JP2018186592A - スイッチトリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】騒音低減用の部材を追加することなく、ロータ回転時の空気の流れに起因する騒音発生を抑制すること。【解決手段】複数のステータ歯２１を有するステータ２と、複数のロータ歯３１を有するロータ３と、ステータ歯２１に巻き回されたコイル４とを備えているＳＲモータ１において、ステータ２には、コイル４を収容するスロット部２２とステータ外周部２ａとを連通する空気流路としての貫通孔６が径方向に延びるようにして設けられていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチトリラクタンスモータに関する。

特許文献１には、突極構造のロータが回転することにより生じる空気の流れが原因となるノイズ発生を抑制するために、突極構造のステータにコイルボビンを設けて、ステータの内周側を円筒形状にしているスイッチトリラクタンスモータが記載されている。

特開２０１３−０１７３４５号公報

しかしながら、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、騒音低減用の部材としてのコイルボビンを追加する構成であるため、部品点数が多くなり、モータ重量や製造コストが増大してしまう。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、騒音低減用の部材を追加することなく、ロータ回転時の空気の流れに起因する騒音発生を抑制することができるスイッチトリラクタンスモータを提供することを目的とする。

本発明は、複数の突極を有するステータと、複数の突極を有するロータと、前記ステータの突極に巻き回されたコイルとを備えているスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記ステータには、前記コイルを収容するスロット部と前記ステータの外周部とを連通する空気流路としての貫通孔が径方向に延びるようにして設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、突極構造のステータに、スロット部とステータの外周部とを連通する空気流路としての貫通孔が設けられているので、ロータ回転時にはステータ内部から貫通孔を介してステータ外部へ流れる空気の流れが生じる。これにより、騒音低減用の部材を追加することなく、ステータ内部での空気の圧力変動を低減でき、空気の流れに起因する騒音発生を抑制することができる。

図１は、スイッチトリラクタンスモータの構造を模式的に示す図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面を模式的に示す断面図である。 図３（ａ）は、第１電磁鋼板の形状を説明するための図である。図３（ｂ）は、第２電磁鋼板の形状を説明するための図である。図３（ｃ）は、第３電磁鋼板の形状を説明するための図である。 図４は、ステータ隙間を説明するための模式図である。 図５は、空気流路の変形例を模式的に示す断面図である。 図６は、空気流路の別の変形例を模式的に示す断面図である。 図７は、空気流路のさらに別の変形例を模式的に示す断面図である。 図８（ａ）は、開放状態を説明するための図である。図８（ｂ）は、圧縮開始時の状態を説明するための図である。図８（ｃ）は、圧縮状態を説明するための図である。 図９は、ステータ内周部が全周に亘り円弧状に形成されたモータを説明するための図である。 図１０は、ステータ凹凸の有無と音圧との関係を試験した結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータについて具体的に説明する。

［１．ＳＲモータの構造］
図１に示すように、スイッチトリラクタンスモータ（以下「ＳＲモータ」という）１は、突極構造のステータ２と、突極構造のロータ３と、三相のコイル４とを備えている。

ＳＲモータ１は、回転子に永久磁石を使用しない電動機であり、三相のコイル４に励磁電流が流れることによって駆動する。そのＳＲモータ１は三相電動機であるが発電機としても機能することができる。また、ＳＲモータ１には、図示しないインバータを介してバッテリと電気的に接続されている。

ステータ２は、円環状の電磁鋼板２０を複数枚重ねた積層構造を有し、全体としては円筒状に構成されている。そのステータ２の内周部には、突極としてのステータ歯２１と、コイル収容凹部としてのスロット部２２とがそれぞれに複数設けられている。

ステータ歯２１は、円筒部分から径方向内側に向けて突出しており、周方向に等間隔を空けて複数設けられている。スロット部２２は、周方向でステータ歯２１同士の間に形成され、ステータ歯２１に対して径方向外側に凹む形状の凹部である。そして、各ステータ歯２１にはインバータに接続されたコイル４が巻回され、そのコイル４がスロット部２２の内部に収容されている。そのコイル４はステータ歯２１の最内周面（端面）よりも径方向内側に出ないように配置される。

ロータ３は、ロータ軸５と一体回転する回転子であり、ステータ２の径方向内側に配置されている。そのロータ３は、全体としては円筒状に形成され、その外周部に、突極としてのロータ歯３１が複数設けられている。ロータ歯３１は、径方向外側に向けて突出しており、周方向に等間隔を空けて複数設けられている。すなわち、隣接するロータ歯３１同士の間にはロータ凹部が形成されている。

