JPS6212358A - 電動機 - 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】 産業上の利用分野 本発明は産業ロボット駆動用電動機、事務機端末機器駆
動用電動機、オーディオ・ビデオ機器に使用される電動
機全般にわたり、界磁が電磁石または永久磁石によって
構成される電動機に関するものである。

従来の技術 上記の産業分野において特に小容量の電動機は界磁に永
久磁石を使用した刷子性或は電子式整流子をもった謂所
、マグネットモータ、ブラシレスモータや同期モータが
多く利用されている。かかるモータにおいて、電機子巻
線を巻回しスロット内に納めるためのスロット開口部に
よる磁気レラクタンスの不同のために回転ムラを生ずる
。ここで、電機子に励磁をしたときに生ずるトルクを励
磁レラクタンストルクと称し、励磁をしないときに生ず
るトルクを単にレラクタンストルクと称し、いづれも滑
らかな回転を妨げる。従来、このトルクを逓減させる方
法として巻線溝をスキューする方法、或は、巻線を収納
しない余分のスロット開口部を設けてレラクタンスによ
る磁束の歪み次数を上げてこのトルクを避ける溝附加法
があった。

これについて簡単な理論的説明を以下の永久磁石を回転
子にもった同期タイプの電動機について行う。第３図は
交流励磁における２相２極の同期モータを示すものであ
る。図において、１はステータコア、２は励磁ボールで
各々に励磁コイル３１．３２，３３．３４がスロット４
に収納されている。スロット４はスロット開口部５を有
し励磁コイル３１〜３４が巻回出来るようになっている
。

ロータはロータ永久磁石６なる界磁を構成し、シャフト
７に固定されて軸の周りを回転自在にベアリング（図示
せづ）により支えられている。さらに励磁コイル３１〜
３４は各々８１〜８４なるスイッチを経て直流電源９に
接続されている。

第４図は時間に対する第３図のスイッチ８１〜８４のオ
ンになるタイミングを表している。即ち、励磁コイル３
１〜３４に励磁電流ｉ＋−ｉ４を流すタイミングを表し
ている。かかる励磁電流ｉ＋−ｉ４により励磁アンペア
ターンはボール３１と３３で１対の交番励磁になり、ボ
ール３２と３４で他の１対の交番励磁となる。これは２
相２極の交番励磁ということになる。つまりロータ永久
磁石６の周辺に回転磁界を発生させるための手段であり
、その方法は上記の励磁方法に特定されるものではない
。今、単純化のためにこの様に合成された回転アンペア
ターン分布の基本次数を ＩＮ（θ、ωｔ）とすれば、 ＩＮ（θ、ｃｃ＞ｔ）＝　Ｉ　Ｎ−３ｉｎ　（θ−ωｔ
）　　　−■θ：空間分布角 ωｔ：時間分布角 ０式は励磁アンペアターン分布が空間的に基本次数の正
弦波で分布し、かつ、ωｔで回転していることを示して
いる。同様にロータ６におけるそのときの永久磁石の励
磁アンペアターン分布ＡＴ（θ、ωｔ）とすれば鉄心の
磁気抵抗を無視した空隙の磁気抵抗分布をＲｇ（θ）と
して空隙の磁束分布Ｂ（θ、ωｔ）は ＝Ｂ、（θ、ωｔ）＋ＢＲ（θ、ωｔ）　　　　　　・
・・■Ｂｓ（θ、ωｔ）：励磁側磁束分布くステータ側
）ＢＲ（θ、ωｔ）：永久磁石側磁束分布くロータ側）
以上はいづれも単位軸方向積み厚長さ当りを表している
。

第５図はロータ６の永久磁石の減磁曲線を近似的に示す
ものであり、横軸にアンペアターン分布、縦軸にその磁
束密度分布を表す。但し、α：減磁カーブの直線近似に
よる傾斜 Ｂｒ：減磁カーブの直線近似による残留磁束密度分布 Ｂ（θ、ω１）＝−α・ＡＴ（θ、ωｔ）＋Ｂｒ　（θ
、ωｔ）・・・■ ■、■式より ＡＴ（θ、ω１）＝ ［Ｂｒ（θ、ωｔ〉・Ｒｇ（θ）−ＩＮ（θ、ωｔ）］
１＋αＲｇ（θ） ・・・■ となる。ここに残留磁束密度分布 Ｂ、（θ、ωｔ）＝Ｂｒ、　Ｓｉｎ　（θ−ωｔ＋ψ）
・・・■ψ：励磁回転磁束とロータ回転との位相差で負
荷の大きさで決まる。（負荷角） また空隙の磁気抵抗分布Ｒｇ（θ）は ｉ　　　　　　　　　ｃｇ Ｒｇ（θ）＝　　　（１＋に’ｅ　５Ｉｎｚθ）・・・
■ｅｇ：基準空隙長 に：溝開口部５があるため実質上のｅｇに対する変化割
合 Ｚ：溝数　Ｚ＞１正の整数 μ：空隙の透磁率 μ 例えば、異方性フェライトやサマリウムコバルト磁石の
場合、磁石の磁路方向長さ５Ｘ１０′Ｉ　（ｍ）。

