JP2005312127A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＲモータとＳＰモータの利点を有しつつ欠点を解消した全く新しい回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、１つのステータ２０と、このステータ２０の内周側および外周側の双方に同軸配置される２つのロータ３０，４０とを有しており、ステータ２０の鉄心２１に巻回されるコイル２２へ供給される複合電流を制御することによって、２つのロータ３０，４０を駆動制御することができる。２つのロータ３０，４０は、鉄心３１外周面に配設されることによって突極を形成する複数の永久磁石３２を備えるとともに、ステータ２０の内周側に設置されるインナーロータ３０と、磁性鉄心４１によって形成される複数の突極を備えるとともに、ステータ２０の外周側に設置されるアウターロータ４０とから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、二重ロータ構造を有する回転電機の改良に関するものである。

スイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータ）は、ＶＲ（variable reluctance）モータとも呼ばれ、１８３８年にダビッドソン（Davidson）により最初のモデルが製作されたモータである。原理的には、ロータに永久磁石や巻線がなく、モータ構造が簡単で安価、機械的に堅牢であって、ロータの発熱問題がないモータである。また、永久磁石の熱減磁の問題がないので高温での運転が可能といった特徴を持っているが、その実現には高度な電流制御が要求され、開発当時の電子技術では大砲の台座を駆動する程度の性能しか出なかった。１９５０年代には、ステップモータとして製品化されているが、振動、騒音の問題によりモータの主流とはならなかった。しかし近年は、シミュレーション技術や制御技術の進展により、極形状・ステータ巻線の最適設計、駆動電流の波形制御などによる改良提案がなされており、ＳＲモータが大量生産に向き、低コストで信頼性に優れた性能を発揮することから、電気自動車などに用いられるモータとして注目されている。

このようなＳＲモータにあっては、ステータ、ロータともに突極構造を有しており、各ステータの突極に集中巻された巻線に対して、ロータの位置情報に基づいた電流を供給することによって連続的な磁気吸引力を発生させ、回転運動を作り出すようになっている。

図５は、ＳＲモータの基本構造と作動原理を示したものである。図５では、ステータ１０に６つの突極を持つ３相式の６極ステータ×４極ロータ（６／４構成）の場合を例示している。

図５の状態アにおいて、ステータ１０の突極ＩとＩ'のコイルに通電すると磁力が発生し、ロータ１１の突極ａはステータ１０の突極Ｉに吸引され、ロータ１１の突極ｃはステータ１０の突極Ｉ'に吸引されて時計方向にトルクが発生する。ロータ１１の突極aとステータ１０の突極Ｉが完全に重なる位置になると（状態イ）、磁気回路のリラクタンス（磁気抵抗）が最小になり、吸引力は径方向のみとなって、トルクはなくなる。ここで、ステータ１０の突極ＩＩとＩＩ'のコイルへ通電を切り換えると、ロータ１１の突極ｄはステータ１０の突極ＩＩに吸引されて時計方向に回転する。さらにロータ１１の突極ｄとステータ１０の突極ＩＩが重なった時に（状態ウ）ステータ１０の突極ＩＩＩとＩＩＩ'のコイルへ通電を切り換えると、ロータ１１の突極ａはステータ１０の突極ＩＩＩに吸引されて時計方向に回転していく。このように、ＳＲモータでは、ロータ１１の突極が近づいてきたステータ１０のコイルに通電を順次切り換えることにより、ロータ１１を回転させることが可能となっている。

ところが、従来のＳＲモータは、ステータおよびロータとも突極性があるために振動やトルクリップル（一時的に発生するトルクの急激な落ち込み）が大きく、回転トルクに脈動が発生するという問題を有していた。また、可聴周波数帯域での振動も大きいために、駆動時に騒音が発生するという問題をも有していた。これらの問題への対応としては、これまで加工精度の向上や取り付け精度の向上といった製造技術の高度化や、駆動電流の制御方法の改善などによる取り組みが行われていた（例えば、下記特許文献１〜３参照）。

