JP2001510676A - 電子的に切替えられる二相のリラクタンス機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この切り替え式リラクタンス機械は固定子側に少なくとも六つの磁石ヨーク（１１）を持っている。ヨークは円状に配置されていて巻線（１１２）を支持している。これらのヨーク（１１）は回転子（１２）の内側及び／又は外側に設置され得る。互いに磁気的に絶縁されたこれらのヨークは回転子（１２）の突出した磁極（１２１）と相互作用する。この機械の二つの位相（Ｘ，Ｙ）はホールセンサー（３１）によりプッシュプル制御される。この方法によれば電子的な回路構成は極めて簡単になる。

Description

【発明の詳細な説明】 電子的に切替えられる二相のリラクタンス機械 本発明は、特に、電子的に切替えられるリラクタンス機械の原理による（英語 では、切替え式リラクタンスと呼ばれる）ＳＲ機械としても知られていて直流電 動機として使用することも発電機の如き追加の機能を有することも出来る、電動 機に関する。 本機械の電磁石部分（固定子）は、相互に独立していて順次制御される二相を 構成するように切替えられる偶数個の電磁石から成っている。 この形式のリラクタンス電動機は国際出願ＰＣＴ−ＲＯ９５／０００１２（Ｗ Ｏ／９６／０９６８３）から公知である。 この電動機は、電動機の位相Ｘ及びＹを構成する直径方向に対向配置された全 部で四個の電磁石を持っている。 この機械は、応用によってはしばしば高過ぎる（例えば毎分１００００回転以 上の）回転数に対する重量（Ｗ／Ｋｇ）が参照される最高の特別な動力を生成す る。 ＷＯ９０／１１６４１から、固定子が対をなす不規則な間隔の磁極を持つ電子 的に切替えられるリラクタンス電動機が知られている。しかし、回転子磁極は互 いに規則的に間隔を置いている。固定子の配置は、隣接する固定子磁極対間の磁 気抵抗路が高い切替え周波数を必要とすることのないように、なされている。 本発明の目的は、低い回転数で高い動力−重量比を要求される応用分野即ち（ 発電機用の）出力又は励起トルクが高いような応用例に適する二相の単純で効率 的で且つ軽量のリラクタンス機械の応用のための形式と例を提示することにある 。 性能が高く且つ重量が軽いために、この機械は特に自動車工業における応用に 適する。 内燃機関用のスタータ／発電機としての用途は有益であり、それにより、付属 の駆動装置としての追加的な機能をも持つことが出来る。この場合、回転子は内 燃機関のフライホイールに連結されるか（又はその一部として構成されて）、そ のＵ−ヨークはクラッチハウジング上に設置される。 他の応用分野は、車輌又は例えば家庭用洗濯機の冷却用送風機のファンモータ である。 これは、低い回転数に対してもトルクの低下なしに高いトルクが得られて、本 発明によるリラクタンス機械が自動車用内燃機関のスタータとして特に適すると 云う利点を有する。 本機械の電磁石部分（固定子）は、本明細書において明らかであるような異な る形式のものを実現し得る少なくとも六つのヨーク１１で設計されている。 ヨーク１１の数自体とその大きさは最適化の原理から決定され、経済的及び技 術的な観点からも考慮される。 最適化の原理として、切替え周波数が、効率は勿論動力−重量比が対応する応 用に対し最適であるように選択される。最適な磁極数はこの周波数と要求される 回転数から決定される。 電子的に切替えられるＳＲ機械の回転子１２は勿論固定子は突出した磁極を持 っている。 従来技術によって知られているように、回転子磁極１２１の表面は固定子磁極 １１１の表面に対応する。 