(57)【要約】【課題】性能向上を図ることができるダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機の提供。【解決手段】環状のロータ１０と、ロータ１０の外側に配置されたアウターステータ２０と、ロータ１０の内側に配置されたインナーステータ３０と、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡであって、アシストコイルとして、アウターステータ２０に設けられたアウターアシストコイル２３と、インナーステータ３０に設けられたインナーアシストコイル３３と、を有する、という構成を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状のロータと、前記ロータの外側に配置されたアウターステータと、前記ロータの内側に配置されたインナーステータと、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機であって、
前記アウターステータ及び前記インナーステータの少なくともいずれか一方に、アシストコイルが設けられている、ことを特徴とするダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。
【請求項２】
前記アシストコイルとして、前記アウターステータに設けられたアウターアシストコイルと、前記インナーステータに設けられたインナーアシストコイルと、を有し、
前記インナーアシストコイルのみに通電する第１モードと、前記アウターアシストコイルのみに通電する第２モードと、前記アウターアシストコイルと前記インナーアシストコイルの両方に通電する第３モードとに、通電モードを切り替えるためのスイッチを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。
【請求項３】
環状のロータと、前記ロータの外側に配置されたアウターステータと、前記ロータの内側に配置されたインナーステータと、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機であって、
前記アウターステータ及び前記インナーステータの少なくともいずれか一方に、アシストマグネットが設けられている、ことを特徴とするダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スイッチトリラクタンス回転機は、ロータに永久磁石や巻線がなく、ロータとステータとの間に生じる磁気吸引力によって動作する構成となっている。スイッチトリラクタンス回転機は、原理的に振動、騒音等の課題があるが、構造が簡単で堅牢、高速回転にも耐えることができ、また、ネオジム磁石等の高価な永久磁石が不要であるため安価であるという特徴を有しており、近年、低コストで信頼性に優れた回転機として、実用化に向けての研究開発が進められている。
この実用化の一環として、スイッチトリラクタンス回転機の性能向上を図るべく、ダブルステータ構造にすることが提案されている。
【０００３】
下記特許文献１には、環状のロータと、ロータの内側に配置された内側ステータ（インナーステータ）と、ロータの外側に配置された外側ステータ（アウターステータ）と、を有するダブルステータ型モータが開示されている。
この内側ステータと外側ステータは、対応する相のコイル同士が直列接続されている。この構成によれば、内外両ステータの各相コイルに通電される電流を揃えることができ、内外両ステータの起磁力を等しくすることができる。これにより、内側ステータと外側ステータとで相互に鎖交する磁束が少なくなり、リラクタンストルクを大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２４４６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記先行技術のように、アウターステータとインナーステータとを直列接続すると、インダクタンスの増加により電流が減少し、起磁力が低下してしまう。
一方、アウターステータとインナーステータとを並列接続し、起磁力の異なる２つのステータから個別に出力を取り出す手法も考えられるが、スイッチトリラクタンス回転機は、性能向上（トルクアップ等）を図るために、ロータの突極構造を大きくする必要があり、特に、インナーステータ側の巻線スペースを十分に確保して、大きな出力を取り出すことは困難である。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、性能向上を図ることができるダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、環状のロータと、前記ロータの外側に配置されたアウターステータと、前記ロータの内側に配置されたインナーステータと、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機であって、前記アウターステータ及び前記インナーステータの少なくともいずれか一方に、アシストコイルが設けられている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、アウターステータ及びインナーステータの少なくともいずれか一方に設けたアシストコイルにより磁力アシストを行い、アウターステータ及びインナーステータ側の起磁力と合わせることで、性能向上を図ることができる。
【０００８】
