JP2016010293A - スイッチドリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で振動騒音を低減するＳＲモータを提供する。
【解決手段】軸心回りに回転自在に配設されたロータ４と、ロータ４と同軸上で、ロータ４の外周に離接した状態で配設されたステータ２とを備えるＳＲモータ１であって、ステータ２の軸方向両端面２ａに形成された位置決め孔２４と、位置決め孔２４に挿入可能な位置決め部５１と、位置決め部５１の基端部に配設され、ケーシング１０と当接する当接部５３とを有し、ステータ２をケーシング１０に対して固定する固定ピン５とを備える。位置決め孔２４に位置決め部５１を挿入して、固定ピン５を介してステータ２をケーシング１０に固定した状態では、当接部５３がケーシング１０と密着し、ステータ２はケーシング１０と離接している。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチドリラクタンスモータに関する。

車両の動力源の電動化が進んでおり、動力源である電動モータとして、磁石界磁式（ＰＭ Permanent Magnet）モータやスイッチドリラクタンス（ＳＲ Switched Reluctance）モータが知られている。ＰＭモータは、磁石原材料のコストが高く、採掘地が限られた天然資源のため供給が不安定となるおそれがある。そのため、磁石を使用しないＳＲモータの需要が高まっている。ＳＲモータは、強磁性を有する鉄心のみで構成され、ＰＭモータと同等の効率、出力を得られるものである。

特許文献１に記載されるリラクタンスモータは、ステータ側の隣接する突極同士を複数の連結部材で連結してステータの剛性を高め、モータ駆動時の振動や騒音を効果的に低減させる技術が開示されている。また、このリラクタンスモータは、ハウジングの内部に形成されたモータ収容凹部にステータの軸方向両端面の全面が当接した状態で配設されることが開示されている。

特開２０００−１３４８４９号公報

しかしながら、ＳＲモータは、トルク発生時に生じるトルク反力がハウジングに伝達されると、振動騒音が増大するという課題を有している。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構造で振動騒音を低減するＳＲモータを提供することを目的とする。

本発明は、軸心回りに回転自在に配設されたロータと、前記ロータと同軸上で、前記ロータの外周に離接した状態で配設されたステータとを備えるスイッチドリラクタンスモータであって、前記ステータの軸方向両端面に形成された位置決め孔と、前記位置決め孔に挿入可能な位置決め部と、前記位置決め部の基端部に配設され、ケーシングと当接する当接部とを有し、前記ステータを前記ケーシングに対して固定する固定部材と、を備え、前記位置決め孔に前記位置決め部を挿入して、前記固定部材を介して前記ステータを前記ケーシングに固定した状態では、前記当接部が前記ケーシングと密着し、前記ステータは前記ケーシングと離接している、ことを特徴とする。

本発明にかかるＳＲモータは、位置決め孔に位置決め部を挿入して固定部材によってステータをケーシングに固定すると、当接部がケーシングと密着して、ステータはケーシングと離接する。このように、当接部のみがケーシングと密着するので、ステータの軸方向両端部の全面がケーシングに当接する場合に比べて、接触面積を削減することができる。これにより、モータ回転によるトルク発生時に生じるトルク反力がケーシングに伝達されることを抑制し、振動音の発生を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係るＳＲモータのステータを固定ピンによってケーシングに固定した状態を示す断面図である。 図２は、ＳＲモータのステータとロータに生じる磁束密度分布を示す概略図である。 図３は、図２において磁束密度が大きい突極に生じている磁束線を示す図である。 図４は、実施形態２に係るＳＲモータのステータを固定ピンと長ボルトによってケーシングに固定した状態を示す断面図である。 図５は、実施形態３に係るＳＲモータのステータを固定ピンによってケーシングに固定した状態を示す断面図である。

以下に、本発明にかかるＳＲモータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１にかかるＳＲモータ（スイッチドリラクタンスモータ）１を示す断面図である。本発明に係るＳＲモータ１は、主として、ステータ２と、強度補強部材３と、ロータ４と、固定ピン（固定部材）５とを備えている。

