JP2007244024A

JP2007244024A - スイッチト・リラクタンス・モータ

Info

Publication number: JP2007244024A
Application number: JP2006059245A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tanimoto; 勉谷本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-06
Also published as: JP4923633B2

Abstract

【課題】トルクを発生できない状態をなくし、逆転も可能なモータであって、回転子１回転あたりの平均トルクが向上するように構成されたスイッチト・リラクタンス・モータを提供する。
【解決手段】回転子３と固定子２とからなるスイッチト・リラクタンス・モータ１であって、３相以上の相数で駆動する第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部２ａと、２相で駆動する第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部２ｂと、から構成する。好適には、第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部の各突極が少なくとも１つ以上含まれる円周方向の角度に対応する固定子の領域においては、３相以上の相数で駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの固定子と同形状を示すとともに、円周方向の残りの角度に対応する固定子の領域においては、２相で駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの固定子と同形状を示す固定子構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子１回転あたりの平均トルクが向上するように構成されたスイッチト・リラクタンス・モータ（以下、ＳＲモータとも記す）に関するものである。

従来、上述した回転子と固定子とから構成されるＳＲモータの一例として、２相駆動のＳＲモータが知られている（非特許文献１、第２５〜２６頁参照）。このような２相駆動のＳＲモータにおいては、回転子の全ての突極で同時にトルクを発生させることができ、回転子の突極の半数にのみ同時にトルクを発生させる３相駆動のＳＲモータに比べて、回転子１回転当たりの平均トルクが大きい。
"Switched Reluctance Motors and their Control" (T.J.E.MILLER; MAGNA PHYSICS PUBLISHING OXFORD SCIENCE PUBLICATIONS)

しかしながら、従来の２相駆動のＳＲモータは、回転子と固定子との突極が完全に対向した角度付近、もしくは、完全に非対向の回転子角度付近において、インダクタンスの回転方向に対する変化がないため、トルクが発生できないという問題があった。これを解決し、全ての回転子角度でトルクを発生可能とした２相駆動のＳＲモータには、例えばステップドギャップ型ＳＲモータや、カム型ＳＲモータがある（非特許文献１、第２７〜２８頁参照）。これらのＳＲモータは回転子の突極の半径方向長さに、段差を設けたりテーパ状に変化させたりしている。これによってインダクタンスの回転方向に対する変化が発生し、全ての回転子角度においてトルクが発生可能となる。しかしながらこの方式においても、インダクタンスが常に変化する回転方向は一方向に限られており、逆転が困難という問題があった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、トルクを発生できない状態をなくし、逆転も可能なモータであって、回転子１回転あたりの平均トルクが向上するように構成されたスイッチト・リラクタンス・モータを提供しようとするものである。

本発明のスイッチト・リラクタンス・モータは、回転子と固定子とからなるスイッチト・リラクタンス・モータであって、３相以上の相数で駆動する第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部と、２相で駆動する第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部と、から構成されたことを特徴とするものである。

本発明では、３相以上の相数で駆動する第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部と、２相で駆動する第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部と、から構成されたことで、トルクを発生できない状態をなくし、逆転も可能なモータであって、回転子１回転あたりの平均トルクが向上するように構成されたスイッチト・リラクタンス・モータを得ることができる。

なお、本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの好適例としては、第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部の各突極が少なくとも１つ以上含まれる円周方向の角度に対応する固定子の領域においては、３相以上の相数で駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの固定子と同形状を示すとともに、円周方向の残りの角度に対応する固定子の領域においては、２相で駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの固定子と同形状を示す固定子構造を有することがある。このように構成することで、従来の３相駆動のＳＲモータに比べて同時にトルクが発生可能な回転子突極数が多くなるので、平均トルクを増加させることができる。さらに、従来の２相駆動のＳＲモータで課題であったトルクが発生しない回転子角度も存在せず、任意の方向にトルクを発生させることが可能となる。

また、本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの好適例としては、第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部の突極が配置される固定子の円周方向の角度に対応する領域が、第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部の突極が配置される固定子の円周方向の角度に対応する領域より大きいことがある。このように構成することで、２相駆動する固定子の範囲が多くなり、同時にトルクが発生可能な回転子突極数が増えるため、上述した効果に加えてより平均トルクを増加させることができる。

さらに、本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの好適例としては、第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部および第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部の突極を一相あたり偶数個備え、同相の各突極が回転子の軸心を中心とした点対称に配置されることがある。このように構成することで、回転子に発生する半径方向力が相殺され、半径方向力の不平衡を抑制することができる。

