JP2009194945A - シンクロナスリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】トルクを向上可能でコンパクトなシンクロナスリラクタンスモータを提供すること。
【解決手段】シンクロナスリラクタンスモータのロータコア２の外周面のｑ軸近傍に凹溝２４を設け、この凹溝２４にロータコイル４を巻回する。ロータコイル４に直流電流を通電することにより、リラクタンストルクに加えて電流磁束Φiによるトルクを発生させることができる。凹溝２４は、ｑ軸に設けられるため、リラクタンストルクの減少を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シンクロナスリラクタンスモータの改良に関し、特に直流磁束を形成するロータコイルをロータに装備するシンクロナスリラクタンスモータに関する。

従来、同期機として、ロータが界磁束発生用の永久磁石をもつ永久磁石型同期機（ＰＭとも呼ぶ）と、ロータが界磁束発生用の界磁コイルをもつ同期機（ＦＣＳＭとも呼ぶ）と、ロータが磁気突極をもちリラクタンストルクを発生するリラクタンスモータ（RM）とが知られている。ＰＭは、磁束形成用の電力損失が無いため高効率であるが、その代わりに高速回転時の減磁制御の必要性、永久磁石の耐遠心力性能や耐振動性を確保する必要性、及び、生産地が限られ耐熱性に劣る高価な希土類磁石を必要とするという問題を有している。

PMには、磁石がロータ表面に配置されるSPMと、磁石がロータに埋設されたIPMとが知られている。後者は、磁石磁束によるトルクに加えてリラクタンストルクを利用できることが知られている。

ＲＭは、ステータが形成する正弦波回転磁界に同期して磁気突極ロータが回転するシンクロナスリラクタンスモータ（SyRM）と、ステータが形成するスイッチング磁界により磁気突極ロータがステッピングモータのように回転するスイッチドリラクタンスモータ（SRM）とが知られている。シンクロナスリラクタンスモータ（SyRM）は、スイッチドリラクタンスモータ（SRM）に比べて低騒音、低振動であることが知られている。

従来のシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙＲＭ）の例を図５、図６に示す。

下記の特許文献１に記載される図５のシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙＲＭ）のロータは、電気角π離れた２つのｄ軸間を結ぶフラックスバリア（スリットとも呼ばれている）を５重に有している。これにより、ロータのｄ軸インダクタンスLdは、ｑ軸インダクタンスLqよりも大きくされ、その結果としてリラクタンストルク（＝（Ld-Lq）IdIqを増大することができる。

下記の特許文献２に記載される図６のシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙＲＭ）のロータは、電気角π離れた２つのｄ軸間を結ぶフラックスバリア（スリットとも呼ばれている）を４重に有している。これにより、ロータのｄ軸インダクタンスLdは、ｑ軸インダクタンスLqよりも大きくされ、その結果としてリラクタンストルク（＝（Ld-Lq）IdIqを増大することができる。
特開２００６−１２１８２１ 特開平１１−８９１９３

しかしながら、従来のシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙＲＭ）は、PMに比べて上記利点をもつにもかかわらず、磁界形成用の電流損失によりモータ効率が低く、トルクあたりの体格が大きいという問題点を有していた。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、上記問題点を潜在的に有する磁石を用いることなくシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙＲＭ）のトルクを向上し、モータ効率を改善することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明のシンクロナスリラクタンスモータは、回転磁界を形成可能な複数の相巻線により構成されたステータコイルが巻装されたステータコアを有するステータと、前記ステータの内周面に小電磁ギャップを隔てて対面しつつ回転する軟磁性のロータコアとを有し、前記ロータコアは、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑよりも大きくなるように形成された磁気突極構造を有するシンクロナスリラクタンスモータにおいて、前記ロータコアに巻回されて直流電流が通電されるロータコイルを有し、前記ロータコイルは、前記ロータコアの外周面部のうちｑ軸近傍のｑ軸領域に巻回されていることをその特徴としている。

