JP2014176137A - ダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束漏れを防止し、性能向上を図ることができるダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機の提供。
【解決手段】環状のロータ１０と、ロータ１０の外側に配置されたアウターステータ２０と、ロータ１０の内側に配置されたインナーステータ３０と、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡであって、ロータ１０のアウターステータ２０側とインナーステータ３０側とを磁気的に分離させる磁気分離部１４を有する、という構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機に関するものである。

スイッチトリラクタンス回転機は、ロータに永久磁石や巻線がなく、ロータとステータとの間に生じる磁気吸引力によって動作する構成となっている。スイッチトリラクタンス回転機は、原理的に振動、騒音等の課題があるが、構造が簡単で堅牢、高速回転にも耐えることができ、また、ネオジム磁石等の高価な永久磁石が不要であるため安価であるという特徴を有しており、近年、低コストで信頼性に優れた回転機として、実用化に向けての研究開発が進められている。
この実用化の一環として、スイッチトリラクタンス回転機の性能向上を図るべく、ダブルステータ構造にすることが提案されている。

下記特許文献１には、環状のロータと、ロータの内側に配置された内側ステータ（インナーステータ）と、ロータの外側に配置された外側ステータ（アウターステータ）と、を有するダブルステータ型モータが開示されている。
この内側ステータと外側ステータは、対応する相のコイル同士が直列接続されている。この構成によれば、内外両ステータの各相コイルに通電される電流を揃えることができ、内外両ステータの起磁力を等しくすることができる。これにより、内側ステータと外側ステータとで相互に鎖交する磁束が少なくなり、リラクタンストルクを大きくすることができる。

特開２０１１−２４４６４３号公報

上記先行技術では、スイッチトリラクタンス回転機のようなロータの突極構造が不要であるため、インナーステータ側の巻線スペースを比較的確保し易く、起磁力（巻数×電流）を同一にすることができる。しかしながら、スイッチトリラクタンス回転機は、性能向上（トルクアップ等）を図るために、ロータの突極構造を大きくする必要があり、インナーステータ側の巻線スペースを十分に確保することは困難である。

そこで、本願発明者らは、アウターステータとインナーステータとを並列接続し、起磁力の異なる２つのステータから個別に出力を取り出す手法を考えた。しかしながら、アウターステータとインナーステータの起磁力が異なる場合においては、起磁力の大きい一方から出た磁束が、起磁力の小さい他方に逆流する所謂磁束漏れが発生して、回転性能が低下してしまう場合がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、磁束漏れを防止し、性能向上を図ることができるダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、環状のロータと、前記ロータの外側に配置されたアウターステータと、前記ロータの内側に配置されたインナーステータと、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機であって、前記ロータの前記アウターステータ側と前記インナーステータ側とを磁気的に分離させる磁気分離部を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、磁気分離部が環状のロータの内側と外側とを磁気的に分離するため、アウターステータとインナーステータとで起磁力が異なっていても、ロータにおけるアウターステータ側とインナーステータ側との磁束干渉を防止することができる。

また、本発明においては、前記ロータは、前記アウターステータ側に第１の数で設けられた第１突極と、前記インナーステータ側に前記第１の数よりも多い第２の数で設けられた第２突極と、を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、磁気分離部によってロータにおけるアウターステータ側とインナーステータ側との磁束干渉を防止することができるため、アウターステータ側とインナーステータ側とで極数を変更することが可能となる。本発明では、ロータのインナーステータ側に設けられた第２突極の数を増やすことで、インナーステータ側において一回転当たりの仕事回数を増加させ、トルクリップルを減少させることができる。

また、本発明においては、前記磁気分離部は、前記ロータに円環状に設けられている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、磁気分離部が円環状にあることで、ロータのアウターステータ側のヨーク幅とインナーステータ側のヨーク幅とを一定幅で管理でき、設計や組み立てを容易にすることができる。

また、本発明においては、前記磁気分離部は、波線となって前記ロータに環状に設けられている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、磁気分離部が波線となって環状にあることで、ロータのアウターステータ側とインナーステータ側との凹凸が機械的に噛み合うような形になり、アウターステータ側及びインナーステータ側の少なくともいずれか一方で取り出した出力を他方側に効率よく伝達できるようになる。

