JP2017041963A - モータ・ジェネレータ - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＲモータを用いたモータ・ジェネレータにおいて、モータの体格を大きくさせることなく、発電量を向上させることにある。【解決手段】モータ・ジェネレータ１はスイッチドリラクタンスモータであり、ステータ突極１６を備えたステータコア１３とコイル１４を有するステータ１１と、ステータ１１内に回転自在に配置され、ロータ突極２５を備えたロータコア２３を有するロータ２１とからなる。ロータコア２３の軸方向長Ｌｒはステータコア１３の軸方向長Ｌｓよりも長く（Ｌｒ＞Ｌｓ）、ロータコア２３の軸方向両端部にはオーバーハング部３１が形成される。オーバーハング部３１の軸方向長Ｘは、コイル１４の張出部１８の長さＨよりも短く（Ｘ＜Ｈ）、ロータコア２３のコアプレート２２の積層枚数にて寸法調整可能であり、１〜５ｍｍ程度に設定される。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジン用始動発電機などに使用されるモータ・ジェネレータに関し、特に、ＳＲモータ（Switched Reluctance Motor：スイッチドリラクタンスモータ）を用いたモータ・ジェネレータに関する。

従来より、エンジンの始動には電動モータを用いたエンジンスタータが使用されている。例えば、特許文献１（段落［００７３］）には、ＳＲモータを用いたエンジンのスタータ・ジェネレータが記載されている。近年、エンジン始動用のモータとして、構造が簡単で堅牢なＳＲモータが着目されており、特に、ＳＲモータは、ロータに永久磁石を使用しないことから、レアアース価格の高騰を背景にその利用が拡大している。特許文献１のスタータ・ジェネレータでは、クラッチや減速機などを介して、モータの回転軸がエンジンのクランク軸に連結されており、エンジン停止時はスタータ（動力機）として、エンジン始動後はジェネレータ（発電機）として機能するようになっている。また、ＳＲモータとしては、特許文献２に記載されるものが一般的に知られている。

特開２００１−２８８５１号公報 特開平１０−３０４６３２号公報

しかしながら、特許文献２のような通常のＳＲモータは、図４に示すように、ステータ５１とロータ５２の軸長が同じに設定されている。このため、図４のようなＳＲモータにて発電を行う場合、コア端面部５３の磁束が空気層Ａ中を流れるため、磁気抵抗が大きくなり、磁束Ｂが流れづらく、発電量が少なくなってしまうという問題があった。この場合、発電量を増加させるにはモータの体格を大きくする必要があり、モータの小型・軽量化が望まれる現在では余り好ましい状況とは言い難く、その対策が求められていた。

本発明の目的は、ＳＲモータを用いたモータ・ジェネレータにおいて発電量を向上させることにあり、より好ましくは、モータの体格を大きくさせることなく、発電量の向上を図ることにある。

本発明のモータ・ジェネレータは、径方向内側に向かって延びる複数の突極が突設されたステータコアと、該突極のそれぞれに巻装されたコイルと、を有するステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置され、径方向外側に向かって延びる複数の突極が突設されたロータコアを有するロータと、を備えてなるスイッチドリラクタンスモータを用いたモータ・ジェネレータであって、前記ロータコアの軸方向長Ｌｒが、前記ステータコアの軸方向長Ｌｓよりも長い（Ｌｒ＞Ｌｓ）ことを特徴とするモータ・ジェネレータ。

本発明にあっては、ロータコアの軸方向長Ｌｒをステータコアの軸方向長Ｌｓよりも長くすることにより、ステータコアの軸方向端面からロータコア側に流れる磁束に対する磁気抵抗を減らすことができる。すなわち、従来のモータ・ジェネレータよりも磁束が空気層を流れる距離を短縮でき、その結果、磁束が流れ易くなり、従来構造のモータ・ジェネレータに比して発電量が増大する。

前記モータ・ジェネレータにおいて、前記ロータコアの軸方向両端部に、前記ステータコアと対向することなく、前記ステータコアの軸方向端から軸方向に沿って張り出したオーバーハング部を設けても良く、このオーバーハング部の軸方向の長さを、０を超え〜５ｍｍ以下に設定しても良い。

