JP4033320B2 - リラクタンス型電動機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相片波通電のリラクタンス型電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、リラクタンス型電動機は、出力トルクが大きく、構造が簡単であるという利点がある反面、高トルクリップルであるという欠点があり、これまで一部の分野のみで応用されるに留まっていた。そこで、特開平１−３１８５７９号公報では、トルクリップルを低減させるための方法として、極数を増やして相電流の切り替えを電気的にタンデムとする方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の公報に記載された電動機のステータ極数及びロータ極数の構造では、正トルクを発生すべき磁束が他の突極に流入することにより反トルクが発生してしまうため、トルクリップルを低減できる充分な効果が得られないという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、反トルクを発生させることなく、トルクリップルを低減できるリラクタンス型電動機を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
各相間のばらつきを抑えるためには、機械角１８０度で少なくとも１対の対向するロータ突極とステータ突極とが必要である。これには、下記の▲１▼式に示すように、ロータ極数（Ａ）及びステータ極数（Ｂ）を偶数とする必要がある。
Ａ＝２ｎ、Ｂ＝２ｍ ……………………▲１▼
（ｍ、ｎは自然数、但しｍ≠ｎ）
この時、電気的にタンデム駆動するためには、５０％ラップ可能で無ければならず、相数ｑは５相以上にする必要がある。この相数ｑは、下記の▲２▼式で示されるように、ステータ極数（Ｂ）をステータ極数（Ｂ）とロータ極数（Ａ）との最大公約数（Ｚ）で除算して求めることができる。
ｑ＝Ｂ／Ｚ≧５ …………………………▲２▼
【０００５】
上記▲１▼及び▲２▼式を満たすロータ極数及びステータ極数において、
電気角３６０度に相当する機械角は、３６０度をロータ極数２ｎで除算した次式で求められる。
３６０／２ｎ
また、コイル通電切替え間隔は、上記の機械角（３６０／２ｎ）を励磁コイルの相数ｑで除算して求められる。
３６０／２ｎ／ｑ
相電流の切替えを電気的にタンデムにするためには、各相のインダクタンス変化幅｛ロータ突極幅（突極弧角：Ｘ）とステータ突極幅（突極弧角：Ｙ）のどちらか小さい値｝をコイル通電切替え間隔の２倍以上にすれば良い。
【０００６】
従って、ロータ突極幅（Ｘ）とステータ突極幅（Ｙ）が、下記の▲３▼式で示される条件を満たすことで、電気的にタンデム駆動が可能となる。
Ｘ、Ｙ＞３６０／（ｎ×ｑ） …………▲３▼
また、下記の▲４▼式で示されるように、ロータの非突極幅（３６０／２ｎ−Ｘ）をステータの突極幅（Ｙ）よりα（反トルク余裕角：α＞０）だけ大きくすることにより、反トルク方向への磁束を抑えることが可能となり、反トルクの発生によるトルクの落ち込みを低減できる。
Ｙ＝１８０／ｎ−Ｘ−α ………………▲４▼
以上の条件を満たすことにより、相切り替わり時のトルクリップルを低減できる。
【０００７】
（請求項２の手段）
ロータ及びステータの少なくとも何方か一方の突極内に複数のスリットまたは溝を有しているので、ロータ突極とステータ突極との重なり幅が大きくなるに連れて磁束量を線形に増加させることができ、よりフラットなトルクが得られる。
【０００８】
（請求項３の手段）
ステータの突極幅がロータ側より付け根側の方が広くなっているので、ステータ突極の側面からの漏れ磁束により飽和の影響を少なくでき、通電後半のトルク低下を抑制することが可能である。
【０００９】
（請求項４の手段）
比較的高回転時における通電相の切替え時に、次相の電流がインダクタンスの影響で立ち上がりが遅れる場合がある。この場合、電流立ち遅れがトルクリップルを発生させる原因となり、出力も低下してしまう。これに対し、各相への通電開始タイミングを適当に（機械角でα度以下の角度だけ）進角してインダクタンスの小さい領域で通電することにより、時定数が小さくなるため、電流の立ち上がりを改善することが可能となる。この結果、トルクリップルの低減、及び出力の増大が可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１はロータとステータの構造を示す軸方向正面図である。
