JP4588255B2 - 自己始動リラクタンスモータの回転子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リラクタンストルクを利用した同期電動機であり、特に回転子に始動用２次導体（フラックスバリア）を設けることで自己始動可能としたリラクタンスモータに関し、特に種々の課題を解決可能な自己始動リラクタンスモータの回転子の構造に関するするものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転子に磁気的な突極構造を持ち、固定子の進行磁界に同期して回転するいわゆるリラクタンスモータは、反作用モータ、あるいは同期リラクタンスモータとして一般に知られている。そして、近年は磁気的な突極を極限にまで高めるために回転子に多層のスリット構造をもたせることで、誘導電動機を上回る高効率モータとして注目されている。
【０００３】
しかし、このような構造のリラクタンスモータは同期モータであるために回転子位置に応じて固定子巻き線の電流位相を制御することが必要であり、一般にインバータによって駆動される。一方、インバータ以外の始動方法として、例えば特開平１１−１４６６１５号公報に記載されるモータのように、回転子に誘導のための始動用２次導体を設ける方法が提案されている。
【０００４】
さらには、これとは別に従来のリラクタンスモータにおける課題としてスリットの配置を適当に選ばない場合には、同期運転時におけるトルクリップルが発生して、これが負荷と共振するなどして振動騒音の要因となる問題があった。この点に関しては、上述の従来例においては、回転子スキューを施してトルクリップルを低減する方法が示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ファン、ポンプ、コンプレッサなど従来誘導モータが用いられてきた一般産業用モータに、このような構造のリラクタンスモータを適用する為には、回転子位置に応じて電圧を制御するインバータを用いる方法が一般的である。しかし、インバータを用いるとコストが増加するだけでなくインバータ損失の発生によって総合効率が低下してしまう問題がある。したがって、このような構造のリラクタンスモータにおいても、誘導電動機と同様に、インバータを使用しないでも定格速度で運転できることが望ましく、商用電源にて同期速度まで加速して同期運転できることが望ましい。
【０００６】
これに対して、上述の従来例である特開平１１−１４６６１５号公報には、棒状導体をスリット部の外周付近に配置する方法が提案されている。このようにして、誘導始動を可能とするリラクタンスモータが提案されているが、このような棒状導体をスリット部の外周付近に配置する方法では、負荷と慣性によって同期引き入れができない領域があるので問題であった。同期引き入れせずに非同期で運転されるリラクタンスモータは振動が大きくて効率が低く一般産業用途に適さない。
【０００７】
そして、特に、このような多層スリット構造のリラクタンスモータは、回転子の磁気的な突極性が高いために慣性の大きな負荷に対しては引き入れ能力が低下してしまう問題がある。さらには、誘導電動機と同一枠番で自己始動リラクタンスモータを構成すると負荷の慣性が回転子慣性と同程度を超えると定格トルク負荷に対する同期引き入れが困難になる問題がある。
【０００８】
これらの課題から単純に棒状導体をスリット部の外周付近に配置したとしても、その適用範囲は比較的慣性の小さな用途に限られるために、商用電源にて直接駆動するモータとして一般産業用に広く適用することは困難であるという課題があった。
【０００９】
また、このような多層スリット構造のリラクタンスモータを一般作業用モータとして適用することを考えた場合のさらなる課題として、量産性と低振動の両立がある。
【００１０】
すなわち、量産を考えた場合には、コスト面から、回転子に設ける始動用の２次導体をアルミダイキャストによって作成することが望ましい。そして、ダイキャスト時の生産性を考えた場合には、微小なスリット幅とすると溶融アルミを回転子に流動させる際の圧損が大きくなり量産性が低下する。したがって現実的には、回転子に配置できるスリットの数は少なく配置することが望ましい。
【００１１】
しかし、スリット数が少ないと固定子スロットと回転子の間の磁気的な相互作用によってトルクリップルが大きくなって振動騒音を発生する。これを避ける案として、上述の従来例においては、回転子にスキューを採用する方法が開示されているが、回転子の磁気的な突極性が低下すること、さらには回転子表面部分を周方向に渡って流れる渦電流による損失いわゆる横流損失が生じるなどしてモータの効率・力率が低下する問題があり、そのため、量産性と振動と効率・力率すべてを兼ね備えた誘導始動するリラクタンスモータを得ることは従来困難であった。
【００１２】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、誘導電動機と同じサイズで作製した場合においても、回転子慣性より大きな慣性を有する負荷に対しても商用電源直入れによって自己始動が可能であると同時に、同一サイズで作成した誘導電動機よりも高い効率を有し、さらにトルクリップルが小さいという全てのを得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を４４等分割され１極に対して１１となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、１１の位置の外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１１の位置の中央の３位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１６度に設定されている。
【００１４】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して６層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、６層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する５層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略２６度に設定されている。
【００１５】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して７層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、７層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する６層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１３度に設定されている。
【００１６】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、２４個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して４層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を２０等分割され１極に対して１０となる位置おいて、４層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する３層のフラックスバリアスリットは、１０の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１０の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略７２度に設定されている。
【００１７】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を３２等分割され１極に対して１６となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、１６の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１６の位置のうち中央の８位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略９０度に設定されている。
【００１８】
また、２次導体はアルミ導体であり、またフラックスバリアスリットの端部と回転子の外周部との間の距離は０．３５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。
【００１９】
さらに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成され複数の位置を結合するように形成されたフラックスバリアスリットは、断面形状において、結合部分が回転子外周に対して凹形に後退している。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１にかかる自己始動リラクタンスモータの固定子鉄心を示す断面図である。図２は従来の自己始動リラクタンスモータの回転子を示す断面図である。図１において、このリラクタンスモータの固定子１の固定子鉄心１ａには、３６個の固定子スロット２が周方向に等間隔に形成されている。各スロット２には図示しない３相４極の巻き線が巻回されている。
【００２１】
図１に示すモータの固定子スロット２の数をＮｓ、極対数をＰで表現するとＮｓ＝３６，Ｐ＝２である。一方、図２に示す回転子３のスリットの層数は６層となっている。ここで、リラクタンスモータとして最適なスリット数の組み合わせを選択する条件として以下にしめす（条件１）から（条件４）の４つの条件を満足する必要があることを発見した。
【００２２】
空隙中に発生する磁束密度の空間高調波の次数は、固定子１が発生する基本波の次数を１とすると誘導電動機の同様の構造であるので公知の回転機理論によって
【００２３】
【数１】
【００２４】
となる。 これに対して同期リラクタンスモータ特有の回転子３によって生じる高調波成分は以下のように求められる。
【００２５】
従来の回転子３の軸方向に対して垂直な面での断面図を図２に示す。図２に示す回転子３は、フラックスバリアスリットとしての円弧状のスリット４が形成された薄板電磁鋼板を複数枚積層し、その後、各スリット４にアルミをダイキャストすることによって始動用のフラックスバリアすなわち２次導体５を形成する。
【００２６】
尚、図示しないが一般的な誘導電動機と同様に２次導体５はエンドリングによって短絡されている。ここでスリット４によって空隙中に生じる磁気的な凸凹が回転子３の外周１周あたりにＮｒ個発生するとした場合には、固定子１が発生する基本波の次数を１とすると空隙中に発生する空間高調波の次数は
【００２７】
【数２】
【００２８】
となる。このとき、ＭとＮの最小公倍数が大きいほど固定子・回転子間の磁気的な相互作用によって生じるリップル成分が小さくなる。逆に最小公倍数がもっとも小さな１の場合、すなわち高調波Ｍ＝Ｎとなる組み合わせがあった場合にはトルクリップルが大きくなる。
これらから
（条件１）：ＭとＮの最小公倍数は極力大きく選ぶことが望ましい。
【００２９】
次の条件として、Ｎｒは１極ごとの構造が同一であることが非対称性による振動を除く上で望ましい、そのため、スリット数は極数の倍数でなくてはならない。このことから
（条件２）：Ｎｒ／２Ｐは整数である。
【００３０】
次の条件として、スリット４の層数が増えると、隣接するスリット４間どうしの間隔が短くなる。そのため、固定子１のスロット２によって発生する空間高調波磁束が回転子３の導体に鎖交しやすく、高調波２次銅損が大きくなる。またスリット２の数の増加は、鉄心１ａをプレス打ち抜きで作成する場合にプレス打ち抜き部の総沿面長の増加を招くことから、プレス機に求められるプレス圧力が高くなるか、あるいは順送プレス機においてはプレスの加工段数が増えることから、モータ生産設備が大規模になってしまう。さらには、その後、アルミダイキャストによって始動用２次導体５を作成する場合における特有の課題としてスリット４の幅が狭いとアルミをダイキャストする際の圧損が大きくダイキャストに要する圧力が増加するなどして、生産性が著しく低下する。
これらから、
（条件３）：スリット数は極力少ない方が望ましい。
【００３１】
次の条件として、フラックスバリアスリットとしてのスリット４の層数を以下に述べる。図３における曲線６がスリット４の層数とモータの効率の定性的な関係を示したものである。一般にはスリット４の総面積を一定条件でスリット４の層数を増やしていった場合はジグザグもれ磁束など不要な磁束成分が低減されるために無効な電流が減ってモータの効率特性は改善していく傾向がある。層数を増やすほどその漏れ磁束低減効果は大きいのであるが、実用的にはある程度以上の層数で、もれ磁束は十分に低減されるので十分となる。数ｋＷクラスの産業用モータでは、およそ５層程度以上とすることで、同一サイズで作成した誘導電動機を上回るような高い効率を確保出来る。
【００３２】
次に、スリット４の数とＮｒの関係を考える。図４に１極分でのモデルを示す。図４に示すようにスリット４を一層設けた場合を考えると、その両端部において外周部に磁気的な凸凹７を１極あたり２箇所生じて高調波の要因となる。このことからスリット４の外周位置での配置が周方向に等間隔に配置された場合における、回転子に起因するＮｒ次の高調波磁束とスリットの層数Ｌとの関係は式３および式４に示される。
【００３３】
Ｎｒ／２Ｐが偶数においては、図４に示すように１極に１層設けるごとに、磁気的な凸凹を２箇所生じるので
【００３４】
【数３】
【００３５】
となる。
【００３６】
Ｎｒ／２Ｐが奇数においては、図２のスリット４で最も外周に位置する断面円状のスリット４ようにスリット４の半分のみが外周部近傍に配置されて磁気的な凸凹となるスリット４を１つ含んでいることになり、その場合は
【００３７】
【数４】
【００３８】
となる。
【００３９】
ここで、図３グラフで示したモータの効率が誘導電動機を上回る範囲を満足するように、Ｌ≧５を確保すると
（条件４−１）：Ｎｒ／２Ｐが偶数においては、Ｎｒ≧２０Ｐ
（条件４−２）：Ｎｒ／２Ｐが奇数においては、Ｎｒ≧１８Ｐ
が求められる。
【００４０】
以上の（条件１）〜（条件４）の制約の中で、図１に示す固定子を例にして、（式１），（式２）のＭとＮの最小公倍数が大きい組み合わせの実施の形態として以下に示す。
【００４１】
まず、図１に示すモータでは、Ｎｓ＝３６，Ｐ＝２であるので、固定子スロットによって１９次，１７次の高調波成分を有する。そこでＭとＮが等しくならず最小公倍数を大きくするＮｒとしては４４と２８が考えられる。しかし、２８は条件４を満足しないことからＮｒとしては４４が選択される。つまり回転子の外周部を４４等分した位置付近にスリット４に端部を配置した基本構造とするとトルクリップルを低減したモータが得られる。
