(57)【要約】【課題】トルクリプルの低減されたスイッチト・リラクタンス・モータを提案する。【解決手段】壁面に沿い間隔を隔てて配列される複数の突極1a〜1Lを有しこの突極1a〜1Lによってその内側に円筒状の空間領域を形成する固定子1と、この固定子1の空間領域に回転可能に配置されその外周壁に固定子1の突極1a〜1Lに対向する先端面を有する複数の突極4a〜4hを配設した回転子3とを備え、前記固定子1の各突極1a〜1Lの周りにそれぞれ巻線2a〜2Lを巻回して複数の通電相8、9、10を形成するスイッチト・リラクタンス・モータにおいて、前記固定子1及び回転子3の少なくとも一方の突極1a〜1L、4a〜4hは、回転子3の回転する向きに沿う幅寸法Wが異なる2以上の領域を有するものにて構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁面に沿い間隔を隔てて配列される複数の突極を有しこの突極によってその内側に円筒状の空間領域を形成する固定子と、この固定子の空間領域に回転可能に配置されその外周壁に固定子の突極に対向する先端面を有する複数の突極を配設した回転子とを備え、前記固定子の各突極の周りにそれぞれ巻線を巻回して複数の通電相を形成したスイッチト・リラクタンス・モータにおいて、
前記固定子及び回転子の少なくとも一方の突極は、回転子の回転する向きに沿う幅寸法が異なる2以上の領域を有する、ことを特徴とするスイッチト・リラクタンス・モータ。
【請求項２】
幅寸法が異なる2以上の領域を有する前記突極は、幅寸法の中心が全て一致する単一の幅中心を有する、請求項1に記載したスイッチト・リラクタンス・モータ。
【請求項３】
幅寸法が異なる2以上の前記領域は、突極の長手方向に沿って設けられたものである、請求項1又は2に記載したスイッチト・リラクタンス・モータ。
【請求項４】
幅寸法が異なる2以上の領域を有する前記突極は、固定子の突極である、請求項1〜3の何れかに記載のスイッチト・リラクタンス・モータ。
【請求項５】
幅寸法が異なる2以上の前記領域は、互いに隣接する突極同士で互い違いの配列になる、請求項4に記載したスイッチト・リラクタンス・モータ。
【請求項６】
幅寸法が異なる2以上の前記領域は、幅寸法を大とする広幅部分と、この広幅部分よりも幅寸法を小とする狭幅部分との交互配列からなり、
前記広幅部分の軸方向寸法をLc１とし、狭幅部分の軸方向寸法をLc２とした場合に、Lc１とLc２とは、
Lc２＜μLc１／μ０（μ：突極を構成する材料の透磁率、μ０：空気の透磁率）
の関係を満たすものである、請求項3〜5の何れかに記載のスイッチト・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、車両の各種システムのアクチュエータとして使用されるスイッチト・リラクタンス・モータに関するものであり、該モータのトルクリプルを低減しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
車両の各種システムのアクチュエータとして使用されるスイッチト・リラクタンス・モータは、複数の突極を備えた固定子の内側に、複数の突極を備えた回転子を回転可能に組み込み、固定子の各突極に巻線を巻き回すことにより構成され、巻線によって形成された各通電相に対して順次に通電することにより回転子を回転させてトルクを得るものであって、構造が比較的簡単であり、しかも、高速回転や高温などの特殊環境下での利用も可能であることから自動車業界をはじめとして、各種産業分野での関心がきわめて高いものとなっている。
【０００３】
ところで、この種のモータは、トルクリプル（トルクリプルとは、出力トルクの変動分を平均トルクに対する百分率で示したもの）が大きく、軸振動や騒音が避けられない不具合があり、未だ改善の余地が残されている。
【０００４】
スイッチト・リラクタンス・モータのトルクリプルは、回転子の突極と固定子の突極の先端面が向かい合う回転角度付近で磁気飽和が発生してトルクの低下が起こることが原因の一つであることが明らかとなっており、従来技術においてはこれに着目して回転子の突極にスリットを設けることにより磁気飽和を抑制する試みがなされている（例えば特許文献1参照）。また、回転子突極の先端に凹突を設け、局所的にエアギャップを拡げることで磁気飽和を抑制することによりトルクリプルを軽減する技術（例えば特許文献2参照）も知られているが、何れにおいても従来技術では、磁路にスリットやエアギャップが形成されているため、磁気抵抗が増加しており、巻線のインダクタンス及び回転子の回転角度に対するインダクタンスの変化率が低下するのが避けられない状況にあった。
