JP3157162B2 - 二重突極型リラクタンスマシーン - Google Patents

二重突極型リラクタンスマシーン

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、可変リラクタンスマシーンとしても公知で
あるスイッチ型リラクタンスマシーン（SRM）と、ステ
ッピングモータと、直線動作又は回転動作を生じさせる
ハイブリッド型ステッピングモータと、を含む一般的な
二重突極型リラクタンスマシーン（DSRM）に関する。
二重突極型リラクタンスモータは、ここ数年間で非常
な注目を集め、多数の出版物がその他の型式のマシーン
に対するその関連する長所を論評している。DSRMは、二
重突極型という幾何学的形態の性質に起因する磁気歯車
比を採用する結果、電気回路及び磁気回路の利用度が少
ないにも拘わらず、大きい力を発生させることが確認さ
れている。各回転サイクルの半分に亙って、正トルクを
発生させるためには、各ステータの歯しか励起させるこ
とが出来ないため、マシーンの磁気回路の利用度は低
い。
リラクタンスマシーンに適用するときの「突極型」と
いう語は、実際の物理的な突起を備え、又は備えない磁
気突極型を意味するものであることを理解すべきであ
る。
二重突極型リラクタンスマシーンは、双方が突極型を
呈するステータ及びロータを備えている。この場合、磁
気突極型は、当該技術分野で一般に理解されている意味
で使用される、即ち、マシーンの作動中に、ロータとス
テータとの相対的位置が変化するとき、その構成要素の
構造により、作動中にマシーンの磁気回路のリラクタン
スが変化するならば、そのリラクタンスマシーンの構成
要素（そのステータ、又はロータの何れか一方）は突極
型であると言える。
例えば、従来のスイッチ型リラクタンスステッピング
モータは、巻線が励起され、ロータが新たな位置に向け
て回転するとき、ステータ及びロータ双方の構造のた
め、ステータ及びロータ双方の有効な磁気経路の断面積
の主要部分が増大し、その磁気回路のリラクタンスが低
下するため、二重突極型である。作動時、別の巻線を励
起させれば、別の有効な磁気回路が選択されるが、その
選択された回路の局部的な特徴は、ロータの回転に伴っ
て変化する。
このスイッチ型二重突極型リラクタンスマシーン及び
その原理並びにその応用の更に詳細は、1990年10月２日
にワシントン州、シアトルで開催されたIEEE IAS会議で
J.M.ステフェンソン（Stephenson）、S.R.マックミン
（MacMinn）及びJ.R.ヘンダーショット・ジュニア（Hen
dershot Jr.）が発表した、IEEE工業応用協会の研修過
程用出版物「スイッチ型リラクタンスドライブ（Switch
ed Reluctance Drives）」に記載されている。電気技師
協会（Institution of Electrical Engineers）のため
に、P.P.アーカンレイ（Acarnley）がピータ・ペリグリ
ナス・リミテッド（Peter Peregrinus Ltd.）から出版
した出版物である、「ステップモータ；その現代の理論
及び実用的方法への指針（Stepping Motors:a guide to
modern theory and practice）」も又、ステッピング
モータ一般に関する有用な出版物である。
ステッピングモータではないが関連するマシーンし
て、同期リラクタンスモータがある。かかるモータは、
ロータにのみ突極型を有し、そのステータは、誘導モー
タのステータと同様である。この型式の装置は、磁束ガ
イドを構成する部分に分割された多相のステータ及びロ
ータを備える可変速度の同期リラクタンスマシーンを記
載する米国特許第5010267号に開示されている。このマ
シーンは上述の突極の定義に基づく突極型ロータを有す
るが、ステータは半閉鎖型のスロットであり且つ突極は
ない。
有効な磁束路の形態的な特徴は、磁束ガイドによって
設定され、ロータが回転すると、ロータの構造にのみ起
因して、この磁束路のリラクタンスが変化する。米国特
許第5010267号のステータは、かかるマシーン用の全節
巻き（fully pitched）のかなり一般的な巻線構造であ
る。全節巻きによる巻線構造の重要性に関する更なる説
明は、本発明の後の部分に記載する。このマシーンの特
定の設計は、相間の相互インダクタンスの作用を可能な
限り軽減することを目的とするものであり、その理由
は、この種のマシーンにおいては、この種の相互インダ
クタンスがある場合、各相の変化する自己インダクタン
スに起因するトルクに加えるべきトルクが発生されない
ことが確認されているからである。
関連するマシーンの更に別の型式のものとしては、ハ
イブリッドステッピングモータがある。基本的に、永久
磁石がこのマシーンにおいて、磁束の一つの構成要素を
提供し、少なくとも一つのステータの巻線の電流が交互
の経路に沿って磁束を案内する。ロータの磁束からの磁
界及びステータの巻線からの磁界という２つの磁界が相
互作用する結果、ロータにトルクが発生する。ステータ
の極及びロータの歯並びに選択された励起順序がロータ
