JP2004236400A - リラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】リラクタンスモータにおいて効率良くトルクアップを図る。
【解決手段】巻線５が巻装された突極７を備えるステータ２と、マグネット１１を備えステータ２の突極とは異なる個数の突極１４を有するロータ３とからなるリラクタンスモータにおいて、ロータ３の突極１４に、マグネットトルク発生用の第１突極部１５と、リラクタンストルク発生用の第２突極部１６とを設ける。ロータコア９の端部には、第１ヨーク１２と、マグネット１１及び第２ヨーク１３が取り付けられる。第１突極部１５は第１ヨーク１２の上段部１９と当接し、第２突極部１６と第１ヨーク１２の下段部２１との間には空隙２２が形成される。ロータ３の内部にてマグネットトルクとリラクタンストルクの磁気回路が分離され、ロータコア９が磁気的に飽和しにくくなり、通常のＳＲモータよりも高トルクが得られる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リラクタンストルクを利用して動作するリラクタンスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車やモータとエンジンを共用するいわゆるハイブリッドカー等においては、高価な永久磁石を使用せず、構造が簡単かつ堅牢であり高速回転や耐環境性に優れたリラクタンスモータの一種としてＳＲモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ）の使用が検討されている。一般にＳＲモータは、コイルを巻装したステータの内側に、磁性鋼板よりなるロータをステータと同軸上に回転自在に配置した構成となっている。ステータの内周側には内向きに突出する突極が形成されており、この突極にはコイルが巻装され巻線を形成している。ロータの外周には外向きに突出する突極が放射状に形成されており、ロータの回転に伴ってステータの突極と近接・対向・離隔するようになっている。ロータの突極とステータの突極は、ある突極同士が対向したとき他の突極同士の位置がずれるように、相互に倍数関係ではない偶数個に設定される。すなわち、例えばロータの突極が４個の場合、ステータの突極を６個に設定し、ロータの突極が６個の場合にはステータの突極を８個に設定する。
【０００３】
このようなＳＲモータでは、例えばステータの一対の対向する巻線に電流を流すと、ステータの突極からロータの突極へ向かう磁束が発生する。これにより、ロータの突極がステータの突極に引き付けられロータにトルクが発生する。前述のように、ステータとロータの突極は、ある突極同士が対向すると他の突極同士にはずれが生じるように設定されている。そこで、他のずれた状態にある突極の巻線に通電すると、ずれた状態の突極が引き付けられロータが回転する。この操作を連続的に行うことにより、ロータの突極が連続的にステータの突極に引き付けられ、ロータが軸回りに回転する。
【０００４】
一方、ＳＲモータをさらに高トルク化すべく、リラクタンストルクに加えてマグネットトルクを利用する方式も検討されている。図４は、このような方式による従来のＳＲモータの構成を示す説明図である。図４に示すように、モータ５１は、ロータ５２にマグネット５３を配した構成となっており、ＳＲモータとブラシレスモータの要素を併せ持つハイブリッド構造となっている。ロータ５２はステータ５４内にて回転自在に支持されており、マグネット５３はロータコア５５の中に埋め込まれたＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造となっている。ステータ５４の突極５６にはコイル５７が巻装され、一対の対向巻線に電流を流すと、ロータ５２の突極５８が吸引されると共に、マグネット５３との間にも吸引力や反発力が発生し、リラクタンストルクとマグネットトルクによりロータ５２が回転する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図４のような構成のモータでは、リラクタンストルクとマグネットトルクが同じ部位に作用する構成となっており、両トルクを発生させるための磁路が共通している。このため、電流量が大きくなるとロータコア５５が磁気的に飽和し易く、インダクタンスが減少しリラクタンストルクが小さくなるという問題があった。このため、ハイブリッド型のＳＲモータは通常のＳＲモータよりは高トルクが得られるものの、効果的なトルクアップを図ることができずその改善が求められていた。
【０００６】
