JPS61203847A - 可変リラクタンスモ−タを含む電気駆動装置 - Google Patents

可変リラクタンスモ−タを含む電気駆動装置

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JPS61203847A
JPS61203847A JP61007787A JP778786A JPS61203847A JP S61203847 A JPS61203847 A JP S61203847A JP 61007787 A JP61007787 A JP 61007787A JP 778786 A JP778786 A JP 778786A JP S61203847 A JPS61203847 A JP S61203847A
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magnetic
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stator
poles
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    • H02P1/16Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
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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】 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)のけ路を形成する
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  
Transactions  。
n  Magnetic、Vol、Mag−8,No、
l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I EF、E年鑑No、
509MA923−3においてジョン ブイ、バーニー
及びウィリアム ジエイ、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198
0年1月発行のIEEE  Proc、、Vo l、1
27.Pt、B、No、1においてウィリアム ジエイ
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” (MA意)と屈する論文等がある。
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画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
ように形成しである。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譬
上均−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。何種類かの構成においてステータの磁極面積は腰部
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ii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まで正確にいえる
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am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l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P ’L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39566
78号においては2相リラククンスモータノステムが記
載されており、これはl相当たり90″の動作ストロー
クを各100’の円弧範囲にわたるロータiff I4
面を形成することにより達せられ、比較的一般的な形態
のステータ磁陽面は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M1pi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近影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、磁気飽和はステーク磁極とロータ磁
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(リーディングエツ
ジ) @I域を形成するものである。この領域がステー
ク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。この磁束制限領域はそ
れがステーク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骨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
は掘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
ィリップス リサーチ ラボラトリーズ+7)J、C,
コンブタによる論文1マイクロプロセツサ制御型単相リ
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。このコンブタにより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ンサにより実
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フ駆動装置を提供
することである0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%IzTl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
リラククンスモータを用いた電気駆動ノステムを提供す
ることである0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0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掻または4掻の整数倍であり
、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ステ
ータ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被駆動磁極を有し、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被駆動磁極と間の相対移動方
向において、被駆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
前記駆動磁極及び非駆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N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種部範囲に
比して短(なる、各被駆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
、これによって被駆動部材における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。各被駆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
範囲の極面領域ををする。これにより駆動磁極と整列し
た被駆動磁極の掻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
記被駆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!!磁束は、反対極性の
駆動磁極の極縁部に近接する被駆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
近接する被駆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
駆動部れるロータは、前記ステー・夕磁極数の半数のロ
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極面領域のそれと円周
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で
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した起磁力の大部分が前記
磁気飽和領域を横切るようにする。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被駆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
被駆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
被駆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
開口用の809A未満において表面部(シェー)を支持
している。
前記の飽和領域は強磁性体密度を低下したローフ磁極領
域により形成することができる。好ましい実施例におい
て前記強磁性体密度を低下した領域は、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密度制限の目的は、ステータ巻
線の起磁力(smf)の大部分がこの飽和領域を横切っ
て発生す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M
l相の磁化巻線のすべては並列接続され、同しく前記第
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 、?j[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I旨示信号
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方同電流によって付勢され、各巻線の付勢期間
及びの電流の大きさは、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
トウェア又はハードウェ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l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
ロータ移動を通し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
一ター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。一相は磁極(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0巻線(3))及び(33)は一
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)は中心軸取付は用開口(23)とロータ磁極(3
5)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、多相電気構造に頬僚
