茨城県工業技術センター研究報告 第 40 号

高効率・高出力コアレスモータに関する試験研究山下 宏* 齋藤 和哉*
１. はじめに茨城県の県北臨海地域は国産モータ発祥の地であり，長年培われたモータ関連技術を有した企業が多い。しかし昨今モータ業界では，省エネ・低コスト化に対する要求が厳しく，付加価値の低いモータは海外での生産がメインとなってきている。そこで，他の各種モータに対して優位な特徴を持つコアレスモータについて，高効率・高出力化に必要な技術構築を行う。
一般的なコアードモータの分解図を図 1，コアレスモータの分解図を図 2 に示す。コアレスモータは，一般的なコアードモータと異なり回転体にコア（鉄芯）がないことにより主に 3 つの長所を備えている。まず一つ目としてコアがないため慣性モーメントが小さく，応答性がよい。二つ目として巻線部にコアがないことにより巻線部のインダクタンスが小さい。従ってブラシモータの整流時に発生する火花が小さく（あるいは発生しない），ブラシの摩耗が少ない。一般的にブラシモータの構成部品の中では，ブラシ寿命が最も短いため，ブラシの摩耗が少ないということは，モータ寿命が長いこととなる。さらに三つ目として，コアードモータのコアと磁石の間に発生する磁気吸引力による脈動トルク（コギングトルク）が発生しないことが挙げられる。コギングトルクが発生せず，滑らかに回転するため，モータの振動・騒音が小さくなる。以上のような長所から，携帯電話の振動機能，ロボット，光学機器など様々な用途として使用されている。
磁石（固定）

小石川 勝男*

谷萩 雄一朗*

現在，モータの開発には CAE （ Computer AidedEngineering）解析が不可欠となっているが，コアレスモータについては，通常のコアードモータと違い巻線を鎖交する磁石磁束により発生する損失を考慮する必要があるため，モデル化や解析手法が確立されていない。図 3 にコアードモータの断面図，図 4 にコアレスモータの断面図を示し，具体的な影響を説明する。CAE解析では，求めたい実機の現象に対して，影響しない部分を如何に簡略化したモデル作成を行うかが重要なポイントとなる。コアードモータでは磁石の磁束は透磁率が高いコアの部分を通るため，磁石の磁束が巻線に及ぼす影響は無視し，巻線モデルを塊りに簡略化して CAE 解析を行うことができる。しかし，図 4 のコアレスモータでは，磁石の磁束が巻線を鎖交する影響をCAE 解析で表現する必要があり，巻線モデルを塊りに簡略化してしまうと，実機に即した CAE 解析が行えないことが課題となっている。
磁束の流れ（a）詳細モデル（b）簡略モデル
図 3 コアードモータ断面図
磁束の流れ
コア（回転体）巻線（回転体）簡略化不可

図 1 コアードモータ分解図（a）詳細モデル（b）簡略モデル
図 4 コアレスモータ断面図
磁石（固定）

巻線（回転体）図 2 コアレスモータ分解図*

技術融合部門２．目的
モータの高効率化を図るためには，損失が発生する現象を正しく捉える必要がある。そこで，これまで考慮されていなかったコアレスモータ巻線部の交番磁界より発生する渦電流損について，CAE 解析を用いたシミュレーションを行い，より実機に近い状態を表現する。なお，本研究は 2 カ年（平成 22～23 年度）で実施

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しており，本年度は巻線部の渦電流損の CAE 解析結果を元に設計を行った試作品と CAE 解析の特性比較を行ったので報告する。

表 1 試作モータ巻線仕様
仕様
項目

①形状
３．研究内容3.1 評価用コアレスモータの仕様検討および試作
平成 22 年度に検討した巻線に発生する渦電流損とモータ特性(渦電流は未考慮)をそれぞれ分離して解析し，2 つの解析結果を合成し，巻線の渦電流を考慮したモータ特性を求める手法（図 5）により，評価用コアレスモータの仕様を決定した。

線径[mm]
巻数
[ターン]

②ベル

③④

ベル－カップ

φ0.14

φ0.12

φ0.14

φ0.1218181818

巻線渦電流解析

図 7 コアレスモータ製作図
合成モータ特性

モータ特性解析（巻線の渦電流未考慮）
図 5 モータ解析手法
試作ではモータの巻線仕様違いによる影響についても検証を行うため，巻線形状と巻線径をパラメータとした。コアレスモータは各社様々な巻線形状が採用されており，大きく分類すると軸方向に対して斜め方向のみの巻線と，一部（あるいは全部）が軸方向と平行になっている巻線がある。今回の評価用試作品では図6(a)のベル型と(b)のベル型の一部にストレート部を設けたベル－カップ型を試作した。また，巻線径および巻数については表 1 の組合せとして結果を比較することとした。

