JP2020018100A - スイッチトリラクタンスモータおよび車両 - Google Patents

Abstract

【課題】単位体積あたりの出力が大きく、かつ高効率なスイッチトリラクタンスモータを実現する。【解決手段】アウターロータ型のスイッチトリラクタンスモータ１０は、５相のコイル２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ，２８Ｅが集中巻にて巻回された複数の突極２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅを有するインナーステータ２０と、各々に２つの磁極が現れるように独立して形成された複数のロータヨーク３４−１〜３４−８と、非磁性導電材によって構成され複数のロータヨーク３４−１〜３４−８を保持するロータボディ３２と、を備えるアウターロータ３０と、を備え、５相のコイル２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ，２８Ｅのうち、同時に２相のコイルによって、対応する突極２４を励磁可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチトリラクタンスモータおよび車両に関する。

下記特許文献１の図１等には、略歯車状の６極のロータと、該ロータを囲む略内歯車状の８極（４極対）のステータと、を有するスイッチドリラクタンスモータが記載されている。ステータの各ティースには、コイルが巻回されており、これらコイルには４相の交流電流が供給される。ロータの磁極のうち、軸を挟んで対向する２極は、通電中のコイルに係るステータの２極に同時に吸引される。ロータの１回転あたり、各コイルに電流が通流する期間は３回である。この回数は、トルクが発生する回数に等しいため、モータ全体では、ロータの１回転あたり、トルクが「３回×８極＝２４回・極」発生する。

国際公開第２０１６／０１７３３７号

ところで、上記特許文献１の構成では、モータの単位体積あたりの出力トルクが小さく、小型で高出力のモータを実現することが困難であった。さらに、ロータのバックヨーク全体が磁路になるため、渦電流損やヒステリシス損が大きくなり、効率が悪くなるという問題があった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、単位体積あたりの出力が大きく、かつ高効率なスイッチトリラクタンスモータおよび車両を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明のスイッチトリラクタンスモータは、アウターロータ型のスイッチトリラクタンスモータであって、５相のコイルが集中巻にて巻回された複数の突極を有するインナーステータと、各々に２つの磁極が現れるように独立して形成された複数のロータヨークと、非磁性導電材によって構成され複数の前記ロータヨークを保持するロータボディと、を備えるアウターロータと、を備え、５相の前記コイルのうち、同時に２相の前記コイルによって、対応する前記突極を励磁可能であることを特徴とする。

本発明によれば、単位体積あたりの出力が大きく、かつ高効率なスイッチトリラクタンスモータが実現できる。

本発明の一実施形態によるモータ駆動システムの模式図である。 一実施形態におけるインバータの出力電流の波形図である。 一実施形態における磁力線の分布を示す図である。 図３の要部の拡大図である。 一実施形態における磁力線の他の分布を示す図である。 一実施形態における磁力線の他の分布を示す図である。 一実施形態における磁力線の他の分布を示す図である。 一実施形態における磁力線の他の分布を示す図である。 比較例によるモータ駆動システムの模式図である。 比較例におけるインバータの出力電流の波形図である。

〈実施形態の構成〉
図１は、本発明の一実施形態によるモータ駆動システムＳ１の模式図である。
図１において、モータ駆動システムＳ１は、インバータ８と、インバータ８によって駆動されるスイッチトリラクタンスモータ１０（以下、モータ１０と称することがある）と、を備えている。モータ１０は、アウターロータ型の５相のモータであり、インバータ８は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ相の５相の電流ＩA，ＩB，ＩC，ＩD，ＩEをモータ１０に供給する。図１において、モータ１０は断面形状を表している。モータ１０は、略円筒状に形成されたステータ２０（インナーステータ）と、ステータ２０の外周側に、回動自在に同軸状に設けられたロータ３０（アウターロータ）と、を備えている。

ステータ２０は、例えば電磁鋼板を積層して構成されたステータコア２２と、ステータコア２２に巻回されているコイル２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ，２８Ｅ（以下、これらをコイル２８と総称することがある）と、を備えている。さらに、ステータコア２２は、略円筒状に形成されたステータヨーク２６と、複数の突極２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅ（以下、これらを突極２４と総称することがある）と、を備えている。突極２４は略直方体状に形成されており、ステータヨーク２６の外周面から半径方向に突出するように設けられている。これらステータヨーク２６および突極２４は一体に形成されている。突極２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅは、各々Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ相に対応するものであり、それぞれ４個ずつ設けられている。

