JPH1070875A - スイッチドリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】製造が容易で、異音発生等の不都合を生じるこ
となく、小型化、軽量化が可能なスイッチドリラクタン
スモータを提供する。 【解決手段】その周囲に巻線２ａ〜２ｆをもち、巻線に
電流を与えることで中心軸と並行な磁界を発生する突極
１ａ〜１ｆを、円周上に複数個備えたステータ１と、平
面上で放射状に伸びた複数個の羽５ａ〜５ｈとこの平面
に垂直な軸４とを持ったロータ５と、を有し、２個のス
テータ１と１’が互いにその突極を所定の間隙を隔てて
対抗するように中心軸を同じにして組み合わされ、その
突極と突極との間の間隙に前記ロータの羽の部分が収ま
るように、それぞれを同軸上に配置したスイッチドリラ
クタンスモータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、巻線を巻いた突
極を持つステータと、その突極に逐次吸引されて回転す
る第２の突極を持ったロータとから構成されるスイッチ
ドリラクタンスモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスイッチドリラクタンスモータと
しては、たとえば特開平５−２９２７１６号公報に記載
されたものがある。これは６個の内側（中心軸方向）向
きの突極を持ち、この突極に巻線が巻いてあるステータ
と、その内側に配設され、中心軸から外向きの４個の突
極を持ったロータから構成されている。この構成におい
て、上記ステータの或る巻線に電流を与えると、電流を
与えられたステータ側の突極（Ｓとする）に、最も近い
ロータの突極（Ｒとする）が吸引されるので、ロータは
突極ＳとＲが対抗する位置まで回転する。したがって、
ロータの位置を検出して電流を与える巻線を逐次切り換
えれば、ロータが連続して同転することになる。このモ
ータはその構造より、非接触であり耐久性に優れる、
永久磁石を持たないため耐熱性に優れる、などの利点
がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
スイッチドリラクタンスモータは、下記のような問題点
を持っていた。

【０００４】（１）ステータの突極が内側向きとなって
いるため、巻線作業が困難である。そのため、別途、巻
線機で巻いたものを取り付けるか、ステータを２分割し
て巻線機で巻いてからステータを組み合わせる、などの
方法で作成しているが、前者は取付が煩雑であり、また
後者はステータを２分割することで磁場の効率が低下し
たり、ロータとのクリアランスに不均衡が生じてトルク
の脈動が増えるなどの問題点があった。 （２）磁界による吸引力が軸に直交する方向に周期的に
働くため、モータの外筒部が歪み、回転速度に応じた異
音を発生するという問題点があった。 （３）磁束がロータの中心部を通過するので、ここで磁
束飽和を生じ易く、磁束飽和を防ぐためにはロータ中央
部の径を増したり、軸を鉄などの磁性体で構成する必要
があり、慣性モーメントの低下に限界があった。 （４）位置検出のための回転角度センサをモータの外部
に取り付ける必要があり、軸方向（軸に添った方向）に
長い構成になるとともに、軸の位置合わせが必要であ
り、かつ軸間のガタを防ぐ必要などがあった。

【０００５】本発明は、上記のごとき問題を解決するた
めになされたものであり、製造が容易で、異音発生等の
不都合を生じることなく、小型化、軽量化が可能なスイ
ッチドリラクタンスモータを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、特許請求の範囲に記載するよう
に構成している。すなわち、請求項１に記載の発明にお
いては、その周囲に巻線をもち、巻線に電流を与えるこ
とで中心軸と並行な磁界を発生する突極を、円周上に複
数個備えたステータと、平面上で放射状に伸びた複数個
の羽とこの平面に垂直な軸とを持ったロータと、を有
し、２個のステータが互いにその突極を所定の間隙を隔
てて対抗するように中心軸を同じにして組み合わされ、
その突極と突極との間の間隙に前記ロータの羽の部分が
収まるように、それぞれを同軸上に配置する構成とし
た。