3.2 NT 特性測定
3.1 の表 1 および図 7 コアレスモータ製作図の仕様にて試作品（仕様毎に各 5 台）を製作し，図 8 のモータ特性測定装置（㈱菅原研究所 PC-SAA3，TB-1KS）を用いて NT 特性を測定した。
具体的な測定内容は以下の通りである。
【測定内容】（１）モータへ印加する電圧は DC18V とする。
（２）トルク測定部に内蔵されるヒステリシスブレー
キによる負荷トルクを徐々に増やしていく。
（３）上記（２）の各負荷トルク時の回転速度，電流を測定する。
次に測定結果と CAE 解析結果の比較を行った。ここ
で，試作品の測定結果については仕様毎の５台の平均値とした。

図 8 モータ特性測定装置（NT 特性用）
（a）ベル型（b）ベル－カップ型
図 6 コアレスモータ巻線形状

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回転速度（CAE）

電流

効率

電流（CAE）

20000

200

16000

160

12000

120

8000

80

4000

400

電流[×10mA]、効率[％]

回転速度

回転速度[rpm]

3.3 コギングトルクの測定「1.はじめに」でコアレスモータでは磁気吸引力による脈動トルク（コギングトルク）が発生しないことを説明した。そこで，既存のコアードモータ（定格トルク 1.3mN・m）とコアレスモータ試作品（定格トルク4mN・m）のコギングトルク測定を行った。測定には図9 に示すコギングトルク測定用の装置（㈱菅原研究所
ATM-10MN）を用いた。本装置では，被測定用モータの軸が縦になる構造を採用するとすることにより，偏芯を抑えより精度の良いトルク測定を可能にしている。

00510トルク[mN・m]

1520（a）仕様① ベル型φ0.14

被測定用モータ

回転速度（CAE）

電流

効率

電流（CAE）

200

16000

160

12000

120800080

4000

400

電流[×10mA]、効率[％]

回転速度[rpm]

回転速度

20000

00510トルク[mN・m]

1520（b）仕様② ベル型φ0.12
図 9 モータ特性測定装置【コギングトルク用】

32電流

電流（CAE）

効率

20000

200

16000

160

12000

120

8000

80

4000

4000Φ210（a）モータ概観

回転速度[rpm]

4.2 NT特性測定結果
CAE解析結果と試作品実測のNT特性を図11（a）～（d)に示す。グラフの『マーカー』はCAE解析結果，『線』
は試作品実測の特性（N=5台の平均）を示しており，（a）～（d）のグラフはいづれもCAE解析結果と試作品実測の値が良く一致していることが確認できる。また全ての仕様について，最大効率が80%以上となっていることが確認できる。

10トルク[mN・m]

1520（c）仕様③ ベル－カップ型φ0.14回転数（b）ベル型巻線（c）ベル－カップ型巻線
図 10 コアレスモータ試作品

5回転速度（CAE）

電流

電流（CAE）

効率

20000

200

16000

160

12000

1208000

80400040000

510トルク[mN・m]15（d）仕様④ ベル－カップ型φ0.1220

電流[×10mA]、効率[％]

4.1 評価用コアレスモータの試作
コアレスモータ試作品の概観および巻線の様子を図10に示す。

回転速度[rpm]

４．研究結果と考察

回転速度（CAE）

電流[×10mA]、効率[％]

回転数

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図11 コアレスモータ試作品の NT特性
0.250.2
振幅[mN・m]仕様①と②，あるいは仕様③と④では巻線径のみが異なる仕様となっており，いづれもφ0.14をφ0.12にすると抵抗値が上がることによりトルクを大きくするにつれ電圧降下も大きくなるため，回転速度が低くなっていることがわかる。

0.150.10.05

00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
回転次数

4.3 コギングトルク測定結果
試作したコアレスモータと比較用のコアードモータのコギングトルク測定結果を図12に示す。図12より比較用コアードモータのコギングトルクに対して，試作したコアレスモータのトルク脈動が非常に小さいことが確認できる。

0.250.2
振幅[mN・m]0.40.3
トルク[mN・m]（a）コアレスモータ回転次数分析結果

0.150.10.05

コギングトルク

00.2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
回転次数0.1（b)コアードモータ回転次数分析結果
図13 回転次数分析結果

フリクショントルク
0090180270360角度[°]

５．まとめ
１．CAE解析と試作品のモータ特性は良く一致し，巻線渦電流損の分離解析手法の有効性を確認した。
２．試作前にCAEを用いてモータ特性の検討を行うことにより、最大効率80％以上の高効率なモータを開発した 。

（a）コアレスモータ コギングトルク
0.4

コギングトルク
トルク[mN・m]

0.3

0.20.1

フリクショントルク
0090180270360角度[°]（b）コアードモータ コギングトルク
図12 コギングトルク測定結果
次に，それぞれのコギングトルクについてFFTにより回転次数分析を行った結果を図13に示す。回転次数の0次成分は直流成分を示しており，フリクショントルクに相当する。コアレスモータについては，ブラシ数が2個であること，ブラシと接触する整流子が9個であることから，2次成分と両者の最小公倍数である18次成分などに機械的な接触による振幅が確認できるが，磁気的な脈動トルクであるコギングトルクは無い。それに対して比較用のコアードモータでは磁力の弱いフェライト磁石が採用されているが，コアのスロット数である3の倍数に当たる成分の振幅が大きいことから，機械的な接触によるものだけではなく，コギングトルクが発生していることが分かる。