特開 2024-89395 スイッチドリラクタンスモータ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024089395

(43)【公開日】2024-07-03

(54)【発明の名称】スイッチドリラクタンスモータ装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 25/08 20160101AFI20240626BHJP

   H02K 19/06 20060101ALI20240626BHJP

【ＦＩ】

H02P25/08

H02K19/06 Z

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022204735

(22)【出願日】2022-12-21

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-08-14

(71)【出願人】

【識別番号】392029742

【氏名又は名称】田中 正一

(72)【発明者】

【氏名】田中 正一

【テーマコード（参考）】

5H501

5H619

【Ｆターム（参考）】

5H501CC04

5H501DD09

5H619AA01

5H619BB01

5H619BB05

5H619BB24

5H619PP01

5H619PP02

5H619PP04

5H619PP08

5H619PP14

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高性能なPMSM（永久磁石同期モータ）と競争可能なスイッチドリラクタンスモータ（SRM）装置を提供する。
【解決手段】単相SRM１のロータコアは、ロータポールの間に配置されたマグネットポールをもつ。軸方向に隣接する第１-第３のマグネットポールは、N極をもち、軸方向に隣接する第４-第６のマグネットポールは、S極をもつ。単相SRMは、単相モードと３相モードとをもつ。単相モードにおいて、従来の単相SRMと同様に、単相リラクタンストルクを発生する。単相モードはさらに、マグネットトルクを発生する。３相モードにおいて、第１-第３のマグネットポールからなる磁石セットは一つの仮想磁石極（N極）と見なされ、第４-第６のマグネットポールからなるもう一つの磁石セットはもう一つの仮想磁石極（S極）と見なされる。３相交流電流が６つのステータポールに順番に巻かれた６種類の相巻線に供給される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軟磁性突極であるステータポールをもつステータコアと、軟磁性突極であるロータポールをもつロータコアと、前記ステータポールに巻かれたステータ巻線とを備える単相スイッチドリラクタンスモータと、
前記ステータ巻線に駆動電圧を印加するパワーコンバータと、
前記パワーコンバータを制御するコントローラと、
を備えるスイッチドリラクタンスモータ装置において、
前記ロータコアは、前記ロータポールの間のロータスロットに固定された永久磁石からなるマグネットポールを有し、
前記ロータポールの数は、前記ステータポールの数と等しく形成され、
前記パワーコンバータは、前記ステータ巻線に交流電流を供給することを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項2】

前記パワーコンバータは、それぞれ電気角１２０度離れた３相交流電流を形成するための３つのHブリッジからなる請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項3】

前記コントローラは、前記ステータポールの全てを同時に励磁することにより単相トルクを発生する単相モードを有し、
前記ステータポールはそれぞれ、前記単相モードにおいて最も近い前記マグネットポールと同一極性をもち、
前記最も近いマグネットポールは、前記ステータポールの前方に位置する請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項4】

前記コントローラは、前記ステータポールの全てを同時に励磁することにより発電を行う単相発電モードを有し、
前記単相発電モードにおいて、前記ステータポールは、最も近い前記マグネットポールと同一極性をもち、
前記最も近いマグネットポールは、前記ステータポールの後方に位置する請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項5】

前記ステータポールの数は、６の整数倍に等しくされ、
連続配置された前記マグネットポールの３つは、N極を有してN極磁石セットを形成し、
連続配置された前記マグネットポールの他の３つは、S極を有してS極磁石セットを形成し、
前記N極磁石セット及び前記S極磁石セットは、周方向交互に配置されている請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項6】

前記ステータ巻線は、互いに隣接する６個の前記ステータポールに別々に巻かれた６種類の相巻線からなり、
前記コントローラは、３相交流電流を前記６種類の相巻線に供給する３相モードを有し、
前記３相モードは、最も近接する前記マグネットポールと同一の極性を前記ステータポールに与える請求項５記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項7】

前記コントローラは、前記３相モードにより前記ロータコアの回転を始動する請求項５記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項8】

前記ロータコアは、静止軸に固定された前記ステータコアの径方向外側に配置され、
前記ロータコアは、前記静止軸に回転可能に支持されるロータハウジングに支持されている請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項9】

前記ステータコアは、回転軸に固定された前記ロータコアの径方向外側に配置され、
前記ステータコアは、前記回転軸を回転可能に支持するステータハウジングの円筒部に支持され、
前記ステータハウジングは、前記円筒部の外周面からその全周にわたって径方向外側へ突出する多数の輪状板部をもち、
前記輪状板部はそれぞれ、互いに軸方向に所定間隔を隔てて配置されている請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項10】

前記スイッチドリラクタンスモータは、それぞれスイッチドリラクタンスモータからなる第１SRM及び第２SRMからなり、
前記第１SRM及び第２SRMの前記ステータコアは、ハウジングの円筒部の内周面に固定され。
前記第１SRM及び第２SRMの前記ロータコアは、共通の回転軸に固定され、
前記パワーコンバータは、互いに軸方向に隣接する第１SRM及び第２SRMに反対位相の前記交流電流を別々に供給することを特徴とする請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項11】

