JPH0356061A - モータ - 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〕 この発明は、コア型のモータに関し、そのコギングトル
クを極限まで減少させたものである。

〔従来の技術） 第１４図（ａ）．（ｂ）は従来のモータの一例を示す断
面略図と永久磁石表面の磁束密度分布図である。この図
で、１はリング状の永久磁石からなる磁極で、ＮＶｉと
Ｓ極を有し、磁気ヨーク２に固着されている。３は突極
を有するアーマチュアで、コイル４を備え、磁極１とギ
ャップｇを置いて対向配置されている。５は回転軸で、
図示していない支持部材によってアーマチュア３や磁極
１とともに支持されている。

〔発明が解決しようとする課題） このような従来のモータで、トルクリツブルの大きな問
題となるコギングトルクを減少させるために、磁極１の
磁化分布を正弦波的になるようにしたり、着磁角度を制
御したり（特開昭６１一２５４０４５号公報参照）する
方法が考えられてきたが、いずれも完全にコギングトル
クをなくするような技術ではなかった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされ
たもので、突極数と永久磁石の極数に対応して、前記永
久磁石において、着磁領域の幅方向の距離をフーリエ級
数で表した場合、ある特定のフーリエ係数を含む形状に
することによりコギングトルクがほとんどないモータを
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にかかるモータは、ｍ個の磁極を有する永久磁
石と、これに相対する実質上磁気的に等価なＰ個の突極
を有するモータであり、前記磁極のＮ，Ｓ極１対をモー
タ回転角方向に対して１周期Ｔとし、前記磁極において
着磁領域の幅方向距１！！ｉｈ　（θ）を回転角θに対
して次なるフーリエ級数 ｈ　（θ）”ｈｏ　　＋Σ　　ａｎｃｏｓ（２πｎθ／
Ｔ）ｎｍｌ ＋Σ　　ｂ　ｎ　　ｓｉｎ（２　ｙｒ　ｎθ／Ｔ）　　
　・（１）ｎｍ＋ ＝２．４，６，・・・・・・，２０のうち少なくとも１
つ以上のｎの値においてゼロではないフーリエ係数ｂ，
が存在する着磁パターンを有するように、前記永久磁石
を特殊なパターンに着磁を施したものである。

ただし、ｉはｍ／２とＰとの最大公約数をｑとしたとき
Ｐ／ｑで表される整数である。

またこの発明は、着磁領域の副方向距離を変える変わり
に、磁極の表面の一部を薄い軟磁性体でおおい、実質的
に突極と相対する磁極の副方向距離が　（１）式で表わ
されるようにしてもよい。

〔作用〕

この発明においては、界磁部である永久磁石の着磁され
ている部分の幅方向の距離を高調波を含む特殊形状にし
たので、コギングトルクが極めて小さくなる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例について説明するが、その前に
この発明の原理について述べる。

ラジアルギャップ型モータのトルクＴＱは下記第（２）
式で与えられる。

・・・・・・　（２） ここで、 Ｆ，（θ）：ギャップ中でのラジアル方向磁束量 Ｆｅ　　（θ〉　：ギャップ中での回転方向磁束量Ｒ；
ギャップｇの位置の半径 υ。ギャップｇ中の磁気抵抗率である。

第１４図（ａ）に示す最も単純なモータである２磁極．
３突極のモータを例に説明する。ψを１突極の角度、θ
。をある突極の端の基準位置からの角度とする。トルク
ＴＱは第　（２）式に示されるように、Ｆｒ　（θ）・
Ｆｅ　　（θ）の積で発生するから、磁束密度の大きな
突極と永久磁石とのギャップ中のみで発生すると考えて
よく、第　（２）式の積分は突極のある部分のみでよい
。