【００４２】
したがって、回転子の構造を（条件４−１）もしくは（条件４−２）とする手段によって、ポンプ、コンプレッサなどの一般産業用としてはスキューせずともトルクリップルが低減できるという作用があるため、スキューによって増加する損失が無しに低トルクリップルと高効率が両立したモータにできるという効果が得られる。もちろん効率を犠牲にすれば、本発明の構造にスキューを併せて施すことで更なるトルクリップル低減効果があることはいうまでもない。
【００４３】
具体的な回転子構造としてＮｒ＝４４を満足するような形状を考えると、多層スリットの回転子構造として図２に示すような構造が考えられる。しかし、この図２の構造とするのみでは同期引き入れ能力が不足するので、産業用モータとして広く適用するには、この同期引き入れ能力の改善が必要である。これを以下に説明する。
【００４４】
図２に示すようなスリット４にダイキャストして作成した２次導体５を固定子１と組み合わせて始動する際に、始動時においては突極構造の回転子３が固定子１の進行磁界に対して非同期状態にある。このとき回転子３を通過する磁束は磁気的な突極部と非突極部において大きさが変化するために、回転子３の２次導体５を流れる電流の大きさが変化する。このことから回転子３の２次導体５を流れる電流は逆相と正相の２成分を有するようになる。
【００４５】
この逆相成分による影響は、誘導電動機の現象としてよく知られているゲルゲス現象と同様に、すべり０．５以上では正、０．５以下では負のトルクを生じる。したがって、すべりが０．１程度の小さな同期引き入れ直前の状態においては、この逆相成分による負のトルクは同期引き入れの阻害要因となる。また固定子１の巻き線を流れる電流波形もこの回転子の突極構造に起因して図５に示されるように回転子位置に応じて電流の振幅値が変化する。
【００４６】
一方、正相成分は、回転子がすべることによって通常の誘導電動機と同様に正の誘導トルクを発生する。
【００４７】
ここで、本発明の説明のためにモータの発生する始動時におけるトルクを、上述した正相成分の誘導トルクと逆相成分によるトルクに便宜的に分離して定性的な傾向として示したものを図６に示す。図６中の曲線８が回転子３の２次導体５が誘導電動機として作用する平均トルク、図６中の曲線９はゲルゲス現象と同様のメカニズムで生じるトルク成分ですべり０．５以上では負のトルクとなるために、加速を妨げる要因となる。これらの合力が加速トルク１０となって負荷トルクと釣り合うすべりｓにまで加速される。
【００４８】
その後、モータに接続される負荷の慣性Ｊによって、同期可能なすべりＳ０（Ｊ）とすべりｓの関係がＳ０（Ｊ）＞ｓ範囲にあれば、そのまま同期状態に引き込まれる。（図中では同期時のトルクは図示していない）。同期可能なすべりＳ０はモータに接続される負荷の慣性によって異なる。同期引き入れ可能な負荷トルクと負荷慣性の関係を定性的な傾向として示したものが図７である。図７の斜線部の領域１１に示されるように負荷の慣性モーメントが大きくなると適用可能な負荷トルクが低くなってしまう。
【００４９】
ここで、旧来の反作用モータなどとして知られる誘導始動を行う小型の突極型のモータに比べて本発明の多層スリット構造のリラクタンスモータは著しく磁気的な突極性が高い。したがって、逆相成分によって生じる電流脈動もより大きくなるため、すべりが０．５以上の領域で生じる負のトルク分が大きくなり、図８に示すように変化する。そのため、負荷トルクＴとつりあうすべりｓはｓ'とおおきくなってしまい、Ｓ０（Ｊ）＜ｓ'となることから同期引き入れできない。このため、図７における破線１２に示すように引き入れ出来ない領域は広く、同期時の特性は旧来の反作用モータより優れるものの商用直入れで運転する場合には同期引き入れが困難なため一般産業用途への適用範囲が狭くなる。
【００５０】
本発明においてこの引き入れを回避する方法を以下に示す。
まず、回転子側の２次抵抗を極力低減することで、誘導電動機の比例推移則によって図８の曲線８に示す誘導トルクの特性を、図９に示すようにトルクのピークを低すべり側に推移させる。これにより、負荷トルクと誘導トルクがつりあうようすべりがｓ'からｓ''と小さくなって、Ｓ０（Ｊ）＞ｓ''となり回転子速度が同期速度に近づくことで同期引き入れ特性が改善され、回転子と同程度以上の大きな慣性をもった負荷が定格負荷トルクを要求しても同期引き入れが可能となる。
【００５１】
以上に示した定性的な傾向から回転子３の２次抵抗を低減すれば引き入れは改善されることがわかる。しかし、実機の回転子の形状設計において２次抵抗の低減を実機回転子構造で実現する場合においては、２次抵抗低減のために２次導体５の断面積をひろげることが必要になる。すなわち、本発明で提案するスリット４にアルミをダイキャストして２次導体５を形成する自己始動リラクタンスモータの回転子においては、スリット４部分の面積を大きくすることが必要である。
【００５２】
しかし、スリット４部分の面積を大きくすることは、一方で磁路断面積を小さくすることになるため極端にスリット４を大きくすると同期時における突極を通過する磁路の磁束密度が高くなり磁気飽和してしまいモータの効率・力率が低下してしまう。このことから、同期引き入れ範囲の拡大とモータ効率は回転子形状の設計において相反する設計制約となるためにその両立が困難という課題が生じる。
【００５３】
そこで、本実施の形態においては、回転子スリット４と磁気回路の配置を両立する構造として図１０を提案している。図１０に示すように回転子３の磁束が通過しやすい磁気的な突極方向をｄ軸方向、逆にフラックスバリアによって磁束が通過しにくい非突極方向をｑ軸方向と定義する。回転子３の中で電磁気的な役割分担に着目すると磁束密度はｄ軸付近で振幅最大位相、ｑ軸で振幅最小の正弦波状に変化するために、ｄ軸近傍では回転子鉄心の磁束密度が高い。逆にｑ軸付近を通過する回転子鉄心磁束密度は低くなる。一方、各スリットを鎖交する磁束を考えた場合には、ｑ軸でかつ回転子の外周側位置するスリットほど鎖交磁束量が多い。
【００５４】
そこで本実施の形態においては、図２に示す回転子３の構造から、さらに、このエリアのスリット５Ａ、５Ｂを結合して、その間の磁路を始動用の電流路が流れるように工夫して回転子の誘導電流の電流路断面積を拡大した図１０の５ｃようなスリット形状とすることを考案している。図１０に示す回転子３の構造のようにｑ軸方向のスリットを結合して２次導体断面積をひろげることは誘導トルクに寄与する導体部分の抵抗を下げる作用がある。また、このことでｑ軸方向の磁路幅は小さくなるが、もともと磁束量が少なく磁気飽和の影響が少ないため同期運転時の効率低下はほとんどない。さらにはｑ軸付近の磁束密度は十分小さいので、回転子の磁気的な脈動の振幅も小さく、振動を増加させることもない。
【００５５】
このため、図１０の構造では同期時の効率を低下させたり、振動を増加させたりすることなく、ひき入れ特性を改善できるという効果がある。このようにＮｒを４４とした構造をベースにｑ軸位置のスリット結合によってひき入れと低振動を満足得ることが出来ることを示したが、以上を一般化した設計範囲として以下に提示する。
【００５６】
すなわち、本実施の形態ではトルクリップルを低減する作用を得るためにＮｒ＝４４を採用している。そのため、各スリットの間隔は３６０／４４＝８．１８度間隔となる。ここで内周側に位置する２層以上を結合することで回転子外径部における結合した頂部位置の間隔は図１０における角度θでは２層分を結合したので８．１８×２≒１６度となり、これより大きな極弧角を有する形状となる。
【００５７】
このようなことから、本実施の形態の自己始動リラクタンスモータの回転子３においては、３６個のスロット２が形成された固定子鉄心１ａ及び固定子鉄心１ａに３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子１に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリット４が設けられ、フラックスバリアスリット４内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体５が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子３であって、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を４４等分割され１極に対して１１となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリット４は、１１の位置の外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリット４は、１１の位置の中央の３位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１６度以上であるので、生産性向上とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００５８】
実施の形態２．
残る課題として、図１１に示すように固定子１のスロット２によって生じた高調波磁束が図１１中の矢印１３に示すように回転子３の始動用２次導体５の一部に鎖交して生じる渦電流損失、いわゆる高調波２次銅損が発生しこれがモータ効率を低下させる一因となることにふれる。
【００５９】
この問題を解決する容易な手段としては、図１１に示したフラックスバリアスリット４の端部と回転子３の外周部との間の距離である外周ブリッジ部δを厚くして回転子内部に鎖交する磁束から遠ざけて回転子表面の鉄心に迂回させる方法が考えられる。
【００６０】
しかし、一方で外周ブリッジ部δを厚くすることは、回転子３の外周部のもれ磁束、特にｑ軸成分のもれ磁束が増加させてしまうためＬｑが大きくなる。リラクタンスモータの力率をしめす指標として、一般に、固定子１からみたｄ軸方向のインダクタンスＬｄとｑ軸方向のインダクタンスの比率Ｌｄ／Ｌｑを突極比と呼ぶ。多層スリット構造のリラクタンスモータにおいて誘導機を上回る性能を得るには、この突極比を５〜１０程度以上に大きくすることが求められる。
【００６１】
しかし、外周ブリッジ部δを厚くしてＬｑ値が増加した場合には、突極比は著しく低下する。そのために力率が低下して固定子を流れる電流が増加し１次銅損が増加して効率が低下してしまう。
【００６２】
したがって、ブリッジ部δの厚さに関しては、高調波２次銅損の低減による損失低減と１次銅損低下との相反する関係がある。この関係を図１２に示す。ブリッジ厚さと損失の傾向に関しては、図１２中の曲線１３に示すような傾向であり、力率低下に関してはブリッジ厚さδが小さい範囲ではブリッジ部が磁気飽和していることと、外周部の加工劣化による磁気特性劣化のために０．３ｍｍ以下ではブリッジ厚さの増加による１次銅損低下はあまりないが、およそ０．３ｍｍ程度以上からブリッジ厚さの増加とともに１次銅損が増加し０．５〜０．６ｍｍを超えると、汎用の３相誘導電動機を上回る性能を得ることが難しくなる。
【００６３】
一方、高調波２次銅損に関しては図１２中の曲線１４に示すようにブリッジ厚さの増加に応じて低下する。損失は１３＋１４であることから、ブリッジ厚さが０．３５〜０．４８ｍｍの範囲に最適値があり、この範囲で設計すると高調波２次銅損の１次銅損の双方を考慮して最少の損失が得られる。このブリッジ厚さは厳密にはモータサイズで異なるが数ｋＷクラスの産業用モータにおいては、概略同様の値となる。
【００６４】
このことから、本実施の形態で提案する自己始動リラクタンスモータの回転子３は、多層スリット構造にアルミをダイキャストして製造する回転子構造において、外周部ブリッジ厚さを０．３５〜０．４８ｍｍ程度とする。このことは、高調波で発生する損失を最小にする作用があり、モータの効率を高くできるという効果が得られる。
【００６５】
このように、本実施の形態の自己始動リラクタンスモータ回転子３においては、フラックスバリアスリット４の端部と回転子３の外周部との間の距離δは、０．３５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。そのため、回転子３表面部を通過する漏れ磁束を増加させない範囲で固定子１のスロット高調波磁束を鉄心で迂回させることで鎖交量を抑制することで２次導体５の外周表面部に鎖交して発生する高調波２次銅損を低減でき高効率なモータとできる。
【００６６】
実施の形態３．
本発明の実施の形態１に示すように結合したスリット部５Ｃにおいては、図１３に示すように固定子スロット２によるもれ磁束１５の鎖交が大きくなることから高調波２次銅損が他のスリットより大きくなり問題となる。
【００６７】
これに対し、本発明の実施の形態２に示すように外周部ブリッジ厚さδに関しては０．３５ｍｍ〜０．４５ｍｍ程度すると磁束の鎖交量が低減して損失が低減すると同時に、図１４に示すように外周部スリットで２ヶ所以上を０．３５ｍｍ〜０．４５ｍｍの凸状とし、各凸状を結合する結合部分５Ｄａを凹状に内周側にへこませて全体を５Ｄのような形状とすることでこの損失を低減できる。
【００６８】
図１５に５Ｄの形状を拡大して示す。凸状の箇所を２ヶ所以上設けることは、図１５中の矢印１６のような回転子表面の無効なもれ磁束成分が通過する磁路に対して凸状付近の１７に示す位置で鉄心が磁気飽和するので、もれ磁束が通過しにくくなる。これは、もれ磁束１６を低減する作用があり、結合部分５Ｄａを凹状とすることは回転子２次導体５Ｄに鎖交する固定子スロット２によるもれ磁束１５を回転子表面の鉄心に迂回させて２次導体に鎖交する磁束をできるだけ減らして高調波２次銅損を減らす作用がある。その結果モータ効率を限界まで高くできるという効果が得られる。
【００６９】
このように、本実施の形態の自己始動リラクタンスモータの回転子３においては、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成され複数の位置を結合するように形成されたフラックスバリアスリット５Ｄは、断面形状において、結合部分５Ｄａが回転子外周に対して凹形に後退している。そのため、固定子１のスロット高調波磁束の侵入する位置の２次導体５を一部分排除することで、２次導体外周表面部に鎖交して発生する高調波２次銅損を低減でき高効率なモータとできる。この場合でも残された凸部が磁気飽和しているために回転子表面部を通過する漏れ磁束を増加させることがなく、漏れ磁束によって生じる力率低下も少ない。
【００７０】
実施の形態４．
