JP2013116014A - スイッチドリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの高速回転時にも高トルクおよび高出力を得ることができる、スイッチドリラクタンスモータを提供する。
【解決手段】ステータ４は、円筒状のリング部９を備えている。リング部９は、その中心軸線を中心に往復回動可能に設けられている。リング部９の内周面１０と各ステータ突極１１における内周面１０と対向する端面との間には、エアギャップＧが形成されている。そして、リング部９の内周面１０には、リング部９の中心軸線を中心とする等角度間隔で、リング部９の回動によってエアギャップＧを可変とするためのステータ突極１１と同数の溝１３が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチドリラクタンスモータに関する。

最近、レアアース（希土類）危機の問題から、ハイブリッドカーや電気自動車に搭載されるモータとして、永久磁石を使用しないスイッチドリラクタンスモータ（ＳＲモータ）が注目を集めている。

図６は、従来のスイッチドリラクタンスモータの模式的な断面図である。

スイッチドリラクタンスモータ９１は、ロータ９２およびステータ９３を備えている。

ロータ９２は、回転軸９４と一体的に回転可能に設けられている。ロータ９２は、中心軸線が回転軸９４の中心軸線と一致する円筒面を有しており、その円筒面には、８個のロータ突極９５が円筒面の中心軸線（回転軸線）を中心とする等角度間隔で突設されている。

ステータ９３は、ロータ９２の周囲を取り囲み、ロータ９２の円筒面と等間隔を空けて対向する円筒面を有している。ステータ９３の円筒面には、１２個のステータ突極９６が円筒面の中心軸線（回転軸線）を中心とする等角度間隔で突設されている。各ステータ突極９６には、コイル９７が集中巻されている。

ロータ９２の回転位置（ロータ突極９５の位置）に応じて、通電されるコイルが切り替えられることにより、ロータ９２が回転し、トルクが発生する。

特開平８−１８２２７６号公報 国際公開第２００６／１２３６５９号

図６に示される構成のスイッチドリラクタンスモータ９１では、コイル９７の巻数を増やすことにより、トルクを増大させることができる。しかしながら、コイル９７の巻数を増やすと、ロータ９２の高速回転時に、過大な誘起電圧が発生し、トルクが低下するという問題が生じる。

本発明の目的は、ロータの高速回転時にも高トルクおよび高出力を得ることができる、スイッチドリラクタンスモータを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るスイッチドリラクタンスモータは、回転可能に設けられ、第１円筒面に回転軸線を中心とする等角度間隔で突設された複数のロータ突極を有するロータと、第１円筒面と対向する第２円筒面に沿って前記回転軸線を中心とする等角度間隔で配置された複数のステータ突極および各ステータ突極に巻回されたコイルを有するステータとを含む。前記ステータは、前記第２円筒面を有し、前記回転軸線を中心に往復回動可能に設けられたリング部を備えている。前記第２円筒面と各ステータ突極における前記第２円筒面と対向する端面との間には、エアギャップが形成されている。そして、前記第２円筒面には、前記回転軸線を中心とする等角度間隔で、前記リング部の回動によって前記エアギャップを可変とするための前記ステータ突極と同数の溝が形成されている。

これにより、ステータの第２円筒面には、ステータ突極と同数の溝からなる凹部と各溝の間の凸部とが周方向に交互に形成されている。

各凸部がステータ突極に対して回転径方向に並んで対向する状態では、第２円筒面と各ステータ突極の端面との間のエアギャップが最小となる。そのため、この状態では、コイルに電流が流されたときに、そのコイルが巻回されたステータ突極およびリング部を通る磁束量が最大となる。

そして、リング部の回動により、各凸部がステータ突極に対して回転径方向に並んで対向する位置からずれると、ステータ突極の端面における溝（凹部）との対向面積が増え、その溝と対向する部分において、第２円筒面と各ステータ突極の端面との間のエアギャップが大きくなる。そのため、コイルに電流が流されたときに、そのコイルが巻回されたステータ突極およびリング部を通る磁束量は、ステータ突極の端面における溝との対向面積が増えるにつれて減少する。

よって、ロータが相対的に低回転速度で回転しているときには、リング部の回転位置を各凸部がステータ突極に対して回転径方向に並んで対向する位置とする。一方、ロータが相対的に高回転速度で回転しているときは、リング部の回転位置を各凸部がステータ突極に対して回転径方向に並んで対向する位置からずれる位置とする。これにより、ロータの高速回転時に、コイルに発生する誘起電圧を抑制することができる。その結果、高トルクおよび高出力を得ることができる。

リング部の回転位置は、ロータの回転速度が所定の閾値以下であるかその閾値より大きいかによって段階的に変えられてもよい。また、リング部の回転位置は、ロータの回転速度の上昇に伴って、各凸部がステータ突極に対して回転径方向に並んで対向する位置から徐々に（連続的に）変えられてもよい。

