JPH02237456A - 低速リラクタンス形電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 紅　産業上の利用分舒 本発明は、従来のステッピングモー夕やバーニャモータ
の性能を改善する低速リラクタンス形電動機の改良に関
する。

Ｂ．　発明の概要 本発明は、低速電動機としても利用されろステッピング
モータやバーニャモータのそれぞれの短所を補う低速リ
ラクタンス形電動機にあって、 回転子鉄心をリング状に形成して内周及び外周にスロッ
トを形成し、固定子鉄心は回転子鉄心の内側及び外側に
配置したことにより、１対の回転子鉄心と固定子鉄心と
が備えられる構造のものにも増してトルクを増大させた
ものである。

Ｃ．　従来の技術とその課題 低速域でも運転が可能な電動機としては、従来から種々
のものがあり、そのひとつにいわゆるバーニャモータが
ある。このバーニャモータは、第６図に示すように固定
子鉄心１と回転子鉄心２とがあり、固定子鉄心１には複
数個のスロット（スロット数Ｚで第６図では１２）が設
けられると共に回転子鉄心２にも複数個のスロット（ス
ロット数２２で第６図では１０）が設けられており、更
に固定子鉄心には通常の交流機と同様の３相巻腺（図示
省略）が施されている構造を有する。

しかも、この固定子鉄心１のスロット数Ｚ，と回転子鉄
心２のスロット数７２とを２２−２−±Ｐ（ここでＰは
固定子３相巻線の極数）という関係に選定した場合、回
転速度は１２　０　ｆ　／Ｚ２（ｒｐｍ）となり、回転
角速度ω．と角周波数ωとで表わすとω＝２ω／Ｚ，と
なることが判明している。

したがって、角周波数ωや回転子鉄心２のスロット数Ｚ
２に依存して回転速度が変えられろことになり、低速回
転のリラククンス電動機が得られることになる。

ところが、このバーニャモータにあっては、回転子巻線
が存在せず、負荷の慣性に打勝って同期に入る最大トル
クすなわち引入れトルクが小さ《、また回転子の位置ず
れに伴う脱出トルクも小さいという問題が生じている。

一方、低速電動機の他のものとしてステッピングモータ
がある。このステッピングモータは、第７図に示すよう
に固定子鉄心３とリラクタンス形の回転子鉄心４とがあ
り、各固定子鉄心３にはそれぞれ独立して固定子コイル
５が巻回される構造であって、第７図に示す例では軸方
向にＩ，Ｉ［，Ｉ相が配置されていろ構造である。

そして、各固定子コイルを適宜選択してパルス信号を流
すことにより、固定子鉄心３と回転子鉄心４（第７図（
ｂ）ではＩ相のみ表示）との間の歯間に発生する磁気吸
引力を利用して回転を行なわしめている。

ところが、このステッピングモータにあっては、磁気吸
引力により駆動させる関係上回転速度が上昇すると共に
トルクも急激に低下するという問題がある。

本発明者は、低速電動機でしかもリラクタンス形電動機
を前提として、上述の如き従来存在するバーニャモータ
やステッピングモータのそれぞれの問題を解決すべく研
究中、新たなリラクタンス形電動機を案出したものであ
る。

すなわち、本発明は引入れトルクや脱出トルクが充分大
きくしかも回転数にかかわらずトルク低下を生じないう
えに、更にトルクを増大させた低速リラクタンス形電動
機の提供を目的とする。

Ｄ．　課題を解決するための手段とその作用上述の目的
を達成する本発明は、回転子鉄心をリング状に形成して
内外同数のスロットを形成し、その内周側及び外周側に
それぞれ固定子鉄心を備えたことを基本とする。

かかる発明の前提となる基本構成を以下に説明する。

第２図は電動機のギャップ部を示してお抄、固定子鉄心
１０の内周側には３相巻線が挿入されろ巻線スロット１
１が形成され、この巻線スロット１１間の歯１２の内周
側にも回転子と対向する小スロット１３が形成されてい
る。この場合、全ス四ット数をＺ，とすれば、固定子鉄
心１０のス彎ットピッチφ１は２π／Ｚ１の等ピッチと
なっている。

