(57)【要約】【課題】  本発明の多相クローポール型モータにおいて、コギングトルクを正弦波状にすることである。【解決手段】  多相クローポール型モータにおいて、ロータを構成する磁石は、前記磁極面との隙間が中心部が狭く周方向の両側が広くなるように成形し、かつ各磁石間に隙間を設けたことである。【効果】  これにより、相間での製作誤差によるコギングトルクの発生を抑制し、トルク脈動の小さい、滑らかに回転するモータを得ることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側爪磁極と下側爪磁極にリング状の巻線されたコイルを挟み込んで１相を構成し、それと同一の形状の相を少なくとも２個軸方向に配置して構成する固定子と、
磁石を備えた回転子とを有する多相クローポール型モータにおいて、
前記磁石は、固定子と回転子のギャップを中心部が狭く周方向の両側が広くなるように成形し、かつ、各磁石間に隙間を設けたことを特徴とする多相クローポール型モータ。
【請求項２】
請求項１において、
前記磁石の表面形状は、ほぼ単一の曲率半径を有することを特徴とする多相クローポール型モータ。
【請求項３】
請求項２において、
前記曲率半径は、前記回転子を構成する各磁石に、爪磁極の側から接する円の半径より小さいことを特徴とする多相クローポール型モータ。
【請求項４】
請求項１において、
前記磁石は、前記回転子の表面に配置されていることを特徴とする多相クローポール型モータ。
【請求項５】
請求項１において、
前記ギャップの磁束密度の周方向の分布を正弦波化したことを特徴とする多相クローポール型モータ。
【請求項６】
請求項１において、
コギングトルクを正弦波化したことを特徴とする多相クローポール型モータ。
【請求項７】
上側爪磁極と下側爪磁極にリング状の巻線されたコイルを挟み込んで１相を構成し、それと同一の形状の相を少なくとも２個軸方向に配置して構成する固定子と、
磁石を備えた回転子とを有する多相クローポール型モータにおいて、
前記磁石は蒲鉾上であり、かつ、各磁石間に隙間を設けたことを特徴とする多相クローポール型モータ。
【請求項８】
上側爪磁極と下側爪磁極にリング状の巻線されたコイルを挟み込んで１相を構成し、それと同一の形状の相を少なくとも２個軸方向に配置して構成する固定子の磁極面にギャップを介して、磁石を備えた多相クローポール型モータの回転子において、
前記磁石は、固定子と回転子のギャップを中心部が狭く周方向の両側が広くなるように成形し、かつ、各磁石間に隙間を設けたことを特徴とする多相クローポール型モータの回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用，家電，自動車分野等で使用される多相クローポール型モータのモータ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータは、産業用，家電，自動車分野などの電気エネルギーを機械出力に変換する駆動用機器として使用される。クローポール型のモータは、安価な構造と駆動回路の簡単さなどから、ＯＡ用機器，自動車機器などに使用されており、通常は特開２００２−３５９９３８号公報などのように２相ステッピングモータとして構成されている。モータ形式には、単相，２相，３相があり、用途によって使い分けがなされている。その中でも３相モータは制御性が良く、少ないトランジスタ数で駆動できる利点がある。
【０００３】
通常、上述したようなクローポール型のモータは、特開２００２−３５９９３８号公報に示されるようにステータコアの材料はＳＰＣＣ等の圧延鋼板であり、折り曲げによって爪磁極部分を構成し、そのコアで円筒状に巻線されたコイルを挟み込む構造となっている。
【０００４】
しかし、この構造は、磁気特性に劣るＳＰＣＣを用いるため、コア内に発生する鉄損が大きくなるという問題がある。また、ＳＰＣＣを折り曲げするために、コアの折り曲げられた部分に残留応力が発生し、歪によって磁気特性の更なる劣化を招いてしまう。その折り曲げ部は特に磁束が集中する部分である為に、鉄損が大きく発生し、効率の悪いモータとなっている。また、折り曲げで塑性加工した内径側の磁極コアは、片持ち梁構造となって真円度は非常に悪い。このため、真円度の影響でコギングトルクが大きいといった問題を有しており、現状では、効率，トルク脈動，振動，騒音などを問題にしない用途に採用されている。
