JP6541532B2 - 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（Switched Reluctance Motor：以下、ＳＲモータと略記する）に関し、特に、３相ＳＲモータの作動効率向上技術に関する。

近年、レアアース価格の高騰を背景に、ロータに永久磁石を使用しないＳＲモータが着目されており、構造が簡単で堅牢であることから、エンジンスタータの駆動源など、その利用が拡大している。例えば、特許文献１には、空気調和機や自動車等に使用されるＳＲモータが記載されており、６突極のステータ内に４突極のロータを配した構成のモータが示されている。ＳＲモータでは、特許文献１と同様に、通常、ステータ：ロータ＝３：２且つ偶数の突極構成が採用されており、ステータの各突極に巻装されたコイルを順次励磁することによりステータ内に回転磁界を形成し、ロータを連続的に回転させている。

特開２００２−２７２０７１号公報 特開２００６−２４６５７１号公報

しかしながら、上述の様な突極構成のＳＲモータは、図６に示すように、各相の磁路が隣り合う相を跨ぐ形で形成される。すなわち、例えば図６のＵ相は、Ｖ,Ｗ相の突極５１Ｖ,５１Ｗを跨いで、対向する突極５１Ｕ間で磁路を形成する（図６破線ＦＰ）。このため、各相の磁路が長くなってしまい、モータの作動効率が悪くなってしまうという問題があった。

これに対し、磁路を短くするべく、極ごとに独立した磁路を持つよう構成したセグメントタイプのＳＲモータ（ＶＲ型ＳＲモータ）も存在する（特許文献２）。しかしながら、このタイプのモータは、部品点数が多く構造も複雑であることから、構造が簡単で堅牢というＳＲモータの特長を生かし切れず、また、製品コストも高くなるという課題があった。

本発明の目的は、部品点数の増加や構造の複雑化を抑えつつ磁路を最短化し、作動効率の良いＳＲモータを提供することにある。

本発明のスイッチドリラクタンスモータは、径方向内側に向かって突設された複数の突極と該突極のそれぞれに巻装されたコイルとを備えたステータと、該ステータの内側に配置され径方向外側に向かって突設された複数の突極を備えたロータと、を有し、前記コイルに対して３相の電流を供給することにより前記ステータ内に回転磁界を形成して前記ロータを回転させるスイッチドリラクタンスモータであって、前記ステータの前記突極と前記ロータの前記突極の個数が、ステータ：ロータ＝６ｎ：７ｎ、９ｎ：８ｎ又は９ｎ：１０ｎ（ｎは０以外の整数）であり、前記ステータの前記突極は、隣接する３個の前記突極により３個の極対を形成し、該極対を形成する３個の前記突極は、隣接する前記突極同士が異なる磁極に励磁され、前記極対はそれぞれ前記３相のうちの１相のみを構成し、前記１相の磁気回路は前記各極対内に形成され、前記磁気回路は、前記極対の前記３個の突極のうち中心に位置する前記突極から左右の前記突極を通る２つの磁路を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、３相通電駆動のＳＲモータにて、ステータの突極（ステータ突極）とロータの突極（ロータ突極）の個数を、ステータ：ロータ＝６ｎ：７ｎ、９ｎ：８ｎ又は９ｎ：１０ｎ（ｎは０以外の整数）とすると共に、複数個のステータ突極にて単一相の極対を形成し、各相の突極を集中配置する。また、各相の磁路を、極対内にて隣接する突極内に形成する。これにより、対向する突極間に各相磁路が形成される従来のＳＲモータに比して、各相の磁路長が大幅に短縮され、モータ効率が向上し、投入電流の削減や出力向上が図られる。

前記ＳＲモータにおいて、前記ステータの前記突極を、前記極対内にて隣接する前記突極間の間隔と、隣接する前記極対間にて隣接する前記突極間の間隔が異なるように配置しても良い。

