JP2004166354A

JP2004166354A - モータ

Info

Publication number: JP2004166354A
Application number: JP2002327654A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takano; 雅幸高野; Takasuke Kaneda; 敬右金田; Shigeru Chikada; 滋近田; Toshimitsu Takahashi; 利光高橋; Hisamitsu Saida; 寿充歳田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】高いモータ効率及び高い回転トルクを有するモータを提供する。
【解決手段】相互に電気的絶縁を保つようにＵ字型に屈曲した鋼板を積層してなるステータコア２２及びロータコア２６を有し、ステータコア２２によって励磁される外部磁場が、ステータコア２２のＵ字型の突端部からモータの回転中心軸２４に対して略平行に形成されるようにステータコア２２を配置し、モータの動作中に、ステータコア２２のＵ字型の突端部とロータコア２６のＵ字型の突端部とが所定の間隙を介して突き合わされるようにステータコア２２及びロータコア２６を配置したモータ。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高トルク及び高効率のスイッチド・リラクタンスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの一種であるスイッチド・リラクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）は、構造が簡単であり、堅固、安価な特徴を有している。
【０００３】
図１０に、従来のＳＲモータの構造の平面図を示す。筒状のステータ１０の内部に、ステータ１０の中心軸と同軸上に回転軸を有するロータ１４が配置されている。ステータ１０には、内向きに突出する複数の突極１２が設けられ、その突極１２にはコイル１６（巻線）が巻かれる。ロータ１４には、外向きに突出する複数の突極１８が設けられる。
【０００４】
対向する一対の突極１２のコイル１６に電流を流し、突極１２からロータ１４の突極１８へ向けて磁力線を有する磁場を発生させることによって、ロータ１４の突極１８をステータの突極１２へ引き付け、ロータ１４の回転トルクを発生させる。対向する突極１２をモータの回転方向に順次選択し、コイル１６に電流を流すことによって、その突極１２にロータ１４の突極１８が順次引き付けられ、ロータ１４が回転する。
【０００５】
ステータ１０は複雑な形状をした突極１２を有するため、ステータ１０を一体成形することは困難である。そのため、図１１（ａ）の平面図に示すように、電磁鋼板等を打ち抜いてコア材２０を作成し、図１１（ｂ）の断面図に示すように、ロータの回転軸の方向に積層して形成される。しかしながら、コア材２０を打ち抜いた部分の材料が無駄になり、製作コストが高くなる問題があった。
【０００６】
さらに、ステータ１０の内部磁場における磁力線の方向は、励磁される突極１２の選択によって順次変化するため、ステータ１０の材料として方向性磁性鋼板を用いる利点がなかった。
【０００７】
特開平１０−１１２９６４号公報の「スイッチド・リラクタンスモータ」には、ロータの回転軸に平行な方向に磁力線を有する磁場を発生させ、その磁場によってロータを回転させるＳＲモータが開示されている。
【０００８】
図１２に、当該技術におけるＳＲモータの構造の平面図及び断面図をそれぞれ示す。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＣ−Ｃ’からみた断面図である。ロータ１４は薄型化された平板状に形成されており、外向きに突出した突極１８を有している。ステータコア２２はＵ字型に形成されており、ロータ１４の突極１８を回転軸と平行に挟み込むようにステータ１０の内壁に固定されている。
【０００９】
ステータコア２２に巻かれたコイル１６に電流を流すことによって、ロータ１４の回転軸と平行な方向に突極１８を磁力線が貫くように磁場が発生する。ステータコア２２を順次選択し、コイル１６に電流を流すことによって、突極１８が連続的に引き付けられてロータ１４が回転する。
【００１０】
また、特開２００１−１２８３９５号公報には、方向性磁性鋼板を用いてステータコアを形成する技術が開示されている。ここでは、ステータコアに流れる磁束の流れ方向と一致するよう方向性磁性鋼板から形成したティース部及びヨーク部を組み合わせて１つのステータコアを形成している。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−１１２９６４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１２８３９５号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のモータでは、ステータコアはティース部やヨーク部等のコア材のブロックを複数組み合わせて形成されるため、コア材のブロックの製造、ブロックの組み合わせ、ブロック間における接合等の多数の工程を必要としていた。そのため、モータの製作コストが高くなっていた。