固定子は、少なくとも一つの巻線を支持する別々の磁気的に絶縁されたＵ字形 の電磁石１から構成されている。 これらの電磁石１は、好ましくは、積み重ねられたＵ字形のパンチングシート から製作される。Ｕ字形の両肢間の幅は回転子の磁極歯１２１の幅と略同じで、 両者はＵ字形の肢の角度範囲即ち（固定子磁極の）肢の幅に相当する角度範囲を 持っている。 この角度Ｗ（切替え増分）は、電磁石１の寸法と数即ち機械の所定回転速度の ための切替え周波数をも決定する。各電磁石１と回転子磁極１２１とは二相機械 の活動部分を構成している。 図１は、（図面数を減らすために）四つの異なった領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを持つ 半円に亘り、総て同一の切替え増分幅Ｗを有する本発明による回転子磁極１２１ を有するヨーク１１の異なる実施例を示している。 若し、我々が、これら四つの領域Ａ−Ｄの各々を、それらが円の全周に渡って 平等に即ち少なくとも六つの偶数のヨークで実現されたと考えるならば、我々は 一つの機械に対して下記の如き四つの変形を得ることが出来るであろう。 Ａ．各々が二つの巻線を支持する外側ヨーク１１を持った機械。更に、この円 弧内に第一相Ｘと第二相Ｙのための固定子磁極と回転子磁極の相対位置が、第一 の機械に連結されていて第一の機械からＷ／２だけずらされて機械をより一様に 回転させるようにする第二の機械に属する位相Ｙ’のヨーク１１Ｙ’の位置と同 様に示されている。 各位相は、少なくとも一つの制御可能な半導体好ましくはＭＯＳ−ＦＥＴパワ ートランジスタに直列に接続されている。 Ｂ．外側と内側のヨーク１１と鉢形の回軸子１２を持った機械。 Ｃ．たった一つの巻線を支持する外側ヨーク１１を持った機械。 Ｄ．内側ヨーク１１を持った機械。 （より高価ではあるが）より良い特性のヨークは、変圧器用に使用される条片 巻カット異方性鉄芯のような巻カット鉄芯として設計され得る。この場合、ヨー クを図１における如く（回転方向にＵ字形の両肢を連続的に）配置するだけでな く、約９０°曲げて（Ｕ字形の二肢の前を約９０°曲げられた回転子磁極を同時 に通過して）配置するのが適当である。 従って、磁気回路の対称面は直径方向ではなくて軸方向である。Ｕ字形電磁石 の同一極性の磁極は軸方向の同一側面上に配置されるので、ここでは同一極性機 械となり、その回転子は重鉄で製作され得る。 二相のＳＲ機械は相当のトルク変動を伴うので、一台ではなくて各々が必要出 力の半分の出力を持ち約Ｗ／２だけ角度のずれた二台の機械を使用するのが良い 。 しかし、その二台の機械は共通の機械構造を持つ方がよい。電磁石は何れにし ても回転子の周りに配置されるので、二台の機械に対し（対応して幅広構造の） 同一の回転子１２を用いることが可能である。 これは、電磁石１の全体の数の半分が二つの位相Ｘ及びＹをもって一方の機械 に割り当てられ、他の半分の数の電磁石は位相Ｘ’，Ｙ’をもって他方の機械に 所属すると云うことを意味する。従って、各位相には全体の電磁石の四分の一ず つが割り当てられる。 位相Ｘの固定子−回転子磁極が相互に（歯と歯が）対応した時第二の位相の固 定子−回転子磁極は約角度Ｗだけ（歯とギャップが対応する位置へ）変位するよ うに、回転子１２１又は固定子磁極１１１の重合具合が選択された場合、機械は 正しく作用する。角度Ｗ（＝磁極幅，＝ギャップ幅）に対する位相電磁石の位置 は下記の通りである。 位相 角度位置 Ｘ （０＋２ｎ）Ｗ Ｙ （１＋２ｎ）Ｗ Ｘ’ （０．５×２ｎ）Ｗ Ｙ’ （１．５＋２ｎ）Ｗ 但し、ｎは偶数である。 