(57)【要約】【課題】モータの大きさに対する出力のより高いＳＲモータを提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、ＳＲモータ１０であって、回転軸１２に取り付けられるロータ本体２２及びロータ本体２２から径方向外側に延び且つ回転方向に等間隔で並ぶ複数のロータ側磁極部２４を有するロータ２０と、ロータ２０を囲うステータ本体３２及びステータ本体３２から回転軸１２側に延びると共に回転方向に等間隔で並ぶ複数のステータ側磁極部３４を有するステータ３０と、を備え、ロータ２０が回転したときのインダクタンスの変動に基づいて、径方向に対向したときのロータ側磁極部２４先端とステータ側磁極部３４先端とのギャップ、及び、回転方向に隣り合うロータ側磁極部２４同士の間隔とロータ側磁極部２４先端の回転方向の幅との比、が設定されていることを特徴とする。【選択図】図４
2014220922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸によって回転動力を出力するＳＲモータであって、
前記回転軸に取り付けられるロータ本体、及び、前記ロータ本体から径方向外側に延び且つ前記回転軸の回転方向に等間隔で並ぶ複数のロータ側磁極部を有するロータと、
前記ロータを回転方向に囲うステータ本体、及び、前記ステータ本体から前記回転軸側に延びると共に、前記回転方向に等間隔で並び且つ前記ロータ側磁極部と同数のステータ側磁極部を有するステータと、を備え、
前記ロータが回転したときのインダクタンスの変動に基づいて、径方向に対向したときの前記ロータ側磁極部先端と前記ステータ側磁極部先端との間隔であるギャップ、及び、前記回転方向に隣り合うロータ側磁極部同士の間隔と前記ロータ側磁極部先端の前記回転方向の幅との比である凹凸比、が設定されている、ＳＲモータ。
【請求項２】
前記ギャップは、０．２ｍｍ以上で且つ０．５ｍｍ以下であり、
前記凹凸比は、凸：凹の順で表したときに５：５〜４：６である、請求項１に記載のＳＲモータ。
【請求項３】
前記ギャップは、０．２ｍｍ未満であり、
前記凹凸比は、凸：凹の順で表したときに５．５：４．５〜４．５：５．５である、請求項１に記載のＳＲモータ。
【請求項４】
前記ギャップは、０．１５ｍｍ以上で且つ０．５ｍｍ以下であり、
前記凹凸比における前記ロータ側磁極部先端の幅が５割以上であり、
前記ロータ側磁極部の先端において前記幅方向両端部が面取りされている、請求項１に記載のＳＲモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＲモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
交流モータは、従来、直流モータと比較して速度制御や出力制御が難しいと言われてきたが、この点は、近年のパワーエレクトロニクスによる制御技術の発達によって解消され、交流モータは、種々の用途で使用されるようになってきている。
【０００３】
このようなモータの一つに、スイッチトリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  ｍｏｔｏｒ、以下、「ＳＲモータ」と略記する）がある。このＳＲモータは、ステータおよびロータ共に、突極構造を有し、ステータの励磁コイルにロータの位置情報に基づいて電流を供給することで生じる磁気吸引力によって回転運動する。
【０００４】
このＳＲモータでは、励磁コイルに電流が供給されて励磁したときの回転子と固定子との間の磁気抵抗に起因する磁気吸引力によって回転体に回転トルクが生じ、この回転トルク（回転動力）が回転子に接続された回転軸を通じて外部に出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１２０３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、モータの大きさに対する出力のより高いＳＲモータが求められている。
