(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
起磁力を発生する固定子と、この固定子の発生した起磁力によって回転駆動される回転子とを具備し、
前記固定子側より見た前記回転子の磁気抵抗が、前記回転子位置により回転方向に異なる構造となるよう前記固定子内にバリアあるいは溝を有し、前記回転子の磁気抵抗の低い部分である磁極の方向と異なる方向へ前記固定子の起磁力を発生し、前記回転子の磁極を前記固定子の起磁力方向へ回転移動させるようなトルクを発生するリラクタンス型電動機において、
前記回転子の磁極数Ｎｐと前記固定子のスロット数Ｎｓとの関係は、Ｎｓ＝３×Ｎｐであり、
前記回転子の各磁極の中心角は均一であり、前記回転子は、前記磁極内に形成されるバリアパターンを複数種類有し、前記複数種類のバリアパターンが周方向に配置された積層板を積層して設けられ、
前記固定子において起磁力を発生する巻線は、前記固定子の突極のうちの１つのみを囲むように巻かれるものであり、
隣りあう巻線の巻方向は逆であり、
各巻線に対して３相の電流を与えることで前記回転子を回転駆動することを特徴とするリラクタンス型電動機。
【請求項２】
請求項１のリラクタンス型電動機において、
前記突極の回転方向の形状は、根元部分にＲ部が設けられた、あるいは前記回転子側の先端辺が根元部分よりも短辺となる台形形状に設けられたことを特徴とするリラクタンス型電動機。
【請求項３】
請求項１または請求項２のリラクタンス型電動機において、
前記回転子の軸方向寸法は、前記固定子の軸方向寸法よりも長く設けられたことを特徴とするリラクタンス型電動機。
【請求項４】
請求項１または請求項２のリラクタンス型電動機において、
前記固定子の軸方向寸法は、前記回転子の軸方向寸法よりも長く設けられたことを特徴とするリラクタンス型電動機。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかのリラクタンス型電動機において、
前記巻線が挿入されるスロットにおける前記回転子側の先端部の一部あるいは全部は、磁性体であることを特徴とするリラクタンス型電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子に対する回転子の磁気抵抗差を利用して回転力を得るリラクタンス型電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リラクタンス型電動機の従来の構造は、〔Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｖｏｌ．４４〕の「マルチフラックスバリア型リラクタンスモータ」に開示されるように、固定子の複数の突極を囲むように巻線を巻き、その巻線に正弦波の電流を与えることにより、固定子に正弦波状の回転磁界分布を発生させ、この回転磁界と回転子の磁気抵抗差を利用して回転子に回転トルクを発生させるものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の突極を囲むように巻線を巻いたものでは、次の不具合がある。
ａ）１つのスロット内に異なった相の巻線が配置されるため、各巻線の占積率（スロット面積に対する巻線断面積の割合）が下がってしまう。
ｂ）各巻線のコイルエンド（スロットからはみ出る巻線部分）が、隣り合う巻線のコイルエンドに重なるため、巻線の軸方向寸法が大きくなってしまう。
そのような理由により、従来のリラクタンス型電動機は、大型化してしまう不具合があった。
この発明の目的は、性能を低下させることなく従来よりも小型化が可能なリラクタンス型電動機の提供にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の手段を採用することにより、固定子側の回転磁界分布は従来の巻線の場合（複数の突極を囲むように巻線を巻いたもの）と相似となるため、従来と同様、回転子に回転トルクを発生させることができる。
また、巻線は１つの突極のみを囲むものであるため、従来のように複数の突極を囲むように巻いた場合に比べて、巻線の占積率が向上する。このように、１つの突極のみを囲む巻線の占積率の向上によって、巻線による起磁力を向上させることができ、従来と同等以上の性能を発揮することが可能になる。