これらの条件を満たすと、電磁石１は、何れにしても存在するスペースを最適 に利用するように円のセグメントの形で回転子の周りに配置され得る。 以下、我々は、角度変位が約Ｗ／２で第一の機械の脇に配置された該第一の機 械と同一の第二の機械がトルクを平滑にするために使用されている、二つの位相 Ｘ及びＹと全数ｎ個のヨーク１１を持つ簡単な機械について考察する。 駆動用電磁石回路はまたｎ／２個のＵ字形電磁石ヨーク１１Ｘとｎ／２個の電 磁石ヨーク１１Ｙとを含んでいる。ｎ個のヨークは同一である。 各ヨークは、回転子に向けられていて主巻線１１２又は二次巻線１１３に電流 が流された時Ｎ又はＳ極性を取る二つの極１１１を持っている。 図１から明らかなように、二つの回転子磁極１２１がヨーク１１Ｘの二つの磁 極１１１Ｘと一致した時、他の磁極１１１Ｙは回転子磁極１２１の磁極ギャップ １２２に対向せしめられる。 回転子磁極１２１は共通の回転子ヨーク１２３により互いに連結されて、これ らの部分はぎざぎざの丸い形の打ち抜かれた電磁石シートを含む回転子１２のシ ートの積み重ねから簡単に形成されるようになっている。これらのシートはモー ターシャフト５２に直接又は追加部品を介して固着されている。（好ましくは予 め製作された）巻線がＵ字形ヨークに押し込まれて、各ヨークは少なくとも一つ の主巻線１１２を有するようになる。これらの巻線は普通の方法で例えば黒のエ ナメル線の巻装体又は非巻装体としてエナメル線で設計され得る。しかし、本発 明によれば、好ましくは絶縁された又は絶縁されていない銅（又はアルミニウム ）バンドから成るバンド巻線が使用される。 後者の場合、主巻線バンドは片側が、螺旋状に巻かれた金属巻線バンドの端縁 間が短絡することのないように導電バンドよりも僅かに幅の広い（例えばポリエ ステルの）絶縁箔１１５で被覆されている。 特に好適な解決法は主巻線１１２をより小さい断面を有する２次巻線１１３と 一緒に構成することである。 この場合、幅は同じであるが厚さの異なる（従って異なる断面を持つ）複数の 巻線バンドが重ねて巻かれ、それらは二枚の絶縁箔１１５，１１５’により分離 される。 上記二つの巻きバンドは、ヨーク１１１の二肢に押し込まれて固定され、必要 に応じて切替えられ得る。 一つのヨーク１１と二つの回転子磁極１２１を該磁極１２１を連結するヨーク １２３の部分と共に別々に考えた場合、二つの巻線１１２に電流を流すと、図１ に破線で示したような磁束が生じる。回転子磁極１２１が外側ヨークの磁極１１ １Ｙと対向しない（図１参照）でヨーク１１Ｙが固定されていると、磁極１１１ Ｙは通電の結果回転子磁極１２１を吸引し、その結果回転子１２を角度Ｗだけ回 すトルクが発生する。 切替え操作の制御（回転位置の認識）のために、例えば、二つの“モーター半 分”の位相Ｘ，Ｙ及びＸ’，Ｙ’を夫々制御する二つのホールセンサー３１，３ １’が用いられる。 ホールセンサー３１，３１’は、回転子１２と一体に回転し回転子磁極の幅に 対応する角度位置と角度幅のＮ極と回転子磁極間のギャップに対応する角度位置 と角度幅のＳ極とを持つ磁石リング３２により、切替えられる。 マーク付きの歯と隙間を有する機械装置にはトランスミッターで磁石の磁極が 接続され得る。磁石リング３２の磁極が（デジタル出力を持つ）ホールセンサー の前を次々と移動すると、その出力端には回転子の回転に従う論理信号“低”又 は“高”が現れる。 更に、遮断点の変更により発電機としてのリラクタンス機械の機能が発揮され 得る。遮断点は、電動機に切替え増分Ｗの小部分の間（磁気偏倚のための）電流 が供給されるようにずらされて、十分な磁気回路（アンペヤーターン数）が生じ るようにされる。 