JP5146104B2 - リラクタンスモータ - Google Patents
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Description
ステータ110は、図52に示す様に、リング形状を有するバックヨーク部111の内周にA相、B相、C相の突極112が等間隔に設けられ、各突極112には、それぞれ巻線113が巻回されている。なお、同図52では、A相の突極112に巻回された巻線113だけを示している。
ロータ120は、4極の突極121が同一円周上に等間隔に設けられている。
図53は、ステータ110の突極112とロータ120の突極121とを周方向に展開して配置した状態を示しており、ステータ110の突極112は、電気角で120度毎にA相、B相、C相の順に配置され、ロータ120の突極121は、電気角で180度毎に配置されている。
このモータ100の特徴は、高価な永久磁石を使用することなく、a)簡素な構造で低コストに構成できること、b)ロータ120が簡素で堅牢であり、機械強度的に高速回転が可能なこと、c)モータの磁束は、全て巻線に通電する電流のみで作り出すので、モータの磁束制御が可能であり、電気的に高速回転が可能なこと等が挙げられる。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、簡素な構成で高トルクを発生することができ、トルクリップルの低減、および振動や騒音の低減による高品質なモータを提供することにある。
本発明のリラクタンスモータは、同一円周上に複数の突極が配置され、且つ、複数の突極に巻線が巻回されたステータ突極群と、複数の突極に対向して同一円周上に配置された複数の突極を有するロータ突極群とで1個の単相モータが構成され、この単相モータを複数個備え、その複数個の単相モータを組み合わせてN相(Nは2以上の整数)に構成したたリラクタンスモータであって、複数個の単相モータのうち、少なくとも1個の単相モータは、ロータ突極群の半径方向の内側にステータ突極群が配置され、他の単相モータは、ロータ突極群の半径方向の外側にステータ突極群が配置され、ロータ突極群の内側に配置されるステータ突極群と、ロータ突極群の外側に配置されるステータ突極群とは、軸方向の積厚が異なることを特徴とする。
さらに、1つのステータ突極群に同一の相を集約することにより、ステータ変形に対する強度を高めることができ、モータ駆動時の振動、騒音を低減できる。
また、N相のステータ突極群をロータ突極群の内側と外側とに分けて配置しているので、N相のステータ突極群を全て軸方向に積み重ねた場合と比較して、積厚方向に薄型化できる。つまり、軸長方向にモータを小型化できる。
さらに、ロータ突極群の内側と外側とにステータ突極群を配置した場合でも、そのステータ突極群の積厚がロータ突極群の内側と外側とで異なることにより、フラットなトルク特性を得ることが可能である。
請求項1に記載したリラクタンスモータにおいて、ロータ突極群の内側に配置されるステータ突極群の積厚が、ロータ突極群の外側に配置されるステータ突極群の積厚より大きいことを特徴とする。
一般的に、モータトルクは、軸の中心から、ロータ突極群とステータ突極群との間に確保されるエアギャップ部までの距離に相関があり、距離が大きいほど発生するトルクは大きくなる。このため、ロータ突極群の内側と外側とにステータ突極群を配置した場合は、ロータ突極群の外側に配置したステータ突極群との間に発生するトルクより、ロータ突極群の内側に配置したステータ突極群との間に発生するトルクの方が小さくなり、トルクのアンバランスが生じる。一方、モータトルクは、モータの軸長方向の厚さによっても増減し、積厚を大きくすることでトルクも大きくできる。そこで、ロータ突極群の内側に配置されるステータ突極群の積厚を、ロータ突極群の外側に配置されるステータ突極群の積厚より大きくすることで、発生トルクを同等にすることが可能となり、トルクリップルを抑えることができる。
本実施例のリラクタンスモータ10は、図1に示す様に、モータケース1に軸受2を介して回転自在に支持される回転軸3と、この回転軸3に支持されるロータ(以下に説明する)と、このロータの径方向外側に配置されるステータ(以下に説明する)とを備える。 ロータは、同一円周上に複数の突極11a(図2〜図4参照)を有するロータ突極群11を軸方向に3段積み重ねて構成される。このロータ突極群11は、例えば、複数枚の電磁鋼板を積層して形成される。なお、図1では、3個のロータ突極群11を一体に構成した一例を示しているが、3個のロータ突極群11を別々に形成して軸方向に重ね合わせても良い。
各ステータ突極群12、13、14は、それぞれ、図2〜図4に示す様に、ロータ突極群11の突極11aに対向して、円環状の内周に設けられる複数の突極12a、13a、14aと、各突極12a〜14aにそれぞれ巻回された巻線12b、13b、14bとで構成される。
