JP2015171181A - スイッチトリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータトルクの低下を抑制しつつ、トルクリップルを低減できるスイッチトリラクタンスモータを提供する。【解決手段】ロータ突極９のステータ突極と対向する端面９ａにおけるロータ３の回転方向前方側の前端部９ｂには、軸方向に沿って凸条部１０が設けられており、凸条部１０は、回転方向前方に向かって先細りとなるように形成されており、かつ、凸条部１０は、軸方向に直交する水平方向に沿う断面形状において、ロータ突極９に接する前端部９ｂと基点Ｐ１とを結ぶ一辺の長さをａとし、内側辺１０ｂの長さ、つまり凸条部１０の基点Ｐ１と回転方向前方の頂点Ｐ２との間の長さをｂとしたとき、凸条部１０の偏平率（ｂ／ａ）は、１≰（ｂ／ａ）≰１．７を満たすように設定されている。【選択図】図２

Description

この発明は、スイッチトリラクタンスモータに関するものである。

従来から、ロータとステータの両方に突極を設けたスイッチトリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＲｅｌｕｃｔａｎｃｅＭｏｔｏｒ、以下ＳＲモータという）が知られている。ＳＲモータは、ステータに設けられている複数のステータ突極にそれぞれ巻線が巻装されており、この巻線に電流を供給することによりステータ突極を励磁するようになっている。そして、ステータ突極に生じた磁気吸引力によってロータに設けられている複数のロータ突極を吸引して回転力を発生させる。

ここで、ＳＲモータは、ロータ突極を吸引して回転力を発生させるので、作動音が大きくなる。このため、作動音の発生原因の一つと考えられる駆動中のトルクリップルを小さくする技術が提案されている。
例えば、ロータ突極のステータ突極と対向する先端面（以下、単にロータ突極の先端面という）で、かつ周方向両端部となる位置に、凸部を設けたものがある。これによれば、ロータ突極の周方向両端部にかかるステータ突極の磁気吸引力を弱めることができ、トルクリップルを小さくできる。ここで、凸部の大きさは、突出高さで定義されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２９１２１２号公報

ところで、ロータ突極の先端面における周方向両側端部に、凸部を設けることは、ＳＲモータのトルクリップルを低減するために有効な手段であるが、単純に凸部の突出高さだけを定義したのでは凸部に生じる磁束の飽和量を制御できず、トルクリップルを効果的に低減できなかったり、モータトルクが低下したりするという課題がある。

より具体的に、凸部の突出高さを一定とし、凸部の径方向の幅を広くした場合と狭くした場合とを比較して説明する。凸部の径方向の幅を極端に広くした場合、凸部に生じる磁束が飽和せず、単純にロータ突極の周方向の幅を広くしたのと同じことになる。このため、トルクリップルを低減できなかったり、モータトルクが低下したりする。一方、凸部の径方向の幅を極端に狭くした場合、凸部に生じる磁束が飽和するだけで、凸部を形成しない場合と同じことになる。このため、トルクリップルを低減できなかったり、モータトルクが低下したりする。

