JP3688798B2 - 二重突極リラクタンス機械およびその組み立て方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リラクタンス（磁気抵抗）機械に関する。特に、本発明は、電動機または発電機として作動するかどうかに関係なく、切り換えリラクタンス機械に応用できる。
【０００２】
【従来の技術】
リラクタンス機械は、磁気回路のリラクタンスが最小になる位置に機械の可動コンポーネントが占める傾向によってトルクを発生する電気機械である。典型的には、固定子と回転子部材の少なくとも１つが、通常部材から突出した極の形である磁気突極性を有している。
【０００３】
切り換えリラクタンス（ＳＲ）機械は、固定子および回転子部材の両方に突極があるリラクタンス機械の特殊な形状である。この形状において、機械は「二重突極」機と称される。トルクまたは電気出力は（機械が電動機か、発電機として運転されるかに応じて）、固定子巻線が電源と電気的に接続される期間を調整するコントローラによって制御される。
【０００４】
ＳＲ機械は、種々の形で実用化されている。特に、このような機械は、固定および回転部材上の固定子極と回転子極の数、またコントローラが、別々に固定子巻線を切り換えて、回路に組み込んだり、外したりできる独立した回路の数で異なっている。コントローラが別々に切り換え、回路に組み込んだり、外したりする巻線の各セットは、機械の１つの相を構成する。機械は１つ以上のこのような相を持つことができる。
【０００５】
ＳＲ機械の理論、設計、操作は、たとえば、書籍「切り換えリラクタンス電動機とその制御」（Ｔ．Ｊ．Ｅ．ミラー著、クラレンドン プレス社、１９９３年）と論文「切り換えリラクタンス電動機および駆動機の特性、設計、用途」（ステファンソンら著、ＰＣＩＭ’９３、１９９３年６月２１〜２４日）で詳細に説明されている。
【０００６】
図１は、ＳＲ機械の公知の形状を示している。固定子には６個の極（Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’、Ｃ、Ｃ’）があり、回転子には４個の極がある。各固定子極には１個のコイル（相巻線）が巻かれている。わかりやすくするため、固定子極ＡとＡ’の２個だけのコイルが図１に示されているが、極の他の対に関しても同様な配置形状であるのが判る。典型的には、直径上で相対している極のコイルは（機械の用途の性質によって違うが）直列か、並列に相互に接続されて、機械の１つの相を形成する。このように、図１の機械は、１つの相の巻線を他の相の巻線から独立して切り換えることができる三相機械である。機械が作動するとき、各相は、通常、図２に示す１個以上の電子スイッチｔを介して電源に接続されている。図２の切り換え回路を利用したこのような機械の作動方法は当業者に充分知られており、上記の参照文献にも記載されている。
【０００７】
一般には、１個の固定子における極数は、各相に関連して偶数のコイルがあるようになっている。図１の例では、３つの相の各々に２個のコイルがあるので、機械には６個の固定子極がある。図３の例では、３つの相の各々は固定子の周囲に対称的に配置されている４個のコイルから成り、１２極の固定子がある。このように、回転子極と固定子極の数の種々の組み合わせが可能であるのが判る。最適な組み合わせの選択は、そのときの用途に適切な設計の問題になる。
【０００８】
図１の機械の１つの相がこの相の巻線に加えられた電圧によって付勢されるとき、磁場が機械に発生する。これは、図１の矢印の破線によって示されている。この線は、相Ａが付勢されるときの機械の磁束線を表す。磁束が２つの主要位置で機械のエアギャップと交差するので、この磁場パターンは２極磁場パターンとして知られている。
【０００９】
一般には、図３の機械の１つの相が付勢されるとき、磁場は矢印の破線で表されるように発生する。このような配置は４極磁場パターンとして知られている。１つの相においてコイルの数を増加し続けることによって、極の数が増加した磁場パターンを発生できる。これは、機械の相数と独立して行える。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
各極に１個のコイルがある従来の機械では、コイルは、相互に妨げずに複数の極上にターンとして次々と組み立てることでできるような寸法とされている。複数のコイル、またコイルがはまっている極間の隙間は一般に同じようである。１個のコイルが隣接コイルを犠牲にして利用できるスペースを占め、またこのスペースへの隣接コイルの挿入を妨げるので、コイルは、定置されるとき、２つの隣接固定子極間の中点を越えた角度で伸びることができない。このように、コイル側面の横断面積は、半径方向に突出している隣接極間で利用できる総横断面積の半分未満の部分を占有しなければならない。コイルにおける電流密度を減少し、その結果電力損失を減少するため、断面積を増加してコイルを大きくしようと、機械設計者がしばしば、要望するが、機械の全体のサイズを増加せずにこれを実施できない。特殊な相数や特殊な積層形状を有する機械でこの問題を解決する試みはあるが、その実用化は制限されている。たとえば、ＧＢ−Ａ−２２４０６６４とＧＢ−Ａ−２２３２３０５を参照。
【００１１】
特定の極に関して大きなコイルサイズを許容するリラクタンス機械構造を提供するのが、本発明の目的である。
【００１２】
