JPS62138051A - 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〕 本発明は突極構造の電機子鉄心と、界磁に永久磁石を使
用する永久磁石回転電機に係る。

〔発明の背景〕

突極磁極を有する回転電機、とくにブラシレスモータに
おけるトルク変動には、突極磁極間の巻線溝に起因する
コギングトルクと１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ずる脈動トルク、即ちトルクリッ
プルとがある。コギングトルクを低減する方法としては
、突極磁極表面に補助溝を設けて、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。しかし、この方法は補助溝に
よってトルクリップル分が増加する問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は突極構造の電機子鉄心を有し、界磁に永久磁石
を使用する電動機において、コギング１ヘルクの低減と
、出力トルクの１−ルクリップルの低減を合せ行なおう
とするものである。

〔発明の概要〕

本発明は、補助溝や補助突極をもって、コギングトルク
成分を調和削減したり高次化して低減し、あわせて界磁
磁気パーミアンスを磁極内部で小さくして、合成トルク
のトルクリップルを低減し。

両立しがたいコギングトルクの低減と１−ルクリップル
の低減を両立させるものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の原理を図により説明する。

第１図は、本発明の対象とするモータの一例の断面構造
を示す。回転子の永久磁石界磁部１は４極に着磁された
リング状永久磁石２とヨーク部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６１，６
２．６３とで構成し、巻線用突極５１，５２，５３には
各々電機子部［７１，７２，７３が巻回されている。

ここでは、いわゆる永久磁石２の極数と巻線用突極の数
はそれぞれ４と３の例で、その最大公約数が磁石の極数
と異なるものを対象としている。

本モータは、ブラシレスモータの場合１巻線７１．７２
．７３への通電を、回転子１の位置に応じて順次切り替
え、連続的な回転力を得る。

８ａＨ８ｂｔ＋　８ａｚ＊　ｓｂ、、８ａ、、８ｂｉは
突極磁極間に位置する巻線用溝である。この溝配置は、
電気角で一π（従ってＭ＝２）の間隔を持った８　ａｘ
ｔ　８　ａｌｌ　８８．と８ｂ□、８ｂ２，８ｂ。

の２つのグループで構成する。

以上が本発明の対象の磁石モータである。また磁石２と
対向する突極５１，５２，５３の外表面には、各々巻線
用溝とほぼ同じ磁気パーミアンスを持つ補助溝８　Ｑ□
Ｈ８Ｑｚｇ　８　Ｃ３，８ｄｌ　Ｈ８ｄｚ＋８ｄ、が設
けられている。

以下、この種のモータのコギングトルクの発生の原理に
つき、第２図で説明する。一般にコギングトルクは永久
磁石磁極２の移動にともなって空隙部９内の磁気エネル
ギーが変化する事により引き起こされる。この変化の原
因は巻線用溝にある。

第２図において、（ａ）は空隙磁束密度を、（ｂ）は永
久磁石磁極を、（ｃ）は電機子部の周方向展開図を、（
ｄ）は電機子部がθだけ移動した時の電機子部を示す。

図において１便宜上、実際とは逆に電機子部を永久磁石
磁極２に対して動くものとして考えを進める。

図において、コギングトルクＴＣは、一般に次式で表現
できる。

ａθ ここで　０：永久磁石磁極に対する電機子部の移動角 Ｅ（θ）：空隙全体の磁気エネルギー 一方、空隙中の任意の角度ψでの微少体格ｄｖ当りの磁
気エネルギーΔＥ（θ）は、 ２　μ。

＝に１・Ｂ、　２　（ψ、０）・ｄψ　　・・・　（２
）ここで　μ。：空気の透磁率 Ｂ、（ψ、θ）：空隙の磁束密度 に１：定数 となり、従って空隙全体の磁気エネルギーＥ（θ）は、 Ｅ（θ）”Ｋｌｆ　８ｇ２（ψ、θ）ｄψ　・・・（３
）ここで　Ｐ：永久磁石磁極数 となる。