また、ＳＲモータを、例えば原動機等に利用しようとする場合、一方向（進行方向）の回転特性が重視され、他方向（後退方向）の回転特性はそれほど重視されないので、特に一方向の回転特性を向上させたいという要望がある。しかしながら、上述の従来技術のように、ロータ突極の先端面における周方向両側端部に凸部を設けてしまうと、ステータ突極の径方向内側をロータ突極における回転方向後方側の凸部（以下、単に後方側凸部という）が通過する際、この後方側凸部がステータ突極の磁束に吸引されてしまう。このため、ＳＲモータを一方向（進行方向）に回転させようとした場合のモータトルクが低下してしまうという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、とりわけ一方向の回転特性を向上させるスイッチトリラクタンスモータにおいて、モータトルクの低下を抑制しつつ、トルクリップルを低減できるスイッチトリラクタンスモータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータは、円筒状のステータコアと、このステータコアの内周面から径方向中央に向かって突設された複数のステータ突極と、各ステータ突極に巻回される巻線と、からなるステータと、前記ステータの径方向中央に配置され、前記ステータに対して回転自在に設けられた回転軸と、この回転軸に外嵌固定されるロータコアと、このロータコアの外周面から径方向外側に向かって突設されたロータ突極と、からなるロータと、を備えたスイッッチトリラクタンスモータにおいて、前記ロータ突極の前記ステータ突極と対向する端面における前記ロータの回転方向前方側の前端部には、軸方向に沿って凸条部が設けられており、前記凸条部は、前記回転方向前方に向かって先細りとなるように形成されており、前記凸条部の軸方向に直交する水平方向に沿う断面形状において、前記ロータ突極に接する一辺の長さをａとし、前記一辺の径方向内側の端部と、前記凸条部の前記回転方向前方の頂点との間の長さをｂとしたとき、前記凸条部の偏平率（ｂ／ａ）は、１≦（ｂ／ａ）≦１．７を満たすように設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、凸条部に生じる磁束の飽和量を適正に規定することができる。しかも、凸条部は、ロータ突極のステータ突極と対向する端面におけるロータの回転方向前方側の前端部のみに設けられている。このため、一方向（進行方向）の回転特性を向上させるＳＲモータにおいて、モータトルクの低下を抑制しつつ、トルクリップルを効果的に低減できる。換言すれば、ＳＲモータを原動機等に使用する場合、低回転域から高回転域に至るまで高トルクで作動音の小さい原動機等を提供できる。

本発明に係るスイッチトリラクタンスモータは、前記ロータ突極の前記端面における前記ロータの回転方向後方側の後端部には、丸面取り部が軸方向に沿って形成されており、前記丸面取り部が無いとしたときの前記後端部の稜線部と、前記丸面取り部の前記回転方向前方側の始点との間の回転中心からみた角度をＲとし、前記丸面取り部が無いとしたときの前記ロータ突極の前記端面の回転中心からみた角度をβｒとしたとき、角度Ｒおよび角度βｒは、Ｒ／βｒ≦１．８を満たすように設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、ロータ突極の端面における後端部のバリ等の発生を防止でき、かつ後端部に丸面取り部を形成した場合であってもトルクリップルが増大してしまうことを防止できる。この結果、一方向（進行方向）の回転のモータトルクを効率よく向上させることができる。

本発明に係るスイッチトリラクタンスモータにおける前記角度Ｒおよび前記角度βｒは、Ｒ／βｒ≦０．６を満たすように設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、後端部に丸面取り部を形成した場合であってもトルクリップルが増大してしまうことを、より確実に防止できる。

本発明によれば、凸条部に生じる磁束の飽和量を適正に規定することができる。しかも、凸条部は、ロータ突極のステータ突極と対向する端面におけるロータの回転方向前方側の前端部のみに設けられている。このため、一方向（進行方向）の回転特性を向上させるスイッチトリラクタンスモータにおいて、モータトルクの低下を抑制しつつ、トルクリップルを効果的に低減できる。

本発明の第１実施形態におけるステータおよびロータの断面図である。 本発明の第１実施形態におけるロータ突極の拡大図である。 本発明の第１実施形態における巻線の相抵抗の変化を示すグラフである。 本発明の第１実施形態におけるＳＲモータのトルクリップル率およびモータトルクの変化を示すグラフである 本発明の第１実施形態におけるＳＲモータのモータトルクの変動を示すグラフであって、凸条部の有無による違いを比較している。 本発明の第１実施形態におけるＳＲモータのモータトルクの変化を示すグラフであって、ロータの回転速度の違いによる結果を比較している。 本発明の第２実施形態におけるロータ突極の拡大図である。 本発明の第２実施形態におけるＳＲモータのトルクリップル率の変化を示すグラフである。

（第１実施形態）
（ＳＲモータ）
次に、この発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、ＳＲモータ１のステータ２およびロータ３の断面図である。
同図に示すように、ステータ２は、例えば電磁鋼板を複数積層して形成されるものであって、略円筒状のステータコア４を有している。ステータコア４の内周面４ａには、複数（例えば、この第１実施形態では６個）のステータ突極５が径方向中央に向かって突設されている。各ステータ突極５は、周方向に等間隔に配置されており、それぞれステータ突極５に、巻線６が巻装されている。

