JPH07504079A - 二重突極型リラクタンスマシーン - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 二重突極型リラクタンスマシーン 発明の背景 本発明は、可変リラクタンスマシーンとしても公知であるスイッチ型リラクタン スマシーン（ＳＲＭ）と、ステッピングモータと、直線動作又は回転動作を生じ させるハイブリッド型ステッピングモータと、を含む一般的な二重突極型リラク タンスマシーン（ＤＳＲＭ）に関する。

二重突極型リラクタンスモーフは、ここ数年間で非常な注目を集め、多数の出版 物がその池の型式のマシーンに対するその関連する長所を論評している。ＤＳＲ Ｍは、二重突極型という幾何学的形態の性質に起因する磁気歯車比を採用する結 果、電気回路及び磁気回路の利用度が少ないにも拘わらず、大きい力を発生させ ることが確認されている。各回転サイクルの半分に亙って、正トルクを発生させ るためには、各ステータの歯しか励起させることが出来ないため、マシーンの磁 気回路の利用度は低い。

リラクタンスマシーンに適用するときの「突極型」という語は、実際の物理的な 突起を備え、又は備えない磁気突極型を意味するものであることを理解すべきで ある。

二重突極型リラクタンスマシーンは、双方が突極型を呈するステータ及びロータ を備えている。この場合、磁気突極型は、当該技術分野で一般に理解されている 意味で使用される、即ち、マシーンの作動中に、ロータとステータとの相対的位 置が変化するとき、その構成要素の構造により、作動中にマシーンの＠気回路の りラフタンスが変化するならば、そのリラクタンスマシーンの構成要素（そのス テータ、又はロータの何れか一方）は突極型であると言える。

例えば、従来のスイッチ型リラクタンスステッピングモータは、巻線が励起され 、ロータが新たな位置に向けて回転するとき、ステータ及びロータ双方の構造の ため、ステータ及びロータ双方の有効な磁気経路の断面積の主要部分が増大し、 その磁気回路のリラクタンスが低下するため、二重突極型である。作動時、別の 巻線を励起させれば、別の有効な磁気回路が選択されるが、その選択された回路 の局部的な特徴は、ロータの回転に伴って変化する。

このスイッチ型二重突極型リラクタンスマシーン及びその原理並びにその応用の 更に詳細は、１９９０年ｌＯ月２日にワシントン州、ンアトルで開催されたＩＥ ＥＥＩＡＳ会議でＪ、Ｍ、ステフエンソン（Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ）　、Ｓ　、 　Ｒ，？　ツクミニ／　（ＭａｃＭｉｎｎ）及びＪ、Ｒ，ヘンノーン３ツト・ジ ュニア（Ｈｅｎｄｅｒｓｈｏｔ　Ｊｒ、　）が発表した、ＩＥＥＥ工業応用協会 の研修過程用出版物「スイッチ型リラクタンスドライブ（Ｓｖｉｔｃｈｅｄ　Ｒ ｅ１ｕｃｔａｎｃｅ　Ｄｒｉｖｅｓ）　Ｊに記載されている。電気技師協会（ｒ ｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）のた めに、Ｐ、　Ｐ、アーカンレイ（＾ｃａｒｎｌｅｙ）がビータ・ベリグリナス・ リミテッド（Ｐｅｔｅｒ　Ｐｅｒｅｇｒｉｎｕｓ　Ｌｔｄ、　）から出版した出 版物である、「ステップモータ；その現代の理論及び実用的方法への指針（Ｓｔ ｅｐｐｉｎｇＭｏｔｏｒｓ：　ａ　ｇｕｉｄｅ　ｔｏ　ｍｏｄｅｒｎ　ｔｈｅｏ ｒｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ）　Ｊも又、ステッピングモータ一般に関する 有用な出版物である。

ステッピングモータではないが関連するマシーンして、同期リラクタンスモーフ がある。かかるモータは、ロータにのみ突極型を有し、そのステータは、誘導モ ータのステータと同様である。この型式の装置は、磁束ガイドを構成する部分に 分割された多相のステータ及びロータを備える可変速度の同期リラクタンスマシ ーンを記載する米国特許第５０１０２６７号に開示されている。このマシーンは 上述の突極の定義に基づく突極型ロータを有するが、ステータは半閉鎖型のスロ ットであり且つ突極はない。

有効な磁束路の形態的な特徴は、磁束ガイドによって設定され、ロータが回転す ると、ロータの構造にのみ起因して、この磁束路のりラフタンスが変化する。

米国特許第５０１０２６７号のステータは、かかるマシーン用の全部巻き（ｆｕ ｌｌｙ　ｐｉｔｃｈｅｄ）のかなり一般的な巻線構造である。全部巻きによる巻 線構造の重要性に関する更なる説明は、本発明の後の部分に記載する。このマシ ーンの特定の設計は、相間の相互インダクタンスの作用を可能な限り軽減するこ とを目的とするものであり、その理由は、この種のマシーンにおいては、この種 の相互インダクタンスがある場合、各相の変化する自己インダクタンスに起因す るトルクに加えるべきトルクが発生されないことが確認されているからである。

関連するマシーンの更に別の型式のものとしては、ハイブリッドステッピングモ ータがある。基本的に、永久磁石がこのマシーンにおいて、磁束の一つの構成要 素を提供し、少なくとも一つのステータの巻線の電流が交互の経路に沿りて磁束 を案内する。ロータの磁石からの磁界及びステータの巻線からの磁界という２つ の磁界が相互作用する結果、ロータにトルクが発生する。ステータの極及びロー タの歯並びに選択された励起順序がロータの動作を決定する。これらのマシーン の紹介及びその全体的な説明は、Ｐ、Ｐ、アーカンレイによる上述の出版物の９ 〜１１ページに記載されている。

