JPH0118666B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、各磁極片に２個のくま取りコイルを
付した突極くま取り電動機に関するものである。 従来の技術 本発明者はすでに、各磁極片の後端に２個のく
ま取りコイルを縦続的に取り付け、最大トルクの
70％トルク出力時の運転効率を35％以上となるよ
うにしたくま取りコイル型単相誘導電動機の構造
を発明した（特開昭49−72602）。２個のくま取り
コイルは縦続配置であるから、理論上は磁極主部
に近いくま取りコイル（第１くま取りコイル）
が、前記主部による磁界よりも90゜遅れた交番磁
界を発生し、第２のくま取りコイルはこの90゜遅
れた交番磁界よりさらに90゜遅れた交番磁界を発
生し、これが磁極の他端（進み端）における空隙
拡大構造（傾斜面取り、又は段差）による空隙磁
束密度減少効果と相俟つて、正弦波にきわめて近
い空隙磁束分布及び比較的円滑な回転磁界の発生
に大きく寄与するものである。 なお、これ以前のくま取り電動機は、第４図に
示すように１磁極あたり、１個のくま取りコイル
しか用いないものであるか、（公知例としては、
例えば、昭和７年公告の特許第101290号、実公昭
33−6737号等）、２個のくま取りコイルを用いた
もの（フランス国特許第1495926号：1967年９月
22日登録）であつても原理的な開示のみであつ
て、２個のくま取りコイルの寸法関係等は不明で
ある。したがつて、そのような２重くま取りコイ
ル方式が広く実用に供されることはなかつたとい
える。 発明が解決しようとする問題点 本発明者による前記先行技術としてのくま取り
電動機は第３図に示した２極構成において、固定
子鉄心の外径約9.5cm、中心開口径約3.8cm、鉄心
の積層厚５cmであり、一応の設定として第１くま
取りコイル５３の磁極占有範囲（スパン）を約
30゜（電気角：以下同じ）、第２くま取りコイル５
８のスパンを約18゜とし、傾斜面取り部のスパン
を80゜とすることにより、総運転効率43.5％を得
るものであつた。なお、１極あたり１くま取りコ
イルである点以外は、これと実質上同一規格の従
来型電動機（第４図）の効率は41.8％であつた。 総じて運転効率は小型化により低下し、また小
型の場合（分数馬力以下）ほど多極化によつて効
率が低下する度合は大きくなる。計算によれば、
固定子鉄心の積層厚を前記５cmから２cmに縮小す
ると効率は約10％低下し、厚さはそのままで極数
を４にすると効率は約５％低下して33〜41％とな
る。 また、第１図に示すような固定子の内径／外径
比が小さい小型電動機（内径約4.5cm／外径約８
cm）の場合に、第６〜９図に示したくま取り電動
機の諸特性曲線より導き出される効率は、積厚
3.8cmでこれを図示の４極でなく２極とすれば33
〜39％（平均７％の低下）となり、図示のごとく
４極化すれば30〜36％（平均10％低下）、さらに
この４極構成で積厚を1.3cmに縮小すると、効率
は約20％も低下し、10〜16％となる。 ここで、第６〜９図の特性曲線を作成すべく実
験に供試された発明者による前記先行技術の具
体化としての２極突極くま取り磁極電動機と（第
３図）と、より一般的な従来技術としての２極
突極くま取り磁極電動機（第４図）の構造、及び
サイズにつき確認しておく。なお、これらは図を
簡略化するため一部を省略して図示したものであ
る。 第４図に示す突極くま取り磁極電動機３１は、
1972年10月２日の一年以上も前からゼネラル・エ
レクトリツク社から市販されているもので、回転
子３０は積厚5.08cm（2in）の成層回転子である。
回転子には等間隔をおいて18本のアルミニウム導
電棒がダイカストにより埋込み形成してあり、両
端にはアルミニウム製の短絡環が固定してある。
主巻線との関係で計算した回転子３０の抵抗は約
4.75オームであつた。 固定子鉄心３２も積厚5.08cmの成層鉄心で、積
層板はキー溝３３に差し込むキーにより一体に保
持される。 第３図に示す２極突極くま取り磁極電動機３６
は、第４図の電動機との比較検討上、回転子３４
も固定子鉄心３７も第４図の電動機３１の回転子
３０および固定子鉄心３２と基本的には同じ構造
とした。異なる点は第４図の電動機３１ではキー
溝３６が６本設けてあり、かつ磁極部４１に巻線
用のピンを挿入するための穴があけてあるが、第
３図の電動機３６ではキー溝３３が４本であり、
ピン挿入穴をあけていないことである。二つの電
動機３１，３６の構造上の大きな相違は磁極部４
１，５１の遅れ先端５５，３８の構成であるが、
この点は後述する。 上に述べた点を除いて、電動機３１，３６の構
造はほぼ同じである。たとえば回転子３０，３４
を固定子鉄心３２，３７に対して相対的に回転可
能に支承するための軸受及びこの軸受を支える構
造にも同じサイズ、同じタイプのものを使用し
