JP5223523B2 - シンクロナスモータ - Google Patents

Description

本発明は、シンクロナス（同期）モータの改良に関し、特にティース（歯部）をなす両端部が軸方向に配列された略Ｃ字形の軟磁性セグメントを周方向へ所定ピッチで環状に配置してなるステータ構造をもつシンクロナスモータの改良に関する。なお、このＣ字セグメントを複数軸方向に配列したり、Ｃ字セグメントをＥ字セグメントに形状変更することも可能である。また、本明細書で言う略Ｃ字形とは、略Ｕ字形を含むものとする。更に、本明細書で言うシンクロナスモータは、ロータがステータの回転磁界と同期して回転する交流モータを意味し、ロータ磁石やロータコイルといったロータ界磁束発生源をもつ同期モータ、ステータ回転磁界を形成するステータ電流が正弦波波形であるシンクロナスリラクタンスモータの他、ステータ回転磁界を形成するステータ電流が台形波形であるスイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）を含むものとする。なお、ＳＲＭのステータコイルの通電電流が形成する磁界が回転するか否かは単に定義上の問題に過ぎないため、この明細書では、ＳＲＭのステータ電流は、一種の回転磁界を形成するものとみなす。

ティース（歯部）をなす両端部が軸方向に配列された略Ｃ字形の軟磁性セグメント（以下、Ｃ字セグメントとも称する）を周方向へ所定ピッチで環状に配置してなるステータ構造（以下、Ｃ字セグメント型ステータとも称する）が、たとえば下記の特許文献１〜３に提案されている。

Ｃ字セグメント型ステータは、ステータコアを分割して製造することができる利点、ステータコア内を流れる磁束の延長距離短縮による鉄損低減の利点をもつ。これらの利点は、たとえばエンジンとギヤボックスとの間に配置されるハイブリッド車の走行トルク発生用のモータなどにおいて重要である。

ところが、従来のＣ字セグメント型ステータでは、互いに軸方向に近接配置された一対のティースと磁束を授受するロータコアが、この磁束を軸方向に流す必要があり、ロータ構造が複雑となったり、多数のセグメントに分割したりする必要があった。

更に説明すると、磁束を軸方向へ流通させるためには、ロータコアは、従来において通常に用いられる電磁鋼板軸方向積層構造を採用することができない。これは、ロータコアの渦電流が大幅に増え、かつ、積層方向へ磁束が流れるためロータコアの磁気抵抗も大幅に増大してしまう。

このため、従来は、ロータコアとして、電磁鋼板の積層方向を軸方向から径方向又は周方向へ変更することが行われていたが、このことは、電磁鋼板積層のための製造工程が大幅に複雑化したり、ロータコアの細分化のためにロータコアの耐遠心力性が低下したりするという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、ロータの製造工程の複雑化及び高速回転性能の低下を抑止しつつ、Ｃ字セグメント型ステータをもつシンクロナスモータを実現することをその目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、複数の相巻線によりなるステータコイルが巻装された軟磁性のステータコアを有するステータと、前記ステータコアの周面に対面して回転軸に嵌着固定されるロータとを有し、前記ステータコアは、軸方向前側に位置して径方向へ突出する前歯部と、軸方向後側に位置して径方向へ突出する後歯部と、軸方向に延在して前記前歯部の基端部と前記後歯部の基端部とを磁気的に連結する継鉄部とを有して軟磁性材料により略Ｃ形にそれぞれ形成された多数のＣ字セグメントを周方向へ所定ピッチで環状に配置してなり、前記ステータコイルは、前記多数のＣ字セグメントに巻装されて前記Ｃ字セグメントの前記前歯部及び後歯部を逆極性に磁化するシンクロナスモータにおいて、前記ロータは、前記各Ｃ字セグメントの前記前歯部と授受する磁束を径方向及び周方向に流す前側のロータコアと、前記各Ｃ字セグメントの前記後歯部と授受する磁束を径方向及び周方向に流す後側のロータコアとを有し、前記前側のロータコアと前記後側のロータコアとは、互いに軸方向に所定距離離れて前記回転軸にそれぞれ固定されるとともに互いに磁気的に分離されていることを特徴としている。