この発明のシンクロナスリラクタンスモータは、ロータコアのｑ軸領域に巻回されて直流電流が通電されるロータコイルを有するので、この直流電流は、磁気突極部をなすロータコアのｄ軸領域に電流磁束を形成する。このモータのトルクＴは次式で表される。

Ｔ＝Ｔｉ＋Ｔｒ
＝Φｉ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉｄ・Ｉｑ
すなわち、本発明のシンクロナスリラクタンスモータによれば、ロータコイルに流す直流電流ｉｄｃが形成する電流磁束Φiによりトルク（以下、電流トルクとも言う）Ｔｉを、シンクロナスリラクタンスモータ本来のリラクタンストルクＴｒに加えて発生させることができる。

本発明のシンクロナスリラクタンスモータの他の利点を説明する。まず、本発明では、磁石を用いないため高速回転時に磁石磁束による誘導起電力が大きくなるのを防止するためにｄ軸電流Ｉｄを増大させて磁石磁束を打ち消す磁束Ｌｄ・Ｉｄを形成する必要がない。このため、この弱め界磁制御のための損失を減らすことができる。

電流磁束Φｉを形成するために、ロータコイルに直流電流ｉｄｃを流す必要があるため励磁損失が発生するが、ロータコイルを小径導線を多数回巻回することにより小さい直流電流ｉｄｃにより大きな電流磁束Φiを形成することができる。このため、この励磁損失はそれほど大きくない。大きな磁石磁束を発生させる希土類磁石は高価であり、安定供給にも不安があるのに対して、ロータコイルは安価である。ロータコイルは、希土類磁石がもつ温度上昇に対する不安を持たない。

好適な態様において、前記ロータコアの外周面部は、ｄ軸近傍のｄ軸領域と前記ｑ軸近傍のｑ軸領域とを周方向交互に有し、前記ロータコイルは、前記ｑ軸領域に凹設された凹溝に巻回されている。このため、ロータコアの追加によりロータコアが大型化したり、磁気突極特性が悪化することがほとんどない。逆に、この凹溝はｑ軸インダクタンスＬｑを低減させるため、（Ｌｄ−Ｌｑ）を増大してリラクタンストルクを増大することができる。

好適な態様において、前記ロータコアは、前記凹溝の径方向内側に位置して前記凹溝の周方向両側の前記ｄ軸領域に達する複数のフラックスバリアを有する。このようにすれば、リラクタンストルクを更に増大することができる。

好適な態様において、前記ロータコイルは、ｑ軸位置において最も径方向幅が大きく、前記ｑ軸位置から離れるに従って次第に径方向幅が狭くなる径方向断面形状を有する。このようにすれば、ロータ外周部を略円筒面に保持し、ロータコイルのターン数を増大することができる。

好適な態様において、第Ｎ番目の前記凹溝に収容されてｑ軸位置よりも周方向一方側の前記ロータコイルの導体は、周方向一方側に隣接する第Ｎ＋１番目の前記凹溝のｑ軸位置よりも周方向他方側の前記ロータコイルの導体に連なり、第Ｎ番目の前記凹溝に収容されてｑ軸位置よりも周方向他方側の前記ロータコイルの導体は、周方向他方側に隣接する第Ｎ−１番目の前記凹溝のｑ軸位置よりも周方向一方側の前記ロータコイルの導体に連なる。このようにすれば、ロータコイルのコイルエンドの軸方向突出長を短縮することができる。

本発明の好適態様を以下の実施例により具体的に説明する。

（実施例１）
実施例１のシンクロナスリラクタンスモータを図１を参照して説明する。

（構造）
図１はインナーロータ型ラジアルギャップ形式をもつシンクロナスリラクタンスモータの模式径方向断面図である。

１は模式図示されたステータであり、積層電磁鋼板からなる円筒状のステータコア１１と、このステータコア１１に巻装された図略の３相ステータコイルとからなる。ステータコア１１の内周面には、スロット１２とティース１３とが交互に形成されている。３相ステータコイルに正弦波電流を流すことにより、回転磁界が形成される。