【０００７】上記のように構成したことにより、巻線作
業は各ステータの突起の先端方向から行なうことができ
るため、巻線機による自動化が可能になる。さらに、一
つのステータ上に形成される突極を一体化して製造する
ことが可能であるため、各突極の間隔と、向い合う突極
の間隔を正確に製造することが出来る。また磁界による
吸引力が軸方向（軸に添った方向）に働くため、モータ
の外筒部には軸方向の力は働くが、軸直交方向（軸に直
交する方向）の力は働かなくなる。一般に筒状のものは
軸直交方向に比べて軸方向の剛性が極端に高いので、上
記ような力の作用方向により外筒部の歪はなくなり、異
音を発生しなくなる。

【０００８】また、請求項２に記載の発明においては、
ロータ羽、およびステータ突極の形状を、１枚の羽が複
数の突極間に重複して侵入しない形状にした。このよう
に構成することにより、巻線に通電したときに働く電磁
力を有効に一方向のトルクに変換することができる。具
体的な形状としては、請求項３に記載のように、ロータ
の羽の形状を、軸に近い部分の輻が狭く外周方向に行く
に従って幅広くなる形状、或いは請求項４に記載のよう
に、ステータの突極の形状を、軸に近い部分の輻が狭く
外周方向に行くに従って幅広くなる形状にする。

【０００９】また、請求項５に記載の発明においては、
ロータの羽と、２個のステータの突極との間の軸方向の
隙間を、一方は大きく、他方は小さくなる設定した。こ
のように構成することにより、ロータを吸引する力が一
方向に付勢されるので、軸方向の熱膨張を補正する隙間
が設けてあった場合でも、その隙間での移動を押さえる
皿ばねなどは不要であり、軸方向にガタつくことがな
い。

【００１０】また、請求項６に記載の発明においては、
ステータの突極と突極の間に、発光部と受光部を持つ光
反射検出器、または光透過検出器を１個、または複数個
設けた。このように構成することにより、ステータ内部
の無駄スペースを有効に利用して回転角度センサをモー
タ内部に設けることができ、小型化、低コスト化が図れ
る。

【００１１】また、請求項７に記載の発明においては、
ロータの片面に、円盤状の薄い板を取り付け、この円盤
に等角度ピッチで光を反射する部分としない部分（反射
率の大きな部分と小さな部分）とを設け、またステータ
の突極と突極との間に、発光部と受光部を持つ光反射検
出器を、１個または複数個設けた。このように構成する
ことにより、請求項６と同等の効果が得られ、かつ請求
項６よりも角度検出の分解能を向上させることが出来
る。

【００１２】また、請求項８に記載の発明においては、
ロータとステータを、磁性体で、電気抵抗の高い材料で
構成した。このように構成することにより、積層鋼板を
使わなくても渦電流損失を防ぐことができる。なお、ロ
ータとステータの材料の電気抵抗は、渦電流損失の大き
さに影響を及ぼすので、当該材料の電気抵抗は、体積抵
抗率で約１０μΩｃｍ以上が必要である。上記の材料と
して鋼材を用いることもできるが、電気抵抗の高い方が
渦電流損失を小さくすることが出来る。電気抵抗の高い
材料としては、例えば電磁ステンレス（６３〜７３μΩ
ｃｍ）やケイ素鋼（４５〜５０μΩｃｍ）があり、それ
らを用いることが好ましい。

【００１３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明においては、巻線
作業がステータの突起の先端方向から行なうことができ
るため、巻線機による自動化が可能になり、量産性が高
くなる。また外筒部の歪がなくなり、異音を発生しな
い。さらに磁束はロータの羽の部分を上下に通過するの
みとなるので、ロータ中央部の肉を減らしたり、ロータ
自体の厚さを薄くしたり、軸を非磁性の軽金属などにし
ても性能に影響はなく、慣性モーメントをより小さくす
ることができるとともに、小型軽量化が可能になる。

【００１４】また、請求項２〜請求項４に記載の発明に
おいては、ロータ羽およびステータ突極の形状を、１枚
の羽が複数の突極間に重複して侵入しない形状にしたこ
とにより、巻線に通電したときに働く電磁力を有効に一
方向のトルクに変換することができ、性能の向上が図れ
る。

