技術 リラクタンス電動機

0001

本発明は工作機械、コンプレッサ、電動車等の回転軸の駆動源として使用されるリラクタンス電動機に係り、特にトルクを増大させたリラクタンス電動機に関する。

0002

従来、リラクタンス電動機においては固定電機子の内周面に配設されたスロットに電機子コイルを捲着して形成された磁極と回転子の外周面に配設された突極との間で相互にトルクを発生する位置にある磁極を励磁し、その漏洩磁束によりトルクを発生するよう構成されていた。

0003

従って、トルクを増加させる目的で磁極と突極の間でトルクを発生する漏洩磁束を増加させるための第１の手段として磁極に捲着する励磁コイルの容量を増加させる場合はリラクタンス電動機が大形になるので励磁コイルの容量を増加させることには限界があった。第２の手段として磁極の内周と突極の外周が対向する空隙を小さくする場合は加工精度を向上させる必要があり、又回転子を保持する軸受のわずかな摩耗により磁極と突極が接触するので空隙を小さくすることには限界があった。請求項１記載の発明は回転子の突極の回転方向の幅を大きくすると共に固定子の磁極と回転子の突極との間で相互に正・逆方向のトルクを発生しない位置に在る磁極の励磁を相互に正或は逆方向のトルクを発生する位置に在る磁極の励磁に付加できるように構成して相互に正或は逆方向のトルクを発生する位置に在る磁極と突極との間の漏洩磁束を増加させてトルクを増大させることを目的としたものである。

0004

前述した目的を達成するために、円筒状の磁性体固定電機子の内周面に電気角で９０度の等しい離間角で配設された４ｎ個（ｎは２以上の正の整偶数）のスロットと，各々隣接するスロットに捲着して４ｎ個の磁極を形成させる４ｎ個の電機子コイルと，磁性体回転子の外周面に電気角で１８０度以上２７０度以下の幅で電気角で９０度以上１８０度以下の離間角で配設されたｎ個の突極と，ｎ個の突極のそれぞれを僅かな空隙を介して固定電機子の内周面と対向して保持する手段と，各々のスロットに対する突極の回転位置を検出して電気角で９０度の幅で互いに連続した２ｎ相の位置検知信号が得られる装置と，直径方向に対向する各々の電機子コイルを直列若しくは並列に接続した２ｎ相の励磁コイルと，２ｎ相の励磁コイルに直列接続した半導体スイッチング素子と，２ｎ相の位置検知信号を介して２ｎ相の励磁コイルに直列接続した半導体スイッチング素子を位置検知信号から電気角で１８０度の幅で導通して励磁コイルに通電する通電制御回路とより構成されたものである。

0005

以上説明したように本発明に係るリラクタンス電動機は電動機を大きくすることなく、又、加工精度を向上させることもなく容易にトルクを増大させる効果がある。

0006

本発明のリラクタンス電動機の１実施例の横断面図図１の電動機の固定電機子、回転子、位置検知回転子の展開図本発明の電動機を駆動するための通電制御回路図位置検知素子のコイルの位置検知信号から通電信号を得る回路図図１の電動機の回転子を図の矢印Ｒ方向に回転させるとき図４の回路より得られる位置検知信号曲線及び通電信号曲線のタイムチヤート図図１の電動機の回転子を図の矢印Ｒと反対方向に回転させるとき図４の回路より得られる位置検知信号曲線及び通電信号曲線のタイムチヤート図図１の電動機の回転子を図の矢印Ｒ方向に回転させる場合、第４相の励磁コイルの通電中第１相の励磁コイルに通電開始したときの磁束の説明図図１の電動機の回転子が図の矢印Ｒ方向に第１相の中間迄回転したときの磁朿の説明図図１の電動機の回転子が図の矢印Ｒ方向に回転し第４相の励磁コイルの通電が断たれ、第１相の励磁コイルの通電中第２相の励磁コイルに通電開始したときの磁束の説明図

