JPS62250899A - 磁気抵抗モ−タ - Google Patents

磁気抵抗モ−タ

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JPS62250899A
JPS62250899A JP9018486A JP9018486A JPS62250899A JP S62250899 A JPS62250899 A JP S62250899A JP 9018486 A JP9018486 A JP 9018486A JP 9018486 A JP9018486 A JP 9018486A JP S62250899 A JPS62250899 A JP S62250899A
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JP
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winding
rotor
switching means
capacitor
current
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JP9018486A
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ジョン・カズマン
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POORUSUTAA MAGUNETORONIKUSU IN
POORUSUTAA MAGUNETORONIKUSU Inc
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POORUSUTAA MAGUNETORONIKUSU IN
POORUSUTAA MAGUNETORONIKUSU Inc
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  • Control Of Stepping Motors (AREA)

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】 〔発明の分野〕 本発明は磁気抵抗原理に基づいて動作する電動機すなわ
ちモータにかかわり、ここでの磁気抵抗原理という用語
は、変化する電磁界が固定子によって発生され、そして
回転子の連続的回転を作り出すように、その角度的位置
がその変化する電磁界により累進的に変えられる最小の
磁気抵抗位置に向った電磁界内で通常では巻かれていな
い強磁性回転子の極が移動するモータに関連して広い意
味において使用されている。
原理的に、回転子及び固定子の機能は交換できるけれど
も、実際には、電磁界が固定子によって作り出されるの
がより望ましく、それによりスリップリングすなわち整
流子に対する必要性を除外することができ、そしてこの
配列は以下の記載及び特許請求の範囲において取られて
いる。回転子の分極は磁気抵抗モータにおいて普通に実
施されているように固定子電磁界により軟質の磁気材料
において誘導されるか、或いは、その回転子種が大抵の
進歩モータ及び多くの形式の無ブラシ直流モータにおけ
るようにその回転子に含まれる永久磁石により恒久的に
分極されても良い。
〔発明の背景〕
大抵のモータには、慣例的に、固定子巻線及び回転子巻
線が設けられており、多(の誘導電動機においてさえ、
その回転子巻線は“かご形”へと簡略化され、その回転
子を励磁するのを整流子すなわちスリップリングを通し
た導遥か又は誘導のいづれかにたよっている。通常、誘
導電動機はそれらの動作に対する交流源を必要とし、そ
して一般に、それらの最善の動作速度はその交流源によ
って発生される回転磁界の速度に緊密に関係しているの
で、可変速度での運転には不向きである。他方、直流電
動機は連続回転を与えるために回転子に対する電源につ
いて何等かの形式の整流状切換すなわちスイッチングを
必要とし、かかる整流子は製作且つ維持するのに高価で
あり、しかも望ましくない広帯域の電気的妨害源になる
。正確な速度すなわち変位速度が必要とされるかかるモ
ータについての制御は複雑且つ困難である。
かくして、ここでは、家庭用電子機器のためのモータか
ら大型機器、電車及び工業用モータにわたる広範な潜在
的応用について、並びに、    −それが磁界内での
最小の磁気抵抗位置を求めるにつれて固定子の極につい
て累進的角度的運動を生じさせる変動電磁界を作り出す
ように、固定子巻線を通した電流が固体装置によって切
換えられる磁気抵抗型のモータに対する応用について検
討する。この運動は歩進モータにおけるように、個々に
制御されるステップの形態であっても良い。また、その
回転子の運動は、引続くステップ又はインパルスが連続
的回転を与えるために一緒に動作する・自由走行モード
を与えるように、固定子巻線を通して流れる電流を切換
えるための適当な手段によって検出されても良い。その
巻線のインダクタンスは、採用されるモードに無関係に
、それが励磁されるときでの電流の増加率を制限すると
共に、特に、過度な電位が巻線に誘導されないときのよ
うにもはや必要とされない場合に磁気的エネルギが分散
される割合を制限するので、それらが累進的に切換えら
れるときに種々な不都合を生じる。
如上の問題の第2のものに対して広く採用されている1
つの対策には、いわゆる“フリーホイール・ダイオード
を各種巻線を横切って接続する方法がある。巻線に対す
る外部電流が中断されると、そのダイオードはその崩壊
する磁界によってその巻線に誘起される電流に対して別
な通路を与えるので、電流はその磁界が完全に崩壊され
るまで再循環して、電流について緩慢な低下を与える。
崩壊の割合はその回路に抵抗性素子を組み入れることに
よって増大されるが、これは効率を低下させる。かかる
抵抗性素子は他の場合よりも高い励起電位の印加を可能
にする限流装置として作用させることによりその磁界の
敏速な樹立を助けるのにも使用できる。かかるモータの
多くの実際の又は潜在的応用では、広範な速度にわたる
能率的動作及び高いトルクが必要であり、そしてこうし
た目的を達成するには、固定子と回転子とが最善の関係
に維持されるように、エネルギを熱として不必要に放散
させることなく巻線における迅速な電流上昇及び降下時
間を達成することが必要である。もしも上昇及び降下時
