(57)【要約】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、第１ステータ突極（２１）と第２ステータ突極（３１）の組、及び、第１ロータ突極（１２）と第２ロータ突極（１３）の組の少なくともいずれか一方において、ロータ（１０）の回転方向における突極の位相が異なって設けられている。
2015152372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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は、前記ロータと対向する側に設けられた第１ステータ突極を有し、
前記インナーステータは、前記ロータと対向する側に前記第１ステータ突極と同数で設けられた第２ステータ突極を有し、
前記ロータは、前記アウターステータと対向する側に設けられた第１ロータ突極と、前記インナーステータと対向する側に前記第１ロータ突極と同数で設けられた第２ロータ突極と、を有し、
前記第１ステータ突極と前記第２ステータ突極の組、及び、前記第１ロータ突極と前記第２ロータ突極の組の少なくともいずれか一方において、前記ロータの回転方向における突極の位相が異なっている、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】
前記第１ステータ突極と前記第２ステータ突極の組において、前記ロータの回転方向における突極の位相が異なっている、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】
前記第１ロータ突極と前記第２ロータ突極の組において、前記ロータの回転方向における突極の位相が異なっている、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４】
前記第１ステータ突極と前記第２ステータ突極の組、及び、前記第１ロータ突極と前記第２ロータ突極の組において、前記ロータの回転方向における突極の位相が異なっている、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５】
前記ロータの回転方向における突極の位相のずれ量が、ステータの相数とロータの極数に基づいて求められるストローク角度の半分に設定されている、請求項１〜４のいずれか一項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６】
前記ロータの回転方向における突極の位相のずれ量が、ステータに流す電流の大きさに基づいて設定されている、請求項１〜４のいずれか一項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７】
第１の突極を備えるアウターステータと、
前記第１の突極と向かい合うべき第２の突極を備えるインナーステータと、
前記アウターステータと前記インナーステータとの間に設けられ、前記第１の突極と向かい合うべき第３の突極及び前記第２の突極と向かい合うべき第４の突極を備えるロータと、を有し、
前記第１の突極と前記第２の突極、または、前記第３の突極と前記第４の突極は、前記ロータの回転方向について位相差を有する、ダブルステータ型スイッチトリラクタンス回転機。
【請求項８】
前記第１の突極に対し、前記第２の突極は位相が遅れている、請求項７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９】
前記第３の突極に対し、前記第４の突極は位相が進んでいる、請求項７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１０】
前記第１の突極に対し、前記第２の突極は位相が遅れており、前記第３の突極に対し、前記第４の突極は位相が進んでいる、請求項７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。
【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。
本願は、２０１４年４月２日に日本国に出願された特願２０１４−０７６０５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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。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。そのため、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。【０００３】
このようなスイッチトリラクタンス回転機として、例えば、特許文献１及び２が知られている。特許文献１及び２には、振動、騒音の原因となるトルクリップルを低減するために、ステータの突極やロータの突極を、特殊な形状に形成したスイッチトリラクタンス回転機が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開平５−３３６７１５号公報
