JP4134583B2

JP4134583B2 - Ｐｍモータ

Info

Publication number: JP4134583B2
Application number: JP2002080023A
Authority: JP
Inventors: 崇生藪見
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2003284272A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＰＭモータに関する。さらに詳しくは、コギングトルクが低減されてなる熱間押出し加工によるラジアル異方性磁石を用いたＰＭモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、永久磁石の性能が飛躍的に向上したことから、永久磁石を用いたモータ、いわゆるＰＭモータが各方面において用いられるようになってきている。図１６にかかるＰＭモータの代表例であるブラシレスＤＣモータを概略図で示す。
【０００３】
図１６に示すブラシレスＤＣモータ１００は、ステータ磁極１０１には集中巻線１０２が施され、ロータ１０３内面には永久磁石１０４が貼付されている。
【０００４】
かかるブラシレスＤＣモータなどのＰＭモータにおいては、ロータに永久磁石が用いられているところから、電機子電流を流さなくても、永久磁石の作る磁束によってロータの変位に対しトルク、いわゆるコギングトルクが発生する。このコギングトルクは、トルクリプルの一種として作用し、回転の質を悪化させている。
【０００５】
音響機器、ＯＡ機器、ＦＡ機器などを駆動するモータやＨＤＤ（ハードディスク駆動装置）などにおいては回転の質の高級化が要求されることから、このコギングトルクを低減することが重要な課題となっている。また、電動パワーステアリング用モータでは油圧式（ＮＰＳ）と同様の性能が要求されることなどから、このコギングトルクを低減することがより一層重要な課題となっている。
【０００６】
このコギングトルクは、磁束分布とスロットとの関係から発生するトルクであるので、永久磁石の着磁に大きく左右される。そのため、従来、スキュー着磁によりコギングトルクを低減させることがなされている。
【０００７】
このスキュー着磁によるコギングトルク低減方法においては、理論的にスキュー角度をスロット角度の半分とすることにより、コギングトルクを最低にできることが知れられている。
【０００８】
しかしながら、熱間押出し加工によるラジアル異方性磁石を用いたＰＭモータにおいては、コギングトルクが最低値となるスキュー角度は、スロット角度の半分ではないという問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、コギングトルクが低減されてなる熱間押出し加工によるラジアル異方性磁石を用いたＰＭモータを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のＰＭモータの第１形態は、スキュー着磁がされたラジアル異方性磁石からなる永久磁石をロータに有するＰＭモータであって、前記永久磁石が、軸方向に分割された第１分割体と第２分割体とからなり、第１分割体の第２分割体に面する端部が、同第１分割体の他端より保磁力が高い高保磁力端とされ、第２分割体の第１分割体に面する端部が、同第２分割体の他端より保磁力が高い高保磁力端とされ、
第１分割体と第２分割体との保磁力が、第１分割体と第２分割体との境を基準に対称とされてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明のＰＭモータの第２形態は、スキュー着磁がされたラジアル異方性磁石からなる永久磁石をロータに有するＰＭモータであって、前記永久磁石が軸方向に分割された第１分割体と第２分割体とからなり、第１分割体の第２分割体に面する端部が、同第１分割体の他端より保磁力が低い低保磁力端とされ、第２分割体の第１分割体に面する端部が、同第２分割体の他端より保磁力が低い低保磁力端とされ、第１分割体と第２分割体との保磁力が、第１分割体と第２分割体との境を基準に対称とされてなることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明は前記の如く構成されているので、圧延方向に依存性を有し長手方向に沿って特性分布を生ずるラジアル異方性磁石を用いてもコギングトルクが実用上問題のない程度にまで低減される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１８】
実施形態１
