JPH0755036B2

JPH0755036B2 - 可変リラクタンスモータを含む電気駆動装置

Info

Publication number: JPH0755036B2
Application number: JP61007787A
Authority: JP
Inventors: ブイ、バーンジヨン; ビイ、オードワイアージエリマイアー
Original assignee: コルモーゲンコーポレイション
Priority date: 1985-01-15
Filing date: 1986-01-16
Publication date: 1995-06-07
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: GB8600655D0; IE56528B1; JPS61203847A; GB2171260A; EP0193708A3; EP0193708B1; EP0193708A2; DE3669963D1; GB2171260B; US4698537A; CA1268514A; IE850093L

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は電気駆動装置に関するものである。特に本発明
は可変リラクタンス電気モータを含む電気駆動装置、更
には可変リラクタンスモータ自体における２相構造に関
するものである。

従来の技術可変リラクタンス機械において、機械的許容誤差に応じ
た最小空隙だけ分離した磁極面を有する高透磁率の強磁
性体固定部材及び可動部材はそれらの極面間が重なり合
うことにより決定される高度な磁気飽和及び制限領域を
除いて低いリラクタンス（磁気抵抗）の磁路を形成する
ように設計され、これによって磁束は可動部材の位置に
より基本的に決定されるものであり、励磁電流の強度に
よって可能な限り小さくすることができる。リラクタン
ス機械の機能に関する理論は次のような刊行物に論述さ
れている。すなわち1972年３月発行のIEEE Transactio
ns on Magnetic,Vol.Mag−8,No.1におけるジョンブ
イ．バーニー発表の“理想飽和物質を用いた磁極重複幾
何学における接線力”（趣意）と題する論文、1975年刊
のIEEE年鑑No.509MA923−３においてジョンブイ．バ
ーニー及びウイリアムジェイ．オコーナーが発表した
“過飽和重複式矩形磁極”（趣意）と題する論文及び19
80年１月発行のIEEE Proc.,Vol.127,Pt.B,No.1におい
てウイリアムジェイ．オコーナーが発表した“理想過
飽和構造の磁極における磁力”（趣意）と題する論文等
がある。

バーニー等の米国特許第３、956、678号明細書において
記載されたような可変リラクタンスモータにおいてしば
しば用いられる多相構造においてこの磁束制限領域は機
械の相対的に変位する両部分の一方又は双方の重複磁極
面又はその近傍において形成され、その大きさは極面領
域における可変の対向面での磁路中の強磁性体断面積
が、動作ストロークを通じて磁路中のいずれか別の所に
生ずる磁束に対して作用する断面積より小さくなるよう
に形成してある。動作ストロークは固定部材及び可動部
材の機械的な相対変位における磁束増大速度が実質上均
一である範囲によって決定される。すなわち磁束制限領
域における磁路断面積が継続して増大する範囲であり、
それは磁路断面積の増大が止まるときに終了する。この
ようなリラクタンスモータの多相構造において、ステー
タの磁極面積はその磁極の腰部における磁束を許容する
断面積に等しいか又はそれより少ないものである。すな
わち磁極の腰部とは、機械の回転構造における巻線空間
と次の巻線空間との間の円周範囲を占有して機械のステ
ータ極面領域をステータヨークに接続する部分である。
ある種の構成においてステータ磁極面の面積は腰部の面
積を幾分上回るものであるが、制限領域は例えばロータ
磁極を斜行（捩り）形成することにより、磁極重複時に
おいてなお存在し、これによってロータ磁極中の磁路を
許容する面積はステータ磁極の腰部の面積より小さく維
持される。これは完全な極間整合時にもいえることであ
る。

このようにしてリラクタンス機械の種々の設計的制約を
課すことにより動作ストロークの長さにおける機械的制
限が付される。これは斜行型ロータを組み入れた場合な
どにおいても生ずることである。しかしながら３相又は
４相機械においては、これらの制限は主要な意味をもた
ない。これは相数を増加することにより、特定の１対の
ロータ磁極及びステータ磁極の動作ストロークが終端に
近づくとき別の相が常にロータをオーバードライブすべ
く待機していることになるからである。このようなスト
ローク連続性が補償されると、機械はいかなるロータ位
置から、いかなる方向においても起動することができ
る。しかしながら相数が３相未満のリラクタンスモータ
の場合これは該当せず、バーニー等の前記米国特許に記
載されたように、ロータ磁極の弧状範囲を延長すること
により達せられる。この構造は所定の一方向の回転にお
いて連続トルクを制限するものである。

３相及び４相リラクタンスモータは本来的に自己起動型
であるが、概して３相の使用により要求される制御回路
の複雑性とコスト高は比較可能な誘導モータ装置を上回
るようなコスト上の利益を示さないものである。リラク
タンスモータの制御回路のために要求されるパワー半導
体装置の全KVA定格は通常何らの減少も考慮されていな
い。４相構造のリラクタンスモータにおいては制御回路
の複雑性及びコストは３相構造において要求される以上
に大きくなる。

バーニーその他に与えられた前記米国特許第3956678号
においては２相リラクタンスモータシステムが記載され
ており、これは１相当たり90゜の動作ストロークを各10
0゜の円弧範囲にわたるロータ磁極面を形成することに
より達せられ、比較的一般的な形態のステータ磁極面は
50゜の円弧範囲に留まっている。かくしてロータ磁極面
の角度範囲はステータ磁極面の範囲の約２倍となってい
る。可変の対向面において必要な磁束制限領域を形成す
るため、その明細書に特に記載された構造中の４辺形ス
ロットより形成された低密度鉄領域によって、ロータ磁
極面の約半分が支持される。この配置は磁極の相対移動
における全範囲にわたって回転を維持するために必要な
磁束の直線的な増大を可能にするものであり、この範囲
はロータ磁極において磁束が制限されない鉄充満部分が
磁極と実質上完全に整列するまでの範囲であり、磁気飽
和はステータ磁極とロータ磁極との可変の機械的対向又
は重複部の近傍に制限される。このようにして低密度鉄
領域は記載されたモータの正常動作中においてロータ磁
極の前縁（リーデイングエッジ）領域を形成するもので
ある。この領域がステータ磁極と重複しはじめると、磁
束はロータの角度変位に従って直線的に増加しはじめ
る。その磁束制限領域はそれがステータ磁極と完全整列
状態となるとき磁束レベルがその最大値の約半分となる
ような大きさに設定される。次にロータ磁極の磁束は、
ロータのそれ以上の回転により制限されない完全鉄部分
がステータ磁極と実質上完全に整合する位置に持たらさ
れると、磁束はその最大値に向かって直線的に連続して
増加していく。この機械は前記低密度鉄領域がロータ回
転中におけるロータ磁極の前縁となるような方向におい
て自己起動型である。自己起動の構造は機械中の磁気飽
和を利用するに必要なロータ磁極の非対称突出部によっ
て達せられる。

比較的最近刊行されたオランダ国アインドホーベンのフ
イリップスリサーチラボラトリーズのJ.C.コンプタ
による論文“マイクロプロセッサ制御型単相リラクタ
ンスモータ”には、約１馬力までのパワー範囲において
単相リラクタンス機械を高速利用する技術が記載されて
いる。このようなモータは真空掃除機や携帯工具におい
て用いられる。これらの適用においてリラクタンス機械
は例えば直列整流子モータなどのような製品に通常用い
られたモータを凌駕する明らかな長所を具備している。
このコンプタによる開示された構成においてロータは小
永久磁石による起動のために適した位置に維持される。
起動及び速度制御はマイクロプロセッサにより実行され
る。このようなシステムの様相により実現されたコスト
は電源回路の単純化によるものと認識すべきである。す
なわちこの回路は単に１個のメインスイッチ装置を要求
するのみである。

発明の要約本発明の一つの目的はロータ位置に無関係に自己起動可
能な可逆回転式可変リラクタンスモータ駆動装置を提供
することである。本発明の更に別の目的は２相構造にお
いて前記のようなモータを提供し、これにより誘導モー
タと比較して半導体装置の利用性及びコストに基づく経
済性を高めようとするものである。本発明の更に別の目
的は改善された熱及び振動特性を有する２相可変リラク
タンスモータを用いた電気駆動システムを提供すること
である。本発明の更に別の目的は２相可変リラクタンス
モータを用いた数10KWまでの電力範囲における可逆的及
び可変速駆動可能な産業機械を構成する電気駆動システ
ムを提供することである。本発明の今１つの目的は超高
速利用に適したこの種の駆動システムを提供することで
ある。

本発明によれば複数の突極型駆動磁極を有する固定ある
いは駆動部材を含む２相可変リラクタンスモータが提供
される。前記磁極の数は４極または４極の整数倍であ
り、各駆動磁極のための磁化巻線は第１相巻線または第
２相巻線のいずれかであり、交互の駆動磁極は異なった
相巻線を有することにより、第１相巻線を支持した各駆
動部材の駆動磁極に近接した駆動磁極は各々第２相巻線
を支持しており、第２相巻線を支持した各磁極に近接し
た駆動磁極の各々は第１相巻線を支持している。

