JP2009033925A - シンクロナスリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コスト低減を図ることができ、さらに巻線抵抗を抑えることができ、加えてロータ収容部の真円度を容易に確保することができるシンクロナスリラクタンスモータを提供する。
【解決手段】シンクロナスリラクタンスモータ１０は、ステータ１２のティース２３に巻線１８が巻装されてスロット２５に収容され、ステータ１２内のロータ収容部２１にロータ１４が収容されている。このシンクロナスリラクタンスモータ１０は、スロット２５のうち、基端部２５ａ側が内周壁２２で閉塞され、先端部２５ｂ側が開口部２６で開口され、開口部２６を利用して巻線１８がティース２３に分布巻きされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステータのスロットに巻線が収容され、ステータ内のロータ収容部にロータが収容されたシンクロナスリラクタンスモータに関する。

シンクロナスリラクタンスモータは、一般的にはステータに巻線がコイル状に巻装され、ロータにフラックスバリアが形成されている。
ステータは、巻線を巻装する複数のティースと、巻装した巻線を収容するスロットとを有する。このスロットは、ステータの内周側が開口され、開口を利用して巻線がティースに巻装されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−１２１８２１号公報

シンクロナスリラクタンスモータによれば、巻線に電流を流すことによりロータに磁界が生じるが、ロータのフラックスバリアで、磁束の通りやすい方向（ｄ軸方向）と通りにくい方向（ｑ軸方向）があるため、ｄ軸とｑ軸とのインダクタンス差によりトルクが発生し、発生したトルクでロータが回転する。

ここで、シンクロナスリラクタンスモータは、一般的に、ロータの回転中に、フラックスバリアがティースに対向する位置に配置された場合と、対向しない位置に配置された場合とで磁気抵抗（リラクタンス）が変動して高調波が発生する。
リラクタンスの変動で高調波が発生することで、発生トルクに高調波成分が重畳する。このため、ロータの回転中にトルクリップル（ロータ回転時の振動）が発生する虞がある。

磁気抵抗変動による高調波の発生を抑えるためには、巻線電流による起磁力の高調波成分が少ないことから複数のティースに巻線を分布巻き（重ね巻き）で巻装することが好ましい。
複数のティースに巻線を分布巻きで巻装する方法として、通常使用されている汎用の巻線装置を用いて（流用して）ティースに巻線を巻装することが考えられる。

ところで、一般的に用いられる突極巻のブラシレスモータは、スロットのうちステータの内周側を閉口とすると閉口部の磁気ショートでトルクリップルが増加するという課題がある。
このため、スロットはステータの内周側が開口され、この内周側の開口から直接ティースに巻線が突極巻きでコイル状に巻装されているものや、円周方向に分割したり展開したりして、突極巻きをおこなう。

一般的な、シンクロナスリラクタンスモータも、磁気ショートを発生させないために、スロットがステータの内周側に開口され、内周側の開口から複数のティースに巻線が分布巻きでコイル状に巻装されているが、内周側の開口から巻線を分布巻きすると、占積率が低くなる。
このため、シンクロナスリラクタンスモータの抵抗値が上がって、出力が低下するという課題が発生する。

ここで、分布巻きにおいて占積率を上げる巻線手法の一つとして、インサータという巻線取付装置を用いる方法がある。
このインサータを用いて巻線をティースに取り付ける方法は次の通りである。
事前にコイル状に巻き付けた巻線を挿入ブレードに掛け、この状態で、巻線ごとステータに通してスロット内に巻線を挿入する。

しかし、シンクロナスリラクタンスモータごとに専用のインサータを備えると、設備費が嵩み、シンクロナスリラクタンスモータのコスト低減を図る妨げになっていた。

また、インサータを用いてコイル状の巻線をティースに取り付けるためには、コイル状の巻線をスロットに挿入する際に、巻線の長さが従来の量産ブラシレスモータの巻線と同等の長さでは挿入不可能となり、コイル状巻線の端部を必要以上に長く確保する必要がある。

