JP2002176755A - Ｓｒモータおよび該モータを備えた転てつ機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＳＲモータにつき、ロータの回転位置を検出
するためのセンサや複雑な制御回路を不要とする。 【解決手段】 ロータ２の界磁磁極部２１に棒状導体２
２を設け、多数の棒状導体２２のそれぞれを終端板２
４，２４により相互に導通する。かご型誘導電動機と同
様の原理によりロータ２が始動され、同期速度近くまで
加速されるから、低速大トルクを得られ、またロータ２
の回転位置を検出するセンサや回転位置をフィードバッ
クするための制御回路が不要となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、界磁における磁気
抵抗の偏在によってトルクを得るＳＲモータに関し、と
くにロータの位置検出を不要としたＳＲモータ、および
該モータを備えた転てつ機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスイッチド・リラクタンスモータ
（以下、ＳＲモータとよぶ）としては、例えば内側に、
外向き凸状の界磁磁極部を複数（例えば４個）有する界
磁を設けるとともに、外側に、内向き凸状の電機子磁極
部を複数（例えば６個）有する電機子を配設した構成の
ものであって、電機子側の各電機子磁極部にコイルを取
り付けたもの（回転界磁型）が知られている。また、電
機子と界磁を内外逆とし、内側を電機子とし外側を界磁
とする構成（回転電機子型）もある。

【０００３】例えば前者（回転界磁型）のＳＲモータで
は、刻々変化するロータ（内側回転子）の回転位置を常
時検出するセンサを適宜の位置に付設しており、このセ
ンサから出力する検出信号に基づきステータ（外側固定
子）の適宜のコイルに電流を流し、これによって発生す
る回転磁界によりロータを磁化すると、ロータの突極的
な磁気特性（典型的には、ロータの突極的な幾何形状）
による磁気抵抗の偏在によって、ロータは磁気抵抗が減
少するような姿勢に変位しようとする。これによってＳ
Ｒモータがトルクを発生する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＳＲモータ
は始動トルクが小さいため、低速域で大きなトルクが必
要な用途には適さない。また、ＳＲモータでは、ロータ
の回転位置を検出するためのセンサや、回転位置をステ
ータのコイルの励磁状態にフィードバックするための制
御回路が必要であるところ、これらは高価であると共に
複雑で故障のおそれもあり、鉄道用の転てつ機のように
信頼性・経済性が重視される用途には必ずしも適すると
はいえない。

【０００５】そこで、本発明の目的は、低速大トルクを
得ることができ、またロータの回転位置を検出するため
のセンサや複雑な制御回路が不要なＳＲモータを提供す
ることを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、ステー
タと、前記ステータの内側に収容されるロータとからな
り、前記ステータと前記ロータとのいずれか一方を電機
子とし他方を界磁とし、前記界磁における磁気抵抗の偏
在によってトルクを得るＳＲモータであって、前記電機
子は、前記界磁に向けて突出する複数の電機子磁極部を
等角的に備えると共に各電機子磁極部には単巻きコイル
を備え、前記界磁は、磁性体からなり前記電機子の電機
子磁極部に向けて間欠的かつ等角的に突出する複数の界
磁磁極部をそれぞれ備えた第１の部材および第２の部材
と、前記第１および第２の部材の間に設けられ両部材を
互いに異極に磁化する永久磁石と、を備え、前記第１の
部材の界磁磁極部と前記第２の部材の界磁磁極部とは回
転方向に互いに位相を異にして設けられ、前記界磁はさ
らに、前記界磁磁極部のそれぞれを前記ロータの回転軸
と同方向に貫通する導体を備え、且つこれら導体のそれ
ぞれが相互に導通されていることを特徴とするＳＲモー
タである。

【０００７】第１の本発明では、界磁は永久磁石により
その第１の部材の界磁磁極部と第２の部材の界磁磁極部
とが互いに異極に磁化されている。そして、これらの界
磁磁極部を吸引するような回転磁界を電機子により生じ
させることにより、界磁の突極的な幾何形状による磁気
抵抗の偏在によって、界磁と電機子（いずれか一方がロ
ータであり他方がステータである）は、界磁の磁気抵抗
が減少するような姿勢に相対的に回転する。

