JP4056514B2

JP4056514B2 - 永久磁石式３相回転電機

Info

Publication number: JP4056514B2
Application number: JP2004296573A
Authority: JP
Inventors: 正文坂本
Original assignee: 日本サーボ株式会社
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: JP2006109675A

Description

本発明は、低振動低騒音なブラシレスDCモータやステッピングモータ等の回転電機に関する。

１）３相永久磁石式回転電機のブラシレスモータはＯＡ機器に広く使用されているが、コイルに電流を流さないときに発生する永久磁石のみによるトルクであるコギングトルクが大きいと振動や騒音が大きくなり、また鉄損も大きくなる問題があった。
２）例えば従来技術として固定子が６スロット（６突極も同じモータ）で回転子が4極の永久磁石式回転電機や１２スロット（１２突極）で８極または１６極で駆動していた。
３）更に低振動が要求される用途には１２スロット（１２突極）で１０極や１４極品が使用されている。

特公昭４９−８５６８

１）上述した特公昭４９−８５６８の従来技術では低振動低騒音化の要求は必ずしも満足の行くものではなかった。
２）高トルクと低振動が要求される用途に対しては、トルクを増加させると、振動騒音も増加する傾向があった。

「手段１」
略環状体から１２個の突極を均等に放謝状に設けた磁性体よりなる固定子で任意の突極１から順次１２個の突極に番号を付けた場合、突極１，２，７，８で１相巻線を構成し、直流励磁電流で、突極１とその隣接する突極２が同一極性で突極７とその隣接する突極８は突極１、突極２とは異極性に磁化され、２相目巻線が同様に突極３、４、９、１０、に、また残りの突極５、６、１１，１２に３相目の巻線が設けられた３相機とし、各相の巻き終わりを短絡したスター結線あるいは巻き終わりと次相の巻き始めを順次結合させたデルタ結線とし、該１２個の突極の先端部とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２ｐ極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機であって、任意の固定子突極と回転子極が対向したとき、次式を満たす回転電機の中でＰが１１であるもの。
「手段２」
略環状体から６個の突極を均等に放謝状に設けた磁性体よりなり該６個の突極には更に各々２個の誘導子を有し、該６個の固定子で任意の突極１から順次６個の突極に番号を付けた場合、突極１，４で１相巻線を構成し、直流励磁電流で、突極１と突極４が異極性に磁化され、２相目巻線が同様に突極３、５に、また残りの突極３、６に３相目の巻線が同様に設けられた３相機とし、各相の巻き終わりを短絡したスター結線あるいは巻き終わりと次相の巻き始めを順次結合させたデルタ結線とし、該６個の突極の先端部の該誘導子とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２p 極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機であって、任意の誘導子と回転子極が対向したとき、次式を満たす回転電機の中でＰが１１であるもの。
「手段３」
略環状体から９個の突極を均等に放謝状に設けた磁性体よりなる固定子で任意の突極１から順次９個の突極に番号を付けた場合、突極１，４，７，で１相巻線を構成し、直流励磁電流で、突極１と、突極４，７はお互いに異極性となるように巻線され、２相目巻線が同様に突極２、と突極５、８がお互いに異極性に、また３相目の巻線が、残りの突極３、と突極６、９がお互いに異極性となるように設けられた３相機とし、各相の巻き終わりを短絡したスター結線あるいは巻き終わりと次相の巻き始めを順次結合させたデルタ結線とし、該９個の突極の先端部とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２ｐ極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機であって、任意の誘導子と回転子極が対向したとき、次式の2つの式を満たすことを特徴とした回転電機の中でＰが１１であるもの。
「手段４」
略環状体から９個の突極を均等に放謝状に設けた磁性体よりなる固定子で任意の突極１から順次９個の突極に番号を付けた場合、突極１，５，６，で１相巻線を構成し、直流励磁電流で、突極１、５，６とも同極性となるように巻線され、２相目巻線が同様に突極７、２，３で、すべてお互いに同極性に、また３相目の巻線が、残りの突極４、８，９で、すべてお互いに同極性となるように設けられた３相機とし、各相の巻き終わりを短絡したスター結線あるいは巻き終わりと次相の巻き始めを順次結合させたデルタ結線とし、該９個の突極の先端部とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２ｐ極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機であって、任意の誘導子と回転子極が対向したとき、次の２つの式を満たすことを特徴とした回転電機の中でｐが７であるもの。
「手段５」
手段１から４にて、該突極の巻線を２コイル巻いたユニポーラ巻線を有した固定子とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２ｐ極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機にて該ユニポーラ巻き線には一方向電流で１８０度位相のことなる電流で駆動する3相式回転電機。