【特許文献１】特開平8-126273号公報
【特許文献２】特開2002-10595号公報
【０００５】
ここに、スイッチト・リラクタンス・モータのトルクTは、磁気線形領域においては、
T＝1/2i２（dＬ/dθ）…（1）
で表示され、インダクタンスの変化率とトルクが比例することになるので、インダクタンスの変化率が低下する従来技術においては、トルクリプルだけでなく、平均トルクも低下してしまう問題がある。
【０００６】
また、トルクリプルは、磁気飽和以外に、突極の一部に負のトルクが発生することが原因になることもあり、この負のトルクは、以下の理由から高速回転駆動や低電圧駆動の場合にとくに顕著となっている。
【０００７】
すなわち、通常、スイッチト・リラクタンス・モータに正トルクを発生させるには、回転子の突極と固定子の突極が対向し始める角度（回転子の角度）から巻線に通電を開始し、両者の先端が完全に向かい合う角度で通電を終了することになり、この区間はインダクタンスの変化率が正になるので、上記（1）式からも明らかなように正トルクが発生するが、高速回転駆動や低電圧駆動の場合は、回転子の角度の変化に対する巻線電流の変化が小さくなるため、インダクタンスの変化率が正の区間で十分な電流を流すためには、より手前の角度から通電を開始する必要がある。
【０００８】
また、突極の対向位置付近で巻線に対する電圧の印加を停止しても電流の減少に時間を要するため、対向位置を通り過ぎても電流が流れ続ける場合もある。つまり、十分な正の平均トルクを得るためにインダクタンスの変化率が負となる区間においても電流が流れ、突極の一部に負のトルクが発生する場合もあり、この負のトルクによってもトルクリプルが生じてしまい、磁気抵抗を単に上げるだけでは負のトルクを十分に低減することはできないのが現状であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、上記のような従来の問題を解消し得るスイッチト・リラクタンス・モータを提案するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、壁面に沿い間隔を隔てて配列される複数の突極を有しこの突極によってその内側に円筒状の空間領域を形成する固定子と、この固定子の空間領域に回転可能に配置されその外周壁に固定子の突極に対向する先端面を有する複数の突極を配設した回転子とを備え、前記固定子の各突極の周りにそれぞれ巻線を巻回して複数の通電相を形成したスイッチト・リラクタンス・モータにおいて、
前記固定子及び回転子の少なくとも一方の突極は、回転子の回転する向きに沿う幅寸法が異なる2以上の領域を有する、ことを特徴とするスイッチト・リラクタンス・モータである。
【００１１】
上記の構成になるスイッチト・リラクタンス・モータにおいて、幅寸法が異なる2以上の領域を有する前記突極は、幅寸法の中心が全て一致する単一の幅中心を有するものが望ましい。
【００１２】
また、幅寸法が異なる2以上の前記領域は、突極の長手方向に沿って設けられたものとするのが好ましい。
【００１３】
また、幅寸法が異なる2以上の領域を有する前記突極は、固定子の突極とすることができる。
【００１４】
さらに、幅寸法が異なる2以上の前記領域は、互いに隣接する突極同士で互い違いの配列とすることが可能であり、幅寸法を大とする広幅部分と、この広幅部分よりも幅寸法を小とする狭幅部分との交互配列からなるものとし、前記広幅部分の軸方向寸法をLc１、狭幅部分の軸方向寸法をLc２とした場合に、Lc１とLc２とは、Lc２＜μLc１／μ０（μ：突極を構成する材料の透磁率、μ０：空気の透磁率）の関係を満たすのが好ましく、上記広幅部分の軸方向寸法Lc１及び狭幅部分の軸方向寸法Lc２はそれぞれ、モータの軸方向寸法Lよりも短く、かつ広幅部分の軸方向寸法Lc１は軸方向の漏れ磁束の影響が少ない寸法であることを意味する。
【発明の効果】
【００１５】
前記固定子及び回転子の少なくとも一方の突極につき、回転子の回転する向きに沿う寸法を幅寸法として2以上の異なる幅を有する領域を設けると、1つの磁路の中に、回転子の角度に対するトルク特性の異なる2種類以上の突極が存在することとなり負のトルクに起因したトルク（瞬時トルク）の低下が緩和され、トルクリプルが低減される。
