JP2018174649A - スイッチドリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチドリラクタンスモータの力率、効率の改善を図ること。【解決手段】ステータヨークの内周部に突出形成された2組の2ステータ突極と、前記2ステータ突極間に設けられた駆動巻線と、前記ステータヨークに、該ステータ突極に該磁路を介して磁力を印加するための永久磁石による励磁手段とを備え、永久磁石による励磁手段よりの磁束に駆動巻線の電流よる磁束を加算、減算し、ロータの突極を吸引するステータ突極を切り替え、連続トルクを生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、リラクタンス を利用したモータに関する。

スイッチドリラクタンスモータは、固定子、回転子共に電磁鋼板を積層して製作され、巻線は固定子極にのみ巻かれ、回転子には施されない。一般的な直流電動機、誘導機や同期機と比較して構造が簡単で堅牢、保守が容易、高速回転に適する回転機として優れた特長を有している。

従来の3相スイッチトリラクタンスモータの横断面図を図6に示す。

６１はＡ相のステータ磁極であり、Ａ相の巻線６７、６８を図のシンボルで示す正負の方向に破線６Ｎで示すように６１へ集中して巻回する。６４は負のＡ相のステータ磁極であり、Ａ相の巻線６Ｅ、６Ｄを図のシンボルで示す正負の方向に破線６Ｐで示すように６４へ集中して巻回する。この２つの巻線は、電流の方向が一致するように、渡り線で直列に接続する。図6に示すロータ回転位置でＡ相の電流を流すと、矢印６Ｍで示す磁束が発生し、吸引力が発生し、反時計回転方向ＣＣＷへトルクが発生する。

６３はＢ相のステータ磁極、６６は負のＢ相のステータ磁極、６５はＣ相のステータ磁極、６２は負のＣ相のステータ磁極であり、Ａ相と同様に巻線が施されている。

図6に示すモータは、ロータ６Ｌの回転位置に応じてＡ相電流、Ｂ相電流、Ｃ相電流を順次通電して、総合トルクとして連続トルクを生成する。Ａ相電流の電流の向きは、２つの巻線の電流方向を同時に逆向きにしても、磁性体の吸引力でトルクを発生させるので、トルクの方向は変わらない。Ｂ相電流、Ｃ相電流についても同様である。

固定子突極構造ハイブリッド形スイッチトリラクタンスモータの特性、電気学会論文誌、産業応用部門D、１２３巻２号、２００３年、ｐ75〜81

スイッチドリラクタンスモータ は動作原理上、励磁エネルギーを蓄積していかないと、トルクを得られず、吸引が完了後に励磁エネルギーが最大に蓄積された状態になり、この蓄積された励磁エネルギーを電源もどす必要がある。すなわち、モータに入力された励磁エネルギーの一部しか機械出力に変換されないため、力率が低くなる問題があり、励磁電流が大きくなり、巻線の抵抗値を小さくしなければ効率が悪くなる問題があった。

動作原理上の力率の最大値は50％であり、巻線の磁束が回転子を通らない漏洩磁束がある場合、力率はさらに低下し一般には45％以下である。一般的な直流電動機の力率は100％に近く、誘導機や同期機の力率は85％以上である。スイッチドリラクタンスモータの駆動には、半導体スイッチが使用されるが、力率が悪いため、電流が大きくなり、損失を抑えるには、大型の素子が必要になりコストが高くなる問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、一般的な直流電動機、誘導機や同期機と同等の力率が得られる新方式のリラクタンストルク発生方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の請求項１ に記載のスイッチドリラクタンスモータは、ステータヨークの内周部に突出形成された2組の2ステータ突極と、前記2ステータ突極間に設けられた駆動巻線と、前記ステータヨークに、該ステータ突極に該磁路を介して磁力を印加するための励磁手段とを備えることを特徴としている。

この特徴によれば、2ステータ突極の一つのステータ突極の磁束は、励磁手段よりの磁束に駆動巻線の電流よる磁束が加算され、他のステータ突極の磁束は励磁手段よりの磁束に駆動巻線の電流よる磁束が減算される。駆動巻線の電流の流れる方向が反対になると、駆動巻線の電流よる磁束の加算と減算が入れ替わる。磁束が加算されステータ突極とロータの突極と吸引力が磁束が減算されステータ突極とロータの突極と吸引力より大きくなり、回転トルクが発生する。ロータの回転位置に応じて駆動巻線の電流の流れる方向を変え、ロータの突極を吸引するステータ突極を切り替え、連続トルクを生成する。

