JPH11262225A - リラクタンス機械におけるノイズの低減 - Google Patents

リラクタンス機械におけるノイズの低減

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JPH11262225A
JPH11262225A JP11011152A JP1115299A JPH11262225A JP H11262225 A JPH11262225 A JP H11262225A JP 11011152 A JP11011152 A JP 11011152A JP 1115299 A JP1115299 A JP 1115299A JP H11262225 A JPH11262225 A JP H11262225A
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pole
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poles
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Steven Paul Randall
ポール ランドール，スティーブン
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SWITCHED RELUCTANCE DRIVES Ltd
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/103—Motors having windings on the stator and a variable reluctance soft-iron rotor without windings

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  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 切換リラクタンス機械の音響ノイズを低減す
る。 【解決手段】 切換リラクタンス機械において、整列し
た回転子極と固定子極の間の空隙が、一定の長さを有す
る内部領域と、長さが増加する外部領域とを有するよう
に定められる。一方または両方の極の外部領域の側方に
は延長部が設けられ、各外部領域と極の側壁との間に丸
みのある移行領域を形成する。前記少なくとも一方の極
は延長部と成層体の本体の間に腰部を有する。回転子が
固定子に対して回転すると、整列する極がより緩やかに
磁束通路を変更し、固定子を歪めて振動を引き起すこと
になる半径方向力、および音響ノイズが低減される。腰
部は、回転子の最小インダクタンス位置において、固定
子巻線のインダクタンスを小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】本発明は、リラクタンス機械にお
けるノイズの低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、リラクタンス機械とは、該機械
の可動部分が、磁気回路のリラクタンスが最小となる位
置、すなわち励磁巻線のインダクタンスが最大となる位
置に移動する性向によりトルクが発生するような、電子
機械のことである。リラクタンス機械の１つのタイプに
は、相巻線の付勢が制御された周期で行われるものがあ
る。このタイプのものは、一般に同期リラクタンス機械
と呼ばれており、電動機または発電機として動作させる
ことができる。リラクタンス機械の第２のタイプとして
は、回転子の角位置を検出し、該回転子位置の関数とし
て相巻線を付勢する回路が設けられるものがある。この
第２のタイプのリラクタンス機械は、一般に切換リラク
タンス機械として知られており、同様に電動機または発
電機として動作させることができる。このような切換リ
ラクタンス機械の特性は周知であり、たとえばスティー
ブンソンとブレーク（Stephenson, Blake）による「切
換リラクタンス電動機および発電機の特性、設計、およ
び用途」（ＰＣＩＭ ’９３、ニュルンベルク、１９９
３年７月２１〜２４日）に記載されている。本発明は、
電動機または発電機として動作する切換リラクタンス機
械などのリラクタンス機械に広く適用することができ
る。
【０００３】図１は、典型的な切換リラクタンス駆動シ
ステムの主要コンポーネントを示す。入力直流電源１１
は、電池または整流濾波された交流電源のいずれであっ
てもよい。電源１１から供給される直流電圧の大きさは
固定または可変のいずれであってもよく、電子制御部１
４の制御下に電力変換器１３によって、モータ１２の相
