JP2008187830A - リラクタンスモータ用ロータ及びそれを備えるリラクタンスモータ - Google Patents

リラクタンスモータ用ロータ及びそれを備えるリラクタンスモータ Download PDF

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Abstract

【課題】負トルクの要因となる漏れ磁路の形成が抑制されてトルク低下の改善を図るリラクタンスモータ用ロータ及びそれを備えるリラクタンスモータを提供する。
【解決手段】本発明のロータ10は、複数の突極12を有する2つのバックヨーク11F,11Bを備え、これらバックヨーク11F,11Bをそれぞれ、互いの突極12F,12Bが互い違いとなるように部材13を介して組み合わせて同時に励磁される突極12F,12Bをそれぞれ突極群として繋ぐ2つの磁気回路系を形成すると共に、当該磁気回路系を形成するバックヨーク11F,11Bの相互間に、空隙14又は非磁性材料Mを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、リラクタンスモータ用ロータ及びそれを備えるリラクタンスモータに関するものである。
リラクタンスモータは、永久磁石等が不要で構造が簡単であり、高速回転も可能である等のことから車両の駆動源としての利用が期待されている。
その一方で、高速回転させる場合や大きなトルクを発生させる場合は、トルクリプルが大きく、本来得られるべきトルクに比べて、実際に得られるトルクが低下してしまうことが知られている。このため、高速回転させる場合や大きなトルクを発生させる場合は、各相における電流の増減速度を大きくとらなければならないが、こうした電流の速度の増減は、モータを駆動させる装置の電源電圧に依存するため、大きくとることができない。
これに対し、従来の技術には、電流の速度の増減幅を補償するため、所定の通電タイミングよりも早い電気角から通電を開始する、いわゆる、進角制御を行うことで、こうしたトルク低下の問題についての解決を図ろうとするものがある(例えば、特許文献1参照。)
特開2001−178092号公報
進角制御を行えば、インダクタンスが小さい角度で通電を開始するため、電流の立ち上がりも早く、トルクリプルの軽減に効果がある。
ところが、こうした従来の技術を用いた場合にあっても、以下に示すような問題があった。
図4は、一般的なスイッチドリラクタンスモータ(以下、「モータ」という。)1において、U相,V相又はW相のうち、任意の相で発生した磁束による影響を模式的に例示する断面図である。
ロータ2は、8つの突極2p1〜2p8に一体に繋がるプレート部材(以下、「バックヨーク」という。)2aを有し、図示のような位置にある状態で、ステータ3の突極3p1,3p4,3p7,3p10それぞれに回装させた図示せぬコイルに通電を行い、矢印D1,D2で示す方向に磁束を発生させてロータ2の突極2p1からバックヨーク2aを通って突極2p3からステータ3に抜ける磁気回路を形成すると、ロータ2には、矢印DTで示す方向にトルクが発生し、ロータ2を矢印Tの向きに回転させることができる。
しかしながら、実際には、図面上、12時の位置にある突極3p1で例示するように、ロータ2の突極2p1と隣り合う一方の突極2p8に、突極3p1と隣り合う偶数番目の突極3p12に向かう矢印D3で示す磁束も発生して漏れ磁路を形成すると共に、ロータ2の突極2p1と隣り合う他方の突極2p2にも、奇数番目の突極3p3に向かう矢印D4で示す磁束も発生して漏れ磁路を形成する。
こうした漏れ磁路は、電気角が進むに従い本来要求される矢印DT方向のトルクTに対する負トルクを発生させるため、結果的に、トルクの低下を招くという問題がある。特に、こうした現象は、高速回転させる場合や大きなトルクを発生させる場合は特に顕著に現れるため、結果的に、高速回転させる場合や大きなトルクを発生させる場合も、依然としてトルクの低下を招くという問題がある。
本発明は、こうした事実認識に基づいてなされたものであり、その解決すべき課題は、負トルクの要因となる漏れ磁路の形成が抑制されてトルク低下の改善を図るリラクタンスモータ用ロータ及びそれを備えるリラクタンスモータを提供することにある。
