技術 同期リラクタンスモータ

0001

本発明の実施形態は、インバータを用いずに商用電源により始動できる同期リラクタンスモータに関する。

0002

近年、インバータを用いずに始動できるリラクタンスモータが開発されている。この種のモータは、例えば、回転子に設けたフラックスバリアスリット（磁気障壁空洞）内にアルミニウムを充填して、充填したアルミニウムの軸方向両端を短絡した二次コイルを備えている。

0003

特開２００３−９４８４号公報
特開２００２−１９９６７４号公報

0004

フラックスバリアスリットは、回転子の外周近くでの不所望な漏れ磁束を少なくするため、回転子の外周ギリギリまで伸びている。このため、フラックスバリアスリット内にアルミニウムを充填すると、回転子スロット（ティース）のピッチに応じて脈動する磁束が、回転子の外周近くまで充填されたアルミニウムの部分を鎖交するため、モータの回転に寄与しない不所望な高調波電流がアルミニウム充填部に流れる。この高調波電流は、ジュール熱に変換され、その分、モータの効率を下げる。

0005

よって、インバータを用いずに始動できモータ効率を向上させることができる同期リラクタンスモータの開発が望まれている。

0006

実施形態に係る同期リラクタンスモータは、鉄心を貫通した磁気障壁空洞を有する回転子と、この回転子の外側に隙間を介して同軸に配置され、回転子に対向し周方向に離間した複数のスロット、およびこれら複数のスロットに設けた一次コイルを有する固定子と、回転子に設けた二次コイルと、を有する。二次コイルは、回転子の外周から該回転子の半径の５％〜１０％内側に離間して配置された導電部材を含む。

0007

図１は、第１の実施形態に係る同期リラクタンスモータの要部を示す断面図である。
図２は、図１のモータの側面図である。
図３は、図１のモータの回転子を通る磁束について説明するための図である。
図４は、図１のモータの回転子の端板を軸方向から見た正面図である。
図５は、第２の実施形態に係る同期リラクタンスモータの要部を示す断面図である。
図６は、図５のモータの側面図である。
図７は、図５のモータの回転子の端板を軸方向から見た正面図である。

0008

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態に係る同期リラクタンスモータ１００（以下、単にモータ１００と称する）の要部を示す断面図である。図２は、モータ１００を横から見た側面図である。図１は、モータ１００を回転軸１と直交する面に沿って切断した断面をｑ軸の位置で４等分した中心角９０°分の構造を示す。つまり、本実施形態のモータ１００は、周方向に沿って４つの極（ｑ軸上の極）を有し、図１の構成を４つ組み合わせた断面形状を有する。

0009

モータ１００は、略円柱状の回転子１０、および略円筒状の固定子２０を有する。
回転子１０は、回転軸１、回転軸１に沿って複数枚の円板状の磁性部材２を重ねた略円柱形の鉄心４、および複数枚の磁性部材２の重ね方向の両側から鉄心４を押える２枚の端板６、８（一対の短絡部材）を有する。複数枚の磁性部材２を重ねた鉄心４および２枚の端板６、８は、その中心に、回転軸１を通す中心孔４ａ、６ａ、８ａを有する。言い換えると、回転軸１は、複数枚の磁性部材２および２枚の端板６、８の中心孔４ａ、６ａ、８ａを貫通して固定されている。

0010

複数枚の磁性部材２は、例えば鋼材により形成された同じ大きさの円板である。２枚の端板６、８は、磁性部材２より径の小さい円板である。２枚の端板６、８は、例えば、アルミニウム、ステンレス、銅などの非磁性導電部材により形成されている。２枚の端板６、８は、ここでは図示しない締結部材によって互いに近付く方向に締め付けられており、複数枚の磁性部材２をその重ね方向に押圧して挟んで固定している。

