JP4922600B2 - スイッチドリラクタンスモータ - Google Patents

Description

本発明は、スイッチドリラクタンスモータ（以下、適宜「ＳＲモータ」という）の改良に関し、特に、ＳＲモータの振動や音の低減と高トルク化に関する。

従来より、電気自動車やハイブリッドカーの駆動源として、高価な永久磁石を使用せず、構造が簡単かつ堅牢なＳＲモータを用いることが知られている。図７は、従来のＳＲモータ（従来例１）の構成を示す説明図である。図７のＳＲモータ５０は、ケイ素鋼板等の磁性体薄板を積層したステータ５１とロータ５２から構成されている。ステータ５１の内周面には６つのステータ突極５３（５３ａ〜５３ｆ）が内向きに一体形成され、ロータ５２には４つのロータ突極５４（５４ａ〜５４ｄ）が外向きに一体形成されている。ステータ突極５３とロータ突極５４は相互に倍数関係ではない偶数個に設定されており、ある突極同士（例えば、５３ａと５４ａ）が対向したとき、他の突極同士（例えば、５３ｂと５４ｂ）の位置がずれるようになっている。

互いに対向するステータ突極５３には、励磁コイル５５（５５ａ〜５５ｃ）が巻装されている。すなわち、ステータ突極５３ａ,５３ｄには励磁コイル５５ａ、ステータ突極５３ｂ,５３ｅには励磁コイル５５ｂ、ステータ突極５３ｃ,５３ｆには励磁コイル５５ｃがそれぞれ巻装されている。ＳＲモータ５０を駆動するには、各励磁コイル５５ａ〜５５ｃに通電するタイミングをロータ５２の回転位置に応じて切り換える必要がある。このため、ロータ５２の回転位置を正確に検出すべく、ＳＲモータにはロータ５２の回転位置を検出する回転センサ（図示せず）が設けられている。

図８は、従来のＳＲモータの回転動作を示す説明図である。図８に示すように、ＳＲモータ５０の励磁コイル５５に通電し励磁すると、ステータ突極５３とロータ突極５４間に磁気吸引力(リラクタンス力)が生じる。ＳＲモータ５０は、この磁気吸引力を利用して回転トルクを発生させる。なお、時計回り及び反時計回りの場合も同様の駆動方法であるので、以下では時計回りにロータ５２が回転する場合について説明する。

まず、ロータ５２の回転に伴い、図８(イ)に示すように、ステータ突極５３ａ(５３ｄ)の内周先端面５６ａ(５６ｄ)とロータ突極５４ａ(５４ｃ)の外周先端面５７ａ(５７ｃ)が対向し始める。この位置を回転センサが検知すると、励磁コイル５５ａへの通電が開始され、この通電に伴いステータ突極５３ａ(５３ｄ)とロータ突極５４ａ(５４ｃ)の間に磁気吸引力(リアスタンス力)が発生する。このとき発生する磁気吸引力の円周方向成分より、ロータ突極５４ａ(５４ｃ)がステータ突極５３ａ(５３ｄ)に引き寄せられて回転力が生じ、ロータ５２が時計方向に回転する。

ロータ５２は、図８(ロ)に示すように、励磁コイル５５ａへの通電による磁気吸引力により回転力を受けながら回転し、内周先端面５６ａ（５６ｄ）と外周先端面５７ａ(５７ｃ)が対向する。その後、内周先端面５６ａ（５６ｄ）と外周先端面５７ａ(５７ｃ)とが図８(ハ)に示すように互いに完全に向かい会う。図８(ハ)のように完全に対向しさらに回転した後も励磁コイル５５aへの通電を続けると、外周先端面５７ａ(５７ｃ)が内周先端面５６ａ(５６ｄ)よりも回転方向に張り出し、磁気吸引力の円周方向成分がロータ突極５４ａ(５４ｃ)に対し逆回転方向に作用する。

そこで、回転を順次継続させるため、回転センサにより図８(ハ)の状態を検知し、励磁コイル５５ａへの通電を終了させ、その後遅滞なく励磁コイル５５ｃへの通電を開始する。これにより、ステータ突極５３ｃ(５３ｆ)とロータ突極５４ｂ(５４ｄ)に磁気吸引力が発生し、この円周方向成分よりロータ突極５４ｂ(５４ｄ)が時計方向に引き寄せられてロータ５２の回転が継続する。このように、ロータ５２の回転位置を検知し、励磁コイルへの通電を５３ａ,５３ｃ,５３ｂ・・・へと順次切り換えて行くことにより、ロータ５２は継続的に回転する。なお、励磁コイル５５への通電を順次切り換える際に、ロータ突極５４ａ,５４ｃの組と、５４ｂ,５４ｄの組が順次切れ間なく回転方向の吸引力を受けるためには、内周先端面５６の回転中心Ｏとの角度(βｓ)と、ロータ５２の外周先端面５７の角度(βｒ)は、それぞれ３０°とするのが好適である。

図９は、ＳＲモータ５０の励磁コイル５５ａに矩形波電圧を印加した場合のロータ回転角とトルクとの関係を示す説明図である。励磁コイル５５ａに矩形波電圧を印加すると、ロータ突極５４ａ(５４ｃ)に磁気吸引力が作用し、ロータ５２に回転トルクが発生する。図９は、この際のロータ回転角に対するトルク特性値のＦＥＭ解析結果を示しており、縦軸はロータ５２に作用するトルク、横軸はロータ５２の回転角度を示す。なお、ここでは、内周先端面５６ａ（５６ｄ）と外周先端面５７ａ(５７ｃ)が対向し始める角度を基準(０°)とする。

