JP2002010597A

JP2002010597A - モータ

Info

Publication number: JP2002010597A
Application number: JP2000181964A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Iwasaki; 新一郎岩崎; Akinori Hoshino; 彰教星野; Takeshi Ikeyama; 健池山
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2002-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】突極同士の重なり角度を増大させて磁極の利
用率を向上させ、従来のＳＲモータの課題を解決する。【解決手段】ステータ１０にはその外周面に沿ってス
ロットＳＲ１〜ＳＲ１２が形成され、各スロットにはコ
イルＡａとＡｂ、ＢａとＢｂ，ＣａとＣｂが巻回され、
各スロットの間には磁極Ｓ１〜Ｓ１２が形成される。ロ
ータ２０の回転体２１の内周面には磁気的に絶縁された
磁性体ピースＪ１〜Ｊ８が配列され、各磁性体はステー
タの隣接する２つの磁極に対向したとき、２つの磁極を
磁気的に結合し、２つの磁極と磁性体との間でコイルか
ら閉ループによる磁束を生じさせてトルクを発生させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はモータに関し、た
とえば電気自動車などに用いられるスイッチトレラクタ
ンス型モータ（以下、ＳＲモータと称する）に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２１は従来のＳＲモータのステータと
ロータを示す図である。ＳＲモータは円筒状のステータ
１と、ステータ１内の空間で同軸的に回転する円柱状の
ロータ２とを含み、ロータ２はシャフト３に取付けられ
ている。このＳＲモータは３相であり、ステータ６極、
ロータ４極で構成されており、ステータ１とロータ２は
ともに磁性体で形成され、軸方向に積重ねた珪素鋼板よ
りなっている。

【０００３】ステータ１には、その内周の互いに６０°
ずつずれた位置に内側に向かって突出する６つの突極
（極部）Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓｅ，Ｓｆが形成さ
れており、各磁極Ｓａ〜Ｓｆには、励磁用のコイルＬａ
〜Ｌｆが巻回されていて、各コイルＬａ〜Ｌｆの接続お
よび電流の流れる方向は図２１に示すとおりである。

【０００４】一方、ロータ２には、外周の互いに９０°
ずつずれた位置に、外側に向かって突出した４つの突極
（極部）Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが形成されている。

【０００５】図２２は図２１に示したＳＲモータの基本
的な構造と巻線を含めた動作原理を示す図である。図２
２において、ロータ２の位置に対応してコイルＩ，Ｉ
Ｉ，ＩＩＩに順次電流を流すことで、向かい合うステー
タ１の突極とロータ２の突極との間で磁束が発生し、順
次ロータ２の突極がステータ１の突極に吸引され、ロー
タ２が回転してトルクを発生する。

【０００６】ロータ２の位置は、ロータ２に取付けた位
置センサ（図示せず）で検出され、コイルＩ，ＩＩ，Ｉ
ＩＩに順次電流を流す状態→状態→状態→状態
→…を１ステップと称する。この動作原理は本願発明に
おいても適用される。

【０００７】図２３は図２１に示したＳＲモータを駆動
する駆動回路を示す回路図である。図２３において、各
コイルＩ−Ｉ′，ＩＩ−ＩＩ′，ＩＩＩ−ＩＩＩ′のそ
れぞれに対応して駆動回路が接続されている。すなわ
ち、各コイルの一端にダイオードＤ１のアノードとスイ
ッチング素子Ｓ１のコレクタが接続されており、他端側
にスイッチング素子Ｓ２のエミッタとダイオードＤ２の
カソードが接続されている。スイッチング素子Ｓ２のコ
レクタとダイオードＤ１のカソードは電源Ｐの＋側に接
続され、スイッチング素子Ｓ１のエミッタとダイオード
Ｄ２のアノードは電源Ｐの−側に接続されている。

【０００８】スイッチング素子Ｓ２とＳ１が導通する
と、電源Ｐの＋側からスイッチング素子Ｓ２、コイルＩ
−Ｉ´そしてスイッチング素子Ｓ１と電源Ｐの−側に電
流が流れる。

【０００９】図２４はコイルのインダクタンスとコイル
に供給する電流およびモータの発生トルクを１相分につ
いて示した図である。図２４から明らかなように、θｕ
で示すアンアライン位置にあるステータ１のある突極と
ロータ２のある突極が、ロータ２の回転に伴って互いに
近づくにつれてコイルのインダクタンスが最小値から徐
々に増加していく。このロータの回転と平行してコイル
にａ，ｂ，ｃ及びｄと変化する電流を流すことでモータ
としてのトルクが発生する。そして、ステータ１の突極
とロータ２の突極が正対した位置、すなわちアライン位
置でインダクタンスが最大となる。コイルのインダクタ
ンス値はアライン位置周辺ではほぼフラットになる。イ
ンダクタンスが最大になった後、ロータ２の回転に伴っ
て、ロータ２の突極がステータ１の突極から離れるに従
ってインダクタンスが減少し、ステータ１の突極がロー
タ２の突極から最も離れた位置でインダクタンスが最小
値を示す。これもアンアラインの位置となる。

【００１０】図２５はＳＲモータの磁化曲線を示し、横
軸はコイルに流す電流を示し、縦軸はコイルに鎖交する
鎖交磁束を示す。図２５において、ロータ２の突極がス
テータ１の突極から最も離れたときにインダクタンスの
値は低くなり、ロータ２の突極がステータ１の突極に近
づくにしたがってインダクタンスが上昇し、インダクタ
ンスが最大になった後、鉄材の磁気飽和により頭打ちに
なり、特性はほぼ平坦に近くなる。