さらに、巻線は１つの突極のみを囲むものであるため、各巻線のコイルエンドは、隣り合う巻線のコイルエンドに重なることがない。このため、従来に比較して巻線の軸方向寸法の短縮を図ることができ、従来よりもリラクタンス型電動機を小型化できる。
【０００７】
また、複数種類のバリアパターンを周方向に配置した１種類の積層板を積層した回転子を用いることにより、出力低下を招くことなく、発生するトルクの変動を相殺して、トルクリップルを抑えることができる。
【０００８】
請求項２の手段を採用することにより、突極の磁性体部分の面積を増やすことができるため、突極により多くの磁束を流すことが可能になり、出力を上げることができる。また、磁気飽和の影響を低減することができる。
【０００９】
請求項３の手段を採用することにより、回転子と固定子の軸方向への組付け誤差の影響を吸収することができる。また、固定子の軸方向寸法が小さくなることにより、巻線の長さが短くなり、銅損（電気抵抗）を低減することができる。
【００１０】
請求項４の手段を採用することにより、回転子と固定子の軸方向への組付け誤差の影響を吸収することができる。また、回転子の軸方向寸法が小さくなることにより、回転子のイナーシャを小さくすることができる。
【００１１】
請求項５の手段を採用することにより、固定子側の磁界分布が滑らかに変化するようになるため、トルクリップルを低減することができる。また、回転子側に流れ込む磁束の量を増やすことができるため、平均トルクを向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、複数の実施例を用いて説明する。
〔第１参考例〕
図１はリラクタンス型電動機の概略図である。
リラクタンス型電動機は、内周に向けて複数の突極１ａを等間隔に備える固定子１と、この固定子１から見て磁気抵抗が回転方向に異なる回転子２とを備えるものであり、各突極１ａの周囲には、突極１ａに起磁力を発生させるための巻線３が装着されるものである。なお、巻線３については後述する。
【００１３】
リラクタンス型電動機は、回転子２の磁気抵抗の最も低い磁極方向（ｄ軸）に対し、所定角度方向の突極１ａに起磁力を発生させ、回転子２の磁気抵抗の低い部分を突極１ａの起磁力方向へ回転移動させて回転出力を得るものである。
なお、回転子２の磁気抵抗の最も低い磁極方向（制御上の仮想軸）は、一般にｄ軸と称され、回転子２の磁気抵抗の最も大きい磁極方向は、一般にｑ軸と称される。
【００１４】
固定子１は、内周に向く複数（この参考例では１２個）の突極１ａを等間隔に備える円環状を呈した磁性体製薄板よりなる固定子積層板４を多数積層して設けられたものである。
回転子２は、円盤状を呈した磁性体製薄板よりなる回転子積層板５を多数積層して設けられたものであり、回転子２を構成する各回転子積層板５には、回転子２の磁気抵抗を回転方向で異ならせるためのバリア６が複数設けられている。回転子２に形成される磁極の中心角は均等であり、この参考例では１枚の回転子積層板５に中心角９０度の４つの磁極を持たせたものである。
【００１５】
回転子積層板５に形成されたバリア６は、内側に湾曲した円弧形状を呈するスリットであり、ｑ軸を中心に対象形状に設けられている。なお、スリット内に樹脂やアルミ材など非磁性材料を充填しても良いが、空隙であっても良い。
なお、この参考例における、バリア６の外周端は、回転子２が分解しないように微小な接続部が設けられている。この接続部による磁気短絡は、接続部を薄くすることにより実用上無視できる。
【００１６】
回転子２の磁極数Ｎｐと、巻線３が装着されるスロット数Ｎｓとの関係は、Ｎｓ＝３×Ｎｐを満足するように設けられている。具体的にこの参考例では、上述したように、回転子２の磁極の数Ｎｐ＝４であり、スロットの数Ｎｓ＝１２である。
【００１７】
ここで、本参考例のリラクタンス型電動機の巻線３を、図２に示す従来のリラクタンス型電動機の巻線３’と比較して説明する。従来のリラクタンス型電動機の巻線３’は、図２に示されるように、３つの突極１ａを囲むように巻かれている。また、同相の隣り合う巻線３’は逆方向に巻かれている。なお、巻線３’が図示されていない部分にも、上記のパターンに従って全周に亘って巻線３’が巻かれている。
