(57)【要約】【課題】回転にブレーキがかかることなく、スイッチングによる吸引と切り離しを円滑に行える。【解決手段】磁気吸引が発生し前記回転子と前記固定子が重なり始める時点での空隙を、前記回転子と前記固定子の離れ際における空隙より小さくする。具体的には、例えば、回転子突極部の径方向長さを回転方向の幅を通じて一定とせずに、回転方向幅前側端の径方向長さが最も長く、回転方向幅後側端の径方向長さを最も短くし、突極部２ｂと櫛歯部４ｂの重なり始めにおける空隙５ｂが、離れ際における空隙５ｃよりも小さくなる構造とすること。その結果、吸引力を必要とする突極部２ｂと櫛歯部４ｂが重なり始め（ア）では空隙５ｂが最も小さくなっているため、突極部２ｂと櫛歯部４ｂが最も強く引き付け合い、電流が切られる対向時以降（イ）（ウ）における残留磁場は、空隙が広がることにより急激に減衰することになる。【選択図】  図２
2007181306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
4極あるいはそれ以上の極数をもつ回転子および固定子を有するスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記回転子の突極部と前記固定子の櫛歯部との間の空隙については、前記回転子と前記固定子の重なり始めにおける空隙が、前記回転子と前記固定子の離れ際における空隙より小さい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】
前記重なり始めにおける空隙が、前記離れ際における空隙の5/6以下であることを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３】
回転子突極部の回転方向幅前側1/6部分が固定子櫛歯部と重なった場合の空隙が、回転子突極部の回転方向幅後側1/6部分が固定子櫛歯と重なった場合の空隙の5/6以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項４】
回転子突極部の径方向長さは、回転方向の幅を通じて一定でないことを特徴とする請求項1〜３のいずれかに記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項５】
固定子の櫛歯の径方向長さは、回転方向の幅を通じて一定でないことを特徴とする請求項1〜３のいず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、回転子に突極部を有するスイッチトリラクタンスモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スイッチトリラクタンスモータは、回転子、固定子とも、通常、電磁鋼板を積層してつくられ、また磁石を用いないため単純かつ堅牢な構造である。そのため、最近、自動車の駆動用モータを初め注目されつつある。このスイッチトリラクタンスモータは、スイッチング電流により固定子に巻線されて形成された各励磁コイルに選択的に通電することで、固定子の櫛歯部が次々と磁化され、固定子の櫛歯部に回転子の突極部が磁気吸引により引き寄せられる（以下、吸引力と称す）ことによって回転子が回転し回転トルクを発生させる構造となっている。この場合、固定子の櫛歯部が通電により磁化され、回転子の突極部が引き寄せられた後、突極部、櫛歯部が対向する時点では、スイッチの電流が切られ、次の櫛歯部へとスイッチされることとなる。
【０００３】
すなわち、突極部が櫛歯部に近づく時点では強い吸引力が必要であるが、対向する時点では、速やかに離れることが必要である。突極部と櫛歯部が対向する時点で吸引力が残留すると、回転にブレーキがかかってしまいスムーズに回転せず好ましくない。
【０００４】
上記に対して、従来からは、ブレーキをかけずに推進力のみを発生させ、電流のスイッチングのタイミングを最適化させることで吸引と切り離しを円滑に行い回転させている。しかし、この技術は複雑な制御を必要とする。さらには、電流を切った後も残留磁場が減衰しながら存在するため、対向時あるいはそれ以降も回転にブレーキがかかってしまう。そして、これを避けるために早めに電流をスイッチしているのが現状である。
【０００５】
