が高くなるため、いわゆる、ロータ2の回転時に大きいコギングトルクの発生となっていた。
Since the conventional IPM motor is configured as described above, the following problems exist.
That is, in the above-described IPM motor, as shown in FIGS. 8 to 10, the outer periphery of the rotor 2 provided on the rotating shaft 1 is formed with the same diameter because it is a perfect circle having an outer diameter of a predetermined radius As shown in FIGS. 9 and 10, the gap is constant at all positions where the
そのため、利点として、大トルク型のモータを得ることはできるが、マグネットの形状によって突出磁極6とロータ2間のギャップ部(図示のように極めて狭く設定されている)に流れる磁束の波形をコントロールすることは難しく、また、前述のようにギャップを小さくしたことにより、コギングトルクは非常に大となる傾向があった。
すなわち、IPMモータがSPMモータに比して様々な利点を持つにもかかわらず、位置決め精度が必要なサーボモータとしては殆んど利用されていなかった。その大きい理由は、このコギングトルクがあまりにも大きく、かつ、サーボ制御が困難であると云うデメリットのためである。
Therefore, although it is possible to obtain a large torque type motor as an advantage, the shape of the magnet controls the waveform of the magnetic flux flowing in the gap portion (set extremely narrow as shown) between the projecting
That is, although the IPM motor has various advantages over the SPM motor, it has hardly been used as a servomotor that requires positioning accuracy. The major reason is that the cogging torque is too large and the servo control is difficult.
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、ロータに対してロータとは異なる磁気抵抗を有する磁気抵抗の異なる部分(例えば貫通穴)を適切に配置することによりコギングトルクを抑制するようにしたIPMモータ及びそのコギングトルクの抑制方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the problems as described above, and in particular, by appropriately arranging different portions (for example, through holes) of reluctance having a reluctance different from that of the rotor to the rotor. An object of the present invention is to provide an IPM motor which suppresses cogging torque and a method of suppressing the cogging torque.
本発明によるIPMモータは、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線を有する複数の突出磁極を備えた輪状ステータと、前記輪状ステータの内側に回転軸を介して設けられたロータと、前記ロータ内に設けられた複数のマグネットと、前記ロータに形成され前記各マグネットに対応するロータ極部と、を備え、前記ステータ巻線の励磁により前記ロータを回転させるようにし、前記ロータの前記マグネットが設けられていない前記各ロータ極部には、前記ロータとは磁気抵抗が異なる1個もしくは複数の磁気抵抗の異なる第1、第2部分が形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第1、第2部分を有しない前記ロータよりもコギングトルクの発生が抑制されている構成としたIPSモータにおいて、前記磁気抵抗の異なる第1部分は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータのロータ外周面の近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第2部分は、長方形よりなると共に、その外周壁は直線ではなくロータ外周面に沿って弧状に形成されていると共に前記各第1部分間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第1、第2部分は、前記ロータのロータ外周面の内側に位置している構成であり、また、本発明によるIPMモータのコギングトルクの抑制方法は、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線を有する複数の突出磁極を備えた輪状ステータと、前記輪状ステータの内側に回転軸を介して設けられたロータと、前記ロータ内に設けられた複数のマグネットと、前記ロータに形成され前記各マグネットに対応するロータ極部と、を備え、前記ステータ巻線の励磁により前記ロータを回転させるようにし、前記ロータの前記マグネットが設けられていない前記各ロータ極部には、前記ロータとは磁気抵抗が異なる1個もしくは複数の磁気抵抗の異なる第1、第2部分が形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第1、第2部分を有しない前記ロータよりもコギングトルクの発生が抑制されているIPMモータのコギングトルクの抑制方法において、前記磁気抵抗の異なる第1部分は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータのロータ外周面の近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第2部分は、長方形よりなると共に、その外周壁は直線ではなくロータ外周面に沿って弧状に形成されていると共に前記各第1部分間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第1、第2部分は、前記ロータのロータ外周面の内側に位置している方法である。 An IPM motor according to the present invention comprises an annular stator provided with a plurality of projecting magnetic poles projecting inward at predetermined angular intervals and having a stator winding, and a rotor provided inside the annular stator via a rotation shaft. And a plurality of magnets provided in the rotor, and rotor pole portions formed on the rotor and corresponding to the respective magnets, wherein the rotor is rotated by excitation of the stator winding , In each of the rotor pole portions where the magnet of the rotor is not provided , the first and second portions of one or more magnetic resistances different in magnetic resistance from the rotor are formed, whereby the magnetism is achieved. first of different resistance in IPS motor the rotor cogging torque than no is the configuration that is suppressed second portion, said magnetoresistance Different first portions of circular, polygonal and elliptical or close to