ラジアル方向磁束量Ｆｒ（θ）を、磁極１がラジアル方
向に発生している磁束分布とし、永久磁石が発生する磁
束分布は正弦波の基本波と高調波との合成値で表す。Ｎ
，Ｓ極１対が２π、１周期Ｔであるから、２πｎθ／　
２　ｒｔ　＝　ｎθと表わすことにより次式で表すこと
ができる。

Ｆ，（θ）　＝　Ｆ．　（ｓｉｎθ＋Σ　β，−ｓｉｎ
　ｎθ）ｎ！２ ・・・・・・　（３） ただし、Ｆ０は定数である。また、永久磁石によるＦｒ
（θ）の分布式においてはＮ８ｉ，　Ｓ極の磁束量は等
しいから直流成分はゼロと表現されており、ｎは２，３
，４，・・・・・・の整数で、β。はｎ次成分の１次成
分に対する混合比を表わしている。第　（３）式におい
て、β．＝　（ｂｎ／ｂｌ　）．Ｆ．＝ｂ，とすると、
第　（１）式において直流成分ｈ０および余弦成分がゼ
ロの場合の式と形が一致する。つまり、この発明におい
ては、磁束量Ｆ（θ）は永久磁石の幅方向の着磁を施さ
れた距離ｈ（θ）と一次の関係があると考えている。

回転方向の磁束Ｆ，（θ）はＦ．．（θ）の回転方向の
微分によって与えられるから、 となる．第　（２）式のＦ，（θ）・Ｆｅ　　（θ）の
項において、基本波とある１つの特定のｎ成分に注目し
て検討してみると、 −ｓｉｎ（ｎ−１）　θ｝＋−”−｛ｓｉｎ（ｎ＋１）
θ｝２ ＋ｓｉｎ（ｎ−１）　　θ＋　βｎ’　ｓｉｎ　ｎθ’
ｃｏｓｎθ］・・・・・・　（５） 基本波に対するｎ次成分の比β。は通常小さくβ。《１
と考えると最後の項は無視できる。

次に、磁極１が発生する磁束成分Ｆ，（θ）がｋ次成分
のみの場合、第　（２）式のＦ，（θ）・Ｆ（θ）の項
は、 ｋ　． Ｆ，（θ）・Ｆｅ　　（θ）　・−　Ｆｏ”　−７　ｓ
ｘｎ２　ｋθ（６） となる。

コギングトルクは磁極１が単独の高次正弦波の磁束分布
をもつ場合、その次数が突極の整数倍（このモータの場
合は３，６，９，・・・・・・）の場合以外はゼロであ
るため、第　（５）式においてｎ±１が３の整数倍にな
るときコギングトルクが発生する。第（５）　．　（６
）式を比較すると明らかなようにｎ±１と２ｋが対応し
ている。

つまり、このモータでは基本波にｎ次モードの高調波磁
束成分のうち（ｎ±１）／２が３の倍数になるような成
分を含む場合にコギングトルクが発生する。例えばｎ＝
５の場合、５次モード単独ではコギングトルクは発生し
ないが、基本モードに５次モードがわずかに加えられた
場合（５＋１）／２＝３となり、単独の３次高調波磁束
成分が作るコギングトルクパターンが発生する。逆に、
単独ではコギングトルクを発生するモードでもそれが基
本波と合成されている場合は、第　（５）式のβ。′の
項でしか影響を与えず、むしろコギングトルクはあまり
発生しない。つまり、基本波に高次モードが混合されて
いる場合、その高次モード単独のコギングトルクパター
ンが発生するのではなく、非線形的に作用する。

なお、この発明での突極の数ｍとは、第１４図（ａ）に
示す通常の集中巻線を有するモータでは各相からなるコ
イル４の数と一致するが、第１６図で示すような分散巻
線を施し、多数の突極を有するモータでは、コイル４の
数ではなく突極の数そのものである。また、第｛７図に
示すような主突極に補助溝を有するモータでは、それら
の小さな凸部の数を意味する。

