JPH09156U - 励磁切換式リラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固定子を構成する積層板の中央部からくり抜
かれた板材から回転子を構成する積層板が作れる構造で
あって磁束の流れが好ましい励磁切換式リラクタンスモ
ータを得る。 【解決手段】 ヨークより半径方向内向きに延在する４
個の均等に隔置された歯を有し中央孔を郭定する固定子
と、固定子の中央孔内に納められ中心軸線より半径方向
外方へ延在する３個の均等に隔置された歯を有し該歯の
先端が固定子の歯の内端に近接して配置される回転子
と、固定子の中央孔内に磁界を発生させて回転子を回転
させるべく固定子の歯に組合された固定子巻線とを有
し、固定子の歯の各々の内端の幅は互いに隣接する固定
子の歯の内端間の幅に実質的に等しく、回転子の歯の各
々の外端の幅は固定子の歯の内端の隣接するものどうし
の間の幅に近いがそれより小さい励磁切換式リラクタン
スモータ。

Description

【考案の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】 本考案はリラクタンスモータ、一層詳細には改良された励磁切換式リラクタン スモータの構造に係る。 【０００２】 【考案の背景】 励磁切換式リラクタンスモータは、主として構造が簡単であり且つパワー密度 が高い（出力パワー対重量比が大きい）という理由で過去１０ないし１５年にわ たり関心を寄せられている。これらのモータは二重突極モータであり、回転子及 び固定子の双方に歯を有し、また固定子極にのみ相巻線を設けられている。 【０００３】 非常に小さいモータ（５０Ｗ以下）を例外として、たいていの励磁切換式リラ クタンスモータは、励磁切換式リラクタンスモータの鉄損が同一サイズの通常の モータの鉄損よりも数倍大きいので、２０００ｒｐｍ以下で作動するように設計 されている。この理由から、通常、励磁切換式リラクタンスモータは低速度での 応用に最も適しているとされている。もちろん、空気冷却圧縮機電動機のような いくつかの応用では、はるかに高い速度、例えば６０００ｒｐｍで作動すること が必要とされる。 【０００４】 より大きいパワーレベル用の初期の励磁切換式リラクタンスモータは固定子に ６個の極を、また回転子に８個の極を有していた。これらのモータへの電力供給 のために必要とされるパワースイッチの数を減ずるべく、その後の設計はパワー スイッチの数が少なくてすみ且つ始動トルクが改善される８／６構造（８個の固 定子極及び６個の回転子極）を採用してきた。 【０００５】 従来のモータの鉄損を制限するため、固定子の起磁力の方向は、回転子内の起 磁力の方向が回転子の一回転あたり一回しか変化しないように選定された。この 場合、回転子極の数に比例する高い周波数の磁束変化は固定子極と回転子極のエ ッジとでのみ現れる。その結果として、固定子ヨーク及び回転子鉄心内の鉄損は 、若干のトルク不平衡を犠牲にして、減ぜられた。より重要なのは、このような 構造に於ける磁束バイパスに起因する固定子極内の損失である。このバイパス磁 束は反対方向にトルクを生じ、またバイパス起磁力は次の相が励磁される時に確 立されるべき主磁束と反対の方向を有する。以前のモータの固定子極内のこの起 磁力方向の変化は磁束変動の範囲を大きくし、また固定子極内の鉄損の増大に通 じた。 【０００６】 渦電流及びヒステリシスによる通常の損失に加えて、鉄損は回転子及び固定子 の打抜きに通常使用される方法によっても影響を及ぼされる。通常のモータの積 層板の打抜きは下記のように行われる。最初に固定子及び回転子スロットが打抜 かれ、次いで回転子積層板が固定子積層板が打抜かれる。その結果として、固定 子歯及び回転子歯の双方は鋭く直角をなしている。 【０００７】 明らかに、現在までの励磁切換式リラクタンスモータの積層板は同一の仕方で 製造されてきた。その結果として、固定子及び回転子の極又は歯は鋭い直角をな すコーナーを有する。励磁切換式リラクタンスモータは極あたりただ一つの歯を 有するので、また歯と極との間の吸引力に基づいて作動するので、固定子及び回 転子極のアラインメントの前後に各種のコーナーに非常に強い磁束集中が生じ、 その結果として鉄損が増大する。