【００１６】
幅寸法が異なる2以上の領域を有する前記突極の、幅寸法の中心を全て一致させる単一の幅中心をもたせる（各突極の中心線が一致している）ことにより、回転子の角度に対するトルク特性が逆位相になるので（理由は後述する）、負のトルクに起因したトルク（瞬時トルク）の低下が最大限に緩和される。
【００１７】
幅寸法が異なる2以上の領域は、突極の長手方向に沿って設けられたものとするが、これにより各突極のトルク特性を所望の割合で反映させることが可能となる。
【００１８】
幅寸法が異なる2以上の領域を有する前記突極を、固定子の突極とすることで、回転子の突極の幅寸法に変動を与えることがないので、回転子はその長手方向（軸方向）にバランスがとれたものとすることができる。
【００１９】
固定子の突極につき、幅寸法が異なる2以上の領域を、互いに隣接する突極同士で互い違いの配列とすることで、巻線を配置する空間を増加させることができ、該巻線の断面積を大きくして鉄損の低減を図ることが可能となる。
【００２０】
幅寸法が異なる2以上の領域を回転子の突極に設けた場合に、幅寸法が大となる広幅部分と、この広幅部分よりも幅寸法が小となる狭幅部分との交互配列とすることで、回転子の重心の、長手方向（軸方向）の中央からのずれを抑えることが可能となり、回転子の突極の幅寸法を複数箇所で変更しても機械的にバランスのよい回転子とすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を用いて本発明をより具体的に説明する。
図1、2は本発明に従うスイッチト・リラクタンス・モータの実施の形態を模式的に示した図であり、図1はその全体図、図2は固定子の一部分をカットして図1の反対側（下側）から見た図である。
【００２２】
図における1は固定子である。この固定子1は長手方向（軸方向）の寸法がL（図2参照）で、かつ、壁面に沿い間隔を隔てて配列される12個の突極1a〜1L（角度30°）を有しており、この突極1a〜1Lの内側には円筒状の空間領域が形成されている。
【００２３】
また、2a〜2Lは固定子1の突極1a〜1Lの周りに巻回された巻線、3は固定子1の空間領域に配置された回転子である。この回転子3は図示はしないが軸受け支持されていて、該空間領域内で回転可能に保持されている。
【００２４】
4a〜4hは回転子3の外周壁に45°の角度で一体的に設けられ、固定子1の突極1a〜1Lに対向する先端面を有する8個の突極である。この突極4a〜4hは、回転子3の回転する向きの幅寸法tが異なる2種類（t１、t２でt１＞t２）の領域L１、L２（L＝L１＋L２）を有している（突極4a〜4hの長手方向（軸方向）に沿う寸法をいう。図2参照）。
【００２５】
上記の構成になるモータは、例えば図3に示すような駆動回路を備えることができるもので、図3の5a〜5fはスイッチング素子、6a〜6fはダイオード、7は直流電源、8はU相巻線、9はV相巻線、そして10はW相巻線である。U相巻線8は例えば巻線2a、2d、2g、2jを並列に接続したものとして構成され、V相巻線9は巻線2b、2e、2h、2kを並列に接続したものとして構成され、さらにW相巻線10は巻線2c、2f、2ｉ、2Lを並列に接続したものとして構成される。
【００２６】
上記のU相巻線8、V相巻線9、W相巻線10は一般的なハーフブリッジ回路を構成し直流電源7によって上記の3相が駆動されるもので、スイッチング素子5a〜5fは、図示しない制御装置からの巻線電流ピーク指令値と巻線電流ヒステリシス幅指令値に従い、電流波形が略矩形波形状になるようにスイッチングが行なわれる。
【００２７】
図4は回転子3が規定回転付近の一定速度で回転している時に最大トルクを出力するように通電した場合の、回転子3の回転角度に対する巻線電流の電流波形の一例を示したものである。
【００２８】
例えば、U相巻線8においては、回転子3の回転角度がθon となった時点からスイッチング素子5a、5bがオンとなり通電が開始され、巻線電流ピーク指令値ipに到達した時点でスイッチング素子5a、5bがオフとなり、電流をヒステリシス幅指令値ihsy分だけ低下させたのち、再びスイッチング素子5a、5bがオンとなって電流を巻線電流ピーク指令値ipまで上昇させてip付近で略直流に制御し、回転子3の回転角度θがθoffとなる時点でスイッチング素子5a、5bがオフとなって図4に示すような波形を得る。