また、これら突極２４は、図１に示すように、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ相の順に、順次１個ずつ、時計方向に沿って配列されている。但し、図１においては、「２４Ａ」，「２４Ｂ」等の符号は一部のみに対して付しており、残りは相に対応する「Ａ」，「Ｂ」，「Ｃ」，「Ｄ」，「Ｅ」の文字のみを付しておく。突極２４の数は合計で５×４＝２０個であり、突極２４は、ステータ２０の周回方向等分２０ヶ所の位置に形成されている。これにより、突極２４のピッチ角は、「３６０°／２０＝１８°」になる。

コイル２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ，２８Ｅは、各々対応する突極２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅに集中巻にて巻回されている。そして、各コイル２８には、インバータ８から、対応する相の電流ＩA，ＩB，ＩC，ＩD，ＩEが供給される。ここで、各コイル２８に流れる電流の向きは、図１に示す通りである。すなわち各コイル２８に付した丸付きの×印は、紙面の表から裏に向かって電流が流れることを示し、丸付きの黒丸印は、紙面の裏から表に向かって電流が流れることを示す。従って、各突極２４に発生する磁束の向きも、電流の向きに応じて一定になる。図示の突極２４の一部には、白ヌキの矢印８２によって、発生する磁束の向きを示している。

ロータ３０は、ロータボディ３２と、８個のロータヨーク３４−１〜３４−８（以下、これらをロータヨーク３４または「磁路形成部」と総称することがある）と、を備えている。ロータボディ３２は、略円筒状に形成され、その内周面には、断面略Ｕ字状の溝部３２ａが、周回方向等分８カ所の位置に形成されている。各ロータヨーク３４は、断面略Ｕ字状の軟磁性材料によって構成されており、その外周面は、ロータボディ３２の溝部３２ａに沿った形状を有している。これにより、ロータヨーク３４は、略Ｕ字状に湾曲した磁路を形成する。ロータヨーク３４は、例えば、積層した電磁鋼板によって構成するとよい。各ロータヨーク３４は、溝部３２ａに嵌め込まれ、ロータボディ３２に固定されている。

各ロータヨーク３４の一対の端面３４ａはロータ磁極を形成する。従って、ロータ３０は、「１６極」のロータになる。また、一のロータヨーク３４における一対の端面３４ａの周回方向におけるピッチ角は、ステータ２０における突極２４のピッチ角すなわち「１８°」におおよそ等しい。ロータボディ３２は、ロータヨーク３４よりも透磁率が十分に低い部材で形成されている。例えば、ロータボディ３２には、アルミニウム合金またはマグネシウム合金等、非磁性の導電体を適用するとよい。ステータ２０について「１０極」、ロータ３０について「８極」（ロータヨーク３４の数は「４個」）を「１回路」とすると、図１に示したモータ１０は、「２回路」のモータになる。

〈実施形態の動作〉
次に、本実施形態の動作を説明する。
図２は、インバータ８が出力する電流ＩA，ＩB，ＩC，ＩD，ＩEの波形図の一例である。
図２の横軸は、ロータ３０の機械角の位相であり、所定の回転速度でロータ３０を回転させた場合における０°〜４５°の範囲を示している。そして、図１に示したモータ１０の構成によれば、機械角の４５°が、電気角の３６０°に対応する。図中の位相φAEにおいては、○印を付した電流ＩA，ＩEが１００％のレベルになっており、×印を付した他の電流ＩB，ＩC，ＩDが零値になっている。その後の位相φ2〜φ4の範囲では、位相φが大きくなるにつれて、電流ＩA，ＩEが減少し、電流ＩB，ＩCが上昇する。

その後の位相φCBでは、○印を付した電流ＩB，ＩCが１００％のレベルになっており、×印を付した他の電流ＩA，ＩD，ＩEが零値になっている。その後の位相φ6〜φ8の範囲では、位相φが大きくなるにつれて、電流ＩB，ＩCが減少し、電流ＩD，ＩEが上昇する。その後の位相φEDでは、○印を付した電流ＩD，ＩEが１００％のレベルになっており、×印を付した他の電流ＩA，ＩB，ＩCが零値になっている。その後の位相φ10〜φ12の範囲では、位相φが大きくなるにつれて、電流ＩD，ＩEが減少し、電流ＩA，ＩBが上昇する。

