JP6272550B2 - リラクタンスモータ、およびリラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リラクタンストルクを発生させるリラクタンスモータに関し、詳しくは、トルクリップルを低減するためのリラクタンスモータの構成、およびリラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法に関するものである。

リラクタンスモータは、ロータコアにスリット状のフラックスバリアを形成することで、ロータの回転方向における磁気抵抗が異なる構成とし、この構成を利用して、トルクを発生させるモータである。このようなリラクタンスモータは、インダクションモータ（誘導機）と比較して、回転子の二次銅損が発生しないなどのメリットが評価されている。そして、このようなメリットから、リラクタンスモータの用途として、空気調和機、自動車等に使用することが注目されている。

しかしながら、リラクタンスモータは、一般的にトルクリップルが大きいとされ、前述の用途に使用するには、さらなる改善が必要であった。

リラクタンスモータの出力トルクは、前述のように、ロータの回転方向における磁気抵抗の差異を発生原理としている。このような出力トルクは、リラクタンストルクＴと称せられており、次式で表わされる。
Ｔ＝Ｐｎ（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ

ここで、Ｐｎは、極対数、Ｌｄは、ｄ軸インダクタンス、Ｌｑは、ｑ軸インダクタンス、ｉｄは、ｄ軸電流、ｉｑは、ｑ軸電流である。上式より、リラクタンスモータの電流あたりのトルクを大きくして、効率を高めるためには、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスの差であるＬｄ−Ｌｑを大きくすることが有効であることがわかる。

また、力率を大きくするためには、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスの比であるＬｄ／Ｌｑを大きくすればよいことが知られている。この比Ｌｄ／Ｌｑの値は、一般に、突極比と呼ばれている。

リラクタンスモータは、この差Ｌｄ−Ｌｑや突極比Ｌｄ／Ｌｑを大きくするために、ロータコアにフラックスバリアと呼ばれる複数層のスリットを設けている。これにより、複数層のスリットに沿った方向に、磁束を流し易くするｄ軸磁路を形成するとともに、複数層のスリットを横断するｑ軸磁路の磁気抵抗を大きくする構成としていた。

上述したフラックスバリア構造を基本構造として、トルクリップルを小さくするための従来技術の一例として、以下の構成を備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１は、リラクタンスモータ用回転子積層鉄心として、回転軸孔側を凸とした複数の円弧状スリットを同心状に形成するとともに、複数の円弧状スリットを回転軸孔の周囲に間隔をおいて形成した鉄心片を積層している。

そして、円弧状スリットの延設方向に沿って磁束が流れ易い突極方向と、円弧状スリットの並設方向に沿って磁束が流れ難い非突極方向とのインダクタンスの差に基づいて生じるリラクタンストルクにより回転するリラクタンスモータ用回転子積層鉄心において、複数の円弧状スリットの端部を鉄心片の全周にわたって等間隔に形成している。このような構成とすることにより、特許文献１は、回転子のトルク変動、すなわちトルクリップル、を小さく抑えている。

特開２００９−７７４５８号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に記載されたリラクタンスモータは、複数のスリットを鉄心片から打ち抜いて形成する必要がある。このため、打ち抜き形成時の磁気特性の劣化が、各所に発生することとなる。そして、このような劣化を抑えるためには、焼鈍等の熱処理が必要になるか、あるいは劣化分の特性悪化を補うためにモータ自体が大型化する、という不都合があった。

特許文献１においても、この点は述べられており、１極あたりのスリットの数を５つに低減しているものの、抜本的な本数の削減には至っておらず、依然として、鉄心の磁気特性の劣化の影響を受けていた。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、より少ないスリット数の場合でも、トルクリップルを低減することのできるリラクタンスモータ、およびリラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係るリラクタンスモータは、ロータコアがシャフトに固定されて構成されるロータと、巻線を収納するスロットを有するステータとを備え、ロータとステータとが磁気ギャップを介して回転自在に配置されたリラクタンスモータにおいて、スロットの数をＮｓとし、ロータコアは、１つ以上のスリットとコア層とが径方向に交互に並んで形成されたフラックスバリアを周方向に極数分有し、１極あたりにおけるスリットの、ロータ外周に近接するスリット端部を１以上の群に分け、群番号をｇとする１つの群に含まれるスリット端部の個数をｍ_g個とし、スリット端部に対して周方向の右側から順に１番からｍ_g番までの番号を付け、それぞれのスリット端部において、ロータ外周から内周方面に伸びるスリット壁に関して、周方向に見て右側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をδ^g _iとし、ｎ_iを１以上の自然数とし、αを−１／４以上１／４以下の範囲の数とし、ｑを１以上の自然数としたとき、δ^g _iが特許請求の範囲の数式（１）を満たし、かつ、周方向に見て左側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をε^g _iとし、ｌ_iを１以上の自然数とし、βを−１／４以上１／４以下の範囲の数とし、ｑを１以上の自然数としたとき、ε^g _iが特許請求の範囲の数式（２）を満たすように、フラックスバリアが構成されているものである。

