(57)【要約】【課題】表面磁石形ＡＣサーボモータにおいて、固定子コアの磁束飽和の影響を排除し、且つ、合成磁束φｇｓが減じることの無い表面磁石形ＡＣサーボモータを提供する。【解決手段】位相制御機能を有する表面磁石形同期電動機を駆動するコントローラを備えた表面磁石形ＡＣサーボモータにおいて、固定子１のコアのティース４１〜４４の内径面先端に、隣接するティースが磁気的に短絡される磁束バイパス部７を設け、コントローラによりｑ軸電流の進相制御を行い、表面磁石形同期電動機の巻線にトルクを発生させるトルク電流Ｉｑと磁束密度を緩和するための電流Ｉｄを流すことにより、表面磁石形同期電動機のティース部の磁束密度の増加を抑えることによって最大トルクを増大させる。【選択図】          図１
2005020876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼板を積層して形成した円筒状の回転子コア表面に、周方向に隣接する極が互いに異極となるように磁気装荷手段となる永久磁石を貼付け構成される回転子、および、電磁鋼板を積層して形成したスロットとティースとヨークよりなる固定子コアの前記スロットに電気装荷手段となる巻線を有する固定子を備えた表面磁石型同期電動機と、
位相制御機能を有する前記表面磁石形同期電動機を駆動するコントローラとで構成される表面磁石形ＡＣサーボモータにおいて、
前記固定子コアの前記ティースの内径面先端に、隣接するティースが磁気的に短絡される磁束バイパス部を有し、
前記コントローラには、ｑ軸電流の進相制御を行い、前記表面磁石形同期電動機の前記巻線にトルクを発生させるトルク電流Ｉｑと磁束密度を緩和するための電流Ｉｄを流す手段を設けたことを特徴とする表面磁石形ＡＣサーボモータ。
【請求項２】
前記固定子コアにおけるティースの数を、前記永久磁石の極対数当り３本となるようにしたことを特徴とする請求項１記載の表面磁石形ＡＣサーボモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、最大トルクを増大させる表面磁石形同期電動機を位相制御機能を有するコントローラで駆動する表面磁石形ＡＣサーボモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を回転子に備えた同期電動機において、最大トルクを向上する目的で、位相制御により、指令トルクが磁気飽和する電流値以上の場合、ｑ軸電流の位相を進める位相進め制御を行う手法が、特開平１０−２９１２４１号公報（特許文献１）に開示されている。
この方法を、図４、図５、図６を用いて簡単に説明する。図４は、特許文献１において第６図として記載されており、ｄ−ｑ座標上での磁束ベクトルであり、トルクの発生原理を示すものである。図５は、特許文献１において第７図として記載されており、ｄ−ｑ座標上での磁束ベクトルであり、本特許文献１の効果を示すものである。図６は特許文献１の内容から類推するサーボモータの断面構造及び磁束の流れである。
【０００３】
まず、説明の便宜上、図６に示すサーボモータの各部の構成並びに磁束の流れを説明する。１４は固定子、１５は固定子コア、１６はスロット、１７はティース、１８は巻線、１９は回転子、２０は回転子コア、２１は永久磁石、２２は永久磁石の作る磁束、２３は巻線の作る磁束である。
固定子１４は、電磁鋼板をスロット１６とティース１７を金型にて打抜いた後、所望の積厚となるまで積層すると同時にカシメ等により固着して固定子コア１５を構成し、固定子コア１５のスロット１６に電気装荷手段となる巻線１８を巻回し構成されている。
回転子１９は、電磁鋼板を金型にて打抜いた後に所望の積厚となるまで積層すると同時にカシメ等により固着して回転子コア２０を構成し、回転子コア２０の表面に磁気装荷手段となる永久磁石２１を、隣接する磁石が互いに異極となるように貼付け構成されている。固定子１４と回転子１９とは所望の空隙を保つように図示していないベアリングにより保持されている。
【０００４】
永久磁石２１の作る磁束２２は、図中に点線で示すように永久磁石２１より発生し、空隙を介して対向する固定子１４のティース１７へと流れ、固定子コア１５を通って、電気角で１８０度の位置にある該永久磁石２１と隣接する永久磁石２１へと流れ、磁束の閉路を構成する。
