JPH11113228A - リラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リラクタンスモータのトルクリプルを低減させ
ることができ、作りやすく、モータを高速に回転させて
もトルクリプルが大きくなりにくいロータ構造を実現す
る。 【解決手段】ステータ極の張る角（θｓ）、ロータ極の
張る角（θｒ）、ステータの極数（Ｎｓ）、ロータの極
数（Ｎｒ）、通電電流の相数（ｍ）の間に、θｓ≒２π
／（ｍ・Ｎｒ）であり（θｓ＋π／Ｎｒ）／２≦θｒ≦
（π／Ｎｒ）である関係が成立する寸法とし、各相の通
電電流を正弦波とする。上記の数量関係に調整されてい
ると、ロータを回転させながら測定したときのステータ
コイルのインダクタンスが正弦波に近似される。ステー
タに通電する電流を正弦波に調整すると、結果として生
じるトルクはロータの回転角度位置によらずに一定とな
る。このために、トルクリプルは効果的に低減される。
しかもロータを特殊形状にする必要が無く、容易に製造
でき、モータを高速に回転させてもトルクリプルを小さ
くおさえる事が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はリラクタンスモータ
において、トルクリプル（ロータを回転させる力の脈動
をいう）を低減する技術に関する。ここでいうリラクタ
ンスモータは、略円筒形状のステータの中で略円柱形状
のロータが回転するモータのうち、ステータの内周から
複数のステータ極が等間隔で突出し、ロータの外周から
複数のロータ極が等間隔で突出し、複数のステータコイ
ルに複数相の電流を通電することでロータを回転させる
モータをいう。なおステータ極数とロータ極数はかなら
ずしも一致しない。

【０００２】

【従来の技術】上記リラクタンスモータを高速で回転さ
せようとすると、ステータ極とロータ極の周方向の長さ
を適切に設定する必要がある。従来のリラクタンスモー
タでは、ステータ極とロータ極が向かい合っている状態
と、隣接する二つのステータ極の間にロータ極が位置し
ている状態との間で、インダクタンスが最大に変化する
様に設計しており、これによって、高速回転を可能にし
ている。

【０００３】上記を指標に設計されたリラクタンスモー
タの場合、完全な矩形波電流が通電されればトルクリプ
ルは生じない。しかしながら、通電開始時と通電停止時
において電流が瞬時には変化しないために、モータの回
転速度が高速になると、通電電流の波形が矩形波から大
きくずれることになり、結果としてトルクリプルが生じ
る。トルクリプルが大きくなると、リラクタンスモータ
が脱調し易くなり、また、回転速度の不均一性に起因し
て作動音が大きくなる。

【０００４】トルクリプルを低減する各種技術が提案さ
れている。特開平８−３２２１７１号公報には、ロータ
極にスキュー構造を組み込むことで、トルクリプルを低
減させる技術が記載されている。特開平８−１２６２７
３号公報には、ロータ極にスリットを形成すると共に、
ロータ極の先端両サイドに突部を形成することで、トル
クリプルを低減させる技術が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ロータにスキュー構造
を組み込む方式やロータにスリットを形成する方式のい
づれによっても、ケイ素鋼板を積層してロータを形成す
る工程が複雑化してしまう。またいづれの方式によって
も、モータの回転数が一層高速化すれば、トルクリプル
が押さえきれなくなってしまう。本発明の一つの目的
は、トルクリプルを低減させることができ、しかも、作
りやすいロータ構造を実現することにある。本発明の他
の一つの目的は、モータを高速に回転させても、トルク
リプルが大きくなりにくいロータ構造を実現することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、ステータの
内周から複数のステータ極が等間隔で突出し、ロータの
外周から複数のロータ極が等間隔で突出し、複数のステ
ータコイルに複数相の電流を通電してロータを回転させ
るリラクタンスモータの構造に関する。この発明のリラ
クタンスモータは、一つのステータ極の張る角（θ
ｓ）、一つのロータ極の張る角（θｒ）、ステータの極
数（Ｎｓ）、ロータの極数（Ｎｒ）、通電電流の相数
（ｍ）の間に、θｓ≒２π／（ｍ・Ｎｒ）であり（θｓ
＋π／Ｎｒ）／２≦θｒ≦（π／Ｎｒ）である関係が成
立しており、且つ、各相の通電電流が正弦波あるいは正
弦波の絶対値であることを特徴とする。