【０００８】ここで、第１の本発明では、界磁がさら
に、界磁磁極部のそれぞれをロータの回転軸と同方向に
貫通する導体を備え、且つこれら導体のそれぞれが相互
に導通されていることとしたので、電機子により生じる
回転磁界が導体を切ることによって誘起される誘起起電
力により導体から磁界が生じ、これが回転磁界と鎖交し
て回転力が生じる。すなわち、かご型誘導電動機と同様
の原理によりロータが始動され、同期速度近くまで加速
される。そして、ロータとステータの間のすべりが縮小
し、ロータが同期速度に達すると、導体には電流が流れ
なくなる。

【０００９】このように第１の本発明では、界磁に備え
られた導体の電気的・磁気的作用により、始動および同
期速度への移行を行うことができるから、ロータの回転
位置を検出するセンサや回転位置をフィードバックする
ための制御回路が不要となり、きわめて信頼性・経済性
の高い製品を得ることができる。

【００１０】第２の本発明は、第１の本発明のＳＲモー
タであって、前記第１および第２の部材はいずれも平板
状であり、前記第１および第２の部材の一方における前
記界磁磁極部を貫通する前記導体を、前記第１および第
２の部材の他方における前記界磁磁極部同士の間の空隙
に露出させ且つ前記電機子の電機子磁極部による磁束中
に臨ませたことを特徴とするＳＲモータである。

【００１１】第２の本発明では、界磁を構成する第１お
よび第２の部材がいずれも平板状であることとしたの
で、加工が容易であって低コストで製造できる。また、
導体が第１および第２の部材の一方における界磁磁極部
を貫通することとしたので、導体を界磁に対し回転方向
に位相を異にした外部に配置した構造に比して、導体の
作用により大きなトルクを得ることができる。

【００１２】第３の本発明は、第１または第２の本発明
のＳＲモータであって、前記電機子の電機子磁極部の単
巻きコイルを２相に配線すると共に両相の間に進相コン
デンサを接続してなり、単相交流電力により運転される
ことを特徴とするＳＲモータである。

【００１３】第３の本発明では、電機子を２相に配線
し、両相の間に進相コンデンサを接続したので、これに
単相交流電力を印加すると、電機子の各相が２相交流で
励磁される。これにより第３の本発明では、第１または
第２の発明の効果に加え、単相交流電力によって運転で
き、構造単純にして取扱性に優れたＳＲモータを得るこ
とができる。

【００１４】本発明は、第４の本発明のようにロータを
界磁とする回転界磁型であってもよく、また、第５の本
発明のようにステータを界磁とする回転電機子型であっ
てもよい。また、本発明は上述の各種の利点から、転て
つ機に適用するのが好適である。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態につい
て、以下に図面を参照しながら説明する。図１は第１実
施形態に係るインナロータ方式のＳＲモータ１０を示
す。外側部材となるステータ１は、多数枚の同形の珪素
鋼板を軸方向に積層してなり、内向きの電機子磁極部１
１が１２個、等間隔に形成されている。

【００１６】ステータ１の各電機子磁極部１１には、単
巻きコイル１２が１つずつ取り付けてある。単巻きコイ
ル１２は、その巻き方向が図中時計回りに正・正・逆・
逆の繰り返しとなるように各電機子磁極部１１に取り付
けられる。単巻きコイル１２を使用する理由は、巻装密
度を上げることができること、簡単に製造できること、
製造コストが安いことなどにある。

【００１７】内側部材となるロータ２は、いずれも多数
枚の同形の珪素鋼板を軸方向に積層してなる第１ロータ
板２Ａおよび第２ロータ板２Ｂ、およびこれらに挟まれ
た円盤状の永久磁石３（図２参照）から構成されてい
る。第１ロータ板２Ａおよび第２ロータ板２Ｂには、そ
れぞれ外向きの界磁磁極部２１が１５個ずつ等間隔に形
成されている。