0011

また、複数枚の磁性部材２からなる鉄心４には、回転軸１に沿って鉄心４を貫通した複数のフラックスバリアスリット５（磁気障壁空洞）（以下、単にスリット５と称する）が設けられている。複数のスリット５は、それぞれ、４つの極を通るｑ軸磁束の流れに沿って湾曲した断面形状を有する。複数のスリット５は、図３に矢印で示すように、鉄心４を通る磁束の流れを形成するために設けられている。つまり、スリット５は、磁束を通過させない磁気障壁として機能する。以下、複数のスリット５の断面形状について説明する。

0012

具体的には、各スリット５は、２つの隣接するｑ軸の間のｄ軸を中心に線対称となる円弧状の断面形状を有する。各スリット５の断面の長手方向の両端は、鉄心４の外周（すなわち、回転子１０の外周１０ａ）に近い位置に配置されている。鉄心４の中心角９０°分の構造には、４つのスリット５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが設けられている。４つのスリット５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのうち円弧状の断面が最も長いスリット５ｄの両端はｑ軸近くに配置され、このスリット５ｄの湾曲した中央部分は回転軸１方向に突出している。つまり、スリット５ｄは、回転子１０の外周１０ａと逆向きに湾曲している。

0013

スリット５ｄの次に円弧状の断面が長いスリット５ｃの両端はスリット５ｄの端部に対してｑ軸とは反対側に隣接している。スリット５ｃはスリット５ｄに対して回転軸１とは反対側に配置されており、湾曲した中央部分が回転軸１方向に突出している。つまり、スリット５ｃはスリット５ｄと同じ方向に湾曲している。次に長いスリット５ｂは、同様に、スリット５ｃに対して回転軸１とは反対側に配置されている。スリット５ａも、同様に、スリット５ｂに対して回転軸１とは反対側に配置されている。特許請求の範囲では、回転子１０の外周１０ａに近いスリット５の両端を“端部”として定義している。

0014

本実施形態では、鉄心４の中心角９０°毎に４つ（合計１６個）のスリット５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ（以下、総称してスリット５とする場合もある）を設けた。スリット５の数はこれに限らない。各スリット５の断面形状は、ｄ軸を中心に線対称な形状にされ、回転軸１に向けて中央が突出する方向に湾曲した円弧状に形成されている。言い換えると、スリット５の断面形状を図３に示す形状にすることで、矢印で示す磁束の流れをｑ軸に集めることができる。

0015

各スリット５の“端部”と回転子１０の外周１０ａとの間には、ブリッジ５０が設けられている。当然のことながら、各スリット５の“端部”は、回転子１０の外周１０ａまで到達していない。各スリット５の“端部”と回転子１０の外周１０ａとの間の距離、すなわち回転子１０の径方向に沿ったブリッジ５０の幅は、適切な値に設計する必要がある。鉄心４を通る磁束のうちブリッジ５０を通る磁束は漏れ磁束となる。この漏れ磁束を少なくするためには、ブリッジ５０の幅をできるだけ狭くすることが望ましい。反面、ブリッジ５０の幅をあまり狭くし過ぎると、鉄心４の機械強度が低下して回転子１０に必要とされる十分な機械強度を保てない。つまり、ブリッジ５０の幅には適正範囲が存在する。

0016

中心角９０°毎に設けた４つのスリット５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのうち比較的回転子１０の外周１０ａに近い２つのスリット５ａ、５ｂの中には、それぞれ、複数本（本実施形態では３本ずつ計６本）の導電バー１１（導電部材）が挿入配置されている。導電バー１１の本数もこれに限らない。本実施形態の導電バー１１は、断面が矩形の細長い板状である。各導電バー１１の回転軸１に沿った方向（軸方向）の両端は、端板６、８に電気的に接続されて固定されるとともに短絡されている。つまり、複数本の導電バー１１および端板６、８は、二次コイルとして機能する。