すなわち、この発明のＣ字セグメント型ステータをもつシンクロナスモータは、ステータコアのＣ字セグメントの前歯部と授受する磁束を径方向及び周方向に流す前側のロータコアと、ステータコアのＣ字セグメントの後歯部と授受する磁束を径方向及び周方向に流す後側のロータコアとを有する。つまり、ステータコアのＣ字セグメントは、磁束を径方向及び軸方向に流し、ロータコアは磁束を径方向及び周方向に流す。これにより、ステータコア及びロータコアは全体として、磁束を流す鞍状の磁路を構成する。

その結果、Ｃ字セグメント型ステータをもつシンクロナスモータにおいて、ロータコア構造が単純となるのでロータの製造が容易となる。更に、ロータコアは磁束を軸方向に流す必要がないため、ロータコアの細分化が不要となり、耐遠心力性能を大幅に向上することができる。

なお、ステータコイルをなす各相コイルは、周方向に配列された各Ｃ字セグメントに個別に集中巻きされることができる他、各Ｃ字セグメントに分布巻きされることもできる。Ｃ字セグメントへの集中巻きにおいて、相コイルは、前歯部又は後歯部に巻かれてもよく、あるいは軸方向に延在する継鉄部に巻かれても良い。後者を以下、トロイダル巻きと称する。つまり、相コイルのＣ字セグメントへの巻装形態自体は本発明の要旨ではなく、従来公知の種々の方法を採用することができる。

好適な態様において、前記前側のロータコア及び後側のロータコアは、軸方向に積層された輪板状の軟磁性鋼板により構成され、前記軟磁性鋼板は、前記ステータに向けて突出する先端部をそれぞれ有する前記多数の磁気突極部の基端部を連ねて周方向に延在する継鉄部を有する。これにより、圧粉コアなどを用いることなく耐遠心力性能に優れたロータコアを安価に製造することができる。

好適な態様において、前記Ｃ字セグメントの前記前歯部及び後歯部は、前記継鉄部から径方向に突出する主部と、前記径方向突出部の先端から軸方向互いに近接する向きに延在する鍔部とを有する。これにより、Ｃ字セグメントとロータコアとの間の磁気抵抗を低減することができる。

好適な態様において、前記ロータコアは、前記ステータに向けて周方向所定ピッチで突出する多数の磁気突極部を有してシンクロナスリラクタンスモータのロータコアを構成する。これにより、シンクロナスリラクタンスモータのロータコアの強度向上、製造工程の簡素化、鉄損の低減を実現することができる。

好適な態様において、外径側の前記ロータと外径側の前記ステータとのペアからなるアウタロータタイプの外側モータ部と、内径側の前記ロータと内径側の前記ステータとのペアからなるインナーロータタイプの内側モータ部とを有し、前記外径側のステータを構成する前記Ｃ字セグメントと、前記内径側のステータを構成する前記Ｃ字セグメントとは一体に形成され、前記外径側のステータの前記ステータコイルと、前記内径側のステータの前記ステータコイルとは、一体に形成されている。これにより、簡素な構造をもち、鉄損を低減したコンパクトなシンクロナスリラクタンスモータを実現することができる。

好適な態様において、前記外径側のステータを構成する前記Ｃ字セグメントの前記継鉄部と、前記内径側のステータを構成する前記Ｃ字セグメントの前記継鉄部とは共通である。これにより、コンパクトで大トルクのシンクロナスモータを実現することができる。

好適な態様において、前記ステータコイルに正弦波電流を通電することによりシンクロナスリラクタンスモータとして動作する。このようにすれば、上記シンクロナスモータのトルクリップルを減らすことができる。

本発明のＣ字セグメント型ステータをシンクロナスリラクタンスモータに適用した実施形態を以下に説明する。なお、Ｃ字セグメント型ステータと、周方向に磁束を流す少なくとも一対のロータコアとを有して全体として鞍状磁路を形成する本発明のモータ構造は、下記のシンクロナスリラクタンスモータに限定解釈されるものではなく、PM、SRMなど広義のシンクロナスモータに適用可能であることは、熟練当業者にとって容易に理解され得る事項である。