また、前記ステータを、前記極対を含み各相ごとに分割された複数の分割ステータから構成しても良い。本発明にあっては、各相の磁路が極対内に形成されるため、ステータを分割しても磁気損失がなく、分割ステータ構造とすることにより、巻線作業が容易となる。この場合、前記分割ステータを、隣接する該分割ステータ間に空間を設けた状態で、周方向に沿って分散配置するようにしても良い。

さらに、前記極対においては、前記各突極間に形成されたスロットの底面を平面とし、前記突極を並行に立設するようにしても良い。これにより、コイルの巻線がさらに容易となる。この場合、前記ステータの内周を、前記極対の前記底面により略六角形状に形成しても良い。加えて、前記極対内の同相を為す前記コイルを前記突極に連続的に巻装しても良く、これにより、巻線時間の短縮が図られる。

本発明によれば、３相通電駆動のＳＲモータにて、ステータ突極とロータ突極の個数を、ステータ：ロータ＝６ｎ：７ｎ、９ｎ：８ｎ又は９ｎ：１０ｎ（ｎは０以外の整数）とすると共に、隣接する複数のステータ突極により複数個の極対を形成し、各極対内にて１相の磁気回路を構成するようにしたので、各相の磁路が極対内に形成され、磁路長を最短化することが可能となる。このため、従来のＳＲモータに比して、モータ効率を向上させることでき、投入電流の削減や出力向上が図ることが可能となる。

本発明の実施の形態１であるＳＲモータの構成を示す説明図である。 図１のＳＲモータの変形例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２であるＳＲモータの構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態３であるＳＲモータの構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態４であるＳＲモータの構成を示す説明図である。 従来のＳＲモータの構成を示す説明図である。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態１であるＳＲモータの構成を示す説明図である。図１のＳＲモータ１は、インナーロータ型のブラシレスモータであり、図示しないモータケース内に固定されたステータ２と、ステータ２の内側に回転自在に配置されたロータ３とを備えている。ステータ２は、薄板の電磁鋼板を多数積層したステータコア４を有しており、ステータコア４は、リング状のヨーク部５と、ヨーク部５から径方向内側（中心方向）に向かって放射状に突設された突極６とから構成されている。隣接する突極６の間はスロット７となっており、ＳＲモータ１では、突極６は周方向に沿って９個設けられている。

ＳＲモータ１では、ステータ２側の突極６が、３個ずつを１組とした極対８を形成している。ＳＲモータ１は３相通電駆動（以下、３相駆動と略記する。２相駆動，４相駆動も同様。）となっており、極対８は３個（８Ｕ,８Ｖ,８Ｗ）設けられている。各極対８Ｕ,８Ｖ,８Ｗは、１２０°間隔にて等分に配置されている。極対８内の各突極６は、３６°間隔にて等分に配置されている。隣接する極対８の間は４８°の間隔が設けられており、ＳＲモータ１の突極６は不等ピッチ配置となっている。突極６の外周にはコイル９が巻装されている。コイル９は複数相の相コイル（ここでは、Ｕ相コイル９Ｕ,Ｖ相コイル９Ｖ,Ｗ相コイル９Ｗの３組）からなり、各極対８内のコイル９は同相となっている。なお、３相駆動以外、例えば２相駆動では正逆転駆動が困難であり機能が制限され、４相以上では制御が複雑化しドライバが高価となるため、本発明によるＳＲモータ１は３相駆動を採用している。

ステータ２の内側にはロータ３が挿入されている。ロータ３は、回転軸１１と、回転軸１１に固定されたロータコア１２とから構成されている。ロータコア１２もまた、薄板の電磁鋼板を多数積層して形成されている。ロータコア１２の外周には、径方向に向かって突極１３が突設されている。突極１３は、周方向に沿って１０個等分に設けられており、各極対８内の突極６と同じ３６°間隔にて配置されている。ＳＲモータ１の各突極６,１３の個数は、ステータ：ロータ＝９：１０となっており、ステータ２の突極６が奇数となっている。