【特許文献２】日本国特開２００１−１８６６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、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。このようなダブルステータ構造を採用する場合、振動、騒音がさらに大きくなることが想定される。
この振動、騒音を低減するために、上記従来技術のように、ステータの突極やロータの突極を、特殊な形状に形成することが考えられる。しかしながら、ステータの突極やロータの突極を、特殊な形状に形成すると、突極の形状に細く脆い部分が生じて堅牢性が低下し、また、製造に手間がかかり高コストになる可能性がある。【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされ、構造が簡単で堅牢且つ容易に製造でき、トルクリップルを低減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】
本発明の第１の態様は、ロータと、ロータの外側に配置されたアウターステータと、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、アウターステータは、ロータと対向する側に設けられた第１ステータ突極を有し、インナーステータは、ロータと対向する側に第１ステータ突極と同数で設けられた第２ステータ突極を有し、ロータは、アウターステータと対向する側に設けられた第１ロータ突極と、インナーステータと対向する側に第１ロータ突極と同数で設けられた第２ロータ突極と、を有し、第１ステータ突極と第２ステータ突極の組、及び、第１ロータ突極と第２ロータ突極の組の少なくともいずれか一方において、ロータの回転方向における突極の位相が異なって設けられている。
本発明の第１の態様では、アウターステータとインナーステータの突極の位相及びロータの外側と内側の突極の位相の少なくともいずれか一方を、ロータの回転方向にずらし、ロータのアウターステータ側で作用するトルク波形とロータのインナーステータ側で作用するトルク波形のピークを一致させないようにし、それらの合成トルクによるトルクリップルを低減する。そのため、突極の形状を変更することなく、突極の位相をずらすだけなので、構造が簡単で堅牢、且つ、容易に製造できる。【０００８】
本発明の第２の態様は、上記第１の態様において、第１ステータ突極と第２ステータ突極の組において、ロータの回転方向における突極の位相が異なって設けられている。【０００９】
本発明の第３の態様は、上記第１の態様において、第１ロータ突極と第２ロータ突極の組において、ロータの回転方向における突極の位相が異なって設けられている。【００１０】
本発明の第４の態様は、上記第１の態様において、第１ステータ突極と第２ステータ突極の組、及び、第１ロータ突極と第２ロータ突極の組において、ロータの回転方向における突極の位相が異なって設けられている。【００１１】
本発明の第５の態様は、上記第１〜第４のいずれかの態様において、ロータの回転方向における突極の位相のずれ量が、ステータの相数とロータの極数に基づいて求められるストローク角度の半分に設定されている。【００１２】
本発明の第６の態様は、上記第１〜第４のいずれかの態様において、ロータの回転方向における突極の位相のずれ量が、ステータに流す電流の大きさに基づいて設定されている。
本発明の第７の態様は、第１の突極を備えるアウターステータと、前記第１の突極と向かい合うべき第２の突極を備えるインナーステータと、前記アウターステータと前記インナーステータとの間に設けられ、前記第１の突極と向かい合うべき第３の突極及び前記第２の突極と向かい合うべき第４の突極を備えるロータと、を備え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、前記第１の突極と前記第２の突極、または、前記第３の突極と前記第４の突極は、前記ロータの回転方向について位相差を有する。
本発明の第８の態様は、上記第７の態様において、第１の突極に対し、第２の突極は位相が遅れている。
本発明の第９の態様は、上記第７の態様において、第３の突極に対し、第４の突極は位相が進んでいる。
本発明の第１０の態様は、上記第７の態様において、第１の突極に対し、第２の突極は位相が遅れており、第３の突極に対し、第４の突極は位相が進んでいる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、構造が簡単で堅牢且つ容易に製造でき、トルクリップルを低減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】
【００１４】
【図１】本発明の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図である。
【図２】本発明の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図である。