本発明の目的は、リラクタンスモータにおいて効率良くトルクアップを図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のリラクタンスモータは、コイルが巻装された複数個の突極を備えるステータと、マグネットが取り付けられ前記ステータの突極とは異なる個数の複数個の突極を有するロータとを有してなるリラクタンスモータであって、前記ロータの突極は、前記マグネットと磁気的に接続され前記マグネットと前記ステータの前記突極との間に生じる磁気的吸引力によりマグネットトルクを発生させる第１突極部と、前記第１突極部とは別個に設けられ、前記ステータの前記突極との間に生じる磁気的吸引力によりリラクタンストルクを発生させる第２突極部とを有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のリラクタンスモータは、コイルが巻装された複数個の突極を備えるステータと、前記ステータの突極とは異なる個数の複数個の突極が形成されたロータコアを備えるロータとを有してなるリラクタンスモータであって、前記ロータコアの軸方向端部に取り付けられた複数個の第１ヨークと、前記第１ヨークの外側に取り付けられた複数個のマグネットと、前記マグネットの外側に取り付けられ、前記各マグネットを磁気的に接続する第２ヨークとを備え、前記ロータコアの突極は、前記第１ヨークと接する第１突極部と、前記第１突極部とは別個に設けられ、前記第１ヨークに対し空隙を介して対向する第２突極部とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明にあっては、ＳＲモータにマグネットを配したリラクタンスモータにて、ロータコアの突極をマグネットトルク発生用の第１突極部とリラクタンストルク発生用の第２突極部とから構成したので、ロータ内部にてマグネットトルクとリラクタンストルクの磁気回路を分離できる。このため、電流量が大きくなってもロータコアが磁気的に飽和しにくくなり、ブラシレスモータと同様の駆動方式を採用しつつ単なるＳＲモータよりも高トルクが得ることができる。
【００１０】
前記リラクタンスモータにおいて、前記第１ヨークに、前記第１突極部と接する第１段部と、前記上段部よりも薄肉に形成され前記第２突極部との間に前記空隙を形成する第２段部を設けても良い。これにより、マグネットの磁束を上段部を介して効率良く第１突極部側に収束して磁気回路を形成でき、磁束の有効活用が図られ、モータ効率が向上する。
【００１１】
また、前記第１突極部を前記第２突極部よりも軸方向の長さを短く形成しても良い。これにより、第１突極部と第２突極部との間には磁気抵抗に差が生じ、第１突極部を飽和させ透磁率を低下させることにより、第２突極部とステータ側の突極との間でリラクタンストルクを効率良く発生させることができる。
【００１２】
さらに、前記第１突極部と前記第２突極部を周方向に沿って隣接配置し、前記第１突極部と前記第２突極部との間を前記ロータコアの前記突極に形成されたエアホールによって隔離しても良い。これにより、第１突極部と第２突極部を流れる磁束を分離することができ、ロータコアが磁気的に飽和しにくくなる。この場合、前記第１突極部と前記第２突極部との間を、前記ロータコアの前記突極に形成されたブリッジ部によって前記エアホールを挟んで連結するようにしても良い。これにより、第１突極部と第２突極部を形成する部位を有する鋼板をしてロータコアを形成でき、部品点数や組付工数の削減が図られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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は本発明の一実施の形態であるリラクタンスモータの構成を示す説明図、図２は図１のリラクタンスモータの分解斜視図である。当該リラクタンスモータ１（以下、モータ１と略記する）は、図１，２に示すように、ステータ２と、ステータ２の内側に回転自在に配設されたロータ３とから構成される。
【００１４】
ステータ２は図示しないハウジングに収容され、ステータコア４と複数の巻線５を備えている。ステータコア４は、ケイ素鋼板等の磁性鋼板を複数枚積層して形成され、ハウジング内に固定される。ステータコア４は、円筒状のヨーク部６と、ヨーク部６の内側に径方向内側に向けて突出する６個の突極７とから構成される。巻線５は各突極７にコイルを巻回して形成される。モータ１は３相のモータとなっており、巻線５はＵ，Ｖ，Ｗの各相の巻線５Ｕａ，５Ｕｂ，５Ｖａ，５Ｖｂ，５Ｗａ，５Ｗｂを構成している。
【００１５】