0017

図４は、回転子１０の端板６を軸方向から見た正面図であり、図１に合わせて、中心角９０°分の構造のみを示している。つまり、回転子１０の実際の形状は、図４の構造を４つ組み合わせた形状である。

0018

図４に示すように、端板６（８）は、複数本の導電バー１１の端部を挿通可能な複数の貫通した固定孔６ｂ（８ｂ）を有する。各固定孔６ｂ、８ｂは、挿通される導電バー１１の断面形状と略一致する形状を有し、導電バー１１を挿通可能な大きさを有する。各導電バー１１の長さは、図２に示すように、端板６、８の鉄心４と反対側の外面６ｃ、８ｃを超えて軸方向外側に突出する長さに設計されている。

0019

端板６、８に設けた固定孔６ｂ、８ｂの向きおよび位置は、導電バー１１がスリット５ａ、５ｂの内壁に非接触となる向きおよび位置に設計されている。また、各導電バー１１の厚みおよび幅は、モータ１００を駆動して回転子１０を回転させた際に、導電バー１１が遠心力によって撓んだ場合であっても、導電バー１１がスリット５ａ、５ｂの内壁に接触しない値に設計されている。これにより、モータ１００を駆動して回転子１０を回転させた際に、導電バー１１が振動したり撓んだりしても、スリット５ａ、５ｂの内壁に接触して摩耗することが防止されるとともに、導電バー１１および／或いはスリット５ａ、５ｂの寸法精度を低くでき、その分、装置の製造コストを低減できる。

0020

各導電バー１１の軸方向の両端は、図２および図４に示すように、それぞれ、Ｌ字金具１２（固定具）によって端板６、８の外面６ｃ、８ｃに固定される。例えば、端板６、８をアルミニウムにより形成した場合、Ｌ字金具１２もアルミニウムにより形成する。そして、Ｌ字金具１２は、端板６、８の外面６ｃ、８ｃに対して溶接される。さらに、Ｌ字金具１２と導電バー１１は、図示しないネジにより締結固定される。

0021

Ｌ字金具１２は、図示のように、導電バー１１に対して、回転子１０の径方向の外側に配置することが好ましい。このように、Ｌ字金具１２を導電バー１１の外側に取り付けることにより、回転子１０の回転による遠心力が作用した場合における導電バー１１の取り付け強度を確保できる。なお、本実施形態では、Ｌ字金具１２を用いて導電バー１１を端板６、８に固定したが、代わりに端板６、８の固定孔６ｂ、８ｂに導電バー１１の端部を焼嵌めしてもよい。

0022

なお、本実施形態において、導電バー１１は、磁気障壁空洞であるスリット５内に配置されるため、磁束の通過を妨げる非磁性導電部材によって形成することが望ましい。非磁性導電部材として、例えば、銅、ステンレス、アルミニウムなどがある。また、導電バー１１は、回転子１０を回転したとき、遠心力によって撓んでスリット５の内壁に接触することのない剛性を持たせる必要があり、その材質や厚みが適当に選択される。さらに、導電バー１１は、例えば上述したＬ字金具１２と組み合わせて、端板６、８を鉄心４に締結固定するための固定具として用いることもできる。

0023

一方、固定子２０は、図１に示すように、略円筒形の固定子鉄心２１、およびこの固定子鉄心２１に巻き付けた電機子巻線２２を有する。固定子鉄心２１は、回転子１０の鉄心４の直径より大きい内径を有し、回転子１０の外周１０ａとの間に円筒状の隙間Ｓを介して非接触状態で回転子１０の外側に同軸に配置される。固定子鉄心２１は、回転子１０の鉄心４と同様に、複数枚の同じ形の金属板を軸方向に積層した構造を有する。

0024

回転子１０の外周１０ａに離間対向する固定子鉄心２１の内壁２１ａには、周方向に等間隔で離間して軸方向に伸びた複数のスロット２３が設けられている。これら複数のスロット２３を形成することで、固定子鉄心２１の内壁２１ａには、周方向に等間隔で離間して軸方向に伸びた複数のティース２４が形成される。そして、複数のスロット２３には、電機子巻線２２（一次コイル）が巻き付けられる。