【００１１】アライン角度θ_Aでのコイルの鎖交磁束と
アンアライン角度θ_Uでの鎖交磁束と電流ラインＩ_mに囲
まれた面積が磁気エネルギであり、この磁気エネルギを
Ｗとし、アンアライン位置からアライン位置までの１ス
テップ分の角度をθ₀（θｕ〜θ_Aまでの変化角度）とす
れば、平均トルクＴ_AはＷ／θ₀で表わされる。そこで、
この平均トルクＴ_Aを増大させるためには、磁気エネル
ギＷを増大するか角度θ₀を減少させればよい。後者に
ついて、角度θ₀を減少させるためには、突極の数を増
大させ、たとえばステータ１２，ロータ８あるいはステ
ータ１８，ロータ１２の組合せのようにすればよいが、
一般的には角度θ₀を減少させると、磁気エネルギＷも
比例して減少するため、平均トルクＴ_Aの増大にはつな
がらない。従って、本質的には１ステップあたりの磁気
エネルギＷそのものの増大が必須となる。

【００１２】磁気エネルギＷを増大させる具体的手段と
して、磁化カーブ上の（１）非飽和アラインインダクタンスの増大（２）最大鎖交磁束の増大（３）アンアラインインダクタンスの減少（４）変曲点鎖交磁束の増大を実施する必要がある。
これらの特性は以下の基本式を用いて算定される。

【００１３】（１）非飽和時アラインインダクタンス
Ｌ_a Ｌ_a＝μ₀×Ｓ₁×Ｎ²×Ａ／Ｌ_G ここで、μ₀：真空の透磁率Ｓ₁：ステータとロータのオーバーラップ面積Ｎ：巻数Ａ：極数Ｌ_G：ロータ，ステータ間のエアギャップ長さ（２）最大鎖交磁束Ｐ_m Ｐ_m＝Ｓ₂×Ｂ_m×Ｎ×Ａここで、Ｓ₂：磁路中における最小の磁路断面積Ｂ_m：最大磁束密度Ｎ：巻数Ａ：極数（３）アンアラインインダクタンスＬ_U Ｌ_U＝ｋ×Ｎ²×Ｃここで、ｋ：スロット当たりの漏れインダクタンス定数Ｎ：巻数Ｃ：スロット数（４）変曲点鎖交磁束Ｐ_S Ｐ_S＝Ｂ_S×Ｌ_G／（μ₀×Ｎ）ここで、Ｂ_S：飽和磁束密度各パラメータを最適化することは、設計時点の必須条件
であり、例えばコイルの巻数Ｎを増大させることが考え
られる。巻数Ｎを増大させると、上記の算定式から明ら
かなように非飽和時アラインインダクタンスＬ_aおよび
最大鎖交磁束Ｐ_mが増大して磁気エネルギＷの増大に寄
与する。しかし、算定式から明らかなように減少すべき
アンアラインインダクタンスＬ_Uが増大し、増大すべき
変曲点鎖交磁束Ｐ_Sが減少してしまう。ため、特にアン
アラインインダクタンスＬ_Uの増大はモータの高速回転
時（最高駆動周波数時）で電流の立上がりを阻害し、高
速回転時の発生トルクが抑えられてしまうという根本的
に大きな問題がある。

【００１４】また、コイルの抵抗値はコイルスペースが
同一である限り、巻数の２乗に比例して増大するため、
コイルの電力損失（銅損）の大きなモータとなってしま
う。このようにコイルの巻数Ｎを増大させることはモー
タ低速回転時の発生トルクの増大に貢献できるものの結
果的に高速性能および効率を劣化させることになる。

【００１５】一方、非飽和時アンアラインインダクタン
スＬ_aおよび最大鎖交磁束Ｐ_mを増大させる重要かつ本質
的な手段として、ステータ１とロータ２のオーバーラッ
プ面積Ｓ₁および磁路中の最小の磁路断面積Ｓ₂を増大さ
せる方法がある。さらに、アンアライン時のインダクタ
ンスＬ_Uを低減する手段として、アンアライン時の磁束
の漏れを低減（ｋを低減）するように、磁極の対向距離
（ステータ極間，ロータ極間，ステータ極・ロータ極
間）を長くとる方法がある。しかしながら、従来のモー
タでは、以下に述べるように構造の上で大きな制約があ
り、発生トルクが大きく、銅損が小さく、高速回転時の
発生トルクを確保できるモータを望むならば、モータが
大型化することを覚悟しなければならない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図２６はステータ極角
度とロータ極角度を示し、図２７はステータ極角度とロ
ータ極角度との関係を示す図である。これらの図２６お
よび図２７は、参考文献としてのSwitched Reluctance
Motors and their Control（T.J.E.Miller. MAGNA PHYS
ICS PUBLISHING）に掲載されているものである。この文
献には、図２７の三角形ＡＢＣで表わされる領域の角度
内でそれぞれロータ極角度とステータ極角度を設定する
のがよいとされているが、発生トルク，出力，効率，ト
ルクリップルを総合的に考慮すると、一般的にはロータ
角度とステータ角度が３０°〜３６°の値が実用範囲と
なる。つまり、従来のＳＲモータでは、１ストロークあ
たりのステータ・ロータのオーバーラップ（重なり）角
度の１回転（３６０°）あたりの割合は８．３３〜１０
％ということになる。

