JP3539859B2 - リラクタンスモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リラクタンスモータに関し、特に、所定の回転方向に対して高いトルクを発生するリラクタンスモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転子の磁気的な突極性によって発生するリラクタンストルクを用いるリラクタンスモータは、交流電源で直接始動でき、電源周波数に同期して回転する小容量の同期電動機として古くから用いられていた。現在、小容量のリラクタンスモータではなく、電気自動車等の動力源として、効率的に大トルクを可変速で発生し得るスイッチドリラクタンスモータ（Switched Reluctance Motor)が注目を集めている。ここで、スイッチドリラクタンスモータとは、リラクタンスモータの中で、固定子及び回転子が共に突極構造を有し、集中巻固定子巻線の回転子位置情報に基づいて電流を供給する方式のものを指す。係るスイッチドリラクタンスモータは、構造が簡単で機械的に頑健であり、熱の発生が固定子巻線に限定され、駆動回路の簡素化が可能である等の特徴を有している。
【０００３】
ここで、スイッチドリラクタンスモータの回転原理について図４及び図５を参照して説明する。図４は従来技術のリラクタンスモータを示している。該リラクタンスモータは、６個の突極７２Ｕ、７２Ｕ’、７２Ｖ、７２Ｖ’、７２Ｗ、７２Ｗ’を備える固定子７０と、４個の突極８１、８２、８３、８４を備える回転子８０とから成り、各突極７２Ｕ、７２Ｕ’、７２Ｖ、７２Ｖ’、７２Ｗ、７２Ｗ’には巻線７４Ｕ、７４Ｕ’、７４Ｖ、７４Ｖ’、７４Ｗ、７４Ｗ’が巻回されている。ここで、スイッチドリラクタンスモータは、回転子８０の突極と固定子７０の突極の位置とを図示しないセンサにて検出し、各巻線７４Ｕ、７４Ｕ’、７４Ｖ、７４Ｖ’、７４Ｗ、７４Ｗ’を励磁することで、回転子８０を回転させる。
【０００４】
図４中に示す回転子８０の突極８１と、固定子７０の突極７２Ｕとを模式的に示す図５（Ａ）〜図５（Ｃ）を参照し、スイッチドリラクタンスモータのトルクの発生原理について述べる。ここで、回転子８０の回転に伴い、突極８１は図中の矢印の方向に移動するものとする。図５（Ａ）に示すように固定子７０側の突極７２Ｕに、回転子の突極８１が近づいたタイミングで、巻線７４Ｕに電圧を印加し、磁束を両突極７２Ｕ、８１間に渡すことにより、磁気抵抗の変化に基づき図中矢印で示す右向きのトルクを発生させる。そして、図５（Ｂ）に示すように、固定子７０側の突極７２Ｕと回転子の突極８１とが対向する位置で、巻線７４Ｕへの電圧印加を停止する。即ち、これ以上電圧の印加を続けると、回転子８０の回転方向とは反対側（図中の左向き）のトルクが発生するからである。ここでは、回転子８０の突極８１と固定子７０の突極７２Ｕとを示したが、回転子８０の各突極８１、８２、８３、８４に対して、それぞれの突極７２Ｕ、７２Ｕ’、７２Ｖ、７２Ｖ’、７２Ｗ、７２Ｗ’の励磁を順次切り替えて行くことで、連続したトルクを発生させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した図５（Ｂ）に示す固定子７０側の突極７２Ｕと回転子の突極８１とが対向する位置で、巻線７４Ｕへの電圧印加を停止しても、回路のインダクタンス（Ｌ分）により、磁束φが遮断できず流れ続ける。このため、固定子７０側の突極７２Ｕと回転子の突極８１が図５（Ｃ）に示す状態になった場合においても、磁束φが流れ続けることで、回転子８０の回転方向とは逆方向（図中左）方向にトルク（逆トルク）を発生する。これが、スイッチドリラクタンスモータにて高トルクを発生できない原因の一つとなっていた。
【０００６】
図６は、該固定子７０側の突極７２Ｕと回転子８０の突極８１との間に発生する正トルク及び逆トルクを示すグラフである。該グラフは、縦軸に発生磁束φ及びトルクを、横軸に時間、即ち、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）を参照して上述した固定子７０側の突極７２Ｕと回転子８０の突極８１との相対位置を示している。ここで、固定子７０側の突極７２Ｕと回転子の突極８１とが対向する図５（Ｂ）に示す位置、即ち、タイミングｔ１において、電圧の印加を停止しても、上述したように磁束が流れ続けるため、逆トルクが発生している。
【０００７】