本発明の実施形態１のコギングトルク低減方法が適用されてなるロータ（インナー・ロータ）を図１に斜視図で示し、図２に概略図で示す。
【００１９】
このロータ１は、図１および図２に示すように、中空軸２に磁極を構成している永久磁石３を外嵌するとともに、その永久磁石３を上部分割体（第１分割体）４と下部分割体（第２分割体）５とから構成してなるものである。永久磁石３をこのように、上部分割体４と下部分割体５とから構成するのは、次のような理由による。なお、以下の説明においては、磁極数を６とし、スロット数を９としている。
【００２０】
熱間押出し加工によるラジアル異方性磁石は、図３に示すように、成形容器６に入れられた磁石素材７をポンチ８により押し出すことにより磁石素材７の成形がなされる。このため、成形された磁石素材７の特性が一様ではなく、圧延方向に依存性を有し長手方向に沿って特性分布を生ずる。そのため、一様な所定磁界による着磁では、出来上がった磁石の保磁力が一様とはならない。例えば、図３に示す例では、保磁力は、上端で最小であり、下に行くにしたがって大きくなり、そして下端で最大となる。
【００２１】
なお、本明細書では、一様な所定磁界により着磁された場合に保磁力が最大となる端部を高保磁力端と称し、その逆に保磁力が最低となる端部を低保磁力端と称することにする。
【００２２】
しかるに、一般的になされているスキュー着磁を用いたコギングトルク低減方法は、コギングトルクの周期性を利用し、その周期に対応させたスキューを磁石にかけることにより、コギングトルクを相殺させてコギングトルクを低減させようとするものである。そのためには、磁石の長手方向の保磁力は一定であることが前提として必要である。
【００２３】
しかしながら、前述したように、熱間押出し加工によるラジアル異方性磁石においては、保磁力は一般的には一様とならない。そのため、スキュー角度をスロット角度の半分、つまり最適スキュー角度理論値に設定してもコギングトルクは最低とはならない。
【００２４】
そこで、この実施形態１では、図２に実線で示すように、ロータ１を構成する磁石３を上部分割体４と下部分割体５とにより構成するとともに、上部分割体４の下端を高保磁力端とし、かつ下部分割体５の上端を高保磁力端としてなるものである（図２の実線参照）。また、上部分割体４および下部分割体５の着磁は同一傾斜のスキュー着磁とされている。
【００２５】
なお、図２中、Ａ点の保磁力は８１０ｋＡ／ｍ、Ｂ点の保磁力は８４５ｋＡ／ｍ、Ｃ点の保磁力は８８０ｋＡ／ｍとされている。
【００２６】
このようにするのは、上から下まで一つの磁石とした場合（図２の２点鎖線参照）と比較し、最適スキュー角度時で比較すると、コギングトルクは半分以下となる。その上、磁石３を半分（分割体）とすることにより、保磁力のバラツキも半分となり、その結果最適スキュー角度ではコギングトルクは１／４以下とすることができるためである。そして、かかる効果は、分割数を増加させることで増大できることが期待される。
【００２７】
また、スキュー着磁における傾斜は、スキュー角度が２０度（スロット角度／２）より所定角度大きくなるようにされている。つまり、スキュー角度θ₁はリニアに分布する保磁力のピーク・トゥ・ピーク値に応じて、下記最適スキュー角算出式（１）により設定される。
【００２８】
θ₁＝２０°＋ｋ₁（ピーク・トゥ・ピーク値）（１）
【００２９】
ここに、ｋ₁はスケールを角度とするための変換定数であって、ステータ形状に依存する。
【００３０】
このように、この実施形態１では、ロータ１を構成している磁石３が分割体４，５とされるとともに、その保磁力分布は、上部分割体４においては上端および下端がそれぞれ低保磁力端および高保磁力端とされる一方、下部分割体５においては上端および下端がそれぞれ高保磁力端および低保磁力端とされ、さらにスキュー着磁が最適スキュー角算出式により算出されたステータ形状および保磁力分布に応じた最適スキュー角度とされているので、圧延方向に依存性を有し長手方向に沿って特性分布を生ずるラジアル異方性磁石を用いてもコギングトルクが実用上問題のない程度にまで低減される。
【００３１】
また、磁石３を分割体４，５としてその保磁力のバラツキを小さくしているので、従来、保磁力のバラツキを小さくするために熱間押出し成形後に破棄されていた部分も利用可能となる。その結果、歩留まりが向上してコストダウンが図られる。
【００３２】
実施形態２
本発明の実施形態２のコギングトルク低減方法は、実施形態１のコギングトルク低減方法を改変してなるものであって、図２に１点鎖線で示すように、上部分割体４の上端を高保磁力端とし、かつ下部分割体５の下端を高保磁力端とし、上部分割体４および下部分割体５の着磁は同一傾斜のスキュー着磁としてなるものである。
【００３３】