回転子コア２０の表面に設けられた永久磁石２１の作る磁束２２の方向をｄ軸、このｄ軸と電気角で９０度ずれた位置をｑ軸と呼ぶ。固定子１４のｄ軸に位置する巻線１８にＩｑ１電流を流すと、その巻線１８の作る磁束２３は、図６中に一点鎖線で示すように前記永久磁石２１の作る磁束２２と電気角で９０度ずれた閉路を構成する。
前記同期電動機は、永久磁石２１の作る磁束２２とｄ軸に位置する巻線１８に流れるＩｑ１電流との間で磁気トルクを発生し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換している。
【０００５】
図４に示すベクトル図を用いて、前記従来方法におけるトルクの発生原理および効果を説明する。図４はｄ−ｑ座標上での磁束ベクトルを示すものであり、回転子１９に設けられた永久磁石２１の作る磁束（φＭ）方向をｄ軸とし、ｄ軸に位置する巻線１８に流れるＩｑ１電流により発生する磁束（Ｍ・Ｉｑ１）の方向をｑ軸としている。なお、ｄ軸とｑ軸は互いに直交する軸である。したがって、回転子１９の永久磁石２１の作る磁束（φＭ）と巻線１８に流れるＩｑ１電流により発生する磁束（Ｍ・Ｉｑ１）とをベクトル的に加算して合成トルクを求めると、トルクを発生するための有効磁束φｇｓとなる。このとき発生するトルクＴは有効磁束φｇｓと前記電流Ｉｑ１との外積によって次の１式で表される。
Ｔ＝φｇｓ×Ｉｑ１＝（φＭ＋Ｍ・Ｉｑ１）×Ｉｑ１      ・・・（１）
【０００６】
図４において、発生するトルクＴは面積Ｓ１に相当し、巻線５に流れるＩｑ１電流に比例する。しかし、Ｉｑ１電流が増大すると、巻線１８に流れるＩｑ１電流により発生する磁束（Ｍ・Ｉｑ１）が増し、永久磁石２１の作る磁束（φＭ）２２との合成磁束φｇｓが固定子コア１５の磁束飽和領域に達してしまう。その結果、合成磁束φｇｓの増加と巻線１８に流れるＩｑ１電流との間の線形性が崩れ、上記１式で示されるトルクに飽和を生じることになる。
そこで前記従来方法では、Ｉｑ１電流が増大したとき、永久磁石２１の作る磁束（φＭ）との合成磁束φｇｓが固定子コア１５の磁束飽和領域に達するのを防ぐために、前記Ｉｑ１電流を図５に示すＩｑ１（θ）となるよう位相θ進ませている。こうすることにより、図４に示す磁束飽和領域を表す円と合成磁束φｇｓとの間に余裕が生じ、Ｉｑ１（θ）を増やすことができ、その結果、トルクの飽和を抑えることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２９１２４１号公報（第６図、第７図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の最大トルクを向上する手段は、ギャップを介して固定子から回転子へと流れる巻線１８の作る磁束（Ｍ・Ｉｑ１）を利用しており、Ｉｑ１電流の位相をθ進ませることにより、永久磁石２１の作る磁束（φＭ）は巻線１８の作る磁束（Ｍ・Ｉｑ１（θ））に正弦角（ｓｉｎθ）を乗じた値分減少することになる。その結果、最大トルクを向上させるためにＩｑ１電流の位相をθ進ませると、合成磁束φｇｓが減少し、上記１式で示すトルクが、前記巻線１８の作る磁束（Ｍ・Ｉｑ１（θ））の正弦角（ｓｉｎθ）に相当する分減少することになる。
よって、前記の従来方法では、空隙を介して固定子から回転子へと流れる巻線１８の作る磁束（Ｍ・Ｉｑ１）を利用し、且つ、該巻線１８に流す電流Ｉｑ１の位相を進ませるため、合成磁束φｇｓは上述のように減少し、その結果、位相θを増やすことで、固定子コア１５の磁束飽和領域の影響を排除して最大トルクを向上できるが、合成磁束φｇｓが減じてしまうので、その効果が低減してしまうという問題があった。
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、表面磁石形ＡＣサーボモータにおいて、固定子コアの磁束飽和の影響を排除し、且つ、合成磁束φｇｓが減じることの無い表面磁石形ＡＣサーボモータを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の表面磁石形ＡＣサーボモータは、電磁鋼板を積層して形成した円筒状の回転子コア表面に、周方向に隣接する極が互いに異極となるように磁気装荷手段となる永久磁石を貼付け構成される回転子、および、電磁鋼板を積層して形成したスロットとティースとヨークよりなる固定子コアの前記スロットに電気装荷手段となる巻線を有する固定子を備えた表面磁石型同期電動機と、位相制御機能を有する前記表面磁石形同期電動機を駆動するコントローラとで構成される表面磁石形ＡＣサーボモータにおいて、前記固定子コアの前記ティースの内径面先端に、隣接するティースが磁気的に短絡される磁束バイパス部を有し、前記コントローラには、トルク電流の進相制御を行い、前記表面磁石形同期電動機の前記巻線にトルクを発生させるトルク電流Ｉｑと磁束密度を緩和するための電流Ｉｄを流す手段を設けることにより、前記表面磁石形同期電動機のティース部の磁束密度の増加を抑えることによって最大トルクを増大させるようにしたものである。