さらにまた、本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの好適例としては、第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部が、固定子が１２極、回転子が８極で３相駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの一部分であり、第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部が、固定子が１２極、回転子が８極で２相駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの一部分であることがある。このように構成することで、上述した種々の効果を具体化することができる。

また、本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの好適例としては、第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部が、固定子が１８極、回転子が１２極で３相駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの一部分であり、第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部が、固定子が２４極、回転子が１２極で２相駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの一部分であることがある。このように構成することで、上述した種々の効果を具体化することができる上に、上記具体化した構成より多極なため、トルクリップルの低減が期待できる。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１〜図４はそれぞれ本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの一実施例を説明するための図である。まず、構成について説明すると、図１に示す構成において、ＳＲモータ１は固定子２と回転子３とから構成されており、本例では、固定子２が１４極、回転子３が８極で、５相駆動するＳＲモータとなっている。固定子２は、図中点線より上部の領域２ａにおいては、固定子２が１２極、回転子３が８極で３相駆動するＳＲモータと同形状をなしており、図中点線より下部の領域２ｂにおいては、固定子２が１６極、回転子３が８極で２相駆動するＳＲモータと同形状をなしている。

図１に示す例において、８極の回転子３における突極の幅は機械角で１５°としている。なお、固定子２の全ての突極の幅も同じく機械角１５°としている。また、図１に示す例において、４ａは２相駆動用のＡ相巻線、４ｂは２相駆動用のＢ相巻線、４ｕは３相駆動用のＵ相巻線、４ｖは３相駆動用のＶ相巻線、４ｗは３相駆動用のＷ相巻線である。

続いて、本実施例におけるＳＲモータの駆動回路を図２を用いて説明する。図２に示す駆動回路において、１０ａから１０ｊはスイッチング素子、１１ａから１１ｊはダイオード、１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１２ａ、１２ｂは巻線電流センサ、１３は直流電源である。図２に示すように、各相巻線４ｕ、４ｖ、４ｗ、４ａ、４ｂは一般的なハーフブリッジ回路で直流電源１３に接続され、５相駆動する。

次に、本実施例における動作を説明する。図３にスイッチング素子１０ａから１０ｊの通電タイミングを示す。図３に示すタイミングチャートにおいて、ハイレベルがオンを意味し、ローレベルがオフを意味する。横軸は回転子３の機械角であり、図１に示した位置を機械角０°とし、反時計回りに機械角が増加するものとしている。各相とも、回転子３の突極が固定子２の突極と対向し始める角度から通電を開始し、完全に対向した角度で通電を終了する。

次に、本実施例における効果を説明する。図３のようなタイミングで一定の電流値Ｉ［Ａ］を通電した場合の各相トルク概略図を図４に示す。従来の、突極固定子が１２極、回転子が８極で３相駆動し、本実施例と同体格のＳＲモータが、回転子の突極が固定子の突極と対向し始める角度から、完全にひとつの突極に発生するトルクを１とする。

本実施例においては、図４に示すように、Ｖ相は回転子３の２つの突極に機械角１５°の範囲でトルクを発生させるので、機械角１回転あたりの平均トルクは２÷４５×１５＝０．６７となる。同様に、Ｗ相の平均トルクも０．６７、Ａ相とＵ相は通電タイミングが同じなので併せて６突極となり、平均トルクは２．０、Ｂ相は４突極で平均トルクは１．３３となり、モータ全体としての平均トルクは４．６７となる。一方、従来の、突極固定子が１２極、回転子が８極で３相駆動するＳＲモータは、常時４突極にトルクが発生しているので平均トルクは４．０となり、本実施例では同じ体格で約１７％トルクを増加させることが可能となる。

なお、上述した実施例では、各スイッチング素子を一定の回転子角度の間はオンし続けているが、一定の電流値を通電するために、ＰＷＭ制御やヒステリシスコンパレータ制御を仕様することも、もちろん可能である。また、通電開始角度や通電終了角度も図３の限りではなく、回転速度や直流電圧に応じてタイミングを前後させてもよい。

図５および図６はそれぞれ本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの他の例を説明するための図である。まず、構成について説明すると、図５に示す構成において、ＳＲモータ２１は固定子２２と回転子２３とから構成されており、本例では、固定子２２が２２極、回転子２３が１２極で、５相駆動するＳＲモータとなっている。固定子２２は、図５の機械角０°の位置から反時計回りに６０°の領域２２ａ、および、１８０°の位置から２４０°の領域２２ｃにおいては、固定子２２が１８極、回転子２３が１２極で３相駆動するＳＲモータと同形状をなしており、６０°から１８０°の領域２２ｂ、および、２４０°から３６０°の領域２２ｄにおいては、固定子２２が２４極、回転子２３が１２極で２相駆動するＳＲモータと同形状をなしている。

