JP6492817B2 - スイッチトリラクタンス回転機 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチトリラクタンス回転機に関するものである。

スイッチトリラクタンス回転機は、ロータに永久磁石や巻線がなく、ロータとステータとの間に生じる磁気吸引力によって動作する構成となっている。スイッチトリラクタンス回転機は、原理的に振動、騒音等の課題があるが、構造が簡単で堅牢、高速回転にも耐えることができ、また、ネオジム磁石等の高価な永久磁石が不要であるため安価であるという特徴を有しており、近年、低コストで信頼性に優れた回転機として、実用化に向けての研究開発が進められている。このようなスイッチトリラクタンス回転機として、例えば、下記特許文献１に記載されたリラクタンス型電動機が知られている。

特開平５−３３６７１５号公報

ところで、上記先行技術のようなリラクタンス型電動機においては、高出力時に、電動機側のインダクタンスが大きいため、駆動電圧が一般的に不足する。この対策のため、電動機を駆動させるインバータ側に昇圧回路を設ける。しかしながら、昇圧回路に使用するリアクトルは、大電流を扱うためにサイズが大型化する傾向がある。したがって、リアクトルの設置スペースを確保するために、装置全体が大型化する問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、リアクトルの設置スペースを確保し、装置全体を小型化できるスイッチトリラクタンス回転機の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、環状のロータヨーク及び前記ロータヨークの外周面から突出するロータ突極を有するロータと、前記ロータ突極と対向するステータコイルを有するアウターステータと、を有するスイッチトリラクタンス回転機であって、前記ロータヨークは、径方向内側に空間部を有し、前記空間部に配置されたリアクトルを有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ロータのロータヨークの径方向内側に空間部を設け、この空間部にリアクトルを配置する。これにより、アウターステータとロータとの間の基本的構造は変えずに、ロータの径方向内側にリアクトルを組み込むことができる。したがって、回転機本体の外側にリアクトルの設置スペースを確保する必要がなく、装置全体を小型化できる。

また、本発明においては、前記リアクトルは、環状のヨーク部及び前記ヨーク部の外周面から突出して前記ロータヨークの内周面に対しギャップをあけて対向する突部を有するコアと、前記突部に巻かれたコイルと、を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、コイルを巻いたコアの突部をロータヨークの内周面にギャップをあけて対向させ、コアとロータヨークとを通る閉磁路を形成し、リアクトルのインダクタンスを大きくする。ロータが回転しても、ロータヨークの内周面とコアの突部とのギャップは変化しないため、コアとロータヨークとの実効透磁率も変化せず、安定したリアクトル機能を持たせることができる。

また、本発明においては、直流電源と、直流電流を交流電流に変換して前記アウターステータに供給するインバータと、前記直流電源と前記インバータとの間に設けられた昇圧回路と、を有し、前記リアクトルは、前記昇圧回路を構成する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、大電流を扱うためにサイズが大型化する傾向がある昇圧回路のリアクトルを、ロータの径方向内側に組み込むことで、装置全体の小型化に大きく寄与できる。

また、本発明においては、前記ロータヨークは、前記アウターステータと前記リアクトルとの磁気特性に応じた厚みを有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、アウターステータとリアクトルとの磁気特性に応じてロータヨークの厚みを十分に確保しておくことで、アウターステータからロータヨークに流れ込む磁束と、リアクトルからロータヨークに流れ込む磁束との干渉を起こさないようにすることができる。

本発明によれば、リアクトルの設置スペースを確保し、装置全体を小型化できるスイッチトリラクタンス回転機が得られる。

本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータの断面図である。 本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータの回路図である。 本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータのリアクトル直流重畳特性を示すグラフである。 本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータの出力とリアクトルに流す電流との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータの磁束密度分布とリアクトルに流す電流との関係を示す図である。

以下、本発明のスイッチトリラクタンス回転機について図面を参照して説明する。以下の説明では、スイッチトリラクタンス回転機としてスイッチトリラクタンスモータを例示する。

図１は、本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータ１の断面図である。図２は、本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータ１の回路図である。
スイッチトリラクタンスモータ１は、図１に示すモータ本体２と、モータ本体２を駆動させる図２に示すモータ駆動装置３と、を有する。

モータ本体２は、図１に示すように、ロータ１０と、アウターステータ２０と、リアクトル３０と、を有する。本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相モータであり、ステータ側の極数が１２個、ロータ側の極数が８個の３相１２／８極構造となっている。

ロータ１０は、例えば、電磁鋼板が軸方向（図１において紙面垂直方向）に複数積層された磁性体である。ロータ１０は、ロータヨーク１１と、ロータ突極１２と、を有する。ロータヨーク１１は、環状である。ロータヨーク１１の外周面１１ａには、ロータ突極１２が設けられている。ロータ突極１２は、外周面１１ａに複数設けられている。本実施形態のロータ突極１２は、外周面１１ａに４５°間隔で８個設けられている。

