(57)【要約】【課題】永久磁石回転電機の励磁巻線無励磁時に外部駆動にて回転子を回転させた時、固定子鉄心との間に発生するトルクリップル成分であるコギングトルクと、通常、励磁時に発生するトルクリップルを低減する。【解決手段】励磁巻線４を有する複数のティース１ａを配置した固定子１の、前記ティース１ａには回転子１１０に相対して周方向に延在するティース先端部１ｃが形成されており、任意のティース先端部１ｃ間に、磁性体８が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子に空隙を介して配置され永久磁石が設けられた回転子を備えた永久磁石回転電機であって、
前記固定子には、それぞれに励磁巻線を有する複数のティースが配置されているとともに、前記ティースには前記回転子に相対して周方向に延在するティース先端部が形成されており、任意の前記ティース先端部間に磁性体が設けられていることを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項２】
前記磁性体が、すべてのティース先端部間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機。
【請求項３】
固定子に空隙を介して配置され永久磁石が設けられた回転子を備える永久磁石回転電機であって、
前記固定子には、それぞれに励磁巻線を有する複数のティースが配置されているとともに、前記ティースには前記回転子に相対して周方向に延在するティース先端部が形成されており、任意の隣り合う前記ティース先端部のいずれか一方のティース先端部端に、磁性体が設けられていることを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項４】
前記磁性体が、すべての隣り合う前記ティース先端部のいずれか一方のティース先端部端に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石回転電機。
【請求項５】
固定子に空隙を介して配置され永久磁石が設けられた回転子を備える永久磁石回転電機であって、
前記固定子には、それぞれに励磁巻線を有する複数のティースが配置されているとともに、前記ティースには前記回転子に相対して周方向に延在するティース先端部が形成されており、任意の隣り合う前記ティース先端部のいずれか一方の前記回転子に面する反対側のティース先端部上に、磁性体が設けられていることを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項６】
前記磁性体が、すべての隣り合う前記ティース先端部のいずれか一方の前記回転子に面する反対側のティース先端部上に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石回転電機。
【請求項７】
前記磁性体が異なる大きさであることを特徴とする請求項２、請求項４、請求項６のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項８】
前記磁性体が異なる透磁率を有することを特徴とする請求項２、請求項４、請求項６のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項９】
前記ティース先端部の端面には、前記磁性体を取り付けるための溝が設けられているとともに、前記磁性体は前記溝に適合する端部形成を有していることを特徴とする請求項１、請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項１０】
前記磁性体は、電磁薄鋼板の積層体、あるいは電磁軟鉄、もしくは磁性粉体の成形体であることを特徴とする請求項７、請求項８のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石回転電機に係るもので、特にコギングトルク、トルクリップルを低減した永久磁石回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石回転電機には、回転子が回転したときに固定子鉄心の磁極との間に発生するコギングトルクと、巻線に励磁したときに回転子鉄心と磁極間に発生するトルクリップルが存在することが従来より知られている。トルクリップルは理論上回転子の磁極数２Ｐと固定子の磁極数Ｚの最小公倍数の次数のみが現れる（非特許文献１）。しかし、この理論は回転子や、固定子において形状や材料特性が均一であり磁極が完全に対称に製造されている場合に限られる。しかし、実機において量産の際には、磁極の対称性がくずれることで、最小公倍数の次数よりも低次のコギングトルクやトルクリップルが大きな振幅で現れることが多い。
このような永久磁石回転電機を、例えばエレベータの駆動電動機に適用した場合、前記トルクリップルの増大はエレベータの乗り心地を悪化させ、またサーボモータに適用すると速度一定制御や位置決め精度の悪化等の問題を引き起こす場合がある。
