JPH08317617A - 単相可変リラクタンス電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単相可変リラクタンス電動機の回転子を適当
な始動トルクを発生できる位置に止める。 【解決手段】 単相可変リラクタンス電動機において、
電動機をオフしたとき回転子を望ましい始動位置に止め
るため、１個以上の永久磁石が付勢コイルを形成してい
る巻線に挿入されている。また、付勢コイルを中央穴か
ら分離するため、一対のスロットウェッジが配置されて
いる。スロットウェッジを中央穴に保持するため、スロ
ットウェッジが固定子極に形成された切欠部に挿入され
る。永久磁石を中央穴に露出するため、スロットウェッ
ジは永久磁石と並んだ開口部を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に可変リラク
タンス電動機に関する。さらに詳細には、本発明は、回
転子を常に望ましい始動位置に停止し、それによって電
動機を確実に始動するための永久磁石を使用する単相可
変リラクタンス電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】単相可変リラクタンス電動機は、先行技
術でよく知られている。このような装置は、特に構造が
簡単で、低コストの電子コントローラで作動できる。し
たがって、単相可変リラクタンス駆動装置は、ファンと
かポンプのような特定の低コストの用途で魅力的な選択
である。

【０００３】このようなブラシレス電動機は、１個以上
の励磁巻線と、１つの磁気回路を使用し、巻線アンペア
ターンの二乗と電動機中の回転子の変位の関数である磁
気回路インダクタンスの角度変化率にほぼ比例する機械
的トルクを発生する。典型的には、このような電動機
は、１個以上の巻線を含む１個の固定子と、ベアリング
で固定子に対して同軸状に取り付けられた１個の回転子
を使用している。固定子に対する回転子の変位が、磁気
回路のリラクタンスを変化する。

【０００４】可変リラクタンス電動機が発生するトルク
は、巻線アンペアターンの二乗と回転子変位の関数とし
てのインダクタンスの角度変化率の積に比例する。した
がって、任意の基準に対して正である電動機トルクは、
回転子変位とともにインダクタンスが増加する時間間隔
中、巻線アンペアターンが維持されるときだけ、発生で
きる。逆に、回転子変位とともにインダクタンスが減少
する時間間隔中、巻線アンペアターンが維持されると
き、負の電動機トルクが発生する。可変リラクタンス電
動機を連続して回転させるために、インダクタンスが増
加する時間間隔中、電動機巻線にアンペアターンを加
え、またインダクタンスが減少する時間間隔中、このア
ンペアターンを減少するか、除去することが必要であ
る。

【０００５】前記のように回転子の変位とともにインダ
クタンスが増加する時間間隔中、巻線に給電できるよう
に、また回転子の変位とともにインダクタンスが減少す
る時間間隔中、巻線への給電流を減少するか、できるな
ら無くすように、巻線への給電を回転子の機械的回転と
同期しなければならないことは、明らかである。直流電
源のような電気エネルギーの時間的に不変な電源を使用
するとき、電圧または電流の同期パルスを発生する制御
器が必要である。パルスが巻線に加えられ、また除去さ
れる瞬間は、制御器に回転子位置を示すデータを送る回
転子位置変換器（rotor position transducer，ＲＰ
Ｔ）によって決定される。

【０００６】単相可変リラクタンス電動機は、構造が簡
単であるが、幾つかの欠点がある。

【０００７】図１は、公知の単相可変リラクタンス電動
機の場合の回転子の角度変位に対する始動トルクの典型
的なプロットを示す。これから、機械が、たとえば、点
２と点４間でのみ正方向トルクを発生することが判る。
正の方向に回転するため、回転子位置が点２と点４間に
あるときのみ励磁コイルに給電され、回転子位置が５と
６間にあるとき給電されないことが望ましい。点１と点
２間、また点４と点５間の領域では、電流は全くトルク
を発生しない。したがって、サイクル全体での望ましい
方向の平均トルクが最大トルクＴｍａｘよりはるかに少
ないことは明らかである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図１が示すように、単
相可変リラクタンス電動機のトルクは回転子位置ととも
に変化する。図１から明らかな、単相可変リラクタンス
電動機のさらに重大な欠点は、望ましい方向に僅かなト
ルクしか発生しないか、または全く発生せず、したがっ
て、電動機を始動できない停止位置を、回転子が取るこ
とである。これは点１〜点２と点４〜点６によって定義
される領域のいずれの位置にも対応している。