また、本発明の係るリラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法は、ロータコアをシャフトに固定して構成されるロータと、巻線を収納するスロットを有するステータとを備え、ロータとステータとを磁気ギャップを介して回転自在に配置したリラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法であって、スロットの数をＮｓとし、ロータコアは、１つ以上のスリットとコア層とを径方向に交互に並べて形成したフラックスバリアを周方向に極数分有し、１極あたりにおけるスリットの、ロータ外周に近接するスリット端部を１以上の群に分け、群番号をｇとする１つの群に含まれるスリット端部の個数をｍ_g個とし、スリット端部に対して周方向の右側から順に１番からｍ_g番までの番号を付けた場合において、それぞれのスリット端部において、ロータ外周から内周方面に伸びるスリット壁に関して、周方向に見て右側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をδ^g _iとし、ｎ_iを１以上の自然数とし、αを−１／４以上１／４以下の範囲の数とし、ｑを１以上の自然数としたとき、δ^g _iが特許請求の範囲の数式（５）を満たし、かつ、周方向に見て左側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をε^g _iとし、ｌ_iを１以上の自然数とし、βを−１／４以上１／４以下の範囲の数とし、ｑを１以上の自然数としたとき、ε^g _iが特許請求の範囲の数式（６）を満たすように、薄板鋼板に対して打ち抜き加工を施すことでスリットを形成する工程を有するものである。

本発明によれば、１つのフラックスバリア内に形成されるスロットが１つあるいは２つの場合にも、スリット端部の影響で発生するｑＮｓ／ｐ次のトルクリップル成分を低減することができるように、スリット形状を規定している。この結果、より少ないスリット数の場合でも、トルクリップルを低減することのできるリラクタンスモータ、およびリラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータを利用する際の系を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるリラクタンスモータを軸線方向にカットした断面図である。 本発明の実施の形態１におけるリラクタンスモータの、先の図２におけるＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータのロータコアの断面図である。 本発明の実施の形態１による制御装置２における電流制御ブロック図である。 本発明の実施の形態１による制御装置２における、図５とは異なる構成を備えた電流制御ブロック図である。 本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータにおいて、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分を低減できる様子を示した説明図である。 本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータのトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分が、係数αに依存している様子を示す図である。 本発明の実施の形態１による面取りをした場合のトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分の振幅を例示した図である。 本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータのロータコアの、図４とは異なる断面図である。 本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータのロータコアの、図１０とは異なる断面図である。 本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータにおいて、スリットに隣り合うコア層同士を繋ぐリブが形成された断面図である。 本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータに段スキューを適用した例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータに斜めスキューを適用した例を示す図である。 本発明の実施の形態２によるリラクタンスモータのロータコアの断面図である。 本発明の実施の形態３によるリラクタンスモータのロータコアの断面図である。 本発明の実施の形態４によるリラクタンスモータのスリット端部を拡大したケース（ａ）の断面図である。 本発明の実施の形態４によるリラクタンスモータのスリット端部を拡大したケース（ｂ）の断面図である。 本発明の実施の形態４によるリラクタンスモータのスリット端部を拡大したケース（ｃ）の断面図である。 本発明の実施の形態５によるリラクタンスモータの壁長さとトルクリップルｑＮｓ／ｐ次成分との関係を示す図である。 本発明の実施の形態６によるリラクタンスモータのスリット端部の角度と出力トルクの関係を示す図である。 本発明の実施の形態６によるリラクタンスモータのロータコアの断面図を示す図である。 本発明の実施の形態７によるリラクタンスモータのロータの断面図を示す図である。 本発明の実施の形態７によるリラクタンスモータのロータの断面図の、別の実施例を示す図である。 本発明の実施の形態７によるリラクタンスモータのロータの斜視図である。 本発明の実施の形態７によるリラクタンスモータのロータの断面図の別の実施例を示す図である。

以下、本発明のリラクタンスモータ、およびリラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータを利用する際の系を示す図である。図１において、リラクタンスモータ１は、電源供給ライン３を介して制御装置２と接続されている。そして、リラクタンスモータ１は、制御装置２から供給される電気エネルギーを、機械エネルギーに変換する電気機械である。

図２は、本発明の実施の形態１におけるリラクタンスモータ１を軸線方向にカットした断面図である。図２において、フレーム１５に圧入や焼き嵌めなどの方法により挿入されて固定されたステータ６と、ロータ９とが、軸受１４を用いて機械的な隙間を介して互いに回転自在に配置されている。

ステータ６は、鉄心からなるステータコア４に巻線５を施して構成される。そして、ステータ６は、巻線５に対して制御装置２から電気エネルギーが与えられると、磁気ギャップ中に回転磁界を発生させる機能を有している。

ロータ９は、鉄心からなるロータコア７の中心にシャフト８を圧入または焼き嵌めなどの方法により挿入して一体としたものである。ここで、ロータコア７は、薄板の鋼板を軸方向に積層して構成されている。

図３は、本発明の実施の形態１におけるリラクタンスモータ１の、先の図２におけるＡ−Ａ断面図である。この図３において、ステータ６とロータ９は、機械的な隙間の径方向距離Ｇをギャップ長として保つようにして、略同心円状に配置されている。ステータ６には、巻線５を収納するスロット５１が形成されており、図３では、３６個のスロット５１を有している。