ＳＲモータ１では、ロータ３の回転角度を図示しないレゾルバにて検出している。各相コイル９Ｕ,９Ｖ,９Ｗは、ロータ３の角度位置に応じて順次励磁される。励磁されたコイル９が巻装された突極６は順次磁極となり、ステータ２内には３相（Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相）の回転磁界が形成される。ロータ３の突極１３は磁化された突極６に吸引され、これによりステータ２の内側にてロータ３が回転し、ＳＲモータ１が作動する。この場合、ロータ３の突極は均等配置され、ステータ２の突極は不均等配置となっているが、隣接相間の角度は均等配置の場合と同様（１２０°間隔）であるため、トルク波形は均等となる。

このような構成のＳＲモータ１は、各相突極を集中配置した構成となっているため、図１に示すように、各相の磁路は極対８内にて隣接する突極６間に形成される。すなわち、各相磁路が極対８内にて完結し、磁路長が最小化される。このため、他相の突極を跨ぎ、対向突極間にて磁路を形成する従来のＳＲモータ（図６）に比して、磁路長を大幅に短縮することが可能となる。従って、磁路短縮に伴い磁気抵抗が低下し、全磁束も増大するため、モータの作動効率が高くなり、投入電流の削減、あるいは、出力向上（同じ電流量の場合の出力アップ）が図られる。

また、図１のＳＲモータ１では、各相のコイル９を連続巻線にて形成することができる。図６のような従来のＳＲモータでは、対向する突極に巻線を行うため、それぞれを個別に巻装し、さらに、それらを接続するためのバス配線が必要となる。このため、各相コイルを連続巻線することができず、しかも配線も長く複雑となる。これに対し、本発明によるＳＲモータ１は、連続巻線可能であり、長いバス配線も不要となる。従って、巻線作業が効率化され、その分、製造コストの低減が可能となる。

さらに、従来のＳＲモータは、例えば図６の構成の場合、対向する突極間が励磁される構成のため、励磁時に突極間に吸引力が働きステータがその方向に変形する（楕円状に歪む）。これは、図６の２倍の１２突極ステータ・８突極ロータのＳＲモータでも同様であり、その場合は四方に力が働きステータが変形する（四角状に歪む）。ＳＲモータの大きな課題として音の問題があり、その原因として上述のようなステータの変形も挙げられている。その点、本発明によるＳＲモータ１は、３極構成により、半径方向力が三方に分散されるため、ステータの磁気歪みが抑えられる。このため、従来のＳＲモータに比して騒音振動を低減させることができ、ＳＲモータの低騒音・低振動化が図られる。

一方、ＳＲモータ１では、各相はそれぞれ独立し、各相の磁路が極対８内のみに形成されるため、各相の磁路が相互に交錯しない。このため、ステータコア４を周方向に沿って各相部分に分割し、複数の分割ステータ１４（１４Ｕ,１４Ｖ,１４Ｗ）にてステータ２を形成しても磁気損失がない。また、図２に示すように、分割ステータ１４を締結しなくても、モータとして成立する。すなわち、隣接する分割ステータ１４間に空間１５を設けた状態で、分割ステータ１４を周方向に沿って分散配置しても良い。なお、ステータ２をそのまま分割し、それらを締結して連続する円環状のステータとすることも勿論可能である。

このような分割ステータ構造とした場合、各コイル９の巻線が容易であり、工数削減が図られる。さらに、ＳＲモータ１では、分割ステータ１４を円環状に締結する必要がなく、図２のような分散配置形態を採用することも可能である。これにより、分割ステータの組み付けに起因する変形や寸法誤差等の問題がなく、製品の歩留まりも改善される。また、分割ステータ１４間が空間１５となっているため、各相部分の磁束漏れも抑えられ、モータ効率もさらに向上する。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２であるＳＲモータ２１の構成を示す説明図である。なお、以下の実施の形態では、実施の形態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。

