JP4376863B2

JP4376863B2 - 永久磁石型回転機

Info

Publication number: JP4376863B2
Application number: JP2005370511A
Authority: JP
Inventors: 弘明臼井
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: DE102006060706A1; US7898123B2; CN101018003B; JP2007174830A; US20070145834A1; CN101018003A

Description

本発明は、例えば複写機、プリンター等のＯＡ機器やコンピュータ周辺機器、自動車、ＦＡ関連の搬送装置などに用いられるステップモータ、ブラシレスモータなどの永久磁石型回転機に関する。

永久磁石型回転機には、ロータに永久磁石を用いたＰＭ型のステップモータ、歯車状の鉄芯と永久磁石を用いたハイブリッド（ＨＢ）型ステップモータ、磁極検出装置を備えロータ位置を検出してフィードバック制御を行なうブラシレスモータ等がある。これらのうちロータに対向して櫛歯状の磁極歯を持つ永久磁石型回転機は、軸方向に積層された複数のステータユニットに対向してＮ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石を備えたロータが設けられる。各ステータユニットのコイルに電流方向を切り換えて通電することで、ステータ磁極とロータ磁極との吸引反発によりロータが回転するようになっている。

ロータに対向して櫛歯状の磁極歯を持つ永久磁石型回転機においては、ステータユニットは励磁電流の相数と同じ数だけ積層される。例えば２相モータの場合にはＡ相ステータユニットとＢ相ステータユニットが積層される。ステップモータの発生トルクは励磁電流により発生するトルクと、ロータとステータヨーク間の磁気抵抗の変化により発生するコギングトルク（ディテントトルク）を合成したものとなる。コギングトルクの成分は、モータトルクの高調波成分となるため回転むらや振動に対して悪影響を及ぼす。このため、永久磁石型回転機の一つであるステップモータの出力軸に同型のステップモータをディテントトルク周期の半周期分だけ回転方向に位相をずらして直列に連結することで、ディテントトルクに起因する振動成分を抑制したステップモータが提案されている（特許文献１参照）。

また、モータコイルに誘起される誘導起電力波形に含まれる高調波成分に基づくモータ振動を可及的に減少させるため、ステータヨークの極歯の間隙や面積を変えて第３次高調波を相殺させて低振動化を図るステップモータが提案されている（特許文献２参照）。
特開平９−１６３７９８号公報特開平１０−１２７０２４号公報

近年、小型で大きなトルクが得られるモータに対するニーズが高まり、ロータの永久磁石に最大磁気エネルギー積の高い希土類磁石（例えば、ネオジウム鉄ボロン等）を用いたモータが開発されている。この希土類磁石を用いることで、小型で大きなトルクが得られるモータを開発することができる。
しかしながら、大きなトルクが得られる反面、ステータヨークと永久磁石との間に形成される複数の磁気回路における磁束量の変動が大きくなり、コギングトルクが増大し回転振動の増大や回転むらの悪化を引き起すおそれがある。

また、最大磁気エネルギー積の高い希土類磁石を用いた場合、磁気回路を通過する磁束量が増えるので、ステータヨークの磁気回路を通過する磁束が飽和し易くなる。この対策として、ステータヨークの板厚を厚くする必要が生じるが、櫛歯状の磁極歯を持つ永久磁石型回転機においては、プレス加工による加工精度が出し難くなるうえに、金型が大型化するため生産設備が大がかりになり生産コストも増大する。
これに対して、ステータコアの板厚を変えずにステータヨークどうしが重なり合うように複数のステータユニットを積層することも考えられる。しかしながら、ステータと永久磁石との間にはロータの回転位置によって複数の磁気回路が形成され、隣接するステータヨークの上下の磁極歯と永久磁石間に形成される磁気回路の磁束量の変動に起因するコギングトルクが新たに作用するため、各々を合成したモータ全体で発生するコギングトルクが増大するおそれがあった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、隣接するステータヨークの上下の磁極歯と永久磁石間に形成される磁気回路の磁束量の変動に起因するコギングトルクの低減を図りかつ比較的小型で大トルクが得られる永久磁石型回転機を提供する。