【０００９】この問題を解決する方法として、適切な始
動トルクを発生できる位置、たとえば、図１の点３に回
転子を「駐車する」ため、小型永久磁石を使用してき
た。このような解決法は、欧州特許１６３３２８および
６０１８１８に記載されている。これらの特許は、電動
機を再始動するのに充分なトルクを発生する位置に回転
子を「駐車」するため、適切な角度で最適な状態に１個
以上の小型永久磁石を固定子構造に配置する方法を開示
している。上記の通り、電動機が再始動するならば、回
転子が停止してはならない臨界領域がある。この臨界領
域内の磁石の磁場によって発生したトルクがベアリング
による摩擦を克服するのに充分でなければならず、そう
でなければ、回転子が臨界領域で停止してしまう。これ
が起こるならば、電動機は始動しないだろう。止め磁石
は、回転子がこの臨界領域に停止しないようにする。

【００１０】公知のシステムで使用されているような止
め磁石の１つの欠点は、止め磁石が物理的スペースを占
め、止め磁石を適切に配置する追加製造ステップを必要
とすることである。さらに、これまでは、２個の固定子
極と２個の回転子極とを有する可変リラクタンス機械で
は、止め磁石を使用するのは困難だった。止め磁石を使
用する幾つかの公知の可変リラクタンスシステムでは、
回転子と固定子両方が４個の極を有する。このような４
／４電動機では、回転子が停止した位置が電動機の付勢
時に充分な始動トルクを発生する位置にあるように、通
常、止め磁石に都合の良い位置を見いだせる。２個の固
定子極と２個の回転子極とを有する電動機（２／２電動
機）では、磁石を取付け、磁石がなお好ましい位置に回
転子を止めることができる位置を同定するのが困難であ
る。公知の技術に基づいて、一般には、２／２電動機で
は止め磁石を都合良く使用できなかった。このことは、
２／２極の組み合わせが多くの場合、高速運転に有利で
あるので、止め磁石の使用を不利にする。

