JP2006042577A - スイッチトリラクタンスモータのステータ形状 - Google Patents

Abstract

【課題】ティースの最内周側に巻線を係止しうる構造を設けても、漏れ磁束を生じてトルクを減少させることのない、スイッチトリラクタンスモータのステータ形状を提供する。
【解決手段】複数のティースを有するステータと、ステータの内周側に位置して、複数の突極部を有するロータとを備えるスイッチトリラクタンスモータにおいて、
前記ティースＵ１は、バックヨーク部４と、巻線巻装部５と、巻線巻装部４の内周側に位置する巻線係止部６とから形成され、この巻線係止部６は巻線を係止可能とする周方向に突出する凸部７を有するとともに、
前記巻線係止部６の最内周側端の周方向幅Ｗ２を、当該巻線係止部６の凸部７を設けた部分の周方向幅Ｗ２より狭くすることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に用いられて好適なスイッチトリラクタンスモータのステータ形状に関するものである。

スイッチトリラクタンスモータは、ロータに設けた複数の突極部の磁気的な突極性を利用して、回転磁界によりロータを回転させるものであり、ロータに永久磁石を使用しないものであるため、ロータの構造が簡単で、永久磁石も使用しないことから、高速回転が可能であり、高温環境下での使用が可能で、安価であるといった優れた特徴を有する。
このようなスイッチトリラクタンスモータは、例えば特許文献１に示すようなものがあり、スイッチトリラクタンスモータのステータを構成するティースに凹部を設けて、ここに巻線が巻装されたボビン（絶縁体）を挿入する構成となっている。ボビンには前記凹部に該当する箇所に凸部が設けられていて、これらの凹部および凸部を相互に嵌合させることにより、ボビンを介して巻線がティースに固定される。

従来より、スイッチトリラクタンスモータのティースのバックヨーク部を除く部分の形状はストレート状、つまり、周方向に凹凸がなく、半径方向にその周方向幅が同一となるように直線的に延びる形状とするが、漏れ磁束を抑制し、磁気飽和を防ぐ上で、好ましいことが知られている。しかしながら、そのティースの周囲に巻装される巻線がその内周側に脱落しないよう固定するには、上述のようにティースの形状に凹部を設ける必要がある。
特開２００２−７８２７２号公報

しかしながらこのような構造にあっては、ティースに凹部を設けることにより磁路幅が制限されてしまうので、巻線を通電することによって発生する磁束も制限されてしまい、ストレート状のティースをもつ従来からのスイッチトリラクタンスモータに比較して、発生トルクが小さくなってしまうという問題が生じる。
一方、永久磁石式同期モータでは、トルク増大のために、一般的にティースの最内周側端の周方向幅を巻線を施す部分に比して広げているので、巻線はこの部分で係止されて脱落することはないが、このような形状をスイッチトリラクタンスモータのティースに適用すると、以下の理由で発生トルクが減少する。

図９（ａ）は一般的なスイッチトリラクタンスモータのストレート状のティースを示し、図９（ｂ）は最内周側端の周方向幅Ｗ１を巻線を施す部分の周方向幅Ｗ２に比して広げた形状を有するティースを示す。ここで周方向幅とは、ティースの周方向中心Ｃ（ステータの半径方向に一致）に垂直な方向の長さを示すものとする。これらのティースをスイッチトリラクタンスモータに適用した場合に発生するトルクについて以下に説明する。

図１０は上記のそれぞれのティースの巻線に相電流としてＩ［Ａ］を通電したときの、巻線に鎖交する磁束Ψ［Ｖｓ］を示している。図１０中◇は図９（ａ）に示したバックヨークを除く部分がストレート状のティースのデータを示し、黒塗り△は図９（ｂ）に示した、最内周側端の周方向幅を広げたティースのデータを示す。また、傾きの小さい線分ＯＡはロータの非対向位置、傾きの大きい線分ＯＢはロータの対向位置における特性である。
ここで、ロータの対向位置とは、通電するティースの周方向中心に、ロータの突極部の周方向中心が完全に一致する場合を示す（後述する図６参照）。また、ロータの非対向位置とは、通電するティースの周方向中心に、ロータの隣接する二つの突極部の周方向中心が完全に一致する場合を示す。（後述する図４参照）

