JPS6194547A - 回転電機 - 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】 〔発明の利用分野〕 電機子鉄心を有する電機子と、永久磁石よりなる界磁部
を有し、一方が倚方に対して回転しうる様にした回転電
機に応用する。

〔発明の背景〕

心機子鉄心に補助溝を設けて、コギングを低減する考え
方は特公昭５８−４２７０８号公報等に見られるが、補
助溝の位置や幅などについては、詳しい考察がなされて
おらず、上記公報のクレーム３に見られる様、はぼ等間
隔に設けることが一般的に行なわれている。しかしなが
ら、等間隔に補助溝を設けた場合には、補助？１゛ｑの
所期する効果が得られないものであった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、コギングを低減する為に補助溝を設け
る場合、溝位置を最適な位置に設けその効果を増大なら
しむることにある。

〔発明の概−髪〕

本発明は、コギング発生のメカニズムが、空隙に貯えら
れた磁気エネルギーの変化によることから、空隙内の磁
気エネルギーの変化を最小に押える様に、補助溝を配置
したものである。

近年、機器の小形化、偏平化の要求が高まっており、特
にＯＡ　（Ｑｆｆｉｃｅ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）　　
機器やＡＶ　（Ａｕｄｉｏ　■１ｓｕａｌ）機器に計い
てはその要求が顕著である。これらの機器においては、
一般にブラシレスＤＣモードルと呼ばれる電動機が用い
られることが多いが、前述の様な小形化の要求に応じる
為に、電機子に磁性体より成る電機子鉄心を有し、永久
磁石よりなる界磁部との間で、相対的に回転可能なる形
をした電動機が広く用いられる様になってきている。し
かしながら、この様に、１機子に磁性体より成る電機子
鉄心を有した電動機においてはコギングトルクを発生し
、電動機の回転ムラや鍜動の原因となる欠点が有った。

本発明の目的は、コギングトルクを低減し、静かで安定
した回転をし得る電動機を提供することにある。

これまで知られているコギングトルクの低減法としては
、例えば特公昭５８−４２７０８　に示すものがある。

特公昭５８−４２７０８に示されている方法について、
第１図第２図および第３図を用いて説明する。図におい
て、Ｈａｔ磁性体より成る電機子鉄心２を有する電機子
４は永久磁石５より成る界磁部で、電機子１および界磁
部４は、同一回転軸上に配置され、相対的に回転可能と
なっている。６ａ〜６ｆは、電機子鉄心２に、永久磁石
５よシ成る界磁部４に対面する側に設げられた突極、７
ａ〜７ｆは、突極６ａ〜６ｆの間に均当に配置された、
補甑である。８ａ〜８ｔおよび９ａ〜９ｒはコギングト
ルク低減用に突嘆６ａ〜６ｆに設けられた補助溝特公昭
５８−４２７０８に示されている記号を用いて、第１図
第２図および第３図における、コギングトルクの基本的
な調波成分を計算すると表１の様になる。

衣　　Ｉ Ｐ：永久磁石の極数 Ｓ：補助溝がない時の磁気的不均一性の基本的調波成分
の次数 に：補助溝を設けた時の磁気的不均一性の基本的、１Ｉ
ｉｉｌ波成分と、８との比Ｑ：ＰとＳとの最大公約数 Ｒ：　Ｐ／ＱとＫの最大公約数 Ｇ１　：補助溝がない時のコギングトルクの基本的調波
成分の次数 Ｇ２　：闇助溝がある時のコギングトルクの基本的調波
成分の次数 表１から第２図に示す様に、はぼ等間隔に２本の補助溝
を配置した場合には、コギングトルクの基本的調波成分
の次数は２４となり、浦助溝をっけない時と同じであり
、コギングトルク低減効果はないことから、第３図に示
す様に１ケの突極当り３本の補助溝を設けることが行な
われている。

しかしながら、この様に溝本数を多くすることは、電機
子１と界磁部４との空隙が大きくなったことと同等な効
果を有し、電動機の小形化を阻害するものである。本発
明の目的は、二本の補助溝の場合にもコギングトルクを
低減しようとするものである。