また、本発明においては、前記アシストコイルとして、前記アウターステータに設けられたアウターアシストコイルと、前記インナーステータに設けられたインナーアシストコイルと、を有し、前記インナーアシストコイルのみに通電する第１モードと、前記アウターアシストコイルのみに通電する第２モードと、前記アウターアシストコイルと前記インナーアシストコイルの両方に通電する第３モードとに、通電モードを切り替えるためのスイッチを有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、アウターアシストコイル及びインナーアシストコイルの一方若しくは両方に通電モードを切り替えることにより、回転機の動作モードに応じた磁力アシストを行うことができる。
【０００９】
また、本発明においては、環状のロータと、前記ロータの外側に配置されたアウターステータと、前記ロータの内側に配置されたインナーステータと、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機であって、前記アウターステータ及び前記インナーステータの少なくともいずれか一方に、アシストマグネットが設けられている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、アウターステータ及びインナーステータの少なくともいずれか一方に設けたアシストマグネットにより磁力アシストを行い、アウターステータ及びインナーステータ側の起磁力と合わせることで、性能向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、性能向上を図ることができるダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの断面構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの回路を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの断面構成図である。
【図４】本発明の一別実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの断面構成図である。
【図５】本発明の一別実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータの断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡの断面構成図である。
【００１４】
ダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡ（以下、単にスイッチトリラクタンスモータＡと称する場合がある）は、図１に示すように、環状のロータ１０と、ロータ１０の外側に配置されたアウターステータ２０と、ロータ１０の内側に配置されたインナーステータ３０と、を有する。本実施形態のスイッチトリラクタンスモータＡは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相モータであり、ステータ側の極数が１２個、ロータ側の極数が８個の３相１２／８極構造となっている。
【００１５】
ロータ１０は、電磁鋼板が軸方向に複数積層された状態で締結固定されたものである。ロータ１０は、図１に示すように、環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から外側に突出する第１突極１２と、ヨーク部１１から内側に突出すると共に第１突極１２と同位相で設けられた第２突極１３と、を有している。ヨーク部１１は、円筒状とされ、磁気的に十分な厚みを有している。ヨーク部１１の外周には、４５°間隔で８個の第１突極１２が設けられている。また、ヨーク部１１の内周には、第１突極１２と同位相の４５°間隔で８個の第２突極１３が設けられている。
【００１６】
アウターステータ２０は、環状の磁性体からなり、その内周に３０°間隔で１２個設けられた突極２１と、突極２１のそれぞれに巻回されたコイル（巻線）２２と、を有する。コイル２２は、周方向に沿ってＵ相→Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相→…の順に相分けされて配置されている。コイル２２は、図１に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の１セットで同じ方向に巻かれ、１セット毎に巻線方向が逆になるように巻かれている。
【００１７】
アウターステータ２０には、アウターアシストコイル（アシストコイル）２３が設けられている。アウターアシストコイル２３は、アウターステータ２０のバックヨーク部２０ａにおいて、コイル２２が同極性（隣り合うコイル２２の巻線方向が同じ）になる箇所（本実施形態では４箇所）に配置される。このアウターアシストコイル２３には、直流電流が供給され、コイル２２による磁束が流れる一方向に、磁力アシストを行うようになっている。
【００１８】
インナーステータ３０は、環状の磁性体からなり、その外周に突極２１と同位相の３０°間隔で１２個設けられた突極３１と、突極３１のそれぞれに巻回されたコイル（巻線）３２と、を有する。コイル３２は、コイル２２と同様に周方向に沿ってＵ相→Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相→…の順に相分けされて配置されている。コイル３２は、図１に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の１セットで同じ方向に巻かれ、１セット毎に巻線方向が逆になるように巻かれている。