一方で、吸引と切り離しを円滑に行うために、回転子および固定子の形状を工夫する技術も開示されている（例えば、特許文献１〜５）。しかしながら、特許文献１〜５を持ってしても吸引と切り離しを円滑に行うには未だ不充分である。
【特許文献１】特開2004-236369号公報
【特許文献２】特開2003-32979号公報
【特許文献３】特開2002-136073号公報
【特許文献４】特開2001-268868号公報
【特許文献５】特開2001-186693号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑み、スイッチトリラクタンスモータにおいてブレーキをかけずに推進力のみを発生させるための有利な形状となる回転子と固定子を有するスイッチトリラクタンスモータを提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、上記課題を解決するために、回転子突極部と固定子櫛歯部との間の空隙に着目し、詳細に調査、検討を行った。その結果、以下の知見を得、本発明を完成するに至った。
１）従来のスイッチトリラクタンスモータにおいて、回転子突極部と固定子櫛歯部の対向時から離れ際において、回転にブレーキがかかってしまうのは、回転子突極部と固定子櫛歯部の間の空隙が重なり初めから離れ際まで一定であることに起因する。
２）回転子突極部と固定子櫛歯部の磁気吸引と切り離しを円滑に行うためには空隙を一定とはせずに、吸引力を必要とする重なり始めにおける空隙を、切り離しすなわち離れ際における空隙より小さくすることが重要である。
３）さらに、回転子の突極部と前記固定子の櫛歯部の形状を工夫することで、適切な空隙が吸引と切り離し時に得られる。
【０００８】
本発明は、以上の知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［１］4極あるいはそれ以上の極数をもつ回転子および固定子を有するスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記回転子の突極部と前記固定子の櫛歯部との間の空隙については、前記回転子と前記固定子の重なり始めにおける空隙が、前記回転子と前記固定子の離れ際における空隙より小さいことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
［２］前記［１］において、前記重なり始めにおける空隙が、前記離れ際における空隙の5/6以下であることを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
［３］前記［１］または［２］において、回転子突極部の回転方向幅前側1/6部分が固定子櫛歯部と重なった場合の空隙が、回転子突極部の回転方向幅後側1/6部分が固定子櫛歯と重なった場合の空隙の5/6以下であることを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
［４］前記［１］〜［３］のいずれかにおいて、回転子突極部の径方向長さは、回転方向の幅を通じて一定でないことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
［５］前記［１］〜［３］のいずれかにおいて、固定子の櫛歯の径方向長さは、回転方向の幅を通じて一定でないことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回転子突極部と固定子櫛歯部が対向する時点で、回転にブレーキがかかることなく、スイッチングによる吸引と切り離しを円滑、スムーズに行うことができる。その結果、高いモータ効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１１】
まず、本発明において対象とするスイッチトリラクタンスモータとは、4極あるいはそれ以上の極数をもつ回転子および固定子を有するスイッチトリラクタンスモータである。さらに、回転子の突極部と固定子の櫛歯部との間の空隙については、磁気吸引が発生し回転子と固定子が重なり始める時点での空隙が、回転子と固定子の離れ際における空隙より小さいことを本発明の特徴とする。以下、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
