JPH11178254A - 永久磁石形モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 界磁用永久磁石の各極を構成する永久磁石の
磁気中心が幅方向中心と一致しない場合であっても、コ
ギングトルクを低減する。 【解決手段】 回転子１２を、ヨーク部１５の外周面に
６極の分割永久磁石１６ａ〜１６ｆを装着して構成す
る。６極の分割永久磁石１６ａ〜１６ｆはのうちＮ極を
構成する分割永久磁石１６ａ，１６ｓ，１６ｅの磁気的
中心Ｍを幅方向中心Ｇよりも一方向回転側所定寸法Ｘだ
けずれている。また、Ｓ極を構成する分割永久磁石１６
ｂ，１６ｄ，１６ｆの磁気的中心Ｍは幅方向中心Ｇより
も所定寸法Ｘだけ矢印Ａ方向とは反対の回転方向側にず
れている。このため、隣接するＮ，Ｓ極のコギングトル
クが互いに打ち消すようになるため、モータ全体として
のコギングトルクを低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、トルクむら
の減少化を図った永久磁石形モータに関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】永久磁石形モータにお
いては、界磁用永久磁石として空隙磁束密度が大きくな
るような高性能永久磁石を用いることによりモータ発生
トルクを増加させ、以て、高効率化、小形軽量化を図っ
ている。しかし、永久磁石形モータのコギングトルクは
空隙磁束密度の二乗に比例するため、高性能永久磁石を
用いるとコギングトルクも増大するという問題があっ
た。特に、永久磁石形モータを、回転精度や位置決め精
度が要求される例えば揺動モータとして利用する場合に
は、コギングトルクの増大は問題となる。

【０００３】そこで、高性能永久磁石を用いた場合であ
ってもコギングトルクの増大を抑えるために、例えば、
図８に示す回転子１のように、蒲鉾形状をなす複数個
（図では６個）の分割永久磁石２ａを、円筒状のヨーク
部３の外周面に略等間隔に配設することにより界磁用永
久磁石２を構成する方法が採用されている。

【０００４】上記蒲鉾形状の分割永久磁石２ａにおいて
は、その表面磁束密度波形が、図９に示すような高調波
成分のない略正弦波形状となる。コギングトルクは、回
転子及び固定子間の空隙磁束密度波形の高調波成分によ
り発生するため、上記表面磁束密度波形が略正弦波形状
となる分割永久磁石２ａを用いた回転子１を採用するこ
とにより空隙磁束密度波形の高調波成分が減少し、コギ
ングトルクの低減を図ることができる。

【０００５】そして、図８に示す回転子１のように、各
分割永久磁石２ａの磁気的中心（図８中、点Ｍで示す）
と、その分割永久磁石２ａの円周に沿う幅方向中心（い
わゆる機械的中心。図８中、線分Ｇで示す）とが略一致
していて、各分割永久磁石２ａの表面磁束密度波形が略
同じ形状である場合は、モータ全体のコギングトルクも
小さくなる。

【０００６】コギングトルクの分布は周期的であるた
め、磁極ピッチの２倍の機械角を基本周期とする周波数
成分の合成としてとらえることができる。例えば、６極
の永久磁石を有した回転子１と、１９スロットを有する
固定子とを組合わせて永久磁石形モータを構成した場合
（図２参照）のコギングトルク波形は、図１０に示すよ
うになる。

【０００７】ところで、コギングトルクの大小は、分割
永久磁石間の寸法ばらつきや各分割永久磁石の表面磁束
密度波形の形状ばらつきに起因する。そして、永久磁石
は、成形方法や加工方法等により磁気的中心が機械的中
心と一致しない場合が多い。そのため、実際には、界磁
用永久磁石を構成する個々の分割永久磁石の表面磁束密
度波形の形状がばらつく場合が多い。特に、従来は、各
分割永久磁石の表面磁束密度波形の形状ばらつきを考慮
することなくランダムに組み合わせている。このランダ
ムな組合わせにより、例えば図１１に示すような回転子
４が構成されたとする。

【０００８】この回転子４は、磁気的中心Ｍが幅方向中
心Ｇと略一致する３個の分割永久磁石５ａと、磁気的中
心Ｍと幅方向中心Ｇとが一致しない３個の分割永久磁石
５ｂとをヨーク部６の外周面にランダムに配設して界磁
用永久磁石５を構成した例を示している。この場合、分
割永久磁石５ｂにおいては、両中心Ｍ，Ｇと回転中心Ｏ
とのなす角度が例えば５．５°程度となっている。そし
て、図１２は、磁気的中心Ｍと幅方向中心Ｇとが一致し
ない分割永久磁石５ｂの表面磁束密度波形を示してい
る。