本発明によれば、ロータの回転速度に応じて、ステータ突極を通る磁束量を調節することができる。その結果、ロータの高速回転時にも高トルクおよび高出力を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るスイッチドリラクタンスモータの模式的な断面図であり、各凸部がステータ突極と回転径方向に並んで対向した状態を示す。 図２は、図１に示されるスイッチドリラクタンスモータの模式的な断面図であり、各凸部がステータ突極と回転径方向に並んで対向する位置からずれた状態を示す。 図３は、ロータの回転速度とトルクとの関係を示すグラフである。 図４は、ロータの回転速度と出力との関係を示すグラフである。 図５は、本発明の他の実施形態に係るスイッチドリラクタンスモータの模式的な断面図である。 図６は、従来のスイッチドリラクタンスモータの模式的な断面図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１，２は、本発明の一実施形態に係るスイッチドリラクタンスモータの模式的な断面図である。なお、図１，２では、図面が煩雑になることを回避するため、一部に対するハッチングの付与が省略されている。

スイッチドリラクタンスモータ１は、回転軸２、ロータ３およびステータ４を備えている。

ロータ３は、回転軸２と一体的に回転可能に設けられている。ロータ３は、円柱状のロータ本体５と、ロータ本体５の周面６から回転径方向に突出する８個のロータ突極７とを有している。

ロータ本体５には、その中心軸線上に、断面円形状の軸挿通孔８が貫通して形成されている。軸挿通孔８には、回転軸２が相対回転不能に挿通されている。

８個のロータ突極７は、ロータ本体５の周面６上に、回転軸線を中心に等角度間隔、つまり４５°間隔で設けられている。各ロータ突極７は、回転軸線方向に延びる略直方体形状に形成されている。

ステータ４は、円筒状のリング部９と、リング部９の内周面１０に沿って配置された１２個のステータ突極１１と、各ステータ突極１１に集中巻されたコイル１２とを備えている。

リング部９は、その中心軸線がロータ３の中心軸線（回転軸線）と一致するように配置されている。

リング部９の内周面１０には、１２個の断面矩形状の溝１３が形成されている。溝１３は、リング部９の中心軸線を中心とする等角度間隔、つまり３０°間隔で形成され、中心軸線に沿う方向に延びている。これにより、リング部９の内周面１０には、ステータ突極１１と同数の溝１３からなる凹部と各溝１３の間の凸部１４とが周方向に交互に形成されている。凸部１４の回転周方向の幅は、ステータ突極１１の回転周方向の幅よりも少し大きい。

１２個のステータ突極１１は、リング部９の内周面１０に沿って、リング部９の中心軸線を中心とする等角度間隔、つまり３０°間隔で配置されている。各ステータ突極１１は、スイッチドリラクタンスモータ１のハウジング（図示せず）に対して固定的に配置されている。また、各ステータ突極１１は、リング部９の内周面１０から微小な間隔を空けて離れている。これにより、リング部９の内周面１０と各ステータ突極１１における内周面１０と対向する端面１５との間には、エアギャップＧが生じている。

そして、リング部９は、各凸部１４がステータ突極１１と回転径方向に並んで対向する位置（図１に示される位置）と、その位置からリング部９の中心軸線を中心に一方側に所定角度（たとえば、約１０°）回動した位置（図２に示される位置）とに往復変位可能に設けられている。

図１に示されるように、各凸部１４がステータ突極１１に対して回転径方向に並んで対向する状態では、リング部９の内周面１０と各ステータ突極１１の端面との間のエアギャップＧが最小となる。そのため、この状態では、コイル１２に電流が流されたときに、そのコイル１２が巻回されたステータ突極１１およびリング部９を通る磁束量が最大となる。

そして、リング部９の回動により、図２に示されるように、各凸部１４がステータ突極１１に対して回転径方向に並んで対向する位置からずれると、ステータ突極１１の端面における溝１３との対向面積が増え、その溝１３と対向する部分において、リング部９９の内周面１０と各ステータ突極１１の端面との間のエアギャップＧが大きくなる。そのため、コイル１２に電流が流されたときに、そのコイル１２が巻回されたステータ突極１１およびリング部９を通る磁束量は、ステータ突極１１の端面における溝１３との対向面積が増えるにつれて減少する。

ロータ３の回転速度が所定の閾値Ｒｔｈ以下であるときには、リング部９は、各凸部１４がステータ突極１１と回転径方向に並んで対向する位置（図１に示される位置）に配置される。