一般に溝がない場合の空隙磁束密度Ｂ（ψ）は、高調波
分に分解されて、次式で表わされる。

ここで　Ｂ、：Ｂ（ψ）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。（第２図
（ｆ）） Ｓ（ψ）＝Ｂ”（ψ） ＝Σ　Ｓ、（ψ） ｎ＝１ ここで、Ｓ、（ψ）：Ｓ（ψ）の高調波分に、（ψ）：
Ｓ、（ψ）の直流分 Ｓ、、：Ｓ、（ψ）の高調波のピーク値ここて、巻線用
溝、補助溝の磁束密度に対する影響は、溝部上の空隙磁
束密度が減少するか、もしくは、零になると考えられる
。そこで溝部の位置のみ単位とする以下の関数を定義す
る。（第２図（ｅ）） 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
ｔ（θ）で表示できる。

ｕｔ（θ）＝Ｕ（θ＋α１）＋ｕ（θ＋α２）＋・・＋
ｕ（０十〇、）＝ΣＵ（θ＋α、）・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・（７）ｎ＝１ ここで　α０．α２・・・・・・α１：溝位置階：溝数 従って溝を含めた磁束密度の分布は、 Ｂｇ（ψ、θ）＝（１−ｕ、（θ））Ｂ（ψ）・・・（
８）となり、（８）式を（３）式に代入すると、・・・
・・・・・・・・・・・・（９）が得られるに こで（９）式の第一項はθの関数にならないため、（１
）式により明らかにコギングトルクに影響を与えない。

従ってコギングトルクＴａはａθ　８　　・・・・・・
・・・・・・・・・（１０）となる、ここでＳ（ψ）は
、溝がない場合のエネルギー関数を示す、さらにこれは
、 となり、従って、コギングトルクＴ。は、第２図で説明
すると同図（ｆ）で示すエネルギー関数Ｅ（θ）での、
移動前の位置関数（第２図（ｅ））が１を示すエネルギ
ー関数の総和Ｅ１と移動後の総和Ｅ２の変動によって表
わされる。

第２図（ｆ）より変動を直接見出すことは困難であるの
で、（１１）式を更に展開するとｎ＝１　　　　ｎ１＝
１ ｎ＝１　　ｎ１＝１ ｎ＝１　　ｎ１＝１ ・・・・・・・・・・・・・・（１２）となり、従って
（１２）式より、コギングトルクＴ、は各調波成分に分
解することができる。このことは、コギングトルクの各
調波成分は、同じ調波のエネルギー関数の溝位置部の値
の和の変動として与えられる事を示す。

さらに上記理論を実例により、第３図を用いて説明する
。

（ａ）は空隙磁束密度Ｂｇを、（ｂ）は永久磁石磁極、
（ｃ）は巻線用溝のみの電機子部を。

（ｄ）はその溝位置関数を、（Ｃ）、（ｆ）。

（ｇ）には、それぞれエネルギー関数の基本成分、第３
調波分、第６調波分を示す。ここで、巻線用溝は、電気
角で−πずつ位相の異なる８ａ工１ａａＺｔ８ａ、のグ
ループと、８ｂ、、８ｂ、、８ｂ３のグループとからな
る。この２つのグループに対して。

式（１２）の基本波分に対して適用するとΣＳａ、　ｓ
ｉｎ：’１（０＋　αｎ１）ｎ＝１ ＝一定 となる。上式中の〔〕内の前半は溝８ａ１，８ａ、。

８ａ３のグループに対応するものであり、後半は）１８
ｂ１，８ｂ２，８ｂ□のグループに対応するものである
が、和は一定となり、コギングトルクＴ。

は生じない。

一般に溝間隔−Ｍ２Ｃ（Ｍは３の倍数でない整数）をも
つ３個の溝のグループは、上式と同じ手法での考察から
、基本波分と３ｎ±１次調波分のコギングトルクを生じ
ないことが分る。