ｅ　ｇ−３ｘｌＯ’　（ｍ）とすれば、μ勺μＯ＝１．
２５６Ｘ１０’であるから、したがって αｅｇ ｋ’＝□・　ｋ μ ■、■、■、■、■式よりロータ永久磁石６のアンペア
ターン分布 μ ｍ　（１−に−８ｉｎＺθ）−１Ｎ−８ｉｎ（θ−ωｔ
）］　Ｘ　［１ｋ’　・５ＩｎＺθ］ Ｓｉ、（θ−ωｔ＋ψ）−（ｋ＋に’）−μ （Ｓｉｒｌ（１−Ｚ）θ−ωｔ＋ψ） −ＣＯｌ（１＋Ｚ）θ−ｃｃｒｔ＋ψ）Ｊωｔ＋ψｌ　
　＋　Ｓｉ口　（（１＋２２）　　θ−ωｔ＋ψ）　】
−Ｚ）θ−ωｔｔ　−Ｃｏｓ　ｌ　（１＋Ｚ）θ−ωｔ
）　］空隙に蓄えられる磁気エネルギーＷは単位軸方向
積厚当り Ｗ＝−［ＩＮ（θ、ωｔ）＋ＡＴ（θ、ωｔ）］４ＡＴ
（θ、ωｔ）］　’　（１＋　ｋ　−５ｉｎＺθ）・・
・■故に［相］式の軸周方向のエネルギー変化分が発生
トルクであるから励磁トルク分は（励磁レラクタンスト
ルクではない） ・、Ｌ　−ｄθ　　・・・■ ＩＮ、ＡＴ：　ＩＮ　（θ、ωｔ）とＡＴ（θ、ωｔ）
の相対速度差レラクタンストルク分は ・・・＠ ＡＴ　　ＡＴ：ＡＴ（θ、ωｔ）中の各項の積に対する
相対速度差■、＠中ＩＮ（θ、ωｔ）、　ＡＴ　（θ、
ωｔ）の各項の積に対する相対速度差のないものについ
てはトルクは発生しない。

Ｌ：軸方向積厚長さ ０式中、無励磁にてロータを他の手段でロータを回転し
た時に生ずるレラクタンストルクは■、＠式においてＩ
　Ｎ＝Ｏで考えればよい。また、相対速度は空間の基本
波分布を基準とする。溝開口部によるレラクタンストル
クはステータ側の励磁の如何に拘らづ発生するから０式
よりそれを考えて見る。先ず０式でＩＮ＝Ｏとしてかつ
、相対速度差のあるものを選んでトルク分を整理する。

そこで次の条件に合致しなければトルクは発生しない。

１．０式の計算項でＳ　ｉｎ＋　Ｃａｓ極数中のθの係
数２π 辺のトルク分布の全体としてトルクは発生しない。

２、上記、三角極数中（ωｔ−ψ）の係数が零であれば
これも速度分布を含まぬからトルクを発生しない。同様
に相対速度差がなければトルクを発生しない。以上の条
件を満たさない、すなわちトルク発生の可能性のある項
目を第１表に示す。第１表においてＺ＝２の場合基本周
波数の２倍の振動トルクが発生する。今、ロータ永久磁
石の着磁分布に第３調波が含まれるとすれば０式はＢ、
（θ、ωｔ）二Ｂ「１・５１０（θ−ｃｃ＋ｔ＋ψ）＋
Ｂｒ３　ｅ　３Ｉｎ３　（θ−ωｔ＋ψ）第１表、レラ
クタンストルク発生の可能性ある組み合わせ（０式三角
極数中の係数） 上表となり、前記条件ｌによってトルクの発生する可能
性のあるものを第２表、第３表に選出する。

