JPS6040264B2 - 反発電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は反発電動機に関するものである。

さらに詳細にいえば、固定子と回転子のいずれにも巻線
を有する反発電動機に関するものである。本発明の機械
はほぼ英国特許出願１７４１２／７３号に記載された構
造を有するが、電圧または電流の制御の目的で回転子の
位置が定められ回転子がその位置におかれるのではなく
固定子の１つまたは複数個の巻線に電力を印加するのに
応答して回転子を移動させるという点で異なる。本発明
の機械は従釆の電気モータの形の分布巻線をもった溝を
備えた成層固定子と、外部への接続のない短絡巻線を備
えた成層回転子を有している。

この構造はかご形モータの構造と概略的には同じである
が、違いは回転子短絡回路の配置にある。本発明により
、付勢されて交番あるいは反転磁束を発生するように配
置された固定子巻線を収納するスロットを有する積層固
定子と、その固定子に対して可動な積層可動子であって
外部への接続のない連続した短絡ループを有し可動子を
通る磁束路が短絡ループの面に平行となってループと磁
束の鎖交を生じない「零」位置を形成する可動子とを含
み、可動子が「零」位置から変位するとループに電流が
流れて可動子をループと付勢された固定子巻線との結合
がなくなってループに誘導される電流が流れなくなりこ
れによりェネルギ損失が最少となる「零」位置に復帰さ
せる力を発生する単相または多相反発電動機が得られる
。

２極形式では、この電動機は回転子短絡回路ループが平
行磁束経路をつくるように構成された単相電動機であっ
てもよく、または交番磁束の通過する面が正三角形をつ
くるような３相電動機であってもよい。

２極よりも多い極をもつ電動機に対しては、経略は適当
な数の辺をもつ幾何学的図形をつくる。

例えば、単相４極電動機に対しては正方形であり、３相
４極電動機に対しては６角形である、等である。本電動
機の最も簡単な単相形では、固定子は１つの巻線を有し
ていて２極磁界をつくり、そしてこの１つの固定子巻線
は交流電源により付勢される。

生じた磁束によって回転子は、回転子短総巻線がこの磁
束と鎖交しない位置におかれる。もし回転子がこの「零
」位置から変位したならば、回転子巻線に電流が流れて
回転子を「零」位置に復元させる力を生ずる。「零」位
置からの最大変位は９びであって、その位置では回転子
短絡巻線は１次固定子巻線と密に結合する。この最大位
置を上死点位置という。この位置から回転子はいずれか
の方向に回転することができる。この上死点位置では、
理論的にはトルクはゼロであるが、回転子がいずれかの
方向に少しでも動くとトルクは急速に増加する。同様に
「零」位置では、また回転子が変位する迄はトルクはゼ
。である。したがって、もし固定子巻線が付勢されてい
ないときに回転子を「零」位置から変位させる負荷ある
し、はばねが設けられるならば、この電動機は必要な相
対力による９００ までの角度変位に対する回転ソレ／
ィドとして動く。同様に等価３相２極構造の場合には、
もし相巻線が付勢されるならば、回転子は「零」位置を
とろうとし、一方回転子が上死点位置に向って変位する
時には復元力は最大に増加するであろう。したがって、
３相構造は６０ｏ の角度変位まで使用可能である。本
発明の別の実施例では、２個の固定子巻線は直角位相に
配置され、付勢される１つの固定子巻線についての回転
子の「零」位置は、その付勢されている固定子巻線のコ
イル軸に対し回転子軸が９００である時である。

他の固定子巻線が付勢されると回転子は９０ｏ回転しよ
うとするであろう。したがって、この電動機は固定子巻
線の一方または他方を付勢することにより、負荷を９０
ｏに近い角度だけいずれかの方向に動かす２重作用回転
ソレノィドを形成する。等価な３相構造に対しては、３
つの固定子巻線が付勢された時に「零」位置が達成され
、一方他の３つの巻線が付勢されると３相２極構造に対
し回転子を６０ｏ変位させようとする。もし２重作用電
動機の両方の固定子巻線が付勢されるならば、回転子は
「零」位置と上死点位置の中間の位置をとろうとするで
あろう。

本発明の別の実施例において、付勢されていない２重作
用電動機の固定子巻線は短絡され、それによって自己整
列トルクは大幅に増加する。

本発明のなお別の実施例では、９００（単相）および６
び（３相）以上の角度変位をうるために３個あるいはそ
れ以上の固定子巻線が設けられ、回転子のステッピング
を行なうためにこれらの巻線は次々の切替えられる。自
己整列トルクを増すために、付勢されていない巻線は逆
極整に接続される。本発明の別の実施例では、必要な時
には何れの方向にも回転子を角度変位させるために、こ
の電動機は、適当な巻線を順次付勢することにより、単
相または３相ステップモータとして動作することができ
る。