0025

上記構造のモータ１００を駆動する場合、固定子２０の電機子巻線２２に三相交流を流す。これにより、電機子巻線２２に１２０°ずつ位相のずれた交流電流が流れ、各ティース２４に対応して生じる磁極が固定子２０の周方向に回転移動する。固定子２０に対して停止した状態の回転子１０が固定子２０側の磁極の回転に同期して回転するまでの間の非同期状態で、回転子１０のスリット５内に配置した導電バー１１に誘導電流が流れる。つまり、この場合、導電バー１１は、二次コイルとして機能し、固定子２０との間で、回転子１０を回転させるための始動トルクを発生する。

0026

本実施形態では、導電バー１１を回転子１０のスリット５の“端部”から離間させてスリット５内に配置したため、導電バー１１を“端部”に配置した場合と比較して、回転子１０と固定子２０との間の隙間Ｓで生じるスロットルニップルに起因した高調波磁束が導電バー１１と鎖交し難く、高調波二次銅損が発生し難い。このため、本実施形態のモータ１００では、固定子２０側の磁極の回転に回転子１０の回転を同期させる同期回転時の二次銅損は、一次銅損の１／１０以下であり、効率の低下はほとんど見られなかった。

0027

以下、導電バー１１の好適なレイアウトについて説明する。なお、ここでは、スリット５の中央に配置した導電バー１１ではなく、スリット５の“端部”近くに配置した２つの導電バー１１のレイアウトについて説明する。

0028

モータ１００の始動トルクを高めるためには、固定子２０から流れ込む磁束が効率よく導電バー１１に鎖交する必要があるため、導電バー１１は、固定子２０に近い回転子１０の外周１０ａ近くに配置することが望ましい。よって、本実施形態では、複数のスリット５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのうち比較的固定子２０に近いスリット５ａ、５ｂ内に導電バー１１を挿入配置した。しかし、導電バー１１を固定子２０に近付け過ぎると、上述した高調波磁束が導電バー１１と鎖交し易くなり、回転子１０の回転に寄与しない不所望な高調波電流が流れてしまう。このため、導電バー１１は、上述した高調波磁束に鎖交しないギリギリの位置まで固定子２０に近付けてレイアウトすることが望ましい。

0029

よって、本実施形態では、複数のスリット５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのうち比較的固定子２０に近いスリット５ａ、５ｂ内に導電バー１１を挿入配置し、且つスリット５ａ、５ｂの“端部”から僅かに離間させて導電バー１１を配置した。導電バー１１を挿入配置するスリットは５ａ、５ｂに限らず、５ｃや５ｄであっても良いが、スリット５ｃ、５ｄの“端部”から僅かに離間させて導電バー１１を配置する必要がある。

0030

一方、導電バー１１を挿入配置するスリット５は、鉄心４を通る磁束の経路をコントロールするための磁気障壁空洞であるため、回転子１０の外周１０ａにできるだけ近い位置までスリット５の両端が伸びていることが望ましい。ここで言うできるだけ近い位置とは、スリット５の“端部”と回転子１０の外周１０ａとの間のブリッジ５０の幅が、鉄心４の機械強度を十分確保できる幅より少なくとも大きくなる位置である。

0031

このため、導電バー１１を固定子２０にできるだけ近付けるように導電バー１１をスリット５の“端部”に配置してしまうと、上述した高調波磁束が導電バー１１と鎖交し、モータ１００の回転に寄与しない高調波電流が流れてしまう。よって、本実施形態では、比較的固定子２０に近いスリット５ａ、５ｂの“端部”から離間して導電バー１１をスリット５ａ、５ｂ内に配置するようにした。このように、導電バー１１をスリット５の“端部”から少なくとも離間させて配置することで、“端部”に配置した場合と比較して、高調波磁束が導電バー１１と鎖交する不具合を抑制でき、回転効率の低下を抑制できる。

