JP2009033886A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチトリラクタンスモータの小型化や部品点数の削減を図りつつ、空冷可能な構成を提供する。
【解決手段】スイッチトリラクタンスモータは、ロータ極４１を形成するロータコア４２がコアプレート４４，４５を回転積層させることで製造されている。各コアプレート４４，４５には、ロータ極４１を形成する突片４６が複数設けられており、突片４６のそれぞれには８種類の孔５１〜５８が１つずつ形成されている。８種類の孔５１〜５８は、回転方向でずれた位置に形成されているので、コアプレート４４，４５を回転積層すると、孔５１〜５８が連通して通気孔６１を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、スイッチトリラクタンスモータに関する。

スイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）は、ステータのコイルに通電して突極を備えるロータを回転させるもので、永久磁石を使用しないことから、高速回転や、高温環境下での使用に適している。ＳＲモータは、ステータ極とロータ極が近接しているときに、そのステータ極に巻装されたコイルを励磁させると、ロータ極がステータ極に引き付けられることでトルクが発生する。ロータ極を引き寄せるステータ極を適宜切り替えればロータを連続的に回転させることができる。
ここで、従来のＳＲモータのロータには、回転トルクに寄与する磁束の成分を減じることなく、ラジカル力を低減できるように空隙を形成することで騒音を抑制するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、従来のＳＲモータには、ロータの回転によって軸流を形成することでＳＲモータを冷却するような軸流ファンが取り付けられているものがある。軸流ファンは、ロータの軸線の方向の両端部のそれぞれに１つずつ取り付けられている。ロータを回転させると軸流ファンも一緒に回転し、軸流が形成されてコイルの放熱が促進される。
特開２００２−１０５９３号公報

しかしながら、軸流ファンをロータの両端部のそれぞれに取り付けていたので、ＳＲモータの軸長が長くなっていた。また、軸流ファンによって部品点数が多くなると共に、取り付けに工数を要していた。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ＳＲモータの小型化や部品点数の削減を図りつつ、空冷可能な構成を提供することを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、突極状のステータ極にコイルを巻装したステータと、シャフトに突極状のロータ極を有するロータコアを固定した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、前記ロータ極に、前記ロータの回転方向に対して傾斜しつつ前記ロータ極を貫通する通気孔を設けたことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータとした。
このスイッチトリラクタンスモータは、ロータを回転させると、ロータ極に設けてある通気孔を流れる気流が形成される。この気流によってステータ側のコイルなどで発生した熱が放熱させられる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記ロータコアは、板状のコアプレートを積層して構成されており、前記コアプレートには、前記ロータ極を形成する突片が複数設けられており、それぞれの前記突片には、前記通気孔を形成する孔又は切り欠きが１つずつ周方向で位置をずらして形成されており、前記コアプレートを軸線回りに回転積層して前記孔又は切り欠きを連通させることで前記通気孔が形成されていることを特徴とする。
このスイッチトリラクタンスモータでは、コアプレートを孔が一部連通するように回転積層させることで、通気孔が形成されている。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記孔又は切り欠きは、前記ロータ極の径方向の略中央に形成されていることを特徴とする。
このスイッチトリラクタンスモータは、磁束の通路が確保され、トルクの低下が防止される。

請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３に記載のスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記通気孔を形成する周方向で位置が異なる前記孔又は切り欠きの種類は、前記ロータの突極数の２倍であることを特徴とするに記載のスイッチトリラクタンスモータ。
このスイッチトリラクタンスモータは、１つ１つの孔の開口面積を小さくできるので磁束に与える影響が抑えられる。

請求項５に係る発明は、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記孔又は切り欠きが同じ位置に配されるように複数ずつ積層した前記コアプレートを回転方向の位置を変えながら重ねて前記連通孔を形成したことを特徴とする。
このスイッチトリラクタンスモータは、同じ位置に形成された孔が連続して配置され、連続した孔同士を連通させることで通気孔が形成される。通気孔の傾斜角度を所望の角度に調整し易くなる。

請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５に記載のスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記通気孔は、回転方向に対して２０〜３０°傾斜していることを特徴とする。
このスイッチトリラクタンスモータでは、通気孔による気流を形成し易くなって、冷却効果が向上する。

本発明によれば、従来のように軸流ファンを別構成として設ける必要がなくなって、部品点数を削減できる。軸流ファンが不要になるので、軸長を短くできる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、スイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）１は、ステータ２と、ステータ２の両端部を閉塞するフロントブラケット３及びリアブラケット４と、ステータ２内に配置され、両ブラケット３，４に回転自在に支持されるロータ５とを備える。