た。これらの点をここで強調するのは、突極の遅
れ先端を除いてはほぼ同じ構造であるにもかかわ
らず、比較試験の結果では両方の電動機の間に運
転性能ないしは運転特性の上で顕著な差異が認め
られたからである。 第３，４図に示す電動機の固定子鉄心３２，３
７は前述の大きさ（外径約9.5cm、口径約3.8cm、
積層厚５cm）であり、実際に製作し、かつ供試し
たものである。 次に第３，４図の電動機３６，３１について詳
しく検討する。先ず第４図に示す従来の突極くま
取り磁極電動機３１では、突極４１の進み先端３
９が参照符号４０で示すように電気角にして80゜
にわたつて面取りしてある。この面取り部分４０
の半径方向の深さは導線挿入スロツト４２の中心
線４３に沿つて測つて約2.03mm（0.08in）であつ
た。 各突極部４１にはスロツトないしはノツチ４４
が設けてあり、このスロツト４４内に銅製のくま
取りコイル４６がはめ込んである。コイル収容ス
ロツト４４の入口４７の中心は中心線４３を基準
として電気角30゜の位置にあつた。したがつて、
スロツト４４にはめ込まれたくま取りコイル４６
は、各突極４１によつて形成される磁極の全幅
（スパン）のうちの30゜をくま取りすることにな
る。第３図の電動機３６におけるコイル収容スロ
ツト４８及びその入口４９のサイズおよび中心線
５２に対する相対的位置は、第４図の電動機３１
に関して述べたのと同様である。スロツト４４に
はめ込むくま取りコイル４６およびスロツト４８
にはめ込むくま取りコイル５３は共に幅7.14mm
（0.281in）、厚さ1.27mm（0.05in）の裸の平角銅で
作つた。 各突極４１，５１の周囲には固定子巻線を構成
するコイル５４，５６が集中して巻きつけてある
が、その巻数は125回で、導線には直径0.91mm
（0.0359in）の絶縁導線を用いた。電動機３１の
固定子巻線と電動機３６の固定子巻線との唯一の
相違は、電動機３１の固定子巻線の抵抗が約1.6
オームであつたのに対し、電動機３６の固定子巻
線の抵抗は約1.7オームであつたことである。こ
れはしかし電動機３６においては遅れ極性先端３
８付近ではコイルターンの長さを電動機３１の遅
れ磁極先端５５付近のコイルターンよりやや大き
くとる必要があるために生じた差である。 電動機３６における進み磁極先端３９の面取り
部分５７の周方向の幅（スパン）及び深さは共に
電動機３１における面取り部分４０と同じである
ので、上に述べた以外の相違点は電動機３６では
遅れ磁極先端３８にくま取りコイル５３の他にく
ま取りコイル５８を設けたことである。くま取り
コイル５８は直径約2.91mm（0.1144in）の裸銅線
で作り、これを遅れ磁極先端３８に設けたスロツ
ト５９にはめ入れた。遅れ磁極先端３８のうちで
くま取りコイル５８をはめ入れた部分を電動機３
１における遅れ磁極先端５５よりも設計上拡大し
てあるのは、くま取りコイル５８の発する磁束に
よつて磁気的に飽和するのを防ぐためである。し
たがつて、磁気飽和を防ぐに足る量だけ拡大すれ
ば足りる。くま取りコイル５８の幅（スパン）す
なわち中心線５２からスロツト入口６０の中心ま
でを円弧状に測つた寸法は電気角にして18゜であ
つた。２極電動機の場合、電気角は機械角に等し
い。 このような二種類の電動機３１，３６を次の方
法で試験し、試験データを比較検討した。試験は
供試電動機のシヤフトを直流電動機のシヤフトに
連結し、反作用動力計を用いて行つた。その際供
試電動機の回転速度は直流電動機の回転速度を変
えることにより精密にコントロールした。直流電
動機は実際には定速被動装置として機能した。直
流電動機に装備した回転速度計により速度を知
り、ひずみ計により種々の回転速度における供試
電動機のトルクを測つた。また適当な計器を用い
て供試電動機にさまざまな負荷を加えた時に電動
機に流れる電流Ａ及び電力Ｗも測定した。 第３図に示す構造の電動機３６は３台製作して
試験に供した。これら３台の電動機をテストして
得られた測定データの平均値を表のＢ欄に掲げ
た。Ａ欄には第４図に示す構造の電動機３台をテ
ストして得られたデータの平均値を掲げた。表
で左に記してあるのは負荷条件、試験項目等であ
る。Ａ、Ｂ欄には上にも述べたように試験によつ
て得られた測定値、測定値をもとに計算した計算
値等が記してある。

【表】

【表】 表に掲げたデータのほとんどはそれ自体で意
味が明らかであると思われるが、理解の助けとす
るために第５図に突極くま取り磁極電動機の典型
的な速度・トルク曲線を示した。表で「無負荷
状態」と言うのは供試電動機を無負荷すなわち最
高速度で運転している状態のことである。「最大
トルク」は破壊トルクとも呼ばれており、第５図
の速度・トルク曲線の最大トルク点に相当する。
「落込トルク状態」と言うのは第５図の曲線で
「落込トルク」と表記した点すなわちトルクが最
小になる状態を意味し、「70％トルク状態」とは
