JP2019176562A - シンクロナスリラクタンスモータ - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、本件発明者は、複数系統のステータコイルを有するシンクロナスリラクタンスモータの構造について研究している。たとえば、2系統のステータコイルを備えることによって、2個のモータを直結した場合と同等のトルクを出力できる。
そこで、この発明の一つの目的は、出力トルクの増加を図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3に記載の発明は、前記第1相ステータコイル群において、前記複数系統の第1相ステータコイルが、前記円筒状内周の周方向に沿って所定の系統順で並んでおり、前記第2相ステータコイル群において、前記複数系統の第2相ステータコイルが、前記円筒状内周の周方向に沿って前記所定の系統順で並んでおり、前記第3相ステータコイル群において、前記複数系統の第3相ステータコイルが、前記円筒状内周の周方向に沿って前記所定の系統順で並んでいる、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5に記載の発明は、前記第1相ステータコイル群において、前記複数系統の第1相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って所定の系統順で並んでおり、前記第2相ステータコイル群において、前記複数系統の第2相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って前記所定の系統順で並んでおり、前記第3相ステータコイル群において、前記複数系統の第3相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って前記所定の系統順で並んでいる、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7に記載の発明は、前記ステータは、前記円筒状内周を呈するステータコアを含み、前記ステータコアは、前記円筒状内周の周方向に沿って間隔を空けて配置され、前記ステータコイルを収容するための複数のスロット(46)を有しており、前記第1相ステータコイル群を構成する前記複数系統の第1相ステータコイルが、前記複数のスロットのうちの第1スロットに共通に収容されており、前記第2相ステータコイル群を構成する前記複数系統の第2相ステータコイルが、前記複数のスロットのうちの第2スロットに共通に収容されており、前記第3相ステータコイル群を構成する前記複数系統の第3相ステータコイルが、前記複数のスロットのうちの第3スロットに共通に収容されている、請求項1〜6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。
請求項8に記載の発明は、複数の前記第1相ステータコイル群と、複数の前記第2ステータコイル群と、複数の前記第3ステータコイル群と、を含み、前記第1相ステータコイル群、前記第2ステータコイル群、および前記第3相ステータコイル群が、前記円筒状内周の周方向に沿って、所定の相順で循環的に配列されている、請求項1〜7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、この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を適用可能な電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置1は、車両を操向するための操舵部材としてのステアリングホイール2と、ステアリングホイール2の回転に連動して転舵車輪3を転舵する転舵機構4と、運転者の操舵を補助する操舵補助機構5とを備えている。ステアリングホイール2と転舵機構4とは、ステアリングシャフト6および中間軸7を介して機械的に連結されている。
トーションバー10の近傍には、トルクセンサ11が配置されている。トルクセンサ11は、入力軸8および出力軸9の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール2に与えられた操舵トルクを検出する。トルクセンサ11によって検出される操舵トルクは、ECU(電子制御ユニット)12に入力される。
操舵補助機構5は、操舵補助力(アシストトルク)を発生するための電動モータ18と、電動モータ18の出力トルクを増幅して転舵機構4に伝達するための減速機構とを含む。減速機構は、たとえば、ウォームギヤ機構19を含む。ウォームギヤ機構19は、電動モータ18によって回転されるウォームギヤ20と、このウォームギヤ20と噛み合うウォームホイール21とを含む。ウォームホイール21は、ステアリングシャフト6に結合されている。