巻線１６を通して切換えられる。この切換えは、駆動装
置の適切な動作のために、回転子の回転角に正確に同期
させなければならない。回転子位置検出器１５は、回転
子の角位置に対応する信号を供給するために典型的に用
いられるものである。回転子位置検出器１５の出力は、
速度フィードバック信号を発生させるために用いること
もできる。
【０００４】回転子位置検出器１５は様々な形をとるこ
とができ、たとえば図１に模式的に示されるように、ハ
ードウェアの形をとることもできるし、あるいは、たと
えばＲａｙのＥＰ−Ａ−０５７３１９８に記載されるよ
うに、駆動システムの他の監視パラメータから位置を計
算するソフトウェアアルゴリズムの形をとることもでき
る。システムのなかには、回転子位置検出器１５が回転
子位置変換器（rotorposition transducer）を含むもの
もあり、該変換器は、回転子が回転して、電力変換器１
３内のデバイスの異なるスイッチング配置が要求される
位置にくる度に、状態を変化させる出力信号を供給す
る。
【０００５】切換リラクタンス機械における相巻線の付
勢は、回転子の角位置を精確に検出することに大いに依
存している。回転子位置検出器１５からの精確な信号の
重要性は、電動機として動作するリラクタンス機械のス
イッチングを示した、図２および３を参照して説明する
ことができる。
【０００６】図２は、矢印２２に従って固定子極２１に
接近中の回転子極２０の概略図である。図２に示される
ように、完全相巻線１６の部分２３が固定子極２１の周
りに巻付けられている。上述のように、固定子極２１の
周りの相巻線１６の部分が付勢されると、回転子上に力
が作用し、回転子極２０が引きつけられて固定子極２１
と整列する。回転子と固定子の両方の極面は、回転子の
回転軸を中心とする弧によって規定される。これらの弧
の角度範囲は設計者の選択によるものである。弧の角度
範囲の慣例的な選択方法は、ローレンソン（Lawrenso
n）らによる「可変速度切換リラクタンス電動機」（IEE
Proc., Vol. 127, P+B, No. 4, July 1980, p.p.253-2
65）の中で検討されている。弧状の極面とする場合、回
転子と固定子の重なり合う極面は、回転軸からの半径方
向に沿った距離が一定であることは、当業者によって認
識されているであろう。
【０００７】図３は、固定子極２１の周りの部分２３を
含む、相巻線１６の付勢を制御する、電力変換器１３内
の典型的な切換回路の概略図である。スイッチ３１およ
び３２が閉じられると、相巻線が直流電源に接続されて
付勢される。多くの他の切換回路の構成が技術上周知で
あるが、そのいくつかは上記スティーブンソンとブレー
クの論文の中で検討されている。
【０００８】一般に、相巻線は以下のように付勢されて
回転子の回転に影響を及ぼす。回転子の第１の角位置
（「ターンオン角」，θONと呼ぶ）において、制御器１
４はスイッチングデバイス３１，３２の両方をオンする
ための切換信号を供給する。スイッチングデバイス３
１，３２がオンになると、相巻線が直流バスに接続さ
れ、機械内の磁束を増加させる。磁束はエアギャップ内
に磁界を生みだし、この磁界が回転子極に作用して電動
トルクが生じる。機械内の磁束は、直流電源からスイッ
チ３１，３２および相巻線２３を介して流れる電流によ
って与えられる起磁力（magneto-motive force, mmf）
によって維持される。制御器のなかには、電流フィード
バックを利用し、スイッチングデバイス３１および／ま
たは３２のいずれか一方、または両方を迅速にオン／オ
フ切換えすることにより、電流をチョップして相電流の
大きさを制御するものもある。図４（ａ）は、チョッピ
ングモード動作における典型的な電流波形を示してお
り、電流が２つの一定レベル間でチョップされている。
電動動作において、ターンオン角θONは、回転子上の極
間空所の中心線が固定子極の中心線と整列する回転子位
置に選ばれることが多いが、それ以外の角度であっても
よい。
【０００９】多くのシステムにおいて、相巻線は、回転
子が回転して「フリーホイーリング角」θFWと呼ばれる
位置に達するまで、直流バスに接続されたまま（チョッ
ピングが行われる場合には間欠的に接続される）であ
る。回転子がフリーホイーリング角に相当する角位置
（たとえば図２に示される位置）に達すると、スイッチ
の１つ、たとえばスイッチ３１がオフにされる。その結
果、電流は巻線内に流れ続けるものの、このときにはい
ずれか一方のスイッチ（本例では３２）およびダイオー
ド３３，３４のいずれか一方（本例では３４）を介して