「手段６」
手段１から４において、回転子の円筒状永久磁石の反エアギャップ側に磁性体よりなるバックヨークを有した回転電機。

本発明を実現するには以下の手段による。
１）高効率モータにするには、回転子に永久磁石を用いることが知られている。しかし永久磁石のN極とS極の合計の数の極数と固定子スロット数（コイルが巻かれる固定子極数あるいは突極数と同じ数となる）で決まる、通電しない状態でのコギングトルクが発生し回転磁界によるトルクにこのコギングトルクが重畳されるので、トルク変動が起こり、精密な定速度回転を要求される用途には色々の問題を起こしていた。このコギングトルクを低減させる有力な手段は回転子１回転中のコギングトルクの脈動数を極力多くするようにする。するとトルク波形はほぼ正弦波なので、従って振幅を小さくすることができることになる。
２）本発明はコギングトルクの６次調波成分を消し、１２次調波または１８次調波成分とし、コギングトルク脈動数を増加させる構成を提供するものである。
３）その手段は前述した固定子突極数と上述した数式を満たす回転子極数を組み合わせることで実現でき、具体的には上述した1から６の手段による。

上述の如き構成においては、以下の理由で課題が解決できる。
３相永久磁石式モータは低振動低回転ムラであるがその理由はコギングトルクが２相機と比べて一般的に、２相機は４次調波成分で構成されるが、３相機はコギングトルクの４次調波成分は消え、６次調波成分で構成されるためである。しかし、６次成分のコギングトルクでは用途によっては十分ではなく、３相機で更なる低コギングトルクの回転電機の要求が多い。そこで本発明は、コギングトルクの６次成分を消して１２次あるいはそれ以上のコギングトルク成分とするものである。３相機のコギングトルクは６次成分とその正数倍成分の和で構成されていることに着目して、この性質を利用するのが本発明のキーポイントである。６次成分とその正数倍成分の和で構成されていることに関しては、「PCIM2001,INTELLIGENT MOTION 38^th Proceeding、pp139-141、June 19-21,2001,Nurnberg,Germany, Cogging Torque Comarison between 2
and 3 phase HB type stepping motor. Masafumi Sakamoto.」に記載があるので、その説明は省略する。即ち６次成分をうまく消せば１２次成分以上で、また、6次と１２次成分を消せれば１８次成分以上でコギングトルクは構成される。その場合、存在する低次成分（上記では１２次、あるいは１８次）が主な支配的な成分となる。なぜなら次数が高いほどその振幅は小さくなり低次に対し無視可能になるからである。

１）本発明の１２スロットや９スロット構成ではコギングトルクが従来品モータの数倍以上の脈動数になるため、極めて小さい低コギングトルクモータを提供できる。
２）６スロットで誘導子を有するものは低振動で更に高トルクとなる。
３）ユニポーラ式で高速回転対応も可能である。
４）クローズドループの３相ブラシレスＤＣモータの他にオープンループの３相永久磁石式ステッピングモータにも活用できる。
５）実現できる。
６）外転型にすれば、回転子外径を大きくできるので、イナーシャも大きくできて、一定速度の用途で回転ムラを小さくでき、または低速で大トルクを要する用途に適したものとなる。