本実施例のリラクタンス型電動機は、図１に示すように、ステータ１の極数が１２、ロータ２の極数が１０で、ステータ１には、それぞれ機械角で１８０度対向するステータ突極１Ａに６対の励磁コイルＣ１〜Ｃ６が巻装されている。
また、ロータ突極２Ａ及びステータ突極１Ａは、共に突極幅Ｘ、Ｙ＝１６度に設けられている。従って、各コイルＣ１〜Ｃ６のインダクタンス変化幅は、図２（ａ）に示すように、１６度となる。なお、図２（ａ）は、各コイルＣ１〜Ｃ６の自己インダクタンス波形である。
【００１１】
ここで、各コイルＣ１〜Ｃ６の通電開始間隔を次式より算出すると、
３６０／２ｎ／ｑ＝６度（機械角）
但し、２ｎ：ロータ２の極数＝１０、ｑ：励磁コイルの相数＝６
となる。
従って、電気的にタンデム駆動するための通電幅は、機械角で１２度（コイル通電開始間隔の２倍）となり、図２（ａ）に示すインダクタンス変化幅（１６度）の任意の１２度で通電すれば連続的なトルクが得られる（図２（ｂ）及び（ｃ）参照）。なお、図５（ａ）及び（ｂ）に各コイルＣ１〜Ｃ６の通電をタンデムに切り替えるためのドライバＤの構成を示す。図５（ａ）は各相独立式の一例、図５（ｂ）はコモンアーム式の一例を示す。
【００１２】
また、ロータ２の非突極幅を次式より算出すると、
３６０／２ｎ−Ｘ＝３６−１６＝２０度（機械角）
但し、Ｘ：ロータ２の突極幅（度）
となる。
ここで、図２（ｂ）に示す通電タイミングで各コイルＣ１〜Ｃ６の通電を切り替えた場合において、例えばコイルＣ１の通電中にコイルＣ６からコイルＣ２へ通電が切り替わる時点でのステータ突極１Ａとロータ突極２Ａとの位置関係を図３に示す。この場合、コイルＣ２が巻装されたステータ突極１Ａと、そのステータ突極１Ａより回転方向前方に位置するロータ突極２Ａとの間隔α（反トルク余裕角）は、ロータ２の非突極幅（２０度）からステータ１の突極幅（１６度）を減算した値、即ち機械角で４度となる。
【００１３】
この構成によれば、反トルク余裕角（α＝４度）を持たせることにより、ロータ突極２Ａとステータ突極１Ａとの間で磁束の流れが生じないため、反トルクの発生を防止でき、図４（ｃ）に実線波形で示すように、反トルクによるトルク低下を抑制できる。これに対し、例えば図４（ａ）に示すように、ロータ２の非突極幅がステータ１の突極幅と等しく（反トルク余裕角α＝０度）なると、ロータ突極２Ａからステータ突極１Ａへ流れる磁束によって反トルクが発生する。その結果、図４（ｃ）に破線波形で示すように、反トルクによるトルク低下が大きくなってしまう。なお、図４（ｂ）は図３と同じく反トルク余裕角α＝４度の突極位置を示す。
このように、本発明の構成によれば、反トルクを発生させることなく、各コイルＣ１〜Ｃ６を電気的にタンデム駆動することでトルクリップルを低減できる。
【００１４】
（第２実施例）
本実施例は、図６（ａ）に示すように、ステータ１及びロータ２の突極内に複数のスリットまたは溝３を設けた一例を示すものである。この場合、スリットまたは溝３は、ステータ１及びロータ２の各突極１Ａ、２Ａに対し径方向に延びて設けることが望ましい。
この構成では、両突極１Ａ、２Ａにおける磁束の流れを径方向へ整流させることができるため、両突極１Ａ、２Ａの重なり幅が大きくなるに連れて、磁束量を線形に増加させることができ、よりフラットなトルクを得ることが可能である。
なお、スリットまたは溝３は、ステータ１及びロータ２の何方か一方の突極１Ａまたは２Ａにのみ設けても良い。
【００１５】
また、ステータ突極１Ａは、図６（ｂ）に示すように、ロータ２側から付け根側へ向かって突極幅Ｙが次第に拡大する台形状に設けても良い。この場合、ステータ突極１Ａの側面からの漏れ磁束により飽和の影響を少なくでき、通電後半のトルク低下を抑制することが可能である。
なお、ステータ突極１Ａ及びロータ突極２Ａにスリットまたは溝３が有る場合と無い場合、及びステータ突極１Ａを台形状とした場合と長方形状とした場合のトルク波形を図６（ｃ）に示す。この場合、ステータ突極１Ａ及びロータ突極２Ａにスリットまたは溝３を有し、且つステータ突極１Ａを台形状とした場合に最もフラットなトルク波形（実線で示す）が得られている。
【００１６】
（第３実施例）
図７はインダクタンス変化に対応してコイルへの通電指令を進角させた場合の実電流波形の変化を示すグラフである。