図５に示す例において、１２極の回転子２３における突極の幅は機械角で１０°としている。なお、固定子２２の全ての突極の幅も同じく機械角１０°としている。また、図５に示す例において、２４ａは２相駆動用のＡ相巻線、２４ｂは２相駆動用のＢ相巻線、２４ｕは３相駆動用のＵ相巻線、２４ｖは３相駆動用のＶ相巻線、２４ｗは３相駆動用のＷ相巻線である。

本実施例において、駆動回路及びその通電タイミングについては図１〜図４により説明した実施例と同様のため、ここではそれらの説明を割愛する。

次に、本実施例における効果を説明する。上述した実施例における図４と同様の手順でトルク計算したものを図６に示す。従来の、突極固定子１８極、回転子１２極で３相駆動し、本実施例と同体格のＳＲモータが、回転子の突極が固定子の突極と対向し始める角度から、完全に対向した角度の間に、その相の巻線に電流値Ｉ［Ａ］を通電したときの、回転子のひとつの突極に発生するトルクを１とする。

図６において、Ｖ相およびＷ相はそれぞれ２突極で平均トルクは０．６７、Ａ相は１０突極で平均トルクは３．３３、Ｂ相は８突極で平均トルクは２．６７となり、モータ全体としての平均トルクは７．３４となる。一方、従来の、突極固定子１８極、回転子１２極で３相駆動するＳＲモータは、常時６突極にトルクが発生しているので平均トルクは６．０となり、本実施例は同じ体格で約２２％トルクを増加させることが可能となる。

さらに、本実施例では、各相は回転子の軸心を中心とした点対称に配置されており、回転子に発生する半径方向力が相殺され、半径方向力の不平衡を抑制することができる。また、３相駆動する領域２２ａ、２２ｃより、２相駆動する領域２２ｂ、２２ｄの領域を多くしてあり、より平均トルクを増加させることができる構造となっている。

なお、上述したいずれの実施例においても、回転子突極と固定子突極との幅を同じとしたが、必ずしも同じとする必要は無い。

本発明のスイッチト・リラクタンス・モータによれば、３相以上の相数で駆動する第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部と、２相で駆動する第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部と、から構成しているため、トルクを発生できない状態をなくし、逆転も可能なモータであって、回転子１回転あたりの平均トルクが向上するように構成することができる。そのため、ＳＲモータにおいて、回転子１回転あたりの平均トルクを向上させるなどの用途に好適に用いることができる。

本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの一実施例を説明するための図である。図１に示す実施例におけるＳＲモータ駆動回路の一例を示す図である。図１に示す実施例におけるＳＲモータ駆動回路の通電タイミングの一例を示す図である。図１に示す実施例におけるＳＲモータのトルク概略を示す図である。本発明のスイッチト・リラクタンス・モータの他の実施例を説明するための図である。図５に示す実施例におけるＳＲモータのトルク概略を示す図である。

符号の説明

１、２１スイッチト・リラクタンス・モータ
２、２２固定子
３、２３回転子
４ａ、２４ａＡ相巻線
４ｂ、２４ｂＢ相巻線
４ｕ、２４ｕＵ相巻線
４ｖ、２４ｖＶ相巻線
４ｗ、２４ｗＷ相巻線
１０ａ〜１０ｊスイッチング素子
１１ａ〜１１ｊダイオード
１２ａ、１２ｂ、１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ巻線電流センサ
１３直流電源

Claims

回転子と固定子とからなるスイッチト・リラクタンス・モータであって、３相以上の相数で駆動する第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部と、２相で駆動する第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部と、から構成されたことを特徴とするスイッチト・リラクタンス・モータ。
第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部の各突極が少なくとも１つ以上含まれる円周方向の角度に対応する固定子の領域においては、３相以上の相数で駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの固定子と同形状を示すとともに、円周方向の残りの角度に対応する固定子の領域においては、２相で駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの固定子と同形状を示す固定子構造を有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。
第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部の突極が配置される固定子の円周方向の角度に対応する領域が、第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部の突極が配置される固定子の円周方向の角度に対応する領域より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部および第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部の突極を一相あたり偶数個備え、同相の各突極が回転子の軸心を中心とした点対称に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部が、固定子が１２極、回転子が８極で３相駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの一部分であり、第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部が、固定子が１２極、回転子が８極で２相駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの一部分であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
第１のスイッチト・リラクタンス・モータ部が、固定子が１８極、回転子が１２極で３相駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの一部分であり、第２のスイッチト・リラクタンス・モータ部が、固定子が２４極、回転子が１２極で２相駆動するスイッチト・リラクタンス・モータの一部分であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。