(57)【要約】【課題】従来の回転子構造では、磁極の中心となる磁路とその他の部分の磁路との間で、遠心力に対する強固さが構造上大きく差があり、回転子外側のつなぎ部分で遠心力により破断してしまうことがあり、それを避けるために回転子外側のつなぎ部分を太くすると電動機の出力特性が低下する。【解決手段】回転子１の磁極中心ＰＬの内側に空隙ＳＡを配置する。空隙ＳＡにおいてスリット２等に向かい合う部分の形状は、最も内側のスリットからＷＡの距離を保ったスリット形状に対する平行線となっており、さらに前記空隙ＳＡと向かい合うスリットとの間の距離ＷＡは、磁極中心ＰＬにおける磁路の回転子表面近傍における幅Ｗに対して、ＷＡ＝Ｗ／２の関係にほぼ等しい構造となっており、空隙ＳＡによって磁極中心ＰＬにおける磁路の幅を狭め、他の部分の磁路との強固さの差を少なくする。【選択図】図１
2006042467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリット及びスリットの間に形成される磁路によって決定される複数の磁極を有するリラクタンスモータの回転子において、
隣り合う磁極の間に設けられる複数のスリットの間に形成され、隣り合う磁極を結ぶ複数の磁路と、
隣り合う磁極を結ぶ複数の磁路の中で回転子の中心側を通る中心磁路の幅を狭めるための幅狭めスリット又は幅狭め空隙部の少なくともいずれか一方と、
を有し、
幅狭めスリット又は幅狭め空隙部は、
回転子表面近傍における中心磁路の幅Ｗに対し、回転子の中心側において中心磁路から分かれ隣り合う左右の各磁極にそれぞれ結ばれる左右磁路の幅ＷＡを、いずれも等しい幅であってかつそれぞれＷより狭い幅にすることを特徴とするリラクタンスモータの回転子。
【請求項２】
請求項１に記載のリラクタンスモータの回転子において、
左右磁路の幅ＷＡは、それぞれ、ＷＡ＝Ｗ／２の関係にほぼ等しい幅であることを特徴とするリラクタンスモータの回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リラクタンスモータの回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の回転子の構造には様々なものがあるが、その中で内部に複数のスリットを配置することによって複数の磁路を形成している、いわゆる多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の構造について以下に説明する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、同期電動機のロータとして、スリットを有する積層ロータが開示される。図５は、従来のリラクタンスモータにおける回転子構造の断面の一例を示す図である。図５において、回転子１には複数のスリット２が配置されており、各スリットの間に磁路３が存在している。このスリット２と磁路３の形状によって回転子１内の磁極が決定される。図中、ＰＬで示される線が回転子１における磁極の中心であり、図５に示される回転子１では磁極の中心ＰＬが６個あるので、６極ということになる。そして、隣り合う磁極の中心ＰＬを結び回転子１の中心側を通る磁路を中心磁路と呼ぶことにすると、隣り合う磁極の間は、中心磁路を含む複数の磁路で結ばれている。スリット２は図のような形状であるが、回転子中心から見てスリットの端の外側、すなわち回転子１の外径付近はスリットが無く、磁路がつながった形状になっている。この部分を外側つなぎと呼ぶことにする。
【０００４】
公知の通り、リラクタンスモータにおいては磁路３上に磁束を形成することによって磁極ができるが、実際は外側つなぎがあると、磁路３上に形成される磁束の一部が外側つなぎに漏れてしまい、磁路３上に所望の磁束を形成できなくなる。磁束の漏れが多いほど電動機の出力特性は低下するため、理想的には外側つなぎは全く無い方が良いが、現実に回転子１を構成するために外側つなぎは必ず必要になる。ならば、少しでも磁束の漏れを少なくするために、外側つなぎはできるだけ細い方が良いが、外側つなぎが細くなると回転子１が回転した際の遠心力によって外側つなぎに発生する応力が回転子１の材料の許容応力を超え、回転子１が外側つなぎの部分から破断してしまうため、外側つなぎには遠心力に耐えられるだけの太さが必要である。
【０００５】
