JP6586335B2 - スイッチトリラクタンスモータおよび電動カート - Google Patents

Description

本発明は、スイッチトリラクタンスモータおよび電動カートに関するものである。

従来から、ロータとステータの両方に突極を設けたスイッチトリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＲｅｌｕｃｔａｎｃｅＭｏｔｏｒ、以下ＳＲモータという）が知られている。ＳＲモータは、ステータに設けられている複数のステータ突極にそれぞれ巻線が巻装されており、この巻線に電流を供給することによりステータ突極を励磁する。そして、ステータ突極に生じた磁気的吸引力によって、ロータに設けられている複数のロータ突極を吸引して回転力を発生させる。

ここで、ＳＲモータは、ロータ突極を吸引して回転力を発生させるので、作動音が大きくなる。このため、作動音の発生原因の一つと考えられる駆動中のトルクリップルを小さくする技術が提案されている。
例えば、ロータ突極のステータ突極と対向する先端面で、かつ周方向両端部となる位置に、凸条部を設けたものがある。これによれば、ロータ突極の周方向両端部にかかるステータ突極の磁気的吸引力を弱めることができ、トルクリップルを小さくできる。ここで、凸条部の大きさは、突出高さで定義されている。

特開２００２−２９１２１２号公報

ところで、ステータ突極への巻線の占積率を向上させることにより、少ない電流でステータ突極に生じる磁界を大きくできる。このため、巻線の銅損低減を図る場合、ステータ突極の突極角を極力小さくすることが望ましい。
しかしながら、ステータ突極の突極角を小さくすると、ＳＲモータの平均トルクが低下してしまう可能性があった。また、例えばＳＲモータを電動カート等の駆動源として用いる場合、トルク低減に伴って起動性が低下してしまう可能性があった。

そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、巻線の占積率を向上させつつ、トルクの低下、起動性の低下を抑制できるスイッチトリラクタンスモータおよび電動カートを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータは、ステータと、該ステータの径方向中央に配置され、前記ステータに対して回転自在に設けられたロータと、を備え、前記ステータは、円筒状のステータコアと、該ステータコアの内周面から径方向中央に向かって突設された複数のステータ突極と、各ステータ突極に巻回される巻線と、を有し、前記ロータは、回転軸と、該回転軸に外嵌固定されるロータコアと、該ロータコアの外周面から径方向外側に向かって突設されたロータ突極と、を有するスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記ロータ突極の前記ステータ突極と対向する先端面側で、かつ周方向両側縁に、それぞれ軸方向に沿って同一形状の凸条部が設けられており、各前記凸条部は、周方向両側に向かうに従って先細りとなるように形成されており、基本ステップ角をθｓｔｅｐとし、前記ステータ突極の突極角をθｓとし、各前記凸条部の周方向先端間の角度をθｒとし、各前記凸条部の根元のうち、前記ロータ突極の基端側の根元間の離間角度をθｒ１とし、係数をＡとしたとき、前記基本ステップ角θｓｔｅｐ、前記突極角θｓ、前記周方向先端間の角度θｒ、前記離間角度θｒ１、および係数Ａは、
θｓｔｅｐ＝１５°
θｒ１＝１６°
θｒ−θｒ１＝Ａ（θｓｔｅｐ−θｓ）
｛（Ａ−２）θｓｔｅｐ＋θｒ１｝／Ａ＜θｓ＜θｓｔｅｐ
２≦Ａ≦８
を満たすように設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、ステータ突極の突極角θｓをできるかぎり小さく設定しつつ、ステータ突極による磁力によってロータ突極の先端面が吸引される範囲をできるかぎり大きく設定できる。また、ロータ突極の先端面が吸引される範囲をできるかぎり大きく設定しつつ、ロータを確実に回転させることができる。このため、ＳＲモータの巻線の占積率を向上させつつ、トルクの低下を抑制できる。

本発明に係るスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記係数Ａは、Ａ＝６に設定されており、前記ステータ突極の突極角θｓは、１２°≦θｓ≦１４°を満たすように設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、ＳＲモータの巻線の占積率をより確実に向上させつつ、トルクの低下をより確実に抑制できる。

