JP5914749B2 - 可変磁束モーター - Google Patents

Description

本発明は、モーターに関する。さらに詳しくは、本発明は、ローターに適用されているマグネットの一部を減磁または着磁させることにより全体モーターの可変速運転が可能であり、磁束量を集中させて高効率が得られる新規な構造のモーターに関する。

一般に、モーターの可変速運転と高効率を両立させるために、様々な構造及び形状を有するモーターが提案されてきている。その代表例として、可変磁束メモリモーター（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｌｕｘ Ｍｅｍｏｒｙ Ｍｏｔｏｒ：ＶＦＭＭ）（以下、「先行技術１」と称する。）と日本公開特許公報第２００９−１１２４５４号に開示されているようなモーター（以下、「先行技術２」と称する。）が挙げられる。

先行技術１によるＶＦＭＭモーターの回転子は、基本的にスポークタイプ（ｓｐｏｋｅ ｔｙｐｅ）のＢＬＤＣモーターとほとんど同様である。このモーターは、固定子の磁束発生軸であるｄ軸に負のｄ軸電流を流すと、永久磁石の厚さの差分により永久磁石の幅が狭い部分から永久磁石が減磁されるようなモーターである。このような原理に基づいて、永久磁石を減磁及び着磁して可変磁束運転を行うことになる。

先行技術２によるモーターの場合、回転子の形状は基本的に突極集中捲構造の外転型ＢＬＤＣモーターとほとんど同様である。このモーターの特徴は、保磁力が異なる２種の磁石をローターコアに埋め込むが、埋め込むときに異なる極を形成するように周方向に交互に配置されているというところにある。すなわち、ローターコアには第１磁石と第２磁石の埋め込みのための孔を形成しなければならず、且つ、ローターコアの内側部に突出部を形成しなければならないためローターコアの構造が複雑になり、しかも、製造コストが高騰するという不都合がある。特に、第１マグネットとしてネオジム（Ｎｄ）マグネットを使用するが、これもまた製造コストの高騰の原因になっている。

そこで、本発明者らは、上述した不都合を解消するために鋭意検討したところ、ローターはスポークタイプの構造を有し、且つ、固定子は突極集中捲構造を有するように変形された新規な構造を提案することにより、磁束量を集中させることができ、性能を大幅に向上させることができる他、製造コストを削減することのできる可変磁束モーターを開発するに至った。

本発明の目的は、新規な構造の可変磁束モーターを提供することである。
本発明の上記の目的及びその他の内在されている目的は、後述する本発明によっていずれも達成可能である。

本発明による可変磁束モーターは、ローターと前記ローターの内側に配設されるステーターとを備える可変磁束モーターにおいて、前記ローターは、ローターハウジングと、前記ローターハウジングの内側壁面に取り付けられる複数の単位ローターコア及びマグネットを備え、前記単位ローターコアはマグネットと交互に配設され、前記ステーターは、ステーターコアベースと、前記ステーターコアベースの外周面に放射状に等間隔をもって形成された複数のティースと、を備え、前記ティースの末端の両側にはティースイヤが形成されており、前記マグネットは、第１マグネットと第２マグネットを備え、前記第２マグネットは、前記単位ローターコアのうち向かい合う一対の単位ローターコアの両側に配設されるマグネットと前記一対の単位ローターコアを連結する線と直交する線が遭遇する一対の単位ローターコアの両側に配設されるマグネットであり、前記第１マグネットは、第２マグネットを除く残りのマグネットであり、さらに、前記第１マグネットは、フェライトマグネットであり、前記第２マグネットは、アルニコマグネットであることを特徴とする。

本発明において、前記ティース末端の外周面には、内側に窪んだ形状のティース溝部が形成されていてもよい。

本発明において、前記ティースイヤの外周面には、内側に窪んだ形状のティースイヤ溝部が形成されていてもよい。

本発明によれば、構造がさらに簡素化されて製造コストを削減することができ、磁束量を集中させ易いことから性能を大幅に向上させることのできる新規な構造の可変磁束モーターを提供することができる。

本発明による可変磁束モーターの構造を示す平面図である。 本発明による可変磁束モーターのローター構造を示す斜視図である。 本発明による可変磁束モーターのローターに用いられる単位ローターコアを示す斜視図である。 本発明による可変磁束モーターのステーターを示す斜視図である。 本発明による可変磁束モーターのステーターを示す平面図である。 本発明による可変磁束モーターの磁束変化を説明するための概念図である。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの無負荷運転時の着磁状態の逆起電力を示すグラフである。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの無負荷運転時の脱磁状態の逆起電力を示すグラフである。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの低速運転における定格運転時の電流特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの低速運転における定格運転時のトルク特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの低速運転における最大出力時の電流特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの低速運転における最大出力時の運転トルク特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの高速運転における定格運転時の電流特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの高速運転における定格運転時のトルク特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの高速運転における最大出力時の電流特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による可変磁束モーターの高速運転における最大出力時の運転トルク特性を示すグラフである。