【００１５】また、請求項５に記載の発明においては、
ロータを吸引する力が間隙の小さい側が大きくなるた
め、ロータは回転するとともに常に一方向に付勢され、
軸方向の熱膨張を補正する隙間が設けてあった場合で
も、その隙間での移動を押さえる皿ばねなどは不要であ
り、軸方向にガタつくことがない。

【００１６】また、請求項６、請求項７に記載の発明に
おいては、ステータ内部の無駄スペースを有効に利用し
て回転角度センサをモータ内部に設けることができ、小
型化、低コスト化が図れる。

【００１７】また、請求項８に記載の発明においては、
ロータとステータを磁性体でかつ電気抵抗の高い材料で
構成したことにより、積層鋼板を使わなくても渦電流損
失を防ぐことができる、等の効果が得られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）この実施の形態は、例えば請求項
１の構成に相当する。図１は、本発明の第１の実施の形
態の分解斜視図である。図１において、１と１’が１対
のステータであり、それぞれまったく同形状となってい
る。したがって説明はステータ１を基本にして行ない、
各符号に「’」を付けることによってステータ１’のも
のとする。

【００１９】ステータ１には６個の突極１ａ〜１ｆが軸
方向に突き出す形で形成され、底部１ｇと一体になって
いる。各突極１ａ〜１ｆには巻線２ａ〜２ｆが取り付け
てある。この巻線は、対抗した１対（ステータ１とステ
ータ１’とにおける対向したもの、例えば２ａと２
ａ’）と、軸を中心として反対側の１対（例えば２ｄと
２ｄ’）の計４個が１組であり、この１組の巻線（例え
ば２ａ・２ａ’・２ｄ・２ｄ’）に同時に電流が流れ
る。この１組に電流を流した時、２ａ→２ａ’→２ｄ’
→２ｄ→２ａのようにループ状に磁束が形成されるよう
に、各巻線の巻方向が設定されている。他の２組すなわ
ち、２ｂ・２ｂ’・２ｅ・２ｅ’と２ｃ・２ｃ’・２ｆ
・２ｆ’においても同様である。

【００２０】ステータ１の底部１ｇには、ベアリング３
を固定する窪み１ｈ（図１では１ｈ’を図示）が設けら
れている。ベアリング３は、それぞれのステータに１個
ずつ設けられ、それぞれ３、３’と番号を付けておく。
両者は同じ玉軸受けなどであり、シャフト４から加わる
軸方向荷重と軸直交方向荷重を受け、シャフト４とロー
タ５が滑らかに回転するように支える。

【００２１】シャフト４は、その中央部付近にロータ５
を備え、ロータ５に加えられたトルクを外部へ伝達する
機能と、ロータ５が軸ズレを生じないで回転するように
支える。また、ロータ５を挟むように大径部４ａが設け
られており、ここがベアリング３、３’と接触すること
でロータ５が軸方向に移動する量を規制する。

【００２２】ロータ５は従来例のロータを薄くスライス
したような形状であり、８個の放射状の羽５ａ〜５ｈを
持った形状になっている。この厚さは、慣性モーメント
が減少し、かつ磁路が短くなるように、できるだけ薄い
方が望ましいので、磁界で発生する軸方向の吸引力が加
わって撓んだときに、ロータ５と突極２のクリアランス
が大幅に変化するようなことがないような曲げ剛性を持
った上で、できるだけ薄く設定されている。

【００２３】なお、前記の突極の数とロータの羽の数
は、この例のように６個と８個に限られるものではな
く、８個と６個、６個と４個など、４以上の偶数で互い
に倍数になっていなければ、どのような組み合わせでも
構わない。

【００２４】次に、外筒部６は図１では半分しか描かれ
ていないが、実際は円筒状であり、２個のステータで挟
まれている。この外筒部６は非磁性体で、かつ軸方向の
剛性が高い材料であれば何でも用いることができ、アル
ミやステンレスなどの金属のほか、アクリルなど軽量な
樹脂も用いることが可能である。そしてロータ５の羽と
突極２とのクリアランスを規定値に納めるため、軸方向
の寸法は管理されている。また円筒状でなくても、軸方
向の荷重を均等に受けられる構造であれば、スリットが
入って中が見える構造などでも構わない。この場合は巻
線の放熱性の高いモータとすることができる。

