JP2008263738A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
しかしながら、上記従来技術においては、固定子磁極のコア外周部が連結されているために、各相での磁気的な干渉が発生し駆動するコントローラの制御定数が他の相の影響を受けるため制御性に欠ける課題がある。更に、本発明の回転機の構造でさらにトルクリプルの要因となるコギングトルクを低減することが必要である。本発明の目的は、各相の磁気的な干渉を受けにくい構造でかつ、トルクリプルの要因となるコギングトルクを低減出来る回転電機を提供することである。
【解決手段】
本発明は、各相の磁極を分割配置できる形状とした。また、回転子の２列の磁石を電気角で位相差をもって配置することとした。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機に関する。

従来の回転電機において周方向に各相の巻線が配置されたものとして、特表２００５−５３２７７５号公報に記載のように固定子磁極にコイルを巻いたステータ構造が開示されている。更に、今までのモータではコアバック外周部分を周方向に鎖交する磁束が有ったため磁極を分割することが出来なかった。

特表２００５−５３２７７５号公報

従来の技術においては、固定子磁極のコア外周部が連結されているために、各相での磁気的な干渉が発生し駆動するコントローラの制御定数が他の相の影響を受けるため制御性に欠ける課題がある。更に、本発明の回転機の構造でさらにトルクリプルの要因となるコギングトルクを低減することが必要である。

本発明の目的は、各相の磁気的な干渉を受けにくい構造でかつ、トルクリプルの要因となるコギングトルクを低減出来る回転電機を提供することである。

本発明は、各相の磁極を分割配置できる形状とした。また、回転子の２列の磁石を電気角で位相差をもって配置することとした。

各相の磁気的な干渉を受けにくい構造でかつ、トルクリプルの要因となるコギングトルクを低減出来る回転電機を提供することができる。

本発明の実施例を図１〜図１４により説明する。図１は本発明の一実施例であるステータ磁極を磁気的に３相独立に配置したもので、回転子磁極の永久磁石を２列で構成したものを示したものである。回転子の極数は２４極である。この構造により、３相のステータ（固定子磁極）がそれぞれ分割されているため、各相の磁気的な干渉を受けにくい構造であり、各相での磁気的な干渉が発生し駆動するコントローラの制御定数が他の相の影響を受けるため制御性に欠ける課題点が解消することができる。

次に、構成について詳細に説明する。回転子１００は中心部分にシャフト１が配置され、シャフト１の外周部に回転子ヨーク２が配置されている。回転子ヨーク２の外周部に永久磁石３が配置されている。この永久磁石３は永久磁石３ａと３ｂの２つのリング磁石で構成されている。この永久磁石３ａと３ｂは図に示したように着磁磁極の位相が電気角で位相差を持って構成されている。本来モータとしてはケースやベアリング等の支持機構が必要であるが、この図では省略している。次に、固定子２００について説明する。固定子磁極は３相の位相差を持つように３個の磁極が、回転子の永久磁石３の外周部に僅かな空隙を介して配置されている。３相の固定子磁極はＵ相磁極４Ｕ，Ｖ相磁極４Ｖ，Ｗ相磁極４Ｗで、前記回転子の磁石３にほぼ重なるように配置されている。各相磁極の中心部には固定子コイルが配置され、Ｕ相コイルは５Ｕ、Ｖ相コイルは５Ｖ、Ｗ相磁極は５Ｗで示している。更に各相コイルは固定子磁極の端部でＵ字状にコイルエンド部を構成し、コイルエンド部から引き出し線１０Ｕ，１０Ｖ（図示せず），１０Ｗが外部の駆動回路（図示せず）に接続される。この様な固定子構成において、各固定子磁極は連結材（図示せず）により、電気角で１２０度の位相差を持って、ロータ外周部に配置されている。この連結材は各相の固定子磁極を機械的に固定できるものであればどのような構造であっても良く、好ましくは非磁性体の金属で構成されるのが望ましい。更に、連結された後、樹脂により円筒型にモールドしても良い。