本発明は、回転軸の周りに間隔を空けて繋がる複数の突極を有し、周囲に発生させた磁界により、前記突極を励磁させて当該突極を通る磁気回路を前記回転軸の周りに順次形成し、その磁気抵抗の変化に応じて発生させたトルクを駆動力とするリラクタンスモータ用ロータにおいて、前記ロータは、同時に励磁される前記突極をそれぞれ突極群として繋いで磁気回路系を形成し、当該磁気回路系の相互間に、空隙又は磁気抵抗の高い材料を備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、前記ロータは、複数の突極を有する2つのプレート部材を備え、これらプレート部材をそれぞれ、互いの突極が互い違いとなるように組み合わせて前記磁気回路系を形成すると共に、当該磁気回路系を形成する前記プレート部材の相互間に、空隙又は磁気抵抗の高い材料、特に好適には非磁性材料を備えるものとすることができる。
また本発明によれば、前記ロータは、複数の突極を有する3つ以上のプレート部材を備え、これらプレート部材をそれぞれ、互いに隣り合う突極が互い違いとなるように組み合わせて前記磁気回路系を形成すると共に、当該磁気回路系を形成する前記プレート部材の相互間に、空隙又は磁気抵抗の高い材料、特に好適には非磁性材料を備えるものとすることもできる。
特に、複数の突極を有する3つのプレート部材を備える場合は、2つのプレート部材の突極それぞれを互いに整列させた状態で連結すると共に、これらプレート部材の相互間に、残りのプレート部材を、互いに隣り合う突極が互い違いとなるように組み合わせてなることが好ましい。
また、本発明のロータにおいて、前記プレート部材は、その突極にそれぞれ外壁が形成されていることが好ましい。
更に本発明は、前記プレート部材の相互間を磁気抵抗の高い部材、特に好適には非磁性体からなる部材で連結することが好ましい。
加えて本発明によれば、前記プレート部材は、その突極の基部が、前記回転軸の周方向に沿って裾野を広げる外観形状を有することが好ましい。
更に加えて本発明によれば、前記プレート部材は、その突極の基部が、前記回転軸の軸線方向に沿って裾野を広げる外観形状を有し、前記突極の相互間に位置する内縁部は、当該突極の外観形状に対する逃げとなる外観形状を有することが好ましい。
本発明であるリラクタンスモータは、上述のロータと、複数の突極を有するステータとを備えるリラクタンスモータであって、前記ロータの突極数と前記ステータの突極数との比が2:3であることを特徴とするものである。
本発明であるリラクタンス用ローラは、同時に励磁される前記突極を突極群として繋いで磁気回路系を形成し、当該磁気回路系の相互間に、空隙又は磁気抵抗の高い材料、特に好適には非磁性材料を備えることにより、ある突極群を励磁させるときにその磁束が与える他の突極群への影響を大幅に低減させることができるため、結果として、他の突極群における漏れ磁路の形成も大幅に低減させることができる。
従って、本発明であるリラクタンス用ローラによれば、高速回転させる場合や大きなトルクを発生させる場合にあっても、負トルクの要因となる漏れ磁路の形成が抑制され、トルク低下の改善に有効なリラクタンスモータ用ロータを提供することができる。
また、本発明は、複数の突極を有する2つのプレート部材を備え、これらプレート部材をそれぞれ、互いの突極が互い違いとなるように組み合わせて前記磁気回路系を形成することにより、プレート部材として同一のものが使用できる。即ち、ロータを構成する部品の一部を共通化できるため、コストの低減を図ることができる。
本発明に係る前記ロータは、複数の突極を有する3つ以上のプレート部材を備え、これらプレート部材をそれぞれ、互いに隣り合う突極が互い違いとなるように組み合わせてなるから、突極が片持ち梁になっていても、当該突極の長さを短くできるので、ロータ全体についての構造的な強度を増加させることができる。更にこの場合、本発明のロータが、複数の突極を有する3つのプレート部材を備え、2つのプレート部材の突極それぞれを互いに整列させた状態で連結すると共に、これらプレート部材の相互間に、残りのプレート部材を、互いに隣り合う突極が互い違いとなるように組み合わせてなるものとすれば、ロータ全体についての構造的な強度を更に増加させることができる。