【００１８】
そして、各巻線３’に対し、図３に示すような各相が電気角で１２０度位相のずれた正弦波の電流をかけることにより、固定子１側に正弦波状の回転磁界分布を作り、バリア６によって生じる回転子２の磁気抵抗差を利用して、回転子２に回転トルクを発生させるものである。
【００１９】
これに対し、本参考例のリラクタンス型電動機の巻線３は、図１に示すように１つの突極１ａのみを囲むようにそれぞれに巻かれるものであり、且つ隣りあう巻線３は逆方向に巻かれるものであり、さらに隣りあう巻線３には、上記と同様、図３に示すような各相が電気角で１２０度位相のずれた正弦波の電流をかけるものである。なお、巻線３が図示されていない部分にも、上記のパターンに従い全周に亘って巻線３が巻かれている。
【００２０】
本参考例の巻線３（図１）と、従来の巻線３’（図２）との巻数が同じ場合、本参考例のリラクタンス型電動機の固定子１側には、従来（図２）に比べて大きさが１／２で、分布が相似な回転磁界分布が発生する。これにより、同一電流が与えられる場合では、従来（図２）の１／２のトルクが発生する。従って、本参考例の巻線３（図１）の巻数を、従来（図２）に比べて２倍にすることにより、従来（図２）と同等のトルクを得ることができる。
【００２１】
ここで、本参考例の巻線３（図１）は１つの突極１ａのみを囲むものであるため、従来（図２）のように３つの突極１ａを囲むように巻いた場合に比べて、巻線３を挿入可能なスロット面積が増大し、巻線３の占積率が大幅に向上する。このように、巻線３の占積率の向上によって、巻線３の巻数を従来（図２）の２倍以上にすることが可能となり、従来（図２）と同等以上の性能を発揮することが可能になる。
【００２２】
また、本参考例の巻線３（図１）は１つの突極１ａのみを囲むものであるのに比較して、従来の巻線３’（図２）は３つの突極１ａをまたぐものであったため、スロット内に収まらない部分の長さを１／３以下にできる。さらに、巻線３は１つの突極１ａのみを囲むものであるため、隣り合う巻線３と重なることがない。このため、従来（図２）に比較して巻線３の軸方向寸法の短縮を図ることができ、従来（図２）よりもリラクタンス型電動機の小型化が可能になる。
【００２３】
さらに、従来の巻線３’（図２）は３つの突極１ａをまたぐものであったため、前もって形成した巻線３’を固定子１に装着するのが困難であり、固定子１に対して直接巻線３’を巻き付けていたが、本参考例の巻線３（図１）は１つの突極１ａのみを囲むものであるため、前もって形成した巻線３を固定子１に装着することが可能になる。このため、巻線工程が簡単になり、巻線工程にかかる製造コストを抑えることができる。
また、固定子１に装着する前に巻線３を形成できるため、巻線３を緻密かつ適切な形状に巻くことが可能になる。これによって、巻線３の占積率をさらに向上することが可能となり、この技術によっても出力の向上を図ることができる。
【００２４】
このように、本参考例のリラクタンス型電動機は、従来と同等以上の性能を確保したまま小型化が可能なものであり、さらにコストを抑えることができるものである。
【００２５】
〔第２参考例〕
図４〜図６を参照して第２参考例を説明する。
回転子２は、第１参考例で述べたように、円盤状を呈した磁性体製薄板よりなる回転子積層板５を多数積層して設けられたものであり、回転子積層板５に複数形成されたバリア６の積層によって、回転子２に中心角が均等な磁極が設けられている。
この参考例の回転子２は、バリア６の形成位置が異なる２種類の回転子積層板５（バリア仕様Ａ、バリア仕様Ｂ）を交互に積層したものであり、この２種類のバリアパターンは、バリア６の位置が異なるものである。
【００２６】
具体的には、図４（ａ）に示すバリア仕様Ａの回転子積層板５と、図４（ｂ）に示すバリア仕様Ｂの回転子積層板５とを、図５に示すように、交互に積層したものであり、バリア仕様Ａとバリア仕様Ｂのバリア６位置の関係を、図４の実線と破線に示す。
