JPH08331815A - 二重突極リラクタンス機械およびその組み立て方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二重突極リラクタンス機械の隣接極間のスペ
ースにより大きなサイズの相巻線が収容できるようにす
る。 【解決手段】 複数の回転子極を形成する１個の回転子
と、複数の固定子極を形成する１個の固定子とを備える
二重突極機械において、回転子により磁束経路を形成す
る各固定子極対には、固定子極の一方に取り付けられた
１個だけの相巻線を含む。固定子極間のスペースが単一
の巻線だけに利用できるように、相巻線が交互の固定子
極に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リラクタンス（磁
気抵抗）機械に関する。特に、本発明は、電動機または
発電機として作動するかどうかに関係なく、切り換えリ
ラクタンス機械に応用できる。

【０００２】

【従来の技術】リラクタンス機械は、磁気回路のリラク
タンスが最小になる位置に機械の可動コンポーネントが
占める傾向によってトルクを発生する電気機械である。
典型的には、固定子と回転子部材の少なくとも１つが、
通常部材から突出した極の形である磁気突極性を有して
いる。

【０００３】切り換えリラクタンス（ＳＲ）機械は、固
定子および回転子部材の両方に突極があるリラクタンス
機械の特殊な形状である。この形状において、機械は
「二重突極」機と称される。トルクまたは電気出力は
（機械が電動機か、発電機として運転されるかに応じ
て）、固定子巻線が電源と電気的に接続される期間を調
整するコントローラによって制御される。

【０００４】ＳＲ機械は、種々の形で実用化されてい
る。特に、このような機械は、固定および回転部材上の
固定子極と回転子極の数、またコントローラが、別々に
固定子巻線を切り換えて、回路に組み込んだり、外した
りできる独立した回路の数で異なっている。コントロー
ラが別々に切り換え、回路に組み込んだり、外したりす
る巻線の各セットは、機械の１つの相を構成する。機械
は１つ以上のこのような相を持つことができる。

【０００５】ＳＲ機械の理論、設計、操作は、たとえ
ば、書籍「切り換えリラクタンス電動機とその制御」
（Ｔ．Ｊ．Ｅ．ミラー著、クラレンドン プレス社、１
９９３年）と論文「切り換えリラクタンス電動機および
駆動機の特性、設計、用途」（ステファンソンら著、Ｐ
ＣＩＭ’９３、１９９３年６月２１〜２４日）で詳細に
説明されている。

【０００６】図１は、ＳＲ機械の公知の形状を示してい
る。固定子には６個の極（Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’、Ｃ、
Ｃ’）があり、回転子には４個の極がある。各固定子極
には１個のコイル（相巻線）が巻かれている。わかりや
すくするため、固定子極ＡとＡ’の２個だけのコイルが
図１に示されているが、極の他の対に関しても同様な配
置形状であるのが判る。典型的には、直径上で相対して
いる極のコイルは（機械の用途の性質によって違うが）
直列か、並列に相互に接続されて、機械の１つの相を形
成する。このように、図１の機械は、１つの相の巻線を
他の相の巻線から独立して切り換えることができる三相
機械である。機械が作動するとき、各相は、通常、図２
に示す１個以上の電子スイッチｔを介して電源に接続さ
れている。図２の切り換え回路を利用したこのような機
械の作動方法は当業者に充分知られており、上記の参照
文献にも記載されている。

【０００７】一般には、１個の固定子における極数は、
各相に関連して偶数のコイルがあるようになっている。
図１の例では、３つの相の各々に２個のコイルがあるの
で、機械には６個の固定子極がある。図３の例では、３
つの相の各々は固定子の周囲に対称的に配置されている
４個のコイルから成り、１２極の固定子がある。このよ
うに、回転子極と固定子極の数の種々の組み合わせが可
能であるのが判る。最適な組み合わせの選択は、そのと
きの用途に適切な設計の問題になる。

【０００８】図１の機械の１つの相がこの相の巻線に加
えられた電圧によって付勢されるとき、磁場が機械に発
生する。これは、図１の矢印の破線によって示されてい
る。この線は、相Ａが付勢されるときの機械の磁束線を
表す。磁束が２つの主要位置で機械のエアギャップと交
差するので、この磁場パターンは２極磁場パターンとし
て知られている。