スイッチ型リラクタンスモータと同様に、この型式のマシーンもＤＳＲＭである 。この場合にも、各回転サイクルの半分に亙ってトルクを発生させるためには、 ステータの磁極しか励起させることが出来ないため、そのマシーンを非常に効率 的に利用することは出来ない。

関連するマシーンの別の型式のものは、１９７４年９月のＩＥＥの議事録第１２ １巻、９号にてに、　Ｃ，７クヘルジエ（Ｍｕｋｈｅｒｊｉ）及びＡ、タステイ ン（Ｔｕｓｔｔｎ）により報告された「バーニヤリラクタンスモーフ（Ｖｅｒｎ ｉｅｒ　Ｒｅ１ｕｃｔａｎｃｅ　Ｍｏｒｔｏｒ）　Ｊ　ｌこ記載されたいわゆる バーニヤリラクタンスモーフがある。このマシーンは、自己インダクタンスの変 化に起因してトルクを発生し得るように３相に分布して配置された巻線を備えて いる。その相の各々は、最大各サイクルの半分（こ亙り、正トルクの発生に寄与 する二とが出来る。

既に、同期リラクタンスモーフに関して全部巻きの巻線について説明した。１ノ ラクタンスマシーンの「磁極ピッチ」は、同時に励起される、逆極性の２つの連 続的な極における対応する点の間の周縁距離として規定される一方、「コイルビ ・ソチ」は、１つのコイルの２つの有効導体、即ちコイル側の間の距離として規 定される。全部巻きの巻線とは、コイルピッチと磁極ビ・ソチとの比が１００％ 、換言すれば、コイルピッチと磁極ピッチとが等しい巻線である。

全部巻きの巻線は、「集中型」又は「分布型」と称することが出来る。前者１こ おいて、１つのコイルの各コイル側部間の周縁距離は、磁極ピ・ノチに等しく、 一般的に、磁極及び相当たり１つの巻線スロットが存在する。後者１こお（１て 、各巻線は、各コイル側部で多数の領域に分割され、これらの対向する領域の一 部の間の周縁距離は、磁極ピッチと等しくない。

リラクタンスマシーンにおける突極型ステータは、一般に、等間隔蚤こ離間され た多数の突出領域、即ち、ステータ磁極を支持しており、該磁極の間でコイルが スロット内に巻かれる。更に、各ステータ磁極は、その両端にて磁束ガイドとし て機能する多数の突出歯を備えることを特徴とする。ロータ自体は、半径方向に 突出する部分を有することを特徴とし、これらの突出部分は、作動時、磁極を形 成し、ロータを「突極型」にする効果がある。これとは別に、ある種の同期磁気 マシーンにおけるように、ロータ磁極は、肉眼では容易に見えないようにするこ とも出来る。ロータは、磁束ガイドとして機能する複数の突極歯をその外周の周 りに備えることが出来る。ステータ及びロータの磁極及びその任意の歯を配置す る方法は、勿論、マシーンの精密及び設計に依存する。

発明の概要 本発明の一つの目的は、マシーンの巻線方法を変更し、より効率的な作動が可能 であるようにすることにより、マシーンの巻線の利用度を増すことである。

本発明の第一の特徴によれば、各々がマシーンの作動中、ロータ及びステータの 相対的位置が変化するとき、磁気回路のリラクタンスを変化させるような構造と したステータ及びロータを備え、該ステータは、複数のループの周りを電流が流 れるのを許容し得るように配置され且つ結線された導体を支持し、該ループの各 々が、少なくとも一対の部分を有し、電流がその部分内をロータが動く方向に対 して直角の方向に反対方向に流れて磁極を形成し、そして各ループ毎に、電流を 一方向に運ぶ各部分は、逆極性の隣接する磁極が分離する距離に等しい周縁距離 だけ、その反対の方向に電流を運ぶ各部分から分離していることを特徴とするり ラフタンスマシーンが提供される。

本発明の第二の特徴によれば、共に突極型を有するステータ及びロータを備え、 該ステータが複数のループの周りを電流が流れるのを許容し得るように配置され 且つ結線された導体を支持し、該ループの各々が少なくとも一対の部分を有し、 電流がその部分内をロータが動く方向に対して直角の方向に反対方向に流れて磁 極を形成し、及び各ループ毎に、電流を一方向に運ぶ各部分は、逆極性の隣接す る磁極が分離する距離に等しい周縁距離だけ、その反対の方向に電流を運ぶ各部 分から分離していることを特徴とするりラフタンスマシーンが提供される。

本発明の第三の特徴によれば、共に突極型を有するステータ及びロータを備え、 ステータが複数のループに沿って電流が流れるのを許容し得るように配置され且 つ結線された導体を支持し、これらの導体がステータの巻線を形成し得るように 接続され、その巻線の各々が上記ループの１つの群を備え且つ電流経路を形成し 、作動時、マシーンによる相当なトルクの発生は、ロータの回転に伴って経路間 の相互インダクタンスが変化することによるものである、ことを特徴とする二重 突極型リラクタンスマシーンが提供される。

本発明のマシーンによって発生されたトルクは、巻線の自己インダクタンス１こ 起因するトルクで増強し、又は補充することが出来る。このように、本発明によ るマシーンは、一部分は相互インダクタンスに、及び一部分は自己インダクタン スに起因するトルクを発生させることが出来る。