【０００７】
そこで、本発明は、モータの大きさに対する出力のより高いＳＲモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。即ち、本発明のＳＲモータにかかる一態様では、回転軸によって回転動力を出力するＳＲモータであって、前記回転軸に取り付けられるロータ本体、及び、前記ロータ本体から径方向外側に延び且つ前記回転軸の回転方向に等間隔で並ぶ複数のロータ側磁極部を有するロータと、前記ロータを回転方向に囲うステータ本体、及び、前記ステータ本体から前記回転軸側に延びると共に、前記回転方向に等間隔で並び且つ前記ロータ側磁極部と同数のステータ側磁極部を有するステータと、を備える。そして、前記ロータが回転したときのインダクタンスの変動に基づいて、径方向に対向したときの前記ロータ側磁極部先端と前記ステータ側磁極部先端との間隔であるギャップ、及び、前記回転方向に隣り合うロータ側磁極部同士の間隔と前記ロータ側磁極部先端の前記回転方向の幅との比である凹凸比、が設定されている。
【０００９】
このように、インダクタンスの変動に基づいて、ギャップと凹凸比とが設定されることで、モータの大きさに対する出力のより高いＳＲモータが得られる。しかも、上記の構成では、磁極数が同じロータ及びステータにおいて全磁極が同時に励磁されるため、前記モータの大きさに対して出力が高くなる効果がより大きい。
【００１０】
例えば具体的には、前記ギャップが０．２ｍｍ以上で且つ０．５ｍｍ以下のときには、前記凹凸比を凸：凹の順で表したときに５：５〜４：６とすることにより、モータの大きさに対する出力がより高いＳＲモータが得られる。
【００１１】
また、前記ギャップが０．２ｍｍ未満のときには、前記凹凸比を凸：凹の順で表したとしたときに５．５：４．５〜４．５：５．５とすることにより、モータの大きさに対する出力がより高いＳＲモータが得られる。
【００１２】
また、前記ギャップが０．１５ｍｍ以上で且つ０．５ｍｍ以下で、且つ、前記凹凸比における前記ロータ側磁極部先端の幅が５割以上のときは、前記ロータ側磁極部の先端において前記幅方向両端部を面取りすることにより、モータの大きさに対する出力がより高いＳＲモータが得られる。
【発明の効果】
【００１３】
以上より、本発明によれば、モータの大きさに対する出力のより高いＳＲモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係るＳＲモータの一部切り欠き斜視図である。
【図２】前記ＳＲモータの寸法を説明するための縦断面図である。
【図３】ロータ及びステータの平面視における部分拡大図である。
【図４】磁極の凹凸比毎のギャップとトルクとの関係を示す図である。
【図５】ロータ側磁極部とステータ側磁極部との位置関係を説明するための図である。
【図６】他実施形態に係るロータ及びステータの平面視における部分拡大図である。
【図７】面取りの大きさ毎のギャップとトルクとの関係を示す図である。
【図８】面取りの大きさとギャップの大きさ毎のインダクタンスと回転角度との関係を示す図である。
【図９】磁極の凹凸比が凸４．５：凹５．５のときの面取りの大きさ毎のトルクの変化を示す図である。
【図１０】磁極の凹凸比が凸４．５：凹５．５のときの面取りの大きさ毎のインダクタンスと回転角度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図３を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るＳＲモータの一部切り欠き斜視図である。図２は、前記ＳＲモータの寸法を説明するための縦断面図であり、図３は、ロータ及びステータの平面視における部分拡大図である。
【００１６】
本実施形態に係るＳＲモータ（スイッチトリラクタンスモータ）は、図１〜図３に示されるように、回転動力を出力する回転軸（出力軸、シャフト）１２と、回転軸１２を回転させるロータ２０と、ロータ２０をその回転方向に囲むステータ３０と、ロータ２０及びステータ３０を収容するケーシング１４と、を備える。尚、図１において、ケーシング１４は、二点鎖線によって示されている。