0007

以下、本発明の実施例を説明する。図面に示した請求項１のｎを２とした場合の本発明の実施例の要点は、円筒状の磁性体固定電機子の内周面に電気角で９０度（機械角で４５度）の等しい離間角で配設された８個のスロットと，各々隣接するスロットに捲着して８個の磁極を形成させる８個の電機子コイルと，磁性体回転子の外周面に電気角で２２５度（機械角で１１２．５度）の幅で電気角で１３５度（機械角で６７．５度）の離間角で配設された２個の突極と，２個の突極のそれぞれを僅かな空隙を介して固定電機子の内周面と対向して保持する手段と，各々のスロットに対する突極の回転位置を検出して電気角で９０度（機械角で４５度）の幅で互いに連続した４相の位置検知信号が得られる装置と，直径方向に対向する各々の電機子コイルを直列若しくは並列に接続した４相の励磁コイルと，４相の励磁コイルに直列接続した半導体スイッチング素子と，４相の位置検知信号を介して４相の励磁コイルに直列接続した半導体スイッチング素子を位置検知信号から電気角で１８０度の幅で導通して励磁コイルに通電する通電制御回路とより構成されたものである。

0008

次に図面について本発明の実施例を詳細に説明する。図１，図２において、磁性体により円筒状に形成された固定電機子１の内周面には８個のスロット１ａ，１ｂ，．．．が電気角で９０度（機械角で４５度）の等しい離間角Ａで配設されている。１番目のスロット１ａと２番目のスロット１ｂに捲着されて磁極４ａを形成する電機子コイル２ａと５番目のスロット１ｅと６番目のスロット１ｆに捲着されて磁極４ｅを形成する電機子コイル２ｅは直列に接続され図３の第１相の励磁コイル３ａを形成している。

0009

２番目のスロット１ｂと３番目のスロット１ｃに捲着されて磁極４ｂを形成する電機子コイル２ｂと６番目のスロット１ｆと７番目のスロ１ｇに捲着されて磁極４ｆを形成する電機子コイル２ｆは直列に接続され図３の第２相の励磁コイル３ｂを形成している。３番目のスロット１ｃと４番目のスロット１ｄに捲着されて磁極４ｃを形成する電機子コイル２ｃと７番目のスロット１ｇと８番目のスロット１ｈに捲着されて磁極４ｇを形成する電機子コイル２ｇは直列に接続され図３の第３相の励磁コイル３ｃを形成している。

0010

４番目のスロット１ｄと５番目のスロット１ｅに捲着されて磁極４ｄを形成する電機子コイル２ｄと８番目のスロット１ｈと１番目のスロット１ａに捲着されて磁極４ｈを形成する電機子コイル２ｈは直列に接続され図３の第４相の励磁コイル３ｄを形成している。固定電機子１の内側には空隙を介して磁性体回転子５が設けられている。この回転子５の外周部には固定電機子１の各々隣接するスロット１ａ，１ｂ，．．．の離間角Ａ（電気角で９０度，機械角で４５度）の２．５倍の幅Ｂ（電気角で２２５度，機械角で１１２．５度）の２個の突極５ａ，５ｂが等しい離間角（電気角で１３５度，機械角で６７．５度）で配設されている。固定電機子１の外周は円筒状の枠体７に固定され回転子５の中心は上記枠体７の両端部に設けたブラケット（図示せず）に軸受（図示せず）を介して回動自在に支持された回転軸６に固定されている。各電機子コイルの通電による各磁極の磁化極性は、直径方向に対向する磁極が同極性となるように磁化させるか或は直径方向に対向する磁極が異極性となるように磁化させる。

0011

次に図１，図２のリラクタンス電動機の固定電機子１のスロット１ａ，１ｂ，．．．と回転子５の突極５ａ，５ｂの相対する回転位置を検出する機構について説明する。図２に於いて、回転子５の突極５ａ，５ｂの回転位置を標示する位置検知回転子８が回転子５に近接させて回転軸６に固定されている。位置検知回転子８はアルミニュームのような金属導体で作られ、その外周に回転子５の突極５ａ，５ｂと同じ電気角２２５度（機械角で１１２．５度）の幅の突出部８ａ，８ｂが電気角１３５度（機械角で６７．５度）の離間角で設けられている。図１の枠体に固定した図示しないブラケットには図２に示す位置検知素子となる小径の偏平なコイル９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが電気角９０度の離間角で設置され、コイル面は位置検知回転子の突出部に空隙を介して相対している。

