JP5818529B2 - シンクロナスリラクタンスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータに生じるリラクタンストルクよって回転駆動されるリラクタンスモータに関し、特に、集中巻を採用したシンクロナス（同期）リラクタンスモータにおける出力向上技術に関する。

従来より、永久磁石を使用しない電動機として、ステータ・ロータ間の磁気抵抗差を利用して回転力を発生させるリラクタンスモータが知られている。特に、近年では、レアアースに関する資源問題から、永久磁石を必要としないリラクタンスモータが注目されており、電動パワーステアリング装置やハイブリッド車、電気自動車などへの適用も検討されている。このようなリラクタンスモータには、交流モータと同様の構造を有するシンクロナスリラクタンスモータと、ＶＲ形ステッピングモータと同様の構造を有するスイッチドリラクタンスモータとが存在する。

これらのリラクタンスモータのうち、シンクロナスリラクタンスモータは、ステータに多相（通常３相）の正弦波電流が供給され、磁気的突極性によって生じるリラクタンストルクによって駆動される。また、この場合、正弦波電流が供給されるステータ側のコイルは、複数のスロットを跨いで巻線を施す分布巻きが主流となっている。ところが、分布巻きのコイルは、巻線加工が複雑であり、製造コストがかかる上、スロットを跨ぐ渡り線によりスロット内のコイル占積率が低下するという問題がある。また、分布巻きのモータでは、巻き太り高さの増大により、モータが大型化するという問題もある。そこで、このような分布巻きの課題を解決すべく、特許文献１のような集中巻きのシンクロナスリラクタンスモータも提案されている。

特開2001-352724号公報

しかしながら、特許文献１のシンクロナスリラクタンスモータでは、同スロット内に収容された異相コイルの起磁力は、図６のように互いに相殺されるため、トルク発生に寄与する有効導体数の全導体に対する比（有効導体数比）が減少する。この場合、特許文献１のモータでは、Ｕ→Ｖ,Ｗ相通電時における有効導体数比は０.５であり、導体の半数が無効となっている。例えば、図７のようなモータ構成では、スロット５１ａ,５１ｄでは、起磁力の相殺は生じないが、スロット５１ｂ,５１ｃでは起磁力が相殺される。従って、図７のモータにおいて、１コイルのターン数をＸとすると、１相を全て直列結線と考え、Ｕ相に１Ａ、Ｖ,Ｗ相にそれぞれ０.５Ａの電流が流れると想定した場合、そこでの有効導体数は、２Ｘ・Ａ×４＝８Ｘ・Ａとなる。

すなわち、図７のＺ_０部を見ると、
・スロット５１ａ：−Ｖ相のコイルＶ１（Ｘ・０.５Ａ）
・スロット５１ｄ：−Ｗ相のコイルＷ１（Ｘ・０.５Ａ）
・スロット５１ｂ：＋Ｕ相のコイルＵ１（Ｘ・１Ａ）−コイルＶ１（Ｘ・０.５Ａ）
・スロット５１ｃ：＋Ｕ相のコイルＵ１（Ｘ・１Ａ）−コイルＷ１（Ｘ・０.５Ａ）
となり、これらを加えると、０.５Ｘ・Ａ×４＝２Ｘ・Ａとなる。図７のモータでは、１相のコイル数は４個であり、Ｚ部と同様の部位が４ヶ所あることから、有効導体数は２Ｘ・Ａ×４＝８Ｘ・Ａとなる。

これに対して、全体の導体数は、
・Ｕ相：２×Ｘ×４×１Ａ＝８Ｘ・Ａ
・Ｖ,Ｗ相：２×Ｘ×８×０.５Ａ＝８Ｘ・Ａ
の合計１６Ｘ・Ａとなる。従って、図７の構成では、有効導体数比＝（８Ｘ・Ａ）／（１６Ｘ・Ａ）＝０.５となり、半数の導体がトルク発生に寄与しない状態となる。