このため、インサータを用いてコイル状の巻線をティースに取り付けると、ティースに直接巻装した場合と比較して巻線が長くなる。
このように、巻線の長さが長くなることで巻線抵抗が増し、モータの出力を確保することが難しいとされていた。

ところで、モータのなかには、複数のティースを分割可能に形成したものがある。複数のティースを分割させた状態において、各ティースに直接突極巻きすることで、インサータを用いてコイル状の巻線をティースに取り付ける場合と比較して巻線の長さを抑えることができる。
このように、複数のティースを分割させることで、巻線の長さを適正に確保して巻線抵抗を抑えることが可能である。

しかし、複数のティースを分割可能に形成すると、ロータの分割構造が複雑で組立が困難だったり、ロータを収容するロータ収容部の真円度を確保できず、正確な手法で製品を作ることが難しいため、トルクリップルを良好に抑え難くなることが考えられる。

本発明は、コスト低減を図ることができ、さらに巻線抵抗を抑えることができ、加えてロータ収容部の真円度を容易に確保することができるシンクロナスリラクタンスモータを提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、前記ステータのティースに巻線が巻装されるとともに巻装した巻線がスロットに収容され、前記ステータ内のロータ収容部にロータが収容されたシンクロナスリラクタンスモータにおいて、前記スロットのうち、前記ステータの内周側が閉塞されるとともに、前記ステータの外周側が開口され、前記開口を利用して前記巻線が前記ティースに分布巻きされたことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、スロットのうち、ステータの内周側を閉塞するとともにステータの外周側を開口した。ステータの外周側を開口させることで、スロットの開口を、内周側に開口する場合より大きく形成することができる。
よって、大きな開口を利用して巻線をティースに分布巻きすることが可能になり、通常使用されている汎用の巻線装置を巻線装置として流用して占積率を高くすることができる。

ティースに巻線を巻装する装置として、専用のインサータを備える必要がない。
したがって、シンクロナスリラクタンスモータを製造するための設備費を抑えてコスト低減を図ることができるという利点がある。

ここで、分布巻き（重ね巻き）とは、複数のスロットに跨ってティースに巻装する巻き方をいう。
例えば、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の分布巻きの場合、各相の巻線がいくつかのスロットに分散して巻装される。

また、通常使用されている汎用の巻線装置を用いてティースに巻線を分布巻きすることで、専用のインサータを用いてティースに巻線を取り付ける場合と比較して、コイル状巻線の端部をモータに対応させて最短な長さに調整することができる。
これにより、巻線抵抗の増加を抑えることが可能になり、モータの出力を良好に確保することができるという利点がある。

さらに、スロットのうち、ステータの内周側を閉塞することで、ステータの外周側を開口しても、複数のティースを一体に形成することができる。
複数のティースを分割させずに、１部材で形成することができるので、ロータを収容するロータ収容部の真円度を比較的容易に確保することができる。
このように、真円度を容易に確保することで、トルクリップルを良好に抑えることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係るシンクロナスリラクタンスモータを示す断面図、図２は図１の２部拡大図、図３は本発明に係るシンクロナスリラクタンスモータを示す分解図である。
なお、図１、図３において、構成の理解を容易にするために巻線を省略して図示する。
シンクロナスリラクタンスモータ１０は、ステータ（すなわち、固定子）１２と、ステータ１２の内部に回転自在に収容されたロータ（すなわち、回転子）１４とを備える。

ステータ１２は、ロータ１４を回転自在に収容するインナーステータ１６と、インナーステータ１６を収容するアウターステータ１７と、インナーステータ１６に巻装された巻線１８（図２参照）とを備える。

インナーステータ１６は、中央に円形のロータ収容部（開口部）２１が設けられ、ロータ収容部２１の周囲に内周壁２２が設けられ、内周壁２２から外側に向けて複数本のティース２３が放射状に延出され、隣接するティース２３間にスロット２５が設けられている。

