115 – SPMモータの偏心解析

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概要

モータは複数の部品から構成されており、それらを組み立てることで、製品となっています。各部品は加工誤差の範囲内で作られていますが、誤差のある部品同士を組立てることで誤差は積みあがります。特にロータとステータの円筒軸に偏心(ずれ、振れ)が生じると、磁束密度分布や電磁力がアンバランスとなり、振動や騒音の原因になります。誤差の無い部品を製造し、組立てるのが理想ではありますが、現実には誤差を減らすためには精密な機械加工が必要となり製造コストが大幅に上昇してしまいます。したがって、設計段階において、各部品の公差範囲の設定と性能のトレードオフについて検討する必要があります。
これらを設計段階で検討するためには、部品の加工誤差に感度を持つ精度の高い評価を行う必要があり、有限要素法を用いた電磁界解析が有効になります。
ここでは、偏心の有無によるSPMモータのコギングトルク波形およびステータに働く電磁力への影響を評価します。

トルク波形/磁束密度分布

偏心なし、ありの場合におけるトルク波形を図1、最もロータの位置が異なる回転角度180(deg)における磁束密度分布を図2に示します。図1より、偏心させることによって1回転1周期のトクル変動が生じていることがわかります。図2より、偏心方向のステータコアにおいて、磁束密度が高くなっていることがわかります。このように、偏心によって磁束密度分布に生じた差異が、トルク波形に影響します。

ステータに働く電磁力

ステータに働く電磁力の偏心方向成分を図3、偏心直角方向成分を図4に示します。図より、各成分とも偏心によって1回転1周期の電磁力波形を持つことがわかります。各部に働く電磁力の周波数成分がモータの固有モード付近に存在する場合、電磁共振現象により振動および騒音の原因となります。

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