供試電動機に負荷を加え、その電動機が最高速度
と最大トルクの70％のトルクに相当する点の速度
で運転している状態を意味する。最後に「総効
率」とは軸受摩擦を克服するに要する出力電力を
電動機の出力電力の一部に含めて計算した効率で
あつて、（ワツト出力／ワツト入力）×100で表わ
される値である。 表の数値をみれば、１極あたり２個のくま取
りコイルを有する型（以下「２コイル型」とい
う。）の電動機は従来の１極あたり１くま取りコ
イル型（以下「１コイル型」という。）の電動機
に比べて運転特性の点で優れていることがわか
る。たとえば無負荷運転速度は、２コイル型の電
動機３６の方が１コイル型の電動機３１より高
い。さらに２コイル型電動機では最大トルクおよ
び最大トルク時の運転速度が共に向上したにもか
かわらず最大トルク電流は減少している。また最
大トルク時の入力電力が大きくなつているのは、
２コイル型電動機３６の場合には１コイル型電動
機３１に比べて力率が１により近くなつているこ
とを意味するが、これは望ましいことである。 Ｂ欄に記す落込トルク（起動トルク）はＡ欄に
記した数値より約５％低いが、Ｂ欄の拘束トルク
はＡ欄の数値より少なくとも1/3すなわち33％以
上も大きい。 表に記した各種の計算比を比較検討すれば、
２コイル型電動機３６と１コイル型電動機３１と
の重要な相違がより明白になる。すなわち２コイ
ル型電動機３６ではLRT／MT（拘束トルク対最
大トルクの比）が0.33を越え、70％トルク時の効
率が43.5％であり、またDIP／MT（落込みトルク
対最大トルクの比）の計算値からわかるように比
較的安定している。 従来は一般的な１コイル型のくま取り磁極電動
機を設計する場合には、効率を35％以上にする
か、または拘束トルク対最大トルク比（LRT／
MT）を0.33以上にするかのどちらかで満足しな
ければならなかつた。すなわち両方の条件を満た
すことは困難であつた。たとえば米国特許第
2454589号に開示されているスケルトンタイプの
くま取り磁極電動機では、複数のくま取りコイル
を用い、磁極面の一部を面取りすることによつて
拘束トルク対最大トルク比を1/3以上にすること
に成功しているが、効率はせいぜい35％どまりで
ある。 ところが、第３図に示すような２コイル型の電
動機では拘束トルク対最大トルク比を許容限度一
杯のほぼ1/3の値にまで下げるように設計するこ
とによつて効率を50％近くまで上げることができ
る。 このように２コイル型として試作した３台の電
動機３６の試験結果が予想外に良好であつたので
効果を確認するためにさらに多数の電動機を追加
製作して同様の試験を行つてみた。追加製作した
電動機も全て突極くま取り磁極電動機であつた
が、不定要因の数を少なくするために設計上次の
配慮をした。まず第１に、次の点は全ての電動機
を通じて同一とした。すなわち、一対のくま取り
コイルを備えた遅れ磁極先端の構造、固定子巻線
に用いる導線のサイズ及び巻数、固定子鉄心の積
厚、進み磁極先端に面取り部分ではなく段差（ス
テツプ）を設けて磁気抵抗を大きくすること、回
転子の積厚、回転子の短絡環、固定子鉄心用磁性
積層板の基本的な形状は同一である。第２に、次
の点を電動機毎に変えた。すなわち固定子鉄心中
の進み磁極先端に設ける段差部分の幅（スパン）
及び深さ、遅れ磁極先端に設ける一対のくま取り
コイルのそれぞれの幅（スパン）及び使用する導
体のサイズ、回転子に組込む導体のサイズ（した
がつて回転子の抵抗）は種々に変えた。 これらの電動機を追加試験して得られたデータ
を分析整理して１台の数理上のモデル電動機を想
定し、このモデルを基礎として第６〜９図に示す
種々の曲線を作成した。なおこれらの曲線は現実
の電動機の試験データからも確認することができ
た。第６〜９図の曲線の意義について説明する前
に、２コイル型突極くま取り磁極電動機では、後
に述べるように設計如何によつては効率を50％程
度に上げることも、LRT／MT比（拘束トルク
対最大トルク比）を0.6以上とし、かつ40％また
はそれ以上の効率を確保することも可能である。
たとえば効率39％、LRT／MT比が0.6である突
極くま取り磁極電動機を実際に何台か製作した。 次に第６，７，８，９図に示す種々の曲線のう
ちで点線で示すのは、第４図の電動機３１で代表
される従来の１コイル突極くま取り磁極電動機に
関するものであり、実線で示す曲線は前述した２
コイル型電動機に関するものである。 これらの特性曲線をみれば明らかなように、２
コイル型電動機の運転性能ないしは特性は１コイ
ル型電動機に比べて大変に優れている。たとえば
第６図に示すように、２コイル型電動機では70％
トルク状態でのLRT／MT比が1/3をはるかに越
え、効率も40％以上である。 第７図の曲線は70％トルク時における入力電
力／出力電力比を表わすもので、第６図の曲線を
逆さにしたものにほぼ等しい。第７図の曲線から