図１は第一の本発明の回転電機の例である。１なる環状固定子から放謝状に均等に配設された12個の突極１−１から１−１２に図示したようにＵ，Ｖ，Ｗ相の3相巻き線がなされている。各相の巻き終わりは短絡されて、スター結線がされている。そのため、図5に示したインバータ等による反転電流でバイポーラ駆動される。1相分巻き線はたとえばＵ相では突極１−１と１−２がＮ極とすれば１８０度反対の１−７，１−８はＳ極に磁化されるように巻き線されている。Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓと巻き線極性を作るこの巻き線方式が本発明の一つの特徴である。このため２２極の回転子磁石２は図のように対向して、永久磁石のＮ極から出た点線及び矢印で示した磁束は１−７、１−８、のＳ極の固定子に入り１−１，１−２のＮ極から回転子のＳ極にもどりバックヨークを経由して磁路を結ぶ。このためバックヨークが必要となる。これに対し従来構造の回転電機は回転子の隣接のＮ極とＳ極と固定子突極で磁路を結ぶのでバックヨークは必要ではない。
尚、図4は本発明に関する回転電機の軸を含めた断面図である。１は固定子鉄心、２は回転子の円筒状永久磁石、３はコイル、４は回転子の円筒状永久磁石の反エアギャップ側に設けたバックヨークで磁性体より構成されている。６は回転軸であり、図示してない軸受けで回転自在に固定子鉄心１に固定支持されている。２は回転子の円筒状永久磁石であり、一般にこの種類の構造の回転子は表面磁石式回転子と呼ばれている。

次に従来技術を説明する。図８は従来技術を示すものである。以後の図面での同じ名称
あるいは類似形の部品は同じ番号を付してある。１は固定子で固定子極を形成するコイルを巻く部分（主極と呼ぶことにする）が１２個均等ピッチで配置されている。回転子極（磁極と呼ぶことにする）の数は８極であるので、中央上部の主極と回転子のN極が一致したとき、時計方向に、隣接の主極とそれに最も近い磁極（図ではS極）とのづれ角をδとすれば、同様に、次の主極と次の磁極とのづれ角は２δとなり、以下順次３δ、４δ、５δ、となり、中央下部の主極で磁極と一致し同様な関係を繰り返すので、磁極から見た主極のパーミアンスの６次成分は以下のようになる。パーミアンス成分がコギングトルク成分と一致することは、例えば、日本電気学会の論文誌D,114巻、１２号、平成６年、「ハイブリッド形ステッピングモータの高調波トルクの低減法、坂本、戸恒」等に記載されているのでその説明は省略する。

δ=4×2π{(1/8)-(1/12)}=π/3
(電気角) より、次式を計算する。

P₆=2{cos0+cos6×1(π/3)+ cos6×2(π/3)+ cos6×3(π/3)+ cos6×4(π/3)+

cos6×５(π/3)｝

ここでｐは極対数であり、磁極極数が８なのでｐ＝４となり、（４）式は０でなく１２となる。（４）式の[ ] 内は余弦の角度が６倍次調波による級数なので、常に（１）式と等しい値となるので、この従来技術は（１）式を成立させることはできないことになる。P₆はパーミアンスの６次成分なので、コギングトルクの６次成分でもある。従ってこの１２主極８極はコギングトルクは６次成分となりその回転子の１回転中の脈動数Ncは電気角２πに６サイクルでコギングトルクが脈動するので、１回転（機械角、２π）ではそのp倍となり、以下となる。
Nc=６ｐ＝６×４＝２４
経験的に１００ｒｐｍ程度の回転時に低回転ムラを得るにはこのNcが６０以上が必要であり２４という値は小さく、この従来技術ではコギングトルクも大きく不適当となる。