軟磁性突極であるステータポールをもつステータコアと、軟磁性突極であるロータポールをもつロータコアと、前記ステータポールに巻かれたステータ巻線とを備える単相スイッチドリラクタンスモータと、
前記ステータ巻線に駆動電圧を印加するパワーコンバータと、
前記パワーコンバータを制御するコントローラと、
を備えるスイッチドリラクタンスモータ装置において、
前記ステータコアは、回転軸に固定された前記ロータコアの径方向外側に配置され、
前記ステータコアは、前記回転軸を回転可能に支持するステータハウジングの円筒部に支持され、
前記ステータハウジングは、前記円筒部の外周面からその全周にわたって径方向外側へ突出する多数の輪状板部をもち、
前記輪状板部はそれぞれ、互いに軸方向に所定間隔を隔てて配置されていることを特徴とするハイブリッドスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項12】

軟磁性突極であるステータポールをもつステータコアと、軟磁性突極であるロータポールをもつロータコアと、前記ステータポールに巻かれたステータ巻線とを備える単相スイッチドリラクタンスモータと、
前記ステータ巻線に駆動電圧を印加するパワーコンバータと、
前記パワーコンバータを制御するコントローラと、
を備えるスイッチドリラクタンスモータ装置において、
前記単相スイッチドリラクタンスモータは、それぞれスイッチドリラクタンスモータからなる第１SRM及び第２SRMからなり、
前記第１SRM及び第２SRMの前記ステータコアは、ハウジングの円筒部の内周面に固定され。
前記第１SRM及び第２SRMの前記ロータコアは、共通の回転軸に固定され、
前記パワーコンバータは、互いに軸方向に隣接する第１SRM及び第２SRMに反対位相の前記交流電流を別々に供給することを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スイッチドリラクタンスモータ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

モータのトルク重量比は、重量増加を嫌う航空機用途などにおいて重要である。スイッチドリラクタンスモータ（SRM）は、永久磁石同期モータ（PMSM）よりも低いトルク重量比（T/ｋｇ）をもつ。従来のSRMのこの問題を改善するために、永久磁石が追加されたSRMが提案されている。ハイブリッドSRMと呼ばれるこのSRMは、周方向に隣接する２つのロータポールの間の間隙（ロータスロットと呼ばれる）に配置されたマグネットポールをもつ。ロータポールは軟磁性の突極であり、マグネットポールは永久磁石磁束を発生する突極である。

【0003】

特許文献１は、マグネットポールが３相SRMのロータスロットに配置された３相ハイブリッドSRMを提案している。各マグネットポールはそれぞれ、各ロータスロットの周方向中央位置に配置される。さらに、ロータポールを挟んで周方向に隣接する２つのマグネットポールは互いに異なる極性をもつ。

【0004】

本発明者により出願された特許文献２もマグネットポールが３相SRMのロータスロットに配置された３相ハイブリッドSRMを提案している。各マグネットポールは、ロータスロットの周方向一方端に近接する位置に配置される。

【0005】

従来提案されている３相ハイブリッドSRMは、マグネットポールが３相SRMのロータスロットに追加されたロータ構造をもつ。良く知られているように、３相SRMは、ステータポール数はロータポール数と異なる。

【0006】

ステータポール数とロータポール数とが等しい単相SRMが他の形式のSRMとして提案されている。この単相SRMは、３相SRMよりも優れたトルク発生効率をもつことができる。しかし、単相SRMは、高い振動及び騒音をもつ。さらに、単相SRMの起動は容易ではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開2004-248730号公報

【特許文献2】特開2010-193700号公報

【発明の概要】

【0008】

従来の３相ハイブリッドSRMは、特殊用途を除いてPMSMとの市場競争において勝てなかった。しかしながら、高性能PMSM（永久磁石同期モータ）に使用されるレアアース材料は潜在的に供給が不安定であり、近未来において需要爆発が生じる時、製造コストの大幅な高騰が懸念される。

【0009】

本発明は、高性能なPMSMと競争可能なスイッチドリラクタンスモータ装置を提供することを一つの目的としている。

【0010】

本発明の第１の様相において、ロータポール数と等しいステータポール数をもつ単相SRMはさらに、永久磁石極であるマグネットポールをもつ。マグネットポールをもつ単相SRMは、単相ハイブリッドSRMと呼ばれることができる。マグネットポールはそれぞれ、周方向に隣接する２つのロータポールの間の凹部であるロータスロットに配置される。言い換えれば、この単相ハイブリッドSRMのロータは、軟磁性突極であるロータポール、及び、永久磁石極であるマグネットポールが、周方向交互に配置されたポール構造をもつ。

【0011】

この単相ハイブリッドSRMの単相モードによれば、全てのステータポールはステータ巻線のインダクタンス増加期間において一斉に励磁される。これにより、全てのステータポールは、全てのロータポールを吸引する。

【0012】

さらに、この単相モードによれば、全てのステータポールは、リラクタンストルクを発生する時に、最も近接しているマグネットポールと同一極性に励磁される。これにより、全てのステータポールは、上記したリラクタンストルクに加えて、マグネットトルクも発生する。マグネットトルクは、ステータポールがマグネットポールを吸引する吸引力成分と、ステータポールがマグネットポールを反発する反発力成分とを含むが、この単相モードによれば、マグネットトルクの反発力成分だけが本質的に利用される。

【0013】

ロータポールが回転する時、ステータポールに巻かれたステータ巻線は、そのインダクタンスが増加するインダクタンス増加期間と、インダクタンスが減少するインダクタンス減少期間とを交互にもつ。従来の単相SRMと同様に、モータトルクを発生するための単相電流は、実質的にインダクタンス増加期間にだけステータ巻線に供給される。