一般に、極数／スロット数に対して、有効導体数比とトルク定数（Ｔｑ／Ａ・Ｔ）はほぼ同様の関係を示し、有効導体数比が大きいほどトルク定数も大きくなり、出力トルクが大きくなる。従って、有効導体数比が小さくなると、その分、トルク定数も小さくなり、低効率のシンクロナスリラクタンスモータとなる。この場合、巻線の加工性や、占積率向上によるモータ小型化という点では、分布巻きよりも集中巻きの方が優位となる。このため、特許文献１のような集中巻きのシンクロナスリラクタンスモータにて、分布巻きと同等以上の出力が得られれば、コスト的にも体格的にも優位であり、そのようなモータの開発が求められていた。

本発明の目的は、集中巻きのシンクロナスリラクタンスモータにおける有効導体数比を高め、リラクタンスモータを小型化、低コスト化しつつその出力向上を図ることにある。

本発明のシンクロナスリラクタンスモータは、集中巻きにて巻装された複数相の巻線を備え、該巻線に複数相の正弦波電流を供給することにより回転磁界を発生させるステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置され、ｄ軸方向の磁気抵抗をｑ軸方向の磁気抵抗よりも小さく形成し回転方向に沿って磁気的な突極性を形成したロータと、を備え、前記ロータのｄ軸方向とｑ軸方向の磁気抵抗差によって発生するリラクタンストルクを利用して、前記回転磁界により前記ロータを回転させるシンクロナスリラクタンスモータであって、前記ロータの磁気的な突極の数をＰ、前記ステータの前記巻線が収容されるスロットの数をＳとしたとき、有効導体数比が０.５を超え、トルクリップル率が３０％未満となるように、前記Ｐ：前記Ｓが、４×ｎ：９×ｎ（ｎは自然数）の関係に設定されてなることを特徴とする。

本発明にあっては、正弦波駆動の集中巻きシンクロナスリラクタンスモータにおいて、Ｐ：Ｓを４×ｎ：９×ｎ（ｎは自然数）に設定することにより、小型・低コストなどの集中巻き方式の利点を活かしつつ、従来の集中巻き方式のシンクロナスリラクタンスモータよりも有効導体数比を大きくすることができ、出力トルクの向上が図られる。

前記シンクロナスリラクタンスモータにおいて、１組の隣接する同相巻線を回転方向に沿って電気角１６０度の間隔にて配置し、同相の巻線は、中央のコイルに対して左右のコイルの巻線方向が互いに逆方向であっても良い。また、前記Ｐ：前記Ｓを８：１８に構成し、前記巻線を前記ロータに対し点対称に配置しても良い。

本発明にあっては、正弦波駆動の集中巻きシンクロナスリラクタンスモータにて、ロータの磁気的な突極の数Ｐと、前記ステータの前記巻線が収容されるスロットの数ＳをＰ：Ｓ＝４×ｎ：９×ｎ（ｎは自然数）に設定したので、従来の集中巻き方式のシンクロナスリラクタンスモータよりも有効導体数比を大きくすることが可能となる。これにより、小型・低コストなどの集中巻き方式の利点を活かしつつ、トルク定数を大きくすることができ、集中巻き構成にて分布巻きと同等以上の出力を得ることが可能となる。

本発明の実施例１であるシンクロナスリラクタンスモータの構成を示す説明図である。 図1のシンクロナスリラクタンスモータの巻線構成を示す説明図である。 極数／スロット数と、トルク定数及び有効導体数比の関係を示すグラフである。 極数／スロット数と、トルク定数及びトルクリップルの関係を示すグラフである。 本発明の実施例２であるシンクロナスリラクタンスモータの構成を示す説明図である。 有効導体の相殺に関する説明図である。 従来のシンクロナスリラクタンスモータの巻線構成を示す説明図である。

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であるシンクロナスリラクタンスモータ１の構成を示す説明図である。シンクロナスリラクタンスモータは、ロータ（回転子）側に発生するリラクタンストルクによって回転駆動されるブラシレスモータの一種である。但し、通常のブラシレスモータとは異なり、ロータにはマグネットは使用されておらず、ロータには、回転方向に沿って磁気抵抗を変化させるため、フラックスバリアと呼ばれるスリットが形成されている。また、ステータ（固定子）側には３相の巻線が施され、３相の正弦波電流が供給される。