図９も従来技術の例である。固定子主極数は６で、回転子極数は４である。同様にしてパーミアンスの６次成分を計算すると以下のようになる。

δ=２×2π{(1/４)-(1/６)}=π/3 (電気角) より、次式を計算する。

P₆=2{cos0+cos6×1(π/3)+ cos6×2(π/3)}
=６
Ｎｃ=２×６＝１２
従って、これもコギングトルクが６次成分で構成され、値が大きくなるので、不適当である。
一般的に、固定子主極数が多いほうが、また回転子極数が多いほうがＮｃも多きな値となる。
Ｎｃ=（極対数）×（存在するコギングトルク調波数）
からも理解できる。主極数は３相機では３の倍数であるから、低コギングトルクモータは主極数６は不適当で、９以上となる。しかし、１８以上ではコイルが多すぎるため価格が高くなる。そのため実用的な低コギングトルクモータは主極数は９または１２となる

図１は前述したが本発明による１２主極で回転子極数が２２の例であり、突極１−１と回転子のＳ極が対向しているとき、突極１−２と次の回転子Ｓ極とのなす角度δははδ＝｛（ｐ／６）−２｝π なのでｐ＝１１を代入すれば図示したように、π／６となり、（４）式によりパーミアンスの６次成分P₆を計算すると以下のようになる。
＝0
即ち（１）式を成立させることができる。
３相機のコギングトルクの調波数は６の整数倍となるので、パーミアンスの１２調波成分P₁₂を確認する。
＝１２
即ち、コギングトルクは６次成分は零で１２次成分以上となるので従来技術例よりコギングトルクは大きく低減されることになる。
従って、Ｎｃ=１２×１１＝１３２
となり、６０を大きく超えているので、低コギングトルクモータとして適したものとなる。この技術は請求項１及び手段１に対応し、回転子極数が22極は（１）式を満たす一例である。巻き線はスター結線の例で示したがデルタ結線も可能である。

図２は別の本発明の例で、請求項２及び手段２に対応するものである。固定子は環状体５から均等の６０度で６個の主極が放謝状に設けられ、更に各主極から２個の誘導子を設けた構造である。もしこの各２個の誘導子のピッチを３０度にすれば、回転子から見たパーミアンスは図１の１２主極と同じとなり、コギングトルク成分も同じく、６次は消えて、１２次成分となる。従って（１）式を満たすことができる。回転子極数が２２極は（１）式を満たす一例である。巻き線はスター結線の例で示したがデルタ結線も可能である。この場合もバックヨーク４が必要なのは同じである。
図2と図1の構成を比較すると、コギングトルクは上述したように、同じく、小さくなるが、図２の構成の方が図1の構成より、低速で大きなトルクを出せる特徴がある。トルクは電気装荷と磁気装荷の積で決まるが、一般に同一回転子でも、主極数が少ないほど、この積が大きくでき、高トルクが出せる。欠点としては１２主極より６主極の方がコイルエンドが大きくなるので、薄形品には適さないことになる。一般に従来技術ではトルクを高くすると、振動も大きくなるが、本構成では振動はコギングトルクが小さいので低く、トルクは高くできるメリットがある。

次に主極数が９の場合での本発明の例を示す。図3は請求項３及び手段３を具現したものである。回転子極数は図1と同じ２２極の例である。突極１−１と回転子のＳ極が対向しているとき、突極１−２と次の回転子Ｓ極とのなす角度δはδ＝｛（２ｐ／９）−２｝π なのでｐ＝１１を代入すれば図示したように、４π／９となり、図３を参照して、回転子の極数を２２とした場合は次のように上述した（２）式、（３）式を零とすることで、各々、６次、１２次調波が消えて、１８次調波が存在することになる。
更にパーミアンスの１８次成分Ｐ_１８を計算してみる。
即ちＰ_１８≠0 なので、１８次調波が存在し、Ｎｃ＝１８×１１＝１９８
となり、低コギングトルクモータとして適したものとなる。
尚、１２次調波以上でも低コギングトルクモータとなるので、（２）式を満足できればよく、（２）と（３）式を同時に満たせばコギングトルクは１８次成分となり、極めて小さなコギングレスモータに近づく。巻き線は図示したように、1相分が１−１、１−４、１−７と１２０度隔てた突極で構成され、2個同極で1個異極性となり、点線で示した磁路となり、４なるバックヨークが必要となる。尚、巻き線は1相分のみで示した。各部品番号は図1と同じである。