【００１２】
図１は従来のスイッチトリラクタンスモータを示す正面図である。図１中、回転子１の突極部２ａと固定子３の櫛歯部４ａはいずれも、回転方向幅に対して径方向の長さが一定となっている。そのため突極部２ａと櫛歯部４ａの間の空隙５ａも一定であった。ここで、固定子３の櫛歯部４ａの吸引力により回転子１が回転する際に吸引力がモータの推力として使えるのは、突極部２ａと櫛歯部４ａが対向する以前の接近している時点である。逆に、突極部２ａと櫛歯部４ａが完全に対向している時点で吸引力が働くと、その場に居留まろうとする力が働き、ましてや突極部２ａと櫛歯部４ａが離れつつある時点で吸引力が働くと、回転とは逆方向に力が発生し回転にブレーキがかかってしまう。この点を考慮すると、図１に示す従来のスイッチトリラクタンスモータにおいて、対向時あるいはそれ以降も回転にブレーキがかかってしまうのは、回転子１の突極部２ａと固定子３の櫛歯部４ａの間の空隙５ａに変化がないためと考えられる。
そこで、本発明では、突極部と櫛歯部の間の空隙を一定とせずに、突極部と櫛歯部が対向する以前の接近している時点と、逆に完全に対向している時点での空隙を変えることに主眼を置き、研究を進めた。そして、突極部と櫛歯部が対向する以前の接近している時点すなわち磁気吸引が発生し前記回転子と前記固定子が重なり始める時点での空隙を、完全に対向した後すなわち離れ際における空隙より小さくすることで、スイッチングにおける吸引と切り離しが円滑に行えることを見出した。さらに、このように空隙に特徴を持たせるための最も確実で簡便な方法として、回転子の突極部と固定子の櫛歯部の形状、構造を工夫することであると考えた。
図２、図３は本発明の一実施形態を示す図であり、回転子の突極部と固定子の櫛歯部の要部拡大図である。なお、実際には、回転子の突極部と固定子の櫛歯部とが向かい合う、それぞれの端面は円筒状の曲面であるが、説明を簡略化するため、図２、図３および後述の図５、図７、図８、図９においては前記それぞれの端面を平面として表している。図２、図３において、図の矢印方向Ａの向きに回転子が回転する。そして、回転するに従い、回転子の突極部２ｂと固定子の櫛歯部４ｂは接近し重なり初めの状態（ア）から回転子の２ｂと固定子の櫛歯部４ｂが対向する状態（イ）そして回転子の突極部２ｂと固定子の櫛歯部４ｂが離れはじめ離れ際の状態（ウ）へと移っていく。ここで、回転子の突極部２ｂは、（ア）→（イ）→（ウ）となるに従い、図４において定義する、中心から突極部端面までの径方向長さが変化しており、（ア）における回転方向幅前側端の径方向長さが最も長く、（ウ）における回転方向幅後側端の径方向長さが最も短くなっている。そのために、突極部２ｂと櫛歯部４ｂの重なり始めにおける空隙５ｂが、離れ際における空隙５ｃよりも小さくなる構造となっている。図２においては、重なり始めで最も空隙５ｂが小さく、その後、空隙が広がり、離れ際で最も空隙５ｃが広がることになる。図３においては、重なり始めからある段階まで空隙５ｂが一定であり、ある段階において、空隙が広がりはじめ、離れ際で最も空隙５ｃが広がることになる。
【００１３】
図２、図３によれば、この空隙の変化により、吸引力を必要とする突極部２ｂと櫛歯部４ｂが重なり始め（ア）では空隙５ｂが最も小さくなっているため、突極部２ｂと櫛歯部４ｂが最も強く引き付け合い、電流が切られる対向時以降（イ）（ウ）における残留磁場は、空隙が広がることにより急激に減衰することになる。これにより電流スイッチングのタイミングを従来よりも少し遅らせても、回転にブレーキがかかることがなくなり、より効果的に円滑に吸引力を得、切り離しを行うことができる。
【００１４】
図５は本発明の他の一実施形態を示す図であり、回転子の突極部と固定子の櫛歯部の要部拡大図である。図５において、図の矢印方向Ａの向きに回転子が回転する。そして、図２および図３と同様に、回転するに従い、回転子の突極部２ｃと固定子の櫛歯部４ｃは接近し重なり初めの状態（ア）から回転子の突極部２ｃと固定子の櫛歯部４ｃが対向する状態（イ）そして回転子の突極部２ｃと固定子の櫛歯部４ｃが離れはじめ離れ際の状態（ウ）へと移っていく。ここで、固定子の櫛歯部４ｃは、（ア）→（イ）→（ウ）となるに従い、図６において定義する、外周を真円としたときの外周から櫛歯部端面までの径方向長さが変化しており、重なり初めの（ア）の径方向長さが最も長く、離れ際の（ウ）における径方向長さが最も短くなっている。そのために、突極部２ｃと櫛歯部４ｃの重なり始めにおける空隙５ｄが、離れ際における空隙５ｅよりも小さくなる構造となっている。図５においては、重なり始めで最も空隙５ｄが小さく、その後、空隙が広がり、離れ際で最も空隙５ｅが広がることになる。