また、図１に示すＳＲモータ１は、ロータ歯３１の個数が１２個、ステータ歯２１の個数が１８個である。つまり、ロータ極数が「１２」、ステータ極数が「１８」である。

さらに、ＳＲモータ１には、ステータ２を径方向に貫通する空気流路としての貫通孔６が設けられている。貫通孔６は、周方向でスロット部２２と同じ位置に設けられ、スロット部２２とステータ外周部２ａとを繋ぐようにスロット部２２から径方向外側に向けて延びている。

その貫通孔６によって、ステータ２の内部空間（径方向内側の空間）とステータ２の外部空間（径方向外側の空間）とが連通される。そのため、ロータ３の回転時には、ステータ２の内部空間の空気がスロット部２２から貫通孔６内へ流入し、貫通孔６を介してステータ２の外部空間へ流出する。これにより、ロータ歯３１によってスロット部２２内に圧縮される空気（圧力）を貫通孔６からステータ２の外部空間に排出することができる。

なお、この説明では、ロータ３の回転中心Ｏの軸線方向を「軸線方向」、回転中心Ｏに対して直交する方向を「径方向」、回転中心Ｏを中心とする円周方向を「周方向」と記載する。

［２．ステータの空気流路］
図２は、図１のＡ−Ａ断面を模式に示す断面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、電磁鋼板２０の種類を説明するための図である。

図２に示すように、貫通孔６は、空気流路のうち径方向内側に開口する空気の流入口を構成する第１電磁鋼板２０ａ、流入口と流出口と連通する中間流路を構成する第２電磁鋼板２０ｂ、空気流路のうち径方向外側に開口する空気の流出口（排出口）を構成する第３電磁鋼板２０ｃの三種類の電磁鋼板によって形成される。その三種類の電磁鋼板は、軸線方向に沿って第１電磁鋼板２０ａ、第２電磁鋼板２０ｂ、第３電磁鋼板２０ｃの順に並んで配置されている。つまり、ステータ２の内部を貫通する貫通孔６（ステータの空気流路）は複数枚の電磁鋼板２０によって形成される。

第１電磁鋼板２０ａは、図２および図３（ａ）に示すように、スロット部２２から径方向外側に凹む形状（矩形状）の内周側凹部２３を有する。内周側凹部２３は、スロット部２２に対応する周方向位置に複数設けられ、スロット部２２からステータ外周部２ａに至らない範囲で径方向外側に延びている。このように、内周側凹部２３を有する第１電磁鋼板２０ａは外周部が全周に亘り円弧状に形成されている一枚の円環状鋼板である。

詳細には、図３（ａ）に示すように、一つのスロット部２２の内部には、隣接する二つのステータ歯２１にそれぞれ巻き回された異なる相のコイル４ａ，４ｂが収容されている。そこで、内周側凹部２３は、スロット部２２内部に収容された二つのコイル４ａ，４ｂの隙間（コイル隙間）Ｓに面する位置に配置される。例えば、スロット部２２の周方向中央部分に内周側凹部２３が設けられる。これにより、空気流路の流入口がスロット部２２の内部空間に開口することになり、スロット部２２内部の空気が貫通孔６に流入しやすくなる。

第２電磁鋼板２０ｂは、図２および図３（ｂ）に示すように、径方向でスロット部２２とステータ外周部２ａとの間に形成された四角形状の中間貫通孔（窓孔）２４を有する。中間貫通孔２４は、一枚の電磁鋼板を貫通する孔であり、スロット部２２に対応する周方向位置に複数設けられている。そして、スロット部２２にもステータ外周部２ａにも至らない範囲（径方向長さ）で中間貫通孔２４が開口している。このように、中間貫通孔２４を有する第２電磁鋼板２０ｂは外周部が全周に亘り円弧状に形成されている一枚の円環状鋼板である。

第３電磁鋼板２０ｃは、図２および図３（ｃ）に示すように、ステータ外周部２ａから径方向内側に凹む形状（矩形状）の外周側凹部２５を有する。外周側凹部２５は、スロット部２２に対応する周方向位置に複数設けられ、ステータ外周部２ａからスロット部２２に至らない範囲で径方向内側に延びている。このように、外周側凹部２５を有する第３電磁鋼板２０ｃは円弧状の外周部の一部が径方向内側に凹む形状に形成されている一枚の円環状鋼板である。

そして、図２に示すように、径方向位置としては、内周側凹部２３と外周側凹部２５とが重ならないものの、中間貫通孔２４は内周側凹部２３および外周側凹部２５と重なる位置に設けられる。これにより、スロット部２２の内部空間から径方向で内周側凹部２３、中間貫通孔２４、外周側凹部２５の順に繋がる貫通孔６がステータ外周部２ａの外部空間に至る空気流路として連通する。また、軸線方向位置としては、内周側凹部２３、中間貫通孔２４、外周側凹部２５の順にずれているので、貫通孔６は径方向に延びるとともに軸線方向に対しては斜めに延びる空気流路を形成する。