図２を用いて図１で説明した固定子磁極４Ｕの詳細を説明する。他の相である４Ｖ及び４Ｗは同一構造であるため説明は省略する。先に説明したようにＵ相磁極４Ｕは、５つの部品から構成されている。固定子磁極４Ｕは、４Ｕａと４Ｕｂの２列の磁極列からなっている。例えば、４Ｕａの磁極列は内周側に向かって配置される磁極歯４Ｕａ１と外向きに向かって配置される４Ｕａ２から構成され、その４Ｕａ１と４Ｕａ２の中心部にＵ相コイル５Ｕの片側のコイルが挟み込まれるように構成されている。更に、もう１列の磁極列
４Ｕｂを構成する４Ｕｂ１と４Ｕｂ２の中心部にＵ相コイル５Ｕのもう一方のコイルが挟まれている。Ｕ相コイル５Ｕの口出し線１０Ｕは、磁極に挟まれていないＵ型のコイルエンド部から取り出されている。

図３（ａ）は、先に説明したＵ相磁極の４Ｕｂ列にＵ相コイル５Ｕが挟まれた構造を示したものである。紙面手前のコイル部分に、４Ｕａ列の磁極が配置される。図３（ｂ）はＵ相コイル５Ｕが巻装されるコイル中心部の磁極を示したものである。Ｕ相コイル５Ｕは図示した、外向き磁極歯４Ｕａ２と４Ｕｂ２に直巻きするか、コイルを予めリング状に成形したものを配置しても良い。また、４Ｕａ２と４Ｕｂ２を一体的に作製することも可能である。

図４はＵ相磁極４Ｕの完成図を示したものである。先に説明したように、２列で構成される磁極列の中心部にＵ相コイル５Ｕは配置されている。図からも分かるように磁極列
４Ｕａを構成する各磁極歯は同一形状で構成されている。また、もう一方の磁極列４Ｕｂも同様にほぼ同じ形状のもので構成されている。

図５（ａ）に先に説明したＵ相磁極４Ｕの外向き磁極歯４Ｕａ２と４Ｕｂ２の先端部分と重なり合う磁極間部に切り欠き部７を設けた図を示したものである。切り欠き部７の形状は円形や長方形等の形状で構成され、磁極間部の幅Ｗ１に対して切り欠き部７の幅Ｗ２は狭く、好ましくは磁極歯の先端幅Ｗ３に等しい程度が良い。ここで、切り欠き部７を設ける理由としては爪先端部から磁極間部との距離が長くなるため、爪先端部からの漏れ磁束の低減の他、コイルインダクタンスの低減効果があるため、発電機の場合には発電電流の増加、モータの場合にはモータ電圧の低減が可能になる。図５（ｂ）は同様の効果が期待できる他の実施例を示したものである。図５（ｂ）は磁極間部にくり抜き部８を設けたものである。効果としては爪先端部からの漏れ磁束低減効果は期待できないが、コイルインダクタンスの低減及び、磁極間の内周側が繋がっているため機械的な強度は強くできる。更に、この２つを組み合わせて構成しても良い。これらの切り欠き部７やくり抜き部８の他の使用方法について説明する。先にも説明したように、３相磁極は磁気的に分離されているため径方向及び周方向に固定する必要がある。更に、３相回転電機として電気的な位相差を精度良く確保する必要もある。そこで、これらの切り欠き部７とくり抜き部８を位置決めに利用して固定することも出来る。くり抜き部８の大きさは先に述べた切り欠き部と同様にくり抜き部の幅をＷ４とすれば大きくても磁極幅間Ｗ１程度が好ましい。

次に、本発明の目的であるコギングトルク低減手法について説明する。図６は図１で示したクローポール型回転電機のＵ相磁極４Ｕを省略して示した図である。回転子には２列で配置されたリング状の永久磁石３が配置されている。永久磁石３ａと３ｂのそれぞれの磁石は、固定子磁極４Ｖａと４Ｖｂに重なり合っている。永久磁石３ａと３ｂは着磁に位相差を持たせている。永久磁石のＮ極とＳ極で電気的に３６０度となるため本実施例では電気角で３０度の位相差を持たせた。その理由は、３相モータの場合、１回転に６回のコギングトルクが発生する。すなわち、電気角で６０度周期の力の変動となる。この力の変動がコギングトルクで磁極形状によって発生するものである。このコギングトルクはモータ駆動時の外乱トルクとして作用し速度変動やトルク脈動を引き起こす。このコギングトルクが大きいと、制御系のチューニングが難しく更にセンサレス駆動を行う場合の初期励磁モードで位置決め不能となる問題点が発生し、回転不能になる場合が発生する。本発明のモータ構造は、図６にも示したように永久磁石と固定子磁極が２列で構成され軸中心で左右対称形状となっている。この構造に着目して、片側のコギングトルクの位相と反対側の列で発生するコギングトルクの位相を打ち消す位相で配置することで実現するものである。先にも述べたように本構造では、電気角で６０度のコギングトルクが発生することから、反対列のコギングトルクを３０度の位相差が付くように、永久磁石の位相を３０度ずらしたものである。更に、２列で構成される本構造のモータでは、左右が磁気的に独立しているため磁石３ａと３ｂの境目と固定子磁極間に空間部や連結部等の非磁性部材（図示せず）を配置することが可能である。また、コギングトルクの周期が電気角で６０度でない場合には、片側で発生するコギングトルクの電気的位相の１／２で永久磁石の位相をずらして対応できる。