さらに自動車用パワーステアリングに適用した場合には、ゴギングトルクの増大は操舵フィーリングの劣化を引き起こし、製品性能を大きく左右する。このようなトルクリップルやコギングトルクの低減を目的として、永久磁石回転子と電機子巻線を巻回した突極磁極を有する固定子とを備えた永久磁石回転電機において、製作誤差に起因して生じるトルク脈動を低減するため、回転子または固定子の磁気的なアンバランスを補正する補正手段を固定子または回転子に設ける技術が示されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８７１３１号公報
【非特許文献１】大穀晃裕、他７名  「外部応力印加時のＰＭモータのコギングトルクに関する実験検討」  電気学会研究会資料  ＲＭ−０３−１５２（２００３）Ｐ１３−１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら前記特許文献１に示された技術は、永久磁石回転電機が組み上がった状態で測定されたコギングトルクの計測結果に基づいて、それを補正する突極磁性鉄心の表面の溝の位相と大きさ、あるいは永久磁石片表面の溝の位相と大きさを算出して補正量を求めている。
従って上記補正は固定子あるいは永久磁石に切削加工などを行う必要があり、組立後の分解作業を伴い生産性を損なう。さらには固定子組立品の切削加工は容易でなく、ましてや着磁後の永久磁石の精度良い切削加工は非常に難しい。
加えて、上記補正量の検証には再組立作業を必要であるとともに、再補正の必要性がある場合には、分解再加工、再組立、再計測と非常に繁雑な作業手順を伴い、生産性の阻害、コストの上昇をもたらし、大量生産品に不向きであるという問題点がある。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、トルクリップルやコギングトルクの低減をするための補正を容易に行うものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、固定子に空隙を介して配置され永久磁石が設けられた回転子を備えた永久磁石回転電機であって、
固定子には、それぞれに励磁巻線を有する複数のティースが配置されているとともに、ティースには回転子に相対して周方向に延在するティース先端部が形成されており、任意のティース先端部間に磁性体が設けられているものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る永久磁石回転電機は、固定子に空隙を介して配置され永久磁石が設けられた回転子を備え、
固定子には、それぞれに励磁巻線を有する複数のティースが配置されているとともに、ティースには回転子に相対して周方向に延在するティース先端部が形成されており、任意のティース先端部間に磁性体が設けられている構成を採用しているので、永久磁石回転電機製造上の諸要因や使用材料の磁気特性不均一等に起因するコギングトルクやトルクリップルの低減対策を、生産工程に大きな阻害を与えることなく、容易にかつ簡単に実施することが可能であり、その結果コスト低減が行え、かつ大量生産性方式に適した永久磁石回転電機を提供することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
実施の形態１による永久磁石回転電機を図に基づいて説明する。
この実施の形態１を含め、後述するすべての実施の形態による永久磁石回転電機は、登録商標「ポキポキモータ」（三菱電機Ｋ・Ｋ）の構成を例としている。すなわち、「ポキポキモータ」の固定子鉄心は関節型鉄心構造を採用しており、固定子鉄心に設ける巻線の製造工程の効率を格段に向上させたものであり、その為、固定子鉄心の一部に継目を有する構造である。
【０００９】
図１は実施の形態１における永久磁石回転機である永久磁石式同期モータ２００を示す断面図、図２は永久磁石式同期モータ２００のティース部の拡大図、図３は固定子１００の関節型鉄心を示す図である。図１において、固定子鉄心１は、関節型鉄心であり、１２個のティース１ａと１２個のスロット１ｂを形成した無方向性電磁鋼板を積層して構成されている。
固定子鉄心１は、図３に示すように、鉄心を直線上に開いた状態で各ティース１ａに図１に示す励磁巻線４の巻線を行うことにより、巻線工程の自動化を容易にし、整列巻線を可能とするもので、巻線工程の量産性を向上させ、かつ巻線の性能を向上させるためのものである。
巻線を完了した後、固定子鉄心１を円形に閉じ、端部（継目２）を溶接して固定子を形成する。固定子鉄心１の関節を形成するための、かしめダボ３が設けられている。励磁巻線４は、図１に示すように、いわゆる磁極集中巻で、例えば継目２を基準とし順次左回りにＵＶＷ相を形成していく。
回転子１１０はシャフト５に嵌めた回転子コア６の表面に８極（極対数４）に着磁したリング状の永久磁石７を貼り付けて構成している。図１ではリング磁石となっているが１極ごとに分かれて形成されているカマボコ形状をした磁石でもかまわない。