図４は、本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータ１のロータコア７の断面図である。具体的には、この図４は、先の図３から、ロータ部分のみを抜き出した図である。
この図４において、ロータコア７には、同一形状のフラックスバリア１２が４つ、周方向に略等間隔に形成されている。したがって、本実施の形態１におけるリラクタンスモータ１は、４極のモータとして駆動できるように構成されている。

フラックスバリア１２は、ロータコア７に設けられた鉄心とは異なる材料で形成されたスリット１１が、径方向に列をなして並べられ、残された鉄心部分がコア層１０として形成されている。なお、図４では、スリット１１が、径方向に一列として並べられた状態を例示している。

１つのスリット１１は、少なくともｑ軸線上の径方向幅が最も大きくなるように形成されている。好ましくは、スリット１１の長手方向の端から端まで、同一幅を保つことが望ましいが、最外周側は、同一幅を保つことができない場合もある。また、スリットの端が、円弧状に面取りされる場合もある。しかしながら、これらの差異は、許容範囲である。

図４において、ロータコア７の断面上には、磁束を通し易い方向としてｄ軸、磁束を通しにくい方向としてｑ軸、がそれぞれ定義されている。ｄ軸とｑ軸には、電気的に９０度の位相差がある。

次に、スリット端部１１３を形成しているブリッジ１３と、スリット壁１１１、１１２について説明する。本実施の形態１では、１極あたりにスリット端部１１３が２つ存在している。それらのスリット端部１１３について、以下の説明においては、軸中心に立って見て、周方向の右側にあるスリット端部を１番スリット端部１１３ａ、左側にあるスリット端部を２番スリット端部１１３ｂと便宜的に呼ぶこととする。

１番スリット端部１１３ａにおける軸中心に立って見て、周方向の右側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１１ａから、２番スリット端部１１３ｂにおける軸中心に立って見て、周方向の右側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１１ｂまでの、軸中心を基準とした角度δ^g _iが、下式（１）で表わされる。

上式（１）において、それぞれの符号は、以下の内容を示すものである。
・ｍ_gは、スリット端部の個数であり、図４では、ｍ_g＝２となる。
・周方向に見て同一方向側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をδ^g _iとするので、ここでは、ｉ＝２となる。
・ｎ_iは、１以上の自然数とし、図４では、ｎｉ＝５とする。
・αは、−１／４〜１／４の範囲の数とし、図４では、α＝０とする。
・ｑは、１以上の自然数とし、図４では、ｑ＝１とする。
・Ｎ_sは、先述のように３６である。

そして、これらの設定から、上式（１）の左辺の値は、以下のように設定される。
δ^g _i＝５５°

一方、１番スリット端部１１３ａにおける軸中心に立って見て、周方向の左側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１２ａから、２番スリット端部１１３ｂにおける軸中心に立って見て、周方向の左側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１２ｂまでの、軸中心を基準とした角度ε^g _iは、下式（２）で表わされる。

上式（２）おいて、それぞれの符号は、以下の内容を示すものである。
・ｍ_gは、スリット端部の個数であり、図４では、ｍ_g＝２となる。
・周方向に見て同一方向側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をε^g _iとするので、ここでは、ｉ＝２となる。
・ｌ_iは、１以上の自然数とし、図４では、ｌ_i＝６とする。
・βは、−１／４〜１／４の範囲の数とし、図４では、β＝０とする。
・ｑは、１以上の自然数とし、図４では、ｑ＝１とする。
・Ｎ_sは、先述のように３６である。

そして、これらの設定から、上式（２）の左辺の値は、以下のように設定される。
ε^g _i＝６５°

本実施の形態１によるリラクタンスモータ１は、図１で示したように、制御装置２から電気エネルギーを供給される構成を備えており、制御装置２は、ステータ６の巻線５に通電する電流を制御する。

図５は、本発明の実施の形態１による制御装置２における電流制御ブロック図である。
図５は、いわゆるベクトル制御のブロック図である。図５において、回転位置検出器２０は、リラクタンスモータ１と連結されてロータの回転位置θを検出し、検出した回転位置θを、制御装置２に転送している。

図６は、本発明の実施の形態１による制御装置２における、図５とは異なる構成を備えた電流制御ブロック図である。回転位置θを検出するための構成は、図５における回転位置検出器２０を備える構成の代わりに、図６に示したように、制御装置２内に配置した回転位置推定器２６を用いることもできる。

ただし、図５に示したような回転位置検出器２０を用いる場合には、検出される回転位置θの精度を高めることができるというメリットを有する。一方、図６に示したような回転位置推定器２６を用いる場合には、精度は、回転位置検出器２０に比較して劣るものの、部品点数を減らすことによる経済的なメリットがある。従って、アプリケーションに応じて、図５と図６の構成のいずれかを選択することで、好適なリラクタンスモータ１を提供することができる。

リラクタンスモータ１の制御をするに当たって、制御装置２は、内部または外部から与えられる電流指令ｉｄ＊およびｉｑ＊に基づいて、ステータ６の巻線５に通電する電流を制御する。電流検出器２５から得られる３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの値は、回転位置θとともに、３相→２相変換器２２に入力される。

３相→２相変換器２２の出力として演算される２相の電流ｉｄおよびｉｑは、フィードバック情報として、電流制御器２１に入力される。そして、電流制御器２１は、電流指令ｉｄ＊およびｉｑ＊と、フィードバックされた２相の電流ｉｄおよびｉｑのそれぞれの偏差に基づいて、ＰＩＤ制御等の方法により、電圧指令Ｖｄ＊およびＶｑ＊を演算して生成する。