また、前記オーバーハング部の軸方向長Ｘを、前記コイルの張出部（前記コイルが前記ステータコアの軸方向端部から軸方向に向かって張り出した部位）の長さＨよりも短く（Ｘ＜Ｈ）設定しても良い。ＸをＨよりも小さくすることにより、張出部近傍の空隙を利用してオーバーハング部を設けることができ、モータ体格を大きくすることなく、ロータコアの軸方向両端部にオーバーハング部を形成することが可能となる。

さらに、薄板鋼板からなるコアプレートを複数枚積層することにより前記ロータコアを構成し、前記ロータコアの軸方向長Ｌｒを、前記ステータコアの軸方向長Ｌｓよりも、前記コアプレートの板厚×ｎ（ｎは自然数）だけ長くするようにしても良い。これにより、オーバーハング部をコアプレートの積み増しのみにて形成することができ、容易かつ寸法的にも高精度にオーバーハング部を形成することが可能となる。また、ロータコアプレートの枚数によりオーバーハング量を調整でき、オーバーハング量を容易に設定、調整することが可能となる。

一方、当該モータ・ジェネレータは、モータとして機能するモータモードと、発電機として機能する発電モードと、全く発電を行わない無発電モードを有する構成としても良い。これにより、ロータにマグネットが配されているモータのように、発電が不要な場合でも否応なく発電作用が生じることがなく、所望のタイミングで発電を効率良く行うことが可能となると共に、モータ・ジェネレータが発電不要時における作動負荷となるのを防止することが可能となる。

また、前記ロータをエンジンのクランクシャフトに連結することにより、当該モータ・ジェネレータを、エンジンの始動と発電を行うスタータ・ジェネレータとして使用することも可能である。この場合、前述の無発電モードでは、発電作用が生じないため、モータ・ジェネレータがエンジン負荷となってしまうことがなく、燃費の向上が図られる。

本発明のモータ・ジェネレータによれば、スイッチドリラクタンスモータを用いたモータ・ジェネレータにて、ロータコアの軸方向長Ｌｒをステータコアの軸方向長Ｌｓよりも長くすることにより（Ｌｒ＞Ｌｓ）、ステータコアの軸方向端面を流れる磁束に対する磁気抵抗を減らすことができる。これにより、従来構造のモータ・ジェネレータよりも、ステータコアの軸方向端面の磁束が流れ易くなり、発電量を向上させることが可能となる。

本発明の一実施の形態であるモータ・ジェネレータの構成を示す説明図である。 ステータ長Ｌｓとロータ長Ｌｒの関係を示す説明図である。 オーバーハング量Ｘと発電量との関係を示す説明図である。 従来のモータ・ジェネレータにおける磁束の流れを示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態であるモータ・ジェネレータの構成を示す説明図である。図１のモータ・ジェネレータ１はインナーロータ型のＳＲモータ構造を有しており、エンジンのスタータ・ジェネレータ（始動発電機）として使用される。モータ・ジェネレータ１は、図示しないモータケース内に固定されたステータ１１と、ステータ１１内に回転自在に配置されたロータ２１とを備えている。

ステータ１１は、薄板の電磁鋼板（薄板鋼板）コアプレート１２（例えば、厚さ０.３５ｍｍ）を多数積層して形成したステータコア１３と、ステータコア１３に巻装されたコイル１４とを有している。ステータコア１３には、リング状のヨーク１５と、ヨーク１５から径方向内側（中心方向）に向かって延びる複数のステータ突極１６が設けられている。ステータ突極１６は放射状に突設されており、隣接するステータ突極１６の間はスロット１７となっている。モータ・ジェネレータ１では、ステータ突極１６とスロット１７は同じ大きさ（同中心角）に形成されている。ステータ突極１６は周方向に沿って６個等分に設けられている。

