JP4640422B2 - ランデルロータ型モータ - Google Patents

Description

本発明はランデルロータ型回転電機を電動動作させるランデルロータ型モータに関する。

円筒状のボス部と、ボス部の軸方向両端から周方向所定ピッチでそれぞれ径外方向へ突出した後、軸方向相手側へ向けて周方向交互に延在する多数の爪極部とを有するロータコアと、このボス部に巻装された界磁コイルとをもつランデル型ロータが、界磁電流制御により発電電圧を調節できるため車両用交流発電機に広く採用されている。

また、各爪極部の界磁束を強化するため、爪極部の周方向両側に永久磁石を隣接させた磁石付きランデル型ロータ構造も知られている。たとえば本出願人の出願になる下記の特許文献１は、周方向に隣接する各爪極部間に磁石を配置し、この磁石により各爪極部の界磁電流磁界を強化する磁石付きランデル型ロータを有する車両用発電機を提案している。

また、これらのランデル型ロータや磁石付きランデル型ロータを車両用電動機又は車両用発電電動機として採用することが、たとえば下記の特許文献２、３に記載されている。

更に、従来の埋め込み磁石型モータ（IPM）及び磁気突極性をもつロータコアを有するシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙＲＭ）において、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差によるリラクタンストルクを利用することが知られている。
特開２００７−３２９９８９号公報 特開２００５−１３０６５６号公報 特開２００５−１９２３４５号公報

しかしながら、たとえば車両用モータでは、広い回転数範囲においてトルクを調整できることが非常に重要となっている。上記した埋め込み磁石型同期モータ（IPM）は、高速回転時に弱め界磁制御が必要なため効率が低下するという欠点を有し、上記したシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙＲＭ）は、リラクタンストルクだけしか用いないために体格当たりのトルクが小さく、ｄ軸磁束を発生させるため効率も低下した。

これに対して、上記したランデル型ロータをもつランデルロータ型モータは、界磁電流トルクTf（＝界磁磁束Φf×ｑ軸電流Iq）を回転数にかかわらず界磁電流Ifの制御により調整できるため、たとえば車両用途のように広い回転数範囲においてトルク調整可能なモータとして有益である。

しかしながら、ランデルロータ型モータは、界磁電流の調節によるトルク制御は容易であるものの、界磁コイルのインダクタンスが大きいために大きなトルク幅で急速にトルクを変更することが困難であるという問題があった。また、ランデルロータ型モータは、磁石モータ（PM）に較べて発生トルク当たりの体格が大きくなり、かつ、界磁電流を通電する分だけ効率が低下するという問題もあった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、体格当たりのトルクが大きく、かつ、高速で大きなトルク幅での調節が容易であり、発生トルクも大きいランデルロータ型モータを提供することをその目的としている。

上記課題を解決する各発明は、複数の相巻線により構成されて通電により回転磁界を形成するステータコイルが巻装されたステータと、前記ステータの内周面に小電磁ギャップを隔てて対面しつつ回転するランデル型ロータとを有し、前記ランデル型ロータは、円筒状のボス部と、ボス部の軸方向両端から周方向所定ピッチでそれぞれ径外方向へ突出した後、軸方向相手側へ向けて周方向交互に延在する多数の爪極部とを有する軟磁性のロータコアと、前記ボス部に巻装された界磁コイルと、前記界磁コイルに通電する界磁電流If及び前記ステータコイルに通電する電機子電流Iaを制御して必要な大きさの電動トルクを前記ランデル型ロータに発生させる制御部とを備えるランデルロータ型モータに適用される。すなわち、下記の各発明は、ランデルロータ型回転電機を電動動作させるランデルロータ型モータに関する。なお、下記の説明において、トルクは１極当たりのトルクを意味する。

第１発明のランデルロータ型モータは、前記制御部が、ｄ軸インダクタンスをLd、ｑ軸インダクタンスをLq、電機子電流Iaのｑ軸成分であるｑ軸電流をIq、電機子電流Iaのｄ軸成分であるｄ軸電流をId、界磁電流をIf、界磁電流トルクをTf、界磁磁束をΦf、界磁電流トルクTfとリラクタンストルクTrとの和である合成トルクをΣTとする時、少なくとも所定値以上の電動トルクを発生させるに際して、界磁電流トルクTfに加えて、合成トルクΣTが界磁電流トルクTfよりも大きくなる位相角度範囲でｄ軸電流Idを前記ステータコイルに通電することによりリラクタンストルクTr（＝（Ld−Lq）IdIq）を発生させることをその特徴としている。