公知のリラクタンス機械よりも容易に、低コストで組み立てることができるリラクタンス機械を提供するのが、本発明の他の目的である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数の固定子極を形成する１個の固定子と、
複数の回転子極を形成する１個の回転子とを含む二重突極リラクタンス機械において、回転子が固定子に対して動くとき、回転子極の少なくとも一対が固定子極の対応する一対と同時に並ぶことができ、
固定子極の前記対の１つだけに関して配置されている１個の相巻線を含み、かつ相巻線は、前記回転子極対および固定子極対を含む磁気回路に磁束を発生するように付勢できることを特徴とする二重突極リラクタンス機械が提供される。
本発明は、複数の極が、２極磁場パターンを形成し、固定子極の対は実質的に直径上で対向することを特徴とする。
本発明は、複数の極が、２ｎ極磁場パターンを形成し（ここで、ｎは１より大きい整数である）、２ｎ固定子極は、２ｎ回転子極と同時に並ぶことができ、複数の固定子極がｎ個の巻線を有することを特徴とする。
本発明は、ｎ＝２であることを特徴とする。
本発明は、機械の各相が固定子極の複数の対を有することを特徴とする。
本発明は、巻線が互いに直列接続されていることを特徴とする。
本発明は、巻線が互いに並列接続されていることを特徴とする。
また本発明によれば、複数の固定子極を形成する１個の固定子と、複数の回転子極を形成する１個の回転子とを含んでおり、かつ回転子が固定子に対して動くとき、回転子極の少なくとも１対が固定子極の対応する対と同時に並ぶことができる二重突極リラクタンス機械の組み立て方法において、
固定子極の前記の対の１つだけに対して相巻線を巻き、前記回転子極対および固定子極対を含む磁気回路に磁束を発生するように前記巻線を付勢できるようにすることを特徴とする二重突極リラクタンス機械の組み立て方法を提供する。
本発明は、特に、４極磁場パターン（または４の整数倍）と奇数の相を有する切り換えリラクタンス機械に応用できる。しかし、また、本発明は二相機械を含むリラクタンス機械の他の配置にも利用できる。本発明では、機械における１個の極対の１つだけの固定子極にコイルが配置されている。１対の両方の固定子極に１個のコイルを配置する従来の設計方法が採用された場合と同一の性能を機械が発生するように、コイルを設計できる。１対の１つだけの極に１個の巻線が配置されているので、この巻線を有する極に隣接した極が関連した巻線を有しないように、電動機を設計できる。このように、極間の各スペースが単一の巻線だけに使用できるので、この巻線に利用可能スペースは相当増加する。
【００１４】
本発明は種々の方法で実施でき、以下にそのうち幾つかの方法について添付の図面を参照しながら説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図４に示されるように、二重突極リラクタンス機械は、同一角度で離されている１２個の固定子極１２を形成する固定子１０を有する。簡単に説明するために、１個の８極回転子は図４に示されていない。しかし、当業者には明らかなように、このような回転子は図３のように配置され、固定子１０内で回転するだろう。
【００１６】
固定子１０では、３個の相巻線φＡ、φＢ、φＣが直径上で相対する固定子極１２を囲んでいるコイル１６の複数の対から成るので、交互の固定子極で１個のコイルが必要がなくなる。この実施の形態では、１つの相において複数のコイル１６が相φＡ、φＢ、φＣの端子間で直列に接続されている。別の実施の形態では、複数のコイルが並列接続されている。
【００１７】
相の各々は端子１８で終端するとして示されている。電動機か、発電機として作動する機械の場合、コントローラを介してこれらの端子の電源への接続を切り換えて、相の各々への電圧印加を制御して、連続して必要な電流を発生する。当業者には明らかなように、切り換えリラクタンス機械は、電動機または発電機の用途に同一の回路を使用しており、電源から電流を引き出すか、電源へ電流を流すかの方向を変えるため、電圧パルスのタイミングだけが変化する。
【００１８】
図３を見れば判るように、磁束パターンは、従来の４極機械の４個のコイルによって発生する起磁力（ＭＭＦ）によりリラクタンス機械の回路に形成される。すなわち、図３のコイルＪがコイルＨの近くに配置され、コイルＬがコイルＫ近くに配置されるならば、磁気回路に加えられる総ＭＭＦは変化しない。この場合、コイルＨとＪが１個のコイルに合わせられて、コイルＨとＪの同一数のターンが合計され、またコイルＫとＬが同様に結合されるならば、機械は本発明の図４に示す形状になる。この機械は相の交互の極だけにコイルを有するが、図３の機械と完全に同一の性能を有する。
【００１９】
図５には、図１の機械から派生した本発明の二重突極リラクタンス機械が示されている。固定子２０は６個の固定子極２２を有し、回転子２４が４個の回転子極２６を有する。ここでも、３つの相φＡ、φＢ、φＣの各々と関連したコイルの対が２極磁場パターンにおいて、１対の固定子極の１つでコイル２８として合わされている。本発明のコイルは、完全に同一の性能を確保するため従来の機械と同一のアンペアターンが得られるように、配置されるだろう。しかし、この２極磁場配置では、残っている複数のコイルが相互になお隣接している点で不利である。
【００２０】
