JP7572914B2 - 同期リラクタンスモータ及びポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、自己始動を可能とした同期リラクタンスモータ、及び、そのモータを組込んだポンプ装置に関する。

ポンプ装置例えば油圧ポンプ装置に一体的に組込まれてその駆動源となるモータとして、商用電源により駆動される同期リラクタンスモータが知られている。この種の同期リラクタンスモータとして、例えば、特許文献１に示される構成のものが知られている。即ち、この同期リラクタンスモータの固定子には、三相巻線が巻装され、固定子の内周に配置された円筒状の回転子鉄心は、ケイ素鋼板を積層して構成され、磁極毎にフラックスバリア用のスリットが例えば４層に形成されている。各スリットは、両端部が回転子鉄心の外周近くに位置され、中心側に凸となる湾曲形状に構成されている。

特開２０１８－７８７６７号公報

ところで、上記したような同期リラクタンスモータにあっては、一般に、始動のためにインバータが必要となり、コスト高となる問題点があった。そこで、回転子鉄心のフラックスバリア用のスリット内に、アルミニウムや銅などの非磁性金属を充填して二次導体を設け、誘導トルクを発生させることにより自己始動機能を持たせることも行われている。しかし、このように二次導体を設けたものでは、効率が低下してしまう問題がある。

そこで、自己始動が可能で、高効率を得ることができる同期リラクタンスモータ、及び、その同期リラクタンスモータを用いたポンプ装置を提供する。

実施形態の同期リラクタンスモータは、自己始動を可能としたものであって、中心に回転軸が配置される円柱状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心の磁極毎に設けられるフラックスバリア用のスリット群とを備え、前記スリット群は、前記回転子鉄心の外周縁部に沿うように配置された外層スリットと、両端部が前記外層スリットの円周方向両側において前記回転子鉄心の外周に接近して位置し、該回転子鉄心の中心側に向けて凸となる湾曲形状をなす内層スリットと、の２層で構成され、前記内層スリット内には、永久磁石が配置されている。

第１実施形態を示すもので、同期リラクタンスモータの内部構成を角度９０度の範囲で概略的に示す断面図 ポンプ装置の外観を概略的に示す図 実施例及び比較例１～３の回転子鉄心のモデルの構成を並べて示す図 ４種類のモデルの始動トルク波形を示す図 ４種類のモデルの滑りに対する平均トルクの変化を示す図 ４種類のモデルの滑りに対する脈動トルクの変化を示す図 ４種類のモデルの同期引き入れ特性の解析結果を示す図 第２実施形態を示すもので、同期リラクタンスモータの内部構成を角度９０度の範囲で概略的に示す断面図

（１）第１の実施形態
以下、第１の実施形態について図１から図７を参照して説明する。まず、図２は、本実施形態に係るポンプ装置１の構成を概略的に示している。このポンプ装置１は、例えば油圧ポンプからなるポンプ本体２と、このポンプ本体２の駆動源となる、本実施形態に係る同期リラクタンスモータ１０とを備えている。この場合、ポンプ本体２に同期リラクタンスモータ１０が一体的に結合され、同期リラクタンスモータ１０の図示しない回転軸が、ポンプ本体２を直接駆動するように構成されている。

図１に示すように、本実施形態に係る同期リラクタンスモータ１０は、例えば円筒状をなすフレーム１１の内周面に、固定子１２を装着すると共に、固定子１２の内周部に僅かなエアギャップをおいて回転子１３を配置して構成されている。前記固定子１２は、複数個例えば３６個のスロット１４ａを有する固定子鉄心１４に、三相の巻線１５を装着して構成されている。

前記回転子１３は、例えば４極の磁気的突極性を有した円柱状の回転子鉄心１６を備え、その回転子鉄心１６の中心部を貫通して図示しない回転軸が固定され、その回転軸が前記フレーム１１の両端のブラケットに回転自在に支持されている。前記回転子鉄心１６は、多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、中心に、前記回転軸が配置される中心孔１６ａを有している。そして、回転子鉄心１６の各磁極を構成する領域、即ち円周方向に４分割された角度９０度の各領域には、フラックスバリア用のスリット群この場合２本のスリットが、次のようにして設けられている。

