JP2021019406A - リラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】リラクタンスモータの効率を向上させることを目的とする。【解決手段】リラクタンスモータの一態様は、複数の磁極を有するステータと、上記ステータの周囲を取り巻いたロータと、上記ステータに集中巻きで施され、巻回方向が互いに同一な複数の巻線と、を備える。【選択図】 図７

Description

本発明は、リラクタンスモータに関する。

リラクタンスモータは、永久磁石を有さないのでコスト面で有望視されている。

例えば特許文献１には、セグメント構造のロータを有するリラクタンスモータにおいて、そのロータを非磁性導電性部材内に磁性セグメントを埋め込んで形成する技術が提案されている。

特開２００６−２４６５７１号公報

しかし、リラクタンスモータは永久磁石モータに較べて効率が低い。
そこで、本発明は、リラクタンスモータの効率を向上させることを目的とする。

本発明に係るリラクタンスモータの一態様は、複数の磁極を有するステータと、上記ステータの周囲を取り巻いたロータと、上記ステータに集中巻きで施され、巻回方向が互いに同一な複数の巻線と、を備える。

本発明によれば、リラクタンスモータの効率が向上する。

図１は、第１実施形態のリラクタンスモータの構成を示す斜視図である。 図２は、ステータとコイルの構成を示す斜視図である。 図３は、ステータの構成を示す斜視図である。 図４は、ロータの構成を示す斜視図である。 図５は、コイルの構成を示す断面図である。 図６は、比較例における磁路を示す図である。 図７は、第１実施形態における磁路を示す図である。 図８は、比較例と第１実施形態の特性を示す表である。 図９は、突極とロータの構造を示す拡大図である。 図１０は、第２実施形態のリラクタンスモータの構成を示す斜視図である。 図１１は、第２実施形態におけるロータの構成を示す斜視図である。 図１２は、第２実施形態における突極とロータの構造を示す拡大図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本開示のリラクタンスモータの実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

本明細書において、三相の巻線（「コイル」と表記する場合がある。）を有する三相モータを例にして、本開示の実施形態を説明する。以下では、各相を区別する場合には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相あるいはＵ相、Ｖ相、Ｗ相と称する。ただし、四相または五相などのｎ相（ｎは４以上の整数）の巻線を有するｎ相モータも本開示の範疇である。
（リラクタンスモータの構造）
図１は、第１実施形態のリラクタンスモータ１００の構成を示す斜視図である。

第１実施形態のリラクタンスモータ１００は、ステータ５０と、ステータ５０の外側を取り巻いたロータ２０とを備える。即ち、第１実施形態のリラクタンスモータ１００は、アウターロータタイプのリラクタンスモータである。ステータ５０は、ステータコア１０と、ステータコア１０に巻かれたコイル３０とで構成される。ステータ５０は、後述するように複数の磁極を有し、回転磁場を発生する。ロータ２０は、その回転磁場によってステータ５０の周囲を回転する。
図２は、ステータコア１０とコイル３０の構成を示す斜視図であり、図３は、ステータコア１０構成を示す斜視図である。

ステータコア１０は、磁性体からなる円環体１１と、円環体１１からロータ２０に向かって突き出した例えば１２個の突極１２とを有する。ステータコア１０は、例えば、表面に絶縁ワニス等が焼き付けられた０．０５〜１ｍｍの薄い鋼板が積層されて形成される。ステータ１０は、渦電流が生じにくい圧粉鉄心で形成されてもよい。

コイル３０はステータコア１０の各突極１２に集中巻きで施され例えば合計１２個備えられる。コイル３０に電流が流されることによって各突極１２が磁極となるので、第１実施形態におけるステータコア１０は例えば１２の磁極を有する。突極１２は、ロータに向かって突き出して巻線が巻回され、磁極となる歯部の一例に相当する。

ステータコア１０の各突極１２は先端に、ロータ２０の回転方向の前方側と後方側へと広がった傘部１３を有する。この傘部１３は、ロータ２０の回転方向における央部１３ａが端部１３ｂよりもロータ２０側に突出している。傘部１３は、歯部の先端に繋がり、ロータの回転方向に広がった本発明にいう傘部の一例に相当する。
図４は、ロータ２０の構成を示す斜視図である。
ロータ２０は、非磁性リング２１と磁性セグメント２２とを有する。即ち、第１実施形態におけるロータ２０は、セグメントタイプのロータである。

非磁性リング２１は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、真鍮などの銅合金、その他の非磁性導電性金属や、樹脂で形成される。磁性セグメント２２は、ステータコア１０と同様に、例えば鋼板が積層されて形成されてもよく、圧粉鉄心で形成されてもよい。磁性セグメント２２は、ロータ２０の回転軸に垂直な断面形状が扇型で、非磁性リング２１の内周面に固定されて保持される。ロータ２０は、ステータ５０の磁極数とは異なる８つの磁性セグメント２２を有し、ロータ２０は８つの磁極を有する。言い換えると、ロータ２０の磁性部分が、ステータ５０の磁極数とは異なる複数の磁性セグメントに分かれる。
図５は、コイルの構成を示す断面図である。