わかることは、落込トルク対最大トルク比
（DIP／MT）が与えられている場合において、
70％トルク状態で運転する電動機では拘束トルク
対最大トルク比（LRT／MT）を上げると入力
電力／出力電力の比が低下することである。 第８図の曲線は70％トルク負荷時の出力電力当
りの主巻線の銅損と拘束トルク対最大トルク比
（LRT／MT）との関係を示し、第９図の曲線は
70％トルク負荷時の出力電力当りの拘束入力電力
とLRT／MTの関係を示すもので、これらの曲
線にも２コイル型電動機と１コイル型の電動機の
動作特性上の差が歴然としている。たとえば第８
図から明らかなように、電動機の拘束トルク対最
大トルク比（LRT／MT）として1/3を越える高
い値を必要とする場合であつても、２コイル型の
電動機では運転時の固定子巻線の発熱（I²R損）
による電力損失は減少傾向にある。また第９図か
ら明らかなように、拘束トルク対最大トルク比
（LRT／MT）が0.33より大きい場合でも２コイ
ル型の電動機では回転子拘束状態下の必要電力量
（70％トルク条件下の運転に際して必要とされる
電力の倍数で表わした量）は比較的少ない。 第６図の曲線に関して、一般的に言つて２コイ
ル型電動機で進み磁極先端の下方における空隙磁
束密度が低下するように設計しない場合には、電
動機の70％トルク条件下での効率は第６図に示す
値より10％程度悪くなる。 さらに第６図に関して、電動機の落込トルク対
最大トルク比（DIP／MT）が決まつている場合
には、遅れ磁極先端におけるくま取りコイルの幅
（スパン）を小さくすることによりLRT／MT比
（したがつて運転効率）を高めることができる。
しかし、それに対応して進み磁極先端における面
取り部分または段差部分の幅（スパン）を小さく
し、逆にその深さを大きくすることによつて、進
み磁極先端付近における磁気抵抗を高める（すな
わち進み磁極先端付近の空隙磁束密度を低下させ
る）のが望ましい。 電動機の拘束トルク対最大トルク比が1/3以上
である場合において、この電動機の落込トルク対
最大トルク比（DIP／MT）を拘束トルク対最大
トルク比を低下させることなしに行めることが求
められることもある。そのような時には回転子の
抵抗をあげ、小さい方のくま取りコイルの幅を大
きい方のくま取りコイルの幅に対して相対的に小
さくし、大きい方のくま取りコイルに使用する導
体のサイズを大きくし、小さい方のくま取りコイ
ルに使用する導体のサイズを小さくし、進み磁極
先端付近の磁気抵抗をたとえば面取り部分または
段差部分の深さを増大させる等の方法により変更
する。なお1/20馬力程度の小型の電動機よりもた
とえば1/6、1/4馬力程度の大型の電動機の方が、
最適なくま取りコイルを設計製作するのが容易で
ある。小型電動機では遅れ磁極先端の大きさが限
られているので２個以上のくま取りコイルを装着
するのは難しくなるし、くま取りコイルの幅を製
作上の理由から一定限度以下に小さくすることも
できなくなるからである。 本発明は上記先行発明において問題となつた２
コイル型くま取り電動機の小型化及び多極化によ
る一般的な効率低下をも可能な限り防止すること
ができる固定子構造を備えた２コイル型多極くま
取り電動機を提供しようとするものである。 問題点を解決するための手段 上記の問題点を解決するため、本発明のくま取
り電動機は、磁化可能な継鉄部と、回転子受容空
間に向かつて前記継鉄部から突出した複数の互い
に隔つた磁極片とからなり、各磁極片の進み磁極
端は隣接した磁極片の遅れ磁極端から磁気的に分
離しており、前記複数の磁極片の少くとも一つに
おける進み磁極端はその磁極片の遅れ磁極端に比
して相対的に高い磁気抵抗を提供するための段
差、又はこれと等価の実効スパンを有する面取り
もしくはスロツト構造を有するとともに、その磁
極片の前記遅れ磁極端には前記段差等のスパンよ
りいずれも小さいスパンであつて、より大きい方
のスパンが前記段差等のスパンの50〜82％である
第１及び第２のくま取りコイルを装着してなる固
定子、並びに前記回転子機構を備えたことを特徴
とするものである。 一実施態様においては、前記段差の角度スパン
を電気角で59〜61゜とし、前記大きい方のくま取
りコイルのスパンが前記段差スパンの75〜82％で
あることを特徴とするものである。 別の実施態様においては、前記大きい方のくま
取りコイルのスパンが電気角30〜59゜であること
を特徴とするものである。 さらに別の実施態様においては、前記進み磁極
端の面取りもしくはスロツト構造のスパンが電気
角で65〜70゜であり、前記大きい方のくま取りコ
イルのスパンが電気角で40〜50゜であることを特
徴とするものである。 さらに別の実施態様は、４極くま取り電動機に
おいて前記大きい方のくま取りコイルのスパンが
電気角30゜より大きく、しかも磁極片の角度スパ
