JP2017017957A - シンクロナスリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】出力トルクを大きくすることができるシンクロナスリラクタンスモータを提供する。
【解決手段】シンクロナスリラクタンスモータ１は、ステータ１０とロータ２０とを含む。ロータ２０には、外周側から中心に向かって複数層に配置され、前記中心に向かって凸となる円弧状の複数のフラックスバリア２３からなるフラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて極数分だけ形成されている。ロータ２０のうち、互いに隣接するフラックスバリア群に挟まれた領域におけるロータ２０の外周寄り部分を連接部２５とし、ロータ２０のうち、フラックスバリア群内の互いに隣接する２つのフラックスバリア２３に挟まれた領域をリブ２４とすると、連接部２５の幅がリブ２４の幅よりも小さい。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば電動パワーステアリング装置に用いられるシンクロナスリラクタンスモータに関する。

電磁エネルギーの位置に対する変化によって発生するリラクタンストルクのみを利用して、ロータを回転させるリラクタンスモータが知られている。リラクタンスモータには、ステータおよびロータが磁気的な突極性を有するスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ：Switched Reluctance Motor）と、ステータがブラシレスモータと同様の構造のシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ：Synchronous Reluctance Motor）とがある。

シンクロナスリラクタンスモータは、ステータおよびロータのうち、ロータのみに磁気的な突極性を有している。シンクロナスリラクタンスモータでは、ロータの磁気的な突極性により、磁束の流れやすい突極方向（以下、「ｄ軸方向」という）と磁束が流れにくい非突極方向（以下、「ｑ軸方向」という）とがある。このため、ｄ軸方向のインダクタンス（以下、「ｄ軸インダクタンス」という）とｑ軸方向のインダクタンス（以下、「ｑ軸インダクタンス」という）の差によりリラクタンストルクが発生し、このリラクタンストルクによってロータが回転する。

特開２０１１−２２３７１３号公報

シンクロナスリラクタンスモータは、永久磁石を使用せずにリラクタンストルクのみを利用してロータを回転させているため、出力トルクが小さいという問題がある。
この発明の目的は、出力トルクを大きくすることができるシンクロナスリラクタンスモータを提供することである。

請求項１に記載の発明は、ステータ（１０）とロータ（２０）とを含み、前記ロータには、外周から中心に向かって複数層に配置され、前記中心に向かって凸となる円弧状の複数のフラックスバリア（２３）からなるフラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて極数分だけ形成されている、シンクロナスリラクタンスモータであって、前記ロータのうち、互いに隣接するフラックスバリア群に挟まれた領域における前記ロータの外周寄り部分を連接部（２５）とし、前記ロータのうち、前記フラックスバリア群内の互いに隣接する２つのフラックスバリアに挟まれた領域をリブ（２４）とすると、前記連接部の幅が前記リブの幅よりも小さい、シンクロナスリラクタンスモータである。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

この構成では、連接部の幅がリブの幅よりも小さいので、連接部の幅がリブの幅以上である場合に比べて、連接部の磁気抵抗を大きくすることができる。これにより、連接部に漏れる磁束が抑制されるから、リブを通過する磁束量が増加する。この結果、ｄ軸インダクタンスが大きくなるから、出力トルクを大きくすることができる。
請求項２に記載の発明は、前記連接部に対する前記リブの幅の比が１よりも大きくかつ３よりも小さい、請求項１に記載のシンクロナスリラクタンスモータである。

請求項３に記載の発明は、前記連接部に対する前記リブの幅の比が１．５以上でかつ２．５以下である、請求項１に記載のシンクロナスリラクタンスモータである。
請求項４に記載の発明は、前記フラックスバリア群内のフラックスバリアの層数が７である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシンクロナスリラクタンスモータである。

図１は、本発明の一実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータの構成を示す断面図である。 図１のシンクロナスリラクタンスモータのロータを示す拡大平面図である。 図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。 図４は、図２のＡ部の拡大図である。 図５は、フラックスバリアの円弧中心の設定方法を説明するための部分拡大図である。 図６Ａは、円弧中心Ｐの位置（αの値）に対する出力トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。 図６Ｂは、円弧中心Ｐの位置（αの値）に対するトルクリップルのシミュレーション結果を示すグラフである。 図７Ａは、連接部の幅ａに対するリブの幅ｂの比ｂ／ａに対する出力トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。 図７Ｂは、連接部の幅ａに対するリブの幅ｂの比ｂ／ａに対する出力トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータの構成を示す断面図である。図２は、図１のシンクロナスリラクタンスモータのロータを示す拡大平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。図４は、図２のＡ部の拡大図である。