コギングトルクの発生のメカニズムを、詳しく考えて見
ると、コギングトルクは、電機子１と界磁部４との間の
空隙部に貯えられた磁気エネルギーが、回転と共に変化
することにある。従ってコギングトルクを小さく押える
には、空隙に貯えられた磁気エネルギーの変化を小さく
押えてやれば良い。

以下、との陣モータのコギングトルク発生の原理につき
、第４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５の移動に滲って空隙部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
ネルギーの変化の原因は巻線用の溝にある。

第４図に分いて、（ａ）は空隙磁束密度を、（ｂ）は永
久磁石磁極を、（Ｃ）は電機子部の周方向展開図を、（
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、便宜上、尾成子部を永久磁石磁極５に対し
て動くものとして考えを進める。

図において、コギングトルクは一般に次式で表示できる
。

＆Ｅ（θ） Ｔｃ＝−□　　　　　　　　・・・・・・（１）ａθ ここで、θ：永久磁石磁極に対する電機子部の移動角 Ｅ（の：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ｄ７当シの磁
気エネルギーΔＥ（のは ΔＥ（θ）＝−−Ｂ：　（ψ、θ）・ｄ。

２μ０ ＝Ｋｔ　ＢＸ　（ψ、θ）ｄψ　　　　　　・・・・・
・Ｃ）ここで、μ０　：空気の透磁率 ａ、（ψ、θ）：空隙の磁束密度 ”１　ａ　ｇ　＠　ｌ Ｋ１　：定数＝□ ２μδ 従って空隙全体の磁気エネルギーＥ（σ）はＥ（θ）　
＝　Ｋｓ　／　　Ｂ　Ｘ　（ψ、σ）ｄ９）　　　　　
・・・・・・（３）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ゆ）は高調渡分に
分解され、次式で表わされる。

Ｂ（？）＝ΣＢ、ａｉｎｎψ　　　　　　　　　・・・
・・・（４）ここで、Ｂ、　：　Ｂ（９１）の高調波の
ピーク値また空隙部にはエネルギー関数Ｓ　（？）とし
て次式を定義する（第４図（ｆ））。

５ｆｐ）＝＝Ｂ”（ψ） ＝Σ　Ｓａ　ゆン ＝Σ（Ｋ、＋ｓ、、５ｉｎ２ｎψ）　　　　−・−・−
（５）ここで、Ｓ、（ψ）：５６７））の高調渡分に、
（ψ）：Ｓ、（ψ）の直流分 Ｓ、、：Ｓ、（ロ））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、ｒｆｉ；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）。

ｕ（ｘ）＝１＜Ｘ＜− ｏＸ＜−−ｘ＞− ここで、ω：溝幅 以上の関数を使うことによって溝の存在は以下ｕｔ（の
＝ｕ（θ＋αｔ）＋ｕ（θ＋α２　）＋・・・・・・ｕ
（θ＋α、。）ここで、α１．α２・・・・・・α、：
溝位置ｎａ：溝数 従って溝を含めた磁束密度の分布は Ｂｇ（ψ−θ）　＝　（１−ｕ　ｔ　（θ）１Ｂ（ψ）
　　　　　−・・・・（８）（８）式を（３）式に代入
すると Ｅ（θ）：＝Ｋｔ　ｆ　（１−ｕ−１−（θ））”　Ｈ
”　（９））ｄ９’＝Ｋｓｆ　　（ｔ−ｕ−Ｈθ丹Ｈ”
　＜（Ｐ）　ｄ　９’ことで（９）式の第１項はθの関
数とならないために（１）式より明らかにコギングトル
クに影響を与えない。従ってコギングトルクＴｃは ここで、Ｓ（ψ）は１１１ｆｆがない場合のエネルギー
関数を示す。さらに、これは 従って、コギングトルクは、第４図で説明すると、同図
（ｆ）で示しだエネルギー関数Ｅ（θ）での、移動前の
位置・１月数（第４図（ｅ））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。