すなわち、この発明のランデルロータ型モータは、所定値以上の大きさの電動トルクを発生させる場合に、合成トルクΣTが界磁電流トルクTfよりも大きくなる位相角度範囲でｄ軸電流Idを流すことにより界磁電流トルクTfに加えてリラクタンストルクTrを発生させる。これにより、ランデルロータ型モータの体格を増大させることなく大トルクを発生させることができる。更に説明すれば、ランデル型ロータの爪極部の周方向中心位置とそれに対して電気角π／２離れた位置との間では、ステータとの間の磁気抵抗はかなり大きく異なるため、ランデルロータ型モータのランデル型ロータはいわゆる磁気突極性をもつ。したがって、ランデルロータ型モータのこの特性に着目したものであり、ｄ軸電流を流せば、界磁電流トルクTf（＝Φf×Iq）に加えてリラクタンストルクTr（＝（Ld−Lq）×Iq×Id）を発生させることができる。ただし、重要なことは、両トルクの和である合成トルクΣTが界磁電流トルクTfよりも大きくなる位相角度範囲でｄ軸電流Idを流す必要がある。これにより、界磁電流Ifを流すだけの場合よりも大きなトルクを同一体格のモータで発生させることができる。

従来、周知のランデル型発電機を電動動作させるランデル型モータ自体は知られていたが、このランデル型モータにおいてリラクタンストルクも利用してその合成トルクを増大させることができる点については、従来知られていなかった。本発明では、従来のIPMやシンクロナスリラクタンスモータと同じく、ランデルロータ型モータにおいてもｄ軸電流を流すことよりリラクタンストルクを発生させることにより、モータ体格を増大することなく界磁電流トルクよりも大きなモータトルクを得ることができる。

また、前記爪極部の周方向幅は、電気角６０〜９０°の角度範囲を占有する。このようにすれば、周方向に隣接する２つの爪極部の間の周方向隙間を１２０〜９０°確保することができるため、ランデル型ロータの磁気突極性を更に向上させ、磁気ｄ軸インダクタンスLdを小さく、ｑ軸インダクタンスLqを大きくすることができる。これにより、ランデルロータ型モータであっても、リラクタンストルクを実用上十分に増大することができる。なお、爪極部の周方向幅を上記範囲より小さくするとｑ軸インダクタンスLq及びｑ軸磁束が減少し、爪極部の周方向幅を上記範囲より大きくなると、爪極部間の周方向隙間が減少して、ｑ軸インダクタンスLqとｄ軸インダクタンスLdとの差が小さくなる。その結果、いわゆる磁気突極比が減少するため、リラクタンストルクが減少してしまう。

さらに、前記ランデル型ロータが、互いに周方向に隣接する２つの前記爪極部の間の周方向隙間に配置された軟磁性のｄ軸磁極部と、前記２つの爪極部の少なくとも一方の径方向外端部の周方向一端面と前記ｄ軸磁極部との間に介設されて周方向に磁化された永久磁石とを有することをその特徴としている。

すなわち、この発明のランデルロータ型モータは、爪極部間の周方向隙間に軟磁性のｄ軸磁極部をもち、ｄ軸磁極部と爪極部との間に永久磁石が設けられている。このようにすれば、この永久磁石の磁界の影響により、界磁電流磁界及び永久磁石の磁界により形成された界磁束がｄ軸磁極部からステータコイルに流れてトルクＴを発生する。これとともに、周方向に隣接する２つの爪極部間すなわちｑ、−ｑ軸間のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスLqを大きくすることができる。これに対して、ｄ軸磁極部と爪極部との間には磁気抵抗が大きい永久磁石が介在するため、ｄ軸インダクタンスLdを小さくなる。これにより、大きなリラクタンストルクTr（＝（Ld-Lq）IdIq）を得ることができる。更に、界磁電流Ifにより形成されて爪極部に達する界磁束は、永久磁石により吸引されてｄ軸側に流れ、大きな界磁電流トルクTf（＝ｄ軸磁極部から出る界磁磁束Φf×Iq）を発生する。この界磁電流トルクTfは、界磁電流Ifにより比較的ゆっくりと調節することができる。結局、この発明によれば、界磁コイルと永久磁石とによる界磁電流トルクとリラクタンストルクとの合成トルクを発生することができ、同一体格当たり大きなトルクを得ることができる。