一方、ロータヨーク１１の内周面１１ｂには、ロータ突極１２が設けられていない。すなわち、内周面１１ｂの軸方向と直交する断面輪郭は、円である。また、内周面１１ｂの中心は、ロータ１０の回転中心と一致する。ロータヨーク１１は、径方向内側に空間部１３を有する。空間部１３は、内周面１１ｂによって囲まれる。空間部１３は、軸方向に延在する円柱状の空間である。

アウターステータ２０は、ロータ１０の外側に配置されている。アウターステータ２０は、ステータヨーク２１と、ステータ突極２２と、ステータコイル２３と、を有する。ステータヨーク２１は、磁性体から形成されている。ステータヨーク２１は、環状である。ステータ突極２２は、ステータヨーク２１と一体で設けられている。ステータ突極２２は、ステータヨーク２１から径方向内側に向かって突出している。

ステータ突極２２は、ステータヨーク２１の内周に３０°間隔で１２個設けられている。ステータコイル２３は、周方向で隣り合うステータ突極２２間に形成されるスロット開口部を利用して、ステータ突極２２のそれぞれに巻かれている。ステータコイル２３は、周方向に沿ってＵ相→Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相→…の順に相分けされて配置されている。ステータコイル２３には、駆動電流として三相交流電流がモータ駆動装置３から供給される。

モータ駆動装置３は、図２に示すように、直流電源４と、直流電流を交流電流に変換してアウターステータ２０のステータコイル２３に供給するインバータ５と、直流電源とインバータ５との間に設けられた昇圧回路６と、昇圧回路６の出力電圧を平滑する平滑コンデンサ７と、を有する。昇圧回路６は、リアクトル３０と、スイッチング素子８と、ダイオード９と、を有する。昇圧回路６は、周知のように、スイッチング素子８を交互にＯＮ／ＯＦＦし、リアクトル３０の磁気エネルギーの蓄積／放出を繰り返すことで、ダイオード９を介して平滑コンデンサ７を充電し、昇圧させるものである。

昇圧回路６を構成するリアクトル３０は、図１に示すように、ロータヨーク１１の径方向内側の空間部１３に配置されている。リアクトル３０は、モータ本体２の筐体に支持される。リアクトル３０は、コア３１と、コイル３２と、を有する。コア３１は、磁性体から形成されている。コア３１は、ヨーク部３３と、突部３４と、を有する。

ヨーク部３３は、環状である。ヨーク部３３の外周面３３ａには、突部３４が設けられている。突部３４は、外周面３３ａに複数設けられている。本実施形態の突部３４は、外周面３３ａに４５°間隔で８個設けられている。突部３４は、ロータヨーク１１の内周面１１ｂに対しギャップをあけて対向している。

コイル３２は、突部３４に巻かれている。コイル３２は、周方向で隣り合う突部３４を二つ一組として巻かれる第１コイル３２ａ、第２コイル３２ｂ、第３コイル３２ｃ、第４コイル３２ｄを有する。第１コイル３２ａ〜第４コイル３２ｄは、コア３１とロータヨーク１１とを通る閉磁路４０をそれぞれ形成する。本実施形態では、第１コイル３２ａ〜第４コイル３２ｄが並列接続されてリアクトル３０を構成している。なお、第１コイル３２ａ〜第４コイル３２ｄが直列接続されてリアクトル３０を構成してもよい。

上記構成によれば、図１に示すように、ロータヨーク１１の径方向内側に設けられた空間部１３にリアクトル３０が配置される。これにより、アウターステータ２０とロータ１０との間の基本的構造は変えずに、ロータ１０の径方向内側にリアクトル３０を組み込むことができる。したがって、モータ本体２の外側にリアクトル３０の設置スペースを確保する必要がなく、装置全体を小型化できる。

また、本実施形態のリアクトル３０は、昇圧回路６を構成するものであり、大電流を扱うためにサイズが大型化する傾向がある。したがって、このリアクトル３０を、ロータ１０の径方向内側に組み込むことで、装置全体の小型化に大きく寄与できる。すなわち、図２で示す点線で囲まれたモータ本体２とリアクトル３０が一つのハードとしてまとめられ、コンパクトになる。

本実施形態のリアクトル３０は、図１に示すように、環状のヨーク部３３及びヨーク部３３の外周面３３ａから突出してロータヨーク１１の内周面１１ｂに対しギャップをあけて対向する突部３４を有するコア３１と、突部３４に巻かれたコイル３２と、を有する。この構成によれば、コイル３２を巻いたコア３１の突部３４をロータヨーク１１の内周面１１ｂにギャップをあけて対向させ、コア３１とロータヨーク１１とを通る閉磁路４０を形成し、リアクトル３０のインダクタンスを大きくすることができる。ロータ１０が回転しても、ロータ突極１２が無い内周面１１ｂとコア３１の突部３４とのギャップは変化しないため、コア３１とロータヨーク１１との実効透磁率も変化せず、安定したリアクトル３０機能を持たせることができる。