【０００７】上記の数量関係に調整されていると、ロー
タを回転させながら測定したときのステータコイルのイ
ンダクタンスが正弦波に近似される。そのために、ステ
ータに通電する電流を正弦波あるいは正弦波の絶対値に
調整すると、結果として生じるトルクはロータの回転角
度位置によらずに一定となる。このために、トルクリプ
ルは効果的に低減される。しかもロータを特殊形状にす
る必要が無く、その製造が容易である。また、モータを
高速に回転させても、トルクリプルを小さくおさえる事
が可能である。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に本発明を具体化した実施形態
を図面を参照して説明する。まず、図１は第１の実施形
態に係わるリラクタンスモータのロータＲとステータＳ
の横断面形状を示している。ロータＲは外周から突出す
る４個のロータ極Ｒ１〜Ｒ４を有し、４個のロータ極Ｒ
１〜Ｒ４は周方向に等間隔に配置されている。ステータ
Ｓは内周から突出する６個のステータ極Ｓ１〜Ｓ６を有
し、６個のステータ極Ｓ１〜Ｓ６は周方向に等間隔に配
置されている。各ステータ極Ｓ１〜Ｓ６の周りにはそれ
ぞれステータコイルＣ１〜Ｃ６が巻き回されているが、
図１では図示が省略されている。図２に示されているよ
うに、６本のステータコイルＣ１〜Ｃ６は、向かい合う
一対のコイル（Ｃ１とＣ４）、（Ｃ２とＣ５）、（Ｃ３
とＣ６）が組となっており、３組で構成されている。こ
の３組のコイルに対して３相の電流が通電される。各相
の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはそれぞれが正弦波であり、お
互いに１２０度づつ位相がずれている。図２は通電のた
めの回路構成を示し、直流電源２からの電流がｕ相、ｖ
相、ｗ相に分岐される。各相には２つずつのトランジス
タ（Ｉ、II）が配置されており、それぞれがコントロー
ラ４によってＰＷＭ制御され、各相の通電電流Ｉｕ、Ｉ
ｖ、Ｉｗのそれぞれが正弦波となり、かつ、お互いに１
２０度づつ位相がずれた波形に調整される。図１に示さ
れるリラクタンスモータは、ステータの極数（Ｎｓ＝
６）、ロータの極数（Ｎｒ＝４）、通電電流の相数（ｍ
＝３）である。

【０００９】一つのステータ極の張る角、すなわち、回
転中心から見た一つのステータ極の広がり角（θｓ）
は、２π／（ｍ・Ｎｒ）＝３６０度／（３＊４）＝３０
度に設定されている。また一つのロータ極の張る角（θ
ｒ）は π／Ｎｒ＝１８０度／４＝４５度以下で、か
つ、θｓ（この場合３０度）とπ／Ｎｒ（この場合４５
度）の平均値（この場合、３７．５度 ）以上に設定さ
れている。

【００１０】この数値範囲内に設定されていると、各ス
テータコイルのインダクタンス（例えば図２に示される
コイルＣ１の場合、コイルＣ１の両端Ｄ１とＭの間のイ
ンダクタンス）を、ロータＲを回転させながら測定した
ときに、測定されるインダクタンスは、ロータＲの回転
角に応じて正弦波に近似して変化する。これを図３を参
照して説明する。図３において（Ａ）はステータの歯形
を示し一つのステータ極はθｓ（＝２π／（ｍ・Ｎ
ｒ））の角度範囲で突出している。

