JP2017204906A - スイッチトリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリプルを低減可能なスイッチトリラクタンスモータを提供すること。【解決手段】スイッチトリラクタンスモータは、周方向に複数極のティース部が形成され、軸線に直交する断面輪郭が円形で環状のステータコアを有するステータと、ティース部に巻き回される巻線と、周方向に複数極の突極部が等間隔に形成されたロータコアを有するロータとを備える。突極部の極数が５極×Ｎ、ティース部の極数が６極×Ｎ（「Ｎ」はそれぞれ同一自然数）である。また、突極部は、周方向両端の角部が切り欠かれた傾斜面を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチトリラクタンスモータに関する。

永久磁石を使用しない簡素な構成のスイッチトリラクタンスモータが知られている。このスイッチトリラクタンスモータは、ステータの複数のティースが、それぞれ周方向に等間隔に配置されるとともに放射方向に延びている。そのため、突極とティースとの対向する面積が小さくなり、ステータとロータとの間で形成される磁路が歪んで長くなり、モータの損失が増加するという課題がある。

この課題を解決するために、特許文献１に記載のスイッチトリラクタンスモータでは、ステータのティース部１３の極数が６極×Ｎ、ロータの突極部の極数が５極×Ｎ（「Ｎ」はそれぞれ同一自然数）とされ、ステータコアは、軸線に直交する断面形状がそれぞれ異なる第一スロット及び第二スロットを周方向に交互に備え、第一スロットを形成する第一バックヨークの径方向厚さが、第二スロットを形成する第二バックヨークの径方向厚さよりも大きく形成されている。また、第一スロットを形成する一対のティース部が、周方向で隣り合う２つの突極部の延長上に配されるため、磁路が歪んでしまうことを抑制して磁路を短縮することができる。したがって、モータの損失を低減できる。

特開２０１５−２０１９２２号公報

しかし、上記説明したステータの極数が６極×Ｎ、ロータの極数が５極×Ｎであるスイッチトリラクタンスモータには、トルクリプルが大きいといった課題がある。図６は、特許文献１に記載のスイッチトリラクタンスモータにおけるロータの回転角に対するトルクの変化を示すグラフである。図６に示すように、特許文献１に記載のスイッチトリラクタンスモータに三相電流を通電すると、単相のトルクの重複分が多いために、スイッチトリラクタンスモータが出力するトルクのピークが高くなり、トルクリプルが大きくなる。

本発明の目的は、トルクリプルを低減可能なスイッチトリラクタンスモータを提供することである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
周方向に複数極のティース部（例えば、後述の実施形態でのティース部１３）が形成され、軸線に直交する断面輪郭が円形で環状のステータコア（例えば、後述の実施形態でのステータコア１１）を有するステータ（例えば、後述の実施形態でのステータ３）と、
前記ティース部に巻き回される巻線（例えば、後述の実施形態での巻線４）と、
周方向に複数極の突極部（例えば、後述の実施形態での突極部８）が等間隔に形成されたロータコア（例えば、後述の実施形態でのロータコア６）を有するロータ（例えば、後述の実施形態でのロータ２）と、を備え、
前記突極部の極数が５極×Ｎ、前記ティース部の極数が６極×Ｎ（「Ｎ」はそれぞれ同一自然数）とされたスイッチトリラクタンスモータ（例えば、後述の実施形態でのＳＲモータ１）であって、
前記突極部は、周方向両端の角部が切り欠かれた傾斜面を有する、スイッチトリラクタンスモータである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記突極部の前記ステータと対向する先端面の周方向沿いの長さは、前記角部の切り欠きによって３分の２の長さに短くなり、
前記ロータコアの外周と前記傾斜面との交点における、前記ロータコアの外周の接線と前記傾斜面とが成す角度は略６０度である。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の発明において、
前記ステータコアは、
軸線に直交する断面形状がそれぞれ異なる第一スロット（例えば、後述の実施形態での第一スロット１５）及び第二スロット（例えば、後述の実施形態での第二スロット１６）を周方向に交互に備え、前記第一スロットを形成する第一バックヨーク（例えば、後述の実施形態での第一バックヨーク１２ａ）の径方向厚さが、前記第二スロットを形成する第二バックヨーク（例えば、後述の実施形態での第二バックヨーク１２ｂ）の径方向厚さよりも大きく、
前記第一スロットを形成する一対のティース部は、周方向で隣り合う２つの前記突極部の延長上に配される。