図１を参照して、シンクロナスリラクタンスモータ１（以下、単に「モータ１」という。）は、回転磁界を発生するステータ（固定子）１０と、ステータ１０の内側に設けられ、前記回転磁界によって回転されるロータ（回転子）２０とを含む。
ステータ１０は、円環状のステータコア１１とステータコイル１２とを含む。ステータコア１１は、円環状の鋼板が複数枚積層されることによって構成されている。ステータコア１１の内周部にはステータコイル１２が挿入される複数のスロット１１ａが設けられている。ステータコア１１には、３個の独立したステータコイル１２が巻かれている。この実施形態では、スロット１１ａの数は、２４である。

図１〜図３を参照して、ロータ２０の極数は、この実施形態では４極（２極対）である。ロータ２０は、ロータコア２１と、ロータコア２１の中心部を貫通しかつロータコア２１に固定されたロータ軸（回転軸）２２とを含む。ロータコア２１は、中心部に孔を有する円形の電磁鋼板が複数枚積層されることによって構成されている。ロータコア２１には、外周側からロータ軸２２側に向かって複数層に配置され、ロータ軸２２に向かって凸となる円弧状の複数のフラックスバリア（この例ではスリット（空気層））２３からなるフラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて極数分だけ形成されている。この例では、ロータコア２１には、フラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて４組形成されている。そして、フラックスバリア２３の層数は７である。つまり、１つのフラックスバリア群は、長さの異なる７個のフラックスバリア２３から構成されている。フラックスバリアは、スリットではなく、樹脂などの非磁性物質で形成してもよい。

図２および図４を参照して、ロータ軸２２に沿う方向から見た平面視において、ロータコア２１のうち、同じフラックスバリア群内において互いに隣接する２つのフラックスバリア２３に挟まれた領域をリブ２４ということする。ロータコア２１のうち、互いに隣接するフラックスバリア群によって挟まれた領域におけるロータコア２１の外周寄り部分を連接部２５ということする。また、ロータコア２１の外周縁とフラックスバリア２３の端部との間部分を含む、ロータコア２１の外周部の環状領域をブリッジ２６ということにする。

フラックスバリア群内のフラックスバリア２３の周方向中央を通り、ロータコア２１の径方向に延びる軸をｑ軸とし、隣接するフラックスバリア群の間を通り、ロータコア２１の径方向に延びる軸をｄ軸とする。フラックスバリア２３は磁束の流れを妨げるものであるため、ステータコア１１からの磁束のうち、隣接する２つのｑ軸のうちの一方のｑ軸から他方のｑ軸に向かう磁束は通りにくくなる。これに対して、フラックスバリア２３間のリブ２４によって、隣接する２つのｄ軸のうちの一方のｄ軸から他方のｄ軸に向かう磁束は通りやすくなる。

ステータ１０によって回転磁界がロータ２０に与えられると、モータ１からリラクタンストルクＴが発生する。リラクタンストルクＴは、次式(1)で表される。
Ｔ=Ｐｎ・（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉｄ・Ｉｑ …(1)
前記式(1)において、ｐｎは極対数、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流である。

したがって、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差（Ｌｄ−Ｌｑ）を大きくすればリラクタンストルク（出力トルク）Ｔが大きくなる。この実施形態では、この差（Ｌｄ−Ｌｑ）を大きくするために、フラックスバリア２３を設けて、ｑ軸方向の磁路の磁気抵抗を大きくする一方、ｄ軸方向の磁路の磁気抵抗を小さくしている。
この実施形態では、さらに、トルクリップルを小さくしながら、リラクタンストルクＴ（モータ出力）を高めるために、平面視での円弧状のフラックスバリア２３の中心位置（以下、「円弧中心」という。）を適切な位置に設定しているとともに、リブ２４、連接部２５等の幅を適切な幅に設定している。以下、これらについて詳しく説明する。

まず、図５を参照して、フラックスバリア２３の円弧中心Ｐについて説明する。図５に示すように、ロータ軸２２の中心に原点をとり、隣接する２つのｑ軸のうちの一方のｄ軸に沿ってＸ座標軸をとり、他方のｄ軸に沿ってＹ座標軸とったＸＹ座標系を設定する。ここでは、このＸＹ座標系の第１象限に存在するフラックスバリア２３の円弧中心Ｐの座標位置について説明する。

第１象限に存在する円弧状のフラックスバリア２３の円弧中心Ｐは、第１象限に存在するｑ軸上の点に設定される。つまり、第１象限に存在するｑ軸上の点の座標は、αを正の実数とすると、（α，α）に設定される。ロータ２０の外径をＤ［ｍｍ］とし、ブリッジ２６の幅をｅ［ｍｍ］とする（図４参照）と、αの値は、次式(2)で表される範囲に設定されることが好ましい。