本発明を具体的に回転電動機に関して記述してきたけれ
ども、単相ソレノィドおよびステップモータの動作原理
はこれらに等価な線型電動機にも同様に応用することが
できる。

第１図は単相２極電動機の回転子１の概略図である。

この回転子は軸２を有していて、そのまわりに回転する
ことができ、そして３個の短絡ループＡ，Ｂ，Ｃの巻線
を有している。この短絡ループＡ，Ｂ，Ｃが平行な磁路
をつくるように配置される場合、交番磁束は回転子の鉄
心をループの平面に平行な平面内で通ることができ、そ
の時には磁束は短絡巻線と鎖交しないが、ループの面に
垂直な平面内の磁束成分は１個または複数個の短絡巻線
と鎖交しなくてはならない。したがって、これらの巻線
に譲導された電流は交番磁束の通過を妨げ、そして交番
磁束は打消される。したがって、固定子巻線の譲導リア
クタンスは回転子巻線と固定子巻線の結合度により回転
子位置と共に変る。さらに、交番磁束は回転子を特定平
面内でのみ通りうるから、このような回転子構造を有す
る電動機内の磁束分布は回転子位置と共に変って、異な
る固定子巻線において誘導結合を変えることができる。
最終的には、回転子巻線に誘導される電流は、回転子巻
線と鎖交する磁束を小さくするまたはなくする位置に回
転子１を動かそうとする力を生ずるであろう第２図は３
相２極電動機に対する等価な回転子巻線の配置の概略を
示している。

この図の線日は成層回転子の溝の中にある一組の導体を
表し、それらは結ばれて相ごとに一連の軸万向の並列ル
ープをつくる。回転子の一端においてこれら導体は共通
の端リングＪに接続されているが、しかしこれらの導体
は一般にＫで示されているように接続される。このよう
な構造は３個の磁極面Ｘ，ＹおよびＺをつくり、その結
果交流磁束を通す面はこれらの磁極面と交わる正三角形
をつくる。第３ａ図および第３ｂ図は本発明による機械
の最も簡単な単相２極電動機の巻線図である。

固定子３は１つの巻線Ｄ，ＤＩを有しており、この巻線
は第３ａ図に示された位置において回転子１を通る磁束
を水平方向に向けるであろう。回転子１が図示された位
置にある時、短絡ループＥ，ＥＩは水平面内にあり、そ
のコイル軸Ｘは垂直である。したがって、単一の固定子
巻線Ｄ，ＤＩによってつくられた磁束は回転子短絡巻線
Ｅ，ＥＩの面に平行な面に沿って回転子１を通り、巻線
Ｅ，ＥＩとは鎖交しない。したがって、この磁束は固定
子巻線Ｄ，ＤＩに最大の逆起電力を生じ、そのリアクタ
ンスは最大である。したがって、単一の固定子巻線○，
ＤＩが交流電源によって付勢される時、生じた磁束は回
転子１を第３ａ図に示された位置に保持しようとするで
あろう。この位置では磁束は回転子短絡巻線Ｅ，ＥＩと
鎖交しない。もし回転子が第３ａ図に示された「零」位
置から回転した場合に、回転子巻線Ｅ，ＥＩに電流が流
れ、その結果回転子１を「零」位置に戻そうとする力が
生ずるであろう。回転子１の最大角度変位は第３ｂ図に
示されたように９００である。この位置では回転子コイ
ルの軸と固定子コイルの軸が一致し、回転子短絡巻線Ｅ
，ＥＩは固定子巻線Ｄ，ＤＩと密に結合する。この位置
から回転子はいずれの方向にも動くことができる。第３
ｂ図に示す位置は上死点位置であって、そこではトルク
は理論的にはゼロであるけれども何か変位が生ずればト
ルクは急激に増加する。第３ａ図に示された位置におい
てもまた回転子１が角度変位しない限りトルクはない。
したがって第３ａ図、第３ｂ図の構造は、固定子巻線が
付勢されていないときに回転子をｒ零」位置から変位さ
せるような負荷またはばねが設けられるならば、必要な
相対的な力により９０ｏまでの角度変位に対する回転ソ
レノィドとして働く。

