JP2012115079A - Segment type switched reluctance motor - Google Patents

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幸典 中川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a segment type switched reluctance motor that reduces torque ripple without necessarily requiring multi-phasing, while reducing winding resistance.SOLUTION: A segment type switched reluctance motor includes: a stator 2 that has a plurality of magnetic poles 21 and a plurality of slots 22 formed among the magnetic poles 21; a rotor 3 of a segment configuration that is arranged so as to face the stator 2 and has a plurality of magnetic segments 32; and coils 4 that are concentratedly wound around the respective magnetic poles 21 of the stator 2. Coils 4 of an identical phase are arranged in the two or more adjacent slots 22.

Description

本発明は、セグメント型スイッチドリラクタンスモータに関するものである。   The present invention relates to a segment type switched reluctance motor.

スイッチドリラクタンスモータ(以下、SRモータという。)としては、一般的に可変リラクタンス型SRモータ(以下、VR型SRモータという。)が主要なモータとして用いられている(特許文献1参照)。このVR型SRモータは、回転子が構造的に堅牢で高速回転に適していることや、巻線が集中巻であるため巻線抵抗を小さくできることを特徴として挙げることができる。   As a switched reluctance motor (hereinafter referred to as an SR motor), a variable reluctance SR motor (hereinafter referred to as a VR SR motor) is generally used as a main motor (see Patent Document 1). This VR SR motor can be characterized by the fact that the rotor is structurally robust and suitable for high-speed rotation, and that the winding resistance is reduced because the winding is concentrated winding.

しかしながら、このVR型SRモータは、トルクが小さく、またラジアル力に起因する騒音が大きいことが問題とされている。   However, the VR type SR motor has a problem that the torque is small and the noise caused by the radial force is large.

一方で、SRモータとしては、回転子の磁極が互いに磁気的に独立したセグメントに分割されたSRモータ(以下、セグメント型SRモータ)がある(特許文献2参照)。このセグメント型SRモータは、トルクが大きく、ラジアル力も小さいため、上記VR型SRモータの欠点を克服することができる。   On the other hand, as an SR motor, there is an SR motor (hereinafter referred to as a segment type SR motor) in which magnetic poles of a rotor are divided into segments that are magnetically independent from each other (refer to Patent Document 2). Since this segment type SR motor has a large torque and a small radial force, the drawbacks of the VR type SR motor can be overcome.

しかしながら、固定子に巻回されるコイルは、全節巻されるため巻線抵抗が大きくなってしまうことや、トルクリップルが大きいという問題がある。   However, since the coil wound around the stator is fully wound, there are problems that the winding resistance becomes large and the torque ripple is large.

ここで従来は巻線抵抗を低減すべく、多極化することによってモータ巻線のコイルエンド長を低減することや、トルクリップルを低減すべく、例えば3相から4相又は5相に多相化することによって、1相で脈動するトルクを多相重ね合わせて平均化することが考えられている。   Here, conventionally, in order to reduce the winding resistance, the coil end length of the motor winding is reduced by increasing the number of poles, and in order to reduce the torque ripple, for example, the phase is increased from three to four or five. Thus, it is considered that the torque pulsating in one phase is averaged by superimposing multiple phases.

特にトルクリップルに関して言うと、図7に示すように、相数を増やすことで時間的に位相のずれた電流が流れて時間的にピークのずれたトルクが発生する。モータ全体のトルクはこれらの和となるため、トルクリップルは多相化することで低減することができる。   In particular, with respect to torque ripple, as shown in FIG. 7, by increasing the number of phases, a current with a phase shift in time flows and a torque with a time shift in peak is generated. Since the torque of the entire motor is the sum of these, torque ripple can be reduced by making it multiphase.

しかしながら、上記多相化はモータ構造としては簡単な構造のままであるが、モータ制御回路側ではパワー素子(半導体スイッチング素子)を増やす必要があり、コストアップが課題として残る。   However, although the above-described multi-phase structure remains a simple structure as a motor structure, it is necessary to increase the number of power elements (semiconductor switching elements) on the motor control circuit side, and an increase in cost remains a problem.

