JP2017079530A - シンクロナスリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】出力トルクを大きくすることができるシンクロナスリラクタンスモータを提供する。【解決手段】ロータ２０には、外周側から中心に向かって複数層に配置され、前記中心に向かって凸となる円弧状の複数のフラックスバリア２３からなるフラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて極数分だけ形成されている。ロータ２０のロータ軸２２に沿う方向から見た平面視において、ロータ２０の外周縁上の各フラックスバリア群の周方向中心点を頂点とする多角形に囲まれた領域を多角形領域３０とすると、各フラックスバリア群における複数のフラックスバリア２３は、多角形領域３０内に形成された円弧状部分２３ａを含んでいる。各フラックスバリア群における円弧状部分２３ａの円弧中心は、ロータ２０の外周縁上の当該フラックスバリア群の周方向中心点に設定されている。【選択図】図２

Description

この発明は、例えば電動パワーステアリング装置に用いられるシンクロナスリラクタンスモータに関する。

電磁エネルギーの位置に対する変化によって発生するリラクタンストルクのみを利用して、ロータを回転させるリラクタンスモータが知られている。リラクタンスモータには、ステータおよびロータが磁気的な突極性を有するスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ：Switched Reluctance Motor）と、ステータがブラシレスモータと同様の構造のシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ：Synchronous Reluctance Motor）とがある。

シンクロナスリラクタンスモータは、ステータおよびロータのうち、ロータのみに磁気的な突極性を有している。シンクロナスリラクタンスモータでは、ロータの磁気的な突極性により、磁束の流れやすい突極方向（以下、「ｄ軸方向」という）と磁束が流れにくい非突極方向（以下、「ｑ軸方向」という）とがある。このため、ｄ軸方向のインダクタンス（以下、「ｄ軸インダクタンス」という）とｑ軸方向のインダクタンス（以下、「ｑ軸インダクタンス」という）の差によりリラクタンストルクが発生し、このリラクタンストルクによってロータが回転する。

特開平１１−２８９７３０号公報

シンクロナスリラクタンスモータは、永久磁石を使用せずにリラクタンストルクのみを利用してロータを回転させているため、永久磁石を使用するモータに比べて出力トルクが小さいという問題があり、少しでも出力トルクを大きくすることが必要である。
この発明の目的は、出力トルクを大きくすることができるシンクロナスリラクタンスモータを提供することである。

請求項１に記載の発明は、ステータ（１０）とロータ（２０）とを含み、前記ロータには、外周から中心に向かって複数層に配置され、前記中心に向かって凸となる円弧状の複数のフラックスバリア（２３）からなるフラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて極数分だけ形成されている、シンクロナスリラクタンスモータであって、前記ロータの回転軸に沿う方向から見た平面視において、前記ロータの外周縁上の前記各フラックスバリア群の周方向中心点を頂点とする多角形に囲まれた領域を多角形領域（３０）とすると、前記各フラックスバリア群における前記複数のフラックスバリアは、前記多角形領域内に形成された円弧状部分（２３ａ）を含んでおり、前記各フラックスバリア群における前記円弧状部分の円弧中心が、前記ロータの外周縁上の当該フラックスバリア群の周方向中心点に設定されている、シンクロナスリラクタンスモータなお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

この構成では、磁気利用率を高めることができるので、出力トルクを大きくすることができる。
請求項２に記載の発明は、前記各フラックスバリア群における前記複数のフラックスバリアは、前記平面視において、前記多角形領域内の前記円弧状部分（２３ａ）と、前記円弧状部分の両端部から前記多角形領域外に向かって、前記多角形領域の辺に対して垂直方向に延びた直線状部分（２３ｂ）とからなる、請求項１に記載のシンクロナスリラクタンスモータである。

請求項３に記載の発明は、前記ロータのうち、前記フラックスバリア群内の互いに隣接する２つのフラックスバリアに挟まれた領域をリブ（２４）とすると、前記フラックスバリア（２３）の幅（ａ）に対する前記リブの幅（ｍ）の比（ｍ／ａ）が、１．７８以上３．００以下である、請求項１または２に記載のシンクロナスリラクタンスモータである。

図１は、本発明の一実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータの構成を示す断面図である。 図１のシンクロナスリラクタンスモータのロータを示す拡大平面図である。 図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。 図４は、主として１つのフラックスバリア群の詳細を示す部分拡大平面である。 図５Ａは、リブの幅ｍとフラックスバリアの幅ａとの和を一定とした場合の、リブの幅ｍに対する出力トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。 図５Ｂは、リブの幅ｍとフラックスバリアの幅ａとの和を一定とした場合の、リブの幅ｍに対するトルクリップルのシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るシンクロナスリラクタンスモータの構成を示す断面図である。図２は、図１のシンクロナスリラクタンスモータのロータを示す拡大平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。図４は、主として１つのフラックスバリア群の詳細を示す部分拡大平面である。