本発明は、奇数の相と４極の整数倍の磁場パターンを具備する切り換えリラクタンス機械で最も有効に実施できる。このような機械における固定子の形状のため、複数のコイルが本発明の複数の極に配置されるならば、複数の相において交互にコイルが固定子における交互の極にあることが判明する。このため、スペース制限が軽減されるので、コイルを相当大きくできる。コイルが従来の機械の場合の２倍のターンを有するとしても、この機械はターン当たりの断面積を維持できるし、増加することさえできる。これによって、４極磁場パターンの場合に少なくとも性能を劣化しないで、同等の機械を作動できる。さらに、半分のコイルを巻き、半分の極を絶縁し、半分の相を接続するので、製造上の利点がある。これによって、コスト低減とコンポーネント電流の減少により信頼性が向上する。
【００２１】
当業者が認識するように、本発明は回転機械に関して説明されているが、同様に線型リラクタンス機械にも応用できる。線型機械では、可動部材が、しばしば回転子と称されている。本明細書で用いる用語の「回転子」は、線型機械のこのような回転子を含むことを意図する。ここでも、固定子極間の同一スロットにおいてコイルの複数の対がないため発生したスペースを使用して同一利点を得ることができる。本発明のコイル配置における接続数、コイル、絶縁コンポーネントが減少するので、製造コストと時間が減少する。
【００２２】
本発明は上記の実施の形態に関連して説明されたが、当業者に判るように、本発明から逸脱せずに多くの変更を実施できる。たとえば、本発明は、固定子機械の中央にあり、回転子が固定子の外部のまわりで回転する、逆用機械（inverted machine）に応用できる。したがって、幾つかの実施の形態の説明は例示であり、制限を目的としていない。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、二重突極リラクタンス機械の対向する固定子極対の一方のみに相巻線を配置する構成にしているので、相巻線を有する極に隣接する固定子極において、相巻線を必ずしも配置する必要がなく、したがって極間の各スペースを単一の巻線だけに充てられる。
【００２４】
本発明によれば、前記のような構成に基づいて、特定の極に関してコイルサイズを大きくできる。
【００２５】
また本発明によれば、固定子極対の一方にのみ相巻線を配置するので、従来技術のリラクタンス機械と比較して、半分の極数に相巻線を巻き、半分の極数を絶線し、半分の相を接続すればよく、リラクタンス機械を組み立てる上で、コストの低減が図られ、さらにコンポーネント電流が減少するので信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のリラクタンス機械の模式的な断面図である。
【図２】図１の機械用の切り換え回路の主な電力処理コンポーネントを示す配線図である。
【図３】従来のリラクタンス機械の他の例の模式的な断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態のリラクタンス機械の模式的な断面図である。
【図５】本発明の別の実施の形態のリラクタンス機械の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０，２０ 固定子
１２，２２ 固定子極
１６，２８ コイル
１８ 端子
２４ 回転子
２６ 回転子極

Claims (8)

1. 複数の固定子極を形成する１個の固定子と、複数の回転子極を形成する１個の回転子とを含む二重突極リラクタンス機械において、回転子が固定子に対して動くとき、回転子極の少なくとも一対が固定子極の対応する一対と同時に並ぶことができ、固定子極の前記対の１つだけに関して配置されている１個の相巻線を含み、かつ相巻線は、前記回転子極対および固定子極対を含む磁気回路に磁束を発生するように付勢できることを特徴とする二重突極リラクタンス機械。
2. 複数の極は、２極磁場パターンを形成し、固定子極の対は実質的に直径上で対向することを特徴とする請求項１記載の二重突極リラクタンス機械。
3. 複数の極は、２ｎ極磁場パターンを形成し（ここで、ｎは１より大きい整数である）、２ｎ固定子極は、２ｎ回転子極と同時に並ぶことができ、複数の固定子極がｎ個の巻線を有することを特徴とする請求項１記載の二重突極リラクタンス機械。
4. ｎ＝２であることを特徴とする請求項３記載の二重突極リラクタンス機械。
5. 機械の各相は、固定子極の複数の対を有することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の二重突極リラクタンス機械。
6. 巻線は、互いに直列接続されていることを特徴とする請求項５記載の二重突極リラクタンス機械。
7. 巻線は、互いに並列接続されていることを特徴とする請求項５記載の二重突極リラクタンス機械。
8. 複数の固定子極を形成する１個の固定子と、複数の回転子極を形成する１個の回転子とを含んでおり、かつ回転子が固定子に対して動くとき、回転子極の少なくとも１対が固定子極の対応する対と同時に並ぶことができる二重突極リラクタンス機械の組み立て方法において、固定子極の前記対の１つだけに対して相巻線を巻き、前記回転子極対および固定子極対を含む磁気回路に磁束を発生するように前記巻線を付勢できるようにすることを特徴とする二重突極リラクタンス機械の組み立て方法。

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