の動作を決定する。これらのマシーンの紹介及びその全
体的な説明は、P.P.アーカンレイによる上述の出版物の
９〜11ページに記載されている。
スイッチ型リラクタンスモータと同様に、この型式の
マシーンもDSRMである。この場合にも、各回転サイクル
の半分に亙ってトルクを発生させるためには、ステータ
の磁極しか励起させることが出来ないため、そのマシー
ンを非常に効率的に利用することは出来ない。
関連するマシーンの別の型式のものは、1974年９月の
IEEの議事録第121巻、９号にてK.C.マクヘルジェ（Mukh
erji）及びA.タスティン（Tustin）により報告された
「バーニヤリラクタンスモータ（Vernier Reluctance M
ortor）」に記載されたいわゆるバーニヤリラクタンス
モータがある。このマシーンは、自己インダクタンスの
変化に起因してトルクを発生し得るように３相を分布し
て配置された巻線を備えている。その相の各々は、最大
各サイクルの半分に亙り、正トルクの発生に寄与するこ
とが出来る。
既に、同期リラクタンスモータに関して全節巻きの巻
線について説明した。リラクタンスマシーンの「磁極ピ
ッチ」は、同時に励起される、逆極性の２つの連続的な
極における対応する点の間の周縁距離として規定される
一方、「コイルピッチ」は、１つのコイルの２つの有効
導体、即ちコイル側の間の距離として規定される。全節
巻きの巻線とは、コイルピッチと磁極ピッチとの比が10
0％、換言すれば、コイルピッチと磁極ピッチとが等し
い巻線である。
全節巻きの巻線は、「集中型」又は「分布型」と称す
ることが出来る。前者において、１つのコイルの各コイ
ル側部間の周縁距離は、磁極ピッチに等しく、一般的
に、磁極及び相当たり１つの巻線スロットが存在する。
後者において、各巻線は、各コイル側部で多数の領域に
分割され、これらの対向する領域の一部の間の周縁距離
は、磁極ピッチと等しくない。
リラクタンスマシーンにおける突極型ステータは、一
般に、等間隔に離間された多数の突出領域、即ち、ステ
ータ磁極を支持しており、該磁極の間でコイルがスロッ
ト内に巻かれる。更に、各ステータ磁極は、その両端に
て磁束ガイドとして機能する多数の突出歯を備えること
を特徴とする。ロータ自体は、半径方向に突出する部分
を有することを特徴とし、これらの突出部分は、作動
時、磁極を形成し、ロータを「突極型」にする効果があ
る。これとは別に、ある種の同期磁気マシーンにおける
ように、ロータ磁極は、肉眼では容易に見えないように
することも出来る。ロータは、磁束ガイドとして機能す
る複数の突極歯をその外周の周りに備えることが出来
る。ステータ及びロータの磁極及びその任意の歯を配置
する方法は、勿論、マシーンの精密及び設計に依存す
る。
発明の概要 本発明の一つの目的は、マシーンの巻線方法を変更
し、より効率的な作動が可能であるようにすることによ
り、マシーンの巻線の利用度を増すことである。
本発明の第一の特徴によれば、各々がマシーンの作動
中、ロータ及びステータの相対的位置が変化するとき、
磁気回路のリラクタンスを変化させるような構造とした
ステータ及びロータを備え、該ステータは、複数のルー
プの周りを電流が流れるのを許容し得るように配置され
且つ結線された導体を支持し、該ループの各々が、少な
くとも一対の部分を有し、電流がその部分内をロータが
動く方向に対して直角の方向に反対方向に流れて磁極を
形成し、そして各ループ毎に、電流を一方向に運ぶ各部
分は、逆極性の隣接する磁極が分離する距離に等しい周
縁距離だけ、その反対の方向に電流を運ぶ各部分から分
離していることを特徴とするリラクタンスマシーンが提
供される。
本発明の第二の特徴によれば、共に突極型を有するス
テータ及びロータを備え、該ステータが複数のループの
周りを電流が流れるのを許容し得るように配置され且つ
結線された導体を支持し、該ループの各々が少なくとも
一対の部分を有し、電流がその部分内をロータが動く方
向に対して直角の方向に反対方向に流れて磁極を形成
し、及び各ループ毎に、電流を一方向に運ぶ各部分は、
逆極性の隣接する磁極が分離する距離に等しい周縁距離
だけ、その反対の方向に電流を運ぶ各部分から分離して
いることを特徴とするリラクタンスマシーンが提供され
る。
本発明の第三の特徴によれば、共に突極型を有するス
テータ及びロータを備え、ステータが複数のループに沿
って電流が流れるのを許容し得るように配置され且つ結
線された導体を支持し、これらの導体がステータの巻線
を形成し得るように接続され、その巻線の各々が上記ル
ープの１つの群を備え且つ電流経路を形成し、作動時、
マシーンによる相当なトルクの発生は、ロータの回転に
伴って経路間の相互インダクタンスが変化することによ
るものである、ことを特徴とする二重突極型リラクタン
スマシーンが提供される。
本発明のマシーンによって発生されたトルクは、巻線
の自己インダクタンスに起因するトルクで増強し、又は
補充することが出来る。このように、本発明によるマシ
ーンは、一部分は相互インダクタンスに、及び一部分は
自己インダクタンスに起因するトルクを発生させること
が出来る。
導線は、一方向の電流のみを許容し得るように配置し
