JP2014176249A - スイッチドリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】出力し得るトルクをより高めることができる構造を有するスイッチドリラクタンスモータを提供する。
【解決手段】ロータ３の周方向で隣り合う２つの突極部６，６の組のそれぞれ毎に、各組の２つの突極部６，６の間の凹部７に、反磁性体により構成された補助部材８が介装されている。ロータ３の周方向に並ぶ全ての補助部材８が、蛇行状の結線形態でロータ３の周方向に順次導通していくように該周方向で隣り合う補助部材８同士が相互に結線されている
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチドリラクタンスモータ（Switched Reluctance Motor）に関する。

ディスプロシウム、ネオジム等の希少性の高い磁石材料を利用する永久磁石埋め込み型のモータ（ＩＰＭモータ）は、高トルクの出力を発生することができるものの、高価なものとなりやすいと共に、定常的に量産することが困難となりやすい。

このため、近年、永久磁石を必要としない簡易な構造のモータの必要性が高まっている。この種のモータとしては、従来より、スイッチドリラクタンスモータ（Switched Reluctance Motor。以降、ＳＲモータということがある）が知られている（例えば特許文献１を参照）。

このＳＲモータは、ロータとステータとを突極性に形成しておき、ロータの回転位置に応じて、通電を行うステータコイル（磁束を発生するステータコイル）を順次切り替えることで、ロータを回転させるリランクタンストルクを発生させる。

特開２０１１−１４２８１６号公報

ＳＲモータは、永久磁石を必要としない簡易な構造で、安価に製造できる等の利点を有するものの、リラクタンストルクだけでロータを回転させるものである。このため、従来の構造のＳＲモータでは、永久磁石埋め込み型のモータ等に較べて、一般には、出力し得る最大トルクが小さいという課題がある。

そこで、本発明は、出力し得るトルクをより高めることができる構造を有するＳＲモータを提供することを目的とする。

本発明のスイッチドリラクタンスモータは、ロータの周方向に並ぶように該ロータに形成された複数の突極部を有するスイッチドリラクタンスモータであって、前記ロータの周方向で隣り合う２つの前記突極部の組のそれぞれ毎に、各組の２つの突極部の間の凹部に、反磁性体により構成された補助部材が介装されており、前記ロータの周方向に並ぶ全ての補助部材が、蛇行状の結線形態で前記ロータの周方向に順次導通していくように該周方向で隣り合う補助部材同士が相互に結線されていることを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ロータの突極部が、ステータコイルによる磁束発生部に対向する状態でロータの内部を通る磁束と、前記凹部が該磁束発生部に対向する状態でロータの内部を通る磁束との差の大きさを、ロータの各凹部に前記補助部材が介装されていない場合に比べて大きくすることができる。

その結果、スイッチドリラクタンスモータが出力し得るトルクを、ロータの各凹部に前記補助部材を備えない従来のスイッチドリラクタンスモータに比べて高めることができる。

本発明の一実施形態のスイッチドリラクタンスモータ（ＳＲモータ）の要部構成を示す断面図。 実施形態のＳＲモータに備えた補助部材の結線構造を示す図。 実施形態のＳＲモータにおける磁気特性を示すグラフ。 実施形態のＳＲモータの出力トルクを例示するグラフ。

本発明の一実施形態を以下に説明する。図１に示すように、本実施形態のスイッチドリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）１は、インナーロータ型のＳＲモータであり、ステータ２と、該ステータ２の内側に配置された回転自在なロータ３とを有する。ステータ２及びロータ３の基体（本体）は、後述の突極部を含めて、電磁鋼板等の磁性体（軟質磁性体）により構成されている。

ステータ２の内周部には、その周方向に一定間隔で並ぶように配置された複数の突極部４（図示例では１２極の突極部４）が形成されている。そして、各突極部４には、通電により径方向の磁束を発生するステータコイル５が装着されている。

ロータ３の外周部には、その周方向に一定間隔で並ぶように配置された複数の突極部６（図示例では１０極の突極部６）が形成されている。

そして、ロータ３の周方向に隣り合う２つの突極部６，６の各組毎に、各組の２つの突極部６，６の間の凹部７には、それぞれ、反磁性体により構成された補助部材８が装着されている。該補助部材８の材質は、具体的には例えば銅である。