このようにするのは、上から下まで一つの磁石とした場合と比較し、最適スキュー角度時で比較すると、コギングトルクは３／４以下となる。その上、磁石３を半分（分割体）とすることにより、保磁力のバラツキも半分となり、その結果最適スキュー角度ではコギングトルクは３／８以下とすることができるためである。なお、この場合は実施形態１と比較してコギングトルクの低減は小さいが、スキュー角度が小さくなるため、着磁が容易となるという利点がある。
【００３４】
また、スキュー着磁における傾斜は、スキュー角度が２０度（スロット角度／２）より所定角度小さくなるようにされている。このスキュー角度θ₂は、リニアに分布する保磁力のピーク・トゥ・ピーク値に応じて、下記最適スキュー角算出式（２）により設定される。
【００３５】
θ₂＝２０°−ｋ₂（ピーク・トゥ・ピーク値）（２）
【００３６】
ここに、ｋ₂はスケールを角度とするための変換定数であって、ステータ形状に依存する。
【００３７】
このように、この実施形態２では、ロータ１を構成している磁石３が分割体４，５とされるとともに、その保磁力分布は、上部分割体４においては上端および下端がそれぞれ高保磁力端および低保磁力端とされる一方、下部分割体５においては上端および下端がそれぞれ低保磁力端および高保磁力端とされ、さらにスキュー着磁が最適スキュー角算出式により算出されたステータ形状および保磁力分布に応じた最適スキュー角度とされているので、実施形態１と同様に、圧延方向に依存性を有し長手方向に沿って特性分布を生ずるラジアル異方性磁石を用いてもコギングトルクが実用上問題のない程度にまで低減される。
【００３８】
また、磁石３を分割体４，５としてその保磁力のバラツキを小さくしているので、実施形態１同様に、従来、保磁力のバラツキを小さくするために熱間押出し成形後に破棄されていた部分も利用可能となる。その結果、歩留まりが向上してコストダウンが図られる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明をより具体的な実施例に基づいてより具体的に説明する。
【００４０】
実施例１および実施例２
図４に実施形態１をより具体化してなる実施例１および実施例２のＰＭモータ（６Ｐ９Ｓモータ）の要部を一部切欠き斜視図で示し、図５にその保磁力分布を示す。
【００４１】
実施例１および実施例２のＰＭモータＭ１は、図４に示すように、ラジアル異方性磁石（材質：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）３Ａが上部分割体４Ａと下部分割体５Ａとから構成されるとともに、上部分割体４Ａと下部分割体５Ａが６極に着磁されてなるものである。その着磁は、外面から内面に向けてＮ極−Ｓ極が形成されたものと、その逆に内面から外面に向けてＮ極−Ｓ極が形成されたものとが交互に配設されるようになされている。また、上部分割体４Ａと下部分割体５Ａとの配置は、上部分割体４Ａの外面にＮ極が形成された部分に、下部分割体５Ａの内面にＮ極が形成された部分が位置するようになされている。なお、図４中、符号１Ａはロータを示す。
【００４２】
実施例１および実施例２の着磁はスキュー着磁における傾斜角度を５度として磁界の強さを一定としてなされ、その保磁力の分布は、図５に示すように、実施例１では８１０ｋＡ／ｍ−８８０ｋＡ／ｍ−８１０ｋＡ／ｍ（実線参照）とされ、実施例２では８２５ｋＡ／ｍ−８６５ｋＡ／ｍ−８２５ｋＡ／ｍ（細線参照）とされている。
【００４３】
また、実施例１および実施例２のステータ９は９極とされ、図４に示すように、磁石曲面に対向して形成されトルク発生部位となるティース部９ａと、閉磁路を形成するネック部９ｂとから構成される。このティース部９ａおよびネック部９ｂの形状がトルクに与える影響は大きい。実施例１および実施例２では、ティース角（回転中心からティース部９ａ両端をのぞむ角）は４０度とされ、ネック角（回転中心からネック部９ｂ両端をのぞむ角）は１６度とされている。したがって、実施例１および実施例２では、前記式（１）における変換定数ｋ₁は、２．７ｘ１０^-5となり、またピーク・トゥ・ピーク値は、実施例１では７０ｋＡ／ｍであり、実施例２では４０ｋＡ／ｍであるので、最適スキュー角度（コギングトルクが最低となるスキュー角度）は、実施例１では２１．９３度となり、実施例２では２１．１０度となる。
【００４４】
図６に、実施例１および実施例２のスキュー角度に対するコギングトルクを実測した結果をグラフで示す。
【００４５】
図６から、実施例１および実施例２ともに前記算出された最適スキュー角度においてコギングトルクが最低となっているのがわかる。
【００４６】
実施例３および実施例４