導線は、一方向の電流のみを許容し得るように配置し且つ結線することが出来る 。

各々が多数の突極型を有するステータ及びロータの構造の結果、ステータの磁極 数は、ロータの磁極数の整数倍以外の数となる。

本発明による二重突極型リラクタンスマシーンは、モータ及び発電機とすること が出来る。

作動時、巻線は、ロータ上に完全に一方向のトルクを発生させる連続的な電流を 供給する供給手段に接続される。該供給手段は、通常、巻線を電源↓こ接続し、 必要とする一連の電流を提供するように制御されるスイ・ソチ手段を備えて０る 。

本発明の一つの利点は、一定のフレーム寸法内でトルク及び効率を著しく増すこ とが可能な点である。

本発明の好適な実施例において、単一の巻線から成る導体が隣接するステータ磁 極間でスロット内の巻線領域を略充填する。

本発明の更に別の特徴によれば、少なくとも２つの巻線を有するステータとロー タとを備え、該巻線の各々が全部巻きした／１イブリ・ンドステ・ンピングモー タ力（提供される。

図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照しつつ、本発明の特定の実施例について、−例として説明 する。添付図面において、 図１は、スイッチ型リラクタンスドライブの主要構成要素の図、図２は、２つの ステータ磁極の巻線のみを示す、６つのステーク磁極及び４つのロータ磁極（６ −４ＳＲＭ）を備える、従来技術のスイッチ型リラクタンスモータの断面図、 図３は、従来技術の６６−４ＳＲからの磁束パターンを示す図、図４は、（３つ の内の）２つの全部巻きの巻線を示す、本発明によるＳＲＭの断面図、 図５は、全ての巻線を示す、全部巻きの巻線状態を示す、本発明によるＳＲＭの 図、 図６及び図７は、ロータを反時計方向に回転させる、図５のＳＲＭについて可能 な伝導順序の例を示す図、 図８は、同時に励起された３つの全部巻き巻線の全てを示す、本発明によるＳＲ Ｍの断面図、 図９は、全ての３つの相を同時に励起させてロータを反時計方向に回転させる図 ５のＳＲＭの別の可能な伝導順序を示す図、図１０は、従来のマシーン及び本発 明によるマシーンの別の伝導順序についてのトルク角度の試験結果を示す図、 図１１は、ロータ及びステータ組立体を示す、従来のハイブリッドステッピング モータの回転軸線に沿った長手方向断面図、図１２及び図１３は、図１１の組立 体のそれぞれ断面Ｘ−Ｘ５Ｙ−Ｙに沿った横断面図、 図１４及び図１５は、１つの相及び２つの相が励起された、図１１の組立体の巻 線の励起パターンを示す図、 図１６は、本発明によるハイブリッドステッピングモータの横断面図、図１７及 び図１８は、１つの相及び２つの相がそれぞれ励起された、図１３のモータの巻 線の励起パターンを示す図である。

具体的な説明 最初に、本発明は、スイッチ型リラクタンスマシーンに適用する場合について説 明する。

図１には、スイッチ型リラクタンスドライブの主要な構成要素が示しである。

この適用例において、ＳＲＭは、モータとして機能する。

直流の給電は、電子制御装置１２の制御の下、スイッチ装置１１によりスイッチ 型すラクタンスモーク１０の巻線を横断して一定の順序で切り替えられる。この スイッチ動作は、モータシャフト上のロータ位置エンコーダ１３を使用して、電 子制御装置に信号を送ることにより、モータ１０の回転角度に正確に同期して行 われる。このようにして、モータの各巻線は、回転サイクルの一部に亙り、順に 励起される。モータ速度は、制御装置１２で設定することが出来る。ＳＲＭの原 理及びその基本的構造は、上述のＩＥＥＥ　ＩＡＳ会議の論文の４−７ページに 記載されている。

図２において、典型的な二重突極スイッチ型リラクタンスマシーンの従来技術が 示されており、ここで、６つのステータ磁極（Ｓ、−Ｓ、）及び４つのロータ磁 極（ＲＩ　Ｒ４）を備えている、即ち、５５−４ＳＲである。ステータ及びロー タは、共に積層され、励起コイルの各々は、単一のステータ磁極に支持されてお り、その反対側のコイルは、Ｎ極及びＳ極対を形成し得るように接続されている 。対向する対のステータ磁極Ｓ１、Ｓ４を励起する状態を示すべく、これらのコ イル２０．２１により形成される１相の巻線のみが示しである。図示したロータ の位置において、コイル２０．２１は、従来通りに図示する電流を流したとき、 ロータの歯Ｒ１、Ｒ８に正のリラクタンストルクを提供する。このトルクは、磁 気回路が最小のリラクタンスの形態となる傾向にあること、即ち、ロータ磁極が ステータ磁極と一直線となり、励起されたコイルのリラクタンスを最大にすると いう傾向によって発生される。このトルクは、電流の流れる方向と無関係であり 、このため、一方向の電流を使用することが出来、その他の形態のモータの殆ど に必要とされる回路と比較して、電子スイッチ回路を簡略化することが可能であ ることに注目すべきである。

図３には、同様に、−柑の巻線のみを示す図２のＳＲＭの磁束線図が示しである 。モータトルクを発生させるため、巻線の各々は、自己インダクタンスが小さい 位置に対応するロータの位置にてスイッチオンされ、自己インダクタンス力状き い位置にてスイッチオフされる。従って、巻線の谷々は、各回転サイクルの最大 限半分しか利用することが出来ない、即ち、巻線は、自己インダクタンスが低下 する期間の間は、利用することが出来ない。