【００１１】本発明は、先行技術のこの欠点と他の欠点
を克服することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、軸の周囲に位
置する一対の固定子極を形成する固定子と、該軸の周囲
を回転するように配置された回転子と、固定子極の少な
くとも１つの周囲に巻かれた少なくとも１個の付勢コイ
ルと、コイルを付勢しないとき、回転子が望ましい始動
位置に位置するように、コイル内に配置された少なくと
も第１の磁石とを含むことを特徴とする単相可変リラク
タンス電動機を提供する。また本発明は、固定子極が、
半径方向内方に突出し、部分的に固定子極間に中央穴を
形成することを特徴とする。また本発明は、さらに、中
央穴と第１の磁石に隣接したコイル間に介在する第１の
スロットウェッジを含むことを特徴とする。また本発明
は、スロットウェッジが、磁石が中央穴に露出するよう
に磁石の位置と並んでいる開口部を形成することを特徴
とする。また本発明は、固定子極の対が、スロットウェ
ッジを位置固定するためにスロットウェッジが連動する
切欠部を有することを特徴とする。また本発明は、さら
に第２の磁石を含み、各々が固定子極の１つずつを励起
するように配置された第１の付勢コイルおよび第２の付
勢コイルを備え、第１の磁石と第２の磁石がそれぞれ第
１の付勢コイルと第２の付勢コイル内に配置されている
ことを特徴とする。また本発明は、さらに、中央穴と第
２の磁石に隣接したコイル間に介在する第２のスロット
ウェッジを含むことを特徴とする。また本発明は、付勢
コイルが、固定子極に隣接した１個の内側巻線と、１個
の外側巻線とから成り、磁石が内側巻線と外側巻線間に
配置されていることを特徴とする。本発明は、主軸を形
成する一対の突極（projecting pole）と、固定子の主
軸と同軸状に回転可能なシャフトに取り付けられた１個
の回転子とを含む単相可変リラクタンス電動機に関す
る。典型的には、固定子極は内側に突出しており、中央
穴で終わっている。回転子は中央穴内に回転可能に配置
されている。複数の固定子極は、一般には、直径上、対
称的に対向するように配置されている。回転子はシャフ
トに取り付けられ、一般に直径上、対称的に対向するよ
うに配置されている一対の極を有する。固定子と回転子
は、典型的には、強磁性材料の積層体から形成されてい
る。付勢コイルは、固定子極の一方または両方の周囲に
巻かれている。付勢されるとき、付勢コイルは機械の磁
気回路に磁束を発生する。この磁束は、回転子にトルク
を伝え、回転子を回転する。本発明に従えば、１個また
は一対の永久磁石が付勢コイルを形成する巻線に挿入さ
れ、電動機がオフされるとき、回転子を好ましい始動位
置に止める。一対の磁石を使用するならば、磁石は直径
上、対称的に対向するように配置されている。本発明に
従えば、付勢コイルを中央穴から分離するため、１個ま
たは一対のスロットウェッジ（slot wedge）が設けられ
ている。スロットウェッジは、固定子極に形成された切
欠部に挿入され、この切欠部は中央穴周囲の正確な位置
にスロットウェッジを保持している。スロットウェッジ
には開口部があり、この開口部に永久磁石が挿入されて
いる。ウェッジが中央穴に対して正確な位置に磁石を保
持しているので、止め磁石と回転子極間の分離を減少し
て、磁石が回転子極により強い磁力を伝えることができ
る。電動機がオフされるとき、回転子極に作用する唯一
の力は永久磁石によって伝えられる磁力である。この力
は、電動機が再付勢されるとき、電動機が適切な始動ト
ルクを発生する予め選択した位置に回転子を並べる。

【００１３】本発明の前述の特徴と他の特徴は、添付の
図面を参照して、以下の本発明の実施の形態の詳細な説
明で充分に理解される。

【００１４】

【発明の実施の形態】図２において、先行技術の単相可
変リラクタンス電動機は一般に、参照符号１０で示され
る。説明を容易にするため、２個の固定子極と、２個の
回転子極とを有する最も簡単な形状の電動機（つまり、
２／２電動機）がここに示されている。

【００１５】電動機１０は、固定子１２と回転子１４と
を含む。固定子１２には、図２から外側に伸びて主固定
子軸を形成している一対の突極１６と１８がある。図２
では、極は内側に伸び、中央穴で終わっている。極１６
と１８は相互に１８０度離れて配置されている。固定子
１２と回転子１４は強磁性材料の積層体から形成されて
いる。付勢コイル２４と２６は極１６と１８のそれぞれ
に巻かれている。別のターン数でもよいが、一つの側で
は、付勢コイル２４と２６は各極１６と１８の周囲に２
２０ターン巻かれている。付勢されるとき、コイル２４
と２６は、固定子極１６と１８を一時的に磁化する。

【００１６】回転子１４は複数の突極３０と３２を有し
ている。回転子１４は、固定子の主軸と同軸状に回転可
能なシャフト２８に取り付けられている。図２では、回
転子極は外側に伸びており、また回転子は中央穴内に回
転可能に配置されている。

【００１７】付勢コイル２４と２６が典型的に、電源
（図示せず）からコイルに電圧をかけて付勢されると
き、極１６と１８は「磁化し」、電磁極を形成する。こ
のような磁極は、回転子１４の極３０と３２を引きつ
け、回転子にトルクを伝える。