一方、ロータ３は、ステータ２の径方向中央に配置され、ステータ２に対して回転自在に設けられた回転軸７を有している。回転軸７にはロータコア８が外嵌固定されている。ロータコア８は、例えば電磁鋼板を複数積層して略円柱状に形成されたものであって、径方向中央に、回転軸７が圧入される圧入孔８ａが形成されている。

また、ロータコア８の外周面８ｂには、複数（例えば、この第１実施形態では４個）のロータ突極９が径方向外側に向かって突設されている。各ロータ突極９は、周方向に等間隔に配置されている。ここで、ロータ３は、図１における時計回り方向（矢印ＣＷ方向）および反時計回り方向の何れの方向にも回転可能に設けられているが、本第１実施形態のＳＲモータ１は、時計回り方向にロータ３を回転させて使用するものとする。

図２は、ロータ突極９の拡大図である。
同図に示すように、ロータ突極９のステータ突極５と対向する先端側の端面９ａは、ステータ突極５側に向かって僅かに膨出するように湾曲形成されている。また、ロータ突極９の端面９ａには、ロータ３の回転方向（矢印ＣＷ方向）前方側の前端部９ｂに、軸方向に沿って凸条部１０が一体成形されている。凸条部１０は、軸方向に直交する水平方向に沿う断面形状（図２の平面形状）が、ロータ３の回転方向前方に向かって先細りとなるように略三角形状に形成されている。

より具体的には、凸条部１０の外周部側の外側辺１０ａは、ロータ突極９の前端部９ｂから端面９ａの形状に沿うように、僅かに湾曲しながら延出している。一方、凸条部１０の内周部側の内側辺１０ｂは、ロータ突極９の端面９ａよりもやや径方向内側を基点Ｐ１として、回転方向前方に向かうに従って径方向外側に向かうように傾斜している。
ここで、ロータ突極９に接する前端部９ｂと基点Ｐ１とを結ぶ一辺の長さをａとし、内側辺１０ｂの長さ、つまり凸条部１０の基点Ｐ１と回転方向前方の頂点Ｐ２との間の長さをｂとしたとき、凸条部１０の偏平率（ｂ／ａ）は、
１≦ｂ／ａ≦１．７・・・（１）
を満たすように設定されている。

このような構成のもと、巻線６に電流を供給すると、ステータ突極５が励磁され、ステータ突極５に生じた磁気的吸引力によってロータ突極９を吸引して回転力を発生させる。このとき、各ステータ突極５の巻線６への電流供給タイミングを所定のタイミングでずらすことにより、ロータ３が所定の回転方向（図１、図２における矢印ＣＷ方向）で、かつ所定の回転速度で回転する。

ここで、ステータ突極５のロータ３と対向する先端側の端面５ａの回転中心Ｃ１からみた角度βｓを大きくするとトルクリップルが小さくなり起動特性も向上するが、巻線６が収納されるスロット領域の確保が困難になる。以下、具体的に説明する。

図３は、縦軸を巻線６の相抵抗（Ω）とし、横軸を角度βｓ（ｄｅｇ）としたときの相抵抗の変化を示すグラフである。
同図に示すように、角度βｓが増加すると、スロット領域が減少するので、線径の細い巻線６を使用することになり、相抵抗が増加してしまうことが確認できる。このため、図３より、角度βｓが３０（ｄｅｇ）から３５（ｄｅｇ）の間にあれば、相抵抗が大幅に増加することがないことが分かる。

次に、図４、図５に基づいて、ロータ突極９に一体成形されている凸条部１０の効果について説明する。
図４は、縦軸をトルクリップル率（％）およびモータトルク（Ｎ・ｍ）とし、横軸を凸条部１０の偏平率（％）としたときのトルクリップル率（％）およびモータトルク（Ｎ・ｍ）の変化を示すグラフである。なお、トルクリップル率は、モータトルクの最大値と最小値の差を、平均モータトルクで除した比率である。また、図４では、ロータ３の回転速度を７，０００（ｒｐｍ）に設定した場合の結果を示している。