ロータの非対向位置におけるＩ−Ψ特性（線分ＯＡ）は相電流の増加に伴って略線形に増加するが、その傾きは小さい。これは非対向位置においてはティースとロータの間のエアギャップが大きいため、相電流を大きくしてもエアギャップにおける磁気抵抗が大きく、磁束ができにくいからである。また、図９（ｂ）に示した形状のティース（黒塗り△）におけるＩ−Ψ特性（線分ＯＡ）の傾きが、図９（ａ）に示した形状のティース（◇）のＩ−Ψ特性に比較して大きいのは、ティースの最内周側端の周方向幅が広いため、ここから対向していないロータの突極部に向けて漏れ磁束が多く発生するためである。

一方、ロータの対向位置においては、ロータとティースとのエアギャップが最小となるので、Ｉ−Ψ特性（線分ＯＢ）は、小電流の領域で傾きが大きくなる。そして、磁束Ψがティース及びロータに使用する電磁鋼板の飽和磁束密度に達すると、それ以上の相電流においては、Ｉ−Ψ特性（線分ＯＢ）の傾きはより小さくなる。図９（ｂ）に示した形状のティース（黒塗り△）における磁束は、図９（ａ）に示した形状のティース（◇）における磁束に比較して、ティースから対向していないロータの突極部に向かう漏れ磁束が発生するため多少大きめであるが、その差は、非対向位置における差に比べると無視し得る程度である。

さて、このティースに最大電流Ｉｍａｘを通電したとき、スイッチトリラクタンスモータの発生するトルクは変則三角形ＯＡＢの面積に比例することが知られている。したがって、この図から明らかなように、スイッチトリラクタンスモータには、当然ながら、図９（ａ）に示したスイッチトリラクタンスモータに一般的に使用されるストレート状のティース（◇）を採用することが発生トルクの確保の点で望ましく、ティースの最内周側端の周方向幅が広いと発生トルクは減少してしまうことが分かる。（誘引するロータの突極部以外に発生するトルク、つまり漏れ磁束は小さければ小さいほど良い）

なお、図９（ｂ）に示したティースについては、永久磁石式同期モータに一般的に用いられる形状のティースに較べて、最内周側端の周方向幅を巻線が係止可能な最低限の幅まで狭めており、実際に一般的に永久磁石同期モータに用いられているティースは図示の幅より広い。このティースをスイッチトリラクタンスモータにそのまま適用した場合はさらに発生トルクが減少することになる。

以上の理由より、ティースのバックヨーク部を除く部分に凹部が存在すると磁束を制限してしまい、凸部が存在すると漏れ磁束が発生して好ましくないことがわかる。また、磁束を最大とし、かつ漏れ磁束が少ないティースの形状は、ストレート形状であり、ティースの周方向幅はロータ突極の周方向幅と等しいことが好ましいことがわかる。

本発明の目的は、上述した課題を以上述べた知見をもとに解決することであり、ティースの最内周側に巻線を係止しうる構造を設けても、漏れ磁束を生じてトルクを減少させることのない、スイッチトリラクタンスモータのステータ形状を提供することである。

請求項１に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状は、複数のティースを有するステータと、ステータの内周側に位置して、複数の突極部を有するロータとを備えるスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記ティースはバックヨーク部と、巻線巻装部と、巻線巻装部の内周側に位置する巻線係止部とから形成され、この巻線係止部は巻線を係止可能とする周方向に突出する凸部を有するとともに、前記巻線係止部の最内周側端の周方向幅を、当該巻線係止部の凸部を設けた部分の周方向幅より狭くすることを特徴とする。

請求項１に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状によれば、ティースの最内周側に巻線を係止可能とする周方向に突出する凸部を有する巻線係止部を形成するものの、ティースの巻線係止部の最内周側端においては、その周方向幅を前記凸部を含む巻線係止部の周方向幅より狭くするようにしたので、ロータの非対向位置における漏れ磁束の増加および、それに起因する、発生トルクの減少を極力抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状を示す、模式断面図である。
ここでは、それぞれのティースに集中巻きにより巻線の施された三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のスイッチトリラクタンスモータを示す。
ステータ１は、同一相につき四個つまりは十二個のティース、Ｕ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４、Ｗ１〜Ｗ４をそのバックヨーク部の周方向側面を相互に接触させて配置することよって構成されている。また、各ティースＵ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４、Ｗ１〜Ｗ４にはそれぞれ巻線、Ｕ１ｃ〜Ｕ４ｃ、Ｖ１ｃ〜Ｖ４ｃ、Ｗ１ｃ〜Ｗ４ｃが集中巻きにより巻回されていて、同一相の巻線間は直列もしくは並列に結線される。一方、ロータ２は八個の突極部を備えるとともに、シャフト３に連結され、突極部に発生したトルクが出力される。また、ステータ１の各ティースＵ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４、Ｗ１〜Ｗ４及びロータ２は、例えば０．３５ｍｍ厚の電磁鋼板を図示の形状にプレスで打ち抜き、ステータの中心軸線方向に積層して形成されている。なお、電磁鋼板の厚みはこれに限定されるものではない。
以下、Ｕ相のティースを用いてその形状および作用効果について説明する。（Ｖ相、Ｗ相のティースについても形状および作用効果は同様であるため説明は割愛する。）