｛（Ｄ／２）−ｅ｝−２≦α≦｛（Ｄ／２）−ｅ｝＋２ …(2)
例えば、Ｄ＝４９．６ｍｍとし、ｅ＝０．５ｍｍとすると、αは２２．３ｍｍ以上と２６．３ｍｍ以下の範囲に設定される。なお、第２象限に存在するフラックスバリア２３の円弧中心Ｐの座標位置は（−α，α）で表され、第３象限に存在する円弧状のフラックスバリア２３の円弧中心Ｐの座標位置は（−α，−α）で表され、第４象限に存在する円弧状のフラックスバリア２３の円弧中心Ｐの座標位置は（α，−α）で表される。

円弧中心Ｐを前記のように設定している理由について説明する。一般的に面積Ｓの平面回路を磁束密度Ｂ［ｗｂ］の磁界内に置くと、面積Ｓの平面回路を貫く磁束Φは、次式(3)で表される。
Φ＝ＢＳsinθ …(3)
θは、平面回路の面と磁束の方向とのなす角である。

この式(3)から、平面回路の面と磁束の方向とのなす角θが９０度のときに、磁束Φは最大となることがわかる。
ｄ軸を磁化方向と考えると、前記式(3)により、ｄ軸方向に流れる磁束がリブ２４の端面に対して垂直の方向になれば、磁気利用率が高くなる。そこで、ｑ軸上に円弧中心Ｐの座標を決定することが好ましい。そこで、第１象限に存在するラックスバリア２３の円弧中心Ｐの座標は、（α，α）に設定されている。そして、後述するシミュレーション結果からわかるように、αは前記式(2)で示される範囲内の値に設定されることが好ましい。

次に、各層のフラックスバリア２３の外縁（円弧中心Ｐから遠い方の縁）および内縁（円弧中心Ｐに近い方の縁）の曲率半径（円弧中心Ｐからの距離）について説明する。
図４に示すように、連接部２５におけるブリッジ２６側の端の幅を連接部２５の幅ということにする。連接部２５の幅をａ［ｍｍ］とし、リブ２４の幅をｂ［ｍｍ］とし、フラックスバリア２３の幅をｃ［ｍｍ］とする。

フラックスバリア群に含まれる７つのフラックスバリア２３のうち、最もロータ軸２２側に近いものを１層目のフラックスバリア２３といい、ロータコア２１の外周に最も近いものを７層目のフラックスバリア２３ということにする。また、それらの間にあるフラックスバリア２３を、１層目のフラックスバリア２３に近いものから順に２層目、３層目、４層目、５層目、６層目のフラックスバリア２３ということにする。ｎ層目のフラックスバリア２３の外縁の曲率半径をＲｎ１で表し、当該フラックスバリア２３の内縁の曲率半径をＲｎ２で表すことにする。例えば、１層目のフラックスバリア２３の外縁の曲率半径はＲ１１で表され、当該フラックスバリア２３の内縁の曲率半径はＲ１２で表される。

各半径Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，…，Ｒ７１，Ｒ７２は、次式(4)で表される。
Ｒ１１＝（Ｄ／２）−ｅ−ａ／２
Ｒ１２＝Ｒ１１−ｃ
Ｒ２１＝Ｒ１２−ｂ
Ｒ２２＝Ｒ２１−ｃ
Ｒ３１＝Ｒ２２−ｂ
Ｒ３２＝Ｒ３１−ｃ
Ｒ４１＝Ｒ３２−ｂ
Ｒ４２＝Ｒ４１−ｃ
Ｒ５１＝Ｒ４２−ｂ
Ｒ５２＝Ｒ５１−ｃ
Ｒ６１＝Ｒ５２−ｂ
Ｒ６２＝Ｒ６１−ｃ
Ｒ７１＝Ｒ６２−ｂ
Ｒ７２＝Ｒ７１−ｃ …(4)
次に、連接部２５およびリブ２４の幅について説明する。この実施形態では、連接部２５の幅ａはリブ２４の幅ｂよりも小さく設定されている。連接部２５の幅ａが大きいほど、連接部２５の磁気抵抗は小さくなる。このため、連接部２５の幅ａが大きいと、連接部２５に漏れる磁束が多くなり、リブ２４を通過する磁束量が低下する。そこで、この実施形態では、連接部２５の幅ａをリブ２４の幅ｂよりも小さくすることにより、連接部２５の幅ａがリブ２４の幅ｂ以上である場合に比べて、連接部２５の磁気抵抗を大きくしている。これにより、連接部２５に漏れる磁束が抑制されるから、リブ２４を通過する磁束量が増加する。この結果、ｄ軸インダクタンスが大きくなるから、出力トルクを大きくすることができる。

