JP2018093639A - モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクを大きくすることができるモータ装置を提供する。
【解決手段】ステータコア５１は、第１ティース部５５と第２ティース部５６とスリット５４とブリッジ部５７とを有し、スリット５４は、ステータコア５１の中心Ｏからスリット５４の外径側の端部までの距離ｒ２がコイルスロット５２の外径側の端部までの距離ｒ１以上となるように形成されている。駆動制御部のコントローラは、突極４１が第１ティース部５５を通過する際に第１ティース部５５から突極４１に磁束が流れるようにコイル２１，２２，２３に電流を流し、突極４１がスリット５４を通過する際にコイル２１，２２，２３に流れる電流の向きが反転し、突極４１が第２ティース部５６を通過する際に突極４１から第２ティース部５６に磁束が流れるようにコイル２１，２２，２３に電流を流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を用いない磁石レス型リラクタンスモータと駆動制御部とを備えたモータ装置に関するものである。

ロータとステータに永久磁石が存在しない磁石レスモータであるリラクタンスモータにおいてはロータに突極を備え、ステータにはコイルを備えている。駆動回路は、非対称のブリッジ構成となり、モータは電気的に３相であるが、モータの各相に直流を流すために駆動回路からモータへの線を６本有すると駆動回路が複雑になるとともに、永久磁石モータなどの同期機と比較すると直流で一相のみ駆動させるため効率も悪い。これに対し、ＳＲモータを全節巻き（分布巻き）として３相で駆動する技術が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０００−１５２５７７号公報

しかしながら、ロータの回転位置によるトルクの変化についてトルクが全部の期間働かず休止している区間があり（特許文献１の図６（ｃ）参照）、これはモータのインダクタンスと電流の周期が倍半分で違うためである（特許文献１の図６（ａ），（ｂ）参照）。なお、モータトルクは、コイルに流れる電流の二乗とロータ回転位置に対するコイルインダクタンスの変化に比例する。

本発明の目的は、トルクを大きくすることができるモータ装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、突極を有するロータ及び筒状のステータコアの内径側に開口するコイルスロットにコイルが挿入されるとともに、前記ロータの外周側に配置されるステータを有する磁石レス型リラクタンスモータと、前記コイルへの通電制御を行う駆動制御部と、を備えたモータ装置であって、前記ステータコアは、周方向に隣り合う前記コイルスロットの間に形成された第１ティース部と第２ティース部と、前記第１ティース部と前記第２ティース部との間に形成されるとともに、前記ステータコアの内径側に開口するスリットと、前記スリットの外径側に形成されるとともに前記第１ティース部と前記第２ティース部とを繋ぐブリッジ部とを有し、前記スリットと前記コイルスロットとは、前記ステータコアの周方向に交互に配置され、前記スリットは、前記ステータコアの内径側から外径側に延在するとともに、前記ステータコアの中心から前記スリットの外径側の端部までの距離が、前記ステータコアの中心から前記コイルスロットの外径側の端部までの距離以上となるように形成され、前記駆動制御部は、前記突極が前記第１ティース部を通過する際に前記第１ティース部から前記突極に磁束が流れるようにコイルに電流を流し、前記突極がスリットを通過する際にコイルに流れる電流の向きが反転し、前記突極が第２ティース部を通過する際に前記突極から前記第２ティース部に磁束が流れるようにコイルに電流を流すことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、ステータコアにおいて周方向に隣り合うコイルスロットの間に形成された第１ティース部と第２ティース部との間においてステータコアの内径側に開口するスリットが形成されている。スリットの外径側に形成されたブリッジ部により第１ティース部と第２ティース部とが繋がっている。スリットとコイルスロットとが、ステータコアの周方向に交互に配置され、スリットは、ステータコアの内径側から外径側に延在し、ステータコアの中心からスリットの外径側の端部までの距離が、ステータコアの中心からコイルスロットの外径側の端部までの距離以上となるように形成されている。そして、駆動制御部により、突極が第１ティース部を通過する際に第１ティース部から突極に磁束が流れるようにコイルに電流を流し、突極がスリットを通過する際にコイルに流れる電流の向きが反転し、突極が第２ティース部を通過する際に突極から第２ティース部に磁束が流れるようにコイルに電流が流される。よって、トルクが発生しない区間をなくして、トルクを大きくすることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載のモータ装置において、前記駆動制御部は、前記コイルに３相で通電して前記ロータを回転させる３相駆動回路を有するとよい。
請求項３に記載のように、請求項１または２に記載のモータ装置において、前記スリットは、前記ステータコアの周方向に隣り合う前記コイルスロットの間における周方向の中央に形成されているとよい。