シンクロナスリラクタンスモータ１（以下、モータ１と略記する）は、ステータ２の内側に、ロータ３を回転自在に配したインナーロータ形の構成となっている。ステータ２には、円環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から中心方向に向かって延びる複数（本実施例では９個）のティース１２が設けられている。ティース１２は周方向に沿って等間隔に配置されており、各ティース１２には巻線４が巻装されている。各巻線４は、隣接するティース１２間に形成されたスロット１３内に収容される。ステータ２は、ヨーク部１１とティース１２からなる円板状の電磁鋼板を多数積層して形成されている。

ロータ３もまた、円板状の電磁鋼板を多数積層して形成されている。ロータ３を構成する鋼板には、ロータ３の磁気抵抗を回転方向に沿って異ならせるためのスリット１４が複数設けられている。スリット１４は、略台形状に屈曲しており、スリット１４内はロータ３の磁気抵抗を変化させるべく空隙となっている。なお、スリット１４内に合成樹脂などの非磁性材料を適宜充填しても良い。スリット１４は、ロータ回転軸１５と直交するｄ軸を境界として、機械的に４５度傾斜したｑ軸を中心に放射状に対象配置されている。当該モータ１では、ｑ軸を中心とした複数のスリット１４のセットが放射状に４組設けられており、各組にはそれぞれ複数層の磁路が形成されている。

このスリット１４により、ロータ３は、ステータ２から見て磁気抵抗が回転角度により異なる状態となる。そして、ロータ３には、スリット１４の配置形態により、周方向に沿って複数の磁極が形成される。本実施例では、スリット１４によって、中心角９０度の４つの磁極がロータ３に形成される。つまり、当該モータ１は、ロータ３側に４極、ステータ２に９個のスロット１３を設けた４極９スロット構成となっている。なお、以下では、極・スロットについてはＰ・Ｓと略記し、例えば、４極９スロットは４Ｐ９Ｓのように表記する。

一方、当該モータ１では、巻線４は、１つのティース１２のみを囲むように巻かれた集中巻きとなっている。この場合、巻線４の３個の同相コイル（例えば−Ｕ,＋Ｕ,−Ｕ）は、図１に示すように、中央のコイル（＋Ｕ）に対し、電気角で左右に１６０度の離れた位置に配置される。また、３個の同相コイルは、中央のコイル（＋Ｕ）と、左右のコイル（−Ｕ,−Ｕ）の巻線方向は互いに逆方向となっている。つまり、隣接する同相の巻線４は、ロータ回転方向に沿って電気角１６０度の間隔にて配置されると共に、隣接する同相の巻線４は中央のコイルに対して左右のコイルの巻線方向が互いに逆方向となっている。モータ１では、巻線４は、Ｕ,Ｖ,Ｗの３相分設けられており、各巻線４には、１２０度（電気角）位相がずれた正弦波電流が供給される。そして、これによりステータ２側には正弦波状の回転磁界が形成される。

このようなモータ１では、ステータ２側に形成された正弦波状の回転磁界により、スリット１４によって生じるロータ３の磁気抵抗差を利用してロータ３を回転させる。ここで、ロータ３には、スリット１４により、磁束が最も通りやすい方向（ｄ軸方向）と、磁束が最も通りにくい方向（ｑ軸方向）が生じる。つまり、ｄ軸方向の磁気抵抗が最も小さくなる一方、ｑ軸方向の磁気抵抗が最も大きくなり、磁気的突極性が生じ、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑよりも大きくなる。そして、ｄ軸に対し所定角度方向のティース１２に起磁力を発生させることにより、ｄ軸磁束とｑ軸磁束との差（磁気抵抗差）によってリラクタンストルクが発生し、ロータ３の磁気抵抗の低い部分がティース１２の起磁力方向へ回転移動してロータ３が所定の方向に回転する。