ステータ突極１６の外周にはコイル１４が巻装されている。コイル１４には、エンジンコントローラの制御の下、バッテリから電流が供給される。コイル１４は、位相を異にする電流が通電供給される複数相の相コイル（ここでは、Ｕ相コイル１４Ｕ,Ｖ相コイル１４Ｖ,Ｗ相コイル１４Ｗの３組）からなり、対向する一対が同相となっている。そして、三対のコイル１４に順次通電することより、モータ・ジェネレータ１内には３相（Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相）の回転磁界が形成される。

ステータ１１の内側には、ステータ１１と同軸状にロータ２１が挿入されている。ロータ２１は回転自在に配置されており、ステータ１１に対し相対回転可能となっている。ロータ２１は、エンジンのクランクシャフトに直結されており、クランクシャフトと共に回転する。ロータ２１は、薄板の電磁鋼板（薄板鋼板）製コアプレート２２（例えば、厚さ０.３５ｍｍ）を多数積層して形成されたロータコア２３と、ロータコア２３の内側に固定されたロータボディ２４を有している。ロータコア２３の外周には、径方向外側に向かって延びる複数のロータ突極２５が突設されている。ロータ突極２５は、周方向に沿って４個等分（９０°ピッチ）に設けられている。ここでは、ロータ突極２５は、ステータ突極１６やスロット１７と同大きさ（同中心角）に形成されている。

ここで、本発明によるモータ・ジェネレータ１では、ステータ長よりもロータ長が長くなっている。すなわち、図２に示すように、ロータコア２３の軸方向の長さＬｒが、ステータコア１３の軸方向の長さＬｓよりも大きくなっている（Ｌｒ＞Ｌｓ）。これにより、ロータコア２３の両端部には、ロータコア２３と対向しないオーバーハング部３１が形成される。片側のオーバーハング部３１の軸方向長Ｘ（オーバーハング量Ｘ）は、１ｍｍ〜５ｍｍ程度（ここでは、コアプレート２２の厚さ＝０.３５ｍｍ）に設定されている。なお、図２では、発明の構成が容易に視認できるように、オーバーハング部３１の大きさを誇張して記載している。

また、オーバーハング部３１は、ステータ１１のコイル１４の軸方向両端部に対向する形で設けられている。図４に示すように、コイル１４の軸方向両端部に対向する位置（図４の空隙部Ｙ）は、通常、部品や部材は配置されておらず空隙となっている。この場合、コイル１４の軸方向両端部には、ステータコア１３の軸方向端部から軸方向に向かって張り出した張出部１８があり、その軸方向長Ｈ（コイル高さ）は概ね７〜１３ｍｍ程度となっている。本発明者らはこの張出部１８近傍のスペースに着目し、これを活用すれば、モータ全長に何ら影響を与えることなく、１ｍｍ〜５ｍｍ程度のオーバーハング部３１を設けられることに気付いた。そこで、本発明のモータ・ジェネレータ１では、この空隙部Ｙを利用してロータコア２３の長さを延長し、モータ体格を大きくすることなく、全長を変えずにオーバーハング部３１を形成している。

モータ・ジェネレータ１では、ロータ２１の回転角度を図示しないレゾルバにて検出している。エンジンコントローラは、ロータ２１の角度位置に応じて各相コイル１４Ｕ,１５Ｖ,１５Ｗを順次励磁する。コイル１４が励磁されると、それが巻装されたステータ突極１６は順次磁極となり、モータ・ジェネレータ１内に回転磁界が形成される。ロータ２１のロータ突極２５は磁化されたステータ突極１６に吸引され、これによりステータ１１内にてロータ２１が回転し、モータ・ジェネレータ１は、スタータモータとして機能する（モータモード）。

また、モータ・ジェネレータ１は、コイル１４に瞬時通電することにより、ジェネレータ（発電機）として機能させることもできる（発電モード）。例えば、ロータ２１が回転しロータ突極２５とステータ突極１６が整列したとき、当該ステータ突極１６のコイル１４に通電すると、コイル１４が励磁され磁束が生じる。そして、慣性で回り続けるロータ突極２５がこの磁束を切ると、コイル１４に誘導電流が発生し、起電力が生じる。すなわち、コイル１４へのトリガ通電を行うことにより、所望のタイミングにてコイル１４から電力を得ることができる。なお、アクセルオフ時に上述の動作を行うことにより発電作用が生じ、エンジンには制動力（回生ブレーキ）が加わる。