渠４図（ｆ）より変動を直接見出すことは困難であ−Ｉ
ｎ−１ Ｂ−１ｔｌｌｉ−１ ・・・・・・α２ 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。このことはコギングトルクの各調波
分は、同じ調波のエネルギー関数の溝位置部の値の和の
変動として与えられることを示す。

以上の理論より以下本発明の笑施例を第５図および第６
図によυ説明する。（ａ）′は望隙磁束密度Ｂ１を、Φ
）は永久磁石磁極を、（Ｃ）は巻線用溝のみの電機子部
を、（ｄ）はその為位置関数を、（ｅ）、げ）。

（ｇ）にはそれぞれエネルギー関数の基本渡分、第３調
波分、第６調波分を示す。ここで、巻線用溝は８ａ３の
グループと８ｔ）ｔ　、８ｂ２．８ｂｓ　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Ｑ’２１０基本波分
に対して適用すると ΣＳ　ｍｌ　ｓｉｎ　２・ｌ１１（θ＋αＩｌｌ　）溝
８ａ１，８ａ２．８ａ３のグループ ＋（Ｓｔｎ２　　（θ十−ン＋ｓｉｎ　２　　（θ＋”
−ｚ　）＋５ｉＤ２　　（θ十旦π））溝８ｂ１　＊　
　８　ｂ２　ｇ　８　ｂ、のグループ＝　ｃｏｎｓ　ｔ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　−−−−−−（
１３）従って、基本渡分によるコギングトルクは生じな
い。〜般に溝間隔誓へ（π（Ｍは３０倍数でない整数）
を持つ３個の港のグループは上式と同じ手法で証明でき
基本渡分と３ｎ＋−１次調波分のコギングトルクを生じ
ない。

一方、４３３次調波について考えると Σ　　Ｓ　ａ　＆１１１−２　・　３　（θ＋α、１　
）”Ｓ　ａ３　”　ｎ　ａ　Ｓ１ｎ　５（θ）　　　　
　　　　・・・・・・Ｉとなり、第３図（ｆ）で示すよ
うに、各溝位置上のエネルギー分布の第３次調波は同相
となり、コギングを引き起こす。本発明は、以上の第３
次調波によるコギングトルク発生を除去するため、巻線
用の溝位置と、電気角でπ／６＋ｉＫ　（ここでＫは整
数）だけずらして配置したことを特徴とする。

置に補助溝をつけると良い。これによって測成は、とな
り、零になしつる。

ここで、補助溝の配置は第６図に限られたものではなく
、巻線溝位置とπ／６＋ｉＫだけずらして配置すれば、
その他の任意の位置でも良い。だだし１グループを構成
する３個の補助溝の間隔は１＋（気角２Ｍπ（Ｍは３の
倍数でない清数）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低減することになる。

以上の巻線溝と補助溝の配置では、第３次潤波成分は除
去できるが、第６次調波成分は依然として残っている。

第６図（ｆ）で示した溝配置は第６次調波成分に対して
は、 ８ａ６　　ｎ　ｇｓｌＤ２・６（（１）＋　８ａ６　　
・ｎ　ａ　＊　　８１１２”６（θ＋−＋−Ｋ）＝２ｎ
ｇ　１１８．、　＠５ｉｎ２＊６θ　　　　　　　−・
・・・ｆｌＦ３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ｇ
Ｋ＋Ｈ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π／１２Ｌ（Ｌ：幣
数）だけずらせばなくなる。

第６（９）について説明すると、巻線用溝８ａ１゜８ａ
２，８ａ３、補助溝８　ｄｌ　＋　８　ｄｌ　ｖ　８ｄ
３からなる１つのグループと、他の巻線用溝８ｂ１゜８
ｂ２．８ｂ３　と補助溝８ｃｌ　　、８Ｃ２，８Ｃｓか
らなるグループとの間隔をπ／１２だけずらす。