逆トルクを減少させる方法として、巻線へ印加する電圧を断にするタイミングｔ１を早くすることも考えられる。この場合の正トルクと逆トルクとの関係を図７のグラフに示す。ここで、電圧断のタイミングｔ１を早くすることにより、図５（Ｃ）に示す固定子７０側の突極７２Ｕを回転子の突極８１が行き過ぎた状態において、流れ続ける磁束φを小さくし、逆トルクを低減できる。しかしながら、この方法では、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す、固定子７０側の突極７２Ｕを回転子の突極８１が行き過ぎる以前の状態において電圧印加を停止し、磁束を小さくすることになるため、正トルクが減少する。即ち、正トルクの減少分が、逆トルクの減少分よりも大きくなり、正トルクから逆トルクを差し引いた発生トルクが減少することとなる。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高いトルクを発生し得るリラクタンスモータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、回転子及び固定子ともに互いに対向する突極を有し、該固定子の突極に巻線が巻回されて成るリラクタンスモータにおいて、
前記回転子の突極の端面であって、回転方向の反対側に、前記固定子の対向面上にあり、回転子の回転軸方向全長に磁束変化を妨げるリングを配設したことを技術的特徴とする。
【００１０】
回転子の突極が、固定子側の突極に近づいたタイミングで、該固定子の突極に巻回された巻線を励磁し、回転子の突極と固定子側の突極との間に磁束を渡し、回転子の回転方向にトルクを発生させる。ここで、回転子の突極と固定子側の突極とが対向する位置で、固定子の該突極に巻回された巻線の励磁を停止する。これに伴い、回転子の突極の磁束が減少するが、該突極の端面において、リングの配設されている部位は、変化が妨げられ磁束が減少し難く、一方、リングの配設されていない部位は、磁束が減少し易い。従って、巻線の励磁を停止する以前に発生していた磁束が、リングの配設された部分、即ち、回転子の突極の回転方向の反対側に集中する。このため、該回転子の突極の回転方向の反対側の部分と、固定子の突極との間で、回転子の回転方向へのトルクを発生させ続けることができる。更に、回転子の突極が、固定子側の突極を僅かに追い越した状態においても、該回転子の突極のリングの配設された部分が、固定子の突極と対向するまでは、回転方向のトルクを発生し続ける。このため、リラクタンスモータの発生トルクを高めることができる。
【００１１】
本発明は、好適な態様において、回転子の突極のリングが、該突極の中心よりも、回転方向の反対側に配設されているため、リラクタンスモータの発生トルクを高めることができる。
【００１２】
本発明は、好適な態様において、高トルクの発生が要求されるスイッチドリラクタンスモータにおいて、トルクを高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態に係るリラクタンスモータについて図を参照して説明する。
図１（Ｂ）は第１実施態様に係るスイッチドリラクタンスモータの構成を示している。スイッチドリラクタンスモータ１０は、６個の突極２２Ｕ、２２Ｕ’、２２Ｖ、２２Ｖ’、２２Ｗ、２２Ｗ’を備える固定子２０と、４個の突極３１、３２、３３、３４を備える回転子３０とから成り、各突極２２Ｕ、２２Ｕ’、２２Ｖ、２２Ｖ’、２２Ｗ、２２Ｗ’には巻線２４Ｕ、２４Ｕ’２４Ｖ、２４Ｖ’、２４Ｗ、２４Ｗ’が巻回されている。回転子３０は、図中の時計方向に回転する際に、高いトルクを発生するよう構成されている。
【００１４】
図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す回転子３０の突極３１の端面３１ａをＡ矢印側から見た図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示す突極２２Ｕ及び突極３１の縦断面図である。回転子３０の各突極３１、３２、３３、３４には、それぞれの端面であって回転方向の反対側に、隈取りリング４０が配設されている。即ち、図１（Ｃ）に示すように突極３１の中心Ｘよりも、回転方向の反対側（左）にスロット３１ｂが形成され、隈取りリング４０は、該スロット３１ｂ内と突極３１の外周部とに渡される。
【００１５】