以上のようなＳＲモータに対して、磁石埋め込み型同期モータ（以下、ＳＰモータ）ではロータ側に大きな突極がないので、振動やトルクリップル、騒音などといったＳＲモータ特有の短所はみられない。しかし一方で、ＳＰモータは、磁石が埋め込まれている構造であることからモータ構造が複雑であり、メンテナンス性やコストの面でＳＲモータに劣るところがある。

特開平１０−０６６３７８号公報 特開平１０−２１０７８２号公報 特開２００２−２１８７８１号公報

現在、電気自動車などの登場によるモータ使用範囲の拡大によって、モータのさらなる高効率化、高性能化が求められている状況にある。このような状況下において、ＳＲモータとＳＰモータの利点を有しつつ欠点を解消した、全く新しいモータの実現が求められていた。

本発明は、かかる要請に基づいて発明者が鋭意努力して創案したものであって、その目的は、ＳＲモータとＳＰモータの利点を有しつつ欠点を解消した全く新しい回転電機を提供することにある。この目的は、特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また、従属項は、本発明の更なる有利な具体例を規定するものである。

本発明に係る回転電機は、１つのステータの内周側および外周側の双方に同軸配置される２つのロータを有し、前記ステータの鉄心に巻回されるコイルへ供給される複合電流を制御することによって、前記２つのロータを駆動制御するようにした回転電機であって、前記２つのロータは、鉄心外周面に配設されることによって突極を形成する複数の永久磁石を備えるとともに、前記ステータの内周側に設置されるインナーロータと、磁性鉄心によって形成される複数の突極を備えるとともに、前記ステータの外周側に設置されるアウターロータと、から構成されていることを特徴とするものである。

すなわち、本発明によれば、インナーロータ側には永久磁石が設置されており、この永久磁石付きインナーロータが、ＳＰモータと同様の機能であるマグネットトルクを発生させる。一方、アウターロータ側には磁性鉄心による突極が形成されているので、アウターロータは、ＳＲモータと同様の機能であるリラクタンストルクを発生させる。このような構成を採用することによって、ＳＰモータとＳＲモータの長所を上手に利用することが可能となる。

また、本発明に係る回転電機のアウターロータには永久磁石が設置されていないので、メンテナンス性が良好である。

本発明に係る回転電機において、前記アウターロータの突極を形成する磁性鉄心は、電磁鋼板を複数積層して形成されていることが好適である。

すなわち、アウターロータの突極である磁性鉄心が、方向性を有する積層電磁鋼板で構成されることにより、トルクアップが実現する。

また、本発明に係る回転電機は、前記ステータの鉄心に巻回されるコイルによって形成されるステータの突極に対して、前記インナーロータの突極が対向してから次に突極同士が対向するまでの間に、前記アウターロータの突極が前記ステータの突極と対向するように構成されていることが好適である。

このようにステータ、インナーロータ、アウターロータを配置することによって、ＳＲモータに特有であったトルクの脈動が低減され、モータ効率を向上することができる。

さらに、本発明に係る回転電機において、前記アウターロータの突極は、前記インナーロータの突極に対して遅れ方向に位置するように設置されており、ステータの極数をｍ、インナーロータとアウターロータの極数をｎ、としたとき、インナーロータの突極に対するアウターロータの突極の遅れ方向の機械角φは、０°＜φ≦（（３６０／ｎ）−（３６０／ｍ））°という関係を有していることが好適である。

本発明によれば、ＳＲモータとＳＰモータの利点を有しつつ欠点を解消した全く新しい回転電機を提供することができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、本明細書においては、本発明がモータに適用される場合を例示して説明するが、特許請求の範囲に記載の「回転電機」は、モータの他、発電機をも含む概念である。

図１は、本実施形態に係るモータの構造を説明するための概略図である。また、図２は、図１で示したモータの（Ａ−Ａ）断面を示す図である。さらに、図３は、図２で示したモータの（Ｂ−Ｂ）断面を示す図である。

本実施形態に係るモータは、１つのステータ２０と、このステータ２０の内周側および外周側の双方に同軸配置される２つのロータ３０，４０とを有している。また、２つのロータ３０，４０は、ステータ２０の内周側に設置されるインナーロータ３０と、ステータ２０の外周側に設置されるアウターロータ４０とで構成されている。