次に、従来の固定子磁極は隙間なく構成されることから各相磁極間の隙間に磁極位置センサを配置することは出来なかったため、センサ専用の磁石を軸方向に配置していた。そのために、軸長が長くなる課題があった。そこで、本実施例では、図７のように固定子磁極４Ｕと４Ｗの隙間に磁極位置センサ６を設けたものを示す。磁極位置センサ６は回転子の磁石に電気的な位相差があることから、それぞれの磁石に対して配置し２組とした。永久磁石３ａに対しては磁極位置センサは６Ｕａ，６Ｖａ，６Ｗａが対応し、また、永久磁石３ｂに対しては６Ｕｂ，６Ｖｂ，６Ｗｂがそれぞれ３相の位置検出器として動作するようにしたものである。図面では磁極位置センサ６は独立した図で示したが、各センサは電気角で１２０度の位相差を持って配置されることが重要であるため、樹脂で３個のセンサを一体的に構成しても良い。また、２列で配置される６個の磁極位置センサを１つの部品として纏めても良い。このように、本実施例によると磁極位置センサを配置しても従来の回転電機よりも軸長の短い回転電機を提供することができるという効果がある。

次に図８を用いて、図７で示した磁極位置センサの信号処理について説明する。図８は先に説明した磁極位置センサの各信号をタイムチャートとして示したものである。磁極位置センサの６Ｕａ，６Ｖａ，６Ｗａのグループをホールセンサ１信号とし、ホールセンサ２信号は６Ｕｂ，６Ｖｂ，６Ｗｂの３つの信号とした。磁極位置センサには光式や磁気式のものがあるが、本発明では回転子の磁石の磁束を利用するため磁界で動作するホールセンサを採用した。ホールセンサは磁界のＮ極とＳ極で交流の出力信号を出すため、回転子の回転に伴い図８のチャートのように信号が出力される。交流電圧信号の大きさは、センサと磁石までの距離で決まるため、各相のセンサの取り付けは一定の隙間である必要がある。各磁石に対して６個のホールセンサ信号は、磁石の着磁位相に相当する３０度の位相差で交流電圧が発生する。モータとして駆動するためには、インバータは１つのため磁極位置センサの信号が２つ有っても処理できないため、本発明ではホールセンサ１のＵ相信号は、ホールセンサ２のＵ相信号とアナログ的に加算することで、電気角で３０度ずれていた２つの信号の中心の位相で３相の磁極位置センサ信号を得ることが出来る。図８の合成信号がホールセンサ１とホールセンサ２の同相信号をそれぞれ加え合わせたものである。更に、コンパレータで交流電圧のゼロクロスポイントでディジタル信号に変換すれば、図８に示したＵ相信号，Ｖ相信号，Ｗ相信号を作ることが出来る。この様に、磁極位置センサを２組用いてそれぞれの信号を加え合わせて３相信号を作ることで、１組の磁極位置センサで発生する取り付け誤差を低減することが出来る。それにより、良好な制御が可能になる。特に、今回のように極数が多い場合、機械的な取り付け誤差が電気的な角度では大きくなるため、取り付け誤差を小さくするためには良い手段である。