【図３】本発明の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制御ロジックを示す図である。
【図４】本発明の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トルクリップルの低減効果を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の実施形態の一変形例におけるスイッチトリラクタンスモータの突極の位相のずれ量と合成トルクとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態の一変形例におけるスイッチトリラクタンスモータの突極の位相のずれ量と合成トルクとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態の一変形例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図である。
【図８】本発明の実施形態の一変形例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図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本発明の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の断面図である。図２は、本発明の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の回路図である。図３は、本発明の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の制御ロジックを示す図である。
【００１７】
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（アウターステータ２０、インナーステータ３０それぞれの）の極数が１２個、ロータの極数が８個の３相１２／８極構造となっている。
【００１８】
ロータ１０は、電磁鋼板が軸方向（図１において紙面垂直方向）に複数積層された状態でボルト締結用穴１４に挿通した不図示のボルト部材によって締結して固定されて構成される。ロータ１０は、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ロータ突極１２（第３の突極）と、ヨーク部１１から内側に突出すると共に第１ロータ突極１２と同数で設けられた第２ロータ突極１３（第４の突極）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ロータ突極１２が設けられている。また、ヨーク部１１の内周には、第１ロータ突極１２と同位相の４５°間隔で８個の第２ロータ突極１３が設けられている。
【００１９】
アウターステータ２０は、内周に３０°間隔で１２個設けられた第１ステータ突極２１（第１の突極）と、第１ステータ突極２１のそれぞれに巻回されたコイル２２と、を有する環状の磁性体である。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。このアウターステータ２０は、軸方向に貫通するボルト締結用穴２３に挿通した不図示のボルト部材を介して、不図示のモータハウジングに所定の取付角度で取り付けられている。
【００２０】
インナーステータ３０は、外周に第１ステータ突極２１と同数で３０°間隔で１２個設けられた第２ステータ突極３１（第２の突極）と、第２ステータ突極３１のそれぞれに巻回されたコイル３２と、を有する環状の磁性体である。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。このインナーステータ３０は、軸方向に貫通するボルト締結用穴３３に挿通した不図示のボルト部材を介して、不図示のモータハウジングに所定の取付角度で取り付けられている。
【００２１】
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回路を有する。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。この場合、アウターステータ２０における各相の４つのコイル２２同士は、直列接続されていても、並列接続されていてもよい。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。この場合、インナーステータ３０における各相の４つのコイル３２同士は、直列接続されていても、並列接続されていてもよい。
【００２２】
図２に示すように、アウターステータ２０とインナーステータ３０は、並列接続されている。本実施形態では、アウターステータ２０のインバータ回路とインナーステータ３０のインバータ回路とが、並列接続されている。インバータ回路は、それぞれ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を有する。非対称ハーフブリッジ回路４５は、アウターステータ２０のコイル２２及びインナーステータ３０のコイル３２のそれぞれに接続され、各非対称ハーフブリッジ回路４５により個別にコイル２２，３２が駆動（通電）可能である。