他方、回転子鉄心１４の外周側にもスロットｇ２　ｚ２
のス四ット１５が形成され、このスロット１５のスロッ
トピッチφ２は２π／Ｚ２の等ピッチとなっている。

そして、スロット数ＺＩと２２との関係は、２２−２１
＝±Ｐ（Ｐは場数）となるように選定されている。

かかる構造に基づき発生するトルクは、昭和６３年度電
気関係学会北陸支部連合大会にて発表されたｒＡ−４９
低速反作用電動機」と題した文献にもみられる如く、次
式にて得られる。

Ｔ＝−ＫＴＩ，’幽〔（２ω−Ｚ２ω．）ｔ−Ｚ２ξφ
２〕　・・・（１）この（１）式にて、Ｔは回転トルク
、Ｋエは設計諸元によって決まる定数、Ｉは固定子電流
実効値、ωは固定子３相電流の角周波数、ωは回転子の
回転角速度、ξは回転子の１スロットピッチ分を符号を
付して半分ずつ区分した場合の−０．５＜ξ≦０．５の
範囲内の数値、ξφば１＝０の瞬間において固定子にと
った座標の原点例えば回転中の固定子電流による空間起
磁力分布が常に０になる点と、この原点に最も近い回転
子のスロットの中央との空間角である。

上記（１）式のトルクＴは、ｔの関数で一般には脈動ト
ルクを表わし、時刻ｔの係数（２ω一Ｚ２ω．）が零に
なる時のみ定常トルクとなる。そして、この条件はω．
＝２ω／Ｚ２の関係があるとき成立し、その時のトルク
は次式（２）となる。

Ｔ＝ＫＴＩ，ｔ幽（Ｚ２ξφ２）　　　　　　　　・・
・（２）この（２）式にてＺ２ξφ２は同期機の負荷角
δに相当することになり、Ｚ２φ２−２Ｋの関係から次
式（３）を得る。

δ＝ｚ２ξφ２＝ξ２π　　　　　　　　　・・・（３
）この結果、−０．５＜ξ≦０．５で示されろξに対応
して−πくδ≦πの範囲にて変化する。したがって、Ｔ
ｏｃ一δからδ＝π／２の時のトルクは正の最大値、δ
＝一晋の時のトルクは負の最大値をとる。

今ｔ＝０の瞬間にθ、の原点に最も近いスロットの中央
の位置の座標をθ。とすると、ω＝２ω／Ｚ２及びＺ２
ξφ２＝δ（ハ）３）式から次式が得られる。

θ＝ω．ｔ＋ξφ２＝（２ω／Ｚ２）ｔ＋δ／Ｚ２　　
・・（４）したがってωｔ　＝２　（　Ｚ２θ−δ）　
　　　　・・・（５）したがって、負荷角δ′（木は指
令値）を保ちなからω！の回転をさせるためには、回転
子のスロットの中央の位置θ。を検出して次式を計算す
る。

（ωｔ　）　＝２　（　Ｚ２θ−δ１）　　　　　・・
・（６）この式を用いて固定子電流の一般式ｉ＝７２１
，ｃ＆ｏωｔに代入すれば、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相につき次
式を得る。

ｉ　＝Ｊ２１戸〔（ωｔど〕 ｉ　＝Ｊ２　Ｉ　，Ｃ＆６　（（ωｔど一暑π〕・・・
（７）ｉ＝ｊ２Ｉ，慟〔（ωｔ）　　ａπ〕 すなわち、このような電流を各相に流すことにより定常
トルクを発生することができ、また、同一電流振幅であ
ってもδ＝百にて正の最大トルク、δ＝一晋にて負の最
大トルクを得ることができる。

一方、電流の振幅値ｖ／２　１，については、ω１の指
令値ωＩと実際のω１とを比較し、その偏差を零にする
ようにＩ，の指令値■，′を与えるものである。こうし
て、電動機に供給する電流の指令値を与えろことができ
るので、この指令値通りの電流を流すように電流制御形
インバータを制御すれば、高トルクで電動機を常にωゝ
で駆動することができる。

また、電動機の３相巻線に１２０′″ずつの位相差をも
っているが時間的には変化しない直流電流を流した場合
にはＵ相，Ｖ相，Ｗ相各相電流は次式となる。

ｉ＝７２１，慟φ ２　　　　　　　・・・（８） ｉ　＝Ｊ２　１　，ｃｓｂ　（φ−ａ　ｙｒ　）ｉ＝７
２１，（至）（φ一ｉπ） この時のトルクは静止トルクであり、前掲の文献にも示
される如く次式となる。