【０００５】
これらの問題を解決するために、特開２００６−２９６１８８号公報のように、爪磁極は磁性粉を圧縮して形成する方法が考案されている。この方法を用いると、爪磁極の成形自由度および精度が従来方式に比較して飛躍的に向上することから、クローポール型のモータの適用範囲を飛躍的に広める技術として期待されている。また、同公報に記載されているように、磁化特性の良好な磁性粉を用いることで、高効率のモータを得ることができ、更に、永久磁石は、その磁極面との隙間が中心部が狭く周方向の両側が広くなるように形成することにより、鎖交磁束の実効値を低減させずに極間漏れ磁束を低減させて磁束を有効に利用することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３５９９３８号公報
【特許文献２】特開２００６−２９６１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする課題は、圧粉磁心を用いて磁極爪を構成した多相クローポール型モータにおいて、コギングトルクを低減するモータ構造及びその低減方法を確立することにある。特開２００６−２９６１８８号公報に記載のクローポール型モータは、固定子が相毎に独立する構造となるため、その独立した相の位置関係は組立誤差などによって変化する。その位置関係は、３相モータであれば、電気角で１２０度ごとにずれる構造となっていることが必須であるが、前述した組立時の誤差などによって、微小に変化し、誤差によるコギングトルクが発生する。この誤差によるコギングトルクは、もともとの設計で決定するコギングトルクに比べ、周期が大きく、絶対値も数倍から数十倍と大きいことが特徴である。コギングトルクは、モータ回転時のトルクリップルや、回転の滑らかさに寄与するものであり、振動，騒音の原因となるものである。従って、コギングトルクは、精密機械や、家電，自動車などモータが適用される全ての領域において重要視される特性でありその低減が望まれている。また、永久磁石は、その磁極面との隙間が中心部が狭く周方向の両側が広くなるように形成することにより、鎖交磁束の実効値を低減させずに極間漏れ磁束を低減させて磁束を有効に利用することができるが、その反面、磁束を有効に利用することからギャップの磁束密度の高調波成分が大きくなり、磁石取り付け位置などの製作誤差により、大きなコギングトルクが発生してしまう課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
多相クローポール型モータにおいて、ロータを構成する磁石は、前記磁極面との隙間が中心部が狭く周方向の両側が広くなるように成形し、かつ各磁石間に隙間を設けたことである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の多相クローポール型モータは、コギングトルクを正弦波状にすることができる。これにより、相間での製作誤差によるコギングトルクの発生を抑制し、トルク脈動の小さい、滑らかに回転するモータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面に沿って本発明の内容を説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１には極数が１６極の３相クローポール型モータの構造を断面図によって示す。この実施例の回転子は蒲鉾状の磁石を隙間を設けて配置しており、磁石がシャフト１に接着などの方法で固定されている回転子構造となっている。その回転子は、軸方向両端をハウジング７に保持されるベアリング８Ａ，８Ｂで回転可能に保持される構造となっている。固定子は、ハウジングに保持され内径側の面が、回転子の外径側の面と空隙を介して対抗する。このモータの固定子は、１相分が独立して存在する構造であり、軸方向にＡ相，Ｂ相、Ｃ相と配置されて３相モータを構成する。
