JP2007068330A - ３相永久磁石ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクに対し最適設計を行なったモータにおいて、製造上の寸法や磁気特性のばらつきにより増加するコギングトルクを抑制する。
【解決手段】３相巻線を有する固定子１と複数の極を有する永久磁石を界磁として有する回転子２からなる３相永久磁石ブラシレスモータにおいて、固定子１に高密度に圧縮成型された圧粉磁心成形体を用いる。回転子２の極数と固定子１のスロット数の関係が、極数が１６以下、スロット数が１２以下となる領域において、スロット数と極数の最小公倍数が６０以上となる組合せとする。また、圧粉磁心成形体は磁性粉末を圧縮成形し、密度が７．５g／ｃｍ^３以上となるものを採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は３相永久磁石ブラシレスモータに関し、特に製造ばらつきを低減した低コギングトルク圧粉磁心永久磁石モータの構造に関する。

永久磁石ブラシレスモータは変換効率が高く、産業用、家電、自動車分野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ている。また効率向上に加え、モータの小形化も重要視され、希土類を含んだ高エネルギー積磁石の採用や分割コア工法などによる固定子コアのコイル高密度化などによる小形化が実現されている。

しかし、永久磁石ブラシレスモータは磁石のエネルギー積が高い為に、磁石の極数と固定子コアのスロット数の関係で発生するコギングトルクと呼ばれる脈動トルクが発生するために、磁石を用いない誘導モータや、コアレスモータが使用される場合もあった。これらのモータは、コギングトルクは小さいが、エネルギーの変換効率においては永久磁石を用いたモータに比べて劣る。このため、永久磁石モータのコギングトルクを小さくすることが望まれている。

永久磁石モータのコギングトルクを小さくする方法としては、特許文献１，２に示すように、磁石の極数と固定子のスロット数の関係を最小公倍数が大きくなるような組合せで用いる方法が知られている。この方法を用いることにより、コギングトルクの周期を小さくでき、かつ振幅を小さくすることができるとされている。

特許２１３５９０２号公報 特許２７４３９１８号公報

しかしながら、高エネルギー積磁石を用いて小形化、高効率化したモータにおいて、特許文献に示した極数とスロット数の組合せを用いて最適設計を行なっても、製造のばらつきによる寸法精度の狂いによってコギングトルクの増加を招いてしまうことがある。

通常モータを製造する場合においては、固定子コアを電磁鋼板をプレスし、積層して構成する。さらに、固定子コイルの高密度化を図るためには固定子コアを細かく分割し、再組立を行なって固定子コアを構成する必要がある。この過程で、プレス打抜き精度、積層精度、分割再組立精度、更には電磁鋼板などの特性ばらつき、コアへの応力の付与状態などによってばらつきが発生し、それらを複合した製造上のばらつきが固定子コアの内径寸法、磁気特性などに発生する。このばらつきは、製造条件によっても変化し、毎回同じ性能の製品が得られる保証は無い。

コギングトルクを極端に低減したい用途や、均質な仕様のモータが必要な用途においては、これらの製造ばらつきによるコギングトルクのばらつきを嫌う場合がある。このため、製造上の寸法ばらつきや、磁気特性ばらつきを抑え、コギングトルクを低減できる永久磁石ブラシレスモータが望まれている。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、製造上の寸法や磁気特性のばらつきを抑え、製造上のばらつきによるコギングトルクの増加を抑制できる３相永久磁石ブラシレスモータを提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、３相巻線を有する固定子と複数の極を有する永久磁石を界磁として有する回転子からなる３相永久磁石ブラシレスモータにおいて、前記固定子の少なくともティース部分に高密度に圧縮成型された圧粉磁心成形体を用いて固定子コアを構成し、前記回転子の極数と前記固定子のスロット数の関係が、極数が１６以下で、スロット数が１２以下となる領域において、スロット数と極数の最小公倍数が６０以上となる組合せとなることを特徴とする。

前記圧粉磁心成形体は磁性粉末を圧縮成形し、密度が７．５g／cm³以上となることを特徴とする。

また、少なくとも前記ティース部分の密度誤差は磁化特性で５％以内、及び寸法誤差はギャップ部寸法の１／２０以下に抑えて成形された圧粉磁心成形体を有することを特徴とする。