本発明は上記課題を解決するため、次の構成を備える。
空芯状に巻かれたコイルを櫛歯状の磁極歯が形成されたステータヨークにより挟み込んで形成される複数のステータユニットが同芯状に積層されるステータと、ステータヨークに形成される磁極歯に対向して磁極が形成された永久磁石を備え、出力軸を中心に回転可能に支持されたロータを有する多相の永久磁石型回転機であって、同相のステータユニットが１相当たりｎ個（ｎは２以上の整数）に分割され、積層される全てのステータユニットのステータヨークが同数の磁極歯をロータ回転方向に所定ピッチで形成され、かつロータを回転方向に付勢するように位相をずらせて同芯状に直に積層され、積層された各ステータユニット間に磁極歯どうしが直に重なり合う界面部が軸方向で３箇所以上形成され、これらの界面部のうちで直に重なり合う磁極歯どうしのロータ回転方向の中間位置が電気角で９０°±３０°の位相差で積層される界面部が１対以上存在することにより、永久磁石と対向する磁極歯が軸方向で直に重なり合う界面部を通過する磁気回路に起因するコギングトルクを低減することを特徴とする。
また、偶数段積層されたステータユニットと同芯状に積層され、隣接するステータヨークの界面部に形成される磁気回路に発生するコギングトルクを打ち消す位相差で磁極歯が形成された補助極が積層されることを特徴とする。

上述した永久磁石型回転機を用いれば、同相のステータユニットが１相当たりｎ個（ｎは1以上の整数）に分割されて同芯状に積層され、かつ隣接するステータヨークの上下の磁極歯の磁気的中心が少なくとも１組以上互いのコギングトルクを互いに打ち消す所定の位相差で積層されているので、ステータヨークと永久磁石との間に形成される磁気回路において磁束量の変動によるコギングトルクを位相差により相殺でき、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。特に、上下に積層されるステータヨークの磁極歯を磁束が通過して対向する永久磁石の磁極との間で形成される磁気回路の磁束量変化に起因するコギングトルクを有効に低減することができる。また、隣接するステータヨークの上下の磁極歯の磁気的中心が少なくとも１組以上電気角で９０°±３０°、より好ましくは９０°の位相差で積層されていると、コギングトルクを可及的に減少させることができる。
また、最大磁気エネルギー積の高い希土類磁石を用い、ステータユニットの積層数を増やすことでステータヨークの断面積を増大させ、加工精度や生産コストを大幅に増やすことなく小径で大トルクが得られる永久磁石型回転機を提供することができる。
また、偶数段積層されたステータユニットと同心状に積層され、隣接するステータヨークの界面部に形成される磁気回路に発生するコギングトルクを打ち消す位相差で磁極歯が形成された補助極が積層されると、隣接するステータヨークの界面部に形成される磁気回路に発生するコギングトルクをほぼ完全に打ち消すことができる。
また、複数段積層されたステータユニットのうち上下に隣り合うステータヨーク間に空隙が形成されていると、上下に隣り合うステータヨークの磁極歯間を通過する磁束通路が磁気的に遮断されるので、かかる磁気回路の磁束量変動にともなうコギングトルクを低減することができる。

以下、本発明に係る永久磁石型回転機の最良の実施形態について、添付図面に例示したステップモータを参照しながら説明する。本実施形態に係るステップモータは、空芯状に巻かれたコイルをステータヨークにより挟み込んで磁極歯（クローポール）どうしが噛み合うように形成される複数のステータユニットが軸方向に同芯状に積層されるステータと、ステータヨークに形成されるクローポールに対向して磁極が形成された永久磁石を具備するロータを備えたクローポール型のステップモータに適用される。また、以下では、一例としてＯＡ機器やコンピュータ周辺機器、自動車、ＦＡ関連の搬送装置などに用いられるアウターロータ型の２相ステップモータを例示して説明する。