また、本発明においては、前記ロータは、前記アウターステータ側に設けられた第１突極と、前記インナーステータ側に前記第１突極と同数で且つ半ピッチずれて設けられた第２突極と、を有し、前記波線は、前記第１突極に向かって凸となり、且つ、前記第２突極に向かって凹となるように形成されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ロータの径方向のサイズを抑えつつ、ロータのアウターステータ側とインナーステータ側の突極間のヨーク幅を太くし、磁気飽和を起こし難くさせると共に、シャフト径の機械的強度を十分に確保できる。

また、本発明においては、前記磁気分離部は、非磁性体から形成されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、非磁性体により磁気抵抗を大きくし、ロータのアウターステータ側とインナーステータ側とを磁気的に分離させることができる。

本発明によれば、磁束漏れを防止し、性能向上を図ることができるダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機が得られる。

本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの断面構成図である。 本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの回路を示す図である。 本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータのロータポジションとトルクとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの断面構成図である。 本発明の第３実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの断面構成図である。 本発明の第４実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの断面構成図である。

以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡの断面構成図である。

ダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡ（以下、単にスイッチトリラクタンスモータＡと称する場合がある）は、図１に示すように、環状のロータ１０と、ロータ１０の外側に配置されたアウターステータ２０と、ロータ１０の内側に配置されたインナーステータ３０と、を有する。本実施形態のスイッチトリラクタンスモータＡは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相モータである。

アウターステータ２０は、環状の磁性体からなり、その内周に３０°間隔で１２個設けられた突極２１と、突極２１のそれぞれに巻回されたコイル（巻線）２２と、を有する。コイル２２は、周方向に沿ってＵ相→Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相→…の順に相分けされて配置されている。
インナーステータ３０は、環状の磁性体からなり、その外周に２０°間隔で１８個設けられた突極３１と、突極３１のそれぞれに巻回されたコイル（巻線）３２と、を有する。コイル３２は、周方向に沿ってＵ相→Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相→…の順に相分けされて配置されている。

ロータ１０は、電磁鋼板が軸方向に複数積層された状態で締結固定されたものである。ロータ１０は、環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から外側に突出する第１突極１２と、ヨーク部１１から内側に突出する第２突極１３と、ロータ１０のアウターステータ２０側とインナーステータ３０側とを磁気的に分離させる磁気分離部１４と、を有する。

ヨーク部１１は、円筒状に形成されている。ヨーク部１１の外周には、４５°間隔で８個（第１の数）の第１突極１２が設けられている。また、ヨーク部１１の内周には、３０°間隔で１２個（第２の数）の第２突極１３が設けられている。
このように、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータＡは、アウターステータ２０側が、アウターステータ２０の極数が１２個でロータ１０の極数が８個の１２／８極構造となっており、インナーステータ３０側が、インナーステータ３０の極数が１８個でロータ１０の極数が１２個の１８／１２極構造となっている。

磁気分離部１４は、非磁性体から形成されており、例えばアルミニウムや非磁性のステンレス鋼等から形成されている。本実施形態の磁気分離部は、ロータ１０に円環状に埋設されており、ロータ１０をアウターステータ２０側とインナーステータ３０側とに磁気的に二分する構成となっている。この磁気分離部１４は、起磁力が大きいアウターステータ２０側の磁路を比較的大きく確保するべく、ヨーク部１１においてインナーステータ３０側寄りに設けられている。

本実施形態の磁気分離部１４は、ロータ１０に円環状に設けられているため、ロータ１０のアウターステータ２０側のヨーク幅とインナーステータ３０側のヨーク幅とを一定幅で管理でき、設計や組み立てを容易にすることができる。例えば、本実施形態においては、磁気分離部１４を、径方向において、アウターステータ２０（起磁力大）とインナーステータ３０（起磁力小）の起磁力の比に応じた位置に調整することが容易になる。

図２は、本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡの回路を示す図である。
上記構成のスイッチトリラクタンスモータＡは、図２に示すようなインバータ回路を有する。なお、図２において、符号４１は直流電源を示し、符号４２は平滑コンデンサを示す。また、アウターステータ２０には各相４つのコイル２２が設けられているが視認性の向上のため各相１つのコイル２２のみを代表して図示して残りの図示を省略している。また、インナーステータ３０においても、各相６つのコイル３２が設けられているが視認性の向上のため各相１つのコイル３２のみを代表して図示して残りの図示を省略している。