他方に於いて、これらのコーナーを丸めるため には、積層板打抜きの新しい方法が必要となる。 【０００８】 さらに、通常のモータに現在使用されている打抜き方法は、正確な回転子直径 を得るのに、回転子表面の仕上げ機械加工を必要とする。この機械加工は、例え ば積層板を互いに保持するために行われる溶接の際に、回転子積層板のいくつか に於ける短絡の原因となる。誘導電動機内の回転子磁束の周波数は低いけれども 、この製造方法及びその結果としての積層板の短絡は全損失の数％の大きさの追 加的な損失を惹起する。励磁切換式リラクタンスモータでは、正確な回転子直径 を得るのに必要な機械加工は回転子磁束変動の周波数変化により全損失をかなり 増大させる。 【０００９】 最後に、回転子が最大磁気リラクタンスの位置にある時の大きい漏れ磁束が回 転子及び固定子表面に対して垂直な磁束線を生ずる。直角な極は磁束線を一層長 くし、さらに鉄損を増大させる。 【００１０】 上記の理由から、現在までに使用されている励磁切換式リラクタンスモータの ほとんどは、通常のモータの積層板の厚みよりも薄い０．０１４″（０．０３６ ｃｍ）の厚みの高品質の積層板を有する。さらに、起磁力の強い変化により惹起 される振動を減ずるため、本考案の、励磁切換式リラクタンスモータは接着剤に より互いに接着された回転子積層板組立体を有する。 【００１１】 回転子極の数の減少は、より高い速度で作動する励磁切換式リラクタンスモー タを設計するのに有利である。しかし、従来の回転子構造では、回転子極の数を ４個よりも少なくすることは実現可能でない。４個の極の場合でも、モータ軸に 対する積層板スタック内の開口が存在し回転子鉄心の有効断面積を減少するので 、磁束密度（従ってまた損失）は高い。 【００１２】 例えば、もし磁束密度が回転子鉄心内の受容可能なレベルに保たれるならば、 励磁切換式リラクタンスモータのなかの３極回転子は通常の軸のための室を有し ていない。同時に、回転子極が奇数であるので、回転子に及ぼされる不平衡な半 径方向の力は非常に大きく且つ不平衡であり、通常よりも大きい軸を必要とする 。これらの非常に強い一方向の半径方向の力は特別に剛固な回転子構造を必要と する。 【００１３】 【考案の概要】 本考案の目的及び特徴のなかで第一にあげるべきことは、高い速度、高い馬力 及び受容可能な鉄損を有する励磁切換式リラクタンスモータを提供することであ る。 【００１４】 本考案の他の目的は、減ぜられた数の回転子極を有する前記のようなモータを 提供することである。 【００１５】 本考案の第三の目的は、回転子内の減ぜられた磁束バイパスを有する前記のよ うなモータを提供することである。 【００１６】 本考案の第四の目的は、最小の有効磁束通路を有する前記のようなモータを提 供することである。 【００１７】 本考案の第五の目的は、損失が減ぜられている改良された固定子及び回転子積 層板を提供することである。 【００１８】 本考案の他の目的及び特徴は以下の説明から一部は自ずから明らかとなり、ま た一部は指摘されよう。 【００１９】 要約すると、本考案の励磁切換式リラクタンスモータは回転子が内部で回転し 得るように中央孔を有する固定子を含んでいる。固定子は、中央孔を郭定するべ く固定子のヨークから半径方向に内方に延びている４個の等間隔の歯を有する。 固定子の中央孔の内部で回転する回転子組立体として、固定子の歯のすぐ近くで 終端するべくモータの中心軸線から半径方向に外方に延びている三つの歯を有す る回転子組立体が設けられている。固定子の歯に巻かれている固定子巻線が、回 転子組立体を回転させるため中央孔の内部に磁界を発生する。 【００２０】 【好ましい実施例の説明】 本考案の励磁切換式リラクタンスモータ１１（図１）は４極固定子１３を含ん でおり、その４個の歯は固定子ヨークから半径方向に内方に延びて中心孔を郭定 しており、その内部に３極回転子１５が回転可能に適当に取付けられている。回 転子１５の回転の軸線は後で説明するようにテンションロッド１７により郭定さ れている。相巻線１９は矢印２１により示されている方向に起磁力を生じさせる べく図示されている極性で固定子１３の各極又は歯の周りに巻かれている。