(57)【要約】【課題】  ロータでの漏れ磁束を削減し、出力トルクを高めることが可能なスイッチドリラクタンスモータを提供する。【解決手段】  複数の突極を有したロータ１、及びロータに周方向に対向して設けられ励磁用の各相のコイル３２が巻かれた複数の磁極３１を有したステータ３０を備え、所定のタイミングで電源から供給される電流を各相のコイルに順次に供給、遮断して転流動作させるスイッチドリラクタンスモータにおいて、ステータ３０は、その複数の磁極３１に、複数の相の正相と逆相とが周方向に繰り返し形成されるように各相のコイル３２が巻かれ、ロータ１は、その突極２の外周形状が円弧であり、隣り合う突極２がステータ３０の同じ相の正相とその隣の逆相とにそれぞれ対向して磁気閉ループを形成するように構成され、かつ、隣り合う突極間４を繋ぐ外形線が、直線、又は突極２の外周円弧よりも中心側に凹形状とされている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体から成り複数の突極を有したロータ、及び前記ロータに周方向に対向して設けられ励磁用の各相のコイルが巻かれた複数の磁極を有したステータを備え、所定の検出又は指令信号に基づいて所定のタイミングで電源から供給される電流を前記各相のコイルに順次に供給、遮断して転流動作させることによりモータ駆動させるスイッチドリラクタンスモータにおいて、
前記ステータは、その複数の磁極に、複数の相の正相と逆相とが周方向に繰り返し形成されるように各相のコイルが巻かれ、
前記ロータは、その突極の外周の端面視形状が円弧であり、隣り合う突極が前記ステータの同じ相の正相とその隣の逆相とにそれぞれ対向して磁気閉ループを形成するように構成され、かつ、隣り合う突極間を繋ぐ端面視での外形線が、直線、又は前記突極の外周の端面視円弧を含む同心円の弧よりも中心側に凹形状とされていることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
【請求項２】
前記ロータの前記隣り合う突極間の回転軸からの半径方向厚みが、前記突極の外周の端面視円弧の幅寸法と同等以上とされ、
前記ロータの突極の周方向幅は、前記ステータの磁極の周方向幅と同等又は僅かに大きく構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチドリラクタンスモータ。
【請求項３】
前記ロータの角度位置を検出する角度位置検出器と、
所定の検出又は指令信号に基づいて所定のタイミングで電源から供給される電流を前記各相のコイルに順次に供給、遮断して転流動作させる転流回路と、を備え、
前記転流回路は、前記ステータの励磁相の磁極に前記ロータの突極が対向する位置に到来したタイミングにおいて前記ステータのロータ回転方向に隣の磁極が励磁されるように転流させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスイッチドリラクタンスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁束の利用効率の向上を図ったスイッチドリラクタンスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチドリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）は、複数の励磁用のコイルを持つステータと、ステータに対して相対的に回転可能な磁性体から成るロータとを備え、ステータのコイルにロータの位置に応じて電流を供給することで生じる磁気吸引力によってロータを回転駆動させる。ＳＲモータは、交流モータよりも小型かつ高効率であり、かつ、永久磁石を必要としないことから注目されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許６０６０２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に示されるようなＳＲモータにおいて、ロータの断面形状は、例えば４極の場合、図９に示されるようなものが用いられていた。すなわち、磁性体で成るロータ１の突極２が回転軸３から外周つまり半径方向に大きく突出し、隣り合う突極間４は、半径方向厚みＴを薄くしていた。このようなロータ１と、その外周にある励磁用の複数相のコイルが巻かれた複数の磁極を有したステータ（ここでは図示なし）とを用いたＳＲモータにおいて励磁された磁束線を解析したところ、図１０に示すような結果となった。同図は、ロータ１の或る位相角度での磁束線を示し、ステータ３０の励磁用のコイル３２による磁極３１の一つの相の励磁束が、ロータ１の隣り合う突極２，２を通って閉ループを成しているが、一部の磁束は、ロータ１内を通過せず、大きな空隙を通る漏れ磁束となっている。つまり、ロータ１の或る位相角度では、漏れ磁束（丸印で示す）が存在することが確認された。この漏れ磁束は、逆向きのトルクとして作用していると言える。
【０００５】
本発明者は、このような漏れ磁束を削減する方策を考察した。モータでの磁束強度につき、（１）基本となる関係式は、