更に、本発明において、前記プレート部材は、その突極にそれぞれ外壁を形成したことにより、より大きな磁気回路を形成することができる。
ところで、本発明に係るロータを複数のプレート部材で構成した場合、各プレート部材の相互間が空隙であれば、当該プレート部材の相互間を部材で連結する必要があるが、この連結部材での漏れ磁路も考慮することが好ましい。そこで、プレート部材の相互間を磁気抵抗の高い材料等によりなる部材で連結すれば、負トルクの要因となる漏れ磁路の形成を更に抑制することができる。
また、リラクタンス用ロータは、偶数個の突極を有し、突極群が突極の偶数番目と奇数番目とで構成される場合、プレート部材における突極の基部では、この突極の基部で磁気飽和を発生してしまう。そこで、本発明のロータでは、プレート部材における突極の基部を、回転軸の周方向に沿って裾野を広げる外観形状を有するものとすれば、突極の基部における断面が大きくなるため、この部分での磁気飽和を防止することができる。
更に、本発明において、前記プレート部材の一方は、その突極の基部が、前記回転軸の軸線方向に沿って裾野を広げる外観形状を有し、前記プレート部材の他方は、前記突極の相互間に位置する内縁部が、当該突極の外観形状に対する逃げとなる外観形状を有するようにすれば、突極を片持ち支持している構造に対する強度を向上させることができる。
また、本発明であるリラクタンスモータは、上述したロータと、複数の突極を有するステータとを備え、前記ロータの突極数と前記ステータの突極数との比が2:3であるから、上述したような優れた効果を奏する出力効率の良いリラクタンスモータを提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明であるリラクタンスモータ用ロータ及びそれを備えるリラクタンスモータを説明する。
図1(a)〜(c)はそれぞれ、本発明であるリラクタンスモータ用ロータ(以下、「ロータ」という。)10の第一の形態を模式的に示す正面図、左側面図及び斜視図である。
図1において、符号11は、互いを組み合わせることによりロータ10を形成するプレート部材(以下、「バックヨーク」という。)である。なお、図においては、一方を符号11F、他方を符号11Bにて示すが、以下の説明では、明示しない限り、便宜上、バックヨーク11として説明する。
バックヨーク11は、図示せぬ一方の回転シャフトが固定され、その外周に沿って間隔を空けて繋がる4つの突極12を有し、突極12はそれぞれ、図1(a),(c)に示すように、バックヨーク11に繋がる基部12aを有し、この基部12aに回転軸Oに沿って互いに向かい合うように伸びる外壁12bが形成されている。
これにより、ロータ10は、図1(a)に示すように、2つのバックヨーク11F,11Bをそれぞれ、互いの突極12F,12Bが互い違いとなるように組み合わせて、当該バックヨーク11F,11Bを部材13で一体に連結すると共に、バックヨーク11F,11Bの相互間に、空隙14を形成してなる。空隙14には、磁気抵抗の高い材料からなる部材、好適には、非磁性体Mを備えることが好ましい。
これにより、1つのロータ10を形成する一方のバックヨーク11Fは、図1(a)の符号Dに示すように、4つの突極12Fが、同時に励磁される突極群として繋がって磁気回路系を形成し、他方のバックヨーク11Bにも、4つの突極12Bが、同時に励磁される突極群としてバックヨーク11Bに繋がって異なる磁気回路系を形成するが(図示省略。)、突極12F,12Bは互いに異なるバックヨーク11F,11Bに繋がるため、例えば、図1(a)に示すような場合、突極12Fに隣り合う突極12Bとの間での漏れ磁路は、破線で示すように途絶えて短絡することはない。
即ち、ローラ10は、8つの突極12を有する構成であるが、4つの突極12F,12Bをそれぞれ同時に励磁される突極群として異なるバックヨーク11F,11Bに繋いで2つの磁気回路系を形成し、バックヨーク11F,11Bの相互間に、空隙14又は磁気抵抗の高い材料(特に好適には非磁性材料)Mを備えることにより、例えば、突極12Fを励磁させるときにその磁束が突極12Bに与える影響を大幅に低減させることができるため、結果として、突極12Bにおける漏れ磁路の形成も大幅に低減させることができ、逆に突極12Bを励磁させるときにも、突極12Fにおける漏れ磁路の形成も大幅に低減させることができる。