ロータコアを回転させると、１つのロータコアの極部がステータ突極に近接、励磁手段とヨーク部とステータ突極とロータコアとによる磁気回路が形成されると同時に、他の1つのロータコア該ロータコアの非極部がステータ突極に近接し、磁気回路がステータ突極間において切断されるようになる。

すなわちロータコアが回転させると、常に励磁手段とヨーク部とステータ突極とロータコアとによる磁気回路が形成されながら、磁束通るステータ突極が入れ替わるようになり、駆動巻線における巻線鎖交磁束の量と方向が変化し、駆動巻線に電圧が発生する。又、ステータ突極に集中巻線を施すとこの巻線にも電圧が発生する。この電圧はロータコアの回転位置の検出に利用できる。

駆動巻線に発生する電圧は、2極の直流モータの電機子を回転させた場合に、電機子に発生する電圧と同等であり、2極の直流モータと同様にロータコアの位置に応じて極性を変え駆動巻線に電流を流すと、駆動巻線に発生する誘起電圧を介して電気エネルギーが機械エネルギーに変換され、ロータコアを回転させることになる。

前記励磁手段は永久磁石又は、励磁巻線を用いることが出来る。

力率が高くなることにより、励磁電流を小さくでき、損出が減少し効率が改善される。

本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成と磁束の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成と磁束の例を示す図である。 従来のスイッチトリラクタンスモータの巻線の構成と磁束の例を示す図である。 従来の直流モータの巻線の構成と磁束の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成と磁束の例を示す図である。 従来のスイッチトリラクタンスモータの巻線の構成と磁束の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成と磁束の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成と磁束の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成と磁束の例を示す図である。 図5のスイッチトリラクタンスモータと組み合わせた制御装置の例である。 従来のスイッチトリラクタンスモータの構成の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成の例を示す図である。 本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータの構成と磁束の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

従来の２相スイッチトリラクタンスモータの巻線の構成と磁束の例を図3に示す。ロータの回転位置に応じてＡ相電流、Ｂ相電流を交互通電して、総合トルクとして連続トルクを生成する。２相スイッチトリラクタンスモータの場合,、相電流が切り替わる時にトルクが発生しない期間が生じる問題がある。図11はロータに、先行部の補助突極を設けた従来の対策例であり、本発明のスイッチトリラクタンスモータにも応用できる。

本発明の実施例における単相スイッチトリラクタンスモータの構成と磁束の例を図１に示す。ステータヨークの内周部に突出形成された2組の2ステータ突極と、前記2ステータ突極間に 全節巻きにより設けられた駆動巻線と、前記ステータヨークに、該ステータ突極に該磁路を介して磁力を印加するための永久磁石による励磁手段とを設けている。図１に示すロータ回転位置でシンボルで示す正負の方向に駆動巻線に電流を流すと「右ネジの法則」に従って、電流を中心とした、同心円状の磁束が発生します。永久磁石による磁束と駆動巻線による磁束が加算され、矢印で示す磁束が発生し、ステータ突極、ステータ突極とロータ突極間で吸引力が発生し、反時計回転方向ＣＣＷへトルクが発生する。

図１の単相本発明の実施例におけるスイッチトリラクタンスモータのロータ回転位置を変えた構成と磁束の例を図2に示す。図2に示すロータ回転位置でシンボルで示す正負の方向に駆動巻線に電流を流すと「右ネジの法則」に従って、図１と反対方向の電流を中心とした、同心円状の磁束が発生します。永久磁石による磁束と駆動巻線による磁束が加算され、図１と異なる矢印で示す磁束が発生し、ステータ突極、ステータ突極とロータ突極間で吸引力が発生し、図１と同様に反時計回転方向ＣＣＷへトルクが発生する。

