JP2006523078A - 外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

本発明は機電領域に属し、特に改善されたリラクタンスモータまたはリアクティブモータに関し、外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータを提供する。上述のモータは保持ハウジング、ステータ、ロータ、永磁体からなり、上述のステータは少なくとも一対の独立構造から構成され、磁気材料で作られた保持ハウジングとステータと構成された磁気回路に永磁体が配置されていて、柱形の内側ロータまたは外側ロータ、コップロータ、ディスクロータとラック形滑り子を配置して使用できる。本発明によれば、材料を十分に利用でき、コストダウンを図れ、そしてより広い範囲で使用でき、性能価格比は同期モータより遥かに高い。

Description

本発明は機電領域に属し、特に改善されたリラクタンスモータまたはリアクティブモータに関し、外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータを提供する。

リラクタンスモータ（SRM）はリアクティブモータとも呼ばれ、通常脈動が大きい、効率が低い、そして駆動が複雑であると思われるため、直流モータや非同期モータや同期モータのように広く応用されていないが、通常ステップモータとスイッチングリラクタンスモータとして使用される。リラクタンスモータは直流脈動電流を駆動方式とするものである。三相リラクタンスモータを例とすると、現在チョッパ式駆動回路が一般に適用される場合、低速時の電機駆動電流は矩形波に相当する。矩形波を分析すると、直流、基本波、三次調波、五次調波等が含められることが分かる。そのうち、直流部分はリラクタンスモータ正しく稼動するために必要であり、磁束が常に一方向であることを確保するものであり、基本波は交流電機に回転磁場を生成するエネルギーに相当し、三次、五次など高次調波成分は電機の脈動と発熱の起因となる有害成分である。

本発明は従来のリラクタンスモータ駆動巻線による一方向バイアス磁束の代わりに、ステータ、保持ハウジングの間に独立増設したバイアス装置によるバイアス磁束を利用して、直流成分と基本波成分を保留し、調波成分を消去し、リラクタンスモータの欠陥を解消できる外部磁気回路バイアス式リラクタンスモータを提供する。

上記目的を達成するために、本発明は保持ハウジング、ステータ、ロータ、永磁体からなる外部磁気回路永久磁石バイアス式リラクタンスモータであり、ステータは少なくとも一対の独立構造から構成され、磁気材料で作られた保持ハウジングとステータと構成された磁気回路に永磁体が配置されていることを特徴としている。

上記外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータは少なくとも一対のステータが周方向で内柱面または外柱面エアギャップ空間を形成し、柱形の内側ロータまたは外側ロータと組み合わせることを特徴とする。

上記外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータは、対となった内側、外側ステータが径方向で組み合わせてダブルエアギャップ空間を形成し、コップ形ロータと組み合わせることを特徴とする。

上記外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータは、対となったステータ2端面ディスク状を形成し、両者が軸方向でダブルエアギャップ空間を形成し、ディスクロータと合わせることを特徴とする。

上記外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータは、対になったステータが平面状を成し、両者または四者が組み合わせて、両面または四面エアギャップ空間を形成し、両面ラック形滑り子または四面ラック形滑り子と合わせることを特徴とする。

本発明にかかわる永磁バイアス式リラクタンスモータによると、製造時半分の銅線材の節約、線材の配置空間の減少、外部の配線の簡単化、電機サイズの縮小、及び稼動時ロス
の低減を図れるメリットを持っている。

このような保持ハウジングにより直流外部磁気回路とステータ鉄心元の交流ヨークと組み合わせる構造が実現でき、材料を十分に利用できるうえ、製造コストを低減できる。外部磁気回路バイアス式モータは同期モータと駆動性能が似ていて、同じ駆動電路と駆動方式を利用できるが、より広い範囲で利用でき、性能価格比は同期モータより遥かに高い。

図面を参照して詳しく本発明を説明する。

バイアス原理により、元のリラクタンスモータの巻き線はバイアス巻線と駆動巻き線に分けられる。バイアス巻線と駆動巻き線間は相互影響したり、干渉したりされないように、適当な配線方式が必要である。そのうち、各相のバイアス巻線を全部直列接続し、リラクタンスモータ磁界の引っ張り力は電流方向と関係ないから、この時、各相順を偶数相モータの順番で配列すると、各同方向磁極線のスロットに、隣接位相のバイアス巻線作用が相殺し、巻線数が集中式巻線と同様の大極距離巻線により、従来の各相バイアス巻線を取替えるのが励磁式バイアスであり、さらに永磁によりバイアス巻線を取り替えるのが永磁バイアスになる。本発明の目的は従来のリラクタンスモータ駆動巻線による一方向バイアス磁束の代わりに、ステータ、保持ハウジングの間に独立増設したバイアス装置によるバイアス磁束を利用して、外部磁気回路バイアス式リラクタンスモータを提供することにある。