可動あるいは被駆動部材は複数の可動磁極を有し、これ
らの磁極数は前記駆動磁極数の半数となっている。各駆
動磁極は前記駆動磁極と可動磁極と間の相対移動方向に
おいて、可動磁極のピッチに近い弧状範囲における極面
領域を有し、これによって各駆動磁極の極縁部が前記駆
動磁極及び可動磁極間の相対移動方向を横切る方向にお
いて、隣接した駆動磁極の対向した極縁部から分離して
形成される。前記駆動磁極縁部の最小分離間隔は前記駆
動磁極の前記相対移動方向における極面範囲に比して短
くなる。各可動磁極は前記相対移動方向に伸びてモータ
動作中の磁路を制限する磁気飽和領域を有し、これによ
って磁化巻線の付勢により発生する起磁力の部分が前記
飽和領域を横切って発生するようになる。各可動磁極は
前記相対移動方向において前記駆動磁極の極面領域の弧
状範囲に関連する弧状範囲の極面領域を有する。これに
より駆動磁極と整列した可動磁極の極縁部が前記整列し
た駆動磁極における一方の縁部と、その駆動磁極に隣接
した駆動磁極の一方の縁部からなる一対の向かい合った
駆動磁極縁部に同時に近接し、前記第１及び第２の相の
同時付勢において前記可動磁極の前記極縁部を通る外縁
磁束のための磁路を提供するものである。前記外縁磁束
は、反対極性の駆動磁極の極縁部に近接する可動磁極の
極縁部に対して比較的強力に作用し、同一極性の駆動磁
極の極縁部に近接する可動磁極のそれに対して比較的弱
く作用する。

本発明は特に４又は４の整数倍からなる複数の突極型ス
テータ磁極を有するステータと、各ステータ磁極ごとに
第１相巻線又は第２相巻線となる磁化巻線を装備した２
相可変リラクタンスモータの回転構造を提供するもので
ある。ステータ磁極は交互に異なった相巻線を有するこ
とにより、第１相巻線を支持した各ステータ磁極に隣接
するステータ磁極が第２相巻線を支持し、第２相巻線を
支持した各ステータ磁極に隣接するステータ磁極が、そ
れぞれ第１相巻線を支持している。前記ステータ磁極に
駆動されるロータは、前記ステータ磁極数の半数のロー
タ磁極を有し、各ステータ磁極はステータ磁極ピッチに
近い弧状範囲における極面領域を有し、これによって各
ステータ磁極には隣接ステータ磁極のそれと円周方向に
隔たった極縁部を有する。前記極縁部の円周方向間隔
は、ステータ極面領域の弧状範囲に比して短くしてあ
る。各ロータ磁極はモータ動作中の磁路を制限する円周
方向に伸びた磁気飽和領域を有し、これによってステー
タ磁化巻線の付勢により生じた起磁力の大部分が前記磁
気飽和領域に分担されるようにする。各ロータ磁極は前
記ステータ磁極の極面領域の範囲に関連する弧状範囲に
おいて極面領域を有し、これによってステータ磁極と整
列したロータ磁極の各極縁部が、そのロータ磁極と整列
したステータ磁極の極縁部と前記整列したステータ磁極
に隣接するステータ磁極の極縁部からなる円周方向に向
かい合った一対のステータ極縁部に同時に近接するよう
になっている。これは前記第１及び第２の相の同時付勢
においてロータ磁極の前記極縁部を通る外縁磁束のため
の磁路を提供するものである。前記外縁磁束は反対極性
の駆動磁極の極縁部に近接する可動磁極の極縁部に対し
て比較的強力に作用し、同一極性の駆動磁極に近接する
可動磁極の極縁部に対して比較的弱く作用する。

飽和領域の比較的大きい円周範囲は動作ストロークを延
長する。これは磁束がある励磁相を実質的に駆動磁極と
可動磁極との重複が生ずる全範囲にわたるロータ角が、
完全ステータ極ピッチにほぼ達するまで、実質上均一に
増加するからである。このような飽和領域が存在しない
場合、動作ストロークはより短くなるであろう。両相が
励磁されたとき、ロータ磁極及びステータ磁極の整列状
態において形成される外縁磁路は、相駆動のみではステ
ータに関してロータを移動し得ないこのロータ位置にお
いて、起動トルクを発生するものである。これらの条件
下においてステータ磁極縁とロータ磁極縁との間の外縁
磁束は、顕著な非対称性となり、したがって所望の起動
トルクを提供する。飽和領域の存在は、これらの条件、
すなわちロータ磁極及びステータ磁極の整列と、第１及
び第２相の同時付勢の存在下において、前記のような効
果を発生するために要求されるわけである。すなわちこ
の場合のロータ磁極面は、この磁極に整列したステータ
磁極のそれに接近しようとする磁位を有することによ
り、反対極性にある近接したステータ磁極は高い外縁磁
束を生じ、その反面、同一極性の近接磁極は比較的低い
外縁磁束を生ずるからである。したがって前記のような
磁束には非対称性概念を導入しなければならない。磁極
整列及び両相同時付勢条件における所望の非対称な外縁
磁束パターンは、円周方向に比較的近接した位置を占め
る隣接したステータ磁極の極縁によって確立される。好
ましい構造においてステータ磁極は可能なステータ開口
周の80％未満において表面部（シュー）を支持してい
る。

前記の飽和領域は強磁性体、すなわち鉄の分布密度を低
下させたロータ磁極領域により形成することができる。
好ましい実施例において前記鉄の分布密度を低下させた
領域は、ロータ磁極積層構造中の成層体を部分開口列を
有する形状とすることにより形成することができる。こ
の結果形成された磁束制限手段は、この領域内で磁束に
供される鉄断面積を、磁路の他の部分における鉄断面積
より小さくするものである。この領域における鉄の分布
密度制限の目的は、ステータ巻線の起磁力（mmf）の大
部分がこの飽和領域に分担されるようにすることであ
る。この目的のさらなる追求においてロータとステータ
との空隙は可能な限り小さく仕上げられる。

前記ロータの極面領域の各々は、少なくともその一部が
高透磁率を有する。好ましい構造において、前記高透磁
率部分は各ロータの極面領域の実質的に連続した極表面
層からなっている。前記高透磁率部分又は層はロータ磁
極の表面部（ポールシュー）を形成するものである。前
記ロータの極面領域の各々は、前記ステータ磁極のピッ
チを上回る弧状範囲を有する。好ましい実施例において
各ロータ磁極は腰部を有し、前記極縁部は前記腰部から
円周方向に突出してロータ磁極とステータ磁極との整列
位置において隣接するステータ磁極の前記対向した一対
の極縁の下側に位置する。

本発明のモータの好ましい電気的構成において、前記第
１相の磁化巻線のすべては並列接続され、同じく前記第
２相磁化巻線もまた並列接続される。これにより同一相
の各磁極における磁束変化の度合を強制的に等しくして
ロータに作用する半径方向の力を実質的に均衡させるも
のである。

本発明は別の様相において、その原理により構成された
モータを含む駆動システムを提供するものである。この
駆動システムはモータ動作中において前記磁化巻線を付
勢するとともに、ロータの起動時における位置、及び所
望の回転方向とは関係なく、複数の起動シーケンスの１
つを選択的に開始するための制御手段を含むことができ
る。前記制御手段はモータの付勢時に現出する相電流及
び電圧の値からロータ位置を推定することにより、前記
起動シーケンスの選択的な１つを開始するために用いら
れる。システムは選択的にロータ位置指示信号を発生す
るためのセンサー手段を含むものであり、前記制御手段
は前記ロータ位置信号に応答して前記起動シーケンスの
選択された１つを開始するものである。

巻線は１方向電流によって付勢され、各巻線の付勢期間
及びその電流の大きさは、前記制御手段により調整する
ことができる。この場合、制御手段は上述した通り、シ
ャフト位置センサーに関連して動作する。特定の回転方
向におけるモータの通常動作の場合、電流は特定のロー
タ磁極と対応するステータ磁極との重複度が増大すると
き、巻線に順次供給される。

モータを起動するためには、所望の回転方向に関する初
期シャフト位置に応じて３種類の特別のルーチンの１つ
が制御手段により実行される。これらのルーチンはソフ
トウエア又はハードウエアのいずれかにおいて具体化さ
れる。これらの内、第１のルーチンにおいては逐次電流
による巻線の瞬間的な付勢により、“通常”起動が実行
される。第２の起動ルーチンにおいては、基本的に逆転
起動が実行され、これによってロータを起動初期におい
てわずかに逆方向移動するものである。たとえばこの逆
移動は、順方向トルクを生ずるに適した位置を求める約
1/8回転だけ形成される。第３の起動ルーチンはロータ
がすでに１組の磁極と整列していずれか一相のみが動作
しても、適性なトルクが生じない場合において適用され
るものである。この場合、両相は同時に励磁されて、小
範囲のロータ移動を通じて機械の定格トルクに近いトル
クを発生するものである。

したがって本発明によれば、いかなるロータ位置からで
も、そしていずれの方向においても起動し得る２相リラ
クタンスモータが提供される。

実施例の説明第１図に示す通り、本発明に従って構成された４極ステ
ータ−２極ロータ型２相機械において、ステータ（21）
はステータ磁極（24），（25），（26）及び（27）を有
する。ａ相は磁極（24）及び（26）間にかけて確立さ
れ、ｂ相は磁極（25）及び（27）間にかけて確立され
る。巻線（31）及び（33）はａ相を励磁すべく付勢され
るが、巻線（32）及び（34）はｂ相を励磁すべく付勢さ
れるものである。ロータ（22）は中心軸取付け用開口
（23）とロータ磁極（35）及び（36）を有する。これら
の基本的特徴において本発明のリラクタンスモータは、
多相電機構造に類似しているが、本発明にのみ特有の構
造については第１図だけでなく第２図をも参照して説明
することとする。第２図においては磁極（24）及びその
近傍におけるステータ領域が、ロータの磁極（35）に沿
って描かれており、このロータ磁極（35）については説
明の便宜上、第２図ではステータから遠ざけて示してあ
る。