ステータ２は、後述するロータ４と同軸上で、ロータ４の外周に離接して配設されている。ステータ２は、図２に示すように、鋼板で構成された円筒状のバックヨーク２１と、バックヨーク２１の内周面に配設された複数の突極２２とを有している。突極２２は、バックヨーク２１の内周面に半径方向の中心に向かって立設しており、バックヨーク２１の内周面に軸方向に沿って軸方向両端部まで延設されている。突極２２によって、ステータ２の内周面は円周方向に凹凸が繰り返された形状となっている。また、突極２２の幅は、バックヨーク２１側（基端部）が広くロータ４側（先端部）が狭くなっている。このような突極２２は、円周方向に一定間隔で複数が並んで形成されている。

コイル２３は、各突極２２の基端部から先端部まで連続して巻かれており、コイル２３に通電することによって、ステータ２の内側の空間には軸心回りの磁界が形成される。より詳しくは、通電するコイル２３を所定の順番で切り替えることにより、ステータ２の突極２２とロータ４の突極４１との間に生じる吸引力を変化させて、ロータ４を回転させる。

位置決め孔２４は、図１に示すように、バックヨーク２１の軸方向両端面２ａの突極２２よりも外側で後述する強度補強部材３側を、軸方向に貫通するように形成されている。また、位置決め孔２４は、各突極２２の半径方向の中心線の延長線上に配設されており、突極２２の数と同数が形成されている。この位置決め孔２４は、ステータ２が所望の剛性を有するように、内径や、深さ、数を設定する。

ここで、位置決め孔２４の配設位置の選定について説明する。図２は、ＳＲモータ１の駆動中におけるあるタイミングで、ステータ２と、後述するロータ４とに生じている磁束密度分布を示している。図中においては、色が薄いほど磁束密度が小さく、色が濃いほど磁束密度が大きいことを示している。突極２２は、磁束密度が大きい（濃い色の）ものと、磁束密度が小さい（薄い色の）ものとが交互に表れている。なお、通電するコイル２３が所定の順番で切り替えられることによって、磁束密度が大きい突極２２と磁束密度が小さい突極２２は変化する。ここで、磁束密度が大きい突極２２に生じている磁束線を図３に示す。磁束密度が大きい突極２２には、バックヨーク２１の周方向から突極２２の基端部を介して突極２２の先端部へと磁束線（図中の矢印）が生じており、バックヨーク２１よりも突極２２に磁束線が密集している、すなわち、磁束密度が大きい様子がわかる。このように、磁束密度が大きい突極２２は、バックヨーク２１の半径方向外方に向かって徐々に磁束密度が小さくなり、外周近傍で磁束密度が最小となる領域Ａ１が表れる。磁束密度が小さい突極２２は、バックヨーク２１の内周側から半径方向外方まで磁束密度が小さい領域Ａ２となっている。さらに、コイル２３の半径方向外方に位置するバックヨーク２１は磁束密度が大きい領域Ａ３となっている。領域Ａ１とは、磁束密度が大きい突極２２の、バックヨーク２１の外周側の磁束密度が小さい領域のことである。また、領域Ａ２とは、磁束密度が小さい突極２２の、バックヨーク２１の内周側から半径方向外方までの磁束密度が小さい領域のことである。さらに、領域Ａ３とは、バックヨーク２１の内周側の磁束密度が大きい領域、すなわち、磁束密度が大きい突極２２の根元部分を挟んで、隣接する突極２２のコイル２３までの磁束密度が大きい領域のことである。位置決め孔２４の配設位置は、ＳＲモータ１の効率や出力が低下しないように、磁束密度が小さい領域Ａ１やＡ２を選定する。この実施形態では、位置決め孔２４は、領域Ａ１やＡ２であるバックヨーク２１の軸方向両端面２ａの外周側で各突極２２の半径方向の中心線の延長線上に配設されている。

このようなステータ２は、図１に示すように、後述する固定ピン５を介してケーシング１０内に固定されている。また、ステータ２の外周面は、強度補強部材３によって全周が覆われている。