0012

上記のように構成された本発明のリラクタンス電動機の駆動手段について説明する。図３は図１，図２に示す４相のリラクタンス電動機を駆動するための通電制御回路の宰施の１形態を示すものである。図３において、第１，第２，第３，第４の相の励磁コイル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの電源正極端子１０ａに並列に接続された正極側スイッチング素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが設けられ、又、電源負極端子１０ｂに並列に接続された負極側スイッチング素子１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈが設けられている。

0013

正極側スイッチング素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの各々の正極側端子と電源正極端子１０ａの間にコンデンサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと順方向接続のダイオード１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが各々並列に接続されている。又、第１相の励磁コイル３ａと第１の負極側スイッチング素子１１ｅの接続点と第１の正極側スッチング素子１１ａの正極側端子の間にダイオード１３ｆが逆方向に接続され、第２相の励磁コイル３ｂと第２の負極側スイッチング素子１１ｆの接続点と第２の正極側スイッチング素子１１ｂの正極側端子の間にダイオード１３ｈが逆方向に接続され、第３相の励磁コイル３ｃと第３の負極側スイッチング素子１１ｇの接続点と第３の正極側スイッチング素子１１ｃの正極側端子の間にダイオード１３ｊが逆方向に接続され、第４相の励磁コイル３ｄと第４の負極側スイッチング素子１１ｈの接続点と第４の正極側スイッチング素子１１ｄの正極側端子の間にダイオード１３１が逆方向に接続されている。

0014

又、第１相の励磁コイル３ａと第１の正極側スイッチング素子１１ａの接続点と電源負極端子１０ｂの間にダイオード１３ｅが逆方向接続され、第２相の励磁コイル３ｂと第２の正極側スイッチング素子１１ｂの接続点と電源負極端子１０ｂの間にダイオード１３ｇが逆方向接続され、第３相の励磁コイル３ｃと第３の正極側スイッチング素子１１ｃの接続点と電源負極端子１０ｂの間にダイオード１３ｉが逆方向接続され、第４相の励磁コイル３ｄと第４の正極側スイッチング素子１１ｄの接続点と電源負極端子１０ｂの間にダイオード１３ｋが逆方向接続されている。

0015

次に、位置検知回転子８の突出部８ａ，８ｂと相対する位置検知コイル９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄより位置検知信号および通電信号を得る手段について説明する。図４において、位置検知コイル９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，抵抗１６ａ，６ｂ，．．．，はブリッジ回路となり、位置検知コイル９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが突出部８ａ，８ｂに相対していないときに平衡するように調整されている。従って、ダイオード１３ｍコンデンサ１２ｅよりなるローパスフィルタの出力は等しく、オペアンプ１８ａの出力はローレベルとなる。発信回路１９は１メガサイクル位の発信が行なわれている。位置検知コイル９ａが突出部８ａ，８ｂに相対すると渦電流損により、インピーダンスが減少するので、抵抗１６ａの電圧降下が大きくなり、オペアンプ１８ａの＋端子の入力によりハイレベルの出力が端子１７ａから得られる。位置検知コイル９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄについても同様の出力が端子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから得られる。