且つ結線することが出来る。
各々が多数の突極型を有するステータ及びロータの構
造の結果、ステータの磁極数は、ロータの磁極数の整数
倍以外の数となる。
本発明による二重突極型リラクタンスマシーンは、モ
ータ及び発電機とすることが出来る。
作動時、巻線は、ロータ上に完全に一方向のトルクを
発生させる連続的な電流を供給する供給手段に接続され
る。該供給手段は、通常、巻線を電源に接続し、必要と
する一連の電流を提供するように制御されるスイッチ手
段を備えている。
本発明の一つの利点は、一定のフレーム寸法内でトル
ク及び効率を著しく増すことが可能な点である。
本発明の好適な実施例において、単一の巻線から成る
導体が隣接するステータ磁極間でスロット内の巻線領域
を略充填する。
本発明の更に別の特徴によれば、少なくとも２つの巻
線を有するステータとロータとを備え、該巻線の各々が
全節巻きしたハイブリッドステッピングモータが提供さ
れる。
図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照しつつ、本発明の特定の実施例
について、一例として説明する。添付図面において、 図１は、スイッチ型リラクタンスドライブの主要構成
要素の図、 図２は、２つのステータ磁極の巻線のみを示す、６つ
のステータ磁極及び４つのロータ磁極（６−4SRM）を備
える、従来技術のスイッチ型リラクタンスモータの断面
図、 図３は、従来技術の６−4SRMからの磁束パターンを示
す図、 図４は、（３つの内の）２つの全節巻きの巻線を示
す、本発明によるSRMの断面図、 図５は、全ての巻線を示す、全節巻きの巻線状態を示
す、本発明によるSRMの図、 図６及び図７は、ロータを反時計方向に回転させる、
図５のSRMについて可能な伝導順序の例を示す図、 図８は、同時に励起された３つの全節巻き巻線の全て
を示す、本発明によるSRMの断面図、 図９は、全ての３つの相を同時に励起させてロータを
反時計方向に回転させる図５のSRMの別の可能な伝導順
序を示す図、 図10は、従来のマシーン及び本発明によるマシーンの
別の伝導順序についてのトルク角度の試験結果を示す
図、 図11は、ロータ及びステータ組立体を示す、従来のハ
イブリッドステッピングモータの回転軸線に沿った長手
方向断面図、 図12及び図13は、図11の組立体のそれぞれ断面Ｘ−
Ｘ、Ｙ−Ｙに沿った横断面図、 図14及び図15は、１つの相及び２つの相が励起され
た、図11の組立体の巻線の励起パターンを示す図、 図16は、本発明によるハイブリッドステッピングモー
タの横断面図、 図17及び図18は、１つの相及び２つの相がそれぞれ励
起された、図13のモータの巻線の励起パターンを示す図
である。
具体的な説明 最初に、本発明は、スイッチ型リラクタンスマシーン
に適用する場合について説明する。
図１には、スイッチ型リラクタンスドライブの主要な
構成要素が示してある。この適用例において、SRMは、
モータとして機能する。
直流の給電は、電子制御装置12の制御の下、スイッチ
装置11によりスイッチ型リラクタンスモータ10の巻線を
横断して一定の順序で切り替えられる。このスイッチ動
作は、モータシャフト上のロータ位置エンコーダ13を使
用して、電子制御装置に信号を送ることにより、モータ
10の回転角度に正確に同期して行われる。このようにし
て、モータの各巻線は、回転サイクルの一部に亙り、順
に励起される。モータ速度は、制御装置12で設定するこ
とが出来る。SRMの原理及びその基本的構造は、上述のI
EEE IAS会議の論文の４−７ページに記載されている。
図２において、典型的な二重突極スイッチ型リラクタ
ンスマシーンの従来技術が示されており、ここで、６つ
のステータ磁極（S1−S6）及び４つのロータ磁極（R1−
R4）を備えている、即ち、６−4SRMである。ステータ及
びロータは、共に積層され、励起コイルの各々は、単一
のステータ磁極に支持されており、その反対側のコイル
は、Ｎ極及びＳ極対を形成し得るように接続されてい
る。対向する対のステータ磁極S1、S4を励起する状態を
示すべく、これらのコイル20、21により形成される１相
の巻線のみが示してある。図示したロータの位置におい
て、コイル20、21は、従来通りに図示する電流を流した
とき、ロータの歯R1、R3に正のリラクタンストルクを提
供する。このトルクは、磁気回路が最小のリラクタンス
の形態となる傾向にあること、即ち、ロータ磁極がステ
ータ磁極と一直線となり、励起されたコイルのリラクタ
ンスを最大にするという傾向によって発生される。この
トルクは、電流の流れる方向と無関係であり、このた
め、一方向の電流を使用することが出来、その他の形態
のモータの殆どに必要とされる回路と比較して、電子ス
イッチ回路を簡略化することが可能であることに注目す
べきである。
図３には、同様に、一相の巻線のみを示す図２のSRM
の磁束線図が示してある。モータトルクを発生させるた
め、巻線の各々は、自己インダクタンスが小さい位置に
対応するロータの位置にてスイッチオンされ、自己イン
ダクタンスが大きい位置にてスイッチオフされる。従っ
て、巻線の各々は、各回転サイクルの最大限半分しか利