第１図及び第２図に示す通り、各ステータ磁極は、その
腰部（52）の領域よりも極面（53）の領域においてより
大きい円周範囲、すなわち円弧長さを有する。磁極は腰
部（52）においてステータのヨーク（51）からその極面
領域（53）に向かって半径方向内向きに突出している。
このようにしてステータ磁極は延長されたストロークを
形成する弧状延長部（シュー）を有する。これによりス
テータ磁極はその弧状範囲の各端部において（28）及び
（29）で示す各極縁部（ポールチップ）を有する。これ
らのポールチップは第１図に示す通り、隣接した磁極の
対応するポールチップに向かって突出している。この場
合、磁極（24）のポールチップ（28）は磁極（25）のポ
ールチップ（29）から比較的短い距離だけ隔たり、磁極
（24）のポールチップ（29）は他方の隣接磁極（27）の
ポールチップ（28）から同様な距離だけ隔たっている。
所望の延長された動作ストロークを達成するため、これ
らのポールチップは隣接したステータ磁極間において漏
れ磁束を極小化するように、可能な限り狭い間隔で形成
し、したがって各ステータ磁極の極面は、可能な限り長
い円弧範囲を占めるようになっている。理想化された状
況においては各ステータ磁極は４極構造の場合、最小の
ギャップにより90゜の円弧に対応する円弧範囲を有す
る。しかしながら過大な磁束漏れを回避しようとするこ
とは、このような理想構造を実現しにくくするものであ
る。ポールチップ間隔が近いことは概して１つのステー
タ磁極から別の磁極への外縁磁束の直結路を形成して機
械の効率を下げるという点において不利益となるが、本
発明においてはステータ磁極のこのような構造を用いる
ことにより、後述する態様において２相機械の自己起動
を達成しようとするものである。チップ間隔の大きさを
決定する基準は、過大な極間外縁磁束損失を生ずること
なく自己起動を実現するものでなければならない。これ
についても後に詳述する。

一般にリラクタンス機械の多相構造においてはステータ
磁極面の面積は、その腰部における磁極の断面積に実質
的に等しいものである。本発明の構造においては、この
ような極面面積と腰部断面積との関係は、実用的なもの
ではない。すなわちモータの動作において、必要な磁界
レベルを確立し得るサイズのコイルを収容するに十分な
巻線又は銅の容積（54）を提供するためには、その磁極
の腰部における弧状寸法は、できるだけ短くしなければ
ならないからである。したがって第２図に示す通り、磁
極（24）の極面面積A_PFはその腰部における磁極断面積A
_Wより実質的に大きい。しかしながら磁気回路において
許容される磁束の最大レベルは、そのステータ磁極の腰
部断面積A_Wにより実際上制限されるため、延長された磁
極シュー（ポールチップ）の存在にもかかわらず動作ス
トロークは次に述べるロータの特徴的構造を用いない限
り、ステータ磁極の腰部により形成されるストロークに
ほぼ等しい弧状範囲に制限されることになる。

すでに述べた通り、従来一般にリラクタンスモータにお
いてはステータ磁極及びロータ磁極を通る磁路中の磁束
が直線的に成長することを要求されるが、この磁束の成
長はステータ及びロータの実質的な磁極重複（pole ove
rlap）のみに従い、励磁電流レベルとは実質的に無関係
である。本発明のロータ構造においてステータ磁極の最
大磁束密度は、腰部断面積A_Wにより決定され、したがっ
てロータ磁極構造としては第１図及び第２図に示すもの
が採用される。したがって空隙及びその付近には磁束制
限する磁気飽和領域が形成される。これらの図に示され
た構造において、鉄の分布密度は磁極面に近接した磁気
飽和領域形成用の制限層（37）において制限され、その
制限層（37）の外側には比較的薄い高透磁率の表面層
（38）が形成される。第１図及び第２図に示す通り、こ
の高透磁率表面層（38）はさらに円周方向においてロー
タ磁極の外側に突出し、このロータ磁極の円弧範囲の両
側縁に沿って軸方向に伸びる極縁部、すなわちロータポ
ールチップ（41）及び（42）を形成する。層（37）及び
（38）の相対的寸法及び制限層（37）における強磁性
体、すなわち鉄の分布密度は実質的な磁極重複を通じて
ロータ磁極面の領域における制限範囲において飽和状態
が優勢となるように選定される。すなわち磁極重複面の
範囲とはロータポールチップ（41）とステータ磁極縁
（29）との初期重複から後者が時計方向に回転するもの
として、両者が第１図に示すような実質上完全重複状態
となるまでの範囲を言う。このようにして約90゜の動作
ストロークが形成される。

バーニーその他に与えられた米国特許第3956678号に開
示された構成においては、ロータの表面もしくはその近
傍において飽和制限領域が配置され、これによって制限
領域の断面積をロータ磁極面の弧状範囲に等しい大変位
角まで拡大するものであった。これはロータを次の相に
関する起動位置にもたらすべく要求される形状である。
本発明においても制限部を同様に配置して制限層（37）
がロータ本体又はステータ磁極の腰部より先に飽和する
ようになっている。しかしながら本発明の機械における
制限領域においては従来のモータと異なり、ロータ磁極
の特定のエッジ領域に限定することなく、磁極の円周範
囲の全体にわたって存在している。したがって本発明の
モータは可逆回転可能であり、しかもロータのいかなる
位置からも自己起動することができる。特にモータはロ
ータ磁極が一対のステータ磁極と整列するとき、両方の
相巻線を同時に付勢することにより、自己起動し得るも
のであり、これによってステータ磁極の隣接ポールチッ
プ間の外縁磁束はロータの高透磁率表面層（38）を通
り、その結果、第１図及び第２図並びに第３図及び第４
図を参照して次に説明する現象によるトルクがロータに
作用することになる。

第３図は第１図及び第２図のステータ磁極（24）及び
（25）を、この場合ステータ磁極（25）と整列したロー
タ磁極（35）とともに展開して示すものである。第３図
に示された特徴のすべては、第１図及び第２図を参照し
てすでに説明したところであるが、ステータポールチッ
プ（28）及び（29）はこれまでに図示したものより幾分
近接して示してあり、これによってロータ磁極が一対の
ステータ磁極と整列した位置からのロータ起動を説明す
る際の便宜に供するものである。第４図は薄い高透磁率
極面部（38）の縁端におけるロータポールチップ（42）
が、ステータ磁極の隣接したポールチップ（28）及び
（29）の直下に位置するような重複ポールチップ領域を
拡大して示すものである。

このようなポールチップの整列位置においてロータポー
ルチップ（42）は、隣接したステータポールチップ間の
空間を実質的に架橋して、２組の相巻線の同時的な付勢
により発生した磁束のための磁路を提供し、これによっ
てどの相もロータを回転できないようなトルク死点にお
いてトルクを与えるものである。

第４図において磁力線は（11）で示されている。第４図
に示されたようなロータ磁極とステータ磁極との相対位
置関係における磁気制限面積A_Cは、ラインｙ−ｙを付し
た矢印間の空間により示されている。モータにより発生
するトルクは、相巻線の付勢により確立された起磁力
（２）に磁気制限面積の増大する度合を掛けたものに比
例する。その関係は次式により表わされる。

ここにθはロータ回転角度である。

すでに述べた通り、トルクは増大する制限領域の存在下
においてのみ発生するものである。ポールチップ領域の
適当な輪郭は、磁束の円滑な増加をもたらし、これによ
りトルクが発生し、ロータ磁極（35）を図の左側に変位
させる。２相の合成的な付勢によるトルク効果は、ロー
タとステータとの比較的小さいずれを通じてのみ形成さ
れるものであり、ロータの連続的な回転をもたらすため
には各相の常套的な逐次付勢により確立されなければな
らない。

第５図は第１ないし４図のモータにおける各相トルクTa
及びTbの曲線であり、相トルク曲線の正の部分は図にお
いて実線により示し、正回転中において機械の各回転イ
ンクリメント内に妥当な相が励磁されないことにより抑
制される対応した負のトルクを破線において示すもので
ある。実線で示された相トルク部分Ta及びTbは第１図に
おける時計方向のロータ回転もしくは第３図における右
方への変位に対応するものであり、Taはロータ磁極（3
5）がステータ磁極（24）と整列するように移動すると
き発生し、Ta及びTb間のゼロトルク点は、ロータとステ
ータのａ相磁極との完全整列に対応するものである。さ
らにトルクTbはロータがステータのｂ相磁極と重複する
方向に移動するとき発生するものである。ロータがｂ相
磁極と完全整列したときにはさらに別のトルク死点が発
生する。ロータが一対のステータ磁極と整列していると
き、ステータの両相巻線が同時に付勢されることにより
確立される起動トルクは、第５図において実線で示され
たトルク曲線T_Sとして表され、これはトルク死点に近い
ロータ回転の比較的短いインクリメントにわたってい
る。このトルクはいずれのステータ相もそれのみではト
ルクを確立し得ないトルク死点の言わばトルクブリッジ
となるものである。トルク死点の領域から離れた部分で
a,b両相を同時に付勢することにより確立されるこのト
ルク曲線の連続は、第５図において破線で示され、たと
えば第５図のロータ回転範囲の第１の部分におけるトル
クTaとTbとの代数和、すなわちTaの正部分と、Tbの負部
分との和に実質的に対応する。両相の同時付勢によるト
ルクはごく短いロータ回転範囲においてのみ生じ、その
レベルはロータがいずれの相動作のトルク死点から幾分
かでも変位すれば比較的低くなるものである。

