JP6670709B2 - 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、適宜ＳＲモータと略記する)に関し、特に、２相駆動のＳＲモータにおける出力向上技術に関する。

近年、レアアース価格の高騰などを背景に、ロータに永久磁石を使用しないモータとしてＳＲモータの需要が増大している。ＳＲモータは、磁気抵抗を利用してロータを回転させるモータであり、磁束量の変化により回転力を発生させる。ＳＲモータは、複数のティースが内向きに形成されたステータと、ステータの内側に配置され外向きに形成された複数の突極を備えたロータと、を有している。ティースには励磁コイルが巻装されており、各励磁コイルを選択的に通電することにより、ステータのティースにロータの突極が吸引されロータが回転する。この場合、磁気抵抗が低くなる方向に向かって突極が吸引され、回転力が生じる。その後、ティースと突極が整列し磁気抵抗が極小となると回転力が失われるが、その前に隣接する他相に電流路を切り替えることにより、ロータが継続的に回転する。

このようなＳＲモータは、構造が簡単で堅牢であることから、従来、家電製品に多く利用されてきたが、昨今ではエンジンスタータの駆動源などにも、その利用範囲が拡大している。さらに、制御技術の向上に伴い、ＳＲモータを発電機（ジェネレータ）として使用することも容易となり、昨今では、スタータ・ジェネレータ（始動発電機）・システムへの適用も増加している。

一方、ＳＲモータには、大きく分けて、２相駆動のものと、３相駆動のもの、４相以上の多相駆動のものが存在する。この場合、２相駆動のＳＲモータは、他のものに比して、回転速度に対してスイッチング周波数が低いため鉄損が少なく、コイルの通電率も１／２となり、３相駆動・多相駆動（ｎ相駆動にて１／ｎ；３相駆動の場合１／３）に比して高出力となるというメリットがある。また、駆動回路に使用する素子数、特に、パワーデバイス数も少ないため、駆動装置も安価に構成できる。

このように、２相駆動のＳＲモータは、安価で高出力が出せる反面、回転方向が一方向に限られるというデメリットがある。また、構造上、ステータとロータの突極同士が整列するデッドトルク区間が存在することから、そのままでは起動できず、また、回転方向も決まらない。このため、回転方向を定め、モータとして連続回転を続けるため、従来より、ロータ突極５１の外周に段差５２を設けるステップギャップ方式（図６（ａ））や、ロータ突極５１に中抜き部５３を形成する中空方式（図６（ｂ））などの手法が用いられている。すなわち、段差や中空部を設けることにより、インダクタンスに変化を持たせ、次相突極方向に突極を移動するためのきっかけとしている。

特開２０１５−１７１１８１号公報

しかしながら、図６の各方式を採用すると、段差部分や中空部分と本来的な突極部分が連続しているため、両部位のインダクタンス比が小さく、出力が得にくいという問題があった。また、図６（ａ）の方式の場合、段差部分ではエアギャップが増加するため、その分、出力が低下するという問題もあった。

本発明の目的は、２相ＳＲモータにおいて、起動性や連続回転性を損なうことなく、モータ出力の向上を図り、もって、安価で高トルクというメリットを生かし得る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ティースと、該ティース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部を備えたロータと、を有し、前記コイルに対し２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、前記突極部は、第１突極と、該第１突極の前記ロータ回転方向前方側に設けられ前記第１突極と空隙部によって隔離された第２突極と、を有し、前記第１突極は、その外周部の前記第２突極側に、前記ロータ回転方向前方側に延びる延設部を有し、前記空隙部は、径方向に沿って、前記ロータの円筒外周面の位置まで設けられていることを特徴とする。

本発明にあっては、スイッチドリラクタンスモータのロータ突極部を、第１突極と、第１突極と空隙部にて隔離された第２突極とを備えた構成とすると共に、第１突極の外周部の第２突極側にロータ回転方向前方側に延びる延設部を設けることにより、所定方向への起動と連続回転が可能となり、従来の２相ＳＲモータに比して出力向上も図られる。このため、２相ＳＲモータにおける課題、すなわち、デッドトルク区間があり、連続回転維持のため段差や中空部を設けると出力が低下するというデメリットを克服し、安価で高トルクという２相ＳＲモータのメリットを生かすことが可能となる。

前記スイッチドリラクタンスモータにおいて、前記第２突極を、径方向外側に頂点が配された断面略三角形状に形成しても良い。その場合、前記第２突極の前記頂点が前記ティースの角部と対向した状態で、前記第１突極の前記空隙部に臨んだ端面の基端部を、前記ティースの周方向端面の延長線上に位置するよう配置しても良い。また、前記第１突極の周方向寸法Ｗ１を、前記ティースの周方向寸法Ｗ２よりも大きく形成しても良い。