図５には、各コイル３０の巻回方向が記号で示されている。１２個のコイル３０は巻回方向が互いに同一である。このようにコイル３０の巻回方向が同一であることにより、コイル３０とステータコア１０の突極１２によって生じる磁場の磁路が短縮される。これらのコイル３０は、ステータ５０に集中巻きで施され、巻回方向が互いに同一な複数の巻線の一例に相当する。
図６および図７は、磁路短縮の作用を説明する図であり、図６には比較例における磁路が示され、図７には第１実施形態における磁路が示される。

ここでは一例として三相交流が用いられ、各コイル３０に対して順にＵＶＷ相の電流が流される。
図６に示す比較例のリラクタンスモータ１は、隣り合う突極１２に施されたコイル３０の巻回方向が逆向きとなった例である。この比較例における磁路は、図に矢印で示されるように、突極１２の１つ分を飛ばしてループを描くように形成される。

これに対して第１実施形態のリラクタンスモータ１００では、図７に矢印で示されるように、隣り合った２つの突極１２を巡るように磁路のループが形成され、比較例のリラクタンスモータ１に較べて磁路が短縮されることが分かる。このような磁路の短縮により、鉄損が低下して効率が向上する。第１実施形態のリラクタンスモータ１００では、セグメントタイプのロータ２０が採用されているため、このような磁路短縮の効果が一層高まる。
図８は、比較例と第１実施形態の特性を示す表である。

図８には、図６に示す比較例のリラクタンスモータ１における各種の特性値と、図７などに示す第１実施形態のリラクタンスモータ１００における各種の特性値が示される。図８に示す特性値は、三相交流が用いられた際に効率と力率との積が最も高い位相(即ち、最も有効に電力が使用されるポイント)での解析結果である。

比較例と第１実施形態とで回転数、トルク、および出力は同一である。鉄損は比較例で１３．７Ｗであるのに対して第１実施形態では、磁路が短縮されたことで２．６９Ｗに大幅に減少した。また、銅損については、比較例で４３．０Ｗであるのに対して第１実施形態では、ステータ１０における磁気飽和の影響が減少したことで１３．５Ｗに減少した。これらの結果、効率については、比較例で３３．８％であるのに対して第１実施形態では６２．１％に大きく改善された。また、モータにおける全体の電力変換率に相当する、効率と力率との積については、比較例で１３．６％であるのに対して第１実施形態では２４．５％に向上した。
次に、突極１２とロータ２０の詳細構造について説明する。
図９は、突極１２とロータ２０の構造を示す拡大図である。

上述した様に、突極１２の先端には傘部１３が設けられる。傘部１３はロータ２０の回転方向に沿って広がるので、傘部１３が磁路形成に寄与し、磁路の短縮効果が高められる。この結果、傘部１３がない場合に較べて傘部１３を備えた場合はモータの効率が向上する。

また、傘部１３における央部１３ａは端部１３ｂよりもロータ２０側へと突き出す。従って、端部１３ｂとロータ２０との間隔は央部１３ａとロータ２０との間隔よりも広い。言い換えると、傘部１３とロータ２０との間隔が、ロータ２０の回転方向における端部１３ｂでは央部１３ａよりも広い。この結果、ロータ２０の回転に伴うインダクタンス変化は、央部１３ａと端部１３ｂとで間隔が等しい場合に較べて緩やかになり、トルクリップルが低減される。

更に、傘部１３と円環体１１とを繋ぐ箇所における突極１２の幅ｄ１に対し、ロータ２０の磁性セグメント２２における幅ｄ２は、突極１２の幅ｄ１以下で２分の１以上である。言い換えると、ロータ２０の回転軸を中心とした半径方向におけるロータ２０の磁性セグメント２２の最小幅ｄ２が、ロータ２０の回転方向における突極１２の最小幅ｄ１の半分以上で突極１２の最小幅ｄ１以下である。磁性セグメント２２がこのような幅ｄ２を有することにより、磁気飽和が回避される範囲で磁性セグメント２２が肉薄となってモータトルクが向上する。即ち、図７に示すように磁路が２つに分かれる場合、磁性セグメント２２の幅ｄ２が突極１２の幅ｄ１の半分未満であると磁気飽和が起きうる。また、磁性セグメント２２の幅ｄ２が突極１２の幅ｄ１を超すと、幅ｄ２が大きい程磁性セグメント２２が肉厚となり、トルク低下に繋がる。
次に、第２実施形態について説明する。
図１０は、第２実施形態のリラクタンスモータ２００の構成を示す斜視図である。

第２実施形態のリラクタンスモータ２００も、ステータ５０と、ステータ５０の外側を取り巻いたロータ４０とを備える。即ち、第２実施形態のリラクタンスモータ２００も、アウターロータタイプのリラクタンスモータである。