【００１７】
ロータ２０は、回転軸１２が取り付けられるロータ本体２２と、ロータ本体２２から径方向外側に延びる複数のロータ側磁極部（ロータ側磁極）２４、２４、…とを有する。
【００１８】
ロータ本体２２は、回転軸１２をその回転方向に囲み且つ回転軸１２に沿って（回転軸１２の軸心Ｃ方向に）延びる。
【００１９】
各ロータ側磁極部２４は、ステータ３０に設けられる励磁コイル３８、３８が励磁した状態でロータ本体２２が回転した場合に、各ステータ側磁極部３４との間の磁気抵抗の増減が繰り返される形状を有し、磁性材料によって形成されている。具体的に、各ロータ側磁極部２４は、ロータ本体２２から回転軸１２の径方向外側に向かって突出すると共に軸心Ｃ方向に延びる突条形状を有し、且つ回転軸１２の回転方向（周方向）に間隔を空けて並ぶ。本実施形態の例では、２０個のロータ側磁極部２４、２４、…が回転方向に等間隔に並んでいる。各ロータ側磁極部２４は、その先端に、磁極面（ロータ側磁極面）２６を有する。このロータ側磁極面２６は、軸心Ｃ方向視においてステータ側磁極部３４の先端面（ステータ側磁極面）３６と平行な円弧状の面である。
【００２０】
ステータ３０は、円筒状のステータ本体３２と、複数のステータ側磁極部３４、３４、…と、複数の励磁コイル、３８、…と、を備える。本実施形態のステータ３０では、回転方向に間隔を空けて並ぶ複数（ロータ側磁極部と同数）のステータ側磁極部３４、３４、…を一層としたときに、このステータ側磁極部３４の層が軸心Ｃ方向に間隔を空けて複数（本実施形態の例では３層）設けられている。具体的には、以下の通りである。
【００２１】
ステータ本体３２は、円筒形状を有し、ロータ２０をその回転方向に囲む（図１参照）。ステータ本体３２は、その内側（軸心Ｃ側）に、励磁コイル３８を収容（保持）する複数（本実施形態の例では２つ）のコイル用溝部３２０、…を有する。
【００２２】
コイル用溝部３２０は、軸心Ｃ方向において、各ステータ側磁極部３４、３４間（即ち、ステータ側磁極部３４の層間）に設けられ、回転方向に延び且つ径方向外側に向かって凹んでいる。このコイル用溝部３２０内に、励磁コイル３８が配置される（収容される）。
【００２３】
各ステータ側磁極部３４は、ステータ本体３２からロータ２０に向かって径方向内側に延びている。回転方向において、各層の互いに対応する位置に配置されているステータ側磁極部３４同士は、軸心Ｃ方向に真っ直ぐに並んでいる。
【００２４】
励磁コイル３８は、ロータ２０を回転方向に囲むように配置され、電流が供給されることによってステータ側磁極部３４とロータ側磁極部２４との間に鎖交磁束を生じさせる。この励磁コイル３８は、その厚さ方向が当該励磁コイル３８の径方向を向くように（いわゆるフラットワイズに）帯状の電導線材を絶縁させつつ巻き重ねた、即ち、帯状の導体部材がその幅方向を軸心方向に沿うように巻回された、いわゆるパンケーキコイルである。尚、励磁コイル３８は、帯状の電導線材を巻回した構成に限定されず、線状の電導線材を絶縁させつつソレノイド状に巻回した構成でもよい。
【００２５】
以上のように構成されるステータ本体３２、各ステータ側磁極部３４及びロータ２０は、電気絶縁膜で被覆された軟磁性粉末を圧縮して固めることにより形成されている。具体的に、ステータ本体３２、各ステータ側磁極部３４及びロータ２０は、鉄基軟磁性粉末からなる圧粉磁心、フェライト磁心、又は、軟磁性合金粉末を樹脂に分散させた軟磁性材料によって構成されている。本実施形態のステータ本体３２、各ステータ側磁極部３４及びロータ２０は、表面にリン酸系化成皮膜等の電気絶縁皮膜が形成された鉄粉によって形成されている。ここで、軟磁性体粉末とは、強磁性の金属粉末であり、より詳しくは、例えば、純鉄粉、鉄基合金粉末（Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ―Ｓｉ合金、センダスト、パーマロイ等）及びアモルファス粉末等が挙げられる。これら軟磁性体粉末は、公知の手段、例えば、アトマイズ法等によって微粒子化する方法や、酸化鉄等を微粉砕した後にこれを還元する方法等によって製造することができる。また、一般に、透磁率が同一である場合に飽和磁束密度が大きいので、軟磁性粉末は、例えば、上記純鉄粉、鉄基合金粉末及びアモルファス粉末等の金属系材料であることが特に好ましい。