回転ソレノィドの等価３相構造は第３ｃ図および第３ｄ
図に示されている。固定子３は３相巻線Ｆ１，Ｆ２，Ｆ
３をそなえていて、この巻線は各々円周上約１２０ｏの
円弧にわたって施こされる。第３ｃ図において、巻線Ｆ
１，Ｆ２，Ｆ３によってつくられた磁束は回転子短絡巻
線ＧＩ，Ｇ２，Ｇ３と鎖交することなく回転子１を通過
する。一方、回転子が６０ｏだけ回転して第３ｄ図に示
された位置にくると、磁束の相互錯交は最大になり、そ
してリアクタンスは最小になる。したがって相巻線Ｆ１
，Ｆ２，Ｆ３が付勢されると、回転子は第３ｃ図に示さ
れた位置、すなわち「零」位置に戻ろうとするであろう
。一方、復元力は回転子１が第３ｄ図に示された上死点
位置に向って角変位する時最大になるよう増大するであ
ろう。したがって、この３相構造は６０ｏまでの角変位
に対して用いることができる。これまでの巻線図はすべ
て２極電動機に対するもので、もし必要ならば、より小
さい角度変位に対して等価な多極電動機すなわち２極よ
りも多い極をもつものを構成することができることは理
解されよう。

本発明の原理を用いた機械は、第４ａ図に示されている
ように、直角位相において２個の固定子巻線Ｌ， Ｌ１
，；Ｍ，ＭＩを備えることによって、２重作用ソレノィ
ドとして用いることができる。固定子巻線Ｌ，ＬＩが付
勢されていると、回転子１は回転子コイル軸×が巻線Ｌ
，ＬＩのコイル軸に垂直である「零」位置にある。固定
子巻線Ｍ，ＭＩが付勢されると、回転子１は９００回転
して、回転子コイル軸がＭ，ＭＩの軸に垂直になろうと
するであろう。したがって、この構造は２重作用回転ソ
レノィドを形成し、固定子巻線の一方または他方を付勢
することにより、負荷を約９００の角度だけいずれかの
方向に動かすことができる。この電動機は９０ｏ以下の
角度に対する２重作用回転ソレノィドアクチュェータと
して働く。例えば、ロータリスィッチの遠隔動作のため
に用いられる。等価３相横造が第４ｂ図に示されている
。

この図では回転子は相巻線Ｎ２，０２，Ｐ２の初期付勢
に対し「零」位置にある。他の３相巻線Ｎ１，０１，Ｐ
Ｉが付勢されると、２極構造に対して回転子１を６０ｏ
変位させるであろう。もし巻線の両方の絹Ｎ１，０１，
ＰＩ；Ｎ２，０２，Ｐ２が付勢されるならば、回転子１
は２つの「零」位置の中間の位置をとろうとするである
つ。

自己整列トルクを増すために、第４ａ図の２重作用ソレ
ノィドの固定子巻線は第５ａ図に示されているように短
絡されている。

回転子が「零」位置から第５ｂ図に示されているような
位置に変位するならば、電流が短絡固定子巻線に誘導さ
れるであろう。制御押ボタンまたはスイッチＳＩ，Ｓ２
は回路の中で電源および巻線Ｌ，ＬＩ；Ｍ，ＭＩと接続
される。スイッチＳ２を押すと巻線Ｍ，ＭＩは巻線Ｌ，
ＬＩを短絡したまま電源に接続される。およびこの逆も
同様である。したがって、電流は短絡された巻線Ｌ，
ＬＩに誘導されるであろう。第５ｂ図において、回転子
は固定子巻線Ｍ，ＭＩと鎖交する固定子巻線Ｌ，ＬＩか
らの磁束を示す中間位置にあって、回転子１の短絡巻線
Ｅ，ＥＩを通して循環電流が流れる。回転子が「雲Ｊ位
置から変位すれば、この電動機は出願中の英国特許出願
第１７４１２／７３号に記述されているように可変変圧
器として動作するから、電流が回転子短絡ループと及び
固定子短総巻線に誘導されるであろう。この効果は「零
」位置から電気角で４５ｏ までの範囲において回転子
を零位置に復元しようとするような方向および位相関係
にあるであろう。この接続は適当な外部スイッチによっ
て形成することができるが、最も効率のよいのは回転子
位置による自動的スイッチングによって得られる。