励磁コイル５５ａに対し通電を開始すると、ステータ突極５３ａ(５３ｄ)とロータ突極５４ａ(５４ｃ)の間には磁気吸引力が生じる。このため、回転工程(イ)では、ある程度の初期トルクが生じる。その後、図９に示すように、ロータ５２の回転に伴いトルクが急速に大きくなり、通電開始直後の回転工程（イ’）において最大トルクＴ_１maxとなる。回転工程（イ’）後、回転工程(ロ)を経て、内周先端面５６ａ(５６ｄ)と外周先端面５７ａ(５７ｃ)とが互いに完全に向かい会う回転工程(ハ)において最小トルクＴ_１minとなる。この時点で励磁コイル５５ａへの電圧印加が終了し、次の励磁コイル５５ｃに矩形波電圧が印加される。ここで、最小トルクＴ_１minがゼロ値となるのは、内周先端面５６ａ(５６ｄ)と外周先端面５７ａ(５７ｃ)の円周方向長が同一（βｓとβｒが共に３０°)であるため、回転工程(ハ)では両先端面が互いに完全に重なり合い、半径方向のみに磁気吸引力が作用し、回転方向には磁気吸引力が作用しないからである。

ＳＲモータ５０では、この最大トルクＴ_１maxと最小トルクＴ_１minの差がトルクリップルΔＴ_１となる。このトルクリップルΔＴ_１が大きいほど、振動や音が発生し易くなる。このため、低振動・低騒音が求められる電気自動車等に用いられることが予定されているＳＲモータでは、トルクリップルΔＴ_１を低減させることが必要不可欠となる。また、ＳＲモータを電気自動車の駆動源として使用する場合には、出力維持のため平均トルク（各ロータ回転角度におけるトルクの平均値）の減少は好ましくない。

従って、電気自動車等においては、平均トルクの減少を極力控えてトルクリップルΔＴ_１を減少させることが望まれる。また、好ましくは、トルクリップルΔＴ_１の減少とトルク向上を共に実現することが望まれる。そこで、このトルクリップルを減少させるものとして、例えば、電気学会技術報告第７１９号「リラクタンストルク応用電動機と制御システム」Ｐ２８（従来例２）のようなＳＲモータが知られている。図１０は従来例２のＳＲモータ６０の全体断面図、図１１は図１０のステータ突極６３ａとロータ突極６４ａの要部の拡大図である。

図１１に示すように、このＳＲモータ６０では、ロータ突極６４（６４ａ〜６４ｄ）の側面部６９ａｆ,６９ａｒがそれぞれＹ軸に対称となるように広げられている。すなわち、ロータ突極６４では、回転軸Ｏを中心とした外周先端面６７（６７ａ〜６７ｄ）の角度（βｒ）が従来例１（図７参照）よりも広げられている。一方、ステータ突極６３（６３ａ〜６３ｆ）の内周先端面６６（６６ａ〜６６ｆ）の回転中心Ｏを中心とした角度（βｓ）は、巻線スペースを確保するためもあり、従来例１と同様である。図１１では、このようなＳＲモータ６０の一例として、βｓ＝３０°,βｒ＝３４°とした場合を示す。なお、βｓ＝３０°とβｒ＝３４°の差は小さいものであるが、図においては説明のためその差を誇張して示している。

そこで、従来例１のＳＲモータ５０と比較しつつ、従来例２のステータ突極６３ａとロータ突極６４ａの作用について説明する。図１２は、従来例１（βｓ＝βｒ＝３０°）と従来例２（βｓ＝３０°、βｒ＝３４°）の回転工程を比較して示した説明図であり、(ａ)は従来例１にて励磁コイル５５ａに矩形波電圧を印加したときの動作、(ｂ)は従来例２にて励磁コイル６５ａに矩形波電圧を印加したときの動作をそれぞれ示している。なお、βｓとβｒの大きさの差は微少であるが、図１２においてもその差を誇張して表現している。また、以下における回転工程(ａ)-(イ)等の記載は、例えば、(ａ)-(イ)の場合は、図１２(ａ)の(イ)の状態の回転工程の意である。

従来例１の内周先端面５６ａと外周先端面５７ａが重なり始め、同様に、従来例２の内周先端面６６ａと外周先端面６７ａが重なり始める回転工程（イ）にて、励磁コイル５５ａ,６５ａが通電される。これにより、ロータ突極５４ａ,６４ａには円周方向の磁気吸引力が作用し、回転力が生じる。この際、従来例１（図１２(ａ)）においては、ステータ突極５３ａの回転方向後側に位置する側面部５８ａｒと、ロータ突極５４ａの回転方向前側に位置する側面部５９ａｆのなす角度は３０°である。一方、従来例２（図１２(ｂ)）においては、ステータ突極６３ａの回転方向後側に位置する側面部６８ａｒと、ロータ突極６４ａの回転方向前側に位置する側面部６９ａｆのなす角度は３２°である。

その後、回転工程(ロ)を経て、従来例１では、回転工程(ハ)にて、ステータ突極５３ａの回転方向前側に位置する側面部５８ａｆと、ロータ突極５４ａの側面部５９ａｆとが一致する。同様に、従来例２では、回転工程(ハ)にて、ステータ突極６３ａの回転方向前側に位置する側面部６８ａｆが、ロータ突極６４ａの側面部６９ａｆと略一致する（βｒがＹ軸に対し対称に３４°となっているため、側面部６８ａｆ,６９ａｆは完全に同一平面上には位置しない）。この回転工程(ハ)の時点で、励磁コイル５５ａ,６５ａの通電を終了する。この際、図１２(ｂ)(ハ)に示すように、従来例２では、ステータ６１の内周先端面６６ａに比べてロータ６２の外周先端面６７ａが周方向に長いため、ステータ突極６３ａの側面部６８ａｒに対し、ロータ突極６４ａの外周先端面６７ａが周方向にはみ出した状態となる。

図１３は、従来例１と従来例２のＳＲモータ５０,６０におけるロータ回転角とトルクとの関係を示す説明図であり、励磁コイル５５ａ,６５ａに通電したときロータに作用する各回転角でのトルク特性値のＦＥＭ解析結果を示している。図１３では、縦軸はロータに作用するトルク、横軸はロータの回転角度を示し、点線は従来例１を、実線は従来例２を示している。なお、ここでは、内周先端面５６ａ,６６ａと外周先端面５７ａ,６７ａが対向し始める角度を基準(０°)とする。