【００１７】この割合が従来構成のＳＲモータの性能を
制限している要因であると言える。これは、ステータ１
とロータ２の極数を増大させても重なり角度の割合は変
化するものではないので解決策とはならない。逆に、不
用意にステータ１とロータ２の数を増大させると、アン
アライン時の磁極の距離が短くなり、漏れ磁束が増大す
るとともに、巻線の入るスロット数が増加し、アンアラ
インインダクタンスを増加させる原因となリ、結果的に
トルクを増大させるにも限界がある。

【００１８】さらに、各相の突極はその相が駆動されて
いるときにはインダクタンスの発生に寄与しているが、
他の相が駆動されているときは遊んでいる状態にある。

【００１９】それゆえに、この発明の主たる目的は、ト
ルクを発生するための突極と突極との重なり角度を増大
させて磁極の利用率を向上させ、従来のＳＲモータの課
題を根本的に解決し得るモータを提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明は、それぞれの
一方がステータとなり、他方がロータとなる第１および
第２の部材構造を含み、複数相のコイルを順次切換えて
駆動することによりロータを回転させるモータにおい
て、第１および第２の部材構造の一方は、他方の部材構
造に対向する周面に沿って軸方向に延在し、コイルが巻
回される複数のスロットと、隣接するスロットの間に形
成される複数の磁極を含み、第１および第２の部材構造
の他方は、一方の部材構造に対向する周面に沿ってそれ
ぞれが周方向に磁気的に独立して配置される複数の磁性
体構造を備え、磁性体構造は、隣接する２つの磁極に対
向したとき、その２つの磁極を磁気的に結合し、コイル
に通電したとき２つの磁極と磁性体構造との間に生じる
磁気閉路の磁束によってトルクを発生させることを特徴
とする。

【００２１】他の発明は、第１の部材構造、および第１
の部材構造と対向する第２の部材構造を含み、第１およ
び第２の部材構造の一方は固定され、他方は移動可能に
設けられ、第１の部材構造の第２の部材構造との対向面
と第２の部材構造の第１の部材構造との対向面の一方に
は、少なくとも一つのスロットが形成されていて、スロ
ットの両側の部材は磁極を構成し、スロットにはコイル
が設けられていて、コイルに通電することによってスロ
ットの両側に位置する磁極間に磁束を発生し、第１の部
材構造の第１の部材構造との対向面と第２の部材構造の
第１の部材構造との対向面の他方には、少なくとも一つ
の磁性体構造が設けられ、磁性体構造はスロットに近接
したときはスロットの両側の磁極と磁気的に結合して、
磁極間に発生する磁束を透過させる磁気閉路を構成し、
磁気閉路の磁束の変化によって磁性体構造に対しての変
位力を与え、第１および第２の部材構造の一方を他方に
対して相対的に移動させる力を生じることを特徴とす
る。

【００２２】この発明では、磁性体を隣接する相とは磁
気的に絶縁し、磁性体と対向する磁極を磁気的に短絡さ
せるので、相間の干渉を受けることなくトルクを連続的
に発生できる。

【００２３】また、第１の部材構造はあらかじめ定める
円周状の外径を有し、第２の部材構造は外径よりも大き
い内径の円筒状空間を有すると共に外径との間にギャッ
プを有し、各コイルはＮ相にグループ化され、各グルー
プごとに順次通電される。

【００２４】各相のコイルは、周方向複数個おきのスロ
ット間に軸方向に巻回され、それぞれのコイルの端部同
士が交差していることにより、中心から見て所定の角度
ごとに磁束を発生させることができる。

【００２５】各磁極は太い極と細い極とが周方向に交互
に形成されていて、各コイルは太い極の両側に隣接する
スロット間に軸方向に巻回されることにより、各相のコ
イル間の交差をなくしてコイル端部の長さを短縮でき、
モータの軸方向長さが制限された用途に適したモータを
実現できる。

【００２６】磁性体構造は、対向する磁極とは反対側の
周面が山形形状に形成されることにより、磁気通路断面
積を確保しつつ隣接する磁性体間の磁気漏れを最小にす
ることができる。

【００２７】磁性体構造は、磁極と対向する周面側に軸
方向に延在する溝が形成されることにより、インダクタ
ンスの回転角に対する変化をスムースにし、トルクリッ
プルを低減する。

【００２８】磁性体構造は、磁極と対向したときその周
方向幅が該磁極の幅よりも広いことにより鎖交磁束数を
増加させる。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態のＳ
Ｒ（ＳｗｉｔｃｈｅｄＲｅｌｕｃｔａｎｃｅ）モータ
の基本的な構成であるロータとステータとコイルを示す
径方向の断面図である。

【００３０】この図１に示した実施形態は、ロータ２０
がステータ１０のまわりを回転するアウターロータ型で
構成されているが、ロータが内側を回転するインナーロ
ータ型でもこの発明を適用できる。そのような例は、後
述の図１９および図２０で説明する。なお、ステータ１
０とロータ２０はいずれか一方が第１の部材構造を構成
し、他方が第２の部材構造を構成している。

【００３１】ステータ１０は予め定める外径を有する円
柱状の磁性体から形成されていて、その外周に沿って周
方向に第１の数として１２個の磁極Ｓ１〜Ｓ１２と１２
個のスロットＳＲ１〜ＳＲ１２がそれぞれ等間隔に、あ
るいは図示しないが不等間隔に交互に形成されている。
各スロットＳＲ１〜ＳＲ１２は断面が楔状で、ステータ
１０の軸方向に延在していて、各磁極Ｓ１〜Ｓ１２はス
テータ１０の外周面に向けて先端部が広がった形状に形
成される。なお、スロットＳＲ１〜ＳＲ１２はステータ
１０内で軸方向にねじれていてもよい。