本発明によれば、トルクを大きくすることができる。

実施形態における磁石レス型リラクタンスモータの概略断面図。 モータ装置の電気的構成を示す回路図。 磁束の変化を示すタイムチャート。 （ａ）〜（ｄ）はロータの突極の位置と磁束の流れを説明するための磁石レス型リラクタンスモータの展開図。 磁石レス型リラクタンスモータの一部を拡大した概略断面図。 トルクの変化を示すタイムチャート。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図２に示すように、モータ装置１０は、磁石レス型リラクタンスモータ２０と、駆動制御部３０と、を備えている。磁石レス型リラクタンスモータ２０は、３相モータであって、Ｕ相コイル２１、Ｖ相コイル２２、Ｗ相コイル２３を有する。駆動制御部３０は、３相駆動回路（３相インバータ回路）３１と、コントローラ３２とを有する。駆動制御部３０は、コイル２１，２２，２３への通電制御を行うものであり、コイル２１，２２，２３に通電してロータを回転させるためのものである。

図１に示すように、磁石レス型リラクタンスモータ２０は、ロータ４０とステータ５０を備えている。ロータ４０は、５つの突極４１を有する。５つの突極４１は周方向において等角度に形成されている。

ロータ４０の外周側には円筒状のステータコア５１が配置されている。ステータコア５１には６つのコイルスロット５２が形成されている。６つのコイルスロット５２は周方向において等角度に形成されている。コイルスロット５２はステータコア５１の内径側に開口している。コイルスロット５２にはコイル２１，２２，２３が挿入されており、周方向に隣り合うコイルスロット５２の間のティース５３にＵ相コイル２１、Ｖ相コイル２２、Ｗ相コイル２３がそれぞれ２組集中巻され、ステータ５０の極数は６である。

このように、磁石レス型リラクタンスモータ２０は、突極４１を有するロータ４０及び筒状のステータコア５１の内径側に開口するコイルスロット５２にコイル２１，２２，２３が挿入されるとともに、ロータ４０の外周側に配置されるステータ５０を有する。

ステータコア５１には、周方向に隣り合うコイルスロット５２の間のティース５３においてステータコア５１の内径側に開口するスリット（空隙）５４が、コイルスロット５２と周方向に交互になるように形成されている。スリット５４は長方形をなしている。より詳しくは、ステータコア５１の中心Ｏに対しコイルスロット５２が放射状に形成されているとともにステータコア５１の中心Ｏに対しスリット５４が放射状に形成されている。スリット５４は、ティース５３における周方向での中央に形成されている。即ち、図１において周方向に隣り合うコイルスロット５２のなす角度θ１に対し、コイルスロット５２とスリット５４でなす角度がθ１／２となっており、スリット５４は、ステータコア５１の周方向において隣り合うコイルスロット５２の間における周方向に等角度となる中間位置に配置されている。このように、スリット５４は、ステータコア５１の周方向に隣り合うコイルスロット５２の間における周方向の中央に形成されている。

ステータコア５１は、第１ティース部５５、第２ティース部５６、ブリッジ部５７を有する。第１ティース部５５は、スリット５４の周方向両側のうちの一方に形成されている。第２ティース部５６は、スリット５４の周方向両側のうちの他方に形成されている。ブリッジ部５７は、スリット５４の外径側に形成されている。ブリッジ部５７は、第１ティース部５５と第２ティース部５６とを繋いでいる。