図９の場合と同様に、通電直後の回転工程(イ)では、若干の初期トルクを生じたあと急激にトルクが上昇し、それぞれ数度回転した回転工程(イ’）において最大トルクを得る。一方、図１３に示すように、従来例２においては、通電開始直後の回転工程(ｂ)−(イ’）における最大トルクＴ_２maxは、従来例１の回転工程(ａ)-(イ’）における最大トルクＴ_１maxに比べて小さくなる。

ここで、ステータ突極とロータ突極間の磁気回路は、磁気飽和が生じないことを条件として、磁気抵抗の大きい方が磁気吸引力も大きい。図１２に示すように、通電直後においては、従来例２のロータ突極側面部６９ａｆ(３２°)は、従来例１のロータ突極側面部５９ａｆ(３０°)に比べて反時計方向に傾いている。従って、ステータ突極６３ａとロータ突極６４ａ間の磁気抵抗の方が、ステータ突極５３ａとロータ突極５４ａ間の磁気抵抗のよりも小さくなる。このため、従来例２の方が従来例１の磁気吸引力より小さくなり、その分、Ｔ_２maxがＴ_１maxに比べて小さくなる。

一方、従来例２の通電終了直前の回転工程(ｂ)-(ハ)における最小トルクＴ_２minは、従来例１の回転工程(ａ)-(ハ)における最小トルクＴ_１minよりも大きな値となる。これは、前述のように、通電終了直前の時点では、ステータ突極側面部６８ａｒからロータ突極６４ａの外周先端面６７ａが回転方向後側にはみ出しており、ロータ６２に対し回転方向の磁気吸引力が作用するからである。

このように、従来例２の最大トルクＴ_２maxは従来例１の最大トルクＴ_１maxに比べて小さく、従来例２の最小トルクＴ_２minは従来例１の最小トルクＴ_１minより小さくなる。従って、最大トルクと最小トルクとの差であるトルクリップルは、従来例１（ΔＴ_１）よりも従来例２（ΔＴ_２）の方が小さくなる。このため、従来例２の構成を採用すれば確かにトルクリップルが減少し、振動や音の低減には有効であると言える。
電気学会技術報告第７１９号「リラクタンストルク応用電動機と制御システム」Ｐ２８

しかしながら、従来例２の場合、最小トルクＴ_２minが大きくなっているものの、最大トルクＴ_２maxが小さくなってしまっているため、従来例１と従来例２とでは、平均トルクは結局のところほとんど変化しない。すなわち、従来例２の構成は、振動や音の低減には効果があるが、平均トルクの向上による出力向上は望めない。前述のように、ＳＲモータを電気自動車等の駆動源として使用する場合には、トルクリップルの低減が大きな課題であるが、装置の小型化にも寄与し得る出力向上もまた大きな課題であり、両者を共に実現し得るＳＲモータが望まれていた。

本発明の目的は、トルクリップルを減少させモータ駆動時の振動や音を低減させると共に、平均トルクを向上させＳＲモータの高出力化を図ることにある。

本発明のＳＲモータは、径方向に延びるステータ突極を有するリング状のステータと、前記ステータの内側又は外側に同軸かつ回転自在に配置され、径方向に延びるロータ突極を有するロータと、前記各ステータ突極に巻装された励磁コイルとを備えてなるスイッチドリラクタンスモータであって、前記ロータ突極は、前記ロータの回転中心を通る前記ステータ突極の中心線に対して非対称であり、かつ、前記ステータ突極よりも円周方向の幅が大きく形成され、その回転方向前側に、前記ステータ突極の回転方向前側の側面部と同一平面位置に配置可能な側面部を有し、前記ロータ突極の径方向端面は、前記ロータ突極の回転方向前側の側面部を前記ステータ突極の回転方向前側の側面部と同一平面位置に配置したとき、前記ステータ突極の回転方向後側の側面部よりも回転方向後側に、該径方向端面の他の部位と同外径のまま前記ステータ突極と対向することなく周方向にはみ出す延出部を有することを特徴とする。

本発明のＳＲモータにあっては、ロータ突極を、ロータの回転中心を通るステータ突極の中心線に対して非対称、かつ、前記ステータ突極よりも円周方向の幅を大きく形成すると共に、ロータ突極の回転方向前側の側面部とステータ突極の回転方向前側の側面部とを同一平面位置に配置可能に構成し、両側面を同一平面位置に配置したとき、ステータ突極の回転方向後側の側面部よりも回転方向後側に、該径方向端面の他の部位と同外径のままステータ突極と対向することなく周方向にはみ出す延出部を設けた。これにより、ロータ突極がステータ突極に入り込む際の励磁コイル通電直後に生じる最大トルクは低下せず、ロータ突極のステータ突極への入り込みが完了し励磁コイルへの通電が終了する直前においては、ロータ突極の径方向端面が回転方向後側にはみ出ているので、ロータを回転側に引き寄せる磁気吸引力が発生し、最小トルクが増加する。従って、最大トルクと最小トルクの差であるトルクリップルが減少し、最大トルクをそのままに最小トルクを増加させたため、全体として平均トルクが増大する。

前記ＳＲモータは、前記ロータが前記ステータの内側に配設されたインナロータ形のモータであっても、また、前記ロータが前記ステータの外側に配設されたアウタロータ形のモータであっても良い。