相対速度差のみ異なるものは一つにまとめた。

呈λ糞、着磁第３調波相互によりレラクタンストルクの
発生する組み合わせ。

第３表、着磁基本波と第３調波の相互によりレラ溝数Ｚ
＞１を選んだのはスロットが１つでは巻線が巻けないと
いう考え方である。第１表〜第３表より分かるように溝
数Ｚの数を多くすればトルク変動が少なくなるように見
えるが、実際それ等の溝中に巻線コイルを収納して励磁
アンペアターンを供給した場合、０式は、 ＩＮ（θ、ωｔ）＝　Ｉ　Ｎｌ−３；ｎ　（θ−ωｔ）
＋ｌＮ−５ｉｎ＋　（Ｚ±１）θ−ωｔ）となり（Ｚ±
１）次の巻線溝高調波が加わり単に溝数２を選定しただ
けではゴギングトルク避けることが出来ない。

そこで巻線を収納しない溝または等価な磁気抵抗成分を
附加した方法が従来の溝附加法によるレラクタンス振動
トルクを回避する一方法である。次に従来のスキューに
よる方法について説明する。

第６図は溝をスキューした場合の一つの溝を拡大した図
である。すなわち軸方向に対してδなる角度でスキュー
が施されコアーの積厚長さはり、その他の番号２，４．
５は第３図における同番号と同一部位である。端面を基
準として成る軸方向の積厚点における端面基準□におけ
る空間位相差θδは溝によるレラクタンスの変動次数成
分にて表現するとＺθδである。

（Ｚθδ）・ｒ＝ｅ　−ｔ３ｎδ　　　　　　　・＠ｒ
：半径 ｅ　：コア一端面から成る軸方向点における距離Ｚθδ
；成る軸方向点における溝開口に対するレラクタンスの
変化次数で表した端面基準からの空間位相ずれ。

０式により■、■式を補正すると μ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｒ・
・・■ ・・・■ また、例としてレラクタンストルク分を補正すると０式
は ・・・［相］ ｒ　　２π となる。スキューδはｊａｎδ＝□・□Ｚ であるから［相］式にはＺの影響は現れない。

同様に溝をスキューするかわりにロータ永久磁石をスキ
ューする場合、０式を補正して Ｂｒ（θ、ωｔ）δ＝ＢｒＳＩｎ（θ−−ｊ　ａ　ｒ１
δ−ωｔ＋ψ）・・・０ ｒ　　２π ここでスキューδをｊａｎδ＝−・□ ｘ とする。Ｘは任意の正の整数である。

ｅ＝ｏをロータ端面として ｅ＝ｏで□ｊａｎδ＝Ｏ ｅ＝して□ｊａｎδ また０式の計算において式中のＳｉｎ、　（：ｏｓ極数
内の（ωを一ψ）の係数と（−ｊａｎδ）にかかる係数
とは同一であることは０式より明らかである。

０式を補正してレラクタンストルク分を例示すると・・
・［相］ ［相］式においてＳｉｎ＋　Ｃｏｓ極数内のθの係数が
零となる溝数Ｚ（θ係数＝Ｏ）＝ｘとなるようにＸを選
定すれば Ｌ　　　　　２π ｅ＝して　□ｊａｎδ；□ ｒ　　　　　　Ｚ（θ係数＝０） である。

例えば基本波着磁のみの場合第１表よりＺ＝２゜（ωｔ
−ψ）の係数＝２、したがって −ｊ　＊　ｎδの係数＝２、ここでＺ＝ｘ＝２とすれば
［相］式におけるｅ＝Ｌにおける３ｉｎ、　Ｃｏｓ極数
内り は（２−Ｚ）θ−２（ωｔ−ψ）−２−ｔａｎδ−２（
ωを一ψ）−２π　　　　　　　ｅ＝ＬＺ＝ｘ＝２ 同様にｅ　＝ＯＺ＝ｘ＝２においては −２（ωを一ψ）、つまり２πの位相差で等しいから溝
の影響が表れない。同様に第３調波着磁分布を考慮した
場合においても第２表よりＺ＝ｘ＝６において５−　ｔ
ａ　ｎδ＝２πＺ＝ｘ＝３において５−　ｔａ　ｎδ＝
２（２ｚ）Ｚ＝ｘ＝２において５−　ｊ　＠ｎδ＝　３
（２π）でいづれも２πの整数倍でありそれ以外に選定
される場合は前出の条件によりトルクは発生しない。

第３表の場合も同様である。すなわちロータ永久２π 磁石を□分スキューすることにより溝によるしラフタン
ストルクを除゛去することが出来る。

発明が解決しようとする問題点 しかし、溝開口によるレラクタンストルクを解消する従
来法として溝附加法と溝またはロータ磁石のスキュー法
を説明したが溝附加法は次の難点がある。即ち、巻線を
施さない仮の溝に相当するものを巻線が収納可能と同一
に附加することが困難であり、かつコアーの抜型形状が
複雑になる。

