JP2021166448A - モーターローター及びこのローターを備えたリラクタンスモーター - Google Patents

Abstract

【課題】モーターの効率を改善することができるモーターローターを提供する。【解決手段】モーター鉄心はローターシャフトを包囲すると共に複数の磁束障壁部材２３を有し、これら磁束障壁部材２３はローターシャフトの中心を円心としてモーター鉄心に等角度で分布される。各磁束障壁部材２３は対称に分布される２つの磁束障壁ユニット２４を有し、各磁束障壁ユニット２４はモーター鉄心の径方向に沿って配列される複数の磁束障壁溝２５を有する。ローターシャフトの中心を通過する第１直線Ｌ１とローターシャフトの中心を通過する第２直線Ｌ２との間には刃先角γが形成され、第１直線Ｌ１はローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝２５のモーター鉄心の外円周に近接する箇所に切点を形成し、第２直線Ｌ２は対称になる磁束障壁ユニット２４の隣接する磁束障壁溝２５のモーター鉄心の外円周に近接する箇所に他の切点を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、モーターローター及びこのローターを備えたリラクタンスモーターに関する。

石油及び電気価格の上昇や地球温暖化等の危機に直面する現在、省エネが世界的に最も関心を集める議題の１つとなっている。このため、工業用誘導電動機及び永久磁石同期電動機を代替するリラクタンスモーターに対する要求が高まっている。

リラクタンスモーターは複数のけい素鋼板が重層されることにより形成されるローター及び固定子を有する。ローターは中空の貫通孔による磁束障壁形式で固定子中に設置され、アルミダイカスト、銅ダイカスト、永久磁石等が不要であるため、温度の影響を受けない。リラクタンスモーターはローレンツ力を利用して作動する誘導電動機及び永久磁石同期電動機とは違ってリラクタンス力を利用して作動し、リラクタンス力は磁力線を利用して空間中でリラクタンスの最短経路を閉回路として選択する。このため、ローターが固定子磁場内に置かれる場合、磁力線によりローターが駆動されてリラクタンスの最短経路の位置まで移動する。リラクタンスモーターローター及び固定子が磁場中で同期回転するため、誘導電流が発生せず、誘導電動機が１０％乃至３０％の二次銅損によるエネルギーの損失も生じない。よって、リラクタンスモーターは従来の常用の誘導電動機よりも高いエネルギー変換効率を有する。

リラクタンスモーターは主にローターのｄ-ｑ軸のリラクタンスの差によりトルクを発生させている。ｄ軸（直軸、direct axis）はローターの磁極の磁場の延伸方向と定義され、ｑ軸（横軸、quadrature axis）は隣接する２つの磁極間の延伸方向と定義される。モーターのトルクＴは下記公式に示す。

式中のＰはローターの磁極の数量を示し、Ｌ_ｄ及びＬ_ｑはｄ軸及びｑ軸のインダクタンスをそれぞれ示し、ｉ_ｄ及びｉ_ｑはｄ軸及びｑ軸上における固定子の電流の分量をそれぞれ示す。この公式によれば、リラクタンスモーターは最大インダクタンス差Ｌ_ｄ-Ｌ_ｑに依存するという特性を有する。換言すれば、ｄ軸のインダクタンスを高めるかｑ軸のインダクタンスを低めることによりトルクが増加する。

しかしながら、従来のモーター関連技術では、ｄ軸のインダクタンスを高めるまたはｑ軸のインダクタンスを低めるにはｑ軸の磁束を有効的に遮断する必要があった。空気の相対透磁係数がけい素鋼板よりもはるかに低いため、ローターに配置されている中空で空気が充満された貫通孔を磁束障壁とすることが有効的な手段となっている。磁束障壁の広さが広がるとｄ軸のインダクタンスが低下する。２つの磁束障壁間の磁束チャンネルの広さが広がるとｄ軸のインダクタンスが上昇する。然しながら、事実上磁束障壁の広さまたは磁束チャンネルの広さのどちらが広がろうとも、ｄ-ｑ軸のインダクタンスの増減幅が各々異なるため、単純に磁束障壁の広さまたは磁束チャンネルの広さを調整することでインダクタンスの差Ｌ_ｄ-Ｌ_ｑを改変することは難しかった。

そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、モーターローターを提供することを目的の一とする。すなわち、ローターによりモーターに高いトルクを付与することで、モーターの効率を改善する。

また、本発明の他の目的は、モーターローターを提供することである。すなわち、ローターによりモーターに低いトルクリップルを付与することで、モーターの効率を改善する。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のモーターローターは、ローターシャフト及びモーター鉄心を備えている。モーター鉄心はローターシャフトを包囲すると共に２Ｎ個の磁束障壁部材を有し、Ｎは正の整数である。これら磁束障壁部材はローターシャフトの中心を円心としてモーター鉄心に等角度で分布されている。各磁束障壁部材は対称に分布される２つの磁束障壁ユニットを有し、各磁束障壁ユニットはモーター鉄心の径方向に沿って配列される複数の磁束障壁溝を有する。各磁束障壁溝と対称になる磁束障壁ユニットのうちの隣接する磁束障壁溝との間にはリブ部が形成され、各磁束障壁ユニットのうちの隣接する２つの磁束障壁溝の間には磁束チャンネルが形成されている。
ローターシャフトの中心を通過する第１直線とローターシャフトの中心を通過する第２直線との間には刃先角γが形成され、第１直線はローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝のモーター鉄心の外円周に近接する箇所に切点を形成し、第２直線は対称になる磁束障壁ユニットの隣接する磁束障壁溝のモーター鉄心の外円周に近接する箇所に他の切点を形成する。

テストを経て提出されたモーターローターは、永久磁石を別途配置せずにモーターに高いトルク及び低いトルクリップルを提供することによりモーターの効率を高めている。また、モーターの生産コストを更に節約すると共に大規模な大量生産に適用可能にする。

本発明の別の態様は、リラクタンスモーターである。このリラクタンスモーターは、モーターの固定子及び上述のモーターローターを備えている。モーターの固定子は固定子鉄心及び分布巻きを含み、分布巻きは固定子鉄心の内円周箇所に周設され、モーターローターはモーターの固定子に軸方向に貫設されている。

本発明の一実施形態に係るリラクタンスモーターを示す概略図である。 本発明のリラクタンスモーターのモーターローターを示す概略図である。 本発明のモーターローターの一部領域を示す部分拡大図である。 本発明のモーターローターの他の領域を示す部分拡大図である。 本発明のモーターローターのさらなる他の一部領域を示す部分拡大図である。 刃先角γとモーターのトルクまたはトルクリップルの関係を説明する試験結果グラフである。 ＦｂｎとＦｂ１によって成立される関係Ｆｂ１ /（Ｆｂ１-Ｆｂｎ）とモーターのトルクまたはトルクリップルの関係を説明する試験結果グラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本明細書及び図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。

以下、図１〜５を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。まず、本発明の一実施形態に係るリラクタンスモーターは高いトルク及び低トルクリップル等の特性を有し、モーターの固定子１及びモーターローター２を備えている。

図１に示されるように、モーターの固定子１は固定子鉄心１１及び分布巻き１２を備え、モーターローター２はローターシャフト２１及びモーター鉄心２２を有する。

固定子鉄心１１は軸方向に貫通する円柱であり、且つ外円周及び内円周を有する。分布巻き１２は固定子鉄心１１の内円周箇所に周設されている。ちなみに、モーターの固定子１は本発明の技術改良の重点ではないため、詳述は省略する。

モーターローター２はモーターの固定子１に軸方向に貫設され、且つモーター鉄心２２はローターシャフト２１を包囲する。具体的には、モーター鉄心２２は好ましくはローターシャフト２１を同心円方式で包囲する。図２に示されるように、モーター鉄心２２は２Ｎ個の磁束障壁部材２３を有し、Ｎは正の整数である。一般的には、磁束障壁部材２３の数量によりローターの磁極数が決定され、典型的には４極または６極である。本実施方式による磁束障壁部材２３の数量は４（Ｎ＝２、４極ローター）であるが、但し可能な他の実施態様では６（Ｎ＝３、６極ローター）でもよく、特に制限はない。これら磁束障壁部材２３はローターシャフト２１の中心Ｃを円心としてモーター鉄心２２に等角度で分布され、単一の磁束障壁部材２３は対称に分布される２つの磁束障壁ユニット２４を有し、単一の磁束障壁ユニット２４はモーター鉄心２２の径方向に沿って配列される複数の磁束障壁溝２５を有する。本実施方式による磁束障壁ユニット２４は３つの磁束障壁溝２５を有しているが、但し可能な他の実施態様では２つ、４つ、または５つ有してもよく、特に制限はない。