固定子フレームはこの例では図示しないが、断面形状として、外形、内径ともに円形である（以下、円形フレームと称する）。
【００１０】
図２の拡大図に示すように回転子１１０とギャップｇを介して配置された固定子鉄心１のティース１ａには、回転子１１０の円周方向に相対するよう延在するティース先端部１ｃが形成されていて、図１に示すように隣り合うＵ相とＶ相のティース先端部１ｃ間に磁性体８を接着剤等により取り付けている。磁性体８は固定子鉄心１と同じ材質の無方向性電磁薄鋼板の積層物や電磁軟鉄を用い、ティース１ａの軸方向と同一の長さを有し、図２に示すように断面がほぼ矩形状でありティース先端部１ｃの厚みＴに比較して薄い厚みｔを有している。この磁性体８を設けることの理由を以下に説明する。
図４は従来の永久磁石式同期モータを示している。図４においては、ティース先端部１ｃに磁性体は施していない。この図４に示したモータのコギングトルクとトルクリップルを測定した結果、機械角１周期に８周期の成分、すなわち極対数の２倍の脈動をもつ成分が支配的なことがわかった。この測定結果を図５に示す。さらにこれら脈動については基準位置、すなわち継目２の位置に対してほぼ同じ振幅、位相で出現することがわかった。
極対数の２倍の成分で現れるこれらの脈動について、原因を調査した結果、前述した「ポキポキモータ」では継目２で、他の関節部と構造が異なることにより発生していることが判明した。しかしながら、関節型鉄心による製造方法については、巻線工程の性能を格段に向上させるものであり、継目２の構造が異なることによる極対数２倍成分のトルク脈動の低減はこの「ポキポキモータ」の構成を採用するかぎりさけられない要件であり、本願発明者は鋭意検討を加えた。
【００１１】
そこでこれら脈動成分が継目２の位置に対してほぼ同じ振幅、位相で出現することに着目し、ティース先端部１ｃ部に磁性体８を設けティース先端部１ｃの形状を非対称にしたときに発生するトルク脈動を、電磁界解析にて検討したところ、図１に示すようにＵ相とＶ相のティース先端部１ｃに磁性体８を設けることで、従来品のトルク脈動と同じ振幅をもち、位相が１８０度ずれた、すなわち従来品で発生するトルク脈動とは逆位相となる、トルク脈動が発生することがわかった。
前記従来品における機械角１周期に８周期の成分、すなわち極対数の２倍の脈動と、本件発明の実施の形態１による極対数の２倍の脈動を低減したトルク波形を図５に示す。
【００１２】
今回の実施例ではポキポキモータにおける継目２の部分が要因で極対数の２倍の成分で現れる脈動成分が大きくなったが、この極対数の２倍の成分で現れる脈動成分はポキポキモータが抱える問題ではなく、固定子鉄心１を分割するモータにおいては起こりうる問題である。例えば特許文献１においては、この文献の図１に示されるＵ１＋の鉄心の長さが、他の鉄心よりも長いことで、極対数の２倍の成分で現れる脈動成分が大きくなることが示されている。
つまり工作誤差などの要因によって極対数の２倍の脈動が現れるモータにおいて、この実施の形態１は効果がある。
以上の経緯により、図１に示すようにＵ相とＶ相間に磁性体８を施し、トルクリップルとコギングトルクを測定したところ、これらのトルク脈動を低減でき、製品としては十分な性能を確保できることが判明した。
【００１３】
ここで、［特許文献１］のように鉄心の一部を削ることで本発明の実施の形態１と同様の効果を得ることができるが、組立後のモータのティースを削ることは困難で、作業性も悪く現実的な方法でない。また削る場合においては削る量、削る場所などを間違えた場合、極対数の２倍の脈動成分は悪化してしまう可能性がある。しかしながら本発明では、モータ組立後に後付を行うため、例えば図１のように磁性体８を入れる場合薄い磁性体を何度かに別けて後付を行うことで適切な量を調節できる。また後付のため取り除くことで、元の特性に戻るため、万が一磁性体８を入れる場所を間違えた場合でもやり直しができる。
【００１４】
この実施の形態１においては、Ｕ相とＶ相のティース先端部１ｃ間に磁性体８を設けたが、この発明は磁性体を設ける部分、設ける磁性体の大きさを制限するものではない。
すなわち実施の形態１においては、磁性体８を入れる相が決まっているのではく、実機でトルク脈動を測定または磁界解析などを行うことで、極対数の２倍で現れるトルク脈動を把握し、この成分を打ち消すために、極対数の２倍で現れるトルク脈動とは逆位相となる成分を作りだすことで低減する。つまり、ある固定された相間のティース先端部１ｃ間にのみ（図４ではＵ相とＶ相）に磁性体８を入れるのではなく、機種によっては図４と異なる相と相の間に任意に入れることで極対数の２倍の脈動成分を低減できる。
【００１５】
また、実施の形態１においては、図１に示すようにＵ相とＶ相のティース先端部１ｃ間に磁性体８を設けたが、実機のトルク測定結果によってはティース先端部１ｃのすべてがつながる形で、磁性体８を設けても構わない。また実機のトルク測定結果によっては、トルク脈動成分に合わせて、磁性体８の大きさを変化させると効果的である。さらには磁性体８の透磁率を異なるものとし設置場所によって変えてもよい。