図１及び図２に示すように、ステータ２は、円筒のステータケース１１の内周にステータコア１２が固定されている。ステータコア１２は、例えば電磁素鋼板の積層体からなる。ステータケース１１の外周側はステータケース１１の内周に沿ってリング形状を有すると共に、内周側に回転中心に向かって突極（以下、ステータ極という）１３が一体に延設されている。この実施の形態では、６つのステータ極１３が周方向の等間隔に設けられており、その各々にコイル１４が装着されている。コイル１４は、絶縁被覆された導線をステータ極１３に巻き回して形成されている。なお、導線とステータ極１３の絶縁を確保するために不図示のインシュレータをステータ極１３とコイル１４の間に挿入しても良い。

図１に示すように、フロントブラケット３は、中央にロータ５のシャフト１５を通す孔２１が形成されると共に、シャフト１５を回転自在に支持するベアリング２２の外輪が圧入固定されている。ベアリング２２とフロントブラケット３の間にはウェーブワッシャ２３が挿入されており、ベアリング２２の内輪をリアブラケット４側に押圧している。さらに、中央の孔２１を中心とする同心円上に、貫通孔２４が複数、所定の間隔で形成されている。これら貫通孔２４は、外気をＳＲモータ１内に取り込んだり、ＳＲモータ１外に排出したりするために使用される。フロントブラケット３の外周部は、ステータケース１１に挿入されるインロー部２５になっている。フロントブラケット３と、ステータ２と、リアブラケット４は、セットボルト２６で固定されている。

リアブラケット４は、中央にロータ５のシャフト１５を通す孔３１が形成されると共に、シャフト１５を回転自在に支持するベアリング３２が圧入固定されている。孔３１の周縁部には、ロータ５の回転位置を検出するレゾルバ３３のレゾルバステータ３３Ａが固定されている。レゾルバステータ３３Ａは、ロータ５側に固定されたレゾルバロータ３３Ｂの位置に応じて電気信号を出力するように構成されている。さらに、リアブラケット４には、中央の孔３１を中心とする同心円上に、貫通孔３５が複数、所定の間隔で形成されている。これら貫通孔３５は、外気をＳＲモータ１内に取り込んだり、ＳＲモータ１外に排出したりするために使用される。リアブラケット４の外周部は、ステータケース１１に挿入されるインロー部３６になっている。

図１及び図２に示すように、ロータ５は、シャフト１５が２つのブラケット３，４を貫通すると共に、ベアリング２２，３２に回転自在に支持されている。シャフト１５には、径方向に突出する突極（以下、ロータ極という）４１を備えるロータコア４２が固定されている。図３に示すように、この実施の形態では、ロータコア４２は、中央に孔４３を有し、ロータ極４１が周方向に等間隔に４つ突設されている。ロータコア４２は、強磁性体のコアプレート４４，４５を積層した構成を有する。コアプレート４４，４５は、ロータ極４１を構成する突片４６のそれぞれを軸線方向に貫通する孔５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８が１つずつ形成されている。これらの孔５１〜５８の配置が異なる第１のコアプレート４４と第２のコアプレート４５を積層させることでロータコア４２が形成される。

図４に示すように、第１のコアプレート４４は、矢印に示す回転方向で突片４６の前側の側部４６Ａに開放端が形成される切り欠き状の第１の孔５１から、反時計回りに第２の孔５２と、第３の孔５３と、第４の孔５４を有する。各孔５１〜５４は、１つの突片４６に１つずつ、かつ中央の孔４７を中心とする同心円上に形成されている。径方向では、突片４６の径の略半分に相当する位置に各孔５１〜５４が形成されている。
周方向での各孔５１〜５４の形成位置は、第１の孔５１から第４の孔５４の順番に突片４６内での周方向の位置が矢印に示す回転方向と反対側に向かってずれている。つまり、第１の孔５１が最も前側の側部４６Ａに形成されており、第４の孔５４が時計回りで後側の側部４６Ｂ寄りに形成されている。しかしながら、第４の孔５４の形成位置は、突片４６の周方向の中心よりも前側の側部４６Ａ側にある。さらに、各孔５１〜５４の周方向の幅は、第１の孔５１、第２の孔５２、第３の孔５３、第４の孔５４の順番に大きくなっている。