本発明のＳＲモータによれば、径方向に延びるステータ突極を有するリング状のステータと、ステータの内側又は外側に同軸かつ回転自在に配置され径方向に延びるロータ突極を有するロータと、各ステータ突極に巻装された励磁コイルとを備えてなるＳＲモータにて、ロータ突極の回転方向前側の側面部とステータ突極の回転方向前側の側面部とを同一平面位置に配置可能に構成し、両側面を同一平面位置に配置した状態で、ロータ突極の回転方向後側に位置する側面部をロータの回転方向後側に張り出させ、ロータ突極の径方向端面の円周方向長を該端面に対向するステータ突極の径方向端面の円周方向長よりも大きくしたので、ロータ突極がステータ突極に入り込む際の励磁コイル通電直後に生じる最大トルクを低下させることなく、ロータ突極のステータ突極への入り込みが完了し励磁コイルへの通電が終了する直前に生じる最小トルクを増加させることが可能となる。従って、最大トルクと最小トルクの差が減少し、トルクリップルの低減を図ることが可能となると共に、最大トルクをそのままに最小トルクを増加させることができ、全体として平均トルクを増大させることができ、ＳＲモータの高出力化を図ることが可能となる。

また、本発明のＳＲモータによれば、径方向に延びるステータ突極を有するリング状のステータと、ステータの内側又は外側に同軸かつ回転自在に配置され径方向に延びるロータ突極を有するロータと、各ステータ突極に巻装された励磁コイルとを備えてなるＳＲモータにて、ロータ突極の回転方向前側にステータ突極の回転方向前側の側面部と同一平面位置に配置可能な側面部を設け、ロータ突極の回転方向前側の側面部をステータ突極の回転方向前側の側面部と同一平面位置に配置したとき、ステータ突極の回転方向後側の側面部よりも回転方向後側にはみ出す延出部をロータ突極の径方向端面に設けたので、ロータ突極がステータ突極に入り込む際の励磁コイル通電直後に生じる最大トルクを低下させることなく、ロータ突極のステータ突極への入り込みが完了し励磁コイルへの通電が終了する直前に生じる最小トルクを増加させることが可能となる。従って、最大トルクと最小トルクの差が減少し、トルクリップルの低減を図ることが可能となると共に、最大トルクをそのままに最小トルクを増加させることができ、全体として平均トルクを増大させることができ、ＳＲモータの高出力化を図ることが可能となる。

さらに、本発明のＳＲモータによれば、径方向に延びるステータ突極を有するリング状のステータと、ステータの内側又は外側に同軸かつ回転自在に配置され径方向に延びるロータ突極を有するロータと、各ステータ突極に巻装された励磁コイルとを備えてなるＳＲモータにて、ロータ突極の回転方向前側の側面部をステータ突極の回転方向前側の側面部と同一平面位置に配置した状態で、ロータ突極がステータ突極の中心線に対して非対称で、かつ、ステータ突極よりも円周方向の幅を大きく構成したので、ロータ突極がステータ突極に入り込む際の励磁コイル通電直後に生じる最大トルクを低下させることなく、ロータ突極のステータ突極への入り込みが完了し励磁コイルへの通電が終了する直前に生じる最小トルクを増加させることが可能となる。従って、最大トルクと最小トルクの差が減少し、トルクリップルの低減を図ることが可能となると共に、最大トルクをそのままに最小トルクを増加させることができ、全体として平均トルクを増大させることができ、ＳＲモータの高出力化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１であるＳＲモータの構成を示す断面図である。なお、本実施例におけるＳＲモータは、図１において時計方向にのみ回転駆動する。

図１のＳＲモータ１０は、図７の従来のＳＲモータ５０と基本的な構成は共通しており、リング状のステータ１の内側にロータ２が回転可能に配置されたインナロータ形の構成となっている。ステータ１とロータ２は共に、ケイ素鋼板等の磁性体薄板を積層して形成されている。ステータ１は、リング状のヨーク部３と、ヨーク部３の内周側に径方向内向きに突設された６個のステータ突極４（４ａ〜４ｆ）とから構成されている。ステータ突極４は、ヨーク部３と一体に形成されており、ヨーク部３から中心方向に向かって延びている。

ロータ２は、回転軸５に固定された円筒形状のボス部６と、ボス部６の外周に径方向外向きに突設された４個のロータ突極７（７ａ〜７ｄ）とから構成されている。ロータ突極７は、ボス部６と一体に形成されており、ボス部６から放射状に外方へ延びている。ステータ突極４とロータ突極７は相互に倍数関係ではない偶数個に設定されており、ある突極同士（例えば、４ａと７ａ）が対向したとき、他の突極同士（例えば、４ｂと７ｂ）の位置がずれるようになっている。ステータ突極４の内周先端面８（径方向端面；８ａ〜８ｆ）とロータ突極７の外周先端面９（径方向端面；９ａ〜９ｄ）と共に円弧状に形成されており、両面８,９は、所定のエアギャップにて対向するようになっている。

各ステータ突極４には励磁コイル１１が巻装されている。この場合、互いに対向するステータ突極４ａ,４ｄには励磁コイル１１ａ、ステータ突極４ｂ,４ｅには励磁コイル１１ｂ、ステータ突極４ｃ,４ｆには励磁コイル１１ｃがそれぞれ巻装されている。ＳＲモータ１０を駆動するには、各励磁コイル１１ａ〜１１ｃに通電するタイミングをロータ２の回転位置に応じて切り換える必要があり、そのため、ＳＲモータ１０には、ロータ２の回転位置を検出する回転センサ（図示せず）が設けられている。そして、各励磁コイル１１ａ〜１１ｃに順次通電することにより生じるステータ突極４とロータ突極７との間の磁気吸引力により、ロータ２が回転駆動する。

図２は、図１のＳＲモータ１０の要部断面図であり、ステータ突極４ａとロータ突極７ａの部分を示している。なお、他のステータ突極４ｂ〜４ｆやロータ突極７ｂ〜７ｄもステータ突極４ａとロータ突極７ａと同一形状である。ステータ突極４ａは、回転中心Ｏを通るＹ軸に対し対称であり、Ｙ軸に並行な側面部１２ａｆ,１２ａｒを備えている。両側面部１２ａｆ,１２ａｒの内周側端縁間には、回転中心Ｏと同心円状の内周先端面８ａが形成されている。内周先端面８ａは、回転中心Ｏを中心とする角度３０°分の周方向長を有しており、この点に関しては、図７のＳＲモータ５０と同様である（βｓ＝３０°）