２相ステップモータの概略構成について図１を参照して説明する。図１において、ロータ１は、周方向に多極着磁された永久磁石２が筒状のロータヨーク３の内周面に設けられている。永久磁石２は、最大磁気エネルギー積の高い希土類磁石（例えば、ネオジウム鉄ボロン等）が用いられ、後述するステータのクローポールに対向して設けられる。ロータ１は、ロータシャフト(出力軸)４と一体に連結して支持される。

図２において、ステータ５は、同相のステータユニットが１相当たりｎ個（ｎは1以上の整数；本実施例ではｎ＝２）に分割された軸方向に同芯状に積層される。具体的には、第１のステータユニット５ａ、５ｂ（Ａ相及びＢ相）及び第２のステータユニット５ｃ、５ｄ（Ａ相及びＢ相）を各々備え、Ａ相及びＢ相が１相あたり２個で合計４個のステータユニットがこの順（Ａ相−Ｂ相−Ａ相−Ｂ相）に同芯状に積層されている。これは、永久磁石２に最大磁気エネルギー積の高い希土類磁石を用いても、ステータヨーク８ａ、８ｂの板厚を厚くすることなく、ステータユニットの積層数を増やすことで全体としてステータヨーク８ａ、８ｂの断面積を増大させて磁束通路を広げている。また、同相となるステータユニット５ａ、５ｃ（Ａ相）及びステータユニット５ｂ、５ｄ（Ｂ相）は、ロータ１を回転方向に付勢するように位相をずらせて積層されている。尚、ステータユニットはＡ相−Ｂ相−Ｂ相−Ａ相の順に積層されていてもよい。

図３において、ステータ５を構成する各ステータユニット（図３ではステータユニット５ａを例示）は、コイルボビン６に空芯状に巻かれたコイル７を磁性材料からなる上下のステータヨーク８ａ、８ｂにより挟み込んで櫛歯状のクローポール９ａ、９ｂどうしが噛み合うように形成される。即ち、空芯状のコイル７は、Ａ相及びＢ相のステータヨーク８ａ、８ｂの軸芯に挿入されたコイルボビン６に巻き付けられ、通電によりロータシャフト４に垂直な平面上にＮ極Ｓ極Ｎ極Ｓ極…というように偶数個のステータ磁極が形成される。コイル７は、同相のステータユニット５ａと５ｃ（Ａ相）、ステータユニット５ｂと５ｄ（Ｂ相）においてそれぞれ直列又は並列に接続されている。
図１において、上下のステータヨーク８ａ、８ｂは、ロータシャフト４を回転可能に支持する軸受部１０、１１が内周側に組み付けられた筒体（磁性材料）１２の外周側に同芯状に組み付けられる。また、筒体１２の外周側には、モータ基板１３やブラケット１４が一体に組み付けられる。

ここで、ＰＭ（永久磁石）型ステップモータにおいてコギングトルクを発生させる磁気回路について説明する。以下では、ステータ５のうちステータユニット５ａ及び５ｂを用いて磁気回路を説明する。
図４は第１の磁気回路を示す。ステータユニット５ａにおいて、例えば図示しない永久磁石２から下側のクローポール９ｂへ磁束が進入し、ステータヨーク８ｂ、筒体１２、ステータヨーク８ａから磁束が出て永久磁石２に戻る磁気回路が形成される。ロータ１が回転すると、上下のクローポール９ａ、９ｂへ出入りする磁束量が変動してコギングトルクが発生する。

図５は第２の磁気回路を示す。図５はロータシャフトに垂直方向の断面を示す。永久磁石２のＮ極Ｓ極の界面位置と、上下のクローポール９ａ、９ｂの中央部が対向する位置まで回転したとき、永久磁石２のＮ極から出た磁束が上下のクローポール９ａ、９ｂを通過して隣接するＳ極に戻る磁気回路が形成される。ロータ１が回転すると、永久磁石２の回転位置によって上下のクローポール９ａ、９ｂを通過する磁束量が変動してコギングトルクが発生する。