【０００９】このような構成の回転子４を１９スロット
の固定子とを組み合わせてモータを構成した場合のコギ
ングトルク波形を図１３に示す。この図１３と上記図１
０との比較から明らかなように、回転子４に対応するコ
ギングトルク波形は回転子１に対応するコギングトルク
波形に比べて振幅のばらつきが大きく、またコギングト
ルクの大きさも大きいため、回転子４の場合の方が回転
子１の場合に比べてコギングトルク特性が５０％程度悪
化している。

【００１０】このように、従来の永久磁石形モータにお
いては、界磁用永久磁石として蒲鉾形状の分割永久磁石
を採用することによりコギングトルクの低減を図った場
合であっても、各分割永久磁石の表面磁束密度波形の形
状のばらつきによっては、十分なコギングトルクの低減
効果が得られないという問題があった。

【００１１】従って、本発明の目的は、界磁用永久磁石
の各極を構成する永久磁石の磁気中心が幅方向中心と一
致しない場合であっても、コギングトルクを低減するこ
とができる永久磁石形モータを提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
永久磁石形モータは、回転子を構成する界磁用永久磁石
のＮ極を構成する永久磁石の円周に沿う幅方向中心に対
する磁気的中心のずれと、Ｓ極を構成する永久磁石の円
周に沿う幅方向中心に対する磁気的中心のずれとを、互
いに逆方向に同等量になるように構成したところに特徴
を有する。

【００１３】コギングトルクの分布は周期的であり、磁
極ピッチの２倍の機械角を基本周期とする周波数成分の
合成ととらえることができる。上記構成によれば、隣接
するＮ，Ｓ極のコギングトルク波形のピークが幅方向中
心に関し逆方向に同量ずれるため、隣接するＮ，Ｓ極の
合成コギングトルクのピーク値が低減し、その結果、モ
ータ全体のコギングトルクを低減させることができる。

【００１４】そのため、前記永久磁石形モータを、回転
子を所定回転角度の範囲内で正逆回転させるために固定
子に巻回されたコイルへの通電方向を反転させて行う構
成であって回転精度や位置決め精度が要求される揺動モ
ータとして構成すると良い（請求項２の発明）。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例を図
１ないし図５を参照して説明する。まず、図２は、本実
施例にかかる単相６極の永久磁石形モータの固定子１１
及び回転子１２の平面図を示している。この図２におい
て、まず、固定子１１は１９個のスロットＳ及び１９個
のティースＴを有している。即ち、本実施例において
は、回転子１２の各極に対応する固定子１１のスロット
Ｓの数は分数となる。また、このとき、図２に示すよう
に、固定子１１のコイル１３を構成する６個のコイル片
１３ａ〜１３ｆのうち５個のコイル片１３ａ，１３ｂ，
１３ｄ〜１３ｆは２スロットピッチで巻回され、１個の
コイル片１３ｃは３スロットピッチで巻回されている。

【００１６】そして、コイル片１３ａ〜１３ｆは、隣接
するもの同士が異なる磁極を発生するように互いに接続
されてコイル１３として形成し、その両端部１３ｇ，１
３ｇが導出されている。これにより、例えばコイル１３
の両端子１３ｇ，１３ｇ間に通電すると、コイル片１３
ａ〜１３ｆは交互に異なる磁極を発生するようになり、
通電方向を切り換えると、各コイル片１３ａ〜１３ｆに
より発生する磁極も反転するように構成されている。

【００１７】尚、ここでは詳しい説明は省略するが、前
記永久磁石形モータは例えば半導体素子のワイヤボンデ
ィング装置に用いられ、回転子１２を所定回転角度（無
負荷の場合：６０°程度，負荷有りの場合：１０°〜１
５°程度）の範囲内で正逆回転させるためにコイル１３
への通電方向を反転させて行う構成の揺動モータとして
利用されるものである。

【００１８】一方、回転子１２は、図１に示すように、
回転軸１４と、この回転軸１４の外周部に位置する円筒
状をなすヨーク部１５と、このヨーク部１５の外周面に
略等間隔に装着された６極の分割永久磁石１６ａ〜１６
ｆとから構成されている。これら６極の分割永久磁石１
６ａ〜１６ｆから回転子１２の界磁用永久磁石１６が構
成される。