上述した起動トルク現象の発生原理は第６及び７図を参
照して説明する。第６図に示す通り、理想化された磁気
直線性を有する２相リラクタンス機械は、ステータ（6
1）及びロータ（62）を備え、磁束を制限しない大きさ
の鉄から構成されたものとする。ステータは参照数字
（１），（２），（３）及び（４）で示す４極構造であ
り、ロータは参照数字（68）及び（69）で示す２極構造
である。ａ相はステータの磁極（１）及び（３）を横切
って確立され、これらのステータ磁極巻線（63）及び
（65）により励磁される。ｂ相は同様に磁極（２）及び
（４）を横切って確立され、これらのステータ磁極は巻
線（64）及び（66）により励磁される。この機械はｘ−
ｘ線で示す通り軸対称である。ステータ磁極のポールチ
ップは基本的には模式的に描かれたように実質上順次隣
接し、外縁磁束が（12）で示すようにそれらチップ間に
直通するように構成されている。

このような理想機械においては、ａ相又はｂ相が個々に
励磁されるとき、ロータ磁極（68）及び（69）がａ相の
磁極（１）及び（３）と整列した図示の位置からは起動
出来ないことが直ちに理解されよう。両相が同時に励磁
されるときは何らの有効なトルクも発生しない。この後
者の条件は第６図に示されている。ａ相の励磁はステー
タ磁極（１）が磁位（MP）＋Ｆを有し、同じａ相の磁極
（３）が磁位−Ｆを持つようにする。図において、文字
“F"はイタリック表記である。ｂ相において磁極（４）
は＋Ｆの磁位を有するが、磁極（２）は−Ｆの磁位を有
する。しかしながら、それらの対称性によりロータ全体
としては磁位ゼロとなり、したがってステータ磁極とロ
ータ極面との間の磁位差はすべての点において＋Ｆ又は
−Ｆとなり、磁極（２）からロータに向かう外縁磁束の
密度分布、及び磁極（４）からロータに向かう外縁磁束
密度分布は、軸ｘ−ｘに関して実質上対称となる。

したがってこの理想磁気直線性ロータの両側には均等な
引力が作用し、その構造の対称性はロータの、たとえば
上部を第６図の右方、すなわち時計方向に回転しようと
する時計方向の力が、ロータを反時計方向に回転しよう
とする同様な力により相殺されることを意味する。かく
して、ロータとステータ磁極（２），（４）との間の空
間を横切るように描かれた外縁磁束（11）は、この構成
においては無視される。

第７図は本発明の基本的原理に基づいた理想機械を示す
ものである。この機械はステータ（71）及びロータ（7
2）を有する。この場合、ロータ（72）は磁束を制限し
ない大きさのものではなく、定型化された磁気制限部
（77）を具備している。この磁気制限部において機械動
作中の磁気飽和が生ずるようになっている。この磁気制
限部の範囲はその回転軸の領域においてロータの腰部を
形成し、したがって磁束によって示すその断面積は、そ
の極面に近い範囲における円弧方向の断面積に比較して
減少するように形成されている。かくして機械のａ相巻
線が付勢されると、図示のロータ位置におけるこの制限
領域を横切って磁位差が発生する。この磁位差はロータ
のこの中心領域における磁束の流れに対して許容される
鉄断面積の制限によって生ずるものである。

この構造において妥当な相巻線が付勢されると、ロータ
の未飽和部はそれらが整列したステータ磁極の磁位と同
じになり、磁路のこの部分における磁気抵抗（リラクタ
ンス）を低下するものである。この場合、ステータ及び
ロータ磁極間の空隙は小さいものとする。このような条
件は第７図に示されており、ここにａ相の励磁は磁極
（１）及び（３）をそれぞれ磁位＋Ｆ及び−Ｆとするも
のである。ステータ磁極（１）とロータ磁極（78）は、
同じ磁位＋Ｆを有するが、ステータ磁極（３）と整列し
たロータ磁極（79）は磁位−Ｆを有する。その結果、ａ
相の全起磁力2Fは飽和制限領域（77）を横切って“降
下”する。また、ｂ相がａ相とともに励磁されれば磁極
（２）は磁位−Ｆとなり、磁極（４）は磁位＋Ｆとな
る。したがってこの構造においては、第７図に磁極（7
8）及び（２）間と、磁極（79）及び（４）間に延びる
磁力線（11）として示すようなロータ（72）とｂ相の磁
極（２）及び（４）との間の外縁磁束における実質的な
非対称性が発生し、これによってロータには強力な時計
方向のトルクが作用する。したがってロータは時計方向
に回転する。時計方向のわずかな変位が生ずると、ａ相
電流は遮断されるが、ｂ相電流は維持される。これによ
り機械は電流の逐次制御及び各相の連続的な付勢による
通常の手法において加速されることになる。

しかしながら第７図の理想構造において実現されたこの
特別の起動特性は、動作ストロークの短縮という犠牲を
はらって得られたものであり、この動作ストロークと
は、その範囲内において有効なトルクが発生するロータ
のステータに関する相対的変位として定義される。たと
えば第７図の構成において、ロータ磁極（78）及び（7
9）のステータ磁極（２）及び（４）に関する部分的重
複が生じたのち、ロータの中央における制限領域（77）
が飽和し、これによりトルクはさらに磁極の重複が進行
することにより急激に降下する。すでに説明した通り、
各相毎に延長された動作ストロークを達成するため、磁
束は磁極重複における可能な最大角度インクリメントに
ついて実質上比例的に増大し続けなければならない。

これは第１ないし４図に関してすでに説明された構成、
すなわち鉄密度をロータ磁極面の近傍において制限し、
その結果、この領域に飽和層を形成することにより達成
される。

第８図には本発明の原理を含むさらに別のリラクタンス
機械の展開図が示されている。この機械はステータ磁極
（81），（82），（83）及び（84）を有する。これらの
ステータ磁極は延長された動作ストロークを提供するた
めの延長された弧状部（シュー）を有する。かくして磁
極（81）及び（82）にはそれぞれ（91）及び（92）で示
すステータポールチップが形成され、これらの隣接ステ
ータ磁極間における漏れ磁束を最小化するものである。
したがって各ステータ磁極面は可能な限り、長い弧状範
囲を有する。理想条件において各ステータ磁極は最小の
ギャップにより４極構造において90゜の弧状範囲に対応
する範囲を有する。しかしながら、過大な磁気漏れを回
避することは、このような理想化構造を実際に得ること
を困難にするものである。

この機械のロータ（85）はロータ磁極（87）及び（88）
を有し、各磁極はステータ磁極に対向する極面において
薄い高透磁率シュー、すなわち極面部（89）を有する。
この極面部（89）の背当てとしてさらに機械の他の部分
における材料よりも比較的容易に飽和する物質からなる
層領域（88）が形成される。この飽和は低密度鉄層（8
6）により達せられる。

実際上この構造においては、第１ないし４図の構造と同
様、第７図でロータの中間部における回転軸に近い可飽
和領域（77）は、ロータ磁極面に近接した範囲において
２個の分離した磁気制限領域と置換される。かくして磁
束制限個所はロータ磁極面の直下、すなわち極面の半径
方向内側の位置に移動したものである。その通常動作中
における機械の動作ストロークの増大は、このような磁
気制限領域のロータ磁極外周面への半径方向移動により
達せられる。

第８図の構成は高透磁率表面層（89）が、この場合極縁
すなわちポールチップから円周方向外向きに突出してお
らず、したがってこれまで述べた構造のような外周間隔
を形成する円周方向に延長したチップ部分を有しないと
いう点において第１ないし４図の構造とは相違するもの
である。しかしながら、第５図において線図的に示され
たポールチップトルク効果は、第１ないし４図の構造と
類似の態様において、この実施例の磁極構造を形成する
ことにより確立することが確認された。したがって隣接
したステータポールチップ間においてロータ磁極の極縁
領域を通じて形成される外縁磁束によるトルクは、この
極縁領域が円周方向に突出するチップ部分を構成すると
否とにかわらず発生するものである。ロータ磁極のエッ
ジがそのロータのトルク死点位置に整列し、それに近接
対応したステータ磁極のポールチップ領域に十分近いも
のとすれば、必然的に生ずる磁束の流れが機械の各相を
付勢して、通常的な付勢のためにゼロトルク位置からロ
ータを移動させるに必要な初期ロータ移動をもたらすも
のである。

第９図は本発明のリラクタンス機械におけるさらに別の
変形例を示すものである。この実施例におけるリラクタ
ンス機械は、ステータ磁極（101），（102），（103）
及び（104）を有し、ロータ（105）は磁極（106）及び
（107）を有している。ステータ磁極はまた、弧状延長
部を有することにより延長された動作ストロークを形成
し、隣接したステータポールチップ（111）及び（112）
は比較的近い円周、すなわち線間隔において対向してい
る。各ロータ磁極は薄い高透磁率シュー（109）を有す
る。シュー（109）はこの場合もまた、ロータ磁極の本
体を越えて円周方向に突出しており、その弧状範囲はた
とえばロータ磁極（106）が第９図に示すようにステー
タ磁極（101）と整列し、ロータポールチップ（113），
（114）がそれぞれステータ磁極（101）の両側に隣接し
たステータ磁極（102）及び（104）のポールチップにほ
とんど届く程度の長さである。この極面層の直下、すな
わち半径方向の内側において、各磁極は機械の他の部分
における材料より比較的容易に飽和する材質からなる層
（108）を有する。この可飽和物質はたとえばＢ＝1.0程
度の飽和磁束密度を有する。