しか流れない。フリーホイーリング期間中、相巻線間の
電圧降下は小さく、磁束は実質的に一定のままである。
回路は、回転子が「ターンオフ角」θOFFとして知られ
る角位置（たとえば、回転子極の中心線が固定子極の中
心線と整列するとき）に回転するまで、このフリーホイ
ーリング状態のままである。回転子がターンオフ角に達
すると、両方のスイッチ３１および３２がオフにされ、
巻線２３内の電流がダイオード３３および３４を介して
流れ始める。ダイオード３３および３４は、直流バスか
らの直流電圧を逆方向に印加し、機械内の磁束（したが
って相電流）を減少させる。
【００１０】機械の速度が増大すると、電流がチョッピ
ングレベルに増加するまでの時間が短くなり、駆動装置
は通常「単一パルス」モード動作で作動する。このモー
ドにおいて、ターンオン角、フリーホイーリング角、お
よびターンオフ角は、たとえば速度および負荷トルクの
関数として選ばれる。システムのなかには、フリーホイ
ーリングの角度期間を用いない、すなわちスイッチ３
１，３２を同時にオンおよびオフするものもある。図４
（ｂ）は、フリーホイーリング角がゼロである場合の典
型的な単一パルス電流波形を示す。
【００１１】ターンオン角、フリーホイーリング角、お
よびターンオフ角の各値は、予め決定し、必要時に制御
システムによって検索可能なように何らかの適当な形式
で保存しておいてもよいし、あるいはリアルタイムで計
算または演繹するようにしてもよいことは周知である。
【００１２】上述のように切換リラクタンス機械の相巻
線を付勢する場合、磁気回路内の磁束によってもたらさ
れる磁界が周方向の力を発生し、この力は、上述のよう
に、回転子極を固定子極と整列するように引きつけるよ
うに作用する。しかしながら、磁界は、一般に周方向力
よりも一桁大きい半径方向力も発生し、該半径方向力
は、固定子を回転子に向けて半径方向に引きつけること
により、主として固定子構成物（stator structure）を
半径方向に歪ませるように作用する。これは、しばしば
「オバライジング（楕円形化，ovalising）」と呼ばれ
ている。そのような力については、たとえば、ピコド，
ベスベス，カミュ，カブジ（Picod,Besbes, Camus, Gab
si）による「切換リラクタンス電動機の振動挙動と電磁
性能に対する、固定子の幾何学的配置の影響」（ＩＥＥ
Ｅ ＥＭＤ９７，第８回電気機械および駆動機の国際会
議，１９９７年９月１〜３日，ロビンソン大学，ケンブ
リッジ，英国，６９〜７３頁）に詳細な記載がある。固
定子の構成物の振動挙動に対するオバライジング力の影
響は、ＥＰＡ０７６３８８３において分析、検討されて
いる。これらの振動力が、機械の構成物から、または該
機械が取付けられた他の要素から音響ノイズを発生させ
る要因になりうることは、技術上周知である。
【００１３】これらの力を修正し、音響ノイズを低減す
る多くの方法が従来から提案されてきた。これらの方法
は一般に、相巻線に供給される励磁電圧を何らかの方法
で修正するという視点から取組まれている。たとえば、
ウー，ポロック（Wu,Pollock）「切換リラクタンス駆動
機における振動と音響ノイズの分析および低減」（ＩＥ
ＥＥ ＩＡＳ会議，トロント，１９９３年１０月２〜８
日，１０６〜１１３頁）では、ノイズを低減するために
所定のフリーホイーリング量を用いることを提案してい
る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、切換
リラクタンス機械から発生する音響ノイズの問題に取組
むことである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、回転子成層体
と固定子成層体とを含む、リラクタンス機械のための一
組の成層体において、各成層体は、本体と、軸線を中心
に各本体から放射状に延びる極の列とを有し、各極は中
心線に関して対称であり、極面と、本体と該極面の間に
延びる側面とを有し、回転子および固定子の極の極面
は、前記一組の成層体が共通軸上に配置され、極の中心
線が一致するとき、協働して該極面間に空隙を規定し、
整列した極間の該空隙は、半径方向の長さが実質的に一
定の内部領域と、該内部領域の両側に、内部領域から離
れるにつれ半径方向長さが連続的に増加する外部領域と
を有し、前記回転子および固定子の極の一方または両方
が、各外部領域と対応の側面とをなめらかにつなぐ、各
外部領域の側方に延びる延長部を有し、一方または両方
の成層体上の極は、各延長部と本体との間に該極内の腰
部となるアンダーカットを有し、極面の寸法は、回転子
極が固定子極との整列位置に移動するにつれ、また該整