図１を参照して、シンクロナスリラクタンスモータ１（以下、単に「モータ１」という。）は、回転磁界を発生するステータ（固定子）１０と、ステータ１０の内側に設けられ、前記回転磁界によって回転されるロータ（回転子）２０とを含む。
ステータ１０は、円環状のステータコア１１とステータコイル１２とを含む。ステータコア１１は、円環状の鋼板が複数枚積層されることによって構成されている。ステータコア１１の内周部にはステータコイル１２が挿入される複数のスロット１１ａが設けられている。ステータコア１１には、３個の独立したステータコイル１２が巻かれている。この実施形態では、スロット１１ａの数は、２４である。

図１〜図４を参照して、ロータ２０の極数は、この実施形態では４極（２極対）である。ロータ２０は、ロータコア２１と、ロータコア２１の中心部を貫通しかつロータコア２１に固定されたロータ軸（回転軸）２２とを含む。ロータコア２１は、中心部に孔を有する円形の電磁鋼板が複数枚積層されることによって構成されている。ロータコア２１には、外周側からロータ軸２２側に向かって複数層に配置され、ロータ軸２２に向かって凸となる円弧状の複数のフラックスバリア（この例ではスリット（空気層））２３からなるフラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて極数分だけ形成されている。この例では、ロータコア２１には、フラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて４組形成されている。フラックスバリア２３の層数は７である。つまり、１つのフラックスバリア群は、長さの異なる７個のフラックスバリア２３から構成されている。フラックスバリアは、スリットではなく、樹脂などの非磁性物質で形成してもよい。

図２および図４を参照して、ロータ軸２２に沿う方向から見た平面視において、ロータコア２１のうち、同じフラックスバリア群内において互いに隣接する２つのフラックスバリア２３に挟まれた領域をリブ２４ということする。ロータコア２１のうち、互いに隣接するフラックスバリア群によって挟まれた領域におけるロータコア２１の外周寄り部分を連接部２５ということにする。また、ロータコア２１の外周縁とフラックスバリア２３の端部との間部分を含む、ロータコア２１の外周部の環状領域をブリッジ２６ということにする。

フラックスバリア群内のフラックスバリア２３の周方向中央を通り、ロータコア２１の径方向に延びる軸をｑ軸とし、隣接するフラックスバリア群の間を通り、ロータコア２１の径方向に延びる軸をｄ軸とする。フラックスバリア２３は磁束の流れを妨げるものであるため、ステータコア１１からの磁束のうち、隣接する２つのｑ軸のうちの一方のｑ軸から他方のｑ軸に向かう磁束は通りにくくなる。これに対して、フラックスバリア２３間のリブ２４によって、隣接する２つのｄ軸のうちの一方のｄ軸から他方のｄ軸に向かう磁束は通りやすくなる。

ステータ１０によって回転磁界がロータ２０に与えられると、モータ１からリラクタンストルクＴが発生する。リラクタンストルクＴは、次式(1)で表される。
Ｔ=Ｐｎ・（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉｄ・Ｉｑ …(1)
前記式(1)において、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。

したがって、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差（Ｌｄ−Ｌｑ）を大きくすればリラクタンストルク（出力トルク）Ｔが大きくなる。この実施形態では、この差（Ｌｄ−Ｌｑ）を大きくするために、フラックスバリア２３を設けて、ｑ軸方向の磁路の磁気抵抗を大きくする一方、ｄ軸方向の磁路の磁気抵抗を小さくしている。
この実施形態では、さらに、トルクリップルを小さくしながら、リラクタンストルクＴ（モータ出力）を高めるために、フラックスバリア２３の平面視形状を適切な形状に設定しているとともに、フラックスバリア２３の幅に対するリブ２４の幅の比を適切な値に設定している。以下、これらについて詳しく説明する。

まず、図２および図４を参照して、フラックスバリア２３の平面視形状について説明する。ロータ２０の外周縁上の各フラックスバリア群の周方向中心点を、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとする。ロータ２０のうち、平面視において、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを頂点とする多角形（この例では四角形）に囲まれた領域を多角形領域（この例では四角形領域）３０ということにする。多角形領域３０の頂点Ａと頂点Ｂとを結ぶ辺または線分をＡ−Ｂ、頂点Ｂと頂点Ｃとを結ぶ辺または線分をＢ−Ｃ、頂点Ｃと頂点Ｄとを結ぶ辺または線分をＣ−Ｄ、頂点Ｄと頂点Ａとを結ぶ辺または線分をＤ−Ａで表す場合がある。