本実施形態では、図２に示すように、アウターステータ２０のインバータ回路とインナーステータ３０のインバータ回路とが、並列接続されている。インバータ回路は、それぞれ２つのスイッチング素子４３ａ，４３ｂと、２つのダイオード４４ａ，４４ｂと、からなる非対称ハーフブリッジ回路４５を有する。非対称ハーフブリッジ回路４５は、アウターステータ２０のコイル２２及びインナーステータ３０のコイル３２のそれぞれに接続され、各非対称ハーフブリッジ回路４５により個別にコイル２２，３２が駆動（通電）可能となっている。

また、本実施形態では、アウターステータ２０とインナーステータ３０とが並列接続されると共に、アウターステータ２０とインナーステータ３０との起磁力が異なっており、アウターステータ２０の起磁力よりもインナーステータ３０の起磁力が小さく設定されている。起磁力は、コイル巻き回数と、そこに流れる電流の積によって求まる。ダブルステータ構造では、図１に示すように、その構造的にインナーステータ３０側に十分な巻線スペースを確保することが難しい。

スイッチトリラクタンスモータＡにおいて起磁力を同一にする場合は、巻線の断面積を小さくして巻線数を増やすか、インナーステータ３０の突極３１を長く（深く）して巻線スペースを確保する方法が考えられる。しかしながら、前者の方法では電流密度が高くなり、銅損の増大によるモータ効率低下と、巻線の温度上昇の問題が生じる。また、後者の方法では、モータ全体の重量を支えるシャフト径とトレードオフになるため、シャフト径が細くなると重量増加に対して機械的な強度を十分に確保することができなくなるという問題が生じる。

そこで、本実施形態では、アウターステータ２０の起磁力よりもインナーステータ３０の起磁力を小さく設定することで、モータ効率の低下及び巻線の温度上昇の抑制と共に、機械的な強度を十分に確保している。また、本実施形態のように、アウターステータ２０とインナーステータ３０とを並列接続することで、アウターステータ２０とインナーステータ３０とを直列接続した場合よりもモータ性能の向上効果が高くなる。

すなわち、直列接続では、インダクタンスが増加するので電流が減少してしまい、メインで駆動するアウターステータ２０の起磁力が大きく低下してしまうためである。一方、並列接続では、アウターステータ２０の起磁力を確保でき、加えてインナーステータ３０の出力を取り出すことができるため、出力がアウターステータ２０とインナーステータ３０の単純な和となり、モータ性能が容易に向上する。

ところで、アウターステータ２０とインナーステータ３０の起磁力が異なる場合においては、一方から出た磁束が他方に逆流してしまい、モータ性能が低下することが懸念されるが、本実施形態では、図１に示すように、ロータ１０に磁気分離部１４を設けている。磁気分離部１４は、非磁性体によって形成されて磁気抵抗が大きく、ロータ１０のアウターステータ２０側及びインナーステータ３０側から流入するロータ１０への磁束をヨーク部１１において絶縁するように作用する。

このように、本実施形態では、磁気分離部１４が、環状のロータ１０の内側と外側とを磁気的に分離するため、アウターステータ２０とインナーステータ３０とで起磁力が異なっていても、ロータ１０におけるアウターステータ２０側とインナーステータ３０側との磁束干渉を防止することができる。したがって、本実施形態では、起磁力の大きいアウターステータ２０から起磁力の小さいインナーステータ３０側に磁束漏れが発生することを防止することができる。

また、本実施形態では、磁気分離部１４によってロータ１０におけるアウターステータ２０側とインナーステータ３０側との磁束干渉を防止することができるため、アウターステータ２０側とインナーステータ３０側とで極数を変更することが可能となる。本実施形態では、図１に示すように、インナーステータ３０側に設けられた第２突極１３の数が、第１突極１２の数よりも多くなっている。

図３は、本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡのロータポジションとトルクとの関係を示す図である。
なお、図３（ａ）は、本実施形態（インナーステータ３０側の極数が多い）のアウター側出力（実線）とインナー側出力（破線）とを示している。また、図３（ｂ）は、比較例（アウターステータ２０側とインナーステータ３０側の極数が同数）のアウター側出力（実線）とインナー側出力（破線）とを示している。