図６は第３の磁気回路を示す。図６はステータユニット５ａとステータユニット５ｂが積層された状態を例示する。ステータユニット５ａとステータユニット５ｂとが隣接するする界面部において、例えば図示しない永久磁石２からステータユニット５ａのクローポール９ｂへ磁束が進入し、ステータユニット５ｂのクローポール９ａから磁束が出て永久磁石２に戻る磁気回路が形成される。ロータ１が回転すると、上下のクローポール９ａ、９ｂへ出入りする磁束量が変動してコギングトルクが発生する。このコギングトルクは、ステータユニット５ｂとステータユニット５ｃとが隣接する界面部やステータユニット５ｃとステータユニット５ｄとが隣接する界面部においても同様に発生する。これらのコギングトルクは、ステータユニットの積層分だけ重畳して発生するため、モータ特性上無視できなくなる。

図１６は、上述した第１〜第３の磁気回路で発生するコギングトルクの大きさを磁気解析により求めてグラフ図に表したものである。図１６において、ステータユニット１個のみの場合のコギングトルク（第１、第２の磁気回路によるコギングトルク）をＪ、コギングトルクＪからステータユニットを４個重ねた場合のコギングトルクの計算値をＫ、ステータユニット４個の場合のコギングトルク（磁気解析）をＬ、ＬとＫのコギングトルクの差（第３の磁気回路によるコギングトルク）をＭで示す。この結果から、第１、第２の磁気回路によるコギングトルクより、第３の磁気回路によるコギングトルクの影響が大きいことが理論上判明した。本願発明は、この第３の磁気回路で発生するコギングトルクを減少させることを意図し、複数のステータユニットが隣接するステータヨークの上下の磁極歯の磁気的中心に所定の位相差を設けて積層されている。以下では、上下に積層されているステータヨークの隣り合う磁極歯（クローポール）の中間位置を、ステータユニットとロータ間で形成される第３の磁気回路の磁気的中心として説明する。

図７及び図８は、同芯状に積層されるステータユニット５ａ〜５ｄのクローポール９ａ、９ｂを平面的に展開した模式図である。図７において、ステータユニット５ａ〜５ｄのうち隣接するステータヨークどうしの界面部をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃとする。この界面部Ａ、Ｂ、Ｃのうち、界面部ＡとＣで形成される第３の磁気回路の磁気的中心Ｐが電気角で９０度の位相差をもって積層されている。
図１１に界面部Ａ、Ｂ、Ｃに形成される第３の磁気回路による各コギングトルクの波形（破線波形）及びこれらを合成したコギングトルクの波形（実線波形）を示す。図１１によれば、界面部ＡとＣにおけるコギングトルクの波形（理想的なサイン波形に任意の高調波成分を含む）どうしが打ち消し合うため、界面部Ｂのみで第３の磁気回路によるコギングトルクの波形が残る。このため上下に積層されるステータヨーク８ａ、８ｂやクローポール９ａ、９ｂを通じて永久磁石２との間で形成される第３の磁気回路の磁束量が変化することに起因するコギングトルクを有効に低減することができる。

図８において、ステータユニット５ａ〜５ｄのうち隣接するステータヨークどうしの界面部をそれぞれＤ、Ｅ、Ｆとする。この界面部Ｄ、Ｅ、Ｆのうち、界面部ＤとＦで形成される第３の磁気回路の磁気的中心Ｐが電気角で１８０度の位相差をもって積層されている。図１２に界面部Ｄ、Ｅ、Ｆに形成される第３の磁気回路による各コギングトルクの波形（破線波形；ＤとＦのコギングトルク波形は一致する）及びこれらを合成したコギングトルクの波形（実線波形）を示す。図１２によれば、界面部ＤとＦにおけるコギングトルク（理想的なサイン波形に任意の高調波成分を含む）が強め合うため、合成したコギングトルクの波形は大きくなることが分かる。

図１５は図７及び図８の合成コギングトルクの値を磁気解析により求めてグラフ図に表したものである。図１５によれば、図７及び図８の合成コギングトルクの最大値を比較すると、図７の合成コギングトルクＧは、図８の合成コギングトルクＨのおよそ１／４に抑えられることが分かる。