第９図において参照数字（109）で示された表面層は、
好ましくは理想的構造としてきわめて薄いものが用いら
れる。この表面層の形状は磁極の弧状範囲に沿った過大
な磁束伝達を生じ、これによって理想的にはトルクの発
生が動作ストロークを通じて維持されるようにするもの
である。長い動作ストロークはロータ回転における可能
な最大角度インクリメントを通じて、直線的な磁束増加
が続くことにより、形成及び促進される。しかしながら
実際の機械においてはステータ磁極に対するロータ磁極
の約10％の重複は、トルク発生に関する限り、特に効率
的ではない。何となれば、この段階ではロータ変位によ
る磁束変化の割合が不可避的に減少するからである。

第10図（ａ）〜（ｆ）にはロータ磁極のさらに別の構造
が多くの変形例を連ねて図示されている。たとえば低密
度領域はポールチップ間において磁極面まで突出してい
る。このような構成は第10図（ａ）において示されてお
り、ここではステータ磁極が（121a）及び（122a）によ
り、ロータが（125a）により、そしてロータ磁極が（12
6a）により示されている。低密度領域（128a）はロータ
磁極のチップ又はエッジ領域（133a）及び（134a）間に
おいて磁極面まで突出している。この場合、チップ（13
3a）及び（134a）は磁極の高透磁率領域を形成してい
る。ステータポールチップ（131a）及び（132a）から出
入りして、ポールチップ（133a）を通る磁力線は（11）
で示されている。

第10図（ｂ）〜（ｆ）は、本発明の原理を含むモータに
おけるステータ磁極及びロータ磁極の相対位置及び形状
の種々の例を示すものである。各場合において、前述し
た第10図（ａ）の構成に類似の構成は、同一参照数字に
適当なサフィックス文字を付すことにより示されてい
る。第10図（ｂ）において、均質磁極はたとえば鉄合金
からなり、純鉄の約50％の鉄密度として１テスラ又はそ
れ以下の程度の飽和磁束密度が設定される。ロータ磁極
の円周範囲は、それがステータ磁極（122b）と整列した
とき、その両極縁（133b）及び（134b）が磁極（121b）
及び（123b）のポールチップ（131b）及び（132b）と整
列するように定められている。この構造はさきの実施例
構造の高透磁率表面層を有しないが、そのような高透磁
率層を有する構成とほぼ同様に機能することが見出され
ている。

第10図（ｃ）は可飽和層（128c）により支持された高透
磁率表面層（129c）を有するさらに別の構成を示すもの
である。ロータポールチップ（133c）及び（134c）は両
側に斜面を有し、それらの両側部はロータ磁極（126c）
とステータ磁極（122c）とが整列した場合において、ス
テータ磁極（121c）及び（123c）のポールチップ（131
c）及び（132c）の両側部と整列するようになってい
る。第10（ｄ）図は可飽和層（129d）の範囲がロータポ
ールチップ（133d）をそのロータ磁極とステータ磁極
（122d）との整列時においてステータポールチップ（13
1d）の下側に部分的に位置するようにした、さらに別の
類似形状の機械を示すものである。したがってこの構成
は第１〜４図に関して基本的に説明した構造と類似して
いる。第10図（ｄ）に示す通り、可飽和層（128d）の深
さは可飽和層が表面層とともに磁極の全高を実質的に占
有するすでに述べた構造とは異なり、ロータ磁極の全高
より小さい。

第10図（ｅ）及び（ｆ）は本発明に従って構成され、起
動特性は幾分劣るが、高速運転性においてより優れたリ
ラクタンス機械のさらに別の実施例を示すものである。
これらの各構造において、ロータ磁極の円周範囲は磁極
整合状態においてポールチップが隣接ステータ磁極のチ
ップの直下には到達しない程度の長さである。しかしな
がら、設計上それらのチップ間には起動時に必要なだけ
の磁束が通るものとする。したがってこれらの実施例で
は、第10図（ａ）〜（ｄ）に関して説明した構造とは異
なり、磁束が鉄のみを通るのではなく、部分的に空気中
を通るものである。たとえば第４図を再び参照して外縁
磁束がその面積A_Cで示すような磁気制限部において飽和
する鉄中をほぼ完全に通過する場合には、外縁磁束に関
する力は次式で表されることになる。

F_X＝1.0（mmF）ｄφ/dx ここにF_Xはｘ方向の接線力、そしてφは外縁磁束である。

比較のため、磁束が少なくとも部分的に空気中を通る場
合の関係式を示すと、それは F_X＝1/2（mmF）ｄφ/dx かくして前者の式は力の大きさに関する限り、比較的有
利な関係を表している。

第10図（ｅ）のロータ磁極（125e）は第10図（ｂ）の構
成における場合と同様、低密度鉄含有物質からなるもの
であるが、第10図（ｆ）に示す構造においては、第10図
（ｄ）の構造に幾分類似して磁極高さより小さい深さの
低密度領域を有する。

第11図はロータ磁極の飽和領域がロータの交互配置され
た成層体におけるパンチ孔により形成されるようにした
本発明によるモータの実際的構造を示すものである。図
に示す通り、モータは前述したものとは異なった形状を
有するステータ磁極（141），（142），（143）及び（1
44）を有する。成形されたステータポールチップは、参
照数字（151）及び（152により示されている。ロータ
（145）はロータ磁極（146）及び（147）を有し、これ
らの磁極は各々その範囲内で機械の他の部分よりも容易
に磁気飽和を確立するための低密度層（148）を有す
る。ロータ磁極面は比較的高透磁率の層（149）により
形成される。ロータのポールチップは（153）及び（15
4）により指示され、低密度層を形成するパンチ孔の１
つは（155）により示されている。このような開口を交
互に有する成層体構造は、層（148）の透磁率を連続
（無空）構造のロータにおけるものの半分よりわずかに
大きい値にする。このような具体的実施において、ポー
ルチップの両側斜面形成及びそれらの弧状範囲はコンピ
ュータ計算による磁界解析技術を用いて実質的に最適化
され、これによって適当な起動トルクを得ることと、機
械の高速性能を得るために不所望の外縁磁束を形成する
こととの兼ねあいを実施的に最適化することができる。

第12図は本発明に従って構成された４極ステータ機械を
示すものである。ステータ（161）はステータ磁極（16
4），（165），（166）及び（167）を有する。ａ層は磁
極（164）及び（166）を横切って形成され、ｂ層は磁極
（165）及び（166）を横切って形成される。巻線（17
1）及び（173）はａ層を励磁すべく付勢され、巻線（17
2）及び（174）はｂ層を励磁すべく付勢される。ロータ
（162）は軸孔（163）によりシャフトに取り付けられた
ものであり、ロータ磁極（175）及び（176）を有する。
各ロータ磁極（175）及び（176）は磁極表面の下側領域
におけるパンチ孔を有する交互成層体により形成された
低密度層を有する。したがって各ロータ磁極の最外側表
面層（178）は、高められた透磁率を有する磁極領域と
なっている。ロータポールチップ（181）及び（182）は
磁極の側端から弧状すなわち円周方向に突出し、同様に
ステータ磁極は参照数字（168）及び（169）で示す突出
チップ部を有する。各ステータ磁極は磁極（166）につ
いて示す態様において、ステータ（161）のヨーク部に
取り外し可能に装着される。ステータ磁極の背後端すな
わち半径方向の最外側領域には、フランジ部（183）が
形成され、このフランジ部はステータヨーク中において
対応する輪郭を有する凹部（184）中にアリ溝方式で係
合している。また、ステータ磁極はこの摺動凹部（18
4）の打抜き側部により半径方向には変位しないように
把持される。

第12図に示された構造は、磁極面のすぐ内側における磁
束のための低密度制限領域を確立するという要求を満た
すものであるが、２つの異なった型のロータ成層体を要
求する。すなわちロータの軸範囲に沿って各成層体は、
いずれもその直前及び直後における隣接成層体とは相違
するものが用いられる。選択的に成層体には磁極円弧に
対し90゜の位置にキー溝が設けられ、それは各成層体の
１極部のみにパンチ形成される。ロータ成層構造中の２
番目以下偶数番目の成層体はいずれもその隣接成層体に
関して裏返され、これによりパンチ孔が隣接成層体に比
してロータ軸の反対側に位置することになる。