【００１３】
さらに、コア材のブロック同士の隙間や接合に用いられる樹脂材の磁気抵抗が大きいため、その接合箇所において磁気回路の磁気抵抗が高くなり、モータの効率を低下させる原因となっていた。
【００１４】
本発明は、上記従来技術の問題を鑑みて、高いエネルギー効率及び高い回転トルクを有するモータを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第１の本発明は、Ｕ字型に屈曲した鋼板を相互に電気的絶縁を保つように積層してなるステータコアを有するモータであって、前記ステータコアによって励磁される外部磁場が、前記ステータコアのＵ字型の突端部からモータの回転中心軸に対して略平行に形成されるように前記ステータコアを配置してなることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決するための第２の本発明は、Ｕ字型に屈曲した鋼板を相互に電気的絶縁を保つように積層してなるロータコアを有するモータであって、前記ロータコアのＵ字型の突端部がモータの回転中心軸に対して略平行方向となるように前記ロータコアを配置してなることを特徴とする。
【００１７】
また、上記第１の発明に係るモータにおいて、さらに、Ｕ字型に屈曲した鋼板を相互に電気的絶縁を保つように積層してなる積層体を含むロータコアを有し、モータの動作中に、前記ステータコアのＵ字型の突端部と、前記ロータコアのＵ字型の突端部と、が所定の間隙を介して突き合わされるように前記ステータコア及び前記ロータコアを配置してなることを特徴とする。
【００１８】
また、上記第１の発明に係るモータにおいて、さらに、鋼板を相互に電気的絶縁を保つように積層した積層体を含むロータコアを有し、前記ステータコアのＵ字型の突端部から所定の間隙をもって、前記ステータコアの両突端部間に跨るように前記ロータコアを配置してなることを特徴とする。
【００１９】
さらに、上記モータにおいて、複数の前記ステータコアをモータの回転軸に対して水平方向又は垂直方向に並置してなることが好ましい。また、前記並置された複数のステータコアに１つの励磁用のコイルを共通に配置してなることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
図１に第１の実施の形態におけるモータの要部の構造を示す。図１（ａ）はモータの要部の上部平面図、図１（ｂ）はモータの要部の断面図（平面図のＡ−Ａ’で切断した断面）、図１（ｃ）はモータの要部の下部平面図を示す。
【００２１】
本実施の形態では、ステータ１０及びロータ１４は平板状に薄型化された非磁性体材料を主要部とし、ロータ１４は軸受を介してステータ１０から伸びる回転中心軸２４に対して回転可能に接続されている。
【００２２】
ステータ１０には回転中心軸２４から同一距離に、Ｕ字型に形成された複数のステータコア２２が配設される。ステータコア２２は、ステータコア２２のＵ字突端部がモータの回転中心軸２４に対してほぼ平行方向に向くように設置される。ステータコア２２のＵ字型の凹部には励磁用のコイル１６が巻かれる。
【００２３】
一方、ロータ１４にも回転中心軸２４から同一距離に、Ｕ字型に形成されたロータコア２６が配設される。ロータコア２６は、ロータコア２６のＵ字突端部がモータの回転中心軸２４に対してほぼ平行方向に向くように設置される。
【００２４】
ここで、ステータコア２２及びロータコア２６はＵ字型を有すると説明したが、Ｕ字型とは中央に凹部を有する屈曲した形状を表すものとする。すなわち、本実施の形態において、厳密なＵ字型の他に角張った形状や丸みを帯びた形状をも含む意味とする。
【００２５】
また、ロータコア２６とステータコア２２は所定の空隙ｄをもって、ロータ１４が回転中に、ロータコア２６のＵ字型の突端部とステータコア２２のＵ字型の突端部とが向かい合うように配置される。
【００２６】
ステータコア２２の数とロータコア２６の数とは互いに倍数の関係にならないように設定される。本実施形態では、ステータコア２２の数が４つ、ロータコア２６の数が３つであるモータを例示したが、本発明のモータはこれに限定されるものではない。例えば、ステータコア数／ロータ数を、１２／８、８／６、６／４等のように互いに倍数の関係にならないようにすれば良い。
【００２７】
次に、図２のフロー図を用いて、ステータコア２２及びロータコア２６の製造方法及び構造について説明する。
【００２８】
磁性鋼板２８を準備する（図２（ａ））。磁性鋼板２８としては、軟磁性体であるフェライト等の鉄系酸化物を用いることが好ましい。また、磁化が容易である方向（図２中の矢印方向：以下、容易磁化方向という）が特定方向にある異方性の方向性磁性鋼板を用いることがより好ましい。
【００２９】