生成された電圧指令Ｖｄ＊およびＶｑ＊は、回転位置θとともに、２相→３相変換器２２に入力される。そして、２相→３相変換器２２は、３相分の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を計算し、出力する。電力変換器２３は、これら３相分の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を入力として、シンクロナスリラクタンスモータ１に供給する電力を出力する。

このようにして、フィードバックされる電流ｉｄおよびｉｑは、電流指令ｉｄ＊およびｉｑ＊との差分が小さくなるように、すなわち、電流指令ｉｄ＊およびｉｑ＊に近づくように、フィードバック制御される。

図７は、本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータ１において、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分を低減できる様子を示した説明図である。図４に示すようにフラックスバリア１２を構成することで、スリット壁１１１ａで発生するトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分と、スリット壁１１１ｂで発生するトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分の位相は、図７に示すように、およそ２π／（ｑＮｓ）＊１／２だけずれる。

この結果、スリット壁１１１ａで発生するトルクリップル波形に対して、スリット壁１１１ｂで発生するトルクリップル波形を反転させることができ、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分を低減させることができる。

同様にして、スリット壁１１２ａで発生するトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分と、スリット壁１１２ｂで発生するトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分のトルクリップルの波形を反転することができる。この結果、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分を低減させることができる。

図８は、本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータ１のトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分が、係数αに依存している様子を示す図である。具体的には、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分の振幅のαに対する依存性を示している。αは、ゼロであるとき、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分の振幅を最も小さくすることができ、最も好ましい。また、−１／４〜１／４の範囲であれば、α＝−１やα＝１の場合に比べて、６０％以上低減でき、実用上問題のない範囲といえる。

また、スリット端部１１３における面取りなどの加工によって、トルクリップル波形の位相がずれることも考えられる。このため、αやβを、−１／４〜１／４の範囲で補正する可能性がある。

図９は、本発明の実施の形態１による面取りをした場合のトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分の振幅を例示した図である。通常は、０．５ｍｍ以下の半径で面取りをすることがあり、この影響によりロータ外周からみたスリット壁の周方向位置が磁気的にはぼやけて見え、トルクリップル波形の位相がずれることにより、αがゼロではない点で極小値を取る場合がある。この場合の対応として、前述のように、αやβを−１／４以上１／４以下の範囲で補正する。

ここまでは、非常に簡単に説明するために、フラックスバリア１２におけるスリット１１の数を１として説明してきた。しかしながら、フラックスバリア１２におけるスリット１１の数を２以上としても、スリット１１の数が１の場合と同様な配置関係として構成にすることで、トルクリップルを低減することができる。

図１０は、本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータ１のロータコア７の、図４とは異なる断面図である。この図１０は、フラックスバリア１２におけるスリット１１の数が２の実施例を示している。図１０において、１つのフラックスバリア１２内でのスリット端部１１３の数は、４個となっている。

それら４個のスリット端部１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅ、１１３ｆについて、説明の便宜上、軸中心に立って見て、周方向の最も右側にあるスリット端部を１番スリット端部１１３ｃと呼び、次いで、その左側にあるスリット端部を２番スリット端部１１３ｄと呼び、次いで、その左側にあるスリット端部を３番スリット端部１１３ｅと呼び、最も左側にあるスリット端部を４番スリット端部１１３ｆと呼ぶこととする。

１番スリット端部１１３ｃにおける軸中心に立って見て、周方向の右側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１１ｃから、２番スリット端部１１３ｄにおける軸中心に立って見て、周方向の右側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１１ｄまでの軸中心を基準とした角度δ^g ₂は、下式（３）で表される。

上式（３）において、それぞれの符号は、以下の内容を示すものである。
・ｍ_gは、スリット端部の個数であり、図１０では、ｍ_g＝４となる。
・周方向に見て同一方向側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をδ^g _iとするので、ここでは、ｉ＝２となる。
・ｎ_iは、１以上の自然数としている。
・αは、−１／４〜１／４の範囲の数としている。
・ｑは、１以上の自然数としている。

同様に、１番スリット端部１１３ｃにおける軸中心に立って見て、周方向の右側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１１ｃから、３番スリット端部１１３ｅにおける軸中心に立って見て、周方向の右側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１１ｅまでの軸中心を基準とした角度δ^g ₃は、下式（４）で表される。

上式（４）において、それぞれの符号は、以下の内容を示すものである。
・ｍ_gは、スリット端部の個数であり、図１０では、ｍ_g＝４となる。
・周方向に見て同一方向側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔δ^g _iとするので、ここでは、ｉ＝３である。
・ｎｉは、１以上の自然数としている。
・αは、−１／４〜１／４の範囲の数としている。
・ｑは、１以上の自然数としている。

さらに、同様に、１番スリット端部１１３ｃにおける軸中心に立って見て、周方向の右側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１１ｃから、４番スリット端部１１３ｆにおける軸中心に立って見て、周方向の右側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１１ｆまでの軸中心を基準とした角度δ^g ₄は、下式（５）で表される。