また、スリット５４は、ティース５３の内径から外径に向かってコイルスロット５２以上に外径側に延在している。詳しくは、ステータコア５１の中心Ｏからコイルスロット５２の外径側端部までの距離がｒ１であり、ステータコア５１の中心Ｏからスリット５４の外径側端部までの距離がｒ２であり、ｒ１≦ｒ２となっている。特に、本実施形態ではｒ１＜ｒ２となっており、スリット５４は、コイルスロット５２よりも外径側に延在している。よって、スリット５４の外径側のブリッジ部５７での径方向の長さは、コイルスロット５２の外径側のブリッジ部５８での径方向の長さよりも短くなっている。

このように、ステータコア５１は、第１ティース部５５と第２ティース部５６とスリット５４とブリッジ部５７とを有し、第１ティース部５５と第２ティース部５６とは、周方向に隣り合うコイルスロット５２の間に形成されている。スリット５４は、第１ティース部５５と第２ティース部５６との間に形成されるとともに、ステータコア５１の内径側に開口する。ブリッジ部５７は、スリット５４の外径側に形成されるとともに第１ティース部５５と第２ティース部５６とを繋いでいる。また、スリット５４とコイルスロット５２とは、ステータコア５１の周方向に交互に配置されている。ここで、スリット５４は、ステータコア５１の内径側から外径側に延在するとともに、ステータコア５１の中心Ｏからスリット５４の外径側の端部までの距離ｒ２が、ステータコア５１の中心Ｏからコイルスロット５２の外径側の端部までの距離ｒ１以上となるように形成されている。

図２に示すように、３相駆動回路３１は、Ｕ相上アーム用スイッチング素子Ｑ１とＵ相下アーム用スイッチング素子Ｑ２とＶ相上アーム用スイッチング素子Ｑ３とＶ相下アーム用スイッチング素子Ｑ４とＷ相上アーム用スイッチング素子Ｑ５とＷ相下アーム用スイッチング素子Ｑ６を有する。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、Ｕ相上アーム用スイッチング素子Ｑ１とＵ相下アーム用スイッチング素子Ｑ２が直列に接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、Ｖ相上アーム用スイッチング素子Ｑ３とＶ相下アーム用スイッチング素子Ｑ４が直列に接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、Ｗ相上アーム用スイッチング素子Ｑ５とＷ相下アーム用スイッチング素子Ｑ６が直列に接続されている。

各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６には、それぞれダイオードＤが逆並列接続されている。
Ｕ相上アーム用スイッチング素子Ｑ１とＵ相下アーム用スイッチング素子Ｑ２との間には、Ｕ相コイル２１の一端が接続されている。Ｖ相上アーム用スイッチング素子Ｑ３とＶ相下アーム用スイッチング素子Ｑ４との間には、Ｖ相コイル２２の一端が接続されている。Ｗ相上アーム用スイッチング素子Ｑ５とＷ相下アーム用スイッチング素子Ｑ６との間には、Ｗ相コイル２３の一端が接続されている。Ｕ相コイル２１の他端、Ｖ相コイル２２の他端、及び、Ｗ相コイル２３の他端は中性点Ｐｎに接続されている。このようにＵ相コイル２１、Ｖ相コイル２２及びＷ相コイル２３はスター結線されている。

コントローラ３２は回転位置センサ３３から信号を入力してロータ４０の回転位置（突極４１の位置）を検知している。また、コントローラ３２は電流センサ３４，３５から信号を入力してＵ相、Ｖ相のコイルに流れる電流を検知している。

コントローラ３２は、回転位置センサ３３により検出したロータ４０の回転位置、及び、電流センサ３４，３５により検出したＵ相、Ｖ相のコイルに流れる電流に基づいて、ロータ４０の回転位置に応じて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をデューティ制御してコイル２１，２２，２３に流す電流を制御する。なお、センサ類は、少なくとも電流センサがあればよいが、更に回転位置センサ３３を用いることにより高精度にロータ４０の回転位置を検出することができる。