それにより、駆動巻線のアンペア回数を従来の1／2に低減し、力率を向上することで、何倍も駆動電路のコストを節約でき、減衰特性を改善できる。このような保持ハウジングにより直流外部磁気回路とステータ鉄心元の交流ヨークと組み合わせる構造が実現でき、材料を十分に利用できるうえ、製造コストを低減できる。外部磁気回路バイアス式モータは同期モータと駆動性能が似ていて、同じ駆動電路と駆動方式を利用できるが、より広い範囲で利用でき、性能価格比は同期モータより遥かに高い。

図１（a）に示すように、本発明は保持ハウジング１、ステータ２、ロータ（いずれも図示せず）、永磁体３、隔磁ダウエルピンからなる。ステータス２は真ん中から二つの独立構造に分けられ、磁気材料で作られた保持ハウジング１とステータ２と構成された磁気回路に肉薄環状永磁体３が配置されていて、隔磁ダウェルピン４によりステータス２の二つのハーフの位置を確保する。本実施例はステータ２は一対のハーフに分けられ、ステータ２と保持ハウジング１の間に永磁体３が設けられ、厚くしたハウジング１（材料を十分に利用するように、本実施例には楕円等断面のハウジングを使用する）で永久磁気回路を形成し、両ステータ２の二つのハーフを接続する直流磁気回路とし、永磁環３で交、直磁気回路の分割界面を形成することで、元のステータヨークは自然に交流ヨークになることを特徴とする
本実施例において、永磁バイアスにより上下N,S永磁極を形成し、N、S永磁体の境界に近接した磁極は他の磁極間とは異なる磁束分布であり、二相四極の電機設計（ステータとロータの歯差数は２歯差のまま）を採ることで、このような不対称性をの影響を最小に軽減できる図２（ｂ）は前記二相モータの配線図である。

永磁体でバイアス一方向磁束を生成すると、ステータヨーク２を流れるのは交代駆動磁束のみであるので、サイズは半分ぐらい縮小でき、同じく、スロット内はバイアス巻線を収納必要はないので、サイズも半分程小さくできる。ハウジングは厚さが大きくされ、しかも永磁体へ収納されるものの、ロータの外径を変わらないように確保する上、モータの外径は増大することはない。永磁体を格納するスペースが大きいため、フェライトなど安
価な材料を使用できる。

この方法は通常スイッチトリラクタンスモータシステム内の４相二極モータを代替するために用いられる。本実施例の構造はアウターロータにも適用でき、さらに他の相数、他の極数の同類モータにも適用される。

実施例２は図２（a）に示すように、実施例一を元に、二段ステータを内外二つのステータに変化する。実施例２において、ステータはインナーステータ２a、アウターステータ２ｂの二つの独立構造からなり、ダブルエアギャップ空間（カップ状ロータに合わせられる）を形成し、永磁体が内永磁体３aと外永磁体３ｂからなり、それぞれステータ２a、２ｂと磁気材料により構成された内保持ハウジング１a、外保持ハウジング１ｂの間に設けられ、保持ハウジング１a、１ｂを永磁通路とすることを特徴とする。製造の便宜を図るため、磁気材料で作られた保持ハウジングは磁気回路が相互連通した内保持ハウジング１a、外保持ハウジング１ｂに分けられる。図２（a）にある外側ステータ２と内側ステータ３の極性は引き換えられるものである。保持ハウジングla、lbとステータ2a、2bの間の磁気回路に、それぞれ肉薄環状の内側永磁体３aと外側永磁体３ｂとが装置され、モータサイズが小さい場合、外側永磁体３ｂも併せて内側に配置することで、構造を簡単にできる。

図２（ｂ）は短極距離（または全極距離）分布巻線接続方式により、三相四極モータを構成する。このような簡単な分布式巻線は集中式巻線より、スロット毎の巻線数は半分近く減少できる。したがって、この方式によると、巻線スロットは普通のリラクタンスモータより四倍も縮小でき、ヨークのサイズも相応に小さくなるので、体積毎の出力モーメントは普通の多極非同期モータの２〜４倍になる。