スロット２５は、基端部２５ａ側（すなわち、ステータ１２の内周側）が内周壁２２で閉塞され、先端部２５ｂ側（すなわち、ステータ１２の外周側）が開口部２６で開口されている。
内周壁２２は、厚さ寸法（以下、「内周壁厚さ」という）がＴに形成されている。
内周壁厚さＴについては、図４、図５で詳しく説明する。

スロット２５の基端部２５ａ側を内周壁２２で閉塞することで、スロット２５の先端部２５ｂ側に開口部２６を設けても、複数のティース２３を一体に形成することができる。
これにより、インナーステータ１６を分割させずに、１部材で形成することができるので、ロータ収容部２１の真円度を比較的容易に確保することができる。
また、図３に示すように、スロット２５の先端部２５ｂ側に開口部２６を設けることで、スロット２５の開口部２６を大きな幅寸法Ｓに形成することができる。

インナーステータ１６はアウターステータ１７に収容されている。ティース２３の先端部２３ａがアウターステータ１７の内周壁１７ａに圧入されている。
インナーステータ１６をアウターステータ１７に収容することで、スロット２５の開口部２６がアウターステータ１７で閉じられている。
ティース２３には、一例として、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の分布巻きになるように、巻線１８が巻装されている。
巻装した巻線１８は、図２に示すように、スロット２５に収容されている。

ところで、スロット２５の開口部２６が大きさＳに形成されている。
開口部２６を利用することで、通常使用されている汎用の巻線装置を用いてティース２３に巻線１８を分布巻きすることが可能になる。

さらに、量産ブラシレスモータの巻線装置を用いてティース２３に巻線１８を分布巻きすることで、従来技術で説明したインサータを用いてティース２３に巻線１８を取り付ける場合と比較して、コイル状巻線１８の端部をモータ１０に対応させて最短な長さに調整することができる。

ロータ収容部２１にはロータ１４が回転自在に収容されている。ロータ１４は、エアギャップ３１を介して内周壁２２と対向している。
ロータ１４は、磁性物質からなる回転子鉄心３３に、複数のフラックスバリア帯３４が形成されている。

フラックスバリア帯３４は、複数の円弧状のスリット３５が軸中心３６に向けて凸状に形成され、隣接するスリット３５間に円弧状の磁路３７が形成されている。
このスリット３５は、磁束を通過し難くするためのバリアである。

このように、ロータ１４に複数（４個）のフラックスバリア帯３４を備えることで、隣接するフラックスバリア帯３４間で磁束が流れやすい方向（ｄ軸方向）と流れにくい方向（ｑ軸方向）ができる。一般的なモータの磁極はｄ軸を指す。
ここで、フラックスバリア帯３４間の磁路３７中央が磁極（Ｎ、Ｓの位置）中心ｄ軸となり、スリット３５の中央が磁極間中心ｑ軸となる。

ｄ軸インダクタンスは、ｄ軸磁束が磁路３７を通過しやすいので大きくなる。
一方、ｑ軸インダクタンスは、ｑ軸磁束がスリット３５を通過しにくいので小さくなる。
よって、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差によりリラクタンストルクが発生し、ロータ１４を回転させることができる。

図４（ａ），（ｂ）は巻線方法の違いによるモータの磁束の流れについて説明する図であり、（ａ）は比較例、（ｂ）は実施例を示す。
比較例は、スロット２５のうち、スロット２５の基端部２５ａ側が内周壁２２で塞がれ、ティース２３に巻線１８が突極巻き（集中巻き）で巻装されたモータ１００である。

巻線１８の突極巻きは、スロット２５の開口部２６を利用して、通常使用されている量産ブラシレスモータの巻線装置で実施された。
ここで、突極巻き（集中巻き）とは、各ティース２３に１極ごとに巻線１８が巻装されたものである。
例えば、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の突極巻きの場合、各相の巻線が１つのティース２３に巻装される。