【０００９】一般には、図３の機械の１つの相が付勢さ
れるとき、磁場は矢印の破線で表されるように発生す
る。このような配置は４極磁場パターンとして知られて
いる。１つの相においてコイルの数を増加し続けること
によって、極の数が増加した磁場パターンを発生でき
る。これは、機械の相数と独立して行える。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】各極に１個のコイルが
ある従来の機械では、コイルは、相互に妨げずに複数の
極上にターンとして次々と組み立てることでできるよう
な寸法とされている。複数のコイル、またコイルがはま
っている極間の隙間は一般に同じようである。１個のコ
イルが隣接コイルを犠牲にして利用できるスペースを占
め、またこのスペースへの隣接コイルの挿入を妨げるの
で、コイルは、定置されるとき、２つの隣接固定子極間
の中点を越えた角度で伸びることができない。このよう
に、コイル側面の横断面積は、半径方向に突出している
隣接極間で利用できる総横断面積の半分未満の部分を占
有しなければならない。コイルにおける電流密度を減少
し、その結果電力損失を減少するため、断面積を増加し
てコイルを大きくしようと、機械設計者がしばしば、要
望するが、機械の全体のサイズを増加せずにこれを実施
できない。特殊な相数や特殊な積層形状を有する機械で
この問題を解決する試みはあるが、その実用化は制限さ
れている。たとえば、ＧＢ−Ａ−２２４０６６４とＧＢ
−Ａ−２２３２３０５を参照。

【００１１】特定の極に関して大きなコイルサイズを許
容するリラクタンス機械構造を提供するのが、本発明の
目的である。

【００１２】公知のリラクタンス機械よりも容易に、低
コストで組み立てることができるリラクタンス機械を提
供するのが、本発明の他の目的である。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、複数の
固定子極を形成する１個の固定子と、複数の回転子極を
形成する１個の回転子とを含む二重突極リラクタンス機
械において、回転子が固定子に対して動くとき、回転子
極の少なくとも一対が固定子極の対応する一対と同時に
並ぶことができ、固定子極の前記対の１つだけに関して
配置されている１個の相巻線を含み、かつ相巻線は、経
路が前記回転子極対および固定子極対を含む磁気回路に
磁束を発生するように付勢できることを特徴とする二重
突極リラクタンス機械が提供される。 本発明は、複数の極が、２極磁場パターンを形成し、固
定子極の対は実質的に直径上で対向することを特徴とす
る。 本発明は、複数の極が、２ｎ極磁場パターンを形成し
（ここで、ｎは１より大きい整数である）、２ｎ固定子
極は、２ｎ回転子極と同時に並ぶことができ、複数の固
定子極がｎ個の巻線を有することを特徴とする。 本発明は、ｎ＝２であることを特徴とする。 本発明は、機械の各相が固定子極の複数の対を有するこ
とを特徴とする。 本発明は、巻線が互いに直列接続されていることを特徴
とする。 本発明は、巻線が互いに並列接続されていることを特徴
とする。 また本発明によれば、複数の固定子極を形成する１個の
固定子と、複数の回転子極を形成する１個の回転子とを
含んでおり、かつ回転子が固定子に対して動くとき、回
転子極の少なくとも１対が固定子極の対応する対と同時
に並ぶことができる二重突極リラクタンス機械の組み立
て方法において、固定子極の前記の対の１つだけに対し
て相巻線を巻き、経路が前記回転子極対および固定子極
対を含む磁気回路に磁束を発生するように前記巻線を付
勢できるようにすることを特徴とする二重突極リラクタ
ンス機械の組み立て方法を提供する。 本発明は、特に、４極磁場パターン（または４の整数
倍）と奇数の相を有する切り換えリラクタンス機械に応
用できる。しかし、また、本発明は二相機械を含むリラ
クタンス機械の他の配置にも利用できる。本発明では、
機械における１個の極対の１つだけの固定子極にコイル
が配置されている。１対の両方の固定子極に１個のコイ
ルを配置する従来の設計方法が採用された場合と同一の
性能を機械が発生するように、コイルを設計できる。１
対の１つだけの極に１個の巻線が配置されているので、
この巻線を有する極に隣接した極が関連した巻線を有し
ないように、電動機を設計できる。このように、極間の
各スペースが単一の巻線だけに使用できるので、この巻
線に利用可能スペースは相当増加する。