図３に示すように、インナーステータ３０側の極数を増やすことで、トルクの大きさ（符号ａで示す）は小さくなり、一回当たりの仕事回数が増加する。このため、図３（ａ）に示す本実施形態では、図３（ｂ）に示す比較例と比べて、ロータ１０の回転に伴うトルクの変動幅が小さくなり、トルクリップルを減少させることができる。したがって、本実施形態では、磁束漏れを防止すると共に、スイッチトリラクタンスモータＡの振動を抑制し、静粛性を得ることができる。

したがって、上述の本実施形態によれば、環状のロータ１０と、ロータ１０の外側に配置されたアウターステータ２０と、ロータ１０の内側に配置されたインナーステータ３０と、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡであって、ロータ１０のアウターステータ２０側とインナーステータ３０側とを磁気的に分離させる磁気分離部１４を有する、という構成を採用することによって、磁束漏れを防止し、低コストで信頼性に優れたスイッチトリラクタンスモータＡにおいてモータ性能の向上を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図４は、本発明の第２実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡの断面構成図である。
図４に示すように、第２実施形態では、第１突極１２に対する第２突極１３の周方向の位置がずれている点で、上記実施形態と異なる。

スイッチトリラクタンスモータＡは、磁気分離部１４によって、ロータ１０におけるアウターステータ２０側とインナーステータ３０側との磁束干渉を防止することができる。第１実施形態では、アウターステータ２０、インナーステータ３０共に非対向となるように、ロータ１０の第１突極１２、第２突極１３の位置を配置したが、第２実施形態では、この配置をくずして、ロータ１０の第２突極１３を所定の角度θでずらして配置している。角度θは、例えばスイッチトリラクタンスモータＡの磁場解析を利用して得られるコギングトルク特性に基づいて設定されている。

このような第２実施形態によれば、アウターステータ２０側とインナーステータ３０側とでロータ１０の第１突極１２と第２突極１３の位置を変更することで、第１突極１２と第２突極１３とを角度θでずらし、疑似的にスキュー（ステップスキュー）のような効果を得ることができる。したがって、第２実施形態では、スイッチトリラクタンスモータＡの振動を抑制し、静粛性をより高めることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図５は、本発明の第３実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡの断面構成図である。
図５に示すように、第３実施形態では、磁気分離部１４が、波線となってロータ１０に環状に設けられている点で、上記実施形態と異なる。

第３実施形態の磁気分離部１４は、アウターステータ２０側に凸となる凸部１４ａと、インナーステータ３０側に凹となる凹部１４ｂとが繰り返される波線を形成している。このような第３実施形態によれば、磁気分離部１４が波線となって環状にあることで、ロータ１０のアウターステータ２０側とインナーステータ３０側との凹凸が機械的に噛み合うような形になり、アウターステータ２０側及びインナーステータ３０側の少なくともいずれか一方で取り出した出力を他方側に効率よく伝達できるようになる。

また、この第３実施形態によれば、アウターステータ２０側とインナーステータ３０側とで出力が異なっても、図１に示す第１実施形態よりも、磁気分離部１４にかかるせん断力を低減することができる。すなわち、図１に示す第１実施形態では、磁気分離部１４が円環状になっているため、ロータ１０のアウターステータ２０側とインナーステータ３０側とで異なる大きさのトルクが作用すると、円環状に沿った周方向にせん断力がかかるが、図５に示す第３実施形態によれば、周方向にかかるせん断力を波線によって分散することができるため、磁気分離部１４の剥離等の発生を抑制することができる。また、この作用により、磁気分離部１４を形成する非磁性体として強度部材を採用せずともよくなり、例えば、非磁性体として樹脂材等を採用することも可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図６は、本発明の第４実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡの断面構成図である。
図６に示すように、第４実施形態では、ロータ１０が、アウターステータ２０側に設けられた第１突極１２と、第１突極１２と同数で且つ半ピッチずれてインナーステータ３０側に設けられた第２突極１３と、を有し、磁気分離部１４の波線が、第１突極１２に向かって凸となり、且つ、第２突極１３に向かって凹となるように形成されている点で、上記実施形態と異なる。