【００１９】
インナーステータ３０には、インナーアシストコイル（アシストコイル）３３が設けられている。インナーアシストコイル３３は、インナーステータ３０のバックヨーク部３０ａにおいて、コイル３２が同極性（隣り合うコイル３２の巻線方向が同じ）になる箇所（本実施形態では４箇所）に配置される。このインナーアシストコイル３３には、直流電流が供給され、コイル３２による磁束が流れる一方向に、磁力アシストを行うようになっている。
【００２０】
図２は、本発明の第１実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡの回路を示す図である。
上記構成のスイッチトリラクタンスモータＡは、図２に示すようなインバータ４０を有する。なお、図２において、符号４１は直流電源を示し、符号４２は平滑コンデンサを示す。また、アウターステータ２０には各相４つのコイル２２が設けられているが視認性の向上のため各相１つのコイル２２のみを代表して図示して残りの図示を省略している。また、インナーステータ３０においても同様に、各相４つのコイル３２が設けられているが視認性の向上のため各相１つのコイル３２のみを代表して図示して残りの図示を省略している。
【００２１】
本実施形態のスイッチトリラクタンスモータＡでは、アウターステータ２０とインナーステータ３０とが電気的に並列接続されており、一台のインバータ４０で動作するようになっている。インバータ４０は、アウターステータ２０とインナーステータ３０の対応する相のコイル２２，３２同士を並列接続する並列回路５０を有する。並列回路５０は、２つのスイッチング素子４３ａ，４３ｂと、２つのダイオード４４ａ，４４ｂと、からなる非対称ハーフブリッジ回路４５に含まれる。
【００２２】
並列回路５０には、スイッチ４７ａ，４７ｂが設けられている。スイッチ４７ａ，４７ｂは、インナーステータ３０のみに通電する第１モードと、アウターステータ２０のみに通電する第２モードと、アウターステータ２０とインナーステータ３０の両方に通電する第３モードとに、通電モードを切り替えるためのものである。具体的に、第１モードでは、スイッチ４７ａが「ＯＦＦ」、スイッチ４７ｂが「ＯＮ」になり、第２モードでは、スイッチ４７ａが「ＯＮ」、スイッチ４７ｂが「ＯＦＦ」になり、第３モードでは、スイッチ４７ａが「ＯＮ」、スイッチ４７ｂが「ＯＮ」になる。
【００２３】
また、直流電源４１には、アウターアシストコイル２３とインナーアシストコイル３３とが電気的に並列接続されている。アウターアシストコイル２３とインナーアシストコイル３３は、並列回路５１に設けられている。並列回路５１には、アウターアシストコイル２３にかかる直流電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ４８と、インナーアシストコイル３３にかかる直流電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ４９とが設けられている。
【００２４】
アウターアシストコイル２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４８に４つ並列接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４８は、アウターアシストコイル２３が設けられたバックヨーク部２０ａを磁気的に飽和する直前までの領域にてアシストするように、アウターアシストコイル２３にかかる直流電圧を調整するようになっている。
また、インナーアシストコイル３３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４９に４つ並列接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４９は、インナーアシストコイル３３が設けられたバックヨーク部３０ａを磁気的に飽和する直前までの領域にてアシストするように、インナーアシストコイル３３にかかる直流電圧を調整するようになっている。
【００２５】
並列回路５１には、スイッチ５２ａ，５２ｂが設けられている。スイッチ５２ａ，５２ｂは、インナーアシストコイル３３のみに通電する第１モードと、アウターアシストコイル２３のみに通電する第２モードと、アウターアシストコイル２３とインナーアシストコイル３３の両方に通電する第３モードとに、通電モードを切り替えるためのものである。具体的に、第１モードでは、スイッチ５２ａが「ＯＦＦ」、スイッチ５２ｂが「ＯＮ」になり、第２モードでは、スイッチ５２ａが「ＯＮ」、スイッチ５２ｂが「ＯＦＦ」になり、第３モードでは、スイッチ５２ａが「ＯＮ」、スイッチ５２ｂが「ＯＮ」になる。
【００２６】
また、本実施形態では、アウターステータ２０とインナーステータ３０とが並列接続されると共に、アウターステータ２０とインナーステータ３０との起磁力が異なっており、アウターステータ２０の起磁力よりもインナーステータ３０の起磁力が小さく設定されている。起磁力は、コイル巻き回数と、そこに流れる電流の積によって求まる。ダブルステータ構造では、図１に示すように、その構造的にインナーステータ３０側に十分な巻線スペースを確保することが難しい。
【００２７】