特開2006−246571号公報JP 2006-246571 A

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、セグメント型SRモータにおいて、巻線抵抗を低減するとともに、必ずしも多相化することなくトルクリップを低減することを主たる所期課題とするものである。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems all at once, and in the segment type SR motor, it is mainly intended to reduce the winding resistance and reduce the torque clip without necessarily being multiphased. This is an issue to be solved.

すなわち本発明に係るスイッチドリラクタンスモータは、複数の磁極および当該磁極間に形成された複数のスロットを有する固定子と、前記固定子に対向して配置されており、複数の磁性セグメントを有するセグメント構造の回転子と、前記固定子の各磁極に巻線されたコイルとを備えており、同一相のコイルが少なくとも2つ以上の隣接するスロットに配置されていることを特徴とする。   That is, the switched reluctance motor according to the present invention includes a stator having a plurality of magnetic poles and a plurality of slots formed between the magnetic poles, and a segment having a plurality of magnetic segments arranged opposite to the stator. It comprises a rotor having a structure and a coil wound around each magnetic pole of the stator, and coils of the same phase are arranged in at least two adjacent slots.

このようなものであれば、同一相のコイルが少なくとも2つ以上の隣接するスロットに配置されていることから、同一相の巻線により生じる磁束が空間的に分散されるため、セグメント型SRモータにおいてトルクリップルを低減することができる。また、固定子の各磁極に巻線されるコイルは集中巻となるため、従来の全節巻と比べて巻線抵抗を低減することができる。   In such a case, since the coils of the same phase are arranged in at least two adjacent slots, the magnetic flux generated by the coils of the same phase is spatially dispersed. Torque ripple can be reduced. Further, since the coil wound around each magnetic pole of the stator is concentrated winding, the winding resistance can be reduced as compared with the conventional full-pitch winding.

本発明のトルクリップル低減に関して言うと、同一相の巻線を少なくとも2つ以上の隣り合うスロットに巻くことで、1相を励磁した場合に、少なくとも2つ以上の隣り合う磁気回路が形成される。この2つの磁気回路は空間的に電気角360/S×P/2[°]の位相差を持つため、トルクのピークも電気角360/S×P/2[°]の位相差を持つことになり、モータ全体のトルクはその和となるため、トルクリップルが低減される。従来の技術は相数を増やして時間的に位相のずれた電流を流してトルクリップルを低減していたのに対して、本発明は同一相内に空間的に位相のずれた磁気回路を構成してトルクリップルを低減している。   Regarding the torque ripple reduction of the present invention, at least two adjacent magnetic circuits are formed when one phase is excited by winding at least two adjacent slots of the same phase winding. . Since these two magnetic circuits spatially have a phase difference of electrical angle 360 / S × P / 2 [°], the torque peak also has a phase difference of electrical angle 360 / S × P / 2 [°]. Thus, the torque of the entire motor becomes the sum, and the torque ripple is reduced. In contrast to the conventional technology that increases the number of phases and flows currents that are out of phase in time to reduce torque ripple, the present invention configures a magnetic circuit that is out of phase in the same phase. Torque ripple is reduced.

具体的な実施の態様としては、磁性セグメント数をP、スロット数をSとした場合に、120°<360/S×P/2<210°、360/S×P/2≠180°の関係を満たすことが望ましい。   As a specific embodiment, assuming that the number of magnetic segments is P and the number of slots is S, a relationship of 120 ° <360 / S × P / 2 <210 °, 360 / S × P / 2 ≠ 180 ° It is desirable to satisfy.

このように構成した本発明によれば、セグメント型SRモータにおいて、巻線抵抗を低減するとともに、必ずしも多相化することなくトルクリップを低減することができる。   According to the present invention configured as described above, in the segmented SR motor, the winding resistance can be reduced and the torque clip can be reduced without necessarily being multiphased.