【００１４】本発明は種々の方法で実施でき、以下にそ
のうち幾つかの方法について添付の図面を参照しながら
説明する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図４に示されるように、二重突極
リラクタンス機械は、同一角度で離されている１２個の
固定子極１２を形成する固定子１０を有する。簡単に説
明するために、１個の８極回転子は図４に示されていな
い。しかし、当業者には明らかなように、このような回
転子は図３のように配置され、固定子１０内で回転する
だろう。

【００１６】固定子１０では、３個の相巻線φＡ、φ
Ｂ、φＣが直径上で相対する固定子極１２を囲んでいる
コイル１６の複数の対から成るので、交互の固定子極で
１個のコイルが必要がなくなる。この実施の形態では、
１つの相において複数のコイル１６が相φＡ、φＢ、φ
Ｃの端子間で直列に接続されている。別の実施の形態で
は、複数のコイルが並列接続されている。

【００１７】相の各々は端子１８で終端するとして示さ
れている。電動機か、発電機として作動する機械の場
合、コントローラを介してこれらの端子の電源への接続
を切り換えて、相の各々への電圧印加を制御して、連続
して必要な電流を発生する。当業者には明らかなよう
に、切り換えリラクタンス機械は、電動機または発電機
の用途に同一の回路を使用しており、電源から電流を引
き出すか、電源へ電流を流すかの方向を変えるため、電
圧パルスのタイミングだけが変化する。

【００１８】図３を見れば判るように、磁束パターン
は、従来の４極機械の４個のコイルによって発生する起
磁力（ＭＭＦ）によりリラクタンス機械の回路に形成さ
れる。すなわち、図３のコイルＪがコイルＨの近くに配
置され、コイルＬがコイルＫ近くに配置されるならば、
磁気回路に加えられる総ＭＭＦは変化しない。この場
合、コイルＨとＪが１個のコイルに合わせられて、コイ
ルＨとＪの同一数のターンが合計され、またコイルＫと
Ｌが同様に結合されるならば、機械は本発明の図４に示
す形状になる。この機械は相の交互の極だけにコイルを
有するが、図３の機械と完全に同一の性能を有する。

【００１９】図５には、図１の機械から派生した本発明
の二重突極リラクタンス機械が示されている。固定子２
０は６個の固定子極２２を有し、回転子２４が４個の回
転子極２６を有する。ここでも、３つの相φＡ、φＢ、
φＣの各々と関連したコイルの対が２極磁場パターンに
おいて、１対の固定子極の１つでコイル２８として合わ
されている。本発明のコイルは、完全に同一の性能を確
保するため従来の機械と同一のアンペアターンが得られ
るように、配置されるだろう。しかし、この２極磁場配
置では、残っている複数のコイルが相互になお隣接して
いる点で不利である。

【００２０】本発明は、奇数の相と４極の整数倍の磁場
パターンを具備する切り換えリラクタンス機械で最も有
効に実施できる。このような機械における固定子の形状
のため、複数のコイルが本発明の複数の極に配置される
ならば、複数の相において交互にコイルが固定子におけ
る交互の極にあることが判明する。このため、スペース
制限が軽減されるので、コイルを相当大きくできる。コ
イルが従来の機械の場合の２倍のターンを有するとして
も、この機械はターン当たりの断面積を維持できるし、
増加することさえできる。これによって、４極磁場パタ
ーンの場合に少なくとも性能を劣化しないで、同等の機
械を作動できる。さらに、半分のコイルを巻き、半分の
極を絶縁し、半分の相を接続するので、製造上の利点が
ある。これによって、コスト低減とコンポーネント電流
の減少により信頼性が向上する。

【００２１】当業者が認識するように、本発明は回転機
械に関して説明されているが、同様に線型リラクタンス
機械にも応用できる。線型機械では、可動部材が、しば
しば回転子と称されている。本明細書で用いる用語の
「回転子」は、線型機械のこのような回転子を含むこと
を意図する。ここでも、固定子極間の同一スロットにお
いてコイルの複数の対がないため発生したスペースを使
用して同一利点を得ることができる。本発明のコイル配
置における接続数、コイル、絶縁コンポーネントが減少
するので、製造コストと時間が減少する。