【００２５】また図１では図示されていないが、モータ
にはロータ５の回転角度を検出する回転角度センサがシ
ャフト４と同軸に取り付けられている。なお、回転角度
センサに関しては後記図６で詳述する。

【００２６】以下、動作を図２に基づいて説明する。図
２は、ステータの各突極とロータの各羽との位置関係を
示す平面図である。まず、図２（Ａ）のような位置にロ
ータがあったとする。ロータの位置は回転角度センサで
検出される。このとき巻線２ａと２ｄ（図示されてない
対抗する２’の巻線２ａ’と２ｄ’も含む）に通電する
と、その最も近傍にある５ａと５ｅの羽がそれぞれ突極
に吸引される。この吸引力はロータの羽を突極の中央部
に吸着するように働くため、羽は上下の突極に同時に斜
めに吸引される。したがって軸方向の力は上下でほとん
どキャンセルされ、突極の中央部に引き込むような横方
向の力のみが羽に働く。したがってロータは矢印の方向
に回転し、図２（Ｂ）の状態になる。

【００２７】図２（Ｂ）の状態になったら通電する巻線
を２ｂと２ｅに切り換える。すると今度は５ｂと５ｆの
羽が吸引され、やはりロータは矢印の方向に回転する。
この動作を繰り返すことでロータは連続的に回転し、吸
着力が電流に比例するため、電流に応じた応じたトルク
を発生する。なお下記の他の実施の形態についても上記
の動作は同じである。

【００２８】（第２の実施の形態）この実施の形態は、
例えば請求項２および請求項３の構成に相当する。図３
は本発明の第２の実施の形態を示す図であり、ステータ
の各突極とロータの各羽との位置関係および形状を示す
平面図である。

【００２９】図３に示すモータにおいては、ロータの羽
の形状が単純な長方形ではなく、外周に向かって広がっ
た形状となっている。前記第１の実施の形態（図２）で
は、たとえば２ａに通電すると、大半の磁力は羽５ａに
対して働くが、一部２ａの上に重なっている５ｂにも働
く。この力は５ｂを２ａの上に引き寄せる力となるの
で、本来働くべき矢印方向のトルクを打ち消すものとな
る。これに対して、図３の構成においては、羽の根元を
細くしてあり、１枚の羽が同時に複数の突極対の間に重
複して侵入しない形状になっている。例えば、上記のよ
うに羽５ａが巻線２ａ（突極１ａ）の上にある場合に
は、羽５ｂは巻線２ａの上には重ならず、５ｂに働く磁
力は小さくなる。したがって発生するトルクをより大き
くすることができる。

【００３０】（第３の実施の形態）この実施の形態は、
例えば請求項２〜請求項４に相当する。図４は本発明の
第３の実施の形態を示す図であり、ステータの各突極と
ロータの各羽との位置関係および形状を示す平面図であ
る。この実施の形態は、前記第２の実施の形態に加え
て、突極の形状も外周に向かって広がった形状とした。
このことで第２の実施の形態よりさらに羽５ｂが巻線２
ａから遠くなり、より効果的にトルクを発生することが
できる。

【００３１】（第４の実施の形態）この実施の形態は、
例えば請求項５に相当する。図５は本発明の第４の実施
の形態を示す図であり、組立られた状態における横方向
の透視図である。

【００３２】通常モータの軸は、熱膨張・加工誤差など
を考慮して図の上下方向に隙間を設けてあり、この実施
の形態では図中の寸法Ａの部分に相当する。このとき、
軸が上下にガタつくのを防ぐために、この隙間に皿ばね
やワッシャを入れるのが一般的である。

【００３３】しかし、本実施の形態では、ロータ５と突
極２との間隙（寸法Ｂ）を、ロータ５と突極２’との隙
間（寸法Ｃ）よりも広く設定してある。この隙間は前記
の寸法Ａだけ軸が下側へ移動してもやはりＢ＞Ｃとなる
ように設定してある。電磁力は隙間が小さい方により大
きく発生するので、Ｂ＞Ｃの関係よりモータ駆動時にロ
ータ５に対して働く力は、突極２’に吸引される力が突
極２に吸引される力を常に上回るようになる。したがっ
てロータ５は常に図の上側に吸引され、突極２側に寸法
Ａの隙間を残して動作するようになる。このことから皿
ばねやワッシャを設けなくてもロータが寸法Ａの間をガ
タつくことがなく、皿ばね等のコストや組立時の工数を
減らすことができる。