【００２３】
本実施形態では、アウターステータ２０の各々のコイル２２に流れる電流を制御する複数の電流計１６ａ及びインナーステータ３０の各々のコイル３２に流れる電流を計測する複数の電流計１６ｂを有する。電流計１６ａ，１６ｂは、コイル２２，３２に流れる電流を計測し、アウターステータ２０とインナーステータ３０とを独立して電流制御する。
なお、図３の（ａ）は、アウターステータ２０の電流制御の制御ロジックを示し、図３の（ｂ）は、インナーステータ３０の電流制御の制御ロジックを示す。
【００２４】
アウターステータ２０の電流制御では、電流計１６ａにより計測されるコイル２２に流れる電流値（アウター電流フィードバック値）と、不図示の上位制御装置により入力されるアウター電流指令値Ｉｒｅｆｏ（目標値）との偏差がなくなるようにＰＩ制御が行われ、アウター電圧指令値が求められる。このアウター電圧指令値は、実際には４つのＵ相コイル２２、４つのＶ相コイル２２、４つのＷ相コイル２２の全てに対して共通である。また、このアウター電流指令値は、ＰＷＭ（pulse width modulation）に変換され、上記指令値に対応して生成されたゲート信号が、パワー半導体からなるスイッチング素子４３ａ，４３ｂ（図２参照）に送られる。具体的には、Ｕ相の４つのコイル２２に通電（例えばパルス電流を流す）する場合には、Ｕ相の４つのコイル２２に対応した各々のスイッチング素子の全てに対して、各々のスイッチング素子を同時にオン状態とするゲート信号が送られる。同様に、Ｖ相の４つのコイル２２に通電（例えばパルス電流を流す）する場合には、Ｖ相の４つのコイル２２に対応した各々のスイッチング素子の全てに対して、各々のスイッチング素子を同時にオン状態とするゲート信号が送られる。またＷ相の４つのコイル２２に通電（例えばパルス電流を流す）する場合には、Ｗ相の４つのコイル２２に対応した各々のスイッチング素子の全てに対して、各々のスイッチング素子を同時にオン状態とするゲート信号が送られる。
【００２５】
ゲート信号は、不図示のエンコーダ等により計測されるロータ角度θｆｂ（フィードバック値）がアウター指令値θｏｎｏ，θｏｆｆｏとの間にある場合に「１」が出力されパルスが「ＯＮ」となり、それ以外の場合に「０」が出力されパルスが「ＯＦＦ」となるように生成される。具体的には、アウター指令値θｏｎｏ，θｏｆｆｏは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相ごとに、異なる値が設定されている。すなわち、Ｕ相の４つのコイル２２に同時に通電（例えばパルス電流を流す）する期間を定義するアウター指令値（θｏｎｏ，θｏｆｆｏ）と、Ｖ相の４つのコイル２２に同時に通電（例えばパルス電流を流す）する期間を定義するアウター指令値（θｏｎｏ，θｏｆｆｏ）と、Ｗ相の４つのコイル２２に同時に通電（パルス電流を流す）する期間を定義するアウター指令値（θｏｎｏ，θｏｆｆｏ）と、が設定されており、これらの３つのアウター指令値（θｏｎｏ，θｏｆｆｏ）は、それぞれが異なる値である。このように設定することで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルのそれぞれに、異なるタイミングで通電され、磁気吸引力によってロータを回転させることが可能となる。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相ごとのアウター指令値θｏｎｏ，θｏｆｆｏは、アウター電流指令値Ｉｒｅｆｏと共に、予め記憶しているロータ１０の回転数とトルクとのテーブルデータに基づいて設定される。
このテーブルデータは、実験、解析等により予め不図示の制御装置に記憶されており、ロータ１０の回転数とトルクから、最適なアウター電流指令値Ｉｒｅｆｏとアウター指令値θｏｎｏ，θｏｆｆｏが決定される。
【００２６】
一方、インナーステータ３０の電流制御は、電流計１６ｂにより計測されるコイル３２に流れる電流値（インナー電流フィードバック値）と、不図示の上位制御装置により入力されるインナー電流指令値Ｉｒｅｆｉ（目標値）との偏差がなくなるようにＰＩ制御が行われ、インナー電圧指令値が求められる。このインナー電圧指令値は、実際には４つのＵ相コイル３２、４つのＶ相コイル３２、４つのＷ相コイル３２の全てに対して共通である。
また、このアウター電流指令値は、ＰＷＭに変換され、上記指令値に対応して生成されたゲート信号が、パワー半導体からなるスイッチング素子４３ａ，４３ｂに送られる。
【００２７】
