JP2004236369A

JP2004236369A - スイッチトリラクタンスモータ

Info

Publication number: JP2004236369A
Application number: JP2003018244A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Tanaka; 裕人田中; Sannashi Minegishi; 三奈子峯岸
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】ＳＲモータにおいて、コギングトルクが大きくなることなく高トルク化できると共にロータの堅牢さを確保する。
【解決手段】ステータ８の突極部８ａにおけるロータ７の回転方向Ａに対向する側に台形断面形状の台形状突部８ｂを設け、突部と突極部との境に薄板状の永久磁石９をその磁極面を突極部内に向けて埋設する。突極部に巻回されたコイルに通電すると、突極部に生じる磁束により永久磁石による磁束が突極部の外方に押し出されるようになり、両磁束が合成されて高トルク化が達成される。また、永久磁石の磁極面が突極部内に向けられていることから、非通電時には永久磁石による磁束が突極部内で回り得るため、外方へ漏れる分が少なく、永久磁石を設けたＳＲモータにおけるコギングトルクを小さくすることができる。さらに、ロータに永久磁石を設けることがないため、ロータの堅牢さが損なわれることがない。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチトリラクタンスモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロータに複数の磁性体からなる突極部を設け、ロータと同軸的に配設されたステータの複数の突極部に巻線し、そのように巻線されて形成された各励磁コイルに選択的に通電することにより、ステータの突極部にロータの突極部を磁気吸引してロータに回転トルクを発生させるようにしたスイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータとする）が知られている。このＳＲモータにあっては、マグネットを必要としないため構造が簡単であることから、悪環境に対処し易くかつ安価に小型高出力化が可能であるなどの利点があり、電動車両の駆動モータに利用することが考えられている。
【０００３】
さらに、上記ＳＲモータにおいて、より一層の高トルク化が望まれており、その実現のためには、例えばステータの突極部に永久磁石を取り付けて吸引力を高めてトルクを向上するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１４−１９９６７９号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＲモータにあっては、ステータやロータが突極構造であるため、永久磁石を突極部に設けると、永久磁石による磁束がロータの突極部に通ってコギングトルクが大きくなり易いという問題がある。また、ロータに永久磁石を設けると、ＳＲモータの長所であるロータの堅牢さが低減してしまうという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決して、コギングトルクが大きくなることなく高トルク化できると共にロータの堅牢さを確保し得るＳＲモータを実現するために、本発明に於いては、ロータと、前記ロータを外囲するように設けられると共に半径方向内向きの突極部を周方向に複数配設されかつ当該突極部にコイルを巻回されたステータとを有するスイッチトリラクタンスモータであって、前記突極部に、その前記ロータの回転方向に対向する側に偏倚した位置に永久磁石を埋設し、前記永久磁石が、前記コイルの励磁により前記突極部に生じる磁束の向きに合わせた磁束を生じさせるための磁極面を前記突極部内に向けて配設されているものとした。
【０００７】
これによれば、コイルが通電されてそのコイルが巻回されている突極部に磁束が生じると、その磁束の向きと永久磁石による磁束の向きとが合うようにされていることから、永久磁石による磁束が突極部の外方に押し出されるようになり、コイル励磁による磁束と永久磁石による磁束とが合成されるため、ロータを強い磁気吸引力で吸引でき、高トルク化が達成される。また、永久磁石が突極部のロータの回転方向に対向する側に偏倚した位置に埋設されていることにより、例えば永久磁石が突極部内を通る磁束の通り道を塞ぐように設けたものに対して突極部を通る磁束を妨げることがなく、コイル励磁による磁束を有効に利用することができる。また、ロータに永久磁石を設けることがないため、ロータの堅牢さが損なわれることがない。