一方、第３次調波について考えると。

Σ　Ｓａ　５ｉｎ２　・３　（θ＋α、１）ｎ＝１ ＝Ｓａ、・ｎ−ｒ　　ｓｉｎ　６　（θ）・・・・・・
・・・・・・・・・（１４）となり第３図（ｆ）で示す
様に各溝位置上のエネルギー分布の第３次調波は同相と
なり、コギングを引き起こす。

この第３次調波によるコギングトルク発生を除こでＫは
整数）だけずらして補助溝を配置することが有効である
。最も簡単な例として、第３図（ｆ）に矢印で示した位
置に補助溝をつけると良い。これによって（１４）式は
、 ・・・・・・・・・・・・・・・（１５）となり零とな
し得る。尚（１５）式の第一項は巻線溝の項、第二項は
補助溝の項である。

ここで補助溝の配置は第３図に限られたものですれば、
その他の任意の位置でも良い。但し−グループを構成す
る１０個の補助溝の間隔は、電気角−Ｍｉ（Ｍは３の倍
数でない整数）を維持するものとする。この溝装置でコ
ギングトルクＴ、は高次になり低減することができる。

以上の巻線溝と補助溝の配置では、第３次調波成分は除
去されたが、第６次調波成分が出てくる。

第３図（ｆ）で示した溝装置は第６次調波成分に対して
は ＝２ｎり・Ｓａ、・５ｉｎ２・６・θ　・・・・・・・
・・・・・（１６）となる、この第６次調波成分は巻線
用溝と補助溝補助溝のグループを、他のグループに対し
て、電π る、その配列例を第３図（ｈ）に示す。

その他、第９ｙ４波成分については、第３次調波を消せ
ば、自動的に消え、その他の高次としては第１２調波成
分が残るが、このクラスの高調波の必要に応じてスキュ
ーを行なえば、最小のスキュ必要に応じてスキューを行
なえば、最小のスキュー角で除去できる。

次に出力トルクのトルクリップルについてみる。

第２図（ａ）は空隙９における磁束分布を示していた。

界磁の磁石２から出た磁束は、その大部分が突極部の５
１，５２，５３．及び６１，６２゜６３に吸いとられ、
各々の突極部５１，５２゜５３の実効的なピッチは、機
械角で−、電気角でπとなる。巻線７１，７２，７３と
鎖交する磁束は、突極部５１，５２．５３に流入する磁
束に等しいから１巻線の実効ピッチも同様に電気角でπ
と云える。

第４図は、界磁部と巻線７１（または７２　、７３）と
の関係を示す概略展開図である。界磁部磁石２は平面展
開され、巻線７１は等価的に実効ピッチπの１タ一ン巻
線７１Ｓに置きかえである。ここに巻線７１Ｓに電流ｉ
を流す、界磁部１との電磁作用によって回転力Ｍが生じ
る。その大きさは、フレミングの左手の法則により、電
流と磁束密度に比例するから となる。即、回転力Ｍは巻線の実効ピッチの両端に比例
することが分る。

回転角θの変化に対する各巻！？１，７２゜７３の各実
効ピッチ両端における磁束密度の差の変化を第５図（ａ
）に示す、この場合、一定値の電流１ｔ１１２１１３を
第５図（ｂ）の様に回転角に応じて各巻線７１，７２．
７３に順次流すと、回転力Ｍは第５図（ｃ）となる。一
定電流を通電するときの回転力の変動分が、トルクリッ
プルであるから、第５図ＣＣ＞のΔＭとなる。