引き続き、該隈取りリング４０の役割について説明する。ここでは、先ず、単相誘導モータに用いられる隈取りコイルとの違いについて説明する。隈取りコイルとは、単相誘導モータの固定子側の突極に配設され、移動磁界を形成させることで自始動を可能にする反面、発生トルクを低下させる。これに対して本実施形態の隈取りリング４０は、リラクタンスモータの回転子３０側の突極３１、３２、３３、３４に配設され、該隈取りリング４０に囲まれた突極の端面部３１βの磁束変化を妨げる役割を果たす。即ち、図１（Ｃ）に示すように固定子２０の突極２２Ｕと回転子の突極３１との間に磁束φが流れる際、該磁束φの変化量に応じて隈取りリング４０に短絡電流が流れ、該短絡電流により磁束φｓが流れる。この短絡電流による磁束φｓは、隈取りリング４０に囲まれた端面３１βを流れる磁束φの変化を妨げるように働く。即ち、等価的に該端面３１βのインダクタンスを高め、磁束φが増大するときは、増大を抑え、減少するときには、減少を抑える。この磁束φの変化を抑えることで、後述するようにリラクタンスモータの発生トルクを増大させる。
【００１６】
引き続き、本発明の第１実施形態に係るスイッチドリラクタンスモータの駆動について説明する。スイッチドリラクタンスモータ１０は、回転子３０の突極３１、３２、３３、３４と固定子２０の突極２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ、２２Ｕ’、２２Ｖ’、２２Ｗ’の位置とを図示しないセンサにて検出し、各巻線２４Ｕ、２４Ｕ’、２４Ｖ、２４Ｖ’、２４Ｗ、２４Ｗ’の励磁を順次切り替えていくことで、回転子３０に時計方向への連続したトルクを発生させる。
【００１７】
図１中に示す回転子３０の突極３１と、固定子２０の突極２２Ｕとを模式的に示す図２（Ａ）〜図２（Ｆ）を参照し、本実施形態のスイッチドリラクタンスモータのトルクの発生原理を説明する。ここで、回転子３０の回転に伴い、突極３１は図中の矢印の方向に移動する。図２（Ａ）に示すように固定子２０側の突極２２Ｕに、回転子３０の突極３１が近づいたタイミングで、巻線２４Ｕに電圧を印加し、磁束φを両突極２２Ｕ、３１間に渡すことにより、磁気抵抗の変化に基づき図中矢印で示す向きへトルクを発生させる。ここで、磁束は、突極３１の右側、即ち、隈取りリング４０に囲まれていない端面３１α側に集中するため、隈取りリング４０による影響を大きく受けない。
【００１８】
図２（Ｂ）に示すように、突極２２Ｕに突極３１が更に近づくと、両突極２２Ｕ、３１間の磁束φの量が多くなり、磁気抵抗の変化に基づき図中矢印で示す右向きのトルクを発生させ続ける。図２（Ｃ）に示すように、突極２２Ｕに突極３１が一層近づくと、両突極２２Ｕ、３１間の磁束φの量が多くなり、隈取りリング４０に囲まれた端面３１βにも多くの磁束が発生する。
【００１９】
図２（Ｄ）に示すように、固定子２０側の突極２２Ｕと回転子３０の突極３１とが対向する位置で、巻線２４Ｕへの電圧印加を停止する。巻線２４Ｕへの電圧印加を停止しても、回路のインダクタンス（Ｌ分）により、磁束が遮断できず流れ続ける。ここで、磁束変化を妨げる隈取りリング４０に囲まれた端面３１βは、磁束φが減少し難いため、巻線２４Ｕへの電圧印加を停止する以前に発生していた磁束が、図２（Ｅ）に示すように該隈取りリング４０に囲まれた端面３１βに集中する。そして、当該隈取りリング４０に囲まれた端面３１βは、突極３１の回転方向の反対（図中左側）に位置するため、図５（Ｅ）に示すように、巻線への電圧印加を停止し、突極３１が突極２２Ｕを僅かに越えた位置においてもトルクを発生し続ける。この回転方向へのトルクの発生は、図２（Ｆ）に示すように、隈取りリング４０に囲まれた端面３１βの中心Ｘ１が、固定子２０の突極２２Ｕの中心Ｘ２と一致する位置まで続く。
【００２０】
この隈取りリング４０によるトルク向上について、固定子２０側の突極２２Ｕと回転子の突極３１との間に発生する正トルク及び逆トルクを示すグラフである図３を参照して更に説明する。該グラフは、縦軸に発生磁束φ及びトルクを、横軸に時間、即ち、図２（Ａ）〜図２（Ｆ）を参照して上述した固定子２０側の突極２２Ｕと回転子３０の突極３１との相対位置を示している。該突極３１に発生する磁束（トータルの磁束）は、突極２１の隈取りリング４０以外の端部３１αに発生する磁束と、隈取りリング４０に囲まれた端部３１βに発生する磁束との和になる。
【００２１】
ここで、突極３１の隈取りリング４０以外の端部３１αに発生する磁束は、グラフ中に示すように、巻線２４Ｕへの電圧印加を停止するタイミングt １から低下して行く。図２（Ｅ）及び図２（Ｆ）を参照して上述したように、隈取りリング４０の影響で、当該端部３１αにおいて、急激に磁束が減少するため、図６を参照して上述した従来技術のリラクタンスモータと異なり、逆トルクを発生する以前にトルクを発生しなくなる。
【００２２】