間が遅過ぎると、異なる巻線とオーバラップしてサイク
ルの成る段階で対向する磁界を作り出したり、或いは、
得られるべき速度及び/又はトルクを制限したりする。
迅速な降下時間を得る問題に対する1つの対策は、固定
子巻線からの電流を電源へと回生させることである。か
くして、メイヤーに発行された米国特許第4,229,
685号では、フリーホイール・ダイオードがレギュレ
ータ回路を通して電流をそらして電源へと戻すダイオー
ドによって補足され、これにより、磁界の迅速な崩壊を
助けながらその回路の励起に続いて巻線によって発生さ
れる磁界によって蓄えられたエネルギを回復させている
。しかしながら、磁界の迅速な樹立を促進するために、
メイヤーはそのモータ巻線を通した電流を制限するチョ
ッパ型電流レギュレータを利用し、それは又、その巻線
が励起されるときを除いてそのフリーホイール・ダイオ
ードを回路から除外する2次スイッチと一緒に特定の巻
線を選択するようにも作用する。
かかるシステムは、モータへの供給電位がその巻線内に
所望の電流樹立率を与えるだけ十分に高いことを必要と
するとともに、その供給電位をささえることのできるチ
ョッパ型レギュレータの使用を必要とする。メイヤーの
特許はフリー・ランニングモードで動作できる歩進モー
タを対象にしている。エルドマンに発行された米国特許
第4.459.519号には幾らか類似の配列が記述さ
れている。これは、見かけでは主として、冷凍システム
を対象とした永久磁石回転子を伴なうモータにかかわり
、巻線で電流を調整するのに異なるシステムが使用され
ており、その電流樹立率はなおもその供給電位によって
制限されている。両車種及び異極性構成の磁気的回転子
を持つモータの各種構成に適用できる更に別な同様の配
列がナガサキその他に発行された米国特許第3.826
.966号において記述されている。
この原理に基づいて動作する更に別な配列がマクドナル
ドに対して発行された米国特許第3,748.554号
に示されている。
無ブラシ直流モータの設計においてしばしば生じる更に
別な問題は界磁巻線に供給される電流についての制御を
与えるのに利用されるスイッチング半導体をターンオン
することである。
この目的のために使用できる容易に入手可能でしかも経
済的な半導体はサイリスクで、これは制御されたターン
オン機能を持つが、通常では装置に流れる電流をほぼ零
に減少することによってターンオフされるものである。
更に、ターンオフが達成される場合、制御されつつある
誘導性回路に蓄えられたエネルギは、もしも適切に制御
されないならばその半導体を破壊させる程高い電圧スパ
イクを生じさせることになる。
このために、本質的にリングカウンタ構成にあるかかる
応用において使用するための整流回路が開発され、そこ
において、1つの巻線を制御する装置のターンオンは、
電源に接続されているコンデンサの1つの板を前にター
ンオンされた装置へと放電してその装置への電流をその
コンデンサの他の板へと一時的にそらして、それにより
、それがオフに切換わるのに十分な長さにわたってその
装置を通した電流の流れを中断するように利用される。
それが一旦オフに切換えられると、そのコンデンサにつ
いての再充電が生じ、かくして、その連動された巻線の
崩壊する磁界からエネルギの幾らかを取り去る。
かかる回路において使用されるコンデンサは1つの巻線
から次の巻線への余分なエネルギの転送に寄与できるけ
れども、これはそれらの主な目的ではなく、この配列は
、前の巻線への給電が終止される前に次の巻線に対する
給電がターンオンされる所でのみ有用である。かかる配
列の例は、ワトソンに対して発行された米国特許第3.
61、081号及びキルシュナーに対して発行された米
国特許第4.445,077号において見られる。
ネウエルに対して発行された米国特許第3,444.4
47号には、ステップモータの巻線における電流の上昇
及び降下時間を改良するための配列が記述されている。
まず初めに、電源は各巻線に対する制御回路と連動され
ているコンデンサを充電するのに利用され、その回路は
、その連動された巻線が励起されるときにその充電電位
がその供給電位に対して付加されるように配列されそし
てそのコンデンサが切換えられ、これにより、その供給
電位を初めに昇圧させて、その電流上昇時間を改善して
いる。更に、第7図〜第9図に関連して記述されるよう
に、ダイオードを使用した配列及び/又は単捲変成器は
、まさにターンオンされた巻線へと印加される電位を昇
圧するためにターンオフされた巻線の崩壊する磁界から
エネルギを転送するのに利用され、それにより再上昇及
び降下時間並びに効率を改善している。ニュウエルによ
り開示されている技術の第1のものは動作状態に無関係
に実質的に一定な昇圧を与えており、そして第2の技術
は1つの巻線のターンオンが別な巻線のタン−オフと同
時である所でのみ適用可能である。
ヴアン・クレープに対して発行された米国特許第3.4
86.096号において、歩進モータの巻線は対におい
て変成器結合され、そして各巻線に対するスイッチング
手段は順方向のみにおける電流の流れを阻止するように
作用する。1つ又はそれ以上のダイオードが直流源と直
列に置かれるので、電流は順方向のみにおいてその供給
源から流れることができ、そして巻線での切換えられな
い端部、又はそれらの対は他の板が接地されている1つ
の又はそれ以上のコンデンサに接続される。巻線を通し
て順方向電流が中断される場合、逆方向における電流は
そこに結合された巻線において誘導されて、連動された
コンデンサを高電位に充電する一方、元の巻線によって
誘導された磁界は急速に崩壊する。スイッチング装置が
再び順方向電流をコンデンサに接続された巻線を通して
流す場合、そのコンデンサ上における高電位の電荷はそ
の巻線における迅速な電流樹立を助ける。その配列の主
な目的は動作をスピードアップしそしてそのスイッチン
グ装置を保護することにあり、抵抗が電流を制限するた
めにその供給源に直列に置かれるので、効率は問題にし
ていない、更に、その装置は適当な巻線配列を持つモー
タに対してのみ適用可能であるので、変成器作用はエネ
ルギ回復中に巻線を流れる電流の方向を反転させるのに
利用できる。
アモトに対して発行された米国特許第3.560゜81
7号及び同第3.560.818号、ウンネヴエアに対
して発行された米国特許第3,560.820号、同第
3.697.839号及び同第3.714.533号、