図３はロータ３の構成を示す斜視図である。ロータ３は、図２，３に示すように、シャフト８とロータコア９、マグネット１１、第１及び第２ヨーク１２，１３とから構成される。シャフト８は、ハウジングに設けた軸受によって回転自在に支持されている。シャフト８の回転角度は図示しないシャフト位置センサにて検出され、その出力信号の周期やパルス幅からロータ３の回転数が算出される。
なお、別途回転数検出センサがあればそれを利用しても良い。ロータコア９は、ケイ素鋼板等の磁性鋼板を複数枚積層して形成され、シャフト８に固定されている。ロータコア９には、外周側に４個の突極１４が設けられている。ロータコア９の軸方向端部（図２，３において上端部）には、第１ヨーク１２と第２ヨーク１３に挟まれる形でマグネット１１が取り付けられる。ロータ３はステータ２内に同軸に挿入配置され、その突極１４とステータ２の突極７との間には所定の間隙が形成される。
【００１６】
ロータコア９の突極１４には、第１突極部１５と第２突極部１６が設けられている。第１突極部１５と第２突極部１６は周方向に沿って隣接配置され、両者の間はＬ字形のエアホール１７によって隔離されている。エアホール１７の両端にはブリッジ部１８が形成され、第１突極部１５と第２突極部１６は、ブリッジ部１８によってエアホール１７を挟んで連結されている。第１突極部１５の軸方向の長さＬ_１は、第２突極部１６よりも軸方向の長さＬ_２よりも短く形成されている（Ｌ_１＜Ｌ_２）。すなわち、ロータコア９の長さＬ_１の部分は、ブリッジ部１８によって第１突極部１５となる部分が形成された鋼板が積層され、長さＬ_１を超えた部分は、第２突極部１６となる部分のみが形成された鋼板が積層されている。
【００１７】
ロータコア９の上端には、突極１４に対応して扇形の第１ヨーク１２が４個取り付けられている。第１ヨーク１２は上段部（第１段部）１９と下段部（第２段部）２１とからなる段付形状となっており、上段部１９が第１突極部１５と直接接触する形でロータコア９上に載置される。下段部２１は上段部１９よりも薄肉に形成されており、上段部１９を第１突極部１５上に固定すると、第２突極部１６との間に空隙２２が形成される。
【００１８】
第１ヨーク１２の上にはそれぞれマグネット１１が取り付けられる。マグネット１１には４個の扇形のセグメント磁石が使用され、隣接するマグネット１１同士が異極となるように配置される。マグネット１１の図２，３において下面側はその全面が第１ヨーク１２に接触している。マグネット１１の上にはリング状の第２ヨーク１３が取り付けられる。第２ヨーク１３にはマグネット１１の上面全面が接触しており、各マグネット１１を磁気的に接続している。
【００１９】
このような構成からなるモータ１では、次のような２系統の磁気回路が成立する。まず、マグネット１１に関し、マグネット１１→第１ヨーク１２→第１突極部１５→ステータコア４（突極７→ヨーク部６→突極７）→第１突極部１５→第１ヨーク１２→マグネット１１→第２ヨーク１３→マグネット１１なる磁束の流れが生まれる（磁気回路Ａ）。この磁気回路Ａは、通常のブラシレスモータにおける磁気回路と同様であり、これによりマグネットトルクが発生する。この場合、第１突極部１５と第２突極部１６との間はエアホール１７にて隔離されており、磁気回路Ａの磁束はブリッジ部１８にて若干の漏れはあるものの、磁束は細いブリッジ部１８にはほとんど流れず専ら第１突極部１５を流れる。
【００２０】
また、磁気回路Ａでは、第１ヨーク１２が段付形状となっているので、マグネット１１の磁束は、第１ヨーク１２の上段部１９に第１突極部１５に流れる。すなわち、下段部２１と第２突極部１６との間には空隙２２があり、磁気ギャップとして作用するため磁束は第２突極部１６側には流れず、上段部１９に集中して第１突極部１５側へと流れる。これにより、マグネット１１の磁束を効率良く第１突極部１５側に収束して磁気回路を形成でき、磁束の有効活用が図られ、モータ効率が向上する。
【００２１】
一方、例えば巻線５に通電すると、ステータ２の突極７と第２突極部１６との間に磁束が発生し、第２突極部１６に関して、第２突極部１６→ステータコア４の突極７→第２突極部１６なる磁気回路Ｂが成立する。この磁気回路Ｂは、通常のＳＲモータにおける磁気回路と同様であり、これによりリラクタンストルクが発生する。
【００２２】
この場合も、磁気回路Ｂの磁束はブリッジ部１８にはほとんど流れず専ら第２突極部１６を流れ、磁気回路Ａ，Ｂはほぼ分離された形で成立する。すなわち、当該モータ１では、マグネットトルクを発生させる磁気回路Ａとリラクタンストルクを発生させる磁気回路Ｂがそれぞれ独立して形成され、互いに干渉しにくい構成となっている。従って、電流量が大きくなってもロータコア９が磁気的に飽和しにくく、インダクタンスの減少が抑制されリラクタンストルクの低下を防止できる。また、巻線５による磁界がマグネット１１を通りにくいので、マグネット１１が減磁しにくく、その分、モータ効率が向上する。