【００１１】（Ｂ）は従来の設計方法で設計されるロー
タ極を示し、従来の設計法ではロータ極がステータ極に
向かい合った時に測定されるステータコイルのインダク
タンスと、ロータ極が隣接する二つのステータ極の中間
に位置した時に測定されるステータコイルのインダクタ
ンスとの差が最大となるように、ロータ極の角度範囲を
決める。このためには、一つのロータ極の張る角（θ
ｒ）が、一つのステータ極の張る角（θｓ）に等しい
か、あるいは１〜２度大きくする。こうすることでイン
ダクタンスは大きく変動し、ロータを回転させる大きな
力が得られる。しかしながら、従来の設計法に従うと、
インダクタンスが最大になっているロータの回転角度範
囲と、インダクタンスが最小になっている回転角度範囲
が、一致せず、ロータの回転角度に対して得られるイン
ダクタンスの変化曲線が、正弦波から大きくずれてしま
う。従来の設計法は、通電電流を矩形波とするために、
インダクタンスの変化曲線が正弦波から大きくずれてし
まう事が問題とならない。通電電流が矩形波であれば、
従来の設計法によっても、大きなトルクリプルは生じな
い。しかしながら、モータの回転が高速になると、通電
電流を矩形波とすることが難しくなる。

【００１２】本発明では、発想を変え、インダクタンス
が最大になっているロータの回転角度範囲と、インダク
タンスが最小になっている回転角度範囲をほぼ一致させ
て、ロータの回転角度に対して得られるインダクタンス
の変化曲線を正弦波に近づける。その上で正弦波電流を
通電すると、後述の様に、結果として生じるロータの駆
動トルクは、ロータの回転角によらず一定になる。これ
は本発明で着想された手法である。

【００１３】図３の（Ｃ）は、ロータ極の張る角（θ
ｒ）をπ／Ｎｒとした場合である。この場合は、ロータ
極とロータ極の間の角度もπ／Ｎｒに等しくなる。ロー
タ極の張る角と極間の間隔が張る角が等しいロータが回
転する場合、各ステータコイルのインダクタンスは、最
大となっている期間（ステータ極にロータ極が向かい合
っている期間）と、最小になっている期間（ステータに
ロータ極間の間隔が向かい合っている期間）が等しくな
り、ロータの回転角度位置に対してインダクタンスをプ
ロットしたカーブ（インダクタンス波形）は正弦波に近
づく。これが（Ｇ）に示されている。

【００１４】実際には、ステータ極にロータ極が接近す
ると、完全に向かい合うようになる前から、ステータ極
からロータ極に斜めに向かう磁束の影響が現れる。この
斜めの磁束の存在によって、ロータ極の張る角（θｒ）
がロータ極間の間隔が張る角度もよりも若干小さくなっ
ても、インダクタンスが最大となっている期間（ステー
タ極にロータ極が向かい合っている期間）と、最小にな
っている期間（ステータにロータ極間の間隔が向かい合
っている期間）が等しくなる。これを、実験によって確
かめると、ロータ極の張る角（θｒ）が（θｓ＋π／Ｎ
ｒ）／２以上であれば、インダクタンス波形は正弦波に
良く近似することがわかっている。

【００１５】この事を、（Ｆ）を参照して要約すると、
ステータ極の張る角（θｓ）をθｓ＝２π／（ｍ・Ｎ
ｒ）としたとき、従来はロータ極の張る角（θｒ）もほ
ぼ等しくしていた。これに対し、本発明では、ロータ極
の張る角（θｒ）を大きくする。その場合の下限値は
（θｓ＋π／Ｎｒ）／２であり、これが図（Ｆ）で点Ｄ
に示されている。また上限値は π／Ｎｒであり、これ
が図（Ｆ）で点Ｃに示されている。本発明では、ロータ
極の張る角度（θｓ）を 図（Ｆ）で矢印ｆに示される
範囲内に設定する。