従って、ローラ10によれば、高速回転させる場合や大きなトルクを発生させる場合にあっても、負トルクの要因となる漏れ磁路の形成が抑制され、トルク低下の改善に有効なリラクタンスモータ用ロータを提供することができる。
また、ローラ10は、複数の突極12を有する2つのバックヨーク11F,11Bを備え、これらバックヨーク11F,11Bをそれぞれ、互いの突極が互い違いとなるように組み合わせて2つの磁気回路系を形成することにより、バックヨーク11F,11Bとして同一のものが使用できる。即ち、ロータ10を構成する部品の一部を共通化できるため、コストの低減を図ることができる。
また、突極12は、基部12aのみで構成することも可能であるが、ローラ10では、突極12にそれぞれ外壁12bを形成している。こうした構成によれば、より大きな磁気回路を形成することができる。
ところで、本発明に係るロータ10を複数のバックヨーク11F,11Bで構成した場合、バックヨーク11F,11Bの相互間が空隙14であれば、当該バックヨーク11F,11Bの相互間を部材13で連結する必要があるが、この連結部材13での漏れ磁路も考慮することが好ましい。そこで、本ロータ10では、部材13を磁気抵抗の高い材料(特に非磁性体)M等によりなるものとしてバックヨーク11F,11Bの相互間を連結すれば、負トルクの要因となる漏れ磁路の形成を更に抑制することができる。
図2(a)〜(c)はそれぞれ、本発明の第二の形態であるロータ20を模式的に示す正面図、左側面図及び斜視図である。なお、第一の形態と同一部分は同一符号をもってその説明を省略する。
ロータ20は、形状の共通な2つのバックヨーク22aと、これらバックヨーク22に介在する1つのバックヨーク22bとを備える。
2つのバックヨーク22aは、図2(a)に示すように、それぞれの外周から突出した部位(以下、「基部」という。)を互いに整列させた状態で連結することにより、突極23を形成している。更に詳細には、2つのバックヨーク22aにはそれぞれ、回転軸O周りに間隔を空けて繋がる4つの基部23aを有し、この互いの基部23aを回転軸Oに沿って伸びる外壁23bで連結している。
バックヨーク22bも、その外周に沿って間隔を空けて繋がる4つの突極24を有し、突極24はそれぞれ、図2(a),(c)に示すように、バックヨーク22bに繋がる基部24aを有し、この基部24aに回転軸Oに沿って互いに向かい合うように伸びる外壁24bが形成されている。
ロータ20は、2つのバックヨーク22aの相互間に、残りのバックヨーク22bを、互いに隣り合う突極23,24が互い違いとなるように組み合わせて、バックヨーク22a,22bをそれぞれ部材13で一体に連結すると共に、バックヨーク22a,22bの相互間に、空隙14を形成してなる。空隙14には、第一の形態と同様、磁気抵抗の高い材料からなる部材(好適には、非磁性体)Mを備えることが好ましい。
これにより、ロータ20を形成する2つのバックヨーク22aには、図2(a)の符号Dに示すように、4つの突極23が、同時に励磁される突極群として繋がって磁気回路系を形成し、残りのバックヨーク22bにも、4つの突極24が、同時に励磁される突極群として繋がって磁気回路系を形成するが(図示省略。)、突極23,24は互いに異なるバックヨーク22a,22bに繋がるため、例えば、図2(a)に示すような場合、突極23に隣り合う突極24との間での漏れ磁路は、破線で示すように途絶えて短絡することはない。
即ち、ローラ20も、8つの突極23,24を有する構成であるが、4つの突極23,24をそれぞれ同時に励磁される突極群として異なるバックヨーク22a,22bに繋いで2つの磁気回路系を形成し、バックヨーク22a,22bの相互間に、空隙14又は磁気抵抗の高い材料(特に好適には非磁性材料)Mを備えることにより、例えば、突極23を励磁させるときにその磁束が突極24に与える影響を大幅に低減させることができるため、結果として、突極24における漏れ磁路の形成も大幅に低減させることができる。
従って、ローラ20によれば、高速回転させる場合や大きなトルクを発生させる場合にあっても、負トルクの要因となる漏れ磁路の形成が抑制され、トルク低下の改善に有効なリラクタンスモータ用ロータを提供することができる。