かくして本機械は、電流を反転させることによりアンペヤーターン数を維持す ることになる機械的エネルギーを吸収するように変わる如く調節される。ＭＯＳ −ＦＥＴトランジスタ内にある衝撃緩和ダイオードは電源に過剰なエネルギーを 導く。 交流発電機としての運転はヨーク１１が直流の供給により予め磁化された時に 達成され、それにより交流は、例えば別の巻線に引き込まれて、回転子磁極が予 め磁化されている固定子磁極を通過した時の磁束変化から発生する。 巻線１１２と１１３の制御回路は、図３に示されたように、主として二つのパ ワートランジスタ好ましくは主巻線１１２Ｘ又は１１２Ｙと直列に接続されたＭ ＯＳＦＥＴ電界効果トランジスタ２１Ｘ，２１Ｙと、電動機の外側にある電源と から成っている。 Ｕ字形ヨーク上にある巻線１１２Ｘ又は１１３Ｘ（又はＹ）は直列又は並列に 接続され、電動機が働く電圧水準から従属的に整流され得る。 トランジスタ２１Ｘ及び２１Ｙは単純な電子回路を介して補充の出力端を持つ ホールセンサーにより制御されて、ホールセンサーの直接出力端が“高”ならば トランジスタ２１Ｘは導通し、ホールセンサーの反転出力端が“高”の時はトラ ンジスタ２１Ｙが導通するようになる。 従って、ヨーク１１Ｘ又は１１Ｙは、回転子を回転させる磁極１１１に回転磁 界が現れるように、交互に着磁される。 図３は運転電動機の完全な回路を示しており、巻線１１２又は１１３の脇の点 はこれらの巻線の始点を表わし、１１２Ｘは例えばｎ／２番目のヨーク１１Ｘ上 に設置された直列又は並列に接続され得るｎ／２番目の主巻線である。 しかし、（試験のため選択がなされる）場合には、巻線１１２Ｙ，１１３Ｙを 流れる電流の方向が変えられると、即ちＹ巻線の脇の点（巻線の始点）が図３に 示したのとは反対の位置に配置されるのが良い。 ここでは、二次巻線１１３の始点へ自己誘導電圧Ｕａを導く二つの結合ダイオ ードが必要である。 スイッチ２７が閉じられると、ホールセンサー３１の直接又は補充の出力端は 電流が流されて正の電位を受けるか、又は磁石リング３２のＮ極又はＳ極がホー ルセンサー３１の前にあるかどうかの事実に従ってアースに接続される。 従って、トランジスタ２１Ｘ，２１Ｙのゲート電極に接続されたホールセンサ ー（例えば、アレグロ社(Allegro Company)，型式ＵＧＮ３２７５）の補充の出 力端は交互に“高”又は“低”となって、該トランジスタ２１Ｘ，２１Ｙは同じ リズムで導通する。 巻線を切り離した時に発生する有害な自己誘導電圧Ｕａは、順次接続されるべ き巻線へ供給された場合、起動に有用な効果に変換され得る。 図４（二次巻線１１３のない電動機）から分かるように、これは、ここではＸ 巻線を切り離した時発生する正の過剰電圧を巻線１１２Ｙへ導くか又はＹ巻線を 切り離した時発生する正の過剰電圧を巻線１１２Ｘへ導く二つの結合ダイオード ２２の助けで実現される。衝撃緩和用ダイオード２３は、自己誘導電圧Ｕａが電 源の正極へ導かれるのを回避する。 しかし、この回路は、自己誘導電圧Ｕａの電気回路の閉合がトランジスタ２１ 又は電圧源によってなされると云う不都合を有する。この不都合は、図３から明 らかなように、同じヨーク上に設置された二次巻線１１３を使用することによっ て回避することが出来る。 自己誘導電圧Ｕａは巻線１１２Ｙ（発電機）から発生して、受容器として役立 つヨーク１１Ｙの二次巻線１１３Ｙへ供給される。 巻線１１２Ｙの自己誘導過剰電圧Ｕａの助けにより、二次巻線１１３Ｙには駆 動電流が発生し、ヨーク１１１Ｙに有用な磁束が生成される。 