次に、本発明の実施例によるスイッチ型リラクタンスマシーンについて、図４に 示した構造に関して検討する。これらの巻線は、参照符号２２．２３．２４．２ ５で示してあり、図２の構造と比較して、基本的に同一の励起パターンを形成す るために、２倍の巻線面積が利用可能であることが明らかである。

この励起パターンを実現するために２つの巻線が使用され、その巻線の各々は磁 極を横断して全部巻きされており、該磁極は、作動時、逆極性の隣接する励起磁 極を形成する。各ステータ磁極の一方の側の完全な巻線面積を利用して、その磁 極に励起状態を生じさせる。このように、一方の巻線は、導体２２．２３の群に より形成される一方、別の巻線は、導体２４．２５の群により形成される。スイ ッチ順序が正確であれば、巻線をスイッチオンにして、ロータに一方向のトルク を提供するのに必要とされる順序でロータの磁極を励起させることが出来る。

適当な電流の例は、電流の流れる反対方向を示す、通常の「十字線」及び「点」 の記号で示しである。

図５において、図４の６６−４ＳＲが示してあり、又、全ての巻線が示しである 。この場合、巻線の各々は、電流を反対方向に運ぶ、対向するステータスロフト 内の２つの群の導体を備えている。従来の巻線による６６−４ＳＲの場合と同様 に、スイッチ装！１１からの給電は、３相で行われ、導体ａ＋、ａ−の群が単− 相Ａの電気を運び、その他も同様である。

ロータに一方向の反時計方向トルクを生じさせる単一極のスイッチ順序の一例が 図６に示しである。ロータの角度θは、各相又は巻線が有効であるときを設定す る。ロータが約θ＝４５°に対応する、図５に示した位置にあるとき、相Ａ、Ｂ がスイッチオンされ、故に、ステータ磁極Ｓ５、Ｓ４が励起される。ロータの歯 Ｒ【、Ｒ３との磁束の連結により、ロータに反時計方向へのトルクが生じる。θ ＝６００の位置にて、スイッチ装置１１は、相Ａをスイッチオフにし、相Ｃをス イッチオンにし、これにより、ステータ磁’ＪＭ　Ｓ　！、Ｓ、が励起されて、 相Ｂ％Ｃのみが有効となり、ロータの歯Ｒ２、Ｒ４は、所定位置に１１勢される 。スイッチ順序は、図６に従って続行する。各導線を使用して、隣接するステー タの２つの磁極を励起状態にするが、その時間は、異なるサイクル周期であり、 このため、従来のＳＲＭ巻線構造と異なり、各相は、各サイクルの２／３の周期 だけスイッチオンされ、この周期の全体を通じ、その相がトルクの発生に寄与す る。

別の順序が図７に示してあり、該順序は、電流を巻線を通じて交互の方向に運ぶ スイッチ回路を使用する。図７のＡ「＋」は、電流が一方向に運ばれることを示 す一方、Ａ「−」は、電流がその反対方向に運ばれることを示す。

従来のスイッチ型リラクタンスマシーンにおいて、発生されたトルクは、磁束連 結−電流の軌跡によって包囲された面積から直接、求められる。改良された新た な巻線構造において、任意の１つの相の巻線を連結する磁束は、最早、単に、位 置及びそれ自体の相の電流の関数ではない。相が結合する結果、同様にその他の 相の電流に依存する相の連結状態となる。しかしながら、相が作用する毎にトル クに変換されるエネルギは、その相の軌跡の包囲された面積に等しい状態を保つ 。

ロータの歯が励起されたステータの歯と整合状態となるに伴い、従来のＳＲＭの 任意の１つの相の自己インダクタンスは増し、次式に従ってトルクが発生される 。

Ｌ Ｔ−（１／２）ｉ２−　（１） ｄｅ 一般に、複数の相が任意の瞬間的な時点に伝導する場合、この等式も一般化する ことが可能である。例えば、３相のマシーンにおいて、上記の式は、次のように なる。

ｄ　Ｌａ　ｄ　Ｌ　ｂ　ｄ　Ｌｃ Ｔ＝（１／２）ｉ、２−　＋　（１／２）ｉ、”　−＋　（１／２）ｉｃ’　− （２）ｄｅ　ｄｉｌ　ｄｅ ここで、１６、八、ｉｃは、瞬間的な相電流である。

飽和効果を無視すれば、従来のＳＲＭの各相の自己インダクタンスは、典型的に 、各回転サイクルの最大限半分に亙って増加する、このことは、この相は、かカ ルサイクルの最大限半分に亙り、モータトルクを生じさせるためにのみ励起させ ることか出来るに過ぎないことを意味する。新たな構造は、これよりもはるかに 大きい正のトルクを発生させ、故に、何らかのその池の機構を使用しなければな らない。その結果、相の間に著しい結合が存在するため等式（２）では不完全で ある。

新たな巻線構造の各相については瞬間的な電圧を考慮することにより、次式が得 られる。

ｄＬａ　ａｔ、ｂ　ｄＬｃ Ｔ＝（１／２）ｉ、”−＋　（１／２）ｉｂ２−　＋　（１／２）ｉｃ２−ｄｅ 　ｄｌｌ　ｄｅ ｄＭ、ｂ　ｄＭｂｃｄＭｃ。

＋　１ａｌｂ　＋　ｌｂｌ＋　＋　ｌｃｌｍ　（３）ｄｅ　ｄｅ　ｄθ 等式（３）を等式（２）と比較すると、各種の相間の変化する相互インダクタン スに起因して、相の間に結合が存在する場合、付加された項がいかにトルクに寄 与するかが分かる。