また、図５に示してはいないが、場合によっては外側つなぎだけでなく、各磁路の遠心力を支えるために、回転子の外径付近でなく、回転子の内側付近で磁路と磁路の間に磁路に垂直方向につなぎを設ける場合もある。このつなぎを内側つなぎと呼ぶことにする。この場合においても同様に、内側つなぎから磁束の漏れが発生してしまうので、内側つなぎもできるだけ細い方が良いが、外側つなぎと同様の理由から一定の太さが必要となる。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２６１９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
回転子の構造を設計する場合、磁路とスリットの形状が決まっていれば、残りは外側つなぎの太さをどの程度の太さにするかということと、内側つなぎを設けるか、また設ける場合はどの程度の太さで何本にするかということを決定するだけである。その際には、回転子が電動機の最高回転数で回転する時に発生する遠心力によって、回転子各部にかかる応力を有限要素法等の計算で求め、回転子の各部に発生する応力が回転子を構成する材料の許容応力を超えない範囲で外側つなぎをどこまで細くできるか、あるいは内側つなぎの太さと本数をどこまで減らせられるかということを求め、外側つなぎの太さ及び内側つなぎの本数と太さを設計していく。
【０００８】
ここで、図６及び図７を用いて回転子が回転する時に発生する遠心力によって、回転子各部にかかる応力について説明する。図６は、回転子の磁極付近の拡大図である。図６において、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５は各磁路である。Ｐ１は、磁極の中心の磁路ＰＬで、Ｐ２からＰ３，Ｐ４とゆくにつれＰＬから離れる磁路を示している。また、ＰＥ１はＰ１とＰ２との間の外側つなぎ、ＰＥ２はＰ２とＰ３との間の外側つなぎ、ＰＥ３はＰ３とＰ４との間の外側つなぎ、ＰＥ４はＰ４とＰ５との間の外側つなぎである。回転子が回転して遠心力が発生する際、磁路であるＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５にはそれぞれ回転子中心から外側に向かってＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５で示される遠心力が発生する。ここで、例えばＰＥ２の両側にかかる力の比較をしてみると、図中ＰＥ２の左側では、Ｆ３の遠心力が外径方向にかかり、右側ではＦ２の遠心力が外径方向にかかる。
【０００９】
ここで、各磁路にかかる遠心力の大小について述べる。公知の通り、遠心力は、角速度ωを一定として、質量ｍに比例して、径ｒに比例する。各磁路の全体長さを比較した場合、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５であり、各磁路の質量もこの順で大きい。しかし、各磁路の長さに差ができているのは、径ｒが小さい内径付近において全体の長さが異なるからであって、径ｒが大きい外径付近では磁路の形状はほぼ同じで、その部分の長さ及び磁路の質量はほぼ等しい。したがって、遠心力の大きさに支配的である径ｒが大きい部分の質量については、どの磁路についてもほぼ等しいため、結果的に各磁路にかかる遠心力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５の大小は、厳密にはＦ１＞Ｆ２＞Ｆ３＞Ｆ４＞Ｆ５の順に大きいものの、前記の理由から、これらはそれほど差が無いということもできる。
【００１０】
ＰＥ２を挟んだ両側の磁路であるＰ２とＰ３に発生している遠心力を比較した場合、Ｆ２とＦ３では前述の通りあまり大きさが変わらないため、ＰＥ２の両側では、ほぼ同じ力で外側に引っ張られている。また、遠心力によってＰＥ２の左側における磁路Ｐ３が外側に変位する変位量と、ＰＥ２の右側における磁路Ｐ２が外側に変位する変位量とを比較した場合も、両者の変位量はほとんど同じである。以上から、ＰＥ２はその両側の磁路の外側への変位量がほぼ等しく、ＰＥ２もその形状がほとんど変化せずに外側に変位しているということができる。
【００１１】