回転子１２は上記の電磁作用の繰り返しにより連続回転運動せしめられる。遮 断点の最適化は実際にはヨーク１１に対するホールセンサー３１の変位から得ら れる。電動機の磁気及び電気部品は容器フレームに固定され得る。 このフレームの設計は非常に違った方法で実施されるが、そのフレームはヨー ク１１と電動機軸５２の軸受５４が装着される凹陥部５１を主に有している。 パワートランジスタ２１，ダイオード２２及び２３は、他の機械的及び電気的 構成部品（ボード，ホールセンサー等）と同様冷却器として役立つこのフレーム ５上に普通に固定される。 図１に示す如く、回転子磁極１２１がスタータ磁極１１１Ｘと略一致した時、 二次巻線１１３Ｙへ伝達される高い自己誘導電圧Ｕａの発生を直接に導く固定子 磁極に対応する主巻線１１２Ｘが切り離され、それにより主巻線１１２Ｙには電 源から電流が供給される。 これらの巻線に割り当てられた磁極１１１Ｙは迅速に磁化されて、今切り離さ れたヨーク１１Ｘの磁極から丁度離れる回転子磁極１２１を吸引することが可能 となる。 磁極１１１Ｘ（ヨーク１１Ｘ）は、平行歯１２１が磁極１１１Ｙとの最大重合 位置を通過し終わった時に該平行歯１２１を吸引し始めるようになるように固定 されている。 この条件を満足する可能性は、磁極１１１Ｙの外方角が磁極１１１Ｙの外方角 の近傍に直接固定されると云うことである（図１の区分Ｃ参照）。 ヨーク１１の装着は、（回転子と巻線ヨークとの間の空隙が小さいために）重 要であって、極めて正確になされなければならない。 ここで明らかなように、ヨーク１１は両側に（結局は主軸から二つの異なった 距離のところに）基板５７上の適当な相対物５５に（図面の面に垂直に）嵌着さ れ得る凹陥部即ち半円形の突起１１６を有している。 これらの相対物は上記凹陥部１１６に対し反対の形を示していて、基板５７の 一部である。 従って、ヨークは放射方向に確実に固定されて、軸受５４もまた基板５７上に 配置されているため、回転子１２に対し等距離（一定の空隙）を保証している。 電動機はこれらの要素をもって作動する。 作用モード： 電動機が電圧Ｕｎの電源に接続されると、ホールセンサー３１の出力端におけ る信号により、トランジスタ２１のゲート電極に制御電圧が供給される。 主巻線１１２Ｙは活性状態にされ、回転子１２を図１に示された初期位置から 磁極１１１Ｙ−１２１が一致する位置まで角度約Ｗだけ回転するように引き付け る。このようにして、回転子は位相Ｙに対向した磁極の相対位置から位相Ｘに対 向した磁極の相対位置まで移動する。 この位置に達する前に、ホールセンサー３１の出力端の論理レベルは、トラン ジスタ２１Ｘが導通しトランジスタ２１Ｙが遮断するように変化する。 このような動作が繰り返されて、回転子は巻線ヨークに対向して連続回転する 。 本発明の利点は、所望の一定回転数に対して非常に高い特別な性能が達成され 、而も機械は、単純で且つ自動化された製造に適する多用される部品で製作され ると云う点にある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 回転方向にずれ角をもって配置された互いに独立して作用する二相の機械半 分としての二つの機械を含み、固定子上に互いに独立して配置されていて巻線を 支持し且つ実質上その磁極１１１に対応する表面を有する全周に亘って均一に間 隔を置いて配置された回転子磁極１２１を持つ可動の巻線なしの回転子１２と空 気間隙を置いて協働する二つの磁極１１１を有するＵ字形ヨーク１１を含み、回 転子磁極１２１間の距離は円周方向の該回転子磁極の幅に相当していて該幅は角 