上式（４）において、それぞれの符号は、以下の内容を示すものである。
・ｍ_gは、スリット端部の個数であり、図１０では、ｍ_g＝４となる。
・周方向に見て同一方向側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔δ^g _iとするので、ここでは、ｉ＝４となる。
・ｎｉは、１以上の自然数としている。
・αは、−１／４〜１／４の範囲の数としている。
・ｑは、１以上の自然数としている。

以上と同様にして、軸中心に立って見て、周方向の左側にある、ロータ外周に対して内周方面に伸びるスリット壁１１２ｃから１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｆのそれぞれまでの間隔ε^g ₂、、ε^g ₃、ε^g ₄も、上式（２）と同様の形で表わされるように構成される。

そして、これらの内容をまとめると、図１０における角度δ^g ₂、δ^g ₃、δ^g ₄、ε^g ₂、ε^g ₃、ε^g ₄は、表１のようになる。

このように構成することで、スリット壁１１１ｃ〜１１１ｆで発生するトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分の位相が、それぞれ２π／（ｑＮｓ）＊１／４ずつずれることとなる。従って、これらの和がゼロに近くなり、結果として、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分を低減できる。

スリット壁１１２ｃ〜１１２ｆも同様に作用し、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分を低減することができる。

図１１は、本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータ１のロータコア７の、図１０とは異なる断面図である。フラックスバリア１２におけるスリット１１の数が２の別の実施例を示している。図１１において、スリット端部１１３の数は、４個となっている。

図１１の形態では、４つのスリット端部１１３ｇ、１１３ｈ、１１３ｉ、１１３ｊを２つの群に分けている。軸中心に立って見て、周方向の最も右側にあるスリット端部を１群１番スリット端部１１３ｇと、次いで、その左側にあるスリット端部を１群２番スリット端部１１３ｈと、次いで、その左側にあるスリット端部を２群１番スリット端部１１３ｉと、最も左側にあるスリット端部を２群２番スリット端部１１３ｊと、説明のために便宜的に呼ぶこととする。

１群において、スリット壁１１１ｇと１１１ｈの相対角度δ¹ ₂は、下式（６）で表される。

上式（４）において、それぞれの符号は、以下の内容を示すものである。
・ｍ_gは、１群におけるスリット端部の個数であり、図１１では、ｍ_g＝２となる。
・周方向に見て同一方向側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をδ¹ _iとするので、ここでは、ｉ＝２となる。
・ｎｉは、１以上の自然数としている。
・αは、−１／４〜１／４の範囲の数としている。
・ｑは、１以上の自然数としている。

この他、１群のε¹ ₂、および２群のδ² ₂とε² ₂も、同様にして構成されている。
そして、これらの内容をまとめると、図１１における角度δ¹ ₂、δ² ₂、ε¹ ₂、ε² ₂は、表２のようになる。

このように構成することで、スリット壁１１１ｇとスリット壁１１１ｈで発生するトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分の位相が、２π／（ｑＮｓ）＊１／２ずつずれることとなる。従って、これらの和がゼロに近くなり、結果として、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分を低減できる。

同様にして、スリット壁１１１ｉとスリット壁１１１ｊで発生するトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分、スリット壁１１２ｇとスリット壁１１２ｈで発生するトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分、およびスリット壁１１２ｉとスリット壁１１２ｊで発生するトルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分も、それぞれ低減できる。

好ましくは、先の図８に示したように、αやβは、−１／４〜１／４の範囲であるとよく、実用上問題のない範囲にトルクリップルを低減することができる。さらに、好ましくは、前述のように、αやβは、ゼロに近いほど、トルクリップルの低減効果が高い。

さらに、好ましくは、フラックスバリア１２内に含まれるスリット１１の数は、２以下とすることが望ましい。その理由は、スリットの数が３以上である場合には、スリット１１を打ち抜いた際に形成される鋼板の磁気劣化部分が占める割合が増えてしまい、所望のトルクを出力できなくなるか、または、所望のトルクを出力するためのリラクタンスモータ１の体格が大きくなってしまうからである。

したがって、スリット１１の数は、２以下とすることで、所望のトルクを出力しやすくなり、かつ、リラクタンスモータ１の小型化を実現しつつ、トルクリップルを低減することができる。

なお、リラクタンスモータ１によっては、スリット１１に隣り合うコア層同士を繋ぐリブ３７を形成し、機械強度を向上させるものがあることが知られている。図１２は、本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータ１において、スリット１１に隣り合うコア層同士を繋ぐリブ３７が形成された断面図である。

この場合、スリット１１内にリブ側端部３８が形成されることとなるが、このリブ側端部３８は、本発明のスリット端部１１３としては数えないものとする。そして、リブ３７の有無に依らず、同様の効果を発揮できる。

また、好ましくは、ｑ＝１とすることが望ましい。この理由は、できるだけ小さな次数のトルクリップルを低減しておくことが、例えば、一定回転で駆動させた場合の速度リップルを低減することに貢献できるためである。

さらに、好ましくは、段スキューを施したり、斜めスキューを施したりすることにより、ｑで表現される次数以外の次数のトルクリップルを低減することが望ましい。図１３は、本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータ１に段スキューを適用した例を示す図である。さらに、図１４は、本発明の実施の形態１によるリラクタンスモータ１に斜めスキューを適用した例を示す図である。