Ｔ＝Ｋ，　Ｉ　Ｌ！幽（ξＺ２φ２−２φ）　　　　　
・・・（９）ここにおいて、φは第３図に示すように第
１相の電流のピーク値からの位相角であって、とのφの
値によって各相に流れる電流値が変化する。

トルクは（９）式から明らかなように位相角φと間隔ξ
の関数であるので、座標軸の横軸にξをとると、（９）
式中ｚ２φ２＝２πであるため、第４図に示すようにξ
の値が一輪から十輪までの範囲内でトルクＴが正弦波形
に変化する。

そして、トルクＴがピーク値となるのは、（９）式から
ξ・２π−２φ＝±百の時であるので、ξが次式のとき
にピーク値となる。

ξ＝±１　＋　ｉ　　　　　　　　　・・（ｌ鴎４　　
　π 従って、この四式から判明するように第３図の位相差φ
＝０の時にはξ＝±１となってピーク値をとるが、φの
値が正の時（１１式中更にπ 相当する分だけ右方に移動し、φの値が負の時ｆｆ！け
ピーク値が左方へ移動する（第４図破線）。

ξが一竹から十捧までの範囲が一つのスロットピッチで
あって、ξ＝Ｏがスロットの中央ξ＝士通がこのスロッ
トの両隣りの歯の中央に相当するので、このξに相当し
てφの値をφ＝一互πからφ＝！まで変化させることに
より、一つのスロットピッチ内の任意の点が０１の原点
の位置に来た時正のピークトルクを発生させろことがで
きる。また、ピークトルクの値はＩ．′に比例するので
φとＩ．とを制御することにより、任意の位置で負荷ト
ルクに見きったピークトルクを発生させ、その位置で静
止させることができる。

いま説明の便宜上ピークトルクを用いたが、実際には第
４図のφ＝０のトルク曲線においてξが一一から十ｉま
での範囲内の任意トルクを基準として制御することが可
能である。

例えば前記ｆＩＩ式の代りにξ−１＋竺としてφを１２
　π ｆｆｉｌＪｔ＆ｌ］すれば、常にピークトルクの４の第
４図に示すａ点のトルクを吏用して制御することができ
る。そして、静止時の負荷トルクが小ざい場合には上記
主より更に小さな値をとることもできる。

以上の説明においては、固定子スロットは等ピッチとし
たが、回転子鉄心の歯の周端のスロットを回転子鉄心の
スロットピッチと同じとしても同様の運転が可能である
。

第５図は今までの説明に基づき電動機制御を行なうため
のブロックを示す。第５図において、電流制御形インバ
ータ２０により低速リラククンス形電動機２１が制御さ
れるが、この電動機２１に備えられるアブソリュートエ
ンコーダ２２では、回転子位置θ。を示す信号が出力さ
れる。この位置信号θ。は、電流位相計算回路２３にて
負荷角指令δ１を加えて演算され、前述の（６）式に基
づく電流８繊成分と（ト）成分とに分け、幽ωｔ１と慟
ωｔ１を得ろ。なお、このδ゜は加速時には一　減速時
には一百に設２　ゝ 定する。一方、位置信号θは、Ｆ／Ｖ変換器２４にて回
転角速度ωに変換される。乙のＦ／Ｖ変換器２４の出力
ω１と角速度指令ωｌとは偏差がとられ、ついでＰＩ制
＠’／ｉｊ２５を介して電流指令■、“が決定される。

この結果、６１ｍ（ωｔ）１、ｌ（ωｔビ及びビをＤ／
Ａ変換器２６にてＤ／Ａ変換されつつ直軸分及び横軸分
の指令値が得られ、この指令値ｔ　＊　，　　ｔ　ＩＩ
を変換器２７にて２相から３相に変換することによりｉ
　，”，　ｉｖ”，　ｉ　’″が得られ、そして電流＠
御形インバータ２０が制御される。

こうして、ω”の制御を行なうことができるが、第２図
にて判明するように回転子鉄心のスロット数Ｚ２はかな
り大きな値にできるので、ω７−２ω／Ｚ２に基因して
電源の角周波数ωに比べてω。が小さな値となる。

