JPS6135143A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、永久磁石回転電機の巻線用溝あるいは補助溝
の幅に関するもので、特にコギングトルクを低減しうる
忙好適な溝幅を有する永久磁石回転電機を提供するにあ
る。

〔発明の背景〕

突極磁極を有する回転電機、特にブラシレスモータにお
けるトルク変動には、突極磁極間の巻線用溝に起因する
コギングトルクと巻線に誘起する電圧の直流分が一定で
ないことによって生じる脈動トルクとがある。このコギ
ングトルクを低減する方法として突極磁極表面に補助溝
を設け、コギングトルクの次数を高次にして低減するこ
とが実開昭５０−３２５０２号公報に開示されている。

一方、同様の目的で補助溝や巻線用溝のピッチに合せて
永久磁石界磁あるいは電機子部のいずれかをスキューす
る方法が特開昭５６−１５３９６１号公報に開示されて
いる。

後者公報の記載技術でもコギングトルクを低減しうるが
、スキューをすることによって、かえって不具合点が生
じてしまうものである。すなわち、脈動トルクが大にな
ること、電機子部をスキューすると巻線作業が難かしく
なり、かつ占積率も落ちること、永久磁石磁極をスキュ
ー着磁する場合には、分割した磁石間のスキマがスキュ
ーに影響を与え、いずれもコギングトルクの低減が不十
分であること、更には生産性の点で好ましくないこと等
問題点を含んでいる。

〔発明の目的〕

本発明は前述の諸点に鑑みて、簡単な構成で高次のコギ
ングトルクを十分小さくしうる永久磁石回転電機の新規
な構造を提供することである。

〔発明の概要〕

本発明は、突極磁極もしくけティース部の表面に補助溝
を有した永久磁石回転電機において、突極磁極間あるい
は前記補助溝の幅Ｗをコギングトルクの周期Ｔｃのほぼ
整数倍にしたことを特徴とする。そして、補助溝 ０．１３　Ｔ、　　　　　　　　０．２５　Ｔｃｎ　Ｔ
　６−−−−−＜、Ｗ＜　ｎ　Ｔ　ｅ＋　−−ｎ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｎの範
囲内でも十分低減効果が発揮しうる。

〔発明の実施例〕

第２図は本発明の対象の一つであるモータの断面構造を
示す。図において、回転子たる永久磁石界磁１は４極に
着磁した永久磁石２とヨーク３とで構成する。電機子４
は巻線用突極５１，５２゜５３と補助突極６１，６２．
６３とで構成し、巻線用突極５１，５２．５３にはそれ
ぞれ電機子巻線７１，７２．７３が巻回されている。

この種モータは、回転永久磁石界磁１の位置に応じて電
機子巻線７１，７２．７３への通電を切り替えて連続的
な回転力を得るブラシレスモータに好適である。８ａｌ
　＋　””２　＋　８ａ３　＋　８Ｅ）ｔ　ｌ８ｂ２，
８ｂ３は突極磁極間に位置する巻線用の溝であり、また
、永久磁石磁極２と対向する巻線用突極５１，５２．５
３の外表面にはそれぞれ巻線用溝とほぼ同じ磁気パーミ
アンスを有する補助溝８Ｃ１、ｇｃ２１８　ｃ３１　ｓ
ｃｔ、　ｌ　５ａ２１８　’３　＋　８　ｅｌ　＋　８
　ｅ２　＋　８　ｅ３が設けられている。

次に、この種モータのコギングトルク発生の原理を第３
図に示す。第３図は第２図を周方向に展開して示した。

一般にコギングトルクは永久磁石磁極２の移動に伴って
空隙部９内の磁気エネルギーが変化することによってひ
き起される。この磁気エネルギーの変動の要因は巻線用
の溝にあり、これを軽減するため補助溝を設けている。

第３図において（ａ）は永久磁石磁極展開図を、（ｂ）
は電機子の周方向展開図を、（Ｃ）は空隙磁束密度を示
す。空隙磁束密度は一般に台形状であるが、ここでは基
本渡分のみを示す。この図において、便宜上、実際とは
逆に電機子部４の方が動くものとする。

図においてコギングトルクは一般に次式で表わされる。

ここで　θ；永久磁石磁極に対する電機子部の移動角 Ｅ（の；空隙全体の磁気エネルギー 一方、空隙中の任意の角度ψでの微小体格ｄｖ当りの磁
気エネルギーΔＥ（のけ、 ＝　Ｋｔ　Ｂ−２（ψ、θ）ｄψ　　　　　・・・・・
・・・・（２）　　　、ここで　μ０　；空気の透磁率 Ｂ、（ψ、θ）；空隙の磁束密度 Ｋｉ　　ｉ定数 従って、空隙全体の磁気エネルギーＥψ）はＥ（の＝に
１／Ｂ、２　（ψ、θ）ｄψ　　　・・・・・・・・・
・・・（３）ここで　Ｐ；永久磁石の磁極数 一般に溝がない場合の空隙磁束密度Ｂ（ψ）は高調渡分
に分解され、次式で表わされる。