【0014】

結局、この単相ハイブリッドSRMの単相モードは、リラクタンストルクとマグネットトルクの反発力成分との両方をインダクタンス増加期間に同時に発生することができるため、従来の単相SRMよりも高いトルク/重量比及びトルク/電流比をもつことができる。優れたトルク/電流比の実現により、銅損低減による効率改善を実現することができる。さらに、単相モードは、平均磁路長を短縮するため、鉄量及び鉄損の低減に有利である。ステータポールは、最も近いマグネットポールの磁気極性の変更に応じて磁気極性を変更するために、交流電流により励磁される必要がある。

【0015】

さらに、この単相ハイブリッドSRMによれば、永久磁石の支持が格段に容易となる。この効果がさらに説明される。単相SRMでは、ロータポールの周方向幅はロータスロットの周方向幅と等しい。さらに、マグネットポールの周方向幅は、ロータスロットの周方向幅と等しい。したがって、マグネットポールを形成する永久磁石は、周方向に隣接する２つのロータポールにより良好に支持されることができる。

【0016】

好適には、インナーロータ形式の単相ハイブリッドSRMにおいて、ロータポールの径方向外側部分は、その径方向内側部分に比べて広い周方向幅をもつ。その結果、遠心力によるロータスロットからの永久磁石の離脱は、隣接する２つのロータポールにより良好に阻止されることができる。

【0017】

単相SRMは、リラクタンストルクを同時に発生するアクティブなステータポール数が多いため、一般的な３相SRMと比べて有利である。さらに、単相ハイブリッドSRMは、従来の単相SRMよりも高いトルク/重量比をもつ。しかし、従来の単相SRMは、安定した起動トルクを発生できなかった。この問題は、３相モードにより解決されることができる。

【0018】

本発明の好適態様において、この単相ハイブリッドSRMは、３相永久磁石同期モータ（３相PMSM）として動作可能なモータ構造をもつ。このモータ構造は、互いに等しい数のステータポール、ロータポール、及びマグネットポールをもつ。この等しい数は、６の整数倍に等しい。周方向に順番に配置された３つのマグネットポールはN極磁石群を形成し、周方向に順番に配置されたもう一つの３つのマグネットポールはS極磁石群を形成する。N極をもつ隣接する３つのマグネットポールは一つの仮想N極と見なすことができ、S極をもつ隣接する３つのマグネットポールは一つの仮想S極と見なすことができる。これらの仮想N極及び仮想S極は周方向交互に配置される。

【0019】

３相モードで運転される単相ハイブリッドSRMは実質的に永久磁石同期モータである。３相モードは安定な起動トルクを発生する。

【0020】

好適な態様において、ステータポールに集中巻きされたステータ巻線は６種類の相巻線からなる。この６種類の相巻線は、互いに隣接する６個のステータポールに別々に巻かれている。この３相モードによれば、互いに電気角６０度離れた位相をもつ６種類の相電流が６種類の相巻線に別々に供給される。さらに、この３相モードによれば、ステータポールは、最も近接している前記マグネットポールと同一極性に励磁される。これにより、この永久磁石３相同期モータは、少なくともマグネットトルクの反発力成分を利用することができる。

【0021】

好適な態様において、このハイブリッドSRMを駆動するパワーコンバータは、それぞれ電気角１２０度離れた３つの相電流を形成する３つのHブリッジからなる。３つの相電流の通電方向は、回転するロータポールの位置と同期して切り替えられる。この３相モードによれば、３つの相電流の通電方向切替により、ステータポールは、近接するマグネットポールを吸引し、遠ざかるマグネットポールと反発する向きに励磁される。各相電流は、正弦波、矩形波、及び台形波のような種々の波形をもつことができる。これにより、この３相PMSMは安定した同期トルクを発生することができる。

【0022】

好適な態様によれば、３相モードは、モータ起動時に実施される。これにより、単相ハイブリッドSRMを確実に始動することができる。好適な態様において、３相モードは、高速回転時に実施される。３相モードにおけるステータ電流は、単相モードにおけるステータ電流よりも低い周波数成分をもつため、高速回転時における鉄損を低減することができる。

【0023】

好適な態様において、このハイブリッドSRMはアウターロータ構造をもつ。これにより、永久磁石が高速回転するロータコアから離脱する事故を良好に防止することができる。

【0024】

好適な態様並びに本発明の第２の様相において、インナーロータ構造をもつ単相スイッチドリラクタンスモータのハウジングは、ステータコアが固定される円筒部をもつ。この円筒部の外周面は、径方向外側へ突出する多数の輪状板部をもつ。これにより、ハイブリッドSRMの音響ノイズ及び放熱の両方を改善することができる。

【0025】

従来のインナーロータタイプのスイッチドリラクタンスモータは、ステータコアが固定されたハウジングの円筒部が強力な音響ノイズ源となるという欠点をもっていた。この態様によれば、ハウジングは、それぞれ円筒部から径方向外側へ突出する多数の輪状板部をもつ。これにより、モータの重量増加を回避し、かつ、音響ノイズを抑制することができる。さらに、モータは良好に冷却されることができる。