次に、作用について説明する。
３相駆動回路３１を用いてステータ５０のコイル２１，２２，２３に正弦波状の電流が流される。これにより、図３に示すように、ロータ４０の突極４１の位置により、磁束が正弦波状に発生する。詳しくは、図３は横軸にロータの回転位置をとり、縦軸に磁束の向きと強さをとっている。磁束の向きは＋−で表しており、ロータの１回転中において磁束の向きが変わる。

図３の横軸において符号Ｐ１で示すロータの回転位置として基準となる０°でのロータとステータの対向状態を図４（ａ）で示す。つまり、図３でのロータの回転位置が０°のときが図５に示す拡大図であり、図５の展開図が図４（ａ）である。

図５及び図４（ａ）に示すロータの回転位置である突極４１の位置が基準となる０°では、ロータの突極４１とステータの第１ティース部５５とが対向している（最接近している）。

同様にして、図３の横軸においてロータの回転位置が基準となる０°に対し符号Ｐ２で示す９０°に対応するロータとステータの対向状態を図４（ｂ）で示す。図４（ｂ）に示すロータの回転位置が９０°では、ロータの突極４１とステータのスリット５４とが対向している（最接近している）。

図３の横軸においてロータの回転位置が基準となる０°に対し符号Ｐ３で示す１８０°に対応するロータとステータの対向状態を図４（ｃ）で示す。図４（ｃ）に示すロータの回転位置が１８０°では、ロータの突極４１とステータの第２ティース部５６とが対向している（最接近している）。

図３の横軸においてロータの回転位置が基準となる０°に対し符号Ｐ４で示す２７０°に対応するロータとステータの対向状態を図４（ｄ）で示す。図４（ｄ）に示すロータの回転位置が２７０°では、ロータの突極４１とステータのコイルスロット５２とが対向している（最接近している）。

図４（ａ）に示すロータの回転位置が基準となる０°ではステータの第１ティース部５５からロータの突極４１に磁束φ１が流れる。詳しくは、図５に示すように、磁束φ１は、第１ティース部５５→突極４１→ロータ４０→突極４１→第１ティース部５５→コイルスロット５２の外径側のブリッジ部５８→スリット５４の外径側のブリッジ部５７→第１ティース部５５の経路で流れる。このとき、磁束φ１は、コイルスロット５２の外径側のブリッジ部５８よりも狭いスリット５４の外径側のブリッジ部５７を通ることになる。

図４（ｃ）に示すロータの回転位置が１８０°ではロータの突極４１からステータの第２ティース部５６に磁束φ２が流れる。図４（ｂ）に示すロータの回転位置が９０°では磁束を発生させない。また、図４（ｄ）に示すロータの回転位置が２７０°では磁束を発生させない。

このように、ステータコア５１におけるティース５３にスリット５４を設けて、駆動制御部３０の通電制御により、図４（ａ）に示すロータの回転位置から図４（ｃ）に示すロータの回転位置に移動する際に極性を変えるとともに図４（ｃ）に示すロータの回転位置から図４（ａ）に示すロータの回転位置に移動する際に極性を変える。そして、図４（ａ）に示すロータの回転位置が基準となる０°においては、コントローラ３２は、突極４１が第１ティース部５５を通過する際に、第１ティース部５５から突極４１に磁束φ１が流れるようにコイル２１，２２，２３に電流を流す。図４（ｂ）に示すロータの回転位置が９０°においては、コントローラ３２は、突極４１がスリット５４を通過する際に、コイル２１，２２，２３に流れる電流の向きが反転するようにコイル２１，２２，２３を通電制御する。図４（ｃ）に示すロータの回転位置が１８０°においては、コントローラ３２は、突極４１が第２ティース部５６を通過する際に、突極４１から第２ティース部５６に磁束φ２が流れるようにコイル２１，２２，２３に電流を流す。