またさらに、前記永久磁石は、前記ｄ軸磁極部の両側の前記２つの爪極部と前記ｄ軸磁極部との間にそれぞれ配置されて互いに逆向きに磁化されている。これにより、永久磁石による磁束は爪極部を周方向に横断するようにも流れるため、一層、上記界磁電流トルクを増大することができる。

好適な態様において、前記永久磁石は、前記ｄ軸磁極部の周方向一端側に配置され、前記ｄ軸磁極部の周方向他端側は、非磁性金属部材を通じて前記爪極部に結合されている。このようにすれば、上記したように界磁コイルにより形成された界磁束を永久磁石が周方向ｄ軸側に曲げるため、上記界磁電流トルクを低減することなく、大きなリラクタンストルクを得ることができる。

好適な態様において、前記ランデル型ロータが、前記爪極部の径方向外端部の周方向両端面に密着して周方向に磁化された永久磁石と、前記爪極部及び前記永久磁石を収容する径内向きに開口する溝部を有して前記各爪極部に嵌着された円筒状の軟磁性筒部とを有し、同じ前記爪極部の周方向両側の２つの前記永久磁石は互いに略周方向同じ向きに磁化され、周方向に隣接する２つの前記爪極部の間の前記軟磁性筒部を挟んで周方向に隣接する２つの前記永久磁石は、略周方向逆向き磁化されていることをその特徴としている。

すなわち、この発明は、永久磁石が軸方向に挿入された軟磁性筒部を爪極部の径方向外側に被せる第３発明において、軟磁性筒部の径方向内側部分を爪極部位置で省略して薄肉化し言い換えれば爪極部の径方向外側部分及び永久磁石を収容する溝部を設けたものである。このようにすれば、第３発明と同様の効果を奏するとともに、第３発明の軟磁性筒部の径方向幅を縮小することができる。また、爪極部の渦電流損失も低減することができ、モータ体格を低減することができる。

第２発明のランデルロータ型モータは、前記ランデル型ロータが、前記爪極部の径方向外端面が密着する内周面を有して前記各爪極部に嵌着された円筒状の軟磁性筒部と、前記軟磁性筒部に設けられた複数の磁石収容孔に個別に収容された複数の永久磁石とを有し、前記磁石収容孔は、前記軟磁性筒部のうち前記爪極部の径方向外側部分であるｑ軸磁極部と、前記軟磁性筒部のうち互いに周方向に隣接する２つの前記爪極部の間の周方向中間部であるｄ軸磁極部との間に配置され、前記ｄ軸磁極部の周方向両側に隣接する２つの前記永久磁石は、互いに略周方向逆向きに磁化され、前記ｑ軸磁極部の周方向両側に隣接する２つの前記永久磁石は、互いに略周方向同じ向きに磁化されていることをその特徴としている。

すなわち、この発明では、ランデル型ロータの爪極部に軟磁性筒部を被せ、この軟磁性筒部の磁石収容孔に永久磁石を挿入する。磁石収容孔は、第２発明と同様の位置、姿勢で永久磁石を保持する。このようにすれば、第２発明と同様の効果を奏するとともに、軟磁性筒部の良好な耐遠心力により第２発明と較べて、永久磁石やｄ軸磁極部を遠心力に抗して保持することができるため、高速回転性能を向上することができる。なお、軟磁性筒部は渦電流損失低減のために軸方向に軟磁性鋼板を積層して構成することが好適である。この場合には、従来のランデル型ロータの欠点であった爪極部の渦電流損失も低減することができる。

本発明の好適な実施形態を以下の実施例により具体的に説明する。

（実施例１）
実施例１のランデルロータ型モータを図１〜図３を参照して説明する。
図１は車両に搭載されたこの実施例のランデルロータ型モータを含むモータ装置の回路図、図２はランデルロータ型モータの軸方向に見た正面図、図３はこのランデル型ロータの軸方向断面図である。

（装置構成）
図１において、１はランデルロータ型モータ、２は三相のインバータ、３は界磁電流制御回路、４は外部からのトルク指令に基づいてインバータ２及び界磁電流制御回路３を制御するマイコン内蔵のコントローラ（制御部）、５は車載のバッテリ、６は平滑コンデンサである。