本発明のスイッチドリラクタンスモータによれば、ロータの突極部を、第１突極と、第１突極と空隙部にて隔離された第２突極とを備えた構成とすると共に、第１突極の外周部の第２突極側にロータ回転方向前方側に延びる延設部を設けたので、起動性や連続回転性を損なうことなく、モータ出力の向上を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モータにおける励磁コイルの接続状態を示す説明図である。 図１のＸ部の拡大図である。 本発明によるＳＲモータ１のトルク波形と、図６のような従来のＳＲモータのトルク波形、段差や中空部を設けない単純な構造の突極を使用した２相ＳＲモータのトルク波形をそれぞれ示した説明図である。 実施の形態２であるＳＲモータにおける突極部の構成を示す説明図である。 従来の２相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、励磁コイル（巻線）２を有するステータ３と、ステータ３内に回転自在に配置されたロータ４とを備えており、例えばエンジンのスタータ・ジェネレータ(ＩＳＧ：Integrated Starter Generator)などに使用される。ステータ３には、径方向内側に向かって突設された複数（ここでは１６個）のティース５が、周方向に沿って等分に設けられている。各ティース５には、２相（Ａ相,Ｂ相）の励磁コイル２（以下、コイル２と略記する）が巻装されている。ロータ４の外周には、径方向外側に向かって突設された複数（ここでは８個）の突極部６が設けられている。

当該ＳＲモータ１では、ステータ３は、４個のコアブロック７を環状に配したブロック集成構造となっている。コアブロック７は、４個のティース５を分割ヨーク８と共に１ブロック化した構成となっている。１ブロック内のティース５には、Ａ相とＢ相のコイル２が２個ずつ交互に巻装されている。各相のコイル２は、図２に示すように、Ｕ１,Ｕ２のように同ブロック内は直列に接続される一方、各ブロック間は並列（Ｕ１,Ｕ２とＵ３,Ｕ４など）に接続されている（２直４並列）。

このように、ステータ３をブロック化することにより、図中のＡ１,Ｂ１のような、枝分かれしない１方向の磁気ループを形成できる。このため、常に回転方向に磁場を構成することができ、トルクアップやモータ効率の向上が図られる。また、コイル巻装の際も、挿入ボビンを用いることなく連続巻線が可能となり、生産効率の改善が図られる。さらに、ステータ３を形成する積層鋼板も製造が容易となり、材料ロスも削減できる。加えて、ブロック集成構造は、各ティースごとに分割された分割コア構造に比して結合精度が高く、径方向のサイズが大きいモータにおいても結合保持強度を確保することができる。一般に、扁平で径の大きいモータでは、歩留まり改善のため分割コア構造が採用されることが多いが、ＳＲモータのように径大なモータでは、ブロック集成構造は、結合精度や結合保持強度の点で特に有利である。

ＳＲモータ１では、ロータ４の回転位置は、レゾルバ等の図示しない回転位置検出センサによって検知されている。そして、ロータ回転位置に応じて、Ａ相,Ｂ相のコイル２を選択的に通電することにより、ステータ３のティース５にロータ４の突極部６が磁気吸引され、ロータ４に回転トルクが発生してＳＲモータ１が回転駆動する。このとき、本発明によるＳＲモータ１では、起動性や連続回転性を確保しつつ、モータ出力の向上を図るべく、ロータ４の突極部６が図３のような構造となっている。

図３は図１のＸ部の拡大図であり、図３に示すように、突極部６は、主ポール（第１突極；主突極）１１と、主ポール１１のロータ回転方向前方側に設けられた補助ポール（第２突極；補助突極）１２とから構成されている。主ポール１１と補助ポール１２の間には空隙部１３が形成されており、両ポール１１,１２は空隙部１３によって隔離されている。すなわち、突極部６は、空隙部１３により主ポール１１と補助ポール１２に分割された形となっている。

主ポール１１は補助ポール１２よりも大きく、主ポール１１の幅（周方向寸法）Ｗ１は、対向するティース５の幅（周方向寸法）Ｗ２よりも若干大きく設定されている（Ｗ１＞Ｗ２）。突極部６は、周方向に沿って等分にティース５の半数設けられており、突極部６とティース５の個数比は１：２となっている。従って、隣接する主ポール１１間のピッチは、隣接するティース５間のピッチの２倍となっている。但し、ＳＲモータ１の突極部構造は、隣接する主ポール１１間に補助ポール１２を配した構成とも考えられ、両ポール１１,１２をそれぞれ独立した突極と考えれば、突極とティースの個数比は１：１となっている。