列位置から離れるにつれ、緩やかに変化する磁束通路を
提供するように構成されていることを特徴とする一組の
成層体である。
【００１６】また本発明は、回転子極面が、内部領域と
外部領域との両方の角度範囲に及ぶ弧状面を有し、該弧
は前記共通軸を中心とする直径に一致することを特徴と
する。
【００１７】また本発明は、延長部が固定子極上にあ
り、前記回転子極の弧状面を越えて角度を成しているこ
とを特徴とする。
【００１８】また本発明は、固定子極の腰部の弦幅が、
延長部間の最大弦幅よりも小さいことを特徴とする。
【００１９】また本発明は、固定子極面が、内部領域と
外部領域との両方の角度範囲に及ぶ弧状面を有し、該弧
は前記共通軸を中心とする直径に一致することを特徴と
する。
【００２０】また本発明は、延長部が回転子極上にあ
り、前記固定子極の弧状面を越えて角度を成しているこ
とを特徴とする。
【００２１】また本発明は、回転子極の腰部の弦幅が、
延長部間の最大弦幅よりも小さいことを特徴とする。
【００２２】また本発明は、内部領域が、外部領域のい
ずれか一方の角度幅の４倍までの角度範囲にわたること
を特徴とする。
【００２３】また本発明は、回転子極および固定子極
は、各外部領域内の空隙が、内部領域の空隙の半径方向
長さの約２倍まで半径方向に増加する形状をなしている
ことを特徴とする。
【００２４】また本発明は、積層された前記一組の成層
体から成る固定子および回転子を含むリラクタンス機械
である。
【００２５】また本発明は、回転子が固定子内で回転す
るように取付けられることを特徴とする。
【００２６】本発明によれば、リラクタンス機械のため
の一組の成層体が提供され、該一組の成層体は、回転子
成層体と固定子成層体とを含み、各成層体は本体と、該
本体の軸の周囲に放射状に延びる極片列とを有し、各極
片は中心線に関して対称であり、極面と、本体と該極面
の間に延びる側面とを有し、回転子および固定子極の極
面は、成層体が共通の軸上に配置され極の中心線が一致
するとき、協働して該極面間に空隙を規定し、整列した
極片間の空隙は、実質的に一定の長さの内部領域と、該
内部領域の両側の外部領域であって、内部領域から離れ
るに従って徐々に長くなる外部領域とを有し、前記回転
子極および固定子極の一方または両方が、各外部領域の
側方に延びる延長部を有し、該延長部は外部領域と対応
する側面とをなめらかにつなぎ、一方または両方の成層
体上の極は、各延長部と本体との間に該極内の腰部とな
るアンダーカットを有し、延長部および空隙は、回転子
極が固定子極と整列する位置に、また整列した位置から
移動するにつれ、滑らかに変化し減少する磁束通路を与
えるようにされている。
【００２７】延長部は、最小リラクタンスの領域への比
較的緩やかな導入部および導出部を与える。好適には、
延長部は、空隙の内部および外部領域を規定している、
極面が対向する主要部分を越えて設けられる。内部領域
は、各外部領域の約４倍の角度幅の範囲に及んでもよ
い。
【００２８】極片の腰部は、固定子極に対する回転子極
の最小リラクタンス位置において、極間のリラクタンス
を増加させる。これは、このような一組の成層体を用い
て作られた機械の性能にとって有益である。
【００２９】好適には、回転子および／または固定子の
極面は、内部領域および外部領域の両方の角度範囲にま
たがる弧状の面を有し、該弧は前記共通軸を中心とする
直径に一致する。
【００３０】好適には、固定子または回転子極の腰部の
弦の長さは、延長部間の最大弦幅よりも小さい。
【００３１】本発明の好適な実施形態は、回転子極が、
空隙を規定する極面、および側面上の極面の一方または
両方において特徴的形状を有すものとして説明される。
この実施形態は、機械の出力に寄与する周方向力を大き
く低下させることなく、ノイズを低減するのに特に有益
である。本発明は、上述の１組の成層体を有するリラク
タンス機械にも及ぶ。
【００３２】
【発明の実施の形態】本発明は様々な方法で実施するこ
とができるが、そのいくつかについて図面を参照し、例
を挙げて説明する。
【００３３】単一パルスモードで作動する図１に示され
る切換リラクタンスシステムの相の励磁サイクルは、図
４（ｂ）に示されるような電流波形を有する。サイクル
が、時点Ｔ０において、図３に示されるスイッチを閉じ
ることにより相巻線に印加される電圧によって開始する
場合、巻線が発生する磁束は、図５（ａ）に示されるよ
うに、時間ととも実質的に直線的に増加するであろう。
この増加する磁束は、回転子が固定子に整列するように
移動するときに、主に固定子と回転子極の面を通過する
ものであり、固定子をオバライズする傾向を示す固定子
構成物への増大する力に作用する磁界を発生する。この