各突極12a〜14aは、それぞれ、プレスで打ち抜かれた円環状の電磁鋼板を複数枚積層して形成され、モータケース1の内周に固定されている。この3相のステータ突極群12〜14は、図1に示すロータの上段、中段、下段に構成される各ロータ突極群11に対向して、A相、B相、C相の順に配置される。
また、各突極12a〜14aの周囲に記載された実線矢印および破線矢印は、それぞれ電流の流れを示すもので、実線矢印に囲まれた突極(例えばA)と、破線矢印に囲まれた突極(例えば−A)は、互いに磁束の向きが異なることを表している。
上記の構成を有する3相モータ10は、ロータの回転位置に同期して各相の巻線12b、13b、14bに電流を通電することにより、ロータ突極群11の突極11aに電磁力が作用してトルクを出力する。
この3相モータ10は、ロータ突極群11に対し、A相のステータ突極群12、B相のステータ突極群13、C相のステータ突極群14が、それぞれ電気角で120度の位相差を有して配置されるので、図6に示す様に、連続したトルクを発生することができる。
また、各ステータ突極群12〜14の円周上に同一の相を集約することにより、ステータの変形に対する強度を高めることができ、モータ駆動時の振動、騒音を低減することができる。
また、各相のステータ突極群12〜14は、互いの配置に制約を受けることがなく、モータ10の設計に自由度が広がるので、例えば、軸方向に積み重ねる各相のステータ突極群12〜14を電気角的に90度の位相差を設けることで、同相突極に巻回される巻線との干渉を避けることができ、軸長方向にモータ10を小型化することも可能である。
この実施例2は、図7に示す様に、単相モータを軸方向に4段積み重ねて4相モータ20を構成した一例である。
本実施例のモータ20は、実施例1と同様に、回転軸3に支持されるロータと、このロータの径方向外側に配置されるステータとを備える。
ロータは、同一円周上に複数の突極21a(図8〜図11参照)を有するロータ突極群21を軸方向に4段積み重ねて構成される。
各ステータ突極群22〜25は、それぞれ、図8〜図11に示す様に、ロータ突極群21の突極21aに対向して、円環状の内周に設けられる複数の突極22a、23a、24a、25aと、各突極22a〜25aにそれぞれ巻回された巻線22b、23b、24b、25bとで構成される。
この4相のステータ突極群22〜25は、図7に示すロータの上段、中段上、中段下、下段に構成される各ロータ突極群21に対向して、A相、B相、C相、D相の順に配置され、モータケース1の内周に固定されている。
また、各ステータ突極群22〜25の円周上に同一の相を集約することにより、実施例1と同様に、ステータの変形に対する強度を高めることができ、モータ駆動時の振動、騒音を低減することができる。さらに、独立した4個の単相モータを軸方向に積み重ねて構成されるので、実施例1と同様の効果を得ることができる。つまり、各相のステータ突極群22〜25は、互いに他の相に対して構造的に干渉を受けることはないので、モータ20の設計に自由度がある。
この実施例3は、ステータの径方向外側にロータを配置したアウタロータ型の3相モータ30を構成した一例である。
ロータは、図14に示す様に、円環状の内周に複数の突極31a(図15〜図17参照)を有するロータ突極群31を軸方向に3段積み重ねて構成され、軸方向の一端側(図示上側)がモータケース1を介して回転軸3に支持されている。
ステータは、3相のステータ突極群32、33、34より構成される。
本実施例の3相モータ30は、実施例1に記載したインナロータ型の3相モータ10に対し、ロータ突極群31とステータ突極群32〜34との位置関係が異なるだけで、独立した3個の単相モータを軸方向に積み重ねて構成される点、および、3個の単相モータが電気角で120度の位相差を持って組み合わされることは同じであり、実施例1と同様の効果を得ることができる。
この実施例4は、ステータの径方向外側にロータを配置したアウタロータ型の4相モータ40を構成した一例である。
ロータは、図18に示す様に、円環状の内周に複数の突極41a(図19〜図22参照)を有するロータ突極群41を軸方向に4段積み重ねて構成され、軸方向の一端側(図示上側)がモータケース1を介して回転軸3に支持されている。
ステータは、4相のステータ突極群42、43、44、45より構成される。
本実施例の4相モータ40は、実施例2に記載したインナロータ型の4相モータ20に対し、ロータ突極群41とステータ突極群42〜45との位置関係が異なるだけで、独立した4個の単相モータを軸方向に積み重ねて構成される点、および、4個の単相モータが電気角で90度の位相差を持って組み合わされることは同じであり、実施例2と同様の効果を得ることができる。
この実施例5は、図23に示す様に、ロータ突極群51の半径方向の外側と内側とに3相のステータ突極群52、53、54を分けて配置した3相モータ50の一例である。