固定 子１３の歯はその周縁に等間隔に配置されており、また歯の間の間隙は、固定子 の中心孔のところで測って、歯自体の幅よりわずかに大きい。 【００２１】 回転子１５の歯は同じくその周縁に等間隔に配置されている。回転子１５の歯 の幅は、損失を最小化するように、固定子の中心孔のところで測って、固定子の 歯の幅とほぼ同一である。回転子歯の幅も、図７の説明から明らかにされる理由 で、隣接する固定子歯の間の間隙よりもわずかに小さい。回転子及び固定子の双 方の歯は、磁束集中及び損失を最小化するべく、図１に最もよく示されているよ うに、丸められている。 【００２２】 モータ１１のなかで、図２に最もよく示されているように、磁束線は可能なか ぎり短く、また固定子ヨーク及び極のなかの起磁力は常に同一の方向を有する。 相の間の起磁力は常に加わり合う。なぜならば、向かい合う極の二つが回転子中 心に向かう起磁力を有し、また他の二つの極では起磁力は線２１により示されて いるように回転子から固定子へ向かう方向を有するからである。この磁気回路は コア損失の実質的な減少を可能にする。 【００２３】 モータ１１用のコンバータ回路が図２Ａに示されている。このコンバータは例 えば３１５Ｖのフィルタされた直流電圧を供給され、また４個の電力用トランジ スタ又はその類似物ＳＷ１ないしＳＷ４の組の適当な順次動作を通じて固定子巻 線１９（ここでは参照符号１９Ａないし１９Ｄを付されている）に電力を供給す る。コンバータは電圧分割の役割をする一対のキャパシターＣ１及びＣ３を含ん でいる。各巻線はそれと組み合わせてその巻線と供給線との間に接続されている フライバックダイオードＤ１ないしＤ４を有する。 【００２４】 このコンバータ配置は、それぞれの相巻線を適当な時点で励磁するべく制御回 路（図示せず）により通常の仕方で制御されている４個のスイッチング要素のみ により作動するという利点を有する。６０００ｒｐｍまで又はそれ以上で作動し 得るモータの速度範囲全体を通じて巻線を通る電流値を制限するために、チョッ ピング技術が使用されている。 【００２５】 もし磁束密度が回転子コア内の受容可能なレベルに保たれるならば、回転子１ ５は通常の軸のための室を有していない。また、回転子極が奇数（三つ）である ので、回転子に及ぼされる不平衡な半径方向の力は非常に大きい。従って、特別 に剛固な回転子構造が必要とされる。 【００２６】 これらの必要条件は、後で図７で説明するように最終外径に打ち抜かれた回転 子積層板のスタック２５（図３及び図４）を掴み、それらを互いに同一の一対の 端クランプ２７で締め合わせることにより達成される。端クランプは回転子中心 を通じて比較的薄い高品質のテンションロッド３１により互いに保持されている 。両端でテンションロッド３１はより大きい直径のモータ軸３３（図４参照）に ねじ込まれている。図４中に３１Ａで示されているように、テンションロッド３ １は中空であってよい。さらに、回転子軸３３にねじ込まれる代わりに、テンシ ョンロッドは適当な接着剤により軸に接着されていてよい。 【００２７】 端クランプは図５及び図５Ａ中に示されているように非磁性のステンレス鋼か ら、又は図６及び図６Ａ中に参照符号２７Ａを付して示されているように鋳造ア ルミニウムから製造されている。端クランプの実施例の各々は、積層板のスタッ クに圧力を与えるため、回転子積層板の歯のすぐ上に配置可能なそれぞれ三つの 脚３５及び３５Ａを含んでいる。脚は下方に、クランプに及ぼされる圧力が回転 子積層板スタックに伝達されるように、端クランプのボディの下に延びている。 端クランプは全ての回転子温度及び条件のもとに回転子積層板に十分な軸線方向 圧力を保証するのに十分に弾性的であることのみを必要とする。 【００２８】 回転子組立の順序は図３に最もよく示されている。テンションロッド３１（両 端にねじを切られている）が最初にモータ軸３３にねじ込まれる。次いで平衡円 板３７、端クランプ２９、回転子積層板のスタック２５、第二の端クランプ２７ 及び第二の平衡円板３９が次々とテンションロッドに積み重ねられる。組立体は 次いで一時的にナット４１により終端される。