強度補強部材３は、例えば、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Carbon Fiber Reinforced Plastics）のような軽量かつ高強度な材料を円筒状に形成したものであり、ステータ２の外周面の全周に亘って巻きつけられている。強度補強部材３は、ステータ２の軸方向の幅と同等の幅で、ステータ２の外径よりわずかに小さい内径を有している。このような強度補強部材３にステータ２を圧入する際は、強度補強部材３およびステータ２を冷却して冷やし嵌めする。強度補強部材３によって、ステータ２の外周面を補強して剛性を高めることによりステータ２の変形を規制する。

ロータ４は、ケーシング１０に対して回転自在に取り付けられたシャフト１１の略中央部に取り付けられており、軸心回りに回転自在となるように、ステータ２の内周側にステータ２と当接しない状態で収容されている。ロータ４は、ステータ２の突極２２に巻きつけられたコイル２３に通電されて形成される磁界によって軸心回りに回転する。また、ロータ４の外周面には、複数の突極４１（図２参照）が等間隔で形成されている。

固定ピン５は、ステータ２の位置決め孔２４に挿入可能な位置決め部５１と、位置決め部５１の基端部に一体に形成されたつば部５２に一体に形成され、ケーシング１０と当接する当接部５３とを有し、ステータ２をケーシング１０に対して固定するものである。この固定ピン５は、例えば、セラミック、エンジニアリング・プラスチックを含む非磁性体で構成されている。固定ピン５は、位置決め孔２４の数以下の任意の数でよいが、この実施形態では、ステータ２の軸方向両端面２ａに形成されたすべての位置決め孔２４に、軸方向両端面２ａから固定ピン５を挿入して、ステータ２をケーシング１０に対して固定するものとする。

位置決め部５１は、ステータ２の位置決め孔２４に挿入可能な大きさ、形状のピンであり、そのつば部５２は位置決め孔２４の内径よりも大径で、ボルト５４の頭部の高さよりも大きな高さを有している。このため、位置決め部５１の先端部が位置決め孔２４に挿入されて、つば部５２がステータ２の端面２ａと当接した際に、位置決め部５１が位置決め孔２４に埋没しないようになっている。

当接部５３は、つば部５２の位置決め部５１と対向する側に一体に形成され、ケーシング１０の内周面と当接可能な当接面５３ａを有する平板である。当接部５３は、つば部５２よりも大きい面積を有し、ボルト５４を螺合可能になっている。ボルト５４は、ステータ２の位置決め孔２４に挿入された固定ピン５をケーシング１０に固定する。

このような固定ピン５を用いて、ステータ２の位置決め孔２４に位置決め部５１を挿入して、ステータ２をケーシング１０に固定した状態では、当接部５３の当接面５３ａがケーシング１０の内周面と密着し、ステータ２の軸方向両端面２ａはケーシング１０と離接している。また、ステータ２の軸方向両端面２ａの外周側が等間隔に固定ピン５を介してケーシング１０に均等に固定されている。

ここで、このような固定ピン５を用いたステータ２のケーシング１０への固定方法について説明する。まず、ステータ２の軸方向両端面２ａに形成されたすべての位置決め孔２４に、それぞれ固定ピン５の位置決め部５１が挿入される。そして、当接部５３の当接面５３ａがケーシング１０の内周面と密着した状態とされて、ボルト５４によって固定ピン５がケーシング１０に固定される。このとき、ステータ２の軸方向両端面２ａの外周側が等間隔に固定ピン５によってケーシング１０に固定されている。

この実施形態に係るＳＲモータ１は、以上のごとき構成からなり、以下、その作用について説明する。ステータ２の突極２２に巻きつけられたコイル２３に通電されると、軸心回りの磁界が形成されて、ロータ４が軸心回りに回転する。

ステータ２は、軸方向両端面２ａの外周側が等間隔に固定ピン５によってケーシング１０に固定されている。このため、ステータ２の変位が全方向において均等に規制される。また、当接部５３の当接面５３ａのみがケーシング１０と密着しており、ステータ２の軸方向両端面２ａはケーシング１０と離接しているので、モータ回転によるトルク発生時に生じたトルク反力がケーシング１０に伝達することが抑制される。

また、ステータ２の位置決め孔２４は、図２に示すように、磁束密度が小さい領域Ａ１、Ａ２に形成されているため、位置決め孔２４が形成されていないステータ２を適用したＳＲモータ１と比較してトルク密度の減少は少ない。