図1、図2にに示す様に、ロータの回転位置に応じてシンボルで示す方向に駆動巻線に電流の方向を変えてを流して、図３の動作と同様に総合トルクとして連続トルクを生成する

従来の直流モータの巻線の構成と磁束の例を図4に示す。一般に、DCモータの回転原理はBLI則と呼ばれる、磁界を横切るようにおいた電線に電流Iを流すと、電線に発生する力で説明されますが、鉄心溝のある直流モータの場合、磁束は鉄心を通り、電線の空間には磁束がほとんど無く力の説明が出来ません。これを磁力線という概念によって統合して説明する方法があり、磁力線には、ゴムひものように縮もうとする作用があり、鉄の近くに電線を置いて電流を流すことで磁力線を曲げると、真っ直ぐになろうとする力が働くと説明されます。図４に示す電機子位置でシンボルで示す正負の方向に電機子に電流を流すと「右ネジの法則」に従って、電流を中心とした、同心円状の磁束が発生します。永久磁石による磁束と電機子による磁束が加算され、矢印で示す曲がった磁束が発生し、真っ直ぐになろうとする力が発生し、反時計回転方向ＣＣＷへトルクが発生する。

直流モータの電機子を電機子に電流を流さないで、回転させると、巻線と鎖交する磁束の時間的変化の割合いとして誘起電力が発生し、本発明のスイッチトリラクタンスモータも駆動電流を流さないで、回転させると誘起電力が発生します。磁力線が縮もうとする作用と、誘起電力からみると、本発明のスイッチトリラクタンスモータと直流モータの回転原理は同等である。本発明のスイッチトリラクタンスモータは、直流モータと同様に励磁磁束は変化せず励磁エネルギーを電源に回収する必要がないため力率は直流モータと同等となる。

図7、図8、図9は図6の従来の３相スイッチトリラクタンスモータを本発明の２組の3突極と2駆動巻線により２相スイッチトリラクタンスモータで構成されている。図7、図8、図9にに示す様に、ロータの回転位置に応じてシンボルで示す方向に2つ駆動巻線に電流の方向を変えてを流して、総合トルクとして連続トルクを生成する。構成が複雑になるが、ロータの回転位置にかかわらず、トルクが得られるため、相電流が切り替わる時にトルクが発生しない期間が生じない利点がある。

図10は、図5のスイッチトリラクタンスモータと組み合わせた制御装置の例であり、直流モータの直巻モータと同様に励磁電流と駆動電流を略同一に制御している。半導体スィッチ51、半導体スィッチ52がオンするモードと半導体スィッチ53、半導体スィッチ54がオンするモードにより駆動巻線5Ａに流れる電流の方向が決められる。同時に、半導体スィッチ51、半導体スィッチ53をＰＷＭ制御すると駆動巻線5Ａに流れる電流の値を制御できる。

図12は、励磁手段を２組使用した本発明の実施例を示す図である。

図13は、全節巻きにより設けられた励磁巻線131、132を使用した本発明の実施例を示す図である。

図14は、集中巻により駆動電線141,142,143,144を構成した本発明の実施例を示す図である。

図15は、2突極のロータを使用した本発明の実施例を示す図である。

図16は、励磁手段を多数使用し多極化した本発明の実施例を示す図である。

本発明のスイッチドリラクタンスモータは、従来のスイッチドリラクタンスモータの、構造が簡単で堅牢、保守が容易、高速回転に適する、回転機として優れた特長を受け継ぎながら、直流電動機の高力率、高出力の優れた特性を併せ持つ。従って、電気自動車、ハイブリッド自動車等の機器、産業用機器、家庭電化製品への適用が可能である。

11、12、13、14、21、23、31、32 ステータ磁極
15、16 駆動巻線
17、36 永久磁石
18、28 ロータ磁極
1Ａ、3Ａ 永久磁石で励磁される磁束
1Ｂ、1Ｃ 駆動巻線電流で励磁される磁束
1Ｄ 永久磁石と駆動巻線電流で励磁される磁束
1Ｅ、1Ｆ、2Ｅ、37、38 ヨーク
1Ｇ、1Ｈ スロット
1Ｊ ロータ軸
２Ｋ、2Ｌ、2Ｎ、2Ｍ Ａ相巻線
2Ｐ Ｂ相巻線
2Ｄ Ａ相電流で励磁される磁束
33、34 電機子巻線
3Ｂ、3Ｃ 電機子巻線電流で励磁される磁束
3Ｄ 永久磁石と電機子巻線電流で励磁される磁束
47、5Ｂ 励磁巻線
5Ａ 駆動巻線

Claims (1)

1. ステータヨークの内周部に突出形成された2組の2ステータ突極と、前記2ステータ突極間に設けられた駆動巻線と、前記ステータヨークに、該ステータ突極に該磁路を介して磁力を印加するための励磁手段とを備え、励磁手段よりの磁束に駆動巻線の電流よる磁束を加算、減算し、ロータの突極を吸引するステータ突極を選択することを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。