【００１８】これら界磁磁極部２１は、一方のロータ板
の界磁磁極部２１が他方のロータ板の界磁磁極部２１，
２１の間から軸方向に露出するように、交互に配置さ
れ、その結果図１に示すとおり、回転軸４の軸方向から
見て計３０個の電機子磁極部２１が等間隔に並んだ状態
となる。なお、ステータ１およびロータ２の材質は、強
磁性となりうる磁性材料であれば他の材料でもよい。回
転軸４はロータ２とキー結合により固定されており、ま
たケース５に対してベアリング６により回転自在に保持
されている。

【００１９】永久磁石３は、その軸方向の両端面が磁極
となるような極性をもち、第１ロータ板２ＡをＮ極に磁
化し、他方、第２ロータ板２ＢをＳ極に磁化している。
この結果、Ｎ極に磁化されている第１ロータ板の界磁磁
極部２１と、Ｓ極に磁化されている第２ロータ板２Ｂの
界磁磁極部２１とが、周方向にＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓの順で交
互に配置されることになる。

【００２０】ロータ２の界磁磁極部２１のそれぞれに
は、通孔が開けられている。これら通孔には、図３に示
すように、棒状導体２２をロータ２の回転軸と同方向に
貫通させ、これら棒状導体２２の両端部を、リング状の
導体からなる終端板２４，２４に固定する。棒状導体２
２および終端板２４により、かご型導体が形成される。

【００２１】ステータ１の各電機子磁極部１１に巻装さ
れている単巻きコイル１２は、Ａ相およびＢ相の２相に
配線されており、これらＡ相およびＢ相の単巻きコイル
１２は、ステータ１の各電機子磁極部１１に、時計方向
にみてＢ相正巻、Ａ相正巻、Ｂ相逆巻、Ａ相逆巻の順に
装着されている。

【００２２】図４において、並列に接続されたＡ相の単
巻きコイル１２ａおよびＢ相の単巻きコイル１２ｂの各
入力側と、入力端子１５との間には、正逆転スイッチ１
４が設けられている。そしてＡ相およびＢ相の単巻きコ
イル１２ａ，１２ｂの間には、進相コンデンサ１３が接
続されており、これにより、正逆転スイッチ１４がＡ相
側（正転側）を選択しているときにはＢ相側が進相とな
り、また正逆転スイッチ１４がＢ相側（逆転側）を選択
しているときにはＡ相側が進相となるように、Ａ相側と
Ｂ相側とには互いに電気角９０°の位相差をもった電流
がそれぞれ供給される。

【００２３】次に、第１実施形態の作動について説明す
る。第１実施形態のＳＲモータ１０は、主として棒状導
体２２の作用による始動状態から、主として界磁磁極部
２１の作用による同期状態へと移行するものである。

【００２４】始動状態においても、同期状態において
も、ステータ１の電機子磁極部１１には電源周波数に対
応した同期速度の回転磁界が生じている。このステータ
１による回転磁界の生成について、まず説明する。

【００２５】図５はＡ相とＢ相の各相の電機子磁極部１
１の磁化状態の推移を示すグラフであり、図６（ａ）な
いし（ｅ）は、図５における時刻ａないしｅのそれぞれ
におけるロータ２の姿勢を示す説明図である。図６
（ａ）においてステータ１の外側に付されている符号
Ａ，Ａbar，Ｂ，ＢbarはそれぞれＡ相の正巻、Ａ相の逆
巻、Ｂ相の正巻、Ｂ相の逆巻の単巻きコイル１２を示
す。なお、図６においては理解の容易のため、図１ない
し図３の構成に比して極数を少ないものとして図示して
いる。

【００２６】いま、図６（ａ）における中央最上部の電
機子磁極部１１を、Ｂ相正巻の単巻きコイル１２の装着
された電機子磁極部１１ｂとし、その図中右隣の電機子
磁極部１１を、Ａ相正巻の単巻きコイル１２の装着され
た電機子磁極部１１ａとする。

【００２７】まず、時刻ａにおいては、図６（ａ）に示
すようにＡ相正巻・Ａ相逆巻の磁束が０、かつＢ相正巻
の磁束がＮ側の最大値、Ｂ相逆巻の磁束がＳ側の最大値
となっている。