ランデルロータ型モータ１は、図略のステータコアに巻装された電機子コイル（ステータコイル）１０と、界磁コイル１ｆとを有する。電機子コイル１０は、U相コイル１U、V相コイル１V、W相コイル１Wを星形接続して構成されている。界磁コイル１ｆを流れる界磁電流Ifは界磁電流制御回路３により制御され、電機子コイルに流れる各相電流はインバータ２により制御される。コントローラ４は、図略の回転角センサで検出したランデルロータ型モータのロータ回転角と外部から入力されるトルク指令に基づいて、インバータ２が電機子コイル１０に流す３相電流を決定し、この３相電流を通電するための制御信号をインバータ２に出力する。また、コントローラ４は、界磁コイル１ｆに流す界磁電流Ifとを決定し、それを界磁電流制御回路３に出力し、界磁電流制御回路３は入力された界磁電流Ifの界磁コイル１ｆに通電する。

上記したランデルロータ型モータの回路は、通常の界磁コイル型同期電動機と本質的に同じであるため、これ以上の説明は省略する。

（ランデル型ロータ）
次に、ランデルロータ型モータ１のロータであるランデル式ロータ７を図２、図３を参照して詳しく説明する。

このランデル式ロータ７はハーフコア７Ａ、７Ｂからなる。ハーフコア７Ａは、回転軸８に嵌着された円筒状のボス部７１と、ボス部７１の軸方向外端から周方向９０度ピッチで径外方向へ突出した後、軸方向相手側へ向けて延在する４つの爪極部７２とを有する軟磁性部材である。ハーフコア７Ａは、回転軸８に嵌着された円筒状のボス部７３と、ボス部７３の軸方向外端から周方向９０度ピッチで径外方向へ突出した後、軸方向相手側へ向けて延在する４つの爪極部７４とを有する軟磁性部材である。２つのボス部７１の端面は接しており、ボス部７１には界磁コイル１ｆが巻装されている。結局、このランデル式ロータ７は８極を有する。上記したように、爪極部７２、７４はボス部７１、７３から径方向外側に突出する径方向突出部と、この径方向突出部から軸方向に延在する軸方向延在部とからなるが、以下の説明において、爪極部７２、７４の軸方向延在部を単に爪極部と称することもあるものとする。この種のランデル式ロータは、車両用交流発電機において周知構造であるため、これ以上の説明は省略する。

（爪極部７２、７４の周方向幅）
爪極部７２、７４の周方向幅は電気角６０〜９０°の角度範囲を占有し、特にこの実施形態では爪極部７２、７４の周方向幅はそれぞれ９０度に設定されている。

この実施形態では、このようにすれば、周方向に隣接する２つの爪極部の間の周方向隙間を１２０〜９０°確保することができるため、ｄ軸インダクタンスLdを小さく、ｑ軸インダクタンスＬｑを大きくすることができる。これにより、ランデルロータ型モータであっても、リラクタンストルクを実用上十分に増大することができる。なお、爪極部の周方向幅を上記範囲より小さくするとｑ軸インダクタンスＬｑ及びｑ軸磁束が減少し、爪極部の周方向幅を上記範囲より大きくなると、爪極部間の周方向隙間が減少して、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスLdとの差が小さくなる。その結果、いわゆる磁気突極比が減少するため、リラクタンストルクが減少してしまう。

（界磁電流If及び電機子電流の制御）
コントローラ４は、ｄ軸インダクタンスをLd、ｑ軸インダクタンスをLq、電機子電流Iaのｑ軸成分であるｑ軸電流をIq、電機子電流Iaのｄ軸成分であるｄ軸電流をId、界磁電流をIf、界磁電流トルクをTf、界磁磁束をΦf、界磁電流トルクTfとリラクタンストルクTrとの和である合成トルクをΣTとする時、合成トルクΣT（＝界磁電流トルクΦf×Iq＋リラクタンストルク（Ld−Lq）×Iq×Id）が最大となるようにその位相角θ（tanθ＝Iq／Id）を予め記憶する回転数と合成トルクの最大値と位相角θとの関係を表すマップから求め、求めた位相角θ、回転数における合成トルクが外部トルク指令のあるしきい値以上の高域成分に一致するようにIq及びIdを算出する。これにより、電機子電流Ia（＝Iq＋ｊId）を小さくして銅損を低減しつつ、必要なトルクを得ることができる。

また、外部トルク指令の低域成分の変化に略比例して応じて界磁電流Ifを調整する。これにより、外部トルクが小さく、かつ、その変化も小さい場合に界磁電流損失を低減することができる。

（実施例２）
実施例２のランデルロータ型モータを図４〜図５を参照して説明する。図４はこの実施例のランデルロータ型モータの軸方向に見た正面図、図５はこのランデル型ロータの軸方向断面図である。