即ち、図１に示すように、回転子鉄心１６には、その外周側に位置して外層スリット１７が設けられ、その外層スリット１７の内周側に位置して内層スリット１８が設けられる。そのうち外層スリット１７は、回転子鉄心１６の外周縁部に沿う部分の、領域の角度９０度の領域の中央部のほぼ１／３の範囲に位置して設けられている。この外層スリット１７は、回転子鉄心１６の外周縁ほぼ沿うような円弧を対称的に２つ合わせたような、中央が膨らみ両端が丸みを帯びて尖った形状、つまりいわゆるレンズ形状或いは比較的細幅の葉っぱ形状をなしている。この外層スリット１７は、内部に例えばアルミニウムからなる非磁性金属材料２０が充填されている。外層スリット１７内を空洞としても良い。

これに対し、前記内層スリット１８は、両端部が前記外層スリット１７の円周方向両側において該回転子鉄心１６の外周に接近して位置し、全体として、該回転子鉄心１６の中心側即ち中心孔１６ａ側に向けて凸となる湾曲形状をなしている。この内層スリット１８のうち、中間部の約１／３の長さ部分は、該回転子鉄心１６の半径方向に対し直交するようにほぼ直線的に延びる細幅部１８ａとされている。内層スリット１８の両側の夫々約１／３の部分は、前記細幅部１８ａよりもやや幅広で湾曲して延び、回転子鉄心１６の外周近くに位置される両端部は、角部が僅かだけ丸みを帯びた短冊形に構成されている。

そして、この内層スリット１８のうち前記細幅部１８ａ内、つまり内層スリット１８の中央部分には、永久磁石１９が装着されている。この場合、永久磁石１９は、例えば回転子鉄心１６の外周を向く側がＳ極、内周を向く側がＮ極となる、或いはそれとは逆に外周側がＮ極、内周側がＳ極となるように設けられている。この内層スリット１８のうち永久磁石１９が収容されている部分以外の部分には、例えばアルミニウムからなる非磁性金属材料２０が充填されている。この部分を空洞としても良い。尚、回転子鉄心１６のうち、外層スリット１７と内層スリット１８との間の円弧状部分、即ちｑ軸電流が流れる部分は、比較的広幅に構成されている。

以上のように構成された本実施形態の同期リラクタンスモータ１０は、フラックスバリア用の外層スリット１７及び内層スリット１８によるリラクタンストルクと、永久磁石１９による磁石トルクとの両方を活用することで、比較的小さな永久磁石１９で済ませながらも、自己始動特性に優れ、同期回転時の効率に優れるものとすることができる。本発明者らは、上記した本実施形態に係る同期リラクタンスモータ１０が、慣性モーメントの小さいポンプ装置１の始動時負荷特性に特に適合したものとなり、商用電源を用いた自己始動が可能で、且つ、同期速度での高効率運転を可能とすることを確認した。

上記構成においては、回転子鉄心１６に２層のスリット１７、１８を備えるのであるが、例えば４層のスリットを設ける場合と異なり、外層スリット１７と内層スリット１８との間の磁路幅を広くしてｑ軸磁束を流れやすくすることができる。これにより、平均トルクを大きくすることができ、効率を高めることができる。そして、永久磁石１９による磁石トルクがあるため、脈動トルクが大きくなる。脈動トルクが大きくなることにより、同期引き入れ特性を向上させることができ、始動特性を大きく向上させることができる。

さて、本発明者らは、同期リラクタンスモータの回転子鉄心のフラックスバリアに関し、様々な試験、研究を重ねた。具体的には、上記した本実施形態に係る同期リラクタンスモータ１０の回転子鉄心１６を含む、フラックスバリア用のスリットの数や形態などの異なる４種類のモデルについて、特に始動トルクと同期引き入れ特性について調べ、本実施形態に係る同期リラクタンスモータ１０の有効性を検証した。以下、始動トルクと同期引き入れ特性の解析について述べる。

図３は、解析に用いた４種類のモデルを示している。比較例１は、インバータにより始動されるフラックスバリア用のスリットを有する従来の一般的なシンクロナスリラクタンスモータであり、回転子鉄心２１には、４層のフラックスバリア用のスリット２２、２３、２４、２５が形成されている。また、各スリット２２～２５内には、非磁性金属材料例えばアルミニウム２６が充填されている。尚、各スリット２２～２５内のアルミニウム２６は、回転子鉄心２１の端部で連結され、かご型導体が構成されている。

比較例２は、やはりインバータにより始動されるシンクロナスリラクタンスモータであり、回転子鉄心２７には、４層のフラックスバリア用のスリット２８、２９、３０、３１が形成され、各スリット２８～３１内には、例えばアルミニウム２６が充填され、かご型導体が構成されている。この比較例２は、比較例１に比べ、最外層のスリット２８が大きく構成され、アルミニウム２６の面積が大きくなっている。