ンの1/3より小さいことを特徴とするものである。 作 用 小型電動機において、効率を妥当に維持するに
は定格運転速度を同期速度の70数％程度（同期速
度1800rpmに対し、1400rpm程度）にしなければ
ならず、そのためには、大きい方の（第１の）く
ま取りコイルのスパンを電気角30〜59゜、好まし
くは40〜50゜にすべきことが判明した。これが大
きくなり、磁極ピツチの1/3以上になると、落込
トルクが低下する。このようなくま取りコイルス
パンに対応した好ましい電動機性能を与える進み
磁極端部の段差は電気角59〜61゜、面取りの場合
は最低約60゜、なるべくなら65〜70゜であり、これ
らに対して大型くま取りコイルのスパンが占める
割合は、段差に対しては約50〜82％（好ましくは
75〜82％）、面取り部に対してはその約80％（逆
に面取り部スパンは大型くま取りコイルスパンよ
り約25％大）とするのが妥当であると判明した。 このような数値限定において、一般には第６〜
９図に示した特性に従うべきくま取り電動機を、
可能な限り効率を高め、かつ比較的小型及び多極
のものまで製作することが可能となつたわけであ
る。 実施例 以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に
ついて詳しく説明する。第１図に示すのは本発明
を実施して成る４極突極くま取り磁極電動機１０
で、固定子、回転子の他に図には示していないが
軸受、軸受支持構造物等から構成される。 固定子は低炭素鋼または鉄製の磁性積層板を重
ね合せてなる成層磁気鉄心２０と、この磁気鉄心
に装着した巻線（固定子巻線）とで構成される。
磁気鉄心（固定子鉄心）２０の内側にはほぼ同じ
形状の突極１２が間隔を隔てて形成してあり、こ
れらの突極１２の周囲を継鉄部が取り囲んでい
る。各突極１２の磁極部１１は固定子鉄心の幾何
学的中心を中心としてほぼその半径方向に突出し
ており、各磁極部１１の周囲にコイル１４が集中
的に配置してある。なお、第１図の突極くま取り
磁極電動機１０では、固定子鉄心の幾何学的中心
は回転子の回転運動の中心と一致する。 各突極１２の周囲に集中配置したコイル１４は
巻数の点でも用いた導体のサイズの点でもほぼ同
一である。コイル１４を周知のように相互に電気
的に結線して固定子巻線を構成する。固定子巻線
の両端に接続した外部リード線を電源につなぐと
巻線が励磁され、回転子１５が矢印Ａで示す方
向、すなわち磁極の進み先端１７から遅れ先端１
８に向かつて回転する。 図面及び説明を簡潔にするために、電動機１０
の全構成部品を示すのを避けたが、実際の電動機
には固定子鉄心２０を支える支持構造物の他に、
シヤフト１６を回転自在に支承する軸受及びその
軸受を支える構造物も含まれている。シヤフト１
６の回転支持方式も単一の軸受によつて支える場
合と、一対の軸受によつて支える場合とがある。 回転子１５も従来のやり方で製作することがで
き、たとえば固定子鉄心２０の場合と同様に低炭
素鋼または鉄製の磁性積層板を重ね合せて構成す
ることができる。後述の実施例を含めて本発明の
実施例では、磁性積層板には厚さ約0.64mm
（0.025in）のものを使用した。そして、特に回転
子用積層板にはかご形短絡巻線の導電棒を入れる
ためのスロツトが設けてある。かご形回転子に挿
入する導電棒及びこれらを短絡させるための短絡
環は、ダイカスト法によつてアルミニウムから成
形することができる。 各突極１２の進み磁極先端１７では回転子１５
の外周面と相対する面が若干削り取つてあり（面
取り）、これによつて進み磁極先端下方の空隙に
おける磁束密度が各突極１２の中心部下方の空隙
における磁束密度より低くなるようにした。この
ように図示の磁極構造では、各突極の進み先端１
７付近で磁気回路中の鉄の量が空気の量に関し、
相対的に少なくなるので、磁極先端面と回転子外
周面との間の空隙における磁束密度（空隙磁束密
度）には周方向に沿つた傾斜すなわち差異が生じ
る。このような空隙磁束密度の傾斜は他の方法に
よつても得ることができる。たとえば各突極の進
み先端部に段差（ステツプ）またはスロツトを設
け、進み先端における磁気抵抗が高くなるように
すればよい。 各突極１２の遅れ磁極先端１８には一対のくま
取りコイル２１，２２が取り付けてある。これら
のくま取りコイル２１，２２は実際には各突極１
２に設けたスロツト２３，２４にはめ入れるよう
になつており、スロツト２３，２４の外形、断面
形、位置関係等は第２図に詳しく示す通りであ
る。なお、第２図には固定子巻線やくま取りコイ
ルは全て省略し、固定子鉄心２０の積層板のみが
図示してある。 第２図からも理解されるように、遅れ磁極先端
１８におけるスロツト２３には丸形のくま取りコ
イルを収めるようになつており、これに対してス
ロツト２４には矩形のくま取りコイルを収めるよ
うになつている。くま取りコイルの形状は製作の
容易さその他の便宜上から定めたもので、２種類