図2は、電動モータ18として適用することができるシンクロナスリラクタンスモータの構造例を説明するための図である。
この実施形態では、ロータ30は、4極(2極対)を有する。ロータコア31には、外周側からロータ軸33に向かって複数層をなすように配置されたフラックスバリア34が形成されて、フラックスバリア群35を形成している。周方向に間隔を空けて極数分のフラックスバリア群35が設けられている。フラックスバリア34は、この例では、空気層を形成するスリットである。フラックスバリア34は、回転軸線25に直交する断面において、ロータ軸33に向かって凸の弧状に形成されている。
ステータコイル数=ロータ極数×相数×系統数 ……(1)
この実施形態では、ロータ極数が4、相数が3、系統数が2であるので、ステータ40は、24個のステータコイルを備えている。
図3Aおよび図3Bの配置例では、第1系統のステータコイルU1,V1,W1と第2系統のステータコイルU2,V2,W2とが周方向に交互に、すなわち、一定の系統順に並んでいる。それにより、ロータ30に対する系統間の位置関係が均一になっており、各系統による均一な駆動が可能な配置となっている。
図4は、シンクロナスリラクタンスモータMを駆動するためのモータ制御装置を構成するECU12の電気的構成を説明するためのブロック図である。ECU12は、マイクロコンピュータ50と、第1系統に対応した第1系統駆動回路51と、第2系統に対応した第2系統駆動回路52とを含む。第1系統駆動回路51および第2系統駆動回路52は、典型的にはインバータ回路である。
次に、シンクロナスリラクタンスモータMが発生するトルクについて説明する。
永久磁石モータの基本トルク式は、下記式(2)で表される。式中、Trはトルク、Pnはロータの極対数、idおよびiqはそれぞれd軸電流およびq軸電流、LdおよびLqはそれぞれd軸インダクタンスおよびq軸インダクタンス、ψaは永久磁石による電機子鎖交磁束である。右辺第1項はリラクタンストルクを表し、右辺第2項はマグネットトルクを表す。
したがって、第1系統および第2系統を同時に駆動することによって得られるトルクTは、次式(10)のとおりであり、2つの系統を同じ入力で駆動する場合には、id1=id2=id、iq1=iq2=iqと置くことにより、次式(11)が得られる。
図5Aは、シンクロナスリラクタンスモータMの出力トルク特性(トルク−回転数特性)のシミュレーション結果例を示す。第1系統または第2系統を単独で駆動した場合の出力トルク特性を曲線L1で示す。同じ入力で第1系統および第2系統の両方を駆動した場合の出力トルク特性を曲線L2で示す。
図5Bは、シンクロナスリラクタンスモータMの出力特性(出力−回転数特性)のシミュレーション結果例を示す。第1系統または第2系統の単独で駆動した場合の出力特性を曲線L11で示す。同じ入力で第1系統および第2系統の両方を駆動した場合の出力特性を曲線L12で示す。曲線L13は、同体格の1系統永久磁石同期モータ(たとえば表面磁石型同期型モータ)を同じ入力で駆動したときの出力特性を示す。
したがって、シンクロナスリラクタンスモータMを用いた電動パワーステアリング装置1は、充分なアシストトルクを発生することができ、優れた操舵フィーリングを実現できる。
より具体的には、第1系統のステータコイルU1,V1,W1は、4個のU相ステータコイルU1と、4個のV相ステータコイルV1と、4個のW相ステータコイルW1とを含み、これらは、周方向に等間隔で配置されている。第2系統のステータコイルU2,V2,W2は、4個のU相ステータコイルU2と、4個のV相ステータコイルV2と、4個のW相ステータコイルW2とを含み、これらは、周方向に等間隔で配置されている。第3系統のステータコイルU3,V3,W3は、4個のU相ステータコイルU3と、4個のV相ステータコイルV3と、4個のW相ステータコイルW3とを含み、これらは、周方向に等間隔で配置されている。
図6Aおよび図6Bの配置例では、第1、第2および第3系統のステータコイルU1,V1,W1;U2,V2,W2;U3,V3,W3が周方向に沿って一定の系統順に循環的に並んでいる。
図6Cの配置例では、各スロットにおいて、第1系統のステータコイルU1,V1,W1が径方向外側に配置され、第2系統のステータコイルU2,V2,W2が第1系統のステータコイルU1,V1,W1に対して径方向内側に配置され、第3系統のステータコイルU3,V3,W3が第2系統のステータコイルU2,V2,W2に対して径方向内側に配置されている。すなわち、各スロット内での系統順が固定されている。各スロット内における系統順は、これに限らず任意に定めることができる。