（実施形態１）
実施形態１のシンクロナスリラクタンスモータ（SynRM）を図１〜図３を参照して説明する。図１はインナーロータ型ラジアルギャップ構造をもつＳｙｎＲＭの模式径方向断面図である。図２はこのＳｙｎＲＭの模式軸方向半断面図である。図３は、ステータコイルの巻装形態の一例を示す模式コイル巻線図である。

（全体構造）
１は全体として円筒状のステータ、２はステータ１の径方向内側にて回転軸３に非磁性円筒部材４を介して嵌着固定されたロータコアである。４はロータコア２と回転軸３との間に介設される略円筒状の非磁性円筒部材である。この実施形態では、回転軸３として磁性部材を採用するため略円筒状の非磁性円筒部材を採用したが、回転軸３として非磁性部材を採用する場合には、非磁性円筒部材４を省略したり、あるいは非磁性円筒部材４を後述の前側のロータコアと後側のロータコアとの間に介設される輪板状部材としてもよい。

（ステータ１）
ステータ１は、合計２４個のＣ字セグメント１１と、このＣ字セグメント１１に巻かれた３相のステータコイル１２とからなる。各Ｃ字セグメント１１は、一定ピッチで周方向へ環状に配列されている。各Ｃ字セグメント１１は、図２に示すように非磁性のハウジング５に樹脂モールド部材６を介して支持されている。樹脂モールド部材６には熱伝導性フィラーが混入されている。なお、この種のＣ字セグメントを非磁性の支持部材により一体化する技術については、たとえば特許文献１〜３などにより種々公知となっており、この実施形態の支持構造以外の支持構造を採用しても良い。

（Ｃ字セグメント１１）
Ｃ字セグメント１１が、図１、図２を参照して説明される。図２において、AXは軸方向を示し、RAは径方向を示す。

一つのＣ字セグメント１１は、軟磁性の前セグメント１１Ａと軟磁性の後セグメント１１Ｂとを軸方向に突き合わせて構成され、全体としてＣ字状に形成されている。前セグメント１１Ａ及び後セグメント１１Ｂは、たとえば電磁鋼板を周方向に積層して構成されることができる。

前セグメント１１Ａは、継鉄部１１１と、継鉄部１１１の前端から径内方向へ突出する主部１１２と、主部１１２の先端から軸方向後方へ延在する鍔部１１３とからなる。主部１１２及び鍔部１１３は本発明で言う前歯部１１４をなす。同様に、後セグメント１１Ｂは、継鉄部１１１’と、継鉄部１１１’の後端から径内方向へ突出する主部１１２’と、主部１１２’の先端から軸方向前方へ延在する鍔部１１３’とからなる。主部１１２’及び鍔部１１３’は本発明で言う後歯部１１４’をなす。前セグメント１１Ａの継鉄部１１１の後端面と、後セグメント１１Ｂの継鉄部１１１’の前端面とが突き合わせられている。これにより、継鉄部１１１、継鉄部１１１’は、Ｃ字セグメント１１の継鉄部をなす。

（ステータコイル）
３相のステータコイル１２は、各Ｃ字セグメント１１の継鉄部に巻装されている。この実施形態では、ステータコイル１２は、各Ｃ字セグメント１１に個別に集中巻きされた部分コイルにより構成されている。周方向に３つ離れたＣ字セグメント１１の部分コイルは直列接続されて一つの相コイルを構成する。ただし、N（Nは自然数）番目のＣ字セグメント１１に巻かれた部分コイルと、N＋１番目のＣ字セグメント１１に巻かれた同相の部分コイルとは逆向きに直列接続される。これにより、３相集中巻きのステータコイル１２が完成される。各部分コイルは、一つのＣ字セグメント１１の前歯部１１４と後歯部１１４’とを逆極性に磁化する。これにより、ステータコイル１２内の磁束は軸方向に流れ、磁路長が通常のステータコアに比べて短縮されることがわかる。鉄損は、磁路長に比例するため、鉄損低減に有効である。