なお、ロータ20の基本思想を鑑みれば、少なくとも、複数の突極を有する3つ以上のプレート部材を備え、これらプレート部材をそれぞれ、互いに隣り合う突極が互い違いとなるように組み合わせてなるものであればよい。この場合、突極が片持ち梁になっていても、当該突極の長さを短くできるので、ロータ全体についての構造的な強度を増加させることができる。更にこの場合、本形態のロータ20のように、複数の突極23,24を有する3つのバックヨーク22a,22bを備え、2つのバックヨーク22aの突極23それぞれを互いに整列させた状態で連結すると共に、これらバックヨーク22aの相互間に、残りのバックヨーク22bを、互いに隣り合う突極23,24が互い違いとなるように組み合わせてなるものとすれば、ロータ20全体についての構造的な強度を更に増加させることができる。
図3(a),(b)はそれぞれ、本発明の第三の形態であるロータ30を模式的に示す正面図及び、そのX−X断面図である。なお、他の形態と同一部分は同一符号をもってその説明を省略する。
本ロータ30は、第一の形態であるロータ10の変形例であって、図3(a)に示すように、バックヨーク11F,11Bの正面形状がそれぞれ、直線及び曲線で構成されたほぼ正四角形に近い形状を有する。
更に、一方のバックヨーク12Fは、図3(a)の図面に向かって右側の突極12Fに例示するように、その基部12aがそれぞれ、回転軸Oの周方向に沿って傾斜して裾野を広げる外観形状を有する両側面frをなす。
リラクタンス用ロータは、図4で説明したように、偶数個の突極2p1〜2p8を有し、突極群が突極2pの偶数番目2p2,2p4,2p6,2p8と奇数番目2p1,2p3,2p5,2p7とで構成される場合、同図の符号Bとして例示する各突極2pの基部では、この突極2pの基部で磁気飽和を発生してしまう。そこで、本発明のロータ30では、突極12Fにおける基部12aの2つの側面frそれぞれを、回転軸Oの周方向に沿って裾野を広げる外観形状を有するものとすることで、突極12Fの基部12bにおける断面が大きくなるため、この部分での磁気飽和を防止することができる。
更に、他方のバックヨーク12Bは、図3(b)に示すように、突極12Bの基部12bがそれぞれ、回転軸Oに沿って径方向内側に向かって傾斜して裾野を広げる外観形状を有する軸方向面fsをなす。これに対し、バックヨーク12Fは、図3(b)に示すように、突極12Fの相互間に位置して突極12Bに対向する内縁部11eがそれぞれ、軸方向面fsに沿って平行に傾斜して突極12Bの外観形状に対する逃げとなる外観形状を有する。
即ち、本ロータ30に係る一方のバックヨーク12Bの突極12Bは、その基部12aがそれぞれ、回転軸Oの軸線方向に沿って裾野を広げる外観形状を有する一方、本ロータ30に係る他方のバックヨーク12Fは、その内縁部11eがそれぞれ、突極12Bの外観形状に対する逃げとなる外観形状を有するため、突極を片持ち支持している構造に対する強度を向上させることができる。
なお、本ロータ30では、バックヨーク11F,11Bの突極12F,12Bをそれぞれ、異形としたが、第一の形態と同様、バックヨーク11Bをバックヨーク11Fと共通化して互いに組み合わせてもよい。
即ち、本発明であるリラクタンス用ローラは、同時に励磁される突極を突極群として繋いで異なる磁気回路系を形成し、当該磁気回路系の相互間に、空隙又は磁気抵抗の高い材料、特に好適には非磁性材料を備えることにより、ある突極群を励磁させるときにその磁束が与える他の突極群への影響を大幅に低減させることができるため、結果として、他の突極群における漏れ磁路の形成も大幅に低減させることができる。
従って、本発明であるリラクタンス用ローラによれば、高速回転させる場合や大きなトルクを発生させる場合にあっても、負トルクの要因となる漏れ磁路の形成が抑制され、トルク低下の改善に有効なリラクタンスモータ用ロータを提供することができる。
また、上述した本発明に係るロータ10〜30と、図4で例示したような複数の突極3pを有するステータ3とを備え、本発明に係るロータ10〜30の突極数とステータ3の突極数との比が2:3であるから、上述したような優れた効果を奏する出力効率の良いリラクタンスモータを提供することができる。