部分Ｗを画成しており、Ｕ字形ヨーク１１は約１８０°ずらされた電気位相をも って二つの位相Ｘ，Ｙに接続されており、該位相Ｘ，Ｙは少なくとも一つのパワ ー半導体２１Ｘ，２１Ｙにより電流が与えられ、位相Ｘ又はＹの消磁エネルギー を他方の位相Ｙ又はＸへ伝送するダイオード２２が設けられており、固定子のＵ 字形ヨーク１１の数は少なくとも六つ又はそれ以上の偶数Ｎであり、前記一方の 機械半分のＵ字形ヨーク１１Ｘ，１１Ｙを備えた第一の固定子配列と前記他方の 機械半分のＵ字形ヨーク１１Ｘ’，１１Ｙ’を備えた第二の固定子配列とが設け られており、第一固定子配列のＵ字形ヨーク１１Ｘ，１１Ｙには第一位相Ｘ，Ｙ が第二固定子配列のＵ字形ヨーク１１Ｘ’，１１Ｙ’には第二位相Ｘ’，Ｙ’が 夫々割り当てられ、前記一方の機械半分のＵ字形ヨーク１１Ｘ，１１Ｙは前記他 方の機械半分のＵ字形ヨーク１１Ｘ’，１１Ｙ’に対し円周方向にずれて配置さ れていることを特徴とする二相の電子的に切替えられるリラクタンス電動機又は 発電機。 2. 前記Ｕ字形ヨーク１１Ｘ，１１Ｙ，１１Ｘ’，１１Ｙ’は、ｎを偶数とした とき、Ｘ位相のＵ字形ヨーク１１Ｘは角度位置（０＋２ｎ）Ｗに、Ｙ位相のＵ字 形ヨーク１１Ｙは角度位置（１＋２ｎ）Ｗに、Ｘ’位相のＵ字形ヨーク１１Ｘ’ は角度位置（０．５＋２ｎ）Ｗに、Ｙ’位相のＵ字形ヨーク１１Ｙ’は角度位置 （１．５＋２ｎ）Ｗにある角度条件を夫々満足するように配列されていることを 特徴とする請求の範囲１に記載の電子的に切替えられるリラクタンス電動機又は 発電機。 3. 前記Ｕ字形ヨーク１１は回転子１２の両側に配置されていることを特徴とす る請求の範囲１又は２に記載の電子的に切替えられるリラクタンス電動機又は発 電機。 4. 前記Ｕ字形ヨーク１１は不均一に回転子の周辺に配置されていることを特徴 とする請求の範囲１乃至３の何れかに記載の電子的に切替えられるリラクタンス 電動機又は発電機。 5. 磁気回路の対称面は軸方向にあることを特徴とする請求の範囲１乃至４の何 れかに記載の電子的に切替えられるリラクタンス電動機又は発電機。 6. 両方の前記機械半分は共通の回転子を持っていることを特徴とする請求の範 囲１乃至５の何れかに記載の電子的に切替えられるリラクタンス電動機又は発電 機。 7. 両方の前記機械半分は共通の機械構造を有していることを特徴とする請求の 範囲１乃至６の何れかに記載の電子的に切替えられるリラクタンス電動機又は発 電機。 8. 電動機と発電機の間の機能の変更は遮断点の移動により生じるようになって いることを特徴とする請求の範囲１乃至７の何れかに記載の電子的に切替えられ るリラクタンス電動機又は発電機。 9. 固定子磁極が直流で予め磁化されるようになっていることを特徴とする交流 発電機としての機能を備えた請求の範囲１乃至８の何れかに記載の電子的に切替 えられるリラクタンス電動機又は発電機。 10．位相巻線１１２Ｙ，１１３Ｙ，１１２Ｘ，１１３Ｙは、第一の位相巻線１１ ２Ｙ，１１３Ｙの通電方向が第二の位相巻線１１２Ｘ，１１３Ｘの通電方向と同 じか又は反対であるように、配置されていることを特徴とする請求の範囲１乃至 ９の何れかに記載の電子的に切替えられるリラクタンス電動機又は発電機。 11．磁石リング３２にはその上に配列された歯と歯空間が設けられていることを 特徴とする請求の範囲１乃至１０の何れかに記載の電子的に切替えられるリラク タンス電動機又は発電機。 12．重量係数と効率が所定値に達するように選定された多数のヨークを有してい ることを特徴とする請求の範囲１乃至１１の何れかに記載の電子的に切替えられ るリラクタンス電動機又は発電機。