【００１８】回転子１４が図３Ａに示す位置Ａにあり、
固定子極１６と１８が付勢されるとき、大きいトルクが
回転子１４に時計まわりに伝わる。固定子極１６と１８
は、回転子１４が図３Ｂに示す完全に並んだ位置に接近
するまで、付勢される。完全に並んだ位置で、回転子１
４に伝わるトルクはゼロである。作動中、回転子１４が
この位置を通る瞬間に、またはその近くの時点で、固定
子極１６と１８は消勢され、回転子１４は自由に回転す
る。固定子極１６と１８がこの点で、またはその近くの
時点で消勢されないならば、負のトルクが回転子１４に
加わり、その回転方向を逆転しようとするだろう。上記
の通り、電動機１０が「オフ」にされるとき、回転子１
４が完全に並んだ位置で停止するならば、回転子１４
は、「付勢された」固定子極１６と１８のみによって発
生した電磁力によっては再始動できない。回転子１４は
この位置で動かなくなる。

【００１９】位置Ｃ（図３（Ｃ）に示す）では、固定子
極１６と１８は消勢状態が続くので、回転子１４は自由
に回転できる。回転子１４は、最小インダクタンス位置
として知られている位置Ｄ（図３（Ｄ）に示す）に達す
るまで、時計まわりに自由に回転する。この位置で回転
子１４に伝わるトルクはゼロである。回転子１４が位置
Ｄを通る瞬間またはその近くの時点で、固定子極１６と
１８は再度、付勢され、回転子にトルクが伝達される。
回転子１４が再び、位置Ａに達すればすぐに、トルクは
高い値に増加する。図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に示すよう
に、回転子１４が位置Ａから、位置Ｂ、ＣおよびＤを経
て位置Ａに戻るので、回転子１４は１８０度回転するこ
とになる。

【００２０】本発明の目的は、回転子１４が望ましい方
向に適当な始動トルクを発生できない位置に停止すると
き、電動機１０を再始動できない先行技術の問題を克服
することにある。このような２つの位置は一般には、図
３Ｂと３Ｄに示されている。本発明では、付勢コイル２
４と２６それぞれの内部に１つまたは一対の永久磁石を
配置してこの問題を解決している。この構成では、電動
機１０の信頼できる再始動を保証できる停止位置を、回
転子１４が取るようになっている。

【００２１】図４に、本発明の一つの実施の形態が示さ
れている。この実施の形態で、一対の永久磁石３４と３
６が付勢コイル２４と２６のそれぞれに挿入されてい
る。磁石３４と３６は、極１６と１８それぞれの周囲に
配置されているので、各磁石は一般に、他の磁石に対し
て１８０度の角度に配置されている。この構成によっ
て、電動機１０がオフされるとき、完全に並んだ位置か
ら角度αの位置でまたはその近くの位置に回転子１２を
「駐車する」。図示通り、中心穴２０に突出している磁
石の端部は、回転子極の曲率半径に一致する値を持つよ
うに、製造、加工または仕上げることができる。別の形
状として、端部は平坦でもよい。

【００２２】電動機１０がオンされ、固定子極１６と１
８が付勢されるとき、回転子極３０と３２は固定子極１
６と１８の方向に引きつけられるので、回転子１４の時
計まわりの回転を開始する。当業者に認識されるよう
に、反時計まわりに回転するのが望ましいならば、磁石
３４と３６は固定子極１６と１８の反対する側に配置し
なければならない。当業者に判るように、αが９０度未
満である限り、巻線中に磁石３４と３６が配置される位
置に応じて、角度αを変化できる。

【００２３】極１６と１８それぞれの周囲の付勢コイル
２４と２６の巻線は、内側巻線３８ａと外側巻線３８ｂ
によって形成される。磁石３４と３６は、内側巻線３８
ａと外側巻線３８ｂの間に配置される。内側巻線３８ａ
と外側巻線３８ｂ各々は、付勢コイル２４と２６のどん
なターン数でも持てる。一つの例では、内側巻線３８ａ
には１００ターンがあり、外側巻線には１２０ターンが
ある。

【００２４】別の実施の形態（図示せず）では、内側巻
線３８ａのターンおよび／または外側巻線３８ｂのター
ンのある部分については、磁石３４と３６の背後の空隙
を利用している。

