JPS6154855A - 永久磁石電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明め利用分野〕 本発明は永久磁石電機に係シ、特にコギングトルクを低
減した突極構造の永久磁石電機に関するものでちる。

〔発明の背景〕

突極磁極を有する電機で特にブラシレスモータでは、突
極構造に起因し、コギングトルクが発生する。このコギ
ングトルクを低減する方法として、突極磁極表面に補助
溝と巻線用溝とを等間隔に設けてコギングトルクの次数
を高くして低減する方法が特公昭５Ｂ−４２７０８号に
記載されている。

ブラシレスモータには一般にコギングトルクの他に誘起
電圧を全波整流した時に、平坦でないことに起因する脈
動トルクがちり、これは、巻線を巻回した突極の極孤度
に影響する。また等間隔に溝を設けた場合のコギングの
周波数は、溝数と極数の最小公倍数となる。そこで、上
記等間隔の溝配置では、前記特許公報記載の４極３巻線
極の場合は、巻線用溝を含めて１巻線突極機９３個の溝
では、磁極の極孤度が１６０度と小さく、かつ、コギン
グトルク周波数が３６と低いためコギングトルクは大き
い。また、４個の例では、コギングトルク周波数が１２
と低く、コギングトルクが犬である。また５個以上に関
しては、補助溝による磁束量の低下が著しく、また、溝
ピッチが等しいことから、同音等が大である等の問題点
を有している。

〔発明の目的〕

本発明は、溝の本数が最小で、かつ、巻線磁極の極孤度
がほぼ１に近く、かつ、コギングトルクが十分低下しう
る磁石モータを提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、電気角でｚＭπ（Ｍは３の倍数でない整数）
の間隔を持った巻線用溝の１つあるいは複数のグループ
の溝配置を持つ磁石モータにおいて、前記巻線用の溝位
置に対して電気角でｓＫ十ｇ（Ｋは整数）だけ分離した
位置に巻線用溝と、同数の補助溝を突極磁極表面に設け
るように構成したもので、これによって、コギングトル
クの発生を低減することである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例の構成を図面に基づいて説明す
る。

第１図は、本発明が適用されるモータの断面構造の一例
を示す。図において、回転子である永久磁石界磁１は４
極に着磁されたリング状永久磁石２とヨーク部３とで構
成されている。電機子４は巻線用突極５１，５２．５３
と補助突極６１゜６２．６３とで構成し、巻線用突極５
１，５２゜５３にはそれぞれ電機子巻線７１．７２．７
３が巻回されている。

ここでは、いわゆる永久磁石２の極数ど巻線用突極の数
はそれぞれ４と３で、その最大公約数が永久磁石の極数
と異なる構成のものを対象とする。

図示のモータは機械式な整流装置でも駆動できるが、ブ
ラシレスモータの場合は、電機子巻線７１．７２．７３
への通電を回転子１の位置に応じて順次切シ換え、連続
的な回転力を得るものである。

９ａｌ　、８Ｊ　、８ａ２，８ｂ２．８ａｓ　＊、８ｂ
３は突極磁極間に位置する巻線用の溝である。

ここで、この溝配置は電気角で支π（従ってＭ＝２）の
間隔を持った８ａｌ　、８ａ２．８ａ３と８ｂｌ、ｓｂ
、、８ｂｓの２つのグループで構成する。以上が本発明
が適用されるのに好適な磁石モータである。また、永久
磁石２と対向する巻線用突極５１，５２．５３の外表面
にはそれぞれ巻線用溝とほぼ同じ磁気パーミアンスを有
する補助溝ｇｃＩ、　＋３ｃ２　、８ｃ３　、８ｄｌ、
　８ｄ２　。

８ｄ３が設けられている。本発明はこの巻線用溝と補助
溝の最適配置に関するものである。

次に、この種モータにおけるコギングトルク発生原理を
第２図により説明する。一般にコギングトルクは永久磁
石磁極２の移動に伴って空隙部９内の磁気エネルギーが
変化することによって、引き起こされる。この磁気エネ
ルギの変化の原因は巻線用の溝にある。

第２図において（ａ）は空隙磁束密度、（ｂ）は永久磁
石磁極、（Ｃ）は電機子部の周方向展開図、（ｄ）は電
機子部がθだけ移動した時の電機子部を示す。図におい
ては、便宜上、実際とは逆に電機子部が永久磁石磁極２
に対して動くものとして以下説明する。

図において、コギングトルクは一般に次式で表わすこと
ができる。

ここで、　　θ　：永久磁石磁極に対する電機子部の移
動角 Ｅ（θ）：空隙全体の磁気エネルギー 一方、空隙中の任意の角度ψでの微小体格ｄ。

当りの磁気エネルギーΔＥ（θ）は、 ＝ＫＩＢ、”（ψ・θ）ｄψ　　　・・・・・・・・・
（２）ここで、　　　μ０　：空気の透磁率 Ｂ、（ψ・θ）：空隙の磁束密度 に１　：定数 従って空隙全体の磁気エネルギーＥ（θ）はここで、ｐ
：永久磁石磁極数 一般に溝がない場合の空隙磁束密度Ｂ（ψ）は高調波分
に分解され、次式で表わされる。