力が磁束の二乗に比例するとすれば、図５（ｂ）に示さ
れるような一般形を示すであろう。固定子構成物の剛性
と慣性モーメントに応じて、この力に起因する一定量の
たわみが生じる。相巻線に対する要求された伝動時間の
最後に、すなわちＴ１において、スイッチが開かれ、磁
束は実質的に直線的に減衰し始める。このように時点Ｔ
１において、力の曲線の勾配に著しい変化が見られ、上
に挙げたＥＰ-Ａ-０７６３８８３に詳細に記載されてい
るように、固定子の構成物内に振動性の機械的応答を引
き起し、一般には構成物の音を発する「リンギング」を
導く。
【００３４】上記の説明および計算は、力が単純な代数
的方法によって計算できることを前提としている。実際
には、成層体の材料の磁気特性は非線形であり、磁束通
路、特に極をとりまく空気内の磁束通路は極めて複雑で
あるので、これは概算である。この問題は、たとえば有
限要素解析法を用いることによって解決することがで
き、これらのより複雑なアプローチは、たとえば図示さ
れるような、角度に対する力の変化のさらに優れた推定
値を与える。これは、単純な解析によって期待される時
点とは異なる時点、たとえば極面が重なり始める時点Ｔ
ｓにおいて、力の波形の勾配に大きな変化があることを
裏付ける。
【００３５】上述の議論は、力の半径方向の（あるいは
「放線方向の」）コンポーネントに注目している。有用
なコンポーネント、すなわち周方向のコンポーネントも
同様に、時間および角度とともに変化する。図７は、従
来の電流をパラメータとし角度を基準として描かれたい
くつかの典型的な曲線である。曲線は、固定子極ｓが回
転子極ｒの中間にある位置で開始し、完全に整列する時
点で終了する。この場合も、サイクル内で大きな勾配の
変化がみられ、特に回転子および固定子の極面が重なり
始める位置でこの変化がみられることがわかる。
【００３６】図８（ａ）および図８（ｂ）は、本発明に
よる比率を用いた１２の固定子極１０８および８の回転
子極１１０を有する、切換リラクタンス機械のための固
定子成層体１００および回転子成層体１０２の断面図で
ある。従来の機械と同様に、回転子および固定子は、こ
のような成層体を積層して成り、たとえば図１に示され
るような駆動システムに一体的に組込まれている。図８
（ａ）は、回転子極の中心線が固定子極の中心線と半径
方向に整列する回転子位置、すなわち固定子極の周りの
相巻線のインダクタンスが最大になる位置を示してい
る。図８（ｂ）は、回転子が回転子極のピッチの半分だ
け回転して、回転子上の極間空所の中心線が固定子極の
中心線と半径方向に整列する回転子位置、すなわち、相
巻線のインダクタンスが最小になる位置を示している。
本発明の特定の実施形態において、固定子極面１０４
は、回転子の回転軸を中心とする従来の弧の形状を維持
しているが、回転子極面の形状は後述のように本発明の
原理に従って寸法が定められる。
【００３７】図８（ａ）の部分拡大図が図８（ｃ）であ
り、図８（ｃ）には、本実施例における回転子極の特有
の形状が明確に示されている。この回転子極の形状は、
以下のような特徴を有する。
【００３８】１．回転子極は、回転子の回転軸の延長上
にある中心線Ａに関して対称である。 ２．極の中心線Ａを中心とする凸状の第１部分１０６が
あり、該第１部分１０６の上部にて極面は弧状であり、
該弧の中心は回転子成層体の中心と一致する。３．第１
部分の側方に角方向に隣接する第２部分１１２があり、
該第２部分１１２の上部にて極面は固定子極面から離れ
るように滑らかに傾斜している。この第２部分の傾斜
は、第１部分との間に不連続な点が生じないようなもの
である。４．第２部分の側方に角方向に隣接する第３部
分１１４があり、該第３部分１１４は丸みのある形状を
特徴とし、極の幅を広げる役目を果している。その丸み
部分の大きさおよび半径の中心は、第２部分との間に不
連続性が生じないように選択される。 ５．極の側面は、極面の各第３部分から各回転子極１１
０のルート１１８に向って延びるアンダーカット１１６
を有し、該アンダーカットはルート１１８において極本
体に同化される。アンダーカット１１６の形状は、第３
部分または極本体との間に不連続性が生じないようなも
のである。このアンダーカットは、腰部における極の弦
幅が第３部分間の弦幅よりも小さくなるように、回転子
または固定子極の形状において腰部を規定する。
【００３９】図８（ｃ）からは、この形状が整合位置に
おける相巻線のインダクタンスにほど大きな影響を与え
ないことがわかる。というのも、（第３部分による）回
転子極の余分の角度幅が、第２部分に関連する僅かに増
大した空隙の長さを補償して、主たる空隙が実質的に不