（装置構成）
この実施例は、図２に示す実施例１のランデルロータ型モータにおいて、軟磁性のｄ軸磁極部９、平板状の永久磁石１１、非磁性金属板１２を、爪極部７２、７４の間の周方向隙間にそれぞれ追加した点をその特徴としている。

更に詳しく説明すると、爪極部７２は軸方向前側から後側に延在し、爪極部７４は軸方向後側から前側に延在している。ｄ軸磁極部９は、互いに周方向に隣接する爪極部７２と爪極部７４との間の周方向隙間に配置されている。ｄ軸磁極部９の径方向外端面は、爪極部７２、７４の径方向外端面と等径とされている。永久磁石１１は、爪極部７２、７４の径方向外端部の時計方向側端面とｄ軸磁極部９の反時計方向側端面との間に介設されている。非磁性金属板１２は、爪極部７２、７４の径方向外端部の反時計方向側端面とｄ軸磁極部９の時計方向側端面との間に介設されている。図４では、爪極部７２、７４の永久磁石１１及び非磁性金属板１２の時計方向側端面及び反時計方向側端面は径方向に延在しているが、実際には爪極部７２、７４の周方向幅が径方向外側に向かうにつれて増大するようにわずかに傾斜している。これにより、ｄ軸磁極部９、永久磁石１１及び非磁性金属板１２に対する遠心力が爪極部７２、７４に掛かるようになっている。爪極部７２に隣接する永久磁石１１は爪極部７２側がＳ極、ｄ軸磁極部９側がＮ極となるように磁化されており、爪極部７４に隣接する永久磁石１１は爪極部７２側がＮ極、ｄ軸磁極部９側がＳ極となるように磁化されている。界磁コイル１ｆは、爪極部７２をＮ極、爪極部７４をＳ極に磁化している。

（磁束の流れ）
このように構成すると、界磁コイル１ｆを流れる界磁電流Ifにより形成されてボス部７１から爪極部７２に入った界磁束Φｆの多くは、永久磁石１１の吸引により爪極部７２の径方向外端部から周方向奇数番目のｄ軸磁極部９側に曲げられる。同じく、ステータコイルから周方向偶数番目のｄ軸磁極部９に流入した界磁束Φｆの多くは、永久磁石１１の吸引により爪極部７４の径方向外端部に入ってボス部７３に向かう。

つまり、この実施形態では、界磁コイル１ｆの形成磁界と永久磁石１１の形成磁界との和が界磁磁束Φｆを形成し、かつ、この界磁磁束Φｆを周方向一方側に曲げてｄ軸磁極部９を界磁束Φｆの出入り位置すなわちｄ軸とする。したがって、爪極部７２、７４の径方向外端面はｑ軸となる。

これにより、この実施形態では、界磁電流Ifが形成する界磁磁束Φfを永久磁石により強化できるとともに、ｄ軸インダクタンスLdとｑ軸インダクタンスLqとの差を大きくすることができる。つまり、ｄ軸磁極部９が永久磁石１１及び非磁性金属板１２により爪極部７２、７４から隔離されているためｄ軸インダクタンスLdを小さくでき、軟磁性の爪極部７２、７４は大きなｑ軸インダクタンスLqを発生させる。この結果、この強化された界磁磁束Φfによる界磁電流トルクTf（＝Φf・Iq）と、大きなリラクタンストルクTr（＝（Ld-Lq）IdIq）との合成トルクにより大きなトルクを発生させることができ、その分だけモータ体格を縮小することができる。

なお、図４に記載するように、界磁磁束Φｆは、界磁電流による磁束をΦi、永久磁石による磁束をΦｍとする時、Φｆ＝Φi＋Φｍと考えることもできる。また、図４において、ｑ軸磁束ΦｑはLqIqであり、ｄ軸磁束ΦｄはLｄIｄであることは言うまでもない。

（実施例３）
実施例３のランデルロータ型モータを図６〜図７を参照して説明する。図６はこの実施例のランデルロータ型モータの軸方向に見た正面図、図７はこのランデル型ロータの軸方向断面図である。

（装置構成）
この実施例は、図４に示す実施例２のランデルロータ型モータにおいて、非磁性金属板１２を平板状の永久磁石１３に変更した点をその特徴としている。図６に示すように、この永久磁石１３は、ｄ軸磁極部９を挟んで隣接する永久磁石１１と逆向き、爪極部７２、７４を挟んで隣接する永久磁石１１と同一向きに磁化されている。