【００２２】本発明は上記の実施の形態に関連して説明
されたが、当業者に判るように、本発明から逸脱せずに
多くの変更を実施できる。たとえば、本発明は、固定子
機械の中央にあり、回転子が固定子の外部のまわりで回
転する、逆用機械（invertedmachine）に応用できる。
したがって、幾つかの実施の形態の説明は例示であり、
制限を目的としていない。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、二重突極
リラクタンス機械の対向する固定子極対の一方のみに相
巻線を配置する構成にしているので、相巻線を有する極
に隣接する固定子極において、相巻線を必ずしも配置す
る必要がなく、したがって極間の各スペースを単一の巻
線だけに充てられる。

【００２４】本発明によれば、前記のような構成に基づ
いて、特定の極に関してコイルサイズを大きくできる。

【００２５】また本発明によれば、固定子極対の一方に
のみ相巻線を配置するので、従来技術のリラクタンス機
械と比較して、半分の極数に相巻線を巻き、半分の極数
を絶線し、半分の相を接続すればよく、リラクタンス機
械を組み立てる上で、コストの低減が図られ、さらにコ
ンポーネント電流が減少するので信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のリラクタンス機械の模式的な断面図であ
る。

【図２】図１の機械用の切り換え回路の主な電力処理コ
ンポーネントを示す配線図である。

【図３】従来のリラクタンス機械の他の例の模式的な断
面図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態のリラクタンス機械
の模式的な断面図である。

【図５】本発明の別の実施の形態のリラクタンス機械の
模式的な断面図である。

【符号の説明】

１０，２０ 固定子 １２，２２ 固定子極 １６，２８ コイル １８ 端子 ２４ 回転子 ２６ 回転子極

───────────────────────────────────────────────────── 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】 複数の固定子極を形成する１個の固定子
   と、 複数の回転子極を形成する１個の回転子とを含む二重突
   極リラクタンス機械において、回転子が固定子に対して
   動くとき、回転子極の少なくとも一対が固定子極の対応
   する一対と同時に並ぶことができ、 固定子極の前記対の１つだけに関して配置されている１
   個の相巻線を含み、かつ相巻線は、経路が前記回転子極
   対および固定子極対を含む磁気回路に磁束を発生するよ
   うに付勢できることを特徴とする二重突極リラクタンス
   機械。
2. 【請求項２】 複数の極は、２極磁場パターンを形成
   し、固定子極の対は実質的に直径上で対向することを特
   徴とする請求項１記載の二重突極リラクタンス機械。
3. 【請求項３】 複数の極は、２ｎ極磁場パターンを形成
   し（ここで、ｎは１より大きい整数である）、２ｎ固定
   子極は、２ｎ回転子極と同時に並ぶことができ、複数の
   固定子極がｎ個の巻線を有することを特徴とする請求項
   １記載の二重突極リラクタンス機械。
4. 【請求項４】 ｎ＝２であることを特徴とする請求項３
   記載の二重突極リラクタンス機械。
5. 【請求項５】 機械の各相は、固定子極の複数の対を有
   することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の二
   重突極リラクタンス機械。
6. 【請求項６】 巻線は、互いに直列接続されていること
   を特徴とする請求項５記載の二重突極リラクタンス機
   械。
7. 【請求項７】 巻線は、互いに並列接続されていること
   を特徴とする請求項５記載の二重突極リラクタンス機
   械。
8. 【請求項８】 複数の固定子極を形成する１個の固定子
   と、複数の回転子極を形成する１個の回転子とを含んで
   おり、かつ回転子が固定子に対して動くとき、回転子極
   の少なくとも１対が固定子極の対応する対と同時に並ぶ
   ことができる二重突極リラクタンス機械の組み立て方法
   において、 固定子極の前記の対の１つだけに対して相巻線を巻き、
   経路が前記回転子極対および固定子極対を含む磁気回路
   に磁束を発生するように前記巻線を付勢できるようにす
   ることを特徴とする二重突極リラクタンス機械の組み立
   て方法。