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令和 4 年電気学会全国大会

ワイドエアギャップ構造と不均一巻線を併用した
超低トルクリプル PM モータの製作精度がコギングトルクに与える影響松浦 皓平＊，野口 季彦 (静岡大学)
Impact of Machining Accuracy on Cogging Torque in Ultra-Low-Torque-Ripple PM Motor
Taking Wide Air-Gap Structure and Non-Uniform Windings into Account
Kohei Matsuura, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
巻数比
1.000

１．まえがきW-

精密ロボットの駆動に使われるモータでは，要求仕様を満たす平均トルク出力と同時に 0.1 %未満の超低トルクリ

W+

1.000
U+

W+

0.347
U-

プルが求められる。従来は低コギングトルクと低トルクリ
V+プルを実現しやすいスロットレスモータが用いられてきたU+
V-が，複雑な構造とコストがかかるという問題がある 。その(1)

V+ため，インナースロットをもち高トルク密度かつ低トルクリプルを両立する永久磁石（PM）モータの開発が求められ
Fig. 1. Analysis model.ている。筆者らは Fig.1 に示すワイドエアギャップと不均一固定子の内径巻線を併用し，集中巻でありながら高トルク密度と超低トルクリプルを実現する PM モータを検討し，電磁界解析上で目標仕様を達成した (2)。しかしながら，電磁界解析では製作精度を考慮していない場合が普通であり，超低トルクリプルモータでは僅かな寸法公差がトルクリプルに大きな影響を及ぼす。本稿ではモータの製作精度に着目し，コギ

TYPE A
回転の中心ングトルクに与える影響を検討したので報告する。

回転子

TYPE B

固定子の中心回転子の中心

Fig. 2. Types of eccentricity.

２．概要
コギングトルクはエアギャップにおける磁気エネルギー

Table 1. Magnet specifications.の変動によって発生する。そのためエアギャップの精度，つまり組付けや回転子外径，固定子内径の精度が重要となる。組付け精度は Fig.2 に示すように回転の中心が固定子のSintered NdFeB model

Bond NdFeB model

N52
1.40 ~ 1.47
378 ~ 422

GPM-100.68 ~ 0.73
76 ~ 84

GradeBr (T)BHmax (kJ/m3)

中心と一致していない TYPE A 偏心となり，回転子外径の精度は回転の中心と回転子の中心が一致していない TYPE
B 偏心となる(3)。JMAG-Designer20.1TM を用いた解析によるMotor frame

StatorStator inner diameterと，TYPE A 偏心により 10 次，TYPE B 偏心により 9 次のコギングトルクが発生することが，また，固定子内径の精度は TYPE A の偏心と同様に 10 次のコギングトルクに影響することが確認されている。本稿では現在顕著に表れている 9 次のコギングトルクを改善するために TYPE B 偏心，すなわち回転子精度の改善に着目した。

Bearing bracket diameter

Rotor outer diameter
MagnetShaft

Fig. 3. Cross section of simplified motor model.
用したモデルを用意した。一般的にネオジムボンド磁石

３．検討方法のほうが高精度に加工しやすいが磁力が弱いといった欠点＜3・1＞ 検討モデルがある。そこでネオジムボンド磁石モデルは回転子外径（磁回転子精度を改善するために，Table. 1 に示すネオジム焼度が同程度となるようにした。

結磁石を使用したモデルと新たにネオジムボンド磁石を使-692022/3/21～23

オンライン石の厚さ）を大きくし，2 つのモデルのエアギャップ磁束密©2022 IEE Japan

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令和 4 年電気学会全国大会

Coaxiality of stator inner and bearing bracket.

寸法精度の計測には東京精密の真円度・円筒形状測定機
す。TYPE A 偏心量を図中の固定子内径とベアリングブラケットの同軸度とし計測した。TYPE B 偏心量や固定子内径の精度は，基準となる径に対して，どの程度の振れがあるのかを図中の①，②，③の箇所で計測して求めた。

４．検討結果＜4・1＞ TYPE A・B 偏心Devitation from the standard (μm)

RONDCOM 54DX3 を用いた。Fig. 3 にモータの断面図を示

Coaxiality (µm)
40①②③30
20100-10-20About 57 µm (peak to peak)-30-400

収まり TYPE B 偏心量が 93.0%低減した。
＜4・2＞ 固定子内径の精度
Fig. 5 に固定子内径の精度を示す。図中の谷部分はスロッDevitation from the standard (μm)のに対して，ネオジムボンド磁石モデルでは 4µm の振れに

180240300360①②③3020100-10About 4 µm (peak to peak)-20-30-40060

120180240300360

Mechanical angle (deg)(b) Bond NdFeB model.