【００１２】
磁石は、各相ごとに電気角で１２０度だけずらして配置してあり、各相は１６極の磁石で構成されている。軸方向に配置される固定子コアは、それぞれが電気角で１２０度毎、その回転方向位置が異なるよう配置される。本実施例の１６極モータでは、電気角１２０度は、機械的な角度で１５度であり、Ａ，Ｂ，Ｃがそれぞれ１５度ずつずれる形となる。磁石の極の周方向位置を図示するような位置とすると、ＡからＣの各断面での回転子磁石の極の位置は同じとなる。Ａ断面では爪磁極中心と磁石の極の中心が一致する。Ｂ断面は爪磁極の位置が１５度ずれた位置となり、Ｃ断面では、爪磁極の位置がＡに比べて３０度ずれた位置となるような位置関係で構成される。
【００１３】
このクローポール型モータの一相分のコギングトルクは、回転子の起磁力の大きさと、爪磁極の形状によって決まるものであり、設計時に或る程度は把握することができる。
【００１４】
以下、図２及び図３では、相間の組立誤差が生じた場合に、コギングトルクが大きくなることを説明する。
【００１５】
図２には、ＦＥＭ（電磁場解析）を用いてクローポール型モータのコギングトルクを計算した例を示す。爪磁極の形状と、一相分のコア形状を示す。図２（ａ）には、２４極のクローモータの電気角一周期分（機械角度３０°）のＦＥＭメッシュモデルを示す。このメッシュモデルを用いて、磁石，爪磁極の磁気特性を入力条件としてモータのコギングトルクを計算した結果を図２（ｂ）に示す。回転子磁石を０°から３０°回転させると、磁石極と爪磁極の関係によって空隙磁束密度が変化し、正弦波状の２周期のトルクが発生することがわかる。この１相に発生するコギングトルクは、どの相においても同様のコギングトルクが発生するが、図１で示したように、磁石極の位置は軸方向同一であるが、固定子の爪磁極位置は、電気角で１２０度ずつずれた位置となるので、Ｂ相，Ｃ相に発生するコギングトルクは、図２（ｂ）のコギングトルクの周期が、電気角で１２０度ずつずれたコギングトルクが発生することになる。各相のコギングトルクを図２（ｃ）に示す。コギングトルクの波形（振幅，周期）は同じで、位相のみ、１２０度ずつずれた波形となる。３相モータとして見た場合のコギングトルクは、３相分の合成である。図２（ｄ）にその合成トルク波形を示す。３相分を合成することで、モータとしてのコギングトルクは、一相分コギングトルクの振幅の１／３０と非常に小さくすることができることがわかる。
【００１６】
このモータを製造するにあたり、組立時の誤差が発生する。すなわち許容寸法公差内で位置関係にズレが生じる問題である。図２に示した２４極のモータの場合には、電気角一周期分が機械角度で３０°であり、組立の許容公差を±０.５ 度程度に設計したとすると、電気角でのズレ量は、±６度となる。図３には、組立誤差によって一相が機械角度で０.５ 度ずれた場合の例を示す。図３（ａ）に示すように、Ａ，Ｂ相は、機械的な角度で１０度ずれた状態で組立てられたものとし、Ｃ相が、Ｂ相に対して本来は１０度ずれるべきところを９.５ 度として組立てられたものとする。このとき、各相のコギングトルクは、図３（ｂ）に示すように、Ａ相とＢ相のトルクは、電気角で１２０度ずれた関係で、Ｂ相とＣ相が１１４度ずれた関係となる。この３相分のコギングトルクを合成した結果を図３（ｃ）に示す。結果、コギングトルクの振幅は、設計値に対して１０倍以上と大きくなる。周期も電気角一周期に対して２次と、もともとの３相モータのコギングトルクである６次よりも大きくなり、回転時に低周波の振動，騒音の原因となる。
【００１７】
この組立誤差によるコギングトルクを低減する為には、組立の精度を向上することが必須となるが、各部品の精度や、材料特性のばらつき、組立誤差の積算などを考慮するとその誤差を毎回ゼロにすることは非常に困難であることが容易に推測できる。
【００１８】