【００１５】
そして、図５によれば、図２、図３同様に、この空隙の変化により、吸引力を必要とする突極部と櫛歯部が重なり始め（ア）では空隙５ｄが最も小さくなっているため、突極部２ｃと櫛歯部４ｃが最も強く引き付け合い、電流が切られる対向時以降（イ）（ウ）における残留磁場は、空隙が広がることにより急激に減衰することになる。これにより電流スイッチングのタイミングを従来よりも少し遅らせても、回転にブレーキがかかることがなくなり、より効果的に円滑に吸引力を得、切り離しを行うことができる。
【００１６】
以上により、本発明において、回転子の突極部と固定子の櫛歯部との間の空隙については、回転子と固定子の重なり始めにおける空隙は、回転子と固定子の離れ際における空隙より小さいこととする。そして、重なり始めにおける空隙が、離れ際における空隙より小さくするために、回転子の突極部の径方向長さは、回転方向の幅を通じて一定でないことが好ましく、さらに好ましくは回転方向幅前側端の径方向長さが最も長く、後側端の径方向長さが最も短くなる構造とすることが好ましい。あるいは、固定子の櫛歯部の径方向長さは、回転方向の幅を通じて一定でないことが好ましく、さらに好ましくは重なり初めの径方向長さが最も長く、離れ際における径方向長さが最も短くなる構造とすることが好ましい。
【００１７】
さらに、より良いモータ効率を得るために、スイッチングによる吸引と切り離しをより円滑、スムーズに行うことができる構造について調査した。その結果、重なり始めの空隙をａ、離れ際の空隙をｂとすると、ａ≦（5/6）ｂの場合に、スイッチングによる吸引と切り離しがスムーズに行われ、より高いモータ効率を示すことがわかった。よって、本発明において、好ましくは重なり始めにおける空隙が、離れ際における空隙の5/6以下とする。詳細は実施例において後述する。
【００１８】
また、回転子突極部の回転方向幅前側1/6部分が固定子櫛歯部と重なった場合の空隙をａ1、回転子突極部の回転方向幅後側1/6部分が固定子櫛歯と重なった場合の空隙をｂ1とした場合、ａ1≦（5/6）ｂ1となり、より高いモータ効率を示ことも確認された。よって、好ましくは回転子突極部の回転方向幅前側1/6部分が固定子櫛歯部と重なった場合の空隙が、回転子突極部の回転方向幅後側1/6部分が固定子櫛歯と重なった場合の空隙の5/6以下とする。なお、この場合の本発明の実施態様を図７〜図９に示す。
図７は、回転子の突極部２ｂの回転方向前側端の径方向長さが最も長く、回転方向後側端の径方向長さが最も短くなっており、重なり始めで最も空隙が小さく、その後、空隙が広がり、離れ際で最も空隙が広がる構造をとっている。そして、回転子突極部２ｂの回転方向幅前側1/6部分が固定子櫛歯部４ｂと重なった場合（エ）における空隙５ｆが、回転子突極部２ｂの回転方向幅後側1/6部分が固定子櫛歯部４ｂと重なった場合（オ）の空隙５ｇの５／６以下となっている場合である。
図８は、回転子の突極部２ｂの回転方向前側端の径方向長さが最も長く、回転方向後側端の径方向長さが最も短くなっており、回転子の突極部が重なり始めからある段階まで空隙が一定であり、ある段階において、空隙が広がりはじめ、離れ際で最も空隙が広がる構造をとっている。そして、回転子突極部２ｂの回転方向幅前側1/6部分が固定子櫛歯部４ｂと重なった場合（エ）における空隙５ｆが、回転子突極部２ｂの回転方向幅後側1/6部分が固定子櫛歯部４ｂと重なった場合（オ）の空隙５ｇの５／６以下となっている場合である。
図９は、回転子の突極部２ｃと固定子の櫛歯部４ｃの重なり初めにおける固定子の径方向長さが最も長く、離れ際における固定子の径方向長さが最も短くなっており、重なり始めで最も空隙５ｈが小さく、その後、空隙が広がり、離れ際で最も空隙５ｉが広がる構造をとっている。そして、回転子突極部２ｃの回転方向幅前側1/6部分が固定子櫛歯部４ｃと重なった場合（エ）における空隙５ｈが、回転子突極部２ｃの回転方向幅後側1/6部分が固定子櫛歯部４ｃと重なった場合（オ）の空隙５ｉの５／６以下となっている場合である。