図７に実施形態２をより具体化してなる実施例３および実施例４のＰＭモータ（６Ｐ９Ｓモータ）の要部を一部切欠き斜視図で示し、図８にその保磁力分布を示す。
【００４７】
実施例３および実施例４のＰＭモータＭ２は、図７に示すように、ラジアル異方性磁石（材質：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）３Ｂが上部分割体４Ｂと下部分割体５Ｂとから構成されるとともに、上部分割体４Ｂと下部分割体５Ｂが６極に着磁されてなるものである。その着磁は、外面から内面に向けてＮ極−Ｓ極が形成されたものと、その逆に内面から外面に向けてＮ極−Ｓ極が形成されたものとが交互に配設されるようになされている。また、上部分割体４Ｂと下部分割体５Ｂとの配置は、上部分割体４Ｂの外面にＮ極が形成された部分に、下部分割体５Ｂの内面にＮ極が形成された部分が位置するようになされている。
【００４８】
実施例３および実施例４の着磁はスキュー着磁における傾斜角度を５度として磁界の強さを一定としてなされ、その保磁力分布は、図８に示すように、実施例３では８８０ｋＡ／ｍ−８１０ｋＡ／ｍ−８８０ｋＡ／ｍとされ、実施例４では８６５ｋＡ／ｍ−８２５ｋＡ／ｍ−８６５ｋＡ／ｍとされている。
【００４９】
実施例３および実施例４のステータ９は９極とされその形状は、図７に示すように、磁石曲面に対向して形成されトルク発生部位となるティース部９ａと、閉磁路を形成するネック部９ｂとから構成される。このティース部９ａおよびネック部９ｂの形状がトルクに与える影響は大きい。実施例３および実施例４では、ティース角（回転中心からティース部９ａ両端をのぞむ角）は４０度とされ、ネック角（回転中心からネック部９ｂ両端をのぞむ角）は１６度とされている。したがって、前記式（２）における変換定数ｋ₂は、２．８４ｘ１０^-5となり、またピーク・トゥ・ピーク値は実施例３では７０ｋＡ／ｍであり、実施例４では４０Ａ／ｍであるので、最適スキュー角度は、実施例３では１８．０８度となり、実施例４では１８．８６度となる。
【００５０】
図９に、実施例３および実施例４のスキュー角度に対するコギングトルクを実測した結果をグラフで示す。
【００５１】
図９から、実施例３および実施例４のそれぞれにおいて、前記算出された最適スキュー角度でコギングトルクが最低となっているのがわかる。
【００５２】
比較例１および参考例１
図１０に比較例１および参考例１のＰＭモータ（６Ｐ９Ｓモータ）の要部を一部切欠き斜視図で示し、図１１にその保磁力分布を示す。
【００５３】
比較例１のＰＭモータＭ’１および参考例１のＰＭモータＭ’２は、図１０に示すように、ラジアル異方性磁石（材質：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）３’Ａ，３’Ｂが一体的に構成されるとともに、その磁石３’Ａ，３’Ｂが６極に着磁されてなるものである。その着磁は、外面から内面に向けてＮ極−Ｓ極が形成されたものと、その逆に内面から外面に向けてＮ極−Ｓ極が形成されたものとが交互に配設されるようになされている。
【００５４】
比較例１および参考例１の着磁はスキュー着磁において、その保磁力分布は、図１１に示すように、比較例１では８１０ｋＡ／ｍ−８８０ｋＡ／ｍとされ、参考例１では８４５ｋＡ／ｍ一定とされている。
【００５５】
比較例１のステータの形状は、図１０に示すように、磁石曲面に対向して形成されトルク発生部位となるティース部９ａと、閉磁路を形成するネック部９ｂとから構成される。このティース部９ａおよびネック部９ｂの形状がトルクに与える影響は大きい。実施例１および実施例２では、ティース角（回転中心からティース部９ａ両端をのぞむ角）は４０度とされ、ネック角（回転中心からネック部９ｂ両端をのぞむ角）は１６度とされているので、変換定数ｋ₃は、ｋ₁とｋ₂との代数和となり、つまり
ｋ₃＝ｋ₁＋ｋ₂
＝２．７０ｘ１０^-5−２．８４ｘ１０^-5
＝−１．４ｘ１０^-6
となり、またピーク・トゥ・ピーク値は７０ｋＡ／ｍであるので、最適スキュー角度は、前記式（１）より１９．０２度となる。
【００５６】
一方、参考例１においては、前記式（１）における変換定数ｋは、０となり、またピーク・トゥ・ピーク値は０であるので、最適スキュー角度は、２０度となる。
【００５７】
図１２に、比較例１のスキュー角度に対するコギングトルクを実測した結果をグラフで示し、また参考例１のスキュー角度に対するコギングトルクを磁場解析により解析した結果をグラフで併せて示す。
【００５８】
図１２から、比較例１および参考例１において前記算出された最適スキュー角度においてコギングトルクが最低となっているのがわかる。
【００５９】
参考例２