ＳＲモータ２１は、ステータ２２が９突極、ロータ２３が８突極の構成となっている（ステータ：ロータ＝９：８）。ＳＲモータ２１も３相駆動となっており、ステータ２側の突極６が、３個ずつを１組とした極対８を形成している。各極対８Ｕ,８Ｖ,８Ｗは、１２０°間隔にて等分に配置されている。極対８内の各突極６は、４５°間隔にて等分に配置されている。隣接する極対８の間は３０°の間隔が設けられている。一方、ロータ２３の突極１３は、周方向に沿って８個等分に設けられており、各極対８内の突極６と同じ４５°間隔にて配置されている。

ＳＲモータ２１も、実施の形態１のＳＲモータ１と同様に、各相磁路が極対８内の隣り合う突極６内に形成され、磁路長が最小化されるため、モータの作動効率向上が図られる。また、前述同様、各相のコイル９は連続巻線可能であり、巻線作業も効率化される。さらに、ＳＲモータ２１も３極構成のため、半径方向力が三方に分散され、騒音振動の低減が図られる。加えて、ＳＲモータ２１においても、各相部分を分割コアとして形成し、図２に示すように、それらを締結しない形態が可能である。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３であるＳＲモータ３１の構成を示す説明図である。ＳＲモータ３１は、ステータ３２が６突極、ロータ３３が７突極の構成となっている（ステータ：ロータ＝６：７）。ＳＲモータ３１も３相駆動となっており、ステータ２側の突極６が、３個ずつを１組とした極対８を形成している。各極対８Ｕ,８Ｖ,８Ｗは、１２０°間隔にて等分に配置されている。極対８内の各突極６は、５１°２５’４３”（３６０°／７）間隔にて等分に配置されている。隣接する極対８の間は６８°３４’１７”（１２０°−３６０°／７）の間隔が設けられている。一方、ロータ３３の突極１３は、周方向に沿って７個等分に設けられており、各極対８内の突極６と同じ５１°２５’４３”間隔にて配置されている。

ＳＲモータ３１も、実施の形態１のＳＲモータ１と同様に、最短磁路が可能となるため、モータの作動効率向上が図られる。また、前述同様、各相のコイル９は連続巻線可能であり、巻線作業も効率化される。さらに、ＳＲモータ２１も３極構成のため、半径方向力が三方に分散され、騒音振動の低減が図られる。加えて、ＳＲモータ２１においても、各相部分を分割コアとして形成し、図２に示すように、それらを締結しない形態が可能である。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４であるＳＲモータ４１の構成を示す説明図である。ＳＲモータ４１は、実施の形態１のＳＲモータ１の突極数を２倍としたものであり、ステータ４２が１８突極、ロータ４３が２０突極の構成となっている（ステータ：ロータ＝１８：２０）。ＳＲモータ４１も３相駆動となっており、ステータ２側の突極６が、３個ずつを１組とした極対８を形成しているが、ここでは、各相の極対が２個ずつ設けられている。従って、各極対８Ｕ,８Ｖ,８Ｗは、６０°間隔にて等分に配置されており、同相の極対８は１８０°対向して配置されている（８Ｕａ,８Ｖａ,８Ｗａ；８Ｕｂ,８Ｖｂ,８Ｗｂ）。また、極対８内の各突極６は、１８°間隔にて等分に配置されている。隣接する極対８の間は２４°の間隔が設けられている。一方、ロータ４３の突極１３は、周方向に沿って２０個等分に設けられており、各極対８内の突極６と同じ１８°間隔にて配置されている。