単一の磁束障壁部材２３を単位とする場合、単一の磁束障壁溝２５と対称になる磁束障壁ユニット２４のうちの隣接する磁束障壁溝２５との間にはリブ部２６が形成されている。また、単一の磁束障壁溝２５及び対称になる磁束障壁ユニット２４のうちの隣接する磁束障壁溝２５と対応するリブ部２６とが共同で弧形、Ｕ字形、Ｖ字形、或いは多段矩形を形成するが、但しこれらに限られず、このような特殊な外形によりモーターのトルクリップルが更に低減するのみならず、モーターの作動時の振動音も更に低減する。なお、単一の磁束障壁溝２５のリブ部２６から離間する一端は円弧形を呈するが、但しこれに限定されず、この円弧の設計によりモーターの製造品質が向上し、製造モジュールの耐用年数も延び、よってモーターの大規模製造が可能となる。また、単一の磁束障壁ユニット２４を単位とする場合、隣接する何れか２つの磁束障壁溝２５の間に磁束チャンネル２７が形成されている。本発明が属する技術分野で通常知識を有する者ならば、隣接する２つの磁束障壁部材２３の間がローターの磁極位置であり、即ち、ｄ軸のローターの磁極の磁場の延伸方向が隣接する２つの磁束障壁部材２３の間に形成されていることが分かる。換言すれば、ｄ軸は隣接する２つの磁束障壁部材２３の間の中心とローターシャフト２１の中心Ｃとが接続される直線上に位置されている。以上のことから、ｑ軸の隣接する２つの磁極間の延伸方向が何れか１つの磁束障壁溝２５と対称になる磁束障壁ユニット２４のうちの隣接する磁束障壁溝２５との間に形成されていることが分かる。換言すれば、ｑ軸がリブ部２６の中心とローターシャフト２１の中心Ｃとが接続される直線上に位置されている。

次は、図２に示されるように、モーター鉄心２２には第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２が定義され、共にローターシャフト２１の中心Ｃを通過する。図から分かるように、第１直線Ｌ１はローターシャフト２１から最も離間する磁束障壁溝２５（最外層の磁束障壁溝２５）のモーター鉄心２２の外円周に近接する箇所に幾何学的接線に切点を形成し、第２直線Ｌ２は対称になる磁束障壁ユニット２４のうちの隣接する磁束障壁溝２５（同一の磁束障壁部材２３のうちの最外層の対称になる磁束障壁溝２５）のモーター鉄心２２の外円周に近接する箇所に幾何学的接線に他の切点を形成する。

次は、図３に示されるように、単一の磁束障壁ユニット２４を単位とする場合、ローターシャフト２１に最も近接する磁束障壁溝２５のリブ部２６に最も近接する広さＦｂ１及びローターシャフト２１から最も離間する磁束障壁溝２５のリブ部２６に最も近接する広さＦｂｎが定義される。
広さＦｂ１は広さＦｂｎ以下ではないため、モーターのトルクが更に高まり、モーターのトルクリップルが更に低下する。

次は、図４に示されるように、単一の磁束障壁溝２５を単位とする場合、リブ部２６に近接する広さＦｂがリブ部２６から離間する広さＴｓより広く、この広さの差異によりモーターのトルクリップルが更に低下するのみならず、モーターの回転時に発生する振動音も低減する。

また、図５に示されるように、単一の磁束チャンネル２７を単位とする場合、リブ部２６に近接する広さＷｑはリブ部２６から離間する広さＷｄ以上ではなく、この広さの差異によりモーターのトルクが更に高まりモーターのトルクリップルが低下するのみならず、モーターの出力パワーも更に高まり、モーターの回転時に発生する振動音も更に低減する。