【００２９】
V相巻線9、W相巻線10も同様の要領で通電されて同様の電流波形を得ることになるが、V相巻線9はU相巻線8よりも電気角で120°遅れることになり、W相巻線10は電気角で240°遅れることになる。
【００３０】
ここに、例えばU相巻線8の巻線電流によりモータに正のトルクを発生させるにはU相巻線8を構成する巻線2a、、2d、2g、2jが巻回された固定子1の突極1a、1d、1g、1jと、回転子1の任意の突極が完全に非対向となっている角度θu（図4参照）から通電を開始し、両者の突極が完全に対向（先端同士が向かい合う）する角度θa（図4参照）で通電を終了することが望ましい。すなわち、θon＝θu、θoff＝θaとする（回転子1の角度θは、U相巻線8が巻回されている固定子1の突極と、回転子1の突極が対向している角度を0°とし、回転方向と同じ方向を正とする）。
【００３１】
ところで、スイッチト・リラクタンス・モータは、回転速度が高い場合（高速）や直流電源7の電圧が低い場合には回転子3の角度変化に対する電流（巻線電流）の変化率が小さくなるため、図4に示した角度θuで十分な電流とするためには電流の立ち上りの遅れを考慮してθonをθuより小さい角度に設定する必要があり、また、電流の立ち上りも遅くなるため、θaより小さい角度でθoffとする必要があり、本発明にしたがうスイッチト・リラクタンス・モータもこのような駆動条件（θon＜θu、θoff＜θa）を適用することになる。
【００３２】
本発明にしたがうモータを、上記の条件に従う電流波形で通電、駆動した場合におけるトルク波形を図5に示す。図5における実線は本発明にしたがうモータのトルク波形であり、一点鎖線及び二点鎖線は、比較のために、回転子3の突極4a〜4hの幅寸法tをその長手方向（軸方向）にわたって全てt１、t２(t１＞t２とする)としたスイッチト・リラクタンス・モータのトルク波形である。
【００３３】
軸方向の全体にわたって幅寸法がt１になる突極を有する回転子3を備えたモータのトルク特性と、幅寸法が軸手方向の全体において幅寸法がt２になる突極を有する回転子3を備えたモータのトルク特性は互いに逆位相となるが、本発明にしたがうモータは、両者のトルク特性を併せもつものであって、平均トルクを維持したままトルクリプルを低減することが可能となる。
【００３４】
幅寸法がt１になる突極を有する回転子3を備えたモータ（以下、このモータをモータAという）のトルク特性と、幅寸法がt２になる突極を有する回転子3を備えたモータ（以下、このモータをモータBという）のトルク特性が互いに逆位相となる理由は以下のように説明される。
【００３５】
図6は図5に示した回転子3の回転角度θAにおけるモータA、Bのそれぞれの電磁力の分布を示した図である。回転角度θAでは、図5に示す如くモータAのトルクは最大値でモータBのトルクは最小値となっている。
【００３６】
回転角度θAでは、モータAの突極はU相巻線が巻回されている固定子1の突極1aと対向し始める位置にあり大きな正トルクが生じている。一方、モータBの回転子3の突極は固定子1の突極1aとはまだ距離が離れており、生じる正トルクは小さい。このように固定子1の突極との距離の違いから両者ではトルクの大きさが異なっている。
【００３７】
次に、上掲図5に示した回転子3の回転角度θBにおけるモータA、Bの電磁力の分布を図7に示す。回転子3の回転角度がθBにおいては、図5に示す如くモータAのトルクは最小値となり、モータBのトルクは最大値となっており、ここでは、モータAの突極は、固定子1の突極1aとある程度対向していて正のトルクが生じているが、V相巻線が巻回されている突極1bとの間にも磁路が形成されており負のトルクも発生している。一方、モータBの回転子3の突極は固定子1の突極1aと対向し始める位置にあり大きな正トルクが生じていて、しかも固定子1の突極1bとは離れているため負のトルクはほとんど生じることがない。
【００３８】
このように、トルク特性が逆位相になる幅寸法を有する突極を設けることによりトルクリプルの低減が可能となる。
【００３９】
上記の例は、2種類の幅寸法を有する突極を設けたモータについて説明したが、幅寸法の異なる領域は必要に応じて増加させることができるものであり、この点については限定されない。また、トルク特性の影響代は、幅寸法の異なる領域の長手方向（軸方向）における比率を適宜変更することにより調整が可能となる。