第13図に示されたさらに別の構成は、非対称穿孔形状で
あり、ロータ成層体の使用可能な１形式を与えるもので
ある。この図に示す通り、成層体（191）はロータ構造
をロータシャフに取り付け、かつキー止めするための中
心開口（192）を有する。成層体の各ロータ磁極域（19
3）は、その円周範囲に沿って一連の孔を設けることに
より形成された低密度領域（194）を有する。これらの
孔（198）はおのおの類似したものであるが、成層体の
縦軸ｙ−ｙに関して非対称に位置している。すなわち第
13図に示す通り、成層体の上部極面においてその左側に
注目すると、低密度領域（194）は成層体の本体と極面
領域（195）との間に伸びる成層体ブリッジ部分（199）
で終了しているが、低密度領域（194）の他方の円周端
は、切欠き部分（201）において終了している。同じ成
層体の下部極面において、成層体ブリッジ部分と切欠き
部分との位置関係は逆転し、したがって切欠き部分は第
13図に示す通り成層体の左端に、また成層体ブリッジ部
分（199）は右端に位置することとなる。ロータの軸方
向の交互配置において順次２番目に位置する成層体をロ
ータ成層構造の組み立て中において順次反転することに
より完成したロータの低密度領域には均一な1/2密度の
鉄層が形成される。ポールチップ（196）及び（197）は
最終的に組み立てられたロータにおいて、これまでに図
示した構造と類似の態様で形成される。矢印（202）は
ロータ物質の好ましい結晶方向を示している。

第14図はずらされたパンチ孔配列を有するロータ成層体
の選択的な実施例を示すものである。第13図に示した要
素（191）〜（202）に類似の要素は、第14図において参
照数字（211）〜（222）を付して対応させるものとす
る。第14図の構成においてパンチ孔（218）は第13図の
パンチ孔（198）より広い円周範囲、すなわち弧状長さ
を有する。さらに第14図の成層体の低密度領域（214）
は、第13図において部分（201）で示すような切欠き部
においては終了せず、ｙ−ｙで示す対称軸の右側におけ
るパンチ孔（218）は広幅部分（219）の存在により低密
度領域の右端から離れている。また、ｙ−ｙ軸の左側に
おけるパンチ孔（218）は狭幅部分（221）の存在により
低密度領域の左端からわずかに分離している。第13図の
構造と同様、ｙ−ｙ軸に関する広幅部分（219）及び狭
幅部分（221）の相対位置関係は、成層体（211）の下部
極において逆転する。これらの成層体を用いたロータの
組立て構造において、成層体を交互にｙ−ｙ軸に関して
180゜反転することにより低密度領域（214）には再び均
一な半密度鉄層が形成される。

第15図は８極ステータ−４極ロータ型２相自己起動リラ
クタンス機械を示している。ステータ（231）はａ層を
形成するための４極（232）及びｂ層を形成するための
４極（233）を有する。ロータ（234）は中心開口（23
8）を貫通するシャフトに取り付けられる。ロータ（23
4）は４極（235）を有する。各ロータ磁極は磁束を制限
するための低密度鉄領域（236）と、その領域から半径
方向の外側に位置する極面領域（237）とを有する。低
密度領域は第13図及び14図に関して説明したのと同じ方
法で、すなわち各成層体におけるパンチ孔（239）を成
層体を横断して一対の背反した磁極を通る対称軸に関
し、非対称に配列することにより形成される。第15図に
示す構造においてこのような単一の孔（239）は、各磁
極において制限領域（236）の弧状範囲のほぼ半分にわ
たって伸びるようにパンチ形成される。第13及び14図の
構造と同じく、成層体は交互に反転され、これによって
組み立て後の積層構造には均一な低密度層が形成れれ
る。

これまでに述べた構造のすべてにおいて、ステータ磁極
及びヨークは、ヨーク部分及びそれに一体形成された磁
極からなるステータ成層体とする場合よりも、互いに独
立形成される場合が多いと考えられる。このような分離
構造は特に大型の機械におけるステータを形成するのに
適している。ヨークは磁気的に低品質の低価格物質から
形成することができ、その鉄損失密度はヨークの半径方
向の厚みを増すことにより減少させることができる。こ
れは機械の構造強度及び振動特性を向上するという別の
効果をも有する。これに対し、磁極は結晶又は粒子配合
が異なる比較的高価な材料より形成され、これによって
磁極の腰部に比較的高い磁束密度を確立し、起磁力の損
失を実質的に極小化することができる、磁極は接合ブロ
ックとして組み立てられる。すなわちそれらは第12図の
磁極（166）について示したように、ヨーク中を軸方向
に伸びる摺動凹部内に係合する。磁極巻線はさらに磁極
及びヨークのこのような組立てに先立って定位置に配置
される。

一般的なノイズ及び振動特性を考察すると、本発明は通
常の３相又は４相リラクタンス機械よりも頑丈な構造を
もたらすものである。力の上昇速度は比較的に緩やかで
ある。第13図を再び参照すると、機械の励磁により一対
の駆動力が発生することがわかる。ステータヨークはそ
れ自体、より多くの磁束を扱うため６極ステータ−４極
ロータ型３相機械のそれよりも厚く、かつ堅固なもので
ある。磁極の表面駆動力密度又は正常磁気引力は、この
２相構造においては磁極シューが採用されない３相機械
と比較すれば、磁極シューにより拡張された範囲だけ減
少する。与えられた磁束において実際の全駆動力は同様
に減少する。第16図は小さい磁極表面積A₁を有する原始
的なリラクタンス機械を示すものである。この機械は４
極（251）を有するステータと２極（253）を有するロー
タ（252）が用いられる。第17図は比較的大きい磁極表
面積A₂を有する、さらに別の原始的なリラクタンス機械
を示すものである。これらの機械において半径方向の力
は次のように定義される。

ここにＢは磁束密度、 φは磁束、そしてμ_０は自由空間中の透磁率である。

かくして第16図及び17図の機械を比較すると、磁極面積
A₂が磁極面積A₁の２倍であれば、同一の磁束において第
17図の機械における半径方向の力は、第16図の機械にお
ける同様な力の半分となるであろう。第17図における比
較的長い動作ストロークの使用に基づき、接線方向の力
のピーク値は面積A₂及びA₁の逆比において第16図の構造
のものより小さくなる。動作ストローク中の磁束の全移
動、したがってなされた仕事は第16図及び17図の各構造
を通じて同様であり、その仕事は第17図の構成における
比較的長い弧状範囲の全体において実行される。これら
の利益的な特徴は第17図の構造において要求されるよう
な可飽和層との関連において顕著なものとなる。たとえ
ば角度に伴う磁束の成長が均一であることが要求される
場合には、すでに述べた構造の１つが用いられる。これ
までの図に示したようなポールチップ部における斜辺
は、接線力の制御、特にこの力のロータ角に関する変化
速度の制御のため、好ましく用いられる手段を表してい
る。急激な“スイッチング型”の階段状の力の変化は、
軸角度トランスデューサの制御の下に励磁電流をPWM制
御することによって回避することができる。

大面積のポールチップを用いることにより達成されるさ
らに別の特徴は、この特徴を有しない機械のそれと比較
して、空隙透磁性が向上することである。このようにし
て空隙を横切る同一の起磁力降下について、空隙それ自
体が大きく形成され、対応する機械的許容差の所望の緩
和が達成されるか、あるいは不平衡な力の減少及びこれ
らからもたらされるノイズの減少がもたらされる。

第18図は第５図のトルク−角度曲線を、円弧部分１、1/
2、２及び2/1として示す対向位置モータ起動の異なった
動作部分において示すものである。これらの弧状範囲は
第19図に示されたステータの周辺において指示されたも
のであり、このステータ形状を参照することにより第18
図は最もよく理解される。これらの円弧範囲は先に定義
したとおり、各境界を影厚み線（302）によって示し、
これらのうち一つの範囲から次の範囲への緩徐的移行が
表現されている。第19図の機械はステータ磁極（292）
〜（295）を有するステータ（291）と、ロータが時計方
向に回転する場合において前縁となる部分（297）及び
後縁となる部分（298）を有する一つのロータ磁極（29
6）とを示したものである。磁極の直径中心線は（301）
で示され、この対称中心軸は前縁（297）及び後縁（29
8）間の円周範囲に沿った磁極面の中間を通るものであ
る。ロータ回転を時計方向又は反時計方向のいずれかに
おいて開始させるために必要な種々の起動シーケンスは
第20図の表に掲げられており、それらは更に第21図の展
開図を参照して次の通りに説明される。第20図に関する
限り、用いられるべきシーケンスはその中心線（301）
が位置する円弧範囲において認識されるロータの起動位
置に応じたものとなる。大部分のシーケンスはシーケン
ス表そのものから自明であり、この場合、“ａ＋b"はａ
相及びｂ相を同時に励磁してすでに述べた極縁トルク効
果を利用しようとすることを意味している。また
［“a"］のように括弧表記により指示した相励磁は、ま
ず第一にロータを必要な回転方向の逆方向においてわず
かな間隔だけ移動させることにより基準動作での相順序
における付勢を行う位置にもたらすために必要な手順を
示すものである。この特徴は更に、ロータ磁極（296）
に直径線上で対向するロータ磁極を（306）で示した第2
1図に関する説明において、より詳細に解明される。

第21図（ａ）に示す通りロータ磁極（296）及び（306）
は全ａ相及びｂ相磁極（292）〜（295）と部分的に重な
り合っている。すなわち中心線（301）は時計方向回転
すなわちこの展開図において右方に移動する場合におい
て弧状範囲２内に位置する。ｂ相の通常的な付勢のみで
あればロータを右方に移動しようとする力を生じ、これ
によってロータは駆動力０の位置すなわちそれが完全に
ｂ相と整列する第18図のTa及びTb間の転移点に到達す
る。ロータはこの場合右方への移動を持続するに十分な
モーメントを持っている。ここでｂ相は遮断されａ相が
付勢されて正常なスイッチ駆動型リラクタンスモータの
動作シーケンスが続行される。ロータの反時計方向回転
すなわち第21図における左方への移動はまず最初にａ相
を励磁する位置として示される動作位置から開始され、
次いでｂ相に繋ぐという動作手順によって与えられる。