各補助部材８は、ロータ３の軸心から所定距離を有する位置で、各凹部７の両側の２つの突極部６，６の間に挟み込まれるようにして該凹部７に介装され、ロータ３の周方向に配列されている。

上記のようにロータ３の周方向に配列された全ての補助部材８（図示例では１０個の補助部材８）は、図２に示すように、蛇行状の結線形態でロータ３の周方向に順次導通していくように該周方向で隣り合う補助部材８同士が相互に結線されている。

上記蛇行状の結線形態というのは、より詳しくは、次のような結線形態である。図２を参照して、ロータ３の周方向に並ぶ補助部材８のうちの任意の１つの補助部材８を参照符号８ａで表し、当該１つの補助部材８ａの両隣（ロータ３の周方向での両隣）に位置する２つの補助部材８，８をそれぞれ参照符号８ｂ，８ｃで表す。

この場合、上記蛇行状の結線形態では、ロータ３の周方向と、ステータコイル５が発生する磁束方向（ここではロータ３の径方向）とに直交する方向（ここではロータ３の軸心方向）での上記１つの補助部材８ａの両端部a1，a2のうちの一方の端部a1が、両隣の補助部材８ｂ，８ｃのうちの一方の補助部材８ｂの、補助部材８ａの端部a1と同じ側の端部b1（補助部材８ａの端部a1にロータ３の周方向で隣り合う端部b1）に結線されて導通される。

また、上記１つの補助部材８ａの両端部a1，a2のうちの他方の端部a2が、両隣の補助部材８ｂ，８ｃのうちの他方の補助部材８ｃの、補助部材８ａの端部a2と同じ側の端部c2（補助部材８ａの端部a2にロータ３の周方向で隣り合う端部c2）に結線されて導通される。

従って、補助部材８ａの両隣の補助部材８ｂ，８ｃが補助部材８ａの両端部a1，a2を経由して導通するように、補助部材８ａ，８ｂの端部同士の結線と補助部材８ａ，８ｃの端部同士の結線とが行われている。

以上のようにして、ロータ３の周方向で隣り合う補助部材８同士を結線することで、全ての補助部材８が蛇行状の結線形態でロータ３の周方向に順次導通していくように結線される。

なお、補助部材８ａの一方の端部a1を、両隣の補助部材８ｂ，８ｃのうちの補助部材８ｃの端部c1（補助部材８ａの端部a1にロータ３の周方向で隣り合う端部c1）に結線し、補助部材８ａの他方の端部a2を、補助部材８ｂの端部b2（補助部材８ａの端部a2にロータ３の周方向で隣り合う端部b2）に結線するようにしてもよい。

本実施形態のＳＲモータ１は、以上のように構成されている。

以上説明したＳＲモータ１では、ステータコイル５が発生する磁束（ロータ３の径方向の磁束）をロータ３の軸心周りに段階的に回転させるように、ステータコイル５の通電を行うことで、ロータ３の突極部６及がステータ２の突極部４に対向するときのロータ３及びステータ２間の磁気抵抗と、ロータ３の凹部７がステータ２の突極部４に対向するときのロータ３及びステータ２間の磁気抵抗との違いに起因するリラクタンストルクが発生して、ロータ３の回転駆動が行われる。

この場合、本実施形態のＳＲモータ１では、ロータ３の突極部６がステータ２の突極部４（通電するステータコイル５が装着された突極部４）に対向する状態（以降、単に対向状態ということがある）で、ロータ３の内部を通る磁束と、ステータコイル５に通電する電流と間の関係は、図３に実線ｅ１のグラフで示すような関係となる。

また、ロータ３の突極部６が、ステータコイル５の通電による磁束発生部として機能するステータ２の突極部４に対向しない状態、換言すれば、ロータ３の凹部７がステータ２の突極部４に対向する状態（以降、単に非対向状態ということがある）で、ロータ３の内部を通る磁束と、ステータコイル５に通電する電流と間の関係は、図３に実線ｅ２のグラフで示すような関係となる。