【００２６】
尚、ステータ本体３２、各ステータ側磁極部３４及びロータ２０は、上述のような、電気絶縁膜で被覆された軟磁性粉末を圧縮して固めた、いわゆる圧粉コアに限定されない。ステータ本体３２、各ステータ側磁極部３４及びロータ２０は、例えば、軟磁性バルク体によって構成されていてもよい。
【００２７】
以上のように構成されるロータ２０とステータ３０との具体的な寸法等は、例えば、以下の通りである。尚、以下に示す各寸法は、図２及び図３に示す位置での値である。
【００２８】
ロータ２０の極数（ロータ側磁極部２４の数）は２０極であり、ロータ側磁極部２４の磁極面２６の位置での外径ＤＲ１がφ５１．０ｍｍ、ロータ本体２２の外周面（回転方向に隣り合うロータ側磁極部２４、２４同士の間）の位置での外径ＤＲ２がφ４７．０ｍｍ、軸心Ｃ方向の高さＨが４４．０ｍｍである。
【００２９】
また、ステータ３０の極数（ステータ側磁極部３４の数）は２０極であり、外径ＤＳ１がφ８８．０ｍｍ、ステータ本体３２の内周面（回転方向に隣り合うステータ側磁極部３４、３４同士の間）の位置での内径ＤＳ２がφ６２．０ｍｍ、ステータ側磁極部３４の磁極面３６の位置での内径ＤＳ３がφ５２．０ｍｍである。
【００３０】
また、回転方向に隣り合うロータ側磁極部２４、２４同士の間隔ｆ１とロータ側磁極部２４先端の幅ｆ２との比（磁極の凹凸比）が、凸４．５：凹５．５である。
【００３１】
また、励磁コイル３８は、銅製のコイルであり、軸心方向の高さ（幅）ｈが１０ｍｍ、ターン数が３０ターンである。
【００３２】
図１に戻り、ケーシング１４は、回転軸１２を残してロータ２０及びステータ３０を囲う。本実施形態のケーシング１４は、回転軸１２が中心軸となるような円柱形状の外観を有し、ベアリング等の軸受け１６によって回転軸１２を回転可能に支持する。
【００３３】
以上のＳＲモータ１０によれば、ロータ２０の回転に伴って周期的に変動するインダクタンスの最大値と最初値との差が大きくなるように、径方向に対向したときのロータ側磁極部２４先端とステータ側磁極部３４先端との間隔（ギャップ）、及び磁極の凹凸比が設定されているため、モータの大きさに対する出力がより高いＳＲモータ１０が得られる。
【実施例１】
【００３４】
上記実施形態のＳＲモータ１０において、ロータ側磁極部２４の磁極面２６の位置での外径ＤＲ１をφ５１．０ｍｍ〜５１．７ｍｍの間で変更してギャップ（ロータ側磁極部２４とステータ側磁極部３４との間隔）の大きさを変更すると共に、磁極の凹凸比を変更したときに当該ＳＲモータ１０により得られるトルクを計算した。その結果を図４に示す。
【００３５】
この結果から、ギャップが０．２ｍｍ未満のときには、磁極の凹凸比を凸：凹の順で表したときに５．５：４．５〜４．５：５．５とすることにより、モータの大きさに対する出力がより高い（即ち、トルクのより大きな）ＳＲモータが得られることが確認できた。
【００３６】
これは、ギャップが０．２ｍｍ未満と十分に小さいときは、ロータ２０の回転に伴って周期的に変動するインダクタンスの最大値が十分大きいため、ロータ側磁極部２４とステータ側磁極部３４の幅（回転方向の幅）を小さくしてロータ側磁極部２４とステータ側磁極部３４とが最も離れた状態（図５（Ａ）参照）のときのロータ側磁極部２４とステータ側磁極部３４との間隔（エアギャップ）をより大きくすることによって、前記インダクタンスの最低値をより小さくすることができ、これにより、前記インダクタンスの最大値と最小値との差が大きくなって得られるトルクが大きくなるからである。
【００３７】