このように、連接部２５の幅ａをリブ２４の幅ｂよりも小さくすることにより、リブ２４を通過する磁束量を増加させることができるが、リブ２４を通過する磁束量が多くなると磁束変化量も大きくなるため、トルクリップルが大きくなるおそれがある。そこで、この実施形態では、トルクリップルを抑えながら出力トルクを大きくするために、連接部２５の幅ａに対するリブの幅ｂの比ｂ／ａが２．０となるように、連接部２５の幅ａおよびリブの幅ｂを設定している。具体的には、この実施形態では、連接部２５の幅ａは０．５ｍｍであり、リブの幅ｂは１．０ｍｍである。後述するシミュレーション結果からわかるように、連接部２５の幅ａに対するリブの幅ｂの比ｂ／ａは、１以上３以下であることが好ましく、１．５以上２．５以下であることがさらに好ましい。

モータ１の実施例について説明する。モータ１の実施例における各部の大きさは次の通りである。
ステータ１０の内径：５０．０ｍｍ
ステータ１０の外径：９０．０ｍｍ
ロータ２０の外径Ｄ：４９．６ｍｍ
連接部２５の幅ａ：１．０ｍｍ
リブ２４の幅ｂ：１．０ｍｍ
フラックスバリア２３の幅ｃ：１．０ｍｍ
ブリッジ２６の幅ｅ：０．５ｍｍ
次に、前記実施例に対して行ったシミュレーションの結果について説明する。

図６Ａは、円弧中心Ｐの位置（αの値）に対する出力トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。図６Ｂは、円弧中心Ｐの位置（αの値）に対するトルクリップルのシミュレーション結果を示すグラフである。
ロータ２０の外径Ｄが４９．６ｍｍであり、ブリッジ２６の幅ｅが０．５ｍｍである場合には、前記式(2)における｛（Ｄ／２）−ｅ｝の値は２４．３ｍｍとなる。したがって、前記式(2)に従えば、αは２２．３ｍｍ以上２６．３ｍｍ以下の範囲内の値に設定される。

一方、ロータ２０の外径Ｄが４９．６ｍｍであり、ブリッジ２６の幅ｅが０．５ｍｍである場合には、図６Ａに示されるように、αが２３．３ｍｍのときに出力トルクが最大となる。また、図６Ｂに示されるように、αが２４．０ｍｍ程度のときにトルクリップルは最小となる。このことから、トルクリップルを抑えながら出力トルクを大きくするためには、αは前記式(2)に示される範囲内に設定されることが好ましいことがわかる。

図７Ａは、連接部の幅ａに対するリブの幅ｂの比ｂ／ａに対する出力トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。図７Ｂは、連接部の幅ａに対するリブの幅ｂの比ｂ／ａに対する出力トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。
図７Ａに示されるように、比ｂ／ａが２．５のときに出力トルクは最大となる。また、図７Ｂに示されるように、比ｂ／ａが１．６程度のときにトルクリップルは最小となる。このことから、トルクリップルを抑えながら出力トルクを大きくするためには、連接部２５の幅ａに対するリブの幅ｂの比ｂ／ａは、１よりも大きくかつ３よりも小さいことが好ましく、１．５以上２．５以下であることがさらに好ましいことがわかる。

以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、フラックスバリア２３の層数は７であるが、フラックスバリア２３の層数は５層、６層、８層、９層等のように７層以外であってもよい。
また、ステータ１０の内径、ステータ１０の外径、ロータ２０の外径Ｄ、連接部２５の幅ａ、リブ２４の幅ｂ、フラックスバリア２３の幅ｃ、ブリッジ２６の幅ｅは、前述の実施例として示した大きさに限定されない。

この発明は、例えば、電動パワーステアリング装置に使用されるシンクロナスモータに適用することができるが、電動パワーステアリング装置以外に使用されるシンクロナスモータにも適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１…シンクロナスリラクタンスモータ、１０…ステータ（固定子）、１１…ステータコア、１２…ステータコイル、１１ａ…スロット、１２…ステータコイル、２０…ロータ（回転子）、２１…ロータコア、２２…ロータ軸、２３…フラックスバリア（スリット）、２４…リブ、２５…連接部、２６…ブリッジ

Claims (4)

1. ステータとロータとを含み、前記ロータには、外周から中心に向かって複数層に配置され、前記中心に向かって凸となる円弧状の複数のフラックスバリアからなるフラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて極数分だけ形成されている、シンクロナスリラクタンスモータであって、
   前記ロータのうち、互いに隣接するフラックスバリア群に挟まれた領域における前記ロータの外周寄り部分を連接部とし、前記ロータのうち、前記フラックスバリア群内の互いに隣接する２つのフラックスバリアに挟まれた領域をリブとすると、前記連接部の幅が前記リブの幅よりも小さい、シンクロナスリラクタンスモータ。
2. 前記連接部に対する前記リブの幅の比が１よりも大きくかつ３よりも小さい、請求項１に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。
3. 前記連接部に対する前記リブの幅の比が１．５以上でかつ２．５以下である、請求項１に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。
4. 前記フラックスバリア群内のフラックスバリアの層数が７である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。
   

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