本発明に係るスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記ステータ突極の個数は１２個、前記ロータ突極の個数は８個、前記巻線の前記ステータ突極ごとの巻回数は２４回、にそれぞれ設定されていると共に、前記周方向先端間の角度θｒは、θｒ＝２５°を満たすように設定されており、前記巻線は、前記ステータ突極に巻回された状態で径方向が長くなるように形成された断面長方形状の平角線であり、前記平角線の短手方向の寸法は１ｍｍ、前記平角線の長手方向の寸法は３ｍｍ、に設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、ＳＲモータの巻線の占積率を最大限高めることができ、さらに、トルクの低下も確実に抑制できる。

本発明に係る電動カートは、上記に記載のスイッチトリラクタンスモータと、前記スイッチトリラクタンスモータが搭載された車体と、前記車体に設けられ、前記スイッチトリラクタンスモータの動力によって回転駆動する車輪と、を備えたことを特徴とする。

上記ＳＲモータは、ロータを確実に回転させることができるので、ロータの回転位置によってロータが起動しない点（以下、不起動点という）を無くすことができる。このようなＳＲモータを電動カートに採用することにより、電動カートが駆動しない場合が生じることを確実に防止できる。

本発明によれば、ステータ突極の突極角θｓをできるかぎり小さく設定しつつ、ステータ突極による磁力によってロータ突極の先端面が吸引される範囲をできるかぎり大きく設定できる。また、ロータ突極の先端面が吸引される範囲をできるかぎり大きく設定しつつ、ロータを確実に回転させることができる。このため、ＳＲモータの巻線の占積率を向上させつつ、トルクの低下を抑制できる。

本発明の実施形態における電動カートの概略構成図である。 本発明の実施形態におけるステータおよびロータの断面図である。 本発明の実施形態におけるロータ突極の拡大図である。 本発明の実施形態におけるトルク最小値の変化を示すグラフである。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（電動カート）
図１は、電動カート１の概略構成図である。
同図に示すように、電動カート１は、遊戯用（カートレース用）などとして利用されるものである。なお、以下の説明では、進行方向前側を単に前側、進行方向後側を単に後側などと称して説明する。
電動カート１は、フレーム構造の車体２と、車体２の前部に回転自在に設けられたシャフト７ｂを介して設けられた前輪６ｂと、車体２の後部に回転自在に設けられた駆動シャフト７ａを介して設けられた後輪６ａと、駆動シャフト７ａに減速機構５を介して動力を伝達するＳＲモータ３と、を主構成としている。

ＳＲモータ３は、車体２の後部に設けられている。車体２の前後方向略中央で、車幅方向両側には、バッテリ４が設けられている。そして、ＳＲモータ３は、このＳＲモータ３を駆動するドライバ１０を介し、バッテリ４と電気的に接続されている。ドライバ１０は、コントローラ１２と共に、車体２の後部に設けられている。コントローラ１２は、ＳＲモータ３に対して供給される電力を制御するためのものである。

一方、車体２の前後方向略中央にはシート１１が設けられている。さらに、車体２の前部には、電動カート１を操作するためのハンドル８と、ＳＲモータ３の駆動力を制御するアクセルペダル７と、が設けられている。このアクセルペダル７のアクセル信号がコントローラ１２に入力され、ＳＲモータ３の駆動力が制御される。

また、車体２の車幅方向中央の前部には、操作パネル９が設けられている。この操作パネル９に、バッテリ４からＳＲモータ３への電力供給を可能または遮断するリレーを駆動するリレー駆動スイッチ、アクセルペダル７の踏み込み量を視覚化し表示するアクセル量インジケータ、コントローラ１２に対して電源電力を供給・遮断することにより、コントローラ１２の起動・停止を行うコントローラ電源スイッチ等（何れも不図示）が設けられている。

（ＳＲモータ）
次に、図２〜図４に基づいて、ＳＲモータ３について詳述する。
図２は、ＳＲモータ３のステータ２０およびロータ３０の断面図である。
同図に示すように、ＳＲモータ３は、略円筒状のステータ２０と、ステータ２０の内側に配置され、ステータ２０に対して回転自在に設けられたロータ３０と、を備えている。
なお、以下の説明では、ステータ２０の周方向、およびロータ３０の回転方向を単に周方向と称し、ステータ２０、およびロータ３０の径方向を単に径方向と称し、ステータ２０、およびロータ３０の軸方向を単に軸方向と称して説明する。

ステータ２０は、例えば電磁鋼板を複数積層して形成されるものであって、略円筒状のステータコア２１を有している。ステータコア２１の内周面２１ａには、複数（例えば、この実施形態では１２個）のステータ突極２２が径方向中央に向かって突設されている。各ステータ突極２２は、周方向に等間隔に配置されており、それぞれステータ突極２２に、巻線２３が巻装されている。