図２は、図１に示したＵ相のティースＵ１について示す模式断面図である。
ティースＵ１は、バックヨーク部４と、巻線巻装部５と、巻線巻装部５の内周側に位置する巻線係止部６とから形成され、この巻線係止部６は巻線Ｕ１ｃを係止可能とする周方向に突出する凸部７を有するとともに、巻線係止部６の最内周側端の周方向幅Ｗ１を、当該巻線係止部６の凸部７を設けた部分の周方向幅Ｗ２より狭くすることを特徴とする。（請求項１に相当）

バックヨーク部４は巻線Ｕ１ｃによって発生する磁束の外周磁路となる部位であり、また、隣り合うティースを機械的に接続する役目も果たす。巻線巻装部５はその周方向幅が径方向のどの位置でも同一であり、この周囲に巻線Ｕ１ｃが巻回される。巻線Ｕ１ｃは巻線の占積率を向上させるため、ここでは、断面が四角形を為す平角エナメル被覆銅線が使用される。次に、巻線係止部６には周方向に突出する凸部７が設けられている。この凸部７を設けた巻き線係止部６の周方向幅Ｗ２は巻線巻装部６の周方向幅Ｗ３より広くして、巻線Ｕ１ｃが内周側に抜け落ちることが無いよう係止している。また、この凸部７はティースＵ１の最内周側端に向かうに従って、その周方向幅が狭くなるように形成される。
ここで周方向幅とは、ティースの周方向中心Ｃ１（ステータの半径方向に一致）に垂直な方向の長さを示すものとする。

図３（ａ）（ｂ）は、図２に示したティースＵ１の形態を詳細に示す模式斜視図である。ティースＵ１は、ここでは０．３５ｍｍ厚の電磁鋼板８をステータの中心軸線方向に積層して形成され、図３（ｂ）に示すように、巻線係止部６における凸部は巻線Ｕ１ｃを、半径方向内方から外方に向けて係止する役目を果たす。
図１〜３に示したように、略Ｔ字形状を為すティースをそのバックヨーク部を相互に接触させて配列してステータを構成する分割コア型のステータでは、ティースＵ１に直接巻線Ｕ１ｃを整列巻きすることが可能なため、巻線の占積率を向上できるという利点がある。なお、巻線Ｕ１ｃを巻回する前に、ティースＵ１の巻線巻装部５の周囲に、図示しない絶縁紙を巻回あるいは貼着することにより、巻装後の巻線Ｕ１ｃとティースＵ１との電気的絶縁を確保している。

つぎに、本実施例における巻線係止部における凸部形状について説明する。
図４は巻線係止部における凸部の形成範囲について示す、ステータの中心軸線に垂直な平面における模式断面図である。
図４において、ティースＵ１とロータ２の突極部９との関係は非対向位置となっている。非対向位置とは、ティースＵ１の周方向中心Ｃ１が、ロータ２の突極部９からもっとも遠い位置、つまり隣接する二つの突極部９の周方向中心Ｃ２とティースＵ１の周方向中心Ｃ１が一致している状態を示すものとする。
さらに、ロータ２の突極部９の周方向側面とは、図４中ａに示す突極部９の外周面の周方向端と、ｂに示す突極部９の最内周側端を結んだ平面ａｂである。なお、ロータ２の突極部９はロータの半径方向外方にその周方向幅を同一として突出させる形状に形成されているものとする。

巻線係止部６における凸部７の形成範囲は、ティースＵ１の最内周側端面の周方向両端ｅを通り前記周方向側面に平行な平面ｄｅよりティース側Ｕ１の範囲とする。（請求項３に相当）つまり、巻線係止部６における凸部７は平面ｃｅと平面ｄｅに囲まれる図４のハッチングの範囲内に形成される。ここで平面ｃｅはティースＵ１における巻線巻装部５の周方向側面をティースＵ１の最内周側端まで延長した平面である。
請求項３に相当する構成によれば、ティースＵ１からロータ２の突極９の周方向側面たる平面ａｂに向かって漏れる漏れ磁束を減じることができ、発生トルクの減少傾向を極力抑えるとともに、巻線を確実にティースに係止することができる。