２は、回転軸３に嵌着された積層電磁鋼板からなる円筒状のロータコアである。ロータコア２の外周面部には、４つのｄ軸領域２１と、４つのｑ軸領域２２とが電気角πごとに交互に配置されている。ロータコア２の外周面は、ステータコア１１の内周面に小電磁ギャップを隔てて対面している。ロータコア２には、円弧状の空隙である４重のフラックスバリア２３がｑ軸を中心としてレンズ状に形成されている。各フラックスバリア２３の一端は、ｄ軸領域２１におけるロータコア２の外周面近傍に達し、各フラックスバリア２３の他端は、隣のｄ軸領域におけるロータコア２の外周面近傍に達している。これにより、ｑ軸インダクタンスＬｑが小さく、ｄ軸インダクタンスＬｄが大きくなり、ｄ軸に磁気突極を有している。更に、ロータコア２の外周面には、ｑ軸領域２２に位置して凹溝２４が形成されている。凹溝２４は、円弧状のフラックスバリア２３と同軸の円弧状の周縁を有して略レンズ状に形成されている。

４は、凹溝２４に収容されたロータコイルである。凹溝２４がｑ軸を中心として略レンズ状に形成されているため、ロータコイル４の径方向厚さは、ｑ軸位置において最も大きく、ｑ軸から離れるに従って次第に小さくなっている。

ロータコア２へのロータコイル４の巻装状態を図２を参照して詳しく説明する。この実施形態では、図２に示すように凹溝２４はｑ軸を境界として２分されている。凹溝２４の一半部に収容されたロータコイル４の往き導体部４１は、周方向に隣接する隣の凹溝２４の他半部に収容されたロータコイル４の還り導体部４２と、コイルエンド４３を通じて連なっている。同じく、凹溝２４の他半部に収容されたロータコイル４の往き導体部４１’は、周方向に隣接する隣の凹溝２４の一半部に収容されたロータコイル４の還り導体部４２’と、コイルエンド４３’を通じて連なっている。つまり、第Ｎ番目の凹溝２４に収容されてｑ軸位置よりも周方向一方側のロータコイル４の導体は、周方向一方側に隣接する第Ｎ＋１番目の凹溝２４のｑ軸位置よりも周方向他方側のロータコイル４の導体に連なり、第Ｎ番目の凹溝２４に収容されてｑ軸位置よりも周方向他方側のロータコイル４の導体は、周方向他方側に隣接する第Ｎ−１番目の凹溝２４のｑ軸位置よりも周方向一方側のロータコイル４の導体に連なるシンクロナスリラクタンスモータ。

このようにすれば、コイルエンド４３、４３’の軸方向突出量を減らすことができる。

（動作）
ロータコイル４には、たとえばスリップリングやロータリートランス更には公知の他の通電手段により直流電流が通電され、その結果、図１、図２に示すように、ｄ軸方向に電流磁束Φiが形成される。ロータコイル４は、ステータコイルに比べて多いターン数をもち、ロータコイル４のインダクタンスが大きくなるが、主として直流電流が流れるため問題は生じない。これにより、リラクタンストルク（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉｄ・Ｉｑに加えてこの電流磁束ΦiによるトルクΦｉ・Ｉｑを発生させることができるので、従来のシンクロナスリラクタンスモータに比べて小型で大トルクのモータを実現することができる。更に、ＰＭに比べて高速回転時の減磁制御が不要であり、コストダウンを図ることができる。

（実施例２）
他の実施例を図３を参照して説明する。

（構造）
図４はインナーロータ型ラジアルギャップ形式をもつシンクロナスリラクタンスモータの模式部分径方向断面図である。この実施形態のシンクロナスリラクタンスモータは、図１のロータコア２において、フラックスバリア２３を省略し、その分だけ、凹溝２４を深く形成した点にその特徴がある。