のくま取りコイルの実際の断面積の大きさは、く
ま取りコイルが用途に応じて定められた電気抵抗
を持つことのできるようにとの観点から定める。
くま取りコイルの材質は経済性、加工の難易性及
びくま取りコイルの収容空間として利用可能な鉄
心内の空間を効率的に利用できるかどうかの観点
から選択する。 第１，２図では４極突極電動機の構造が示して
あるが、本発明は２極、６極その他の極数の突極
電動機にも実施可能である。 さて、第１図に示す４極電動機（固定子の積厚
1.27cm）において、特殊条件を伴わない場合の一
般的な運転効率は約20％である。また、もしこの
電動機の遅れ磁極先端にくま取りコイルを１個し
か装着しない場合には効率は16％に低下し、起動
トルクも大きく減退する。そして、このように仮
定したことにより効率が16％しかない従来型（１
コイル型）の電動機であつても、第６〜９図で点
線の曲線で示した特性上の相互関係は妥当する。
したがつて、たとえば効率が16％で落込トルク対
最大トルク比（DIP／MT）が与えられていると
すると、拘束トルク対最大トルク比（LRT／
MT）を高めるには効率を犠性にしなければなら
ない。 以上の点を念頭において、従来の一般的な１コ
イル型突極くま取り磁極電動機であつて、第１図
に示す電動機１０とほぼ同じ大きさの電動機によ
つて４枚羽根のフアンを1300rpmで回転させると
いう通常的なフアン用くま取り電動機をまず想定
する。この場合、電動機のシヤフトに取り付けた
フアンを1300rpmで回転させるために必要な回転
トルクは、約259ｇ・cmで、最大トルクは約302
ｇ・cm、起動トルク（拘束トルクLRTとも言う）
は約173ｇ・cmと指定され、これに従う限り電動
機の運転効率は約10％、せいぜい11％であり、こ
れを第１図に示した通りの２コイル型としても10
数％にすぎない。したがつて、この低い運転効率
をどうしても高める必要があるわけである。 本発明によれば、この要求に従つて運転効率を
高めるには４枚羽根フアンを1400rpmで回転させ
なければならないことがわかつた（フアンの回転
速度をこれ以上速くするとフアン効率が低下し騒
音が増大する）。フアンを1400rpmで回転させる
ためには、積厚が1.27cmで1400rpmにおける出力
トルクが242ｇ・cmの電動機を必要とする。また、
軸受及び摩擦負荷に打勝つためのトルクの他に、
130ｇ・cmの起動（拘束）トルクを必要とする。
このような条件下で運転効率を高めるための改変
を電動機に加えるのであるが、従来のやり方では
回転子の抵抗を小さくし、巻線材料をできる限り
多量に使用し、回転部の摩擦を少なくして必要な
起動トルクを小さくすることであり、その結果達
成できる運転効率はせいぜい15％程度であつた。
ところが、本発明に従つた２コイル型電動機を構
成すると約20％の効率を実現できる。 第１図に示す電動機１０の如き電動機によつて
フアンを1400rpmで回転させるには、大きなくま
取りコイルの幅（スパン）を電気角40〜50゜の間
に設定するのが望ましい。第１図でスロツト２４
の入口中心は電気角約44゜であり、最適角45゜に近
似している。大形くま取りコイルのスパンは、な
るべくなら電気角40〜50゜の間で変更することが
できるが、もし大形くま取りコイルのスパンが磁
極ピツチの1/3（すなわち電気角60゜）であるとす
ると、電動機の主巻線とくま取りコイルの第３高
調波間の空間位相のずれはゼロになる。その結
果、起動トルクが付加されることはなく、落込ト
ルクが低下することになる。電動機の進み磁極先
端に設ける面取り部分または段差部分の最適幅
（スパン）を種々検討のうえ定めたが、それによ
ると段差を設ける場合には電気角59〜70゜が望ま
しい（場合によつては60゜まで狭めることができ
る）。大形くま取りコイルのスパンはたとえば第
３図について説明すると、中心線５２からくま取
りコイル収容スロツトの入口の中心までの間隔で
あり、段差部分のスパンも同じ中心線から測るの
であるが、大形くま取りコイルのスパンと段差部
分のスパンとの関係については次のことが言え
る。すなわち段差部分のスパンは大形くま取りコ
イルのスパンより約25％大きくするのが望まし
い。しかし、小型の電動機ではこの条件を満たす
ことが困難であるので、その場合には段差部分の
スパンをくま取りコイルのスパンより18％程度大
きくするだけでもよい。したがつて、大形くま取
りコイルのスパンの上限は電動機のサイズ如何に
応じて電気角45〜49.2゜、すなわち段差部分のス
パンの約75〜82％となる。他方、大形くま取りコ
イルのスパンが段差部分のスパンの50％以下（す
なわち電気角30゜以下）になると、電動機の速
度・トルク曲線中に有害な落ち込みが生じる。こ
れまでに述べた処より明らかなように、本発明に
従つて構成した電動機であつて、進み磁極先端に