その磁性鋼板２８を巻いて積層する（図２（ｂ）：巻き積層工程）。このとき、積層された磁性鋼板２８の各層間に電気的な絶縁を与えるために、各層間に絶縁材料を挟み込む。例えば、絶縁性の樹脂を巻積層体３０の鋼板間に含浸させる方法をとることができる。また、鋼板間に所定間隔の隙間を設け、空気や不活性ガス等の絶縁特性を有する気体を挟むものとしても良い。また、磁性鋼板２８の表面に絶縁材料の表面被覆を予め行っておき、その磁性鋼板２８を巻きつけても良い。
【００３０】
磁性鋼板２８として方向性磁性鋼板を用いた場合には、鋼板の巻き付け方向と容易磁化方向がほぼ平行となるように巻き付けることが好適である。
【００３１】
次に、巻積層体３０の樹脂等を硬化させ（図２（ｃ）：硬化工程）、各々がＵ字型となるように巻積層体３０を切断する（図２（ｄ）：切断工程）ことで、Ｕ字型に屈曲した鋼板を各層間の電気的絶縁を保つように積層してなるステータコア２２及びロータコア２６が製造される（図２（ｅ））。
【００３２】
以下に、図１及び図３を参照して本実施形態におけるモータの動作を説明する。
【００３３】
まず、ステータ１０に設けられたステータコア２２のうちいずれか１つを選択し、そのステータコア２２に巻かれたコイル１６に励磁電流を流す。ステータ１０とロータ１４との間隙には、励磁電流によってそのステータコア２２の突端部からロータ１４の回転軸とほぼ平行な方向に外部磁場３２が発生する。外部磁場３２による磁束は、図３のように、励磁されたステータコア２２の近傍にあるロータコア２６の一方の突端部から他方の突端部を通り、励磁されたステータコア２２に戻る閉磁場回路を形成する。これにより、励磁されたステータコア２２とその近傍にあるロータコア２６が引き付けられる。
【００３４】
励磁するステータコア２２をロータの突極を引き付けるように次々と選択し、選択されたステータコア２２に巻かれたコイル１６に電流を流すことによって、順次選択されたステータコア２２の近傍にあるロータコア２６が引き付けられてロータ１４が回転する。
【００３５】
本実施の形態では、ステータコア２２及びロータコア２６は、Ｕ字型に屈曲した鋼板の積層体から形成されているため、その内部を通る磁束の流れを妨げる部分がなく、磁気抵抗を低減することができる。また、磁性鋼板２８は電気的な絶縁物を挟んで積層されているため、各鋼板間をまたがって流れる渦電流を抑制でき、ステータコア２２における鉄損が低減される。さらに、磁性鋼板２８を方向性磁性鋼板とし、Ｕ字型の屈曲方向に容易磁化方向を揃えることによって、ステータコア２２及びロータコア２６を貫く磁束を強くすることができる。
【００３６】
従って、本実施の形態によれば、モータの回転トルク、モータの効率を高めることができる。
【００３７】
さらに、図４に示すように、円筒状のステータ１０の内部にロータ１４が配置され、ロータコア２６の外部周辺にステータコア２２が配設される構造を有する同一径のモータ（図４（ａ）：以下、比較例のモータという）と比べて、本実施の形態におけるモータ（図４（ｂ））はロータ１４の外径をより大きくすることができるため回転トルクを向上することが可能となる。
【００３８】
図５に、同一径を有するモータにおける回転トルクを比較した結果を示す。比較例のモータの回転トルクを１．０とすると、本実施の形態のモータの回転トルクは１．２となり、より大きな回転トルクが得られている。
【００３９】
＜第２の実施の形態＞
図６に本発明の第２の実施の形態におけるモータの構造を示す。図６（ａ）はモータ要部の上部平面図、図６（ｂ）はモータ要部の断面図（平面図のＡ−Ａ’で切断した断面）、図６（ｃ）はモータ要部の下部平面図である。
【００４０】
本実施形態のモータは第１の実施形態と同様の構造を有しているが、ロータコア２６の形状が異なる点に特徴を有している。
【００４１】
本実施の形態におけるロータコア２６は、平板状の磁性鋼板２８を積層した積層体を含む。磁性鋼板２８は、第１の実施の形態と同様に、フェライト等の軟性磁性体であることが好ましい。電気的な絶縁をもたせるために、積層された各鋼板間には絶縁材が挟まれる。
【００４２】
図６に示すように、ロータコア２６は、ステータコア２２と所定の間隙を介して、ステータコア２２のＵ字型の両突端部を跨ぐように配置される。ロータコア２６を通る磁束による渦電流の流れを遮断するために、図７のように、ロータコア２６は各々の鋼板がステータコア２２のＵ字型の両突端部を跨ぐように積層することが好適である。また、ロータコア２６に方向性磁性鋼板を用いた場合には、図７の矢印で示すように、ステータコア２２のＵ字型の両突端部を繋ぐ方向に容易磁化方向を向けて配置することが好ましい。
【００４３】
第１の実施の形態におけるＵ字型のロータコア２６では、図８（ａ）のように、ステータコア２２とロータコア２６との間隙における漏れ磁束が多くなりモータ効率及び回転トルクの低下を招く原因となる。これに対して、本実施の形態における平板状のロータコア２６では、図８（ｂ）のように、ステータコア２２とロータコア２６との間隙における漏れ磁束が少なくなり、モータ効率及び回転トルクをより向上することができる。
【００４４】