【００２３】
さらに、磁気回路Ｂでは、第１突極部１５は第２突極部１６に比して軸方向の長さが短くなっているため（Ｌ_１＜Ｌ_２）、第２突極部１６の表面が磁気的に飽和し易くなっている。すなわち、第１突極部１５と第２突極部１６との間には磁気抵抗に差が設けられており、第１突極部１５を飽和させ透磁率を低下させることにより、第２突極部１６と突極７との間でリラクタンストルクが効率良く発生するようになっている。
【００２４】
このようなモータ１は、通常、ＳＲモータは１相励磁方式であるのに対し、ブラシレスモータと同様に２相励磁方式にて駆動される。そこで、例えば図１の状態で巻線５Ｖａ，５Ｗｂに通電すると、図１，３に破線にて示したような磁気回路Ａが成立する（マグネット１１（Ｎ極）→第１ヨーク１２→第１突極部１５ａ→ステータコア４（突極７Ｖａ→ヨーク部６→突極７Ｗｂ）→第１突極部１５ｂ→第１ヨーク１２→マグネット１１（Ｓ極）→第２ヨーク１３→マグネット１１）。このとき、第１突極部１５ａと突極７Ｖａとの間には磁気的吸引力が発生する。また、第１突極部１５ｂと突極７Ｗｂとの間には磁気的反発力が発生する。
これにより、第１突極部１５ａは突極７Ｖａに引き付けられ、ロータ３が時計回りに回転する。すなわち、巻線５Ｖａ，５Ｗｂの通電に伴い、マグネット１１によってもたらされるマグネットトルクにより、ロータ３が図３の矢示Ｘ方向に回転する。
【００２５】
一方、巻線５Ｖａ，５Ｗｂを通電すると、第２突極部１６ｂと突極７Ｗｂとの間に磁気回路Ｂが成立する（第２突極部１６ｂ→突極７Ｗｂ→第２突極部１６ｂ）。第２突極部１６ｂと突極７Ｗｂとの間には磁気的吸引力が発生し、第２突極部１６ｂは突極７Ｗｂに引き寄せられ、ロータ３は時計回りに回転する。さらに巻線５Ｖａ，５Ｗｂの通電を続けロータ３が時計回りに回転すると、第２突極部１６ａが突極７Ｖａに対向し始め、そこに磁気回路Ｂが成立する（第２突極部１６ａ→突極７Ｖａ→第２突極部１６ａ）。第２突極部１６ａと突極７Ｖａとの間には磁気的吸引力が発生し、第２突極部１６ａは突極７Ｖａに引き寄せられ、ロータ３は時計回りに回転する。すなわち、巻線５Ｖａ，５Ｗｂの通電に伴い、第２突極部１６ａ，１６ｂ及び突極７Ｖａ，７Ｗｂによってもたらされるリラクタンストルクにより、ロータ３が図３の矢示Ｘ方向に回転する。
【００２６】
突極７Ｖａと第２突極部１６ａの中心同士が対向すると、第１突極部１５ａの一部が次の突極７Ｗａに対向する位置に来る。そこで、突極７Ｗａ，７Ｕａの巻線５Ｗａ，５Ｕａに通電すると、第１突極部１５ａが突極７Ｗａに引き付けられる。その際、第２突極部１６ｂと突極７Ｕａとの間にも磁気的吸引力が発生しており、第２突極部１６ｂは突極７Ｕａに引き寄せられる。第１突極部１５ａが突極７Ｗａに引き付けられると、やがて第２突極部１６ａが突極７Ｗａに対向し始める。そして、第２突極部１６ａが突極７Ｗａに引き寄せられ、ロータ３は時計回りの回転を持続させる。このように、各相の巻線５を順次通電することにより突極１４はマグネットトルクとリラクタンストルクによって連続的に突極７に引き付けられ、ロータ３はステータ２内にてシャフト８と共に回転する。
【００２７】
このように、モータ１では、ＳＲモータにマグネット１１を配したハイブリッド構造を採ると共に、ロータコア９の突極１４を、マグネットトルク発生用の第１突極部１５とリラクタンストルク発生用の第２突極部１６とから構成している。第１突極部１５と第２突極部１６は磁気的に概ね隔離された構成となっており、それぞれ独立して磁束が流れ、ロータ内部にてマグネットトルクとリラクタンストルクの磁気回路が分離される。このため、電流量が大きくなってもロータコア９が磁気的に飽和しにくく、モータ１は通常のＳＲモータに比して高トルクが得られる。また、磁石量に比してトルク増大量が大きく、磁石量を抑えつつ効果的なトルクアップを図るも可能となる。発明者らの実験によれば、ＩＰＭ構造のブラシレスモータの磁石量とトルクをそれぞれ「１」としたとき、本発明のモータ１では、磁石量「０．６３」で「０．８１」のトルクを得ることができた。
【００２８】