【００２５】本発明のさらに他の実施の形態は図５に示
されている。この実施の形態では、中央穴２０から付勢
コイル２４と２６を分離するために、一対の曲線状のス
ロットウェッジ４０と４２が配置されている。対の曲線
状スロットウェッジの各々４０と４２には、図６に示す
ように、開口部４４がある。スロットウェッジ４０と４
２は、図５に示すように、固定子極１６’と１８’内に
形成されている切欠部４６に保持されている。開口部４
４は、磁石３４と３６と並んでいるので、磁石は中心穴
２０に近接して配置されており、これによって、磁石は
他の場合で可能なよりも大きい磁力を回転子極３０と３
２に作用できる。

【００２６】図６では、複数の開口部４４は、スロット
ウェッジ４０と４２の中心に関して一般に対称的に示さ
れている。磁石が主に回転子１４の片端部に作用するよ
うに、開口部をスロットウェッジの片端部に向けて配置
する実施の形態も可能である。

【００２７】磁石３４と３６は、回転子極３０と３２に
作用する磁力が、特定の用途で回転子１４を望ましい始
動位置に並べるのに充分であるように、選択される。こ
れによって、回転子が動いているときの磁石の存在と関
連した寄生損失が最小になり、電動機の効率低下が減少
する。

【００２８】図４に示す電動機１０の固定子１２は次の
ように組み立てるのが好ましい。最初、付勢コイル２４
と２６の予め設定したターン数、たとえば、１００ター
ンを極１６と１８のそれぞれの周囲に巻いて、内側巻線
３８ａを形成する。次に、外側巻線３８ｂが形成される
ときに一対のダミーブロック（図示せず）を付勢コイル
２４と２６に組み込む。付勢コイル２４と２６の予め設
定したターン数、たとえば、１２０ターンをダミーブロ
ックおよび極１６と１８それぞれの周囲に形成された内
側巻線３８ａの周囲に巻いて、外側巻線３８ｂを形成す
る。外側巻線３８ｂが形成すれば、ダミーブロックの対
を除去して、それから、磁石３４と３６をダミーブロッ
クによって形成された間隙に挿入する。高温エポキシ接
着剤または同様な材料を使用して、磁石３４と３６を付
勢コイル２４と２６に固定できる。磁石３４と３６が回
転子に接触し、その回転に干渉するおそれがあるので、
磁石３４と３６が中央穴２０に形成された空隙（エアギ
ャップ）に入り込むのは望ましくない。しかしながら、
磁石３４と３６をできるだけ中央穴２０に近く配置する
のが好ましい。中央穴２０に向いている磁石３４と３６
の側が図４に示すように、曲線状であれば、このような
処置を容易にできる。それから、電動機１０を先行技術
で知られているように組み立てることができる。

【００２９】図５に示す別の実施の形態の固定子１２’
を組み立てるためには、同一の工程に従わなければなら
ない。追加されるただ一つの工程は、スロットウェッジ
４０と４２を固定子１２’に取り付けることである。こ
れは、極１６’と１８’に形成された切欠部４６にスロ
ットウェッジ４０と４２を挿入して達成できる。この工
程を実施するとき、磁石３４と３６が中央穴２０に露出
されるように、スロットウェッジ４０と４２の複数の開
口部４４が磁石３４と３６に並ぶようにすることが重要
である。それから、電動機１０’を先行技術で知られて
いるように組み立てできる。

【００３０】本発明の種々の修正と別の形状が可能であ
るが、本明細ならびに図面の説明では、特定の実施例の
みが示されている。さらに、本発明は、固定子が半径方
向外方に突出している極を有し、外部で回転する回転子
の穴内に配置されている、逆用電動機（inverted mote
r）にも応用できる。しかしながら、本発明は開示され
た特定の形状に制限されることを意図としていない。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、単相可変
リラクタンス電動機で、固定子極に巻かれる付勢コイル
内に永久磁石を配置することにより、オフにしたとき、
回転子を永久磁石の位置で止める構成としている。した
がって、永久磁石の位置を固定子極が付勢されるとき、
大きいトルクを回転子に与えるような位置と一致させる
と、回転子は常に望ましい始動位置に停止しており、電
動機の再始動が可能となる。