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(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vA掻(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である。
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)で示す各極縁端(ポールチップ)
領域を有する。これらのボールチップは第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橿構造の場合、最小のギャップにより9
0’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。ボールチップ
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
Tl11掻面の面積は、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Apyはその腰部におけ
る磁極断面積Aw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Awにより実際上制限されるた
め、延長された磁極シエー(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
 overlap)のみに従い、励磁電流レベルとは実
質的に無関係である0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。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、鉄密度は磁極面に近接した制限層(
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i![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a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)における強磁性体密度は実質的な磁極重複
を通し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
(3日)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ツ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突出している。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!ff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
接ボールチップ間の外縁磁束はロータの高進磁率表面層
(3日)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、ステータボー
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i3磁率極面部(38)の縁端におけるロータボー
ルチップ(42)が、ステータ磁極の隣接したボールチ
ップ(28)及び(29)の直下に位置するような重複
ボ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ボー
ルチップ(42)は、隣接したステータボールチップ間
の空間を実質的に架橋して、2m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、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
より発生したトルクは、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。
Ac トルク6C1g )” ×− dθ 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。ボールチップ領域の
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T
a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子a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(35)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、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
言わばトルクブリフ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0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相すラクタンス機械は、ステータ(6
1)及びロータ(62)を備え、無限大の透磁率を有す
る鉄から構成されたものとする。ステータは参照数字f
il、 +21. +3)及び(4)で示す4掻構造で
あり、ロータは参照数字(68)及び(69)で示す2
8i構造である。a相はステータの磁極fi+及び(3
)を横切って確立され、これらのステータ磁極巻線(6
3)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&Iで示す通り軸対称である。
ステータ磁極のボ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(6日)及び(69)がa
相の磁極fl+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0両相が同時に
励磁されるときは何らの存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0図におい
て、文字′Fmはイタリック表記である。b相において
磁極(4)は十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十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
間を横切るように措かれた外縁磁束(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殿械を示す
ものである。この機械はステータ(71)及びロータ(
72)を有する。この場合、ロータ(72)は無限大の
透磁率を有するものではなく、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、
その橋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ill及び(3)をそれぞれ磁
位十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、同じ磁位十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+21は磁位−Fとなり
、磁極(4)は磁位十Fとなる。したがってこの構造に
おいては、第7図に磁陽(78)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0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
ステータに間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間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
橿(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)を存す
る。かくして磁極(81)及び(82)にはそれぞれ(
9))及び(92)で示すステータボールチップが形成
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。しがしな
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1ttsはステータ磁極に対向する極
面において薄い高進磁率シュー、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Ji Sff域(88)が形成される。
この飽和は低密度鉄層(86)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直喚される。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i!1限饋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1! (89)が、この場
合極縁すなわちボ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
示されたボールチップトルク効果は、第1ないし4図の
構造と類(以の態様において、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ボールチップ間においてロータ磁
極の橿&!領域を通し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
磁極のエツ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ボールチップ領域に
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図は本発明のりラフ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)ををし、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
テータボールチップ(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ンユー(109)を有する。シ
ュー(+09)  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図にしめすようにス
テータ磁極(101)  と整列し、ロータボールチッ
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。この種面層の直下、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9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して、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1θ図(a)〜(f)にはロータ磁極のさらに別の構
造が多(の変形例を連ねて図示されている。たとえば低
密度領域はボ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1θ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(1
22a)により、ロータが(125a)により、そして
ロータ磁極が(126a)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ツジ領域
(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(133a)及び(13
4a)は磁極の高i!i磁率領域を形成している。ステ
ータボールチップ(13)a)及び(132a)から出