【００１９】このとき、６極の分割永久磁石１６ａ〜１
６ｆは、次のような磁気的特性を有するものが選択的に
配設されている。即ち、６個の分割永久磁石１６ａ〜１
６ｆのうちのＮ極を構成する分割永久磁石１６ａ，１６
ｃ，１６ｅは、その磁気的中心（図１中、点Ｍにて示
す）が円周に沿う幅方向中心（図１中、線分Ｇにて示
す）よりも一方向回転側（この場合、矢印Ａで示す回転
方向側）に角度Ｘ°ずれているものが選択されている。
また、Ｓ極を構成する分割永久磁石１６ｂ，１６ｄ，１
６ｆは、その磁気的中心Ｍが幅方向中心Ｇよりも角度Ｘ
°、矢印Ａ方向とは反対の回転方向側にずれているもの
が選択されている。尚、この場合の角度Ｘ°は、各分割
永久磁石１６ａ〜１６ｆの機械角に対して１ないし１０
％の範囲とされている。

【００２０】さて、上記構成の永久磁石形モータにおい
て、たとえば隣接するＮ及びＳ極の分割永久磁石１６ａ
及び１６ｂがそれぞれ固定子１１の１ティースＴ分を移
動する際のコギングトルクを考える。これら隣接する
Ｎ，Ｓ極の分割永久磁石１６ａ，１６ｂの磁気的中心Ｍ
は、それぞれ幅方向中心Ｇに対して逆方向に同等量ずれ
ている。そのため、各分割永久磁石１６ａ，１６ｂのコ
ギングトルクと回転角度との関係は図３に実線及び破線
で示すようになり、コギングトルク波形がずれる。尚、
回転子１２の回転方向に関わらず、分割永久磁石１６
ａ，１６ｂの一方が実線で示すコギングトルク波形とな
り、他方が破線で示すコギングトルク波形となる。

【００２１】これに対して、Ｎ，Ｓ極の全ての分割永久
磁石が、磁気的中心Ｍと幅方向中心Ｇとが略一致する回
転子１（図８参照）を上記固定子１１と組み合わせた場
合を考える。この場合、隣接するＮ，Ｓ極の分割永久磁
石が１ティースＴ分を移動する際のコギングトルクと回
転角度との関係は、いずれも図５に示す形状となり、両
Ｎ，Ｓ極のコギングトルク波形は一致する。

【００２２】ここで、各極とスロットとの関係が整数ス
ロットである場合の隣接するＮ，Ｓ極の合成コギングト
ルクを考える。この場合は、各極に対して各ティースＴ
が位相差をもたないため、同じ回転角度における各極の
コギングトルクを足し合わせることにより合成コギング
トルクは求められる。従って、隣接するＮ，Ｓ極がいず
れも磁気的中心Ｍと幅方向中心Ｇとが略一致する場合の
合成コギングトルクの波形は、図５に示すコギングトル
ク波形を縦軸方向に２倍したものとなる。そして、この
場合は、各極のコギングトルク波形の場合と同様に、合
成コギングトルク波形のピークは回転角度が２０°から
３０°及び３０°から４０°のところに位置し、回転角
度が０°，３０°，６０°のときコギングトルクレベル
が０となる。

【００２３】これに対して、隣接するＮ，Ｓ極の磁気的
中心Ｍが幅方向中心Ｇに対して逆方向に同等量ずれてい
る場合の合成コギングトルクは、図３に実線及び破線で
示すコギングトルクを足し合わせることになる。この場
合は、各極のコギングトルク波形はずれているため、合
成コギングトルクのピークが各極のコギングトルクのピ
ークからずれ、回転角度として２０°付近及び４０°付
近に位置するようになる。また、回転角度が３０°のと
き、各極のコギングトルクの大きさは同じで且つ正負が
逆であるため、合成コギングトルクが０となり、結局、
この場合も回転角度が０°，３０°，６０°のときコギ
ングトルクレベルが０となる。

【００２４】以上のことから、隣接するＮ，Ｓ極の磁気
的中心Ｍが幅方向中心Ｇに対して逆方向に同等量ずれて
いる場合の合成コギングトルク波形は、磁気的中心Ｍが
幅方向中心Ｇと略一致する場合の合成コギングトルク波
形に類似した形状となる。そのため、個々の分割永久磁
石でみた場合、磁気的中心Ｍが幅方向中心Ｇからずれて
いる場合であっても、そのずれ量やずれ方向を上記構成
とすることにより、すべての分割永久磁石の磁気的中心
Ｍと幅方向中心Ｇとが一致する場合と類似したコギング
トルク特性を得ることができる。