【００３２】また本発明によれば、電動機の内部構造に
適合したスロットウェッジを使用して、永久磁石と回転
子極を分離かつ近接させているので、磁石が回転子極
に、より強い磁力を伝え、回転子を望ましい始動位置に
停止させるのを容易にする。

【００３３】さらに本発明によれば、永久磁石が付勢コ
イル内に配置されているので、磁石が占める電動機内部
での物理的スペースが最小に保てる。

【図面の簡単な説明】

【図１】単相リラクタンス電動機の回転子の角度変位に
対する始動トルクのプロット例を示す図である。

【図２】先行技術の単相可変リラクタンス電動機の模式
的断面図である。

【図３】図２の単相可変リラクタンス電動機の固定子極
に対する回転子の種々の位置を示す模式的断面図であ
る。

【図４】本発明の一つの実施の形態の単相可変リラクタ
ンス電動機の要部断面図である。

【図５】本発明の別の実施の形態の単相可変リラクタン
ス電動機の要部断面図である。

【図６】図５に示す単相可変リラクタンス電動機で使用
する一対のスロットウェッジの全体斜視図である。

【符号の説明】

１０ 単相可変リラクタンス電動機 １２ 固定子 １４ 回転子 １６，１８ 固定子極 ２０ 中央穴 ２４，２６ 付勢コイル ２８ シャフト ３０，３２ 回転子極 ３４，３６ 永久磁石 ３８ａ 内側巻線 ３８ｂ 外側巻線 ４０，４２ スロットウェッジ ４４ 開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596039176 Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｈｏｕｓｅ，Ｈ ｙｄｅ Ｔｅｒｒａｃｅ，Ｌｅｅｄｓ，Ｌ Ｓ２ ９ＬＮ，Ｅｎｇｌａｎｄ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸の周囲に位置する一対の固定子極を形
   成する固定子と、 該軸の周囲を回転するように配置された回転子と、 固定子極の少なくとも１つの周囲に巻かれた少なくとも
   １個の付勢コイルと、 コイルを付勢しないとき、回転子が望ましい始動位置に
   位置するように、コイル内に配置された少なくとも第１
   の磁石とを含むことを特徴とする単相可変リラクタンス
   電動機。
2. 【請求項２】 固定子極は、半径方向内方に突出し、部
   分的に固定子極間に中央穴を形成することを特徴とする
   請求項１記載の単相可変リラクタンス電動機。
3. 【請求項３】 さらに、中央穴と第１の磁石に隣接した
   コイル間に介在する第１のスロットウェッジを含むこと
   を特徴とする請求項２記載の単相可変リラクタンス電動
   機。
4. 【請求項４】 スロットウェッジは、磁石が中央穴に露
   出するように磁石の位置と並んでいる開口部を形成する
   ことを特徴とする請求項３記載の単相可変リラクタンス
   電動機。
5. 【請求項５】 固定子極の対は、スロットウェッジを位
   置固定するためにスロットウェッジが連動する切欠部を
   有することを特徴とする請求項４記載の単相可変リラク
   タンス電動機。
6. 【請求項６】 さらに第２の磁石を含み、各々が固定子
   極の１つずつを励起するように配置された第１の付勢コ
   イルおよび第２の付勢コイルを備え、第１の磁石と第２
   の磁石がそれぞれ第１の付勢コイルと第２の付勢コイル
   内に配置されていることを特徴とする請求項１〜５いず
   れかに記載の単相可変リラクタンス電動機。
7. 【請求項７】 さらに、中央穴と第２の磁石に隣接した
   コイル間に介在する第２のスロットウェッジを含むこと
   を特徴とする請求項６記載の単相可変リラクタンス電動
   機。
8. 【請求項８】 付勢コイルは、固定子極に隣接した１個
   の内側巻線と、１個の外側巻線とから成り、磁石が内側
   巻線と外側巻線間に配置されていることを特徴とする請
   求項１〜７いずれかに記載の単相可変リラクタンス電動
   機。