【0026】

好適な態様並びに本発明の第３の様相において、インナーロータ構造をもつ単相スイッチドリラクタンスモータは、第１SRM及び第２SRMのステータコアをもつ。これらのステータコアは、ハウジングの円筒部に固定される。軸方向に隣接する第１SRM及び第２SRMのロータコアは共通の回転軸に固定される。パワーコンバータは、第１SRM及び第２SRMのステータ巻線に、互いに反対位相の２種類の電流を供給する。これにより、ハウジングの円筒部の径方向振動を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明のスイッチドリラクタンスモータ装置を模式的に示すブロック回路図である。

【図2】３相モードを説明するための模式展開図である。

【図3】３相モードを説明するための模式展開図である。

【図4】３相モードにおけるインダクタンス及び３相交流電流通電期間を示すタイミングチャートである。

【図5】３相モードにおけるステータポールの極性変更パターンを示すタイミングチャートである。

【図6】単相モードを説明するための模式展開図である。

【図7】単相モードを説明するための模式展開図である。

【図8】単相モードにおけるインダクタンス及び３相交流電流通電期間を示すタイミングチャートである。

【図9】単相モードにおけるステータポールの極性変更パターンを示すタイミングチャートである。

【図10】パワーコンバータの一例を示す回路図である。

【図11】３相モードと単相モードとの切替動作を示すフローチャートである。

【図12】アウターロータタイプのハイブリッドSRMを示す軸方向模式断面図である。

【図13】インナーロータタイプのハイブリッドSRMを示す軸方向模式断面図である。

【図14】単相発電モードを説明するための模式展開図である。

【図15】単相発電モードを説明するための模式展開図である。

【図16】単相発電モードにおけるインダクタンス及び３相交流電流通電期間を示すタイミングチャートである。

【図17】単相発電モードにおけるステータポールの極性変更パターンを示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0028】

本発明のハイブリッドSRM装置の好適な実施形態が図面を参照して説明される。図面において、’ＡＸ’は軸方向を示し、’ＲＡ’は径方向を示し、’ＰＨ’は周方向を示す。

【0029】

図１は、この実施例のハイブリッドSRM装置を示す模式ブロック図である。ハイブリッドSRM１は６本の電力ケーブルを通じてパワーコンバータ２に接続されている。バッテリ３に接続されたパワーコンバータ２は、コントローラ４により制御される。平滑キャパシタ５はバッテリ３と並列接続されている。

【0030】

図１２は、この実施例のアウターロータタイプのハイブリッドSRM１を示す。ハイブリッドSRM１は、固定ベース１４から上方へ突出するシャフト１３に固定されたステータコア１１をもつ。ステータ巻線７が電気鋼板製のステータコア１１に巻かれている。電気鋼板製のロータコア１２が狭い電磁ギャップを挟んでステータコア１１の径方向外側に配置されている。

【0031】

ロータコア１２は、ハウジング１５及び１６により上下方向に挟持されている。アルミ合金製のハウジング１５及び１６は図略のボルトにより締結されて、一体となっている。ハウジング１５及び１６は、軸受け１８及び１９を通じてシャフト１３により回転可能に支持されている。ロータハウジング１５及び１６の外周部（図示せず）は、所定枚数の回転翼を形成している。

【0032】

ロータコア１２は、径方向内側へ突出する軟磁性突極であるロータポールをもつ。ステータコア１１は、径方向外側へ突出する軟磁性突極であるステータポールをもつ。ロータコア１２は、隣接する２つのロータポールの間の間隙を意味するロータスロットをもつ。永久磁石からなるマグネットポールがそれぞれ、ロータスロットに収容されている。

【0033】

ステータポール数、ロータポール数Nr、及びマグネットポール数は互いに等しい６の倍数値である。ステータポール数、ロータポール数、及びマグネットポール数は、それぞれ１８である。ステータポールの周方向幅、ロータポールの周方向幅、及びマグネットポールの周方向幅は、ほぼ等しい。コントローラ４は、運転モードとして３相モード及び単相モードをもつ。コントローラ４は、３相モード及び単相モードを必要に応じて切り替える。

【0034】

この３相モードは、ハイブリッドSRM１を３相永久磁石同期モータ（３相PMSM）として動作させる動作モードである。この３相モードが図２-図５を参照して説明される。ステータコア１１及びロータコア１２の部分的な周方向模式展開図である図２及び図３はそれぞれ、１セットのステータポール６１-６６、１セットのロータポール９１-９６、１セットのマグネットポール８１-８６、及び１セットの相巻線７１-７６を示す。

【0035】

したがって、ステータコア１１は、周方向に順番に配置された３セットのステータポール６１-６６をもつ。３セットの相巻線７１-７６が３セットのステータポール６１-６６に別々に巻かれている。ロータコア１２は、周方向に順番に配置された３セットのロータポール９１-９６をもつ。マグネットポールと呼ばれる３セットの永久磁石８１-８６がロータポール９１-９６の間の間隙であるロータスロットに別々に固定されている。

【0036】

パワーコンバータ２は、６相の相電流（IU、-IV、IW、－IU、IV、-IW）を６つの相巻線７１-７６に別々に供給する。U相電流IUは相巻線７１に供給され、V相電流IVは相巻線７５に供給され、W相電流IWは相巻線７３に供給される。U相電流IUと反対位相をもつ-U相電流-IUは相巻線７４に供給される。V相電流IVと反対位相をもつ-V相電流-IVは相巻線７２に供給される。W相電流IWと反対位相をもつ-W相電流-IWは相巻線７６に供給される。