この構成とすることによって、磁束密度を緩和するために流す電流によって作られる磁束はティース先端部に設けられた磁束バイパス部を通るのでギャップを介して回転子へとは進まず、永久磁石の作る磁束を減ずることはない。
【００１０】
また、前記固定子コアにおけるティースの数を、前記永久磁石の極対数当り３本となるようにすることで、トルクを発生するために前記巻線に流すトルク電流により作られる磁束と永久磁石の作る磁束とが同じ向きとなるティース部において、磁束密度を緩和するために流す電流によって作られる磁束の向きが逆方向となり、該ティースにおいて磁束の飽和を抑えることが出来る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図１、図２および図３を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態を示す６スロット４極の表面磁石形同期電動機の断面図、図２は固定子コアブロックの平面図、図３は該表面磁石形同期電動機とコントローラの結線図を示す。
図１において、１は固定子、３はスロット、４１から４６はティース、５は固定子ヨーク、６は巻線、７は磁束バイパス部、８は回転子、９は回転子コア、１０１から１０４は永久磁石、１１は永久磁石の作る磁束の流れ、１２はトルク電流Ｉｑの作る磁束の流れ、１３は磁束密度を緩和するために流す電流Ｉｄにより作られる磁束の流れ、１４は固定子、１５は固定子コアである。
【００１２】
固定子１は図２に示すように電磁鋼板をスロット３とティース４と、固定子ヨーク５および磁束バイパス部７を金型にて一体に打抜いた後に所望の積厚となるまで積層すると共に、カシメ等により固着して構成したＴ字形状の固定子コアブロック２に電気装荷手段となる巻線６を巻回したものを、周方向に並べて構成している。固定子ヨーク５および磁束バイパス部７では、隣接する固定子コアブロック同士が隙間無く密着した状態となっている。
回転子８は電磁鋼板を円筒状に打抜いた後に所望の積厚となるまで積層すると共に、カシメ等により固着し構成した回転子コア８の表面に、永久磁石１０を周方向に隣接する極が互いに異極となるように貼り付け構成されている。
固定子１と回転子８とは図示していないベアリングにより支持されており、固定子１の内径面と回転子８の表面との間には空隙が設けられている。
【００１３】
図３に示すように、表面磁石形同期電動機３０はコントローラ３１に接続されており、コントローラ３１よりトルクを発生させるトルク電流Ｉｑと、磁束密度を緩和するための電流Ｉｄを表面磁石形同期電動機３０に流している。なお、トルク電流Ｉｑおよび磁束密度を緩和するための電流Ｉｄは、電動機３０に設けられたエンコーダ３２よりの角度信号θをもとにコントローラ３１で計算して作られている。ここで、図１に示すように、トルク電流Ｉｑは永久磁石１０１〜１０４の作る磁束１１の方向であるｄ軸位置に流れる正値の電流であり、磁束密度を緩和するための電流Ｉｄはｄ軸から電気角で９０度ずれたｑ軸位置に流れる負値の電流である。
例えば永久磁石１０１の作る磁束１１は、図１中に点線で示すように永久磁石１０１より発生し、空隙を介して対向する固定子１のティース４から固定子ヨーク５へと流れ、電気角で１８０度の位置にある永久磁石１０１と隣接する永久磁石１０２へと流れ、磁束の閉路を構成する。
【００１４】
トルクを発生させるために流すトルク電流Ｉｑの作る磁束１２は一点鎖線で示すように固定子ヨーク５とティース４２とティース４１およびティース４２とティース４３をそれぞれ通り空隙を介して対向する永久磁石１０１および１０２へと流れる磁束の閉路を作る。