Β＝μＨ  （Β：磁束密度、μ：透磁率、Ｈ：磁界強度）
であり、磁界強度が強い場所（例えばステータ極のロータ面）では、磁束密度は極めて高くなるものの、そこから離れると磁界強度が弱まり、磁束密度が下がる、つまり、磁力線が分散する。
（２）磁力線は、磁気抵抗の低い場所を通過する。しかし、磁界強度が下がると、電磁鋼板の磁気抵抗が空気のそれより極めて低いにも関わらず、磁路が狭いと空気を通過するようになる。これが漏れ磁束である。
（３）従って、漏れ磁束を防ぐには、磁気抵抗と磁路を適切に設計し、十分な磁路をロータの極内に確保することが必要である。
（４）磁力線は、滑らかなループを成すので、その形状も考慮する必要がある。
【０００６】
本発明は、上記考察を基に成されたものであり、ロータでの漏れ磁束を削減し、出力トルクを高めることができるスイッチドリラクタンス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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、磁性体から成り複数の突極を有したロータ、及び前記ロータに周方向に対向して設けられ励磁用の各相のコイルが巻かれた複数の磁極を有したステータを備え、所定の検出又は指令信号に基づいて所定のタイミングで電源から供給される電流を前記各相のコイルに順次に供給、遮断して転流動作させることによりモータ駆動させるスイッチドリラクタンスモータにおいて、
前記ステータは、その複数の磁極に、複数の相の正相と逆相とが周方向に繰り返し形成されるように各相のコイルが巻かれ、
前記ロータは、その突極の外周の端面視形状が円弧であり、隣り合う突極が前記ステータの同じ相の正相とその隣の逆相とにそれぞれ対向して磁気閉ループを形成するように構成され、かつ、隣り合う突極間を繋ぐ端面視での外形線が、直線、又は前記突極の外周の端面視円弧よりも中心側に凹形状とされている。
【０００８】
上記スイッチドリラクタンスモータにおいて、前記ロータの前記隣り合う突極間の回転軸からの半径方向厚みが、前記突極の外周の端面視円弧の幅寸法と同等以上とされ、前記ロータの突極の周方向幅は、前記ステータの磁極の周方向幅と同等又は僅かに大きく構成されていることが望ましい。
【０００９】
上記スイッチドリラクタンスモータにおいて、前記ロータの角度位置を検出する角度位置検出器と、所定の検出又は指令信号に基づいて所定のタイミングで電源から供給される電流を前記各相のコイルに順次に供給、遮断して転流動作させる転流回路と、を備え、前記転流回路は、前記ステータの励磁相の磁極に前記ロータの突極が対向する位置に到来したタイミングにおいて前記ステータのロータ回転方向に隣の磁極が励磁されるように転流させることが望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ロータが磁気閉ループに近い形状となり、逆向きのトルクとして作用する漏れ磁束が少なくなり、モータ出力トルクを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明の一実施形態に係るＳＲモータのロータの端面図。
【図２】図１（ａ）に示した実施形態に係るＳＲモータのロータの部分端面図。
【図３】同実施形態に係るＳＲモータのロータ及びステータの端面図。
【図４】（ａ）は同実施形態に係るＳＲモータにおける転流タイミングのタンムチャート図、（ｂ）は従前のＳＲモータにおける転流タイミングのタンムチャート図。
【図５】（ａ）は同実施形態に係るＳＲモータにおけるステータ磁極にロータ突極が対向してＡ相励磁時の磁束の流れを示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ相励磁からＢ相励磁に転流した時の磁束の流れを示す図。
【図６】（ａ）は転流タイミングが遅れたときのＡ相励磁時の磁束の流れを示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ相励磁からＢ相励磁に転流した時の磁束の流れを示す図。
【図７】Ａ相励磁からＢ相励磁への転流タイミングが早いときのＢ相励磁の磁束の流れを示す図。
【図８】同実施形態に係るＳＲモータの回路図。
【図９】従来のモータのロータを示す端面図。
【図１０】従来のモータの磁束を解析した半裁端面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態に係る、スイッチドリタクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）について図面を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、ＳＲモータの各種ロータ構成を示す。ＳＲモータは、ロータ１と、このロータ１に周方向に対向して励磁用の各相のコイルが巻かれた複数の磁極を有したステータ（ここでは不図示）とを備える。図１の（ａ）（ｂ）は、４極の場合、（ｃ）（ｄ）は６極の場合を示す。ロータ１は、積層鋼板による磁性体で成り、円周方向に均等に分散配置された複数の突極を有し、各々の突極２の外周の端面視形状が円弧であり、かつ、隣り合う突極２，２の間を繋ぐ突極間４の端面視での外形線が、突極２の外周の端面視円弧を含む同心円の弧よりも中心側に凹形状の円弧又は直線とされている。突極間４の端面視での外形線が、図１の（ａ）（ｃ）は円弧、図１の（ｂ）（ｄ）は直線の場合を示す。