スイッチトリラクタンスモータＡにおいて起磁力を同一にする場合は、巻線の断面積を小さくして巻線数を増やすか、インナーステータ３０の突極３１を長く（深く）して巻線スペースを確保する方法が考えられる。しかしながら、前者の方法では電流密度が高くなり、銅損の増大によるモータ効率低下と、巻線の温度上昇の問題が生じる。また、後者の方法では、モータ全体の重量を支えるシャフト径とトレードオフになるため、シャフト径が細くなると重量増加に対して機械的な強度を十分に確保することができなくなるという問題が生じる。
【００２８】
そこで、本実施形態では、アウターステータ２０の起磁力よりもインナーステータ３０の起磁力を小さく設定することで、モータ効率の低下及び巻線の温度上昇の抑制と共に、機械的な強度を十分に確保している。また、本実施形態のように、アウターステータ２０とインナーステータ３０とを並列接続することで、アウターステータ２０とインナーステータ３０とを直列接続した場合よりもモータ性能の向上効果が高くなる。
【００２９】
すなわち、直列接続では、インダクタンスが増加するので電流が減少してしまい、メインで駆動するアウターステータ２０の起磁力が大きく低下してしまうためである。一方、並列接続では、アウターステータ２０の起磁力を確保でき、加えてインナーステータ３０の出力を取り出すことができるため、出力がアウターステータ２０とインナーステータ３０の単純な和となり、モータ性能が容易に向上する。
【００３０】
また、本実施形態では、図１に示すように、アウターステータ２０にはアウターアシストコイル２３が設けられ、インナーステータ３０にはインナーアシストコイル３３が設けられている。アウターアシストコイル２３は、磁束の流れが一方向となるコイル２２の同極性になる箇所に配置され、その一方向の流れの磁力アシストをする。これにより、コイル２２の同極性となるバックヨーク部２０ａを磁気的に飽和する直前までの領域にてアシストすることができる。
【００３１】
また、インナーアシストコイル３３は、磁束の流れが一方向となるコイル３２の同極性になる箇所に配置され、その一方向の流れの磁力アシストをする。これにより、コイル３２の同極性となるバックヨーク部３０ａを磁気的に飽和する直前までの領域にてアシストすることができる。このように、本実施形態では、アウターアシストコイル２３及びインナーアシストコイル３３のアシスト作用と、アウターステータ２０及びインナーステータ３０側の起磁力とを合わせることで、出力密度や効率を高め、モータ性能を向上させることができる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、並列接続されて起磁力が異なるアウターステータ２０及びインナーステータ３０の一方若しくは両方に通電モードを切り替えることで、効率の向上を図っている。すなわち、低出力の場合には低出力に対応したインナーステータ３０単独で運転した方が効率は良く、また、中出力の場合には中出力に対応したアウターステータ２０単独で運転した方が効率は良く、また、高出力の場合には高出力に対応すべくアウターステータ２０及びインナーステータ３０共同で運転した方が効率は良くなるためである。
【００３３】
ここで、本実施形態では、図２に示すように、並列接続されるアウターアシストコイル２３及びインナーアシストコイル３３の一方若しくは両方に通電モードを切り替えるスイッチ５２ａ，５２ｂが設けられている。このため、インナーステータ３０単独で運転する第１モードのときには、インナーアシストコイル３３のみに通電し、アウターステータ２０単独で運転する第２モードのときには、アウターアシストコイル２３のみに通電し、アウターステータ２０及びインナーステータ３０共同で運転する第３モードのときには、アウターアシストコイル２３とインナーアシストコイル３３の両方に通電することができる。このように、本実施形態によれば、スイッチトリラクタンスモータＡの運転モードに応じた磁力アシストを行うことができ、無駄な電力消費を抑え効率を高めることができる。
【００３４】
したがって、上述の本実施形態によれば、環状のロータ１０と、ロータ１０の外側に配置されたアウターステータ２０と、ロータ１０の内側に配置されたインナーステータ３０と、を有するダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡであって、アシストコイルとして、アウターステータ２０に設けられたアウターアシストコイル２３と、インナーステータ３０に設けられたインナーアシストコイル３３と、を有する、という構成を採用することによって、低コストで信頼性に優れたスイッチトリラクタンスモータＡにおいてモータ性能の向上を図ることが可能となる。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
【００３６】
図３は、本発明の第２実施形態におけるダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータＡの断面構成図である。
第２実施形態では、図３に示すように、アシストコイルの代わりに永久磁石からなるアシストマグネットが設けられている点で、上記実施形態と異なる。
【００３７】
アウターステータ２０には、アウターアシストマグネット（アシストマグネット）２４が設けられている。アウターアシストマグネット２４は、アウターステータ２０のバックヨーク部２０ａにおいて、コイル２２が同極性（隣り合うコイル２２の巻線方向が同じ）になる箇所（本実施形態では４箇所）に配置される。このアウターアシストマグネット２４は、コイル２２による磁束が流れる一方向に、磁力アシストを行う向きでバックヨーク部２０ａに挿入されている。
【００３８】