図９は本発明の第二の実施例を説明する図である。今までの説明では、回転子の永久磁石３は２列で構成されていたが、本実施例では永久磁石は１列のリング磁石とした。そのために、コギングトルクを繰り返し電気角度分に相当するスキューを設けたものである。コギングトルクが基本波の６次成分の場合、電気角で６０度の周期で発生するため、永久磁石の着磁ピッチを電気角で６０度ずらして着磁したものである。

このようにすると、モータ軸方向の磁石の端部から端部へのコギングトルクの合成波形がうまく打ち消される。本発明では使用する永久磁石にリング磁石を用いたが、焼結磁石を複数貼り付ける構造でも良い。また、回転子のヨーク２に穴を開けて永久磁石を埋め込む構造でも同様の効果が得られる。ここで、スキューとは、図９に示す通りに永久磁石の磁極を斜めに着磁又は配置したことである。

更に、固定子磁極４Ｕａと４Ｗａの隙間に磁極位置センサ６を設けたものを図１０に示す。この場合には、先に説明したような２組の磁極位置センサは不要となるため、永久磁石３の中心部分に各相の１組のセンサを配置すれば磁極位置を検出できる。この場合も、各相の磁極間の隙間は磁極の電流による磁束変動を受けにくい場所であり回転子の永久磁石３の磁束を外乱無しに検出できる。

次に、第三の実施例について図１１と図１２を用いて説明する。図１１は永久磁石を２列で構成し、それぞれの磁石の位相は同相としている。各部の構成に関しては今までに説明してきたものと同符号は同一部品を示しているため詳細な説明は省略する。この場合、２列にしたことから軸中心部に非磁性体の漏れ防止用磁気絶縁板を設けることが可能な構造である。また、設けない場合には磁石の着磁位相が同相であることから１つの磁石で構成しても良い。このような構造で先に述べたようなコギングトルクを打ち消すためには、永久磁石を同相としたため、固定子磁極で位相差を設けることで実現する。その図を図
１２に示す。図１２は、固定子磁極４Ｕａと４Ｕｂの磁極歯４Ｕａ１と４Ｕｂ１に電気角で３０度の位相差を持たせたものである。更に、磁極端面部１０ａ，１０ｂ，１１ａ，
１１ｂが同一面となるようになっている。先に説明した図５（ａ）を単純にずらした場合には、磁極端面部に段差が発生し各相磁極を連結する連結部の形状が複雑になる欠点がある。そこで、本実施例では磁極歯の位相差に係わらず磁極端面の形状は一致するようにしたものである。この様に、磁極端面の形状を単純化することで組み立ての工数低減が可能となる。

なお、この場合も、図１３に示すように永久磁石３が同相着磁であるため磁極位置センサ６は３個の１組で構成できる。

今まで説明してきた各磁極は図２に示した磁極形状は、磁性粉末をプレス加工（圧縮成形）することで実現するようにしたものであるが、鉄板を曲げて作製することや磁性体の焼結材で作製することも可能である。更には、リング状に磁極歯を作製したものを、必要な個数でカットして組み合わせることで実現することも可能である。

図１４に実際に図６で示した形状でコギングトルクを計算したものを示す。横軸は回転角度で、点線で示した波形は永久磁石に位相差がない場合、実線は２列で配置される永久磁石に電気角で３０度の位相差を設けた場合の値である。グラフからも分かるように１／５程度まで低減することが可能になっている。理想的には更に小さくなっても良いと考えるが、実際には磁石と磁極間での漏れ磁束の影響があるためこの様な結果になったものだと考えられる。また、先にも述べたように２列で配置される永久磁石と磁極間に非磁性体の磁気絶縁効果を持たせれば更に、コギングトルクを小さくできるものと考えられる。

上記説明では、固定子磁極の配置に関して３相モータを例に説明したが、各相磁極の配置のみで単相，２相，５相等の多相配置が容易に対応出来る効果が有る。また、説明ではＵ，Ｖ，Ｗ相の３個の磁極を回転子全周に配置したが、３相では６，９，１２分割といった、３の整数倍に分割して配置しても良い。つまりモータ相数の整数倍に分割してもよい。

更に、それぞれの相コイルを直列に接続したり、並列接続することで多種多様なモータ構造を構成できる。また、３相が２組以上偶数組の場合、同極が機械的に１８０度の位相で配置されるため、固定子磁極と回転子間に働く吸引力を緩和できる効果が有るため、磁気的な騒音の低減が可能になる。