用することが出来ない、即ち、巻線は、自己インダクタ
ンスが低下する期間の間は、利用することが出来ない。
次に、本発明の実施例によるスイッチ型リラクタンス
マシーンについて、図４に示した構造に関して検討す
る。これらの巻線は、参照符号22、23、24、25で示して
あり、図２の構造と比較して、基本的に同一の励起パタ
ーンを形成するために、２倍の巻線面積が利用可能であ
ることが明らかである。
この励起パターンを実現するために２つの巻線が使用
され、その巻線の各々は磁極を横断して全節巻きされて
おり、該磁極は、作動時、逆極性の隣接する励起磁極を
形成する。各ステータ磁極の一方の側の完全な巻線面積
を利用して、その磁極に励起状態を生じさせる。このよ
うに、一方の巻線は、導体22、23の群により形成される
一方、別の巻線は、導体24、25の群により形成される。
スイッチ順序が正確であれば、巻線をスイッチオンにし
て、ロータに一方向のトルクを提供するのに必要とされ
る順序でロータの磁極を励起させることが出来る。適当
な電流の例は、電流の流れる反対方向を示す、通常の
「十字線」及び「点」の記号で示してある。
図５において、図４の６−4SRMが示してあり、又、全
ての巻線が示してある。この場合、巻線の各々は、電流
を反対方向に運ぶ、対向するステータスロット内の２つ
の群の導体を備えている。従来の巻線による６−4SRMの
場合と同様に、スイッチ装置11からの給電は、３相で行
われ、導体ａ＋、ａ−の群が単一相Ａの電気を運び、そ
の他も同様である。
ロータに一方向の反時計方向トルクを生じさせる単一
極のスイッチ順序の一例が図６に示してある。ロータの
角度θは、各相又は巻線が有効であるときを設定する。
ロータが約θ＝45゜に対応する、図５に示した位置にあ
るとき、相Ａ、Ｂがスイッチオンされ、故に、ステータ
磁極S1、S4が励起される。ロータの歯R1、R3との磁束の
連結により、ロータに反時計方向へのトルクが生じる。
θ＝60゜の位置にて、スイッチ装置11は、相Ａをスイッ
チオフにし、相Ｃをスイッチオンにし、これにより、ス
テータ磁極S2、S5が励起されて、相Ｂ、Ｃのみが有効と
なり、ロータの歯R2、R4は、所定位置に付勢される。ス
イッチ順序は、図６に従って続行する。各導線を使用し
て、隣接するステータの２つの磁極を励起状態にする
が、その時間は、異なるサイクル周期であり、このた
め、従来のSRM巻線構造と異なり、各相は、各サイクル
の2/3の周期だけスイッチオンされ、この周期の全体を
通じ、その相がトルクの発生に寄与する。
別の順序が図７に示してあり、該順序は、電流を巻線
を通じて相互の方向に運ぶスイッチ回路を使用する。図
７のＡ「＋」は、電流が一方向に運ばれることを示す一
方、Ａ「−」は、電流がその反対方向に運ばれることを
示す。
従来のスイッチ型リラクタンスマシーンにおいて、発
生されたトルクは、磁束連結−電流の軌跡によって包囲
された面積から直接、求められる。改良された新たな巻
線構造において、任意の１つの相の巻線を連結する磁束
は、最早、単に、位置及びそれ自体の相の電流の関数で
はない。相が結合する結果、同様にその他の相の電流に
依存する相の連結状態となる。しかしながら、相が作用
する毎にトルクに変換されるエネルギは、その相の軌跡
の包囲された面積に等しい状態を保つ。
ロータの歯が励起されたステータの歯と整合状態とな
るに伴い、従来のSRMの任意の１つの相の自己インダク
タンスは増し、次式に従ってトルクが発生される。
一般に、複数の相が任意の瞬間的な時点に伝導する場
合、この等式も一般化することが可能である。例えば、
３相のマシーンにおいて、上記の式は、次のようにな
る。
ここで、ia、ib、icは、瞬間的な相電流である。
飽和効果を無視すれば、従来のSRMの各相の自己イン
ダクタンスは、典型的に、各回転サイクルの最大限半分
に亙って増加する、このことは、この相は、かかるサイ
クルの最大限半分に亙り、モータトルクを生じさせるた
めにのみ励起させることが出来るに過ぎないことを意味
する。新たな構造は、これよりもはるかに大きい正のト
ルクを発生させ、故に、何らかのその他の機構を使用し
なければならない。その結果、相の間に著しい結合が存
在するため等式（２）では不完全である。
新たな巻線構造の各相については瞬間的な電圧を考慮
することにより、次式が得られる。
等式（３）を等式（２）と比較すると、各種の相間の
変化する相互インダクタンスに起因して、相の間に結合
が存在する場合、付加された項がいかにトルクに寄与す
るかが分かる。
漏洩及び周辺領域が無視し得る程度であり、全ての鉄
心の透磁性が極めて大きいと仮定した場合、図５のSRM
において、各相の自己インダクタンスは、相電流により
発生された磁束が通るロータとステータの極との重なり
合い長さに直接、比例する。一方のロータ磁極が整合す
ると、別のロータ磁極は、非整合状態となり、このた
め、この重なり合い長さは一定であり、ロータの位置に
影響されなくなる。故に、各相の自己インダクタンス
は、ロータの位置と共に変化せず、実際、従来の方法で
巻かれたSRMの整合相の最大インダクタンスに等しくな
る。従って、等式（３）の右側の最初の３つの項は、零