ここで、Ｂ、：Ｂ（ψ）の高調波のピーク値また空隙部
にはエネルギー関数Ｓ（ψ）として次式を定義する（第
２図（ｆ））。

Ｓ（ψ）＝Ｂ２（ψ） ・・・・・・・・・（５） ここで、Ｓ言ψ）：５（９））の高調波分に、（ψ）：
Ｓユ（ψ）の直流分 Ｓ、、　　：Ｓ、（ψ）の高・調波のピーク値 ここで、巻線用の溝、補助溝の磁束密度に対する影響は
、溝部上の空隙磁束密度が減少するか、もしくは零にな
ると考えられる。そこで溝部の位置のみ単位とする以下
の関数を定義する（第２図ｅ）。

０ｘ（−−ｘ）− ここで、Ｗ：溝幅 以上の関数を使うことによって溝の存在は以下のｕｔ（
θ）で表示できる。

ｕ、（θ）＝Ｕ（θ＋αｓ　）−１−ｕ　（θ＋α２）
＋・・・・・・Ｕ（θ＋α、）ここで、α１．α２・・
・・・・α、：溝位置ｎ　ａ　：溝数 従って溝を含めた磁束密度の分布は Ｂ、（ψ・θ）＝（ｌｕｔ（θ）３Ｂ（ψ）　　＝（８
）（８）式ｔ　（８）式に代入すると Ｅ（θ）　＝に＋　／　　（１−ｕｓ　（θ）　）”　
Ｂ”　（９））ｄ９）＝Ｋｌｌ　　Ｂ”（ψ）ｄψ −Ｋ＞ｆ　Ｂ”（９’）　・ｕｔ　（θ）ｄψ・・・・
・・・・・（９） ここで（９）式の第１項はθの関数とならないために（
１）式よシ明らかにコギングトルクに影響を４見ない。

従ってコギングトルクＴ、は ここで、Ｓ（ψ）は溝がない場合のエネルギー関数を示
す。さらにこれは ・・・・・・・・・αＤ 従って、コギングトルクは、第２図で説明すると、同図
（ｆ）で示したエネルギー関′１ｊＬＥ（θ）での、移
動前の位置関数（第２図（Ｃ））が１を示すエネルギー
関数の総和Ｅ１と移動後の総和Ｅ２の変動によって表わ
される。

第２図（ｆ）よ）変動を直接見出すことは困難であるの
で、（１１Ｊ式をさらに展開すると従って０２式よりコ
ギングトルクは各調波成分に分解することができる。こ
のととはコギングトルクの各調波成分は、同じ調波成分
のエネルギー関数の溝位置部の値の和を変動として与え
られることを示す。

以上の理論よ多収下、本発明の実施例を第３図によシ更
に詳しく説明する。（ａ）は空隙磁束密度Ｂ、１、（ｂ
）は永久磁石磁極、（Ｃ）は巻線用溝のみの電機子部、
（ｄ）はその溝位置関数、（ｅ）　、　（ｆ）　、　　
（ｇ）にはそれぞれエネルギー関数の基本調波、第３調
波成分、第６調波成分を示す。

ここで、巻線用溝は電気角で１πずつ位相の異な゛る８
ａｌ　、８ａ２．８ａ３のグループと８ｂＩ。

８ｂ２，８ｂ、のグループとからなる。

以上の２つのグループに対して、式α２の基本調波成分
に対して適用すると 溝８ａ１　．８ａ２．８ａ３のグループ＝ｃｏｎｓｔ　
　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・・ａ
４従って、基本調波成分によるコギングトルクは生じな
い。一般に溝間隔−ＨＭπ（Ｍは３の倍数でない整数）
を持つ３個の溝のグループは、上式と同じ手法で証明で
き基本調波と３ｎ±１次調波成分のコギングトルクは生
じない。

一方、第３次調波成分について考えると＝８．３・ｎａ
地６（θ）　　　　　　　・・、・・・・・・七となシ
、第３図（ｆ）で示すように、各溝位置上旬エーネ・、
ルギー分布の第３次調波成分は同相となシ、コギングを
引き起こす。本発明は、以上の第３次調波成分によるコ
ギングトルク発生を除くため、巻線用の溝位置と、電気
角でｇ＋−ｇＫ　（ここでＫは整数）だけずらして配置
したものである。最も簡単な例として、第３図（ｆ）に
矢印で示した位置に補助溝をつけると良い。これによっ
てαを式は巻線溝の項　　　　　補助溝の項 ・・・・・・・・・（１５１ となシ、零と成しうる。

ここで、補助溝の配置は第３図に限られたものではなく
、巻線溝位置と−ｇ＋−ｇＫだけずらして配置すれば、
その外の任意の位置でも良いことが理解できる。ただし
１グループを構成する３個の補助溝の間隔は電気角ＺＭ
π（Ｍは３の倍数でない整数）を維持するものとする。