0032

反面、上述したように、導電バー１１を回転子１０の外周１０ａから離し過ぎると、モータ１００の始動時における駆動力が小さくなってしまう。よって、導電バー１１のスリット５内における配置位置には適正範囲が存在する。

0033

本実施形態において、モータ１００の効率が最も良くなる導電バー１１の位置を調べたところ、導電バー１１と回転子１０の外周１０ａとの間の距離を鉄心４の半径の５％〜１０％にした場合に効率が良好になることがわかった。回転子１０の外周１０ａと導電バー１１との間の距離を鉄心４の半径の５％より短くすると、上述した高調波電流が流れ易くなり、１０％より長くすると、停止状態の回転子１０を回転させるための始動トルクが不十分となる。

0034

以上のように、本実施形態によると、回転子１０のフラックスバリアスリット５内に導電バー１１を位置決め配置して両端を短絡させるだけの簡単な構成の追加により、インバータを用いずに始動でき且つ効率を高めることができる同期リラクタンスモータを提供できる。

0035

導電バー１１を設ける代わりに、スリット５の“端部”にスペーサを挿入してスリット５の残りの部分にアルミニウムを充填して、スペーサを取り除くことでも、本実施形態と同様の効果を奏することができる。しかし、本実施形態のように、導電バー１１を用いることで、モータ１００の組立を容易にでき、製造コストを低減できる。

0036

また、本実施形態によると、導電バー１１と端板６、８を鉄心４に締め付けるための治具として使うこともでき、その分、部品点数を少なくでき、装置の製造コストを低減できる。また、端板６、８を導電バー１１の短絡部材として使用でき、その分、部品点数を少なくできる。

0037

また、本実施形態によると、導電バー１１をスリット５の内壁に対して非接触状態で配置するようにしたため、モータ１００の回転によって導電バー１１が振動したり撓んだりした場合であっても、導電バー１１がスリット５の内壁に接触して摩耗することを防止でき、モータ１００の使用寿命を延長できる。

0038

ところで、各スリット５ａ、５ｂの中央に配置した導電バー１１は、回転子１０の外周１０ａから回転子１０の半径の１０％を超える位置に配置されている。つまり、この導電バー１１は、少なくとも、回転子１０の外周１０ａから回転子１０の半径の５％離れた位置より回転軸１寄りに配置されている。このため、この導電バー１１には、少なくとも上述した高調波磁束が作用することがなく、この導電バー１１を設けることでモータ１００の効率が低下することはない。一方で、この中央の導電バー１１は、モータ１００の上述した始動トルクに全く寄与しない訳ではなく、この導電バー１１を設けることで、始動トルクを僅かに大きくすることができる。従って、この中央の導電バー１１は、発明に必須の構成ではないが、スリット５ａ、５ｂ内に配置しても良い。

0039

次に、第２の実施形態について、図５乃至図７を参照して説明する。図５は、第２の実施形態に係る同期リラクタンスモータ２００（以下、単に、モータ２００と称する）の要部断面図であり、図６は、モータ２００の側面図であり、図７は、モータ２００の回転子１０の端板６を軸方向から見た正面図である。

0040

なお、図５および図７は、それぞれ、図１および図４に対応するものであり、実際のモータ２００を４等分した中心角９０°分の構成を示すものである。以下の説明では、上述した第１の実施形態のモータ１００と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

0041

本実施形態のモータ２００は、スリット５内に導電バー１１を配置する代わりに、スリット５から外れた位置で鉄心４を軸方向に貫通する複数本の導電バー３１を設けた構造を有する。