【００２８】次に、時刻ｂにおいて、図６（ｂ）に示す
ようにＡ相正巻・Ｂ相正巻の電機子磁極部１１ａ，１１
ｂがいずれもＮ側にやや弱く励磁された推移状態とな
る。

【００２９】次に、時刻ｃにおいては、図６（ｃ）に示
すようにＡ相正巻の磁束がＮ側の最大値、Ａ相逆巻の磁
束がＳ側の最大値、かつＢ相正巻・逆巻の磁束が０とな
っている。このようにしてＮ，Ｓ各極性のピークがステ
ータ１の電機子磁極部１１を時計方向に順番に受け渡さ
れることにより回転磁界が生じる。

【００３０】同期状態においては、このステータ１にお
ける回転磁界と同期してロータ２が回転する。すなわ
ち、ステータ１において、ある電機子磁極部１１がＮ極
に磁化されているときには、その電機子磁極部１１に、
ロータ２の界磁磁極部２１のうちＳ極に磁化されている
もの（すなわち、第２部材２Ｂの界磁磁極部２１）が対
向した状態となり、ロータ２はこの関係を保ちながら、
電源周波数と極数とにより定まる回転磁界の速度と同じ
定速度で回転する。

【００３１】そして、始動時においては、ステータ１の
回転磁界が、棒状導体２２を切ることにより誘起起電力
が生じ、これにより棒状導体２２を流れる電流によって
その周囲に二次磁束が生じる。この二次磁束が、ステー
タ１の回転磁界の磁束と鎖交することにより、ロータ２
を回転させる方向のトルクが生じる。すなわち、かご型
誘導電動機と同様の作用により、ロータ２の回転速度が
０から同期速度まで加速される。そして同期速度とロー
タ２の回転速度の差である滑りが０まで低減し、同期速
度になると、棒状導体２２には電流が流れなくなり、し
たがって棒状導体２２によるトルクは発生しなくなる。

【００３２】以上のとおり、本実施形態では、ロータ２
の界磁磁極部２１が棒状導体２２を備え、且つ多数の棒
状導体２２のそれぞれが相互に導通されていることとし
たので、かご型誘導電動機と同様の原理によりロータ２
が始動され、同期速度近くまで加速される。そして、ロ
ータ２とステータ１の間のすべりＳが縮小し、ロータ２
が同期速度に達すると、棒状導体２２には電流が流れな
くなる。

【００３３】このように本実施形態では、ロータ２に備
えられた棒状導体２２の電気的・磁気的作用により、始
動および同期速度への移行を行うことができるから、ロ
ータ２の回転位置を検出するセンサや回転位置をフィー
ドバックするための制御回路が不要となり、きわめて信
頼性・経済性の高い製品を得ることができる。

【００３４】また、本実施形態では、回転子としてのロ
ータ２を構成する第１ロータ板２Ａおよび第２ロータ板
２Ｂがいずれも平板状であることとしたので、加工が容
易であって低コストで製造できる。また、棒状導体２２
が第１ロータ板２Ａおよび第２ロータ板２Ｂの一方にお
ける界磁磁極部２１を貫通することとしたので、棒状導
体２２を界磁磁極部２１に対し回転方向に位相を異にし
た外部に配置した構造に比して、棒状導体２２の作用に
より大きなトルクを得ることができる。

【００３５】また本実施形態では、ステータ１を２相に
配線し、両相の間に進相コンデンサ１３を接続したの
で、これに単相交流電力を印加すると、ステータ１の各
相が２相交流で励磁される。これにより本実施形態で
は、単相交流電力によって運転でき、構造単純にして取
扱性に優れたＳＲモータを得ることができる。

【００３６】なお、上記実施形態における棒状導体２２
および終端板２４については、滑りＳと二次抵抗（棒状
導体２２と終端板２４とのなす閉回路の抵抗値）との間
のいわゆる比例推移特性を利用して、始動時（Ｓ＝１）
のトルクを最大とするように、終端板２４の材質（比抵
抗値）を選定したり、あるいは、終端板２４を多数に分
割し分割された各部分の間に固定抵抗素子や可変抵抗器
を挿入する構成とするのが好適である。また、電気的に
同位相の棒状導体２２の両端を直結してこれらから誘起
される電流をスリップリングにより取り出し、各相のス
リップリングの間に同様の二次抵抗としての固定抵抗素
子や可変抵抗器を挿入する構成としてもよい。