本発明の実施の形態１に示す図１０の回転子３のフラックスバリアの結合を３層分とした構成を図１６に示す。フラックスバリアの結合を３層分として図１６に示す２次導体５Ｅを形成することは、２次導体の断面積をより大きくすることから、２層を結合した図１０あるいは図１４の回転子構造よりさらに回転子３の２次抵抗を低減せしめて、同期引き入れの能力を高めることが出来る。その場合若干効率・力率は低下するものの、ほぼ汎用三相電動機と同程度の効率である。 旧来の反作用モータなどと呼ばれるような簡易な形状のリラクタンスモータは一台の制御装置でも群制御などがしやすいために繊維機械用途などによく用いられているが、誘導電動機よりかなり力率が劣り電源容量が大きくなるという課題があったが、本発明の図１６に示すようなモータを適用することは、誘導電動機と同程度のよりはるかに高い力率のリラクタンスモータを提供することができるという効果がある。
【００７１】
実施の形態５．
一方、数ｋＷクラス程度の４極の小型モータにおいては固定子スロット数Ｎｓとして３６もしくは４８が一般的である。４極３６スロットの場合の構成例は既に上述にて説明したので４８スロットの場合の例を本実施の形態にて示す。図１７に示す固定子１は４８スロット数であり、図示しない３相巻き線が４極の進行磁界を発生するように巻回されている。本実施の形態はＮｓ＝４８，Ｐ＝２であるので上述した固定子スロットの空間周波数としては進行磁界の基本波成分を１次とすると、Ｍ＝ｋｓ（４８／２±１）より２３次、２５次の次数の空間高調波が発生する。
【００７２】
これと組み合わせて大きな最小公倍数を得るＮとしては２０もしくは２８が適当な値となり、これを実現するＮｒとしては４０もしくは５６を基本構造としてもつ構造が振動低減に有利な構造である。したがって、５層もしくは７層のフラックスバリアスリット数を選ぶ。ここで５層構造でも相応の性能が得られるが、ｑ軸位置のスリットを結合することに鑑みて７層構造とした方がスリットの層数を多く取れるので望ましい。ここから、さらに引き入れ改善の作用を得るために２層のｑ軸付近のスリットを結合した図１７に示すような構造とすれば引き入れと高い効率を両立することができる。
【００７３】
以上を一般化した設計範囲として以下に提示する。本実施の形態にしめす図１７の構造ではトルクリップルを低減する作用を得るためにＮｒ＝５６を採用している。したがって各スリットの間隔は３６０／５６＝６．４２度間隔となる。ここで内周側に位置する２層以上を結合することで回転子外径部における結合した頂部位置の間隔は図１７における角度θは、６．４２×３≒２０度であるので、これより大きな極弧角を有する形状となる。
【００７４】
このように、本実施の形態の自己始動リラクタンスモータの回転子３は、４８個のスロット２が形成された固定子鉄心１ａ、及び固定子鉄心１ａに３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子１に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して６層のフラックスバリアスリット４が設けられ、フラックスバリアスリット４内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体５が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子３であって、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、６層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する５層のフラックスバリアスリット４は、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略２０度以上であるので、モータの高効率化とトルクリップル低減を両立できるという効果があるとともに、引き入れ能力を向上させることができ、さらに高調波で発生する損失を最小にすることができる。
【００７５】
さらに、本実施の形態の変更例として、１極に対して７層のフラックスバリアスリット４が設けられた場合を考えると、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、７層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する６層のフラックスバリアスリット４は、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリット４は、１４の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリット４の極弧幅角が所定の６度以上であるので、モータの高効率化とトルクリップル低減を両立できるという効果があるとともに、モータの力率が向上する。
【００７６】
実施の形態６．
また、数ｋＷクラス程度以下の２極の小型の３相誘導モータにおいては固定子スロット数Ｎｓとして２４もしくは３６などが一般的である。Ｎｓが２４の場合は、Ｎｓ＝２４，Ｐ＝１であるので上述した固定子スロットの空間周波数としては進行磁界の基本波成分を１次とすると、Ｍ＝ｋｓ（２４／１±１）より２３，２５次の次数の空間高調波が発生する。
【００７７】
これと組み合わせて大きな最小公倍数を得るＮとしては２０もしくは２８が適当な値となり、これを実現するＮｒとしては２０もしくは２８を基本構造としてもつ構造が振動低減に有利な構造である。したがって、１０層もしくは１４層のフラックスバリアスリット数を設けると振動が低減できる。
【００７８】
ここで、本発明の実施の形態１に示した条件３からスリット数の少ない１０層を選択し、ここからさらに引き入れ改善のためにｑ軸付近のスリットを結合した構造として図１８を考案している。
【００７９】
以上を一般化した設計範囲として以下に提示する。本実施の形態にしめす図１８の構造ではトルクリップルを低減する作用を得るためにＮｒ＝２０を採用している。したがって各スリットの間隔は３６０／２０＝１８度間隔となる。ここで内周側に位置する２層以上を結合することで回転子外径部における結合する。したがって頂部位置の間隔は図１７における角度θは、１８×３＝５４度より大きな極弧角を有する形状となる。
【００８０】
また、本実施の形態の変更例として、１極に対して５層のフラックスバリアスリット４が設けられた例を考えると、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を２０等分割され１極に対して１０となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリット４は、１０の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリット４は、１０の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１８度以上であるので、２極機のように回転数が高いモータにおいても高調波２次銅損の増加を抑制することができ高効率なモータとすることができる。
【００８１】
実施の形態７．
さらに、数ｋＷクラス程度の２極の小型モータにおいては固定子スロット数Ｎｓとして２４もしくは３６が一般的である。Ｎｓが３６の場合は、Ｎｓ＝３６，Ｐ＝１であるので上述した固定子スロットの空間周波数としては進行磁界の基本波成分を１次とすると、Ｍ＝ｋｓ（３６／１±１）より３５、３７次の次数の空間高調波が発生する。
【００８２】
これと組み合わせて大きな最小公倍数を得るＮとしては３２もしくは４０が適当な値となり、これを実現するＮｒとしては３２もしくは４０を基本構造としてもつ構造が振動低減に有利な構造である。したがって、１６層もしくは２０層のスリット数を設けると振動が低減できる。
【００８３】
回転子の２次導体に対する固定子の鎖交磁束を低減するには、回転子スリット数を固定子スリット数の８割程度に低減することが望ましいので１６層を選択し、ここからさらに引き入れ改善のためにｑ軸付近のスリットを結合した構造として図１９が得られる。
【００８４】
以上を一般化した設計範囲として以下に提示する。本実施の形態にしめす図１８の構造ではトルクリップルを低減する作用を得るためにＮｒ＝３２を採用している。したがって各スリットの間隔は３６０／３２＝１１．２５度間隔となる。ここで内周側に位置する２層以上を結合することで回転子外径部における結合する。したがって頂部位置の間隔は図１８における角度θは１１．２５×３≒３４度より大きな極弧角を有する形状となる。なお図１８では、スリット１極あたりに８層確保することが困難であるので結合したフラックスバリアを含めて５層以上のスリット数を確保できれば誘導機と同等の効率を得ることが出来るので、内周側の４層を残して外側の８位置を結合したため角度θは１１．２５×７≒７９度となっている。
【００８５】
また、本実施の形態の変更例として、１極に対して８層のフラックスバリアスリット４が設けられた例を考えると、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を３２等分割され１極に対して１６となる位置おいて、８層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する７層のフラックスバリアスリット４は、１６の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリット４は、１６の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリット４の極弧幅角が概略１１度以上であるので、生産性を低下させることなく、モータの高効率化とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００８６】
最後に本発明の自己始動リラクタンスモータの回転子に関しまとめると、上述の実施の形態１では、Ｎｓ＝３６を選択して説明した。生産性の見地からはスロット数は極力少なくした方がよい。しかし、例えば４極機でこれ以上スロット数を減らす組み合わせとしては、Ｎｓ＝２４、Ｐ＝２とすると、固定子高調波としては１１次、１２次の高調波成分を有する。そこでＭとＮが等しくならず最小公倍数を大きくするＮｒとしては２８と２０が考えられるが，双方とも条件４を満足しない。したがって上で説明したＮｓ＝３６が４極機用としては生産性とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００８７】
また、Ｎｓ＝４８を選択した場合にはＮｓ＝３６に比べてスロット数が増えることから生産性は若干落ちるものの、より効率を追求する場合には回転子の層数が増えた分だけ効率が微増する。これより多い組み合わせとしてはＮｓ＝６０が考えられる。しかし、通常は数ｋＷクラスのモータの空隙直径は１００ｍｍ前後である。したがって、ここでＮｓ＝６０とするとスロットピッチは５ｍｍ程度となりスロット開口幅が２ｍｍ程度となってしまう。スロット開口幅に関しては巻き線挿入時の作業性を考慮すると２〜３ｍｍ程度以上ないと著しく低下する。以上から４極機用としては、Ｎｓ＝４８とすることは生産性を維持した中で高効率とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００８８】
一方、２極機は商用電源直結で運転した場合４極機に比べて回転数が高いために固定子のスロット高調波で回転子表面での損失が４極機に比べて多く発生する。特に、本発明のモータでは回転子スリット部に２次導体を充填しているために回転子導体に対して固定子高調波が鎖交することで損失を多く発生する。この損失を主眼に設計する場合にはＮｓ＞Ｎｒであることが望ましい。ここでＮｓ＝１８とすると、固定子高調波としては１７次、１９次の高調波成分を有する。そこでＭとＮが等しくならず最小公倍数を大きくするＮｒとしては１４と２２が考えられるが、Ｎｓ＞Ｎｒを満足できない。したがって、Ｎｓを２４とすることは２極機のように回転数が高いモータでも高調波２次銅損の増加は抑制でき高効率なモータにできるという効果がある。
【００８９】
さらに、Ｎｓを２４とした場合には、２４は４と６の倍数であるので、比較的生産量の多い４極機、６極機と固定子製造に必要な生産設備を共用にすることが可能になり、より生産性に優れたモータが得られるという効果が得られる。
【００９０】
Ｎｓ＝２４よりさらに効率を追求する場合には回転子のスリット数を増やすべくＮｓを増やすことが考えられる。そこで４極機と６極機と生産設備の共有できる２４の次に大きＮｓとしてはＮｓ＝３６、４８がある。
【００９１】
しかし、Ｎｓ＝４８を選択した場合には、Ｎｒ＝４０スリット数を２０層設ける方法が考えられるが、数ｋＷ程度のモータの回転子径が１００ｍｍ前後であり、かつ中央に軸が貫通する構造の場合には、２０層のスリットの配置を実現するにはかなり微細な加工が必要となり実用的ではない。したがってＮｓ＝３６が生産性を維持した中で最も高効率とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００９２】
【発明の効果】
このようなことから、本発明の回転子構造を有する自己始動リラクタンスモータは、ブリッジ厚さと多層スリットの構造を工夫したことで高い突極比を得ることができると同時に固定子スロットによって生じる高調波磁束によって始動用の導体の回転子に発生する２次銅損も少なくしたので従来の一般産業用途において汎用３相誘導電動機を上回る高い効率を得ることができるという効果がある。
【００９３】
また、高い突極比を有するリラクタンスモータ特有の同期引き入れ能力の低下を最小限に抑えることで回転子と同程度以上の慣性を有する負荷であっても、商用電源直入れで始動できることから従来のように効果なインバータなどの周波数変換装置を不要に出来るという効果がある。
【００９４】
また、トルクリップルが小さくできるためにトルクリップルに起因する振動等の問題も少ないという効果がある。
【００９５】
さらには、これらの効果をすべて兼ね備えることで従来困難であった一般産業用途に対しても同一サイズの汎用三相誘導電動機よりも高効率なモータとして広く適用が可能になるという効果がある。
【００９６】
そして、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を４４等分割され１極に対して１１となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、１１の位置の外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１１の位置の中央の３位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の４極汎用三相誘導モータ（〜３ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる３６スロットの固定子に対して用いることで、生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そしてさらに以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 高い効率を維持できる範囲で極力回転子のスリット数が少なくし、鉄心プレス時や２次導体ダイキャスト時の生産性を向上できる。