さらに、図２に示した、巻線係止部６の最内周側端の周方向幅Ｗ１を、巻線巻装部５の周方向幅Ｗ３と同一にする。（請求項２に相当）
これによれば、巻線巻装部５における磁路断面積とティースＵ１の最内周側端の磁路断面積とが同一になり、巻線磁束を有効にロータへ鎖交させて、トルクが減少することを抑制することができる。

図５は、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの効果を示すグラフである。
以下、本実施例の効果を図５を用いて説明する。
□で示すのが本実施例のＩ−Ψ特性である。その効果を示すため、上述した巻線係止部の凸部を含む周方向幅が、巻線巻装部に隣接する位置からティースの最内周側端まで同一である、図９（ｂ）に示した形状のティースのＩ−Ψ特性を黒塗り△で示してある。
まず、ロータの非対向位置におけるI−Ψ特性である線分ＯＡについて説明する。これはステータ１とロータ２との位置関係が図１に示す場合、つまり、Ｕ相のティースＵ１〜Ｕ４とロータ２の突極とが非対向位置の関係にあるときに、Ｕ相の巻線Ｕ１ｃ〜Ｕ４ｃに相電流Iを通電したときの相電流Iと、そのとき巻線に鎖交する磁束Ψとの関係を示すものである。

本実施例によると、巻線係止部の最内周側端の周方向幅を、当該巻線係止部の凸部を設けた部分の周方向幅より狭くすることにより、図９（ｂ）に示した形状のティースに比べて、漏れ磁束を少なくすることができ、Ｉ−Ψの傾きを小さくすることができることが確認できる。
つぎに、ロータの対向位置におけるI−Ψ特性である線分ＯBについて説明する。これはステータ１とロータ２との位置関係が図６に示す場合、つまり、Ｕ相のティースＵ１〜Ｕ４とロータ２の突極とが対向位置の関係にあるときに、Ｕ相の巻線Ｕ１ｃ〜Ｕ４ｃに相電流Iを通電したときの相電流Iと、そのとき巻線に鎖交する磁束Ψとの関係を示すものである。

ロータの対向位置においてはＵ相のティースとロータとのエアギャップが最小となるので、相電流が小さい領域で傾きが大きい。そして、ティース及びロータに使用する電磁鋼板の飽和磁束密度に達すると、それ以上の相電流においては傾きが小さくなる。本実施例におけるI−Ψ特性（□）は、漏れ磁束が少ないことから磁束Ψが多少小さくなるが、非対向位置における差に比べると無視し得る程度である。
上述したように、最大電流Ｉｍａｘを通電したときのスイッチトリラクタンスモータの発生トルクは変則三角形ＯＡＢの面積に比例することが知られているので、図５より本実施例による発生トルクの向上が確認できる。
尚、本実施例では巻線として断面形状が長方形の平角線を使用したが、より一般的な断面形状が丸形の丸線を使用することも可能であり、凸部周辺の隅、もしくは角に小さいＲ部分を設けても構わない。

図７は、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状の他の実施形態を示す模式斜視図である。
図３（ａ）に示したティースＵ１は、巻線係止部の凸部を構成する凸形状を有するように、プレスにより打ち抜き加工した電磁鋼板をステータ中心軸線方向に必要枚数積層して構成したものであるが、図７に示す実施形態のティースは、ティースＵ１を複数の電磁鋼板を積層して構成するとともに、前記ティースを構成する複数の電磁鋼板のうち、一部の電磁鋼板８ａには前記凸部７を形成する凸形状８ｃを設け、その他の電磁鋼板８ｂには当該凸形状を設けないとともに、（請求項４に相当）前記一部の電磁鋼板８ａをステータの中心軸線方向の両端部に配置する。（請求項５に相当）

このように、巻線係止部の凸部７を、一部の電磁鋼板８ａに設けた凸形状８ｃのみで構成して、その他の電磁鋼板８ｂには凸形状を設けないことにより、凸形状８ｃを設ける電磁鋼板８ａの電磁鋼板全体に占める割合を減らして、ティースから非対向位置のロータの突極部への漏れ磁束をさらに効果的に低減して、漏れ磁束によるトルクの低減を抑制することができる。もちろん、当該凸部７が巻線を係止するにあたり必要な強度を有することが必要であることは言うまでもない。