ここで、ｑ＝１としておけば、スキュー技術で低減すべきトルクリップルの次数が高くなるとともに、段スキューや斜めスキューのスキュー角θｓを小さくすることができる。
このため、出力トルクの低下を防止するという、さらなる効果を得ることができる。

実施の形態２．
図１５は、本発明の実施の形態２によるリラクタンスモータ１のロータコア７の断面図である。その構成は、先の図１１とよく似ているが、１群１番スリット端部１１３ｋの右側スリット壁１１１ｋと２群１番スリット端部１１３ｍの右側スリット壁１１１ｍの相対角度ξ¹ ₂と、１群２番スリット端部１１３ｌの左側スリット壁１１２ｌと２群１番スリット端部１１３ｍの左側スリット壁１１２ｍの相対角度ψ¹ ₂とを、下式（７）、（８）で設定していることが異なる。

上式（７）、（８）において、それぞれの符号は、以下の内容を示すものである。
・ｇは、群の個数であり、図１５では、ｇ＝２である。
・群１と群ｊの間隔を、ξ¹ _jおよびψ¹ _jとするので、ここでは、ｊ＝２である。
・ｋ_iおよびｓ_jは、１以上の自然数としている。
・γおよびηは、−１／４〜１／４の範囲の数としている。
・ｒは、１以上の自然数とし、かつ、ｒ≠ｑとしている。

このように、ｒをｑとを異ならせることで、ｑによって定まるｑＮｓ／ｐ次成分のトルクリップルとは別の、ｒＮｓ／ｐ次成分のトルクリップルを、同時に低減することが可能となる。

本実施の形態２におけるγおよびηは、先の実施の形態１におけるαおよびβに相当し、好ましくは、γやηは、−１／４〜１／４の範囲であるとよく、実用上問題のない範囲にトルクリップルを低減することができる。さらに、好ましくは、前述のように、γやηは、ゼロに近いほどトルクリップルの低減効果が高い。そして、これらの内容をまとめると、図１５における角度δ¹ ₂、δ² ₂、ε¹ ₂、ε² ₂、ξ¹ ₂、ψ¹ ₂は、表３のようになる。

実施の形態３．
図１６は、本発明の実施の形態３によるリラクタンスモータ１のロータコア７の断面図である。その構成は、先の図１１とよく似ているが、１群をスリット端部１１３ｏと１１３ｒで構成し、２群をスリット端部１１３ｐと１１３ｑで構成している。さらに、それぞれの群でｎ_i＝ｌ_iとすることによって、スリット１１の形状がスリット１１の周方向の中心に対して線対象としている点が図１１とは異なっている。

このように構成しても、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分を低減できることに加えて、左方向にトルクを出力する際と、右方向にトルクを出力する際の特性を、同じにすることができるという効果を奏する。これらの内容をまとめると、図１６における角度δ¹ ₂、δ² ₂、ε¹ ₂、ε² ₂は、表４のようになる。

実施の形態４．
図１７Ａ〜図１７Ｃのそれぞれは、本発明の実施の形態４によるリラクタンスモータ１のスリット端部を拡大した断面図である。具体的には、スリット端部１１３のバリエーションとして、図１７Ａにはケース（ａ）、図１７Ｂにはケース（ｂ）、図１７Ｃにはケース（ｃ）をそれぞれ例示している。いずれのバリエーションも、軸中心とスリット端部１１３の周方向中心を通る中心線が描かれている。図１７Ａ〜図１７Ｃ中、スリット壁１１１およびスリット壁１１２は、中心線に対して線対象としている。

このように構成することで、スリット壁１１１、１１２によって発生するトルクリップルの波形を、基本的に同一波形とすることができ、先述の実施の形態１〜３で示したトルクリップル低減効果を、一層得やすくすることができるという効果を奏する。

実施の形態５．
本実施の形態５では、スリット端部１１３における壁長さとトルクリップルとの関係について検討する。先の実施の形態４で示した図１７Ｃのケース（ｃ）において、壁長さの定義を示している。この壁長さは、スリット端部１１３のロータ外周に対して内周方面に伸びる部分が２つあるが、その長さの短い側の長さに相当する。この部分が、トルクリップルを発生させる部分である。

ロータコア７は、薄板鋼板よりスリットを打ち抜いて製造される。このため、壁長さは、工作誤差によりばらつきを生じる。この部分の長さが長い程、工作誤差の影響を受けずに安定的なトルクリップル波形を発生することができる。その結果、実施の形態１〜３で示したトルクリップル低減の効果も発揮しやすくなる。

図１８は、本発明の実施の形態５によるリラクタンスモータ１の壁長さとトルクリップルｑＮｓ／ｐ次成分との関係を示す図である。この図１８では、トルクリップルのｑＮｓ／ｐ次成分の振幅が、壁長さに依存している様子を示している。スリット端部による磁気抵抗の脈動は、磁気ギャップ長が小さいほど顕著に影響として現れる。そこで、壁長さは、磁気ギャップ長で除して規格化しており、図１８では、トルクリップルの振幅が１．０ｐ．ｕ．となる部分を太線で示している。