漏洩及び周辺領域が無視し得る程度であり、全ての鉄心の透磁性が極めて大きい と仮定した場合、図５のＳＲＭにおいて、各相の自己インダクタンスは、相電流 により発生された磁束が通るロータとステータの極との重なり合い長さに直接、 比例する。一方のロータ磁極が整合すると、別のロータ磁極は、非整合状態とな り、このため、この重なり合い長さは一定であり、ロータの位置に影響されなく なる。故に、各相の自己インダクタンスは、ロータの位置と共に変化せず、実際 、従来の方法で巻かれたＳＲＭの整合相の最大インダクタンスに等しくなる。従 って、等式（３）の右側の最初の３つの項は、零となる。かかる結論は、従来の ＳＲＭにおいて、これらの項がトルクを発生させる唯一のものである点で極めて 重要である。

上記と同一の仮定に基づき、相Ａ、Ｂ開の相互インダクタンスＭ、ゎは、次式で めめられる。

Ｎ２　１゜ ここで、Ｎ＝相当たりの巻き数。

１、＝マシーンの軸方向長さ。

１１．＝空隙長さ。

１１＝相互インダクタンスに寄与する歯の重なり合い寸法（この寸法は、図４に 一例として示したものであり、この例において、歯の重なり合い寸法は、極Ｒ２ 、Ｓ３の重なり合い距離である長さＸと極Ｒ３、ｓ４の重なり合い距離である長 さｙとの差である）。

μ。＝自由スペースの透磁性。

上述の簡単な分析の結果、−例としての６−４マシーンにおいて、相間の相互イ ンダクタンスは、負であり、３０°の回転角度に互って一定であることが分がる 。

次に、この値は、次の３０６の回転中に等しい正の値となり、別の３０’の角度 で負の値に戻り、従って、サイクルを完了させる。この理想的なマシーンにおけ る相互インダクタンスの正及び負の最大値は、任意の１つの相の一定の自己イン ダクタンスからａ洩すラクタンスを引いた値に等しい。

上述のように、本発明による理想的なマシーンは、変化する相互インダクタンス のみからそのトルクを得る。本発明により、３相以上の相のマシーンを製造する ことが出来る。かかる場合、その理想的なマシーンは、そのトルクを相互インダ クタンスの項のみから引出すものではないが、そのトルクの相当の成分は、この ようにして発生される。

例えば、ａ、ｂという２つの相が作用するとき、ロータに加えられる瞬間的なト ルクは、次式でめられる。

ｄＭ、、。

Ｔ＝　ｉ　、　ｉ　、、−−（５） Ｏ 等式（５）を等式（１）と比較すると、等式（５）の相互インダクタンスの変化 率は、等式（１，）の自己インダクタンス変化率の２１キであることが分かる。

２つの相は、共に起磁力（ｍｍｆ）に寄与〒るため、所定の瞬間的な相について 、ｍｍｆの２倍の電流が利用可能であり、このため、飽和、周辺及び端末巻線の 損失の影響を無視すれば、４倍のトルクが発生される。磁気的に飽和されたマシ ーンにおいて、ゲインは著しく小さくなるが、依然、相当な値を維持する。

図６のスイッチ順序は、これら相聞の相互インダクタンスが増大しているときの ２つの正の相の電流を使用するが、相互インダクタンスが低下するときの電流は 利用されない。図７のスイッチ順序の場合のように、双方向電流作用が行われる とき、相電流の一方は負であるため、相互インダクタンスが低下するときは、正 のトルクが与えられる。

別の励起パターンは、磁極Ｓ３、Ｓ４が励起状態にある図８に図示するように、 ３つの相の全てが同時に伝導作用をするパターンである。これは、相互インダク タンスが増大するとき及び低下するとき双方の電流が利用される。より大きいＭ ＭＦは一対のロータ歯に正のトルクを発生させるが、より小さいＭＭＦも、その 他方の対のロータ歯に負のトルクを発生させる。図９は、ロータを反時計方向に 回転させる適当なスイッチ順序が示しである。

６６−４ＳＲの代替手段として、その各々が全部巻きした６つの巻線で３相の１ １２−８ＤＳＲを構成することが出来、本発明によれば、６−４の任意の実用的 な笈数倍のマシーンを製造することが出来る。１１２−８ＳＲの作動時、多対の 巻線が同一間隔で作用するように、対の巻線に通電することにより、巻線が同時 に励起されて、有効な磁極が２対提供される。１２の巻線領域が提供され、全部 巻きの巻線が９０″だけ離間された領域を占める、即ち、各巻線の２つの部分は 、その他方の巻線が占める２つの領域だけ、離間されている。

上述の交互の励起順序を従来の方法で巻いたＳＲＭと比較するための試験を行っ た。公称定格トルク４８Ｎｍの既存の７．５　ｋ　Ｗの市販の１１２−８ＳＲを 巻き直して全部巻き巻線とした。このマシーンは、Ｄ１３２フレーム寸法であり 、コア直径２１０ｍｍ及びスタック長１９４ｍｍとした。トルクの測定は、整合 位置（０’　）及び非瞥合位置（２２，５°）の間でロータが約１６の間隔で係 止された状態で市販のトルク変換器を使用して行った。巻き直し工程を別にして 、マシーンの改造は一切不要であった。相当たｉの直巻き回数及び在線の断面積 は、従来の方法で巻いたものと同一にしたが、巻線の端部長が長いため、銅の質 量は、８．３４　Ｋ　ｇから１２゜０Ｋｇへと４４％増した。これに対応して、 ２０°Ｃにおける相当たりの抵抗値が０．７９７Ωから！、　１４７Ωへと増し た。