【００１３】
ロータ１の隣り合う突極２，２間の回転軸３からの半径方向厚みは、突極２の外周の端面視円弧の幅寸法と同等以上に大きくされていることが望ましい。ロータ１の突極間４に対応する部位には、適宜に空隙１０が設けられていてもよい。ロータ１の回転軸３の方向長さは、ロータ１の直径寸法と同等程度など適宜に設定されればよい。ロータ１の突極２とステータの磁極との関係については、後述する。
【００１４】
図２は、図１（ａ）のロータ１の形態の詳細を示す。同図を参照してロータ１の形態を説明する。なお、以下の説明は、図１（ｂ）（ｃ）（ｄ）の各種形態においても共通する事項である。
（１）形状全体は、中心点ｘに対して点対称である。
（２）弧ａ−ｂは、ｘの一つの同心円の一部をなす弧である。角度θｒは、対向するステータ極の角度（θｓ：図示なし）と同じ角度を最小とし、ステータ極１極にステータ極間幅２つ分を加えた角度の範囲内とする。
（３）弧ａ−ｂと同じ中心角の弧を外周上に４以上の偶数個有する（４極以上である）。
（４）ｂとｃを繋ぐ線は、曲線又は直線又は折れ線でも構わないが、直線を含み、弧ａ−ｂを含む同心円の弧よりも中心点側に凹の形状である。
（５）半径方向の厚みｄは、直線ａｂの長さ（円弧の幅寸法）と同等以上である。
（６）形状に空隙１０を含むことができ、空隙の場所は、ａｂの中間点を通過する半径と並行で、点ａを通過する直線（直線ａｐ）と、同じく点ｂを通過する直線（直線ｂｑ）、さらにはそれぞれの弧において同様に区切られる範囲を含まない場所である。
（７）空隙の形状の種類は問わないが、空隙を含んで上記（４）の条件を満たすものである。
このようなロータ１とステータの組み合わせ構成により、ロータ１形状は磁気閉ループに近いものとなり、逆向きのトルクとして作用する漏れ磁束が少なくなり、モータ出力トルクを高める効果が期待される。
【００１５】
図３は、一実施形態によるＳＲモータ２０のロータ１及びステータ３０の構成を示す。ＳＲモータ２０は、ステータ３０と、上述したロータ１とを備え、ステータ３０は、積層鋼鈑にて形成され、ロータ１を囲むように設けられている。ロータ１は、回転軸３に固定され、回転軸３は回転自在に軸受に支持される。ステータ３０は、円周上に等角度間隔にて配列された６ｎ個（ｎは２以上の整数、本例ではｎ＝２）の凸形状の磁極３１を備えている。それら磁極３１の各々にはコイル３２が巻回されている。ロータ１は、円周上に等間隔に並ぶ２ｎ個（ｎは２以上の整数、本例ではｎ＝２）の突極２を備えている。ステータ３０の磁極３１の先端部とロータ１の突極２の先端との間には所定の磁気ギャップが形成されている。
【００１６】
ステータ３０は、本例ではステータ励磁用の多相コイルとして、３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）のコイル３２を持つ。これら各相のコイル３２は、複数個が並列関係（直列関係でも可能）に備えられ、ステータ３０の周方向に設けられた複数の磁極３１の３つ毎に順次繰り返し巻回されている。ロータ１の隣り合う突極２，２は、ステータ３０の同じ相の正相とその隣の逆相とにそれぞれ対向して磁気閉ループを形成するように構成されている。Ａ相の各磁極３１にロータ１の各突極２が各々対向しているときの磁束線を矢印で示している。ロータ１の突極２の周方向幅は、ステータ３０の磁極３１の周方向幅に対して、同等又は僅かに大きく（１乃至１．２５倍）とされればよい。
【００１７】
ステータ３０の各相のコイル３２に所定のタイミングで切換え供給される直流定電流によって磁極３１が順次励磁され、回転磁界が形成され、それに磁性体で成るロータ１が吸引されることで回転する。モータ駆動時は、ステータ３０のＡ相の磁極（１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ）、Ｂ相の磁極（１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂ）、Ｃ相の磁極（１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ，４Ｃ）の各々に巻回されたコイル３２（各コイル３２は各相において直列接続）に定電流制御により順次、適宜のタイミングで通電することにより、Ａ相→Ｂ相→Ｃ相（１相→２相→３相）の回転磁界が形成され、ロータ１は順次、吸引され回転する。
【００１８】