主ポール１１の外周側には、回転方向（周方向）に向かって延びる鍔部（延在部）１４が形成されている。鍔部１４は断面三角形状となっており、回転方向前方側に先端１４ａが配されている。鍔部１４の先端１４ａは、主ポール１１と補助ポール１２の間に形成された空隙部１３に臨んで配置されている。先端１４ａと補助ポール１２との間には、空隙部１３の開口１５が形成されている。空隙部１３は、ロータ４の円筒外周面４ａの位置まで径方向に沿って設けられており、主ポール１１と補助ポール１２は、円筒外周面４ａから同じ高さ（Ｈ）に形成されている。

補助ポール１２は、断面略三角形状に形成されており、ティース５側（径方向外側）に頂点１２ａが配され、ロータ中心側が底辺となっている。ＳＲモータ１では、補助ポール１２の頂点１２ａがティース５の角部５ａと対向した状態で、主ポール１１の空隙部１３に臨んだ基端部１１ａ（ここでは、さらに端面１１ｂ）が、ティース５の周方向端面５ｂの延長線Ｐ上に来るように設定されている。すなわち、頂点１２ａと角部５ａが対向したとき、空隙部１３の内側端部１３ａが延長線Ｐ上に配置される。

このようなＳＲモータ１では、図６のような従来の２相ＳＲモータと同様に、所定方向への起動と連続回転が可能である。また、従来の２相ＳＲモータに比して出力向上（トルクアップ）が図られる。そこで、ＳＲモータ１の動作について、（１）起動と連続運転、及び（２）出力向上の各観点から説明する。

（１）起動と連続回転
ＳＲモータ１では、図３のような状態でロータ４が停止している場合も、Ｂ相に通電することにより、ロータ４を矢示方向に回転させることができる。この場合、図６の従来のＳＲモータでは、段差や中空部によってインダクタンスに変化をもたらし、回転の契機とする。この点においては、当該ＳＲモータ１も同様であるが、ＳＲモータ１は、突極部６を主ポール１１と補助ポール１２に分け、しかも、両者間を空気層である空隙部１３によって隔離する。これにより、ＳＲモータ１では、図３の状態からＢ相を励磁し、補助ポール１２を吸引した後、主ポール１１に至る際のインダクタンス変化が大きく、その分、従来のＳＲモータよりも起動時に大きなトルクを得ることが可能となる。

また、連続回転を行う場合には、Ａ相励磁状態で主ポール１１がティース５に吸引されているとき、主ポール１１は磁束密度が高いが、補助ポール１２側は、空隙部１３によって隔離されているため、磁束密度は低い。この状態で、Ａ相からＢ相に転流すると、磁気抵抗が低くなるよう補助ポール１２が吸引される。その後は、起動時と同様に、インダクタンスの変化によってトルクが生じ、さらに、Ｂ相側に主ポール１１が吸引されて回転が維持される。この場合、主ポール１１と補助ポール１２との間に空隙部１３が存在するため、Ａ相励磁時に主ポール１１側から補助ポール１２側への磁束漏れも少なく、磁束が有効活用され、その分、出力向上が図られる。また、Ａ相通電を完全に停止させない状態でＢ相通電を行っても、磁束密度の低い補助ポール１２がＢ相に吸引されるため、Ａ・Ｂ相のラップ通電も可能となる。

（２）出力向上
一方、当該ＳＲモータ１では、主ポール１１の外周側に鍔部１４が形成されているため、空隙部１３を確保しつつ、外周面における隙間（開口１５）が小さく抑えられている。このため、ロータ４の回転に伴い、ティース５による吸引対象が、補助ポール１２から主ポール１１にスムーズに移行する。従って、空隙部１３を設けつつも、その影響によるトルクの落ち込みを抑えることができ、出力低下を最小限に抑えることが可能となる。図４は、本発明によるＳＲモータ１のトルク波形（ａ）と、図６のような従来のＳＲモータのトルク波形（ｂ）、段差や中空部を設けない単純な構造の突極を使用した２相ＳＲモータのトルク波形（ｃ）をそれぞれ示した説明図である。

図４に示すように、単純構造の突極を使用した２相ＳＲモータは、Ａ相通電時とＢ相通電時との間に、デッドトルク区間が存在する。一方、図６のような従来のＳＲモータは、デッドトルク区間は一応無くなるものの出力が低下する。これに対し、本発明によるＳＲモータ１では、デッドトルク区間を解消できる上に、従来のＳＲモータよりも大きな起動トルクを得ることができ（上記（１））、通電時におけるトルクの落ち込みも抑えられる（上記（２））。従って、連続動作時においても高トルクを維持することができ、モータの出力向上が図られる。これにより、デッドトルク区間があり、連続回転維持のため段差や中空部を設けると出力が低下する、という２相ＳＲモータの課題を克服し、安価で高トルクという２相ＳＲモータのメリットを効果的に生かし得るＳＲモータを提供することが可能となる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２であるＳＲモータ２１について説明する。なお、実施の形態２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の全体構成は先のＳＲモータ１とほぼ同様であり、その突極部６の構成がＳＲモータ１と異なっている。