【００３４】また、これと同じ効果は、突極２だけ巻線
をなくし、突極のみとした場合にも達成される。この場
合にはトルクは減少するが、巻線工数が半分になるた
め、より低コストなモータとすることができる。また上
方への吸引力が増加するので、ガタつきを抑える効果は
より高くなる。

【００３５】（第５の実施の形態）この実施の形態は、
例えば請求項７に相当する。図６は第５の実施の形態を
示す図であり、（Ａ）はステータの平面図、（Ｂ）はロ
ータの平面図、（Ｃ）はロータの側面図である。

【００３６】ロータ１５の羽の形状は第１の実施の形態
と同じ形状であるが、上面に円盤１５ｉが張り付けてあ
る。この円盤１５ｉには等角度ピッチで長方形の凹み１
５ｊが形成されており、凹んでいない部分は鏡面となっ
ている。また対抗するステータ１１には、突極と突極の
間の部分に発光ダイオードとフオトトランジスタで構成
される光反射検出器１１ｉが備えられ、１５ｉの鏡面の
反射を検出するようになっている。この光反射検出器１
１ｉで凹み１５ｊを検出し、基準位置（例えば凹みの幅
を変えておく）からの数を計数する等の処理を行なうこ
とにより、ロータの回転角度を検出することが出来、そ
れを用いてステータの各巻線に流す電流を切り替える。

【００３７】以上の構成により、モータ内部の無駄なス
ペースを有効に利用することが出来るので、モータの大
きさを変更せずに回転角度センサを設けることが可能と
なり、センサを外付けする場合に比べて小型、低コスト
化が図れ、またセンサとモータの組立時の位置合わせな
ども不要となる。

【００３８】なお、円盤１５ｉを非磁性体で形成した場
合には、できるだけ薄くし、かつ第４の実施の形態と組
み合わせて、隙間の広いステータ１側に円盤を設けるの
が望ましい。また、円盤の構成はロータ本体を塗装など
で光反射率を下げた上で、凹みではなくスリットを切っ
たアルミ箔状のものとしたり、逆にアルミ箔状の円盤に
スリットを切ったシートを張り付けたものなどの構成で
も構わない。また、円盤１５ｉを磁性体で構成した場合
は、ロータ本体の厚さに比べて充分薄いものであればよ
い。

【００３９】また、光反射検出器１１ｉは、１個に限ら
ず多数設けることが可能であり、それだけのスペースも
ある（例えば、この実施の形態で各突極間に設ければ６
カ所に可能）。そこで円盤の凹みと位相関係を合わせた
位置に複数の光反射検出器を設ければ、設けた数だけ角
度の分解能を高めることが可能である。また最低２個で
回転方向の判別も可能（例えば、円周上の近い位置に設
けた２個の検出器のどちらに先に出力があったかを検出
すればよい）となる。

【００４０】また、請求項６に記載のように、円盤を設
けず光反射検出器、または光透過検出器のみを設けた場
合でも、ロータの羽による光の反射、または遮断によっ
て回転角度の検出は可能である。この場合は位置の検出
分解能は悪くなるが、円盤を取り付ける必要がないた
め、より低コストでセンサを内蔵することができる。

【００４１】なお、回転角度センサとしては、上記のよ
うな光学式の他に電磁式や抵抗式などが考えられるが、
電磁式を巻線の近傍に配置するのはノイズの影響が大き
いため困難であり、抵抗式は接触が必要となるためスイ
ッチドリラクタンスモータのメリットの１つである非接
触構造が損なわれる。したがって光学式の回転角度セン
サを内蔵するのが最も望ましい。