面取り部分ではなく段差部分を設ける場合には、
大形くま取りコイルのスパンをその段差部分の約
50〜82％に設定しなければならない。さらに、運
転効率の観点からみた大形くま取りコイルのスパ
ンの最適範囲は段差部分の約75〜82％で、段差部
分のスパンは電気角60゜（すなわち磁極幅の1/3）
程度に定めるのが望ましい。 上に述べた数値は遅れ磁極先端に設けるくま取
りコイルの幅（スパン）と進み磁極先端付近に設
ける段差部分の幅（スパン）との望ましい関係に
係わるものであるが、同様のことは進み磁極先端
近辺に磁気抵抗を高めるための面取り部分または
内部スロツトを設ける場合にもあてはまる。当該
技術分野に属する人であれば、既に述べた段差部
分と同様の効果を発揮することのできる面取り部
分の幅及び深さを計算することはさほど困難では
ない、既に述べた段差部分と同等の磁気抵抗を生
ずることのできる内部スロツトのサイズ及びその
形成個所の割り出しについても同じことが言え
る。したがつて、面取り部分や内部スロツトにつ
いて経験上得たデータや数学的な分析についてあ
れこれ述べるのを省略し、特許請求の範囲では単
に「これ（段差）と等価の実効スパンを有する面
取りもしくはスロツト構造」又は「段差構造に基
づいて決定した高磁気抵抗特性」という表現をし
た。そして、この表現を前述した特定の幅を有す
る段差部分の生じる磁気抵抗上の効果ならびにこ
れと同等の効果を生じることのできるように大き
さ、位置を定めた面取り部分及び内部スロツトの
発揮する磁気抵抗上の作用効果を含む意味で用い
た。 図に示した実施例の電動機では、間隔をおいて
形成した各突極には進み磁極先端と遅れ磁極先端
とが設けてあるが、各突極における進み磁極先端
はこれと隣り合う別の突極の遅れ磁極先端と空間
を介して離れている。すなわち両者の間にはこれ
らをつなぐ透磁性物質は実質上存在しないので、
一つの突極における磁極先端から出る磁束が別の
突極の磁極先端に剥けて直接短絡するようなこと
はない。したがつて、一つの磁極先端から発した
磁束は空間を通つて別の磁極に向かうのではな
く、回転子との間の空隙を横切つて回転子に入り
込む。 隣接する磁極先端を空間によつて隔てるのでは
なく、両者の間をプラスチツク、木等の非磁性体
で作つたスペーサないしはプラグで埋め合せるこ
ともできる。この場合でも両磁極先端間は依然と
して磁気的に分離されている。したがつて、「各
磁極を相互に隔てて設けることによつて、各磁極
の磁極先端が他の磁極の磁極先端から分離される
ようにする」と言つても、それは異なるに磁極に
属する磁極先端が相互に単に空間的に分離してい
るという意味ではなく、「磁気的」に分離してい
るという意味である。 以上に詳しく説明したように、本発明によれば
さまざまな特長を備えた突極くま取り磁極電動機
を得ることができる。たとえば本発明によれば、
これまで運転効率40％を越える電動機では象限と
考えられていた値を越える拘束トルク対最大トル
ク比を有する突極くま取り磁極電動機の製作が可
能となる。また本発明の電動機では、落込トルク
対最大トルク比を適切な値で定めることによつて
安定性を高めることができる。さらに運転効率を
犠牲にすることなく、与えられた最大トルクに対
する拘束トルクの大きさを増大させることができ
る。したがつて、これまで高価な誘導電動機が使
われていた機械的用途にも利用できる突極くま取
り磁極電動機の設計が可能となる。さらに、機械
的用途よりも高い運転効率が要求される他の用途
にも使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した突極くま取り電動機
の構成を一部を断面で一部を省略して概略的に示
す側面図、第２図は第１図の電動機の固定子鉄心
を構成する積層板の平面図、第３図は本発明を説
明する基礎データを得るために製作された別の突
極くま取り電動機の構成を一部を断面で一部を欠
損して示す側面図、第４図は従来の一般的な突極
くま取り電動機の構成例を概略的に示す側面図、
第５図は突極くま取り電動機一般の速度・トルク
特性を示す曲線、第６〜９図は従来一般の突極く
ま取り電動機と前記基礎データ用突極くま取り電
動機の種々の運転特性を示す曲線であつて、第６
図の曲線は70％トルク負荷時の総効率と拘束トル
ク対最大トルク比（LRT／MT）との関係を示
し、第７図の曲線は70％トルク負荷時の入力電力
対出力電力比と拘束トルク対最大トルク比
（LRT／MT）との関係を示し、第８図は70％ト
ルク負荷時の単位出力電力当りの主巻線の銅損と
拘束トルク対最大トルク比との関係を示し、第９
図の曲線は70トルク負荷時の拘束入力電力対出力
電力比と拘束トルク対最大トルク比の関係を示す
ものである。 １２……突極、１４……固定子コイル、１７…
…突極１２の進み磁極先端、１８……突極１２の
遅れ磁極先端、２１，２２……くま取りコイル、