ここで、前述のように、図７のようなモータ構成（４Ｐ１２Ｓ）では、有効導体数比が小さくなるため、その分、出力トルクも小さくなる。これに対し、本発明によるモータ１では、図２に示すように、有効導体の非相殺部分（スロット１３ａ,１３ｄ,１３ｆ,１３ｈ）は図７のものと同様に４ヶ所であるが、有効導体数比は０.５８３となる。すなわち、各巻線のコイル数により合計ターン数を合わせ、前述同様の想定にて有効導体数比を求めると、モータ１では、１相のコイル数が３個であることから、１コイルのターン数は（４／３）Ｘとなる。

そこで、図２のＺ_１部を見ると、
・スロット１３ａ：−Ｖ相のコイルＶ１（（４／３）Ｘ・０.５Ａ＝（２／３）Ｘ・Ａ）
・スロット１３ｄ：−Ｗ相のコイルＷ１（（４／３）Ｘ・０.５Ａ＝（２／３）Ｘ・Ａ）
・スロット１３ｂ：＋Ｕ相のコイルＵ１（（４／３）Ｘ・１Ａ）−コイルＶ１（２／３）Ｘ・Ａ＝（２／３）Ｘ・Ａ
・スロット１３ｃ：コイルＵ１（（４／３）Ｘ・１Ａ）−コイルＷ１（２／３）Ｘ・Ａ＝（２／３）Ｘ・Ａ
であり、Ｚ_１部の有効導体数は、（２／３）Ｘ・Ａ×４＝（８／３）Ｘ・Ａとなる。

次に、図２のＺ_２部では、
・スロット１３ｄ：−Ｕ相のコイルＵ２（（４／３）Ｘ・１Ａ）
・スロット１３ｆ：＋Ｗ相のコイルＷ２（（４／３）Ｘ・０.５Ａ＝（２／３）Ｘ・Ａ）
・スロット１３ｅ：コイルＵ２（（４／３）Ｘ・１Ａ）−コイルＷ２（２／３）Ｘ・Ａ＝（２／３）Ｘ・Ａ
であり、Ｚ_２部の有効導体数は、（２／３）Ｘ・Ａ×２＋（４／３）Ｘ・Ａ＝（８／３）Ｘ・Ａとなる。この場合、図２のＺ_４部はＺ_２部と対称であり、Ｚ_４部（スロット１３ｈのコイルＶ３，スロット１３ｉのコイルＶ３,Ｕ３，スロット１３ａのコイルＵ３）の有効導体数も（８／３）Ｘ・Ａとなる。

また、図２のＺ_３部では、
・スロット１３ｆ：−Ｖ相のコイルＶ２（（４／３）Ｘ・０.５Ａ＝（２／３）Ｘ・Ａ）
・スロット１３ｈ：−Ｗ相のコイルＷ３（（４／３）Ｘ・０.５Ａ＝（２／３）Ｘ・Ａ）
・スロット１３ｇ：コイルＶ２（２／３）Ｘ・Ａ−コイルＷ３（２／３）Ｘ・Ａ＝０
であり、Ｚ_３部の有効導体数は、（２／３）Ｘ・Ａ×２＝（４／３）Ｘ・Ａとなる。

従って、モータ１における有効導体数は、（８／３）Ｘ・Ａ×３ヶ所＋（４／３）Ｘ・Ａ×１ヶ所＝（２８／３）Ｘ・Ａとなる。これに対して、全体の導体数は、
・Ｕ相：２×（４／３）Ｘ×３×１Ａ＝８Ｘ・Ａ
・Ｖ,Ｗ相：２×（４／３）Ｘ×６×０.５Ａ＝８Ｘ・Ａ
の合計１６Ｘ・Ａとなる。従って、モータ１の有効導体数比は、（２８／３）Ｘ・Ａ／１６Ｘ・Ａ＝０.５８３となり、図７の構成に比して、約１７％のトルクアップが望める。