ステータ２０は、複数の突極２３を有するステータ鉄心２１にコイル２２が巻回されることによって構成されており、このコイル２２へ複合電流を供給することによって回転磁界を発生させ、２つのロータ３０，４０を駆動制御できるようになっている。

インナーロータ３０は、インナーロータ鉄心３１と、その鉄心外周面に配設されることによって突極を形成する複数の永久磁石３２とから構成されており、永久磁石３２の効果によって界磁束発生源としての機能を発揮することができる。したがって、ちょうどＳＰモータのように、ステータ２０の突極２３に巻回されたコイル２２に対して、インナーロータ３０に設置される永久磁石３２の位置に応じた電流を供給することによって、ステータ２０との間に連続的な磁気吸引力を発生させ、さらに永久磁石３２の効果によるマグネットトルクを利用して、インナーロータ３０を回転させることが可能となっている。

一方、アウターロータ４０は、複数の突極を備える磁性鉄心４１によって形成されている。したがって、ちょうどＳＲモータのように、ステータ２０の突極２３に巻回されたコイル２２に対して、アウターロータ４０の突極（磁性鉄心）４１の位置に応じた電流を供給することによって、ステータ２０との間に連続的な磁気吸引力を発生させ、さらに磁性鉄心４１のリラクタンストルクを利用して、アウターロータ４０を回転させることが可能となっている。

アウターロータ４０の突極を形成する磁性鉄心４１については、電磁鋼板を複数積層して形成されていることが好適である。これは、アウターロータ４０の突極である磁性鉄心４１が方向性を有する積層電磁鋼板で構成されることにより、トルクがアップするという効果が発揮されるからである。

以上のような構造を有する本実施形態に係るモータにおいて、インナーロータ３０とアウターロータ４０は同軸上に設置されており、ステータ２０から及ぼされる回転磁界に基づいて、２つのロータ３０，４０が一体的に回転することになるのであるが、さらに、本実施形態に係るモータで特徴的なこととして、ステータ２０に対するインナーロータ３０とアウターロータ４０の設置位置が挙げられる。

図３を用いて、ステータ２０と２つのロータ３０，４０との位置関係をより詳細に説明する。ステータ２０に対するインナーロータ３０とアウターロータ４０の設置位置については、ステータ２０の鉄心２１に巻回されるコイル２２によって形成されるステータ２０の突極２３に対して、インナーロータ３０の突極（永久磁石）３２が対向してから次に突極同士２３，３２が対向するまでの間に、アウターロータ４０の突極（磁性鉄心）４１がステータ２０の突極２３と対向するように構成されている。

このような関係でステータ２０、インナーロータ３０、アウターロータ４０を配置することによって、ＳＲモータに特有であったトルクの脈動が低減され、モータ効率を向上することができる。これは、インナーロータ３０の突極（永久磁石）３２が、ステータ２０の磁気的な吸引力によって順次引き寄せられることで発生していたトルクリップルを、アウターロータ４０の発生するリラクタンストルクで低減するものであり、２つのロータ３０，４０が存在することによって、従来のＳＲモータと比較してなめらかな回転駆動を実現することができるのである。

このステータ２０と２つのロータ３０，４０との位置関係をより定量化して表すと次のような関係式で表現できる。すなわち、
・ｍ：ステータの極数
・ｎ：インナーロータとアウターロータの極数
・φ：インナーロータの突極に対するアウターロータの突極の遅れ方向の機械角［°］
とし、アウターロータの突極は、インナーロータの突極に対して遅れ方向に位置するとしたとき、機械角φは、
０°＜φ≦（（３６０／ｎ）−（３６０／ｍ））°
という関係を有している。

この関係式を、図３に示すステータ２０に６つの突極を持つ３相式の６極ステータ×４極ロータ（６／４構成）のモータの場合に当てはめてみると、
・ステータ２０の極数：ｍ＝６
・インナーロータ３０とアウターロータ４０の極数：ｎ＝４
であり、インナーロータ３０の突極（永久磁石）３２に対するアウターロータ４０の突極（磁性鉄心）４１の遅れ方向の機械角φは、
０°＜φ≦３０°
という関係を有することになる。