図１８において、壁長さ／磁気ギャップ長が７．５以上の領域では、トルクリップルの振幅が、０．９５〜１．００ｐ．ｕ．の範囲であり、安定となっている。したがって、壁長さ／磁気ギャップ長を７．５以上とすることで、トルクリップルの低減効果に対する工作誤差の影響を小さくすることができる。つまり、壁長さ／磁気ギャップ長を７．５以上とするようなスリット端部１１３の形状は、トルクリップル低減のために、望ましい構成といえる。

より好ましくは、壁長さ／磁気ギャップ長が１０以上となるようにスリット端部１１３を構成することで、トルクリップルの振幅が０．９８〜１．００ｐ．ｕ．の範囲で安定し、より工作誤差の影響を受けにくくすることができる。

実施の形態６．
図１９は、本発明の実施の形態６によるリラクタンスモータ１のスリット端部の角度と出力トルクの関係を示す図である。より具体的には、スリット端部の角度と、同一電流を通電した場合のトルクとの関係を説明するための図である。図１９において、スリット端部１１３の電気角が１０〜２０°の場合に、トルクのピークが表れており、高出力化できることを示している。したがって、先の実施の形態１〜５の構成を取りつつ、スリット端部１１３の角度θを、電気角で１０°〜２０°とすることが好ましい。

このような構成とすることで、出力トルクを大きくしながら、トルクリップルを低減することが可能となる。この構成の例を、図面を用いて具体的に説明する。図２０は、本発明の実施の形態６によるリラクタンスモータ１のロータコア７の断面図を示す図である。
図２０における角度δ^g ₂、ε^g ₂、θは、表５のようになる。

図２０におけるθは、表５に示したように、θ＝５°としており、本実施の形態６は、４極であるから、電気角では１０°となっている。

このように、実施の形態１の構成を取りながら、スリット端部１１３の角度θを電気角で１０°に設定することで、出力トルクを大きくしながら、トルクリップルを低減するという、効果の両立を図ることができる。

実施の形態７．
図２１は、本発明の実施の形態７によるリラクタンスモータ１のロータの断面図を示す図である。ロータコア７の形状は、先の図１６と同一形状であるが、スリット１１内の一部に永久磁石４０ａ、４０ｂを配置している点が異なる。永久磁石４０ａ、４０ｂは、周方向に隣り合う磁極が互いに異極となるように着磁されており、同一フラックスバリア１２内の永久磁石４０ａ、４０ｂは、同一磁極を形成するように着磁されている。

このように、永久磁石４０ａ、４０ｂを配置することで、永久磁石４０ａ、４０ｂに基づく磁束を得ることができる。この結果、リラクタンストルクに加えて、マグネットトルクを発生させ、モータの発生トルクを大きくすることができるメリットがあると同時に、トルクリップルを低減できるという効果を奏することができる。

ただし、永久磁石４０ａ、４０ｂに基づく磁束が大きすぎると、ロータコア７の磁気特性が変わってしまい、トルクリップル波形に影響を及ぼしてしまう。したがって、永久磁石４０ａ、４０ｂに基づく磁束により発生するマグネットトルクは、リラクタンストルクよりも小さいことが望ましい。そのため、永久磁石４０ａ、４０ｂは、例えば、ネオジムボンド磁石やフェライト磁石等の、残留磁束密度が１．０Ｔ以下の材質であることが望ましい。

さらに、好ましくは、スリット１１は、長方形断面を有する永久磁石４０ａ、４０ｂを配置できるように、スリットの外周側と内周側を、並行な直線として構成することが望ましい。長方形断面とする理由は、永久磁石の加工工程を簡略化する狙いがある。一般に知られているように、永久磁石は、金型で形成された母材から切り出し、その後、研磨加工される。したがって、永久磁石が長方形断面として形成できれば、その加工が簡略化される。

図２２は、本発明の実施の形態７によるリラクタンスモータ１のロータの断面図の、別の実施例を示す図である。図２２において、スリット端部１１３ｓ、１１３ｔの構成は、先の実施の形態１〜６の構成とした上で、長方形断面を有する永久磁石４０を配置した構成を実現している。このように構成することで、マグネットトルクによる発生トルクの増加効果と、トルクリップルの低減効果に加え、永久磁石の加工工程を簡略化する効果を得ることが可能となる。

図２３は、本発明の実施の形態７によるリラクタンスモータ１のロータの斜視図である。ロータコア７の軸方向端面には、端板５０が設置され、永久磁石４０の飛び出しを防ぐ構造となっている。なお、図２３では、簡単のために、端板５０を円板状としているが、永久磁石４０の飛び出し防止機能を有し、かつ、回転バランスを保てることができれば、端板５０の形状は、円板に限るものではない。

このような構造であれば、永久磁石４０の飛び出し防止機能だけでなく、ロータ組立後に端板５０にドリル等で穴をあけてバランスを取ることで、バランサの機能を持たせることができる。

図２４は、本発明の実施の形態７によるリラクタンスモータ１のロータの断面図の別の実施例を示す図である。好ましくは、この図２４に示すように、永久磁石４０同士の周方向の中心の位相において、ロータコア７の外周面に窪み６０を設けることが望ましい。窪み６０を設けることによって、永久磁石４０を配置したことで生ずるコギングトルクを低減することができる。

Claims (9)