【００４０】
図8は幅寸法tの異なる2種類の領域を固定子1の突極1a〜1Lに設け、互いに隣接する突極同士で互い違いに配列した本発明の他の実施の形態を示したものである。
【００４１】
このような構成の固定子1を備えたものにおいては、モータのトルクリプルが低減できるだけでなく、巻線用のスペースを拡大できる利点がある。
【００４２】
巻線は固定子1の突極の相互間に形成される隙間（ストロット）に収まるように巻回されるが、幅寸法の異なる領域を互い違いにすることでスロットの開き角度はθ１＋θ２となり、従来構造のものに比較してθ２分だけスペースを拡大することが可能で、従って巻線の断面積をより大きくすることができ鉄損が低減される。
【００４３】
図9は、回転子3の各突極4a〜4fのそれぞれにつき、幅寸法tが異なる2の領域を、幅寸法を大とする広幅部分t３、この広幅部分t３よりも寸法を小とする狭幅部分t４とで構成し、これをその長手方向に沿って交互に配列した構成のものである。このような構成の回転子3を備えたモータにおいてもトルクリプルの低減が可能となる。
【００４４】
上記の回転子3は、広幅部分t３及び狭幅部分t４の、突極の軸方向（長手方向）に沿う寸法Lc１、Lc２を、広幅部分t３の幅寸法よりも小さく、狭幅部分t４の幅寸法よりも大きくすることにより突極の長手方向における漏れ磁束の影響を最小限に留めることが可能となるとともに、回転子3の重心が軸方向の中心に存在することになるので、突極の幅寸法を複数箇所で変更しても機械的なバランスを損なうことがない利点がある。
【００４５】
本発明において広幅部分t３の軸方向寸法Lc１と狭幅部分t４の軸方向寸法Lc２とは、Lc２＜μLc１／μ０の関係を満たすものが好ましいとしたが、その理由は以下の通りである。
【００４６】
広幅部分t３の軸方向寸法Lc１をあまり小さくしてしまうと、その周辺の空気層に磁束が漏れ出てしまう（積層鋼板（突極を構成する材料）が薄くなると、磁気抵抗（磁束の通りにくさ）が増加してしまい逆に空気層のほうが通り易くなる）ことになるからであり、上記の条件を満足させることで、積層鋼板を通過するときの磁気抵抗を、空気層を通過するときの磁気抵抗より小さくすることが可能となる。
【００４７】
ここに、上記の条件は、突極の突出代をw、突極の2種の幅寸法の差の1/2をr、積層鋼板（回転子を構成する部材）の透磁率をμ、空気の透磁率をμ0とした場合に、
w/μLc１r（Lc１の凸部の鋼板の磁気抵抗）＜w/μ0Lc2r（凹部の空気の磁気抵抗）⇒Lc2＜μLc１/μ0
による。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
トルクリプルの低減されたスイッチト・リラクタンス・モータの安定供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明にしたがうスイッチト・リラクタンス・モータの実施の形態を模式的に示した図である。
【図２】図1に示したモータの固定子の一部分をカットした図である。
【図３】スイッチト・リラクタンス・モータの駆動回路を示した図である。
【図４】電流波形とトルク波形を示した図である。
【図５】本発明に従うスイッチト・リラクタンス・モータを駆動した場合のトルク波形と一定幅を有する突極を有するスイッチト・リラクタンス・モータを駆動した場合のトルク波形を示した図である。
【図６】電磁力の分布を示した図である。
【図７】一定幅の突極を有する固定子を備えたモータの電磁力の分布を示した図である。
【図８】本発明に従うスイッチト・リラクタンス・モータの他の実施の形態を示した図である。
【図９】本発明に従うスイッチト・リラクタンス・モータのさらに他の実施の形態を示した図である。
【符号の説明】
【００５０】
1  固定子
1a〜1L  突極
2a〜2L  巻線
3  回転子
4a〜4h  突極
5a〜5f  スイッチング素子
6a〜6f  ダイオード
７  直流電源
8  U相巻線
9  V相巻線
10  W相巻線
【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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