このナットは同時に、後で一対の モータ端シールド４５のなかに取付けられる一対のモータ軸受４３（図４）の一 つのなかに入る非駆動モータ軸をなす。 【００２９】 ホルダー４７（図３）の使用により、組立体が持ち上げられ、またテンション ロッド３１の他端が安定な支え４９のなかにねじ込まれる。それに続いて、回転 子積層板が互いに１２０°ずらされた三つの二プロング加工（そのうちの一つの みが示されている）により押し下げられる。工具の上側プロング５３は主圧力を 及ぼし、また下側プロング５５は単に積層板を、それらが上側端クランプ２７の 運動に追随するように押す。 【００３０】 積層板が十分に締め合わされた後、工具５７がナット４１を締め、従ってナッ ト４１は図３中に破線により示されている初期位置から実線により示されている 最終位置へ移動する。この締め合わせプロセスにより積層板が完成され、また組 立体がホルダー４７の使用により支え４９から外される。 【００３１】 回転子締め合わせ過程の前に、モータ軸３３の二つの端はテンションロッド３ １を受け入れるべくドリル及びねじ切り加工のみをされている。それらの最終機 械加工は締め合わせサイクルの完了後にのみなされる。これは次の二つの理由で なされる。締め合わせの間は、軸受と雌雄結合する軸外面が損傷され得る。第二 に、回転子軸の同心性を保証するべく締め合わせ過程の間に許容差を保つことが 可能でない。 【００３２】 回転子製造の最終過程は回転子の平衡から成っている。この理由で、回転子外 径よりも多少小さい外径を有する平衡円板３７及び３９が使用される。平衡は、 平衡円板から必要な材料を除去することにより自動的に達成される。 【００３３】 代替的に、もし図６及び図６Ａのアルミニウム端クランプ２７Ａが使用される ならば、最初の回転子不平衡は図５及び図５Ａの端クランプ２７を使用する場合 よりも小さい。その場合には、平衡円板は回転子構造から全て省略され得る。そ の場合の微細平衡は、アルミニウム端クランプを通じて孔６１（図６Ａ）のよう な必要な孔をドリル加工することにより行なわれる。 【００３４】 もちろん、上記の構造を励磁切換式リラクタンスモータに応用するものとして 説明してきたが、このような構造が励磁切換式リラクタンスモータへの応用に制 限されないことは理解されよう。 【００３５】 モータ１１の回転子及び固定子積層板の打抜き方法が図７及び図７Ａに示され ている。図７に示されているように、参照符号１５Ａを付されている回転子積層 板及びその中心孔１９Ａの打抜きは固定子積層板１３Ａの打抜きに対して中心が ずらされている。その結果、回転子積層板１５Ａの歯の一つは固定子積層板の歯 の二つの間の間隙からとられている。（この間隙は、図面をわかり易くするため 、図１中のそれにくらべて拡大されている。）この配置は、従来の打抜き配置と 対照的に、回転子及び固定子歯が図１中に最もよく示されているように丸められ たコーナーを有するものとして打抜かれることを可能にする。 【００３６】 単一の金属片から回転子及び固定子の双方を打抜く四つの段階（図７中のａ〜 ｄ）は段階ａで回転子孔１９Ａを打抜くことから出発する、回転子孔１９Ａは位 置決め孔７１に対して中心がずらされている。次ぎに回転子積層板が、図１中に 最もよく示されているように、一連のノッチ７３に沿って打抜かれる。第三の段 階では固定子積層板１３Ａの内部形状７５が打抜かれる。また第四の段階では固 定子積層板の周縁７７が打抜かれ、それにより仕上がり固定子積層板が得られる 。 【００３７】 以上に説明した方法及び構造から、いくつかの利点が得られる。第一に、回転 子鉄損を受容可能なレベルに減ずるべく３極回転子内に十分な断面積が得られる 。３極回転子は固定子ヨーク及び極内の磁束周波数を減ずることにより固定子損 失を減じ、しかもなお十分な始動トルクを生ずる。第二に、これらの方法による 回転子積層板はそれらの仕上がり外径に打抜かれ、従って従来の製造の際に行わ れた機械加工の必要をなくす。このことは鉄損の他の原因である回転子積層板の 短絡をなくす。第三に、回転子及び固定子極は丸められた極を有するものとして 打抜かれるので、極のコーナーに於ける磁束の集中をなくし、鉄損を一層減ずる 。最後に、回転子積層板は積層板に振動防止接着剤を施す必要がないように密に 締め合わされる。 【００３８】 以上の説明から本考案の種々の目的及び特徴が達成され、また他の有利な結果 が得られることは理解されよう。また以上に於ては本考案を特定の好ましい実施 例について説明してきたが、本考案はこれらの実施例に限定されるものではなく 、本考案の範囲内にて種々の実施例が可能であることは当業者にとって明らかで あろう。