また、ゲート信号は、不図示のエンコーダ等により計測されるロータ角度θｆｂ（フィードバック値）がインナー指令値θｏｎｉ，θｏｆｆｉとの間にある場合に「１」が出力されパルスが「ＯＮ」となり、それ以外の場合に「０」が出力されパルスが「ＯＦＦ」となるように生成される。具体的には、インナー指令値（θｏｎｉ，θｏｆｆｉ）は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相ごとに、異なる値が設定されている。すなわち、Ｕ相の４つのコイル３２に同時に通電（例えばパルス電流を流す）する期間を定義するインナー指令値（θｏｎｉ，θｏｆｆｉ）と、Ｖ相の４つのコイル３２に同時に通電（例えばパルス電流を流す）する期間を定義するインナー指令値（θｏｎｉ，θｏｆｆｉ）と、Ｗ相の４つのコイル３２に同時に通電（例えばパルス電流を流す）する期間を定義するインナー指令値（θｏｎｉ，θｏｆｆｉ）と、が設定されており、これら３つのインナー指令値（θｏｎｉ，θｏｆｆｉ）は、それぞれ異なる値である。このように設定することで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルのそれぞれに、異なるタイミングで通電され、磁気吸引力によってロータを回転させることが可能となる。
なお、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相ごとのインナー電流指令値Ｉｒｅｆｉとインナー指令値θｏｎｉ，θｏｆｆｉは、上述した手法によって予め記憶されたテーブルデータに基づいて決定されるが、このテーブルデータはアウターステータ２０用とインナーステータ３０用で個別に記憶されており、アウターステータ２０とインナーステータ３０とを独立して電流制御している。具体的には、アウター電流指令値Ｉｒｅｆｏと、インナー電流指令値Ｉｒｅｆｉとは独立に設定され、値は異なる。
また、本実施の形態では、上述したＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対する３つのアウター指令値（θｏｎｏ，θｏｆｆｏ）と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対する各々の３つのインナー指令値（θｏｎｉ，θｏｆｆｉ）と、は独立に値が設定される。さらに本実施の形態では、後述するように、アウターステータ２０の第１ステータ突極２１とインナーステータ３０の第２ステータ突極３１のロータ回転方向における位相が異なるため、アウター指令値（θｏｎｏ，θｏｆｆｏ）と、インナー指令値（θｏｎｉ，θｏｆｆｉ）とは、突極の位相に応じて異なる値が設定されている。これはアウターステータ２０とインナーステータ３０とで、突極の位相が異なるため、コイルに電流を流すべき適切なロータ角度θfbが異なるからである。
【００２８】
また、図２に示すように、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、構造的にインナーステータ３０に十分な巻線スペースを確保することが難しい。
【００２９】
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の第２ステータ突極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、第２ステータ突極３１を長く（深く）することと、モータ全体の重量を支えるシャフト径とが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可能性が生じる。
【００３０】
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。なお、アウターステータ２０とインナーステータ３０の起磁力が異なる場合においては、一方から出た磁束が他方に逆流してしまい、モータ性能が低下することが懸念される。しかしながら、本実施形態のように、ロータ１０のヨーク部１１のロータ軸に垂直な方向の厚みを磁気特性に基づいて十分に確保しておくことで悪影響を及ぼさないことが電磁解析試験から確認されている。
【００３１】
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。これは、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、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するためである。
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。
【００３２】
このように、ダブルステータ構造では、モータ性能が向上するが、出力が大きくなる分、トルクリップルも大きくなる。このため、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータＡでは、図１に示すように、アウターステータ２０の第１ステータ突極２１とインナーステータ３０の第２ステータ突極３１の組において、ロータ１０の回転方向における突極の位相が異なって設けられている。なお、図１に示す符号Ｄは、ロータ１０の回転方向（反時計回り）を示す。
【００３３】