一方、ＰＥ１を挟んだ両側の磁路であるＰ１とＰ２に発生する遠心力を比較した場合、Ｆ１とＦ２では、前記と同様の理由からこれもあまり大きさは変わらないが、外側の変位量についてＰＥ２の場合とは条件が少し異なってくる。すなわち、外側つなぎだけでつながっているＰ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５と比べて、回転子の中心側の太い磁路でつながっているＰ１は遠心力Ｆ１に対して非常に強固な構造をしていることになる。このことは、Ｐ１の幅は磁極中心における磁路の、回転子表面近傍における幅Ｗに比べて、内径付近の磁路幅ＷＢが非常に大きいことから明らかである。これにより、たとえ遠心力Ｆ１とＦ２がほぼ等しかったとしても、ＰＥ１の右側である磁路Ｐ１と左側である磁路Ｐ２とで遠心力による外径方向の変位が大きく異なってしまう。すなわち、遠心力に対して強固な構造であるＰＥ１の右側に対して、脆弱な構造であるＰＥ１の左側は遠心力によって外側に膨らむ量が大きくなってしまい、ＰＥ１は図７に示すように変形してしまい、この変形によってＰＥ１に大きくひずみが発生してしまう。ここで、図７はひずみの度合いを分かりやすくするために、各部の寸法に比べてひずみ量をかなり大きく表現しており、実際は図のような形状通りにはひずんでいない。図７に示されるようなひずみがＰＥ１に発生すると、ＰＥ１の各部にはひずみに伴って高い応力が部分的に発生し、材料の許容応力を超え、その部分で破断してしまう。
【００１２】
破断してしまうことを避けるための対策として従来行われてきたのは、ＰＥ１の太さを太くして強固な構造とし、ＰＥ１にひずみを発生しにくくして許容応力を超える応力を発生させないようにすることであった。しかし、前述した通り、ＰＥ１を太くするということは、それだけこの部分における磁束の漏れが増加してしまうことになり、そのため電動機の出力特性が低下してしまう。
【００１３】
以上のことから、本発明の目的は、従来の回転子構造では磁極の中心となる磁路とその他の部分の磁路との間で、遠心力に対する強固さに構造上大きく差があるため、回転子外側のつなぎ部分の両側における遠心力による外径方向への変位の差からつなぎ部分にひずみが発生し、そのままではその部分に高い応力が発生して破断してしまうため、それを防止するために回転子外側のつなぎ部分を太くせざるをえず、結果的に磁束の漏れが大きくなって電動機の出力特性が低下してしまうという課題を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するために、本発明に係るリラクタンスモータの回転子は、スリット及びスリットの間に形成される磁路によって決定される複数の磁極を有するリラクタンスモータの回転子において、隣り合う磁極の間に設けられる複数のスリットの間に形成され、隣り合う磁極を結ぶ複数の磁路と、隣り合う磁極を結ぶ複数の磁路の中で回転子の中心側を通る中心磁路の幅を狭めるための幅狭めスリット又は幅狭め空隙部の少なくともいずれか一方と、を有し、幅狭めスリット又は幅狭め空隙部は、回転子表面近傍における中心磁路の幅Ｗに対し、回転子の中心側において中心磁路から分かれ隣り合う左右の各磁極にそれぞれ結ばれる左右磁路の幅ＷＡを、いずれも等しい幅であってかつそれぞれＷより狭い幅にすることを特徴とする。
【００１５】
また、左右中心磁路の幅ＷＡは、ＷＡ＝Ｗ／２の関係にほぼ等しい幅であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るリラクタンスモータを用いることにより、回転子の外側つなぎに生じるひずみをごく小さく抑えられるため、回転子の外側つなぎを細くすることができ、そのため電動機の出力特性の低下を招かない。また、非常に大きい空隙を設けるため、磁路に沿った方向と直角な方向の磁気抵抗が大きくなり、結果的に磁束の漏れを低減することができ、電動機の出力特性の向上につながる。さらに、空隙を設けるということは、回転子のイナーシャを低減することにもなり、これにより電動機の応答性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１及び図２にリラクタンスモータの回転子１の断面図を示す。なお、従来技術を示す図５及び図６と対応する部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。図１に示すとおり、回転子１において、磁極中心ＰＬの延長線を中心として回転子内側部分に大きな空隙ＳＡを追加し、これにより、隣り合う磁極の中心を結ぶ中心磁路の、回転子の中心側における幅を狭める。