つまり、アウターロータ４０の突極（磁性鉄心）４１は、インナーロータ３０の突極（永久磁石）３２よりもロータの回転方向に対して遅れ方向に位置しなければならず、機械角φは０（ゼロ）°より大きくなければならない。これは、φが０（ゼロ）°ではトルクアップという効果は得られるものの、トルクリップルなどによって発生するトルクの脈動を低減してなめらかな回転を得ることができないからである。

一方、ステータ２０の突極２３に対して、インナーロータ３０の突極（永久磁石）３２が対向してから次の突極（永久磁石）３２がステータ２０の突極２３に対向するまでの間に、アウターロータ４０の突極（磁性鉄心）４１がステータ２０の突極２３と対向する必要がある。そこで、機械角φは、インナーロータ３０の突極（永久磁石）３２がステータ２０の突極２３に対向したときに、次に対向するインナーロータ３０の突極（永久磁石）３２とステータ２０の突極２３との角度であるψ（＝（３６０／ｎ）−（３６０／ｍ））以下であることが必要である。これは、φがψよりも大きいとアウターロータ４０の効果が全く無くなってしまうからである。

以上のような構成を採用することによって、ＳＰモータとＳＲモータの長所を上手に利用したモータを得ることができる。また、本実施形態に係るモータは、アウターロータ４０に永久磁石が設置されていないので、メンテナンス性が良好である。

図４は、本実施形態に係るモータの効果を説明するための図であり、ステータ２０への駆動電流に対するトルクの状況を示すものである。図４からも明らかな通り、符号（α）で示される従来のモータのトルクと比較して、符号（β）で示される本実施形態に係るモータのトルクの方が脈動低減され、スムーズなロータ回転が実現されている。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本実施形態に係るモータの構造を説明するための概略図である。 図１で示したモータの（Ａ−Ａ）断面を示す図である。 図２で示したモータの（Ｂ−Ｂ）断面を示す図である。 本実施形態に係るモータの効果を説明するための図であり、ステータへの駆動電流に対するトルクの状況を示すものである。 従来のＳＲモータの基本構造と作動原理を示した図である。

符号の説明

１０ 従来のステータ、１１ 従来のロータ、２０ ステータ、２１ ステータ鉄心、２２ コイル、２３ 突極、３０ インナーロータ、３１ インナーロータ鉄心、３２ 永久磁石（突極）、４０ アウターロータ、４１ 磁性鉄心（突極）、ｍ ステータの極数、ｎ インナーロータとアウターロータの極数、φ インナーロータの突極に対するアウターロータの突極の遅れ方向の機械角。

Claims (4)

1. １つのステータの内周側および外周側の双方に同軸配置される２つのロータを有し、前記ステータの鉄心に巻回されるコイルへ供給される複合電流を制御することによって、前記２つのロータを駆動制御するようにした回転電機であって、
   前記２つのロータは、
   鉄心外周面に配設されることによって突極を形成する複数の永久磁石を備えるとともに、前記ステータの内周側に設置されるインナーロータと、
   磁性鉄心によって形成される複数の突極を備えるとともに、前記ステータの外周側に設置されるアウターロータと、
   から構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記アウターロータの突極を形成する磁性鉄心は、電磁鋼板を複数積層して形成されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機において、
   前記ステータの鉄心に巻回されるコイルによって形成されるステータの突極に対して、
   前記インナーロータの突極が対向してから次に突極同士が対向するまでの間に、前記アウターロータの突極が前記ステータの突極と対向するように構成されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記アウターロータの突極は、前記インナーロータの突極に対して遅れ方向に位置するように設置されており、
   ステータの極数をｍ、
   インナーロータとアウターロータの極数をｎ、
   としたとき、インナーロータの突極に対するアウターロータの突極の遅れ方向の機械角φは、０°＜φ≦（（３６０／ｎ）−（３６０／ｍ））°という関係を有していることを特徴とする回転電機。
   
   

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