以上のＳＲモータ１においては、ステータ２の位置決め孔２４に固定ピン５の位置決め部５１を挿入して固定ピン５によってステータ２をケーシング１０に固定すると、当接部５３がケーシング１０と密着して、ステータ２はケーシング１０と離接する。このように、当接部５３のみがケーシング１０と密着するので、ステータ２の軸方向両端面２ａの全面がケーシング１０に当接する場合と比較して、接触面積を削減することができる。これにより、モータ回転によるトルク発生時に生じたトルク反力がケーシング１０に伝達されることを抑制し、振動音の発生を抑制することができる。

また、軸方向両端面２ａの外周側が等間隔に固定ピン５によってケーシング１０に固定されているので、ステータ２の変位を均等に規制することができる。このため、ステータ２に生じる歪を抑制することができる。

しかも、ステータ２をケーシング１０に固定する際に、固定ピン５によって固定するので圧入工程が不要となる。すなわち、圧入工程は、強度補強部材３にステータ２を圧入する工程のみとなるので、厳しい圧入条件が不要となる。これにより、製作コストを削減することができ、降伏応力への安全率も確保できる。

ここで、比較のために、ステータをスリーブに圧入してケーシングに固定する方法について説明する。まず、ステータと強度補強部材とを冷却して、ステータを強度補強部材に冷やし嵌めで圧入する。そして、一体となったステータと強度補強部材とを、加熱したスリーブに加熱圧入する。ところが、強度補強部材はＣＦＲＰで構成されており、鉄である鋼板を加工したステータやスリーブとは温度特性（温度に対する熱膨張の度合い）が異なる。すなわち、鉄は、温度が高くなるほど熱膨張が大きくなるという温度特性を有しているが、ＣＦＲＰは、温度が低くなるほど熱膨張が大きくなるという温度特性を有している。また、ＳＲモータ１の運転中は各部材が高温となるので、厳しい条件で圧入する必要があり、製作コストが増加し、降伏応力への安全率のさらなる向上を図ることが困難である。

〔実施形態２〕
図４は、実施形態２に係るＳＲモータ１００の概略図を示す図である。実施形態２に係るＳＲモータ１００は、固定ピン６と長ボルト７とによってステータ２をケーシング１０に固定する点で実施形態１とは異なる。その他、上述した実施形態と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略し、また、概略構成については、適宜図１等を参照する。上述した実施形態と共通、対応する構成には、同一または対応する符号を付すものとする。

固定ピン６は、固定ピン５と同等の構成を有しており、固定ピン６には、略中央部に軸方向に貫通する図示しないボルト孔が形成されている。このボルト孔は、長ボルト７と螺合可能となっている。なお、固定ピン６は、位置決め孔２４の数以下の任意の数でよいが、この実施形態では、すべてのステータ２の位置決め孔２４に、軸方向一端面２ａ（図中において左端面）から固定ピン６を挿入して、ステータ２をケーシング１０に対して固定するものとする。

長ボルト７は、ステータ２の位置決め孔２４に挿入可能な径のボルトであり、その先端部７ａが固定ピン６に形成されたボルト孔と螺合して、固定ピン６の当接面６３ａから先端部７ａが外方に突出する長さを有している。この長ボルト７の当接面６３ａから外方に突出した先端部７ａをケーシング１０に螺合することにより、ステータ２がケーシング１０に固定される。ステータ２をケーシング１０に固定した状態では、当接部６３の当接面６３ａがケーシング１０の内周面と密着し、ステータ２の軸方向一端面２ａ（図中において左端面）の外周側のみが等間隔に固定ピン６によってケーシング１０に固定されている。また、ステータ２の軸方向他端面２ａ（図中において右端面）はケーシング１０と離接している。この長ボルト７は、例えば、セラミック、エンジニアリング・プラスチックを含む非磁性体で構成されている。

以上で説明したＳＲモータ１００は、ステータ２の位置決め孔２４に挿入した固定ピン６を長ボルト７によって固定して、ステータ２の軸方向一端面２ａ（図中において左側）を固定ピン６によってケーシング１０に固定することができる。つまり、ステータ２の軸方向一端面２ａのみを固定すればよいため、部品数を削減可能で、ケーシング１０への固定作業が容易になる。