一方、ロータ突極７ａはＹ軸に対し非対称形状となっており、Ｙ軸に対して回転方向後側の部分が拡大された形となっている。すなわち、ロータ突極７ａは、図７のＳＲモータ５０にて側面部５８ａｒを図中左側に向かってＹ軸に平行にオフセットし、ロータ突極５４ａの幅Ｗｒをステータ突極４ａの幅Ｗｓよりも大きくし、ロータ突極５４ａの断面積を拡大した形態となっている。従って、ロータ突極７ａの外周先端面９ａは、ステータ突極４ａの内周先端面８ａよりも周方向長さが長くなっており、かつ、外周先端面９ａは、Ｙ軸と側面部１３ａｒとの間の距離Ｌ_１の方が、Ｙ軸と側面部１３ａｆとの距離Ｌ_２よりも長い（Ｌ_１＞Ｌ_２）。

このため、図２に示すように、ロータ突極側面部１３ａｆとステータ突極側面部１２ａｆを同一平面位置に配置した場合、ロータ突極側面部１３ａｒがステータ突極側面部１２ａｒよりも外側（回転方向後側）にはみ出して延在する形となる。すなわち、ロータ突極７ａの外周先端面９ａには、ロータ突極側面部１３ａｆとステータ突極側面部１２ａｆを同一平面位置に配置したとき、ステータ突極側面部１２ａｒよりも回転方向後側にはみ出す延出部１４が形成される。本実施例では、外周先端面９ａの周方向長は、回転中心Ｏを中心として角度３４°分であり、角度３０°の内周先端面８ａより４°円周方向に長い。従って、４°分だけロータ突極７ａの外周先端面９ａが回転方向後側へ延出し、そこに延出部１４が形成される。なお、以下の図面では、従来例１との相違点を明確にするため角度の大きさを誇張して示している。

次に、本実施例のＳＲモータ１０の動作について説明する。図３は、ＳＲモータ１０の回転工程を示す説明図である。ＳＲモータ１０は、ステータ突極４に巻回された励磁コイル１１ａ〜１１ｃに通電し励磁することにより、ステータ突極４ａ〜４ｆとロータ突極７ａ〜７ｄの間に磁気吸引力(リラクタンス力)が作用し、この磁気吸引力によって回転トルクが生じロータ２が駆動する。なお、ＳＲモータ１０は、図３において時計方向に回転駆動する。

図３(イ)に示すように、ＳＲモータ１０では、ステータ突極４ａ(４ｄ)の内周先端面８ａ(８ｄ)と、ロータ突極７ａ(７ｃ)の外周先端面９ａ(９ｃ)が対向し始める位置を回転センサが検知し、励磁コイル１１ａへの通電を開始する。励磁コイル１１ａが通電されると、ステータ突極４ａ(４ｄ)とロータ突極７ａ(７ｃ)の間に磁気吸引力が発生する。このとき発生する磁気吸引力の円周方向成分より、ロータ突極７ａ(７ｃ)は回転力を受け、ロータ２が時計方向に回転する。

ロータ２は、その後も励磁コイル１１ａへの通電による磁気吸引力により回転力を受けながら回転し（図３(ロ)）、図３(ハ)に示すように、ステータ突極側面部１２ａｆ(１２ｄｆ)とロータ突極側面部１３ａｆ(１３ｃｆ)が同一直線上に位置する状態となる。このとき、ステータ突極４ａ(４ｄ)の内周先端面８ａ(８ｄ)と、ロータ突極７ａ(７ｃ)の外周先端面９ａ(９ｃ)とが完全に互いに向かい会う。

両面８ａ(８ｃ),９ａ(９ｄ)が完全に対向した位置を回転センサにより検知し、すみやかに励磁コイル１１ａへの通電を終了し、励磁コイル１１ｃへの通電を開始する。するとステータ突極４ｃ(４ｆ)とロータ突極７ｂ(７ｄ)の間に磁気吸引力が発生し、この円周方向成分よりロータ突極７ｂ(７ｄ)は時計方向に引き寄せられる。この動作を繰り返すことにより、ロータ２は時計方向に連続的に回転する。すなわち、ロータ２の回転位置を検知し、適宜励磁コイル１１への通電を１１ａ,１１ｃ,１１ｂ,１１ａ・・・と順次切り換えて行くことにより、ＳＲモータ１０は連続的に回転駆動する。

図４は、ＳＲモータの一部を拡大した回転工程図であり、(ａ)は従来例１のＳＲモータ５０、(ｂ)は本実施例のＳＲモータ１０の回転工程図である。以下、図４を参照しつつ、回転動作時におけるステータ突極５３ａ,４ａとロータ突極５４ａ,７ａの位置及び各位置での両者の角度並びに各位置での磁気吸引力の作用形態について説明する。なお、以下の回転工程(ａ)-(イ)等の記載は、例えば、(ａ)-(イ)の場合は、図４(ａ)の(イ)の状態の回転工程の意である。

前述のように、ＳＲモータ５０では、ステータ突極５３ａの内周先端面５６ａとロータ突極５４ａの外周先端面５７ａが重なり始める回転工程(ａ)-(イ)において、励磁コイル５５ａに矩形波電圧が印加される。同様に、ＳＲモータ１０においても、ステータ突極４ａの内周先端面８ａとロータ突極７ａの外周先端面９ａが重なり始める回転工程(ｂ)-(イ)において、励磁コイル１１ａに矩形波電圧が印加される。これにより、ロータ突極５４ａ,７ａには回転方向の磁気吸引力が作用する。