以上、図２および図３では、各相のコギングトルクが正弦波に近い場合を用いて、その場合でも、組立誤差によって無視できない大きさのコギングトルクが発生することを説明してきた。しかし、一般には、コギングトルクの波形は爪磁極および磁石の形状に依存するものであり、従来は、各相のコギングトルクを正弦波化することは、現実には困難であった。そこで、以下の実施例では各相のコギングトルクを正弦波化し、組立誤差が発生してもコギングトルクの発生を抑制するようなモータ構造を提案する。
【００１９】
図４に本発明の実施例による多相クローポール型モータの断面図を示す。回転子鉄心１４の表面に永久磁石１５が取り付けてあり、ギャップ１９を介して、爪磁極１６および１７が円環状のコイル１８を挟み込む構造をしている。永久磁石は、固定子と回転子のギャップを中心部が狭く周方向の両側が広くなるように（蒲鉾状に）成形し、かつ、各磁石間に隙間を設けたことを特徴としている。また、図示のように磁石外周部の曲率半径を、ロータを構成する各磁石に爪磁極の側から接する円２０の半径より小さくしていることに特徴がある。このような磁石の形状と配置することにより、ギャップの磁束密度の角度方向の分布を正弦波状にすることが出来、高調波成分を小さくすることが出来る。このような配置及び形状は、最適化計算により一義的に決まるものである。磁石の周方向の取り付け誤差が電気角でΔθの場合、ｎ次高調波との干渉によりｎΔθの大きさでコギングトルクが発生し、高調波成分の次数が高くなるほどコギングトルク発生へが高くなる物理現象があるが、本発明のようにギャップの磁束密度の周方向分布を正弦波化し高調波成分を抑えることによって、磁石の取り付け誤差に対してコギングトルクの発生を小さくするロバストな設計とすることが出来る。
【００２０】
図５（ａ）に磁石形状を最適化する前の磁石２１の初期形状を、図５（ｂ）に最適化後（本発明）の磁石１５の形状を示す。このように、初期形状においては各磁石の間には隙間を設けず、かつ磁石の外周形状は円筒形状である。
【００２１】
図６に磁石形状を最適化する前の初期形状および、最適化後の磁石形状における一相分のコギングトルクを示す。線２２が図５（ａ）に示す場合、線２３が図５（ｂ）に示す場合のコギングトルク波形である。このように、コギングトルクを正弦波化しようとすると、図５（ａ）（ｂ）に示すように、各磁石の間に隙間ができ、かつ、磁石外周部の曲率半径を、ロータを構成する各磁石に爪磁極の側から接する円２０の半径より小さくｊなることがわかる。このような形状は、最適化問題を数値計算によって解くことで一義的に決まるものであり、その結果こそが、本発明の主張するところである。
【００２２】
以上のように、本発明の多相クローポール型モータは、コギングトルクを正弦波状にすることができる。これにより、相間での製作誤差によるコギングトルクの発生を抑制し、トルク脈動の小さい、滑らかに回転するモータを得ることができる。また、コギングトルク，トルク脈動を小さくすることで、モータの振動，騒音を低減することができ、本モータを適用したシステムの静粛性向上などの効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】多相クローポール型モータの構造を示した断面図。
【図２】クローポール型モータＦＥＭ解析用メッシュモデルとそのモデルを用いてコギングトルクの解析を行った結果を示す図である。
【図３】クローポール型モータのＢ相とＣ相間の位置関係に誤差がある場合のモータコア位置関係を示す斜視図とその場合のＦＥＭ解析でのコギングトルク計算結果を示す図である。
【図４】本発明の多相クローポール型モータの断面図。
【図５】回転子の磁石形状を示した図。
【図６】コギングトルクの波形を示した図。
【符号の説明】
【００２４】
１  軸
２  回転子
３，１４  回転子鉄心
４  永久磁石
５  固定子
６Ｕ，６Ｖ，６Ｗ  固定子鉄心
７  ハウジング
１５  磁石
１６，１７  爪磁極
１９  ギャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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