となる。かかる結論は、従来のSRMにおいて、これらの
項がトルクを発生させる唯一のものである点で極めて重
要である。
上記と同一の仮定に基づき、相Ａ、Ｂ間の相互インダ
クタンスMabは、次式で求めめられる。
ここで、Ｎ＝相当たりの巻き数。
1a＝マシーンの軸方向長さ。
1ag＝空隙長さ。
1m＝相互インダクタンスに寄与する歯の重なり合い寸
法（この寸法は、図４に一例として示したものであり、
この例において、歯の重なり合い寸法は、極R2、S3の重
なり合い距離である長さｘと極R3、R4の重なり合い距離
である長さｙとの差である）。
μｏ＝自由スペースの透磁性。
上述の簡単な分析の結果、一例としての６−４マシー
ンにおいて、相間の相互インダクタンスは、負であり、
30゜の回転角度に亙って一定であることが分かる。次
に、この値は、次の30゜の回転中に等しい正の値とな
り、別の30゜の角度で負の値に戻り、従って、サイクル
を完了させる。この理想的なマシーンにおける相互イン
ダクタンスの正及び負の最大値は、任意の１つの相の一
定の自己インダクタンスから漏洩リラクタンスを引いた
値に等しい。
上述のように、本発明による理想的なマシーンは、変
化する相互インダクタンスのみからそのトルクを得る。
本発明により、３相以上の相のマシーンを製造すること
が出来る。かかる場合、その理想的なマシーンは、その
トルクを相互インダクタンスの項のみから引出すもので
はないが、そのトルクの相当の成分は、このようにして
発生される。
例えば、ａ、ｂという２つの相が作用するとき、ロー
タに加えられる瞬間的なトルクは、次式で求められる。
等式（５）を等式（１）と比較すると、等式（５）の
相互インダクタンスの変化率は、等式（１）の自己イン
ダクタンス変化率の２倍であることが分かる。２つの相
は、共に起磁力（mmf）に寄与するため、所定の瞬間的
な相について、mmfの２倍の電流が利用可能であり、こ
のため、飽和、周辺及び端末巻線の損失の影響を無視す
れば、４倍のトルクが発生される。磁気的に飽和された
マシーンにおいては、ゲインは著しく小さくなるが、依
然、相当な値を維持する。
図６のスイッチ順序は、これら相間の相互インダクタ
ンスが増大しているときの２つの正の相の電流を使用す
るが、相互インダクタンスが低下するときの電流は利用
されない。図７のスイッチ順序の場合のように、双方向
電流作用が行われるとき、相電流の一方は負であるた
め、相互インダクタンスが低下するときは、正のトルク
が与えられる。
別の励起パターンは、磁極S1、S4が励起状態にある図
８に図示するように、３つの相の全てが同時に伝導作用
をするパターンである。これは、相互インダクタンスが
増大するとき及び低下するとき双方の電流が利用され
る。より大きいMMFは一対のロータ歯に正のトルクを発
生させるが、より小さいMMFも、その他方の対のロータ
歯に負のトルクを発生させる。図９は、ロータを反時計
方向に回転させる適当なスイッチ順序が示してある。
６−4SRMの代替手段として、その各々が全節巻きした
６つの巻線で３相の12−8DSRMを構成することが出来、
本発明によれば、６−４の任意の実用的な整数倍のマシ
ーンを製造することが出来る。12−8SRMの作動時、各対
の巻線が同一間隔で作用するように、対の巻線に通電す
ることにより、巻線が同時に励起されて、有効な磁極が
２対提供される。12の巻線領域が提供され、全節巻きの
巻線が90゜だけ離間された領域を占める、即ち、各巻線
の２つの部分は、その他方の巻線が占める２つの領域だ
け、離間されている。
上述の交互の励起順序を従来の方法で巻いたSRMと比
較するための試験を行った。公称定格トルク48Nmの既存
の7.5kWの市販の12−8SRMを巻き直して全節巻き巻線と
した。このマシーンは、D132フレーム寸法であり、コア
直径210mm及びスタック長194mmとした。トルクの測定
は、整合位置（０゜）及び非整合位置（22.5゜）の間で
ロータが約１゜の間隔で係止された状態で市販のトルク
変換器を使用して行った。巻き直し工程を別にして、マ
シーンの改造は一切不要であった。相当たりの直巻き回
数及び巻線の断面積は、従来の方法で巻いたものと同一
にしたが、巻線の端部長が長いため、銅の質量は、8.34
Kgから12.0Kgへと44％増した。これに対応して、20℃に
おける相当たりの抵抗値が0.797Ωから1.147Ωへと増し
た。
図10には、その結果が示してあり、励起パターンＡ
（同時に２相が伝導する単極伝導）、パターンＢ（同時
に２相が伝導する双極伝導）、パターンＣ（同時に３つ
の相の全てが伝導する双極伝導）及びパターンＤ（従来
の方法で巻いたSRM）の場合のロータの角度に対するト
ルクが示してある。
この試験において、従来のマシーンにおけるピーク電
流は、15Aであり、マシーンの巻線損失が等しいことを
条件として試験を行った。これらの結果から、本発明に
よる巻線構造の場合、トルクは、著しく増大することが
明らかである。従来のマシーンは、ピークトルク48.2Nm
であるが、励起Ａはピークトルク66.7Nm（38％の増
加）、励起Ｂはピークトルク67.8Nm（41％の増加）、励