２３，２４……くま取りコイル収容スロツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁化可能な継鉄部と、回転子受容空間に向か
   つて前記継鉄部から突出した複数の互いに隔つた
   磁極片とからなり、各磁極片の進み磁極端は隣接
   した磁極片の遅れ磁極端から磁気的に分離してお
   り、前記複数の磁極片の少くとも一つにおける進
   み磁極端はその磁極片の遅れ磁極端に比して相対
   的に高い磁気抵抗を提供するための段差、又はこ
   れと等価の実効スパンを有する面取りもしくはス
   ロツト構造を有するとともに、その磁極片の前記
   遅れ磁極端には前記段差等のスパンよりいずれも
   小さいスパンであつて、より大きい方のスパンが
   前記段差等のスパンの50〜82％である第１及び第
   ２のくま取りコイルを装着してなる固定子、並び
   に前記回転子受容空間内で回転可能に支持された
   回転子機構を備えたことを特徴とするくま取り電
   動機。 ２ 前記段差の角度スパンを電気角で59〜61゜と
   し、前記大きい方のくま取りコイルのスパンが前
   記段差スパンの75〜82％であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の電動機。 ３ 前記大きい方のくま取りコイルのスパンが電
   気角30〜59゜であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の電動機。 ４ 前記進み磁極端の面取りもしくはスロツト構
   造のスパンが電気角で65〜70゜であり、前記大き
   い方のくま取りコイルのスパンが電気角で40〜
   50゜であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の電動機。 ５ ４磁極片を有し、前記大きい方のくま取りコ
   イルのスパンが電気角で30゜より大きく、しかも
   磁極片の角度スパンの1/3より小さいことを特徴
   とする特許請求の範囲第１、３又は４項記載の電
   動機。 ６ 磁極片の少くとも一つに密着して支持された
   導体ターンからなる少くとも一つの集中巻コイル
   群を形成してなる巻線を含み、前記巻線が与えら
   れた電圧で付勢される際の拘束トルク対最大トル
   ク比を少くとも33％となるようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１〜５項のいずれか１項
   に記載の電動機。 ７ 回転子機構が短絡かご型回転子を含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１〜４項のいずれか
   １項に記載の電動機。 ８ 磁気鉄心と複数のコイル群から或る巻線とを
   有する固定子と、固定子に関して相対的に回転可
   能な回転子とから成り、前記固定子磁気鉄心は継
   鉄部と相互に磁気的に隔離して形成した複数の磁
   極を有し、各磁極には進み磁極端と遅れ磁極端と
   を設けると共に、各磁極中の進み磁極端を隣接す
   る他の磁極の遅れを磁極端から磁気的に隔て、各
   遅れ磁極端には第１及び第２短絡くま取りコイル
   を取り付け、複数の磁極の少くとも一つの磁極の
   周囲に少くとも一つの集中コイル群を近接して配
   置し、前記回転子は短絡かご形回転子で固定子の
   中心開口内に磁極の先端面から空隙を隔てて配置
   し、各磁極の進み磁極端には磁極ピツチの約1/3
   のスパンを有する磁気抵抗増大用の段差、又は前
   記極ピツチの1/3の段差により形成されるものと
   実質的に等しい磁気抵抗を提供するための面取り
   もしくはスロツト構造を設け、第１くま取りコイ
   ルのスパンを電気角約30〜59゜の範囲内に定め、
   第２くま取りコイルのスパンを第１くま取りコイ
   ルのスパンより小さくしたことを特徴とする突極
   くま取り電動機。 ９ 与えられた電圧で巻線を励磁中の拘束トルク
   対最大トルク比が少なくとも約0.33であるように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第８項記載
   の電動機。 １０ 回転子機構がシヤフトと複数の導体を有
   し、各磁極片がシヤフトからほぼ半径方向に突出
   する部分を有し、継鉄部が磁極片と複数の導体を
   ほぼ完全に取り囲むことを特徴とする特許請求の
   範囲第８又は第９項記載の電動機。 １１ 各磁極の進み磁極端が電気角約65〜70゜の
   スパンにわたつて面取り部分を形成し、前記スパ
   ンの大きいくま取りコイルを電気角約40〜50゜の
   範囲内のスパンを有するスロツトに収めたことを
   特徴とする特許請求の範囲第８〜１０項のいずれ
   か１項に記載の電動機。