【００１８】
以下に、図２を用いて空隙ＳＡの形状の決定方法について説明する。図２は図１の磁極中心部分の拡大図である。ところで、空隙ＳＡが無い図５のような場合でも、磁路Ｐ１は途中で分割された形になる。つまり、各磁極はＮ極、Ｓ極というように互い違いになっており、例えば磁路Ｐ１の先端がＳ極になっていて、磁路Ｐ１上を回転子1の内側方向に磁束が進んでくると、磁束は隣の磁極のＮ極に向かうため、進んできた磁束は半分ずつに分割されてＮ極である両隣の磁極へと向かう。これは、磁極の中心磁路Ｐ１の回転子の中心側に空隙ＳＡを置く図２の場合も同様であり、磁束は空隙ＳＡの先端で半分ずつに分割される。
【００１９】
したがって、空隙ＳＡで分割された両側の磁路Ｐ１ＡとＰ１Ｂは同じ幅が好ましい。仮に、Ｐ１ＡとＰ１Ｂの幅が異なった場合には、磁束がＰ１Ａを通過する際の磁気抵抗とＰ１Ｂを通過する際の磁気抵抗が異なってしまうため、半分に分割されるべき磁束がアンバランスに分割されてしまい、結果として磁極によって発生トルクが異なるという現象が起こってしまい、トルク脈動の原因となる。また、Ｐ１Ａ及びＰ１Ｂの幅は途中で太くなったり細くなったりしないほうが好ましい。なぜなら、例えば幅が途中で狭くなると、そこで磁気抵抗が大きくなり、その場所で磁束が飽和してしまって、磁極における磁束密度が低下し、電動機として出るべき出力が出なくなってしまうという現象が考えられる。したがって、空隙ＳＡの形状としては、向かい合うスリット形状と平行な直線または曲線による形状であって、左右に分かれた磁路Ｐ１Ａ及びＰ１Ｂの幅がそれぞれ一定となるような形状にすることがよい。
【００２０】
次に、左右に分かれた磁路Ｐ１Ａ及びＰ１Ｂのそれぞれの磁路の幅ＷＡと、Ｐ１の回転子表面近傍の幅Ｗとの関係について以下に述べる。前述した通り、Ｐ１を通過した磁束は空隙ＳＡによって半分ずつに分割されるため、Ｐ１Ａ及びＰ１Ｂの磁路の幅ＷＡは少なくともＷの１／２は必要である。ＷＡがＷ／２より大きくなってもそれは構わないものの、以下の理由からＷＡについては別の制約もある。
【００２１】
本発明においては、ＷＡの太さをできるだけ細くしたい。以下にその理由について述べる。前述したように従来技術においては、磁極の中心となる磁路Ｐ１とその他の部分の磁路との間で、遠心力に対する強固さで構造上大きく差ができてしまうため、本発明においては、空隙ＳＡを設けて磁路Ｐ１を支える部分の太さを細くすることによって磁路Ｐ１を遠心力に対して敢えて脆弱な構造とする。これによって、Ｐ１の遠心力による外径方向の変位をＰ２と同じく大きくし、外側つなぎ部分ＰＥ１の両側における遠心力による外径方向の変位の差を少なくして、外側つなぎ部分ＰＥ１に発生するひずみを小さくするのが目的だからである。したがって、従来の構造のままでは明らかに磁路Ｐ１とその他の部分で強固さが大きく異なるため、できるだけ遠心力に対する強固さを他の部分と同じく脆弱なものにするために、磁路の幅ＷＡをできるだけ小さくしたいのである。
【００２２】
以上のことをグラフに表したのが、図３である。図３において、横軸は磁路の幅ＷＡの大きさ、縦軸は電動機の出力及び外側つなぎＰＥ１の必要な幅である。前述した通り、磁路の幅ＷＡを大きくしていくと、ＰＥ１のひずみが大きくなるため、ＰＥ１に必要な幅は大きくなる。したがって、外側つなぎＰＥ１の必要な幅で示されるグラフは右肩上がりのグラフになっている。一方、電動機の出力で示されるグラフについては、ＰＥ１の幅が小さくなればなるほど磁束の漏れが少なくなって、出力も増えるため左肩上がりのグラフになりそうであるが、磁路の幅ＷＡがＷ／２より小さくなると、Ｐ１Ａ及びＰ１Ｂで磁束が飽和してしまうためＰ１における磁束密度が低下し、結果的に出力が低下してしまう。よって、電動機の出力で示されるグラフはＷＡ＝Ｗ／２の点をピークにした図のようなグラフになる。
【００２３】
以上のことより、本発明においては、磁束が通過する際の磁気抵抗を大きくしないために、磁路の幅ＷＡは少なくともＷの１／２は必要であるという考えと、外側つなぎに発生するひずみをできるだけ小さくするために、磁路の幅ＷＡはできるだけ小さくしたいという考えの両者をもとに、ＷＡ＝Ｗ／２とすることが最も適しているということができる。
【００２４】