図５に同一径を有するモータにおける回転トルクを比較した結果を示すが、第１の実施の形態のモータと比べてより大きな回転トルクを得ることができることが分かる。
【００４５】
また、ロータコア２６のＵ字型の突端部がないため、ロータ１４をより薄くすることができ、ロータを小型化することが可能となる。
【００４６】
＜第２の実施の形態の変形例＞
図９に、上記第２の実施の形態の変形例を示す。図９（ａ）及び（ｂ）では、ロータ１４を挟み込むように２つのステータ１０を設けている。このような構成とすることで、起磁力が２倍となり、回転トルクを向上することができる。
【００４７】
図９（ｃ）では、ステータ１０を挟み込むように２つのロータ１４を設けている。また、ステータ１０には、モータの回転中心軸２４と平行に２つのステータコア２２を並置している。並置された２つのステータコア２２には１つの励磁用のコイル１６が共通に巻かれる。このような構成とすることで、励磁された磁束の利用効率が高まり、回転トルクを向上することができる。また、回転軸を２つ取ることができ、モータの利用性を高めることができる。さらに、ステータコア２２の外部へのコイル１６の突出部分を無くすことができるため、モータのサイズ対効率比、サイズ対回転トルク比を向上することができる。
【００４８】
図９（ｄ）では、モータの回転中心軸２４と垂直方向にステータコア２２及びロータコア２６を並置している。並置された２つのステータコア２２には１つの励磁用のコイル１６が共通に巻かれる。このような構成とすることで、起磁力を大きくすることができ、回転トルクを高めることができる。また、モータの厚さ対回転トルク比を向上することができる。
【００４９】
なお、第１の実施の形態に対してこれらの変形例を適用してもモータの回転トルクを向上し、モータを小型化することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によって、高いモータ効率及び高い回転トルクを有するモータを提供することができる。また、モータのサイズ対モータ効率比及びサイズ対回転トルク比を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるモータの構造を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるステータコア及びロータコアの製造方法のフローを示す図である。
【図３】ステータコア及びロータコアの磁束の流れを説明する図である。
【図４】ロータの外形の相違を示す図である。
【図５】回転トルクの比較した結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施の形態におけるモータの構造を示す図である。
【図７】ロータコアとステータコアとの相対的な配置を示す図である。
【図８】ロータコアの形状と漏れ磁束の関係を説明する図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態におけるモータの構造の変形例を示す図である。
【図１０】従来のＳＲモータの構造を示す図である。
【図１１】従来のステータコアの製造方法及び構造を説明する図である。
【図１２】従来のＳＲモータの構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ステータ、１２ステータの突極、１４ロータ、１６コイル、１８ロータの突極、２０コア材、２２ステータコア、２４回転中心軸、２６
ロータコア、２８磁性鋼板、３０巻積層体、３２外部磁場。

Claims

Ｕ字型に屈曲した鋼板を相互に電気的絶縁を保つように積層してなるステータコアを有するモータであって、
前記ステータコアによって励磁される外部磁場が、前記ステータコアのＵ字型の突端部からモータの回転中心軸に対して略平行に形成されるように前記ステータコアを配置してなることを特徴とするモータ。
Ｕ字型に屈曲した鋼板を相互に電気的絶縁を保つように積層してなるロータコアを有するモータであって、
前記ロータコアのＵ字型の突端部がモータの回転中心軸に対して略平行方向となるように前記ロータコアを配置してなることを特徴とするモータ。
請求項１に記載のモータにおいて、
さらに、Ｕ字型に屈曲した鋼板を相互に電気的絶縁を保つように積層してなる積層体を含むロータコアを有し、
モータの動作中に、前記ステータコアのＵ字型の突端部と、前記ロータコアのＵ字型の突端部と、が所定の間隙を介して突き合わされるように前記ステータコア及び前記ロータコアを配置してなることを特徴とするモータ。
請求項１に記載のモータにおいて、
さらに、鋼板を相互に電気的絶縁を保つように積層した積層体を含むロータコアを有し、
前記ステータコアのＵ字型の突端部から所定の間隙をもって、前記ステータコアの両突端部間に跨るように前記ロータコアを配置してなることを特徴とするモータ。
請求項１〜４に記載のモータにおいて、
複数の前記ステータコアをモータの回転軸に対して水平方向又は垂直方向に並置してなることを特徴とするモータ。
請求項５に記載のモータにおいて、
前記並置された複数のステータコアに１つの励磁用のコイルを共通に配置してなることを特徴とするモータ。