図６は、横軸にロータの回転位置をとり、縦軸にトルクの大きさをとっている。図６はＵ相、Ｖ相、Ｗ相で発生するトルクを表している。図６に示すように、回転角が０°〜３６０°の間で２つの山を有する正弦波状のトルクが発生しており、トルクは全部の期間において発生している。つまり、特許文献１のモータではトルクが働かず休止している区間があったが、本実施形態のモータではトルクが全部の期間で働いている。

このように、ステータ５０の構造を工夫して３相駆動が可能になり、特許文献１のモータよりもトルクが出る構造となっている。
以下、詳しく説明する。

磁石レス型リラクタンスモータ２０は、永久磁石を含まない突極型ロータ４０と、永久磁石を含まないステータ５０とを備え、ステータ５０はコイル２１，２２，２３と、ステータコア５１に設けたスリット５４とを有し、ステータ５０における各相間にスリット５４を設けることにより、正弦波状の磁束がロータ４０に流れる（正弦波状のトルクが発生する）。具体的には、図３に示すようにロータ４０の突極４１の位置により、磁束が正弦波状になるように正弦波状電流を流して、図４（ｂ）に示す位置と図４（ｄ）に示す位置では磁束を発生させずに、図４（ａ）に示す位置→図４（ｂ）に示す位置→図４（ｃ）に示す位置で極性を変える。

また、図１に示すように、ステータコア５１の中心Ｏからコイルスロット５２の外径側端部までの距離ｒ１に比べステータコア５１の中心Ｏからスリット５４の外径側端部までの距離ｒ２が、ｒ１≦ｒ２となっている。特に、本実施形態ではｒ１＜ｒ２となっている。これにより、図５に示すようにロータ４０の突極４１とステータ５０の第１ティース部５５間（または第２ティース部５６間）との間に流れる磁束φ１の流れに対し、スリット５４が磁束の流れを規制して図５において２点鎖線で示す他の相への漏れ磁束φ１０を流れにくくすることができる。つまり、スリット５４がコイルスロット５２よりも外径側に延在していない場合（例えば図５においてスリットの深さＬ２がコイルスロット５２の深さＬ１の半分程度のとき）には、漏れ磁束φ１０は、コイルスロット５２の外径側のブリッジ部５８よりも広いスリット５４の外径側のブリッジ部５７を通りやすくなる。これに対し、スリット５４がコイルスロット５２よりも外径側に延在してことにより他の相への漏れ磁束φ１０を流れにくくできる。

また、コイル２１，２２，２３を集中巻きとすることにより、特許文献１のモータよりも体格的に有利となり、電流を多く流せるため、トルクと出力密度が大きくなる。つまり、トルクが大きくなることにより出力が大きくなり、しかも分布巻きではなく集中巻きにすることによりコイルエンドが小さくなりモータの軸方向の長さを短くでき、体積が小さくなり（モータの体格を小さくでき）、その結果、出力密度を大きくすることができる。また、同じモータ体格ならばトルクを大きくすることができる。

このようにして、磁石レスで堅牢なロータ構造を持ち高回転が可能であり、永久磁石を使わないステータ５０によりコストの低減を図ることができる。また、一般的な３相駆動回路（３相インバータ回路）３１を用いることができ、駆動回路も一般的な構成であり、安価なシステムが可能である。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）モータ装置１０の構成として、ステータコア５１は、周方向に隣り合うコイルスロット５２の間に形成された第１ティース部５５と第２ティース部５６と、第１ティース部５５と第２ティース部５６との間に形成されるとともに、ステータコア５１の内径側に開口するスリット５４と、スリット５４の外径側に形成されるとともに第１ティース部５５と第２ティース部５６とを繋ぐブリッジ部５７とを有する。スリット５４とコイルスロット５２とは、ステータコア５１の周方向に交互に配置されている。スリット５４は、ステータコア５１の内径側から外径側に延在するとともに、ステータコア５１の中心Ｏからスリット５４の外径側の端部までの距離ｒ２が、ステータコア５１の中心Ｏからコイルスロット５２の外径側の端部までの距離ｒ１以上となるように形成されている。駆動制御部３０は、コイル２１，２２，２３に流す電流を制御するコントローラ３２を有する。コントローラ３２は、突極４１が第１ティース部５５を通過する際に第１ティース部５５から突極４１に磁束が流れるようにコイル２１，２２，２３に電流を流す。駆動制御部３０のコントローラ３２は、突極４１がスリット５４を通過する際にコイル２１，２２，２３に流れる電流の向きが反転し、突極４１が第２ティース部５６を通過する際に突極４１から第２ティース部５６に磁束が流れるようにコイル２１，２２，２３に電流を流す。よって、トルクが発生しない区間をなくして、トルクを大きくすることができる。