一方、シンクロナスリラクタンスモータでは、ステータの回転磁界による磁気吸引力のみでロータを回転させる構成のため、適正な回転磁界を得る基本的な極・スロットの組合せとしては、２Ｐ１２Ｓ、２Ｐ９Ｓ、４Ｐ１５Ｓ、４Ｐ１２Ｓ、４Ｐ９Ｓなどの組み合わせが考えられる。そこで、各Ｐ・Ｓ構成ごとに、極数／スロット数と、有効導体数比及びトルク定数の関係を見ると図３のように、また、極数／スロット数と、トルク定数及びトルクリップルの関係を見ると図４のようになる。

図３から分かるように、有効導体数比は、２Ｐ１２Ｓ→２Ｐ９Ｓ→４Ｐ１５Ｓ→４Ｐ１２Ｓ→４Ｐ９Ｓ（→６Ｐ９Ｓ）の順に大きくなり、トルク定数も有効導体数比と共に大きくなる。すなわち、集中巻き仕様では、スロット内で隣り合う異相のコイル辺同士で起磁力の相殺が発生するため、極数/スロット数の値が大きい方が大きな磁気吸引力が得られ易く、トルク定数も増加する。一方、トルクリップルは、２Ｐ１２Ｓ，４Ｐ１２Ｓ，４Ｐ９Ｓはほぼ同等であるものの、６Ｐ９Ｓになると急増する。この場合、６Ｐ９Ｓは、通常の表面磁石型ブラシレスモータにおける基本の極・スロットの組合せ（Ｐ：Ｓ＝２×ｎ：３×ｎ、ｎ＝１,２,３,・・・・、自然数）である。かかる構成の集中巻線は、トルクの発生原理として、マグネットの吸引・反発力を利用したものであるため、シンクロナスリラクタンスモータにそのまま適用すると、スムーズな回転力が得られない。

従って、図３,４の結果から、集中巻き仕様のシンクロナスリラクタンスモータとしては、コイル1ターンあたりのトルク定数を確保し、トルクリップルを最適にする極・スロット構成としては４Ｐ９Ｓ（または、その自然数倍、つまり、Ｐ：Ｓ＝４×ｎ：９×ｎ（ｎ＝１,２,３,・・・・、自然数）が最適であることが分かり、モータ１もその構成を採用している。

このように、本発明によるシンクロナスリラクタンスモータでは、モータの巻線構造として集中巻き方式を採用しているので、スロット分割コアが採用可能であるなど、巻線の加工性が向上し、製造コストを下げることが可能となる。また、集中巻きの採用により、コイルの巻き太り高さを小さくでき、モータの小型化が可能となる。さらに、巻線の占積率を上げることもできる。加えて、渡り線の削減によりコイル抵抗を下げることができ、巻線電流の増加により出力向上を図ることが可能となる。

一方、本発明では、正弦波駆動の集中巻きシンクロナスリラクタンスモータにて、極とスロットを４Ｐ９Ｓ×ｎの関係とすると共に、中央のコイルに対して左右のコイルを電気角で１６０度ずつ離れた位置に配置し、隣接する同相コイルの巻線方向を互いに逆方向とすることにより、４Ｐ１２Ｓのモータに比して有効導体数比を大きくすることが可能となる。従って、有効導体数比と連関するトルク定数も大きくなり、モータの出力トルクの向上が図られる。すなわち、本発明によれば、正弦波駆動の集中巻きシンクロナスリラクタンスモータを小型化、低コスト化しつつ、その出力向上を図ることが可能となる。

次に、本発明の実施例２であるシンクロナスリラクタンスモータ２１（以下、モータ２１と略記する）について説明する。図５は、モータ２１の構成を示す説明図である。なお、実施例２では、実施例１と同様の部材、部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。

前述のように、モータ１は、小型化・低コスト化を図りつつ出力向上を達成した構成となっているが、同相のティース１２がロータ回転軸１５に対し点対称位置に配されていないため磁気的なバランスが均等化されていない。このため、電磁加振力が大きくなり、電動パワーステアリング装置の駆動源としては好ましくない。そこで、モータ２１では、図１の４Ｐ９Ｓ構成を倍加し（ｎ＝２）、極・スロットの組を機械的に１８０度対向させて磁気的なバランスを図っている。