（３） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（４） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【００９７】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して６層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、６層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する５層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の４極汎用三相誘導モータ（〜１１ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる４８スロットの固定子を用いることで、生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そして以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 高い効率を維持できる範囲で極力回転子のスリット数が少なくし、鉄心プレス時や２次導体ダイキャスト時の生産性を向上できる。
（３） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（４） 固定子のスロット高調波によって回転子非磁性導体部分に生じる渦電流損失を低減にできる。（固定子スロット数＞回転子バリア×２）
（５） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【００９８】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して７層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、７層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する６層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の４極汎用三相誘導モータ（〜１１ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる４８スロットの固定子を用いることで、生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そして以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（３） 回転子スリット数を増やすことによって漏れ磁束を低減してモータの力率が向上する。このため定格時の電流が少なく固定子の巻き線に発生するジュール損失が小さくモータを高効率化できる。
（４） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【００９９】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、２４個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して４層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を２０等分割され１極に対して１０となる位置おいて、４層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する３層のフラックスバリアスリットは、１０の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１０の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の２極汎用三相誘導モータ（〜３ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる２４スロットの固定子を用いることで，生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そして以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 高い効率を維持できる範囲で極力回転子のスリット数が少なくし、鉄心プレス時や２次導体ダイキャスト時の生産性を向上できる。
（３） 固定子のスロット高調波によって回転子非磁性導体部分に生じる渦電流損失を低減にできる。（固定子スロット数＞回転子バリア×２）
（４） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（５） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【０１００】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を３２等分割され１極に対して１６となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、１６の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１６の位置のうち中央の８位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の２極汎用三相誘導モータ（〜３ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる３６スロットの固定子を用いることで、生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そして以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 高い効率を維持できる範囲で極力回転子のスリット数が少なくし、鉄心プレス時や２次導体ダイキャスト時の生産性を向上できる。
（３） 固定子のスロット高調波によって回転子非磁性導体部分に生じる渦電流損失を低減にできる。（固定子スロット数＞回転子バリア×２）
（４） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（５） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【０１０１】
また、２次導体はアルミ導体であり、またフラックスバリアスリットの端部と回転子の外周部との間の距離は０．３５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。そのため、回転子表面部を通過する漏れ磁束を増加させない範囲で固定子のスロット高調波磁束を鉄心で迂回させることで鎖交量を抑制することで２次導体外周表面部に鎖交して発生する高調波２次銅損を低減でき高効率なモータとできる。
【０１０２】
さらに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成され複数の位置を結合するように形成されたフラックスバリアスリットは、断面形状において、結合部分が回転子外周に対して凹形に後退している。そのため、固定子のスロット高調波磁束の侵入する位置の２次導体を一部分排除することで、２次導体外周表面部に鎖交して発生する高調波２次銅損を低減でき高効率なモータとできる。この場合でも残された凸部が磁気飽和しているために回転子表面部を通過する漏れ磁束を増加させることがなく、漏れ磁束によって生じる力率低下も少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの固定子を示す断面図である。
【図２】 従来の自己始動リラクタンスモータの回転子を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータのフラックスバリアスリットの層数とモータ効率の定性的傾向を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの回転子におけるフラックスバリアスリットとこのスリットの端部に発生する磁気的凸凹の関係を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの始動時における固定子の電流波形を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの始動時におけるモータ内部のトルクの発生の様子を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの負荷慣性と負荷トルクに応じた引き入れ不可能な範囲を定性的に示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの始動時におけるモータ内部のトルクの発生の様子を説明する説明図である。
【図９】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの始動時におけるモータ内部のトルクの発生の様子を説明する説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの回転子を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の自己始動リラクタンスモータの回転子表面の損失発生の様子を説明する説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態２の自己始動リラクタンスモータの回転子のブリッジ厚さと損失の関係を示す説明図である。
【図１３】本発明の実施の形態２の自己始動リラクタンスモータの回転子表面の損失発生の様子を説明する説明図である。
【図１４】本発明の実施の形態３の自己始動リラクタンスモータの回転子を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態３の自己始動リラクタンスモータの回転子表面の損失発生の様子を説明する説明図である。
【図１６】本発明の実施の形態４の自己始動リラクタンスモータを示す断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態５の自己始動リラクタンスモータを示す断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態６の自己始動リラクタンスモータを示す断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態７の自己始動リラクタンスモータを示す断面図である。
【符号の説明】
１ 固定子、１ａ 固定子鉄心、２ 固定子スロット、３ 回転子、４ スリット（フラックスバリアスリット）、５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ ２次導体、６ 効率特性曲線、７ 磁気的凸凹箇所、８，９，１０ トルク特性曲線、１１，１２ 引き入れ不可能な範囲、１３，１４ 損失曲線、１５，１６ 漏れ磁束、１７ 磁気飽和箇所。
【発明の属する技術分野】
本発明は、リラクタンストルクを利用した同期電動機であり、特に回転子に始動用２次導体（フラックスバリア）を設けることで自己始動可能としたリラクタンスモータに関し、特に種々の課題を解決可能な自己始動リラクタンスモータの回転子の構造に関するするものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転子に磁気的な突極構造を持ち、固定子の進行磁界に同期して回転するいわゆるリラクタンスモータは、反作用モータ、あるいは同期リラクタンスモータとして一般に知られている。そして、近年は磁気的な突極を極限にまで高めるために回転子に多層のスリット構造をもたせることで、誘導電動機を上回る高効率モータとして注目されている。
【０００３】
しかし、このような構造のリラクタンスモータは同期モータであるために回転子位置に応じて固定子巻き線の電流位相を制御することが必要であり、一般にインバータによって駆動される。一方、インバータ以外の始動方法として、例えば特開平１１−１４６６１５号公報に記載されるモータのように、回転子に誘導のための始動用２次導体を設ける方法が提案されている。
【０００４】
さらには、これとは別に従来のリラクタンスモータにおける課題としてスリットの配置を適当に選ばない場合には、同期運転時におけるトルクリップルが発生して、これが負荷と共振するなどして振動騒音の要因となる問題があった。この点に関しては、上述の従来例においては、回転子スキューを施してトルクリップルを低減する方法が示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ファン、ポンプ、コンプレッサなど従来誘導モータが用いられてきた一般産業用モータに、このような構造のリラクタンスモータを適用する為には、回転子位置に応じて電圧を制御するインバータを用いる方法が一般的である。しかし、インバータを用いるとコストが増加するだけでなくインバータ損失の発生によって総合効率が低下してしまう問題がある。したがって、このような構造のリラクタンスモータにおいても、誘導電動機と同様に、インバータを使用しないでも定格速度で運転できることが望ましく、商用電源にて同期速度まで加速して同期運転できることが望ましい。
【０００６】
これに対して、上述の従来例である特開平１１−１４６６１５号公報には、棒状導体をスリット部の外周付近に配置する方法が提案されている。このようにして、誘導始動を可能とするリラクタンスモータが提案されているが、このような棒状導体をスリット部の外周付近に配置する方法では、負荷と慣性によって同期引き入れができない領域があるので問題であった。同期引き入れせずに非同期で運転されるリラクタンスモータは振動が大きくて効率が低く一般産業用途に適さない。
【０００７】
そして、特に、このような多層スリット構造のリラクタンスモータは、回転子の磁気的な突極性が高いために慣性の大きな負荷に対しては引き入れ能力が低下してしまう問題がある。さらには、誘導電動機と同一枠番で自己始動リラクタンスモータを構成すると負荷の慣性が回転子慣性と同程度を超えると定格トルク負荷に対する同期引き入れが困難になる問題がある。