同図に示すように、トルクリップル率は、偏平率（ｂ／ａ）が高くなるに従って徐々に下降し、偏平率（ｂ／ａ）が１．７（％）よりも高くなるとトルクリップル率が上昇に転ずることが確認できる。また、偏平率（ｂ／ａ）が１（％）よりも低いと、トルクリップル率の低減効果が小さいことが確認できる。
一方、モータトルクは、偏平率（ｂ／ａ）が高くなるに従って徐々に下降し、偏平率（ｂ／ａ）が２（％）よりも高くなるとモータトルクの変化が殆ど無くなることが確認できる。また、モータトルクの下降勾配は、偏平率（ｂ／ａ）が１．７（％）よりも高くなると、急激になることが確認できる。
このようなことから、偏平率（ｂ／ａ）を式（１）を満たすように設定することにより、モータトルクの低下を抑制しつつ、トルクリップル率を低減できる。

図５は、縦軸をモータトルク（Ｎ・ｍ）とし、横軸をロータ３の回転角度（ｄｅｇ）としたときのモータトルクの変動を示すグラフであって、凸条部１０の有無による違いを比較している。なお、図５では、ロータ３の回転速度を７，０００（ｒｐｍ）に設定した場合の結果を示している。
同図に示すように、ロータ突極９に凸条部１０を設けた場合、ロータ突極９に凸条部１０を設けない場合と比較してモータトルクの変動が小さくなることが確認できる。

図６は、縦軸をモータトルク（Ｎ・ｍ）とし、横軸をロータ３の回転角度（ｄｅｇ）としたときのモータトルクの変化を示すグラフであって、ロータ３の回転速度の違いによる結果を比較している。
同図に示すように、ロータ３の回転速度を１（ｒｐｍ）に設定した場合よりも、ロータ３の回転速度を７，０００（ｒｐｍ）に設定した場合のモータトルクの変動が大きくなることが確認できる。これは、ロータ３の回転速度を速くすると、各巻線６に供給される電流の立ち上がりがロータ３の回転速度に対して相対的に遅くなるためである。

したがって、上述の第１実施形態によれば、ロータ突極９の端面９ａにおける前端部９ｂに凸条部１０を一体成形し、この凸条部１０の偏平率（ｂ／ａ）を式（１）を満たすように設定しているので、凸条部１０に生じる磁束の飽和量を適正に規定することができる。このため、ＳＲモータ１のモータトルクの低下を抑制しつつ、トルクリップル率を低減できる。

また、凸条部１０は、ロータ突極９の端面９ａのうち、ロータ３の回転方向（図１、図２における矢印ＣＷ方向）前方となる前端部９ｂに一体成形されている。換言すれば、ロータ突極９のステータ突極５に吸引される側の端部に凸条部１０が一体成形されていることになる。すなわち、ロータ突極９の磁気的な影響を受けやすい箇所に、凸条部１０を一体成形することにより、効率よくＳＲモータ１のモータトルクの低下を抑制しつつ、トルクリップル率を低減できる。とりわけ、原動機等のように、一方向（進行方向）の回転特性が重視され、他方向（後退方向）の回転特性はそれほど重視されないような場合に、本第１実施形態のＳＲモータ１を好適に用いることができる。

（第２実施形態）
次に、図７、図８に基づいて、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明を省略する。
図７は、第２実施形態におけるロータ３のロータ突極９の拡大図であって、図２に対応している。
同図に示すように、第２実施形態におけるロータ突極９の端面９ａには、ロータ３の回転方向（矢印ＣＷ方向）後方側の後端部９ｃに、丸面取り部１１が形成されている。この点、第１実施形態と相違している。

ここで、丸面取り部１１が無いとしたときのロータ突極９の端面９ａの回転中心Ｃ１からみた角度をβｒとし、丸面取り部１１が無いとしたときの後端部９ｃの稜線部９ｄと丸面取り部１１の回転方向前方側の始点Ｐ３との間の回転中心Ｃ１からみた角度をＲとしたとき、角度βｒおよび角度Ｒは、
Ｒ／βｒ≦１．８・・・（２）
を満たすように設定されている。
さらには、
Ｒ／βｒ≦０．６・・・（３）
を満たすように設定されていることが望ましい。