そのため、ティース４１では永久磁石１０１の作る磁束１１とトルク電流Ｉｑの作る磁束１２は逆向きとなり、トルク電流Ｉｑが大きくなるほど磁束密度は相殺されて小さくなるが、ティース４３においては、永久磁石１０１の作る磁束１１とトルク電流Ｉｑの作る磁束１２は同じ向きとなるので、トルク電流Ｉｑが大きくなるほど磁束密度は高くなり、最大トルクを出すときには磁束は飽和してしまう。
磁束密度を緩和するための電流Ｉｄは、ティース４３における磁束密度飽和を緩和するためにｄ軸位置から電気角で９０度ずれた位置に流す電流であり、その向きはティース４３においてトルク電流Ｉｑが作る磁束１２の向きと逆向きの磁束が作られるように流す。
【００１５】
図１において、永久磁石とティースの組み合わせは１極対あたり３個のティース数となっている。この組み合わせの場合、磁束密度を緩和するための電流Ｉｄによって作られる磁束１３は実線で示すようにティース４１とティース４６およびティース４３とティース４４を通る磁束の閉ループを組むことになり、それぞれの磁束の閉路は干渉することが無い。更に、磁束密度を緩和するための電流Ｉｄによって作られる磁束１３は飽和を生じるティース４３および４６がその磁束の閉路内にあり、それぞれのティースにおいてトルク電流Ｉｑの作る磁束の向きと逆向きとなり、磁束の飽和を緩和する効果が大きい。
更に、磁束密度を緩和するための電流Ｉｄによって作られる磁束１３は、ティース先端に設けられた磁束バイパス部７を通ることで、空隙へ流れることが少なくなり、永久磁石の作る磁束１１の減少が抑えられ、磁束密度を緩和するための電流Ｉｄを流すことによるトルクの低下を抑えられる。また、磁束バイパス部７は、ティースとともに電磁鋼板を積層して構成しているので、空気に比べ透磁率が非常に高い。そこで、磁束バイパス部７を設けることにより、磁束バイパス部７が無い場合に比べ、同じ値の磁束密度を緩和するための電流Ｉｄにより作られる磁束１３の量は増え、磁束を緩和する効果は大きくなる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の表面磁石形ＡＣサーボモータによれば、固定子のティース先端部に磁束バイパス部を設け、コントローラにより進相制御を行い、表面磁石形同期電動機の巻線に磁束密度を緩和するための電流を流すようにしたことによって、磁束密度を緩和するために流す電流によって作られる磁束はティース先端部に設けられた磁束バイパス部を通るのでギャップを介して回転子へとは進まず、永久磁石の作る磁束を減ずることはない。
また、極対数あたり３本のティースとすることにより、トルクを発生するために巻線に流すトルク電流により作られる磁束と永久磁石の作る磁束とが同じ向きとなるティース部において、磁束密度を緩和するために流す電流によって作られる磁束の向きが逆方向となり、かつ、磁束密度を緩和するための磁束が作る磁束の閉路は磁束密度を緩和させたいティースを通るので、該ティースにおいて磁束の飽和を効果的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の表面磁石形同期電動機の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の固定子ブロックコアの平面図である。
【図３】本発明の実施の形態の表面磁石形同期電動機とコントローラの結線図である。
【図４】従来のｄ−ｑ座標上でのトルク発生原理を示す磁束ベクトル図である。
【図５】従来のｄ−ｑ座標上での効果を示す磁束ベクトル図である。
【図６】従来の表面磁石形同期電動機の断面図である。
【符号の説明】
１  固定子
２  固定子ブロックコア
３  スロット
４１〜４６  ティース
５  固定子ヨーク
６  巻線
７  磁束バイパス部
８  回転子
９  回転子コア
１０１〜１０４  永久磁石
１１  永久磁石の作る磁束
１２  トルク電流Ｉｑの作る磁束
１３  磁束を緩和するために流す電流Ｉｄの作る磁束
１４  固定子
１５  固定子コア
１６  スロット
１７  ティース
１８  巻線
１９  回転子
２０  回転子コア
２１  永久磁石
２２  永久磁石の作る磁束
２３  巻線の作る磁束
３０  表面磁石型同期電動機
３１  コントローラ
３２  エンコーダ
【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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