【０００８】
これらの課題から単純に棒状導体をスリット部の外周付近に配置したとしても、その適用範囲は比較的慣性の小さな用途に限られるために、商用電源にて直接駆動するモータとして一般産業用に広く適用することは困難であるという課題があった。
【０００９】
また、このような多層スリット構造のリラクタンスモータを一般作業用モータとして適用することを考えた場合のさらなる課題として、量産性と低振動の両立がある。
【００１０】
すなわち、量産を考えた場合には、コスト面から、回転子に設ける始動用の２次導体をアルミダイキャストによって作成することが望ましい。そして、ダイキャスト時の生産性を考えた場合には、微小なスリット幅とすると溶融アルミを回転子に流動させる際の圧損が大きくなり量産性が低下する。したがって現実的には、回転子に配置できるスリットの数は少なく配置することが望ましい。
【００１１】
しかし、スリット数が少ないと固定子スロットと回転子の間の磁気的な相互作用によってトルクリップルが大きくなって振動騒音を発生する。これを避ける案として、上述の従来例においては、回転子にスキューを採用する方法が開示されているが、回転子の磁気的な突極性が低下すること、さらには回転子表面部分を周方向に渡って流れる渦電流による損失いわゆる横流損失が生じるなどしてモータの効率・力率が低下する問題があり、そのため、量産性と振動と効率・力率すべてを兼ね備えた誘導始動するリラクタンスモータを得ることは従来困難であった。
【００１２】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、誘導電動機と同じサイズで作製した場合においても、回転子慣性より大きな慣性を有する負荷に対しても商用電源直入れによって自己始動が可能であると同時に、同一サイズで作成した誘導電動機よりも高い効率を有し、さらにトルクリップルが小さいという全てのを得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を４４等分割され１極に対して１１となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、１１の位置の外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１１の位置の中央の３位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１６度に設定されている。
【００１４】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して６層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、６層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する５層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略２６度に設定されている。
【００１５】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して７層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、７層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する６層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１３度に設定されている。
【００１６】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、２４個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して４層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を２０等分割され１極に対して１０となる位置おいて、４層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する３層のフラックスバリアスリットは、１０の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１０の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略７２度に設定されている。
【００１７】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を３２等分割され１極に対して１６となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、１６の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１６の位置のうち中央の８位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略９０度に設定されている。
【００１８】
また、２次導体はアルミ導体であり、またフラックスバリアスリットの端部と回転子の外周部との間の距離は０．３５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。
【００１９】
さらに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成され複数の位置を結合するように形成されたフラックスバリアスリットは、断面形状において、結合部分が回転子外周に対して凹形に後退している。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１にかかる自己始動リラクタンスモータの固定子鉄心を示す断面図である。図２は従来の自己始動リラクタンスモータの回転子を示す断面図である。図１において、このリラクタンスモータの固定子１の固定子鉄心１ａには、３６個の固定子スロット２が周方向に等間隔に形成されている。各スロット２には図示しない３相４極の巻き線が巻回されている。
【００２１】
図１に示すモータの固定子スロット２の数をＮｓ、極対数をＰで表現するとＮｓ＝３６，Ｐ＝２である。一方、図２に示す回転子３のスリットの層数は６層となっている。ここで、リラクタンスモータとして最適なスリット数の組み合わせを選択する条件として以下にしめす（条件１）から（条件４）の４つの条件を満足する必要があることを発見した。
【００２２】
空隙中に発生する磁束密度の空間高調波の次数は、固定子１が発生する基本波の次数を１とすると誘導電動機の同様の構造であるので公知の回転機理論によって
【００２３】
【数１】
となる。 これに対して同期リラクタンスモータ特有の回転子３によって生じる高調波成分は以下のように求められる。
【００２５】
従来の回転子３の軸方向に対して垂直な面での断面図を図２に示す。図２に示す回転子３は、フラックスバリアスリットとしての円弧状のスリット４が形成された薄板電磁鋼板を複数枚積層し、その後、各スリット４にアルミをダイキャストすることによって始動用のフラックスバリアすなわち２次導体５を形成する。
【００２６】
尚、図示しないが一般的な誘導電動機と同様に２次導体５はエンドリングによって短絡されている。ここでスリット４によって空隙中に生じる磁気的な凸凹が回転子３の外周１周あたりにＮｒ個発生するとした場合には、固定子１が発生する基本波の次数を１とすると空隙中に発生する空間高調波の次数は
【００２７】
【数２】
となる。このとき、ＭとＮの最小公倍数が大きいほど固定子・回転子間の磁気的な相互作用によって生じるリップル成分が小さくなる。逆に最小公倍数がもっとも小さな１の場合、すなわち高調波Ｍ＝Ｎとなる組み合わせがあった場合にはトルクリップルが大きくなる。
これらから
（条件１）：ＭとＮの最小公倍数は極力大きく選ぶことが望ましい。
【００２９】
次の条件として、Ｎｒは１極ごとの構造が同一であることが非対称性による振動を除く上で望ましい、そのため、スリット数は極数の倍数でなくてはならない。このことから
（条件２）：Ｎｒ／２Ｐは整数である。
【００３０】
次の条件として、スリット４の層数が増えると、隣接するスリット４間どうしの間隔が短くなる。そのため、固定子１のスロット２によって発生する空間高調波磁束が回転子３の導体に鎖交しやすく、高調波２次銅損が大きくなる。またスリット２の数の増加は、鉄心１ａをプレス打ち抜きで作成する場合にプレス打ち抜き部の総沿面長の増加を招くことから、プレス機に求められるプレス圧力が高くなるか、あるいは順送プレス機においてはプレスの加工段数が増えることから、モータ生産設備が大規模になってしまう。さらには、その後、アルミダイキャストによって始動用２次導体５を作成する場合における特有の課題としてスリット４の幅が狭いとアルミをダイキャストする際の圧損が大きくダイキャストに要する圧力が増加するなどして、生産性が著しく低下する。
これらから、
（条件３）：スリット数は極力少ない方が望ましい。
【００３１】
次の条件として、フラックスバリアスリットとしてのスリット４の層数を以下に述べる。図３における曲線６がスリット４の層数とモータの効率の定性的な関係を示したものである。一般にはスリット４の総面積を一定条件でスリット４の層数を増やしていった場合はジグザグもれ磁束など不要な磁束成分が低減されるために無効な電流が減ってモータの効率特性は改善していく傾向がある。層数を増やすほどその漏れ磁束低減効果は大きいのであるが、実用的にはある程度以上の層数で、もれ磁束は十分に低減されるので十分となる。数ｋＷクラスの産業用モータでは、およそ５層程度以上とすることで、同一サイズで作成した誘導電動機を上回るような高い効率を確保出来る。
【００３２】
次に、スリット４の数とＮｒの関係を考える。図４に１極分でのモデルを示す。図４に示すようにスリット４を一層設けた場合を考えると、その両端部において外周部に磁気的な凸凹７を１極あたり２箇所生じて高調波の要因となる。このことからスリット４の外周位置での配置が周方向に等間隔に配置された場合における、回転子に起因するＮｒ次の高調波磁束とスリットの層数Ｌとの関係は式３および式４に示される。
【００３３】
Ｎｒ／２Ｐが偶数においては、図４に示すように１極に１層設けるごとに、磁気的な凸凹を２箇所生じるので
【００３４】
【数３】
となる。
【００３６】
Ｎｒ／２Ｐが奇数においては、図２のスリット４で最も外周に位置する断面円状のスリット４ようにスリット４の半分のみが外周部近傍に配置されて磁気的な凸凹となるスリット４を１つ含んでいることになり、その場合は
【００３７】
【数４】
となる。
【００３９】
ここで、図３グラフで示したモータの効率が誘導電動機を上回る範囲を満足するように、Ｌ≧５を確保すると
（条件４−１）：Ｎｒ／２Ｐが偶数においては、Ｎｒ≧２０Ｐ
（条件４−２）：Ｎｒ／２Ｐが奇数においては、Ｎｒ≧１８Ｐ
が求められる。
【００４０】
以上の（条件１）〜（条件４）の制約の中で、図１に示す固定子を例にして、（式１），（式２）のＭとＮの最小公倍数が大きい組み合わせの実施の形態として以下に示す。
【００４１】
まず、図１に示すモータでは、Ｎｓ＝３６，Ｐ＝２であるので、固定子スロットによって１９次，１７次の高調波成分を有する。そこでＭとＮが等しくならず最小公倍数を大きくするＮｒとしては４４と２８が考えられる。しかし、２８は条件４を満足しないことからＮｒとしては４４が選択される。つまり回転子の外周部を４４等分した位置付近にスリット４に端部を配置した基本構造とするとトルクリップルを低減したモータが得られる。
【００４２】
したがって、回転子の構造を（条件４−１）もしくは（条件４−２）とする手段によって、ポンプ、コンプレッサなどの一般産業用としてはスキューせずともトルクリップルが低減できるという作用があるため、スキューによって増加する損失が無しに低トルクリップルと高効率が両立したモータにできるという効果が得られる。もちろん効率を犠牲にすれば、本発明の構造にスキューを併せて施すことで更なるトルクリップル低減効果があることはいうまでもない。
【００４３】
具体的な回転子構造としてＮｒ＝４４を満足するような形状を考えると、多層スリットの回転子構造として図２に示すような構造が考えられる。しかし、この図２の構造とするのみでは同期引き入れ能力が不足するので、産業用モータとして広く適用するには、この同期引き入れ能力の改善が必要である。これを以下に説明する。
【００４４】
図２に示すようなスリット４にダイキャストして作成した２次導体５を固定子１と組み合わせて始動する際に、始動時においては突極構造の回転子３が固定子１の進行磁界に対して非同期状態にある。このとき回転子３を通過する磁束は磁気的な突極部と非突極部において大きさが変化するために、回転子３の２次導体５を流れる電流の大きさが変化する。このことから回転子３の２次導体５を流れる電流は逆相と正相の２成分を有するようになる。
【００４５】
この逆相成分による影響は、誘導電動機の現象としてよく知られているゲルゲス現象と同様に、すべり０．５以上では正、０．５以下では負のトルクを生じる。したがって、すべりが０．１程度の小さな同期引き入れ直前の状態においては、この逆相成分による負のトルクは同期引き入れの阻害要因となる。また固定子１の巻き線を流れる電流波形もこの回転子の突極構造に起因して図５に示されるように回転子位置に応じて電流の振幅値が変化する。
【００４６】
一方、正相成分は、回転子がすべることによって通常の誘導電動機と同様に正の誘導トルクを発生する。
【００４７】
ここで、本発明の説明のためにモータの発生する始動時におけるトルクを、上述した正相成分の誘導トルクと逆相成分によるトルクに便宜的に分離して定性的な傾向として示したものを図６に示す。図６中の曲線８が回転子３の２次導体５が誘導電動機として作用する平均トルク、図６中の曲線９はゲルゲス現象と同様のメカニズムで生じるトルク成分ですべり０．５以上では負のトルクとなるために、加速を妨げる要因となる。これらの合力が加速トルク１０となって負荷トルクと釣り合うすべりｓにまで加速される。
【００４８】
その後、モータに接続される負荷の慣性Ｊによって、同期可能なすべりＳ０（Ｊ）とすべりｓの関係がＳ０（Ｊ）＞ｓ範囲にあれば、そのまま同期状態に引き込まれる。（図中では同期時のトルクは図示していない）。同期可能なすべりＳ０はモータに接続される負荷の慣性によって異なる。同期引き入れ可能な負荷トルクと負荷慣性の関係を定性的な傾向として示したものが図７である。図７の斜線部の領域１１に示されるように負荷の慣性モーメントが大きくなると適用可能な負荷トルクが低くなってしまう。
【００４９】