回転工程(ａ)-(イ)においては、ＳＲモータ５０のステータ突極側面部５８ａｒとロータ突極側面部５９ａｆのなす角度は３０°である。同様に、回転工程(ｂ)-(イ)における、ＳＲモータ１０のステータ突極側面部１２ａｒとロータ突極側面部１３ａｆのなす角度もまた３０度である。すなわち、ＳＲモータ１０は、従来例１のＳＲモータ５０と同様に、ステータ突極側面部１２ａｆとロータ突極側面部１３ａｆを同一平面位置に配置可能な構成となっているため、回転工程(ａ)-(イ)において、側面部１２ａｒ,１３ａｆ間のなす角度が３０°となる（この点でＳＲモータ６０とは異なる。図１２参照）。従って、両者の磁気抵抗は同じであり、同一の磁気吸引力が円周方向に作用する。その後、回転工程(ロ)を経て、ステータ突極側面部５８ａｆとロータ突極側面部５９ａｆ、ステータ突極側面部１２ａｆとロータ突極側面部１３ａｆとが一致する回転工程(ハ)にて励磁コイル５５ａ,１１ａの通電を終了する。

ＳＲモータ５０では、回転工程(ａ)-(ハ)にて、内周先端面５６ａと外周先端面５７ａが完全に重なりあっているため、半径方向にのみ磁気吸引力が作用する。これに対し、ＳＲモータ１０では、内周先端面８ａに比べて外周先端面９ａが回転方向後側に長いため、回転工程(ｂ)-(ハ)にて、ロータ突極側面部１３ａｒが回転方向後側に張り出す。すなわち、ステータ突極側面部１２ａｒより、ロータ突極７ａの外周先端面９ａが延出部１４の分だけはみ出した状態となる。延出部１４の長さは、回転中心Ｏを中心として４°分であり、ＳＲモータ１０では、延出部１４が存在するため、磁気吸引力は半径方向のみならず、円周方向にも作用する。

図５は、図４に示した回転工程においてロータ５２,２に作用するトルクのＦＥＭ解析結果を示した説明図である。ここで、実線は本発明によるＳＲモータ１０を、点線は従来例１のＳＲモータ５０を示している。なお、縦軸はロータ５２,２に作用するトルクを、横軸はロータ５２,２の回転角度を示し、内周先端面５６ａ,８ａと、外周先端面５７ａ,９ａが対向し始めた位置を基準（０°）とする。

回転工程(ａ)-(イ)及び(ｂ)-(イ)では、励磁コイル５５ａ,１１ａに矩形波電圧が印加され、印加時の磁気吸引力により、ロータ５２,２には、それぞれある程度の初期トルクが生じる。そして、その直後の回転工程（イ’）において、ＳＲモータ５０,１０は最大トルクＴ_１max、Ｔ_０maxを得る。前述のように、回転工程(ａ)-(イ)及び(ｂ)-(イ)においては、ＳＲモータ５０のロータ突極５４ａもＳＲモータ１０のロータ突極７ａも共に、角度３０°にてステータ突極５３ａ,４ａに入り込む。そのため、両者の磁気抵抗は共に等しく、回転工程(イ)から数度回転し、入り込み角度の等しい回転工程(ａ)-(イ’）,(ｂ)-(イ’）では、両者の最大トルクＴ_１max,Ｔ_０maxは等しい値となる。

その後、回転工程（ロ）を経て、回転工程(ａ)-(ハ),(ｂ)-(ハ)において、励磁コイル５５ａ,１１ａへの通電が終了する直前に、各モータ５０,１０はそれぞれ最小トルクＴ_１min,Ｔ_０minを得る。このとき、ＳＲモータ５０は、内周先端面５６ａと外周先端面５７ａとが完全に対向しているため、半径方向にのみ磁気吸引力が作用し、円周方向には磁気吸引力が作用しない。このため、最小トルクＴ_１minはゼロ値となる。これに対し、ＳＲモータ１０は、ステータ突極側面部１２ａｒよりもロータ突極７ａの外周先端面９ａが回転方向後側にはみ出しているため、延出部１４とステータ１との間の磁気吸引力が働く。このため、ロータ突極７ａを回転方向に引き寄せる力が作用し、ＳＲモータ５０と異なり、ＳＲモータ１０では、最小トルクＴ_０minがゼロ値とはならず、いくらかの値を持つ。

このように、本発明によるＳＲモータ１０にあっては、その最大トルクＴ_０maxが従来のＳＲモータ５０と同等（Ｔ_０max＝Ｔ_１max）でありながら、最小トルクＴ_０minは、従来よりも大きくなる（Ｔ_０min＞Ｔ_１max）。このため、ＳＲモータ１０では、トルクリップルΔＴ_０が従来のＳＲモータ５０に比して減少すると共に（ΔＴ_０＜ΔＴ_１）、平均トルクも向上する。すなわち、ＳＲモータ１０を使用することにより、トルクリップルの低減と平均トルクの向上が実現できる。従って、モータ駆動時の振動や音を低減させ、出力の向上を図ることが可能となり、電気自動車の駆動モータとしても好適な性能を実現することができる。

図６は、本発明の実施例２であるＳＲモータ２０の構成を示す断面図である。ＳＲモータ２０は、図１のＳＲモータ１０とは逆にアウタロータ形の構成となっており、ステータ２１の外側にリング状のロータ２２が回転可能に配置されている。本実施例のＳＲモータ２０もまた、図６において時計方向にのみ回転駆動する。なお、当該実施例２では、実施例１と同様の部材、部分、数値等については同一の符号を付し、その説明は省略する。

ＳＲモータ２０においても、ステータ２１とロータ２２は共に、ケイ素鋼板等の磁性体薄板を積層して形成されている。ステータ２１は、円筒形状のボス部２３と、ボス部２３の外周に径方向外向きに突設された６個のステータ突極４（４ａ〜４ｆ）とから構成されている。ステータ突極４はボス部２３と一体に形成されており、ボス部２３から放射状に外方へ延びている。ロータ２２は、リング状のヨーク部２４と、ヨーク部２４の内周側に径方向内向きに突設された４個のロータ突極７（７ａ〜７ｄ）とから構成されている。なお、前述のＳＲモータ１０と同様、ＳＲモータ２０もステータ突極４ａとロータ突極７ａと他のステータ突極やロータ突極は同一形状であるため、ここでは、ステータ突極４ａとロータ突極７ａを例に挙げて説明する。