第21図（ｂ）はロータ磁極がステータ磁極ａ及びａ′に
完全に整列した初期位置すなわち、前縁が第19図におけ
る円弧範囲1/2に位置する状態を示している。ａ相及び
ｂ相は同時に付勢されてロータを右方に移動させようと
する力を発生する。ロータが右方に移動するとき、その
ロータ磁極はｂ及びｂ′相のステータ磁極と重なり始
め、単一相のみの励磁によって確立されるであろう“正
常”リラクタンス駆動力レベルが上昇しはじめる。ａ相
励磁はロータが右方に十分移動するまでは所定のレベル
に維持され、この右方への十分な移動においてｂ相のみ
が励磁されることにより更に右方への移動を補償するた
めの正常リラクタンス駆動力が発生するものである。こ
こでａ相励磁は急激に、また交番的に遮断されることに
よりプログラムに従って減少し、ｂ相の正常リラクラン
ス駆動力の増大条件と整合する。次に、ロータはｂ相の
トルク作用によりｂ相との完全整合位置に移動し、それ
が次の０トルク点を通過してａ相の磁界影響域に入るに
十分なモーメントを追跡する。これによりロータは正常
動作手順における変位を続行する。

第21図（ｃ）に示された第３の配置は、ロータ磁極がま
ずｂ相すなわち磁極ｂ及びｂ′と整列し、磁極前縁が第
19図の弧状範囲2/1に位置する状態を表したものであ
る。この場合、ａ相及びｂ相の同時付勢はロータを右方
に移動しようとする力を発生する。実際に反時計方向の
回転すなわち展開図における左方への移動が要求される
場合には、第21図（ｂ）に関して説明した手順はその実
質的な鏡像関係において実行されるものであるが、逆に
右方への回転が要求されるときは、まず最初にロータを
ａ相との部分整合位置にもたらすことが必要である。ロ
ータが左方に移動するとき、ロータ磁極はステータ磁極
ａ及びａ′と重なりはじめ、ａ相のみの励磁により確立
される。この場合、左向きに作用する正常リラクタンス
駆動力が増大しはじめる。この場合ａ相トルクは第18図
のTaトルク曲線の負トルク部分によって表される。すな
わちこの段階においては逆方向の整合化移動が問題とな
る。第21図（ｂ）に関して説明したと同様にａ相励磁は
再び制御されロータ磁極が部分的にステータのａ及びｂ
両磁極と重なりはじめたとき、急激に遮断されるか又は
減少させられる。しかしながら、ｂ相の継続した励磁は
ロータを減速してその逆方向移動を終了させ、再びそれ
を右方に向かわせる。ロータはここで再び加速されてｂ
相との整列位置に向かって移動する。この移動はロータ
がａ相及びｂ相の逐次付勢による正常動作のための次の
０トルク域を通過するようにロータが十分なモーメント
を有するまで行われる。ロータのこの位置からの起動に
おいては、ロータが十分な速度に加速されてこの方向の
回転を維持するまでに初期段階の左向き移動のためのａ
相励磁を終了させることが重要である。

ロータ移動方向を逆転させるための利益的な配置はロー
タ磁極がステータ磁極ａ及びｂと第21図（ａ）に示すよ
うな半分づつ重なった状態である。第20図に示した残り
のシーケンスは、本質的に第21図に関して説明された三
つの基本的起動シーケンスの変形のみを表すものであ
り、図において直ちに理解されるであろう。

上述したような起動方法の実行においては、常套的な多
相スイッチ型リラクタンスモータにより通常必要とされ
る以上のロータ角度位置情報が必要である。この情報は
少なくともエンコーダ又はレゾルバ出力型の情報を発生
する軸角度トランスデューサによって得ることができ
る。選択的にロータ位置は相電流及び電圧の値から計算
することによっても検出される。この構成は角度トラン
スデューサを必要としないという点において特に有利で
ある。モータ駆動システムに関連する論理手段により装
置化されたソフトウエアには必要な推論的関数が導入さ
れる。場合によっては幾つかのコンピュータ施設又は情
報がロータ位置に基づく角度の起動方式の選択的実行の
ために要求されるため、ロータ位置を推論するために必
要な余分のソフトウエアは本発明を具体化した駆動シス
テムのコスト低下においてそれほど顕著な効果を発揮し
ないものである。

第22図は負荷（312）を駆動するリラクタンスモータ（3
11）のための駆動システムを示すものである。任意の軸
角度位置センサ（313）は同じく任意のセンサインター
フェイス（314）に角度信号を提供し、このインターフ
ェイス（314）は基準波形発生器（315）に一つの入力を
供給する。この基準波形発生器は更にモータを制御する
ためのセットレベル、すなわち要求入力を有する。波形
発生器（315）からは所望の電流レベル信号が出力さ
れ、それは電流制御器（316）においてPWM電力変換器
（317）に向かうゲート信号を発生する。変換器からの
帰還信号は実際の電流が所望の電流を至近範囲において
追従するようにするものである。センサシステム（31
3）、（314）は前述したようなロータ位置を確定するた
めの推定構造と置換することができる。

第23図はステータ磁極（271）、（272）、（273）及び
（274）並びにロータ（275）を有するリラクタンス機械
のステータ巻線（276）、（277）、（278）及び（279）
の接続構成を示すものである。ａ相巻線（276）及び（2
78）と、ｂ相巻線（277）及び（279）はそれぞれ並列接
続され、これによって磁束変化の度合は同一相の各極に
おいて同一となり、ロータに作用する半径方向の力はこ
れによって平衡することとなる。

本発明は従来の多くのリラクタンスモータよりも固有ノ
イズ特性及び振動特性の低い比較的単純な構造のシング
ルスタック位相モータを提供するものである。このモー
タは本発明に関連する“リラクタンスモータ用電源装
置”と題した同日出願において記載された４個以上のメ
インスイッチ装置を必要としない電源手段と共用するこ
とにより、特に経済的な駆動システムを提供するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を含む２相リラクタンス機械であ
って、その特徴を図解するために特にステータ及びロー
タの極面領域を幾分図式化して示した端面図、第２図は
第１図のリラクタンス機械の一部である単一のステータ
磁極及び協同ロータ磁極を説明の便宜上分離して示す略
図、第３図は第１及び第２図と実質的に同様な機械の部
分展開図、第４図は第３図の構造におけるロータの極縁
領域とステータとの重なり合いを詳細に示す拡大図、第
５図は第１〜４図に示したような２相機械の相トルク対
ロータ角度特性であって、本発明の特徴である２相同時
付勢により得られた極縁トルク、及び本発明によるリラ
クタンス機械の自己起動の理解に供するための特性曲線
図、第６図は２相励磁式の理想的な磁気直線性を有する
２相リラクタンス機械を示す端面図、第７図はやはり２
相励磁式であって第６図とともに本発明の原理を説明す
るために描かれたロータ磁束制限域を有する２相リラク
タンス機械の同様な端面図、第８図は同じく本発明の原
理を示す更に別の機械形状を示す展開図、第９図は第３
及び４図並びに第８図と同様なリラクタンス機械の展開
図であって、本発明の原理を含む選択的な実施例を示す
図、第10図（ａ）〜（ｆ）は本発明の原理を含む更に別
の種々の変形例を第３、４並びに８及び９図と同様な部
分展開図形式において示す図、第11図は第３及び４図の
外面構成を具体化した構造を示す展開図、第12図は本発
明に従って構成された４極モータであって、ロータの低
密度鉄層が交互配置されたロータ成層体中のパンチ孔に
よって形成されたものを示す端面図、第13図は磁極に近
接した比較的小さい一連の孔を左右にずらして打ち抜い
たことにより形成された低密度部分を有するロータ成層
体を示す図、第14図は同様にずらして打ち抜かれたもの
ではあるが、各孔のサイズを大きくしたロータ成層体の
選択的な形状を示す平面図、第15図は本発明の原理を含
む８極ステーター４極ロータ型２相自己起動式リラクタ
ンスモータを示す端面図、第16図は磁極面積が小さい理
想化及び単純化したリラクタンスモータの端面図、第17
図は磁極面積が大きい同様の単純化リラクタンス機械の
端面図、第18図はロータ動作における種々の円弧範囲を
明示して第５図のトルク対ロータ角度特性を再現した特
性曲線図、第19図は成形されたステータ成層体と関連す
るロータ磁極成層体の磁極部分を示すものであって、ス
テータ成層体の外周に沿って第18図に指示した円弧範囲
を付した端面図、第20図は各場合において第18及び19図
に示した種々の動作円弧範囲に含まれた固定位置から所
望の特定方向におけるロータ回転を開始させるために必
要な相励磁シーケンスを示すフローチャート、第21図
（ａ）〜（ｃ）はステータ磁極に関する種々のロータ起
動位置を示す部分展開図、第22図は本発明に従って構成
されたモータを含む可変リラクタンスモータの駆動シス
テムを示すブロック線図、第23図は本発明の原理を含む
リラクタンス機械において均等な磁束を生ずるように考
慮された巻線接続構成を略示する線図である。（21）……ステータ（22）……ロータ（23）……シャフト挿通用中心開口（24）〜（27）……ステータ磁極（28）、（29）……極縁（ポールチップ）（31）〜（34）……巻線（37）……低密度鉄層（38）……高透磁率表面層（41）、（42）……ロータ磁極（51）……ヨーク（52）……磁極の腰部（53）……磁極面（54）……巻線空間