【０００８】
また、前記永久磁石が、前記突極部の前記ロータの回転方向に対して両側に設けられていると良い。これによれば、ロータの正逆転に対応することができる。この時、ロータの突極部の回転方向前側の角に先に相対することになる永久磁石による上記合成力が発揮される所で最大トルクが得られ、遠い方の永久磁石による影響は無視できるため、ロータの回転方向に対向する側のみに永久磁石を設けたものと同等のトルク特性となり得る。反対側に回転する場合も同様である。
【０００９】
また、前記突極部の前記永久磁石を設けられた側に前記ロータの回転方向に対向して臨む斜面を有する突部が一体に形成されていると良い。このようにすることにより、突極部から外方に出た磁束が永久磁石を越えた側の突極部に入り込む部分が斜面になるため、大きく回り込むようになり、その部分の磁束を増大することができる。それにより、早い段階でのトルク増大を促進し得る。
【００１０】
また、前記ロータの前記ステータの突極部との間で磁束を通すための半径方向外向き突極部に、その前記ロータの回転方向に対する両側に前記ステータの突極部に臨む斜面を有する突部が一体に形成されていると良い。このようにすることにより、ロータの突極部の角がステータの突極部に近付いて磁束が通り始める時に角だけでなく斜面にも磁束が通り得るため、早い段階でのトルク増大を促進し得る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明が適用された駆動モータ制御回路の概略ブロック図である。速度指令またはトルク指令信号が制御ユニット１内のＣＰＵ２に入力し、制御ユニット１内のドライバ回路３によりスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）４が駆動されるようになっている。
【００１３】
制御ユニット１内には、ＳＲモータ４の各相（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）に流れる電流をそれぞれ検出するための各電流検出センサ５ｕ・５ｖ・５ｗが設けられている。また、ＳＲモータ４にはロータの回転位置を検出するためのモータ位置センサ６が設けられている。そして、ＣＰＵ２に、各電流検出センサ５ｕ・５ｖ・５ｗにより検出された各電流検出値信号と、モータ位置センサ６により検出された位置検出信号とが入力するようになっている。
【００１４】
本発明に基づくＳＲモータ４にあっては、図２で示される３相構造のものであって良い。例えば、ロータ７に４つの半径方向外向き突極部７ａを設け、ロータ７を外囲する円環状のステータ８には６つの半径方向内向き突極部８ａを設けると共に、ステータ８の各突極部８ａにそれぞれ集中巻きの巻線を行ってＵ相・Ｖ相・Ｗ相の各励磁コイルＬｕ・Ｌｖ・Ｌｗを形成している。この図示例のものにあっては、ステータ８の各対向する一対の突極部８ａの一方がＮ極となって、他方がＳ極となるように上記巻線が行われている。
【００１５】
また、本ＳＲモータ４にあっては、ステータ８の突極部８ａにおけるロータ７の回転方向Ａに対向する側に台形断面形状の台形状突部８ｂが設けられている。この台形状突部８ｂは、例えば図２の想像線に示されるように従来のＳＲモータの突極部に対して台形断面形状となる膨出部を一体に形成することによりなるものであって良い。その台形断面形状の斜面部がロータ７の突極部７ａの回転方向Ａに臨むようになっている。
【００１６】
そして、上記台形状突部８ｂと矩形断面形状の突極部８ａとの境界部分に永久磁石９が埋設されている。すなわち、永久磁石９は、突極部８ａの回転方向中心位置に対して前側（ロータ７の回転方向Ａに対向して進む側）に偏倚して配置されている。また永久磁石９は、突極部８ａの突出方向に沿って延在する薄板形状に形成されており、Ｎ極Ｓ極を回転方向Ａに対して交互に向けて設けられている。なお、図示例では、永久磁石９の一部が台形状突部８ｂの斜面部に露出するようになっている。
【００１７】
また、ステータ８の突極部８ａにおける回転方向幅は、一通電区間分を確保する長さに形成されている。本図示例の４極６スロットのＳＲモータ４では一通電区間が３０度になり、その範囲に合わせて突極部８ａの凹状円弧部の幅が設定されている。なお、突極部８ａにおける突出端面の回転方向幅にあっては、永久磁石９を含めない範囲を３０度とするようにする。このようにして、本発明に基づくハイブリッドＳＲモータが構成されている。
【００１８】