このように、ＳＲモータ１では、ステータ２を構成する全ての電磁鋼板２０を分断することなく、ステータ２の径方向外側の空間にスロット部２２の内部の圧力を逃がすことができる。仮に電磁鋼板２０を分断してしまうと、磁束の流れが阻害されるため、モータ性能（出力トルク）が低下する。つまり、ＳＲモータ１ではモータ性能の低下を抑制しつつ、騒音の低下が可能である。

なお、ステータ２の軸線方向両端側に配置された電磁鋼板２０は、内周側凹部２３も中間貫通孔２４も外周側凹部２５も設けられていない第４電磁鋼板２０ｄである。この第４電磁鋼板２０ｄは貫通孔６を形成しない部分に複数枚配置されてよい。また、第４電磁鋼板２０ｄにプレスなどの成形加工を施すことにより第１〜第３電磁鋼板２０ａ〜２０ｃが成形されてもよい。

［３．騒音の発生原理］
図４に示すように、ＳＲモータ１では、コイル４とロータ３との間を絶縁するために、スロット部２２内に収容されているコイル４の高さ（径方向位置）が、ステータ歯２１の内周面の高さ（径方向位置）よりも低い（径方向外側にある）。そのため、ステータ２の内周部には、径方向の凸凹、すなわちステータ歯２１とスロット部２２とにより形成される径方向のギャップ（ステータ隙間）Ｇが存在する。このステータ隙間Ｇは、従来構造のＳＲモータにも存在する。そして、従来構造のＳＲモータでは、ステータ隙間Ｇが存在することにより、ステータ内周部の空気の流れに起因して騒音が発生してしまう。

ここで、従来構造のＳＲモータを例にして、空気の流れに起因する騒音の発生原理を説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、ロータ回転時の圧力変動の発生原理を説明するための図である。なお、図８には、貫通孔６が設けられていない従来構造のＳＲモータ１００が示されている。そして、図８に示す例では、ロータ回転方向は時計回りであり、図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）の順に回転が進む。

図８（ａ）に示すように、従来構造のＳＲモータ１００では、ステータ歯１２１とコイル１０４とによるステータ隙間Ｇを有し、ロータ歯１３１同士の間の凹部（ロータ凹部）と、スロット部内に収容されたコイル１０４とが径方向で対向する状態（開放状態）となる。開放状態では、ステータ隙間Ｇがロータ凹部に開放されているため、そのステータ隙間Ｇ付近での空気の圧力は小さい。この開放状態からロータの回転が進み図８（ｂ）に示す状態に移行すると、ロータ凹部内にある空気がロータ歯１３１の回転によって径方向外側に押し出され、スロット部側の空間（ステータ隙間Ｇ側）に流れ込む。これにより、スロット部の一部がロータ歯１３１に覆われ、ステータ隙間Ｇの空間内部で空気が圧縮され始め圧力が徐々に上昇する。その後、さらにロータの回転が進み図８（ｃ）に示す圧縮状態に移行すると、ロータ歯１３１によってスロット部が完全に覆われる。つまり、ステータ隙間Ｇの空間内部に空気が閉じ込められる。この圧縮状態では、スロット部の周方向ほぼ全域に圧縮空気が存在し、ステータ隙間Ｇの内部空間（スロット部の内部空間）は圧力が非常に高くなる。そして、圧縮状態からロータの回転が進みステータ隙間Ｇの内部空間が次のロータ凹部に開放され始めると、ステータ隙間Ｇ内部の高圧の圧縮空気が次のロータ凹部の空間に一気に流れ込み、スロット部の高圧状態は一気に開放される。その際、急激な圧力変動が生じるため、その圧力変動に起因する騒音が大きくなる。このように、従来構造では、回転方向前方のロータ凹部の空間から次のロータ凹部の空間へ流れる空気は、一旦スロット部の内部空間へ流れ込みステータ隙間Ｇの内部空間を一時的に高圧状態にしてから一気に次のロータ凹部へ開放される。つまり、ステータ隙間Ｇが存在することにより、ロータ回転時には空気の圧縮と開放とが繰り返し発生し、急激な圧力変動による騒音が発生する。特にロータが高回転数で回転する場合、急激な圧力変動が頻繁に生じるため大きな音が発生する。

一方、実施形態のＳＲモータ１では、貫通孔６によって、スロット部２２内の圧縮空気をステータ２の径方向外側の空間に逃がすことができる（図２参照）。これにより、ステータ隙間Ｇ内で空気が圧縮されることを抑制でき、スロット部２２内部の圧力上昇を抑制可能である。すなわち、スロット部２２の内部空間が一時的に高圧状態になることを抑制でき、上述した従来構造のような急激な圧力変動の発生を抑制できる。そのため、ＳＲモータ１では、空気の流れに起因する圧力変動が低減し、空気の流れに起因する騒音を低減することができる。特に、ロータ３が高回転数で回転する場合には貫通孔６による圧力変動の低減効果は大きい。