ステータ突極４の外周先端面２５とロータ突極７の内周先端面２６と共に円弧状に形成されており、両面２５,２６は、所定のエアギャップにて対向する。各ステータ突極４には、ＳＲモータ１０と同様に、励磁コイル１１（１１ａ〜１１ｃ）が巻装されている。ステータ突極４ａは、回転中心Ｏを通るＹ軸に対し対称であり、Ｙ軸に並行な側面部１２ａｆ,１２ａｒを備えている。両側面部１２ａｆ,１２ａｒの外周側端縁間には、回転中心Ｏと同心円状の外周先端面２５ａが形成されている。外周先端面２５ａは、回転中心Ｏを中心とする角度３０°分の周方向長を有しいる（βｓ＝３０°）。

ロータ突極７ａはＹ軸に対し非対称形状となっており、Ｙ軸に対して回転方向後側の部分が拡大された形となっている。ロータ突極７ａの内周先端面２６ａは、ステータ突極４ａの外周先端面２５ａよりも周方向長さが長くなっており、かつ、内周先端面２６ａは、Ｙ軸と側面部１３ａｒとの間の距離Ｌ_１の方が、Ｙ軸と側面部１３ａｆとの距離Ｌ_２よりも長い（Ｌ_１＞Ｌ_２）。このため、ＳＲモータ２０においても、ロータ突極側面部１３ａｆとステータ突極側面部１２ａｆを同一平面位置に配置した場合、ロータ突極側面部１３ａｒがステータ突極側面部１２ａｒよりも外側（回転方向後側）にはみ出して延在する形となる。

すなわち、ロータ突極７ａの内周先端面２６ａには、ロータ突極側面部１３ａｆとステータ突極側面部１２ａｆを同一平面位置に配置したとき、ステータ突極側面部１２ａｒよりも回転方向後側にはみ出す延出部１４が形成される。内周先端面２６ａの周方向長は、回転中心Ｏを中心として角度３４°分であり、角度３０°の外周先端面２５ａより４°円周方向に長い。従って、４°分だけロータ突極７ａの内周先端面２６ａが回転方向後側へ延出し、そこに延出部１４が形成される。なお、図６においても、角度の大きさは誇張して示されている。

このようなＳＲモータ２０にて、励磁コイル１１ａ〜１１ｃに通電し励磁すると、ステータ突極４ａ〜４ｆとロータ突極７ａ〜７ｄの間に磁気吸引力が作用し、この磁気吸引力によって回転トルクが生じロータ２２が駆動する。前述同様、ＳＲモータ２０では、ステータ突極４ａの外周先端面２５ａと、ロータ突極７ａの内周先端面２６ａが対向し始める位置にて励磁コイル１１ａへの通電が開始され、ステータ突極４ａとロータ突極７ａの間に磁気吸引力が発生してロータ２２が時計方向に回転する。ロータ２２が回転し、ステータ突極側面部１２ａｆとロータ突極側面部１３ａｆが同一直線上に位置すると、ステータ突極４ａの外周先端面２５ａと、ロータ突極７ａの内周先端面２６ａとが完全に互いに対向する。

両面２５ａ,２６ａが完全に対向したとき励磁コイル１１ａへの通電を終了し、励磁コイル１１ｃへの通電を開始する。これにより、ステータ突極４ｃとロータ突極７ｂの間に磁気吸引力が発生し、ロータ突極７ｂは時計方向に引き寄せられ、ロータ２２は時計方向に回転する。この動作を繰り返し、励磁コイル１１への通電を適宜１１ａ,１１ｃ,１１ｂ,１１ａ・・・と切り換えて行くことにより、ＳＲモータ２０は連続的に回転駆動する。

ここで、ＳＲモータ２０では、ステータ突極４ａの外周先端面２５ａとロータ突極７ａの内周先端面２６ａが重なり始める回転工程では、ステータ突極側面部１２ａｒとロータ突極側面部１３ａｆのなす角度は３０度である。すなわち、ＳＲモータ２０もまたステータ突極側面部１２ａｒとロータ突極側面部１３ａｒを同一平面位置に配置可能な構成となっているため、側面部１２ａｆ,１３ａｒ間のなす角度が３０°となる。従って、この回転工程では、ＳＲモータ２０とＳＲモータ５０は同一の磁気吸引力が円周方向に作用し、最大トルクＴ_１max,Ｔ_０maxは等しい値となる。

その後、両面２５ａ,２６ａが対向し、ステータ突極側面部１２ａｆとロータ突極側面部１３ａｆとが一致する回転工程にて励磁コイル１１ａの通電を終了する。このとき、ＳＲモータ２０では、外周先端面２５ａに比べて内周先端面２６ａが回転方向後側に長いため、延出部１４の分だけロータ突極側面部１３ａｒが回転方向後側に張り出す（図６の状態）。従って、ＳＲモータ２０では、磁気吸引力は半径方向のみならず円周方向にも作用し、ロータ突極７ａを回転方向に引き寄せる力が作用する。このため、ＳＲモータ２０では、最小トルクＴ_０minがゼロ値とはならず、いくらかの値を持つことになる。