【0037】

実際には、相巻線７４は相巻線７１と逆向きに巻かれ、相巻線７２は相巻線７５と逆向きに巻かれ、相巻線７６は相巻線７３と逆向きに巻かれている。これにより、U相電流IUが相巻線７４に供給され、V相電流IVが相巻線７２に供給され、W相電流IWが相巻線７６に供給される。３つの相電流IU、IV、及びIWは互いに電気角１２０度異なる位相をもつ交流電流である。これにより、１セットのステータポール６１-６６はそれぞれ、電気角６０度離れた相磁界を形成することができる。したがって、相電流IU、IV、及びIWは、電気角度６０度ずつ回転する合い回転磁界をステータコア１１に形成する。

【0038】

図２は、連続する３つの位相期間P1-P３におけるロータコア１２の周方向相対位置を示す。図３は、連続する３つの位相期間P４-P６におけるロータコア１２の周方向相対位置を示す。図２及び図３において、ロータコア１２の周方向相対位置は位相角０度における位置を示す。これらの位相期間P1-P６はそれぞれ、ロータコア１２が一つのステータポールピッチだけ周方向に移動する期間に相当する。各位相期間P1-P6はそれぞれ、電気角３６０度に相当する。

【0039】

位相期間P1-P6において、電気角０度は、マグネットポール８１-８６がステータポール６１-６６と周方向において重なるアライン位置に存在することを示す。したがって、電気角０度において、軟磁性極であるロータポール９１-９６は、ステータポールの間のステータスロットと周方向において重なる。同様に、電気角１８０度は、ロータポール９１-９６がステータポール６１-６６と周方向において重なるアライン位置に存在することを示す。したがって、電気角１８０度において、マグネットポール８１-８６は、ステータポールの間のステータスロットと周方向において重なる。

【0040】

相巻線７１及び７４はインダクタンスLUをもち、相巻線７５及び７２はインダクタンスLVをもち、相巻線７３及び７６はインダクタンスLWをもつ。インダクタンスLU、LV、及びLWは、電気角０度にて最小値となり、電気角１８０度にて最大値となる。このため、電気角０度から電気角１８０度までの期間はインダクタンス増加期間と呼ばれ、電気角１８０度から電気角０度までの期間はインダクタンス減少期間と呼ばれる。

【0041】

ステータポール６１-６６、ロータポール９１-９６、及びマグネットポール８１-８６はそれぞれ、ほぼ等しい周方向幅をもつ。フエライト磁石からなる各マグネットポール８１-８６はそれぞれ、ロータスロットと呼ばれるスペースに固定されている。このロータスロットは、ロータポール９１-９６の間に存在する。電磁ギャップを隔ててステータポール６１-６６と対面するロータポール９１-９６の先端表面は、ロータポール９１-９６の底部と比べてより広い周方向幅をもつ。

【0042】

言い換えれば、ロータポール９１-９６はロータスロットの開口を狭める楔形状に形成されている。さらに、マグネットポール８１-８６をなす各永久磁石は、これらのロータスロットと一致する形状をもつように焼成されている。これにより、ロータポール９１-９６はマグネットポール８１-８６を強力に支持することができる。

【0043】

この実施例によれば、図２及び図３に示されるように、マグネットポール８１-８３はステータポール６１-６６に対面してN極をもち、マグネットポール８４-８６はステータポール６１-６６に対面してS極をもつ。すなわち、互いに周方向に隣接するマグネットポール８１-８３は同一極性をもち、互いに周方向に隣接するマグネットポール８４-８６は同一極性をもつ。

【0044】

ハイブリッドSRM１が３相永久磁石同期モータとして駆動されるこの３相モードにおいて、N極をもつ３つのマグネットポール８１-８３は、マグネットポール８２の位置に設置された仮想N極により模式的に代表されることができる。同様に、S極をもつ３つのマグネットポール８４-８６は、マグネットポール８５の位置に設置された仮想S極により模式的に代表されることができる。結局、この永久磁石ロータは、３つの仮想N極と３つの仮想S極とをもつ６極ロータと見なすことができる。

【0045】

したがって、相巻線７１-７６に相電流を流すことにより、電磁ギャップに回転磁界を形成することができる。この回転磁界のN極が、仮想N極の後方かつ仮想S極の前方に位置する時、回転磁界のN極は、反発力により仮想N極を前進させ、吸引力により仮想S極を前進させる。結局、この３相モードによれば、３相電流の制御により、回転磁界の回転速度及び位相はロータコア１２の回転速度及び位相と同期する。これにより、ハイブリッドSRM１は、３相PMSMとして回転することができる。

【0046】

図４は、相巻線７１-７６に供給される３相電流（IU、IV、及びIW）、及び相巻線７１-７６のインダクタンス（LU、LV、及びLW)を示すタイミングチャートである。U相電流IUは相巻線７１及び７４に供給され、V相電流IVは相巻線７５及び７２に供給され、W相電流IWは相巻線７３及び７６に供給される。ステータポール６１及び６４は互いに逆の極性をもつ。ステータポール６２及び６５は互いに逆の極性をもつ。ステータポール６３及び６６は互いに逆の極性をもつ。