（磁束の流れ）
このように構成すると、界磁コイル１ｆを流れる界磁電流Ifにより形成されてボス部７１から爪極部７２に入った界磁束の多くは、永久磁石１１の吸引により爪極部７２の径方向外端部から周方向奇数番目のｄ軸磁極部９側に曲げられる。同じく、ステータコイルから周方向偶数番目のｄ軸磁極部９に流入した界磁束の多くは、永久磁石１１の吸引により爪極部７４の径方向外端部に入ってボス部７３に向かう。

また、永久磁石１１、１３は、ステータコア、ｄ軸磁極部９、永久磁石１１、爪極部７２、永久磁石１３、ｄ軸磁極部９、ステータコアを通じて流れる永久磁石１１、１３のみによる界磁磁束をステータコアのｄ軸、−ｄ軸間に流すので、この界磁磁束の分だけ、ステータコアに流れる界磁磁束が増加し、界磁電流トルクTfを増大することができる。

これにより、この実施形態では、界磁磁束Φfを強化できるとともに、ｄ軸インダクタンスLdとｑ軸インダクタンスLqとの差を大きくすることができる。つまり、ｄ軸磁極部９が永久磁石１１、１３により爪極部７２、７４から隔離されているためｄ軸インダクタンスLdを小さくでき、軟磁性の爪極部７２、７４は大きなｑ軸インダクタンスLqを発生させる。この結果、この強化された界磁磁束Φfによる界磁電流トルクTf（＝Φf・Iq）と、大きなリラクタンストルクTr（＝（Ld-Lq）IdIq）との合成トルクにより大きなトルクを発生させることができ、その分だけモータ体格を縮小することができる。

（実施例４）
実施例４のランデルロータ型モータを図８〜図９を参照して説明する。図６はこの実施例のランデルロータ型モータの軸方向に見た正面図、図７はこのランデル型ロータの軸方向断面図である。

（装置構成）
この実施例は、図２に示す実施例１のランデルロータ型モータにおいて、爪極部７２、７４の径方向外端面に接して軟磁性筒部１４を被せ、軟磁性筒部に軸方向に貫設された磁石収容孔１５に永久磁石１１、１３を収容した点をその特徴としている。永久磁石１１、１３は、実施形態３の永久磁石１１、１３と周方向同位置に配置され、同一向きに磁化されている。軟磁性筒部１４は電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。

軟磁性筒部１４は、永久磁石１１、１３により、爪極部７２の径方向外側部１４１と爪極部７４の径方向外側部１４２と、爪極部７２、７４の間の周方向隙間の径方向外側部１４３とに区分される。

（磁束の流れ）
永久磁石１１、１３の径方向幅を大きくすることにより、軟磁性筒部１４の径方向外側部１４３は図６のｄ軸磁極部９と同じ機能を果たし、径方向外側部１４１は図６の爪極部７２の径方向外端部に相当し、径方向外側部１４２は図６の爪極部７４の径方向外端部に相当することが容易にわかる。

このため、この実施形態のランデルロータ型モータは、実施例３のランデルロータ型モータと同一の効果を奏することができる。更に、この発明では、軟磁性筒部１４の良好な耐遠心力により実施例３のランデルロータ型モータに較べて高速回転性能を向上させることができる。

（実施例５）
実施例５のランデルロータ型モータを図１０を参照して説明する。図６はこの実施例のランデルロータ型モータの軸方向に見た正面図、図７はこのランデル型ロータの軸方向断面図である。

（装置構成）
この実施例は、図８に示す実施例４のランデルロータ型モータにおいて、爪極部７２、７４の径方向外端面に接して軟磁性筒部１６を被せ、軟磁性筒部に設けられて径方向内側に開口する溝部１６０に爪極部７２、７４の径方向外端部と永久磁石１１、１３とを収容した点をその特徴としている。永久磁石１１、１３は、実施形態３、４の永久磁石１１、１３と周方向同位置に配置され、同一向きに磁化されている。軟磁性筒部１４は電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。

軟磁性筒部１６の溝部１６０は電気角πピッチで設けられており、これにより、周方向に隣接する２つの溝部１６０、１６０の間に既述したｄ軸磁極部９、径方向外側部１４３と同等の機能を果たすｄ軸磁極部１６１が形成される。１６２は永久磁石１１、１３及び爪極部７２、７４の径方向外側に隣接して周方向に延在する薄肉の接続部であり、接続部１６２は、溝部１６０に隣接しつつ２つのｄ軸磁極部１６１を接続している。