第２実施形態におけるステータ５０は、第１実施形態におけるステータ５０と同一であるので重複説明は省略する。ステータ５０は回転磁場を発生し、ロータ４０は、その回転磁場によってステータ５０の周囲を回転する。第２実施形態におけるロータ４０も、ステータの周囲を取り巻いたロータの一例に相当する。
図１１は、第２実施形態におけるロータ４０の構成を示す斜視図である。

第２実施形態におけるロータ４０は、リング部４１と磁極部４２とを備え、リング部４１と磁極部４２との双方が磁性を有する。つまり、第２実施形態のロータ４０は、磁気的に短絡した構造を有し、言い換えると、ロータ４０の磁性部分が、回転方向に繋がって回転軸を１周する。ロータ４０は、例えば鋼板が積層されて形成されてもよく、圧粉鉄心で形成されてもよい。ロータ４０は、ステータコア１０の磁極数とは異なる８つの磁極部４２を備え、ロータ４０は８つの磁極を有する。

上述した様に、第２実施形態でも第１実施形態と同一のステータ５０が用いられ、各コイル３０の巻回方向が互いに同一である。このため、図６および図７を参照して説明した磁路短縮の作用が、ロータ４０の構造が異なる第２実施形態でも同様に生じる。従って、第２実施形態でも鉄損が低下して効率が向上する。
図１２は、第２実施形態における突極１２とロータ４０の構造を示す拡大図である。

上述した様に、突極１２の先端には傘部１３が設けられる。傘部１３はロータ４０の回転方向に沿って広がるので、第２実施形態の場合も傘部１３が磁路形成に寄与し、磁路の短縮効果が高められる。この結果、傘部１３がない場合に較べて傘部１３を備えた場合はモータの効率が向上する。

また、傘部１３における央部１３ａは端部１３ｂよりもロータ４０側へと突き出す。従って、端部１３ｂとロータ４０との間隔は央部１３ａとロータ４０との間隔よりも広い。言い換えると、傘部１３とロータ２０との間隔が、ロータ４０の回転方向における端部１３ｂでは央部１３ａよりも広い。この結果、第２実施形態の場合もロータ４０の回転に伴うインダクタンス変化は、央部１３ａと端部１３ｂとで間隔が等しい場合に較べて緩やかになり、トルクリップルが低減される。

更に、傘部１３と円環体１１とを繋ぐ箇所における突極１２の幅ｄ１に対し、ロータ４０のリング部４１における幅ｄ３は、突極１２の幅ｄ１以下で２分の１以上である。言い換えると、ロータ４０の回転軸を中心とした半径方向におけるロータ４０の磁性部分の最小幅ｄ３が、ロータ４０の回転方向における突極１２の最小幅ｄ１の半分以上で突極１２の最小幅ｄ１以下である。ロータ４０がこのような幅ｄ３を有することにより、第１実施形態と同様に、磁気飽和が回避される範囲でロータ４０が肉薄となってモータトルクが向上する。

また、第２実施形態の場合は、リング部４１が磁性を有するため、ロータ４０の磁性部分が、回転方向に繋がって回転軸を１周する。この構造は磁気飽和の防止に寄与し、モータトルクが向上する。

上述した実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００、２００ ：リラクタンスモータ
１０ ：ステータコア
１１ ：円環体
１２ ：突極
１３ ：傘部
２０ ：ロータ
２１ ：非磁性リング
２２ ：磁性セグメント
３０ ：コイル
４０ ：ロータ
４１ ：リング部
４２ ：磁極部
５０ ：ステータ

Claims (6)

1. 複数の磁極を有するステータと、
   前記ステータの周囲を取り巻いたロータと、
   前記ステータに集中巻で施され、巻回方向が互いに同一な複数の巻線と、
   を備えるリラクタンスモータ。
2. 前記ステータは、
   前記ロータに向かって突き出して前記巻線が巻回され、前記磁極となる複数の歯部と、
   前記歯部の先端に繋がり、前記ロータの回転方向に広がった傘部と、
   を有する請求項１に記載のリラクタンスモータ。
3. 前記傘部と前記ロータとの間隔が、前記ロータの回転方向における端部では央部よりも広い請求項２に記載のリラクタンスモータ。
4. 前記ステータは、前記ロータに向かって突き出して前記巻線が巻回され、前記磁極となる複数の歯部を有し、
   前記ロータの回転軸を中心とした半径方向における当該ロータの磁性部分の最小幅が、当該ロータの回転方向における前記歯部の最小幅の半分以上で当該歯部の最小幅以下である請求項１または２に記載のリラクタンスモータ。
5. 前記ロータの磁性部分が、前記ステータの磁極数とは異なる複数の磁性セグメントに分かれた請求項１から４のいずれか１項に記載のリラクタンスモータ。
6. 前記ロータの磁性部分が、回転方向に繋がって回転軸を１周した請求項１から４のいずれか１項に記載のリラクタンスモータ。

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