一方、実施例は、スロット２５のうち、スロット２５の基端部２５ａ側が内周壁２２で塞がれ、ティース２３に巻線１８が分布巻きで巻装されたシンクロナスリラクタンスモータ１０である。
巻線１８の分布巻きは、スロット２５の開口部２６を利用して、通常使用されている汎用の巻線装置で実施された。

（ａ）の比較例に示すように、ティース２３に巻線１８が突極巻きで巻装されている場合、隣り合うティースの磁極が逆になる場合が多い。
磁極が逆になることで、隣接するティース２３の磁束の流れが矢印Ａで示すように逆の向きになる。

よって、スロット２５の基端部２５ａ側が内周壁２２で塞がれると、磁束が矢印Ｂの如く流れ、ロータ１４に到達する前に内周壁２２で磁気ショートする。
このため、磁束を有効に使うことができなくなり出力（トルク）が低下する。さらに、磁束が内周壁２２で磁気ショートするために、トルクリップルが悪化することが考えられる。

（ｂ）の実施例に示すように、ティース２３に巻線１８が分布巻きで巻装されている場合、隣り合うティースの磁極が同じになる場合が多い。
磁極が同じになることで、隣接するティース２３の磁束の流れが矢印Ｃで示すように同じ向きになるため、磁気ショートの影響が少ない。

ここで、実施例の分布巻きにおいては、隣接するティース２３の磁極が（ｂ）に示すように全て同じになるわけではなく、数本のティース２３に１本は磁極が逆になる。
しかし、磁極が逆になる箇所は、（ａ）の比較例と比べて少ない。すなわち、（ｂ）の実施例は、殆どの箇所において磁極を同じにできる。

このように、（ｂ）の実施例によれば、隣接するティース２３の磁束の流れを殆どの箇所で同じ向きにできるので、スロット２５の基端部２５ａ側が内周壁２２で塞がれていても磁束は矢印Ｄの如く流れる。
よって、磁気ショートによる影響が少ないため、磁束を有効に使うことができる。
これにより、出力（トルク）が低下することを抑えることができ、さらに制御電流の乱れを抑えることでトルクリップルの悪化を防ぐことができる。

さらに、巻線１８の分布巻きは、スロット２５の開口部２６を利用して、通常使用されている汎用の巻線装置で実施された。
よって、従来技術で説明したインサータを用いてティース２３に巻線１８を取り付ける場合と比較して、コイル状巻線１８の端部をモータ１０に対応させて最短な長さに調整することができる。
これにより、巻線抵抗の増加を抑えることが可能になり、シンクロナスリラクタンスモータ１０の出力を一層良好に確保することができる。

加えて、スロット２５の基端部２５ａ側を内周壁２２で閉塞することで、インナーステータ１６を分割させずに、１部材で形成することができる。
これにより、ロータ収容部２１の真円度を比較的容易に確保することができるので、トルクリップルの悪化を一層良好に防ぐことができる。

ところで、磁束の磁気ショートにより生じる出力低下や、トルクリップルの悪化は、内周壁２２の厚さ寸法（内周壁厚さ）Ｔに影響を受けることが考えられる。
そこで、図５のグラフで、出力低下やトルクリップルの悪化と内周壁厚さＴとの関係について説明する。

図５は本発明に係るシンクロナスリラクタンスモータのトルクやトルクリップルと内周壁厚さとの関係を説明するグラフである。
左側の縦軸にトルク（出力）［Ｎｍ］、右側の縦軸にトルクリップル［Ｎｍ］、横軸に内周壁厚さＴを示す。
グラフＧ１は、内周壁厚さＴとトルクリップルとの関係を示すグラフである。
グラフＧ２は、内周壁厚さＴとトルクとの関係を示すグラフである。

内周壁厚さＴが０．１〜０．３ｍｍの範囲において、トルクリップルの発生が抑えられることがわかる。
また、内周壁厚さＴが０．１〜０．３ｍｍの範囲において、トルクが高い状態に保たれることがわかる。