ロータ突極群51は、円環状に設けられて、その外周上には、図24、図25および図27、図28に示す様に、A相、B相のステータ突極群52、53に対向する複数の突極51aが設けられ、内周上には、図25〜図27に示す様に、C相のステータ突極群54に対向する複数の突極51bが設けられている。このロータ突極群51は、軸方向の一端側(図示上側)がモータケース1を介して回転軸3に支持されている。
ステータ突極群52、53は、それぞれ、図24、図25および図27、図28に示す様に、ロータ突極群51の突極51aに対向して、円環状の内周に設けられる複数の突極52a、53aと、各突極52a、53aに巻回された巻線52b、53bとで構成される。
ステータ突極群54は、図25〜図27に示す様に、ロータ突極群51の突極51bに対向して、円環状の外周に設けられる複数の突極54aと、この突極54aに巻回された巻線54bとで構成される。
また、本実施例のモータ50は、3相のステータ突極群52、53、54をロータ突極群51の半径方向の外側と内側とに分けて配置することにより、例えば、実施例1に記載した3相のステータ突極群12、13、14を軸方向に積み重ねて構成する場合と比較して、モータ50を軸長方向に小型化することができる。
一方、モータトルクは、軸長方向の厚さによっても増減し、ステータ突極群52、53、54を構成する電磁鋼板の積厚を大きくすればトルクも大きくできる。
また、トルクの変化が大きい相切り替え時において、切り替わる前後の相が双方でトルクを発生させることができる。本構造では、各相のステータ突極群52、53、54が独立であるので、重複的に通電をする際に、他の磁気回路に制約を受けないため、滑らかに駆動することができる。
この実施例6は、図30に示す様に、ロータ突極群61の半径方向の外側と内側とに4相のステータ突極群62、63、64、65を分けて配置した4相モータ60の一例である。
ロータ突極群61は、円環状に設けられて、その外周上には、図31、図32に示す様に、A相、B相のステータ突極群62、63に対向する複数の突極61aが設けられ、内周上には、C相、D相のステータ突極群64、65に対向する複数の突極61bが設けられている。このロータ突極群61は、軸方向の一端側(図示上側)がモータケース1を介して回転軸3に支持されている。
ステータ突極群62、63は、それぞれ、ロータ突極群61の突極61aに対向して、円環状の内周に設けられる複数の突極62a、63aと、各突極62a、63aに巻回された巻線62b、63bとで構成される。
ステータ突極群64、65は、それぞれ、ロータ突極群61の突極61bに対向して、円環状の外周に設けられる複数の突極64a、65aと、各突極64a、65aに巻回された巻線64b、65bとで構成される。
また、本実施例の4相モータ60においても、4相のステータ突極群62〜65をロータ突極群61の半径方向の外側と内側とに分けて配置しているので、実施例5に記載した3相モータ50と同様に、モータ60を軸長方向に小型化することができる。
この実施例7は、実施例5に記載した3相モータ50と同様に、ロータ突極群71の半径方向の外側と内側とに3相のステータ突極群72、73、74を分けて配置した3相モータ70の一例であり、且つ、外側のステータ突極群72、73と内側のステータ突極群74とで突極数が異なる。
ロータ突極群71は、円環状に設けられて、その外周上には、図36、図37、および図39、図40に示す様に、A相、B相のステータ突極群72、73に対向する複数の突極71aが設けられ、内周上には、図37〜図39に示す様に、C相のステータ突極群74に対向する複数の突極71bが設けられている。このロータ突極群71は、軸方向の一端側(図示上側)がモータケース1を介して回転軸3に支持されている。
ステータ突極群72、73は、それぞれ、ロータ突極群71の突極71aに対向して、円環状の内周に設けられる複数の突極72a、73aと、各突極72a、73aに巻回された巻線72b、73bとで構成される。
ステータ突極群74は、ロータ突極群71の突極71bに対向して、円環状の外周に設けられる複数の突極74aと、この突極74aに巻回された巻線74bとで構成される。
なお、ロータ突極群71と各相のステータ突極群72、73、74との位置関係を示すモータ70の周方向展開図を図41に示す。
上記の構成によれば、図41に示す様に、A相、B相のステータ突極群72、73は、電気角的に90度の位相差を持っており、A相とB相のトルクが切り替わる区間において、突極数が2倍のC相でのトルクが発生する。その結果、図42に示す様に、全体として連続的なトルクを得ることができる。