the rotor outer peripheral surface of the rotor with either the more the through-hole or recess of shape combining them, second that different said magnetoresistive, The portion is rectangular and the outer peripheral wall thereof is not straight but is arc-shaped along the outer peripheral surface of the rotor and is located between the first portions, and the first and second portions of the magnetic resistance are different from each other. The method for suppressing cogging torque of an IPM motor according to the present invention has a configuration in which the cogging torque of the IPM motor according to the present invention protrudes inward at a predetermined angular interval and has a stator winding. and annular stator having a plurality of protruding poles, a rotor which is provided through a rotating shaft inside the annular stator, and a plurality of magnets provided in the rotor, the rotor Is formed and a rotor pole portion corresponding to the respective magnets, to rotate the rotor by excitation of the stator windings, to each rotor pole section the magnet is not provided in the rotor, By forming one or a plurality of different first and second portions of reluctance different in reluctance from the rotor, the cogging is more than that of the rotor not having the first and second portions different in reluctance. In the method of suppressing cogging torque of an IPM motor in which generation of torque is suppressed, the first portion different in magnetic reluctance is a circle, a polygon and an ellipse, or any one of a through hole or a recess having a shape combining them. And the second portion of the magnetic reluctance , which is located near the rotor outer peripheral surface of the rotor , is rectangular and its outer peripheral wall is straight. And the first and second portions having different magnetic resistances are located inside the rotor outer peripheral surface of the rotor. It is a method that
本発明によるIPMモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線を有する複数の突出磁極を備えた輪状ステータと、前記輪状ステータの内側に回転軸を介して設けられたロータと、前記ロータ内に設けられた複数のマグネットと、を備え、前記ステータ巻線の励磁により前記ロータを回転させるようにしたIPMモータにおいて、前記ロータの前記マグネットが設けられていない領域には、前記ロータとは磁気抵抗の異なる1個もしくは複数の磁気抵抗の異なる部分(例えば貫通穴)が形成されていることにより、前記ロータよりもコギングトルクの発生が抑制されている構成としたことにより、図11で示されように、コギングトルクが抑制され、サーボモータとして利用できることにより、IPMモータの大トルクを用いて、従来用いられなかった分野の製品にもIPMモータの展開が可能となる。また、より一層、コギングトルクの細かい抑制の制御が可能となる。また、前記磁気抵抗の異なる部分(例えば貫通穴)は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかよりなることにより、個々のIPMモータのコギングトルクの細かい調整が可能となる。
また、前記磁気抵抗の異なる部分が長方形よりなり、その外周壁は直線ではなくロータ外周面に沿って弧状に形成されていることにより、長方形としての容積を極力大型化できる。
The IPM motor and the method for suppressing the cogging torque according to the present invention are configured as described above, and therefore the following effects can be obtained.
That is, an annular stator provided with a plurality of projecting magnetic poles projecting inward at a predetermined angular interval and having a stator winding, a rotor provided inside the annular stator via a rotation shaft, and inside the rotor A plurality of magnets provided in the plurality of magnets, and in the IPM motor in which the rotor is rotated by excitation of the stator winding, the rotor and the magnet are magnetic in a region where the magnets of the rotor are not provided. This is shown in FIG. 11 by having a configuration in which generation of cogging torque is suppressed more than that of the rotor by forming one or a plurality of different parts of the magnetic resistance (for example, through holes) having different resistances. As described above, the cogging torque is suppressed and can be used as a servomotor, so that the large torque of the IPM motor can be used to It is possible the deployment of an IPM motor in the product areas that have not been. In addition, it becomes possible to control the suppression of the cogging torque even more. In addition, it is possible to finely adjust the cogging torque of each IPM motor by forming different parts of the magnetic reluctance (for example, through holes) into any of a circle, a polygon and an ellipse, or a shape combining them. .