図５に示すように、モータ２１は、モータ１の極・スロットを２組配置した構成となっており、ステータ２のティース１２は、モータ１の２倍の１８本（スロット１３も１８個)が等分に配置されている。また、ロータ３側には、スリット１４によって８つの磁極が形成されている。なお、レイアウト上、スリット１４の数はモータ１よりも少なくなっており、磁路は５層となっている。モータ２１においても、１組の隣接する同相の巻線４は回転方向に沿って電気角１６０度（ここでは機械角８０度）の間隔にて配置されている。また、隣接する同相の巻線４は、巻線方向が中央のコイルに対して左右のコイルが互いに逆方向となっている。

このように、正弦波駆動の集中巻きシンクロナスリラクタンスモータを８Ｐ１８Ｓ構成とすると、各相の巻線４がロータ回転軸１５に対し点対称位置に配されるため、磁気的なバランスが均等化され、電磁加振力の振れがほとんど解消される。発明者らの机上検討結果によれば、８Ｐ１８Ｓのモータ２１では、電磁加振力の振れはほとんどなく、分布巻きのリラクタンスモータとほぼ同等程度の振れに抑えることができた。

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、正弦波駆動の集中巻きシンクロナスリラクタンスモータとして、４Ｐ９Ｓ構成のもの（実施例１）と、８Ｐ１８Ｓ構成のもの（実施例２）を示したが、本発明は、極数をＰ、スロット数をＳとしたとき、Ｐ：Ｓ＝４×ｎ：９×ｎ（ｎ＝１,２,３,・・・・、自然数）の関係を満たすシンクロナスリラクタンスモータ一般に適用可能である。但し、前述のように、ｎが偶数の場合の方が磁気的バランスが良い。また、ｎが３以上となると、ロータ３の製造、特にスリット１４の作成が難しくなるため、実用的には、前述の実施例のように、ｎ＝１,２の場合が好適である。なお、シンクロナスリラクタンスモータにおいても、トルクリップル改善のため、ロータをスキュー構造としたり、スリット１４のバリアパターンを複数化したりしても良い。

１ シンクロナスリラクタンスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ 巻線
１１ ヨーク部
１２ ティース
１３ スロット
１３ａ〜１３ｉ スロット
１４ スリット
１５ ロータ回転軸
２１ シンクロナスリラクタンスモータ
５１ａ〜５１ｄ スロット

Claims (3)

1. 集中巻きにて巻装された複数相の巻線を備え、該巻線に複数相の正弦波電流を供給することにより回転磁界を発生させるステータと、
   前記ステータの内側に回転自在に配置され、ｄ軸方向の磁気抵抗をｑ軸方向の磁気抵抗よりも小さく形成し回転方向に沿って磁気的な突極性を形成したロータと、を備え、
   前記ロータのｄ軸方向とｑ軸方向の磁気抵抗差によって発生するリラクタンストルクを利用して、前記回転磁界により前記ロータを回転させるシンクロナスリラクタンスモータであって、
   前記ロータの磁気的な突極の数をＰ、前記ステータの前記巻線が収容されるスロットの数をＳとしたとき、有効導体数比が０.５を超え、トルクリップル率が３０％未満となるように、前記Ｐ：前記Ｓが、４×ｎ：９×ｎ（ｎは自然数）の関係に設定されてなることを特徴とするシンクロナスリラクタンスモータ。
2. 請求項１記載のシンクロナスリラクタンスモータにおいて、１組の隣接する同相の前記巻線は回転方向に沿って電気角１６０度の間隔にて配置され、前記同相の巻線は中央のコイルに対して左右のコイルの巻線方向が互いに逆方向であることを特徴とするシンクロナスリラクタンスモータ。
3. 請求項１又は２記載のシンクロナスリラクタンスモータにおいて、前記Ｐ：前記Ｓが８：１８に構成され、前記巻線が前記ロータに対し点対称に配置されることを特徴とするシンクロナスリラクタンスモータ。
   

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