このようにすれば、凹溝２４が深いので、ロータコイル４が巻きやすくなり、かつ、遠心力によるロータコア２からのロータコイル４の逸脱を抑制することができる。

（シミュレーション結果）
シミュレーション結果を図４を参照して説明する。図４は、図３に示すロータコイル４に１０Ａの電流を流す場合と、流さない場合と、逆向きに１０Ａの電流を流す場合のトルクと回転数との関係を示す。従来のシンクロナスリラクタンスモータに比べて、トルクを増大でき、かつロータコイル４への電流を調整することによりトルクを容易に調整できることがわかる。

実施例１のシンクロナスリラクタンスモータの模式径方向断面図である。 ロータコイルの巻装状態を示す模式径方向断面図である。 実施例２のシンクロナスリラクタンスモータの模式部分径方向断面図である。 図３のシンクロナスリラクタンスモータのロータコイル電流によるトルクと回転数との関係を示す図である。 特許文献１のシンクロナスリラクタンスモータを示す模式径方向断面図である。 特許文献２のシンクロナスリラクタンスモータを示す模式径方向断面図である。

符号の説明

Ld ｄ軸インダクタンス
Lq ｑ軸インダクタンス
Ｉｄ ｄ軸電流
Ｔｒ リラクタンストルク
ｉｄｃ 直流電流
Φｉ 電流磁束
１ ステータ
２ ロータコア
３ 回転軸
４ ロータコイル
１１ ステータコア
１２ スロット
１３ ティース
２１ ｄ軸領域
２２ ｑ軸領域
２３ フラックスバリア
２４ 凹溝
４１ ロータコイルの往き導体部
４２ ロータコイルの還り導体部
４３ ロータコイルのコイルエンド

Claims (5)

1. 回転磁界を形成可能な複数の相巻線により構成されたステータコイルが巻装されたステータコアを有するステータと、前記ステータの内周面に小電磁ギャップを隔てて対面しつつ回転する軟磁性のロータコアとを有し、前記ロータコアは、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑよりも大きくなるように形成された磁気突極構造を有するシンクロナスリラクタンスモータにおいて、
   前記ロータコアに巻回されて直流電流が通電されるロータコイルを有し、前記ロータコイルは、前記ロータコアの外周面部のうちｑ軸近傍の領域であるｑ軸領域に巻回されていることを特徴とするシンクロナスリラクタンスモータ。
2. 請求項１記載のシンクロナスリラクタンスモータにおいて、
   前記ロータコアの外周面部は、ｄ軸近傍のｄ軸領域と前記ｑ軸近傍のｑ軸領域とを周方向交互に有し、
   前記ロータコイルは、前記ｑ軸領域に凹設された凹溝に巻回されていることを特徴とするシンクロナスリラクタンスモータ。
3. 請求項２記載のシンクロナスリラクタンスモータにおいて、
   前記ロータコアは、前記凹溝の径方向内側に位置して前記凹溝の周方向両側の前記ｄ軸領域に達する複数のフラックスバリアを有するシンクロナスリラクタンスモータ。
4. 請求項２記載のシンクロナスリラクタンスモータにおいて、
   前記ロータコイルは、ｑ軸位置において最も径方向幅が大きく、前記ｑ軸位置から離れるに従って次第に径方向幅が狭くなる径方向断面形状を有するシンクロナスリラクタンスモータ。
5. 請求項４記載のシンクロナスリラクタンスモータにおいて、
   第Ｎ番目の前記凹溝に収容されてｑ軸位置よりも周方向一方側の前記ロータコイルの導体は、周方向一方側に隣接する第Ｎ＋１番目のｑ軸位置よりも周方向他方側の前記ロータコイルの導体に連なり、
   第Ｎ番目の前記凹溝に収容されてｑ軸位置よりも周方向他方側の前記ロータコイルの導体は、周方向他方側に隣接する第Ｎ−１番目のｑ軸位置よりも周方向一方側の前記ロータコイルの導体に連なるシンクロナスリラクタンスモータ。

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