【００１６】実際にロータ極の張る角度を決定する際に
は、ロータとステータ間の磁気特性をモデル化した数値
計算ソフトを利用して、初期の特性を満足する角度を計
算する。このとき、ロータ極の張る角度の下限値と上限
値が予めわかっているために、数値計算を確実に短時間
で実行できる。

【００１７】（Ｅ）は、横軸にロータの回転角度位置を
示し、縦軸に３相のステータコイルのそれぞれのインダ
クタンスをプロットしたインダクタンス波形を示し、ロ
ータ極の張る角度（θｒ）が、（θｓ＋π／Ｎｒ）／２
以上でπ／Ｎｒ以下に設定されていると、インダクタン
スが最大値になっている期間と最小値になっている期間
がほぼ等しくなり、各相ともインダクタンス波形が正弦
波で近似できる事が確認されている。

【００１８】各相のインダクタンス波形が下記式で表さ
れるとする。 Ｌｕ＝L0＋L1・cos （Nr・θm ） ＋Σｋn ・cos
（ｎ・Nr・θm ） Ｌｖ＝L0＋L1・cos （Nr・θm +2π/3 ）＋Σｋn ・co
s （ｎ・Nr・θm +2π/3） Ｌｗ＝L0＋L1・cos （Nr・θm - 2 π/3 ）＋Σｋn ・
cos （ｎ・Nr・θm -2π/3） また各相の通電電流が下記式で表されるとする。 ｉｕ＝√２・Ｉ0 ・cos （ωｔ＋α） ｉｖ＝√２・Ｉ0 ・cos （ωｔ＋α -2 π/3） ｉｗ＝√２・Ｉ0 ・cos （ωｔ＋α +2 π/3） ここで、α は回転角に対する電流の位相である。この
場合のロータを回転させるトルクＴは下記式で表され
る。 Ｔ＝(3/4) ・L1・Nr・Ｉ0 ² ・sin( 2ωｔ−Nr・θm ＋
2 α )+Σ(3/4) ・ｋn ・Nr・Ｉ0 ² ・sin( 2ωｔ−ｎ
・Nr・θm ＋2 α ) ここで、同期モータは、基本的に ２ωｔ＝Ｎｒ・θｍ
の関係におかれる。このために、前記のトルクＴの式
において、第１項はコンスタントとなる。即ちロータの
回転角度θｍによらず、第１項のトルクは一定になる。
また前記したように、この発明では、θｒが（θｓ＋π
／Ｎｒ）／２以上でπ／Ｎｒ以下に設定されているため
に、インダクタンス波形が正弦波で良く近似され、高次
成分が小さい。即ち、高次の係数Ｋｎの値が小さい。こ
のために、前記のトルクＴの式の第２項の値も小さくな
り、結局、トルクの脈動が小さい。

【００１９】上記のトルクＴの式からわかるように、ト
ルクＴに対して電流の二乗が影響するために、トルクＴ
を均質化する電流は正弦波であっても良いが、正弦波の
絶対値であっても良い。正弦波の絶対値であると、電流
の方向が一定となり、電流調整回路の構成が簡単化され
る。

【００２０】上記実施例は、ステータの極数（Ｎｓ＝
６）、ロータの極数（Ｎｒ＝４）、通電電流の相数（ｍ
＝３）の場合を例にして説明したものであるが、この例
示のケースに限られるわけでない。例えば、図４はステ
ータの極数（Ｎｓ＝６）、ロータの極数（Ｎｒ＝８）、
通電電流の相数（ｍ＝３）の場合について説明するもの
であるが、この場合にも、一つのステータ極の張る角
（θｓ）は、２π／（ｍ・Ｎｒ）＝３６０度／（３＊
８）＝１５度に設定されている。正確には、１４．９度
の設定されている。また一つのロータ極の張る角（θ
ｒ）は ２１．２度に設定されている。この角度（２
１。２度）は、π／Ｎｒ＝１８０度／８＝２２．５度以
下で、かつ、θｓ（この場合１５度）とπ／Ｎｒ（この
場合２２．５度）の平均値（この場合、１８．８度 ）
以上に設定されている。この場合にも、上記の数値範囲
に調整されているために、インダクタンス波形が正弦波
に良く近似し、高調波成分が小さいために、ロータを回
転させるトルクはロータの角度によらずほぼ一定にな
り、トルクリプルが低減される。