（磁束の流れ）
容易に理解されるように、この実施形態の軟磁性筒部１６は、図８に示す実施形態４の軟磁性筒部１４と同様の機能を奏する。更に、実施形態４の軟磁性筒部１４よりも、永久磁石１１、１３の側面を逆向きに流れる漏れ永久磁石を減らすことができるため、その分だけ界磁磁束量を増大することができる。

このため、この実施形態のランデルロータ型モータは、実施例４のランデルロータ型モータと同一の効果を奏することができる。更に、この発明では、軟磁性筒部１４の良好な耐遠心力により実施例３のランデルロータ型モータに較べて高速回転性能を向上させることができる。また、実施例４に較べてランデル式ロータの径を小型化できるため、モータ体格を縮小することができる。

（シミュレーション結果）
図２、図３に示す実施形態１のランデルロータ型モータのシミュレーション結果を図１１を参照して説明する。ただし、ステータコイルは１極当たり１６００ＡＴ（１６ターン、１００Ａｒｍｓ）、爪極部７２、７４の周方向幅は電気角９０°、１２極、界磁コイル１ｆは１００ターンとした。Ａは界磁電流０Ａ、Ｂは界磁電流１０Ａ、Ｃは界磁電流−１０Ａとした。位相角θは合成トルクが最大となる位置に調節した。図１１から、界磁電流を調節することにより、ランデルロータ型モータの電動トルクを調節できることがわかる。また、界磁電流Ifが０Aであっても、リラクタンストルクによりかなり大きな電動トルクが得られることもわかる。

実施例１のランデルロータ型モータの回路図である。 図１のランデルロータ型モータのランデル型ロータを軸方向に見た正面図である。 図２のランデル式ロータの軸方向模式断面図である。 実施例２のランデルロータ型モータのランデル型ロータを軸方向に見た正面図である。 図４のランデル式ロータの軸方向模式断面図である。 実施例３のランデルロータ型モータのランデル型ロータを軸方向に見た正面図である。 図６のランデル式ロータの軸方向模式断面図である。 実施例４のランデルロータ型モータのランデル型ロータを軸方向に見た正面図である。 図８のランデル式ロータの軸方向模式断面図である。 実施例５のランデルロータ型モータのランデル型ロータを軸方向に見た正面図である。 実施例１のランデルロータ型モータのトルク−回転数−界磁電流特性図である。

符号の説明

Ia 電機子電流
Id ｄ軸電流
If 界磁電流
Iq ｑ軸電流
Ld ｄ軸インダクタンス
Tf 界磁電流トルク
Tr リラクタンストルク
ΣT 合成トルク
Φf 界磁磁束
θ 位相角
１U 相コイル
１V 相コイル
１W 相コイル
１ ランデルロータ型モータ
１ｆ 界磁コイル
２ インバータ
３ 界磁電流制御回路
４ コントローラ
７ ランデル式ロータ
７Ａ、７Ｂ ハーフコア
８ 回転軸
９ ｄ軸磁極部
１０ 電機子コイル
１１、１３ 永久磁石
１２ 非磁性金属板
１４ 軟磁性筒部
１５ 磁石収容孔
１６ 軟磁性筒部
７１、７３ ボス部
７２、７４ 爪極部
１４１〜１４３ 径方向外側部
１６０ 溝部
１６１ ｄ軸磁極部
１６２ 接続部

Claims (4)