以上の溝配置でコギングトルクは高次になシそれだけコ
ギングトルクが低減する。

以上の巻線溝と補助溝の配置°では、第３次調波成分は
除去できるが、第６次調波成分が出てぐる。

第３図（ｆ）で示した溝配置は第６次調波成分に対して
は ＝２ｎｅＩ−８１１６・５１ｎ２・６θ　　　　　　　
　・・・・・・（ＬＦ５となる。

この第６次調波成分は、巻線用溝と補助溝との間隔を−
３に＋−ｇだけ分離した１つの巻線溝と補助溝のグルー
プを、他のグループに対して、電気角で−ＨＬ（Ｌ：整
数）だけずらせば、なくなる。

第３図について説明すると、巻線用溝８ａ１゜８ａ２，
８ａ３、補助溝８ｄ１１８ｄ２，８ｄ３からなる１つの
グループと、他の巻線用溝８ｂ、。

８ｂ２，８ｂ３と補助溝８’＋　＋　８ｃ２１８ｃ３か
らなる他のグループとの間隔をＴ１だけずらすことによ
って第６次調波成分の変動はなくなる。

その他相９調波成分については、第３次調波成分を消せ
ば自動的に消える。その他の高次としては１２調波成分
が残るが、これは問題にする程の大きなものではない。

前述のように本発明を実施すればコギングトルクを大幅
に低減することかできる。我々発明者の実験によれば補
助溝なしのものに比べ、本発明のコギングトルクは石に
低減していることが確認されている。尚この１２調波成
分に合わせて電機子あるいは界磁部にスキューを施せば
最小のスキュー角でコギングトルクは更に低減する。

以上、第１図に示した溝の配置構成について述べたが、
他の溝配置でも可能である。第４図に他の実施例を示す
。図中（ｄ）〜（ｆ）は基本構造（ｂ）の溝位置を変え
たものである。なお、電気角茗πＭの間隔を持った溝グ
ループ２組は図中、巻線用の溝の２倍の磁気パーミアン
スを持った１組の溝をいずれかのグループの位置に配置
することにようて置き換えうる。また１個の補助溝はｉ
の磁気パーミアンスを有する２個の補助溝で置き換えら
れ、この２個の溝は本発明で特定した位置に分散配置す
ることも可能である。

なお、以上は４極構造について示したが２極もしくけ多
極にも同様に適用である。また電機子部を固定して説明
したが、電機子部が回転し、永久磁石が固定した構成に
、も適用できる。

又、直線移動するいわゆるリニアモータ方式の永久磁石
機にも同様に適用できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明の構成によれば、溝の本数が少
なく、かつ巻線磁極の極孤度が広く、かつコギングトル
クを十分低減しうる永久磁石電機を提供しうる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は永久磁
石機の断面図、第２図はコギングトルクの発生原理図、
第３図は動作説明図、第４図は本発明の他の実施例を示
す図を示すものである。 １・・・泳久磁石界磁部、２・・・永久磁石磁極、３・
・・ヨーク部、４・・・電機子、５１，５２．５３・・
・巻線用突極、６１，６２．６３・・・補助突極、？１
，７２゜７３−・・電機子巻線、８　ａｌ　＋　８ａ２
　ｒ　８ａ３１８ｂ！、８ｂ２，８ｂ３・・・巻線用溝
、。８Ｃ１゜８０２　＋　８Ｃ３＊　　８ｄ＋　、８ｄ
２．３ｄ３・・・補助溝１，９・・・空隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ｐ個の磁極を持つ永久磁石界磁部と、突極の総ても
   しくは一部にｍ個の電機子巻線を備えた突極磁極で構成
   した電機子部とからなり、前記永久磁石磁極ｐと電機子
   巻線を備えた巻線用突極ｍの最大公約数がｐと異なる構
   成であって、かつ、電気角で２／３Ｍπ（Ｍは３の倍数
   でない整数）の間隔を持った巻線用溝の１つ、あるいは
   複数のグループの溝配置を持った永久磁石電機において
   、前記、巻線用の溝位置に対して電気角でπ／３Ｋ＋π
   ／６（Ｋは整数）だけ分離した位置に巻線用溝と同数の
   補助溝を突極磁極表面に設けたことを特徴とする永久磁
   石電機。 ２、前記特許請求の範囲の第１項記載のものにおいて、
   巻線用溝と補助溝との間隔をπ／３Ｋ＋π／６だけ分離
   した一つの巻線用の溝と補助溝のグループを他のグルー
   プに対して電気角でＬπ／（１２）（Ｌは整数）だけず
   らして配置したことを特徴とする永久磁石電機。 ３、前記特許請求の範囲の第２項記載のものにおいて、
   電気角π／（１２）のピッチで永久磁石界磁部もしくは
   電機子部を、スキューしたことを特徴とする永久磁石電
   機。