また、本実施例では、内転型の回転電機について述べたが外転型の回転電機であってもよく、同様の効果を奏する。さらに、本発明の回転電機はクローポール型モータの一種であると考えられる。

本発明の第一実施例のモータ構造斜視図。 本発明の固定子磁極を構成する部品を示した部品図。 本発明の固定子磁極の分割図。 本発明の固定子磁極１相分の斜視図。 本発明の固定子磁極１相分の斜視図。 本発明の第一の実施例のモータの説明図。 本発明の第一の実施例のモータに磁極位置センサを配置した説明図。 本発明の磁極位置センサの波形処理タイミングチャート。 本発明の第二の実施例の斜視図。 本発明の第二の実施例のモータに磁極位置センサを配置した説明図。 本発明の第三の実施例の斜視図。 本発明の第三の実施例の斜視図。 本発明の第三の実施例モータに磁極位置センサを配置した説明図。 本発明の第一の実施例の効果を説明するグラフ。

符号の説明

１ シャフト
２ 回転子ヨーク
３ 永久磁石
４ 固定子磁極
５ コイル
７ 切り欠き部
８ くり抜き部
１０ 磁極端面
１００ 回転子
２００ 固定子

Claims (20)

1. 外周面に永久磁石による複数の磁極を有する回転子と、
   複数相の固定子磁極と固定子巻き線とで構成され、
   周方向に複数相の固定子磁極を配置し、
   各相とも周方向中心として固定子巻き線が２列で構成されている固定子磁極に巻き回され、
   かつ、前記複数相の固定子磁極が磁気的に分割されている固定子とを有する回転電機であって、分割された固定子磁極の間に、磁極位置センサを有することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記固定子磁極は磁性粉末により構成されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１において、
   前記複数相は３相であることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１において、
   前記固定子磁極は、モータ相数の整数倍に分割されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１において、
   前記磁極は、着磁により作製されることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１において、
   前記磁極は、着磁された永久磁石を埋め込むことにより作製されることを特徴とする回転電機。
7. ２列に配置された外周面に永久磁石による複数の磁極を有する回転子と、
   固定子磁極と固定子巻き線とで構成され、
   周方向に複数相の固定子磁極を配置し、
   各相とも周方向中心として固定子巻き線が２列で構成されている固定子磁極に巻き回され、
   かつ、前記複数相の固定子磁極が磁気的に分割されている固定子とを有する回転電機であって、前記２列に配置された永久磁石は、電気角で位相差を持っていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項７において、
   前記位相差は電気角で３０度であることを特徴とする回転電機。
9. 請求項７において、
   前記固定子磁極は磁性粉末により構成されていることを特徴とする回転電機。
10. 請求項７において、
    前記複数相は３相であることを特徴とする回転電機。
11. 請求項７において、
    前記固定子磁極は、モータ相数の整数倍に分割されていることを特徴とする回転電機。
12. 請求項７において、
    前記磁極は、着磁により作製されることを特徴とする回転電機。
13. 請求項７において、
    前記磁極は、着磁された永久磁石を埋め込むことにより作製されることを特徴とする回転電機。
14. 外周面に永久磁石による複数の磁極を有する回転子と、
    固定子磁極と固定子巻き線とで構成され、
    周方向に複数相の固定子磁極を配置し、
    各相とも周方向中心として固定子巻き線が２列で構成されている固定子磁極に巻き回され、
    かつ、前記複数相の固定子磁極が磁気的に分割されている固定子とを有する回転電機であって、前記回転子の磁石はスキューを持たせて配置されていることを特徴とする回転電機。
15. 請求項１４において、
    前記スキューは電気角で６０度の位相差を持たせていることを特徴とする回転電機。
16. 請求項１４において
    前記固定子磁極は磁性粉末により構成されていることを特徴とする回転電機。
17. 請求項１４において、
    前記複数相は３相であることを特徴とする回転電機。
18. 請求項１４において、
    前記固定子磁極は、モータ相数の整数倍に分割されていることを特徴とする回転電機。
19. 請求項１４において、
    前記磁極は、着磁により作製されることを特徴とする回転電機。
20. 請求項１４において、
    前記磁極は、着磁された永久磁石を埋め込むことにより作製されることを特徴とする回転電機。

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