ここで、本実施形態では、ステータ突極２２（巻線２３）は、３相に構成されている。また、巻線２３は、断面略長方形状に形成されたいわゆる平角線により構成されている。巻線２３の短手方向の寸法Ｌｓは、約１ｍｍに設定されており、長手方向の寸法Ｌｌは、約３ｍｍに設定されている。また、巻線２３のステータ突極２２ごとの巻回数は２４回に設定されている。

一方、ロータ３０は、ステータ２０の径方向中央に配置され、ステータ２０に対して回転自在に設けられた回転軸３１を有している。回転軸３１にはロータコア３２が外嵌固定されている。
ロータコア３２は、例えば電磁鋼板を複数積層して略円柱状に形成されたものであって、径方向中央に、回転軸３１が圧入される圧入孔３２ａが形成されている。この圧入孔３２ａには、ロータコア３２と回転軸３１との相対回転を規制するためのキー３４（図３参照）が、ロータコア３２の中心Ｃ１に向かって突出形成されている。なお、回転軸３１には、キー３４と嵌め合わされる不図示のキー溝が形成されている。
また、ロータコア３２の外周面３２ｂには、複数（例えば、この実施形態では８個）のロータ突極３３が径方向外側に向かって突設されている。各ロータ突極３３は、周方向に等間隔に配置されている。

図３は、ロータ突極３３の拡大図である。
同図に示すように、ロータ突極３３のステータ突極２２と対向する先端側の端面３３ａは、ステータ突極２２側に向かって僅かに膨出するように湾曲形成されている。より具体的には、ロータ突極３３の端面３３ａは、その曲率半径の中心がロータコア３２の中心Ｃ１と一致するように円弧状に形成されている。
また、ロータ突極３３の端面３３ａ側には、周方向両側に、それぞれ軸方向に沿って同一形状の凸条部３５が一体成形されている。凸条部３５は、軸方向に直交する水平方向に沿う断面形状（図３の平面形状）が、ロータ３０の周方向両側に向かって先細りとなるように略三角形状に形成されている。

このような構成のもと、巻線２３に電流を供給すると、ステータ突極２２が励磁される。そして、ステータ突極２２に生じた磁気的吸引力によってロータ突極３３を吸引し、回転力を発生させる。この回転力は、図１に示すように、減速機構５を介して駆動シャフト７ａに伝達される。これにより、後輪６ａが回転し、電動カート１が走行する。
このとき、アクセルペダル７のアクセル信号に基づいて、コントローラ１２が各ステータ突極２２の巻線２３への電流供給タイミングを所定のタイミングでずらす。これにより、ＳＲモータ３の回転速度が制御される。

ここで、ＳＲモータ３は、ロータ３０の凸条部３５を、以下の条件を満たすように形成することにより、ＳＲモータ３のモータ性能を向上させている。すなわち、
基本ステップ角をθｓｔｅｐとし、ステータ突極２２の突極角をθｓ（図２参照）とし、凸条部３５の周方向先端間の角度をθｒとし、凸条部３５の根元部３５ａのうち、ロータ突極３３の基端側の根元間の離間角度をθｒ１とし、係数をＡとしたとき、
基本ステップ角θｓｔｅｐ、突極角θｓ、周方向先端間の角度θｒ、離間角度θｒ１、および係数Ａは、
θｒ−θｒ１＝Ａ（θｓｔｅｐ−θｓ） ・・・（１）
｛（Ａ−２）θｓｔｅｐ＋θｒ１｝／Ａ＜θｓ＜θｓｔｅｐ・・・（２）
２≦Ａ≦８ ・・・（３）
を満たすように設定されている。

なお、基本ステップ角θｓｔｅｐは、ＳＲモータ３の巻線２３に供給する電流を一回切り替えるごとの回転量（回転角度）であって、ＳＲモータ３（ステータ２０）の相数と、ロータ突極３３の数によって決定される。具体的には、相数をｍとし、ロータ突極３３の突極数をＮｒとしたとき、基本ステップ角θｓｔｅｐは、
θｓｔｅｐ＝３６０°／（ｍ・Ｎｒ） ・・・（４）
を満たすように設定される。
本実施形態では、ステータ２０の相数ｍが３相に設定されており、ロータ突極３３の突極数Ｎｒが８個に設定されているので、基本ステップ角θｓｔｅｐは、θｓｔｅｐ＝１５°となる。