変であるからである。さらに、大半の磁束通路が少なく
とも従来の固定子／回転子の構成と同程度の長さに維持
されていて、アンダーカットされた極側面が第３部分の
影響を補償するので、図８（ｂ）に示される位置におい
ても、インダクタンスに対する顕著な影響はみられな
い。アンダーカット１１６によって規定される腰部領域
は、回転子が最大リラクタンス位置、またはその付近に
あるとき、すなわち固定子極が隣接する回転子極に関し
て角方向に等距離にあるときに、固定子極と回転子極の
側面の間の磁束通路を増加させる。機械の性能は、最小
リラクタンス位置と最大リラクタンス位置の間のリラク
タンス差異を最大にすることに大きく影響される。
【００４０】発明の本実施形態に従えば、回転子極１１
０の最大角度範囲は回転子極１０８の最大角度範囲より
も大きい。
【００４１】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、本発
明による比率を用いた１２の固定子極２０８および８の
回転子極２１０を有する、切換リラクタンス機械のため
の固定子成層体２００および回転子成層体２０２の断面
図である。従来の機械と同様に、回転子および固定子
は、それぞれこのような成層体を積層して構成されてお
り、たとえば図１に示されるような駆動システムに一体
的に組込まれている。図１０（ａ）は、回転子極の中心
線が固定子極の中心線と半径方向に整列する回転子位
置、すなわち固定子極の周りの相巻線のインダクタンス
が最大になる位置を示している。図１０（ｂ）は、回転
子が回転子極のピッチの半分だけ回転して、回転子上の
極間空所の中心線が固定子極の中心線と半径方向に整列
すいる回転子位置、すなわち、相巻線のインダクタンス
が最小になる位置を示している。本発明の特定の実施形
態において、回転子極面２０４は、回転子の回転軸を中
心とする従来の弧の形状を維持しているが、固定子極面
の形状は後述のように本発明の原理に従って寸法が定め
られる。
【００４２】図１０（ａ）の部分拡大図が図１０（ｃ）
であり、図１０（ｃ）には、本実施例における固定子極
の特有の形状が明確に示されている。この固定子極の形
状は、以下のような特徴を有する。
【００４３】１．固定子極は、回転子の回転軸の延長上
にある中心線Ｂに関して対称である。 ２．極の中心線Ｂを中心とする第１部分２０６があり、
該第１部分２０６の上部にて極面は弧状であり、該弧の
中心は回転子成層体の中心と一致する。これは固定子で
あるので、第１部分２０６は凹面である。 ３．第１部分の側方に角方向に隣接する第２部分２１２
があり、該第２部分２１２の上部にて固定子極面は回転
子極面から離れるように滑らかに傾斜している。この第
２部分の傾斜は、第１部分との間に不連続な点が生じな
いようなものである。 ４．第２部分の側方に角方向に隣接する第３部分２１４
があり、該第３部分２１４は丸みのある形状を特徴と
し、極の幅を広げる役目を果している。その丸み部分の
大きさおよび半径の中心は、第２部分との間に不連続性
が生じないように選択される。 ５．極の側面は、極面の各第３部分２１４から各固定子
極２０８のルート２１８に向って延びるアンダーカット
２１６を有し、該アンダーカットはルート２１８におい
て極本体に同化される。アンダーカット２１６の形状
は、第３部分または極本体との間に不連続性が生じない
ようなものである。このアンダーカットは、腰部におけ
る極の弦幅が第３部分間の弦幅よりも小さくなるよう
に、固定子極の形状の腰部を規定する。
【００４４】図１０（ｃ）からは、この形状が整合位置
における相巻線のインダクタンスにほど大きな影響を与
えないことがわかる。というのも、（第３部分による）
固定子極の余分の角度幅が、第２部分に関連する僅かに
増大した空隙の長さを補償して、主たる空隙が実質的に
不変であるからである。
【００４５】図１０（ｂ）から、第３部分があることに
よって、固定子極は両側の回転子極に、従来の回転子／
固定子極対を用いた場合よりも効果的に近づいているこ
とに注目される。これは最小インダクタンスに対しては
悪影響を及ぼすと考えられる。したがって、回転子極が
特徴的形状を有する前の実施形態の場合と比べて、得ら
れる利点は少ないと思われる。
【００４６】発明の本実施形態によれば、固定子極２０
８の最大角度範囲は、回転子極２１０の最大角度範囲よ
りも大きい。
【００４７】回転子極のみ、固定子極のみ、回転子極と
固定子極との両方が特徴的形状を有するいずれの場合に
おいても、該回転子極と固定子極とが共通半径上に整列
するとき、これら２極間に特性空隙（characteristic a