Ｂ　（９＋）−ΣＢ’ａ　５１ｆｌ　ｎψ　　　　　　
・・・・・・・・・・・・（４）＋＋陶１ ここで　Ｂエ　；Ｂ（→の高調波のピーク値また、空隙
部にはエネルギー関数として次式を定義する。

Ｓ（ψ）＝Ｂ２（ψ） ＝ΣＳ１搬 ｓｉ ニΣ（Ｋｎ　＋　ＳａｍＳｌ［Ｉ　Ｈ２”　９’　）　
　・・・・”・・（５）ＩＩ自１ ここで　８．（→；Ｓ（→の高調渡分 に、（切；Ｓ７（ψ）の直流分 Ｓ、。　；　Ｓ、（ψ）の高―波のピーク値ことで、巻
線用溝、補助溝の磁束密度に対する影響は溝部上の磁束
密度が減少するかもしくは零になると考えられる。そこ
で、溝位置のみ単位とする以下の関数を定義する。　（
第３図（ｄ）に示す）ここで　Ｗ；溝幅 以上の関数を使うことによって溝の存在は、以下のＵ、
ψ）で表示できる。

ｕＩ（の＝ｕ（θ＋ａｌ）＋ｕ　（θ＋ａ２）＋−＝＋
　ｕ　（θ十飽）＝ΣＵ（θ＋α１）　　　　　　・・
・・・・・・・・・・（７）Ｉｌ偶１ ここで、α１．α２Ｉα３．・・・・・・α、；溝位置
従って溝を含めた磁束密度の分布は Ｂｇ（ψ、θ）−（１−ｕｔ（の）　Ｂ　（ψ）　　　
　−−−−−−−−−・−（ｓ）（８）式を（３）式に
代入すると Ｅψ戸ＫＩｆ　　（１−ｕ、ψ））２Ｂ２（ψ）ｄψ”
Ｋｔｆ（１−ｕ、（θ））　Ｂ”　（９））ｄ　ｃｐ・
・・・・・・・・・・・（９） ここで、（９）式の第１項はθの関数にならないため、
（１）式よシ明らかにコギングトルクに影響を与えない
。したがってコギングトルクは ここで、Ｓ（ψ）は溝の影響がない場合のエネルギー関
係を示し、第２図の構造のモータでは、第３図（ｅ）、
　（ｆ）、位）にその基本波、第３次調波、第１５次調
波分を示す。

上記の定義から、次式が導びかれる。

・・・・・・・・・・・・・・・αη 一般に溝幅Ｗが小さい場合、あるいは、エネルギー関数
が低次の場合においては ・・・・・・・・・・・・＠ 四式より、コギングトルクは各調波に分解することがで
きる。

ここで、第３図で示した例では、エネルギー関数の基本
調波から第１４調波に到るまで次式が成立する。

Σ　Ｓ、（θ十α、ｌ　）＝　ｃｏｎｓｔ　　　　　　
・・・・・・・・・・・・（至）６１　＋ｌ よってコギングトルクは生じない。

第１５調波については となり、全ての溝が同相となシ、コギングトルクが発生
する。こめ１５次調波のコギングトルクは基本渡分に比
較すると小さくなっているが、ワウフラッタ等が問題と
なる高性能モータ等は、この１５次調波分を除去するた
めに１５次調波の周期に合わせてスキューする方法もあ
る。

一方、第１５次調波程度に小さくなると、溝幅の影響が
表われ、＠式における１５次成分は、＝　Ｗ４５・５ｔ
ｓ（９’）・ｕ（の Ｕの定義より明らかに ・・・・・・・・・・・・Ｑｅ ここでτ、；永久磁石磁極の円周ピッチ”　１５　・Ｖ
Ｖ’　Ｓ　ａ　１５’　ｃｏｓ３叶θ・５ｉｎ１５・Ｗ
／ｒ、　・ｒｃ　−（１！従って Ｗ＝−・ｎ　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・αηただし、ｎは正の整数 の時に、理論的にコギングトルクは零になる。