ここで、係数Ａ、離間角度θｒ１、およびステータ突極２２の突極角θｓは、以下のように設定されていることが、より望ましい。すなわち、
係数Ａは、
Ａ＝６ ・・・（５）
に設定されており、
離間角度θｒ１は、
θｒ１＝１６° ・・・（６）
に設定されており、
ステータ突極２２の突極角θｓは、
１２°≦θｓ≦１４°・・・（７）
を満たすように設定されていることがより望ましい。

さらに、ステータ突極２２の個数は１２個、ロータ突極３３の個数は８個、基本ステップ角θｓｔｅｐは１５°、にそれぞれ設定されていると共に、周方向先端間の角度θｒ、および離間角度θｒ１は、
θｒ−θｒ１＝９°・・・（８）
を満たすように設定されていることが望ましい。

上記式（１）〜式（８）の理由について、図４に基づいて説明する。
図４は、縦軸をＳＲモータ３のトルク最小値［Ｎｍ］とし、横軸をステータ突極２２の突極角θｓ［°］とした場合のトルク最小値の変化を示すグラフであって、係数Ａごとに比較したものである。
なお、図４中、「通常形状」とは、ＳＲモータ３のロータ突極３３に凸条部３５が設けられていないものをいう。また、図４中破線で示した横ラインの「基準トルク最小値」とは、「通常形状」のＳＲモータにおけるステータ突極２２の突極角θｓが１５°に設定され、ロータ突極３３の突極角（離間角度θｒ１に相当）が１５°に設定されている場合のトルク最小値をいう。この「基準トルク最小値」よりもＳＲモータ３のトルク最小値が小さい場合、ＳＲモータ３のトルクが不足してロータ３０が回転しない（電動カートが起動しない：不起動点が生じる）場合がある。

同図に示すように、上記式（１）〜式（３）を満たすようにロータ突極３３の凸条部３５を形成することにより、ＳＲモータ３のトルク最小値が基準トルク最小値を上回ることが確認できる。とりわけ、上記式（５）〜式（７）を満たすようにロータ突極３３の凸条部３５を形成することにより、ＳＲモータ３のトルク最小値を格段に向上させることができる。さらに、上記式（５）〜式（７）に加え、ステータ突極２２の個数は１２個、ロータ突極３３の個数は８個、基本ステップ角θｓｔｅｐは１５°、にそれぞれ設定されている要件のもと、周方向先端間の角度θｒ、および離間角度θｒ１を式（８）を満たすように設定することにより、トルク最小値が最大になることが確認できる（図４における点Ｘ参照）。

したがって、上述の実施形態によれば、ステータ突極２２の突極角θｓをできるかぎり小さく設定しつつ、ステータ突極２２による磁力によってロータ突極３３の端面３３ａが吸引される範囲をできるかぎり大きく設定できる。また、ロータ突極３３の端面３３ａが吸引される範囲をできるかぎり大きく設定しつつ、ロータ３０を確実に回転させることができる。このため、ＳＲモータ３の巻線の占積率を向上させることができる。具体的には、ステータ突極２２の個数が１２個、ロータ突極３３の個数が８個の条件のもと、ステータ突極２２ごとに巻線２３を２４回巻回できる。そして、ＳＲモータ３のトルクの低下を抑制できる。

ここで、ステータ突極２２の個数が１２個、ロータ突極３３の個数が８個、基本ステップ角θｓｔｅｐが１５°に設定されている場合において、上記式（８）を満たすように凸条部３５を形成することにより、ＳＲモータ３を確実に回転させることができる。
すなわち、凸条部３５の突出高さを大きくし過ぎると、任意のステータ突極２２と任意のロータ突極３３とが対向した際、凸条部３５が隣接するステータ突極２２に近づき過ぎてＳＲモータ３が回転しなくなる不起動点が生じるおそれがある。しかしながら、上記式（８）を満たすように、凸条部３５を形成することにより、確実にＳＲモータ３を起動でき、電動カート１を確実に走行させることができる。

