JP2649403B2 - 交流モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、多数の磁極を備えるステータと多数の永久
磁石を備えるロータとを有する交流モータに関する。

［従来の技術］ 上記交流モータでは、回転時の磁極と永久磁石との位
置関係により、コイル電流とは無関係に出力トルクが変
動し、いわゆるコギングトルクが発生する。従来より、
このコギングトルクを低減し、交流モータの回転をスム
ーズにするために、様々な提案がなされている。最も単
純には、磁極と磁石との間の距離（ギャップ）を大きく
すればよいのであるが、これではモータの出力トルクが
低下し、効率が悪くなる。それに対し、例えば特開昭59
−144348号公報では、多極着極磁石の厚みを周方向で変
えることにより、コギングトルクを理論的にゼロにする
ことができると述べている。ただし、こと場合の磁石は
１つの円環状連続体である。特開昭62−104459では四角
形の磁石の角を削って八角形にして、コギングトルクを
低減しようとしている。

なお、従来、永久磁石はフェライト磁石が一般的であ
ったが、近年、フェライトよりも更に磁気特性の優れ
た、すなわち残留磁束密度および保持力の大きい、希土
類磁石が用いられつつある。

［発明が解決しようとする課題］ 磁石の形状によりコギングトルクを低減する場合に
は、磁石をそのような形状に加工することが必要とな
る。しかし、フェライト磁石や上記希土類磁石は加工が
困難なことが多く、成形加工のコストアップ要因とな
る。また、たとえ加工ができたとしても、最適な磁石形
状は、磁石ピッチ、磁極間ギャップ、磁極−磁石のギャ
ップ等の大きさにより異なってくるため、それらの異な
るモータを設計する度に最適形状を設計し直さなければ
ならないという面倒さもある。さらに、磁石の角を削る
等の手段は、部分的に磁石と磁極との間の距離を大きく
することに他ならず、多少の出力トルクの低下が避けら
れない。

上記２つの従来技術は共に、磁極−磁石間のギャップ
を変えてコギングトルクを小さくしようとするものであ
り、そのために、成形加工に伴うコストアップ、出
力トルクの低下、という問題があった。

本発明は、磁極−磁石間のギャップを均一とするシン
プルな形状をとることにより、出力トルクの低下を防止
すると共に、形成を容易にして加工のコストを低くした
上で、最適な寸法を選ぶことにより、コギングトルクを
大幅に小さくする（ゼロにする）ことを可能にする。す
なわち、本発明は、モータの出力トルクをできるだけ大
きくしてモータの効率を良好なものとしつつ、そのため
の磁石形状の設計・製造の面倒さをなくして、様々な磁
石ピッチ、磁極間ギャップ、磁極−磁石間のギャップの
大きさに対して一般的にコギングトルクをほぼゼロとす
る交流モータ提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決する本発明では、隣接磁極間に長さgp
の空隙（ギャップ）を設けて円周上に一定のピッチPpで
配列された複数の磁極を有するステータと、その磁極に
対向して径方向に長さｇの空隙（ギャップ）を設けて円
周上に配列された多数の永久磁石を有するロータとを備
える交流モータにおいて、各永久磁石の円周方向の長さ
Ｌを、 Ｌ＝ｎ・Pp＋ａ・ｇ＋ｂ・gp＋ｃ・Pp （１） で定め、ここで、ｎを任意の整数に、ａを0.4〜0.6に、
ｂを0.3〜0.5に、ｃを−0.06〜0.04にすることを特徴と
する。

［作用］ 本来円形であるモータのステータ12とロータ14とを直
線状に展開して示した第１図の模式図により説明する。
ステータ12には多数の磁極16が等ピッチPpで並び、各磁
極16の支柱部分16aにはコイルが巻かれ、先端部分16bは
支柱部分16aよりも幅広くされている。隣接する磁極先
端部分16b間のギャップの長さはgpである。ロータ14に
は長さしの磁石20が多数、等ピッチが並ぶが、第１図に
はそのうちの１個のみを示した。磁極先端部分16bと磁
石20との間のギャップの長さはgpである。

ここで、この磁石20の長さＬを単純に磁極ピッチPpの
整数倍（Ｌ＝ｎ・Pp）とすると、磁石20に対向する磁極
間ギャップの長さ（gp）の総和は、磁石20の位置にかか
わらず、常に一定となる。このため、磁極先端16bと磁
石20間の磁束の流れが、厳密にモータの径方向（第１図
では上下方向）のみであれば、この状態（すなわちＬ＝
ｎ・Pp）ではコギングトルクは生じない。しかし、実際
には、第２図のコンピュータシミュレーション結果に示
されるように、磁極先端16bの角の部分や磁石20の角の
部分で磁束は径方向から外れ、回転方向（第１、２図で
は左右方向）の成分を有するようになる。このような場
合には、コギングトルクを最小とする磁石20の長さＬ
は、磁極ピッチPpの整数倍からずれ、それに付加長さＬ
αを加えた値となる。

本発明は、この付加長さを Ｌα＝ａ・ｇ＋ｂ・gp＋ｃ・Pp （２） と、磁極−磁石間のギャップ長さｇ、磁石間ギャップの
長さgp、それに磁極ピッチPpの関数として定め、各々の
バラメータの係数ａ、ｂ、ｃ前記範囲内にしたものであ
る。このように定めた理由は次の通りである。