前述のように、モータ・ジェネレータ１では、ロータコア２３の端部にオーバーハング部３１が設けられている。このため、ステータコア１３の軸方向端面３２からロータコア２３側に流れる磁束Ｂは、軸方向端面３２からオーバーハング部３１に向かう。このとき、磁束Ｂが空気層中を流れるエア磁路Ｐａは、図４の場合におけるエア磁路の半分程度となる。また、オーバーハング部３１により、図２では空気層Ａ中を流れる磁束Ｂの磁路のうち半分は、ロータコア２３（電磁鋼板製）を通るコア磁路Ｐｃとなる。つまり、ステータコア端面部を流れる磁束の磁路（端面磁路）にて、エア磁路Ｐａが半減し、減少分はコア磁路Ｐｃとなる。従って、モータ・ジェネレータ１では、図４のような従来のモータに比して、端面磁路の磁気抵抗を大きく減らすことができ、その結果、磁束Ｂが流れ易くなり、従来構造のモータ・ジェネレータに比して発電量を向上させることが可能となる。

図３は、オーバーハング量Ｘと発電量との関係を示す説明図である。図３に示すように、発明者らの解析結果によれば、オーバーハング部３１を設けると（Ｘ＞０ｍｍ）発電量は増大するが、Ｘが概ね１ｍｍ以上となると発電量が効果的に増大（約800Ｗ→約1000Ｗ：約２５％アップ）する。また、Ｘが５ｍｍ程度までは発電量になだらかな上昇傾向が見られたが、Ｘを５ｍｍより大きくしても発電量はほとんど変わらなかった。これより、発電量を増大させるためのオーバーハング量Ｘとしては、０ｍｍを超え〜５ｍｍ程度、好ましくは、１ｍｍ〜５ｍｍ程度が好ましい。

また、オーバーハング量Ｘの設定に際しては、ロータコア２３のコアプレート２２を積み増すことが簡便である。従って、オーバーハング量Ｘは、コアプレート２２の厚さ（ここでは０.３５ｍｍ）を基準に１ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲に決定することが好ましい。すなわち、ロータコア２３の軸方向長Ｌｒを、ステータコア１３の軸方向長Ｌｓよりも、コアプレート２２の板厚ｔ×ｎ（ｎは自然数）だけ長く設定することにより（Ｌｒ−Ｌｓ＝ｔ×ｎ）、オーバーハング部３１を容易かつ確実に設けることが可能である。また、コアプレート２２の枚数により、オーバーハング量Ｘを容易に調整することも可能となる。なお、当該モータ・ジェネレータ１では、オーバーハング量Ｘをコアプレート１枚分以上の０.３５ｍｍ以上で設定している。

さらに、このようなオーバーハング部３１は、前述のように、コイル高さＨを利用することにより、モータ全長を変えることなくロータコア２３の軸方向両端部に設けられている。従って、オーバーハング部３１の存在により、同じ体格のモータであれば、発電量をより増加させることができ、また、同じ発電量で考えれば、モータをより小型化することが可能となる。

一方、モータ・ジェネレータ１は、ＳＲモータ構造でありロータ２１にマグネットが配されていないため、ロータ回転中（エンジン回転中）にトリガ通電を行わない限り、発電作用は生じない。つまり、エンジン加速時のように発電の必要がないときには、全く発電を行わないようにすることも可能である（無発電モード）。ロータにマグネットが配されているモータでは、ロータが回転するとステータコイル側に起電力が生じるため、発電が不要な場合でも、否応なく発電作用が生じる。この起電力は、エンジンに対しては負荷となり、燃費の低下を招来すると共に、余剰電力の処理も問題となる。