以下、添付図面に基づき、本発明による可変磁束モーターについて詳細に説明する。

図１は、本発明による可変磁束モーターの構造を示す平面図であり、図２は、本発明による可変磁束モーターのローター１の構造を示す斜視図である。
図１に示すように、本発明による可変磁束モーターは、ローター１と、ステーター２と、を備える。
本発明におけるローター１は、ステーター２の外周面に配設される多数の単位ローターコア１０と、第１マグネット１１及び第２マグネット１２を備え、図２に示すように、単位ローターコア１０と、第１マグネット１１及び第２マグネット１２はローターハウジング１３の内側壁面に配設される。

本発明におけるステーター２は、ステーターコアベース２１と、このステーターコアベース２１の外周面に放射状に形成されている多数のティース２２と、を備える。
コイル３はステーター１のティース２２に巻き取られており、隣り合う二つのティース２２の間に形成されるスロットにある程度の空間を占めている。

本発明による可変磁束モーターとしては、図１及び図２に示すように、２４極１８スロットモデルを例にとって説明しているが、本発明はこれに必ずしも限定されるものではなく、必要に応じて極数及びスロット数を変形して適用することができる。

２４極１８スロットのモーターの場合、図１に示すように、２４個の単位ローターコア１０が２４個のマグネット１１、１２と交互に配設されている。２４個のマグネットのうち１６個は第１マグネット１１であり、８個は第２マグネット１２である。図１に示すように、隣り合うマグネットの間には単位ローターコア１０が配設され、第２マグネット１２は、ローターの１２時方向、３時方向、６時方向及び９時方向に２つずつ合計で８個を使用する。すなわち、隣り合う第２マグネット１２の間に配設される単位ローターコア１０と向かい合う位置の単位ローターコアの両側に第２マグネットが設けられ（図１におけるＡ部分参照）、これらの向かい合う二つの単位ローターコアを連結する線と直交する線が遭遇する二つの単位ローターコアの両側にそれぞれ第２マグネットが設けられる（図１におけるＢ部分参照）。このため、合計で８個の第２マグネットが適用される。

本発明における第１マグネット１１はフェライトマグネットであり、第２マグネット１２はアルニコマグネットである。これらの２種類の磁石が有する保磁力の差分を用いて第２マグネット１２の磁束量を調節することができる。

図３は、本発明による可変磁束モーターのローター１に用いられる単位ローターコア１０を示す斜視図である。
図３に示すように、本発明の単位ローターコア１０は、その両側面にマグネットが取り付けられる構造を有し、多数のマグネットと単位ローターコア１０が繰り返し取り付けられると、全体的に円の形状を呈する。隣り合うマグネットへの取り付けのために、単位ローターコア１０の両側面に溶接線１０ａを形成してもよい。この溶接線１０ａに沿ってレーザー溶接を行ってマグネットと単位ローターコアとの結束を行う。もちろん、取り付け方法はこのようなレーザー溶接に何ら限定されるものではなく、様々な取り付け方法が採用可能である。例えば、かしめやその他の溶接方法を採用してもよい。

図４は、本発明による可変磁束モーターのステーター２を示す斜視図であり、図５は、本発明による可変磁束モーターのステーター２を示す平面図である。

図４及び図５に示すように、本発明によるステーター２は、円形のステーターコアベース２１と、このステーターコアベース２１の外周面に放射状に等間隔をもって形成されているティース２２と、を備える。このティース２２の末端には、ティースイヤ２３が両側に形成されている。このステーター２は、枚葉状のコア鋼板を繰り返し積み重ねて形成する。ステーターコアベース２１の内周面には複数のベース溶接溝２１ａが形成されているが、このベース溶接溝２１ａに沿ってレーザー溶接を行って多数枚のコア鋼板を強固に固定する。もちろん、レーザー溶接に加えて、かしめなどの方法を適用してもよい。

隣り合う両ティース２２の間に形成された空間はスロット２５の形状を呈する。ティース２２にはコイルが巻き取られる。ティース末端部分の外周面には内側に僅かに窪んだ形状のティース溝部２２ａが形成され、ティース末端両側のティースイヤ２３にも同様に内側に僅かに窪んだ形状のティースイヤ溝部２３ａが形成される。このようなティース溝部２２ａ及びティースイヤ溝部２３ａは、磁束量が集中して発生するコギングトルクを低減する役割を果たす。

ティース溝部２２ａにはティース溶接溝２２ｂが形成されるが、このティース溶接溝２２ｂは、上述したベース溶接溝２１ａと同様に、溶接などの方法により枚葉状のステーターコアを結合する役割を果たす。