ここで、旧来の反作用モータなどとして知られる誘導始動を行う小型の突極型のモータに比べて本発明の多層スリット構造のリラクタンスモータは著しく磁気的な突極性が高い。したがって、逆相成分によって生じる電流脈動もより大きくなるため、すべりが０．５以上の領域で生じる負のトルク分が大きくなり、図８に示すように変化する。そのため、負荷トルクＴとつりあうすべりｓはｓ'とおおきくなってしまい、Ｓ０（Ｊ）＜ｓ'となることから同期引き入れできない。このため、図７における破線１２に示すように引き入れ出来ない領域は広く、同期時の特性は旧来の反作用モータより優れるものの商用直入れで運転する場合には同期引き入れが困難なため一般産業用途への適用範囲が狭くなる。
【００５０】
本発明においてこの引き入れを回避する方法を以下に示す。
まず、回転子側の２次抵抗を極力低減することで、誘導電動機の比例推移則によって図８の曲線８に示す誘導トルクの特性を、図９に示すようにトルクのピークを低すべり側に推移させる。これにより、負荷トルクと誘導トルクがつりあうようすべりがｓ'からｓ''と小さくなって、Ｓ０（Ｊ）＞ｓ''となり回転子速度が同期速度に近づくことで同期引き入れ特性が改善され、回転子と同程度以上の大きな慣性をもった負荷が定格負荷トルクを要求しても同期引き入れが可能となる。
【００５１】
以上に示した定性的な傾向から回転子３の２次抵抗を低減すれば引き入れは改善されることがわかる。しかし、実機の回転子の形状設計において２次抵抗の低減を実機回転子構造で実現する場合においては、２次抵抗低減のために２次導体５の断面積をひろげることが必要になる。すなわち、本発明で提案するスリット４にアルミをダイキャストして２次導体５を形成する自己始動リラクタンスモータの回転子においては、スリット４部分の面積を大きくすることが必要である。
【００５２】
しかし、スリット４部分の面積を大きくすることは、一方で磁路断面積を小さくすることになるため極端にスリット４を大きくすると同期時における突極を通過する磁路の磁束密度が高くなり磁気飽和してしまいモータの効率・力率が低下してしまう。このことから、同期引き入れ範囲の拡大とモータ効率は回転子形状の設計において相反する設計制約となるためにその両立が困難という課題が生じる。
【００５３】
そこで、本実施の形態においては、回転子スリット４と磁気回路の配置を両立する構造として図１０を提案している。図１０に示すように回転子３の磁束が通過しやすい磁気的な突極方向をｄ軸方向、逆にフラックスバリアによって磁束が通過しにくい非突極方向をｑ軸方向と定義する。回転子３の中で電磁気的な役割分担に着目すると磁束密度はｄ軸付近で振幅最大位相、ｑ軸で振幅最小の正弦波状に変化するために、ｄ軸近傍では回転子鉄心の磁束密度が高い。逆にｑ軸付近を通過する回転子鉄心磁束密度は低くなる。一方、各スリットを鎖交する磁束を考えた場合には、ｑ軸でかつ回転子の外周側位置するスリットほど鎖交磁束量が多い。
【００５４】
そこで本実施の形態においては、図２に示す回転子３の構造から、さらに、このエリアのスリット５Ａ、５Ｂを結合して、その間の磁路を始動用の電流路が流れるように工夫して回転子の誘導電流の電流路断面積を拡大した図１０の５ｃようなスリット形状とすることを考案している。図１０に示す回転子３の構造のようにｑ軸方向のスリットを結合して２次導体断面積をひろげることは誘導トルクに寄与する導体部分の抵抗を下げる作用がある。また、このことでｑ軸方向の磁路幅は小さくなるが、もともと磁束量が少なく磁気飽和の影響が少ないため同期運転時の効率低下はほとんどない。さらにはｑ軸付近の磁束密度は十分小さいので、回転子の磁気的な脈動の振幅も小さく、振動を増加させることもない。
【００５５】
このため、図１０の構造では同期時の効率を低下させたり、振動を増加させたりすることなく、ひき入れ特性を改善できるという効果がある。このようにＮｒを４４とした構造をベースにｑ軸位置のスリット結合によってひき入れと低振動を満足得ることが出来ることを示したが、以上を一般化した設計範囲として以下に提示する。
【００５６】
すなわち、本実施の形態ではトルクリップルを低減する作用を得るためにＮｒ＝４４を採用している。そのため、各スリットの間隔は３６０／４４＝８．１８度間隔となる。ここで内周側に位置する２層以上を結合することで回転子外径部における結合した頂部位置の間隔は図１０における角度θでは２層分を結合したので８．１８×２≒１６度となり、これより大きな極弧角を有する形状となる。
【００５７】
このようなことから、本実施の形態の自己始動リラクタンスモータの回転子３においては、３６個のスロット２が形成された固定子鉄心１ａ及び固定子鉄心１ａに３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子１に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリット４が設けられ、フラックスバリアスリット４内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体５が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子３であって、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を４４等分割され１極に対して１１となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリット４は、１１の位置の外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリット４は、１１の位置の中央の３位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１６度以上であるので、生産性向上とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００５８】
実施の形態２．
残る課題として、図１１に示すように固定子１のスロット２によって生じた高調波磁束が図１１中の矢印１３に示すように回転子３の始動用２次導体５の一部に鎖交して生じる渦電流損失、いわゆる高調波２次銅損が発生しこれがモータ効率を低下させる一因となることにふれる。
【００５９】
この問題を解決する容易な手段としては、図１１に示したフラックスバリアスリット４の端部と回転子３の外周部との間の距離である外周ブリッジ部δを厚くして回転子内部に鎖交する磁束から遠ざけて回転子表面の鉄心に迂回させる方法が考えられる。
【００６０】
しかし、一方で外周ブリッジ部δを厚くすることは、回転子３の外周部のもれ磁束、特にｑ軸成分のもれ磁束が増加させてしまうためＬｑが大きくなる。リラクタンスモータの力率をしめす指標として、一般に、固定子１からみたｄ軸方向のインダクタンスＬｄとｑ軸方向のインダクタンスの比率Ｌｄ／Ｌｑを突極比と呼ぶ。多層スリット構造のリラクタンスモータにおいて誘導機を上回る性能を得るには、この突極比を５〜１０程度以上に大きくすることが求められる。
【００６１】
しかし、外周ブリッジ部δを厚くしてＬｑ値が増加した場合には、突極比は著しく低下する。そのために力率が低下して固定子を流れる電流が増加し１次銅損が増加して効率が低下してしまう。
【００６２】
したがって、ブリッジ部δの厚さに関しては、高調波２次銅損の低減による損失低減と１次銅損低下との相反する関係がある。この関係を図１２に示す。ブリッジ厚さと損失の傾向に関しては、図１２中の曲線１３に示すような傾向であり、力率低下に関してはブリッジ厚さδが小さい範囲ではブリッジ部が磁気飽和していることと、外周部の加工劣化による磁気特性劣化のために０．３ｍｍ以下ではブリッジ厚さの増加による１次銅損低下はあまりないが、およそ０．３ｍｍ程度以上からブリッジ厚さの増加とともに１次銅損が増加し０．５〜０．６ｍｍを超えると、汎用の３相誘導電動機を上回る性能を得ることが難しくなる。
【００６３】
一方、高調波２次銅損に関しては図１２中の曲線１４に示すようにブリッジ厚さの増加に応じて低下する。損失は１３＋１４であることから、ブリッジ厚さが０．３５〜０．４８ｍｍの範囲に最適値があり、この範囲で設計すると高調波２次銅損の１次銅損の双方を考慮して最少の損失が得られる。このブリッジ厚さは厳密にはモータサイズで異なるが数ｋＷクラスの産業用モータにおいては、概略同様の値となる。
【００６４】
このことから、本実施の形態で提案する自己始動リラクタンスモータの回転子３は、多層スリット構造にアルミをダイキャストして製造する回転子構造において、外周部ブリッジ厚さを０．３５〜０．４８ｍｍ程度とする。このことは、高調波で発生する損失を最小にする作用があり、モータの効率を高くできるという効果が得られる。
【００６５】
このように、本実施の形態の自己始動リラクタンスモータ回転子３においては、フラックスバリアスリット４の端部と回転子３の外周部との間の距離δは、０．３５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。そのため、回転子３表面部を通過する漏れ磁束を増加させない範囲で固定子１のスロット高調波磁束を鉄心で迂回させることで鎖交量を抑制することで２次導体５の外周表面部に鎖交して発生する高調波２次銅損を低減でき高効率なモータとできる。
【００６６】
実施の形態３．
本発明の実施の形態１に示すように結合したスリット部５Ｃにおいては、図１３に示すように固定子スロット２によるもれ磁束１５の鎖交が大きくなることから高調波２次銅損が他のスリットより大きくなり問題となる。
【００６７】
これに対し、本発明の実施の形態２に示すように外周部ブリッジ厚さδに関しては０．３５ｍｍ〜０．４５ｍｍ程度すると磁束の鎖交量が低減して損失が低減すると同時に、図１４に示すように外周部スリットで２ヶ所以上を０．３５ｍｍ〜０．４５ｍｍの凸状とし、各凸状を結合する結合部分５Ｄａを凹状に内周側にへこませて全体を５Ｄのような形状とすることでこの損失を低減できる。
【００６８】
図１５に５Ｄの形状を拡大して示す。凸状の箇所を２ヶ所以上設けることは、図１５中の矢印１６のような回転子表面の無効なもれ磁束成分が通過する磁路に対して凸状付近の１７に示す位置で鉄心が磁気飽和するので、もれ磁束が通過しにくくなる。これは、もれ磁束１６を低減する作用があり、結合部分５Ｄａを凹状とすることは回転子２次導体５Ｄに鎖交する固定子スロット２によるもれ磁束１５を回転子表面の鉄心に迂回させて２次導体に鎖交する磁束をできるだけ減らして高調波２次銅損を減らす作用がある。その結果モータ効率を限界まで高くできるという効果が得られる。
【００６９】
このように、本実施の形態の自己始動リラクタンスモータの回転子３においては、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成され複数の位置を結合するように形成されたフラックスバリアスリット５Ｄは、断面形状において、結合部分５Ｄａが回転子外周に対して凹形に後退している。そのため、固定子１のスロット高調波磁束の侵入する位置の２次導体５を一部分排除することで、２次導体外周表面部に鎖交して発生する高調波２次銅損を低減でき高効率なモータとできる。この場合でも残された凸部が磁気飽和しているために回転子表面部を通過する漏れ磁束を増加させることがなく、漏れ磁束によって生じる力率低下も少ない。
【００７０】
実施の形態４．
本発明の実施の形態１に示す図１０の回転子３のフラックスバリアの結合を３層分とした構成を図１６に示す。フラックスバリアの結合を３層分として図１６に示す２次導体５Ｅを形成することは、２次導体の断面積をより大きくすることから、２層を結合した図１０あるいは図１４の回転子構造よりさらに回転子３の２次抵抗を低減せしめて、同期引き入れの能力を高めることが出来る。その場合若干効率・力率は低下するものの、ほぼ汎用三相電動機と同程度の効率である。 旧来の反作用モータなどと呼ばれるような簡易な形状のリラクタンスモータは一台の制御装置でも群制御などがしやすいために繊維機械用途などによく用いられているが、誘導電動機よりかなり力率が劣り電源容量が大きくなるという課題があったが、本発明の図１６に示すようなモータを適用することは、誘導電動機と同程度のよりはるかに高い力率のリラクタンスモータを提供することができるという効果がある。
【００７１】
実施の形態５．
一方、数ｋＷクラス程度の４極の小型モータにおいては固定子スロット数Ｎｓとして３６もしくは４８が一般的である。４極３６スロットの場合の構成例は既に上述にて説明したので４８スロットの場合の例を本実施の形態にて示す。図１７に示す固定子１は４８スロット数であり、図示しない３相巻き線が４極の進行磁界を発生するように巻回されている。本実施の形態はＮｓ＝４８，Ｐ＝２であるので上述した固定子スロットの空間周波数としては進行磁界の基本波成分を１次とすると、Ｍ＝ｋｓ（４８／２±１）より２３次、２５次の次数の空間高調波が発生する。
【００７２】
これと組み合わせて大きな最小公倍数を得るＮとしては２０もしくは２８が適当な値となり、これを実現するＮｒとしては４０もしくは５６を基本構造としてもつ構造が振動低減に有利な構造である。したがって、５層もしくは７層のフラックスバリアスリット数を選ぶ。ここで５層構造でも相応の性能が得られるが、ｑ軸位置のスリットを結合することに鑑みて７層構造とした方がスリットの層数を多く取れるので望ましい。ここから、さらに引き入れ改善の作用を得るために２層のｑ軸付近のスリットを結合した図１７に示すような構造とすれば引き入れと高い効率を両立することができる。
【００７３】
以上を一般化した設計範囲として以下に提示する。本実施の形態にしめす図１７の構造ではトルクリップルを低減する作用を得るためにＮｒ＝５６を採用している。したがって各スリットの間隔は３６０／５６＝６．４２度間隔となる。ここで内周側に位置する２層以上を結合することで回転子外径部における結合した頂部位置の間隔は図１７における角度θは、６．４２×３≒２０度であるので、これより大きな極弧角を有する形状となる。
【００７４】
このように、本実施の形態の自己始動リラクタンスモータの回転子３は、４８個のスロット２が形成された固定子鉄心１ａ、及び固定子鉄心１ａに３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子１に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して６層のフラックスバリアスリット４が設けられ、フラックスバリアスリット４内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体５が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子３であって、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、６層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する５層のフラックスバリアスリット４は、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略２０度以上であるので、モータの高効率化とトルクリップル低減を両立できるという効果があるとともに、引き入れ能力を向上させることができ、さらに高調波で発生する損失を最小にすることができる。