例えば６極でＺ，　＝９０　２２＝９　６とすれば、ω
はωの１／４８となり、円滑な低速運転ができろ。

また、トルクの大きさはδ＝±百としてトルクのピーク
値を活用し、しかも１．１に比例することから高トルク
を発生することができる。

これまでの説明では本発明の前提となる低速リラクタン
ス電動機につき述べてきたが、次に本発明の実施例を説
明する。

Ｅ．実施例 ここで、第１図を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は、回転子鉄心ｌ４をリング状に形成し、この鉄
心１４の外周及び内周に外固定子鉄心１０ａ及び内固定
子鉄心１０ｂを配置したものである。

回転子鉄心１４の外周部及び内周部には同数のスロット
１５ｍ，１５ｂが形成されていろ。

一方、外固定子鉄心１０ｍと内固定子鉄心１０ｂの径方
向に沿って対応する個所には３相交流巻線を収納する巻
線スロットｌｌａ，１ｌｂが形成されていろ。また、周
方向に隣り合う巻線スロット間のｔ！ｌｌ１２ａ，１２
ｂの周面にも小スロット１３ａ，１３ｂが形成されてい
ろ。第１図（ａｌには３相巻線Ｕ−Ｕ’ｖ−ｖ’，ｗ−
ｗ’の配置の一部を示してある。

ここで、固定子鉄心１０ａ，１０ｂの歯１２ａ，１２ｂ
の小スｏ　ッ　ト１３ａ，１３ｂは回転子鉄心１４のス
ロッｌ−　１　５　ａ，　１　５　ｂと同一幅で形成し
てもよい。また、小スロット１　３　ａ，　　１　３　
ｂと巻締スｏ　ッ　トｌｌａ，１ｌｂの入口幅とを同一
幅としてもよい。

巻線スロットｌｌａ，ｌｌｂ内の３相巻線に３相交流を
流すことにより生ずる磁束Φは回転磁界となるので、例
えばＷ相の電流がピーク値をとる瞬間について示すと第
１図（ｂ）のように、外固定子鉄心１０ａから内固定子
鉄心１０ｂに回転子鉄心１４を介して通ることになる。

リラクタンストルクは外固定子と回転子，及び内固定子
と回転子それぞれにて生ずることになり、外固定子及び
内固定子いずれか一方によるトルク発生に比して約２倍
のトルクを生ずることになる。

Ｆ．　発明の効果 以上説明の如く内外の固定子鉄心と回転子とを構成した
ことにより、単に外側の固定子鉄心と回転子を備えた場
合よりも約２倍のトルクを発生させろことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ　（ｂｌはそれぞれ本発明の実施例の構成
図、第２図はリラクタンス形電動機の部分構成図、第３
図は電流ピーク値からの位相差を示す波形図、第４図は
ξに対するトルク変化の波形図、第５図は制Ｉｉｖ回路
のブロック図、第６図はバーニャモータの一例の構成図
、第７図（ａＪ　（ｂ）はステツビングモータの説明図
である。 図　　中、 １　０，　　１　０　ａ，　１　０　ｂは固定子鉄心、
１１，ｌｌａ，ｌｌｂは巻綿スロｙ　ト、１３，１３ａ
，１３ｂ＋よスｔｆｆッ　ト、１４は回転子鉄心、 １　５，　１　５　ａ，　１　５　ｂは回転子スロット
である。 第２図 モータの部分構成 第３図 ピーク値かうの位相差 特　　許　　出　　願　　人 株式会社　　明　　　電　　　舎 代　　　　　理　　　　　人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 回転子鉄心にスロットを設け、固定子鉄心には３相交流
   巻線の巻線スロットとこの巻線スロット間の歯の部分で
   上記回転子鉄心と対向する小スロットとを設け、上記回
   転子鉄心の全スロット数と上記固定子鉄心の全スロット
   数との差が極数に等しくなるようにし、検出した回転子
   の位置の関数として電流位相を制御するとともに、必要
   なトルクを発生するよう電流振幅値を制御するものにお
   いて、 上記回転子鉄心をリング状に形成し、このリング状の回
   転子鉄心の外周部及び内周部に同数のスロットを形成し
   、更にリング状の回転子鉄心の内側及び外側に固定子鉄
   心を備え、この内側及び外側の固定子鉄心の同一位置に
   巻線スロット及び小ストロットを形成したことを特徴と
   する低速リラクタンス形電動機