より具体的には、第1系統のステータコイルU1,V1,W1は、6個のU相ステータコイルU1と、6個のV相ステータコイルV1と、6個のW相ステータコイルW1とを含み、これらは、周方向に等間隔で配置されている。第2系統のステータコイルU2,V2,W2は、6個のU相ステータコイルU2と、6個のV相ステータコイルV2と、6個のW相ステータコイルW2とを含み、これらは、周方向に等間隔で配置されている。第3系統のステータコイルU3,V3,W3は、6個のU相ステータコイルU3と、6個のV相ステータコイルV3と、6個のW相ステータコイルW3とを含み、これらは、周方向に等間隔で配置されている。
図6Eの配置例では、周方向に連続し、3つの相の各3個のステータコイルをそれぞれ収容したスロットにおいて、系統順が異なっている。より具体的には、ロータ30の機械角で180度の範囲に配置されたステータコイル群UG1〜UG3,VG1〜VG3,WG1〜WG3においては、周方向に進むに従って各スロット内のステータコイルの径方向の系統順が循環的に変化する並び順となっている。残りの180度の範囲に配置されたステータコイル群UG4〜UG6,VG4〜VG6,WG4〜WG6に関しても同様である。回転軸線25を挟んで対向するスロット対には、同じ相のステータコイルが収容され、かつ径方向の系統順も同じになっている。
具体的には、下記表1に示すとおり、図6Dの配置例では、ロータ30からの各系統各相のステータコイルまでの距離が不均一である。たとえば、第1系統のU相ステータコイルU1は、径方向内側からの配置順が1番であるものが1個、2番であるものが1個、3番であるものが2個存在する。それに対して、第2系統のU相ステータコイルU2は、径方向内側からの配置順が1番であるものが1個、2番であるものが2個、3番であるものが1個存在する。したがって、第1系統のU相ステータコイルU1と、第2系統のU相ステータコイルU2とは、ロータ30に対する相対配置が同等ではない。すなわち、系統間での不均一がある。また、第1系統のV相ステータコイルV1は、径方向内側からの配置順が1番であるものが2個、2番であるものが1個、3番であるものが1個存在する。したがって、第1系統のU相およびV相のステータコイルU1,V1は、ロータ30に対する相対配置が同等ではない。すなわち、相間の不均一が生じている。
第1、第2および第3系統がそれぞれ発生するトルクT1,T2,T3は、次式(12)(13)(14)により表される。なお、id3およびiq3は、第3系統のd軸電流およびq軸電流を表す。
図6A〜図6Dとの対比から明らかなとおり、図7A〜図7Dの配置例は、図6A〜図6Dの配置例を4系統に拡張したものである。ただし、図7Dの配置例では、周方向に連続する任意の4つのスロット内での系統順が異なっている。具体的には、周方向に見たときに第1〜第4系統のステータコイルU1,V1,W1;U2,V2,W2;U3,V3,W3;U4,V4,W4が系統順に循環的に配列されている。そして、下記表3に示すように、ロータ30に対する各系統および各相の配置が均等になっている。ステータコイルの数(48)が、ロータ極数×相数(図7Dの例では4×3)と、系統数×相数(図7Dの例では4×3)との公倍数であるため、このような均等配置が可能である。
一般に、N系統(Nは2以上の自然数)のステータコイルを前述の各例に倣って配置した場合に、第k系統(kはN以下の自然数)が発生するトルクTkは、下記式(21)で表され、第1〜第N系統を同時に駆動した場合のトルクTは、下記式(22)で表される。そして、全ての系統を同じ電流id(=id1=id2=……=idN),iq(=iq1=iq2=……=iqN)で駆動するとすれば、下記式(23)のトルクTが得られる。
以上、この発明のいくつかの実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することができる。たとえば、前述の実施形態では、ロータ30の極数が4または6の例について説明したが、ロータ30の極数はこれらに限られない。また、前述の実施形態では、3相のシンクロナスリラクタンスモータについて説明したが、3相以外の相数のシンクロナスリラクタンスモータにもこの発明を適用できる。
Claims (8)
- ロータと、前記ロータに対向する円筒状内周を有するステータとを含むシンクロナスリラクタンスモータであって、
前記ステータは、複数系統の第1相ステータコイルが集合配置された第1相ステータコイル群と、前記複数系統の第2相ステータコイルが集合配置された第2相ステータコイル群と、前記複数系統の第3相ステータコイルが集合配置された第3相ステータコイル群とを含み、
前記第1相ステータコイル群、前記第2相ステータコイル群および前記第3相ステータコイル群が、前記円筒状内周の周方向に沿って間隔を空けて配置されている、シンクロナスリラクタンスモータ。 - 前記第1相ステータコイル群において、前記複数系統の第1相ステータコイルが、前記円筒状内周の周方向に沿って並んでおり、
前記第2相ステータコイル群において、前記複数系統の第2相ステータコイルが、前記円筒状内周の周方向に沿って並んでおり、