図１０には、その結果が示してあり、励起パターンＡ（同時に２相が伝導する単 極伝導）、パターンＢ（同時に２相が伝導する双極伝導）、パターンＣ（同時に ３つの相の全てが伝導する双極伝導）及びパターンＤ（従来の方法で巻いたＳＲ Ｍ）の場合のロータの角度に対するトルクが示しである。

この試験において、従来のマシーンにおけるピーク電流は、１５Ａであり、マシ ーンの巻線損失が等しいことを条件として試験を行った。これらの結果から、本 発明による巻線構造の場合、トルクは、著しく増大することが明らかである。従 来のマシーンは、ピークトルク４８．２Ｎｍであるが、励起Ａはピークトルク６ ６．７Ｎｍ（３８％の増加）、励起Ｂはピークトルク６７．８Ｎｍ　（４１％の 増加）、励起Ｃはピークトルク７６．８Ｎｍ　（５９％の増加）であった。

本発明は、６−４又は１２−８構造による３相ＳＲＭに関して説明した。しかし 、本発明は、そのマシーンの所定の適用例に依存して、その他の数の相及び異な る数のステータ及びロータ極を備えるマシーンにも適用可能である。本発明の適 用例として、８−６及び１１２−１Ｏ８Ｒが含まれ、又、ロータに隣接する多数 の突極領域に分割される極を備えるモータにも適用されるが、これらの例は、何 等、限定的なものではない。

ロータの（３Ｚ置に応じて相互インダクタンスを変化させるその他の巻線形態も 採用可能である。

ステッピングモータ及びハイブリッドステッピングモータの作動原理は、ＳＲＭ の作動原理と極めて類似しており、このため、本発明は、ステッピングモータ及 びハイブリッドステッピングモータの形態の二重突極型リラクタンスマシーンに も関するものである。

次に、ハイブリッドステッピングモータの形態による本発明の一実施例について 説明する。

図１１には、従来のハイブリッドステッピングモータが示しであるが、この図は 、本発明によるモータにも同様に適用可能である。ステータ巻線１０２を有する ステータ１０１は、円筒状ハウジング（図示せず）内に取り付けられた円筒状の 後部鉄心１０５から半径方向内方に突出する、長手方向に分離した２組みの有歯 極１０３．１０４から成る。モータシャフト１０６は、円筒状の永久磁石１０８ 及び２つの円筒状有歯端部キャップ１０９．１１０から成るロータ１０７を支持 する。有歯端部キャップの各々は、組みの有歯ステータ磁極の一つに対応した軸 方向位置にあり、２つの端部キャップは、それぞれ永久磁石の両磁極と磁気的に 接触している。ステータ磁極の先端とロータの端部キャップの歯の先端との間に は、小さい空隙１１１が残る。ステータ１０１及びロータの端部キャップ１０９ ．１１０は、共に積層軟鉄で形成される。

磁束経路は、点線１１２で示してあり、永久磁石１０８のＮ極からその空隙１１ １を横断し且つステータの極１０３を通って、ロータの端部キャップ１０９を半 径方向外方に進みミステークの後部鉄心１０５に沿って軸方向に、空隙を横断し てステータの磁極１０４を通って半径方向内方に進み、ロータの端部キャップ１ １０を通って永久磁石１０８のＮ極に戻る。故に、磁束は、ロータの端部キャッ プ１０９から半径方向外方に、及びロータの端部キャップ１１０に向けて半径方 向内方に流れることを要する。

従来のハイブリッドステッピングモータにのみ適用される図１２及び図１３の断 面は、それぞれ図１１の断面Ｘ−Ｘ、Ｙ−Ｙに沿って示したものである。図示し たモータは、この図で順次、ＰＬ−Ｐ８で示した８つのステータ磁極を有してお り、該磁極の各々は、均一に離間した５つの歯１２０を有し、又、両組みのロー タ磁極の対応した磁極を横断して伸長する巻線の一部を支持する。ロータの端部 キャップは、均一に離間して突出する５０の半径方向歯１２１を支持し、これら の歯の位置は図面に示すように、２つのロータの端部キャップの間で角度を成す ようにずらして配置されており、このため、１つのロータの端部キャップの歯は 、その軸方向の突出に関して、他方のロータの端部キャップの隣接する２つの歯 の間の中間位置に配置される。単一ステータ磁極の歯の間の角度は、ロータの歯 の角度に略等しい。

図面に示すように、その各々が電源Ａ又はＢの一方の相を運び且つその各々が８ つのステータ磁極のうちの１１つのｔａ（ｆ！に配置された２つの巻線が組立体 に設けられており、その巻線Ａは、Ｐｌ、Ｐ３、Ｐ５、Ｐｌに配置され、巻線Ｂ は、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６、Ｐ８に配置されている。各相の連続的な磁極は逆方向に 巻かれており、そのため、例えば、巻線Ａを励起させると、磁極Ｐ１、Ｐ５には 、一方向への磁界が生じ、磁極Ｐ３、Ｐｌには、その逆方向への磁界が生じる。

この巻線構造は、図１２及び図１３におけるように、個々の巻線として示してあ り、従来のものが利用されており、例えば、ａ＋、ａ−は、相Ａを反対方向に運 ぶ導線を示す。この巻線構造の結果、磁極Ｐ１、Ｐ３のような同一巻線の２つの 隣接するステータの磁極に磁束を発生させることが出来、ステータ巻線が励起さ れたとき、２つの磁極の磁束は、相は同一であるが、その極性は異なるものとな る。