irgap）が形成される。この空隙は以下の特徴を有す
る。
【００４８】１．空隙が一定となる、極の中心線を中心
とする第１角度範囲。 ２．第１範囲のそれぞれの終端に隣接する第２角度範囲
であって、該角度範囲の上部にて、極の中心線からの角
度距離が増加するにつれ空隙が連続的に増大する第２角
度範囲。 ３．空隙の長さの変化率にはいかなる不連続性もない。 ４．第１範囲の角度幅は、回転子極の角度幅の８０％を
越えない。
【００４９】本発明は、回転子極の前縁が固定子極に重
なり始める際に、比較的滑らかな移行を可能にすること
を意図している。次に空隙は、それぞれの極の中間点を
中心とする内部領域において、均一に近づく。次に、回
転子極が固定子極と整列した位置から離れるに従って、
平均空隙が再び増加し始めるが、この増加は緩やかであ
るので、回転子角に対する力の変化速度は小さい。
【００５０】回転子極の形状により定められる空隙は、
回転子が回転する際に、従来の回転子／固定子構成にお
いて生じる、極面が重なり始める位置に接近したときの
突然の空隙の移行を避けるという利点を有する。したが
って、従来の突然のかどに関連して回転子と固定子の間
で生じる急勾配の力の変化が有意に低減される。その結
果、こうした力の高速の変化に付随する振動も低減され
る。
【００５１】回転子極面の形状は、特定の用途に応じて
変更することができる。形状には、異なる延長部分の丸
み、異なる延長部分の比率、異なる増加率および最終空
隙値を有するものがあり、これらのパラメータのうちの
いくつかを選択して有するもの、あるいはこれらすべて
のパラメータを有するものが含まれる。全体として、得
られる利点が、生じる力の変化率を低下させるものであ
ればよい。これにより、与えられた機械の出力に対して
振動および音響ノイズを低下させることができる。
【００５２】図９は、従来の回転子および固定子極弧の
形状（「標準」）を有する切換リラクタンス機械と、本
発明に従う回転子極弧の形状（「本発明」）を有する切
換リラクタンス機械における振動のスペクトル分析の結
果を示している。問題となっている切換リラクタンス機
械は、１２の固定子極と８の回転子極を有する７．５ｋ
Ｗ出力の機械であり、軸の高さは１３２ｍｍ、定格速度
は１５００回転／分である。本発明の特徴的形状を有す
る極面は、調べた全ての中央周波数帯において、振動の
大きさが低下しており、またその低下は、振動力が最大
となる４４５８Ｈｚのときに特に効果が大きいことがわ
かる。
【００５３】本発明が取組んでいるものは、回転子極と
固定子極との縁部における相互作用であるので、当業者
にとって、上述の極形状を必要に応じて固定子極形状に
も適用できることは明らかであろう。当然のことなが
ら、両方の極形状を適切に適用することによっても、所
望の効果がえられる。さらに、延長部分１１４は、固定
子巻線を固定子成層体の極の周りに巻付けておく、ある
いは流線形のコンポーネントを回転子極間に保持してお
く際の、追加の利点を得るためにも使用することができ
る。
【００５４】同様に、本発明は、直線型電動機であっ
て、固定子による可動部材の吸引により、進行方向に実
質的に垂直な力を発生する該電動機にも適用することが
できる。機械を回転させることに関する上述のオバライ
ジング力に関しては、この垂直力が曲ることによって機
械を歪ませ、その結果、振動および音響ノイズが生じる
ことになる。したがって、固定子および／または可動部
材の極形状は、同様の効果を与えるように本発明に従っ
て変更することができる。このように当業者であれば、
本発明を逸脱しない範囲で開示した構成の変更が可能で
あることを認識するであろう。したがって、上述のいく
つかの実施形態の説明は例示のためのものであり、本発
明を限定するためのものではない。本発明は上記請求項
の精神と範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】切換リラクタンス駆動システムの主要コンポー
ネントを示す図である。
【図２】固定子極に接近中の回転子極の概略図である。
【図３】図１の機械の相巻線の付勢を制御する電力変換
器内の典型的な切換回路を示す図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれチョ
ッピングモードおよび単一パルスモードで動作する切換
リラクタンス駆動機の典型的な電流波形を示す図であ
る。
【図５】固定子内の磁束波形と機械的な力との関係を示
す図である。
【図６】磁束通路の非線形性を考慮に入れた、固定子内
の磁束波形と機械的な力との関係を示す図である。
【図７】３つの相巻線電流値について、回転子角に対す
る周方向力の典型的なカーブを示したものである。