本実施形態に係るセグメント型SRモータの構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of the segment type SR motor which concerns on this embodiment. 同実施形態のセグメント型SRモータの構成を示す図。The figure which shows the structure of the segment type SR motor of the embodiment. 同実施形態のセグメント型SRモータの磁気回路を示す図。The figure which shows the magnetic circuit of the segment type SR motor of the embodiment. 同実施形態のトルク波形の模式図。The schematic diagram of the torque waveform of the embodiment. 同実施形態のセグメント型SRモータのトルク波形の解析結果を示す図。The figure which shows the analysis result of the torque waveform of the segment type SR motor of the embodiment. 従来のセグメント型SRモータのトルク波形の解析結果を示す図。The figure which shows the analysis result of the torque waveform of the conventional segment type SR motor. 従来の多相化によるトルクリップル低減を示す模式図。The schematic diagram which shows the torque ripple reduction by the conventional multiphase.

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本実施形態に係るセグメント型スイッチドリラクタンスモータ(セグメント型SRモータ)100は、回転子3が固定子2の周りを回転するアウターローター型の3相励磁型モータである。   A segment type switched reluctance motor (segment type SR motor) 100 according to the present embodiment is an outer rotor type three-phase excitation type motor in which a rotor 3 rotates around a stator 2.

具体的このものは、図1に示すように、複数の磁極21および当該磁極21間に形成された複数のスロット22を有する固定子2と、固定子2の外側周面に対向して配置されており、複数の磁性セグメント32を有するセグメント構造の回転子3と、固定子2の各磁極21に巻線される3相コイル4とを備えている。   Specifically, as shown in FIG. 1, this is arranged so as to face a stator 2 having a plurality of magnetic poles 21 and a plurality of slots 22 formed between the magnetic poles 21, and an outer peripheral surface of the stator 2. The rotor 3 has a segment structure having a plurality of magnetic segments 32 and a three-phase coil 4 wound around each magnetic pole 21 of the stator 2.

固定子2は、概略円筒形状又は概略円柱形状をなす磁性体であり、その外側周面において軸方向に沿って周方向に略等間隔に設けられた複数の磁極21を有する。この磁極21は、固定子2の外側周面において径方向外側に突出した突極であり、磁性セグメント32と対向する先端部が拡幅しており断面概略T字形状をなすものである。   The stator 2 is a magnetic body having a substantially cylindrical shape or a substantially columnar shape, and has a plurality of magnetic poles 21 provided at substantially equal intervals in the circumferential direction along the axial direction on the outer peripheral surface thereof. The magnetic pole 21 is a salient pole that protrudes radially outward on the outer peripheral surface of the stator 2, and has a wide end at the end facing the magnetic segment 32 to form a substantially T-shaped cross section.

回転子3は、固定子2の磁極21先端部に対して所定の間隙を形成する内側周面を有する概略円筒形状をなすものである。この回転子3は固定子2に対して同軸上に配置されて、固定子2の周囲を回転する。この回転子3は、概略円筒形状をなす非磁性体からなる回転子本体31と、当該回転子本体31の内側周面において軸方向に沿って周方向に略等間隔に設けられた複数の磁性セグメント32を有する。各磁性セグメント32は互いに磁気的に独立している。   The rotor 3 has a substantially cylindrical shape having an inner peripheral surface that forms a predetermined gap with respect to the tip of the magnetic pole 21 of the stator 2. The rotor 3 is disposed coaxially with the stator 2 and rotates around the stator 2. The rotor 3 includes a rotor body 31 made of a non-magnetic material having a substantially cylindrical shape, and a plurality of magnetic bodies provided at substantially equal intervals in the circumferential direction along the axial direction on the inner peripheral surface of the rotor body 31. It has a segment 32. Each magnetic segment 32 is magnetically independent from each other.

コイル4は、固定子2の各磁極21に集中巻されている。   The coil 4 is concentratedly wound around each magnetic pole 21 of the stator 2.