その後の位相φBAでは、○印を付した電流ＩA，ＩBが１００％のレベルになっており、×印を付した他の電流ＩC，ＩD，ＩEが零値になっている。その後の位相φ14〜φ16の範囲では、位相φが大きくなるにつれて、電流ＩA，ＩBが減少し、電流ＩC，ＩDが上昇する。その後の位相φDCでは、○印を付した電流ＩC，ＩDが１００％のレベルになっており、×印を付した他の電流ＩA，ＩB，ＩEが零値になっている。その後の位相φ18〜φ20（＝４５°）の範囲では、位相φが大きくなるにつれて、電流ＩC，ＩDが減少し、電流ＩA，ＩEが上昇する。上述したように、図２は、位相φが０°〜４５°の範囲に対してインバータ８が出力する各電流の波形を示しているが、４５°〜３６０°の範囲においては、インバータ８は、４５°毎に、同様のパターンで各電流を繰り返し出力する。

図３は、位相φAEにおける磁力線８０の分布を示す図である。
位相φAEにおいては、各突極２４Ａ，２４Ｅと、ロータヨーク３４−１，３４−３，３４−５，３４−７と、の間に磁束が流れる。
図４は、図３におけるロータヨーク３４−５付近の拡大図である。
図示のように、突極２４Ａ，２４Ｅおよびロータヨーク３４−５を介して、磁束は矢印８４で示す方向に流れる。また、ロータヨーク３４−５と、突極２４Ａ，２４Ｅとが対向している箇所では、磁束が括れている。ステータ２０およびロータ３０には、この括れを解消する方向にトルクが働く。従って、ロータ３０は、反時計方向に回転する。

図５は、位相φCBにおける磁力線８０の分布を示す図である。
位相φCBにおいては、各突極２４Ｂ，２４Ｃと、ロータヨーク３４−２，３４−４，３４−６，３４−８と、の間に磁束が流れる。図示の状態においては、これらロータヨーク３４−２，３４−４，３４−６，３４−８と、各突極２４Ｂ，２４Ｃと、が対向している箇所において、やはり磁束が括れている。この場合も、ステータ２０およびロータ３０には、括れを解消する方向にトルクが働き、ロータ３０は反時計方向に回転する。

図６は、位相φEDにおける磁力線８０の分布を示す図である。
位相φEDにおいては、各突極２４Ｄ，２４Ｅと、ロータヨーク３４−１，３４−３，３４−５，３４−７と、の間に磁束が流れる。図示の状態においては、これらロータヨークと、各突極２４Ｄ，２４Ｅと、が対向している箇所において、やはり磁束が括れている。この場合も、ステータ２０およびロータ３０には、括れを解消する方向にトルクが働き、ロータ３０は反時計方向に回転する。

図７は、位相φBAにおける磁力線８０の分布を示す図である。
位相φBAにおいては、各突極２４Ａ，２４Ｂと、ロータヨーク３４−２，３４−４，３４−６，３４−８と、の間に磁束が流れる。図示の状態においては、これらロータヨークと、各突極２４Ａ，２４Ｂと、が対向している箇所において、やはり磁束が括れている。この場合も、ステータ２０およびロータ３０には、括れを解消する方向にトルクが働き、ロータ３０は反時計方向に回転する。

図８は、位相φDCにおける磁力線８０の分布を示す図である。
位相φDCにおいては、各突極２４Ｃ，２４Ｄと、ロータヨーク３４−１，３４−３，３４−５，３４−７と、の間に磁束が流れる。図示の状態においては、これらロータヨークと、各突極２４Ｃ，２４Ｄと、が対向している箇所において、やはり磁束が括れている。この場合も、ステータ２０およびロータ３０には、括れを解消する方向にトルクが働き、ロータ３０は反時計方向に回転する。

上述したように、各ロータヨーク３４の一対の端面３４ａ（図１参照）は、ロータ３０のロータ磁極を形成する。また、図３〜図８によれば、一のロータヨーク３４に形成された２個のロータ磁極には、反対方向に磁束が流れる。本実施形態においては、各ロータヨーク３４に流れる磁束は相互に独立しており、磁路が局部的に形成される。これにより、磁路長を短くすることができ、渦電流損やヒステリシス損を、きわめて小さくすることができる。

本実施形態のモータ１０は、車体、バッテリ、車輪等を備え、バッテリによって車輪を駆動する車両（図示せず）に適用することができる。特に、モータ１０は、車輪の内部に装着されるインホイールモータとして適用することが好ましい。ロータボディ３２にアルミニウム合金またはマグネシウム合金等の材料を適用すると、ロータボディ３２は、車体と車輪とを結合する構造部材の役割も兼ねることができる。これにより、安価で堅牢な構造を有するロータボディ３２を有するアウターロータ型のスイッチトリラクタンスモータ１０を実現できる。また、本実施形態のモータ１０は、出力が高い割には軽量に構成できるため、車両のバネ下荷重を小さくすることができる。