本実施例は、各コイルへの通電開始タイミングを進角させた一例である。
図７に破線で示すように、通常の通電開始タイミング（通電進角無し）では、通電相の切替え時に次相の電流がインダクタンスの影響で立ち上がりが遅れる場合がある。この場合、電流の立ち遅れがトルクリップルを発生させる原因となり、出力が低下する。
【００１７】
そこで、各相への通電開始タイミングを適当に（例えば機械角でα度）進角して、インダクタンスの小さい領域で通電すると、時定数が小さくなるため、電流の立ち上がりを改善することが可能となる。この結果、トルクリップルが低減されて、出力の落ち込みを防止できる。
図１に示した電動機の通電を図２に対し４度進角した場合の状況を図８に示す。
また、通電進角量は、回転数により最適値が異なるため、各回転数により進角量を変化させると、全回転数領域で出力増大及びトルクリップル低減が可能となる。
【００１８】
（第４実施例）
図９はロータ２とステータ１の構造を示す軸方向正面図である。
第１実施例では、ステータ１のスロット数がロータ２の極数より多い場合を例示したが、本発明の構成は、図９に示すように、ステータ１のスロット数よりロータ２の極数の方が多い場合でも成立し、電気的タンデム駆動が可能である。
なお、図９に示すステータ１とロータ２は、１２スロット、１４極（６相）の構成で、ステータ１とロータ２の突極は、共に１０．３度である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロータとステータの構造を示す軸方向正面図である。
【図２】（ａ）各相の自己インダクタンス波形、（ｂ）各相の通電タイミング、（ｃ）各相の通電可能域を示す図である。
【図３】反トルク余裕角４度の突極位置を示す回転方向展開図である。
【図４】反トルク余裕角０度と４度の時のトルク波形である。
【図５】ドライバの構成を示す電気回路図である。
【図６】（ａ）突極にスリットを設けた場合の回転方向展開図、（ｂ）ステータ突極を台形状にした場合の回転方向展開図、（ｃ）トルク波形である（第２実施例）。
【図７】インダクタンス変化に対応してコイルへの通電指令を進角させた場合の実電流波形の変化を示すグラフである（第３実施例）。
【図８】（ａ）各相の自己インダクタンス波形、（ｂ）各相の通電タイミング、（ｃ）各相の通電可能域を示す図である。
【図９】ロータとステータの構造を示す軸方向正面図である（第４実施例）。
【符号の説明】
１ ステータ
２ ロータ
３ スリットまたは溝
１Ａ ステータ突極
２Ａ ロータ突極
Ｃ１〜Ｃ６ 励磁コイル
Ｘ ロータの突極幅（ロータの突極弧角）
Ｙ ステータの突極幅（ステータの突極弧角）

Claims (4)

1. 多相片波通電のリラクタンス型電動機であって、
   ロータ及びステータの極数が下記▲１▼及び▲２▼の条件を満たし、且つ前記ロータの突極弧角及び前記ステータの突極弧角が下記▲３▼及び▲４▼の条件を満足する場合に、前記ステータは、それぞれ機械角で１８０度対向する突極に巻装されたｍ個の励磁コイルを有することを特徴とするリラクタンス型電動機。
   Ａ＝２ｎ、Ｂ＝２ｍ ……………………▲１▼
   ｑ＝Ｂ／Ｚ≧５ …………………………▲２▼
   Ｘ、Ｙ＞３６０／（ｎ×ｑ） …………▲３▼
   Ｘ＋Ｙ＝１８０／ｎ−α ………………▲４▼
   但し、
   Ａ：ロータの極数、Ｂ：ステータの極数
   Ｘ：ロータの突極弧角（度）、Ｙ：ステータの突極弧角（度）
   ｑ：相数
   ｍ：自然数、ｎ：自然数（但しｍ≠ｎ）
   ｚ：ＡとＢの最大公約数
   α：反トルク余裕角（α＞０）
2. 請求項１に記載したリラクタンス型電動機において、
   前記ロータ及びステータの少なくとも一方の突極内に複数のスリットまたは溝を有していることを特徴とするリラクタンス型電動機。
3. 請求項１に記載したリラクタンス型電動機において、
   前記ステータの突極幅は、前記ロータ側より付け根側の方が広くなっていることを特徴とするリラクタンス型電動機。
4. 請求項１に記載したリラクタンス型電動機の駆動方法であって、
   前記各励磁コイルへの通電開始タイミングを機械角で前記α度以下の角度だけ進角させて、機械角３６０／（２ｎ×ｑ）度ごとに順次通電することを特徴とするリラクタンス型電動機の駆動方法。

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