また、前記回転子の極数と前記固定子のスロット数の関係で発生するコギングトルクの主成分の周期が６０以上となることを特徴とする。

本発明によれば、品質のばらつきが殆ど無い状態で小形、高効率化が可能で、かつ、低コギングトルク特性を有する３相永久磁石ブラシレスモータを実現できる。これにより、このモータを用いた自動車、家電、産業用駆動システムなどの小形化、効率向上と、操作性、制御性向上などに寄与できる。

本発明の３相永久磁石ブラシレスモータは、効率向上と低コギングトルク性能、かつ製造ばらつき低減という相反する目的を同時に満足するために、固定子コアを高密度な圧粉磁心で構成し、かつ極数とスロット数の関係をコギングトルクが小さくなる組合せである。

具体的には、固定子の全体または少なくともティース部分に高密度に圧縮成型された圧粉磁心成形体を用いて固定子コアを構成する。圧粉磁心成形体は磁性粉末を圧縮成形し、密度が７．５g／ｃｍ^３以上としたものである。この結果、少なくとも前記ティース部分の密度誤差は磁化特性で５％以内に、寸法誤差はギャップ部寸法の１／２０以下に抑えられる。

また、前記回転子の極数と前記固定子のスロット数の関係が、極数が１６以下で、スロット数が１２以下となる領域において、スロット数と極数の最小公倍数が６０以上となる組合せとなる。ここでは、回転子の極数が８で固定子のスロット数が９の場合、回転子の極数が１０で固定子のスロット数が１２の場合、及び回転子の極数が１４で固定子のスロット数が１２の場合の組合せを採用する。

このようなモータ構造とすることにより、前述の相反する目的を同時に満足することができる。以下、一実施例について図面を用いて説明する。

図２は、永久磁石ブラシレスモータの固定子コアスロット数と回転子永久磁石の極数の組合せについて、前述の特許文献により知られた関係を示している。表の縦軸は極数、横軸はスロット数を、図中の数字はスロット数と極数の最小公倍数を示す。図中の記号はコギングトルクの大小を示し、○が最もコギングトルクを低減することが可能な組合せ、□が中程度、△がコギングトルクの大きい組合せである。×と空白は、３相モータでは成立しない組合せを示す。

本実施例は圧粉磁心をモータ鉄心とし、かつ小形永久磁石モータで使用する磁極数が１６以下、スロット数が１２以下となる領域において、以下の組合せを採用する。回転子の磁極数が８で固定子スロット数が９の場合、回転子磁極数が１０で固定子スロット数が１２の場合、及び、回転子磁極数が１４で固定子スロット数が１２の場合の組合せである。これにより、モータの効率向上、低コギングトルク性能、かつ製造ばらつき低減という相反する項目の同時満足を実現できる。この理由について解析的に検討した例を用いて説明する。

図１は３相永久磁石ブラシレスモータの斜視図を示す。（ａ）は本発明の一実施例による圧粉磁心を固定子コアに採用したモータ構造、（ｂ）は電磁鋼板で構成した（ａ）と同形式のモータ構造を示している。

本実施例のモータ構造は、固定子コア１に圧粉磁心を用いて一体成形された固定子コアが設けられている。永久磁石回転子２はリング形状を表しており、この図では外転形回転子であり、１０極の極数となっている。

固定子コア１は１２のスロット１’を有しており、磁性粉末を圧縮成形によって成形して得られる圧粉磁心で構成され、固定子全体が一体構造で、分割されることの無い構造となっている。その成形体密度は７．５g／ｃｍ^３以上を有している。

このように、高密度に成形された圧粉磁心は良好な磁気特性を有し、磁性粉同士が電気的に絶縁されているために渦電流もほとんど発生しない。また、一つの金型を用いて成形するために、金型寸法どおりの高精度な成形が可能である。また、焼結などの高温での処理が無い為、成形後も寸法を保持することができ、最終部品として使用される状態での寸法精度が高い。ちなみに、本実施例では圧粉磁心の寸法誤差はギャップ部寸法の１／２０以下に抑えられる。これにより、寸法精度誤差によるコギングトルクの増加を抑えることが可能となる。