起Ｃはピークトルク76.8Nm（59％の増加）であった。
本発明は、６−４又は12−８構造による３相SRMに関
して説明した。しかし、本発明は、そのマシーンの所定
の適用例に依存して、その他の数の相及び異なる数のス
テータ及びロータ極を備えるマシーンにも適用可能であ
る。本発明の適用例として、８−６及び12−10SRMが含
まれ、又、ロータに隣接する多数の突極領域に分割され
る極を備えるモータにも適用されるが、これらの例は、
何等、限定的なものではない。
ロータの位置に応じて相互インダクタンスを変化させ
るその他の巻線形態も採用可能である。
ステッピングモータ及びハイブリッドステッピングモ
ータの作動原理は、SRMの作動原理と極めて類似してお
り、このため、本発明は、ステッピングモータ及びハイ
ブリッドステッピングモータの形態の二重突極型リラク
タンスマシーンにも関するものである。
次に、ハイブリッドステッピングモータの形態による
本発明の一実施例について説明する。
図11には、従来のハイブリッドステッピングモータが
示してあるが、この図は、本発明によるモータにも同様
に適用可能である。ステータ巻線102を有するステータ1
01は、円筒状ハウジング（図示せず）内に取り付けられ
た円筒状の後部鉄心105から半径方向内方に突出する、
長手方向に分離した２組みの有歯極103、104から成る。
モータシャフト106は、円筒状の永久磁石108及び２つの
円筒状有歯端部キャップ109、110から成るロータ107を
支持する。有歯端部キャップの各々は、組みの有歯ステ
ータ磁極の一つに対応した軸方向位置にあり、２つの端
部キャップは、それぞれ永久磁石の両磁極と磁気的に接
触している。ステータ磁極の先端とロータの端部キャッ
プの歯の先端との間には、小さい空隙111が残る。ステ
ータ101及びロータの端部キャップ109、110は、共に積
層軟鉄で形成される。
磁束経路は、点線112で示してあり、永久磁石108のＮ
極からその空隙111を横断し且つステータの極103を通っ
て、ロータの端部キャップ109を半径方向外方に進み、
ステータの後部鉄心105に沿って軸方向に、空隙を横断
してステータの磁極104を通って半径方向内方に進み、
ロータの端部キャップ110を通って永久磁石108のＮ極に
戻る。故に、磁束は、ロータの端部キャップ109から半
径方向外方に、及びロータの端部キャップ110に向けて
半径方向内方に流れることを要する。
従来のハイブリッドステッピングモータにのみ適用さ
れる図12及び図13の断面は、それぞれ図11の断面Ｘ−
Ｘ、Ｙ−Ｙに沿って示したものである。図示したモータ
は、この図で順次、P1−P8で示した８つのステータ磁極
を有しており、該磁極の各々は、均一に離間した５つの
歯120を有し、又、両組みのロータ磁極の対応した磁極
を横断して伸長する巻線の一部を支持する。ロータの端
部キャップは、均一に離間して突出する50の半径方向歯
121を支持し、これらの歯の位置は図面に示すように、
２つのロータの端部キャップの間で角度を成すようにず
らして配置されており、このため、１つのロータの端部
キャップの歯は、その軸方向の突出に関して、他方のロ
ータの端部キャップの隣接する２つの歯の間の中間位置
に配置される。単一ステータ磁極の歯の間の角度は、ロ
ータの歯の角度に略等しい。
図面に示すように、その各々が電源Ａ又はＢの一方の
相を運び且つその各々が８つのステータ磁極のうちの４
つの磁極に配置された２つの巻線が組立体に設けられて
おり、その巻線Ａは、P1、P3、P5、P7に配置され、巻線
Ｂは、P2、P4、P6、P8に配置されている。各相の連続的
な磁極は逆方向に巻かれており、そのため、例えば、巻
線Ａを励起させると、磁極P1、P5には、一方向への磁界
が生じ、磁極P3、P7には、その逆方向への磁界が生じ
る。この巻線構造は、図12及び図13におけるように、個
々の巻線として示してあり、従来のものが利用されてお
り、例えば、ａ＋、ａ−は、相Ａを反対方向に運ぶ導線
を示す。この巻線構造の結果、磁極P1、P3のような同一
巻線の２つの隣接するステータの磁極に磁束を発生させ
ることが出来、ステータ巻線が励起されたとき、２つの
磁極の磁束は、相は同一であるが、その極性は異なるも
のとなる。
次に、断面Ｘ−Ｘを示し、又、単一の相を作用させた
ときの巻線の励起状態を示す図14を参照しつつ、従来の
ハイブリッドステッピングモータの作用について説明す
る。この図の斜線で示した巻線は、従来の「十字線」及
び「点」符号で示した方向への励起状態を示す。
必要とされるロータ位置に従って、特定の磁極を通る
磁束の流れを促進し、又は遮断するために巻線が使用さ
れる。図14に示した励起状態のとき、磁極の磁界は、磁
極P1、P5内で半径方向外方に向かう一方、その磁界は、
磁極P3、P7では、半径方向内方に向かう。その結果、ロ
ータは、それ自体が図14に示した位置に整合され、この
ため、ロータ歯は、ステータの磁極P1、P5の歯と整合す
る一方、断面Ｙ−Ｙにて、磁極P3、P7とも整合する。故
に、ステータとロータとの磁束結合が変化するため、ト
ルクが発生される。
相の巻線は、所望のロータ動作を生じるような順序で