これに対し、当該モータ・ジェネレータ１は、無発電モードを備え、それと発電モードを適宜切り替えることができる。すなわち、コイル無通電時（無発電モード時）には発電作用が生じないため、モータ・ジェネレータ１がエンジン負荷となってしまうことがなく、燃費の向上も図られる。従って、モータ・ジェネレータ１においては、エンジンに対する負荷を抑えつつ、所望のタイミングで発電を効率良く行うことが可能となる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、モータ・ジェネレータ１のステータ突極１６の数を６個、ロータ突極２５の数を４個の例を示したが、ステータ突極１６とロータ突極２５の数はこれに限定されない。また、前述の実施形態では、オーバーハング部３１をロータコア２３の両端部に設ける例を示したが、これに限られるものではなく、ロータコア２３の片端部に設けるようにしても良い。また、オーバーハング部３１の軸方向長Ｘや、コアプレート２２の厚さなどもあくまでも一例であり、これらの値もまた前述の例には限定されない。さらに、前述の実施形態では、モータ・ジェネレータ１における発電量の向上について述べたが、オーバーハング部３１を設けることにより、モータトルクの向上も図られる。

本発明によるモータ・ジェネレータは、エンジンのスタータ・ジェネレータのみならず、鉄道車両や産業機械、家電製品などにも広く適用可能である。

１ モータ・ジェネレータ
１１ ステータ
１２ コアプレート
１３ ステータコア
１４ コイル
１５ ヨーク
１６ ステータ突極
１７ スロット
１８ 張出部
２１ ロータ
２２ コアプレート
２３ ロータコア
２４ ロータボディ
２５ ロータ突極
３１ オーバーハング部
３２ 軸方向端面
５１ ステータ
５２ ロータ
５３ コア端面部
Ａ 空気層
Ｂ 磁束
Ｈ コイル高さ（張出部の軸方向長）
Ｌｒ ロータコア軸方向長
Ｌｓ ステータコア軸方向長
Ｐａ エア磁路
Ｐｃ コア磁路
Ｘ オーバーハング量（オーバーハング部の軸方向長）
Ｙ 空隙部

Claims (7)

1. 径方向内側に向かって延びる複数の突極が突設されたステータコアと、該突極のそれぞれに巻装されたコイルと、を有するステータと、
   前記ステータの内側に回転自在に配置され、径方向外側に向かって延びる複数の突極が突設されたロータコアを有するロータと、を備えてなるスイッチドリラクタンスモータを用いたモータ・ジェネレータであって、
   前記ロータコアの軸方向長Ｌｒが、前記ステータコアの軸方向長Ｌｓよりも長い（Ｌｒ＞Ｌｓ）ことを特徴とするモータ・ジェネレータ。
2. 請求項１記載のモータ・ジェネレータにおいて、
   前記ロータコアは、その軸方向両端部に、前記ステータコアと対向することなく、前記ステータコアの軸方向端から軸方向に沿って張り出したオーバーハング部を有することを特徴とするモータ・ジェネレータ。
3. 請求項２記載のモータ・ジェネレータにおいて、
   前記オーバーハング部の軸方向の長さが、０を超え〜５ｍｍ以下に設定されてなることを特徴とするモータ・ジェネレータ。
4. 請求項２又は３記載のモータ・ジェネレータにおいて、
   前記コイルは、前記ステータコアの軸方向端部から軸方向に向かって張り出した張出部を有し、
   前記オーバーハング部の軸方向長Ｘは、前記張出部の長さＨよりも短い（Ｘ＜Ｈ）ことを特徴とするモータ・ジェネレータ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のモータ・ジェネレータにおいて、
   前記ロータコアは、薄板鋼板からなるコアプレートを複数枚積層して構成され、前記ロータコアの軸方向長Ｌｒは、前記ステータコアの軸方向長Ｌｓよりも、前記コアプレートの板厚×ｎ（ｎは自然数）だけ長いことを特徴とするモータ・ジェネレータ。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のモータ・ジェネレータにおいて、
   該モータ・ジェネレータは、モータとして機能するモータモードと、発電機として機能する発電モードと、全く発電を行わない無発電モードを有することを特徴とするモータ・ジェネレータ。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のモータ・ジェネレータにおいて、
   前記ロータは、エンジンのクランクシャフトに連結され、
   該モータ・ジェネレータは、エンジンの始動と発電を行うスタータ・ジェネレータとして機能することを特徴とするモータ・ジェネレータ。

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