次に主極数が９の場合での本発明の別例を示す。図７を参照して、回転子の極数を１４とした場合は次のように上述した（２）式、（３）式を零とすることで、各々、６次、１２次調波が消えて、１８次調波が存在することになる。
更にパーミアンスの１８次成分Ｐ_１８を計算してみる。
即ちＰ_１８≠0 なので、１８次調波が存在し、Ｎｃ＝１８×７＝１２６
となり、低コギングトルクモータとして適したものとなる。
この場合の巻き線は、図３の場合とは異なり、図示したように、U相分が１−１、１−５、１−６なる突極で構成され、３個とも同極性となる。V相、W相も相内の3個の突極は同極となる。図7はスター結線の例であり、U,V,W相の巻き終わりは短絡されている。ここでUVの2端子間に電圧を印可すると、2相励磁となり、U相が図示したS極となれば、V相は電流が巻き終わり側から来るので異極性のN極となる。この場合は回転子永久磁石の磁束磁路は隣接の回転子磁極間となる割合が大きくなるので、バックヨークの必要度は今までの例と比べれば少ない。

上述したように本発明の３相１２主極および誘導子付きの６主極構造の場合は、（１）式を、また９主極の場合は（２）と（３）式を満たす極対数ｐの永久磁石回転子構造として極めて低回転ムラなスムーズな負荷駆動が実現する。説明図は内転型（インナーロータ型）で示したが、外転型（アウターロータ型）にも、同様に成立する。外転型はロータイナーシャを大きくできるので一定速度駆動の用途には回転ムラを小さくできるメリットがある。反対に内転型は可変速度等に適することになる。
駆動方式としてはホール素子等で回転子磁極を検出して最適タイミング（通常はコイル電流軸と回転子磁極軸が直交）で固定子主極を励磁するクローズドループ駆動のブラシレスＤＣモータが最適であるが、オープンループ駆動のステッピングモータとしても良い。ホール素子等で回転子磁極を検出するブラシレスＤＣモータの場合はモータのサイズが直径６０ｍｍ程度ではｐが１１即ち２２極程度を超えると、量産ベースでバラツキを少なく磁極検出することが困難となるので、実用的な極対数ｐは自ずと制限が存在することになる。
上記の説明は前述した表面磁石式回転子で説明したが、極対数ｐが（１）式、あるいは（２）、（３）式を満たすｐであれば、図示は省略するが、セグメント式の表面磁石式回転子でも、埋め込み磁石式
でも、同様な効果が得られる。

以上の本発明の回転電機はスターあるいはデルタ結線による3端子のU,V,W相で、インバータ等による反転電流でバイポーラ駆動し、図5の駆動回路で駆動する。例えばトランジスターT1とT４をホール素子の出力でオンすれば、U相、V相の2相励磁となり、以下、（T４，T５）、（T５，T２）、（T２，T３）、（T３，T６）、（T６，T１）とオンすることで回転をする。

本発明の請求項１から４の回転電機は、突極の巻線を２コイル巻いたユニポーラ巻線を有して、固定子とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２ｐ極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機にすることもできる。ユニポーラ巻き線には一方向電流で１８０度位相のことなる電流で駆動する3相式回転電機となり、図６の駆動回路で駆動できる。一方向電流で１８０度位相のことなる電流は、例えばT1とT2のトランジスターにてどちらかがオンの時はたがオフとなる様にして駆動する。高速回転させる場合は図5のバイポーラ駆動よりこのユニポーラ駆動の方が巻き線のインダクタンスが小さくなり適している。