入りして、ボールチップ(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1O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(13
4b)が磁極(121b)及び(123b)のポールチ
ップ(13)b)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。ロータボールチップ(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)のボールチップ(13)c)及び(
132c)の両側部と整列するようになっている。第1
0 (d)図は可飽和層(129d)の範囲がロータボ
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ボールチッ
プ(13)d)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Φ
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(s)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ボ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)!磁束がその面積Ac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!!磁束に関する力は次式で表されることになる。
Fll  ”1.0  (mmF)d φ/dxここに
F8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 Fx  ”1/2  (gsF)d φ/dxかくして
前者の式は力の大きさに関する限り、比較的存利な関係
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、低密度鉄含育物質から
なるものであるが、第1θ図(「)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0
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(144)を有する。成形されたステー
タボールチップは、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Ji (149)によ
り形成される。ロータのボールチップは(153)及び
(154)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(14B)の透
磁率を連続(無空)II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、ボ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極ステ一タ機械
を示すものである。ステータ(161)はステータ磁極
(164)、 (165) 、 (166)及び(16
7)を有する。aN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0巻線(171)及び(173
)はa層を励磁すぺ(付勢され、巻線(172)及び(
174)はb層を励磁すべく付勢される。ロータ(16
2) 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(+75)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存する。したがって各ロータ
磁極の最外側表面層(17B)は、高められた透磁率を
有する磁極領域となっている。ロータボールチップ(1
81)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(1
6B)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(134)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(184)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0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掻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l形式を与えるもの
である。この図に示す通り、成層体(19))  はロ
ータ構造をロータシャツに取り付け、かつキー化めする
ための中心開口(192)を有する。
成層体の各ロータ磁極域(193)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、成層体ブリフジ部分と切欠き
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頬位の態様で形成され
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(19))〜(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(21
8)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(21B)は狭幅部分(221)の存在により低密
度領域の左端かられ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)には再び均一な生密度鉄
層が形成される。
第15図は8極ステ一ター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(23))はa
lli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(238)を貫通するシャフトに取り付けら
れる。ロータ(234)は4橿(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(2
36) 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(23
9)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(、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存す
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(16
6)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9て定位置に配置される。
一般的に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相すラクタンス機械、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極ステ一ター
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ェーが採用されない3相
機械と比・較すれば、磁極シエ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AI 
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(2
53)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A、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。
B”  A           φ!   l半径方
向カー□=□− 2μ。    2μ。 A ここにBは磁束密度、 φは磁束、 そしてμ。は自由空間中のi3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A!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1
7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A!及びAI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ボールチップ部における斜
辺は、接線力の制御n、特にこの力のロータ角に関する
変化速度の制御きため、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1の階段状の力の変化
は、軸角度トランスデユーサの制御の下に励磁電流をp
 W M ”III m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における緩
和が要求されるか、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要求される。
第18図は第5図のトルク−角度曲線を、円弧部分l、
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のおいて指
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@(292)〜(295)を有するステータ(2
9))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(29B)
を有する一つのロータ磁極(296)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(29B)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tJ21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’l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21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)は全一相及び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34(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、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フの動作
手順が続行される。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(6)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[9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−相のみの励磁によって確立されるであろう
1正常゛リラクタンス駆動力レベルが上昇しはしめる。
a相励磁はロータが右方に十分移動するものは所定のレ
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
タ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mtib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aoと重なりはしめ、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
増大しはしめる。この場合a相トルクは第18図のTa