（２）駆動制御部３０は、３相駆動回路３１を有するので、実用的である。
（３）スリット５４は、ステータコア５１の周方向に隣り合うコイルスロット５２の間における周方向の中央に形成されている。よって、ロータ４０の回転に伴って容易に磁束を均等に流すことができる。

（４）スリット５４は、コイルスロット５２よりも外径側に延在している。よって、スリット５４により磁束の流れを規制して漏れ磁束φ１０を流れにくくすることができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ スリット５４の外径側端部がコイルスロット５２の外径側端部と同径となるようにスリット５４を外径側に延在させてもよい。要は、スリット５４は、ティース５３の内径から外径に向かってコイルスロット５２以上に外径側に延在していればよい。

○ スリット５４は、ステータコア５１の周方向に隣り合うコイルスロット５２の間における周方向の中央に形成されていなくてもよく、多少ずれていてもよい。
○ モータの相数は３相に限ることなく、６相や９相や１２相といった他の相数でも可能である。

○ ロータの突極４１の数とステータの極数は５対６であったが、これに限らない。例えばロータの突極の数とステータの極数は６対８といったように他の組合せでも構わない。

１０…モータ装置、２０…磁石レス型リラクタンスモータ、２１，２２，２３…コイル、３０…駆動制御部、３１…３相駆動回路、３２…コントローラ、４０…ロータ、４１…突極、５０…ステータ、５１…ステータコア、５２…コイルスロット、５４…スリット、５５…第１ティース部、５６…第２ティース部、５７…ブリッジ部。

Claims (3)

1. 突極を有するロータ及び筒状のステータコアの内径側に開口するコイルスロットにコイルが挿入されるとともに、前記ロータの外周側に配置されるステータを有する磁石レス型リラクタンスモータと、
   前記コイルへの通電制御を行う駆動制御部と、
   を備えたモータ装置であって、
   前記ステータコアは、
   周方向に隣り合う前記コイルスロットの間に形成された第１ティース部と第２ティース部と、
   前記第１ティース部と前記第２ティース部との間に形成されるとともに、前記ステータコアの内径側に開口するスリットと、
   前記スリットの外径側に形成されるとともに前記第１ティース部と前記第２ティース部とを繋ぐブリッジ部とを有し、
   前記スリットと前記コイルスロットとは、前記ステータコアの周方向に交互に配置され、
   前記スリットは、前記ステータコアの内径側から外径側に延在するとともに、前記ステータコアの中心から前記スリットの外径側の端部までの距離が、前記ステータコアの中心から前記コイルスロットの外径側の端部までの距離以上となるように形成され、
   前記駆動制御部は、前記突極が前記第１ティース部を通過する際に前記第１ティース部から前記突極に磁束が流れるようにコイルに電流を流し、前記突極がスリットを通過する際にコイルに流れる電流の向きが反転し、前記突極が第２ティース部を通過する際に前記突極から前記第２ティース部に磁束が流れるようにコイルに電流を流すことを特徴とするモータ装置。
2. 前記駆動制御部は、３相駆動回路を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ装置。
3. 前記スリットは、前記ステータコアの周方向に隣り合う前記コイルスロットの間における周方向の中央に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ装置。
   

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