次に、図４を参照して転流のタイミングを説明する。本実施形態のロータ１は、従前のそれと構成が異なり、ロータ１の隣り合う突極２間を繋ぐ外形線が直接又は突極２の円弧よりも中心側に凹形状とされ、ロータ１の突極２の周方向幅がステータ３０の磁極３１の周方向幅と同等程度とされていることから、適切な転流タイミングは、従前のものと異なる。図４（ａ）は本実施形態のＳＲモータでの転流タイミングを、（ｂ）は従前のＳＲモータでの転流タイミングを示す。従前の転流タイミングは、図４（ｂ）に示したように、ステータ３０の励磁されている相（例えばＡ相）の磁極３１にロータ１の各突極２が対向したタイミングより僅かに遅れたタイミング（遅いタイミングという）で次の相（例えばＢ相）に転流していた。それに対し、本実施形態での転流タイミングは、図４（ａ）に示したように、ステータ３０の励磁されている相（例えばＡ相）の磁極３１にロータ１の各突極２が対向したタイミング（従前より早いタイミング）で次の相（例えばＢ相）に転流するものとする。
【００１９】
このような転流のタイミングが望ましい理由について、図５乃至図７を参照して以下に説明する。図５（ａ）（ｂ）は、本実施形態によるタイミングでのＡ相からＢ相への転流前及び転流後の磁束線を、図６（ａ）（ｂ）は、従前の遅い転流タイミングでのＡ相からＢ相への転流前及び転流後の磁束線を、図７は、本実施形態によるタイミングより早いタイミングでＢ相への転流後の磁束線を示す（転流前のＡ相励磁の磁束線の図は省く）。ロータ１は時計回りに回転しているものとする。先ず、遅い転流タイミングの場合（図６）、ステータ極Ａとロータ極Ｘの時計回りの後ろの部分は、磁束線は逆向きに歪む（ストレートでなくなる）ことになり、逆トルクが発生する。より早い転流タイミングの場合（図７）、ステータ極Ｂの内面（磁束発生面）とロータ極Ｘとの距離よりも、ステータ極Ｂとステータ極Ａとの距離が近いことにより、瞬間的にステータ極Ｂの一部磁束はロータＸに向かわずステータ極Ａに向かい、正トルクが弱まる。
【００２０】
それに対し、本実施形態によるタイミングの場合（図５）、励磁相であるステータ極Ａにロータ極Ｘが対向する位置に到来した瞬間のタイミングにおいてステータ３０のロータ１の回転方向に隣の磁極が励磁されるように転流させる。これにより、トルクゼロの時間を最短にすることができ、かつ、磁束線の切り替わりがスムースに行われると共に、逆トルクの発生（回生による発電）を避けることが可能になる。
【００２１】
図８は、ＳＲモータ２０の回路構成を示す。ＳＲモータ２０は、電源Ｅから供給される電流をステータ３０の各相のコイル３２（ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ）に順次に供給、遮断してする転流動作させる転流回路４０を備える。転流回路４０は、スイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣ（シリコンカーバイト等で成る半導体スイッチング素子）と、これらスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣを制御する制御回路４１とを含む。各相のコイル３２（ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ）は、電源Ｅの正極側端子と負極側端子との間に、負極側に配されたスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣを介して接続されている。制御回路４１は、回転軸３の回転角度位置を検出する角度位置検出器４２、通電する各相を選択するセレクタ４３、アクセル／ブレーキ４４からの指令信号を処理するＰＷＭ４５、セレクタ４３及びＰＷＭ４５からの信号を処理する論理回路等を備える。制御回路４１は、上記各種の検出信号や指令信号に基づいて所定のタイミングで、転流回路４０を成すスイッチＳＡ，ＳＢ，ＳＣの開閉を制御することにより、各相のコイル３２に電源Ｅからの直流電流を直流方形波形に順次に切換え供給、遮断し、モータ駆動する。
【００２２】
本発明は、上記実施形態の構成に限られることなく、種々変形することが可能である。例えば、上記ＳＲモータ２０の回路構成は一つの例であって、任意の回路構成を採用し得る。また、ロータの極数も４極や６極のほか、それ以上の極数であっても構わない。
【符号の説明】
【００２３】
１  ロータ
２  突極
３  回転軸
４  突極間
１０  空隙
２０  ＳＲモータ
３０  ステータ
３１  磁極（１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ、１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ）
３２  コイル（ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ）
４０  転流回路
４２  角度位置検出器
Ａ，Ｂ，Ｃ  ステータ極
Ｘ  ロータ極
Ｅ  電源
ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ  スイッチ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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