内周壁厚さＴを０．３ｍｍ以下に比較的薄くすることで、図４（ｂ）に示すように、磁束の磁気ショートを小さく抑えることができる。これにより、磁束を有効に使うことができ、トルク（モータの出力）低下を抑えることができる。
さらに、内周壁厚さＴを０．３ｍｍ以下に比較的薄くすることで、磁気ショート（制御電流乱れ）によるトルクリップルの悪化を抑えることができる。

一方、内周壁厚さＴを０．１ｍｍ未満より薄くすると、内周壁２２の強度を確保することが難しい。
加えて、内周壁厚さＴを０．１ｍｍ未満より薄くすると、磁気抵抗（リラクタンス）の変動を内周壁２２で好適に吸収することが難しくなり、トルクリップルの影響が大きくなることが考えられる。
これにより、グラフＧ１およびグラフＧ２に示すように、トルクリップルの影響が大きくなり、トルク（モータの出力）が下がる。

以上の理由から、内周壁厚さＴを０．１〜０．３ｍｍの範囲に設定した。内周壁厚さＴを０．１〜０．３ｍｍの範囲に設定することで、スロット２５の基端部２５ａ側（すなわち、ステータ１２の内周側）を内周壁２２で閉塞することが可能になる。
スロット２５の基端部２５ａ側を閉塞することで、スロット２５の先端部２５ｂを開口部２６で開口することができる。

開口部２６を利用することで、汎用の巻線装置を用いてティース２３に巻線１８を分布巻きすることが可能になる。
これにより、シンクロナスリラクタンスモータ１０用のインサータを備える必要がない。

さらに、量産ブラシレスモータの巻線装置を用いてティース２３に巻線１８を分布巻きすることで、コイル状巻線１８の端部をモータに対応させて最短な長さに調整することができる。
これにより、巻線抵抗の増加を抑えることが可能になり、シンクロナスリラクタンスモータ１０の出力を良好に確保することができる。

加えて、スロット２５の基端部２５ａ側を内周壁２２で閉塞することで、インナーステータ１６を分割させずに１部材で形成した。
これにより、ロータ収容部２１の真円度を比較的容易に確保して、トルクリップルの悪化を一層良好に防ぐことができる。

なお、前記実施の形態では、ロータ１４に複数フラックスバリア帯３４として４個を備えた例について説明したが、これに限らないで、フラックスバリア帯３４の個数は適宜変更が可能である。

また、前記実施の形態では、アウターステータ１７の内周を完全な円形（直円）に形成してインナーステータ１６を圧入させた例について説明したが、これに限らないで、アウターステータ１７の内周を凹凸状に形成し、凹部にインナーステータ１６の端部を結合させてもよい。

本発明は、ステータのスロットに巻線が収容され、ステータ内のロータ収容部にロータが収容されたシンクロナスリラクタンスモータへの適用に好適である。

本発明に係るシンクロナスリラクタンスモータを示す断面図である。 図２は図１の２部拡大図である。 本発明に係るシンクロナスリラクタンスモータを示す分解図である。 巻線方法の違いによるモータの磁束の流れについて説明する図である。 本発明に係るシンクロナスリラクタンスモータのトルクやトルクリップルと内周壁厚さとの関係を説明するグラフである。

符号の説明

１０…シンクロナスリラクタンスモータ、１２…ステータ（固定子）、１４…ロータ（回転子）、１８…巻線、２１…ロータ収容部、２２…内周壁、２３…ティース、２５…スロット、２５ａ…基端部（ステータの内周側）、２５ｂ…先端部（ステータの外周側）、２６…開口部。

Claims (1)

1. 前記ステータのティースに巻線が巻装されるとともに巻装した巻線がスロットに収容され、前記ステータ内のロータ収容部にロータが収容されたシンクロナスリラクタンスモータにおいて、
   前記スロットのうち、前記ステータの内周側が閉塞されるとともに、前記ステータの外周側が開口され、
   前記開口を利用して前記巻線が前記ティースに分布巻きされたことを特徴とするシンクロナスリラクタンスモータ。

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