0016

オペアンプ１８ａ，１８ｂ，．．．の端子１７ａ，１７ｂ，．．．からの出力信号は位置検知信号であり、回転子１を図１，図２の矢印Ｒ方向に回転させるとき図５の上段のタイムチヤートとして示される。図５に於いて、曲線２０ａ，２０ｂ，．．．，曲線２１ａ，２１ｂ，．．．，曲線２２ａ，２２ｂ，．．．，曲線２３ａ，２３ｂ，．．．として示され、この４組の位置検知信号の幅は電気角２２５度でそれぞれ電気角１３５度離間している。又曲線２０ａ，２０ｂ，．．．，曲線２１ａ，２１ｂ，．．．，曲線２２ａ，２２ｂ，．．．，曲線２３ａ，２３ｂ，．．．，は互いに電気角で９０度位相が遅れている。図５上段の位置検知信号は図４の出力端子１７ａ，１７ｂ，．．．からアンド回路を利用する通電信号回路２９へ入力し図５下段の通電信号の曲線２４ａ，２４ｂ，．．．，曲線２５ａ，２５ｂ，．．．，曲線２６ａ，２６ｂ，．．．，曲線２７ａ，２７ｂ，．．．，となって出力端子２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄから出力される。

0017

次に、本発明のリラクタンス電動機の作用について説明する。図３及び図５下段、図７に於て、矢印Ｒ方向に回転子５を回転させる場合、突極５ａ，５ｂの端部５ｄ，５ｅがスロット１ａ，１ｅの中央に在るとき、端子１５ａに通電信号２０ａが入力しスイッチング素子１１ａ，１１ｅが導通し第１相の励磁コイル３ａが通電励磁され漏洩磁束Ｆａ，Ｆｂによって突極５ａ，５ｂが吸引され矢印Ｒ方向に回転子５が回転する。このとき、既に端子１５ｄに通電信号２７ｄが入力しているのでスイッチング素子１１ｄ，１１ｈの導通により第４相の励磁コイル３ｄが通電励磁されている。従って、トルクを発生する磁極４ａには矢印曲線で示すように磁極４ａの電機子コイル２ａの励磁による磁束とトルクを発生しない磁極４ｈの電機子コイル２ｈの励磁による磁束の半分及びトルクを発生しない磁極４ｄの電機子コイル２ｄの励磁による磁束の半分が通り、トルクを発生する磁極４ｅには矢印曲線で示すように磁極４ｅの電機子コイル２ｅの励磁による磁束とトルクを発生しない磁極４ｄの電機子コイル２ｄの励磁による磁束の半分及びトルクを発生しない磁極４ｈの電機子コイル２ｈの励磁による磁束の半分が通る。そのため、相互に正・逆方向のトルクを発生しない位置に在る磁極４ｈ，４ｄの電機子コイル２ｈ，２ｄの励磁による磁束が、相互に正方向のトルクを発生する位置に在る磁極４ａ，４ｅの電機子コイル２ａ，２ｅの励磁による磁束に付加されるのでトルクを発生する磁極４ａ，４ｅを通る磁束は２倍になり漏洩磁束Ｆａ，Ｆｂが増加しトルクが増大する。

0018

回転子５がＲ方向に回転し図８に示す回転位置を経由して更に回転すると図９に於て、突極５ａ，５ｂの端部５ｄ，５ｅがスロット１ｂ，１ｆの中央に来ると端子１５ｄの通電信号２７ｄが断たれスイッチング素子１１ｄ，１１ｈは不導通となって第４相の励磁コイル３ｄの通電励磁が断たれて磁極４ｄ，４ｈを通る磁束は消滅する。この通電が断たれたときインダクタンスによる磁束が消滅する迄の時間電気角９０度の幅の磁極４ｄ及び４ｈが突極５ａ，５ｂと相対するように磁極２個の幅の電気角で１８０度より突極５ａ，５ｂの幅を電気角で４５度大きくして反トルクを生じない構成にしている。同時に端子１５ｂに通電信号２１ａが入力しスイッチング素子１１ｂ，１１ｆが導通し第２相の励磁コイル３ｂが通電励磁され漏洩磁束Ｆａ，Ｆｂによって突極５ａ，５ｂが吸引され矢印Ｒ方向の回転子５の回転が継続される。このとき、第１相の励磁コイル３ａの通電励磁は継続されているので、トルクを発生する磁極４ｂには矢印曲線で示すように磁極４ｂの電機子コイル２ｂの励磁による磁束とトルクを発生しない磁極４ａの電機子コイル２ａの励磁による磁束の半分及びトルクを発生しない磁極４ｅの電機子コイル２ｅの励磁による磁束の半分が通り、トルクを発生する磁極４ｆには矢印曲線で示すように磁極４ｆの電機子コイル２ｆの励磁による磁束とトルクを発生しない磁極４ｅの電機子コイル２ｅの励磁による磁束の半分及びトルクを発生しない磁極４ａの電機子コイル２ａの励磁による磁束の半分が通る。そのため、トルクを発生する磁極４ｂ，４ｆを通る磁束は２倍になり漏洩磁束Ｆａ，Ｆｂが増加しトルクが増大する。ここ迄の通電で回転子５は電気角で９０度（機械角で４５度）回転するが、この後は各相の励磁コイルに上記と同様の通電を繰り返して矢印Ｒ方向の回転が継続されるのでその説明は省略する。