上記原理に基づくこの発明の実施例につ．．！！）で、
以下に説明する。

第１図（ａ）．（ｂ）はこの発明の一実施例を示すもの
で、第１４図（ａ）に示した２磁極，３突極．集中巻線
（図示せず）を有するモータに、この発明を適用したも
のである。このモータはラジアルギャップ型のモータで
あるから、磁束の各高調波成分を制御するためには、永
久磁石の回転軸方向の着磁領域の高さｈを前記高調波成
分が加算された着磁パターンにする。なお、ｈはラジア
ルギャップ型のモータにおいては回転軸方向の距離、ア
クシャルギャップ型のモータにおいては半径方向の距離
である。

第２図（ａ）．（ｂ）．（ｃ）は、例えば５次の高調波
成分を加える方法についての模式的説明である。第２図
（ａ）は５次のモード、第２図（ｂ）は基本モードを示
している。ただし、この図では基本モードの形状を正弦
波ではなく簡単にするために四角形で表わしている。し
たがって、第２図（ａ）と（ｂ）を合わせると第２図（
Ｃ）で示すようになり、磁極１の着磁領域の幅方向の距
離を変えるだけで各高次モードが入れられることがわか
る。

第１４図（ａ）に示された従来のモータの永久磁石の磁
化の方向は、通常同図に示すようにラジアル方向か、あ
るいは第１５図（ａ）に示すように一方向である。この
場合、磁極１表面の磁束の分布は、第１４図（ｂ），第
１５図（ｂ）に示すように、１方向の場合は正弦波的、
ラジアル方向のときは方形または台形的である。しかし
、磁束分布が方形や台形的であっても、これらをフーリ
工級数に展開した場合、最も大きな成分は１次の基本波
である。したがって、この基本波に各高次成分を加える
ことによって検討を行えばよい。

第３図は、第１４図（ａ）の従来のモータの磁極１表面
の回転方向に対する磁束分布を示したもので、基本波以
外に高次の奇数モードを含んでいる。このモータのコギ
ングトルクを第４図に示す。コギングトルクは６０”　
　　３０”　　　１５°の周期からなる各コギングトル
クを含んでいる。前述のように、６０゜周期は磁束の５
．７次成分、３０゜は１１，１３次成分、１５＠は１７
，１９次成分の影響と考えられる。

第５図は、もともともっている永久磁石の５，７次モー
ドを打ち消すために５次および７次モードをそれぞれ基
本波に対して−８％．−３％入れた磁石形状の模式図、
および第６図はそのときのコギングトルクを示したもの
である。

第６図から明らかなように、５次．７次の磁束モードを
減少させると、６０”周期のコギングトルクはほぼ消え
高次のコギングトルクが残る。

３０゜周期のコギングトルクは同様の方法で１１次，１
３次モードを磁石形状に入れることによって減少させる
ことができる。

第７図は５次モードのみ−５％を永久磁石の着磁パター
ンに入れた場合の模式図であり、ＩＩｆｌ極１が発生す
る磁束成分のうち５次および７次の成分がほぼ同じ値に
なるようにしたものである。この場合も第８図で示すよ
うに、６０゜周期のコギングトルクは非常に小さな値と
なる。つまり、５次，７次の磁束成分によって発生する
コギングトルクは、位相が逆であるため、５次．７次成
分を含んでいてもその値が同符号で値も同程度であれば
、そのモードのコギングトルクは非常に小さな値となる
。

第９図は、第１４図（ａ）の従来のモータにおいて、永
久磁石の着磁パターンに５次および１１次のモードを加
えたもので、第１０図に示すように、コギングトルクが
極めて小さくなる。

第１６図はＡＣサーボモータによく利用される分散巻線
を有する４極の永久磁石．１５個の突極を有する従来の
モータを示したものである。通常の永久磁石を用いるこ
の場合のコギングトルクの周期は、６゜．３゜　・・・
・・・となる。