ＳＲモータ４１では、ステータ４２の内周が略六角形状となっている。各相の極対８Ｕ,８Ｖ,８Ｗ部分では、スロット７の底面４４が平面となっており、隣接するスロット７の底面４４間も面一に形成されている。また、極対８内においては、各突極６は並行に立設されており、突極６の側面４５も並行に配置されている。各極対８部分をこのような形に形成することにより、実施の形態１のＳＲモータ１の優位点に加え、コイル９の巻線がさらに容易となる。従って、フライヤ巻線機にて同相のコイル９を一気に連続巻線することが可能となり、コイルの占積率も増大させることが可能となる。この場合、図２の場合と同様に、ステータ４２の各極対８の部分を分割形成し締結することも可能であり（図２のような分散配置も可能）、これにより、巻線作業をさらに容易化することが可能となる。

本発明は前記実施形態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、前述の実施形態では、突極個数をステータ：ロータ＝９：１０，９：８，６：７とした例を示したが、実施の形態４に示したように、両者の比を前述の整数倍としたものでも同様の作用・効果を得ることが可能である。

本発明によるＳＲモータは、エンジンスタータの駆動源のみならず、掃除機や洗濯機ななどの家電製品や、空調機器などの産業機器など、モータを駆動源とする電気機器に広く適用可能である。

１ ＳＲモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ ステータコア
５ ヨーク部
６ 突極
７ スロット
８ 極対
８Ｕ Ｕ相の極対
８Ｖ Ｖ相の極対
８Ｗ Ｗ相の極対
９ コイル
９Ｕ Ｕ相コイル
９Ｖ Ｖ相コイル
９Ｗ Ｗ相コイル
１１ 回転軸
１２ ロータコア
１３ 突極
１４ 分割ステータ
１５ 空間
２１ ＳＲモータ
２２ ステータ
２３ ロータ
３１ ＳＲモータ
３２ ステータ
３３ ロータ
４１ ＳＲモータ
４２ ステータ
４３ ロータ
４４ 底面
４５ 側面
５１Ｕ,５１Ｖ,５１Ｗ 突極
ＦＰ 磁路

Claims (7)

1. 径方向内側に向かって突設された複数の突極と該突極のそれぞれに巻装されたコイルとを備えたステータと、該ステータの内側に配置され径方向外側に向かって突設された複数の突極を備えたロータと、を有し、前記コイルに対して３相の電流を供給することにより前記ステータ内に回転磁界を形成して前記ロータを回転させるスイッチドリラクタンスモータであって、
   前記ステータの前記突極と前記ロータの前記突極の個数が、ステータ：ロータ＝６ｎ：７ｎ、９ｎ：８ｎ又は９ｎ：１０ｎ（ｎは０以外の整数）であり、
   前記ステータの前記突極は、隣接する３個の前記突極により３個の極対を形成し、該極対を形成する３個の前記突極は、隣接する前記突極同士が異なる磁極に励磁され、
   前記極対はそれぞれ前記３相のうちの１相のみを構成し、前記１相の磁気回路は前記各極対内に形成され、前記磁気回路は、前記極対の前記３個の突極のうち中心に位置する前記突極から左右の前記突極を通る２つの磁路を備えることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
2. 請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータにおいて、
   前記ステータの前記突極は、前記極対内にて隣接する前記突極間の間隔と、隣接する前記極対間にて隣接する前記突極間の間隔を異にすることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
3. 請求項１又は２記載のスイッチドリラクタンスモータにおいて、
   前記ステータは、前記極対を含み各相ごとに分割された複数の分割ステータからなることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
4. 請求項３記載のスイッチドリラクタンスモータにおいて、
   前記分割ステータは、隣接する該分割ステータ間に空間を設けた状態で、周方向に沿って分散配置されることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載のスイッチドリラクタンスモータにおいて、
   前記極対は、隣接する前記突極間に形成されたスロットの底面が平面であり、
   前記極対内において、前記突極は並行に立設されていることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
6. 請求項５記載のスイッチドリラクタンスモータにおいて、
   前記ステータの内周は、前記極対の前記底面により略六角形状に形成されていることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のスイッチドリラクタンスモータにおいて、
   前記極対内の同相を為す前記コイルは、前記突極に連続的に巻装され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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