また、関節型鉄心に特有の構造に起因するトルク脈動を、ティース先端部１ｃの非対称形状によって相殺したが、丸抜き一体鉄心においても、例えば、電磁鋼板の圧延方向と直角方向での磁気特性の違いにより発生する、極対数の２倍で現れる成分のトルク脈動を、ティース先端部１ｃに磁性体８を設け、非対称形状によって相殺しても構わない。
また、フレームを、円形フレームのものを使用したため、フレームに起因する極対数２倍の成分のトルク脈動成分が現れなかったが、フレームの外形が四角形のように、厚みに分布があり、フレーム形成後に固定子鉄心に応力分布や変形を及ぼし、その結果、極対数２倍の成分のトルク脈動が現れるような場合においては、これらを考慮して、ティース先端部１ｃに磁性体８を設け、非対称形状を形成しても構わない。
【００１６】
実施の形態２．
次に実施の形態２を図６、図７に基づいて説明する。
図６は、この実施の形態２による永久磁石式同期モータ２００の断面図であり、図７はティース部の拡大図である。図６は前述した実施の形態１の図１とは、図７に示すティース先端部１ｃ端に磁性体８ａを設けたこと以外は同様であるので説明を省略する。
この実施の形態２においては、図７に示すようにティース先端部１ｃの厚さＴとほぼ同じ厚さの磁性体８ａを隣り合うティース先端部１ｃのいずれか一方のティース先端部１ｃの端に設けているのであって、図６では互いに相隣り合うティース先端部１ｃのＵ相Ｖ相間のＶ相に設けている。この実施の形態２では図７に示すように磁性体８ａを施したティース先端部間に空隙が存在するため漏れ磁束が低減し、漏れ磁束による平均トルクの低減は実施の形態１に比べ少なくなる。
図６、７ではＵ相とＶ相の間に磁性体８ａを設けたが、前述した実施の形態１と同様に磁性体８ａを設ける部分、設ける磁性体８ａの大きさ透磁率を制限するものではなく、任意のティース先端部間、あるいはすべてのティース先端部間のいずれか一方のティース先端部端に磁性体８ａを設けても構わない。
【００１７】
実施の形態３．
次に実施の形態３を図８、図９に基づいて説明する。
図８はこの実施の形態３による永久磁石式同期モータ２００の断面図であり、図９はティース部の拡大図である。図８は前述した実施の形態１の図１とは、図９に示すように回転子１１０に面する反対側のティース先端部１ｃに磁性体８ｂを設けたこと以外は、図１と同様であるので説明を省略する。
この実施の形態３においては、図９に示すように回転子１１０に面す反対側のティース先端部１ｃの裏側であって、任意の隣り合うティース先端部１ｃのいずれか一方のティース先端部１ｃに磁性体８ｂを設けている。
トルクリップルとコギングトルクの低減効果は実施の形態１、２に比べると低減量は小さくなるが、従来品とティース先端部間が同じとなるため、従来品と平均トルクは同じとなる。なお、図８、９ではＶ相のティース先端部１ｃ裏側に磁性体８ｂを設けたが、この位置に限定されるものではなく、前述した実施の形態１、２と同様な技術思想で設けてもよい。
【００１８】
実施の形態４．
実施の形態４を図１０に基づいて説明する。
図１０はこの実施の形態４によるティース部の拡大図を示す。図１０から判るように、ティース先端部１ｃの端面には、ハート型の溝１ｄが設けられている。この溝１ｄの形状に適合するような端部形状を有した磁性体８ｃが、前記溝１ｄに装着されている。
このようなこの実施の形態４によると、磁性体８ｃのティース先端部１ｃへの取り付け作業が簡単となり、またその固定が確実となる。なお溝１ｄの形状はハート側に限らず凹状や丸溝等、磁性体８ｃを保持可能な形状であればよい。
【００１９】
実施の形態５．
次に実施の形態５を図１１、図１２に基づいて説明する。
図１１はこの実施の形態５による永久磁石式同期モータ２００の断面図であり、図１２はトルク特性図である。この実施の形態５では、図１１に示すようにすべてのティース先端部１ｃ間に磁性体を設け、この磁性体は隣り合う相のティース先端部間によって大きさが異なるものである。
すなわち図１１では、Ｕ相、Ｖ相に設けた磁性体８は同じ大きさであるが、他の相間、Ｖ相とＷ相、Ｗ相とＵ相間に設けた同一寸法の磁性体８ｄは、Ｕ相、Ｖ相間磁性体８より大きい。なお、この例ではＵ相、Ｖ相間の磁性体８の寸法は、前述した実施の形態１の磁性体８と同じ大きさとしている。
このように、ティース先端部１ｃ間全てに磁性体を設けることで、回転子の極数２Ｐと固定子１００のティース数Ｚの最小公倍数の次数が表れるトルク脈動を低減できる。