図５は、ＳＲモータ２１における突極部２２の構成を示す説明図である。突極部２２もまた、主ポール１１と補助ポール１２とから構成されているが、ＳＲモータ２１の場合、空隙部１３がスリット状となっている。すなわち、突極部２２は、スリット２３により主ポール１１と補助ポール１２に分割された形となっている。空隙部１３は、連続回転を維持するためには極小であることが好ましく、ＳＲモータ２１では、空隙部１３は、例えば幅１ｍｍ程度のスリット２３として設けられている。

ＳＲモータ２１の場合、主ポール１１は、回転方向に対して先端側（外周側）が大きくなっている。主ポール１１は、外周部側が幅広となった略台形状に形成されており、回転方向前方側には、鍔部１４と同様の作用を有する延在部２４が設けられている。また、ＳＲモータ２１においては、主ポール１１の基部の幅Ｗ１が、ティース５の幅Ｗ２よりも若干大きく設定されており、頂点１２ａと角部５ａが対向したとき、主ポール１１の基端部１１ａ（スリット２３の中心側端部）が延長線Ｐ上に配置される。

このようなＳＲモータ２１にあっても、主ポール１１と補助ポール１２及びスリット２３の作用により、前述のＳＲモータ１と同様に、所定方向への起動と連続回転が可能であると共に、従来の２相ＳＲモータに比して出力向上が図られる。この場合、主ポール１１と補助ポール１２の間がスリット２３であるため、両者間の距離を極小化でき、より安定した連続回転の維持が可能となる。これにより、実施の形態１と同様に、２相のＳＲモータの課題を克服し、安価で高トルクというそのメリットを生かし得るＳＲモータを提供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、主ポール１１と補助ポール１２との間に空気層の空隙部１３やスリット２３を設けた構成を示したが、両ポール１１,１２の間に、合成樹脂等の非磁性体を介在させても良い。また、前述の実施形態では、１６個のティース５と８個の突極部６を備えたＳＲモータ（１６スロット８極）を示したが、ティースや突極の数はこれには限定されず、例えば、８スロット４極などのモータにも本発明は適用可能である。

さらに、前述のＳＲモータ１は、４個のコアブロック７によるブロック集成構造となっているが、本発明は、環状に一体形成された通常のステータを用いたＳＲモータにも適用可能である。なお、前述のＳＲモータ１は、ＩＳＧとして使用されるため、駆動源としてのモータに加えて、発電機としても使用可能である。

本発明によるＳＲモータ制御装置は、ＩＳＧ用ＳＲモータのみならず、他の車載ＳＲモータや、家電製品や産業機械等に使用されるＳＲモータの駆動制御にも広く適用可能である。

１ ＳＲモータ
２ 励磁コイル
３ ステータ
４ ロータ
４ａ 円筒外周面
５ ティース
５ａ 角部
５ｂ 周方向端面
６ 突極部
７ コアブロック
８ 分割ヨーク
１１ 主ポール（第１突極）
１１ａ 基端部
１１ｂ 端面
１２ 補助ポール（第２突極）
１２ａ 頂点
１３ 空隙部
１３ａ 内側端部
１４ 鍔部
１４ａ 先端
１５ 開口
２１ ＳＲモータ
２２ 突極部
２３ スリット
２４ 延在部
５１ ロータ突極
５２ 段差
５３ 中抜き部
Ｐ ティース周方向端面延長線
Ｗ１ 主ポール基部幅（周方向寸法）
Ｗ２ ティース幅（周方向寸法）

Claims (4)

1. 径方向内側に向かって突設された複数のティースと、該ティース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部を備えたロータと、を有し、
   前記コイルに対し２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、
   前記突極部は、第１突極と、該第１突極の前記ロータ回転方向前方側に設けられ前記第１突極と空隙部によって隔離された第２突極と、を有し、
   前記第１突極は、その外周部の前記第２突極側に、前記ロータ回転方向前方側に延びる延設部を有し、
   前記空隙部は、径方向に沿って、前記ロータの円筒外周面の位置まで設けら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。
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、
   前記第２突極は、径方向外側に頂点が配された断面略三角形状に形成されてな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２記載のスイッチドリラクタンスモータにおいて、
   前記第１突極は、前記第２突極の前記頂点が前記ティースの角部と対向した状態で、その前記空隙部に臨んだ端面の基端部が、前記ティースの周方向端面の延長線上に位置するよう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。
4. 請求項１〜３記載の何れか１項に記載のスイッチドリラクタンスモータにおいて、
   前記第１突極の周方向寸法Ｗ１は、前記ティースの周方向寸法Ｗ２よりも大きい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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