Further, since the portions having different magnetic resistances are rectangular and the outer peripheral wall thereof is not straight but formed in an arc shape along the outer peripheral surface of the rotor, the volume as the rectangular can be increased as much as possible.
本発明は、ロータに、磁気抵抗の異なる部分(例えば貫通穴)を用いることによりコギングトルクを抑制することである。 The present invention is to suppress cogging torque by using different parts of the magnetic resistance (for example, through holes) in the rotor.
以下、図面と共に本発明によるIPMモータ及びそのコギングトルクの抑制方法の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図1において、符号5で示されるものは、所定角度間隔で内方へ向けて突出しステータ巻線6Aを有する突出磁極6を複数個有する輪状ステータであり、この輪状ステータ5の内側には、回転軸1に設けられたロータ2が回転自在に設けられている。
The preferred embodiments of the IPM motor and its cogging torque suppression method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
The same or equivalent parts as in the conventional example will be described with the same reference numerals.
In FIG. 1, reference numeral 5 denotes a ring-shaped stator having a plurality of projecting
前記ロータ2内の回転軸1側には複数のマグネット4が埋設される状態で内設されており、前記ロータ2の外径からなる外周面2Aと前記輪状ステータ5の内径からなる内周面5Aとの間には、わずかな隙間からなり、前記ロータ2が回転できる程度で、かつ、全周にわたり同一のギャップ10Aが形成されている。
A plurality of
前記ロータ2の各ロータ極部2Bの外周縁2Dの前記マグネット4が形成されていない領域には、前記ロータ2とは磁気抵抗が異なる状態からなる磁気抵抗の異なる第1部分(例えば、一対の円形の貫通穴)20が形成されており、この磁気抵抗の異なる第1部分20は、円形の丸穴であるが、例えば、図示しない多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の何れかとすることもできる。また、この貫通穴20には空気穴だけとする構成の他に、溝や凹部、さらには、前記ロータ2とは磁気抵抗の異なる物質を埋め込んでもよい。尚、図1及び図4のように、前記ロータ極部2Bは、前記マグネット4に対応している。さらに、前記第2部分20Aは、図5のように、各第1部分20,20間に位置している。
In the region where the
前記第1部分である前記貫通穴20(空気穴)を用いることで、この部分の磁気抵抗が大となり、図11で示される磁束線と磁束密度の特性が改良され、結果的に、コギングトルクの大きさが図11で示されるように改良されることになる。従って、ギャップ磁束密度波形のうち、ギャップ磁束密度をコントロールし、ひとつの磁石がステータと引き合う力の波形のうち、磁石極数とステータスロット数の最小公倍数の整数倍の成分を減らすことが出来れば、そのモータの形状による論理的なコギングは低下する。そのため、前記磁気抵抗の異なる第1部分20のロータ2における形成位置を選択することにより、コギングトルクの発生状態を任意にコントロールすることができる。
By using the through hole 20 (air hole) which is the first portion, the magnetic resistance of this portion is increased, the characteristics of the magnetic flux lines and the magnetic flux density shown in FIG. 11 are improved, and as a result, the cogging torque Will be improved as shown in FIG. Therefore, if it is possible to control the gap magnetic flux density in the gap magnetic flux density waveform and reduce the component of an integral multiple of the least common multiple of the number of magnet poles and the number of stator slots in the waveform of the force of one magnet attracting the stator , Logical cogging due to the shape of the motor is reduced. Therefore, the generation state of the cogging torque can be arbitrarily controlled by selecting the formation position in the rotor 2 of the
図4は、前述の図1の他の形態を示す要部の拡大図であり、前記ロータ2のロータ極部2Bにおける前記各磁気抵抗の異なる第1部分(例えば、貫通穴)20の間に図1とは形状の異なる長方形に近い形状の磁気抵抗の異なる第2部分20Aを形成すると、さらに有効な構成となる。