励起される。Ａの励起を停止し、Ｂを逆の電流で励起さ
せたならば、ステータ及びロータの歯は、断面Ｘ−Ｘの
磁極P4、P8及び断面Ｙ−Ｙの磁極P2、P6により整合する
傾向となり、これによって、ロータを反時計方向に１ス
テップだけ動かす。この方向に連続的に回転させるた
め、スイッチ順序及びその結果としての整合状態を示
す、次の表に掲げたように順序を続行する。
４ステップから成る完全な励起サイクルの結果、同一
のステータ磁極の下で歯が整合状態となるため、ｎをロ
ータの歯数とした場合、各ステップ長は、360/4n度とな
る。このように、図示した例において、モータは、360/
200、又は1.8度のステップ長を有し、この短いステップ
長のため、かかるハイブリッドモータの角度位置にて極
めて大きい分解能が得られる。
時計方向に回転する場合、スイッチ順序は異なり、相
の励起は、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−、Ａ＋、....の順序
で行われる。
同時に複数の相を励起させることでトルクを増強する
ことが出来、このことは、一例として、断面Ｘ−Ｘにお
ける励起を示す図15にモータに関して示してある。この
反時計方向への回転の励起順序は、次の通りである。
（Ａ＋/B＋）、（Ａ＋/B−）、（Ａ−/B−）、（Ａ−
/B＋）、（Ａ＋/B＋）、.... しかし、スロットは、電流の二つの成分（図15で傾斜
部分以外の部分で図示）を逆方向に運ぶため、そのスロ
ットの半分はMMFを有しない結果、この構成は、極めて
効率が悪い。従って、これらは、損失が相当に大きく、
トルクの発生の点では殆ど利点がない。
次に、本発明の一実施例によるハイブリッドステッピ
ングモータの図16に示した構造に関して説明する。この
場合にも、相Ａ、Ｂという２つの巻線が使用される。こ
のとき、巻線は、ステータ磁極を横断して全節巻きであ
り、巻線の各々が２つのステータ磁極に渡っている。
各ステータ磁極の両側の完全な巻線領域を利用し、正
確なスイッチ順序により、モータの所望の動作を得るの
に必要とされる順序に従ってでロータ磁極を励起させる
ように、スイッチオンすることが出来る。反時計方向へ
の回転の適当な順序は、Ｂ＋、Ａ＋、Ｂ−、Ａ−、Ｂ
＋、....であり、この順序の最初のステップに対応する
モータの位置が、図17にＸ−Ｘ断面における状態で示さ
れている。この構造は、図15に示した従来のハイブリッ
ドモータのトルクと等しいトルクを発生させるが、巻線
の有効領域における損失は半分にしか過ぎない（端部の
損失を無視した場合）。
１相の伝導による基本的なMMFパターンは、図18に示
すように、本発明によるマシーンにおける２相の伝導に
より再現することが出来る。この場合、同一のMMFパタ
ーンを発生させるための銅面積が２倍あり、このため、
所定の銅損失に対して、より大きいトルクが得られる。
これとは逆に、同じトルクに対して、銅損失は遥かに少
なくなる。この場合の適当なスイッチ順序は、次の通り
である。
（Ａ＋/B＋）、（Ａ＋/B−）、（Ａ−/B−）、（Ａ−
/B＋）、（Ａ＋/B＋）、.... 全節巻線のSRMと異なり、このマシーンは、ステータ
相間の相互作用による相互インダクタンスからそのトル
クを得るものではないことに注目すべきである。
本発明は、８つのステータ磁極を有する２相のハイブ
リッドステッピングモータに関して説明したが、この例
は、本発明の範囲を何等、限定するものではない。本発
明は、その他の数の磁極を有し、２以上の相を使用する
ステータを備えるマシーンに適用可能である。同様に、
ロータ及びステータに設けられる歯の数は、そのマシー
ンの所望の適用例いかんにより変更することが出来る。
また、これらのマシーンは、一般に、マシーンの軸方
向長さに沿って多数の基本的なモータ装置（スタック）
を備えるように設計されるが、スタックの数は適用例に
適するように選択可能であることを理解すべきである。
ハイブリッドステッピングモータを作動させる場合、
上述のステータ及びロータ組立体が必要とされるのみな
らず、又、巻線に多相電流を供給する手段及び所望のス
イッチ動作を行う手段も必要とされる。典型的に、ロー
タのシャフトにより作動される光電子装置のようなロー
タ位置エンコーダを設けて、電子制御装置に信号を送
り、スイッチ動作の正確な同期化を保証することが出来
る。
上記の説明は、DSRMをモータとして適用する場合に関
するものである。しかし、本発明によるDSRMは、又、発
電機とすることも可能である。永久磁極が存在しない場
合、巻線は、スイッチ回路を介して電源から励起するこ
とを必要とする。ロータは、巻線により発生されたトル
クに対抗し得るように駆動され、電気は、マシーンから
電源に流れる。
本明細書及び請求の範囲において、ロータ及びステー
タという語は、直線マシーンにも適用されるものであ
り、ロータ及びステータは、それぞれ可動部材及び静止
部材であることが理解されよう。
本発明はその特定の実施例に関して説明したが、請求
の範囲の精神及び範囲に含まれるその他の全ての実施例
を包含することを意図するものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02K 37/04