例えば図２の状態でＵ相励磁コイルＬｕに電流を流すと、その突極部７ａに図３の実線の矢印Ｂに示される向きの磁束が生じる。コイルＬｕが励磁されていない時には永久磁石９による磁束は、図の矢印Ｃに示されるようにステータ８の突極部８ａの内部で回るように生じている。それに対して、上記コイルＬｕの励磁による磁束が生じると、永久磁石９の磁束が図の矢印Ｄに示されるように突極部８ａの外のロータ７側へ押し出される。そのため、コイルＬｕの励磁による磁束と永久磁石９による磁束とが合成されて、従来のＳＲモータ（上記図２の突部８ｂ及び永久磁石を設けていないもの。以下同様）コイルＬｕのみのものに対して磁束が増大し、その結果高トルクが得られる。従来のＳＲモータに対してトルク平均値で約４％、最大トルク値で約１２％の増大となった。
【００１９】
なお、回転駆動する場合には、従来のＳＲモータと同様の転流制御であって良い。例えば、Ｕ相励磁コイルＬｕに電流を流すと、Ｕ相励磁コイルＬｕ・Ｖ相励磁コイルＬｖ間にあるロータ７の突極部７ａがＵ相励磁コイルＬｕの突極部８ａに磁気吸引されて、図の矢印Ａの向きにロータ７が回転する。続けてＶ相励磁コイルＬｖ・Ｗ励磁コイルＬｗの順にロータ７の回転に合わせて電流を流すコイルを切り換え、そのように転流制御を行うことにより、ロータ７が回転し続ける。
【００２０】
この時、コイルを励磁しないものにあっては、上記したように永久磁石９の磁束はステータ８の突極部８ａの内部で回るようになり、磁束漏れによるロータ７への影響がほとんど無いことから、コギングトルクは小さい。そのため、円滑なロータ７の回転を実現し得る。また、永久磁石９をステータ８に埋め込んで、ロータ７は従来のＳＲモータと同じ構造とすることができるため、ロータ７を堅牢性を確保することができる。
【００２１】
次に、本発明によるＳＲモータの静トルク特性をＦＥＭ解析による計算結果として図４に示す。図４において、横軸をロータ位置（回転角度）とし、縦軸をモータの発生トルクとして、本発明のＳＲモータを実線で示し、従来のＳＲモータを想像線で示す。図に示されるように、従来のＳＲモータに対して本発明のＳＲモータの発生トルクの最大値が大きく増大するため、モータの高トルク化が達成される。
【００２２】
また、ロータ７の突極部７ａの形状を工夫することにより、より一層高トルク化を達成し得る。例えば図５に示されるように、突極部７ａにおける回転方向Ａの両側に台形断面形状の各突部７ｂを形成すると良い。なお、突極部７ａの回転方向Ａに対する突出端面幅の角度αは本図示例の４極６スロットの場合には３０度であり、突部７ｂの回転方向Ａに対する幅ｂ（突極部７ａの突出端面の延長面における幅）の角度βは例えば４度（これに限定するものではない）であると良い。
【００２３】
このように突極部７ａにおける回転方向Ａに対して両側に突部７ｂを設けたロータ７を用い、ステータ８側は従来のＳＲモータと同じとした場合には従来のＳＲモータに対してトルク平均値で約６％、最大トルク値で約１６％増大するという結果が得られた。さらに、この突極部７ａにおける回転方向Ａに対して両側に突部７ｂを設けたロータ７と、上記図示例の永久磁石９を設けたステータ８の構造とを組み合わせることにより、従来のＳＲモータに対してトルク平均値で約１１％、最大トルク値で約１９％の増大となった。
【００２４】
なお、上記各トルク値は、Ｕ相のみに電流を流した時の静トルクの値であり、例えば２０００ｒｐｍで駆動した場合には従来のＳＲモータに対して約１０％のトルク増大となり、１００００ｒｐｍで駆動した場合には約１８５％のトルク増大となる結果が得られた。これにより、本発明によるハイブリッド型ＳＲモータは低回転でも十分高トルク化が達成されるが、高トルク・高回転型のモータとしての使用に特に適していることが分かる。
【００２５】
また、無通電時には、永久磁石９による磁束が突極部８ａ内を回り、外部への漏れ磁束が小さく、コギングトルクが小さいため、何ら問題が生じることがない。
【００２６】
また、上記図示例では永久磁石９を突極部８ａの一方に偏倚させた位置に設けたが、ロータ７を正逆回転可能にするＳＲモータにした場合には、図６に示されるように、突極部８ａにおける中心からロータ７の回転方向両側に偏倚した各位置にそれぞれ永久磁石９を配設すると良い。このようにすることにより、ロータ７が正逆いずれの方向に回転しても、上記図示例で示した磁束の合成による高トルク化が達成される。
【００２７】
この永久磁石両側配置型ＳＲモータにあっては、ロータ７の回転方向に対して遠い側の永久磁石９は何ら問題とならない。これは、図４に示されるようにロータ７の回転位置が約１５度の時に最大トルクが発生し、その位置ではロータ７の進行方向の角と上記遠い側の永久磁石９との間に充分な距離があるためである。