FIG. 4 is an enlarged view of an essential part showing another form of FIG. 1 described above, between the different first portions (for example, through holes) 20 of the respective magnetic resistances in the rotor pole portion 2B of the rotor 2 A more effective configuration can be obtained by forming the
前記磁気抵抗の異なる第2部分20Aの前記ロータ外周面2aに近い位置の外周壁20Aaは直線ではなく、前記ロータ外周面2aに沿って平行な状態となるように弧状に形成されて空隙としての面積を大とし、直線とした場合よりもさらに大きい容積が確保できるように構成されている。尚、前記第1、第2部分20,20Aは、前記外周面2aの内側でかつ、外周面2aの近くに形成されている。
The outer peripheral wall 20Aa at a position close to the rotor outer peripheral surface 2a of the
次に、前述の本発明によるIPMモータ及びそのコギングトルクの抑制方法の要旨とするところは、次の通りである。
すなわち、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線6Aを有する複数の突出磁極6を備えた輪状ステータ5と、前記輪状ステータ5の内側に回転軸1を介して設けられたロータ2と、前記ロータ2内に設けられた複数のマグネット4と、前記ロータ2に形成され前記各マグネット4に対応するロータ極部2Bと、を備え、前記ステータ巻線6Aの励磁により前記ロータ2を回転させるようにし、前記ロータ2の前記マグネット4が設けられていない前記各ロータ極部2Bには、前記ロータ2とは磁気抵抗が異なる1個もしくは複数の磁気抵抗の異なる第1、第2部分20,20Aが形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第1、第2部分20,20Aを有しない前記ロータ2よりもコギングトルクの発生が抑制されている構成としたIPMモータにおいて、前記磁気抵抗の異なる第1部分20は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータ2のロータ外周面2aの近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第2部分20Aは、長方形よりなると共に、その外周壁20Aaは直線ではなくロータ外周面2aに沿って弧状に形成されていると共に前記各第1部分20,20間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第1、第2部分20,20Aは、前記ロータ2のロータ外周面2aの内側に位置している構成であり、また、本発明によるIPMモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、所定角度間隔で内方へ向けて突出すると共にステータ巻線6Aを有する複数の突出磁極6を備えた輪状ステータ5と、前記輪状ステータ5の内側に回転軸1を介して設けられたロータ2と、前記ロータ2内に設けられた複数のマグネット4と、を備え、前記ステータ巻線6Aの励磁により前記ロータ2を回転させるようにし、前記ロータ2の前記マグネット4が設けられていない前記各ロータ極部2Bには、前記ロータ2とは磁気抵抗が異なる1個もしくは複数の磁気抵抗の異なる第1、第2部分20,20Aが形成されていることにより、前記磁気抵抗の異なる第1、第2部分20,20Aを有しない前記ロータ2よりもコギングトルクの発生が抑制されているIPMモータのコギングトルクの抑制方法において、前記磁気抵抗の異なる第1部分20は、円形、多角形及び楕円、またはそれらを組み合わせた形状の貫通穴又は凹部の何れかよりなると共に前記ロータ2のロータ外周面2aの近くに位置し、前記磁気抵抗の異なる第2部分20Aは、長方形よりなると共に、その外周壁20Aaは直線ではなくロータ外周面2aに沿って弧状に形成されていると共に前記各第1部分20,20間に位置し、前記磁気抵抗の異なる第1、第2部分20,20Aは、前記ロータ2のロータ外周面2aの内側に位置している方法である。
Next, the summary of the IPM motor and the method for suppressing the cogging torque according to the present invention described above is as follows.
That is, an annular stator 5 having a plurality of projecting
本発明によるIPMモータ及びそのコギングトルクの抑制方法は、ロータのロータ極部ロータの磁気抵抗とは異なる部分である磁気抵抗の異なる部分を形成することにより、円周方向におけるギャップ磁束密度の変化を細かくコントロールし、コギングトルクを抑制して低減化し、IPMモータのサーボ制御化を実現できる。 The IPM motor and the method for suppressing the cogging torque according to the present invention form a change in gap magnetic flux density in the circumferential direction by forming a different portion of magnetic reluctance which is a portion different from the reluctance of the rotor pole rotor of the rotor. Fine control can be performed to suppress and reduce cogging torque, and servo control of the IPM motor can be realized.
1 回転軸
2 ロータ
2a ロータ外周面
2A 外周面
2B ロータ極部
2D 外周縁
4 マグネット
5 輪状ステータ
5A 内周面
5E 内壁面
6 突出磁極
6A ステータ巻線
6B 直線面部分
6C 円弧部
6Ba 曲線面部分
10 ギャップ部
10A ギャップ
20,20A 磁気抵抗の異なる第1、第2部分(貫通穴)
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