その他、図３に示すように、周方向３セグメントピッチでＣ字セグメント１１の継鉄部の径方向内側を周方向に延在し、他の部分においてＣ字セグメント１１の継鉄部の径方向外側を周方向に延在する第１コイル１２Aと、第１相コイル１２Aと同様に配置される第２相コイル１２Bとにより、広義で言う分布巻きの２相ステータコイルを構成してもよい。ただし、第２相コイル１２Bは、第１コイル１２Aに対して周方向へ所定ピッチずれている。図３において、更に相コイルを追加してもよい。

（ロータコア２）
次に、この実施形態の特徴をなすロータコア２を図１、図２を参照して説明する。

ロータコア２は、回転軸３の前部に嵌着、固定された前側のロータコア２Aと、回転軸３の後部に嵌着、固定された後側のロータコア２Bとからなる。

非磁性円筒部材４は、前側のロータコア２A及び後側のロータコア２Bと回転軸３との間に介設される円筒部４０と、前側のロータコア２A及び後側のロータコア２Bとの間に位置して径方向外側に突出する輪板部４１とからなる。非磁性円筒部材４は、アルミ合金により構成されている。輪板部４１は、前側のロータコア２Ａと後側のロータコア２Bとを磁気的に分離している。

前側のロータコア２Ａは、図１に示すように、周方向一定ピッチで径外方向へ突出する合計８個の磁気突極部２１を有する。同じく、後側のロータコア２Ｂも、周方向一定ピッチで径外方向へ突出する合計８個の磁気突極部２１を有する。前側のロータコア２Ａ及び後側のロータコア２Ｂは、軟磁性輪板を軸方向に積層して構成されている。前側のロータコア２Ａの各磁気突極部２１の基端部は継鉄部２２により磁気的に結合されている。後側のロータコア２Ｂも同様の形状をもつ。なお、シンクロナスリラクタンスモータとして用いる場合、図１に示す磁気突極部型のロータコアに代えてフラックスバリア型のロータコアを採用しても良いことはもちろんである。

（動作説明）
ステータコイルの３相の相コイルにそれぞれ電気角２π／３離れた正弦波電流を通電することにより、各Ｃ字セグメント１１の前歯部１１４は回転磁界を形成する。同じく、各Ｃ字セグメント１１の後歯部１１４’も回転磁界を形成する。両回転磁界は電気角π異なる位相をもつ。

各前歯部１１４が形成する回転磁界は前側のロータコア２Ａに作用し、各後歯部１１４’が形成する回転磁界は後側のロータコア２Ｂに作用し、前側のロータコア２Ａ及び後側のロータコア２Ｂの磁気突極部２１にそれぞれ作用するリラクタンストルク（Ld−Lq）IdIq）により、ロータコア２は回転する。

（実施例効果）
上記したこの実施形態では、Ｃ字セグメント型ステータの前歯部１１４と磁束授受する前側のロータコア２Ａと、Ｃ字セグメント型ステータの後歯部１１４’と磁束授受する後側のロータコア２Ｂとを採用するため、全体の磁路形状が鞍状となる。その結果、ロータコア構造が単純となるのでロータの製造が容易となる。更に、ロータコアは磁束を軸方向に流す必要がないため、ロータコアの細分化が不要となり、耐遠心力性能を大幅に向上することができる。

（実施形態２）
実施形態２のシンクロナスリラクタンスモータ（SynRM）を図４、図５を参照して説明する。図１はその模式径方向断面図、図５はその模式軸方向断面図である。

（全体構造）
このシンクロナスリラクタンスモータは、径方向外側に配置される外側モータ部１０Aと、径方向内側に配置される内側モータ部１０Bとを有している。

外側モータ部１０Ａは、外側ロータコア２０Aとその径方向内側に配置された外側ステータ（図番省略）とにより構成されてアウタロータ構造のラジアルギャップモータを構成している。内側モータ部１０Bは、内側ロータコア２０Bとその径方向外側に配置された内側ステータ（図番省略）とにより構成されたインナーロータ構造のラジアルギャップモータである。内側モータ部１０Ｂは、図１に示すモータと同一構造をもつ。図４、図５に示すように、外側モータ部１０Ａの外側ステータと内側モータ部１０Ｂの内側ステータとは一体に形成されている。