一方、ロータ３の回転速度が閾値Ｒｔｈよりも大きいときには、リング部９は、各凸部１４がステータ突極１１に対して回転径方向に並んで対向する位置からずれる位置（図２に示される位置）に配置される。これにより、コイル１２に発生する誘起電圧を抑制することができる。その結果、図３に示されるように、ロータ３が閾値Ｒｔｈよりも大きい回転速度で回転しているときに、従来のスイッチドリラクタンスモータと比べて、高トルクを得ることができる。また、図４に示されるように、ロータ３が閾値Ｒｔｈよりも大きい回転速度で回転しているときに、従来のスイッチドリラクタンスモータと比べて、高出力を得ることができる。

なお、リング部９を変位させるための機構については、種々の構成が考えられる。たとえば、リング部９の外周面または端面にソレノイドのアクチュエータが接続されて、アクチュエータの進退により、リング部９が図１に示される位置と図２に示される位置とに往復変位されてもよい。

図５は、本発明の他の実施形態に係るスイッチドリラクタンスモータの模式的な断面図である。なお、図５では、図面が煩雑になることを回避するため、一部に対するハッチングの付与が省略されている。

スイッチドリラクタンスモータ５１は、いわゆるアウタロータ型のスイッチドリラクタンスモータである。スイッチドリラクタンスモータ５１は、ロータ５２およびステータ５３を備えている。

ロータ５２は、全体として円筒状をなし、その中心軸線を中心に回転可能に設けられている。ロータ５２の内周面５４には、８個のロータ突極５５がロータ５２の中心軸線を中心とする等角度間隔、つまり４５°間隔で設けられている。各ロータ突極５５は、回転軸線方向に延びる略直方体形状に形成されている。

ステータ５３は、円筒状のリング部５６と、リング部５６の外周面５７に沿って配置された１２個のステータ突極５８と、各ステータ突極５８に集中巻されたコイル５９とを備えている。

リング部５６は、その中心軸線がロータ５３の中心軸線（回転軸線）と一致するように配置されている。

リング部５６の外周面５７には、１２個の断面矩形状の溝６０が形成されている。溝６０は、リング部５６の中心軸線を中心とする等角度間隔、つまり３０°間隔で形成され、中心軸線に沿う方向に延びている。これにより、リング部５６の外周面５７には、ステータ突極５８と同数の溝６０からなる凹部と各溝６０の間の凸部６１とが周方向に交互に形成されている。凸部６１の回転周方向の幅は、ステータ突極５８の回転周方向の幅とほぼ同じである。

１２個のステータ突極５８は、リング部５６の外周面５７に沿って、リング部５６の中心軸線を中心とする等角度間隔、つまり３０°間隔で配置されている。各ステータ突極５８は、スイッチドリラクタンスモータ１のハウジング（図示せず）に対して固定的に配置されている。また、各ステータ突極５８は、リング部５６の外周面５７から微小な間隔を空けて離れている。これにより、各ステータ突極５８における外周面５７と対向する端面とリング部５６の外周面５７との間には、エアギャップＧが生じている。

そして、リング部５６は、各凸部６１がステータ突極５８と回転径方向に並んで対向する位置（図５に示される位置）と、その位置からリング部５６の中心軸線を中心に一方側に所定角度（たとえば、約１０°）回動した位置とに往復変位可能に設けられている。

このスイッチドリラクタンスモータ５１においても、図１に示されるスイッチドリラクタンスモータ１と同様の作用効果を奏することができる。

以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。

たとえば、リング部９，５６の回転位置は、ロータ３，５２の回転速度の上昇に伴って、各凸部１４，６１がステータ突極１１，５８に対して回転径方向に並んで対向する位置から徐々に（連続的に）変えられてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ スイッチドリラクタンスモータ
３ ロータ
４ ステータ
６ 周面（第１円筒面）
７ ロータ突極
９ リング部
１０ 内周面（第２円筒面）
１１ ステータ突極
１３ 溝
５１ スイッチドリラクタンスモータ
５２ ロータ
５３ ステータ
５４ 内周面（第１円筒面）
５５ ロータ突極
５６ リング部
５７ 外周面（第２円筒面）
５８ ステータ突極
６０ 溝
Ｇ エアギャップ

Claims (1)

1. 回転可能に設けられ、第１円筒面に回転軸線を中心とする等角度間隔で突設された複数のロータ突極を有するロータと、第１円筒面と対向する第２円筒面に沿って前記回転軸線を中心とする等角度間隔で配置された複数のステータ突極および各ステータ突極に巻回されたコイルを有するステータとを含むスイッチドリラクタンスモータであって、
   前記ステータは、前記第２円筒面を有し、前記回転軸線を中心に往復回動可能に設けられたリング部を備え、
   前記第２円筒面と各ステータ突極における前記第２円筒面と対向する端面との間には、エアギャップが形成されており、
   前記第２円筒面には、前記回転軸線を中心とする等角度間隔で、前記リング部の回動によって前記エアギャップを可変とするための前記ステータ突極と同数の溝が形成されている、スイッチドリラクタンスモータ。

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