しかして本実施形態のセグメント型SRモータ100は、磁性セグメント32の数(極数)をP,スロット22の数をSとしたときに、極数とスロット数が、120°<360/S×P/2<210°、360/S×P/2≠180°の関係を満たすとともに、同一相の巻線コイル4が少なくとも2つ以上の隣り合うスロット22に配置されるように集中巻されている。   Therefore, in the segment type SR motor 100 of this embodiment, when the number of magnetic segments 32 (number of poles) is P and the number of slots 22 is S, the number of poles and the number of slots are 120 ° <360 / S × In addition to satisfying the relationship of P / 2 <210 °, 360 / S × P / 2 ≠ 180 °, the winding coils 4 of the same phase are concentratedly wound so as to be arranged in at least two adjacent slots 22. Yes.

以下に、上記関係式を満たす極数25個、スロット数30個のセグメント型SRモータ100を例として説明する。なお、以下において、コイル4の巻線方法が異なる実施例1と、実施例2それぞれについて説明する。実施例1は、図2上段に示すように、隣接する固定子2の磁極21(突極)それぞれに同一相のコイル4を巻回して、同一スロット22内に配置されたコイル4を流れる電流の向きが同じとなるように、隣接するスロット22に巻線コイル4を配置した例である。また実施例2は、図2下段に示すように、固定子2の磁極21(突極)が、太い極と細い極とが周方向に交互に形成されており、巻線コイル4を太い極に巻回することにより、当該太い極の両側に隣接するスロット22に巻線コイル4を配置した例である。   Hereinafter, a segment SR motor 100 having 25 poles and 30 slots satisfying the above relational expression will be described as an example. In the following, each of Example 1 and Example 2 in which the winding method of the coil 4 is different will be described. In the first embodiment, as shown in the upper part of FIG. 2, the current flowing in the coil 4 arranged in the same slot 22 is wound around the magnetic poles 21 (saliency poles) of the adjacent stator 2 by winding the same phase coil 4. This is an example in which the winding coil 4 is arranged in the adjacent slot 22 so that the orientations of the windings are the same. In the second embodiment, as shown in the lower part of FIG. 2, the magnetic poles 21 (saliency poles) of the stator 2 are formed by alternately forming thick poles and thin poles in the circumferential direction. In this example, the winding coil 4 is disposed in the slots 22 adjacent to both sides of the thick pole.

このように極数を25、スロット数を30とした場合、隣り合うスロット22間の電気角は360/S×P/2=150°となる。このセグメント型SRモータ100のある一相に電流を流すと、図3に示すように、少なくとも2つ以上の隣り合う磁気回路が形成される。この2つの磁気回路は空間的に電気角360/S×P/2[°]=150°の位相差を持つ。この2つの磁気回路が形成された状態で回転子3が回転すると、トルク波形は360/S×P/2[°]=150°の位相差をもつ複数個のピークを持つ波形となり(図4、図5参照)、トータルのトルクはその和となるためトルクリップルが低減される。なお、SRモータ100は、180°で対称なトルク波形を持つことから、上記のような150°の位相差を持つ磁気回路からは30°の位相差を持つトルクが生じる。   When the number of poles is 25 and the number of slots is 30, the electrical angle between adjacent slots 22 is 360 / S × P / 2 = 150 °. When a current is passed through one phase of the segment SR motor 100, at least two adjacent magnetic circuits are formed as shown in FIG. The two magnetic circuits spatially have a phase difference of electrical angle 360 / S × P / 2 [°] = 150 °. When the rotor 3 rotates with these two magnetic circuits formed, the torque waveform becomes a waveform having a plurality of peaks having a phase difference of 360 / S × P / 2 [°] = 150 ° (FIG. 4). , Refer to FIG. 5), and the total torque is the sum thereof, so that torque ripple is reduced. Since the SR motor 100 has a symmetrical torque waveform at 180 °, torque having a phase difference of 30 ° is generated from the magnetic circuit having a phase difference of 150 ° as described above.