次に、断面Ｘ−Ｘを示し、又、単一の相を作用させたときの巻線の励起状態を示 す図１４を参照しつつ、従来のハイブリッドステッピングモータの作用について 説明する。この図の斜線で示した巻線は、従来の「十字線」及び「点」符号で示 した方向への励起状態を示す。

必要とされるロータ位置に従って、特定の磁極を通る磁束の流れを促進し、又は 遮断するために巻線が使用される。図１４に示した励起状態のとき、磁極の磁界 は、磁極Ｐ１、Ｐ５内で半径方向外方に向かう一方、その磁界は、磁極Ｐ３、Ｐ ｌでは、半径方向内方に向かう。その結果、ロータは、それ自体が図１４に示し た位置に整合され、このため、ロータ歯は、ステータの磁極ＰＬ、Ｐ５の歯と整 合する一方、断面Ｙ−Ｙにて、磁極Ｐ３、Ｐｌとも整合する。故に、ステータと ロータとの磁束結合が変化するため、トルクが発生される。

相の巻線は、所望のロータ動作を生じるような順序で励起される。Ａの励起を停 止し、Ｂを逆の電流で励起させたならば、ステータ及びロータの歯は、断面Ｘ− Ｘの磁極Ｐ４、Ｐ８及び断面Ｙ−Ｙの磁極Ｐ２、Ｐ６により整合する傾向となり 、これによって、ロータを反時計方向に１ステツプだけ動かす。この方向に連続 的に回転させるため、スイッチ順序及びその結果としての整合状態を示す、次の 表に掲げたように順序を続行する。

反時計方向への回転順序 励起　Ｘ−Ｘにおける磁界　Ｙ−Ｙにおける磁界　ロータ位置（外方）　（内方 ）　（度） Ａ＋　Ｐｉ、Ｐ５　Ｐ３、Ｐｌ　０ Ｂ−Ｐ４、Ｐ８　Ｐ２、Ｐ６　１．８ Ａ−Ｐ３、Ｐｌ　Ｐｉ、Ｐ５　３．６ Ｂ＋　Ｐ２、Ｐ６　Ｐ４、Ｐ８　５．４Ａ＋　ＰＬ、Ｐ５　Ｐ３、Ｐｌ　７．２ ４ステツプから成る完全な励起サイクルの結果、同一のステータ磁極の下で歯が 整合状態となるため、ｎをロータの歯数とした場合、各ステップ長は、３６０／ ４ｎ度となる。このように、図示した例において、モータは、３６０／２００、 又は１．８度のステップ長を有し、この短いステップ長のため、かかるハイブリ ッドモータの角度位置にて極めて大きい分解能が得られる。

時計方向に回転する場合、スイッチ順序は異なり、相の励起は、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ −１Ｂ−１Ａ＋１１６１．の順序で行われる。

同時に複数の相を励起させることでトルクを増強することが出来、このことは、 −例として、断面Ｘ−Ｘにおける励起を示す図１５にモータに関して示しである 。

この反時計方向への回転の励起順序は、次の通りである。

（Ａ＋／Ｂ４）、（Ａ＋／Ｂ−）、（Ａ−／Ｂ−）、（Ａ−／Ｂ＋）、（Ａ＋／ Ｂ４）１００．。

しかし、スロットは、電流の二つの成分（図１５で傾斜部分以外の部分で図示） を逆方向に運ぶため、そのスロットの半分はＭＭＦを有しない結果、この構成は 、極めて効率が悪い。従って、これらは、損失が相当に太き（、トルクの発生の 点では殆ど利点がない。

次に、本発明の一実施例によるハイブリッドステッピングモータの図１６に示し た構造に関して説明する。この場合にも、相ＡＳＢという２つの巻線が使用され る。このとき、巻線は、ステータ磁極を横断して全部巻きであり、巻線の各々が ２つのステータ磁極に渡っている。

各ステータ磁極の両側の完全な巻線領域を利用し、正確なスイッチ順序により、 モータの所望の動作を得るのに必要とされる順序に従ってでロータ磁極を励起さ せるように、スイッチオンすることが出来る。反時計方向への回転の適当な順序 は、Ｂ＋、Ａ＋、Ｂ−１Ａ−１Ｂ＋１１１０．であり、この順序の最初のステッ プに対応するモータの位置が、図１７にＸ−Ｘ断面における状態で示されている 。この構造は、図１５に示した従来のハイブリッドモータのトルクと等しいトル クを発生させるが、巻線の有効領域における損失は半分にしか過ぎない（端部の 損失を無視した場合）。

ｌ相の伝導による基本的なＭＭＦパターンは、図１８に示すように、本発明によ るマシーンにおける２相の伝導により再現することが出来る。この場合、同一の ＭＭＦパターンを発生させるための銅面積が２倍あり、このため、所定の銅損失 に対して、より大きいトルクが得られる。これとは逆に、同じトルクに対して、 銅損失は遥かに少なくなる。この場合の適当なスイッチ順序は、次の通りである 。

（Ａ＋／Ｂ＋）、（Ａ＋／Ｂ−）、（Ａ−／Ｂ−）、（Ａ−／Ｂ＋）、（Ａ＋／ Ｂ＋）１９２．。

全部巻線のＳＲＭと異なり、このマシーンは、ステータ相間の相互作用による相 互インダクタンスからそのトルクを得るものではないことに注目すべきである。

本発明は、８つのステータ磁極を有する２相のハイブリッドステッピングモータ に関して説明したが、この例は、本発明の範囲を何等、限定するものではない。

本発明は、その他の数の磁極を有し、２以上の相を使用するステータを備えるマ シーンに適用可能である。同様に、ロータ及びステータに設けられる歯の数は、 そのマシーンの所望の適用例いかんにより変更することが出来る。