0042

鉄心４には、複数本の導電バー３１を挿通するため、スリット５とは別に、複数の挿通孔３２（取付孔）が軸方向に延設されている。導電バー３１は、鉄やパーメンジュールなどの高透磁率材料により形成されることが望ましい。本実施形態の導電バー３１は、磁束が通る経路上に配置されるため、磁束の流れを妨げることのない磁性導電部材により形成する必要がある。各導電バー３１は、対応する挿通孔３２に対して隙間無く挿通配置される。

0043

挿通孔３２は、導電バー３１を受け入れない状態では、スリット５と同様にフラックスバリアとして機能する。しかし、磁性導電部材により形成した導電バー３１を挿通孔３２内に隙間無く挿通配置することで、導電バー３１が鉄心４と一体になり、導電バー３１が磁気障壁となることはない。

0044

複数本の導電バー３１の軸方向の両端部は、端板６、８に接続されて短絡されている。つまり、これら複数本の導電バー３１は、端板６、８とともに二次コイルとして機能する。導電バー３１の端部の固定構造は上述した第１の実施形態と同様である。なお、図７では、図示明瞭化のため、この固定構造の図示を省略してある。

0045

導電バー３１は、図示のように、スリット５から外れたあらゆる位置にレイアウトすることができるが、第１の実施形態と同様に、回転子１０の外周１０ａに近い位置にレイアウトすることが望ましい。しかし、本実施形態の導電バー３１も、不所望な高調波電流が流れない好適な距離で、回転子１０の外周１０ａから内側に離間させることが望ましい。よって、本実施形態でも、回転子１０の外周１０ａと導電バー３１との間の距離を、回転子１０の半径の５％〜１０％の距離に設定した。

0046

以上のように、第２の実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。つまり、本実施形態においても、インバータを用いずに始動でき且つモータ効率を高めることができる同期リラクタンスモータを提供できる。

0047

また、本実施形態においても、回転子１０の回転が固定子２０側の磁極の回転に同期していない非同期状態において、導電バー３１に誘導電流が流れる。この誘導電流は、導電バー３１の周辺に短絡磁束（導電バー３１のみに鎖交する磁束）を発生させ、導電バー３１の周辺部を磁気飽和させる。この磁気飽和により、ｑ軸磁路の磁気抵抗が高くなり、突極比が小さくなる。

0048

一方、モータの始動時（固定子の回転磁界の速度に対して回転子の回転速度が遅い場合）には、回転子の突極性に起因した逆相電流が流れて、回転子の回転数が同期速度の１／２以上となる回転数では、始動トルクを妨げる方向にトルクを発生させる。これに対し、本実施形態のように鉄心４に導電バー３１を埋め込むと、始動時の突極比が小さくなるため、逆相電流が緩和され、始動トルクの低下が抑えられる。なお、同期運転時には、導電バー３１には電流がほとんど流れないため、突極比が低下することはなく、特性（トルクや力率）は低下しない。また、回転子１０の外周１０ａと導電バー３１との間の距離が鉄心４の半径の５％以上あれば、高調波損失もほとんど発生せず、モータ効率が低下することはない。

0049

つまり、本実施形態によると、始動時の突極比に起因した逆相電流を低減することができ、モータ２００の始動トルクの低下を抑制できる。

0050

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

0051

例えば、上述した第１および第２の実施形態を組み合わせて、スリット５内に導電バー１１を配置するとともに鉄心４を貫通する導電バー３１を設けてもよい。いずれにしても、導電バー１１、３１は、回転子１０の外周１０ａから所定距離（回転子１０の半径の５％〜１０％）内側に離れた位置に配置する必要がある。

0052

１…回転軸、２…磁性部材、４…鉄心、５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ…フラックスバリアスリット、６、８…端板、６ｂ、８ｂ…固定孔、１０…回転子、１１、３１…導電バー、１２…Ｌ字金具、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…電機子巻線、２３…スロット、２４…ティース、３２…挿通孔、５０…ブリッジ、１００、２００…同期リラクタンスモータ。