しかも、位置決め孔２４には長ボルト７が貫通しているため、ステータ２の剛性が高められるので、ステータ２の変位をより確実に規制することができる。

〔実施形態３〕
図５は、実施形態３に係るＳＲモータ１１０の概略図を示す図である。実施形態３に係るＳＲモータ１１０は、ステータ２０に形成された位置決め孔２５が軸方向に貫通していない点、固定ピン５とシム８によってステータ２０をケーシング１０に固定する点で実施形態１とは異なる。その他、上述した実施形態と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略する。

ステータ２０の位置決め孔２５は、図示しないバックヨークの軸方向両端面２０ａの外周側から、それぞれ軸方向に貫通しないように形成されている。位置決め孔２５の深さは、固定ピン５の位置決め部５１の高さと同程度の深さである。

シム８は、ステータ２０の位置決め孔２５に挿入され、位置決め孔２５と位置決め孔２５に挿入された固定ピン５の位置決め部５１との間のスペーサとしての機能を有する。シム８は、例えば、セラミック、エンジニアリング・プラスチックを含む非磁性体で構成されている。また、シム８は、固定ピン５を挿入する位置決め孔２５の数以下の任意の数でよいが、この実施形態では、ステータ２０の軸方向他端面２０ａ（図中において右端面）に形成されたすべての位置決め孔２５にシム８を使用するものとする。

以上で説明したＳＲモータ１１０は、ステータ２０をケーシング１０に固定する際に生じた僅かな隙間をシム８によって吸収することができるので、厳しい加工条件が不要となり、製作コストを削減可能である。また、シム８を使用することにより、ステータ２０のケーシング１０への固定作業が容易となる。

また、位置決め孔２５はステータ２０を貫通していないため、ステータ２０の剛性が低下せず、ステータ２０の変位をより確実に規制することができる。

なお、上述した本発明の実施形態に係るＳＲモータ１は、上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。本実施形態に係るＳＲモータ１は、以上で説明した各実施形態、変形例の構成要素を適宜組み合わせることで構成してもよい。

例えば、ステータ２の位置決め孔２４や固定ピン５の形状、大きさは、実施形態に示したものには限定されず、位置決め孔２４に固定ピン５を挿入可能な形状であればよく、図１ないし図５に図示した形状に限定されないことはもちろんである。

また、固定ピン５やシム８は非磁性体に限定されず、磁性体であってもよい。なお、固定ピン５やシム８を磁性体で構成した場合は、ＳＲモータ１の効率や出力が低下するおそれがある。

さらに、実施形態３において、ステータ２０の軸方向他端面２０ａ（図中において右端面）に形成されたすべての位置決め孔２５にシム８を使用するものとしたが、一部の位置決め孔２５にのみシム８を使用したり、ステータ２０の軸方向両端面２０ａの位置決め孔２５にシム８を使用したりしてもよい。

１ ＳＲモータ（スイッチドリラクタンスモータ）
２ ステータ
２ａ 軸方向端面（軸方向両端面、軸方向一端面、軸方向他端面）
２２ 突極
２３ コイル
２４ 位置決め孔
３ 強度補強部材
４ ロータ
４１ 突極
５ 固定ピン（固定部材）
５１ 位置決め部
５２ つば部
５３ 当接部
５３ａ 当接面
１０ ケーシング

Claims (1)

1. 軸心回りに回転自在に配設されたロータと、前記ロータと同軸上で、前記ロータの外周に離接した状態で配設されたステータとを備えるスイッチドリラクタンスモータであって、
   前記ステータの軸方向両端面に形成された位置決め孔と、
   前記位置決め孔に挿入可能な位置決め部と、前記位置決め部の基端部に配設され、ケーシングと当接する当接部とを有し、前記ステータを前記ケーシングに対して固定する固定部材と、
   を備え、
   前記位置決め孔に前記位置決め部を挿入して、前記固定部材を介して前記ステータを前記ケーシングに固定した状態では、前記当接部が前記ケーシングと密着し、前記ステータは前記ケーシングと離接している、
   ことを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。

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