上述したところは、本発明の好適な形態であるが、請求の範囲内において、種々の変更を加えることができる。例えば、上述した各形態のロータは、その突極が偶数個であって、突極群をそれぞれ、偶数群と奇数群とに分けて励磁されるものであるが、突極の個数及び励磁方法は様々に変更することができる。また、上述した各形態に採用されている様々な構成は、目的及び用途に応じて、適宜組み合わせや置換等の変更を行うことができる。
(a)〜(c)はそれぞれ、本発明であるリラクタンスモータ用ロータの第一の形態を模式的に示す正面図、左側面図及び斜視図である。 (a)〜(c)はそれぞれ、本発明の第二の形態であるロータを模式的に示す正面図、左側面図及び斜視図である。 (a),(b)はそれぞれ、本発明の第三の形態であるロータ30を模式的に示す正面図及び、そのX−X断面図である。 一般的なスイッチドリラクタンスモータにおいて、U相,V相又はW相のうち、任意の相で発生した磁束による影響を模式的に例示する断面図である。
符号の説明
1 リラクタンスモータ
2 ロータ
3 ステータ
3p ステータ突極
10 ロータ(第一の形態)
11 バックヨーク(プレート部材)
12 突極
12a 突極基部
12b 突極外壁
13 連結部材
14 空隙
20 ロータ(第二の形態)
22a バックヨーク(プレート部材)
22b バックヨーク(プレート部材)
23 突極
23a 突極基部
23b 突極外壁
24 突極
24a 突極基部
24b 突極外壁
23 連結部材
fr 突極側面
fs 突極軸方向面
M 磁気抵抗の高い材料(非磁性材料)
O 回転軸

Claims (9)

  1. 回転軸の周りに間隔を空けて繋がる複数の突極を有し、周囲に発生させた磁界により、前記突極を励磁させて当該突極を通る磁気回路を前記回転軸の周りに順次形成し、その磁気抵抗の変化に応じて発生させたトルクを駆動力とするリラクタンスモータ用ロータにおいて、
    前記ロータは、同時に励磁される前記突極を突極群として繋いで磁気回路系を形成し、当該磁気回路系の相互間に、空隙又は磁気抵抗の高い材料を備えることを特徴とするリラクタンスモータ用ロータ。
  2. 請求項1において、前記ロータは、複数の突極を有する2つのプレート部材を備え、これらプレート部材をそれぞれ、互いの突極が互い違いとなるように組み合わせなることを特徴とするリラクタンスモータ用ロータ。
  3. 請求項1において、前記ロータは、複数の突極を有する3つ以上のプレート部材を備え、これらプレート部材をそれぞれ、互いに隣り合う突極が互い違いとなるように組み合わせてなることを特徴とするリラクタンスモータ用ロータ。
  4. 請求項3において、前記ロータは、複数の突極を有する3つのプレート部材を備え、2つのプレート部材の突極それぞれを互いに整列させた状態で連結すると共に、これらプレート部材の相互間に、残りのプレート部材を、互いに隣り合う突極が互い違いとなるように組み合わせてなることを特徴とするリラクタンスモータ用ロータ。
  5. 請求項2乃至4のいずれか一項において、前記プレート部材は、その突極にそれぞれ外壁が形成されていることを特徴とするリラクタンスモータ用ロータ。
  6. 請求項2乃至5のいずれか一項において、前記プレート部材の相互間を磁気抵抗の高い部材で連結したことを特徴とするリラクタンスモータ用ロータ。
  7. 請求項2乃至6のいずれか一項において、前記プレート部材は、その突極の基部が、前記回転軸の周方向に沿って裾野を広げる外観形状を有することを特徴とするリラクタンスモータ用ロータ。
  8. 請求項2乃至6のいずれか一項において、前記プレート部材は、その突極の基部が、前記回転軸の軸線方向に沿って裾野を広げる外観形状を有し、前記突極の相互間に位置する内縁部は、当該突極の外観形状に対する逃げとなる外観形状を有することを特徴とするリラクタンスモータ用ロータ。
  9. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の前記ロータと、複数の突極を有するステータとを備えるリラクタンスモータであって、
    前記ロータの突極数と前記ステータの突極数との比が2:3であることを特徴とするリラクタンスモータ。
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