また、上記式（５）〜式（７）を満たすようにロータ突極３３の凸条部３５を形成することにより、ＳＲモータ３のトルク性能を向上させることができる。
さらに、巻線２３は、断面略長方形状に形成されたいわゆる平角線により構成されている。巻線２３の短手方向の寸法Ｌｓは、約１ｍｍに設定されており、長手方向の寸法Ｌｌは、約３ｍｍに設定されている。このため、ステータ突極２２に巻回されている巻線２３間の隙間を極力減少させることができる。よって、ステータ２０の巻線２３の占積率を、より確実に向上できる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、ステータ２０は、ステータ突極２２を１２個備え、ロータ３０は、ロータ突極３３を８個備えている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、ＳＲモータ３として成立可能な関係であれば、ステータ突極２２の数、およびロータ突極３３の数を任意に設定することができる。この場合、ロータ突極３３に一体成形されている凸条部３５は、少なくとも上記式（１）〜式（３）を満たすように形成されていればよい。

また、上述の実施形態では、ＳＲモータ３は、電動カート１の駆動源として用いられている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、さまざまな電動装置にＳＲモータ３を用いることが可能である。

さらに、上述の実施形態では、巻線２３は断面略長方形状に形成されたいわゆる平角線であって、巻線２３の短手方向の寸法Ｌｓは、約１ｍｍに設定されており、長手方向の寸法Ｌｌは、約３ｍｍに設定されている場合について説明した。また、巻線２３のステータ突極２２ごとの巻回数は２４回に設定されている場合について説明した。しかしながら、これらに限られるものではなく、巻線２３の形状は、任意に決定することができる。
例えば、巻線２３に断面略円形状の丸線を採用することも可能である。さらに、巻線２３の巻回数もＳＲモータ３の仕様に応じて任意に設定することが可能である。

１…電動カート、２…車体、３…ＳＲモータ、６ａ…後輪（車輪）、６ｂ…前輪（車輪）、２０…ステータ、２１…ステータコア、２１ａ…内周面、２２…ステータ突極、２３…巻線、３０…ロータ、３１…回転軸、３２…ロータコア、３２ｂ…外周面、３３…ロータ突極、３５…凸条部、３５ａ…根元部

Claims (4)

1. ステータと、
   該ステータの径方向中央に配置され、前記ステータに対して回転自在に設けられたロータと、
   を備え、
   前記ステータは、
   円筒状のステータコアと、
   該ステータコアの内周面から径方向中央に向かって突設された複数のステータ突極と、
   各ステータ突極に巻回される巻線と、
   を有し、
   前記ロータは、
   回転軸と、
   該回転軸に外嵌固定されるロータコアと、
   該ロータコアの外周面から径方向外側に向かって突設されたロータ突極と、
   を有するスイッチトリラクタンスモータにおいて、
   前記ロータ突極の前記ステータ突極と対向する先端面側で、かつ周方向両側縁に、それぞれ軸方向に沿って同一形状の凸条部が設けられており、
   各前記凸条部は、周方向両側に向かうに従って先細りとなるように形成されており、
   基本ステップ角をθｓｔｅｐとし、前記ステータ突極の突極角をθｓとし、各前記凸条部の周方向先端間の角度をθｒとし、各前記凸条部の根元のうち、前記ロータ突極の基端側の根元間の離間角度をθｒ１とし、係数をＡとしたとき、
   前記基本ステップ角θｓｔｅｐ、前記突極角θｓ、前記周方向先端間の角度θｒ、前記離間角度θｒ１、および係数Ａは、
   θｓｔｅｐ＝１５°
   θｒ１＝１６°
   θｒ−θｒ１＝Ａ（θｓｔｅｐ−θｓ）
   ｛（Ａ−２）θｓｔｅｐ＋θｒ１｝／Ａ＜θｓ＜θｓｔｅｐ
   ２≦Ａ≦８
   を満たすように設定されていることを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
2. 前記係数Ａは、
   Ａ＝６
   に設定されており、
   前記ステータ突極の突極角θｓは、
   １２°≦θｓ≦１４°
   を満たすように設定されてい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モータ。
3. 前記ステータ突極の個数は１２個、前記ロータ突極の個数は８個、前記巻線の前記ステータ突極ごとの巻回数は２４回、にそれぞれ設定されていると共に、前記周方向先端間の角度θｒは、
   θｒ＝２５°
   を満たすように設定されており、
   前記巻線は、前記ステータ突極に巻回された状態で径方向が長くなるように形成された断面長方形状の平角線であり、
   前記平角線の短手方向の寸法は１ｍｍ、前記平角線の長手方向の寸法は３ｍｍ、
   に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載のスイッチトリラクタンスモータと、
   前記スイッチトリラクタンスモータが搭載された車体と、
   前記車体に設けられ、前記スイッチトリラクタンスモータの動力によって回転駆動する車輪と、
   を備えたことを特徴とする電動カート。

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