また、この参考例では、回転子２を円周方向から見たとき、バリア６の外周端と、それに隣接するバリア６の外周端との間隔が、同一磁極内において全て等間隔となるように設けられている。
【００２７】
ここで、バリア仕様Ａの回転子積層板５が発生するトルク波形を図６の実線Ａに示し、バリア仕様Ｂの回転子積層板５が発生するトルク波形を図６の破線Ｂに示す。
このグラフで示すように、バリア仕様Ａの回転子積層板５が発生するトルク波形に対して、バリア仕様Ｂの回転子積層板５が発生するトルク波形は、逆の位相になる。そして、回転子２の発生するトルクは、バリア仕様Ａの回転子積層板５が発生するトルクと、バリア仕様Ｂの回転子積層板５が発生するトルクとの足し合わせとなるため、それぞれのトルク変動が相殺され、結果的にトルクリップルが低減されることになる。
また、この参考例では、従来技術（スキューさせる技術）のように回転位置における磁気抵抗差が小さくなる不具合がなく、出力トルクの低下を招かない。
つまり、この参考例におけるリラクタンス型電動機は、高出力トルクであり、且つ低トルクリップルとなる。
【００２８】
さらに、この参考例では、回転子２を円周方向から見たときのバリア６の外周端と、それに隣接するバリア６の外周端との間隔を、同一磁極内において全て等間隔に設けたことにより、各バリア端が突極１ａを通過する際に発生するトルク変動が規則的にハッキリでるようになる。このため、トルク変動の相殺度合が大きくなり、トルクリップルの低減効果を高めることができる。
【００２９】
〔第３参考例〕
上記の第２参考例のように、バリア仕様Ａとバリア仕様Ｂの回転子積層板５を交互に積層して回転子２を構成した場合では、軸方向に磁束が流れてしまうため、バリア６をずらしたことによるトルクリップル低減効果が薄れてしまう。
そこで、この第３参考例は、図７に示すように、バリア仕様Ａの回転子積層板５を重ねてなる回転子ブロック２ａと、バリア仕様Ｂの回転子積層板５を重ねてなる回転子ブロック２ｂとを接合して回転子２を構成したものである。このように設けることにより、軸方向へ流れる磁束の度合が小さくなり、トルクリップルの低減効果を高めることができる。また、回転子積層板５の仕様を交互に積層させるよりも回転子積層板５の積層が容易になるため、組付け性が向上する効果も得られる。
【００３０】
〔第１実施例〕
この第１参考例は、図８に示すように、バリア仕様Ａのバリアパターンと、バリア仕様Ｂのバリアパターンとを同一の回転子積層板５に設けたものであり、この２種類のバリアパターンを有する回転子積層板５を積層して回転子２を構成するものである。
【００３１】
このように設けても、第２参考例と同様の効果を得ることができる。また、第３参考例と同様、軸方向へ流れる磁束の度合が小さく、高いトルクリップルの低減効果を得ることができる。
さらに、１種類の回転子積層板５を積層して回転子２が構成されるため、回転子積層板５の積層が容易になり、組付け性が向上する効果も得られる。
【００３２】
〔第２実施例〕
この第２実施例は、図９に示すように、突極１ａの先端における回転方向の幅ａよりも、突極１ａの根元における回転方向の幅ｂを広く設けたものである（ｂ＞ａ）。具体的に、この第２実施例では、突極１ａの回転方向の形状は、突極１ａの根元部分にＲ部を設け、さらに先端辺が根元部分よりも短辺となる台形形状に設けられたものを採用している。
【００３３】
このように突極１ａの根元部分が太くなると、根元部分での磁束集中が緩和されるとともに、突極１ａにおいて磁束をより多く流すことができる。また、突極１ａの磁気飽和が緩和されることにより、磁気飽和による性能の低下を防ぐことができる。
さらに、突極１ａの根元部分を太くした台形形状を採用することにより、スロットの形状が台形形状から長方形状に変わるため、スロット内に有効に巻線３を装着でき、巻線３の占積率を向上させることができる。
【００３４】
〔第３実施例〕
この第３実施例は、図１０に示すように、回転子２の軸方向寸法Ｌ1 を、固定子１の軸方向寸法Ｌ2 よりも長く設けたものである（Ｌ1 ＞Ｌ2 ）。具体的には、回転子２を構成する回転子積層板５（符号第１参考例参照）の積層枚数が、固定子１を構成する固定子積層板４（符号第１参考例参照）の積層枚数より多く、結果的に回転子２の軸方向寸法Ｌ1 が固定子１の軸方向寸法Ｌ2 より長く設けられたものである。