そしてコツホに対して発行された米国特許第3,697
,840号は磁気抵抗型モータに対する制御回路の各種
構成に関連していて、すべてがフォード・モータ社に対
して譲渡されており、その各々において、コンデンサと
誘導子(これはモータ巻線であるか又はそれを含む)と
からなる同調された回路が固体スイッチング素子に関連
して使用され、速い上昇及び降下時間を与えるのに利用
可能な有効電位を増大させそして1次供給源が遮断され
たときにその回路から受信された電荷の極性を反転させ
るのに共振作用を利用している。そうした各種のフォー
ド特許において記述されている配列間に相違はあるけれ
ども、動作についての一般的原理は約半分の正弦波のパ
ルスにおけるその1次供給源からの引き出し電流に依存
する。パルスの期間はその回路での無効分により実質的
に一定の大きさに設定され、異なるモータ速度に対する
対策は巻線についての各励磁位相中に配送されるパルス
数を変えることにより実施され、パルス間での巻線にお
ける電流の実質的連続性はフリーホイーリング効果によ
り且つ磁界崩壊中に回復されるエネルギの電荷反転及び
再適用により得られる。それらの配列の幾つかにおいて
、回路はコンデンサ上における電位を供給源よりもはる
かに大きなレベルへ樹立するように作用し、その電位は
供給源からの電流パルスの大きさを増大させるように印
加される。アンネヴエア特許第3.714.533号に
おいて、このコンデンサからの余分なエネルギは、SC
Rについての適切に時間調整された点弧によって取り出
されてそしてもしもモータを駆動するのに必要でなけれ
ばその供給源へと戻されている。開示された種々なモー
タを制御するための種々な方法は、一般的に、各巻線に
連動された幾つかの制御整流器の点弧シーケンスのかな
り複雑な制御を含んで論議されている。
各々の場合において、その動作には(モータ巻線の外に
、その供給源に直列に挿入される誘導子を必要とし、そ
の回路の動作パラメータはこの誘導子の値及びエネルギ
蓄積コンデンサの値に厳格に依存する。その負荷の共振
特性は電流がその供給源から引き出される期間と供給電
流上昇及び降下率とを制限するので、そうした同じ素子
もエネルギが供給源から引き出される割合を制限する。
米国特許第4.025,831号は、複数の固定子巻線
と、そして以下において記述されるモータの好ましき実
施例の物理的配列と幾らが似た物理的配列にある永久磁
石型単極回転子とを持っモータを開示している。しかし
ながら、モータの制御システムは動作モードに従って全
く異なっているが、固定子巻線における電流上昇及び降
下時間を改善したり、又は崩壊する固定子磁界からエネ
ルギを回復するための特別な対策は何もなされていない
本発明の目的は、エネルギを無駄にする方策(付加され
る直列抵抗のような)を必要とせずに、エネルギがトル
ク要件に合うようにその供給源から引き出される割合を
不当に制限することなしに、しかもモータ特性を負荷要
件に整合させるための高度に洗練された制御手段に対す
る必要性なしに、巻線電流についての迅速な上昇及び降
下が広範なモータ速度にわたるモータ・トルクについて
の効果的発生を確保するのに適したタイミングにおいて
得られる一般的クラスのモータを提供することにある。
本発明によると、複数の遂次的に励磁可能な位相巻線を
有する固定子と、前記位相巻線によって作り出される累
進的に移動する電磁界内で最小の磁気抵抗位置を求める
ように励磁される回転子と、直流電源に関して少なくと
も1対の各位相巻線と直列にある第1の制御型スイッチ
ング手段と、そして前述の累進的に移動する電磁界を作
り出すために前記第1のスイッチング手段を制御する手
段とを持つ電動機すなわちモータにおいて、(a)電荷
蓄積コンデンサが各々のかかる位相巻線に対して与えら
れ、そのコンデンサの1つの端子が低インピーダンス路
によって前記電源に接続され、他の端子がその巻線に対
する代替可能な低インピーダンス路を確立する第1及び
第2の接続を持ち、その第1のかかる接続は、そのスイ
ッチング手段のターンオフ後に前記巻線によって作り出
される磁界の崩壊にて発生される順方向電流の巻線から
前記コンデンサへの低インピーダンス路を可能にするよ
うに配向された第1のダイオード手段を通して確立され
、そして第2のかかる接続は第2の制御型スイッチング
手段を通して確立され、山)前記コンデンサから前記巻
線を通して順方向に前記第1の制御型スイッチング手段
への電流について低インピーダンス路を与えるために、
前記第1のスイッチング手段と実質的に同時に前記第2
のスイッチング手段をターンオンさせるための手段が設
けられており、(C1第2のダイオード手段が、電源か
らの順方向電流に対しては低インピーダンス路を与える
が逆方向の電流に対しては高インピーダンスを呈するよ
うに電源とそして第2の制御型スイッチング手段からの
巻線に対する接続部との間に与えられていることを特徴
としている。
ヴアン・クリープの配列に比較して、本発明はコンデン
サにより回復されたエネルギを利用するのにモータ巻線
について特別な配列又は動作シーケンスを必要とせず、
また、1次スイッチング装置には、双方向電流運搬機能
と、そして阻止状態において、その巻線での変成器作用
によって印加される付加的な電位に耐える能力とを必要
としない。
如上のフォード特許に比較して、本発明における無効分
の値は、電源から引き出される最大電流を制限したり、
もしも必要ならばその間に電流が引き出される位相巻線
の能動期間の比率を制限したりしない。特に、連動され
た巻線のインダクタンスに関連したコンデンサの値は、
巻線において達成される電流上昇及び降下の割合と、そ
して電流がその間に電源から引き出されるのを必要とす
る位相巻線の能動期間の比率とを決定する。正常な動作
の下で、巻線を励磁する電流はコンデンサから供給され
、そして電流は1次スイッチング手段がその間にスイッ
チ・オンされる期間の後の部分において電源から引き出
され、この電流の引き出しは負荷に対するエネルギ出力
を償うか又はモータ損失により消散される。コンデンサ
上での電荷は適当な回路によって取り出されるので、そ
のモータは、直流−直流アンプ・コンバータ、或いはオ
ーバー・ラン状態の下でのエネルギ回復又は回生制動と
して動作することができる。かかるオーバー・ラン又は
制動状態の下において、コンデンサに蓄積されたエネル
ギはそのモータの回転を維持するのに必要とされるもの