第１図のような配置の下で磁石20の長さＬを種々に変
化させ、各長さの場合について第２図のような磁場解折
（第２図中、多数の曲線は磁束を表す）を行って、コギ
ングトルク（ここでは、ロータ14の最大推力）がどのよ
うになるかを計算した。その結果、第３図に示す通り、
磁石長さＬに対してコギングトルクの最大値は周期的に
正負に変化（発生方向が逆転）し、コギングトルクの最
大値がゼロとなるときの磁石長さL1、L2は磁極ピッチPp
の整数倍長さよりも少し長くなっている。ここで、（L1
−Pp）あるいは（L2−２・Pp）が付加長さＬαである。

第３図は磁極間ギャップの長さgpと磁極−磁石間ギャ
ップ長さｇを一定の値に固定して計算した結果のグラフ
であるが、それらを変化させて同様の解折を行った結果
得られたグラフが第４図である。第４図においては全て
のパラメータが磁極ピッチPpで除して一般化されている
が、横軸は磁極−磁石間のギャップ長さg/Pp、縦軸は付
加長さＬα/Ppを表し、図中の直線は各磁極間ギャップ
の長さgp/Ppをパラメータとして描かれている。なお、
図の視認性のために磁極間ギャップの長さgp/Ppは２つ
の値の場合のみを掲げた。第４図より、付加長さＬα/P
pは他の２つのパラメータg/Pp、gp/Ppの一次式でほぼ表
されることがわかる。すなわち、 Ｌα/Pp＝ａ・（g/Pp）＋ｂ・（gp/Pp）＋ｃ あるいは、 Ｌα＝ａ・ｇ＋ｂ・gp＋ｃ・Pp となる。多数回の計算を基に、この式の係数ａ、ｂ、ｃ
を求めると、 ａ＝0.5、ｂ＝0.4、ｃ＝−0.05 であることがわかる。更に、それらの係数の値の変動が
コギングトルクの大きさに及ぼす影響を解折した結果、
0.4≦ａ≦0.6、0.3≦ｂ≦0.5、−0.06≦ｃ≦−0.04の範
囲であれば、コギングトルクは最大値（第３図のピーク
高さFm）の20％程度以下に抑えることができ、実用上問
題の無いものとなることが判明した。

［実施例］ 本発明を、第５図に示すような出力700Wの３相交流モ
ータ30に適用した例を次に述べる。本実施例では、外筒
が、その内面に18個の磁極32を配列したステータ34とな
り、内筒が、その外周に６個の磁石36を配列したロ−タ
38となる。ステータ34の磁極32の先端部32bは回転中心
Ｏから半径20mmの距離にあり、その円周上の磁極ピッチ
は Pp＝２×20×π/18＝6.98mm、 磁極間ギャップの長さは gp＝2.0mm、 そして、磁極−磁石間のギャップ長さは ｇ＝0.9mm である。これらの値を前期式（２）に代入すると、 Ｌα＝0.5×0.9＋0.4×2.0−0.05×6.98 ＝0.90 従って、式（１）のｎを２とすると、 Ｌ＝２×6.98＋0.90＝14.8mm となる。

このようにして磁石36の円周方向の長さを定めた交流
モ−タ30の回転は滑らかであり、コギングトルクはほぼ
ゼロとなる。

なお、上記例ではｎ＝１としても、第３図から明らか
なように、コギングトルクはほぼゼロになるが、ｎ＝２
とした方が磁石36間の距離が小さくなり、より大きな出
力トルクが得られる。

［発明の効果］ 交流モータを設計する際に、磁極ピッチ、磁石間ギャ
ップ、磁極−磁石間のギャップの諸元が定まれば、磁極
に対する磁石の長さＬを本発明に従い定めることによ
り、そのモータのコギングトルクをほぼゼロのすること
ができる。これにより、コギングトルクの発生を抑えな
がら磁極−磁石間のギャップを小さくすることができる
ため、高効率のモータが得られる。また、磁石の形状が
単純なものでよいため、加工が容易になるとともに、磁
石の形状変更に伴う出力トルクの低下（モータ効率の低
下）も避けられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁極と磁石の位置関係を示す模式図、第２図は
コンピュータシミュレーション結果である磁束線図、第
３図は磁石の長さＬに対するコギングトルクの変化を示
すグラフ、第４図は磁極−磁石間のギャップ長さｇおよ
び磁石間ギャップ長さgpに対するコギングトルクがゼロ
となる磁石の付加長さＬαの関係を磁極ピッチPpにより
無次元化して示したグラフ、第５図は本発明を実施した
３相交流モータの断面図である。 16、32……磁極、20、36……磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲熊 幸雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大立 泰治 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 荒川 俊史 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−261344（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−58455（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】隣接磁極間に長さgpの空隙を設けて円周上
   に一定のピッチPpで配列された複数の磁極を有するステ
   ータと、その磁極に対向して径方向に長さｇの空隙を設
   けて円周上に配列された多数の永久磁石を有するロータ
   とを備える交流モータにおいて、各永久磁石の円周方向
   の長さＬを、 Ｌ＝ｎ・Pp＋ａ・ｇ＋ｂ・gp＋ｃ・Pp で定め、ここで、ｎを任意の整数に、ａを0.4〜0.6に、
   ｂを0.3〜0.5に、ｃを−0.06〜0.04にすることを特徴と
   する交流モータ。