前記第3相ステータコイル群において、前記複数系統の第3相ステータコイルが、前記円筒状内周の周方向に沿って並んでいる、請求項1に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。 - 前記第1相ステータコイル群において、前記複数系統の第1相ステータコイルが、前記円筒状内周の周方向に沿って所定の系統順で並んでおり、
前記第2相ステータコイル群において、前記複数系統の第2相ステータコイルが、前記円筒状内周の周方向に沿って前記所定の系統順で並んでおり、
前記第3相ステータコイル群において、前記複数系統の第3相ステータコイルが、前記円筒状内周の周方向に沿って前記所定の系統順で並んでいる、請求項1に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。 - 前記第1相ステータコイル群において、前記複数系統の第1相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って並んでおり、
前記第2相ステータコイル群において、前記複数系統の第2相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って並んでおり、
前記第3相ステータコイル群において、前記複数系統の第3相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って並んでいる、請求項1に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。 - 前記第1相ステータコイル群において、前記複数系統の第1相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って所定の系統順で並んでおり、
前記第2相ステータコイル群において、前記複数系統の第2相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って前記所定の系統順で並んでおり、
前記第3相ステータコイル群において、前記複数系統の第3相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って前記所定の系統順で並んでいる、請求項1に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。 - 前記第1相ステータコイル群において、前記複数系統の第1相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って所定の第1系統順で並んでおり、
前記第2相ステータコイル群において、前記複数系統の第2相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って所定の第2系統順で並んでおり、
前記第3相ステータコイル群において、前記複数系統の第3相ステータコイルが、前記円筒状内周の径方向に沿って所定の第3系統順で並んでいる、請求項1に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。 - 前記ステータは、前記円筒状内周を呈するステータコアを含み、前記ステータコアは、前記円筒状内周の周方向に沿って間隔を空けて配置され、前記ステータコイルを収容するための複数のスロットを有しており、
前記第1相ステータコイル群を構成する前記複数系統の第1相ステータコイルが、前記複数のスロットのうちの第1スロットに共通に収容されており、
前記第2相ステータコイル群を構成する前記複数系統の第2相ステータコイルが、前記複数のスロットのうちの第2スロットに共通に収容されており、
前記第3相ステータコイル群を構成する前記複数系統の第3相ステータコイルが、前記複数のスロットのうちの第3スロットに共通に収容されている、請求項1〜6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。 - 複数の前記第1相ステータコイル群と、複数の前記第2ステータコイル群と、複数の前記第3ステータコイル群と、を含み、
前記第1相ステータコイル群、前記第2ステータコイル群、および前記第3相ステータコイル群が、前記円筒状内周の周方向に沿って、所定の相順で循環的に配列されている、請求項1〜7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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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230112 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20230706 |