を越えており、この超過分はその電位が成るレベルを越
えるときに電流をそのコンデンサから引き出すことによ
って回復される。
本発明の更に別な特長、及びその構成の更に別な詳細は
添付図面で示す例示としての実施例の以下の記載から明
らかとなろう。
第1図及び第2図を参照するに、本発明を実施している
装置は、永久磁石12がその上にR置されそして、例え
ばくさびによるか又は他の適当な手段により固定される
回転可能な軸11を含み、更に、その軸上には、2つの
隔置されている歯車13及び14が載置されそしてくさ
び又は他の適当な手段によって固定されている。
歯車は同じものであってそして、示されている実施例に
おいて、各々は60”離れた6つの歯をもっている。し
かしながら、これは重要でなく、歯の数は広範囲に変え
られる。その歯車は、その歯が互いに整列するように、
互いに関連して軸11上に取付けられる。
各歯車は鋼鉄のような強磁性材料である磁化可能な材料
から作られ、かくして、各歯車の各歯はN又はS極のい
づれかを構成し、1つの歯車の歯はすべて同じ極性にあ
り、他の歯車の歯はすべて、前に述べた歯車の歯のもの
に対して反対の同じ極性にある。特に第2図において、
歯車14の6つの歯はN1〜N6のN極として示されて
いる。
回転子については多くの変更が可能である。
例えば、個々の永久磁石を1つの永久磁石及び強磁性の
歯車に代って採用したり、又は回転子は固定子上での巻
線により作り出される磁界によって磁化されてもよい、
更に、異極並びに単極性の回転子種構成を適当な固定子
巻線構成と共に利用しても良い、しかしながら、記述さ
れる例において、回転子は回転可能な軸上にi3!置さ
れてそしてそれに固定された永久磁石手段を持ち、その
永久磁石手段は複数の隔置されたN極と複数の隔置され
たS極とを有し、両車種セットでの極は2つの円形路に
おいて移動可能であり、そのうちの1つが第2図におい
て15として示されている。
示されている本発明の実施例において、固定子16は、
正方形構成にある2つの隔置された静止の板17及び1
8を含み、それらは、適当なスペーサすなわち締付装置
19.4つの電磁石20a。
20b、20C及び20d、そしてそれら電磁石に対す
る保持部材24を介して、互いに関して平行関係におい
て固定されている。
□板17及び18は例えばアルミニウムで作られ、保持
部材24及びスペーサ又は締付装置19もアルミニウム
で作られている。強磁性でない限り別な材料を採用して
も良い。
各電磁石20 a 、 20 b 、 20 c及び2
0dは、強磁性磁心21 a 、 21 b 、 21
 c及び21dと、そしてコイル22 a 、 22 
b 、 22 c及び22dとからそれぞれなっている
。保持部材24は板17及び18に固定され、そして磁
心21a〜21dは保持部材24に設けられている開口
に嵌め込まれている。
電磁石の数はこの発明から逸脱せずに変えられるが、十
分な数の電磁石を採用して、回転子10の永久磁石との
相互作用を通して、回転子10を回転させるのに必要な
累進的に変化する磁界を作り出す必要がある。
電磁石20a〜20dは互いに均等に隔置(例示の実施
例では90°において)されそして、第2図において最
も良く見られるように、それらの極が電磁石のコイルに
電圧を誘起してそして極が電磁石を過ぎる際にそれらの
極を磁気的に吸引及び/又はそれらと反発できるように
、回転子10のN及びS極により走行される円形の通路
に対して十分緊密に取付けられている。
勿論のことに、板17及び18は軸11に対する軸受を
担持し、そして軸11はそれにより駆動される何等かの
回転装置に対して連結されることになる。
軸11には開口付のタイミング・ホイール25が設けら
れ、その対向側部には光源26及び光検出器27が設け
られている。こうしたコンポーネントはトリガーパルス
すなわちタイミングパルス源を構成している。光源26
及び光検出器27はトリガーパルスの位相を変えるため
にタイミング・ホイール25での開口に関連して回転さ
れる保持部材に取付けられている。
他の型式の装置でも、本発明から逸脱することなく、ト
リガーパルスを発生するために使用できることは勿論で
ある。例えば、シャフト11上における突起と接触する
マイクロスイッチも使用できる。
さて第5図を参照するに、コイル22a及び22C並び
にコイル22b及び22dに対するトリガーパルス発生
及び切換回路装置は電気的エネルギ利用回路装置に沿っ
て示されている。第4図はコイル22a及び22cに対
するスイッチング回路装置及び電気的エネルギ利用回路
装置のみが示されている。コイル22b及び22dに対
するスイッチング回路装置及び電気的エネルギ利用回路
装置は第4図に示されているのと同じなので、第5図か
ら明白であろう。
トリガーパルス発生回路装置、スイッチング回路装置及
び電気的利用回路装置は2セントのコイルに対して同じ
であるので、コイル22a及び22Cについてのみ詳細
に記述する。
点線28内に示されている導体29及び30上にトリガ
ーパルスを与える標準のトリガーパルス発生回路であり
、導体29はゲート・ターンオフ装置GTO1のゲート
電極に接続され、導体30は変圧器を介してシリコン制
御整流器5CR1のゲート電極に接続されている。
直流電源(B+と接地とにて代表されている)のB9は
ダイオードD、°  コイル22a、22c及び保護ダ
イオードD2を介してゲート・ターンオフ装置GTO1
のアノードに接続され、そのカソードは接地されている
。もしもそのパルス発生回路が適切なスイッチング波形
及び電位を与えるように適当に修正されるならば、その
ゲート・ターンオフ装置はバイポーラ又は電界効果トラ
ンジスタにより置き換えられても良い。
第4図及び第5図の実施例では単なるコンデンサC1で
ある電気的エネルギ蓄積装置がコイル22a及び22c
に連動されている。
コンデンサ1つの板は、図示の例ではBゝである電源端
子に接続されている。接続方法としては、他の板の電位
における変化を収容するのに必要なコンデンサ充電及び
放電電流に対して低インピーダンス源すなわちシンクが
与えられる限り如何なる構成でも良い。この他の板には
、コイル22a及び22cからなる(第4図に示されて
いる例では)位相巻線の対向端部に対する2つの代替可
能な接続が与えられている。第1の接続はゲート・ター
ンオフ装置GTO1及びその連動せる保護ダイオードD
2により与えられるスイッチング手段に電気的に隣接し