【００３２】コイルＡａ，Ａｂ，Ｂａ，Ｂｂ，Ｃａ，Ｃ
ｂはスロットＳＲ１〜ＳＲ１２内で軸方向に、図１に示
すようにスロットを２個飛ばした状態で巻回される。Ｓ
Ｒモータは３相制御されるもので、１相あたり２個のコ
イルＡａとＡｂ，ＢａとＢｂ，ＣａとＣｂとで構成さ
れ、２個のコイルはそれぞれ直列または並列に接続され
る。図１において、×，・はコイルＡａ〜Ｃｂの巻線の
極性、すなわち電流が流れたときの極性を示している。
×は手前から紙面に向かって流れる電流を表わし、・は
紙面から手前に向かって流れる電流を示す。なお、図１
において、すべての巻線に電流が流れているのを示すも
のではない。

【００３３】ロータ２０はステータ１０の外形よりもあ
るギャップ分だけ大きな内径を有する円筒状に形成され
ており、ステータ１０の外周に沿って同軸的に回転す
る。ロータ２０は図１においてはリング状の断面を有す
る回転体２１として示されている。回転体２１の内周面
には第２の数として８個の磁性体ピースＪ１〜Ｊ８がリ
ング状にそれぞれ等間隔に、あるいは図示しないが不等
間隔に機械的に固定されている。回転体２１は非磁性体
または弱磁性体によって形成されており、磁性体ピース
Ｊ１〜Ｊ８間の周方向の磁気的な遮断を行なう。したが
って、各磁性体ピースＪ１〜Ｊ８は周方向で磁気的に独
立しており、周方向に隣接する磁性体とは実質的に磁路
が形成されることはないか磁路が形成されにくくなって
いる。

【００３４】各磁性体ピースＪ１〜Ｊ８はそれぞれの内
面が回転体２１の内周面からわずかに突出し、適度なギ
ャップを有してステータ１０の各磁極Ｓ１〜Ｓ１２と対
向し、機械的に安定しかつ磁気回路的に低い磁気抵抗で
ステータ１０とロータ２０とを磁気的に結合させるよう
に構成されている。なお、各磁性体ピースＪ１〜Ｊ８の
内面側の幅は、各磁極Ｓ１〜Ｓ１２のそれぞれの幅より
も例えば広く形成されている。但し、広くなくても良
い。

【００３５】図２〜図４は図１に示したＳＲモータのス
テップごとの動作を説明するための図である。まず、図
２において、ステータ１０とロータ２０の位置関係で電
流が第１相のコイルＡａ，Ａｂに図示するように流れる
と、コイルＡａ，Ａｂが２スロット飛びに巻回されてい
るため、中心から見て９０度の角度ごとにコイルＡａを
収容するスロットＳＲ１，ＳＲ４と、コイルＡｂを収容
するスロットＳＲ７，ＳＲ１０の周りに磁束が発生す
る。この磁束は隣り合う磁極Ｓ１，Ｓ２（Ｓ４，Ｓ５／
Ｓ７，Ｓ８／Ｓ１０，Ｓ１１）と磁性体ピースＪ２（Ｊ
４／Ｊ６／Ｊ８）との間でスロットＳＲ１（ＳＲ４／Ｓ
Ｒ７／ＳＲ１０）を囲むような閉ループの磁路を流れ
る。そして、磁極の組合せＳ１とＳ２、Ｓ４とＳ５、Ｓ
７とＳ８、Ｓ９とＳ１０とロータ２０の磁性体ピースＪ
１、Ｊ４、Ｊ６、Ｊ８との間を流れる磁束が増大する方
向に、つまり、コイルに結合する磁束が最大値（コイル
のインダクタンスが最大値）となる方向に回転トルクが
発生する。図２〜図４ではトルクの方向を矢印で示す。
これを前述の図２５で示すと、コイルのインダクタンス
はＬｕからＬ_Aに向かって変化する方向を表わす。

【００３６】図３は図２よりさらに歩進した状態を表わ
しており、第２相のコイルＢａ，Ｂｂに電流が流れ始め
ようとしているが、このときのコイルＢａ，Ｂｂのイン
ダクタンスはロータ２０の磁性体ピースによる磁気抵抗
がコイルＢａ，Ｂｂに対して最小値をとる。すなわち、
第２相は、図２５でアンアラインθ_Uの位置にあり、イ
ンダクタンスＬ_Uをとる。

【００３７】図４はさらに歩進して、ステータ１０の磁
極の組合せＳ１とＳ２、Ｓ４とＳ５、Ｓ７とＳ８、Ｓ１
０とＳ１１およびロータの磁性体ピースＪ２、Ｊ４、Ｊ
６、Ｊ８における磁束が最大値をとり、第１相のコイル
Ａａ，Ａｂは図２５においてアライン位置θ_Aにあり、
インダクタンスは最大値Ｌ_Aをとる。この状態において
は、第２相のコイルＢａ，Ｂｂのインダクタンスが増加
途中にあり、図４の矢印方向に示すトルクを第１相に引
続いて発生している。このとき第１相による発生トルク
は０になっている。第１相コイルＡａ，Ａｂについてア
ライン位置θ_Aを過ぎた後は、第１相コイルＡａ，Ａｂ
に供給する電流を遮断してロータ２０の回転方向とは逆
向きのトルクの発生を防止する。同様に、第２相→第３
相とステップが進むことで回転トルクが継続して発生
し、第１相に戻って同様に繰り返すことで連続トルクが
発生する。