【００３７】次に、第２実施形態について説明する。上
記第１実施形態では、内側をロータとするインナロータ
型の構成例について説明したが、第２実施形態は、外側
をロータとするアウタロータ型の構成例である。

【００３８】図７に示すように、内側部材となるステー
タ５２には外向きの多数の電機子磁極部６１を等間隔に
形成し、各電機子磁極部６１には、単巻きコイル６２を
１つずつ取り付ける。

【００３９】他方、外側部材となるロータ５１は、第１
ロータ板５１Ａおよび第２ロータ板５１Ｂ、およびこれ
らに挟まれたリング状の永久磁石５３（図８参照）から
構成されている。第１ロータ板５１Ａおよび第２ロータ
板５１Ｂには、それぞれ内向きの界磁磁極部７１が多数
等間隔に形成されている。界磁磁極部７１は、一方のロ
ータ板の界磁磁極部７１が他方のロータ板の界磁磁極部
７１，７１の間から軸方向に露出するように、交互に配
置され、その結果、回転軸５４の軸方向から見て、多数
の界磁磁極部７１が交互に等間隔に並んだ状態となる。

【００４０】永久磁石５３は、その軸方向の両端面が磁
極となるような極性をもち、第１ロータ板５１ＡをＮ極
に磁化し、他方、第２ロータ板５１ＢをＳ極に磁化して
いる。ロータ５１の界磁磁極部７１のそれぞれに開けら
れた通孔には、棒状導体７２を回転軸５４と同方向に貫
通させ、これら棒状導体７２の両端部を、リング状の導
体からなる終端板７４，７４に固定する。棒状導体７２
および終端板７４により、かご型導体が形成される。ロ
ータ５１はケース５５を介して回転軸５４に固定され、
ステータ５２は、ホルダ５７を介してベアリング５６に
より回転軸５４に回転自在に保持されている。

【００４１】以上のとおり構成された第２実施形態のＳ
Ｒモータ６０は、ホルダ５７を適宜箇所に固定して使用
され、ステータ５２の電機子磁極部６１の各単巻きコイ
ル６２に対して、図４のものと同様の回路により給電す
ることによりステータ５２に回転磁界を生じさせ、これ
により、外側のロータ５１を回転させる。しかして、こ
の第２実施形態においても、ロータ５１が多数の棒状導
体７２を備えることとしたので、かご型誘導電動機と同
様の原理により始動および同期速度への移行を行うこと
ができるから、ロータ５１の回転位置を検出するセンサ
や回転位置をフィードバックするための制御回路が不要
となり、きわめて経済性・信頼性の高い製品を得ること
ができるという第１実施形態と同様の効果を生ずる。

【００４２】なお、第１および第２実施形態では、ロー
タ側を界磁とする回転界磁型の構成例について説明した
が、本発明はステータ側を界磁とする回転電機子型のモ
ータに適用することも可能であり、かかる構成も本発明
の範疇に属するものである。

【００４３】本発明に係るＳＲモータは、低速大トルク
を実現できるので、転てつ機に適用するのが好適であ
る。例えば図９のとおり、ＳＲモータ１０（，６０）を
備えた電気転てつ機８８を、信号扱所に備えられた操作
手段である電気てこ８１、および制御状態を表示する表
示装置８２に対して、電線で接続する。電気転てつ機８
８は、ＳＲモータ１０（，６０）を制御する転てつ制御
リレー８３、ＳＲモータ１０（，６０）への機械的衝撃
を緩衝する摩擦連軸器８４、ＳＲモータ１０（，６０）
の出力回転を減速する減速歯車装置８５、転てつ機の解
錠・転換・鎖錠を行う転換鎖錠装置８６、および制御状
態を検出する回路制御器８７を含んで構成される。な
お、摩擦連軸器８４はＳＲモータ１０（，６０）の特性
によっては省略することも可能である。しかして、この
ような適用は、本発明の上述の利点、すなわちロータの
回転位置を検出するセンサや回転位置をフィードバック
するための制御回路が不要であり、きわめて信頼性・経
済性が高いという利点を有するＳＲモータ１０（，６
０）の用途として特に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態のＳＲモータの一部切欠した正
面図である。