た巻線の端部に対するもので、ダイオードD3を組み込
んでいるので、この接続はコンデンサC1の連動された
板上での電位を増大させようとする充電電流を収容する
。第2の接続は、トリガー・オンされたときにコンデン
サC1の連動された板からの放電電流を通過させるサイ
リスタ5CR1を介してその巻線の他端に対して成され
ている。ダイオードD1は、コンデンサC1を横切った
短絡としてターンオンされたときにサイリスクを通した
回流を防止して、その巻線の他端がB゛以上電位に上昇
するのを可能にする。
第5図を参照するに、示されている回路の左及び右半分
は同一でそして、便宜上1つのバイアス回路を共用して
いることを除き、且つ示されている例において、それら
はタイミングホイール25に関して90”隔置された分
離せるセットとしての光源26及び光検出器27から入
力を受けるので、それらは位相において互いに90°づ
れて動作し、そして回路の左半分がコイル22a。
22cを含み、右半分がコイル22b、22dを含んで
いることを除いて、本質的に独立している。
各トリガー回路28は、抵抗器R2,R3及びR4(R
3とR4とは両増幅器に対して共通している)によって
形成されるブリッジに接続された入力増幅器A1と光検
出器27を形成しているフォト・トランジスタとを持っ
ている。ホイール25における開口が光放出ダイオード
からの光を抵抗器R1を通して供給し、その光検出器を
衰えさせる光源26を形成する場合、光検出器のコレク
ターエッソタ抵抗は低下しそしてブリフジの不平衡の方
向を反転させ、それにより、比較器A1が、相補トラン
ジスタTR1,TR2、連動されたバイアス・コポーネ
ントR5,R6゜R7,R8,R9及びゼナー・ダイオ
ードZ1及びZ2によって形成される従来のブツシュ・
プル出力回路へスイッチング遷移を適用するのを可能に
する。この回路の出力は電流制限用保護抵抗器R1O及
びライン29を介して装置GTO1に印加される一方、
微分用コンデンサC2、パルス変成器T1及び電流制限
用保護抵抗器R11を介してサイリスク5CRIのゲー
トに印加される。サイリスタを通した電流増加率をその
仕様内に制限するために、小さいインダクタンスL1が
そのサイリスタのカソードに直列に挿入されている。こ
のインダクタンス、既に述べた他のコンポーネント、そ
の目的が連動せる部品の保護にある抵抗器R12、コン
デンサC3及びGTOIと連動されているダイオードD
4は回路の動作モードに左程影響しないので、詳細な説
明は省略する。利用されるコンポーネントの実際の値及
び利用されるべき半導体の選択は、モータの大きさ、利
用する供給電位、すべての予期される運転状況の下でそ
の半導体をその仕様内で動作させる必要性に大きく依存
する。
装置についての動作は第3a図及び第3b図を参照する
ことにより一層良(理解されよう。
説明のために、歯車14の極はN極で、そして歯車13
の極はS極であると仮定する。更に、回転子10の回転
は、矢印33によって示されているように、反時計方向
おいてすでに開始しているものと仮定する。
歯車14が第3a図に示されている位置にあるとき、シ
リコン制御整流器5CRI及びゲートターン・オフ・ス
イッチ装置GTO1はオフにあり、直流電源からの電流
はコイル22a及び22Cを通して流れない、結果的に
、電磁石20a及び20cは励磁されない。それにもか
かわらず、磁心21a及び21cは、それらが最小の磁
気抵抗位置を求めるので、歯車14の極N1及びN4を
それぞれ吸引する。回転子10の慣性を伴なうこの吸引
は回転子10を第3b図に示されている位置へと運ぶ。
極N1及びN4が第3a図に示されている位置から第3
b図に示されている位置へ、励磁されていないコイル2
2a及び22cを過ぎて移動するにつれて、電流がそれ
らを過ぎた極N1及びN4の運動の結果としてそれらコ
イルに誘起される。その誘起された電流はダイオードD
3を介した前記第1の接続を通してコンデンサC1を充
電する。
一旦第3b図の位置が取られると、ホイール25におけ
る開口はダイオード26を通過し、トリガー・パルスを
導体29上に生じさせて、ゲート・ターン・オフ装置G
TO1を導通させる。これと同時に、導体30上におけ
るトリガー・パルスはシリコン制御整流器5CRIを導
通させる。
初めに、コンデンサC1上における電荷はダイオニドD
1を逆バイアスするだけ十分に大きく、そしてコンデン
サC1はサイリスク5CRIを介し、コイル22a及び
22c及びゲート・ターン・オフ装置GTOIを通して
放電する。最後に、コンデンサC1上における電荷はダ
イオードD1をもはや逆バイアスしない値にまで減少す
るので、直流電源からの電流はコイル22a及び22C
に通して流れる。初めはコンデンサC1から、その後は
電源からの電流は極N1及びN4に隣接している電磁石
20a及び20cの極をN極にする。電磁石20aと極
N1との間且つ電磁石20cと極N4との間における結
果的な磁気的反発は回転子10を反時計方向に連続して
回転させる。
シリコン制御整流器5CRIは、コンデンサからの放電
電流が零に下がるので、この期間にタン−オフする。極
N1及びN4が電磁石20a及び20Cをそれぞれ越え
て予め決められた量だけ回転した後、ホイール25はダ
イオード26からフォトトランジスタに入る光を遮断し
、ライン29に対して負の電位を印加した装置GTO1
をターンオフさせる。これは直流電源をコイル22a及
び22cから切り離し、この時点で、同様なサイクルを
繰り返すが、今度は極N6及びN3が電磁石20a及び
20cとそれぞれ作用する。中間的には、同様なサイク
ルが第5図の回路の下側半分、極N2及びN5 、そし
て電磁石20b及び20dをそれぞれ含んで生じる。更
に、同じサイクルが極N3 、N6及び電磁石20b、
20dでもって繰返されることになる。
勿論のことに、歯車13及び電磁石20a〜20dにつ
いても、歯車13に隣接した電磁石20a〜20dの対
向せる極がN極よりはむしろS極を形成するように、励
磁されることを除いて、同じシーケンス態様で生じる。
一般に、回転子上における極は、その回転子と固定子と
の間に設立された磁気回路の磁気抵抗を最小にするよう
な位置を常に求めようとする。この磁気抵抗は、極と磁
石とが角度的に整列されるときでの励磁されない電磁石
に隣接した極において最小になる。しかしながら、すべ