このように構成したセグメント型SRモータ100のトルクリップル率(=「瞬時トルクの最大値−最小値(Tp−p)」/「瞬時トルクの平均値(Tave)」)は、実施例1では0.78、実施例2では0.62であり、従来の極数20、スロット数30のセグメント型SRモータのトルクリップル率1.55(図6)に比較して半分以下となっており、騒音及び振動の改善効果を確認することができる。 The torque ripple rate (= “maximum value of instantaneous torque−minimum value (T p−p )” / “average value of instantaneous torque (T ave )”) of the segment type SR motor 100 configured in this way is shown in Example 1. Is 0.78 and 0.62 in Example 2, which is less than half the torque ripple ratio of the conventional segment type SR motor with 20 poles and 30 slots (Fig. 6). The effect of improving noise and vibration can be confirmed.

<本実施形態の効果>
このように構成した本実施形態に係るセグメント型スイッチドリラクタンスモータ100によれば、同一相のコイル4が少なくとも2つ以上の隣接するスロット22に配置されていることから、同一相の巻線により生じる磁束が空間的に分散されるため、セグメント型SRモータ100においてトルクリップルを低減することができる。したがって、セグメント型SRモータ100において騒音及び振動を改善することができる。また、固定子2の各磁極21に巻線されるコイル4を集中巻としているため、従来の全節巻と比べて巻線抵抗を低減することができるとともに、使用する巻線重量を低減することができ、コストダウンの効果も奏する。
<Effect of this embodiment>
According to the segment type switched reluctance motor 100 according to the present embodiment configured as described above, since the same-phase coil 4 is disposed in at least two adjacent slots 22, the same-phase winding is used. Since the generated magnetic flux is spatially dispersed, the torque ripple can be reduced in the segment type SR motor 100. Therefore, noise and vibration can be improved in the segment type SR motor 100. Further, since the coils 4 wound around the magnetic poles 21 of the stator 2 are concentrated windings, the winding resistance can be reduced as compared with the conventional full-pitch winding, and the winding weight to be used is reduced. Can also reduce the cost.

<その他の変形実施形態>
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、前記実施形態ではアウターローター型のものであったが、インナーローター型のSRモータに適用することもできる。
<Other modified embodiments>
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, although the outer rotor type is used in the embodiment, the present invention can also be applied to an inner rotor type SR motor.

また、前記実施形態では3相モータであったが、2相モータや4相以上のモータであっても良い。   In the embodiment, the motor is a three-phase motor, but a two-phase motor or a motor having four or more phases may be used.

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。   In addition, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

100・・・セグメント型SRモータ
2・・・固定子
21・・・磁極
22・・・スロット
3・・・回転子
31・・・磁性セグメント
4・・・コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Segment type SR motor 2 ... Stator 21 ... Magnetic pole 22 ... Slot 3 ... Rotor 31 ... Magnetic segment 4 ... Coil

Claims (2)

複数の磁極および当該磁極間に形成された複数のスロットを有する固定子と、前記固定子に対向して配置されており、複数の磁性セグメントを有するセグメント構造の回転子と、前記固定子の各磁極に巻線されるコイルとを備えており、
同一相のコイルが少なくとも2つ以上の隣接するスロットに配置されていることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
A stator having a plurality of magnetic poles and a plurality of slots formed between the magnetic poles, a rotor having a segment structure having a plurality of magnetic segments disposed opposite to the stator, and each of the stators A coil wound around the magnetic pole,
A switched reluctance motor, wherein coils of the same phase are arranged in at least two adjacent slots.
磁性セグメント数をP、スロット数をSとした場合に、120°<360/S×P/2<210°の関係を満たすことを特徴とする請求項1記載のスイッチドリラクタンスモータ。   2. The switched reluctance motor according to claim 1, wherein when the number of magnetic segments is P and the number of slots is S, a relationship of 120 ° <360 / S × P / 2 <210 ° is satisfied.
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