アウターステータ２０の第１ステータ突極２１とインナーステータ３０の第２ステータ突極３１の組は、ロータ１０の回転方向の位相が、ずれ量θとなるように配置されている。ここで、ずれ量θとは以下に説明するずれ量θ１とθ２との合計を意味する（後述の図８も参照）。θ１は、ロータ１０におけるアウターステータ２０側の突極（第１ロータ突極１２）と、ロータ１０におけるインナーステータ３０側の突極（第２ロータ突極１３）の内で、ロータ１０におけるアウターステータ２０側の一の突極（第１ロータ突極１２）と向かい合うべきインナーステータ３０側の一の突極（第２ロータ突極１３）と、のロータ１０の回転方向における相対的な位相差を意味する。θ２は、アウターステータ２０の突極（第１ステータ突極２１）と、インナーステータ３０の突極（第２ステータ突極３１）のうちで、アウターステータ２０の一の突極（第１ステータ突極２１）と向かい合うべきインナーステータ３０の一の突極（第２ステータ突極３１）と、のロータ１０の回転方向における相対的な位相差を意味する。また、相対的な位相差とは、θ１の場合、図１のようなモータの断面図において、ロータ１０におけるアウターステータ側の一の突極（第１ロータ突極１２）の上辺の垂直二等分線と、この一の突極（第１ロータ突極１２）と向かい合うべきインナーステータ側の一の突極（第２ロータ突極１３）の上辺の垂直二等分線と、を基準とした相対的な回転角度の差である。またθ２の場合、相対的な位相差とは、アウターステータが備える一の突極（第１ステータ突極２１）の上辺の垂直二等分線と、この一の突極（第１ステータ突極２１）と向かい合うべきであってインナーステータが備える一の突極（第２ステータ突極３１）の垂直二等分線と、を基準とした相対的な回転角度の差である。本実施形態のずれ量θは、θ１が０度であり、θ＝θ２となる。また、θ１もθ２も０度の場合は、従来のスイッチトリラクタンスモータとなり、アウターステータ２０とインナーステータ３０の突極は向かい合って上述の２つの垂直二等分線は重なり合う。また、ロータ１０におけるアウターステータ側の突極（第１ロータ突極１２）とインナーステータ側の突極（第２ロータ突極１３）は向かい合い、上述の２つの垂直二等分線は重なり合う。ここで本実施形態のずれ量θは、スイッチトリラクタンスモータＡのストローク角度の半分に設定されている。ストローク角度Ｓθは、ステータの相数ｍとロータの極数Ｎｒに基づいて下式（１）から求められる。
Ｓθ  ＝  ３６０°／（ｍ×Ｎｒ）  …（１）
【００３４】
本実施形態では、ステータの相数ｍが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つであり、ロータの極数Ｎｒが、第１ロータ突極１２（第２ロータ突極１３）の８つである。そうすると、ストローク角度Ｓθは、式（１）から１５［ｄｅｇ］と求まる。ずれ量θは、このストローク角度Ｓθの半分であり、本実施形態では７．５［ｄｅｇ］となる。このずれ量θは、理論的に求められ、図４に示すように、スイッチトリラクタンスモータＡのトルクリップルをおおよそ最小にすることができる。
【００３５】
図４は、本発明の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のトルクリップルの低減効果を説明するためのグラフである。なお、図４の（ａ）は、ずれ量θを７．５［ｄｅｇ］に設定したスイッチトリラクタンスモータＡのトルク波形を示し、図４の（ｂ）は、比較例としてずれ量θを０［ｄｅｇ］に設定したスイッチトリラクタンスモータＡのトルク波形を示す。また、図４において、縦軸はトルク［ｐ．ｕ．］を示し、横軸はロータ回転角度［ｄｅｇ］を示す。
【００３６】
図４の（ｂ）に示すように、ずれ量θを０［ｄｅｇ］に設定した場合（第１ステータ突極２１と第２ステータ突極３１が同位相の場合）、ロータ１０のアウターステータ２０側で作用するアウタートルク（点線で示す）とロータ１０のインナーステータ３０側で作用するインナートルク（一点鎖線で示す）の波形の上下のピークがほぼ一致する。したがって、アウタートルクとインナートルクの合成トルク（実線で示す）の変動幅Ｗ２が大きくなり、トルクリップルが増加する。
【００３７】
一方、図４の（ａ）に示すように、ずれ量θを７．５［ｄｅｇ］に設定した場合（第１ステータ突極２１と第２ステータ突極３１の位相が異なる場合）、ロータ１０のアウターステータ２０側で作用するアウタートルク（点線で示す）とロータ１０のインナーステータ３０側で作用するインナートルク（一点鎖線で示す）の波形の上下のピークがほぼ半位相分ずれており、一致しない。これは、上述したように、アウターステータ２０の第１ステータ突極２１とインナーステータ３０の第２ステータ突極３１のロータ回転方向における位相が異なるため、アウター指令値（θｏｎｏ，θｏｆｆｏ）と、インナー指令値（θｏｎｉ，θｏｆｆｉ）とは、突極の位相に応じて異なる値が設定されていることに基づいている。すなわち、本実施の形態では、アウター指令値（θｏｎｏ，θｏｆｆｏ）と、インナー指令値（θｏｎｉ，θｏｆｆｉ）とが、突極の位相に応じて異なる値が設定されているため、アウターステータ２０の各コイル２２と、インナーステータ３０の各コイル３２に対して電流を流すタイミングが異なり、結果として、アウタートルクとインナートルクのピークのタイミングがずれる。したがって、アウタートルクとインナートルクの合成トルク（実線で示す）の変動幅Ｗ１が変動幅Ｗ２よりも小さくなり、トルクリップルが低減する。