また、これらのマシーンは、一般に、マシーンの軸方向長さに沿って多数の基本 的なモータ装ａ（スタック）を備えるように設計されるが、スタックの数は適用 例に適するように選択可能であることを理解すべきである。

ハイブリッドステッピングモータを作動させる場合、上述のステータ及びロータ 組立体が必要とされるのみならず、又、巻線に多相電流を供給する手段及び所望 のスイッチ動作を行う手段も必要とされる。典型的に、ロータの／ヤフトにより 作動される光電子装置のようなロータ位置エンコーダを設けて、電子制闘装置に 信号を送り、スイッチ動作の正確な同１ｒＪＩ化を保証することが出来る。

上記の説明は、ＤＳＲＭをモータとして適用する場合に関するものである。

しかし、本発明によるＤＳＲＭは、又、発電機とすることも可能である。永久磁 極が存在しない場合、巻線は、スイッチ回路を介して電源から励起することを必 要とする。ロータは、巻線により発生されたトルクに対抗し得るように駆動され 、電気は、マシーンから電源に流れる。

本明細書及び請求の範囲において、ロータ及びステータという語は、直線マシー ンにも適用されるものであり、ロータ及びステータは、それぞれ可動部材及び静 止部材であることが理解されよう。

本発明はその特定の実施例に関して説明したが、請求の範囲の精神及び範囲に含 まれるその他の全ての実施例を包含することを意図するものである。

浄書（内容に変更なし） Ｆｉｇ、Ｉ Ｆｉ（１，７ 〜・３ Ｅ９・４ 浄書（内容に変更なし） Ｆｉｌ、９ Ｆｉｇ、７９　角度（度） Ｙ　Ｙ 手続補正書（方式）

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．リラクタンスマシーンにして、各々がマシーンの作動中、ロータ及びステー タの相対的位置が変化するとき、磁気回路のリラクタンスを変化させるような構 造としたステータ及びロータを備え、該ステータは、複数のループの周りを電流 が流れるのを許容し得るように配置され且つ結線された導体を支持し、該ループ の各々が、少なくとも一対の部分を有し、電流がその部分内をロータが動く方向 に対して直角の方向に反対方向に流れて磁極を形成し、及び各ループ毎に、電流 を一方向に運ぶ各部分は、逆極性の隣接する磁極が分離する距離に等しい周縁距 離だけ、その反対の方向に電流を運ぶ各部分から分離していることを特徴とする リラクタンスマシーン。
2. ２．請求の範囲第１項に記載のマシーンにして、導体がステータの巻線を形成し 得るように接続され、その巻線の各々が前記ループの１つの群を備え且つ電流路 を形成し、作動時、ロータの回転に伴って経路間の相互インダクタンスが変化す ることにより、マシーンによって相当なトルクが発生されるようにしたことを特 徴とするマシーン。
3. ３．請求の範囲第１項又は第２項に記載のマシーンにして、前記導体が一方向の 電流のみを許容し得るように配置し且つ結線されることを特徴とするマシーン。
4. ４．請求の範囲第１項乃至第３項の何れかの項に記載のマシーンにして、各々が 多数の突極型を有するステータ及びロータの構造の結果、ステータの磁極数がロ ータの磁極数の整数倍以外の数となることを特徴とするマシーン。
5. ５．請求の範囲第１項乃至第４項の何れかの項に記載のマシーンにして、前記導 体がステータスロット内に配置され、該スロットの各々が単一の巻線のみから成 る導体を収納することを特徴とするマシーン。
6. ６．請求の範囲第１項又は第４項、或いは第５項に記載のマシーンにして、前記 ロータが軸方向に成極された永久磁石を備え、該永久磁石が複数のロータ位置の 各位置に対し、ロータとステータの磁極との間にそれぞれの優先的な磁束路が存 在するように配置されることを特徴とするマシーン。
7. ７．請求の範囲第６項に記載のマシーンにして、前記ロータが永久磁石の各端部 に１つずつ設けられた略円形でリラクタンスの小さい２つの部材を備え、該部材 の各々がその外周の周りに等間隔に配置された複数の歯を備え、前記ステータが 、その各々が前記ロータに隣接する複数の歯を有する複数の突極型磁極を備える ことを特徴とするマシーン。
8. ８．請求の範囲第７項に記載のマシーンにして、２つの巻線と、８つのステータ 磁極と、５０個のロータ歯とを備えることを特徴とするマシーン。
9. ９．請求の範囲第１項乃至第５項の何れかの項に記載のマシーンにして、３つの 巻線と、６つのステータ磁極と、４つのロータ磁極と、を備え、又はそれらの数 の整数倍の巻線及び磁極を備えることを特徴とするマシーン。
10. １０．請求の範囲第１項乃至第９項の何れかの項に記載のマシーンにして、多相 電流を導体に供給する手段を備えることを特徴とするマシーン。
11. １１．請求の範囲第１０項に記載のマシーンにして、作動時、前記ロータに完全 に一方向のトルクを発生させるような順序で電流が巻線に供給されることを特徴 とするマシーン。
12. １２．双方共に突極型であるステータ及びロータを備え、該ステータが全節巻き の巻線構造の導体を支持することを特徴とするマシーン。
13. １３．添付図面に関して説明したものと実質的に同一の二重突極型リラクタンス マシーン、又は二重突極型リラクタンスマシーンとスイッチ手段との組合せ体。