式（２）、式（３）について、図８に基づいて詳述する。
図８は、縦軸をトルクリップル率（％）とし、横軸を（Ｒ／βｒ）としたときのトルクリップル率の変化を示すグラフである。
同図に示すように、（Ｒ／βｒ）が１．８以下の場合、トルクリップル率が低くいと共に、モータトルクが大きいことが確認できる。また、（Ｒ／βｒ）が０．６以下の場合、トルクリップル率がさらに低いと共に、モータトルクがさらに大きいことが確認できる。
一方、（Ｒ／βｒ）が１．８よりも大きくなると、トルクリップル率が高くなり、モータトルクが低下することが確認できる。

したがって、上述の第２実施形態によれば、角度βｒおよび角度Ｒを、式（２）を満たすように設定、されには、式（３）を満たすように設定することにより、上述の第１実施形態と同様の効果に加え、さらにＳＲモータ１における一方向（進行方向）の回転のモータトルクを効率よく向上させることができる。また、ロータ突極９の後端部９ｃのバリ等の発生を防止できる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、ＳＲモータ１は、ロータ３を、図１における時計回り方向に回転させて使用する場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、ロータ３を、図１における反時計回り方向に回転させて使用してもよい。この場合凸条部１０の形成位置は、上述の第１実施形態および第２実施形態とは、ロータ突極９を挟んで反対側に設定すればよい。

１…ＳＲモータ（スイッチトリラクタンスモータ）
２…ステータ
３…ロータ
４…ステータコア
４ａ…内周面
５…ステータ突極
５ａ…端面
６…巻線
７…回転軸
８…ロータコア
８ｂ…外周面
９…ロータ突極
９ａ…端面
９ｂ…前端部
９ｃ…後端部
９ｄ…稜線部
１０…凸条部
１０ａ…外側辺
１０ｂ…内側辺
１１…丸面取り部
ａ，ｂ…長さ
Ｃ１…回転中心
Ｐ１，Ｐ３…始点
Ｐ２…頂点
Ｒ，βｒ…角度

Claims (3)

1. 円筒状のステータコアと、このステータコアの内周面から径方向中央に向かって突設された複数のステータ突極と、各ステータ突極に巻回される巻線と、からなるステータと、
   前記ステータの径方向中央に配置され、前記ステータに対して回転自在に設けられた回転軸と、この回転軸に外嵌固定されるロータコアと、このロータコアの外周面から径方向外側に向かって突設されたロータ突極と、からなるロータと、
   を備えたスイッッチトリラクタンスモータにおいて、
   前記ロータ突極の前記ステータ突極と対向する端面における前記ロータの回転方向前方側の前端部には、軸方向に沿って凸条部が設けられており、
   前記凸条部は、前記回転方向前方に向かって先細りとなるように形成されており、
   前記凸条部の軸方向に直交する水平方向に沿う断面形状において、前記ロータ突極に接する一辺の長さをａとし、前記一辺の径方向内側の端部と、前記凸条部の前記回転方向前方の頂点との間の長さをｂとしたとき、前記凸条部の偏平率（ｂ／ａ）は、
   １≦（ｂ／ａ）≦１．７
   を満たすように設定されていることを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
2. 前記ロータ突極の前記端面における前記ロータの回転方向後方側の後端部には、丸面取り部が軸方向に沿って形成されており、
   前記丸面取り部が無いとしたときの前記後端部の稜線部と、前記丸面取り部の前記回転方向前方側の始点との間の回転中心からみた角度をＲとし、前記丸面取り部が無いとしたときの前記ロータ突極の前記端面の回転中心からみた角度をβｒとしたとき、角度Ｒおよび角度βｒは、
   Ｒ／βｒ≦１．８
   を満たすように設定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. 前記角度Ｒおよび前記角度βｒは、
   Ｒ／βｒ≦０．６
   を満たすように設定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。

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