図５に示すように、第２のコアプレート４５は、突片４６の周方向の略中心に形成された第５の孔５５から、半時計回りに第６の孔５６と、第７の孔５７と、第８の孔５８を有する。各孔５５〜５８は、１つの突片４６に１つずつ、かつ中央の孔４７を中心とする同心円上に形成されている。径方向では、突片４６の長さの略半分に相当する位置に各孔５５〜５８が形成されている
周方向での各孔５５〜５８の形成位置は、第５の孔５５から第８の孔５８の順番に突片４６内での周方向の位置が周方向の位置が矢印に示す回転方向と反対側に向かってずれている。つまり、第５の孔５５が最も前側の側部４６Ａに形成されており、第８の孔５８が最も後ろ側の側部４６Ｂに形成されている。第８の孔５８は、側部４６Ｂに開口しており、切か欠き状になっている。さらに、各孔５５〜５８の周方向の幅は、第５の孔５５、第６の孔５６、第７の孔５７、第８の孔５８の順番に大きくなっている。最も幅狭の第５の孔５５でも前記の第４の孔５４より幅が大きい。

ここで、各コアプレート４４，４５の幅は、回転方向の前側に比べて後ろ側が長くなっている。具体的には、突片４６の回転方向の前側の隅部と、各コアプレート４４，４５の中心を通る仮想線とのなす角度をαとし、突片４６の回転方向の後ろ側の隅部と同じ仮想線とのなす角度をβとしたとき、α＜βである。このようにすることで、ロータ５を安定して回転させることができる。さらに、各突片４６の外形は、孔５１〜５８を設ない従来の突片に比べて大きくなっている。これは、孔５１〜５８があっても磁束を十分に流すことができるようにするためである。

ロータコア４２は、第１のコアプレート４４を回転積層したものと、第２のコアプレート４５を回転積層したものを交互に重ねることで製造されている。図３には、理解を容易にするために、第１のコアプレート４４を４枚回転積層したものと、第２のコアプレート４５を４枚回転積層したものを交互に積層した例が示されている。この例では、１つのロータ極４１を階段状に斜めに貫通する通気孔６１が形成される。通気孔６１は、ロータコア４２の軸長に合わせて複数形成される。通気孔６１の入口と出口は、それぞれ切り欠き状の孔５１と孔５８から構成されているので、空気の取り込みや排出が可能になっている。なお、孔５１〜５８の組み合わせによっては、連通させずに通気孔６１が形成されない領域も生じるが、コアプレート４４，４５の回転積層によって各ロータ極４１に対して少なくとも１つの通気孔６１を形成することができる。

後に詳細を説明するように通気孔６１の角度を調整するときは、同じコアプレート４４，４５を孔５１〜５８が一致するように積層したものを回転積層すれば良い。例えば、第１のコアプレート４４を孔５１〜５４が一致するように複数枚積層したものを１セットとし、１セットずつ４回転積層したものと、第２のコアを孔が一致するように複数枚積層したものを１セットとして４セット回転積層したものと交互に積層する。この場合の複数枚は、例えば、２枚から１０枚程度にする。コアプレート４４，４５を一枚ずつ回転積層した場合に比べて、回転方向に対する通気孔６１の傾斜角度が小さくなる。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
ＳＲモータ１を駆動させるときは、不図示の制御装置からコイル１４に電圧を印加する。コイル１４に電流を流すと、そのコイル１４が巻装されているステータ極１３が励磁され、近接するロータ極４１がステータ極１３に引き付けられてロータ５が回転する。ロータ５の回転は、レゾルバ３３のレゾルバステータ３３Ａから出力される信号で計測されるので、制御装置が次に励磁すべきコイル１４を選択して電圧を印加させ、そのステータ極１３に近接するロータ極４１を引き付ける。このような制御を行うことで、ロータ５が連続して回転する。

ロータ５が回転することでロータ極４１に形成された通気孔６１も回転移動する。その結果、通気孔６１の入口側と出口側との間に圧力差が生じ、通気孔６１を通る気流が形成される。気流が形成されることで、外気が例えば、フロントブラケット３の貫通孔２４からＳＲモータ１内に吸い込まれ、通気孔６１を通り、リアブラケット４の貫通孔３５からＳＲモータ１外に噴き出される。ロータ５は、第１の孔５１が回転方向の前側になり、第８の孔５８が回転方向の後側になる向きに回転させる。気流は、１つのロータ極４１の最もフロント側の通気孔６１を通って、第８の孔５８から排出される。ロータ５が回転することで、回転方向で１つ後ろのロータ極４１のフロント側から２段目の通気孔６１の第１の孔５１から通気孔６１内に入り、第８の孔５８から排出される。このようにして流れる気流によってＳＲモータ１が冷却される。

通気孔６１は、ロータ極４１の径方向の長さの略半分の位置に形成されているので、ステータ極１３とロータ極４１を通る磁束、特に図６に示すようにロータ極４１がステータ極１３に吸い寄せられるときに、ロータ極４１の角部分を通る磁束（矢印参照）の妨げにならない。このため、トルクの低下が抑制される。