【0047】

相巻線７１及び７４はインダクタンスLUをもち、相巻線７２及び７５はインダクタンスLVをもち、相巻線７３及び７６はインダクタンスLWをもつ。互いに連続する３つの位相期間P１-P３は図２に示されている。互いに連続する３つの位相期間P４-P６は図３に示されている。６つの位相期間P1-P6の経過は、ロータコア１２が６ポールピッチだけ回転することを意味する。

【0048】

この３相モードによれば、それぞれ交流電流である３つの相電流（IU、IV、IW）は、位相期間P１-P6からなる１交流サイクルをもつ。U相交流電流IUは、時点ｔ１にて負半波期間から正半波期間にシフトし、時点ｔ４にて正半波期間から負半波期間にシフトする。V相交流電流IVは、時点ｔ２にて正半波期間から負半波期間にシフトし、時点ｔ５にて負半波期間から正半波期間にシフトする。W相交流電流IWは、時点ｔ３にて負半波期間から正半波期間にシフトし、時点ｔ６にて正半波期間から負半波期間にシフトする。３相電流（IU、IV、IW）の波形は、正弦波、台形波、矩形波などから必要に応じて選択可能である。図５は、各位相期間P1-P６におけるステータポール６１-６６の極性変化を示す。この極性は、電磁ギャップに面するステータポール６１-６６の先端面の極性を意味する。

【0049】

この３相モードは、周方向において連続する同極性の３つのマグネットポールを一つの仮想磁極と見なす。この仮想磁極は、同じ極性をもつ３つのマグネットポールのうちの中間のマグネットポールの位置に存在すると見なされる。これにより、ロータコア１２は、６個の仮想磁極をもつ。結局、３相電流（IU、IV、及びIW）によりステータポール６１-６６の極性が順次変更される。回転磁界のN極及びS極は、各仮想磁極に磁気吸引力及び磁気反発力を与える。言い換えれば、ロータコア１２は３相PMSMのロータコアとして回転する

【0050】

この単相モードは、ハイブリッドSRM１を単相SRMとして動作させる動作モードである。この単相モードが図６-図９を参照して説明される。ステータコア１１及びロータコア１２の部分的な周方向模式展開図である図６及び図７はそれぞれ、１セットのステータポール６１-６６、１セットのロータポール９１-９６、１セットのマグネットポール８１-８６、及び１セットの相巻線７１-７６を示す。図６に示されるロータコア１２は図２に示されるロータコア１２と同じ回転位置をもつ。図７に示されるロータコア１２は図３に示されるロータコア１２と同じ回転位置をもつ。

【0051】

この単相モードによれば、電気角０度から電気角１８０度の期間であるインダクタンス増加期間において、U相電流IUが相巻線７１、７４に供給され、V相電流IVが相巻線７５、７２に供給され、W相電流IWが相巻線７３、７６に供給される。図６及び図７は、位相期間P１-P６におけるロータポール９１-９６の周方向位置を示す。図６及び図７において、ロータポール９１-９６は、電気角９０度に相当する角度位置に存在する。

【0052】

３相電流IU、IV、及びIWにより励磁されたステータポール６１-６６は、軟磁性のロータポール９１-９６を励磁する。このインダクタンス増加期間において、ロータポール９１-９６は、最も近接するステータポールよりも周方向左側に存在するため、ロータポール９１-９６は周方向右側へ吸引される。

【0053】

図６及び図７に示されるように、３相電流IU、IV、及びIWが６つの相巻線７１-７６に供給される時、ステータポール６１-６６がマグネットポール８１-８６のうち最も近接するマグネットポールと同一の極性をもつ。言い換えれば、ステータポール６１-６６はそれぞれ励磁されて、周方向右側のマグネットポールと同一極性をもつ。これにより、電気角０-１８０度のインダクタンス増加期間において励磁されたステータポール６１-６６は、マグネットポール８１-８６を周方向右側へ反発する。

【0054】

その結果、ロータコア１２は回転する。したがって、この単相モードによれば、相電流IU、IV、及びIWの電流方向の切替により、ステータポール６１-６６が周方向前方側に近接するマグネットポール８１-８６と同じ極性を維持する。図６及び図７において、ダブル線はマグネットポールに加えられる磁気反発力を示し、シングル線はロータポールに加えられる磁気吸引力を示す。

【0055】

結局、実質的に単相交流電流が供給されるステータポール６１-６６は、全てのロータポール９１-９６にリラクタンストルクを与え、さらに、全てのマグネットポール８１-８６にマグネットトルクの反発力成分を与える。これにより、この単相モードで駆動されるハイブリッドSRM１は、高いトルク/重量比をもつ。

【0056】

図８は、相巻線７１-７６に供給される３相電流（IU、IV、及びIW）と、相巻線７１-７６のインダクタンス（LU、LV、及びLW)を示すタイミングチャートである。この単相モードにおいて、３相電流（IU、IV、及びIW）は、３相モードと同様に３相交流電流となる。図８において、相巻線７１及び７４はインダクタンスLUをもち、相巻線７２及び７５はインダクタンスLVをもち、相巻線７３及び７６はインダクタンスLWをもつ。互いに連続する６つの位相期間P１-P６は、３相交流電流の１サイクル期間に相当する。図６は位相期間P１-P３を示し、図７は位相期間P４-P６を示す。６つの位相期間が経過する時、ロータコア１２は６ポールピッチだけ回転する。