【００２８】
なお、図７に図４に対応するトルク線図を示す。図では、図５の両側に永久磁石９を配置したものを実線で示し、図２の回転方向に対して近い側に永久磁石９を配置したものを破線で示し、従来のＳＲモータを想像線で示している。図から分かるように、両側及び近い側のものは同一とみなして良い波形となっている。
【００２９】
【発明の効果】
このように本発明によれば、コイルが通電されてそのコイルが巻回されている突極部に磁束が生じると、突極部に埋設された永久磁石による磁束が突極部の外方に押し出されるようになり、コイル励磁による磁束と永久磁石による磁束とが合成されるため、ロータを強い磁気吸引力で吸引でき、高トルク化が達成される。また、永久磁石が突極部のロータの回転方向に対向する側に偏倚した位置に埋設されていることにより、例えば永久磁石が突極部内を通る磁束の通り道を塞ぐように設けたものに対して突極部を通る磁束を妨げることがなく、コイル励磁による磁束を有効に利用することができる。また、ロータに永久磁石を設けることがないため、ロータの堅牢さが損なわれることがない。さらに、永久磁石の磁極面が突極部内に向けられていることから、コイルに通電していない時には永久磁石による磁束が突極部内で回り得るため、突極部の外方へ漏れる分が少なく、永久磁石を設けたＳＲモータにおけるコギングトルクを小さくすることができる。
【００３０】
また、永久磁石を突極部の両側に設けることにより、ロータの正逆転に対応することができる。この時、ロータの突極部の回転方向前側の角に先に相対することになる永久磁石による上記合成力が発揮される所で最大トルクが得られ、遠い方の永久磁石による影響は無視できるため、ロータの回転方向に対向する側のみに永久磁石を設けたものと同等のトルク特性となり得る。反対側に回転する場合も同様である。
【００３１】
また、突極部の永久磁石を設けた側にロータの回転方向に対向して臨む斜面を有する突部を一体に形成することにより、突極部から外方に出た磁束が永久磁石を越えた側の突極部に入り込む部分が斜面になるため、大きく回り込むようになり、その部分の磁束を増大することができる。それにより、早い段階でのトルク増大を促進し得る。
【００３２】
また、ロータの突極部の両側にステータの突極部に臨む斜面を有する突部を一体に形成することにより、ロータの突極部の角がステータの突極部に近付いて磁束が通り始める時に角だけでなく斜面にも磁束が通り得るため、早い段階でのトルク増大を促進し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明が適用された駆動モータ制御回路の概略ブロック図。
【図２】
本発明に基づくＳＲモータを示す正面図。
【図３】
突極部に流れる磁束を示す説明図。
【図４】
ロータの回転位置に対するトルクを示す図。
【図５】
ロータの突極部の他の例を示す要部拡大図。
【図６】
ステータの突極部の両側に永久磁石を配置した例を示す図２に対応する図。
【図７】
ステータの突極部の両側に永久磁石を配置したものにおけるロータの回転位置
に対するトルクを示す図。
【符号の説明】
４ＳＲモータ
７ロータ、７ａ突極部、７ｂ突部
８ステータ、８ａ突極部、８ｂ台形状突部
９永久磁石

Claims

ロータと、前記ロータを外囲するように設けられると共に半径方向内向きの突極部を周方向に複数配設されかつ当該突極部にコイルを巻回されたステータとを有するスイッチトリラクタンスモータであって、
前記突極部に、その前記ロータの回転方向に対向する側に偏倚した位置に永久磁石を埋設し、
前記永久磁石が、前記コイルの励磁により前記突極部に生じる磁束の向きに合わせた磁束を生じさせるための磁極面を前記突極部内に向けて配設されていることを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
前記永久磁石が、前記突極部の前記ロータの回転方向に対して両側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
前記突極部の前記永久磁石を設けられた側に前記ロータの回転方向に対向して臨む斜面を有する突部が一体に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
前記ロータの前記ステータの突極部との間で磁束を通すための半径方向外向き突極部に、その前記ロータの回転方向に対する両側に前記ステータの突極部に臨む斜面を有する突部が一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のスイッチトリラクタンスモータ。