なお、ＳＲモータ１の出力トルクは、図３の実線ｅ１，ｅ２の間の面積に応じたものとなり、該面積が大きいほど、ＳＲモータ１が発生可能な出力トルクが大きくなる。

ここで、本実施形態では、ロータ３の各凹部７には、反磁性体（本実施形態では例えば銅）により構成された補助部材８が介装されている。このため、前記非対向状態でのロータ３とステータ２との間の磁気抵抗は、ロータ３の各凹部７の補助部材８を除去した場合に較べて大きくなる。

従って、前記非対向状態でロータ３の内部を通る磁束は、該ロータ３の各凹部７に補助部材８が介装されている本実施形態のＳＲモータ１では、該凹部７に補助部材８が介装されていない場合に比して小さくなる。

実際、ロータ３の各凹部７から補助部材８を除去した場合には、ロータ３の凹部７がステータ２の突極部４に対向する状態でロータ３の内部を通る磁束は、図３に二点鎖線ｅ３のグラフで例示するように、実線ｅ２のグラフで示す磁束（本実施形態における磁束）よりも大きくなることが確認された。

一方、本願発明者の各種実験、検討によれば、ロータ３の各凹部７に介装した補助部材８を、仮に相互に結線しないようにした場合（補助部材８を相互に非導通とした場合）、あるいは、補助部材８をかご形構造で相互に導通させたような場合には、前記対向状態でロータ３を通る磁束が、ロータ３の各凹部７に補助部材８が介装されていない場合、もしくは、本実施形態のように蛇行状の結線形態で隣り合う補助部材８同士を結線した場合よりも減少することが確認された。

この理由は次のように考えられる。すなわち、補助部材８を相互に結線しないようにした場合、あるいは、補助部材８をかご形構造で相互に導通させたような場合には、ステータコイル５が発生する磁束に応じて、該磁束と逆向きのカウンター磁束を発生させるように補助部材８に流れる渦電流が減衰し難いものとなる。ひいては、前記対向状態で、補助部材８に流れる上記渦電流によるカウンター磁束によって、ロータ３の内部を通る磁束が減少してしまう。

これに対して、図２に示したように補助部材８を蛇行状の結線形態で相互に結線した本実施形態のＳＲモータ１では、上記渦電流が減衰しやすくなって、前記対向状態で該渦電流が補助部材８に流れ続けるのが抑制される。このため、前記対向状態でロータ３の内部を通る磁束が、ロータ３の各凹部７に補助部材８を備えない場合よりも減少するのが防止される。

この結果、本実施形態のＳＲモータ１によれば、前記対向状態でロータ３の内部を通る磁束と、前記非対向状態でロータ３の内部を通る磁束との差の大きさを、ロータ３の各凹部７に補助部材８を備えない場合よりも大きくすることができる。

このため、本実施形態のＳＲモータ１によれば、ロータ３の各凹部７に補助部材８を備えない場合に比べて、発生し得る出力トルクの大きさを高めることができる。実際、図４のグラフで示すように、本実施形態のＳＲモータ１の出力トルク（実線のグラフ）は、各凹部７の補助部材８を備えない場合の出力トルク（破線のグラフ）よりも大きくなることが確認された。なお、図４の横軸の「回転角度」はロータ３の回転角度である。

以上のように、本実施形態のＳＲモータ１によれば、ロータ３の各凹部７の反磁性体により構成された補助部材８を介装すると共に、それらの補助部材８を図２示した如き蛇行状の結線形態で結線することによって、発生可能な出力トルクを高めることができる。

なお、以上説明した本実施形態のＳＲモータ１は、インナーロータ型のモータであるが、本発明のＳＲモータは、アウターロータ型のモータであってもよく、あるいは、アキシャルギャップ型のモータであってもよい。

また、ロータ３の各凹部７に介装する補助部材８は、銅以外の材質の反磁性体により構成されていてもよい。

１…スイッチドリラクタンスモータ、３…ロータ、６…ロータの突極部、７…凹部、８…補助部材。

Claims (1)

1. ロータの周方向に並ぶように該ロータに形成された複数の突極部を有するスイッチドリラクタンスモータであって、
   前記ロータの周方向で隣り合う２つの前記突極部の組のそれぞれ毎に、各組の２つの突極部の間の凹部に、反磁性体により構成された補助部材が介装されており、
   前記ロータの周方向に並ぶ全ての補助部材が、蛇行状の結線形態で前記ロータの周方向に順次導通していくように該周方向で隣り合う補助部材同士が相互に結線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。