【図面の簡単な説明】 【図１】図１は本考案に従って製造されたモータの概要
図である。 【図２】図２は図１と類似の概要図であるが、縮小され
た尺度で、図１のモータのなかの起磁力及び磁束の方向
を示す図であり、図２Ａは図１のモータ用のコンバータ
回路の回路図である。 【図３】図３は図１のモータの構造を示す簡単化された
立面図である。 【図４】図４は図１のモータを、図面をわかり易くする
ため、部分的に切欠いて示す立面図である。 【図５】図５は図１のモータ中に使用される端クランプ
の底面図であり、図５Ａは図５の端クランプを、図面を
わかり易くするため、部分的に切欠いて示す側立面図で
ある。 【図６】図６は図１のモータ中に使用される端クランプ
の第二の実施例の底面図であり、図６Ａは図６中の線６
Ａ−６Ａに沿う断面図である。 【図７】図７は図１のモータの回転子及び固定子積層板
の打抜きパターンの概要図であり、図７Ａは図１のモー
タの回転子及び固定子積層板を打ち抜く過程を示す図で
ある。 【符号の説明】 １１…励磁切換式リラクタンスモータ １３…固定子 １５…回転子 １７…テンションロッド １９…固定子巻線 ２５…スタック ２７，２９…端クランプ ３１…テンションロッド ３３…回転子軸 ３５…脚 ３７，３９…平衡円板 ４１…ナット ４３…モータ軸受 ４５…モータ端シールド ４７…ホルダー ４９…支え ５１…工具 ５３…上側プロング ５５…下側プロング ６１…孔 ７１…位置決め孔 ７３…ノッチ ７５…内部形状 ７７…周縁 Ｃ１〜Ｃ３…キャパシタ Ｄ１〜Ｄ４…フライバックダイオード

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １．ヨークと該ヨークより半径方向内向きに延在する４
   個の均等に隔置された歯とを有し、該歯の先端にて回転
   子を受け入れる中央孔を郭定する固定子と、 前記固定子の前記中央孔内に納められ、中心軸線より半
   径方向外方へ延在する３個の均等に隔置された歯を有
   し、該歯の先端が前記固定子の歯の先端に近接して配置
   される回転子と、 前記中央孔内に磁界を発生させて前記回転子を回転させ
   るべく前記固定子の歯に組合された固定子巻線とを有
   し、 前記固定子の歯の各々の前記中央孔を郭定する先端の幅
   は互いに隣接する固定子の歯の該先端間の幅に実質的に
   等しく、前記回転子の歯の各々の半径方向外端の幅は前
   記固定子の歯の先端の隣接するものどうしの間の幅に近
   いがそれより小さいことを特徴とする励磁切換式リラク
   タンスモータ。 ２．前記固定子及び前記回転子の歯の前記先端は角が丸
   められていることを特徴とする実用新案登録請求の範囲
   第１項の励磁切換式リラクタンスモータ。 ３．前記回転子は積層板のスタックと該すスタックを押
   合わせる方向に圧縮する手段とを有することを特徴とす
   る実用新案登録請求の範囲第１項の励磁切換式リラクタ
   ンスモータ。 ４．前記圧縮手段の一部は前記積層板のスタックを軸線
   方向に貫通して延在するテンションロッドであることを
   特徴とする実用新案登録請求の範囲第３項の励磁切換式
   リラクタンスモータ。 ５．前記圧縮手段の他の一部は前記積層板のスタックの
   両側にあって前記テンションロッドに締付けられた軸部
   材であることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第４
   項の励磁切換式リラクタンスモータ。 ６．前記テンションロッドの横断面積は前記軸部材の横
   断面積に比して実質的に小さいことを特徴とする実用新
   案登録請求の範囲第５項の励磁切換式リラクタンスモー
   タ。