上記は第１５次調波で発生する場合について示したが、
一般には、次式がなシ立つ。

Ｗ−２・ｎ　＝　１’　ｅ・ｎ　　　　　・・・・・・
・・・・・・・・・θ梯ｍ；コギング次数 従って、溝幅Ｗをコギングトルクの周期Ｔ０の正の整数
倍にすることによって、理論的に零にしうる。第１図に
コギング周期Ｔｃを溝幅Ｗと一致させた場合の図を示す
。

一方、上記の溝幅Ｗは、一般にはコギングトルクの周期
Ｔ６どの正の整数倍のみだけではなく、その周囲では十
分コギングトルクが小さい範囲であシ、十分使用しうる
。

コギングトルクＴ、の最大値は、Ｑ→より　−Ｗ Ｔ　ａ　＝＝に２　＋Ｗ　１ｓｚｎ　　　　□　πこれ
は、第４図で表わされる。以上の図より、先に述べたよ
うにＷ／Ｔ、　＝ｎ　（ｎ　；正の整数）の場合は明ら
かに零である。

ここで、一般にＷ／Ｔ、　　がＯ−１の範囲に退部した
場合のコギングトルクの最大値（図では約０．５６）の
１／２の値の範囲にＷ／Ｔｃを選択することにより、本
発明の効果が奏され、一方、Ｗ／Ｔ、を１〜２について
考えると、コギングトルクの最大値（図でＩ′ｉ１．５
）の１／２の範囲に選択することによって同じく本発明
の効果が奏されていると考える。以上よ、Ｄ、Ｗ／Ｔ、
＝１の近くでは、本発明のコギングトルクの低減の範囲
は、０．８７　＜　Ｗ／Ｔ、　＜　１．２５　　となる
。

一方、Ｗ／Ｔｃ＝２の場合も同一値の範囲内にするには
、同様に第４図に示すような範囲となる一般には、Ｗ／
Ｔ、＝１．２，３・・・・・・となるにつれて、接線は
、１，２．３・・・・・・となるので、範囲は、１／１
．１／２．１／３　・・・・・・となる。従ってＷ／Ｔ
ｃ＝１の場合、 ０．８７Ｔ、≦Ｗ≦ｉ、２５’ｌ’。

Ｔｅ−０，１３Ｔｃ≦Ｗ≦’ｌ’、＋ｏ、２５Ｔ、　　
　　””・−・−ｍＷ／Ｔ、＝２の場合 ０．１３　　　　　　　　　　　　０．２５２Ｔ、−−
Ｔ、≦Ｗ≦２Ｔ、＋　　−Ｔ、　　・・・・・・（ハ）
ｗ／’ｒ、＝＝ｎの場合 ０．１３　　　　　　　　　　　　０．２５ｎＴ、−−
Ｔ、≦Ｗ≦ｎ’Ｉ’７＋　−Ｔ、　　−・”＠ｎ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｎ以上の範囲
に溝幅を選択することによってコギングトルクを実用上
十分忙低減しうる。

〔発明の効果〕

以上説明したようえ本発明によれば、スキューをする必
要がなく、コギングトルクを低減することができ、高性
能でしかも生産性の高い永久磁石回転電機を提供するこ
とができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す拡大構造図、第２図は
本発明が適用される回転電機の構造図、第３図は回転電
機の形状とコギングトルクとの関係を示す図である。第
４図は本発明の原理ならび−り部、４・・・電機子％　
　５１，５２．５３・・・巻線用突極、６１，６２．６
３・・・補助突極、７１，７２゜７３・・・電機子巻線
、３　ａ　ｌ　＊　８　ａ２＋　”　ａ３＊８ｂ、、ｓ
ｂ２．ｓｂ３・・・巻線用溝、８Ｃ１＋８ｃ２　　、　
８ｃ３．８ｄｌ　　＋　　８ｄ２．８ｄ３　＋８ｅＩｎ
８ｅ２，８ｅ３・・・補助溝、９・・・空隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、永久磁石界磁部と突極の総てもしくは一部に電機子
   巻線を巻装した突極磁極で構成した電機子とからなり、
   前記突極磁極の表面に補助溝を設け、かつ、永久磁石界
   磁部もしくは電機子部のいずれか一方が他方に対して回
   転可能に構成された永久磁石モータにおいて、突極磁極
   間の巻線用溝ならびに補助溝の幅Ｗを、コギングトルク
   の周期Ｔ＿ｃのほぼｎ倍（ただしｎは整数）にしたこと
   を特徴とする永久磁石回転電機。 ２、前記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、前
   記の幅Ｗを ｎＴ＿ｃ−（０．７３Ｔ＿ｃ）／ｎ＜Ｗ＜ｎＴ＿ｃ＋（
   ０．２５Ｔ＿ｃ）／ｎにしたことを特徴とする永久磁石
   回転電機。