このように、ＳＲモータ２０においても、その最大トルクＴ_０maxが従来のＳＲモータ５０と同等（Ｔ_０max＝Ｔ_１max）でありながら、最小トルクＴ_０minは、従来よりも大きくなる（Ｔ_０min＞Ｔ_１max）。このため、トルクリップルΔＴ_０が従来のＳＲモータ５０に比して減少すると共に（ΔＴ_０＜ΔＴ_１）、平均トルクも向上し、モータ駆動時の振動や音を低減させ、出力の向上を図ることが可能となる。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施例では、ロータ突極７ａの外周先端面９ａの角度を３４°としたが、その角度は３４°には限定されない。また、前述の実施例では、ロータ突極側面部１３ａｆと１３ａｒを平行に形成した例を示したが、ロータ突極形状はこれには限定されず、例えば、台形形状等としても良い。さらに、ステータ１やロータ２として、ケイ素鋼板等の磁性体薄板を積層したものを用いた例を示したが、これらに圧紛等により一体成形したものを用いても良い。

なお、前述の実施例では、図１において時計回りにロータ２が回転するものについて説明したが、反時計方向に回転駆動するＳＲモータに本発明の構成を適用することも可能である。この場合には、図２において、ロータ突極７ａがＹ軸に対し対称な形状となるが、何れの回転方向であっても、回転方向後側（回転方向進行側と逆側）に外周先端面９ａを延設する。

本発明の実施例１であるＳＲモータの構成を示す断面図である。 図１のＳＲモータの要部拡大図である。 図１のＳＲモータの回転工程を示す説明図である。 ＳＲモータの一部を拡大した回転工程図であり、(ａ)は従来例１のＳＲモータ、(ｂ)は図１のＳＲモータの回転工程図である。 ロータに作用するトルクのＦＥＭ解析結果を示した説明図である。 本発明の実施例２であるＳＲモータの構成を示す断面図である。 従来のＳＲモータ（従来例１）の構成を示す断面図である。 従来のＳＲモータの回転動作を示す説明図である。 ＳＲモータの励磁コイルに矩形波電圧を印加した場合のロータ回転角とトルクとの関係を示す説明図である。 従来のＳＲモータ（従来例２）の構成を示す断面図である。 図１０のＳＲモータの要部拡大図である。 従来例１と従来例２の回転工程を比較して示した説明図である。 従来例１と従来例２のＳＲモータにおけるロータ回転角とトルクとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１ ステータ
２ ロータ
３ ヨーク部
４ ステータ突極
４ａ〜４ｆ ステータ突極
５ 回転軸
６ ボス部
７ ロータ突極
７ａ〜７ｄ ロータ突極
８ 内周先端面
８ａ 内周先端面
９ 外周先端面
９ａ 外周先端面
１０ ＳＲモータ
１１ 磁励コイル
１１ａ〜１１ｃ 励磁コイル
１２ａｆ ステータ突極側面部（回転方向前側）
１２ａｒ ステータ突極側面部（回転方向後側）
１３ａｆ ロータ突極側面部（回転方向前側）
１３ａｒ ロータ突極側面部（回転方向後側）
１４ 延出部
２０ ＳＲモータ
２１ ステータ
２２ ロータ
２３ ボス部
２４ ヨーク部
２５ 外周先端面
２５ａ 外周先端面
２６ 内周先端面
２６ａ 内周先端面
５０ ＳＲモータ
５１ ステータ
５２ ロータ
５３ ステータ突極
５３ａ〜５３ｆ ステータ突極
５４ ロータ突極
５４ａ〜５４ｄ ロータ突極
５５ 励磁コイル
５５ａ〜５５ｃ 励磁コイル
５６ 内周先端面
５６ａ 内周先端面
５７ 外周先端面
５７ａ 外周先端面
５８ａｆ ステータ突極側面部（回転方向前側）
５８ａｒ ステータ突極側面部（回転方向後側）
５９ａｆ ロータ突極側面部（回転方向前側）
５９ａｒ ロータ突極側面部（回転方向後側）
６０ ＳＲモータ
６１ ステータ
６２ ロータ
６３ ステータ突極
６３ａ〜６３ｆ ステータ突極
６４ ロータ突極
６４ａ〜６４ｄ ロータ突極
６５ａ〜６５ｃ 励磁コイル
６６ 内周先端面
６６ａ 内周先端面
６７ 外周先端面
６７ａ 外周先端面
６８ａｆ ステータ突極側面部（回転方向前側）
６８ａｒ ステータ突極側面部（回転方向後側）
６９ａｆ ロータ突極側面部（回転方向前側）
６９ａｒ ロータ突極側面部（回転方向後側）
Ｏ 回転中心
Ｔ_０max 最大トルク（実施例）
Ｔ_０min 最小トルク（実施例）
Ｔ_１max 最大トルク（従来例１）
Ｔ_１min 最小トルク（従来例１）
Ｔ_２max 最大トルク（従来例２）
Ｔ_２min 最小トルク（従来例２）
ΔＴ_０ トルクリップル（実施例）
ΔＴ_１ トルクリップル（従来例１）
ΔＴ_２ トルクリップル（従来例２）
Ｌ_１ Ｙ軸とロータ突極の回転方向後側の側面部との間の距離
Ｌ_２ Ｙ軸とロータ突極の回転方向前側の側面部との間の距離
Ｗｒ ロータ突極幅
Ｗｓ ステータ突極幅

Claims (1)

1. 径方向に延びるステータ突極を有するリング状のステータと、前記ステータの内側又は外側に同軸かつ回転自在に配置され、径方向に延びるロータ突極を有するロータと、前記各ステータ突極に巻装された励磁コイルとを備えてなるスイッチドリラクタンスモータであって、
   前記ロータ突極は、前記ロータの回転中心を通る前記ステータ突極の中心線に対して非対称であり、かつ、前記ステータ突極よりも円周方向の幅が大きく形成され、その回転方向前側に、前記ステータ突極の回転方向前側の側面部と同一平面位置に配置可能な側面部を有し、
   前記ロータ突極の径方向端面は、前記ロータ突極の回転方向前側の側面部を前記ステータ突極の回転方向前側の側面部と同一平面位置に配置したとき、前記ステータ突極の回転方向後側の側面部よりも回転方向後側に、該径方向端面の他の部位と同外径のまま前記ステータ突極と対向することなく周方向にはみ出す延出部を有することを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
   

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