請求項１の発明によれば、突極部の周方向両端の角部を切り欠いた構成であるために、スイッチトリラクタンスモータに三相電流を通電した際の単相のトルクの重複分が小さくなる。単相のトルクの重複分が小さいとスイッチトリラクタンスモータが出力するトルクのピークが低くなるため、トルクリプルを低減できる。また、突極部の周方向両端の角部を切り欠いた構成とすることで、ｑ軸インダクタンスに対するｄ軸インダクタンスの比である突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）が高くなる。突極比が高いと各相のトルクが大きくなるため、スイッチトリラクタンスモータが出力する平均トルクの低下を抑制できる。

請求項２の発明における形状となるよう突極部の傾斜面を形成すれば、平均トルクの低下を抑制しつつ、スイッチトリラクタンスモータが出力するトルクのリプル率を最も小さくできる。

請求項３の発明によれば、第一スロットを形成する一対のティース部が、周方向で隣り合う２つの突極部の延長上に配されるため、磁路が歪んでしまうことを抑制して磁路を短縮することができる。したがって、モータの損失を低減して、ロータ大型化による重量増を抑制できる。
また、環状のステータにおいて、形状の異なる第一スロットの第一バックヨークの径方向厚さが、第二スロットの第二バックヨークの径方向厚さよりも厚いため、軸線に直交する第一スロットの断面積と、第二スロットの断面積とを揃えることができる。そのため、第一スロットと、第二スロットとにおける巻線の占積率を揃えることができる。また、第一バックヨークの径方向厚さを厚くすることができるため、ステータ外径が増加することを抑制しつつ、トルク密度、出力密度を向上することができる。

この発明の一実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータの縦断面図である。 図１の第一スロット、および、第二スロット周辺の拡大図である。 一実施形態のスイッチトリラクタンスモータが備えるロータコアの一部の拡大図である。 一実施形態のスイッチトリラクタンスモータにおけるロータの回転角に対するトルクの変化を示すグラフである。 図３に示す傾斜面の角度αに対するスイッチトリラクタンスモータが出力するトルクの平均値とリプル率の変化を示すグラフである。 特許文献１に記載のスイッチトリラクタンスモータにおけるロータの回転角に対するトルクの変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、本実施形態の説明においては、自動車等の車両の駆動源として用いられるスイッチトリラクタンスモータを一例に説明する。

図１は、この発明の一実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータの縦断面図である。図２は、図１の第一スロット、および、第二スロット周辺の拡大図である。
図１に示すように、スイッチトリラクタンスモータ（以下、単にＳＲモータと称す）１は、ロータ２と、ステータ３と、巻線４とを備えている。
ロータ２は、回転軸５と、ロータコア６と、を備えている。回転軸５は、ステータ３に対して回転自在に支持されている。ロータコア６は、回転軸５の外周面から径方向外側に向かって立ち上がっている。ロータコア６は、回転軸５に対して互いの軸線Ｏが重なるように嵌合等により固定されている。ロータコア６は、電磁鋼板等を軸線方向に複数積層することで筒状に形成されている。

ロータコア６は、コア本体部７と、複数の突極部８とを備えている。
コア本体部７は、回転軸５から径方向外側に向かって立ち上がる環状に形成されている。
この実施形態における突極部８は、一つのコア本体部７に対して１０極形成されている。これら突極部８は、コア本体部７から径方向外側に向かって放射状に延びている。これら突極部８は、周方向に等間隔で形成されている。突極部８は、径方向に延びる２つの側面９と、環状に形成されたステータ３の内周面に対向する一つの先端面１０と、周方向両端の角部が切り欠かれた２つの傾斜面２１とを備えている。

先端面１０は、周方向に延び径方向外側に凸となる曲面である。図３に示すように、先端面１０の周方向沿いの長さβは、周方向両端の角部の切り欠きによって３分の２の長さに短くなる。すなわち、傾斜面２１が設けられない突極部が備える先端面の周方向沿いの長さχと上記長さβとの関係は、「β＝２χ／３」である。また、ロータコア６の外周と傾斜面２１との交点における、ロータコア６の外周の接線Ｌと傾斜面２１とが成す角度αは略６０度である。

ステータ３は、軸線Ｏに直交する断面輪郭が円形のステータコア１１を有している。ステータコア１１は、その径方向内側にロータ２を収容する円形の空間を有する環状に形成されている。ステータコア１１は、ヨーク部１２と、複数のティース部１３とを備えている。