各フラックスバリア群における複数のフラックスバリア２３は、平面視において、多角形領域３０内の円弧状部分２３ａと、円弧状部分２３ａの両端部から多角形領域３０外に延びた直線状部分２３ｂとからなる。各フラックスバリア群における複数の円弧状部分２３ａの円弧中心は、ロータ２０の外周縁上の当該フラックスバリア群の周方向中心点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに設定されている。円弧状部分２３ａの各端部から延びる直線状部分２３ｂは、前記多角形領域３０の４辺のうち、平面視において円弧状部分２３ａの当該端部に近い一辺に対して垂直な方向に延びている。言い換えれば、円弧状部分２３ａの各端部から延びる直線状部分２３ｂは、当該円弧状部分２３ａの端部から当該円弧状部分２３ａの接線方向に延びている。

例えば、図４に主として示されている１つのフラックスバリア群における複数のフラックスバリア２３は、平面視において、点Ａを中心とする複数の円弧状部分２３ａと、各円弧状部分２３ａにおける辺Ａ−Ｂ側の一端から辺Ａ−Ｂに対して垂直に延びた直線状部分２３ｂと、各円弧状部分２３ａにおける辺Ｄ−Ａ側の一端から辺Ｄ−Ａに対して垂直に延びた直線状部分２３ｂとからなる。

各フラックスバリア群における複数のフラックスバリア２３の平面視形状をこのように設定している理由について、図４に主として示されている１つのフラックスバリア群を例にとって説明する。一般的に面積Ｓの平面回路を磁束密度Ｂ［ｗｂ］の磁界内に置くと、面積Ｓの平面回路を貫く磁束Φは、次式(2)で表される。
Φ＝ＢＳsinθ …(2)
θは、平面回路の面と磁束の方向とのなす角である。

この式(3)から、平面回路の面と磁束の方向とのなす角θが９０度のときに、磁束Φは最大となることがわかる。
図４に主として示されているフラックスバリア群における複数のフラックスバリア２３の平面視形状を前記のように設定すると、ｄ軸方向に流れる磁束がリブ２４の線分Ａ−Ｄに沿う断面に対して垂直で通過しかつリブ２４の線分Ａ−Ｄに沿う断面積が最大となる。これにより、磁気利用率が高められるから、出力トルクＴを大きくすることができる。

また、フラックスバリア２３の円弧中心を、ｑ軸上であって、ロータ２０の外周縁よりも外側に設定した場合に比べて、ロータ２０の中心により近い位置まで円弧状部分２３ａを形成することができる。これにより、リブ２４の幅を大きくできるので、ｄ軸方向の磁路の磁気抵抗を小さくすることができる。これにより、出力トルクＴを大きくすることができる。

次に、フラックスバリア２３の幅に対するリブ２４の幅の比について説明する。
図４に示すように、フラックスバリア２３の幅をａ［ｍｍ］とし、リブ２４の幅をｍ［ｍｍ］とし、ブリッジ２６の幅をｂ［ｍｍ］とし、連接部２５の幅をｃ［ｍｍ］とする。また、線分Ｄ−Ａ上における点Ａから点Ａに最も近いフラックスバリア２３までの区間をｄ［ｍｍ］とする。また、線分Ｄ−Ａ上における点Ａから線分Ｄ−Ａの中点までの距離をＨ［ｍｍ］とする。ロータ２０の半径をｒ［ｍｍ］とすると、Ｈ＝ｒ／２^１／２となる。

図４から、次式（3）が成立する。
ｄ＋７ａ＋６ｍ＋ｃ／２＝Ｈ …(3)
ｂは、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。ｄは、２^１／２・ｂ以上であることが好ましい。また、ｃは、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。
この実施形態では、ｒ，ｃ，ｄ，ｍ，ａは、例えば次のように設定されている。

ｒ＝２４．８ｍｍ、ｃ＝２ｍｍ、ｂ＝０．５ｍｍ、ｄ＝２^１／２・ｂ、ｍ＝１．７ｍｍ、ａ＝０．８ｍｍ。
表１は、リブ２４の幅ｍとフラックスバリア２３の幅ａとの和を一定とした場合の、リブ２４の幅ｍに対する出力トルクのシミュレーション結果と、リブ２４の幅ｍに対するトルクリップルのシミュレーション結果とを示している。ここでは、リブ２４の幅ｍとフラックスバリア２３の幅ａの和を２．５ｍｍとした。表１には、リブ２４の幅ｍに応じたフラックスバリア２３の幅ａと、リブ２４の幅ｍに応じた、フラックスバリア２３の幅ａに対するリブ２４の幅の比ｍ／ａの値も示されている。