本実施例のキーとなる技術は、ステータ、ロータの歯差数は相毎の極対の数P（普通のリラクタンスモータの歯差数が相毎の極数２Pとは違う）で、実施例一に言及された二相四極モータと対応し、且つロータの内、外側の歯数が同じ、位置が合わせられ、混合式モータよりさらに製造方法が簡単になる。本実施例は中、低速大モーメントのディスクモータに適用し、同体積の混合式モータと比べて、モーメントは一倍向上できる。

図３はリニアモータのステータ磁気回路部分を示す図である。この例において、丸形のエアギャップをまっすぐに伸ばした以外、上記例の磁気回路と同じ特徴を持っている。図には水平断面図しか示さなく、保持ハウジング１、ステータ２、永磁体３だけで、完全な構造となり、直接に両面ラック形の滑り子を駆動できる。その上で、垂直断面にさらに同じような構成を追加し、四面ラック形滑り子を駆動すれば、推力は倍に増加できる。ステータと滑り子とピッチが違い、ステータ両磁極中心間距離の長さ範囲内で、１／３のピッチ差がある。他の相数のモータも類推できる。永磁体をバイアス巻線に取り替えると励磁式バイアスになる。

図３（ｂ）に示すのは相毎二極モータであり、上下の一対磁極で駆動相を形成し、三相の間は星形の接続法を採り、中心点は浮いている状態であればよい。四極モータも同じように類推できる。

本実施例は対になるステータが平面状を成し、両者または四者が組み合わせて、エアギャップ空間を形成し、両面ラック形滑り子もしくは四面ラック形滑り子に配合することを特徴としている。

図４はディスクモータステータの永磁磁気回路構成を示す図である。本実施例は対になるステータが端面ディスク状を成し、両者が軸方向で組み合わせてダブルエアギャップ空間を形成し、ディスクロータに合わせることを特徴としている。ロータの製造難易度を考えないと、永磁体３をロータの中間においてもよい。径方向を軸方向に変えた以外、実施例三と同じである。脱着を便利にするために、ハウジング１は中央から二つのハーフに分けられる。さらにステータの保持力を強めるには、ステータとハウジング１の間に非磁気性のステンレスビス（図示せず）を締めることで固定してもよい。
永磁体３を使用しない場合、バイアス巻線を一つの大きな巻線に集約して、周方向で巻線し、二つのステータ磁気回路の間に設定でき、それで、軸方向磁束を生成し、ステータ、ロータ及びハウジングによりバイアス磁気回路を形成する。励磁、永磁を併せて使用もできることは言うまでもない。

図５はダブルエアギャップコップ形ロータ永磁バイアスリラクタンスモータのステータのさらに他の磁気回路形式であり、図２に示された構成と比べると、永磁体３をステータ２と保持ハウジング１の境界面の代わりに、ハウジング１で形成された磁気回路に設置されただけが違いである。この構成は永磁体の形状に対する要求が低いため、焼結型の永磁材料を使用することに向けられる。

（a）は永磁式バイアスモータのステータの磁気回路を示す図であり、（ｂ）は巻線の配線図である。 （a）はダブルエアギャップ形ロータ永磁式バイアスモータのステータの磁気回路構成を示す図であり、（ｂ）は巻線の配線図である。 （a）はダブルエアギャップリニアモータのステータの磁気回路を示す図であり、（ｂ）は巻線の配線図である。 ダブルエアギャップディスクモータステータの磁気回路を示す図である。 ダブルエアギャップ形ロータ永磁モータステータ磁気回路の他の構成を示す図である。

Claims (5)

1. 保持ハウジング、ステータ、ロータ、永磁体からなる外部磁気回路永久磁石バイアス式リラクタンスモータであり、ステータは少なくとも一対の独立構造から構成され、磁気材料で作られた保持ハウジングとステータと構成された磁気回路に永磁体が配置されていることを特徴としている。
2. 少なくとも一対のステータが周方向で内柱面または外柱面エアギャップ空間を形成し、柱形の内側ロータまたは外側ロータと組み合わせることを特徴とする請求項1に記載の外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータ。
3. 対となった内側、外側ステータ２が径方向で組み合わせてダブルエアギャップ空間を形成し、コップ形ロータと組み合わせることを特徴とする請求項１に記載の外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータ。
4. 対となったステータが端面ディスク状を形成し、両者が軸方向でダブルエアギャップ空間を形成し、ディスクロータと合わせることを特徴とする請求項１に記載の外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータ。
5. 対になったステータが平面状を成し、両者または四者が組み合わせて、両面または四面エアギャップ空間を形成し、両面ラック形滑り子または四面ラック形滑り子と合わせることを特徴とする請求項１に記載の外部磁気回路永磁バイアス式リラクタンスモータ。

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