【図８】本発明に従う成層体の形状の一例を示す図であ
る。
【図９】従来の成層体の形状および図８の成層体の形状
を用いた場合の機械の振動スペクトルを示す図である。
【図１０】本発明に従う成層体の形状の一例を示す図で
ある。
【符号の説明】
１００ 固定子成層体 １０２ 回転子成層体 １０４ 固定子極面 １０６ 第１部分 １０８ 固定子極 １１０ 回転子極 １１２ 第２部分 １１４ 第３部分 １１６ アンダーカット １１８ ルート Ａ 中心線
フロントページの続き (71)出願人 596039176 Ｅａｓｔ Ｐａｒｋ Ｈｏｕｓｅ，Ｏｔｌ ｅｙ Ｒｏａｄ，Ｈａｒｒｏｇａｔｅ，Ｎ ｏｒｔｈ Ｙｏｒｋｓｈｉｒｅ ＨＧ３ １ＰＲ，Ｅｎｇｌａｎｄ (72)発明者 ランドール，スティーブン ポール イギリス国 エルエス６ ３ピーディー リーズ ヘディングレイ ベケッツ パー ク ドライブ ３

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転子成層体と固定子成層体とを含む、
    リラクタンス機械のための一組の成層体において、各成
    層体は、本体と、軸線を中心に各本体から放射状に延び
    る極の列とを有し、各極は中心線に関して対称であり、
    極面と、本体と該極面の間に延びる側面とを有し、回転
    子および固定子の極の極面は、前記一組の成層体が共通
    軸上に配置され、極の中心線が一致するとき、協働して
    該極面間に空隙を規定し、整列した極間の該空隙は、半
    径方向の長さが実質的に一定の内部領域と、該内部領域
    の両側に、内部領域から離れるにつれ半径方向長さが連
    続的に増加する外部領域とを有し、前記回転子および固
    定子の極の一方または両方が、各外部領域と対応の側面
    とをなめらかにつなぐ、各外部領域の側方に延びる延長
    部を有し、一方または両方の成層体上の極は、各延長部
    と本体との間に該極内の腰部となるアンダーカットを有
    し、極面の寸法は、回転子極が固定子極との整列位置に
    移動するにつれ、また該整列位置から離れるにつれ、緩
    やかに変化する磁束通路を提供するように構成されてい
    ることを特徴とする一組の成層体。
  2. 【請求項２】 回転子極面が、内部領域と外部領域との
    両方の角度範囲に及ぶ弧状面を有し、該弧は前記共通軸
    を中心とする直径に一致することを特徴とする請求項１
    記載の一組の成層体。
  3. 【請求項３】 延長部が固定子極上にあり、前記回転子
    極の弧状面を越えて角度を成していることを特徴とする
    請求項２記載の一組の成層体。
  4. 【請求項４】 固定子極の腰部の弦幅が、延長部間の最
    大弦幅よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の一
    組の成層体。
  5. 【請求項５】 固定子極面が、内部領域と外部領域との
    両方の角度範囲に及ぶ弧状面を有し、該弧は前記共通軸
    を中心とする直径に一致することを特徴とする請求項１
    記載の一組の成層体。
  6. 【請求項６】 延長部が回転子極上にあり、前記固定子
    極の弧状面を越えて角度を成していることを特徴とする
    請求項５記載の一組の成層体。
  7. 【請求項７】 回転子極の腰部の弦幅が、延長部間の最
    大弦幅よりも小さいことを特徴とする請求項６記載の一
    組の成層体。
  8. 【請求項８】 内部領域が、外部領域のいずれか一方の
    角度幅の４倍までの角度範囲にわたることを特徴とする
    前出の請求項のいずれかに記載の一組の成層体。
  9. 【請求項９】 回転子極および固定子極は、各外部領域
    内の空隙が、内部領域の空隙の半径方向長さの約２倍ま
    で半径方向に増加する形状をなしていることを特徴とす
    る前出の請求項のいずれかに記載の一組の成層体。
  10. 【請求項１０】 積層された前出の請求項のいずれかに
    記載の一組の成層体から成る固定子および回転子を含む
    リラクタンス機械。
  11. 【請求項１１】 回転子が固定子内で回転するように取
    付けられることを特徴とする請求項１０記載のリラクタ
    ンス機械。
JP11011152A 1998-01-20 1999-01-19 リラクタンス機械におけるノイズの低減 Pending JPH11262225A (ja)

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