ここで第３の磁気回路で発生するコギングトルクの重ね合わせについて検証する。例えば図７の界面部Ａ乃至Ｃ（或いは図８の界面部Ｄ乃至Ｆ）のいずれかの界面部で発生する基本波成分の大きさが１であるコギングトルクを想定する。そのコギングトルクの波形に同じ大きさで別の界面部で発生したコギングトルクを任意の位相差を持たせて波形を重ね合わせたときの合成コギングトルクを計算する。図１９は、２つのコギングトルクの波形の位相差をＸ軸に、合成コギングトルクと基本波成分（大きさ１）の比をＹ軸にとったグラフ図である。位相差が９０°より大きくなると線対称に再度右肩あがりの波形となる。２つのコギングトルクの波形を重ね合わせているのに比の値が２を越えてしまうのは、基本波成分より大きさが小さい任意の高調波成分が含まれるからである。

以上の検討結果より、合成コギングトルクは、位相差を大きくとるほど小さくなり、９０°の位相差のとき最小値となる。位相差が９０°以外であっても、位相差が９０°±３０°のときに２つの波形を重ね合わせた大きさが１つの界面部で発生するコギングトルクの波形の大きさと同じになる。
よって、第３の磁気回路を形成する磁気的中心Ｐ（図７参照）の位相差を考える場合に、合成コギングトルクを低減できる有効な範囲は、電気角で９０°±３０°であり、位相差が電気角で９０°のとき合成コギングトルクの影響を最も低減できることが分かる。

次に、第３の磁気回路に発生するコギングトルクを更に低減するためのステータ構造について図９を参照して説明する。
偶数段（本実施例では４段）積層されるステータユニット５ａ〜５ｄに磁性体からなる補助極１５が同芯状に積層されている。補助極１５の外周には櫛歯状の磁極歯１５ａが連続して形成されている。この補助極１５はステータユニット５ｂとステータユニット５ｃの界面部Ｂのみに形成される第３の磁気回路で発生するコギングトルクを打ち消すような位相差で磁極歯１５ａが配置されている。このように補助極１５が配置されていると、図１４において、界面部ＡとＣにおけるコギングトルクの波形（理想的なサイン波形に任意の高調波成分を含む）どうしが打ち消し合い、界面部Ｂにおけるコギングトルクの波形と補助極１５と永久磁石２との間で発生するコギングトルクの波形が打ち消し合うため、合成されるコギングトルクの波形は理論上ほとんど消滅することになる。この補助極１５は、ステータユニットが偶数段積層される場合（界面部が奇数箇所である場合）に特に有効である。

また、図１０は、例えばステータユニット５ｂとステータユニット５ｃとの界面部にコギングトルクが生じている場合、上段のステータヨーク８ｂと下段のステータヨーク８ａとの間に空隙１６を形成して磁気的に絶縁し（磁気抵抗を増大させ）ている。この場合、筒体１２には新たな磁気回路を形成しないようにするため非磁性材料が用いられる。これにより隣接するステータヨークの界面部に磁束が流れ難くなるため磁束変化も起こり難く、第３の磁気回路によるコギングトルクは発生し難くなる。

図１７は、図１のステータ構造（ステータユニット４段積層）でステータユニット５ｂ、５ｃ間に空隙（スペース）１６を１ｍｍ設けた場合と設けない場合とでコギングトルクの大きさを比較したグラフ図である。この場合、スペースを設けない場合の波形（破線波形）Ｑのほうがスペースを設けた場合の波形（実線波形）Ｒよりコギングトルクが大きいことが分かる。

また、図１８は一定電流を流した時のトルク波形について、スペースが無い場合とスペースがある場合とを対比して示すグラフ図である。図１８によれば、コギングトルクの波形はほぼ一致しておりスペースの有無により差はないことが分かる。よって、ステータユニットの積層数に寄らず、いずれかの界面部で第３の磁気回路によるコギングトルクが発生する場合には、必要に応じて間隙（スペース）１６を設けることにより、ステータ５の構成態様にかかわらず界面部で発生するコギングトルクを抑制することができる。