【0057】

言い換えれば、この単相モードは、全てのロータポール９１-９６に同時に磁気吸引力を与えるために、ステータポール６１-６６に巻かれた相巻線７１-７６に３相交流電流を供給する。この単相モードにより発生するトルクは、従来の単相SRMのリラクタンストルクと実質的に同じである。リラクタンストルクとマグネットトルクとがロータポール９１－９６に与えられるため、この単相モードは高いトルク/重量比を実現する。

【0058】

図９は、３つの相電流（IU、IV、及びIW）により励磁されたステータポール６１-６６の極性の変化を示す。

【0059】

図１０はパワーコンバータ２の一例を示す回路図である。このパワーコンバータ２は３つのHブリッジ２１-２３からなる。U相Hブリッジ２１は、相巻線７１及び７４にU相電流を供給する。V相Hブリッジ２２は、相巻線７２及び７５にV相電流を供給する。W相Hブリッジ２３は、巻線７３及び７６にW相電流を供給する。相巻線７４は相巻線７１と逆向きに巻かれ、相巻線７２は相巻線７５と逆向きに巻かれ、相巻線７６は相巻線７３と逆向きに巻かれている。

【0060】

図１１は、コントローラ４によるモード選択動作を示すフローチャートである。まず、ハイブリッドSRM１の起動が指令されたかどうかを判定し（S１００）、指令された場合には３相モードを実行する（S１０２）。次に、起動が完了したか否かを判定し（S１０４）、完了したら単相モードを実行する（S１０６）。次に、３相モードが指令されたか否かが判定され（S１０８）、指令された場合には３相モードを実行する（S１１０）。

【0061】

ステップS１１０により実施される３相モードは、低騒音のためのサイレントモードにおいて実施され、高速回転のためのハイスピードモードにおいて実施される。３相モードにおいて、正弦波波形の３相交流電流を採用することが好適である。

【0062】

図１２に示されるアウターロータタイプのハイブリッドSRM１は、永久磁石８１-８６がその遠心力によりロータコア１２から離脱する問題を良好に解決することができる。なぜなら、ロータスロットの周方向幅は従来の３相SRMと比べて狭いからである。

【0063】

図１３は、インナーロータ構造のハイブリッドSRM１の変形態様を示す。ロータコア１２A及び１２Bが固定された回転軸１３は、軸受け１８を介してフロントハウジング１００Aに回転可能に支持され、軸受け１９を介してリアハウジング１００Bに回転可能に支持されている。フロントハウジング１００Aは、前端壁１０１Aの外周から軸方向に延在する円筒部１０２Aをもつ。リアハウジング１００Bは、後端壁１０１Bの外周から軸方向に延在する円筒部１０２Bをもつ。

【0064】

円筒部１０２A及び円筒部１０２Bの各先端部１０３A及び１０３Bは、リング状のスペーサ１０４により互いに固定されている。スペーサ１０４は先端部１０３A及び１０３Bに結合するねじ面をもつことができる。ステータコア１１Aが円筒部１０２Aの内周面に固定されている。ステータ巻線７Aがステータコア１１Aに巻かれている。ステータコア１１Aはロータコア１２Aの径方向外側に配置されている。ステータコア１１Bが円筒部１０２Bの内周面に固定されている。ステータ巻線７Bがステータコア１１Bに巻かれている。ステータコア１１Bはロータコア１２Bの径方向外側に配置されている。

【0065】

ステータコア１１A及びロータコア１２Aは第１SRMを形成し、ステータコア１１B及びロータコア１２Bは第２SRMを形成している。それぞれインナーロータ形式のスイッチドリラクタンスモータである第１SRM及び第２SRMは互いに同じ構造をもつ。この変形態様によれば、第１SRM及び第２SRMはそれぞれハイブリッドSRMからなるが、従来の３相スイッチドリラクタンスモータ又は単相スイッチドリラクタンスモータでもよい。

【0066】

パワーコンバータ２は、ステータ巻線７Aに第１ステータ電流を供給し、ステータ巻線７Bに第２ステータ電流を供給する。ステータ巻線７Aのインダクタンス増加期間は、ステータ巻線７Bのインダクタンス増加期間に対して反対位相となっている。第１ステータ電流及び第２ステータ電流は、反対位相となっている。言い換えれば、第１ステータ電流と第２ステータ電流との位相差は電気角１８０度である。第１SRM及び第２SRMにそれぞれ３相交流電流を供給するために、図１０に示されるパワーコンバータ２は、６つのHブリッジをもつ必要がある。しかし、それぞれ３つのレグをもつ３つのハイブリッドHブリッジを使用することも可能である。このハイブリッドHブリッジの３つのレグのうちの一つの共用レグとなる。これにより、パワーコンバータのレグ数を減らすことができる。

【0067】

したがって、このハイブリッドSRM１の電流リップル、トルクリップル、及び音響ノイズは、大幅に低減される。特に、ステータコア１１Aの円筒部１０２A及びステータコア１１Bの円筒部１０２Bは、互いに反対位相の径方向振動をもつ。その結果、円筒部１０２A及び１０２Bの径方向振動は互いに相殺される。

【0068】

さらに、円筒部１０２A及び１０２Bはそれぞれ、多数の輪状板部１０４A及び１０４Bをもつ。輪状板部１０４Aはそれぞれ、円筒部１０２Aの外周面から径方向外側へ突出している。輪状板部１０４Bはそれぞれ、円筒部１０２Bの外周面から径方向外側へ突出している。輪状板部１０４A及び１０４Bはそれぞれ、軸方向に順番に配置されている。各輪状板部１０４Aはそれぞれ、円筒部１０２Aの全周を囲んでいる。各輪状板部１０４Bはそれぞれ、円筒部１０２Bの全周を囲んでいる。