【００２５】しかも、Ｎ，Ｓ極の磁気的中心Ｍの幅方向
中心Ｇに対するずれが逆方向であるため、各極のコギン
グトルク波形がずれる。そのため、同じ形状のコギング
トルク波形を単純に合成する場合に比べて合成コギング
トルクの値が小さくなる。特に、各極のコギングトルク
波形のピークがずれるため、合成コギングトルクのピー
ク値が、各極のコギングトルクのピーク値を足し合わせ
た値よりも小さくなる。従って、磁気的中心Ｍが幅方向
中心Ｇからずれることによって各極に磁気的アンバラン
スが生じ、その結果、各極に発生するコギングトルクが
増大しても、合成コギングトルクの大きさとして考える
と、その増大分を打ち消すことができ、コギングトルク
の低減を図ることができる。

【００２６】一方、本実施例の永久磁石形モータは、分
数スロットである。分数スロットにおいては、各極に対
して各ティースが位相差をもつため、隣接するＮ，Ｓ極
のコギングトルク波形に位相差が生じる。そのため、隣
接するＮ，Ｓ極のコギングトルク波形が同じ場合は、位
相差により各極のコギングトルク波形がずれ、合成コギ
ングトルクは整数スロットの場合よりも小さくなる。従
って、上記した回転子１のようにＮ，Ｓ極のすべてにつ
いて磁気的中心Ｍと幅方向中心Ｇとが一致する場合、或
いは、Ｎ，Ｓ極のすべてについて磁気的中心Ｍが幅方向
中心Ｇに対して同じ方向に同等量ずれる場合は、分数ス
ロットの場合の合成コギングトルクは整数スロットの場
合よりも小さくなる。

【００２７】ところが、隣接するＮ，Ｓ極の磁気的中心
Ｍが幅方向中心Ｇに対して異なる量ずれている場合、或
いは、ずれ量は同じであるが逆方向にずれている場合
は、各極のコギングトルク波形は整数スロットの場合で
あってもずれた形状となる。そのため、位相差によって
コギングトルク波形のずれがさらに大きくなったり、或
いは、コギングトルク波形のずれが位相差に打ち消され
て反って小さくなったりすることになる。

【００２８】そのため、回転子全体としてＮ，Ｓ極の磁
気的中心Ｍの幅方向中心Ｇに対するずれ量やずれる方向
に統一性がなくランダムに組み合わされている場合は、
分数スロットを採用しても合成コギングトルクが小さく
なるとは一概には言えず、かえって大きくなる場合もあ
った。

【００２９】しかし、本実施例の場合は、磁気的中心Ｍ
が幅方向中心Ｇに対して逆方向に同等量ずれるＮ，Ｓ極
を交互に配置した。そのため、一つの分割永久磁石、例
えばＮ極の分割永久磁石１６ａのコギングトルク波形に
注目すると、位相差により隣接する分割永久磁石１６
ｂ，１６ｆのいずれか一方のコギングトルク波形とのず
れは必ず大きくなる。従って、分数スロットを採用する
ことにより、コギングトルクを小さくすることができ
る。

【００３０】ここで、本実施例の永久磁石形モータにお
けるコギングトルク波形を図４に示す。因みに本発明者
の実験結果によれば、本実施例の固定子１１に対して、
図８に示す回転子１を組み合わせた場合（図１０に示す
コギングトルク波形参照）、本実施例の回転子１２を組
み合わせた場合、図１１に示す回転子４を組み合わせた
場合（図１３に示すコギングトルク波形参照）、各々の
コギングトルク特性は次のような値を示すことがわかっ
た。尚、ここでは回転子１を組み合わせた場合のコギン
グトルク特性を１００％とする。また、このとき、本実
施例のコイルの抵抗値は図及び図のものと同じレベルで
且つ通電電流のレベルも同一とする。

【００３１】 図８に示す回転子１ １００％ （すべての分割永久磁石の機械的中心と磁気的中心とが略一致する場合） 本実施例の回転子１２ １１０％ 図１１に示す回転子４ １２５〜１５０％ （分割永久磁石の機械的中心と磁気的中心が不一致で且つ、配列がランダム） この結果から明らかなように、本実施例の永久磁石形モ
ータは、図８に示す回転子１の場合よりは劣るものの、
図１１に示す回転子４と比べると、コギングトルク特性
を約１５〜４０％低減することができる。しかも、コギ
ングトルク波形の形状をみても、図８に示す回転子１の
場合のコギングトルク波形と同様に、振幅のばらつきを
少なくすることができる。