【００７５】
さらに、本実施の形態の変更例として、１極に対して７層のフラックスバリアスリット４が設けられた場合を考えると、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、７層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する６層のフラックスバリアスリット４は、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリット４は、１４の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリット４の極弧幅角が所定の６度以上であるので、モータの高効率化とトルクリップル低減を両立できるという効果があるとともに、モータの力率が向上する。
【００７６】
実施の形態６．
また、数ｋＷクラス程度以下の２極の小型の３相誘導モータにおいては固定子スロット数Ｎｓとして２４もしくは３６などが一般的である。Ｎｓが２４の場合は、Ｎｓ＝２４，Ｐ＝１であるので上述した固定子スロットの空間周波数としては進行磁界の基本波成分を１次とすると、Ｍ＝ｋｓ（２４／１±１）より２３，２５次の次数の空間高調波が発生する。
【００７７】
これと組み合わせて大きな最小公倍数を得るＮとしては２０もしくは２８が適当な値となり、これを実現するＮｒとしては２０もしくは２８を基本構造としてもつ構造が振動低減に有利な構造である。したがって、１０層もしくは１４層のフラックスバリアスリット数を設けると振動が低減できる。
【００７８】
ここで、本発明の実施の形態１に示した条件３からスリット数の少ない１０層を選択し、ここからさらに引き入れ改善のためにｑ軸付近のスリットを結合した構造として図１８を考案している。
【００７９】
以上を一般化した設計範囲として以下に提示する。本実施の形態にしめす図１８の構造ではトルクリップルを低減する作用を得るためにＮｒ＝２０を採用している。したがって各スリットの間隔は３６０／２０＝１８度間隔となる。ここで内周側に位置する２層以上を結合することで回転子外径部における結合する。したがって頂部位置の間隔は図１７における角度θは、１８×３＝５４度より大きな極弧角を有する形状となる。
【００８０】
また、本実施の形態の変更例として、１極に対して５層のフラックスバリアスリット４が設けられた例を考えると、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を２０等分割され１極に対して１０となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリット４は、１０の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリット４は、１０の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１８度以上であるので、２極機のように回転数が高いモータにおいても高調波２次銅損の増加を抑制することができ高効率なモータとすることができる。
【００８１】
実施の形態７．
さらに、数ｋＷクラス程度の２極の小型モータにおいては固定子スロット数Ｎｓとして２４もしくは３６が一般的である。Ｎｓが３６の場合は、Ｎｓ＝３６，Ｐ＝１であるので上述した固定子スロットの空間周波数としては進行磁界の基本波成分を１次とすると、Ｍ＝ｋｓ（３６／１±１）より３５、３７次の次数の空間高調波が発生する。
【００８２】
これと組み合わせて大きな最小公倍数を得るＮとしては３２もしくは４０が適当な値となり、これを実現するＮｒとしては３２もしくは４０を基本構造としてもつ構造が振動低減に有利な構造である。したがって、１６層もしくは２０層のスリット数を設けると振動が低減できる。
【００８３】
回転子の２次導体に対する固定子の鎖交磁束を低減するには、回転子スリット数を固定子スリット数の８割程度に低減することが望ましいので１６層を選択し、ここからさらに引き入れ改善のためにｑ軸付近のスリットを結合した構造として図１９が得られる。
【００８４】
以上を一般化した設計範囲として以下に提示する。本実施の形態にしめす図１８の構造ではトルクリップルを低減する作用を得るためにＮｒ＝３２を採用している。したがって各スリットの間隔は３６０／３２＝１１．２５度間隔となる。ここで内周側に位置する２層以上を結合することで回転子外径部における結合する。したがって頂部位置の間隔は図１８における角度θは１１．２５×３≒３４度より大きな極弧角を有する形状となる。なお図１８では、スリット１極あたりに８層確保することが困難であるので結合したフラックスバリアを含めて５層以上のスリット数を確保できれば誘導機と同等の効率を得ることが出来るので、内周側の４層を残して外側の８位置を結合したため角度θは１１．２５×７≒７９度となっている。
【００８５】
また、本実施の形態の変更例として、１極に対して８層のフラックスバリアスリット４が設けられた例を考えると、回転子３の断面形状は、回転子３の外周部が全周を３２等分割され１極に対して１６となる位置おいて、８層のフラックスバリアスリット４のうち回転子３の中央軸側に位置する７層のフラックスバリアスリット４は、１６の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリット４は、１６の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリット４の極弧幅角が概略１１度以上であるので、生産性を低下させることなく、モータの高効率化とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００８６】
最後に本発明の自己始動リラクタンスモータの回転子に関しまとめると、上述の実施の形態１では、Ｎｓ＝３６を選択して説明した。生産性の見地からはスロット数は極力少なくした方がよい。しかし、例えば４極機でこれ以上スロット数を減らす組み合わせとしては、Ｎｓ＝２４、Ｐ＝２とすると、固定子高調波としては１１次、１２次の高調波成分を有する。そこでＭとＮが等しくならず最小公倍数を大きくするＮｒとしては２８と２０が考えられるが，双方とも条件４を満足しない。したがって上で説明したＮｓ＝３６が４極機用としては生産性とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００８７】
また、Ｎｓ＝４８を選択した場合にはＮｓ＝３６に比べてスロット数が増えることから生産性は若干落ちるものの、より効率を追求する場合には回転子の層数が増えた分だけ効率が微増する。これより多い組み合わせとしてはＮｓ＝６０が考えられる。しかし、通常は数ｋＷクラスのモータの空隙直径は１００ｍｍ前後である。したがって、ここでＮｓ＝６０とするとスロットピッチは５ｍｍ程度となりスロット開口幅が２ｍｍ程度となってしまう。スロット開口幅に関しては巻き線挿入時の作業性を考慮すると２〜３ｍｍ程度以上ないと著しく低下する。以上から４極機用としては、Ｎｓ＝４８とすることは生産性を維持した中で高効率とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００８８】
一方、２極機は商用電源直結で運転した場合４極機に比べて回転数が高いために固定子のスロット高調波で回転子表面での損失が４極機に比べて多く発生する。特に、本発明のモータでは回転子スリット部に２次導体を充填しているために回転子導体に対して固定子高調波が鎖交することで損失を多く発生する。この損失を主眼に設計する場合にはＮｓ＞Ｎｒであることが望ましい。ここでＮｓ＝１８とすると、固定子高調波としては１７次、１９次の高調波成分を有する。そこでＭとＮが等しくならず最小公倍数を大きくするＮｒとしては１４と２２が考えられるが、Ｎｓ＞Ｎｒを満足できない。したがって、Ｎｓを２４とすることは２極機のように回転数が高いモータでも高調波２次銅損の増加は抑制でき高効率なモータにできるという効果がある。
【００８９】
さらに、Ｎｓを２４とした場合には、２４は４と６の倍数であるので、比較的生産量の多い４極機、６極機と固定子製造に必要な生産設備を共用にすることが可能になり、より生産性に優れたモータが得られるという効果が得られる。
【００９０】
Ｎｓ＝２４よりさらに効率を追求する場合には回転子のスリット数を増やすべくＮｓを増やすことが考えられる。そこで４極機と６極機と生産設備の共有できる２４の次に大きＮｓとしてはＮｓ＝３６、４８がある。
【００９１】
しかし、Ｎｓ＝４８を選択した場合には、Ｎｒ＝４０スリット数を２０層設ける方法が考えられるが、数ｋＷ程度のモータの回転子径が１００ｍｍ前後であり、かつ中央に軸が貫通する構造の場合には、２０層のスリットの配置を実現するにはかなり微細な加工が必要となり実用的ではない。したがってＮｓ＝３６が生産性を維持した中で最も高効率とトルクリップル低減を両立できるという効果がある。
【００９２】
【発明の効果】
このようなことから、本発明の回転子構造を有する自己始動リラクタンスモータは、ブリッジ厚さと多層スリットの構造を工夫したことで高い突極比を得ることができると同時に固定子スロットによって生じる高調波磁束によって始動用の導体の回転子に発生する２次銅損も少なくしたので従来の一般産業用途において汎用３相誘導電動機を上回る高い効率を得ることができるという効果がある。
【００９３】
また、高い突極比を有するリラクタンスモータ特有の同期引き入れ能力の低下を最小限に抑えることで回転子と同程度以上の慣性を有する負荷であっても、商用電源直入れで始動できることから従来のように効果なインバータなどの周波数変換装置を不要に出来るという効果がある。
【００９４】
また、トルクリップルが小さくできるためにトルクリップルに起因する振動等の問題も少ないという効果がある。
【００９５】
さらには、これらの効果をすべて兼ね備えることで従来困難であった一般産業用途に対しても同一サイズの汎用三相誘導電動機よりも高効率なモータとして広く適用が可能になるという効果がある。
【００９６】
そして、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を４４等分割され１極に対して１１となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、１１の位置の外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１１の位置の中央の３位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の４極汎用三相誘導モータ（〜３ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる３６スロットの固定子に対して用いることで、生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そしてさらに以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 高い効率を維持できる範囲で極力回転子のスリット数が少なくし、鉄心プレス時や２次導体ダイキャスト時の生産性を向上できる。
（３） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（４） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【００９７】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して６層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、６層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する５層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の４極汎用三相誘導モータ（〜１１ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる４８スロットの固定子を用いることで、生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そして以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 高い効率を維持できる範囲で極力回転子のスリット数が少なくし、鉄心プレス時や２次導体ダイキャスト時の生産性を向上できる。
（３） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（４） 固定子のスロット高調波によって回転子非磁性導体部分に生じる渦電流損失を低減にできる。（固定子スロット数＞回転子バリア×２）
（５） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【００９８】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して７層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、７層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する６層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１４の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の４極汎用三相誘導モータ（〜１１ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる４８スロットの固定子を用いることで、生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そして以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（３） 回転子スリット数を増やすことによって漏れ磁束を低減してモータの力率が向上する。このため定格時の電流が少なく固定子の巻き線に発生するジュール損失が小さくモータを高効率化できる。