【００３８】
また、ずれ量θをストローク角度の半分である７．５［ｄｅｇ］に設定した場合、図４（ａ）に示すように、アウタートルクとインナートルクの上下のピークが反転して合成されるため、トルクリップルをおおよそ最小にすることができる。
なお、本実施形態では、図１に示すように、インナーステータ３０の第２ステータ突極３１をアウターステータ２０の第１ステータ突極２１に対し、回転方向において遅れ位相としたが、上述したようにヨーク部１１の厚みが十分厚く磁気干渉させない構造であれば、例えば進み位相としても同等のトルクリップル低減効果が得られる。
【００３９】
このように、本実施形態では、アウターステータ２０の第１ステータ突極２１とインナーステータ３０の第２ステータ突極３１の位相を、ロータ１０の回転方向にずらし、ロータ１０のアウターステータ２０側で作用するアウタートルクとロータ１０のインナーステータ３０側で作用するインナートルクのピークを一致させない。そのため、それらの合成トルクによるトルクリップルを低減する。この構成によれば、突極の形状を変更することなく、突極の位相をずらすだけなので、構造が簡単で堅牢、且つ、容易に製造できる。
【００４０】
また、本実施形態においては、スイッチトリラクタンスモータＡにおいて元々構造的には別体であるアウターステータ２０の第１ステータ突極２１とインナーステータ３０の第２ステータ突極３１との組において、ロータ１０の回転方向における突極の位相を異ならせている。この構成によれば、ロータ１０の構造を変更することなく、不図示のモータハウジングに対するアウターステータ２０とインナーステータ３０の取付角度を変更するだけで、簡単にトルクリップルを低減できる。
【００４１】
したがって、上述の本実施形態によれば、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、を有するスイッチトリラクタンスモータＡが開示されている。このスイッチとリラクタンスモータＡにおいては、アウターステータ２０は、ロータ１０と対向する側に設けられた第１ステータ突極２１を有し、インナーステータ３０は、ロータ１０と対向する側に第１ステータ突極２１と同数で設けられた第２ステータ突極３１を有し、ロータ１０は、アウターステータ２０と対向する側に設けられた第１ロータ突極１２と、インナーステータ３０と対向する側に第１ロータ突極１２と同数で設けられた第２ロータ突極１３と、を有する。そのため、第１ステータ突極２１と第２ステータ突極３１の組において、ロータ１０の回転方向における突極の位相が異なっている、という構成によって、構造が簡単で堅牢且つ容易に製造でき、トルクリップルを低減できるスイッチトリラクタンスモータＡが得られる。
【００４２】
また、本発明は、以下の変形例も採用してもよい。
なお、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。
【００４３】
図５は、本発明の実施形態の一変形例におけるスイッチトリラクタンスモータＡの突極の位相のずれ量と合成トルクとの関係を示すグラフである。なお、図５においては、インナーステータ３０の第２ステータ突極３１の位相を、ロータ１０の回転方向において徐々に遅らせた（ずれ量θ＝０〜１２．５［ｄｅｇ］）場合の合成トルクの波形を示している。なお、図５において、縦軸はトルク［ｐ．ｕ．］を示し、横軸はロータ回転角度［ｄｅｇ］を示す。
【００４４】
図５に示すように、アウターステータ２０の第１ステータ突極２１とインナーステータ３０の第２ステータ突極３１の位相を徐々にずらした場合、合成トルクの波形が徐々に変化することが分かる。これら合成トルクの平均トルク［ｐ．ｕ．］とトルクリップル率［％］との関係をまとめると下表１のように示される。
【００４５】
【表１】
2015152372.tif 000003
【００４６】
表１に示すように、平均トルクを一定に設定した場合、図５の変形例では、ずれ量θを１０．５［ｄｅｇ］付近に設定したときにトルクリップル率が最小になることが分かる。
なお、トルクリップル率Ｒは、最大トルクＴｍａｘと最小トルクＴｍｉｎと平均トルクＴａｖに基づいて下式（２）から求められる。
Ｒ  ＝  （Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）／Ｔａｖ×１００  …（２）
【００４７】