（非磁性円筒部材４）
外側ロータコア２０Ａ及び内側ロータコア２０Ｂは、図５に示すように、非磁性円筒部材４００により固定されている。

非磁性円筒部材４００は、回転軸３に嵌着、固定された内筒部４Aと、内筒部４Ａの前端から径方向に延在する輪板部４Cと、輪板部４Cの径方向外端から軸方向に延在する外筒部４Bとからなる。内筒部４Ａは、図１に示す非磁性円筒部材４と同一形状をもつ。すなわち、内筒部４Ａは、内側ロータコア２０Ｂを構成する前側のロータコア２A及び後側のロータコア２Bと回転軸３との間に介設される円筒部４０と、前側のロータコア２A及び後側のロータコア２Bとの間に位置して径方向外側に突出する輪板部４１とからなる。同様に、外筒部４Ｂは、外側ロータコア２０Ａを構成する前側のロータコア２A’及び後側のロータコア２B’とが内周面に固定される円筒部４０’と、前側のロータコア２A’及び後側のロータコア２B’との間に位置して径方向内側に突出する輪板部４１’とからなる。

（外側ロータコア２０Ａ）
外側ロータコア２０Ａは、非磁性円筒部材４００の外筒部４Ｂの内周面に固定される円筒状の継鉄部２２’と、継鉄部２２’から周方向所定ピッチで径方向内側に突出する合計８個の磁気突極部２１’とからなる。
（内側ロータコア２０Ｂ）
図１のロータコア２と同一構造の内側ロータコア２０Ｂは、非磁性円筒部材４００の内筒部４Ａの外周面に固定される円筒状の継鉄部２２と、継鉄部２２から周方向所定ピッチで径方向外側に突出する合計８個の磁気突極部２１とからなる。

（外側ステータ１０Ａ及び内側ステータ１０Ｂ）
外側モータ部１０Ａの外側ステータと内側モータ部１０Ｂの内側ステータとは、既述したように一体に形成されている。以下、この一体化された外側ステータ及び内側ステータをダブルステータ１００と略称する。

ダブルステータ１００は、周方向へ一定ピッチで環状に配列された合計２４個のダブルＣ字セグメント１１００により構成されている。一つのダブルＣ字セグメント１１００は、軸方向に延設される継鉄部１１１０と、継鉄部１１１の両端から径方向両側に突出する主部１１２０と、主部１１２０の径方向両端端から軸方向へ延在する鍔部１１３とからなる。結局、このダブルＣ字セグメント１１００は、実施形態１で説明したＣ字セグメント１１を径方向に背中合わせに２つ一体化した形状をもち、実施形態１のＣ字セグメント１１の継鉄部１１１を共通とした形状をもつ。このダブルＣ字セグメント１１００は、実施形態１と同様にその前半部とその後半部とを軸方向に突き合わせて構成されることができる。５００は、非磁性のハウジングであり、各ダブルＣ字セグメント１１００の後端面がこのハウジング５００の前端面に固定されている。

（ステータコイル１２）
ステータコイル１２は、実施形態１と同じく、各ダブルＣ字セグメント１１００に個別に集中巻きされた各部分コイルを相ごとに直列接続してなる３相巻線により構成されている。

（動作説明）
内側モータ部１０Ｂの動作は実施形態１と同じであり、外側モータ部１０Ａは、内側モータ部１０Ｂと同一のシンクロナスリラクタンストルクを発生する。このため、コンパクトで大トルクのダブルロータ構造をもつシンクロナスリラクタンスモータを実現することができる。

（変形態様）
上記実施形態では、シンクロナスリラクタンスモータを例示したが、ＳＲＭ又はその他の同期モータとして作動させることもできる。Ｃ字セグメント又はダブルＣ字セグメントの個数とロータコアの磁気突極部の数とは適宜定めることができる。

実施形態１のシンクロナスリラクタンスモータの模式径方向断面図である。 図１のシンクロナスリラクタンスモータの軸方向模式半断面図である。 図１のシンクロナスリラクタンスモータのステータコイル巻装例を示す模式巻線図である。 実施形態２のシンクロナスリラクタンスモータの模式径方向断面図である。 図４のシンクロナスリラクタンスモータの軸方向模式断面図である。