一方、突極３１の隈取りリング４０に囲まれた端部３１βに発生する磁束は、該隈取りリング４０により磁束の変化が妨げられるため、図２（Ａ）に示す巻線２４Ｕへの電圧印加から緩やかに上昇する。そして、図２（Ｄ）に示す巻線２４Ｕへの電圧印加停止のタイミングｔ１から、該端部３１βに発生する磁束は、徐々に低下して行く。しかしここで、図２（Ｅ）、図２（Ｆ）を参照して上述したように、突極３１が突極２２Ｕを越え、隈取りリング４０に囲まれた端面３１βの中心Ｘ１が、固定子２０の突極２２Ｕの中心Ｘ２と一致する位置まで、回転方向に対するトルク（正トルク）を発生し続ける。そして、突極３１の該端部３１βが、図２（Ｆ）に示す位置（隈取りリング４０に囲まれた端面３１βの中心Ｘ１が、固定子２０の突極２２Ｕの中心Ｘ２と一致する位置）を越えることにより逆トルクが発生する。しかし、この隈取りリング４０に囲まれた端面３１βで発生する逆トルクは、図６を参照して上述した従来技術の突極８１の端面全体で発生していた逆トルクと比較して小さくなる。
【００２３】
即ち、本実施形態では、該隈取りリング４０により、上述したように突極３１が突極２２Ｕを越え、隈取りリング４０に囲まれた端面３１βの中心Ｘ１が、固定子２０の突極２２Ｕの中心Ｘ２と一致する位置まで正トルクを発生し続けるため、正トルクが高まる。他方、当該隈取りリング４０により逆トルクが小さくなる。このため、該隈取りリング４０により囲まれた端面３１βと該隈取りリング４０以外の端面３１αを合わせたトータルの磁束を高めることができる。
【００２４】
本実施形態のリラクタンスモータの隈取りリング４０は、回転子３０が図１中の時計方向に回転する際には、上述したように発生トルクを高めるが、反時計方向に回転する際には、トルクを低減させる。このため、該リラクタンスモータは、一定方向に回転する際に、高いトルクが要求される用途に好適に利用することができる。
【００２５】
なお、上述した実施形態では、スイッチドリラクタンスモータに隈取りリングを配設してトルクを高める例について述べたが、本発明の隈取りリングは、バリアブルリラクタンスモータにも適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、回転子の突極に配設されたリングより正トルクを高め、逆トルクを低下させることができるため、リラクタンスモータの発生トルクを向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係るリラクタンスモータの回転子の突極の端面を示す図であり、図１（Ｂ）は、リラクタンスモータの構成を示す模式図であり、図１（Ｃ）は、固定子及び回転子の突極の断面図である。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）、図２（Ｅ）、図２（Ｆ）は、固定子の突極と回転子の突極との間に発生する磁束の説明図である。
【図３】第１実施形態のリラクタンスモータによる発生トルクのグラフである。
【図４】従来技術に係るリラクタンスモータの構成を示す模式図である。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び５（Ｃ）は、従来技術のリラクタンスモータに於ける固定子の突極と回転子の突極との間に発生する磁束の説明図である。
【図６】従来技術のリラクタンスモータによる発生トルクのグラフである。
【図７】従来技術のリラクタンスモータにおいて、電圧停止のタイミングを早くした際に発生するトルクのグラフである。
【符号の説明】
１０ スイッチドリラクタンスモータ
２０ 固定子
２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ、２２Ｕ’、２２Ｖ’、２２Ｗ’ 突極
２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ、２４Ｕ’、２４Ｖ’、２４Ｗ’ 巻線
３０ 回転子
３１、３２、３３、３４ 突極
３１ａ 端面
３１α 隈取りリング以外の端面
３１β 隈取りリングに囲まれた端面
４０ 隈取りリング

Claims (3)

1. 回転子及び固定子ともに互いに対向する突極を有し、該固定子の突極に巻線が巻回されて成るリラクタンスモータにおいて、
   前記回転子の突極の端面であって、回転方向の反対側に、前記固定子の対向面上にあり、回転子の回転軸方向全長に磁束変化を妨げるリングを配設したことを特徴とするリラクタンスモータ。
2. 前記回転子の突極のリングが、該突極の中心よりも、回転方向の反対側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のリラクタンスモータ。
3. 前記リラクタンスモータが、スイッチドリラクタンスモータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のリラクタンスモータ。

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