図１、図２に示すように、ヨーク部１２は、環状、より具体的には、軸線Ｏに沿う円筒状に形成されている。
複数のティース部１３は、ヨーク部１２から径方向内側に向かってそれぞれ突出して形成されている。複数のティース部１３は、突極部８の先端面１０と対向する対向面１４を備えている。これら対向面１４は、周方向に延び径方向外側に凹となる曲面である。

ステータコア１１は、巻線４が通る空間である第一スロット１５と、第二スロット１６とを備えている。第一スロット１５は、ロータ２側に開口する径方向内側の空間に連通する。同様に、第二スロット１６は、ロータ２側に開口する径方向内側の空間に連通する。これら第一スロット１５、および、第二スロット１６は、ステータコア１１の周方向で交互に形成されている。第一スロット１５を形成する側面及び第二スロット１６を形成する側面は、それぞれ同じ角度だけ傾斜する傾斜平面とされている。第一スロット１５と、第二スロット１６とは、軸線Ｏに直交する断面形状が互いに異なっている。

ここで、周方向で隣り合うティース部１３同士は、周方向で互いに反対方向に傾斜している。また、第一スロット１５は、径方向内側に向かって周方向幅寸法が漸次増加している。第二スロット１６は、径方向内側に向かって周方向幅寸法が漸次減少している。これにより、第一スロット１５を形成する一対のティース部１３を、ティース部１３よりも数の少ない突極部８の延長上に配置することが可能となる（図３参照）。

第一スロット１５を形成する第一バックヨーク１２ａの径方向厚さＤ１は、第二スロット１６を形成する第二バックヨーク１２ｂの径方向厚さＤ２よりも大きい。この径方向厚さＤ１，Ｄ２の差によって、第一スロット１５の軸線Ｏに直交する方向の断面積と、第二スロット１６の軸線Ｏに直交する方向の断面積とが同一となっている。

巻線４は、周方向で隣り合う第一スロット１５と第二スロット１６とに巻き回されている。言い換えれば、巻線４は、第一スロット１５と第二スロット１６とを通り、ティース部１３に複数回巻き回されて巻線群を形成している。一つの第一スロット１５には、周方向で隣り合う二つの巻線群が通る。これら一つの第一スロット１５を通る二つの巻線群の軸線Ｏに直交する断面形状は、それぞれ対称形状となっている。同様に、一つの第二スロット１６には、周方向で隣り合う二つの巻線群が通る。これら一つの第二スロット１６を通る二つの巻線群の軸線Ｏに直交する断面形状は、それぞれ対称形状となっている。

図４は、本実施形態のＳＲモータ１におけるロータ２の回転角に対するトルクの変化を示すグラフである。本実施形態のＳＲモータ１は、ロータコア６の突極部８の周方向両端の角部を切り欠いた構成を有するため、ＳＲモータ１に三相電流を通電した際の単相のトルクは、図６に示した従来のスイッチトリラクタンスモータの場合と比べて、図４に示すように立上りが緩やかであり、立下りが急である。その結果、単相のトルクの重複分が小さくなるため、ＳＲモータ１が出力するトルクのピークが低くなり、トルクリプルが小さくなる。また、突極部８の角部を切り欠いた構成とすることで、ｑ軸インダクタンスに対するｄ軸インダクタンスの比である突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）が高くなる。突極比が高いと各相のトルクが大きくなるため、ＳＲモータ１が出力する平均トルクの低下を抑制できる。

図５は、図３に示した傾斜面２１の角度αに対するＳＲモータ１が出力するトルクの平均値（以下「平均トルク」という。）とリプル率の変化を示すグラフである。本実施形態では、突極部８の角部を切り欠いて形成される傾斜面２１がロータコア６の外周の接線Ｌと成す角度αが略６０度である。図５に示すように、リプル率は角度αが６０度前後で最も小さくなる一方で、平均トルクは角度αに大きく影響を受けない。したがって、本実施形態では角度αが略６０度となるよう突極部８の角部が切り欠かれる。