符号の説明

１ シンクロナスリラクタンスモータ
１ ステータ
２A 前側のロータコア
２B 後側のロータコア
２ ロータコア
３ 回転軸
４ 非磁性円筒部材
４Ａ 内筒部
４Ｂ 外筒部
４C 輪板部
５ ハウジング
６ 樹脂モールド部材
１０A 外側モータ部
１０B 内側モータ部
１２ ステータコイル
２０A 外側ロータコア
２０B 内側ロータコア
２１ 磁気突極部
２２ 継鉄部
４０ 円筒部
４１ 輪板部
１００ ダブルステータ
１１１ 継鉄部
１１１０ 継鉄部
１１２ 主部
１１２０ 主部
１１３ 鍔部
１１３０ 鍔部
４００ 非磁性円筒部材
５００ ハウジング

Claims (7)

1. 複数の相巻線によりなるステータコイルが巻装された軟磁性のステータコアを有するステータと、前記ステータコアの周面に対面して回転軸に嵌着固定されるロータとを有し、
   前記ステータコアは、軸方向前側に位置して径方向へ突出する前歯部と、軸方向後側に位置して径方向へ突出する後歯部と、軸方向に延在して前記前歯部の基端部と前記後歯部の基端部とを磁気的に連結する継鉄部とを有して軟磁性材料により略Ｃ形にそれぞれ形成された多数のＣ字セグメントを周方向へ所定ピッチで環状に配置してなり、
   前記ステータコイルは、前記多数のＣ字セグメントに巻装されて前記Ｃ字セグメントの前記前歯部及び後歯部を逆極性に磁化するシンクロナスモータにおいて、
   前記ロータは、前記各Ｃ字セグメントの前記前歯部と授受する磁束を径方向及び周方向に流す前側のロータコアと、前記各Ｃ字セグメントの前記後歯部と授受する磁束を径方向及び周方向に流す後側のロータコアとを有し、
   前記前側のロータコアと前記後側のロータコアとは、互いに軸方向に所定距離離れて前記回転軸にそれぞれ固定されるとともに互いに磁気的に分離されていることを特徴とするシンクロナスモータ。
2. 請求項１記載のシンクロナスモータにおいて、
   前記前側のロータコア及び後側のロータコアは、軸方向に積層された輪板状の軟磁性鋼板により構成され、
   前記軟磁性鋼板は、前記ステータに向けて突出する先端部をそれぞれ有する前記多数の磁気突極部の基端部を連ねて周方向に延在する継鉄部を有するシンクロナスモータ。
3. 請求項１記載のシンクロナスモータにおいて、
   前記Ｃ字セグメントの前記前歯部及び後歯部は、前記継鉄部から径方向に突出する主部と、前記主部の先端から軸方向互いに近接する向きに延在する鍔部とを有するシンクロナスモータ。
4. 請求項１記載のシンクロナスモータにおいて、
   前記ロータコアは、前記ステータに向けて周方向所定ピッチで突出する多数の磁気突極部を有してシンクロナスリラクタンスモータのロータコアを構成するシンクロナスモータ。
5. 請求項１記載のシンクロナスモータにおいて、
   外径側の前記ロータと外径側の前記ステータとのペアからなるアウタロータタイプの外側モータ部と、内径側の前記ロータと内径側の前記ステータとのペアからなるインナーロータタイプの内側モータ部とを有し、
   前記外径側のステータを構成する前記Ｃ字セグメントと、前記内径側のステータを構成する前記Ｃ字セグメントとは一体に形成され、
   前記外径側のステータの前記ステータコイルと、前記内径側のステータの前記ステータコイルとは、一体に形成されているシンクロナスモータ。
6. 請求項５記載のシンクロナスモータにおいて、
   前記外径側のステータを構成する前記Ｃ字セグメントの前記継鉄部と、前記内径側のステータを構成する前記Ｃ字セグメントの前記継鉄部とは共通であるシンクロナスモータ。
7. 請求項１乃至６のいずれか記載のシンクロナスモータにおいて、
   前記ステータコイルに正弦波電流を通電することによりシンクロナスリラクタンスモータとして動作するシンクロナスモータ。

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