この原理は第５ａ′図に示されている。この図は直角位
相にある固定子巻線ａおよびｂを有する単相２極２重作
用電動機を示している。簡単のために固定子は省略され
ているが、これらの巻線の磁束軸はそれぞれ又，ｙで示
されている。回転子１は付勢されている固定子巻線ａに
対し「零」位置にある。回転子軸２はカム４のような適
当なスイッチ装置を有しており、この菱層はもし回転子
１が「零」位置の４５ｏ以内にあるならば接触子５を閉
じる。これにより、巻線ｂが押ボタン６を押すことによ
って付勢されるまで、巻線ｂを短絡する。この場合に、
回転子１は（図示された１′隻象限の中でのみ回転でき
るように機械的制限が設けられているとして）磁束軸ｂ
と一致するように回転するであろう。所望の位置に達し
た時、接触子５が関きそして接触子７が閉じて固定子巻
線ａを短絡する。押ボタン８は巻線ａおよび接触子７と
直列に接続される。等価３相構造は、第４ｂ図の３相構
造において相Ｎ１，０１，ＰＩをれぞれ短絡し、相Ｎ２
，０２，Ｐ２を付勢することによっておよびその逆によ
って得られる。

９ぴ（単相）または６０ｏ（３相）以上の角変位が要求
される場合には、３個またはそれ以上の固定子巻線を備
えた本発明の電動機が用いられる。

単相２極構造を示す第６ａ図において、３個の２極固定
子巻線Ｑ，Ｒ，Ｓは６００の間隔をもち、これらの巻線
は外部プログラムにより、あるいはまた回転子１の回転
によって作動するスイッチ（図示されていない）により
自動的に、順次に切替えられる。第６ａ図では回転子１
は固定子巻線Ｑが付勢されている場合の「零Ｊ位置にあ
る。もし巻線Ｒが付勢されると、回転子は６００だけ回
転するであろう。巻線Ｓが付勢されるならば、回転子は
さらに６０ｏ回転するであろう。中間位置を含めた漸進
回転は、例えば、適当なスイッチ順序により固定子巻線
ＲおよびＱ，Ｒ，ＲおよびＳ、そしてＳと順次に付勢す
ることにより得られる。また、第６ａ図の３つの固定子
巻線Ｑ，Ｒ，Ｓに対し第６ｂ図に示されているように、
付勢されていない２つの巻線を逆に接続することにより
、自己整列トルクを増すことができる。

押ボタンスイッチＳＩ，Ｓ２，Ｓ３を適当に作動するこ
とにより、１つの巻線が付勢されそして残りの２つの巻
線は逆に接続される。スイッチＳＩの作動によって巻線
Ｑが付勢されると、同じ電圧が巻線ＱおよびＲに譲導さ
れるであろう。したがって、巻線Ｑに対し「零」位置に
ある回転子１には電流は流れない。けれどももし回転子
１が変位しているならば、１つの巻線に譲導された電圧
は降下しそして他の巻線に譲導された電圧は増加し、こ
れによって循環電流が流れるであろう。このことは回転
子を「零」位置に復元しようとする力が増すという効果
をもつであろう。さらに詳細な回路は第６ｂ′図に示さ
れている。この図は互いに６０ｏの角度をなす３つの固
定子巻線を有する単相２極電動機に対する代表的な構造
が示されている。図を単純にするために固定子は省略さ
れているが、固定子巻線ａ，ｂおよびｃに対する磁束軸
はそれぞれｘ，ｙ，ｚで示されている。この回転子位置
は固定子巻線ａが付勢されている時の「零」位置である
。軸２を通して回転子１に取付けられているカム４は、
回転子が「零」位置から特定の変位内にある限りそして
押ボタン９または１０のいずれも押れてし、ない限り、
接触子５を閉じて固定子巻線ｂおよびｃを逆方向に接続
する。カムが制御する他の接触子６は、押ボタン８と直
列に接続され、そしてさらにカムが制御する接触子７は
押ボタン９と接続される。第６ａ図を参照すれ‘ま、固
定子１が「零」位置にあるとき巻線ａによって巻線ｂお
よびｃに謙導される電圧は等しく、したがって電流は流
れないことは明らかであろう。もし回転子１を左または
右に電気角で約３００変位させると、一方の巻線の電圧
が増加しそして他方の巻線の電圧が降下し、そして電流
が流れて回転子１を零位置に戻そうとする力が増す。も
し第６ｂ図の単相構造に対するように各相が切替えられ
るならば、同じ原理が等価３相構造にも適用される。こ
れまで記述してきた電動機は部分回転角変位を必要とす
るけれども、同じ原理は単相構造または少なくとも相ご
とに３巻線をもつ３相構造の可逆ステップモータをつく
るのに適用できることがわかるであろう。外部スイッチ
により適当な巻線を順次に付勢することにより、回転子
を要求されるいずれの方向にも回転させることができる
であろう。さらに単相ソレノイドおよびステップモータ
の原理は回転機械ばかりでなく線型電動機にも同様に適
用することができる。