ての電磁石が励磁されなくなる場合、その追求力は、回
転子及び固定子の相対的構成のために、互いに打消し合
うようになる。それらの極が回転子の隣接極と薗し極性
を持ち、それ故、互いに反発するように励磁される電磁
石について既に記述した場合において、その磁気抵抗は
電磁石極が2つの回転子極間の中間にあるときに最小に
なる。それらの極が回転子の隣接極に対して反対の極性
を持ち、従って互いに吸引するように励磁される電磁石
の場合において、その磁気抵抗は、その電磁石極が回転
子種と整列されるときに再び最小になる1、コイル22
a、22b。
22c、22dについての接続は、そうした2つのモー
ドのうちのいづれか、すなわち、反発動作か又は吸引動
作のいづれかにおける動作のために配向される。特定の
磁石上における第1の巻線を隣接せる磁石上における第
2の巻線と直列又は並列にして、対応するセットのコイ
ルを各電磁石上に与えることにより、両モードが所定の
モータ構成から一層大きなトルクを得るのに同時に使用
できる。コイルに対する接続態様及び円板25の配向は
種々な動作モードに対応できるように変えられるけれど
も、第4図及び第5図の回路の動作モードは実質的に同
じままに置かれる。
モータから利用し得る平均トルクを最大にしそして損失
を最小にするには、電磁石極に隣接した回転子種が最小
の磁気抵抗位置に向って移動しているときにのみ電磁石
が励磁されるのが望ましい。もしも隣接せる回転子種が
最小の磁気抵抗位置から離れて移動する期間中に磁石が
励磁されるとすると、この期間中には反対のトルクが作
り出されることになる。この状態は、例えば、個別の歩
道モードにおいて動作するステップ・モータにとって典
型的であり、そこにおいて、回転子と固定子との相互作
用は各ステップにおいてまず、°回転子が新しい最小の
磁気抵抗位置に向けて動くにつれて加速トルクを作り出
し、その後、それがこの位置に到達しそしてその位置を
通して移動するにつれて保持トルクを作り出す。しかし
ながら、それは連続走行を意図するモータにとって望ま
しくない作用である。
電磁石についての正しい励磁は、電磁石巻線が関係して
いる磁気回路の磁気抵抗でもって変動するかなりのイン
ダクタンスをその電磁石巻線が呈するので、単にその電
磁石巻線に対する電流の切換えを正しく行うだけの問題
ではない。
結果的に、巻線における電流の樹立率、かくして励磁率
はこのインダクタンスの値及びその巻線に印加される電
位によって決定される。電流が樹立されるにつれて、エ
ネルギもその磁気回路に蓄積される。磁石を無励磁にす
るには、蓄積されたエネルギを何等かの仕方において除
去しなければならないので、単にその巻線に流れる電流
を遮断するだけでは十分でない。効果的な動作にとって
、このエネルギは回復されてそして生産的に使用されな
ければならない。更に大きな回転速度において良好なト
ルクの形態にある大きな特定のパワー出力をそのモータ
から得るには、磁石についての励磁並びに無励磁共にで
きるだけ敏速であることを必要とする。
記述された配列並びに第4図を参照して検討するに、好
都合な出発点として、スイ・ンチング装置GTO1はス
イッチ・オンされて、電流が電源B9から、ダイオード
D、コイル22a及び22C,ダイオードD2そして装
置GTO1を通して接地へと通過している(正−負電流
変換を用いて)ものと仮定する。コイル22a及び22
Cにおける電流はコイルと連動されている磁気回路にそ
の電流に対応する磁束を生じさせる。
装置GTO1はここでターン・オフされて、電源を通し
て回路を遮断する。磁気回路での磁束を崩壊させようと
する作用はその崩壊に対抗するような電位をそのコイル
に誘起し、そしてこうした電位はダイオードD3.コン
デンサC1及びダイオードD1によって与えられる代替
的通路を通して連通ずるコイルに順方向電流を生じさせ
る。この順方向電流は、コンデンサCIを横切った電位
がコイルを横切って誘起された電位に等しくなるまで継
続し、その時点において、崩壊する磁界から利用できる
エネルギの大半がコンデンサC1へと転送される。サイ
リスタ5CRIが阻止状態に止どまると仮定すると、そ
のコンデンサはそれがダイオードDI及びD3を通して
放電できないので、充電されたままに止どまる。コンデ
ンサへのエネルギ転送のために必要な時間は巻線22a
、22c及びコンデンサC1によって形成される同調さ
れた回路の共振周波数によって決定され、2分の1サイ
クルの期間よりも小さい。回路の発振はダイオードD1
及びD3によって抑制されるために、キャパシタンス及
びインダクタンス値を適当に選ぶことにより、磁石につ
いての急速な無励磁が得られる一方、コンデンサC1は
電源よりもはるかに大きな電位へと充電される。
コイル22a及び22cについての励磁が再び要請され
る場合には装置GTO1が再びスイッチ・オンされると
同時に、サイリスタ5CR1もスイッチ・オンされる。
もしもC1の下側板における電位が80を越えるならば
、当然のことにダイオードが逆バイアスされるので、電
流はCI及び5CRIからコイル22a及び22cを通
して接地へ流れようと努める。コイルを通した電流の樹
立率は、もしもC1の上部板がこの場合には電源の端子
を通した接地への低インピーダンス路を持つとすると、
その下部板において利用できる電位に依存する。この利
用可能な電位は通常その供給電位よりもはるかに大きい
ので、コイル上で樹立される電流の割合は正規な供給電
位がその樹立を作り出すのに利用できる□場合よりもは
るかに大きい。
最小の磁気抵抗位置を追求する回転子と固定子との相互
作用はその磁気回路に蓄積されるエネルギを最小にする
試みであり、結果的な相対的運動に際して釈放されるエ
ネルギは機械的エネルギ(鉄損、銅損及び摩擦損に関係
なく)として利用できる。モータが走行している場合、
損失を償いそしてモータによって配送される機械的エネ
ルギを負荷へ戻すために、コンデンサCI’から利用で
きるエネルギを補足するエネルギはその電源から構成さ
れる装置GTO1がスイッチ・オンされるたびに、電流
は初めにコンデンサC1から供給される。C1の下部板
上における電位が供給電位以下に降下する場合、補償電
流は、装置GTO1がスイッチ・オフされるまで、ダイ
オードD1を通して電源から供給される。オーバーラン
状態の下において、コイルに発生される逆起電力は、C
1の下部板上における電位がダイオードD1を順方向に
バイアスする程決して低下しない。