参考例２のＰＭモータＭ’３は、図１３に示すように、等方性と仮定された磁石が上部分割体４’Ｃと下部分割体５’Ｃとから構成されるとともに、上部分割体４’Ｃと下部分割体５’Ｃが６極に着磁されてなるものである。その着磁は、外面から内面に向けてＮ極−Ｓ極が形成されたものと、その逆に内面から外面に向けてＮ極−Ｓ極が形成されたものとが交互に配設されるようになされている。また、上部分割体４’Ｃと下部分割体５’Ｃとの配置は、上部分割体４’Ｃの外面にＮ極が形成された部分に、下部分割体５’Ｃの内面にＮ極が形成された部分が位置するようになされている。
【００６０】
参考例２の着磁はスキュー着磁における傾斜角度を５度として磁界の強さを一定としてなされ、その保磁力分布は、図１４に示すように、８４５ｋＡ／ｍ一定とされている。
【００６１】
図１５に、参考例２のスキュー角度に対するコギングトルクを磁場解析により解析した結果をグラフで示す。
【００６２】
図１５から、２０度の最適スキュー角度においてコギングトルクが最低となっているのがわかる。
【００６３】
また、図６、図９、図１２および図１５から実施例１〜実施例４の最適スキュー角度におけるコギングトルクが比較例１より小さく、参考例２の最適スキュー角度におけるコギングトルクに近くなっているのがわかる。つまり、実施例１〜実施例４の最適スキュー角度におけるコギングトルクが実用上問題のない程度にまで低減されているのがわかる。
【００６４】
以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態ではロータは垂直方向に位置させられているが、水平方向に位置させられてもよい。また、実施形態では分割数は２とされているが、４以上の偶数とされてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、圧延方向に依存性を有し長手方向に沿って特性分布を生ずるラジアル異方性磁石を用いてもコギングトルクが実用上問題のない程度にまで低減されるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のコギングトルク低減方法が適用されてなるロータの斜視図である。
【図２】同ロータの着磁方法の説明図である。
【図３】ラジアル異方性磁石の磁石素材の成形要領を示す説明図である。
【図４】実施例１および実施例２のＰＭモータの要部を一部切り欠いて示す斜視図である。
【図５】実施例１および実施例２のＰＭモータのロータの着磁方法の説明図である。
【図６】実施例１および実施例２のＰＭモータのスキュー角度とコギングトルクとの関係を示すグラフである。
【図７】実施例３および実施例４のＰＭモータの要部を一部切り欠いて示す斜視図である。
【図８】実施例３および実施例４のＰＭモータのロータの着磁方法の説明図である。
【図９】実施例３および実施例４のＰＭモータのスキュー角度とコギングトルクとの関係を示すグラフである。
【図１０】比較例１および参考例１のＰＭモータの要部を一部切り欠いて示す斜視図である。
【図１１】比較例１および参考例１のＰＭモータのロータの着磁方法の説明図である。
【図１２】比較例１および参考例１のＰＭモータのスキュー角度とコギングトルクとの関係を示すグラフである。
【図１３】参考例２のＰＭモータの要部を一部切り欠いて示す斜視図である。
【図１４】参考例２のＰＭモータのロータの着磁方法の説明図である。
【図１５】参考例２のＰＭモータのスキュー角度とコギングトルクとの関係を示すグラフである。
【図１６】ブラシレスＤＣモータの概略図である。
【符号の説明】
１ロータ
２中空軸
３永久磁石、磁石
４上部分割体
５下部分割体

Claims

スキュー着磁がされたラジアル異方性磁石からなる永久磁石をロータに有するＰＭモータであって、
前記永久磁石が、軸方向に分割された第１分割体と第２分割体とからなり、
第１分割体の第２分割体に面する端部が、同第１分割体の他端より保磁力が高い高保磁力端とされ、第２分割体の第１分割体に面する端部が、同第２分割体の他端より保磁力が高い高保磁力端とされ、
第１分割体と第２分割体との保磁力が、第１分割体と第２分割体との境を基準に対称とされてなる
ことを特徴とするＰＭモータ。
スキュー着磁がされたラジアル異方性磁石からなる永久磁石をロータに有するＰＭモータであって、
前記永久磁石が、軸方向に分割された第１分割体と第２分割体とからなり、
第１分割体の第２分割体に面する端部が、同第１分割体の他端より保磁力が低い低保磁力端とされ、第２分割体の第１分割体に面する端部が、同第２分割体の他端より保磁力が低い低保磁力端とされ、
第１分割体と第２分割体との保磁力が、第１分割体と第２分割体との境を基準に対称とされてなる
ことを特徴とするＰＭモータ。