インナーステータ３０には、インナーアシストマグネット（アシストマグネット）３４が設けられている。インナーアシストマグネット３４は、インナーステータ３０のバックヨーク部３０ａにおいて、コイル３２が同極性（隣り合うコイル３２の巻線方向が同じ）になる箇所（本実施形態では４箇所）に配置される。このインナーアシストマグネット３４には、コイル３２による磁束が流れる一方向に、磁力アシストを行う向きでバックヨーク部３０ａに挿入されている。
【００３９】
上記構成の第２実施形態によれば、上記実施形態と同様に、アウターステータ２０及びインナーステータ３０に挿入したアウターアシストマグネット２４及びインナーアシストマグネット３４により磁力アシストを行い、コイル２２及びコイル３２の起磁力と合わせて、モータ性能の向上を図ることができる。また、この第２実施形態によれば、上記実施形態のように磁力アシストの調整はできないが、磁力アシストをする際に電力消費がないため、省電力化を図ることができる。
【００４０】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４１】
例えば、上記第２実施形態では、アシストマグネットをコイルが同極性になる箇所に配置したが、図４に示すような配置としてもよい。なお、図４において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付している。
図４に示すように、アウターステータ２０には、アシストマグネット２５ａ（Ｎ極），２５ｂ（Ｓ極）が設けられている。アシストマグネット２５ａ，２５ｂは、突極２１の間にそれぞれ配置されている。すなわち、アシストマグネット２５ａ，２５ｂは、コイル２２が巻回されるスロット開口部に位置し、ロータ１０に対するエアギャップに面している。また、インナーステータ３０には、アシストマグネット３５ａ（Ｎ極），３５ｂ（Ｓ極）が設けられている。アシストマグネット３５ａ，３５ｂは、突極２１の間にそれぞれ配置されている。すなわち、アシストマグネット３５ａ，３５ｂは、コイル３２が巻回されるスロット開口部に位置し、ロータ１０に対するエアギャップに面している。
このような別実施形態におけるアシストマグネットの配置によっても、磁力アシストを行い、出力密度や効率を高め、モータ効率の向上を図ることができる。
【００４２】
また、例えば、上記第１実施形態では、アウターステータ及びインナーステータの両方にアシストコイルが設けられる構成について説明したが、図５に示すような構成としてもよい。なお、図５において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付している。
図５（ａ）に示す別実施形態では、アウターステータ２０にはアウターアシストコイル２３が設けられており、インナーステータ３０にはインナーアシストコイル３３が設けられていない。また、図５（ｂ）に示す別実施形態では、インナーステータ３０にはインナーアシストコイル３３が設けられており、アウターステータ２０にはアウターアシストコイル２３が設けられていない。
図５（ａ）に示す別実施形態では、起磁力が大きなアウターステータ２０の出力をさらに高めることができ、図５（ｂ）に示す別実施形態では、起磁力の小さなインナーステータ３０の出力を補助することができる。
なお、図３及び図４に示すアシストマグネットを用いる実施形態においても、アウターステータ２０及びインナーステータ３０のいずれか一方にアシストマグネットを設ける構成を採用してもよい。
【００４３】
また、例えば、上記実施形態では、アウターステータとインナーステータとが電気的に並列接続される構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されることなく、アウターステータとインナーステータとが電気的に直列接続される構成であっても適用することができる。
【００４４】
また、例えば、上記実施形態では、３相モータを例示して説明したが、本発明はこの構成に限定されることなく、２相モータ、４相モータ、５相モータ等にも適用することができる。また、３相モータにおいて１２／８極構造を例示して説明したが、本発明はこの極数に限定されず、例えば６／４極構造等であっても良い。
【００４５】
また、例えば、上記実施形態では、本発明のダブルステータ方スイッチトリラクタンス回転機を、モータに適用した構成について例示したが、本発明はこの構成に限定されることなく、発電機にも適用することができる。また、発電機においては、大型の風力発電機に好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
Ａ…ダブルステータ型スイッチトリラクタンスモータ（ダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機）、１０…ロータ、２０…アウターステータ、２３…アウターアシストコイル（アシストコイル）、２４…アウターアシストマグネット（アシストマグネット）、２５ａ，２５ｂ…アシストマグネット、３０…インナーステータ、３３…インナーアシストコイル（アシストコイル）、３４…インナーアシストマグネット（アシストマグネット）、３５ａ，３５ｂ…アシストマグネット、５２ａ，５２ｂ…スイッチ
【図１】
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【図２】
2014176284.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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