【００３８】以上の動作説明から明らかなように、各ス
ロットに巻回されたコイルの周りに発生する磁束は、そ
れぞれ磁気的に他とは周方向に絶縁された磁性体ピース
と向かい合う磁極との間で閉回路を形成するように流
れ、次の相に相当する隣のスロットに巻回されたコイル
に通電することで発生する磁束は、磁気的に前の相とは
絶縁されているため、相間の干渉を受けることなくトル
クを連続的に効率よく発生できる。

【００３９】すなわち、この発明の一実施形態において
は、磁束をステータ１０の一つの磁性体ピースと、これ
と向かい合うロータ２０の一つのスロットの両側の磁極
の間で流すことができるために、ロータ２０の周上にお
いて従来よりも多くの個所で磁極と磁性体ピースを用い
ることができるためや、ステータ１０の磁極Ｓ１〜Ｓ１
２は他相と共用するため、図２〜図５から理解できるよ
うに、アライン時のステータ１０とロータ２０のオーバ
ーラップ面積、および最大鎖交磁束を決定する断面積と
もに従来のＳＲモータに対して、およそ２倍とれること
が理解される。さらに言えば、ロータ２０の磁性体ピー
スＪ１〜Ｊ８が周方向で磁気的に絶縁されているので、
アンアライン時の磁気漏れが抑えられ、アンアライン時
のインダクタンスが低くなるという利点も併せ持つもの
である。

【００４０】これによって、図２５に示す磁化エネルギ
Ｗを大きくとることが可能となる。すなわち、コイルの
巻数を増大することなく、大きなトルクを確保できると
同時に、アンアライン時のインダクタンスを低く抑える
ことができ、低速のみならず高速でのトルクを高く確保
できるとともに、高い効率を確保できる。

【００４１】図５は図１に示した実施形態の変形例であ
り、ステータ１０の磁極数を１８，ロータの極数を１２
個としたものであり、図１に比べてコイル長を低く抑え
ることができるという利点がある。

【００４２】なお、図１に示した実施形態のＳＲモータ
はステータ１０のコイルとロータ２０の磁性体ピースの
数の比率が１２：８、図５では１８：１２と３：２の比
率に設定されているが、これは発生トルク、出力、効
率、トルクリップルなどを総合的に考慮して決められる
ものであり、この比率に限定されるものではない。

【００４３】また、図１および図５に示した実施形態に
おいて、ロータ２０はアウターロータで構成したが、ア
ウターロータではロータの一方面側だけがシャフトで支
持される、いわゆる片持ちになるために、ロータを大幅
に長くすることができないが、モータ全体として小型化
できかつトルクを取り出しやすいという特徴がある。

【００４４】さらに、図１および図５に示した実施形態
では、ステータ１０に突極とスロットとコイルを設け、
ロータ２０に磁性体ピースを取り付けたが、逆にステー
タ１０に磁性体ピースを取り付け、ロータ２０に突極と
スロットとコイルとを設け、ロータ２０のコイルへの電
流供給はブラシを介して行うようにしてもよい。

【００４５】図６はこの発明の第２の実施形態のＳＲモ
ータの径方向断面図であり、図７は図６の要部を拡大し
て示す図である。図６において、この実施形態は、図５
に示したロータ２２の磁性体ピースからの磁気漏れを少
なくするために、磁性体ピースＪ１１〜Ｊ２２のロータ
２０について外周面側の形状が山形形状に、すなわちロ
ータ２０の内周面側から外周面側に向かうにつれて磁性
体ピースＪ１１〜Ｊ２２の断面積を狭めていくように形
成される。さらに、磁性体ピースＪ１１〜Ｊ２２の内周
面側には、ステータ１０の各極Ｓ１〜Ｓ１８に対向する
面に、軸方向に延びる溝２３が形成される。このように
溝２３を形成することによって、インダクタンスの回転
角度に対する変化をスムースにし、トルクリップルを低
減できる。その理由について、図８〜図１１を参照して
説明する。

【００４６】図８は磁性体ピースに溝が形成されていな
い場合のロータの動きを示し、図９は磁性体ピースに溝
が形成されている場合のロータの動きを示す。図１０は
回転角度に対する磁性体ピースの内周面とステータの磁
極の外周面とのオーバーラップする面積の変化を示し、
図１１は回転角度に対する鎖交磁束の変化を示し、図１
２は回転角度に対する発生トルクの変化を示す。

【００４７】図８および図９において、磁性体ピースＪ
１１と磁極Ｓ１とがオーバーラップする面積をＳ_Aと
し、磁性体ピースＪ１１と磁極Ｓ２とがオーバーラップ
する面積をＳ_Bとする。磁性体ピースＪ１１に溝２３が
形成されていない場合は、図８（ａ）に示す状態から矢
印方向にロータ２２が回転し、図８（ｂ），（ｃ），
（ｄ）に示すように歩進するに従って、図１０に示すよ
うに面積Ｓ_Aは回転角度に比例して増加するが、面積Ｓ_B
は図８（ａ）と（ｂ）では同じになるが、図８（ｃ），
（ｄ）に歩進するに従って減少する。

【００４８】これに対して、磁性体ピースＪ１１に溝２
３を形成した場合、図９（ａ），（ｂ），（ｃ），
（ｄ）に示すようにロータ２２が回転していくと、面積
Ｓ_Aは図８と同様にして増加するが、面積Ｓ_Bは一定にな
る。