実施例は、上記した同期リラクタンスモータ１０である。比較例３は、回転子鉄心３２に、実施例の回転子鉄心１６と同様な外層スリット３３及び内層スリット３４が形成されており、それらスリット３３、３４内に例えばアルミニウム２６が充填されている。つまり、実施例の回転子鉄心１６に対し、内層スリット１８内の永久磁石１９を除いて、アルミニウム２６を設けたものである。

上記４種類のモデルに対し、以下の手順で始動トルクを解析した。即ち、２００Ｖ?６０Ｈｚの三相電圧を印加し、滑りがｓとなるように回転させる。次に、トルクの変化が定常的になるまで解析する。例えば０．５秒間、５４０１ステップである。そして、平均トルクＴave と、脈動トルクＴpul 即ち基本波成分の振幅を計算する。図４は、４種類のモデルに関して、滑り０．１における始動トルクの波形を示している。この図４から理解できるように、各モデルによって、平均成分と脈動成分との割合が異なっている。また、永久磁石１９を挿入した実施例のみ、脈動の基本波周期が異なっている。

図５、図６は、上記４種類のモデルに対し、滑りに対する始動トルクの変化を調べたものであり、図５は平均トルクを、図６は脈動トルクを夫々示している。これらから明らかなように、比較例１は、最外層の導体面積が小さいため、平均トルクが小さい。比較例２は、比較例１に比べ、最外層の導体面積が大きく、平均トルクが改善している。実施例は、比較例１、比較例２に比べて、回転子鉄心の磁路幅が広く、ｑ軸磁束が流れやすいため、平均トルクがやや大きくなっている。さらに永久磁石による磁石トルクがあるため、比較例１～比較例３に比べて、脈動トルクも大きくなっている。比較例３は、磁路幅が広いため平均トルクは大きいが、突極性が小さいため、実施例と比べて脈動トルクは小さくなっている。

図７は、上記４種類のモデルの同期引き入れ特性の解析結果を示している。解析条件としては、周波数が６０Ｈｚ、巻線温度、磁石温度が８０℃等である。図７から明らかなように、実施例のモータでは、比較例１～３に比べて、同期引き入れ特性が大幅に改善し、モータの５倍程度まで始動可能となる結果となった。また、電圧が低い場合に、始動特性がやや低下する傾向が見られた。尚、今回のモデルでは、モータのターン数を、４８ターンでなく、５４．６７ターンとしているため、比較例１及び比較例２の引き入れ可能な動作点は少なくなっている。４８ターンの場合には、２２７Ｖ相当の始動特性となる。

ここで、実施例のモータでは、図５、図６に示したように、始動トルクが、他の比較例１～３に比べて改善されているが、大幅に改善されているとまでは言えない。内層スリット１８に永久磁石１９を収容したモータの同期引き入れ特性が大幅に改善した理由は、次のように考えられる。即ち、同期機の動揺方程式は、次の（１）式で与えられる。
ただし、δは負荷角、ｔは時間、Ｊは全慣性モーメント、ｐは極数である。

ここで、リラクタンストルク（Ｔrel ）の場合、Ｔpul ＝Ｔrel ・ｓｉｎ2δであり、
磁石トルク（Ｔmag ）の場合、Ｔpul ＝Ｔmag ・ｓｉｎδである。
回転数の変動成分Δωm が概ね負荷角の変化率に等しいと考えると、次の（２）式のようになる。
この（２）式から理解できるように、脈動トルクとしての振幅は同じでも、磁石トルクは、リラクタンストルクよりも周期が２倍長くなり、２倍の速度脈動を与える。これにより、同期引き入れ特性に対して、磁石トルクは、リラクタンストルクよりも２倍の効果があると考えられる。

このように本実施形態によれば、フラックスバリア用のスリット１７、１８によるリラクタンストルクと、永久磁石１９による磁石トルクとの両方を活用することにより、商用電源を用いた自己始動が可能で、且つ、同期速度での高効率運転を可能とする同期リラクタンスモータ１０を安価に提供することができる。そして、上記構成の同期リラクタンスモータ１０は、特に、ポンプ装置１の始動時負荷特性に適合したものとなり、ポンプ本体２に同期リラクタンスモータ１０を組込むことにより、始動特性に優れ、高効率のポンプ装置１を安価に提供することができる。