このようにして設定される空隙ＳＡは次のような形状を有するということができる。すなわち、空隙ＳＡにおいて最も内側のスリットに向かい合う部分の形状は、最も内側のスリットからＷＡの距離を保ったスリット形状に対する平行線となっており、さらに空隙ＳＡと向かい合う最も内側のスリットとの間の距離ＷＡは、磁極中心ＰＬにおける磁路の回転子表面近傍における幅Ｗに対して、ＷＡ＝Ｗ／２の関係にほぼ等しい構造となっている。
【００２５】
ところで、上記においては、回転子の中心側に、従来のスリットとは別に新しく空隙ＳＡを設けることによって磁路Ｐ１を遠心力に対してあえて脆弱な構造にするとしたが、磁路Ｐ１を遠心力に対して脆弱な構造にするのであれば、従来のスリットのうち、回転子の中心側にもっとも近いスリットの幅を他のスリットに比べて適当に大きくしてもよい。極端な例として、図４に示すような回転子の構造も考えられる。図４においては、空隙ＳＡは設けず、磁極の中心から磁路Ｐ１の太さを一定の幅のまま内径付近まで伸ばしている。これにより、最も内側のスリットが非常に大きくなっている。これでも確かに磁路Ｐ１は遠心力に対して脆弱な構造になるものの、最も内側のスリットをここまで大きくすると、他の問題が発生する。すなわち、図４のような回転子構造であると、磁路Ｐ１が回転子の内径付近を通る形状をしているため、磁極の中心ＰＬ同士を結ぶ磁路の距離が非常に長くなる。磁路長が長くなるとその磁路における磁気抵抗が大きくなるため、図のような形状においては磁極の中心ＰＬ同士を結ぶ磁路の磁気抵抗が大きくなってしまう。前述の通り、磁気抵抗が大きくなると所望の磁束密度が得られなくなって発生出力が低下してしまうので、この部分の磁気抵抗は小さくしたい。そのため、回転子では通常、磁路と直角方向の磁気抵抗をできるだけ大きく取れるだけのスリットの幅としながら、磁路方向の磁気抵抗をできるだけ小さくできるよう、磁路長が短くなるように近回りで磁路を形成できるように配置する。
【００２６】
以上のことより、図４に示すような極端な回転子構造では、電動機の出力が低下してしまい、あまり効果が無い。したがって、最も内側のスリットを広げる場合には、電動機の出力の低下があまり起こらない程度にとどめることが好ましい。これに対し、図１に示すように、回転子１の中心側に空隙ＳＡを設けることによって、磁路を２分割して磁路をできるだけ近回りさせ、外側つなぎにひずみが発生しないよう磁路を脆弱な構造にする方が、電動機の出力特性を向上させるのに、より効果が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る実施の形態における回転子の構造の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、図１の回転子の磁極部分の拡大図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、ＷＡの幅に対する電動機の出力及び外側つなぎの必要な幅の変化を示すグラフの一例である。
【図４】回転子の一例を示す図である。
【図５】従来における回転子の構造の一例を示す図である。
【図６】図５の回転子の磁極部分の拡大図である。
【図７】従来における、遠心力によって外側つなぎに発生する外形方向の変位を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  回転子、２  スリット、３  磁路、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５  遠心力、Ｐ１  中心磁路、Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ  両側に分かれた磁路、Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５  磁路、ＰＥ１，ＰＥ２，ＰＥ３，ＰＥ４，ＰＥ５  外側つなぎ部分、ＰＬ  磁極の中心、ＳＡ  空隙、Ｗ  回転子表面近傍の中心磁路の幅、ＷＡ  回転子の内側の中心磁路の幅、ＷＢ  従来の中心磁路の幅。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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