また、図３、図５〜図８に示した位相φAE，φCB，φED，φBA，φDCの各状態において、磁力線８０には、各々８ヶ所で括れが生じている。この括れが生じている箇所でトルクが発生するため、ロータ３０が機械角４５°だけ回転する期間中には、８×５＝４０回のトルク発生イベントが生じる。すると、ロータ３０が機械角３６０°だけ回転する期間には、３２０回のトルク発生イベントが生じる。

〈比較例〉
次に、本実施形態の効果を明らかにするため、本実施形態の比較例について説明する。
図９は、比較例におけるモータ駆動システムＳ２の模式図である。
図９において、モータ駆動システムＳ２は、インバータ５８と、インバータ５８によって駆動されるスイッチトリラクタンスモータ６０（以下、モータ６０と称することがある）と、を備えている。モータ６０は、アウターロータ型の５相のモータであり、ステータ２０と、ステータ２０の外周側に、回動自在に同軸状に設けられたロータ７０と、を備えている。

図９において、ステータ２０の構成は、上記実施形態のもの（図１参照）と同様である。
また、ロータ７０は、バックヨーク７２と、複数の突極７４と、を備えている。バックヨーク７２は、略円筒状に形成されている。また、突極７４は、略直方体状に形成されており、バックヨーク７２の内周面の周回方向等分１６カ所の位置に、中心方向に向かって突出するように設けられている。すなわち、ロータ７０の極数は「１６」であり、この点で、バックヨーク７２は、上記実施形態のロータ３０と同様である。これらステータヨーク２６および突極２４は、例えば電磁鋼板を積層して一体に形成したものである。インバータ５８は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ相の５相の電流ＩA，ＩB，ＩC，ＩD，ＩEをモータ１０に供給する。

図１０は、本比較例における電流ＩA，ＩB，ＩC，ＩD，ＩEの波形図の一例である。
図２のものと同様に、図１０の横軸は、ロータ７０の機械角であり、所定の回転速度でロータ７０を回転させた場合における０°〜４５°の範囲を示している。すなわち、本比較例においても、機械角の４５°が、電気角の３６０°に対応する。図１０の機械角φA，φC，φE，φB，φDにおいては、それぞれ○印を付した電流ＩA，ＩC，ＩE，ＩB，ＩDが１００％のレベルになっており、×印を付した他の電流が零値になっている。

図９に戻り、図中に付した磁力線８０は、機械角φAにおける磁力線の分布を示しており、磁力線８０には、突極２４Ａ付近の４ヶ所で括れが生じている。他の位相φC，φE，φB，φDにおける磁力線８０については図示を省略するが、何れにおいても、４ヶ所で括れが生じる。従って、本比較例では、ロータ７０が機械角４５°だけ回転する期間中に４×５＝２０回のトルク発生イベントが生じる。すると、ロータ７０が機械角３６０°だけ回転する期間には、１６０回のトルク発生イベントが生じる。このように、比較例におけるトルク発生イベントの数は、上述した実施形態の「１／２」になる。また、図９に示すように、比較例においては、ロータ７０のバックヨーク７２の全体に渡って磁束が流れる。これにより、比較例の構成では、上述した実施形態と比較して磁路長が長くなり、渦電流損やヒステリシス損が大きくなる。

〈実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ（１０）は、アウターロータ型のスイッチトリラクタンスモータ（１０）であって、５相のコイル（２８）が集中巻にて巻回された複数の突極（２４）を有するインナーステータ（２０）と、各々に２つの磁極が現れるように独立して形成された複数のロータヨーク（３４）と、非磁性導電材によって構成され複数のロータヨーク（３４）を保持するロータボディ（３２）と、を備えるアウターロータ（３０）と、を備え、５相のコイル（２８）のうち、同時に２相のコイル（２８）によって、対応する突極（２４）を励磁可能である。

これにより、アウターロータの極極を相毎に磁気絶縁することができ、他相との磁気干渉を非常に小さくすることができるため、渦電流損やヒステリシス損を、きわめて小さくすることができる。特に、本実施形態のものは５相のうち２相の突極２４を励磁できるため、比較例（図９，図１０）の構成と比較すると、モータ体積あたりのトルク密度(Nm/m³)を大きくすることができ、単位体積あたり２倍程度のトルクを得ることができる。