【0069】

したがって、輪状板部１０４A及び１０４Bは円筒部１０２A及び１０２Bの径方向振動を強力に抑制することができる。さらに、ハイブリッドSRM１の重量増加も抑制することができる。さらに、輪状板部１０４A及び１０４Bはそれぞれ、ステータコア１１A、１１Bを冷却するための冷却フィンを兼ねることができる。

【0070】

なお、この実施例のハイブリッドSRM１は、極数増加によるトルク増加が容易であるため、航空機や風力発電機のプロペラにダイレクトに結合することができる。このため、変速のためのギヤ機構の省略が可能となる。

【0071】

次に、単相発電モードが図１４-図１７を参照して説明される。この単相発電モードは、ハイブリッドSRM１を単相スイッチドリラクタンス発電機（SRG）として動作させる動作モードである。良く知られているように、モータは発電機として動作することができる。この単相発電モードは、図６-図９に示される単相モードと本質的に同じである。図１４は本質的に図６と同じであり、図１５は本質的に図７と同じである。図１６は本質的に図８と同じであり、図１７は本質的に図９と同じである。

【0072】

ただし、図１４及び図１５において、ステータポール６１-６６はそれぞれ、最も近接するマグネットポールの前方、かつ、最も近接するロータポールの後方に配置される。図１４及び図１５は、位相期間P1-P6における電気角２７０度の位置を示す。励磁されたステータポール６１-６６はそれぞれ、最も近接するマグネットポールと同じ極性をもつ。さらに、励磁されたステータポール６１-６６はそれぞれ、最も近接するロータポールを反対極性に磁化する。

【0073】

図１６に示されるように、３つの相電流IU、IV、IWは、電気角１８０度-０度の角度範囲をもつインダクタンス減少期間に相巻線７１-７６を流れる。この単相発電モードにおいて、通電期間の初期に相巻線７１-７６に相電流IU、IV、IWが供給される。その後、この相電流の供給が停止されるが、相巻線７１-７６は、パワーコンバータ２に発電電流を流す。

【0074】

図１６及び図１７からわかるように、この単相発電モードにおいて、相巻線７１-７６を流れる３つの相電流IU、IV、及びIWはそれぞれ、交流電流となる。これは、ステータポール６１-６６の極性を変更するためである。この実施例の単相発電モードは、本質的に従来の単相SRGの発電モードと同じである。けれども、この実施例によれば、ロータスロットに配置されたマグネットポールにより、高い発電電圧を得ることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【手続補正書】

【提出日】2023-01-04

【手続補正1】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【手続補正書】

【提出日】2023-04-17

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対面するステータ及びロータを有する単相スイッチドリラクタンスモータを制御するための３相モード及び単相モードをもつコントローラを備えるスイッチドリラクタンスモータ装置において、
（A) 前記ステータは、周方向に順番に配置された軟磁性突極からなるステータポールを有するステータコアと、前記ステータポールに順番に巻かれた６種類の相巻線からなるステータ巻線とを有し、
（B) 前記ロータは、周方向に順番に配置された軟磁性突極からなるロータポールを有するロータコアと、前記ロータポールの間のロータスロットに固定された永久磁石からなるマグネットポールとを有し、
（C) 前記ステータポール、前記ロータポール、及び前記マグネットポールの数は、互いに等しく、かつ、６の整数倍に等しく形成され、
（D) 周方向に順番に配置された第１、第２、及び第３の前記マグネットポールは、N極の磁気極性をもち、
（E) 周方向に順番に配置された第４、第５、及び第６の前記マグネットポールは、S極の磁気極性をもち、
（F） 前記３相モードは、６つのステータポールピッチが電気角３６０度に相当する３相回転磁界を形成することにより、前記マグネットポールの全てが３相同期磁石トルクを発生するモードであり、
（G) 前記単相モードは、１つのステータポールピッチに相当する電気角３６０度の範囲内に配置された所定の電流供給期間に前記６種類の相巻線の全てに相電流を供給することにより、前記ロータポールが単相リラクタンストルクを発生し、かつ、前記マグネットポールが単相マグネットトルクを発生するモードであり、
（H) 前記単相マグネットトルクは、前記６種類の相巻線に別々に供給される６種類の相電流の各方向を前記ロータの回転に同期して順次切り替えることにより、前記単相リラクタンストルクと常に同じトルク方向をもつことを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項2】

前記単相モードにおける前記相電流の方向切替は、全ての前記ステータポールが前方において最も近接する前記マグネットポールと同一極性をもつように実行される請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項3】

前記コントローラは、前記３相モードを実行することにより前記単相スイッチドリラクタンスモータの始動を実施する請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項4】

前記コントローラは、前記ステータポールの全てを同時に励磁することにより負の単相リラクタンストルク及び負の単相マグネットトルクの両方を発生する単相発電モードを有する請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。

【請求項5】

前記単相発電モードは、最も近い前記マグネットポールと同一極性を前記ステータポールに与え、
前記最も近いマグネットポールは、前記ステータポールよりも後方に位置する請求項４記載のスイッチドリラクタンスモータ装置。