上記モータにこの発明を適用する場合、ｍ＝４　　　　
（磁極数） Ｐ＝１５　　　　（突極数） ｑ＝１　　　　　（一とＰの最大公約数）２ Ｐ ｉ＝ｔｓ　　　　（　　） ｑ ｊ＝２　　　　　　　（ｊ＝２．４．６．　　・・・・
・・２０のうち簡単のため２を とる） したがって、 ｎ＝（ｉｘｊ）±１ ＝　（１　５Ｘ２）±１＝３１　　ｏｒ最終的にｈ（θ
）は ｈ（θ）　＝　ｈｏ十ｂ２９ｓｉｎ２　９θ＋　ｂ　３
，ｓｉｎ　３　１θ ２９ となる。ｂ　２Ｇｌ．　　ｂ　３１を何％にするかはコ
ギングトルクが最小になるようコギングトルク特性図か
ら決める。

また、第１７図は突極に補助溝を有する従来のモータで
ある。この従来のモータにこの発明を適用する場合、コ
ギングトルクに影響を与える突極数としては６となり、
Ｎ，Ｓ磁極対に対してｎ＝６ｊ±１　（ｊ＝２．４，・
・・・・・）のモードを永久磁石の着磁パターンに入れ
ればよい。

これまではラジアル方向の磁化分布を有する磁石につい
て形状を変化させたが、この発明は第１５図（ａ）に示
したような１方向の磁化成分を有する永久磁石を用いた
モータの場合もほぼ同様のやり方でリップルを消すこと
ができる。この場合は永久磁石の着磁されている幅方向
距離ｈ（θ）がθに対して一定の状態で、すでに１次の
成分が大部分である。したがって、この永久磁石に、例
えば幅方向の着磁パターンを変えてｎ次の高調波を加え
るのは、βｎｓｉｎ　ｎθｌｓｉｎθ１の高調波を加え
たことを意味する。

第１１図はｎ＝５，βｓ＝ｌを加えた時、実際にはどの
ような高調波が加わるかを示したものである。同図から
明らかなように、加えた５次成分は加えた値の約６０％
に減少するが、そのまま存在し、負の７次成分が約２０
％．その他３Ｘｋ（ｋ＝１．２，・・・・・・）の成分
がわずかに発生する。したがって、こうした減少する割
合を予測して加える成分の値を制御すればよく、ラジア
ル方向に磁化成分を有する永久磁石を用いたのと同様の
効果を得ることができる。

第１８図は１方向に磁化を有し、１極の角度が１８０゜
に満たないＣ型磁石を用いた従来のモータを示したもの
である。このような従来のモータにこの発明を通用する
場合を説明する。

第１２図は角度が１５０゜のＣ型磁石が発生する表面の
磁束分布を各次数の高調波に分解したものである。１方
向に磁化をもつ永久磁石を用いた場合は、永久磁石のな
い部分でも第（３）式におけるＦ，（θ）成分がゼロで
はなく、全体としては基本波にわずかの高調波成分が加
わった形になっている。こうした永久磁石に着磁領域の
着磁パターンを変えてｎ次の高調波を加えた場合、Ｆ，
（θ）＝βｎ’　Ｓｌｎ　ｎθ−］ｓｉｎθＦ，（θ）
＝０ で示される磁束の高調波を加えたことを意味する。