【００４９】すなわち、図８（ａ）では、磁極Ｓ２の外
周面の全体が磁性体ピースＪ１１の内周面側とオーバー
ラップしているのに対して、図９（ａ）では溝２３によ
りオーバーラップする面積がその分だけ少なくなってお
り、図９（ａ）に示す状態から図９（ｂ），（ｃ），
（ｄ）に示す状態に歩進していっても、面積Ｓ_Aは増加
するものの、面積Ｓ_Bは一定状態を保つことができる。

【００５０】磁性体ピースＪ１１に溝２３が形成されて
いない場合は、面積Ｓ_Bが変化することによって図１１
に示すように鎖交磁束が回転に伴って順調に増加する
が、途中から飽和ぎみになる。これに対して、溝２３が
形成されている場合は、溝２３の分だけ鎖交磁束全体が
低くなるが、飽和することなく順調に増加する。そし
て、最終的には、溝２３がない場合と同じ鎖交磁束とな
る。

【００５１】その結果、発生トルクは図１２に示すよう
に、磁性体ピースＪ１１に溝２３がない場合には、回転
初期には大きくなるが、回転に伴って急峻に低下する。
これに対して、溝２３がある場合の発生トルクは、溝２
３がない場合に比べて最大値は低いものの、ほぼフラッ
トとなる。その結果、回転角に対するロータの変化をス
ムースにし、トルクリップルを低減することができる。

【００５２】なお、図６〜図９に示した例では、磁性体
ピースの内面の幅は磁極の外周面の幅よりも広くしてい
るが、これに限ることなく、ほぼ同じ幅であってもよ
い。

【００５３】図１３は図６に示した実施形態のＳＲモー
タを組立てた状態の軸方向断面図であり、図１４は図１
３の線Ａ−Ａに沿う径方向の断面図である。

【００５４】図１３および図１４において、シャフト３
０には、ロータ２２が結合され、ロータ２２には磁性体
ピース２９（図１４では１２個）が結合されている。ス
テータ１０にはコイル１２が巻回されており、コイル１
２の引出線１３は端子（図示せず）を介して駆動回路
（図示せず）に接続される。ハウジング４０はステータ
１０およびベアリング３１，３２を保持する。ロータ角
度センサ３３はそのロータ３４がシャフト３０に結合さ
れ、そのステータ３５はハウジング４０に結合されてい
て、ロータ２２の角度位置を検出する。この検出出力は
図示しないコントローラに与えられる。コントローラは
検出された角度に基づいて各相順に各コイルを駆動す
る。

【００５５】図１５はこの発明の第３の実施形態を示す
図である。前述の図１，図５および図６に示した各実施
形態では、２つのコイルの端部が重なるように２スロッ
ト飛びに各スロットに巻回されていたのに対して、図１
５に示した実施形態では、ステータ１４の隣接するスロ
ット間にコイルＡａ〜Ｃｂが巻回される。また、磁極Ｓ
２１，Ｓ２３，Ｓ２５，Ｓ２７，Ｓ２９，Ｓ３１は太い
極で形成されているのに対して、磁極Ｓ２２，Ｓ２４，
Ｓ２６，Ｓ２８，Ｓ３０，Ｓ３２は細い極で形成されて
いる。そして、各コイルＡａ〜Ｃｂは太い極Ｓ２１，Ｓ
２３，Ｓ２５，Ｓ２７，Ｓ２９，Ｓ３１に巻回されてい
る。そして、各相はそれぞれ２つのコイルＡａとＡｂ，
ＢａとＢｂ，ＣａとＣｂを有しており、３相を構成して
いる。

【００５６】一方、ロータ２４は１０個の磁性体ピース
Ｊ３１〜Ｊ４０を有している。図１６〜図１８は図１５
に示した実施形態の動作を説明するための図である。図
１６に示す状態において、コイルＡａ，Ａｂに通電する
ことによってロータ２４の磁性体ピースＪ３１，Ｊ３
２，Ｊ３６，Ｊ３７がコイルＡａ，Ａｂに鎖交する磁束
を増大する方向、つまり図１６では反時計方向にトルク
が発生する。図１７に示す状態に歩進したとき、第２相
目に相当するコイルＢａ，Ｂｂに通電することにより、
同様にコイルＢａ，Ｂｂに鎖交する磁束を増大する方向
にトルクが発生し、コイルＡａ，Ａｂによる発生トルク
に加算される。

【００５７】図１７から図１８に示す状態に歩進する
と、コイルＡａ，Ａｂに鎖交する磁束は最大となり、発
生トルクは０となるため通電が切られ、コイルＢａ，Ｂ
ｂによる発生トルクのみとなる。以後同様にして、コイ
ルＢａ，Ｂｂ→コイルＣａ，Ｃｂの通電が行なわれ、連
続的にトルクが発生する。このとき、重要なことは、図
１の実施形態と同様にしてロータ２４の磁性体ピースＪ
３１〜Ｊ４０が磁気的に互いに絶縁されているため、相
間の干渉を互いに受けない。したがって、図１の実施形
態と同様にして、ステータ１４の磁極を共用できる。た
だし、この実施形態ではすべての磁極ではなく、細い磁
極Ｓ２２，Ｓ２４，Ｓ２６，Ｓ２８，Ｓ３０，Ｓ３２の
みが共用の対象となる。

【００５８】この実施形態において、磁極として太い磁
極と細い磁極とを交互に配置したのは、同じ太さの磁極
を配列した場合、隣接する一方の磁極から逆回転方向の
トルク作用してしまう場合が生じるので、一方を細い磁
極にすることにより逆回転方向のトルクの発生を少なく
するものである。