【実施例１】
【００１９】
上述した本発明の実施態様の一つである図２、３、５、７、８、9に示すスイッチトリラクタンスモータを用いて、図２、３、５、７、８、9における空隙５ｂ、５ｄ、５ｆ、５ｈ、および空隙５ｃ、５ｅ、５ｇ、５ｉの値を変化させ、各々の場合のモータ効率を測定した。実験に用いたスイッチトリラクタンスモータは、回転子が固定子の内側に位置するインナーロータ型とし、回転子の中心から突極部先端までの平均距離を20mm、固定子の外径を80mmとし、回転子突極部と固定子櫛歯部との間の空隙の平均を0.20mmとした。回転子、固定子とも0.5mm厚みの無方向性電磁鋼板を打抜き積層したものであり、ともに軸方向長さを50mmとした。モータ効率は、スイッチトリラクタンスモータを回転させながら、これに直結させた負荷モータにより、負荷を与えて測定した。回転数、トルクを測定し出力値を求め、これとパワーメータで測定した入力電力との比によりモータ効率を求めた。本実施例では、回転数3000rpm、トルク0.5Nmにおける効率を測定した。なお、空隙５ｂ、５ｄ、５ｆ、５ｈの値をａ、空隙５ｃ、５ｅ、５ｇ、５ｉの値をｂとし、上記モータ効率はａ＝ｂにおけるモータ効率との比として整理した。得られた結果を図１０に示す。
【００２０】
図１０より、ａ＜ｂの場合において、モータ効率が上がり、吸引と引き離しがスムーズに行われていることがわかる。さらに、この傾向はａ≦（5/6）ｂにおいて顕著である。一方、ｂ＜ａにおいては、空隙が一定である通常のスイッチトリラクタンスモータよりも効率は悪くなっていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明のスイッチトリラクタンスモータはブレーキがかかることなく回転しトルクを発生させるため、エネルギー効率が高く、圧縮機、自動車の駆動用モータ等、幅広い用途での使用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来のスイッチトリラクタンスモータを示す正面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す図であり、回転子の突極部と固定子の櫛歯部の要部拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す図であり、回転子の突極部と固定子の櫛歯部の要部拡大図である。
【図４】回転子における径方向長さ示す図である。
【図５】本発明の他の一実施形態を示す図であり、回転子の突極部と固定子の櫛歯部の要部拡大図である。
【図６】固定子における径方向長さ示す図である。
【図７】本発明の他の一実施形態を示す図であり、回転子の突極部と固定子の櫛歯部の要部拡大図である。
【図８】本発明の他の一実施形態を示す図であり、回転子の突極部と固定子の櫛歯部の要部拡大図である。
【図９】本発明の他の一実施形態を示す図であり、回転子の突極部と固定子の櫛歯部の要部拡大図である。
【図１０】ａ／ｂとモータ効率（ａ＝ｂにおけるモータ効率との比）との関係を示す図である。（実施例１）
【符号の説明】
【００２３】
１  回転子
２ａ、２ｂ、２ｃ  突極部
３  固定子
４ａ、４ｂ、４c  櫛歯部
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ  空隙
Ａ  回転方向
【図１】
2007181306.tif 000003
【図２】
2007181306.tif 000004
【図３】
2007181306.tif 000005
【図４】
2007181306.tif 000006
【図５】
2007181306.tif 000007
【図６】
2007181306.tif 000008
【図７】
2007181306.tif 000009
【図８】
2007181306.tif 000010
【図９】
2007181306.tif 000011
【図１０】
2007181306.tif 000012