【００３５】
ここで、固定子１と回転子２の軸方向長が同一の場合、組付け誤差により固定子１と回転子２の両者に軸方向の位置に誤差が生じると、通電作動時に軸方向への力が発生し、電動機の挙動が不安定となり、振動の原因となってしまう。
これに対し、この第３実施例のように、回転子２の軸方向寸法Ｌ1 を固定子１の軸方向寸法Ｌ2 より長く設けることにより、軸方向の組付け誤差を寸法差（Ｌ1 −Ｌ2 ）で吸収できるため、軸方向への力が発生しなくなり、振動の発生を防ぐことができる。
また、固定子１の軸方向寸法が小さくなることにより、巻線３の長さが短くなり、銅損を低減することができる。
【００３６】
〔第４実施例〕
この第４実施例は、図１１に示すように、固定子１の軸方向寸法Ｌ2 を、回転子２の軸方向寸法Ｌ1 よりも長く設けたものである（Ｌ2 ＞Ｌ1 ）。具体的には、固定子１を構成する固定子積層板４（符号第１参考例参照）の積層枚数が、回転子２を構成する回転子積層板５（符号第１参考例参照）の積層枚数より多く、結果的に固定子１の軸方向寸法Ｌ2 が回転子２の軸方向寸法Ｌ1 より長く設けられたものである。
【００３７】
このように設けられたことにより、上記第３実施例と同様、固定子１と回転子２の軸方向の組付け誤差を寸法差（Ｌ2 −Ｌ1 ）で吸収できるため、軸方向への力が発生しなくなり、振動の発生を防ぐことができる。
また、回転子２の軸方向寸法が小さくなることにより、回転子２のイナーシャを小さくすることができ、電動機の応答性がよくなる。
【００３８】
〔第５実施例〕
この第５実施例は、図１２に示すように、スロット１ｂの回転子２側の先端部を、突極１ａと一体の閉塞部７（磁性体）によって閉じたものである。このように設けたことにより、固定子１側の磁界分布が滑らかに変化するようになるため、トルクリップルを低減することができる。また、回転子２側に流れ込む磁束の量を増やすことができるため、平均トルクを向上させることができる。
なお、図１２の閉塞部７は、回転子２側の先端部の一部分を閉じるものであるが、回転方向に全周に亘ってスロットの回転子２側の先端部を閉じるように設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】    三相リラクタンス型電動機の概略図である（第１参考例）。
【図２】    三相リラクタンス型電動機の概略図である（従来例）。
【図３】    電流波形を示すグラフである（第１参考例）。
【図４】    回転子積層板のバリアパターンを示す図である（第２参考例）。
【図５】    回転子積層板の積層状態の説明図である（第２参考例）。
【図６】    トルク波形を示すグラフである（第２参考例）。
【図７】    回転子積層板の積層状態の説明図である（第３参考例）。
【図８】    回転子積層板の平面図である（第１実施例）。
【図９】    突極の形状を示す図である（第２実施例）。
【図１０】    固定子と回転子の軸方向寸法差を示す図である（第３実施例）。
【図１１】    固定子と回転子の軸方向寸法差を示す図である（第４実施例）。
【図１２】    固定子のスロット形状を示す図である（第５実施例）。
【符号の説明】
１ 固定子
１ｂ スロット
１ａ 突極
２ 回転子
３ 巻線
４ 固定子積層板
５ 回転子積層板
６ バリア
７ 閉塞部（磁性体）
【図１】
0004454107.tif 000002
【図２】
0004454107.tif 000003
【図３】
0004454107.tif 000004
【図４】
0004454107.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004454107.tif 000007
【図７】
0004454107.tif 000008
【図８】
0004454107.tif 000009
【図９】
0004454107.tif 000010
【図１０】
0004454107.tif 000011
【図１１】
0004454107.tif 000012
【図１２】
0004454107.tif 000013