【００２１】図５は、ロータの外周から突出するロータ
極間の凹部に樹脂を充填してロータ外周をスムースにし
た例を示す。ロータ外周をスムースに仕上げると、ロー
タが高速で回転したときに、ロータが風を切る音が低減
されて、モータの運転音が小さくなる。また、ロータの
強度が上がって高速回転させたときにロータが破壊され
にくくなる。この場合、ロータ極の側面にくぼみｘを形
成して、凹部に充填された樹脂が遠心力で抜けないよう
にすることが多い。この場合、（Ｂ）に示されるよう
に、ロータ極において、（θｓ＋π／Ｎｒ）／２≦θｒ
≦（π／Ｎｒ）の関係を満たす部分の厚みＲｔを、ステ
ータ極とロータ極間に形成されるギャップの２倍以上確
保すると、前記のくぼみｘの影響がほとんどなくなっ
て、インダクタンス波形が正弦波に近似されてトルクリ
プルが減少する。

【００２２】

【発明の効果】本発明で発見された数値範囲内に調整さ
れていると、トルクリプルが減少してモータは一定速度
で静かに回転を続ける。また、モータが脱調しにくくな
る。このために、ロータの角度位置を検出するセンサを
不要化することも可能になる。例えば図６に示されるよ
うな電流を通電すると、ほぼ確実に脱調を防ぐことがで
きるために、センサを不要かできる。図６では図示の明
瞭化のために、１相分鹿示されていないが、他の相はこ
のカーブに対して１２０度ずれている。図６のａの期間
は一定の電流を流し続けてロータの回転角度位置を一定
の状態に初期化する。ｂの期間はモータを加速する期間
であり、周波数を徐々にあげていく。ｃの期間は所定に
回転数で運転を続ける状態を示し、通電電流の周波数が
一定に保たれる。この様な電流を通電すると脱調しにく
いうえに、本発明のモータではトルクリプルが低減され
てロータがスムースに回転するために、まず脱調するこ
とが無く、センサレスモータを実現することができる。
更に、正弦波電流を用いて駆動できることから特殊な電
源装置を必要とせず、モータの活用範囲が大幅に向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のモータ断面を示す図。

【図２】第１実施例のモータの駆動回路を示す図。

【図３】ロータ極の張る角がインダクタンス波形に及ぼ
す影響を説明する図。

【図４】第２実施例のモータ断面を示す図。

【図５】第３実施例のモータ断面を示す図。

【図６】この発明のモータをセンサレスで駆動するとき
の通電電流の一例。

【符号の説明】 Ｓ１〜Ｓ６ ステータ極 θｓ ステータ極の張る角 Ｒ１〜Ｒ４ ロータ極 θｒ ロータ極の張る角

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータの内周から複数のステータ極が
   等間隔で突出し、ロータの外周から複数のロータ極が等
   間隔で突出し、複数のステータコイルに複数相の電流を
   通電してロータを回転させるリラクタンスモータにおい
   て、 一つのステータ極の張る角（θｓ）、一つのロータ極の
   張る角（θｒ）、ステータの極数（Ｎｓ）、ロータの極
   数（Ｎｒ）、通電電流の相数（ｍ）の間に、θｓ≒２π
   ／（ｍ・Ｎｒ）であり（θｓ＋π／Ｎｒ）／２≦θｒ≦
   （π／Ｎｒ）である関係が成立しており、且つ、各相の
   通電電流が正弦波あるいは正弦波の絶対値であることを
   特徴とするリラクタンスモータ。