【００５９】この実施形態では、隣接するスロットに集
中的にコイルを巻回することにより図１に示した実施形
態に比べて軸方向長さを短くできるという利点がある。

【００６０】ただし、図１および図５に示した実施形態
では、ステータ１０とロータ２０とがアラインする際
に、ステータ１０の突極とロータ２０の磁性体ピースと
が向かいあって重合できる部分(角度範囲)が従来例に比
べて約２倍となり、２倍のトルクを発生できたが、図１
５に示した実施形態では、重合できる部分が従来例に比
べて約１．３〜１．４倍程度であるため、発生するトル
クも１．３〜１．４倍程度になる。

【００６１】図１９および図２０はこの発明をインナー
ロータ型ＳＲモータに適用した例を示す図であり、特
に、図１９は軸方向の断面図を示し、図２０は図１９の
線Ａ−Ａに沿う径方向断面図である。

【００６２】図１９および図２０に示したインナーロー
タ型ＳＲモータは、図１３および図１４に示したアウタ
ーロータ型ＳＲモータのステータとロータの位置関係を
逆にしたものである。すなわち、ロータ２６はシャフト
３０に結合されており、ロータ２６の外周面から突出す
るように１２個の磁性体ピース２７が接合されている。
各磁性体ピース２７は回転軸３０側が山形状となるよう
に形成され、外周面側には軸方向に沿って溝２８が形成
されている。

【００６３】ステータ１６はハウジング４１に結合さ
れ、その内周面側には１８個のスロットが形成されてお
り、そこにコイル１７が巻回されている。コイル１７の
巻回方法は、図１、図５および図１５に示した実施形態
のいずれも適用可能である。コイル１７の引出線１８は
端子（図示せず）を介して駆動回路（図示せず）に接続
される。

【００６４】ハウジング４１はステータ１６を保持する
と同時にベアリング３１，３２を保持する。ロータ角度
センサ３３はそのロータ３４がシャフト３０に結合さ
れ、そのステータ３５はハウジング４１に結合されてロ
ータ２６の角度位置を検出する。

【００６５】図１９および図２０に示したインナーロー
タ型のＳＲモータにおいても、磁性体ピース２７に溝２
８を形成したことにより、図６の実施形態と同様の効果
が得られる。しかも、インナーロータ型で構成したこと
によって、ロータ２６の軸方向長さを長くすることがで
き、高速回転に適したものとなる。

【００６６】なお、このインナロータ型モータにおいて
も、ステータ１６側に磁性体ピースを配置し、ロータ側
にコイルを巻回し、コイルへの電流供給はブラシによっ
て行うようにしてもよい。

【００６７】今回開示した実施の形態はすべて回転型の
モータだが、公知のとおりステータおよびロータをある
周方向の一点で切り開き、リニアモータとして用いるこ
ともできる。また、誘導モータと同様に呼び水的な電流
をコイルに流すことでモータに発電機能を持たせること
ができる。このためにステータの突極とロータの突極の
アンアライン位置からアライン位置への移動過程では電
流を流さず、アライン位置からアンアライン位置への移
動の過程で、図２４に示すａからｂのように変化する電
流を流せばよい。この結果、図２４に示すｂ〜ｃ〜ｄの
ように変化する電流がアンアライン位置に到達するまで
の間にコイルに発生する。さらに、コイルが巻回される
スロットや磁性体ピースの数は複数の例を示している
が、いずれも一つとしても良い。

【００６８】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、各相
のコイルが収納されたスロットに巻回された巻線による
磁束はそれぞれ磁気的に他とは絶縁された磁性体によっ
てアラインの状態において２つの磁極と短絡するように
配置されており、次の相に相当する隣のスロットによる
磁束は磁気的に前の相とは絶縁されているため、相間の
干渉を受けることなくトルクを連続的に発生できる。

【００６９】しかも、アライン時の突極同士のオーバー
ラップ面積および最大鎖交磁束を決定する断面積がとも
に従来のＳＲモータに対して、およそ２倍とることがで
き、さらに磁性体が磁気的に絶縁されているので、アン
アライン時の磁気漏れが抑えられ、アンアライン時のイ
ンダクタンスが低くなるので、磁化エネルギを大きくと
ることが可能となる。

【００７０】すなわち、コイルの巻数を増大することな
く、大きなトルクを確保できると同時に、アンアライン
時のインダクタンスを低く抑えることができ、低速のみ
ならず高速でのトルクを高く確保できるとともに、高い
効率を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態のＳＲモータの基
本的な構成であるロータとステータとコイルを示す径方
向の断面図である。