なお、図９に示すように、埋込磁石同期モータ（ＩＰＭ）のようなモータ２００では、ステータ２０２の内周部が全周に亘り円弧状となっているため、ロータ歯２３１を複数有する突極構造のロータ２０３であっても、上述した発生原理で生じる音は小さい。そのため、従来構造のＳＲモータ１００をステータ凹凸有、ＩＰＭのようなモータ２００をステータ凹凸無しとして比較すると、図１０に示すように、ステータ凹凸無しのほうがステータ凹凸有よりも音圧（騒音）が小さくなる。図１０には、ステータ凹凸の有無による試験結果が示されている。この試験結果からステータ凹凸が騒音発生に大きく影響していることが分かる。しかしながら、上述した空気の流れに起因する騒音の発生は、ステータ隙間Ｇが存在しないＩＰＭのようなモータでは生じない課題である。

以上説明した通り、実施形態のＳＲモータ１によれば、ステータ２にスロット部２２とステータ外周部２ａとを連通する貫通孔６が設けられているので、ロータ３の回転時には、ステータ２の内部空間の空気が貫通孔６を介してステータ２の径方向外側に排出される。これにより、ステータ２の径方向内側における空気の圧力変動を低減でき、騒音を低減することができる。

その実施形態によれば、コイルボビンのような騒音低減用の部材を追加しなくてもよいので、モータの重量化やコスト増大のおそれがない。そして、回転子の近傍にコイルボビンのような他の部材を挿入する構成に比べて、モータの信頼性（安全性）を維持することができる。なお、ステータ内周部を全周に亘り円弧状にする樹脂モールドを行うことも考えられるが、この場合には樹脂材料の費用に加えて加工費も増大してしまう。加えて、ステータ歯を樹脂モールドすると、ステータ歯とロータ歯との径方向ギャップが大きくなり、出力可能なトルクが低下するおそれもある。そのため、コスト増大を抑制しつつ、信頼性を確保できる面でも、実施形態のＳＲモータ１は好適であることが分かる。

また、上述した実施形態の変形例として、図５に示すように、複数個所に貫通孔６が設けられてもよい。貫通孔６の数が多いほど、空気が流れやすくなり、圧縮空気の排出が促進される。そのため、圧力変動の低減効果が大きく、騒音の低減効果が大きくなる。要するに、一つのスロット部２２に対して複数個の貫通孔６（ステータ２の空気流路）が設けられてもよい。

さらに、図６に示すように、貫通孔６が設けられる周方向位置は、スロット部２２の周方向中央部分付近であることが好ましい。これは、スロット部２２の周方向中央部分ほど空気が圧縮された際に圧力が高くなるためである。そのため、軸線方向中央のみに一つの貫通孔６を設けるように構成してもよい。また、コイル隙間Ｓがスロット部２２の周方向中央部分付近に形成されることも考慮すると、図６に示す例では、貫通孔６に圧縮空気が流入しやすくなる。

別の変形例として、図７に示すように、第２電磁鋼板２０ｂの枚数を多くして中間貫通孔２４が設けられる箇所を増やしてもよい。この場合、各中間貫通孔２４は少しずつ径方向位置がずれるように配置される。この場合、空気流路全体として貫通孔６の形状が空気の滞留を抑制できるスムースな流路となる。このように、ステータ２の空気流路を形成する電磁鋼板２０の枚数が多いほど、圧力損失の少ない空気流路を形成することができる。これにより、圧縮空気の排出が促進され、圧力変動を効果的に低減することができる。

また、貫通孔６は、第１電磁鋼板２０ａと第３電磁鋼板２０ｃとを含む少なくとも二種類の電磁鋼板により形成されてもよい。この場合、内周側凹部２３のうち最も径方向外側の部分と外周側凹部２５のうち最も径方向内側の部分とが径方向で重なる位置（径方向位置）となるように構成される。これにより、空気流路を形成するための電磁鋼板の種類を抑えることができ、製造コストを抑制することができる。

そして、上述したＳＲモータ１は走行用動力源として車両に搭載することが可能である。例えば、電動自動車や、ハイブリッド車両などに適用可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態や変形例に限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１ スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）
２ ステータ
３ ロータ
４ コイル
２１ ステータ歯
２２ スロット部
３１ ロータ歯
Ｓ コイル隙間
Ｇ ステータ隙間

Claims (1)

1. 複数の突極を有するステータと、複数の突極を有するロータと、前記ステータの突極に巻き回されたコイルとを備えているスイッチトリラクタンスモータにおいて、
   前記ステータには、前記コイルを収容するスロット部と前記ステータの外周部とを連通する空気流路としての貫通孔が径方向に延びるようにして設けられている
   ことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。

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