図７を参照し、異なる実施例のリラクタンスモーターのトルク特性を比較し、モーターの差異は広さＦｂ１及び広さＦｂｎの関係式の値にある。

以上を総合すると、上述の実施方式は特殊な物理パラメータ関係を有する磁束障壁溝が配置されることにより、モーターのトルクが予想外に高まり、モーターのトルクリップルが低下する。これにより、モーターの動作性能が改善される。

上述の実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。

１ モーターの固定子
１１ 固定子鉄心
１２ 分布巻き
２ モーターローター
２１ ローターシャフト
２２ モーター鉄心
２３ 磁束障壁部材
２４ 磁束障壁ユニット
２５ 磁束障壁溝
２６ リブ部
２７ 磁束チャンネル
Ｃ ローターシャフトの中心
Ｌ１ 第１直線
Ｌ２ 第２直線
γ 刃先角
Ｆｂ１ 広さ
Ｆｂｎ 広さ
Ｆｂ 広さ
Ｔｓ 広さ
Ｗｄ 広さ
Ｗｑ 広さ

Claims (8)

1. ローターシャフトと、
   前記ローターシャフトを包囲すると共に２Ｎ個の磁束障壁部材を有し、Nは正の整数であるモーター鉄心とを備え、
   これら前記磁束障壁部材は前記ローターシャフトの中心を円心とし前記モーター鉄心に等角度で分布され、各磁束障壁部材は対称に分布される２つの磁束障壁ユニットを有し、
   各磁束障壁ユニットは前記モーター鉄心の径方向に沿って配列される複数の磁束障壁溝を有し、各磁束障壁溝と対称になる磁束障壁ユニットの隣接する磁束障壁溝との間にはリブ部が形成され、
   各磁束障壁ユニットの隣接する２つの磁束障壁溝の間には磁束チャンネルが形成され、前記ローターシャフトの中心を通過する第１直線と前記ローターシャフトの中心を通過する第２直線との間には刃先角γが形成され、
   前記第１直線は前記ローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝の前記モーター鉄心の外円周に近接する箇所に切点を形成し、
   前記第２直線は対称になる磁束障壁ユニットの隣接する磁束障壁溝の前記モーター鉄心の外円周に近接する箇所に他の切点を形成し、
   

   

   ここではＰは磁束障壁部材の数量を示すことを特徴とするモーターローター。
2. 各磁束障壁ユニットは２つ乃至５つの磁束障壁溝を有し、各磁束障壁ユニットのうち、前記ローターシャフトに最も近接する磁束障壁溝の前記リブ部に最も近接する広さＦｂ１は前記ローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝の前記リブ部に最も近接する広さＦｂｎ以下ではないことを特徴とする請求項１に記載のモーターローター。
3. 各磁束障壁ユニットは２つ乃至５つの磁束障壁溝を有し、
   各磁束障壁ユニットのうち、前記ローターシャフトに最も近接する磁束障壁溝の前記リブ部に最も近接する広さＦｂ１は前記ローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝の前記リブ部に最も近接する広さＦｂｎより大きく、
   

   

   ことを特徴とする請求項１に記載のモーターローター。
4. 各磁束障壁溝の前記リブ部に近接する広さＦｂは前記リブ部から離間する広さＴｓより広いことを特徴とする請求項１に記載のモーターローター。
5. 各磁束チャンネルの前記リブ部に近接する広さＷｑは前記リブ部から離間する広さＷｄ以上ではないことを特徴とする請求項１に記載のモーターローター。
6. 各磁束障壁溝、対称になる磁束障壁ユニットの隣接する磁束障壁溝、及び対応するリブ部が共同で弧形、Ｕ字形、Ｖ字形、または多段矩形を形成することを特徴とする請求項１に記載のモーターローター。
7. 各磁束障壁溝の前記リブ部から離間する一端は円弧形を呈することを特徴とする請求項１に記載のモーターローター。
8. モーターの固定子と、
   前記モーターの固定子に軸方向に貫設される請求項１乃至７の何れか１項に記載のモーターローターと、を備え、
   前記モーターの固定子は、
   固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心の内円周箇所に周設される分布巻きと、を含むことを特徴とするリラクタンスモーター。
   
   

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