【図２】図１に示したＳＲモータの第１のステップの
動作を説明するための図である。

【図３】図１に示したＳＲモータの第２のステップの
動作を説明するための図である。

【図４】図１に示したＳＲモータの第３のステップの
動作を説明するための図である。

【図５】図１に示した実施形態の変形例である。

【図６】この発明の第２の実施形態のＳＲモータの径
方向断面図であり、

【図７】図６の要部を拡大して示す図である。

【図８】磁性体ピースに溝が形成されていない場合の
ロータの動きを示す図である。

【図９】磁性体ピースに溝が形成されている場合のロ
ータの動きを示す図である。

【図１０】回転角度に対する磁性体ピースの外周面と
ステータの極とのオーバーラップする面積の変化を示す
図である。

【図１１】回転角度に対する鎖交磁束の変化を示す図
である。

【図１２】回転角度に対する発生トルクの変化を示
す。

【図１３】図６に示した実施形態のＳＲモータを組立
てた状態の軸方向断面図である。

【図１４】図１３の線Ａ−Ａに沿う径方向の断面図で
ある。

【図１５】この発明の第３の実施形態を示す図であ
る。

【図１６】図１５に示した実施形態の第１のステップ
の動作を説明するための図である。

【図１７】図１５に示した実施形態の第２のステップ
の第３のステップの動作を説明するための図である。

【図１８】図１５に示した実施形態の動作を説明する
ための図である。

【図１９】この発明をインナーロータ型ＳＲモータに
適用した例を示す軸方向の断面図である。

【図２０】図１９の線Ａ−Ａに沿う径方向断面図であ
る。

【図２１】従来のＳＲモータのステータとロータを示
す図である。

【図２２】図２１に示したＳＲモータの基本的な構造
と巻線を含めた動作原理を示す図である。

【図２３】図２１に示したＳＲモータを駆動する駆動
回路を示す回路図である。

【図２４】コイルのインダクタンスと電流および発生
トルクを１相分について示した図である。

【図２５】ＳＲモータの磁化曲線を示す図である。

【図２６】ステータ極角度とロータ極角度を示す図で
ある。

【図２７】ステータ極角度とロータ極角度との関係を
示す図である。

【符号の説明】

１０，１４ステータ、１２，１７，Ａａ，Ａｂ，Ｂ
ａ，Ｂｂ，Ｃａ，Ｃｂコイル、２０，２２，２４，２６
ロータ、２１回転体、２３溝、３０シャフト、
３１，３２ベアリング、３３ロータ角度センサ、４
０，４１ハウジング、２９，Ｊ１〜Ｊ８，Ｊ１１〜Ｊ
２２，Ｊ３１〜Ｊ４０磁性体ピース、Ｓ１〜Ｓ１２，
Ｓ２１〜Ｓ３２磁極、ＳＲ１〜ＳＲ１２スロット。

フロントページの続き (72)発明者池山健愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内Ｆターム(参考） 5H002 AA09 AB05 AB06 AB07 AE07 AE08 5H619 AA01 BB01 BB06 BB15 BB24 PP01 PP02 PP05 PP06 PP08 PP14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれの一方がステータとなり、他方
がロータとなる第１および第２の部材構造を含み、複数
相のコイルを順次切換えて駆動することによりロータを
回転させるモータにおいて、前記第１および第２の部材構造の一方は、他方の部材構造に対向する周面に沿って軸方向に延在
し、前記コイルが巻回される複数のスロットと、隣接するスロットの間に形成される複数の磁極を含み、前記第１および第２の部材構造の他方は、一方の部材構
造に対向する周面に沿ってそれぞれが周方向に磁気的に
独立して配置される磁性体構造を備え、前記磁性体構造は、隣接する２つの磁極に対向したと
き、該２つの磁極を磁気的に結合し、前記コイルに通電
したとき該２つの磁極と該磁性体構造との間に生じる磁
気閉路の磁束によってトルクを発生させることを特徴と
する、モータ。
【請求項２】第１の部材構造、および前記第１の部材
構造と対向する第２の部材構造を含み、前記第１および第２の部材構造の一方は固定され、他方
は移動可能に設けられ、前記第１の部材構造の第２の部材構造との対向面と前記
第２の部材構造の第１の部材構造との対向面の一方に
は、少なくとも一つのスロットが形成されていて、前記
スロットの両側の部材は磁極を構成し、前記スロットにはコイルが設けられていて、該コイルに
通電することによって該スロットの両側に位置する磁極
間に磁束を発生し、前記第１の部材構造の第２の部材構造との対向面と前記
第２の部材構造の第１の部材構造との対向面の他方に
は、少なくとも一つの磁性体構造が設けられ、前記磁性体構造は前記スロットに近接したときは前記ス
ロットの両側の磁極と磁気的に結合して、前記磁極間に
発生する磁束を透過させる磁気閉路を構成し、該磁気閉
路の磁束の変化によって前記磁性体部材に対しての変位
力を与え、前記第１および第２の部材構造の一方を他方に対して相
対的に移動させる力を生じることを特徴とする、モー
タ。
【請求項３】前記第１の部材構造はあらかじめ定める
円周状の外径を有し、前記第２の部材構造は該外径より
も大きい内径の円筒状空間を有するとともに前記外径と
の間にギャップを有し、前記各コイルはＮ相にグループ
化され、各グループごとに順次通電されることを特徴と
する、請求項２に記載のモータ。
【請求項４】前記各相のコイルは、周方向複数個おき
のスロット間に軸方向に巻回され、それぞれのコイルの
端部同士が交差していることを特徴とする、請求項１ま
たは３に記載のモータ。
【請求項５】前記各磁極は太い極と細い極とが周方向
に交互に形成されていて、前記各コイルは前記太い極の
両側に隣接するスロット間に軸方向に巻回されることを
特徴とする、請求項１、３または４に記載のモータ。
【請求項６】前記磁性体構造は、前記対向する磁極と
は反対側の周面が山形形状に形成されることを特徴とす
る、請求項１、２、３、４または５に記載のモータ。
【請求項７】前記磁性体構造は、前記磁極と対向する
周面側に軸方向に延在する溝が形成されることを特徴と
する、請求項１、２、３、４、５または６に記載のモー
タ。
【請求項８】前記磁性体構造は、前記磁極と対向した
ときその周方向幅が該磁極の幅よりも広いことを特徴と
する、請求項１、２、３、４、５、６または７に記載の
モータ。