また、本実施形態によれば、インナーステータ（２０）が有する突極（２４）の数は「２０」であり、ロータヨーク（３４）の数は「８」であり、５相のコイル（２８）のうち、同時に２相のコイル（２８）によって、対応する「８」の突極（２４）を励磁可能である。
より一般的に表現すると、インナーステータ（２０）が有する突極（２４）の数は「１０Ｎ」（但し、Ｎは自然数）であり、ロータヨーク（３４）の数は「４Ｎ」であり、５相のコイル（２８）のうち、同時に２相のコイル（２８）によって、対応する「４Ｎ」の突極（２４）を励磁可能である。
この場合、「Ｎ」を大きくすると、ロータヨーク（３４）における磁路長をさらに短くすることができる。

また、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ（１０）を、インホイールモータとして、車両の車輪内に装着することにより、バネ下荷重の小さい車両を実現することができる。

〈変形例〉
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記実施形態の構成に他の構成を追加してもよく、構成の一部について他の構成に置換をすることも可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１０は、アウターロータ型のモータであったが、本発明は、インナーロータ型のスイッチトリラクタンスモータに適用してもよい。

（２）また、上記実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータ１０は、ロータ３０内に略Ｕ字状の湾曲磁路を形成するために、ロータボディ３２と、ロータヨーク３４とを適用した。しかし、ロータ３０内に略Ｕ字状の湾曲磁路を形成する方法は、これに限定されるものではない。例えば、ロータ３０を積層した電磁鋼板で構成し、各電磁鋼板に略Ｕ字状のスリットを形成することによって、スリットに沿った略Ｕ字状の湾曲磁路を形成することができる。

上述した変形例に鑑みれば、上記実施形態のスイッチトリラクタンスモータ（１０）は、ステータ（２０）と、ステータ（２０）に対して同軸状に設けられたロータ（３０）と、を備え、ステータ（２０）は、周回方向等分箇所に配置され、５相のコイル（２８）が集中巻にて巻回され、ロータ（３０）に向かって突出する「１０Ｎ」（但し、Ｎは自然数）の突極（２４）を有し、ロータ（３０）は、周回方向等分箇所に配置され、各々が突極（２４）のピッチに対応するピッチで配置される二の端面（３４ａ）を有する湾曲磁路を形成する「４Ｎ」の磁路形成部（３４）を有するスイッチトリラクタンスモータであると考えることもできる。

（３）また、上記実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１０は、車両以外にも、船舶、工作機械等、様々な機器に適用することができる。

１０ スイッチトリラクタンスモータ
２０ ステータ（インナーステータ）
２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅ 突極
２８，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ，２８Ｅ コイル
３０ ロータ（アウターロータ）
３２ ロータボディ
３４，３４−１〜３４−８ ロータヨーク（磁路形成部）

Claims (5)

1. アウターロータ型のスイッチトリラクタンスモータであって、
   ５相のコイルが集中巻にて巻回された複数の突極を有するインナーステータと、
   各々に２つの磁極が現れるように独立して形成された複数のロータヨークと、非磁性導電材によって構成され複数の前記ロータヨークを保持するロータボディと、を備えるアウターロータと、
   を備え、
   ５相の前記コイルのうち、同時に２相の前記コイルによって、対応する前記突極を励磁可能である
   ことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
2. 前記インナーステータが有する前記突極の数は「２０」であり、
   前記ロータヨークの数は「８」であり、
   ５相の前記コイルのうち、同時に２相の前記コイルによって、対応する「８」の前記突極を励磁可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
3. 前記インナーステータが有する前記突極の数は「１０Ｎ」（但し、Ｎは自然数）であり、
   前記ロータヨークの数は「４Ｎ」であり、
   ５相の前記コイルのうち、同時に２相の前記コイルによって、対応する「４Ｎ」の前記突極を励磁可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
4. ステータと、
   前記ステータに対して同軸状に設けられたロータと、を備え、
   前記ステータは、
   周回方向等分箇所に配置され、５相のコイルが集中巻にて巻回され、前記ロータに向かって突出する「１０Ｎ」（但し、Ｎは自然数）の突極を有し、
   前記ロータは、周回方向等分箇所に配置され、各々が前記突極のピッチに対応するピッチで配置される二の端面を有する湾曲磁路を形成する「４Ｎ」の磁路形成部を有する
   ことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載のスイッチトリラクタンスモータを車輪内に装着した
   ことを特徴とする車両。

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