Fig. 4. Rotor outer diameter accuracy.

モデルに比べ TYPE A 偏心量が 71.6%低減した。また Fig. 4かった。ネオジム焼結磁石モデルでは 57µm の振れがある

12040(a) Sintered NdFeB model.

を示す。ネオジムボンド磁石モデルではネオジム焼結磁石

ボンド磁石モデルでは高精度な加工ができていることがわ

60

Bond NdFeB model21

Mechanical angle (deg)Table. 2 に固定子内径とベアリングブラケットの同軸度に回転子外径の精度を示す。波形からも目的通りネオジム

Sintered NdFeB model
74
Devitation from the standard (μm)

Table 2.

40①③3020

About 15 µm (peak to peak)

100-10-20-30-40060120180240300360

Devitation from the standard (μm)＜3・2＞ 評価方法

40

About 15 µm (peak to peak)30
20
100-10-20①③-30-400

Mechanical angle (deg)

ト開口部を示している。ネオジムボンド磁石モデルでは，

120180240300360

Mechanical angle (deg)(b) Bond NdFeB model.

(a) Sintered NdFeB model.

固定子内径は基準寸法に対して全体的に 25µm 小さいが，60Fig. 5. Stator inner diameter accuracy.

コギングトルクの発生原因となる振れはどちらも 15µm 程Fig. 6 にコギングトルクの測定結果を示す。Fig. 6 (a)と(b)の波形からネオジム焼結磁石モデルではコギングトルクの9 次成分が支配的だったことに対して，ネオジムボンド磁石モデルでは 10 次成分が支配的であることがわかる。これはネオジムボンド磁石モデルでは TYPE B 偏心量が激減したことで 9 次のコギングトルクが 63.9%低減したためである。
また，これによりトルクリプル率は 0.21pt 改善した。しかしながら，ギャップ磁束密度を同等にするため，エアギャップ長を短くしたことにより，TYPE A 偏心や固定子内径精度がエアギャップ長に与える影響が大きくなったため 10 次

5432
10-1-2Torque ripple rate 1.68%-3-4060120180240

6543210-17.36 m-Nm (peak to peak)
Torque ripple rate 1.47%-2-3-43600Mechanical angle (deg)60120180240300360

Mechanical angle (deg)(a) Sintered NdFeB model.

(b) Bond NdFeB model.

3.0

Sintered NdFeB model
Bond NdFeB model

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0のコギングトルクが 2.39 倍増加したと考えられる。

09101820

Order(c) FFT results of cogging torque.

５．まとめ
本稿では，モータの製作精度に着目しコギングトルクにFig. 6. Cogging torque.

与える影響を検討した。回転子精度を改善するためにネオジムボンド磁石モデルを作成し，その結果，TYPE B 偏心量が 93.0%低減され，9 次のコギングトルクが 63.9%低減した。
これによりリプル率が 0.21pt 改善され，1.47%となった。しかしながら，本モータの目標仕様であるトルクリプル率0.05%未満と比較すると未だ 30 倍ほど大きい。今後は製作精度によって発生するコギングトルクの 9 次，10 次成分を発生させないモータ構造について検討していく所存である。

-702022/3/21～23300

7Cogging torque (m-Nm)＜4・3＞ コギングトルク

8.40 m-Nm (peak to peak)6

Cogging torque (m-Nm)とが確認できた。

7

Cogging torque (m-Nm)

度でありネオジム焼結磁石モデルと同程度の精度であるこ

オンライン

文献
(1) J.F. Gieras, I.A. Gieras, “Performance analysis of a corelesspermanent magnet brushless motor,” IEEE IAS Annual Meeting (2002).

(2) 松浦・野口：「ワイドエアギャップ構造と不均一巻線を併用した超低トルクリプルモータの検討」令和 3 年電気学会全国大会，
No.5-032, pp.59-60 (2021)(3) 江部・原田・石原・戸高：「回転子偏心を考慮した回転機のトルク解析」電学論 B, Vol.118, No.10, pp.1085-1090 (1998)©2022 IEE Japan