（２）第２の実施形態、その他の実施形態
図８は、第２の実施形態に係る同期リラクタンスモータ４１の内部構成を示しており、上記第１の実施形態の同期リラクタンスモータ１０と異なるところは、次の点にある。即ち、固定子１２の内周部に配置される回転子４２は、多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され４極の磁気的突極性を有した円柱状の回転子鉄心４３を備える。

この回転子鉄心４３は、その中心に、回転軸が配置される中心孔４３ａを有している。そして、回転子鉄心１６の各極を構成する領域、即ち円周方向に４分割された角度９０度の各領域には、フラックスバリア用の外層スリット４４及び内層スリット４５が設けられる。前記内層スリット４５のうち、中間部の約１／３の長さ部分が、ほぼ直線的に延びる細幅部４５ａとされ、その細幅部４５ａ内、つまり内層スリット４５の中央部分には、永久磁石１９が装着されている。外層スリット４４内、及び、内層スリット４５内のうち永久磁石１９が収容されている部分以外の部分には、例えばアルミニウムからなる非磁性金属材料２０が充填されている。この部分を空洞としても良い。

このとき、本実施形態では、外層スリット４４及び内層スリット４５の端部の角部のフィレット半径を、上記第１の実施形態の外層スリット１７及び内層スリット１８に比べて、大きくしたものである。これにより、外層スリット４４及び内層スリット４５は、端部の角部により丸みを帯びた形状とされている。ここで、自己始動型の同期リラクタンスモータでは、一般に、回転子鉄心の外周部に大きな導体部を設ける必要性から、回転子に大きな磁気的凹凸が発生し、トルクリップルが大きくなる事情がある。ところが、この第２の実施形態の構成では、外層スリット４４及び内層スリット４５の端部の角部のフィレット半径を大きくしたことにより、トルクリップルを十分に低減することができることが確認された。

このように、第２の実施形態よれば、上記第１の実施形態と同様に、商用電源を用いた自己始動が可能で、且つ、同期速度での高効率運転を可能とする同期リラクタンスモータ４１を提供することができる。そして、それに加えて、外層スリット４４及び内層スリット４５の形状によって、回転子４２の磁気的凹凸を小さくしてトルクリップルを低減することができるものである。

尚、上記各実施形態では、内層スリット１８、４５の中間部を、直線状の細幅部、１８ａ、４５ａとし、その細幅部１８ａ、４５ａ内に永久磁石１９を配置するようにしたが、緩やかな円弧状に形成された永久磁石を、円弧状の内層スリット内に配置するようにしても良い。永久磁石の厚み寸法としても、減磁を考慮して、比較的厚みの大きい永久磁石を採用することもできる。永久磁石の長さとしても、様々に変更可能である。また、固定子のスロット数や、回転子の磁極数などの具体的数値等についても、適宜変更できることは勿論である。

その他、同期リラクタンスモータは、油圧ポンプに限らず、各種ポンプ装置に適用することができ、更には、ポンプ装置以外に用いることも可能である。以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１はポンプ装置、２はポンプ本体、１０、４１は同期リラクタンスモータ、１３、４２は回転子、１６，４３は回転子鉄心、１６ａ、４３ａは中心孔、１７、４４は外層スリット、１８、４５は内層スリット、１８ａ、４５ａは細幅部、１９は永久磁石、２０は非磁性金属材料を示す。

Claims (4)

1. 自己始動を可能とした同期リラクタンスモータであって、
   中心に回転軸が配置される円柱状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の磁極毎に設けられるフラックスバリア用のスリット群とを備え、
   前記スリット群は、前記回転子鉄心の外周縁部に沿うように配置された外層スリットと、両端部が前記外層スリットの円周方向両側において前記回転子鉄心の外周に接近して位置し、該回転子鉄心の中心側に向けて凸となる湾曲形状をなす内層スリットと、の２層で構成され、
   前記内層スリット内には、永久磁石が配置されている同期リラクタンスモータ。
2. 前記永久磁石は、前記内層スリットの中央部分に配置されている請求項１記載の同期リラクタンスモータ。
3. 前記スリット群のうち、前記永久磁石が収容されている部分以外の部分は、空洞とされている、或いは非磁性材料が充填されている請求項１又は２記載の同期リラクタンスモータ。
4. ポンプ本体と、
   前記ポンプ本体の駆動源となるモータであって、請求項１から３のいずれか一項に記載の同期リラクタンスモータとを備えるポンプ装置。