【００４２】また、ロータとステータを、磁性体で、電
気抵抗の高い材料で構成すれば、積層鋼板を使わなくて
も渦電流損失を防ぐことができる。ロータとステータの
材料の電気抵抗は、渦電流損失の大きさに影響を及ぼす
ので、当該材料の電気抵抗は、体積抵抗率で約１０μΩ
ｃｍ以上が必要である。上記の材料として鋼材を用いる
こともできるが、電気抵抗の高い方が渦電流損失を小さ
くすることが出来る。電気抵抗の高い材料としては、例
えば電磁ステンレス（６３〜７３μΩｃｍ）やケイ素鋼
（４５〜５０μΩｃｍ）があり、それらを用いることが
好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の分解斜視図。

【図２】ステータの各突極とロータの各羽との位置関係
を示す平面図。

【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図であり、ス
テータの各突極とロータの各羽との位置関係および形状
を示す平面図。

【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図であり、ス
テータの各突極とロータの各羽との位置関係および形状
を示す平面図。

【図５】本発明の第４の実施の形態を示す組立状態にお
ける横方向の透視図。

【図６】第５の実施の形態を示す図であり、（Ａ）はス
テータの平面図、（Ｂ）はロータの平面図、（Ｃ）はロ
ータの側面図。

【符号の説明】

１、１’…ステータ ５…ロータ １ａ〜１ｆ…突極 ５ａ〜５ｈ…羽 １ａ’〜１ｆ’…突極 ６…外筒
部 １ｇ…底部 １１…ステータ １ｈ’…窪み １１ｉ…光反射検出器 ２ａ〜２ｆ…巻線 １５…ロータ ２ａ’〜２ｆ’…巻線 １５ｉ…円盤 ３、３’…ベアリング １５ｊ…凹み ４…シャフト ４ａ…大径部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】その周囲に巻線をもち、巻線に電流を与え
   ることで中心軸と並行な磁界を発生する突極を、円周上
   に複数個備えたステータと、 平面上で放射状に伸びた複数個の羽と、この平面に垂直
   な軸とを持ったロータと、を有し、 前記ステータは、２個のステータが互いにその突極を所
   定の間隙を隔てて対抗するように中心軸を同じにして組
   み合わされ、その突極と突極との間の間隙に前記ロータ
   の羽の部分が収まるように、それぞれを同軸上に配置し
   たスイッチドリラクタンスモータ。
2. 【請求項２】前記ロータの羽形状とステータの突極形状
   は、１枚の羽が同時に複数の突極対の間に重複して侵入
   しない形状であること、を特徴とする請求項１に記載の
   スイッチドリラクタンスモータ。
3. 【請求項３】前記ロータの羽は、軸に近い部分の輻が狭
   く外周方向に行くに従って幅広くなる形状であること、
   を特徴とする請求項２に記載のスイッチドリラクタンス
   モータ。
4. 【請求項４】前記ステータの突極は、軸に近い部分の輻
   が狭く外周方向に行くに従って幅広くなる形状であるこ
   と、を特徴とする請求項２または請求項３に記載のスイ
   ッチドリラクタンスモータ。
5. 【請求項５】前記ロータの羽と、前記２個のステータの
   突極との間の軸方向の隙間は、一方のステータの突極と
   の間隙が他方のステータの突極との間隙よりも大きくな
   るように設定したこと、を特徴とする請求項１乃至請求
   項４の何れかに記載のスイッチドリラクタンスモータ。
6. 【請求項６】前記ステータの突極と突極の間に、発光部
   と受光部を持つ光反射検出器、または光透過検出器を１
   個、または複数個設けたこと、を特徴とする請求項１乃
   至請求項５の何れかに記載のスイッチドリラクタンスモ
   ータ。
7. 【請求項７】前記ロータの片面に、円盤状の薄い板を取
   り付け、この円盤に等角度ピッチで光を反射する部分と
   しない部分とを設け、また前記ステータの突極と突極と
   の間に、発光部と受光部を持つ光反射検出器を、１個ま
   たは複数個設けたこと、を特徴とする請求項１乃至請求
   項６の何れかに記載のスイッチドリラクタンスモータ。
8. 【請求項８】前記ロータとステータを、磁性体であり、
   かつ電気抵抗の高い材料で構成したこと、を特徴とする
   請求項１乃至請求項７の何れかに記載のスイッチドリラ
   クタンスモータ。