（４） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【００９９】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、２４個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して４層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を２０等分割され１極に対して１０となる位置おいて、４層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する３層のフラックスバリアスリットは、１０の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１０の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の２極汎用三相誘導モータ（〜３ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる２４スロットの固定子を用いることで，生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そして以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 高い効率を維持できる範囲で極力回転子のスリット数が少なくし、鉄心プレス時や２次導体ダイキャスト時の生産性を向上できる。
（３） 固定子のスロット高調波によって回転子非磁性導体部分に生じる渦電流損失を低減にできる。（固定子スロット数＞回転子バリア×２）
（４） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（５） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【０１００】
また、この発明に係る自己始動リラクタンスモータの回転子は、３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
回転子の断面形状は、回転子の外周部が全周を３２等分割され１極に対して１６となる位置おいて、５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、１６の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、１６の位置のうち中央の８位置を結合するように形成され、結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が所定の角度以上である。そのため、以下の効果を有する。すなわち、
（１） 中小型の２極汎用三相誘導モータ（〜３ｋＷクラス）として一般的に良く用いられる３６スロットの固定子を用いることで、生産設備を汎用三相誘導モータと共用できるために生産性に優れる。そして以下の特徴を全て併せもつ自己始動リラクタンスモータが得られる。
（２） 高い効率を維持できる範囲で極力回転子のスリット数が少なくし、鉄心プレス時や２次導体ダイキャスト時の生産性を向上できる。
（３） 固定子のスロット高調波によって回転子非磁性導体部分に生じる渦電流損失を低減にできる。（固定子スロット数＞回転子バリア×２）
（４） 回転子スリットの数を最適に選択したのでトルクリップルが低減できる。
（５） スリット結合位置を最適に選択した２次導体の断面積と磁路の双方を確保でき効率・力率を低下させること無く同期引き入れ可能な負荷トルク範囲を拡大できるという効果がある。
【０１０１】
また、２次導体はアルミ導体であり、またフラックスバリアスリットの端部と回転子の外周部との間の距離は０．３５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。そのため、回転子表面部を通過する漏れ磁束を増加させない範囲で固定子のスロット高調波磁束を鉄心で迂回させることで鎖交量を抑制することで２次導体外周表面部に鎖交して発生する高調波２次銅損を低減でき高効率なモータとできる。
【０１０２】
さらに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成され複数の位置を結合するように形成されたフラックスバリアスリットは、断面形状において、結合部分が回転子外周に対して凹形に後退している。そのため、固定子のスロット高調波磁束の侵入する位置の２次導体を一部分排除することで、２次導体外周表面部に鎖交して発生する高調波２次銅損を低減でき高効率なモータとできる。この場合でも残された凸部が磁気飽和しているために回転子表面部を通過する漏れ磁束を増加させることがなく、漏れ磁束によって生じる力率低下も少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの固定子を示す断面図である。
【図２】 従来の自己始動リラクタンスモータの回転子を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータのフラックスバリアスリットの層数とモータ効率の定性的傾向を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの回転子におけるフラックスバリアスリットとこのスリットの端部に発生する磁気的凸凹の関係を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの始動時における固定子の電流波形を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの始動時におけるモータ内部のトルクの発生の様子を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの負荷慣性と負荷トルクに応じた引き入れ不可能な範囲を定性的に示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの始動時におけるモータ内部のトルクの発生の様子を説明する説明図である。
【図９】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの始動時におけるモータ内部のトルクの発生の様子を説明する説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の自己始動リラクタンスモータの回転子を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の自己始動リラクタンスモータの回転子表面の損失発生の様子を説明する説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態２の自己始動リラクタンスモータの回転子のブリッジ厚さと損失の関係を示す説明図である。
【図１３】本発明の実施の形態２の自己始動リラクタンスモータの回転子表面の損失発生の様子を説明する説明図である。
【図１４】本発明の実施の形態３の自己始動リラクタンスモータの回転子を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態３の自己始動リラクタンスモータの回転子表面の損失発生の様子を説明する説明図である。
【図１６】本発明の実施の形態４の自己始動リラクタンスモータを示す断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態５の自己始動リラクタンスモータを示す断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態６の自己始動リラクタンスモータを示す断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態７の自己始動リラクタンスモータを示す断面図である。
【符号の説明】
１ 固定子、１ａ 固定子鉄心、２ 固定子スロット、３ 回転子、４ スリット（フラックスバリアスリット）、５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ ２次導体、６ 効率特性曲線、７ 磁気的凸凹箇所、８，９，１０ トルク特性曲線、１１，１２ 引き入れ不可能な範囲、１３，１４ 損失曲線、１５，１６ 漏れ磁束、１７ 磁気飽和箇所。
Claims (7)
- ３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び該固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、該フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
上記回転子の断面形状は、該回転子の外周部が全周を４４等分割され１極に対して１１となる位置おいて、上記５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、上記１１の位置の外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、上記１１の位置の中央の３位置を結合するように形成され、該結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１６度に設定されている
ことを特徴とする自己始動リラクタンスモータの回転子。 - ４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び該固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して６層のフラックスバリアスリットが設けられ、該フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
上記回転子の断面形状は、該回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、上記６層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する５層のフラックスバリアスリットは、上記１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、上記１４の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、該結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略２６度に設定されている
ことを特徴とする自己始動リラクタンスモータの回転子。 - ４８個のスロットが形成された固定子鉄心、及び該固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、４極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凸形をなす形状の１極に対して７層のフラックスバリアスリットが設けられ、該フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
上記回転子の断面形状は、該回転子の外周部が全周を５６等分割され１極に対して１４となる位置おいて、上記７層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する６層のフラックスバリアスリットは、上記１４の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、上記１４の位置のうち中央の２位置を結合するように形成され、該結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略１３度に設定されている
ことを特徴とする自己始動リラクタンスモータの回転子。 - ２４個のスロットが形成された固定子鉄心、及び該固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して４層のフラックスバリアスリットが設けられ、該フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
上記回転子の断面形状は、該回転子の外周部が全周を２０等分割され１極に対して１０となる位置おいて、上記４層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する３層のフラックスバリアスリットは、上記１０の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、上記１０の位置のうち中央の４位置を結合するように形成され、該結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略７２度に設定されている
ことを特徴とする自己始動リラクタンスモータの回転子。 - ３６個のスロットが形成された固定子鉄心、及び該固定子鉄心に３相巻きに巻回された巻き線を有し、２極の進行磁界を発生する固定子に対向して設けられ、ロータ中央方向に対して凹形をなす形状の１極に対して５層のフラックスバリアスリットが設けられ、該フラックスバリアスリット内に非磁性導電性材料が注入されて２次導体が形成されている自己始動リラクタンスモータの回転子であって、
上記回転子の断面形状は、該回転子の外周部が全周を３２等分割され１極に対して１６となる位置おいて、上記５層のフラックスバリアスリットのうち回転子中央軸側に位置する４層のフラックスバリアスリットは、上記１６の位置のうち外側どうしの２位置を順次結ぶように形成されるとともに、磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成された残る１層のフラックスバリアスリットは、上記１６の位置のうち中央の８位置を結合するように形成され、該結合されたフラックスバリアスリットの極弧幅角が概略９０度に設定されている
ことを特徴とする自己始動リラクタンスモータの回転子。 - 上記２次導体はアルミ導体であり、また上記フラックスバリアスリットの端部と上記回転子の外周部との間の距離は０．３５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の自己始動リラクタンスモータの回転子。 - 磁気的に非突極方向でかつ外周側に形成され上記複数の位置を結合するように形成されたフラックスバリアスリットは、断面形状において、結合部分が回転子外周に対して凹形に後退している
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の自己始動リラクタンスモータの回転子。
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