平均空隙長が増大して電動機としての特性が低下する。

一方、溝スキュー法は巻線作業がやりにくく実質上の溝
面積が低下して巻線のスペースファクターが増加する。

ロータ磁石スキュー法は着磁器の作成が困難である。本
発明の目的はかかる従来の欠点を軽減せしめることであ
る。

問題点を解決するための手段 そこで本発明は、界磁を構成する永久磁石を軸方向に分
割し、その分割した磁石の相互の空間角度差をｎ−とな
したものである。

但し、Ｚは１極対当りの溝数、ｎは溝の半ピッチの倍数
で発生トルクを構成する時間分布である。

作用 上記構成によれば、永久磁石をスキューさせて同等に作
用を発揮し、スロット開講部によるレラクタンスを解消
することができる。

第１図（Ａ）は本発明に基づ（電動機を第３図の電動機
例にしたがって軸６と直角方向に展開した図である。図
中の番号は第３図の部分と・対応する。第１図（Ｂ）は
ロータ磁石６とステータコア２の対向する空隙部の磁気
レラクタンス分布Ｒ（θ）を示す。第１図（Ａ）におい
てステータのスロット開口部５は軸と平行している。本
発明の特長はロータ磁石６を軸方向に２等分し、その間
隙Ａを空隙長より広く離して空間または非磁性材よりな
るセパレータを介して軸に固定する。さらにこの２つに
分割された磁石は互いに極性が溝ピッチの−すなわち−
ずらしてセットされている。

Ｚ 以上の手段をとることにより２分されたロータ磁石６の
少しのずらして効果的にスロット開口部によるレラクタ
ンストルクを解消することが出来る。

第２図はロータ磁石の外観説明図であり、７はシャフト
、６１．６２はロータ磁石６の２分割体であり、一般的
表示としてｎ−のずらしを示している。但しｎは（ωを
一ψ）の係数をｋとしたき第１図は第３図と同様２極、
４スロツトＺ＝４の場合である。ロータ磁石６１及び６
２各々のトルク分は■、＠式より ・□ｄθ であり、ロータ磁石６１．６２相互の位相差はπ ｎ□である。第３表より溝数Ｚでトルクの発生する成分
においてロータ磁石６１．６２が互いに打消される相互
の空間位相差はＺ−４゜これは溝の一ピッチである。特
殊例としてＺ＝３、　よい。

なお、本説明は２極電動機について行ったが、溝数は極
対当りの溝数と考えれば良い。頭足したように例示の同
期形モータのみでなく界磁を磁石にて構成する電動機全
般に成立する。また説明の単純化のため励磁をしない場
合のレラクタンストルクについて記したが発生トルク全
般についてスロット開口部のトルク変動について成立す
ることは前記諸式より明らかである。

発明の効果 以上の説明から明らかな如く本発明によれば、スロット
を有する鉄心をスキューすることなく、或はそれに対向
するロータ磁石をスキューして着磁することな（、また
は附加スロットを設けることなく、分割したロータ磁石
を相互にずらせることにより、スロット開口に起因する
トルク変動を解消させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施例における電動
機において軸方向と直角方向に展開した説明図及び同電
動機の空隙磁気抵抗分布を示した図、第２図は第１図の
ロータ磁石部の外観斜視図、第３図は従来の電動機の一
例でスイッチ駆動による同期形量動機の結線図、第４図
は第３図による励磁電流のタイミング表示を示す波形図
、第５図はロータ永久磁石の減磁特性の近似特性図、第
６図はスキューした鉄心の溝開口を拡大した説明図であ
る。 ３１．３２，３３．３４・・・・・・励磁コイル、４・
・・・・・スロット、５・・・・・・スロット開講部、
６１．６２・・・・・・ロータ磁石。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名（パノ ＣＢ）　　　　　尺ｙＣ＆）−−−ヱ豫磁気中（陳途九
乍第３図 第４図 □ｔ □Ｌ □Ｌ □刀 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. スロット開口部を有するスロットに励磁コイルを収納し
   てなる電磁子と、永久磁石により構成される界磁とを備
   え、前記永久磁石を軸方向に分割し、その分割した磁石
   の相互の空間角度差をｎ（π／Ｚ）とした電動機。但し
   、Ｚは１極対当りの溝数、ｎは溝の半ピッチの倍数で発
   生トルクを構成する時間分布ωｔ、負荷角ψによる三角
   極数内の（ωｔ−ψ）の係数をｋとしたときｎ＝（Ｚ／
   ｋ）