示されている配列において、コンデンサC1の上部板は
、その放電中、電流をその電源から引き出し、実際には
、そのコイルに関する限り、その負荷と直列に現われる
。もしもその上部板(第4図に示されているように)が
接地されるとすると、その放電中、それは電源から電流
を引き出さないが、充電中では電流を引き出す。
こうした接続のいづれかが利用されるが、上部板と電源
との間に低インピーダンス路を与えることができる限り
他の接続を利用しても良い。
種々な理由のために、コンデンサC1からのエネルギを
回収することは望ましい。まず第1に、連動された半導
体装置又はコンデンサ自体を破損させることになる過大
な電位がそのコンデンサを横切って樹立するのを避けさ
せることが必要である。第2に、かかる回収はオーバー
ラン状態中におけるモータからのエネルギ回復を可能に
し、モータが発電機となるように駆動されるのを可能に
する。第3に、それはその巻線における電流の上昇時間
を増大させることにより実施される速度制御の測定を可
能にする。
最後に、それは、得られる出力電位を電源電位よりも高
くできるので、モータが昇圧DC−DCコンバータとし
て利用されるのを可能にする。
かかるエネルギ回収を達成するための可能な手段は、C
1の下部板に接続されたアノード及び負荷RLに接続さ
れたカソードを持つ適当に制御されたサイリスタ5CR
2の形態において、第4図で破線により例示されている
GTOlのような1次スイッチング装置及び5CRIの
ような2次スイッチング装置に印加されるトリガー信号
のタイミングは最大パワー出力の達成にとって重要であ
る。理論的な最善の位置についての調整は特別な状況の
回転を確実にしそして始動を容易ならしめるために望ま
しい。
実際問題として、第2図に示されている型式の装置が初
めに記述されたモードにおいて動作していると仮定する
と、良好な結果は、頂部死点を過ぎた約7.5°におい
て歯車14のその連動された極を反発するように各電磁
石のコイルを励磁しそしてその極が頂部死点から約22
.5°過ぎた位置に至るまでそのコイルを励磁したまま
に維持することによって達成される。ここでの図面は単
なる例示であり、限定的なものであると理解されたい。
例えば、巻線のターン・オフを遅らすことにより、回転
子はそれがその最小の磁気抵抗位置を過ぎて移動するに
つれて逆のトルクを受けることになり、それにより、回
転子による動力学エネルギの正味の転送を減少させ、そ
して与えられた負荷に対するモータ速度を減少させるこ
とになる。
モータ10をスピード・アップ(例えば、直流電源の電
圧を挙げる結果として)するには、そうした角度におけ
る励磁及び無励磁を得るために、フォトセル27がその
サイクルにおいて一層早目に作動されるように両フォト
セル27及び光源26をタイミング・ホイール25に関
して移動させることが必要である。これは、トリガー電
流を樹立させるのに有限な大きさの時間を必要とするた
めである。そうしたコンポーネントについての運動は手
動においても又は自動的にも行える。自動の場合、フォ
トセル及び光源に対する保持部材は、その出力軸位置が
軸11の速度における変化に応動するモータによって駆
動される。
以上、本発明の好ましき実施例が記述されたけれども、
本発明はそれに限定されるものではなく、当業者におい
ては本発明の精神及び範囲から逸脱することなく幾多の
変更がなし得ることは明らかである。
かくして、記述された実施例及び特許請求の範囲におい
て、コンデンサC1に対する接続は位相巻線の端部に対
してなされるとして記述されているけれども、機能的に
等価な配列ならば他の接続でも本発明の範囲内に含まれ
るものと理解されたい。かくして、コンデンサに対する
接続は巻線、その残りの部分に連結された変成器の別な
部分からも行なうことができる。
かかる配列の例が第6図に示されており、そこには、第
4図の回路と置き換えできる代替回路の要部が示されて
いる。機能が同じであるコンポーネントについては同じ
参照数字が用いられている。巻線22a及び22cは単
に参照数字22として表わされ、それは、モータの構成
により、1対の直径状に対向した固定子巻線か又は単一
の巻線のむ、1づれかを表わしている。ゲート・ターン
・オン装置は、同様に動作するが、ターン・オフされて
いる期間中はそのベース電極に連続信号を必要とするス
イッチング・トランジスタTRl0により置き換えられ
ている。コンデンサC1はB1よりはむしろ接地に対す
るその代替接続を伴なって示されている。
如上の変更は既に前に論議した可能な変形例を単に例示
している。第4図と第6図との間における最も重要な相
違はコンデンサC1に対する充電電流を引き出す2次巻
線すなわち巻線23の使用である。この巻線23(1つ
又はそれ以上)は緊密な結合(緊密に結合された昇圧構
成も使用できるけれども)を与えるために巻線22を伴
なってバイファイラに巻かれ、そして1次巻線から隔絶
されるのが好ましい。巻線23の1端はB′″から巻v
A23を介してコンデンサC1に通じる単一方向の通路
を与えるダイオードDIに接続されている。コンデンサ
C1の他の板は第4図の実施例の場合におけるようにB
′″か又は接地のいづれにも接続できるけれども、巻線
23の他端は、そのコンデンサが充電し始める前にその
電源に等しい電位が巻線23を横切って発注されなけれ
ばならないので、接地に対するよりはむしろB゛に対し
て、直接にか又はダイオードD1を通して接続されるこ
とが必要である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を実施している装置の固定子及び回転子
の前部立面図であり、第2図は第1図での線2−2に沿
って取られた断面図であり、第3a図及び第3b図は、
第2図に類似した図で、回転子及び固定子の種々な位置
を示し、そして装置の動作を説明するのに有用な図であ
り、第4図は本発明の実施において生じるスイッチング
動作を説明するのに有用な回路図であり、第5図は本発
明を実施する際に使用できるトリガーパルス発生及び切
換回路装置の回路図であり、そして第6図は第4図に示
されている回路に対して代替可能な配列を示している回
路図である。 10・・・回転子、11・・・回転軸、12・・・永久
磁石、13゜14・・・歯車、15・・・円形通路、1
6・・・固定子、17.18・・・板、19・・・締付
装置、20a〜20d・・・電磁石、213〜21d・