以上の説明から明らかな様に、各巻線７１゜７２．７３
の磁束密度差の平坦部の角度幅Ｆを広くすれば、トルク
リップルΔＭは減少する６巻線の実効ピッチを界磁部１
の１磁極ピツチに近づける様減らしてくれば、このＦは
広がり、トルクリップルは減少することも分る。補助突
極６１゜６２．６３は、不要な磁束が巻線と鎖交しない
様にし１巻線の実効ピッチを界磁部の１磁極ビヤチに近
づけている・ この種モータについては、回転力は、巻線内の誘起電圧
Ｅと電流主の積に比例することも、衆知の電動機理論に
より開示されていることである。

即ち第５図（ａ）、（Ｑ）は、いずれも巻線内誘起電規
Ｅで置換して考察できる事となる。

さらに、巻線の誘起電圧は、磁束鎖交の時間変化の割合
に比例するという衆知のファラデイの法則で求めること
もできるし、又、巻線辺が、磁界を表わす磁力線を切る
ことによって誘導されるとするフレミングの右手側によ
って求めることもでき、いずれの方法でも同一の結論に
到達することは衆知となっており、誘起電圧波形は巻線
辺の切る磁束波と同一波形となる。

即ち、第５図（ａ）、（ｃ）を誘起電圧Ｅに置換して考
える時、その波形は、第２図（ａ）、第３図（ａ）の空
隙磁束参密度Ｂｇの波形に相似であることが理解できる
。

ここに、前述の如く、巻線の実効ピッチに注目して平坦
部Ｆを広くシトルクリツブルを低減する方法とは別に、
磁束分布波形に注目して、トルクリップルを低減する方
法のあることが分る。

実効的なトルクリップルは１回転力Ｍの平均に対し変動
分で評価できる。そしてさらに、コギングトルク同様に
高次化して緩和することも効果的である。そのためには
、第５図（ａ）、（ｃ）の平坦部ＦをΔＭ方向にその値
がΔＭを超えない範囲で部分的に低下させれば良い。（
第５図（ｄ）の八Ｔ） それは１個に限らず複数でも、三角形状にこだわらない
形であっても同様効果的であることは容易に分る。

このΔＴを得る方法は、界磁１側の工夫によるものと、
電機子４側の工夫によるものとが考えられる。

第６図（ａ）、（ｂ）は、界磁１側での実施例を示しく
ａ）は、磁石２に各々１１，１２，１３゜１４のくぼみ
を設けている。（ｂ）は、磁石２の肉厚内径、外径とも
０点を中心としたＲ工、Ｒ２で構成する第１図例に対し
、内径側の全であるいは、一部をＡ点を中心とした半径
Ｒ，（Ｒ３＜Ｒ工）で構成し、破線で示す前者例に対し
、くぼみ２１゜２２．２３，２４を設けたものである。

すなわち（ａ）、（ｂ）いずれも、第１図の電機子４（
この場合溝なしで、表面一様な円筒と考える）に対し、
磁石２の端面３１，３２の中側が両端よりも磁気パーミ
アンスが小さくなる如く、空隙長を大きく構成しておる
。これにより、第５図（ｄ）の如きくぼみ八Ｔを形成し
ようとするものである。

このくぼみ１１，１２，１３，１４、あるいは２１．２
２，２３，２４は各磁石に複数個あっても、また形状が
いかなるものであっても、前述の如く１回転力のΔＭあ
るいはそれに対応する誘起電圧の側より小さく、かつ、
平坦部Ｆ内にある回転力ΔＴあるいはそれに対応する誘
起電圧を発生させるものであれば良いことは自明である
。但し２部外であっても巻線電流ｉ□９１２ｊ　１ｍの
切替点Ｔ内であれば、一部効果もある。

第７図は、本発明に従って電機子４側での工夫によるも
のを示す。巻線用突ｔｉ５１，５２．５３には補助溝８
　ｃｌ、　８　ｃ、、　８　ｃ、及び８ｄ、、　８ｄ２
゜８ｄ、があり、それらは前述理論に準じて各突極の両
端近辺に配列されている。