この実施例8は、ロータ突極群81の半径方向の外側と内側とにA相、B相のステータ突極群82、83を配置し、且つ、A相、B相のステータ突極群82、83より積厚の薄いC相のステータ突極群84をロータ突極群81の半径方向の外側と内側とにそれぞれ配置した3相モータ80の一例である。つまり、C相のステータ突極群84は、ロータ突極群81の外側でA相のステータ突極群82と軸方向に積み重ねられる外側ステータ突極群84Aと、ロータ突極群81の内側でB相のステータ突極群83と軸方向に積み重ねられる内側ステータ突極群84Bとを有している。
なお、ステータ突極群82、83は、それぞれ巻線82b、83bを有し、外側ステータ突極群84Aと内側ステータ突極群84Bは、それぞれ巻線84a、84bを有している。
また、本実施例の3相モータは、ロータ突極群81の外側と内側とにA相、B相のステータ突極群82、83を配置し、且つ、積厚の薄いC相のステータ突極群84A、84Bを、それぞれA相、B相のステータ突極群82、83と軸方向に積み重ねているので、積厚方向(軸長方向)にモータ80を小型化できる。
なお、A相のステータ突極群82とB相のステータ突極群83は、必ずしも両者の積厚を同じにする必要はなく、トルクのアンバランスを解消するために、ロータ突極群81の外側に配置されるA相に対し、ロータ突極群81の内側に配置されるB相の積厚を大きくする方が良い。
ステータの各突極12aに巻線12bを巻回する方式としては、図45に示す様に、巻線12bを1つの突極12aに単独で集中的に巻回することができる。このとき、図46に示す様に、周方向に隣り合う突極12a同士で磁気回路の1周期を形成するため、図中矢印で示す様に、磁束の流れる方向が反転する。このため、隣り合う突極12aに単独で巻線12bを巻回する場合は、巻回方向を逆にするか、制御装置(図示せず)による通電方向を反転する必要がある。
また、波巻状に巻回する構成としては、図47(b)に示すように、波状の巻線12bを折り返した構成とすることもできる。この場合、巻線12bを外部で成形製作した後、ステータコアに挿入する手法を採用することにより、製作性を向上できる。
また、突極12aの表面形状を台形状に形成した場合は、図47(d)に示す様に、軸方向に重ね合わせる他の相(図中B相)のステータ突極12bとの凹凸を合わせるように積み重ねることで、軸方向にモータを小型化できる。
巻線12bの端部が飛び出しやすい部分においては、巻線12bを巻きやすくするために、図48(a)〜(d)に示す様に、突極12aの角部を削る、または、電磁鋼板を積層する際に、形を変えて積層することで、突極12aの角部と巻線12bの折れ曲がりの部分との干渉によるコイルエンドの突出を抑えることができるため、巻線12bをスムーズに折り返すことで、コイルエンドを短縮できる。
以上の巻線12bの巻回方法と突極形状との組み合わせにおいて、各ステータ同士の相対的な位置関係は、それぞれ独立に配置することが可能であるため、モータの構成に自由度がある。この自由度を利用することで、モータの小型化に寄与できる。
本発明は、ロータ、およびステータにそれぞれ永久磁石を用いた構成にも適用できる。 特に、本発明のリラクタンスモータにおいては、永久磁石を補助的に用いることで、体格あたりのトルクを大きくすることができる。
本発明の実施例においては、永久磁石型のマグネットトルクを主導とするモータ構成にも適用することが可能であるため、これらの構成についても本発明に含まれる。
また、本発明の実施例においては、リニアモータの分野にも適用することが可能であり、これらの構成についても本発明に含まれる。
10 リラクタンスモータ
11 ロータ突極群
11a ロータの突極
12 A相のステータ突極群
12a A相の突極
12b A相の巻線
13 B相のステータ突極群
13a B相の突極
13b B相の巻線
14 C相のステータ突極群
14a C相の突極
14b C相の巻線
Claims (2)
- 同一円周上に複数の突極が配置され、且つ、前記複数の突極に巻線が巻回されたステータ突極群と、
前記複数の突極に対向して同一円周上に配置された複数の突極を有するロータ突極群とで1個の単相モータが構成され、
この単相モータを複数個備え、その複数個の単相モータを組み合わせてN相(Nは2以上の整数)に構成したリラクタンスモータであって、
前記複数個の単相モータのうち、少なくとも1個の単相モータは、前記ロータ突極群の半径方向の内側に前記ステータ突極群が配置され、他の単相モータは、前記ロータ突極群の半径方向の外側に前記ステータ突極群が配置され、
前記ロータ突極群の内側に配置される前記ステータ突極群と、前記ロータ突極群の外側に配置される前記ステータ突極群とは、軸方向の積厚が異なることを特徴とするリラクタンスモータ。 - 請求項1に記載したリラクタンスモータにおいて、
前記ロータ突極群の内側に配置される前記ステータ突極群の積厚が、前記ロータ突極群の外側に配置される前記ステータ突極群の積厚より大きいことを特徴とするリラクタンスモータ。
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