・・磁心、22a〜22d・・・コイル、24・・・保
持部材、25・・・タイミング・ホイール、26・・・
光源、27・・・光検出器、28・・・トリガー回路、
29.30・・・導体。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、逐次的に励磁可能の位相巻線を有する固定子と、前
    記位相巻線によって作り出される累進的に移動する電磁
    界内での最小の磁気抵抗位置を求めるために励磁される
    回転子と、直流電源に関して少なくとも1対の各位相巻
    線と直列にある第1の制御型スイッチング手段と、そし
    て前記累進的に移動する電磁界を作り出すために前記第
    1のスイッチング手段を制御する手段とを持つモータに
    おいて、(a)電荷蓄積コンデンサ(C1)が各々のか
    かる位相巻線(22)のために与えられ、前記コンデン
    サの1つの端子は低インピーダンス路によって前記電源
    に接続され、他の端子はその巻線に対する代替可能な低
    インピーダンス路を確立する第1及び第2の接続を持ち
    、その第1のかかる接続はそのスイッチング手段のター
    ンオフ後に前記巻線によって作り出される磁界の崩壊に
    より発生される順方向電流の巻線から前記コンデンサに
    対する低いインピーダンス路を可能にするように配向さ
    れている第1のダイオード手段(C_3)を通して確立
    され、そして第2のかかる接続は第2の制御型スイッチ
    ング手段(SCR1)を通して確立されるようになって
    おり、(b)前記巻線(22)を通した順方向における
    前記コンデンサ(C1)から前記第1の制御型スイッチ
    ング手段に対して低インピーダンスの電流路を与えるた
    めに前記第1のスイッチング手段(GTO1)と実質的
    に同時に前記第2のスイッチング手段(SCR1)をタ
    ーンオフさせるための手段が設けられており、(c)前
    記電源からの順方向電流に対しては低インピーダンス路
    を与えるが逆方向電流に対しては高いインピーダンスを
    与えるように、前記電源とそして前記第2の制御型スイ
    ッチング手段から巻線への接続部との間に第2のダイオ
    ード手段が設けられていることを特徴とする磁気抵抗モ
    ータ。 2、前記回転子(10)は単極の回転子構成を有してい
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の磁気
    抵抗モータ。 3、前記回転子は恒久的に磁化されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第2項に記載の磁気抵抗モータ。 4、前記回転子(10)は回転可能な軸(11)と、前
    記軸上に載置されて固定され、複数の隔置されたN極及
    び複数の隔置されたS極を持つ永久磁石手段(12、1
    3、14)とを含み、前記極は2つの円形状通路におい
    て移動でき、前記固定子(16)は複数の隔置された電
    磁石(20)を含み、各電磁石は、前記位相巻線の1つ
    からなりそして異なる位相巻線からなるコイルの励磁が
    前記回転子の異なる角度位置において前記回転子と固定
    子とを連結している磁気回路の最小磁気抵抗を作り出す
    ように載置されている少なくとも1つのコイル(22)
    を含み、前記第1のスイッチング手段(GTO1)を制
    御する手段(28)は、前記回転子が最小の磁気抵抗位
    置に向けて移動するにつれて各位相巻線と直列にある前
    記第1のスイッチング手段(GTO1)をターンオンさ
    せ、前記回転子が前記最小の磁気抵抗位置を通過する前
    に前記第1のスイッチング手段をターンオフさせる制御
    信号を発生するために前記回転子(10)の回転に応動
    することを特徴とする特許請求の範囲第3項に記載の磁
    気抵抗モータ。 5、前記第1のスイッチング手段(GTO1)は、前記
    永久磁石手段が前記電磁石(20)を過ぎて回転した後
    に前記永久磁石手段(12、13、14)の前記極に反
    発する磁界を作り出すために、磁化電流を予め決められ
    たシーケンスにおいて前記コイル(22)に流すように
    タン−オンされることを特徴とする特許請求の範囲第4
    項に記載の磁気抵抗モータ。 6、前記第1のスイッチング手段(GTO1)は、前記
    永久磁石手段が前記電磁石(20)に向けて回転するに
    つれて前記永久磁石手段(12、13、14)を吸引す
    る磁界を作り出すために、磁化電流を決められたシーケ
    ンスにおいて前記コイル(22)に流すようにターンオ
    ンされることを特徴とする特許請求の範囲第4項又は第
    5項に記載の磁気抵抗モータ。 7、前記第1の結合は前記第1のスイッチング手段(G
    TO1)に接続された巻線(22)の端部に対する前記
    第1のダイオード手段(D3)の直接接続により確立さ
    れ、前記第2のスイッチング手段(SCR1)は該巻線
    (22)の他端に接続されていることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項に記載の磁気抵抗モータ。 8、前記位相巻線は、前記第2のダイオード手段(D1
    )及び前記第1の制御型スイッチング手段(TR10)
    間に接続された1次巻線(22)と、そして前記1次巻
    線に緊密に結合された2次巻線(23)とを含み、前記
    2次巻線(23)は前記第1のダイオード手段(D3)
    を通して前記コンデンサ(C1)を充電するように接続
    されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
    載の磁気抵抗モータ。 9、前記2次巻線(23)の1端は前記第1のダイオー
    ド手段(D3)に接続されており、そしてその他端は電
    源(B^+)に接続されていることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項に記載の磁気抵抗モータ。
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