図６は、本発明による可変磁束モーターの磁束変化を説明するための概念図である。

図６を参照すると、図６において、ステーターのＡ相がアルニコ磁石である第２マグネット１２間の単位ローターコア１０に配列されると、起磁力の方向とは反対方向に負（−）のｄ軸電流を流して第２マグネットを減磁させることができる。また、図１におけるＡ部分とＢ部分を同時に減磁することはできないため、Ａ部分の二対を一度に減磁させた後、Ｂ部分の二対を減磁させる２回の過程を経てもよい。

実施形態
本発明による可変磁束モーターの減磁特性を解析するために有限要素解析法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＦＥＡ）を適用して解析した。２４極１８スロット状のモーターを製作して様々な解析条件下で有限要素解析法（ＦＥＡ）を適用した。適用されたモーターのローターの外径は２７２ｍｍであり、ステーターのスタック高さは２５ｍｍであった。巻き線径は１.２５φであり、巻き線数は１２０［ｔｕｒｎ］であった。フェライトマグネットは型番ｐｍｆ−７ＢＥを使用し、アルニコマグネットはＰＭＣ−９Ｂを採用した。マグネットの長さは２０ｍｍであり、厚さは１６ｍｍであった。巻き線抵抗は１．８７Ωであり、ｄ軸インダクタンスは３８.９ｍＨであり、ｑ軸インダクタンスは５０.２ｍＨであった。

まず、無負荷運転をするが、１５０ｒｐｍにおいて完全に着磁したときの逆起電力を測定し、１５０ｒｐｍにおいてアルニコマグネットを脱磁した状態で運転して逆起電力を測定した。測定結果を図７及び図８に示す。図７は、完全着磁時の結果であり、図８は、アルニコマグネット脱磁時の結果である。

図７及び図８に示すように、完全着磁時と脱磁時の逆起電力を比較して可変磁束が得られるか否かを予測した。その結果、約５２．６％の磁束可変が得られることが分かった。

次いで、低速運転時の運転特性を解析するために、４５ｒｐｍにおける定格運転時と最大出力時の電流及びトルクを予測した。定格運転時の解析条件は、相電圧ピーク値Ｖｐｈ［ｐｅａｋ］＝４３．５８［Ｖ］であり、最大出力運転時には相電圧ピーク値Ｖｐｈ［ｐｅａｋ］＝４６．７［Ｖ］であった。

図９及び図１０に低速運転の定格運転時における電流特性及びトルク特性を示す。最大出力運転時の電流特性及びトルク特性は、図１１及び図１２に示す。

次いで、高速運転時の運転特性を解析するために、１４００ｒｐｍにおいて定格運転時と最大出力時の電流及びトルクを予測した。定格運転時の解析条件は、相電圧ピーク値Ｖｐｈ［ｐｅａｋ］＝１４７［Ｖ］であり、最大出力運転時にも相電圧ピーク値Ｖｐｈ［ｐｅａｋ］＝１４７［Ｖ］であった。

図１３及び図１４に高速運転の定格運転時における電流特性及びトルク特性を示す。最大出力運転時の電流特性及びトルク特性は図１５及び図１６に示す。

上述した本発明の具体的な説明及び実施形態は本発明を例示するための説明に過ぎず、本発明の範囲を定めるためのものではないことに留意すべきである。本発明の範囲は下記の添付の特許請求の範囲によって定められるべきであり、この範囲内における単なる変形や変更はいずれも本発明の範囲に属するものと理解すべきである。

Claims (3)

1. ローターと前記ローターの内側に配設されるステーターとを備える可変磁束モーターにおいて、
   前記ローターは、ローターハウジングと、前記ローターハウジングの内側壁面に取り付けられる複数の単位ローターコア及びマグネットを備え、前記単位ローターコアはマグネットと交互に配設され、
   前記ステーターは、ステーターコアベースと、前記ステーターコアベースの外周面に放射状に等間隔をもって形成された複数のティースと、を備え、前記ティースの末端の両側にはティースイヤが形成されており、
   前記マグネットは、第１マグネットと第２マグネットを備え、
   前記第２マグネットは、前記単位ローターコアのうち向かい合う一対の単位ローターコアの両側に配設されるマグネットと前記一対の単位ローターコアを連結する線と直交する線が遭遇する一対の単位ローターコアの両側に配設されるマグネットであり、
   前記第１マグネットは、第２マグネットを除く残りのマグネットであり、
   さらに、前記第１マグネットは、フェライトマグネットであり、前記第２マグネットは、アルニコマグネットであることを特徴とする可変磁束モーター。
2. 前記ティース末端の外周面には、内側に窪んだ形状のティース溝部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変磁束モーター。
3. 前記ティースイヤの外周面には、内側に窪んだ形状のティースイヤ溝部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変磁束モーター。
   

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