しかしながら全ての相と相の間に磁性体を入れる場合、その大きさには注意が必要である。例えばティース先端部１ｃの厚さと同一の大きな磁性体を入れると相と相の間の漏れ磁束が大きくなり、同じ電流を流した場合でもトルクが低減してしまう。ティース先端部１ｃの厚さＴとほぼ同じ厚さの磁性体と、実施の形態１の厚さｔの磁性体８の、電流値に対するトルクカーブを図１２に示す。ティース先端部１ｃ間に大きな磁性体を入れた場合、この場合ティース先端部１ｃの厚さＴとほぼ同じ厚さの磁性体の回転子の極数２Ｐと固定子１００のティース数Ｚの最小公倍数の次数が表れるトルク脈動を大きく低減できるが、トルクも低減してしまう。このため磁性体はトルクを低減させることなく、図１１に示す例のようにティース先端部１ｃ端の厚さ方向寸法よりも小さい寸法の磁性体を、Ｕ相、Ｖ相間の磁性体の大きさ＜Ｕ相、Ｗ相間、Ｗ相、Ｖ相間の磁性体の大きさとして設けることで、極対数の２倍の脈動と、回転子の極数２Ｐと固定子１００のティース数Ｚの最小公倍数の次数が表れるトルク脈動成分を低減させ、さらに従来品に比べて電流値に対するトルク特性もほとんど変わらない製品を作ることができる。
【００２０】
なお、この実施の形態５では磁性体の大きさをＵ相、Ｖ相間で同一およびＶ相、Ｗ相間、Ｗ相、Ｕ相間で同一としたが、必ずしもこれに限らず任意の相間で、任意の大きさとしてもよい。また大きさを同一として透磁率を変えてもよく、また上記の組み合わせでもよい。さらにまたこの実施の形態５の技術思想を前述した実施の形態３に適用してもよい。
【００２１】
なお、実施の形態１〜５では、固定子のティース数１２、回転子極数８（極対数４）の場合を示したが、これに限られるものはなく、固定子ティース数１２で回転子極数１６（極対数８）、回転子極数１４（極対数７）、回転子極数１０（極対数５）、固定子ティース数１８で回転子極数１６（極対数８）、回転子極数２０（極対数１０）等、いずれの場合であっても前記実施の形態と同等の効果がある。
また各極性１ａに設けた励磁巻線４は、同じ極性となるよう同一方向巻きの場合を示し、例えば図１で継目２の位置よりＵ，Ｖ，Ｗと順となるよう示したが、これに限らず巻き方向を交互に逆として、Ｕ，Ｕａ（Ｕに対して逆方向巻きを示す）、Ｖ，Ｖａ、Ｗ，Ｗａとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
この発明の実施の形態１〜５は、車載電動アクチュエータ用の電機システムや、エレベータ駆動用電機システムや、その他一般の駆動体電機システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の実施の形態１における永久磁石式同期モータを示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１における永久磁石式同期モータの磁性体を施した部分のティース先端部の拡大図である。
【図３】この発明の実施の形態１における永久磁石式同期モータ（ポキポキモータ）の固定子鉄心を示す説明図である。
【図４】従来例の永久磁石式同期モータを示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１における永久磁石式同期モータのトルク測定結果を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２における永久磁石式同期モータを示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態２における永久磁石式同期モータの磁性体を施した部分のティース先端部の拡大図である。
【図８】この発明の実施の形態３における永久磁石式同期モータを示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態３における永久磁石式同期モータの磁性体を施した部分のティース先端部の拡大図である。
【図１０】この発明の実施の形態４における永久磁石式同期モータの磁性体を施した部分のティース先端部の拡大図である。
【図１１】この発明の実施の形態５における永久磁石式同期モータを示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態５における永久磁石式同期モータのトルク特性を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  固定子鉄心、１ａ  ティース、１ｃ  ティース先端部、１ｄ  溝、４  励磁巻線、
７  永久磁石、８，８ａ，８ｂ，８ｄ  磁性体、１００  固定子、１１０  回転子、
２００  永久磁石式同期モータ。
【図１】
2008295145.tif 000003
【図２】
2008295145.tif 000004
【図３】
2008295145.tif 000005
【図４】
2008295145.tif 000006
【図５】
2008295145.tif 000007
【図６】
2008295145.tif 000008
【図７】
2008295145.tif 000009
【図８】
2008295145.tif 000010
【図９】
2008295145.tif 000011
【図１０】
2008295145.tif 000012
【図１１】
2008295145.tif 000013
【図１２】
2008295145.tif 000014