本発明に関する回転電機の図本発明に関する別の回転電機の図本発明に関する別の回転電機の図本発明に関する共通の断面図本発明に関する駆動回路の図本発明に関する別の駆動回路の図本発明に関する別の回転電機の図従来技術の図別の従来技術の図

符号の説明

１：固定子、
２：回転子永久磁石、
３：コイル、
４：バックヨーク、
５：誘導子付き固定子、
６：回転軸

Claims

略環状体から１２個の突極を均等に放謝状に設けた磁性体よりなる固定子で任意の突極１から順次１２個の突極に番号を付けた場合、突極１，２，７，８で１相巻線を構成し、直流励磁電流で、突極１とその隣接する突極２が同一極性で突極７とその隣接する突極８は突極１、突極２とは異極性に磁化され、２相目巻線が同様に突極３、４、９、１０、に、また残りの突極５、６、１１，１２に３相目の巻線が設けられた３相機とし、各相の巻き終わりを短絡したスター結線あるいは巻き終わりと次相の巻き始めを順次結合させたデルタ結線とし、該１２個の突極の先端部とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２ｐ極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機であって、任意の固定子突極と回転子極が対向したとき、次式を満たす回転電機の中でＰが１１であるもの。
略環状体から６個の突極を均等に放謝状に設けた磁性体よりなり該６個の突極には更に各々２個の誘導子を有し、該６個の固定子で任意の突極１から順次６個の突極に番号を付けた場合、突極１，４で１相巻線を構成し、直流励磁電流で、突極１と突極４が異極性に磁化され、２相目巻線が同様に突極３、５に、また残りの突極３、６に３相目の巻線が同様に設けられた３相機とし、各相の巻き終わりを短絡したスター結線あるいは巻き終わりと次相の巻き始めを順次結合させたデルタ結線とし、該６個の突極の先端部の該誘導子とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２p 極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機であって、任意の誘導子と回転子極が対向したとき、次式を満たす回転電機の中でＰが１１であるもの。
略環状体から９個の突極を均等に放謝状に設けた磁性体よりなる固定子で任意の突極１から順次９個の突極に番号を付けた場合、突極１，４，７，で１相巻線を構成し、直流励磁電流で、突極１と、突極４，７はお互いに異極性となるように巻線され、２相目巻線が同様に突極２、と突極５、８がお互いに異極性に、また３相目の巻線が、残りの突極３、と突極６、９がお互いに異極性となるように設けられた３相機とし、各相の巻き終わりを短絡したスター結線あるいは巻き終わりと次相の巻き始めを順次結合させたデルタ結線とし、該９個の突極の先端部とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２ｐ極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機であって、任意の誘導子と回転子極が対向したとき、次の2つの式を満たすことを特徴とした回転電機の中でＰが１１であるもの。
略環状体から９個の突極を均等に放謝状に設けた磁性体よりなる固定子で任意の突極１から順次９個の突極に番号を付けた場合、突極１，５，６，で１相巻線を構成し、直流励磁電流で、突極１、５，６とも同極性となるように巻線され、２相目巻線が同様に突極７、２，３で、すべてお互いに同極性に、また３相目の巻線が、残りの突極４、８，９で、すべてお互いに同極性となるように設けられた３相機とし、各相の巻き終わりを短絡したスター結線あるいは巻き終わりと次相の巻き始めを順次結合させたデルタ結線とし、該９個の突極の先端部とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２ｐ極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機であって、任意の誘導子と回転子極が対向したとき、次の2つの式を満たすことを特徴とした回転電機の中でＰが７であるもの。
請求項１から４において、該突極の巻線を２コイル巻いたユニポーラ巻線を有した固定子とエアギャップを介してN極とS極が交互に合計２ｐ極に磁化された円筒状永久磁石回転子と回転自在に対抗した内転形あるいは外転形回転電機にて該ユニポーラ巻き線には一方向電流で１８０度位相のことなる電流で駆動する3相式回転電機。
請求項１から４において、回転子の円筒状永久磁石の反エアギャップ側に磁性体よりなるバックヨークを有した回転電機。