1. 複数の相巻線により構成されて通電により回転磁界を形成するステータコイルが巻装されたステータと、前記ステータの内周面に小電磁ギャップを隔てて対面しつつ回転するランデル型ロータとを有し、前記ランデル型ロータは、円筒状のボス部と、ボス部の軸方向両端から周方向所定ピッチでそれぞれ径外方向へ突出した後、軸方向相手側へ向けて周方向交互に延在する多数の爪極部とを有する軟磁性のロータコアと、前記ボス部に巻装された界磁コイルと、前記界磁コイルに通電する界磁電流If及び前記ステータコイルに通電する電機子電流Iaを制御して必要な大きさの電動トルクを前記ランデル型ロータに発生させる制御部とを備えるランデルロータ型モータにおいて、
   前記爪極部の周方向幅は、電気角６０〜９０°の角度範囲を占有し、
   前記ランデル型ロータは、互いに周方向に隣接する２つの前記爪極部の間の周方向隙間に配置された軟磁性のｄ軸磁極部と、前記２つの爪極部の少なくとも一方の径方向外端部の周方向一端面と前記ｄ軸磁極部との間に介設されて周方向に磁化された永久磁石とを有し、
   前記永久磁石は、前記ｄ軸磁極部の両側の前記２つの爪極部と前記ｄ軸磁極部との間にそれぞれ配置されて互いに逆向きに磁化され、
   前記制御部は、ｄ軸インダクタンスをLd、ｑ軸インダクタンスをLq、電機子電流Iaのｑ軸成分であるｑ軸電流をIq、電機子電流Iaのｄ軸成分であるｄ軸電流をId、界磁電流をIf、界磁電流トルクをTf、界磁磁束をΦf、界磁電流トルクTfとリラクタンストルクTrとの和である合成トルクをΣTとする時、少なくとも所定値以上の電動トルクを発生させるに際して、界磁電流トルクTfに加えて、合成トルクΣTが界磁電流トルクTfよりも大きくなる位相角度範囲でｄ軸電流Idを前記ステータコイルに通電することによりリラクタンストルクTr（＝（Ld−Lq）IdIq）を発生させることを特徴とするランデルロータ型モータ。
2. 請求項１記載のランデルロータ型モータにおいて、
   前記永久磁石は、前記ｄ軸磁極部の周方向一端側に配置され、
   前記ｄ軸磁極部の周方向他端側は、非磁性金属部材を通じて前記爪極部に結合されているランデルロータ型モータ。
3. 請求項１記載のランデルロータ型モータにおいて、
   前記ランデル型ロータは、
   前記爪極部の径方向外端部の周方向両端面に密着して周方向に磁化された永久磁石と、
   前記爪極部及び前記永久磁石を収容する径内向きに開口する溝部を有して前記各爪極部に嵌着された円筒状の軟磁性筒部と、
   を有し、
   同じ前記爪極部の周方向両側の２つの前記永久磁石は互いに略周方向同じ向きに磁化され、周方向に隣接する２つの前記爪極部の間の前記軟磁性筒部を挟んで周方向に隣接する２つの前記永久磁石は、略周方向逆向き磁化されていることを特徴とするランデルロータ型モータ。
4. 複数の相巻線により構成されて通電により回転磁界を形成するステータコイルが巻装されたステータと、前記ステータの内周面に小電磁ギャップを隔てて対面しつつ回転するランデル型ロータとを有し、前記ランデル型ロータは、円筒状のボス部と、ボス部の軸方向両端から周方向所定ピッチでそれぞれ径外方向へ突出した後、軸方向相手側へ向けて周方向交互に延在する多数の爪極部とを有する軟磁性のロータコアと、前記ボス部に巻装された界磁コイルと、前記界磁コイルに通電する界磁電流If及び前記ステータコイルに通電する電機子電流Iaを制御して必要な大きさの電動トルクを前記ランデル型ロータに発生させる制御部とを備えるランデルロータ型モータにおいて、
   前記爪極部の周方向幅は、電気角６０〜９０°の角度範囲を占有し、
   前記ランデル型ロータは、前記爪極部の径方向外端面が密着する内周面を有して前記各爪極部に嵌着された円筒状の軟磁性筒部と、前記軟磁性筒部に設けられた複数の磁石収容孔に個別に収容された複数の永久磁石と、を有し、
   前記磁石収容孔は、前記軟磁性筒部のうち前記爪極部の径方向外側部分であるｑ軸磁極部と、前記軟磁性筒部のうち互いに周方向に隣接する２つの前記爪極部の間の周方向中間部であるｄ軸磁極部との間に配置され、
   前記ｄ軸磁極部の周方向両側に隣接する２つの前記永久磁石は、互いに略周方向逆向きに磁化され、前記ｑ軸磁極部の周方向両側に隣接する２つの前記永久磁石は、互いに略周方向同じ向きに磁化され、
   前記制御部は、ｄ軸インダクタンスをLd、ｑ軸インダクタンスをLq、電機子電流Iaのｑ軸成分であるｑ軸電流をIq、電機子電流Iaのｄ軸成分であるｄ軸電流をId、界磁電流をIf、界磁電流トルクをTf、界磁磁束をΦf、界磁電流トルクTfとリラクタンストルクTrとの和である合成トルクをΣTとする時、少なくとも所定値以上の電動トルクを発生させるに際して、界磁電流トルクTfに加えて、合成トルクΣTが界磁電流トルクTfよりも大きくなる位相角度範囲でｄ軸電流Idを前記ステータコイルに通電することによりリラクタンストルクTr（＝（Ld−Lq）IdIq）を発生させることを特徴とするランデルロータ型モータ。

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