本実施例では、２相ステップモータについて説明したが、これに限定されるものではなく、軸方向の長さが長くなるが低振動を実現した３相、４相、…ｎ相などの多相ステップモータについても同様に適用することができる。また、ステータは、１相あたり分割して積層されるステータユニットの数が２個に限らず３個以上であってもよい。

また、上述した実施例はアウターロータ型ステップモータについて説明したが、インナーロータ型ステップモータについても同様に適用することができる。また、永久磁石型回転機としては、駆動回路にて通電する相を切り替えるオープンループ制御されるステップモータに限らず、同様なモータ構成で、ロータの磁極検出装置を備えクローズドル―プ制御にて励磁する相を切り替えるブラシレスモータについても適用可能である。

２相ステップモータの一部切欠斜視図である。ステータユニットの斜視説明図である。１のステータユニットの斜視説明図である。第１の磁気回路を示す説明図である。第２の磁気回路を示す説明図である。第３の磁気回路を示す説明図である。ステータユニットの磁極歯の位相差を示す説明図である。ステータユニットの磁極歯の位相差を示す説明図である。他例に係る２相ステップモータの一部切欠斜視図である。他例に係る２相ステップモータの部分断面図である。図７のステータユニットで第１乃至第３の磁気回路に発生するコギングトルクの波形を示すグラフ図である。図８のステータユニットで第１乃至第３の磁気回路に発生するコギングトルクの波形を示すグラフ図である。図１１と図１２の合成コギングトルクの波形を比較したグラフ図である。図９のステータユニットで第１乃至第３の磁気回路に発生するコギングトルクの波形を示すグラフ図である。図７と図８のステータユニットで発生したコギングトルクの大きさを磁気解析により測定したグラフ図である。第３の磁気回路のコギングトルクの影響の大きさを説明するためのグラフ図である。ステータユニットの界面部に空隙有無に応じたコギングトルク波形を比較したグラフ図である。ステータユニットの界面部に空隙有無に応じた一定電流を流した時のトルク波形を比較したグラフ図である。２つの界面部に発生するコギングトルクの波形の位相差と合成コギングトルクの大きさが基本波の大きさに占める比率との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１ロータ
２永久磁石
３ロータヨーク
４ロータシャフト（出力軸）
５ステータ
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄステータユニット
６コイルボビン
７コイル
８ａ、８ｂステータヨーク
９ａ、９ｂクローポール
１０、１１軸受部
１２筒体
１３モータ基板
１４ブラケット
１５補助極
１５ａ磁極歯
１６空隙

Claims

空芯状に巻かれたコイルを櫛歯状の磁極歯が形成されたステータヨークにより挟み込んで形成される複数のステータユニットが同芯状に積層されるステータと、ステータヨークに形成される磁極歯に対向して磁極が形成された永久磁石を備え、出力軸を中心に回転可能に支持されたロータを有する多相の永久磁石型回転機であって、
同相のステータユニットが１相当たりｎ個（ｎは２以上の整数）に分割され、積層される全てのステータユニットの各ステータヨークが同数の磁極歯をロータ回転方向に所定ピッチで形成され、かつロータを回転方向に付勢するように位相をずらせて同芯状に直に積層され、積層された各ステータユニット間に磁極歯どうしが直に重なり合う界面部が軸方向で３箇所以上形成され、これらの界面部のうちで直に重なり合う磁極歯どうしのロータ回転方向の中間位置が電気角で９０°±３０°の位相差で積層される界面部が１対以上存在することにより、永久磁石と対向する磁極歯が軸方向で直に重なり合う界面部を通過する磁気回路に起因するコギングトルクを低減することを特徴とする永久磁石型回転機。
偶数段積層されたステータユニットと同芯状に積層され、隣接するステータヨークの界面部に形成される磁気回路に発生するコギングトルクを打ち消す位相差で磁極歯が形成された補助極が積層されることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型回転機。