図５Ａは、表１に示されるシミュレーション結果のうち、リブ２４の幅ｍに対する出力トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。図５Ｂは、表１に示されるシミュレーション結果のうち、リブ２４の幅ｍに対するトルクリップルのシミュレーション結果を示すグラフである。
表１および図５Ａに示されるように、リブ２４の幅ｍが１．５ｍｍ〜１．７ｍｍ（フラックスバリア２３の幅ａが１．０ｍｍ〜０．８ｍｍ）のときに出力トルクは 最大となる。つまり、フラックスバリア２３の幅ａに対するリブ２４の幅の比ｍ／ａが１．５０〜２．１３のときに出力トルクは最大となる。リブ２４の幅ｍが１．５ｍｍ以下の範囲では、リブ２４の幅ｍが大きくなるとリブ２４を通過する磁束量が大きくなるため、リブ２４の幅ｍが大きくなるほど出力トルクが大きくなると考えられる。リブ２４の幅が大きくなると、フラックスバリア２３の幅ａが小さくなる。リブ２４の幅ｍが１．７ｍｍを超えると、フラックスバリア２３の幅ａが小さくなりすぎるため、ｑ軸方向に漏れる磁束が多くなると考えられる。このため、出力トルクは低下している。

表１および図５Ｂに示されるように、リブ２４の幅ｍが１．７ｍｍ付近（フラックスバリア２３の幅ａが０．８ｍｍ付近）のときにトルクリップルは最小となる。つまり、フラックスバリア２３の幅ａに対するリブ２４の幅の比ｍ／ａが２．１３付近のときに、トルクリップルは最小となる。
このことから、トルクリップルを抑えながら出力トルクを大きくするためには、リブ２４の幅ｍは、１．５以上１．９以下であることが好ましく。１．６以上１．８以下であることがさらに好ましいことがわかる。言い換えれば、トルクリップルを抑えながら出力トルクを大きくするためには、フラックスバリア２３の幅ａに対するリブ２４の幅の比ｍ／ａは、１．５０以上４．７５以下であることが好ましく。１．７８以上３．００以下であることがさらに好ましいことがわかる。

以上、この発明の実施形態について説明したが、この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、前述の実施形態では、ロータ２０の極数は４極（２極対）であるが、６極（２極対）、８極（４極対）等、４極以外の極数であってもよい。
また、前述の実施形態では、フラックスバリア２３の層数は７であるが、フラックスバリア２３の層数は５層、６層、８層、９層等のように７層以外であってもよい。

また、ロータ２０の半径ｒ、連接部２５の幅ｃ、リブ２４の幅ｍ、フラックスバリア２３の幅ａ、ブリッジ２６の幅ｂは、前述の実施例として示した大きさに限定されない。
この発明は、例えば、電動パワーステアリング装置に使用されるシンクロナスモータに適用することができるが、電動パワーステアリング装置以外に使用されるシンクロナスモータにも適用することができる。

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…シンクロナスリラクタンスモータ、１０…ステータ（固定子）、１１…ステータコア、１２…ステータコイル、１１ａ…スロット、１２…ステータコイル、２０…ロータ（回転子）、２１…ロータコア、２２…ロータ軸、２３…フラックスバリア（スリット）、２３ａ…円弧状部分、２３ｂ…直線状部分、２４…リブ、２５…連接部、２６…ブリッジ

Claims (3)

1. ステータとロータとを含み、前記ロータには、外周から中心に向かって複数層に配置され、前記中心に向かって凸となる円弧状の複数のフラックスバリアからなるフラックスバリア群が、周方向に間隔をおいて極数分だけ形成されている、シンクロナスリラクタンスモータであって、
   前記ロータの回転軸に沿う方向から見た平面視において、前記ロータの外周縁上の前記各フラックスバリア群の周方向中心点を頂点とする多角形に囲まれた領域を多角形領域とすると、前記各フラックスバリア群における前記複数のフラックスバリアは、前記多角形領域内に形成された円弧状部分を含んでおり、
   前記各フラックスバリア群における前記円弧状部分の円弧中心が、前記ロータの外周縁上の当該フラックスバリア群の周方向中心点に設定されている、シンクロナスリラクタンスモータ。
2. 前記各フラックスバリア群における前記複数のフラックスバリアは、前記平面視において、前記多角形領域内の前記円弧状部分と、前記円弧状部分の両端部から前記多角形領域外に向かって、前記多角形領域の辺に対して垂直方向に延びた直線状部分とからなる、請求項１に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。
3. 前記ロータのうち、前記フラックスバリア群内の互いに隣接する２つのフラックスバリアに挟まれた領域をリブとすると、前記フラックスバリアの幅に対する前記リブの幅の比が、１．７８以上３．００以下である、請求項１または２に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。

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