比較対象として、従来の電磁鋼板で構成した場合のコギングトルクの増加について説明する。図１（ｂ）は電磁鋼板を組立した固定子コア１を有するモータで、（イ）打抜きプレスの精度、打抜きされたものを積層組立する場合の寸法誤差、（ロ）鉄板の打抜き方向による磁気特性の異なりが発生する。さらに、（ハ）打抜き時の応力付与状態（残留応力など）による磁気特性の局部的変化による製造ばらつきが生じる。

これらの原因による製造ばらつきは、ギャップの磁束密度のばらつきとなり、コギングトルクが増加する要因となる。もともと、極数の組合せにより発生するコギングトルクを小さくする設計においては、製造ばらつきによる影響がコギングトルク性能のばらつきとなっていた。

図３には、原因（イ）の寸法ばらつきが発生した場合のコギングトルクの影響について磁界解析を行なった結果を示す。（ａ）は寸法誤差を考慮した場合のモデルで、寸法誤差を１本のティースコアの突出と考えた場合について解析を行なった。その解析モデルを（ｂ）に示す。このモデルは極数が１０、スロット数が１２の組合せ例である。

ここでは、圧粉磁心で構成したステータ（一体成形により、ステータ内径の真円度は０μｍとできる）と、電磁鋼板の打抜き積層されたコアでティースの突出が１５μｍ，３０μｍ程度の製造ばらつきのものを対象に、コギングトルクを解析した。なお、ティースの突出３０μｍはギャップ寸法の１／１５程度の誤差である。

図３（ｃ）はコギングトルクの解析結果で、縦軸はコギングトルク、横軸はロータ回転角度を示す。コギングトルクは、真円度が悪い珪素鋼板（寸法誤差３０μｍ）の場合には、圧粉磁心で構成したモータ（寸法誤差なし）の約１０倍の振幅となることが確認できた。

本来のコギングトルクは極数とスロット数の最小公倍数の周期となる。すなわち、この例は１２スロット１０極であるから、一回転あたり６０で、圧粉磁心モータの解析結果のコギングトルク周期となる。しかし、製造ばらつきによって発生するコギングトルクの周期は、回転子極数の次数で、一回転あたり１０周期となる。従って、プレス精度や組立精度に問題がある場合にはコギングトルクがその精度の悪さに比例してばらつきをもつ結果となる。この結果から分かるように、圧粉磁心でモータコアを構成し、上記組合せのスロットと極数とする場合にはコギングトルクを大幅に低減できる。

図４には固定子コアの一部分に透磁率（磁気特性）のばらつきがある場合の解析結果を示す。このモデルは極数が１０、スロット数が１２の組合せ例である。（ａ）には磁性材料（電磁鋼板）のＢＨカーブで、正常な磁気特性と５％劣化したモデルを示す。この磁気特性モデルを用いて、モータのコギングトルクにどのような影響があるかを磁界解析で解析した。

図４（ｂ）には磁界解析のモデルを示す。固定子コアの寸法は完全に精度良く出来ているモデルとし、一本のティース（たとえば１ａ）先端の一部分のみが５％の劣化をしている磁気特性を有するとしたモデルで解析を行なった。

図４（ｃ）は解析結果を示す。磁気特性の正常な場合（圧粉磁心モデル）はコギングトルクがほとんど発生しない。しかし、ティース先端のごく一部でも透磁率に違いがある場合（珪素鋼板の打ち抜き積層の場合）は、正常時に比べて約２０倍の振幅のコギングトルクとなる。その周期は、回転子極数の次数（一回転あたり１０周期）となる。

このように、電磁鋼板をプレスで打抜いて積層する場合、打抜き時に電磁鋼板コアに与える影響が異なる為に、ティース先端部などに残留応力が発生し、磁気特性（透磁率）にばらつきを生じ、コギングトルクのばらつきが大きくなる。しかし、本実施例の圧粉磁心の場合には成形圧力が高く、一体成形により磁気特性が常に等方性で均質に製造できるため、設計値と同等のコギングトルクとなり、低コギングトルクのモータが得られる。