第１３図はｎ＝５．β，＝１のとき、どのような高調波
が加わるかを調べたものである。この場合も、第１５図
（ａ）で示した全周に永久磁石が存在する従来のモータ
と同様であり、ただ加えた成分以外に３ｋ，３ｋ±１　
（ｋ＝１．２，・・・・・・）の高次成分が発生するだ
けである。したがって、こうした全周に永久磁石が存在
しないモータにおいても永久磁石の存在する部分におい
て高次成分を加えた着磁パターンにすることによって同
様の効果を゛得ることができる。この場合、磁束分布に
おいて高次成分を多く含んでいるため、すでに存在して
いる高次モードの比率を考慮して新たに加える高次モー
ドの量を制御することが重要である。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、この発明は、ｍ極の永久磁
石からなる界磁部と、これに相対する実質上磁気的に等
価なＰ個の突極をもつモータにおいて、前記磁極のＮ，
Ｓ極１対をモータ回転角方向に対して１周期Ｔとし、前
記磁極の着磁された領域の距離ｈ（θ）を回転角θに対
して第　（１）式なるフーリエ級数で表わしたとき、Ｎ
，Ｓ各磁極対毎にｎ＝（ｉｘｊ）±１　（ｊ＝２．４，
・・・・・・）においてフーリエ係数ｂｎのいずれかが
ゼロではない値をもつ着磁パターンにしたので、コギン
グトルクが極めて小さい高品質のモータにすることがで
きる利点があり、工業的意義の大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）．（ｂ）はこの発明の一実施例を示す断面
略図および永久磁石の斜視図、第２図（ａ），（ｂ），
（ｃ）はこの発明による高調波成分の加え方の説明図、
第３図は従来のモータのｌｉｆｉ極表面の回転方向に対
する磁束分布図、第４図は同じくコギングトルク特性図
、第５図は同じくこの発明による５次，７次モードを加
えた場合の永久磁石の着磁領域を示す模式図、第６図は
同じくコギングトルク特性図、第７図は同じく５次モー
ドのみを入れた永久磁石の着磁領域の形状を示す模式図
、第８図はその場合のコギングトルク特性図、第９図は
従来のモータに５次．１１次モードを加えた場合の永久
磁石の着磁領域の形状を示す模式図、第１０図は、第９
図におけるコギングトルク特性図、第１１図は従来のモ
ータに５次モードを加えた時の駆動トルク特性図、第１
２図は従来のＣ型磁石を用いたモータの表面磁束分布図
、第１３図はこの従来のモータに５次モードを加えた場
合の駆動トルク特性図、第１４図〜第１８図はいずれも
従来のモータを示すもので、第１４図（ａ）は永久磁石
の磁化方向がラジアル方向であるモータの断面略図、第
１４図（ｂ）はその表面の磁束密度分布図、第１５図（
ａ）は同じく磁化方向が一方向のモータの断面略図、第
１５図（ｂ）はその表面の磁束密度分布図、第１６図は
４極の永久磁石と１５個の突極を有するモータの断面略
図、第１７図は突極に補助溝を有するモータの断面略図
、第１８図はＣ型磁石を用いたモータの断面略図である
。 図中、１磁極、２は磁気ヨーク、３はアーマチュア、４
はコイル、５は回転軸である。 第 １ 図 第 ２ 図 ５次モード 甚木モード 第 ３ 図 第 ５ 図 第 ６ 図 第 ７ 図 第 ８ 図 第 ９ 図 第 ］１ 図 第 １２ 図 第 １３ 図 第 １４ 図 第 １５ 図 第 １６ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｍ個の磁極からなる永久磁石からなる界磁部と、これに
   相対するＰ個の突極をもつモータにおいて、前記磁極の
   Ｎ、Ｓ極１対をモータ回転角方向に対して１周期Ｔとし
   、前記磁極における磁化発生領域の幅方向距離ｈ（θ）
   を回転角θに対して下記フーリエ級数 ▲数式、化学式、表等があります▼ で表した場合、ｎ＝（ｉ×ｊ）±１としたときｊ＝２，
   ４，６，……，２０のうち少なくとも１つ以上のｎの値
   においてゼロではないフーリエ係数ｂ＿ｎが存在する磁
   化発生パターンを有する前記界磁部からなることを特徴
   とするモータ。 ただし、ｈ＿０は直流成分、ａ＿ｎはフーリエ係数、ｉ
   はｑをｍ／２とＰの最大公約数としたときＰ／ｑで表さ
   れる整数である。