本発明は前記実施の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、前述の実施の形態では、ロータコア９をケイ素鋼板の積層構造とし、第１突極部１５と第２突極部１６をブリッジ部１８にて連結した構成としたが、両突極部１５，１６を独立した別部品としても良い。この場合、磁気回路Ａ，Ｂは完全に分離され、ブリッジ部１８における漏れ磁束をなくすことができるので、より効率良く磁束を利用できさらに高トルクを得ることが可能となる。なお、前述の実施の形態ではブリッジ部１８をエアホール１７の両端に設けたが、その位置は両端には限定されず、Ｌ字形の屈曲部等、エアホール１７の中程に設けても良い。また、ロータ３として、図２，３のロータ３を上下反転させた形のものを現ロータ３の下側に加えた構成を採り、更なるトルクアップを図ることも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のリラクタンスモータによれば、ロータコアの突極をマグネットトルク発生用の第１突極部とリラクタンストルク発生用の第２突極部とから構成したので、ロータ内部にてマグネットトルクとリラクタンストルクの磁気回路を分離できる。従って、電流量が大きくなってもロータコアが磁気的に飽和しにくくなり、通常のＳＲモータよりも高トルクが得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるリラクタンスモータの構成を示す説明図である。
【図２】図１のリラクタンスモータの分解斜視図である。
【図３】ロータ３の構成を示す斜視図である。
【図４】従来のリラクタンスモータの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ リラクタンスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ ステータコア
５ 巻線
５Ｕａ，５Ｖａ，５Ｗａ 巻線
６ ヨーク部
７ 突極
７Ｕａ，７Ｖａ，７Ｗａ，７Ｗａ，７Ｗｂ，７Ｗｃ 突極
８ シャフト
９ ロータコア
１１ マグネット
１２ 第１ヨーク
１３ 第２ヨーク
１４ 突極
１５ 第１突極部
１５ａ〜１５ｄ 第１突極部
１６ 第２突極部
１６ａ〜１６ｄ 第２突極部
１７ エアホール
１８ ブリッジ部
１９ 上段部
２１ 下段部
２２ 空隙
５１ モータ
５２ ロータ
５３ マグネット
５４ ステータ
５５ ロータコア
５６ 突極
５７ コイル
５８ 突極

Claims (6)

1. コイルが巻装された複数個の突極を備えるステータと、マグネットが取り付けられ前記ステータの突極とは異なる個数の複数個の突極を有するロータとを有してなるリラクタンスモータであって、
   前記ロータの突極は、前記マグネットと磁気的に接続され前記マグネットと前記ステータの前記突極との間に生じる磁気的吸引力によりマグネットトルクを発生させる第１突極部と、前記第１突極部とは別個に設けられ、前記ステータの前記突極との間に生じる磁気的吸引力によりリラクタンストルクを発生させる第２突極部とを有することを特徴とするリラクタンスモータ。
2. コイルが巻装された複数個の突極を備えるステータと、前記ステータの突極とは異なる個数の複数個の突極が形成されたロータコアを備えるロータとを有してなるリラクタンスモータであって、
   前記ロータコアの軸方向端部に取り付けられた複数個の第１ヨークと、
   前記第１ヨークの外側に取り付けられた複数個のマグネットと、
   前記マグネットの外側に取り付けられ、前記各マグネットを磁気的に接続する第２ヨークとを備え、
   前記ロータコアの突極は、前記第１ヨークと接する第１突極部と、前記第１突極部とは別個に設けられ、前記第１ヨークに対し空隙を介して対向する第２突極部とを有することを特徴とするリラクタンスモータ。
3. 請求項２記載のリラクタンスモータにおいて、前記第１ヨークは、前記第１突極部と接する第１段部と、前記上段部よりも薄肉に形成され前記第２突極部との間に前記空隙を形成する第２段部とを有することを特徴とするリラクタンスモータ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のリラクタンスモータにおいて、前記第１突極部は前記第２突極部よりも軸方向の長さが短いことを特徴とするリラクタンスモータ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のリラクタンスモータにおいて、前記第１突極部と前記第２突極部は周方向に沿って隣接配置され、前記第１突極部と前記第２突極部との間は、前記ロータコアの前記突極に形成されたエアホールによって隔離されることを特徴とするリラクタンスモータ。
6. 請求項５記載のリラクタンスモータにおいて、前記第１突極部と前記第２突極部との間は、前記ロータコアの前記突極に形成されたブリッジ部によって前記エアホールを挟んで連結されることを特徴とするリラクタンスモータ。

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