1. ロータコアがシャフトに固定されて構成されるロータと、
   巻線を収納するスロットを有するステータと
   を備え、前記ロータと前記ステータとが磁気ギャップを介して回転自在に配置されたリラクタンスモータにおいて、
   前記スロットの数をＮｓとし、
   前記ロータコアは、１つ以上のスリットとコア層とが径方向に交互に並んで形成されたフラックスバリアを周方向に極数分有し、
   １極あたりにおけるスリットの、ロータ外周に近接するスリット端部を１以上の群に分け、
   群番号をｇとする１つの群に含まれるスリット端部の個数をｍ_g個とし、スリット端部に対して周方向の右側から順に１番からｍ_g番までの番号を付け、
   それぞれのスリット端部において、ロータ外周から内周方面に伸びるスリット壁に関して、周方向に見て右側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をδ^g _iとし、ｎ_iを１以上の自然数とし、αを−１／４以上１／４以下の範囲の数とし、ｑを１以上の自然数としたとき、δ^g _iが下式（１）
   

   

   を満たし、かつ、周方向に見て左側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をε^g _iとし、ｌ_iを１以上の自然数とし、βを−１／４以上１／４以下の範囲の数とし、ｑを１以上の自然数としたとき、ε^g _iが下式（２）
   

   

   を満たすように、前記フラックスバリアが構成されている
   リラクタンスモータ。
2. 前記群は、複数の群であり、
   １群１番スリット端部において、ロータ外周から内周方面に伸びる前記右側のスリット壁から、ｊ群１番スリット端部において、ロータ外周から内周方面に伸びる前記右側のスリット壁までの、周方向に見た間隔をξ^g _jとし、ｋ_jを１以上の自然数とし、γを−１／４以上１／４以下の範囲の数とし、ｒを１以上の自然数としたとき、ξ^g _jが下式（３）
   

   

   を満たし、かつ、１群１番スリット端部において、ロータ外周から内周方面に伸びる前記左側のスリット壁から、ｊ群１番スリット端部において、ロータ外周から内周方面に伸びる前記左側のスリット壁までの、周方向に見た間隔をψ^g _jとし、ｓ_jを１以上の自然数とし、ηを−１／４以上１／４以下の範囲の数としたとき、ｒを１以上の自然数としたとき、ψ^g _jが下式（４）
   

   

   を満たすように、前記フラックスバリアが構成されている
   請求項１に記載のリラクタンスモータ。
3. 前記スリットは、スリット中心と軸中心を通る線に対して線対象である形状を有する
   請求項１または２に記載のリラクタンスモータ。
4. 前記スリットは、前記スリット端部の周方向中央と軸中心を通る線に対して、前記右側のスロット壁と前記左側のスロット壁が線対象となる端部形状を有する
   請求項１から３のいずれか１項に記載のリラクタンスモータ。
5. 前記スリットは、１つのスリット端部における前記右側のスロット壁と前記左側のスロット壁のうち、長さが短い方のスロット壁の長さを壁長さとしたとき、前記壁長さを分子とし、前記磁気ギャップの径方向長さを分母とした分数の値が、７．５以上となる端部形状を有する
   請求項１から４のいずれか１項に記載のリラクタンスモータ。
6. 前記スリットは、前記スリット端部の電気角度が１０°以上２０°以下の範囲となる端部形状を有する
   請求項１から５のいずれか１項に記載のリラクタンスモータ。
7. 前記スリットは、内部の一部に永久磁石が配置されている
   請求項１から６のいずれか１項に記載のリラクタンスモータ。
8. ロータコアをシャフトに固定して構成されるロータと、
   巻線を収納するスロットを有するステータと
   を備え、前記ロータと前記ステータとを磁気ギャップを介して回転自在に配置したリラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法であって、
   前記スロットの数をＮｓとし、
   前記ロータコアは、１つ以上のスリットとコア層とを径方向に交互に並べて形成したフラックスバリアを周方向に極数分有し、
   １極あたりにおけるスリットの、ロータ外周に近接するスリット端部を１以上の群に分け、
   群番号をｇとする１つの群に含まれるスリット端部の個数をｍ_g個とし、スリット端部に対して周方向の右側から順に１番からｍ_g番までの番号を付けた場合において、
   それぞれのスリット端部において、ロータ外周から内周方面に伸びるスリット壁に関して、周方向に見て右側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をδ^g _iとし、ｎ_iを１以上の自然数とし、αを−１／４以上１／４以下の範囲の数とし、ｑを１以上の自然数としたとき、δ^g _iが下式（５）
   

   

   を満たし、かつ、周方向に見て左側のスリット壁の１番スリット端からｉ番スリット端までの間隔をε^g _iとし、ｌ_iを１以上の自然数とし、βを−１／４以上１／４以下の範囲の数とし、ｑを１以上の自然数としたとき、ε^g _iが下式（６）
   

   

   を満たすように、薄板鋼板に対して打ち抜き加工を施すことで前記スリットを形成する工程を有する
   リラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法。
9. 前記スリットは、１つのスリット端部における前記右側のスロット壁と前記左側のスロット壁のうち、長さが短い方のスロット壁の長さを壁長さとしたとき、前記壁長さを分子とし、前記磁気ギャップの径方向長さを分母とした分数の値が、７．５以上となる端部形状を有する
   請求項８に記載のリラクタンスモータに用いられるロータコアの製造方法。

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