この各突極５１，５２，５３の２つの補助溝８　ｃ、〜
８　Ｃ３，８ｄ１〜８　ｄ、の内側で、各突極５１〜５
３の中央近辺には、外周の径方向空隙９をへだでて対抗
する永久磁石２との磁気パーミアンの、外周位置による
変化が補助溝８　Ｃ１＋　８　ｃｚｐ８　ｃ、、　８　
ｄｉ、　８　ｄ、、　８　ｄ、よりもゆるやかな形状の
くぼみ部８１，８２．８３が形成されている。

これにより前述理論にもとずき、第５図（ｄ）のくぼみ
ΔＴを作成するものである。

〔発明の効果〕

以上の構成によれば９両立しがたいコギングトルクの低
減と、トルクリップルの低減を合せ実施し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する電動機の構造図、第２図はコ
ギングトルク発生の原理説明図、第３図は第１図に対応
したコギングトルク低減の説明図、第４図、第５図（ａ
）ないしくｄ）および第６図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ
トルクリップルの発生原理と低減手法を示す図、第７図
は本発明の一実施例を示す構成図である。 １・・・永久磁石界磁部、２・・・永久磁石磁極、３・
・・ヨーク部、４・・・電機子、５１，５２，５３・・
・巻線用突極、６１，６２．６３・・・補助突極、７１
，７２゜７３−・・電機子巻線、８　ａｌｐ　８　ａ２
ｅ　８　ａ３ｔ　８　ｂｉｔ８ｂ２，８ｂ３・・・巻線
用溝、８Ｃ工、８ｃ、、　８ｃ３゜８ｄｉ、８ｄ２，８
ｄ、・・・補助溝、９・・・空隙、１１゜１２．１３，
１４・・・磁石２内のくぼみ、２１゜２２．２３．２４
・・・磁石２内のくぼみ、３１゜３２・・・磁石２の端
部、８１，８２，８３・・・巻線用突極、５１．５２．
５３の中央付近に形成された磁気パーミアンス変化のゆ
るやかなくぼみ部。

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機において、前記突極磁極
   の中央部にくぼみ形状をもつて界磁空隙を構成すること
   によつて前記永久磁石界磁部と電機子間の磁気パーミア
   ンスが前記突極磁極両端に比しその内側で小さくなるよ
   う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、電
   機子鉄心の主突極部の間に前記界磁部と対向するように
   補助突極部を設け、電機子巻線の実効ピツチを界磁極の
   ピツチにほぼひとしくしたことを特徴とする永久磁石回
   転電機。 ３、前記特許請求の範囲第１項事載のものにおいて界磁
   極数がＰ個で、電機子巻線突極がｍ個で、両者の最大公
   約数がＰとことなり、かつ、電気角で２／３Ｍπ（Ｍは
   ３の倍数でない整数）の間隔を持つた巻線用溝の１つあ
   るいは複数のグループをもち、巻線用溝位置に対して電
   気角で２／３Ｋ＋π／６（Ｋは整数）だけ分離した位置
   に巻線用溝と同数の補助溝を突極磁極表面に設けたこと
   を特徴とする永久磁石回転電機。 ４、前記特許請求の範囲第３項記載のものにおいて、巻
   線用溝と補助溝との間隔をπ／３Ｋ＋π／６だけ分離し
   た一つの巻線用の溝と補助溝のグループを、他のグルー
   プに対して、電気角でＬ・π／２（Ｌは整数）だけずら
   して配置したことを特徴とする永久磁石回転電機。 ５、前記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、界
   磁の位置に応じて複数の電機子巻線への通電を切り替え
   て連続的な回転力を得るものであつて、前記磁気パーミ
   アンスの低下が、巻線切替内の合成誘起電圧にくぼみを
   発生するものにして、かつ巻線切替点のくぼみよりもく
   ぼまないことを特徴とする永久磁石回転電機。