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】リラクタンスマシーンであって、 高透過性の磁性材料でできたコアを有するステータと、 どの時点でもリラクタンスを最小にするようにステータ
    と整合位置に引かれるべく自由に回転可能なロータと、 を備え、 ステータ及びロータの両者は、リラクタンスマシーンの
    動作中、前記ロータ及びステータの相対的位置が変化す
    るとき、磁気回路のリラクタンスを変化させるようにつ
    くられ、 ステータは、複数のループの周りで電流が流れるのを許
    容するよう配置されかつ結線された導体を支持し、導体
    のループは、前記ロータを最小のリラクタンスの連続す
    る位置の間で移動させるように連続的に附勢されるよ
    う、多相電流供給装置から附勢されることが可能であ
    り、ループの各々は、少なくとも一対の部分を有し、そ
    の部分において、電流はロータの移動方向に直角の方向
    に関して反対の方向に流れてステータ内に一時的な磁極
    を形成し、前記磁極は規則的に隔てられた対向する対の
    極として配置され、各ループに対して、電流を一方向に
    流すループの各部分は、逆極性の隣接する磁極を隔てる
    距離に等しい周辺距離だけ、反対の方向に電流を流すル
    ープの各部分から隔てられているリラクタンスマシー
    ン。
  2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載のマシーンにし
    て、導体がステータの巻線を形成し得るように接続さ
    れ、その巻線の各々が前記ループの１つの群を備えかつ
    電流路を形成し、作動時、ロータの回転に伴って経路間
    の相互インダクタンスが変化することにより、マシーン
    によって相当なトルクが発生されるようにしたマシー
    ン。
  3. 【請求項３】請求の範囲第１項又は第２項に記載のマシ
    ーンにして、前記導体が一方向の電流のみを許容し得る
    ように配置されかつ結線されるマシーン。
  4. 【請求項４】請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
    の項に記載のマシーンにして、各々が多数の突極型を有
    するステータ及びロータの構造の結果、ステータの磁極
    数がロータの磁極数の整数倍以外の数となるマシーン。
  5. 【請求項５】請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
    の項に記載のマシーンにして、前記導体がステータスロ
    ット内に配置され、前記スロットの各々が単一の巻線の
    みから成る導体を収容するマシーン。
  6. 【請求項６】請求の範囲第１項、第４項又は第５項に記
    載のマシーンにして、前記ロータが軸方向に成極された
    永久磁石を備え、前記永久磁石が複数のロータ位置の各
    位置に対し、ロータ磁極とステータ磁極との間にそれぞ
    れの優先的な磁束路が存在するように配置されているマ
    シーン。
  7. 【請求項７】請求の範囲第６項に記載のマシーンにし
    て、前記ロータが永久磁石の端部に１つずつ設けられた
    略円形でリラクタンスの小さな２つの部材を備え、前記
    部材の各々がその外周の周りに等間隔に配置された複数
    の歯を備え、前記ステータが、その各々が前記ロータに
    隣接する複数の歯を有する複数の突極型磁極を備えるマ
    シーン。
  8. 【請求項８】請求の範囲第７項に記載のマシーンにし
    て、２つの巻線と、８つのステータ磁極と、50個のロー
    タ歯とを備えるマシーン。
  9. 【請求項９】請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか
    の項に記載のマシーンにして、３つの巻線と、６つのス
    テータ磁極と、４つのロータ磁極と、を備え、又はそれ
    らの数の整数倍の巻線及び磁極を備えるマシーン。
  10. 【請求項１０】請求の範囲第１項ないし第９項のいずれ
    かの項に記載のマシーンにして、多相電流を導体に供給
    する手段を備えるマシーン。
  11. 【請求項１１】請求の範囲第10項に記載のマシーンにし
    て、作動時、前記ロータに完全に一方向のトルクを発生
    させるような順序で電流が巻線に供給されるマシーン。
  12. 【請求項１２】双方共に突極型であるステータ及びロー
    タを備え、前記ステータが全節巻の巻線構造の導体を支
    持するマシーン。
  13. 【請求項１３】添付図面に関して説明したものと実質的
    に同一の二重突極型リラクタンスマシーン、又は二重突
    極型リラクタンスマシーンとスイッチ手段との組合せ
    体。
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