【図２】 第１実施形態のＳＲモータの一部切欠した側
面図である。

【図３】 第１実施形態のＳＲモータの要部を示す斜視
図である。

【図４】 給電回路を示す回路図である。

【図５】 各相の電機子磁極部の磁化状態の推移を示す
グラフである。

【図６】 （ａ）ないし（ｅ）は第１実施形態のＳＲモ
ータの動作を示す説明図である。

【図７】 第２実施形態のＳＲモータの一部切欠した正
面図である。

【図８】 第２実施形態のＳＲモータの一部切欠した側
面図である。

【図９】 ＳＲモータを備えた電気転てつ機を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

１，５２ ステータ、２，５１ ロータ、２Ａ，５１Ａ
第１ロータ板、２Ｂ，５１Ｂ 第２ロータ板、３，５
３永久磁石、４，５４ 回転軸、１０，６０ＳＲモー
タ、１１，６１ 電機子磁極部、１２，６２ コイル、
１３ 進相コンデンサ、１４ 正逆転スイッチ、２１，
７１ 界磁磁極部、２２，７２ 棒状導体、２４，７４
終端板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 19/14 Ｈ０２Ｋ 19/14 Ａ 21/16 21/16 Ｍ 21/46 21/46 Ｆターム(参考） 2D056 AB00 5H002 AA01 AE07 5H619 AA01 BB01 BB05 BB15 BB24 PP01 PP02 PP04 PP08 PP15 5H621 AA01 GA04 GB10 HH01 HH10 PP08 PP10 5H622 AA01 CA01 CA06 CA09 CB04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータと、前記ステータの内側に収容
   されるロータとからなり、前記ステータと前記ロータと
   のいずれか一方を電機子とし他方を界磁とし、前記界磁
   における磁気抵抗の偏在によってトルクを得るＳＲモー
   タであって、 前記電機子は、前記界磁に向けて突出する複数の電機子
   磁極部を等角的に備えると共に各電機子磁極部には単巻
   きコイルを備え、 前記界磁は、磁性体からなり前記電機子の電機子磁極部
   に向けて間欠的かつ等角的に突出する複数の界磁磁極部
   をそれぞれ備えた第１の部材および第２の部材と、前記
   第１および第２の部材の間に設けられ両部材を互いに異
   極に磁化する永久磁石と、を備え、前記第１の部材の界
   磁磁極部と前記第２の部材の界磁磁極部とは回転方向に
   互いに位相を異にして設けられ、 前記界磁はさらに、前記界磁磁極部のそれぞれを前記ロ
   ータの回転軸と同方向に貫通する導体を備え、且つこれ
   ら導体のそれぞれが相互に導通されていることを特徴と
   するＳＲモータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のＳＲモータであって、 前記第１および第２の部材はいずれも平板状であり、前
   記第１および第２の部材の一方における前記界磁磁極部
   を貫通する前記導体を、前記第１および第２の部材の他
   方における前記界磁磁極部同士の間の空隙に露出させ且
   つ前記電機子の電機子磁極部による磁束中に臨ませたこ
   とを特徴とするＳＲモータ。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のＳＲモータで
   あって、 前記電機子の電機子磁極部の単巻きコイルを２相に配線
   すると共に両相の間に進相コンデンサを接続してなり、
   単相交流電力により運転されることを特徴とするＳＲモ
   ータ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のＳ
   Ｒモータであって、 前記ロータが前記界磁であることを特徴とするＳＲモー
   タ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれかに記載のＳ
   Ｒモータであって、 前記ステータが前記界磁であることを特徴とするＳＲモ
   ータ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載のＳ
   Ｒモータを備えた転てつ機。