ここで、通気孔６１の実施例を示す。
図７に示すロータコア４２は、第１、第２のコアプレート４４，４５を厚さが０．３５ｍｍの珪素鋼板から製造し、同じコアプレート４４，４５を孔５１〜５８が一致するように５枚ずつ重ねた。つまり、１つのロータ極４１に着目すると、第１の孔５１が５枚分連なり、続いて第２の孔５２が５枚分連なる。第１の孔５１と第２の孔５２は、回転方向（幅方向）で一部が重なるので、第１の孔５１と第２に孔５２は連通する。以降、第３の孔５３から第８の孔５８までが５枚ずつ配置される。各孔５１〜５８の幅は、第１の孔５１から第８の孔５８まで順番に、４ｍｍ、４．５ｍｍ、５ｍｍ、５．５ｍｍ、６ｍｍ、６．５ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍとした。ロータ極４１の幅は、通気孔６１を形成しても必要な磁束を流せるように、２８〜３２ｍｍとした。これによって、回転方向に対する傾斜角度、つまり軸線に直交する平面に対する傾斜角度γが約２７°の通気孔６１が得られた。このような通気孔６１は、良好な気流を形成することができた。
なお、通気孔６１の傾斜角度γは、２０°〜３０°の範囲であれば、良好な気流を形成することができた。また、厚さ０．３５ｍｍの珪素鋼板でコアプレート４４，４５を製造した場合には、各孔５１〜５８について４枚〜６枚重ねて通気孔６１を形成すると、取り入れ口の面積が確保され、気流が形成し易くなった。

この実施の形態によれば、回転方向に開口し、軸線方向に対して傾斜する通気孔６１をロータ極４１に形成したので、ロータ５を回転さることで気流を形成することができ、コイル１４で発生した熱を効率良く外部に放出させることが可能になる。従来のような軸流ファンが不要になるので、軸長を短くできる。さらに、部品点数を削減できるので、低コスト化が図れる。
４つのロータ極４１に対して形成位置の異なる８つの孔５１〜５８で１つの通気孔６１を形成するようにしたので、各コアプレート４４，４５においてロータ極４１の幅に対して孔５１〜５８が占める割合を小さくでき、通気孔６１の形成による特性悪化を防止できる。

なお、本発明は前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、孔５１〜５８の種類は、突極数の２倍以上であれば良く、８つに限定されない。
ロータ極の隅部の角度がα＝βにしたときは、１種類のコアプレートのみで通気孔を形成できる。この場合は、コアプレートの各孔を同じ幅で位置をずらして作成し、最初の四枚を回転積層した後、上下を反転させてからさらに四枚回転積層させる。

本発明の実施の形態に係るスイッチトリラクタンスモータの構成を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 ロータコアの構成及びロータコアを形成するコアプレートの配置の一例を示す図である。 ロータコアを形成する第１のコアプレートの平面図である。 ロータコアを形成する第２のコアプレートの平面図である。 回転時における磁束の流れを通気孔が阻害しないことを説明する図である。 通気孔の実施例を示す図である。

符号の説明

１ ＳＲモータ（スイッチトリラクタンスモータ）
２ ステータ
５ ロータ
１３ ステータ極
４１ ロータ極
４４ 第１のコアプレート
４５ 第２のコアプレート
４６ 突片
５１ 第１の孔（切り欠き）
５２ 第２の孔
５３ 第３の孔
５４ 第４の孔
５５ 第５の孔
５６ 第６の孔
５７ 第７の孔
５８ 第８の孔（切り欠き）
６１ 連通孔
γ 傾斜角度

Claims (6)

1. 突極状のステータ極にコイルを巻装したステータと、シャフトに突極状のロータ極を有するロータコアを固定した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、
   前記ロータ極に、前記ロータの回転方向に対して傾斜しつつ前記ロータ極を貫通する通気孔を設けたことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
2. 前記ロータコアは、板状のコアプレートを積層して構成されており、前記コアプレートには、前記ロータ極を形成する突片が複数設けられており、それぞれの前記突片には、前記通気孔を形成する孔又は切り欠きが１つずつ周方向で位置をずらして形成されており、前記コアプレートを軸線回りに回転積層して前記孔又は切り欠きを連通させることで前記通気孔が形成さ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。
3. 前記孔又は切り欠きは、前記ロータ極の径方向の略中央に形成されてい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。
4. 前記通気孔を形成する周方向で位置が異なる前記孔又は切り欠きの種類は、前記ロータの突極数の２倍であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
5. 前記孔又は切り欠きが同じ位置に配されるように複数ずつ積層した前記コアプレートを回転方向の位置を変えながら重ねて前記連通孔を形成したことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
6. 前記通気孔は、回転方向に対して２０〜３０°傾斜していることを特徴とする請求項１から請求項５に記載のスイッチトリラクタンスモータ。

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