図６は、本発明の実施形態の一変形例におけるスイッチトリラクタンスモータＡの突極の位相のずれ量と合成トルクとの関係を示すグラフである。なお、図６においては、図５よりもステータ側に流す電流（モータ電流）を増やして出力（トルク）を増加させると共に、インナーステータ３０の第２ステータ突極３１の位相を、ロータ１０の回転方向において徐々に遅らせた（ずれ量θ＝０〜１０．５［ｄｅｇ］）場合の合成トルクの波形を示している。なお、図６において、縦軸はトルク［ｐ．ｕ．］を示し、横軸はロータ回転角度［ｄｅｇ］を示す。
【００４８】
図６に示すように、アウターステータ２０の第１ステータ突極２１とインナーステータ３０の第２ステータ突極３１の位相を徐々にずらした場合、図５とは異なる傾向で合成トルクの波形が徐々に変化することが分かる。これら合成トルクの平均トルク［ｐ．ｕ．］とトルクリップル率［％］との関係をまとめると下表２のように示される。
【００４９】
【表２】
2015152372.tif 000004
【００５０】
表２に示すように、図６の変形例では、ずれ量θを８．５［ｄｅｇ］付近に設定したときにトルクリップル率が最小になることが分かる。このように、ロータ１０の回転方向における突極の位相のずれ量θの最適値は、ステータに流す電流の大きさに依存していることが分かる。すなわち、ロータ１０の回転方向における突極の位相のずれ量θの最適値は、ステータに流す電流の通電期間に依存している。
したがって、上述の実施形態ではロータ１０の回転方向における突極の位相のずれ量θを、理論的にストローク角度の半分に設定していたが、図５及び図６に示すようなデータを予め取得しておき、ずれ量θを、ステータに流す電流（モータ電流）の大きさに基づいて設定することで、トルクリップルをより最小に近づけることが可能となる。
【００５１】
また、本発明は、図７に示す変形例も採用し得る。
図７は、本発明の実施形態の一変形例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の断面図である。
【００５２】
図７に示す変形例では、第１ロータ突極１２と第２ロータ突極１３の組において、ロータ１０の回転方向における突極の位相が異なって設けられている。この構成によれば、ロータ１０の構造を変更する必要があるが、アウターステータ２０とインナーステータ３０の取付角度を変更する必要がないため、例えばアウターステータ２０とインナーステータ３０の取付角度の変更が難しい場合、具体的には大型で重量があるスイッチトリラクタンスモータＡである場合には、比較的簡単にトルクリップルを低減できる。
【００５３】
また、本発明は、図８に示す変形例も採用し得る。
図８は、本発明の実施形態の一変形例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の断面図である。
【００５４】
図８に示す変形例では、第１ステータ突極２１と第２ステータ突極３１の組、及び、第１ロータ突極１２と第２ロータ突極１３の組において、ロータ１０の回転方向における突極の位相が異なって設けられている。この構成によれば、ロータ１０の構造とアウターステータ２０とインナーステータ３０の取付角度をそれぞれ変更する必要があるが、突極の位相のずれ量θをロータのずれ量θ１とステータのずれ量θ２とで分担できるため、設計変更の自由度が高く、比較的簡単にトルクリップルを低減できる。
【００５５】
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。
【００５６】
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極構造や１８／１２極構造等であっても良い。
【００５７】
また、例えば、上記実施形態では、本発明のダブルステータ型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、舶用推進機器や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。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明によれば、構造が簡単で堅牢且つ容易に製造でき、トルクリップルを低減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。
【符号の説明】
【００５９】
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
１２  第１ロータ突極
１３  第２ロータ突極
２０  アウターステータ
２１  第１ステータ突極
３０  インナーステータ
３１  第２ステータ突極
【図１】
2015152372.tif 000005
【図２】
2015152372.tif 000006
【図３】
2015152372.tif 000007
【図４】
2015152372.tif 000008
【図５】
2015152372.tif 000009
【図６】
2015152372.tif 000010
【図７】
2015152372.tif 000011
【図８】
2015152372.tif 000012
【国際調査報告】
2015152372.tif 000013
2015152372.tif 000014