0019

図１，図２の矢印Ｒ方向の反対方向に回転させるとき位置検知信号は図６の上段のタイムチヤート曲線３０ａ，３０ｂ，．．．，３１ａ，３１ｂ，．．．，３２ａ，３２ｂ，．．．，３３ａ，３３ｂ，．．．，に示す通りであり図４の出力端子１７ａ，１７ｂ，．．．からアンド回路を利用する通電信号回路２９へ入力し図６の下段の通電信号曲線３４ａ，３４ｂ，．．．，３５ａ，３５ｂ，．．．，３６ａ，３６ｂ，．．．，３７ａ，３７ｂ，．．．，となって図４の出力端子２８ａ，２８ｂ，．．．から出力される。この通電信号が図３の入力端子１５ａ，１５ｂ，．．．に入力し回転子５は矢印Ｒの反対方向に回転する。詳細な説明は上記矢印Ｒ方向回転の場合と類似するので省略する。

0020

１固定電機子
１ａ，１ｂ，．．．スロット
２ａ，２ｂ，．．．電機子コイル
３ａ 第１相の励磁コイル
３ｂ 第２相の励磁コイル
３ｃ 第３相の励磁コイル
３ｄ 第４相の励磁コイル
４ａ，４ｂ．．．磁極
５回転子
５ａ，５ｂ突極
５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ 突極端部
６回転軸
７枠体
８位置検知回転子
８ａ，８ｂ 突出部
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ 位置検知コイル
１０ａ，１０ｂ電源正、負極端子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 正極側スイッチング素子
１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ 負極側スイッチング素子
１２ａ，１２ｂ，．．．コンデンサ
１３ａ，１３ｂ，．．．ダイオード
１４ａ，１４ｂ，．．．反転回路
１５ａ，１５ｂ，．．．通電制御回路の入力端子
１６ａ，１６ｂ，．．．抵抗
１７ａ，１７ｂ，．．．位置検知信号回路の出力端子
１８ａ，１８ｂ，．．．オペアンプ
１９発信回路
２０ａ，２０ｂ，．．．，２１ａ，２１ｂ，．．．，２２ａ，２２ｂ，．．．，２３ａ，２３ｂ，．．．，回転子を図１，図２の矢印Ｒ方向に回転させるときの位置検知信号曲線
２４ａ，２４ｂ，．．．，２５ａ，２５ｂ，．．．，２６ａ，２６ｂ，．．．，２７ａ，２７ｂ，．．．，回転子を図１，図２の矢印Ｒ方向に回転させるときの通電信号曲線２８ａ，２８ｂ，．．．通電信号回路の入力端子
２９ 通電信号回路
３０ａ，３０ｂ，．．．，３１ａ，３１ｂ，．．．，３２ａ，３２ｂ，．．．，３３ａ，３３ｂ，．．．，回転子を図１，図２の矢印Ｒ方向の反対に回転させるときの位置検知信号曲線
３４ａ，３４ｂ，．．．，３５ａ，３５ｂ，．．．，３６ａ，３６ｂ，．．．，回転子を図１，図２の矢印Ｒ方向の反対に回転させるときの通電信号曲線