また、ギャップが０．２ｍｍ以上で且つ０．５ｍｍ以下のときには、磁極の凹凸比を凸：凹の順で表したときにが５：５〜４：６とすることにより、モータの大きさに対する出力がより高いＳＲモータ１０が得られることが確認できた。
【００３８】
これは、ギャップが０．２ｍｍ以上で且つ０．５ｍｍ以下と比較的大きいときには、前記最も離れた状態でのエアギャップの大きさが十分確保されて前記インダクタンスの最低値が十分小さいため、ロータ側磁極部２４とステータ側磁極部３４の幅を大きくして互いに対向したとき（図５（Ｂ）参照）の磁極面（ロータ側磁極面２６とステータ側磁極面３６）を大きくすることによって、前記インダクタンスの最大値をより大きくすることができ、これにより、前記インダクタンスの最大値と最小値との差が大きくなって得られるトルクが大きくなるからである。
【実施例２】
【００３９】
また、上記実施形態のＳＲモータ１０において、図６に示すように、ロータ側磁極部２４の先端において幅方向両端部を面取りしたときのトルクとインダクタンスを計算した。その結果を、図７〜図８（Ｄ）に示す。これらの図において、ｃは、面取りによって取り除かれた部位（図６の破線部）の径方向と回転方向の大きさを示す。また、トルクとインダクタンスの計算において用いられたＳＲモータ１０の磁極の凹凸比は４：６であり、ギャップは０．１５〜０．５ｍｍである。
【００４０】
また、ロータ側磁極部２４先端を上記同様に面取りした状態で、磁極の凹凸比を５．５：４．５とし、ギャップを０．３ｍｍとしたときのトルクとインダクタンスも計算した。その結果を、図９及び図１０に示す。
【００４１】
これらの結果から、ギャップが０．１５ｍｍ以上で且つ０．５ｍｍ以下であり、磁極の凹凸比におけるロータ側磁極部２４先端の幅が５割以上のときには、ロータ側磁極部２４を面取りすることで、面取りしていない場合に比べてインダクタンスの最低値を低くすることができることが確認できた。これは、図６に示されるように、ロータ側磁極部２４とステータ側磁極部３４とが最も離れたときに、面取りされた分だけエアギャップが大きく（即ち、磁気抵抗が大きく）なるからである。このため、ロータ側磁極部２４の先端部を面取りすることでインダクタンスの最低値が引き下げられ、これにより、インダクタンスの最大値と最小値との差が大きくなってＳＲモータにおいて得られるトルクが大きくなる。
【００４２】
また、面取りの大きさｃが同じときには、ギャップが小さくなるほどインダクタンスの最大値が大きくなるため、得られるトルクが大きくなることも、これらの結果から確認できた。
【００４３】
尚、磁極の凹凸比におけるロータ側磁極部２４先端の幅が５割未満のときには、ロータ側磁極部とステータ側磁極部とが最も離れたときに（図５（Ａ）参照）十分な大きさのエアギャップが生じているため、ロータ側磁極部２４先端の幅方向両端部の面取りを行うと、図９及び図１０に示されるように、インダクタンスの最低値の低下よりも最大値の低下が大きくなり、その結果、インダクタンスの最大値と最小値との差（即ち、ＳＲモータで得られるトルク）が小さくなることが分かる。
【００４４】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００４５】
１０   ＳＲモータ
２０   ロータ
２２   ロータ本体
２４   ロータ側磁極部
３０   ステータ
３２   ステータ本体
３４   ステータ側磁極部
３８   励磁コイル
Ｃ     軸心
【図１】
2014220922.tif 000003
【図２】
2014220922.tif 000004
【図３】
2014220922.tif 000005
【図４】
2014220922.tif 000006
【図５】
2014220922.tif 000007
【図６】
2014220922.tif 000008
【図７】
2014220922.tif 000009
【図８】
2014220922.tif 000010
【図９】
2014220922.tif 000011
【図１０】
2014220922.tif 000012