第４実施形態のスイッチトリラクタンスモータＡは、アウターステータ２０側では、アウターステータ２０の極数が１２個でロータ１０の極数が８個の１２／８極構造となっており、インナーステータ３０側でも、インナーステータ３０の極数が１２個でロータ１０の極数が８個の１２／８極構造となっている。また、第４実施形態の磁気分離部１４は、凸部１４ａの頂が第１突極１２の周方向における中心に位置するように、また、凹部１４ｂの底が第２突極１３の周方向における中心に位置するようになっており、ロータ１０の突極配置に同期した形状となっている。

このような第４実施形態によれば、例えばアウターステータ２０側からロータ１０に流入する磁束は、第１突極１２に集中した後、隣り合う別の第１突極１２に向かってヨーク部１１に沿って流れるように、磁路が形成される。第１突極１２においては、幅を確保できるため、第１突極１２間のヨーク部１１よりも磁気飽和は生じ難い。第４実施形態では、第１突極１２に磁気分離部１４の凸部１４ａを合わせることにより、逆に第１突極１２間のヨーク部１１の幅を広く確保し、磁気抵抗を増加させないようにしている。また、ロータ１０のインナーステータ３０側も同様であり、第２突極１３に磁気分離部１４の凹部１４ｂを合わせることにより、逆に第２突極１３間のヨーク部１１の幅を広く確保し、磁気抵抗を増加させないようにしている。

したがって、第４実施形態によれば、ロータ１０の径方向のサイズを抑えつつ、ロータ１０のアウターステータ２０側とインナーステータ３０側の突極間のヨーク幅を太くし、磁気飽和を起こし難くさせると共に、シャフト径の機械的強度を十分に確保できる。すなわち、図１に示す第１実施形態では、磁気分離部１４が円環状になっているため、ヨーク部１１の幅を広く確保しようとすると、ロータ１０の径方向のサイズが大きくなって、相対的にシャフト径が細くなってしまうが、図６に示す第４実施形態によれば、アウターステータ２０側では磁気飽和が生じ難い第１突極１２におけるヨーク部１１の幅を狭めるとともに、反対のインナーステータ３０側では磁気飽和が生じやすい第２突極１３間のヨーク部１１の幅を広くすることができるため、ロータ１０の径方向のサイズを小さく抑えることができ、相対的にシャフト径を太くすることができるようになる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、磁気分離部として非磁性体を例示して説明したが、本発明はこの構成に限定されることなく、例えばロータに設けたスリット（空間）であっても良い。

また、例えば、上記実施形態では、３相モータを例示して説明したが、本発明はこの構成に限定されることなく、２相モータ、４相モータ、５相モータ等にも適用することができる。また、３相モータにおいて１２／８極構造や１８／１２極構造を例示して説明したが、本発明はこの極数に限定されず、例えば６／４極構造等であっても良い。

また、例えば、上記実施形態では、本発明のダブルステータ方スイッチトリラクタンス回転機を、モータに適用した構成について例示したが、本発明はこの構成に限定されることなく、発電機にも適用することができる。また、発電機においては、大型の風力発電機に好適に適用することができる。

Ａ…ダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータ（ダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機）、１０…ロータ、１２…第１突極、１３…第２突極、１４…磁気分離部、２０…アウターステータ、３０…インナーステータ

Claims (6)

1. 環状のロータと、前記ロータの外側に配置されたアウターステータと、前記ロータの内側に配置されたインナーステータと、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機であって、
   前記ロータの前記アウターステータ側と前記インナーステータ側とを磁気的に分離させる磁気分離部を有する、ことを特徴とするダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。
2. 前記ロータは、前記アウターステータ側に第１の数で設けられた第１突極と、前記インナーステータ側に前記第１の数よりも多い第２の数で設けられた第２突極と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。
3. 前記磁気分離部は、前記ロータに円環状に設けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。
4. 前記磁気分離部は、波線となって前記ロータに環状に設けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。
5. 前記ロータは、前記アウターステータ側に設けられた第１突極と、前記インナーステータ側に前記第１突極と同数で且つ半ピッチずれて設けられた第２突極と、を有し、
   前記波線は、前記第１突極に向かって凸となり、且つ、前記第２突極に向かって凹となるように形成されている、ことを特徴とする請求項４に記載のダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。
6. 前記磁気分離部は、非磁性体から形成されている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。

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