次に、磁極数とスロット数の組合せとコギングトルクの関係を説明する。図５はコギングトルクの特性を極数とスロット数の組合せを変えて示したもので、本発明で主張するスロットコンビネーション以外の組合せによるコギングトルク解析結果を示している。

（ａ）は８極−１２スロットの組合せで、圧粉磁心（透磁率エラーなし）、珪素鋼鈑（透磁率エラーあり）、珪素鋼鈑（寸法誤差３０μｍ）の３パターンの計算結果である。（ｂ）は６極−９スロットの組合せで、（ａ）と同じ３パターンの計算結果である。モータはティースの磁束密度がほぼ同等となるように等価設計を行なった体格同一のモータである。

（ａ）に示すように、８極−１２スロットの組合せによるコギングトルクは、ティースに寸法誤差がある場合、透磁率に誤差がある場合、透磁率にも寸法にも誤差の無い場合（圧粉磁心）とで、トルク振幅は殆ど変化のない結果となっている。また、コギングトルクの振幅は、１０極−１２スロットのモータ（図３ｃ）の圧粉磁心コアに比べ３０倍以上と大きく、寸法や透磁率にエラーの無い場合の周期も一回転あたり２４周期と周期が大きい。同様に、６極９スロットの（ｂ）の場合は、（ａ）と同様に元もとの周期、振幅が大きく、寸法や透磁率に誤差がある場合と圧粉磁心の場合との違いが殆ど見られない。この結果、製造ばらつきによるコギングトルクへの影響は、コギングトルクの周期が小さくなる組合せに対してのみ発生するものであることが認められる。

コギングトルクの主成分の周期は、磁極数とスロット数の最小公倍数で決まる。コギングトルクの周期が小さくなる組合せは、図２に示したとおりであり、一回転あたり６０周期となる１０極１２スロット構造より周期が小さくなるもので誤差による影響を受けやすくなる。

したがって、圧粉磁心を使用して、寸法、透磁率などのばらつきを少なくすることの効果は、磁極数とスロット数の最小公倍数が６０以上、言い換えればコギングトルクの主成分の周期が６０以上となる組合せにおいて有効である。具体的には、回転子磁極数が８で固定子スロット数が９の組合せ、回転子磁極数が１０で固定子スロット数が１２の組合せ及び回転子磁極数が１４で固定子スロット数が１２の組合せである。

本実施例では外転形モータの例を示したが、回転子が内側となる内転形のモータにおいても同様の効果が得られる。

本発明の一実施例によるモータ構造と従来のモータ構造を示した斜視図。 磁極数とスロット数の組合せとコギングトルクの関係を示す説明図。 寸法誤差がある場合のコギングトルク解析結果を示す説明図。 磁気特性（透磁率）誤差がある場合のコギングトルク解析結果を示す説明図。 磁極数とスロット数の組合せとコギングトルクを示す説明図。

符号の説明

１…固定子コア、１’…スロット、１ａ，１ｂ…ティース、２…永久磁石回転子、３…回転子ヨーク。

Claims (4)

1. ３相巻線を有する固定子と複数の極を有する永久磁石を界磁として有する回転子からなる３相永久磁石ブラシレスモータにおいて、
   前記固定子の少なくともティース部分に高密度に圧縮成型された圧粉磁心成形体を用いて固定子コアを構成し、前記回転子の極数と前記固定子のスロット数の関係が、極数が１６以下、スロット数が１２以下となる領域においてスロット数と極数の最小公倍数が６０以上となる組合せとなることを特徴とする３相永久磁石ブラシレスモータ。
2. 請求項１において、前記圧粉磁心成形体の圧粉密度が７．５g／cm^３以上となることを特徴とする３相永久磁石ブラシレスモータ。
3. 請求項１において、少なくとも前記ティース部分の密度誤差は磁化特性で５％以内、及び寸法誤差はギャップ部寸法の１／２０以下に抑えて成形された圧粉磁心成形体を有することを特徴とする３相永久磁石ブラシレスモータ。
4. 請求項１において、前記回転子の極数と前記固定子のスロット数の関係で発生するコギングトルクの主成分の周期が６０以上となることを特徴とする３相永久磁石ブラシレスモータ。

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