フロントページの続き (72)発明者ジエリマイアービイ、オードワイアーアイルランド共和国、キルデアーカウンテイ、ナス、セイントヨセフスロード（番地なし) (56)参考文献特開昭49−119107（ＪＰ，Ａ) 実公昭10−15365（ＪＰ，Ｙ１) 米国特許3956678（ＵＳ，Ａ) 米国特許3678352（ＵＳ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】I.4又はその整数倍の突極型駆動磁極（24
〜27）を有する固定子（21）としての駆動部材と、 II.各駆動磁極（24〜27）に交互に支持された第１相巻
線（31、33）及び第２相巻線（32、34）からなり、第１
相巻線（31、33）を支持した駆動磁極（24、26）と第２
相巻線（32、34）を支持した駆動磁極（25、27）が順次
隣接するようにした磁化巻線と、 III.前記駆動磁極数の半数からなる複数の可動磁極（3
5、36）を有する可動部材（22）を備え、（ａ）前記駆動磁極（24〜27）と可動磁極（35、36）
の相対移動方向における各駆動磁極の極面領域（53）の
範囲は、前記駆動磁極におけるヨーク部（51）と前記極
面領域（53）との間に位置する腰部（52）の前記相対移
動方向の範囲より大きくしてあり、（ｂ）各可動磁極（35、36）は極面領域（38）と磁極
飽和領域（37）を有し、（ｃ）前記可動磁極の磁気飽和領域（37）は前記駆動
部材の磁化巻線（31〜34）の付勢により生じた起磁力の
大部分を分担するものであり、さらに、（ｄ）各可動磁極（35、36）の前記磁気飽和領域（3
7）は同極の他の領域より鉄の分布密度を小さくするこ
とによって形成されたものであり、（ｉ）前記駆動磁極と可動磁極の相対移動方向における
各駆動磁極の極面領域（38）の範囲は前記駆動磁極（24
〜27）のピッチに近い長さを有することにより、各駆動
磁極における各極縁部（28、29）が前記駆動磁極と可動
磁極の相対移動の方向において、隣接した駆動磁極の極
縁部（28、29）から隔たって位置するとともに、それら
隣接した駆動極磁極同士の極縁部間隔における最小部の
寸法が前記相対移動方向における前記駆動磁極の極面領
域の範囲に比較して短くなっており、（ii）各可動磁極（35、36）の前記磁気飽和領域（37）
が前記相対移動方向における前記可動磁極の実質上全範
囲にわたって延びるものであり、さらに、（iii）前記相対移動方向における各可動磁極（35、3
6）の範囲が前記相対移動方向における駆動磁極の極面
領域（53）の範囲に関連付けられ、これによって駆動磁
極（24〜27）と整列した可動磁極（35、36）の各極縁部
（41、42）が前記整列した駆動磁極の極縁部（28、29）
及びこの整列した駆動磁極に隣接した駆動磁極の極縁部
（29、28）の双方に近接して位置し、これによって前記
第１相及び第２相が同時に付勢されたとき、前記可動磁
極の極縁部（41、42）を通る外縁磁束の磁路を提供し、
この場合において、前記外縁磁束が反対極性の駆動磁極
の極縁部に近接した可動磁極の極縁部に対して比較的強
く作用し、同一極性の駆動磁極の極縁部に近接した可動
磁極の極縁部に対して比較的弱くしか作用しないように
したことを特徴とする２相可変リラクタンスモータ。
【請求項２】I.4又はその整数倍の突極型ステータ磁極
（24〜27）を有するステータ（21）と、 II.各ステータ磁極（24〜27）に交互に支持された第１
相巻線（31、33）及び第２相巻線（32、34）からなり、
第１相巻線を支持したステータ磁極（24、26）と第２相
巻線を支持したステータ磁極（25、27）が順次隣接する
ようにした磁化巻線と、 III.複数の前記ステータ磁極数の半数からなる複数のロ
ータ磁極（35、36）を有するロータ22を備え、（ａ）各ステータ磁極（24〜27）の極面領域（53）の
弧状範囲は、前記ステータ磁極（24〜27）におけるヨー
ク部（51）と前記極面領域（53）との間に位置する腰部
（52）の弧状範囲より大きくしてあり、（ｂ）各ロータ磁極（35、36）は極面領域（38）と磁
極飽和領域（37）を有し、（ｃ）前記各ロータ磁極の磁気飽和領域（37）は前記
ステータ部材（21）の磁化巻線の付勢により生じた起磁
力の大部分を分担するものであり、さらに、（ｄ）前記各ロータ磁極の前記磁気飽和領域（37）は
同極の他の領域より鉄の分布密度を小さくすることによ
って形成されたものであり、（ｉ）各ステータ磁極（24〜27）の極面領域（53）の弧
状範囲は前記ステータ磁極（24〜27）のピッチに近い長
さを有することにより、各ステータ磁極における各極縁
部（28、29）が円周方向において、隣接したステータ磁
極の極縁部（29、28）から隔たって位置するとともに、
それら隣接ステータ磁極同士の円周方向の極縁部間隔に
おける最小部の寸法が前記ステータ磁極の極面領域（5
3）の弧状範囲に比較して短くなっており、（ii）各ロータ磁極（35、36）の前記磁気飽和領域（3
7）が前記ロータ磁極の実質的な全弧状範囲にわたって
円周方向に延びるものであり、さらに、（iii）前記各ロータ磁極（35、36）の弧状範囲が前記
ステータ磁極（24〜28）の極面領域（53）の弧状範囲に
関連付けられ、これによってステータ磁極（24〜27）と
整列したロータ磁極（35、36）の各極縁部（41、42）が
前記整列したステータ磁極（24〜27）の極縁部（28、2
9）及びこの整列したステータ磁極に隣接したステータ
磁極の極縁部（29、28）の双方に近接して位置し、これ
によって前記第１相及び第２相が同時に付勢されたと
き、前記ロータ磁極（35、36）の極縁部（41、42）を通
る外縁磁束の磁路を提供し、この場合において、前記外
縁磁束が反対極性のステータ磁極の極縁部に近接したロ
ータ磁極の極縁部に対して比較的強く作用し、同一極性
のステータ磁極の極縁部に近接したロータ磁極の極縁部
に対して比較的弱くしか作用しないようにしたことを特
徴とする２相可変リラクタンスモータ。
【請求項３】前記ロータ（162）が複数の成層体（191）
を含み、前記純鉄よりも強磁性体密度の小さい各ロータ
磁極の飽和領域（164）が前記成層体の開口部（198）に
より形成されることを特徴とする特許請求の範囲第
（２）項記載のモータ。
【請求項４】前記ロータ極面領域の各々における少なく
とも一部（195）が高透磁率を有することを特徴とする
特許請求の範囲第（２）ないし（３）項のいずれか１項
に記載のモータ。
【請求項５】各ロータ磁極の少なくとも前記極縁部（18
1、182）がその磁極の他の部分に比して高透磁率を有す
ることを特徴とする特許請求の範囲第（４）項記載のモ
ータ。
【請求項６】各ロータ磁極が実質上連続した強磁性体の
極面層（178）を有することを特徴とする特許請求の範
囲第（２）ないし（５）項のいずれか１項に記載のモー
タ。
【請求項７】前記ロータの極面領域（38）の各々がステ
ータ磁極の極ピッチを上回る弧状範囲を有し、このロー
タ極面の弧状範囲が前記ステータ極面領域の弧状範囲と
一定の関連を有することにより、前記ステータ磁極と整
列したロータ磁極の各極縁部が前記整列したステータ磁
極に隣接したステータ磁極の極縁部と実質的に整列する
ようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第（２）な
いし（６）項のいずれか１項に記載のモータ。
【請求項８】前記極縁部が前記腰部を越えて円周方向に
突出していることを特徴とする特許請求の範囲第（２）
ないし（７）項のいずれか１項に記載のモータ。
【請求項９】前記第１相の磁化巻線（31、33）のすべて
及び、前記第２相の磁化巻線（32、34）のすべてをそれ
ぞれ各相内において並列接続されたことを特徴とする特
許請求の範囲第（１）ないし（８）項のいずれか１項に
記載のモータ。
【請求項１０】特許請求の範囲第（１）ないし（９）項
のいずれかに記載したモータを含む駆動装置。
【請求項１１】前記磁化巻線を付勢するとともに、ロー
タの起動時における停止位置及び所望の回転方向に応じ
て、複数の起動シーケンスの選択された１つを開始させ
るための制御手段を含むことを特徴とする特許請求の範
囲第（２）ないし（９）項のいずれかに記載したモータ
を含む駆動装置。
【請求項１２】前記制御手段がモータの付勢時に現出す
る相電流及び電圧の値からロータ位置を推定し、これに
よって前記起動シーケンスの選択された１つを開始させ
るものであることを特徴とする特許請求の範囲第（11）
項記載の駆動装置。
【請求項１３】前記駆動装置がさらに前記ロータ位置を
指示する信号を発生するためのセンサー手段313を含
み、前記制御手段が前記ロータ位置信号に応答して前記
起動シーケンスの前記選択された１つを開始させるもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第（11）項記載
の駆動装置。