以上説明したように、本実施形態によれば、突極部８の周方向両端の角部を切り欠いた構成であるために、ＳＲモータ１に三相電流を通電した際の単相のトルクの重複分が小さくなる。単相のトルクの重複分が小さいとＳＲモータ１が出力するトルクのピークが低くなるため、トルクリプルを低減できる。また、突極部８の周方向両端の角部を切り欠いた構成とすることで突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）が高くなる。突極比が高いと各相のトルクが大きくなるため、ＳＲモータ１が出力する平均トルクの低下を抑制できる。

また、第一スロット１５を形成する一対のティース部１３が、周方向で隣り合う２つの突極部８の延長上に配されるため、磁路が歪んでしまうことを抑制して磁路を短縮することができる。その結果、ＳＲモータ１の損失を低減してロータ大型化による重量増を抑制できる。

また、環状のステータ３において、形状の異なる第一スロット１５の第一バックヨーク１２ａの径方向厚さＤ１が、第二スロット１６の第二バックヨーク１２ｂの径方向厚さＤ２よりも厚いため、軸線Ｏに直交する第一スロット１５の断面積と、第二スロット１６の断面積とを揃えることができる。そのため、第一スロット１５と、第二スロット１６とにおける巻線４の占積率を揃えることができる。また、第一バックヨーク１２ａの径方向厚さＤ１を厚くすることができるため、ステータ外径が増加することを抑制しつつ、トルク密度、出力密度を向上することができる。

なお、この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
上述した実施形態においては、第一スロット１５を通る二つの巻線群の軸線Ｏに直交する断面形状がそれぞれ周方向で対称形状の場合について説明した。しかし、この構成に限られず、非対称形状としても良い。
また、車両駆動用のＳＲモータ１を一例に説明した。しかし、ＳＲモータは、車両駆動用に限られるものではない。

さらに、上述した実施形態においては、突極部８が１０極、ティース部１３が１２極の場合について説明したが、突極部８の極数、および、ティース部１３の極数の組み合わせは、この１０極、１２極の組み合わせに限られない。例えば、突極部８を２０極、ティース部１３を２４極の組み合わせとしてもよい。さらに、突極部８を５極、ティース部１３を６極とする組み合わせ、突極部８を３０極、ティース部１３を３６極とする組み合わせ、および、突極部８を４０極、ティース部１３を４８極とする組み合わせなどにも、この発明を適用可能である。すなわち、この発明を適用可能なＳＲモータ１の突極部８の極数、および、ティース部１３の極数の組み合わせは、突極部８が５極×Ｎ、ティース部１３が６極×Ｎ（「Ｎ」はそれぞれ同一自然数）の関係が満たされていればよい。

１ ＳＲモータ（スイッチトリラクタンスモータ）
２ ロータ
３ ステータ
４ 巻線
６ ロータコア
７ コア本体部
８ 突極部
９ 側面
１０ 先端面
２１ 傾斜面
１１ ステータコア
１２ ヨーク部
１３ ティース部
１２ａ 第一バックヨーク
１２ｂ 第二バックヨーク
１５ 第一スロット
１６ 第二スロット
Ｏ 軸線
Ｌ 接線

Claims (3)

1. 周方向に複数極のティース部が形成され、軸線に直交する断面輪郭が円形で環状のステータコアを有するステータと、
   前記ティース部に巻き回される巻線と、
   周方向に複数極の突極部が等間隔に形成されたロータコアを有するロータと、を備え、
   前記突極部の極数が５極×Ｎ、前記ティース部の極数が６極×Ｎ（「Ｎ」はそれぞれ同一自然数）とされたスイッチトリラクタンスモータであって、
   前記突極部は、周方向両端の角部が切り欠かれた傾斜面を有する、スイッチトリラクタンスモータ。
2. 請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータであって、
   前記突極部の前記ステータと対向する先端面の周方向沿いの長さは、前記角部の切り欠きによって３分の２の長さに短くなり、
   前記ロータコアの外周と前記傾斜面との交点における、前記ロータコアの外周の接線と前記傾斜面とが成す角度は略６０度である、スイッチトリラクタンスモータ。
3. 請求項１又は２に記載のスイッチトリラクタンスモータであって、
   前記ステータコアは、
   軸線に直交する断面形状がそれぞれ異なる第一スロット及び第二スロットを周方向に交互に備え、前記第一スロットを形成する第一バックヨークの径方向厚さが、前記第二スロットを形成する第二バックヨークの径方向厚さよりも大きく、
   前記第一スロットを形成する一対のティース部は、周方向で隣り合う２つの前記突極部の延長上に配される、スイッチトリラクタンスモータ。

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