これによって第６次調波分はなくなる。

その他第９判波１戊分については、第３ｒＫ調波を７１
１せば自動的に消え、その他の高次としては１２？ｔ、
４波分が残る。この１２調波成分に合わせて界磁磁石の
着磁あるいは電機子鉄心の溝をスキューすれば、最小の
スキュー角でコギングトリクは除去できる。

以上第５図のミ（４造のモータについて示したが他のＩ
ｊり配置でも可能である。第７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、箱：気胸２／３πＭ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
配置することによって置き換えつる。また１個の補助溝
＆ｉ１／２の磁気バ今÷アンスを有する２個の補助溝で
置き換えられ、この２つの溝は本発明によって一定され
た位置に分散配置することも可能である。突極内面の両
端部における磁気飽和を回避するために、これは非常に
有効な構成である。

第８図に本発明の他の実施例を示す。第９図は第８図の
部分展開図である。１は１ｄ機子、２は１機子鉄心、４
は界磁部、５は永久磁石、６ａ〜６ｆは電機子鉄心２に
設けられた突Ｖｉ、７ａ〜７ｆは電機子鉄心２に設けら
れた補極、８ａ〜８ｔは、突極６ａ〜６ｆに設けられた
補助溝、１０ａ〜１０ｔは突極６ａ〜６ｆと補極７ａ〜
７ｆの間に存在する巻線用溝である。

電機子鉄心２および永久磁石５の、溝間隔および着磁ピ
ッチは、第８四分よび第９図に示すとうりである（角度
はく気胸で表示）。

第９図において、エネルギー関数の第３次成分に対して
は巻９％ｉｔＪ　Ｉ　Ｑ　ｂに対して補助ｐ８ｄが逆位
相になっており、巻線溝１００に対しては補助ＭＢＣが
逆位相になっている。同様に考えていくと、１０８〜１
０ｔの１２ケの巻線溝に対し、８ａ〜８ｔの１２ケの補
助溝が逆位相の関係にあり、全体的に見れば、空隙部の
エネルギー関数の第３次成分に関しては、電機子と界磁
部の相対位旺に間係なく一定となりコギングを生じない
。

更に第６次成分について見ると、巻線溝１０ｂに対して
補助溝８Ｃが、巻線溝１００に対して８ｄが逆位相とな
り、全体的に見れば、空隙部のエネルギー関数の第６次
成分も電機子と界磁部の相対位負に関係なく一定となり
コギングを生じない。

この様に補助溝を２本とした時は、補助溝の位１４を適
切に配置することにより、エネルギー関係の第３次成分
および、第６次成分を低減せしめコギングトルクを低減
することが可能である。

〔発明の効果〕

本発明は、前述のように補助溝を啼適な位置に配置した
ものであるから、この種回転’Ｍ、　級で特に問題であ
ったコギングトルクを大幅に低減し、静かで安定した回
転をなす回転電機を提供することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は従来技術を示すもので、第１図は
補極付き、補助溝なしの概略図、Ｗ２Ｂ図は突極にそれ
ぞれ二個の補助めを形成した概略図、第３図は同じく突
極にそれぞれ３個の補助溝を形成した概略図、第４図は
コギングトルク発生の原理を説明する図、第５図および
第６図は本発明の一実施例を示すもので第５図は構成概
略図、第６図はコギングトルクの波形図、第７図は同じ
く他の実施例に関する波形図、第８図および第９図は他
の実施例を示す構成図および波形図である。 １・・・を機子、２・・・電機子鉄心、４・・・界磁部
、５・・・永久磁石、６ａ〜６ｆ・・・突極、７８〜７
ｆ・・・補助溝、１０８〜１Ｏｔ巻線用溝。

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
   成の磁石モータであつて、かつ、電気角で２／３Ｍπ（
   ここでＭは３の倍数でない整数）の間隔を持つた巻の１
   つ、あるいは複数のグループの溝配置を持つた磁石回転
   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（ここで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
   特徴とする回転電機。 ２、前記特許請求の範囲の第１項において、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：整数）だけずらして配置し
   たことを特徴とする回転電機。 ３、前記特許請求の範囲の第２項において、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回転電機。