図３は、本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータ１のリアクトル直流重畳特性を示すグラフである。図３に示すように、縦軸はインダクタンス［ｍＨ］であり、横軸は電流［Ａ］である。
図３は、ロータヨーク１１の内周面１１ｂとコア３１の突部３４とのギャップを０．５〜２ｍｍまで変化させたときの静磁場解析結果を示している。図３に示すように、ギャップが小さいほどインダクタンスが増加することが分かる。また、逆に、ギャップが大きいほど、幅広い電流領域で安定したインダクタンスを持つことが分かる。

また、本実施形態においては、ロータヨーク１１は、アウターステータ２０とリアクトル３０との磁気特性に応じた厚みを有する。図１に示すように、ロータヨーク１１の厚みを十分に確保しておくことで、アウターステータ２０からロータヨーク１１に流れ込む磁束と、リアクトル３０からロータヨーク１１に流れ込む磁束との干渉を起こさないようにすることができる。具体的に、ロータヨーク１１の径方向における厚みは、磁路となるロータ突極１２の径方向における長さの２倍以上であることが好ましい。また、ロータヨーク１１の径方向における厚みは、磁路となるロータ突極１２の周方向における幅以上であることが好ましい。

図４は、本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータ１の出力とリアクトル３０に流す電流との関係を示すグラフである。図５は、本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータ１の磁束密度分布とリアクトル３０に流す電流との関係を示す図である。
図４は、リアクトル３０に流す電流を０〜４００Ａまで変化させたときのスイッチトリラクタンスモータ１の出力（トルク）の変化を示している。図４に示すように、負荷率が８０〜１００％のいずれのスイッチトリラクタンスモータ１においても、リアクトル３０に流す電流によってスイッチトリラクタンスモータ１の出力に影響がないことが分かる。また、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す磁束密度分布からも明らかなように、リアクトル３０に電流を流した場合でも、ロータヨーク１１に十分な厚みを持たせているので、ロータ１０の磁束密度が飽和することがなく、スイッチトリラクタンスモータ１の出力の低下が生じずに運転できることが分かる。

このように、上述の本実施形態によれば、環状のロータヨーク１１及びロータヨーク１１の外周面１１ａから突出するロータ突極１２を有するロータ１０と、ロータ突極１２と対向するステータコイル２３を有するアウターステータ２０と、を有するスイッチトリラクタンスモータ１であって、ロータヨーク１１は、径方向内側に空間部１３を有し、空間部１３に配置されたリアクトル３０を有する、という構成を採用することによって、リアクトル３０の設置スペースを確保し、装置全体を小型化できるスイッチトリラクタンスモータ１が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、リアクトルを昇圧回路に使用した構成を例示したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、降圧回路、ＡＣリアクトル、ＤＣリアクトル等として使用してもよい。また、リアクトルが複数のコイルを含む場合、それぞれを同一の用途でなく別の用途で使用してもよい。

また、例えば、上記実施形態では、３相モータを例示して説明したが、本発明はこの構成に限定されることなく、２相モータ、４相モータ、５相モータ等にも適用することができる。また、３相モータにおいて１２／８極構造を例示して説明したが、本発明はこの極数に限定されず、例えば６／４極構造や１８／１２極構造等であってもよい。

また、例えば、上記実施形態では、本発明のスイッチトリラクタンス回転機を、モータに適用した構成について例示したが、本発明はこの構成に限定されることなく、発電機にも適用することができる。また、発電機においては、大型の風力発電機に好適に適用することができる。

１ スイッチトリラクタンスモータ（スイッチトリラクタンス回転機）
４ 直流電源
５ インバータ
６ 昇圧回路
１０ ロータ
１１ ロータヨーク
１１ａ 外周面
１１ｂ 内周面
１２ ロータ突極
１３ 空間部
２０ アウターステータ
２３ ステータコイル
３０ リアクトル
３１ コア
３２ コイル
３３ ヨーク部
３３ａ 外周面
３４ 突部

Claims (3)

1. 環状のロータヨーク及び前記ロータヨークの外周面から突出するロータ突極を有するロータと、前記ロータ突極と対向するステータコイルを有するアウターステータと、を有するスイッチトリラクタンス回転機であって、
   前記ロータヨークは、径方向内側に空間部を有し、
   前記空間部に配置されたリアクトルを有しており、
   前記リアクトルは、
   環状のヨーク部及び前記ヨーク部の外周面から突出して前記ロータヨークの内周面に対しギャップをあけて対向する突部を有するコアと、
   前記突部に巻かれたコイルと、を有し、
   前記ロータヨークの内周面は、円形に形成されている、ことを特徴とするスイッチトリラクタンス回転機。
2. 直流電源と、
   直流電流を交流電流に変換して前記アウターステータに供給するインバータと、
   前記直流電源と前記インバータとの間に設けられた昇圧回路と、を有し、
   前記リアクトルは、前記昇圧回路を構成する、ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンス回転機。
3. 前記ロータヨークは、前記アウターステータと前記リアクトルとの磁気特性に応じた厚みを有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチトリラクタンス回転機。

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