また、請求項５に記載したように、当該一部の凸形状８ｃを有する電磁鋼板８ａをティースの前記中心軸線方向の両端部に配することにより、凸部７はティースＵ１の前記中心軸線方向の両端部に設けられることになり、巻線Ｕ１ｃを係止するにあたって、その係止する点のスパン長をなるべく大きくすることができ、係止する点を中心軸線方向の中間部分に設けることに比して、巻線をバランスよくより強固に係止することができる。
尚、以上の実施例ではティースを電磁鋼板を積層して構成したが、粉末磁性体によりティースを一体成形して、図３あるいは図７に示すティースと、同等の形状を成形することによっても、同様の効果が得ることができる。

図８は、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状のさらに他の実施形態を示す模式断面図である。
図８に示すように、ティースＵ１は、バックヨーク部４と、巻線巻装部５と、巻線巻装部５の内周側に位置する巻線係止部６とから形成され、この巻線係止部６は巻線Ｕ１ｃを係止可能とする周方向に突出する凸部７を有するとともに、巻線係止部６の最内周側端の周方向幅Ｗ１を、当該巻線係止部６の凸部７を設けた部分の周方向幅Ｗ２より狭くしている。（請求項１に相当）
巻線係止部６における凸部７の形成範囲は、ティースＵ１の最内周側端面の周方向両端ｅを通り前記周方向側面に平行な平面ｄｅよりティース側Ｕ１の範囲として、その範囲内で最小限の大きさのものとする。（請求項３に相当）
さらに、巻線係止部６の最内周側端の周方向幅Ｗ１を、巻線巻装部５の周方向幅Ｗ３と同一にする。（請求項２に相当）

図８に示したように、図４で示したハッチングの範囲内であれば凸部形状を任意に形成可能であり、巻き線を係止するための強度が担保できれば、漏れ磁束を抑制してトルクの低減を抑制するために、凸部７はできるだけ小さくすることが好ましい。
請求項１〜３に相当する構成による作用効果は上述したとおりであるのでここでは割愛する。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。

本発明のスイッチトリラクタンスモータのステータ形状は、巻線の係止および固定に関して、より信頼性を高めたスイッチトリラクタンスモータに用いて好適なものである。

本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状の一実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状の一実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状の一実施形態を示す模式斜視図である。 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状の巻線係止部における凸部の形成範囲について示す、ステータの中心軸線に垂直な平面における模式断面図である。 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータにおいてそれぞれのティースの巻線に相電流を通電したときの巻線に鎖交する磁束を示すグラフである。 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状の一実施形態を、ロータの対向位置にて示す模式断面図である。 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状の他の実施形態を示す模式斜視図である。 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータのステータ形状のさらに他の実施形態を示す模式断面図である。 従来のスイッチトリラクタンスモータのステータ形状を示す模式断面図である。 従来のスイッチトリラクタンスモータにおいてそれぞれのティースの巻線に相電流を通電したときの巻線に鎖交する磁束を示すグラフである。

符号の説明

１ ステータ
２ ロータ
３ シャフト
Ｕ１ ティース
４ バックヨーク部
５ 巻線巻装部
６ 巻線係止部
７ 凸部
８ 電磁鋼板
９ 突極部

Claims (5)

1. 複数のティースを有するステータと、ステータの内周側に位置して、複数の突極部を有するロータとを備えるスイッチトリラクタンスモータにおいて、
   前記ティースは、バックヨーク部と、巻線巻装部と、巻線巻装部の内周側に位置する巻線係止部とから形成され、この巻線係止部は巻線を係止可能とする周方向に突出する凸部を有するとともに、
   前記巻線係止部の最内周側端の周方向幅を、当該巻線係止部の凸部を設けた部分の周方向幅より狭くすることを特徴とするスイッチトリラクタンスモータのステータ形状。
2. 前記巻線係止部の最内周側端の周方向幅を、前記巻線巻装部の周方向幅と同一にす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のステータ形状。
3. 前記ステータのティースと前記ロータの突極部とが非対向の位置にあるときのロータ突極部の周方向側面に対し、
   前記巻線係止部における凸部の形成範囲は、ティースの最内周側端面の周方向両端を通り前記周方向側面に平行な平面よりティース側の範囲とすることを特徴とする請求項２に記載のスイッチトリラクタンスモータのステータ形状。
4. 前記ティースを複数の電磁鋼板を積層して構成するとともに、
   前記ティースを構成する複数の電磁鋼板のうち、一部の電磁鋼板には前記凸部を形成する凸形状を設け、その他の電磁鋼板には当該凸形状を設けないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスイッチトリラクタンスモータのステータ形状。
5. 前記一部の電磁鋼板をステータの中心軸線方向の両端部に配置してなることを特徴とする請求項４に記載のスイッチトリラクタンスモータのステータ形状。
   
   

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