【００３２】従って、成形方法や加工等により分割永久
磁石の磁気的中心Ｍが幅方向中心Ｇに対してずれてしま
うという事情があっても、本実施例のように、隣接する
Ｎ，Ｓ極の磁気的中心Ｍが幅方向中心Ｇに対して逆方向
に同等量ずれるように各分割永久磁石１６ａ〜１６ｆを
選択的に配置することにより、コギングトルクの低減化
を図ることができる。そのため、特に揺動モータに要求
される回転精度や位置決め精度を向上することができ
る。

【００３３】図６及び図７は、本発明の第２の実施例を
示しており、第１の実施例と異なるところを説明する。
尚、第１の実施例と同一部分には同一符号を付してい
る。本実施例は、３相４極の永久磁石形モータに適用し
たものである。即ち、固定子１１は１５個のスロットＳ
及び１５個のティースＴを有している。また、回転子１
２は、ヨーク部１５の外周面に界磁用永久磁石２１を構
成する４極の分割永久磁石２１ａ〜２１ｄを装着して構
成されている。そして、この場合も、Ｎ極を構成する分
割永久磁石２１ａ，２１ｃの磁気的中心Ｍは幅方向中心
Ｇに対して矢印Ａで示す回転方向側にＹ°だけずれてい
る。また、Ｓ極を構成する分割永久磁石２１ｂ，２１ｄ
の磁気的中心Ｍは幅方向中心Ｇに対して矢印Ａで示す回
転方向と反対側にＹ°だけずれている。

【００３４】このような構成の本実施例においても上記
第１の実施例と同様の作用効果を得ることができる。
尚、本発明は、揺動モータ以外の永久磁石形モータにも
適用できる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の永久磁石
形モータによれば、界磁用永久磁石のうちのＮ極を構成
する永久磁石の円周に沿う幅方向中心に対する磁極中心
のずれと、Ｓ極を構成する永久磁石の円周に沿う幅方向
中心に対する磁極中心のずれとを、隣接する永久磁石相
互の関係において互いに逆方向に同等量となるように配
置したので、隣接するＮ，Ｓ極のコギングトルク波形が
ずれるので、合成コギングトルクのピーク値を低減する
ことができ、その結果、回転精度、位置決め精度を向上
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す永久磁石形モータ
の回転子の平面図

【図２】永久磁石形モータの固定子及び回転子の平面図

【図３】磁気的中心と幅方向中心とがずれる分割永久磁
石を固定子の１ティースが移動する際のコギングトルク
波形を示す図

【図４】永久磁石形モータ全体のコギングトルク波形を
示す図

【図５】磁気的中心と中方向中心とが一致する分割永久
磁石を固定子の１ティースが移動する際のコギングトル
ク波形を示す図

【図６】本発明の第２の実施例を示す図２相当図

【図７】図１相当図

【図８】本発明と比較するための回転子であって各極の
永久磁石の磁気的中心と幅方向中心とが一致する界磁用
永久磁石を備えたものの平面図

【図９】磁気的中心と幅方向中心とが一致する永久磁石
の表面磁束密度波形を示す図

【図１０】図８に示す回転子を１９スロットの固定子と
組み合わせた場合のコギングトルク波形を示す図

【図１１】本発明と比較するための別の回転子であって
各極の永久磁石の磁気的中心と幅方向中心との位置関係
がばらついている界磁用永久磁石を備えたものの平面図

【図１２】磁気的中心が幅方向中心に対してずれている
永久磁石の表面磁束密度波形を示す図

【図１３】図１１に示す回転子を１９スロットの固定子
と組み合わせた場合のコギングトルク波形を示す図

【符号の説明】

図中、１２は回転子、１６，２１は界磁用永久磁石、１
６ａ〜１６ｆ，２１ａ〜２１ｄは分割永久磁石（各極を
構成する永久磁石）を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 界磁用永久磁石を有する回転子を備えた
   永久磁石形モータにおいて、 前記界磁用永久磁石のうちのＮ極を構成する永久磁石の
   円周に沿う幅方向中心に対する磁気的中心のずれと、Ｓ
   極を構成する永久磁石の円周に沿う幅方向中心に対する
   磁気的中心のずれとを、隣接する永久磁石相互の関係に
   おいて互いに逆方向に同等量となるように構成したこと
   を特徴とする永久磁石形モータ。
2. 【請求項２】 請求項１の永久磁石形モータは、回転子
   を所定回転角度の範囲内で正逆回転させるために固定子
   に巻回されたコイルへの通電方向を反転させて行う構成
   の揺動モータであることを特徴とする永久磁石形モー
   タ。