  )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O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
向の回転を維持害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pia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ユーサによって得ることができる
0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
デユ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
化されたソフトウェ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
な余分のソフトウェ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(3)2)を駆動するリラクタンスモー
タ(3)1)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(3)3)は同じく任意のセン
サインターフェイス(3)4)に角度信号を提供し、こ
のインターフエイス(3)4)は基準波形発生器(3)
5)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(3)5)からは所望の電流
レベル信号が出力され、それはt流制御器(3)6)に
おいてPWM電力変換器(3)7)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(3)3)、(3)4)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)、(2
73)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*(276)、(277
)、(27B)及び(279)の接続構成を示すもので
ある。a相巻線(276)及び(278)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種において同一
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フよりも固有ノ
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“リラクタンスモーフ用型S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相す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緑
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線トルク、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相す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詳細な説明す
るために描かれたロータ磁束制限域を有する2相すラク
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)〜<X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、答礼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極ステ一ター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フの
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面wA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1
8図に措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
タ磁極に間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)、
、、、、極線(ボールチンプ) (3))〜(34)、、、、、I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) 、 、 、 、 、巻線空間特許出願人 コ
ルモーゲン テクノロジイズコーボレイシッン 代  理  人  新  実  健  部  (外  
l  名)第3図    欠 第4図 第 6 図 第 7 図 コルモープ゛ン アグノロジ°イ入゛コー庄・1インヨ
ン第10図(?L) 3)色 第10図CC) 25d 第101:l (f) z5f 第12図 第15vi!J 第20図 第27図(a) 第21図(b) 第21図(C)

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)4又はその整数倍の突極型駆動磁極を有する固定
    子としての駆動部材を備え、各駆動磁極に第1相巻線又
    は第2相巻線からなる磁化巻線を装備して、前記駆動磁
    極が交互に異なった相の巻線を支持するようにしたこと
    により、第1相巻線を支持した各駆動磁極に隣接する駆
    動磁極が第2相巻線を支持するとともに、第2相巻線を
    支持した各磁極に隣接した駆動磁極が第1相巻線を支持
    するようにし、前記駆動部材に関連して複数の前記駆動
    磁極数の半数からなる複数の可動又は被駆動磁極を有す
    る可動子としての駆動部材を設け、各駆動磁極には前記
    駆動磁極と被駆動磁極との相対移動方向において前記駆
    動磁極のピッチに近い円周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各極縁部が隣接する駆動磁
    極の対向した極縁部から前記駆動及び被駆動磁極の相対
    移動方向に分離して位置するようにし、前記極縁部の最
    小の分離間隔は、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して短くし、各被駆動磁極が前
    記相対移動方向に延びてモータ動作中における磁路を制
    限するための磁気飽和領域を有するようにしたことによ
    り、駆動部材の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を横切って存在するようにし、
    さらに各被駆動磁極が前記駆動磁極の極面領域の範囲に
    関連する前記相対移動方向の範囲にわたる極面領域を有
    することにより、駆動磁極と整列した被駆動磁極の各極
    縁部が前記整列した駆動磁極の極縁部及び前記整列した
    駆動磁極に隣接する駆動磁極のそれに対向した極縁部の
    双方に近接して、前記第1及び第2の相の同時付勢にお
    いて、被駆動磁極の前記極縁部を通る外縁磁束の磁路を
    形成し、前記外縁磁束が反対極性の駆動磁極の極縁部に
    近接した被駆動磁極の極縁部に対して比較的強力となり
    、同一極性の駆動磁極の極縁部に近接した被駆動磁極の
    極縁部に対して比較的弱い力しか及ぼさないようにした
    ことを特徴とする2相可変リラクタンスモータ。
  2. (2)4又はその整数倍の突極型ステータ磁極と、各ス
    テータ磁極に装備された第1相巻線又は第2相巻線から
    なる磁化巻線とを具えたことにより、ステータ磁極が交
    互に異なった相の相巻線を有し、前記ステータ磁極にお
    いて第1相巻線を支持した各ステータ磁極に隣接するス
    テータ磁極の各々は、第2相巻線を支持し、第2相巻線
    を支持した各磁極に隣接するステータ磁極の各々は、第
    1相巻線を支持するようにしたものであり、前記ステー
    タ磁極に駆動されるべく設けられたロータにはステータ
    磁極数の半数のロータ磁極を有し、各ステータ磁極がそ
    のステータ磁極ピッチに近い弧状範囲にわたる極面領域
    を有することにより、各ステータ磁極の各極縁が隣接し
    てステータ磁極の1つの極縁部から円周方向に隔たって
    位置するようにし、その極縁部における最小の円周間隔
    を、ステータの極面領域の弧状範囲に比して短くし、さ
    らにロータ磁極にはモータ動作中における磁路を制限す
    る円周方向に伸びた飽和領域を有することにより、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
    記飽和領域を横切って存在するようにし、さらに各ロー
    タ磁極はステータ磁極面の弧状範囲に関連する弧状範囲
    にわたる極面領域を有するようにしたことにより、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
    たステータ磁極の極縁部及びその磁極に隣接するステー
    タ磁極の円周方向に対向した極縁部の双方に近接して位
    置するようにし、その結果、前記第1及び第2相の同時
    付勢において、前記ロータ磁極の極縁部を通る外縁磁束
    の磁路を形成し、前記外縁磁束が逆極性の隣接ステータ
    磁極の極縁部に対向近接したロータ極縁部に対して比較
    的強力に作用し、同一極性のステータ磁極の極縁部に対
    向近接したモータ極縁部に対して比較的弱く作用するよ
    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
  3. (3)前記飽和領域が強磁性体密度を減少させたロータ
    磁極の領域からな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。
  4. (4)前記磁性体密度減少領域がロータ成層体の部分的
    開口により形成されることを特徴とする特許請求の範囲
    第(3)項記載のモータ。
  5. (5)前記ロータ極面領域の各々における少なくとも一
    部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(4)項のいずれか1項に記載のモータ
  6. (6)前記高透磁率部分の各々が各ロータ極面領域の実
    質上連続した極面層からなることを特徴とする特許請求
    の範囲第(5)項記載のモータ。
  7. (7)前記ロータの極面領域の各々がステータ磁極の各
    極ピッチを上回る弧状範囲を有する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。
  8. (8)各ロータ磁極が腰部を有し、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。
  9. (9)前記第1相の磁化巻線のすべて及び、前記第2相
    の磁化巻線のすべて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。
  10. (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。
  11. (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。
  12. (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。
  13. (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。
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