第７図には第４ａ図の２重作用ソレノィド実施例の変形
である線型構造に対する巻線の概略図が示されている。
この図のＡは固定子を表し、Ｂは回転子すなわち可動子
を表す。回転子Ｂの短絡巻線Ｃは、回転子Ｂが固定子Ａ
に対し特定の位置にない限り、それらおよび１個または
複数個の固定子巻線１，１′；２，２′の間に相互結合
があるように配置される。第７図の構造は、回転子Ｂが
左に少し移動すると固定子巻線２，２′と回転子短絡巻
線Ｃの間の結合が完全になくなる位置に回転子Ｂがある
場合を示している。点線は、つくられた磁束が回転子巻
線Ｃに電流を誘導することなく、いかに固定子Ａから出
てそれに戻るかを示している。さらに、もし固定子巻線
１，１′が巻線２，２′に代って付勢されるならば、回
転子巻線Ｃとの磁束の鎖交は最大に達するであろう。こ
のことは、このような磁束の鎖交が最小になるまで、第
７図において回転子Ｂを右に動かすであろう。巻線１，
１′だけのときには、この電動機は１重作用線型ソレノ
ィドとして機能し、一方２つの固定子巻線１，１′；２
，２′があるときには、それは２重作用ソレノィドとし
て機能する。３個またはそれ以上の固定子巻線を用いれ
ばステップ作用がえられる。

設計における主要な因子が可動部分の慣性を最小にする
ことである場合には、前記回転電動機および線型電動機
のいずれにおいても、回転子短絡巻線は固定子と、付勢
固定子巻線を有することが可能な固定された磁性部材と
の間の空隙に収容することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の単相２極電動機の回転子巻線と回転子
の立体概略図を示し、第２図は第１図と等価な３相２極
の回転子巻線の概略図を示し、第３ａ図は１つの固定子
巻線を有しそして回転子が「零」位置にある場合の本発
明の単相２極電動機の巻線図を示し、第３ｂ図は第３ａ
図と同じであるが、しかし回転子が上死点位置に変位し
ている巻線図を示し、第３ｃ図および第紅図はそれぞれ
第３ａ図、第３ｂ図の等価３相巻線図を示し、第４ａ図
は直角位相に２つの固定子巻線を有しそして１つの巻線
が付勢されて回転子が「零Ｊ位置にある単相電動機の巻
線図を示し、第４ｂ図は第４ａ図の等価３相巻線図を示
し、第５ａ図は、自己整列トルクを増すために、付勢さ
れていない固定子巻線を短絡した２重作用ソレノィドの
ための代表的な接続回路図を示し、第５ｂ図は回転子が
「零」位置から中間位置に変位している場合の短絡固定
子巻線を有する電動機の巻線図を示し、第５ａ′図は直
角位相に接続された一対の固定子巻線を有する単相２極
電動機の概略図を示し、第６ａ図は３つの２極固定子巻
線を有しそして自己整列トルクを増すために付勢されて
いない巻線が逆に接続された単相電動機に対する巻線図
を示し、第６ｂ図は第６ａ図に対する固定子巻線に対す
る代表的な接続回路図を示し、第６ｂ′図は３つの固定
子巻線を有する単相２極電動機の概略図を示し、第７図
は第４ａ図に示された回転電動機と等価の線型電動機の
巻線図を示す。 ３（第７図Ａ）・・・・・・固定子、Ｄ，Ｄ１，Ｆ１，
Ｆ２，Ｆ３（第７図１，１′，２，２′）・・・・・・
固定子巻線、１（第７図Ｂ）……可動子、Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｅ，Ｂ１，ＧＩ，Ｇ２，Ｇ３（第７図Ｃ）…・・・可動
子巻線、５，６，７，８，９，１０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３
・・・…スイッチ装置。 内蟹Ｚ のを２ のる．３ｏ 内蟹．３り 内攻３ｃ 岬蟹３０ 内汐４ｏ 内珍物 内多ぶｏ のむ．瓦ｏ′ 多．タり 界そるｏ 内攻．の′ のそろり のり．ク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 付勢されて交番あるいは反転磁束を発生するように
   配置された固定子巻線を収納するスロツトを有する積層
   固定子と、前記固定子に対して可動な積層可動子であつ
   て外部への接続のない連続した短絡ループを有し前記可
   動子を通る磁束路が前記ループの面に平行となつて該ル
   ープと磁束の鎖交を生じない「零」位置を形成する可動
   子とを含み、前記可動子が「零」位置から変位すると前
   記ループに電流が流れて前記可動子を、前記ループと付
   勢された前記固定子巻線との結合がなくなつて前記ルー
   プに誘導される電流が流れなくなりこれによりエネルギ
   損失が最少となる前記「零」位置に復帰させる力を発生
   する単相または多相反発電動機。