JPH1014185A - 同期電動機 - Google Patents
同期電動機Info
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
- H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
- H02K1/246—Variable reluctance rotors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
- H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
-
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Synchronous Machinery (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
Abstract
御性の良いリラクタンス型同期電動機を提供すること。 【解決手段】 固定子1側より見た回転子2の磁気抵抗
が回転子位置により回転方向に異なる回転子構造となる
よう回転子2内に磁気絶縁手段4を備え、該磁気絶縁手
段4により回転子2内に磁路を形成し回転子2の磁気抵
抗の低い部分である磁極の方向と異なる方向へ固定子1
の起磁力を発生し、回転子2の磁極を固定子1の該起磁
力方向へ回転移動させるようなトルクを発生する同期電
動機において、回転子2に形成される磁極中心角は不均
等であり、固定子1の均一な磁極中心角に対して円周方
向に補正した中心角を備える。
Description
位置決め用途に利用されるリラクタンス型と呼ばれる同
期電動機の特性(トルクリップル)を改善するための回
転子構造に関するものであり、特に回転子および固定子
の回転角に対する相対的な磁気抵抗変化を操作して特性
改善を図ったものである。
てあげられるのは、回転子と固定子の相対位置が変化す
ることによるパーミアンス変化であり、それにより相互
間隙に蓄えられる磁気エネルギーが変化するため発生す
るものである。
の歯部形状が原因で発生する固定子スロットリップル
と、回転子磁極が原因によるポールリップル等があげら
れる。従来、サーボ用途に使用される界磁に永久磁石を
利用した電動機のトルクリップル(主に前記スロットリ
ップル)を低減させる手法として固定子または回転子の
磁極中心角を固定子1スロットもしくは2スロットの角
度分(角度は巻線方法により異なる)回転軸方向にスキ
ューさせるという公知の技術が用いられている。
キューすることによりマクロ的にトルクリップルの位相
を相互キャンセルさせることを主目的としている。
4に示す。
によるスリットを6個、回転子磁極4極、固定子スロッ
ト数12を選択した場合を例にとる。なおスリットや磁
極数、スロット数はこの数値、材料に限定するものでは
ない。
性材料から構成されており、回転子側に歯部と溝部(ス
ロット)が構成されている。このスロットにはそれぞれ
固定子巻線5が収められている。
ており、軟磁性材料2内に磁気絶縁手段4が埋め込み構
成されている。磁気絶縁手段4は樹脂やアルミ材などの
非磁性材料でもよいが、説明では最も簡便な磁気絶縁手
段である空気とする。つまり軟磁性材料2にはスリット
状の空隙が備えられることになる。
回転子構造を得るため、外周部には磁気絶縁部4による
スリット構造により回転子構造が分解しないように微小
な接続部が設けられている。この部分の磁気的短絡は接
続部を薄くすることにより実用上無視できる。
成形してq軸7に沿って軸3に径方向に積層・固定する
場合(一般にフラックスバリア型リラクタンスモータと
呼ばれている)には、前記のような回転子外周部の磁気
短絡部は必要でない。
に構成される磁極には、制御の説明上仮想する軸である
磁極中心:d軸6と隣り合う磁極境界であるq軸7が存
在する。
磁電流(d軸電流)を流し、q軸7にはトルク成分を発
生する電機子電流(q軸電流)を流す。
動機の永久磁石に相当する電磁石を回転子に等価的に構
成していることになる。電機子電流は永久磁石型電動機
と同じである。よって、d軸、q軸の各電流をそれぞれ
制御することにより永久磁石と同等のB・I・L則(フ
レミングの左手の法則)に従ったトルクと制御性能が得
られる。
区が形成されており、それぞれに起磁力を持っている。
つまり、微小な磁束を拘束する手段があるため磁極表面
での磁束密度は、ほぼ均一に存在することができる。
の歯部と、回転子側の軟磁性材料2・磁気絶縁部4と
は、回転方向に磁路を構成している軟磁性材料が離散的
に存在しており、固定子1と回転子間隙に蓄えられる磁
気エネルギーもほぼ離散的になってしまう。それが制御
時にトルクリップルという現象で出てきて、工作機械の
送り軸にこの電動機を利用した場合、騒音やワークピー
スに縞目が発生するなどの不具合の原因になることがあ
った。
用した永久磁石型電動機では、永久磁石内に磁区が形成
されており、それぞれに起磁力を持っている。そのた
め、磁束を拘束する手段があるため磁極表面での磁束密
度はほぼ均一である。その結果、前述のように、スキュ
ーを行なうことでトルクリップル(特に固定子スロット
周期に起因するスロットリップル)を容易に低減するこ
とができる。
定子の回転磁界に同期して回転するタイプの同期電動機
の場合には、磁束は回転子磁極内の磁気抵抗が低い部分
を通過しようとするため、スキューを行なうことでトル
クリップルを低減しようとしても固定子磁極と回転子磁
極の相対磁極幅が異なる(スキューにより回転子の有効
磁極幅が減る)ため、回転子内の磁気抵抗の低い方向
(回転軸方向)に磁束が漏洩してしまい、トルクリップ
ルを低減することが困難である。
であり、簡単な構造でトルクリップルを低減でき、かつ
制御性のよいリラクタンス型の同期電動機を提供するこ
とを目的とする。
転子に形成される磁極中心角は不均等であり、固定子の
均一な磁極中心角に対して円周方向に補正した中心角を
備える磁極を持つ回転子で、固定子の均一な磁極中心角
に対して円周方向に補正する角度が、固定子スロットピ
ッチの角度の±1/2である磁極中心角を備える磁極、
あるいは、固定子の均一な磁極中心角に対して円周方向
に補正する角度が、固定子スロットピッチの角度の±1
/3である磁極中心角を備える磁極、あるいは、上記磁
極を円周方向または、回転軸方向に併せ持つ磁極を具備
することで達成される。
が回転子外周における回転軸中心から各磁気絶縁部が成
す角度である開口角がd軸からq軸にかけて円周方向に
階調的に変化する磁極を有する回転子を持つことで達成
される。
た磁極を持つ回転子を具備することで達成される。
子、回転子間隙の磁気エネルギー変化を磁極中心角を偏
角させることにより、補間・平均化する手段が得られ、
磁気絶縁部と磁路を形成する軟磁性材料の構成様式をそ
れぞれ一方、もしくは両方を径方向に階調的に変化させ
ることにより、固定子・回転子間のインダクタンス変化
が部分離散的でも総合的に正弦波状分布の効果が得ら
れ、前記平均化手段と組み合わせることにより、制御性
の良い低トルクリップルのリラクタンス型の同期電動機
が得られた。
に低トルクリップル化が行えるため、組立上の工数削減
につながりコスト削減が行えるという利点も得られる。
を説明する。なお、特にことわらない限り、同記号、番
号のものは同機能、性能を有するものである。
下の例では、磁気絶縁部を空気とするために、スリット
状としたものを説明する。図14の従来例に比較して実
のd軸21が本来の極中心である虚のd軸6' よりシフ
ト角θs 22だけずれた位置にくるように磁気絶縁部4
が配置されている。
果が薄く、以下の(式1〜3)にあてはめると良い。
θt 、
いる。つまり
ト数Ns =12、m=2の場合を適用しているため、基
本中心角:θt =90deg となり、また補正角:θs =
15deg になる。よって、特に図示しないが磁極中心
角:θrは105deg と75deg となる。これは、主に
固定子1の歯部によるスロットリップルとよばれるリッ
プル成分の低減を目的とする補正角である。
明する。
=36、m=3の場合を適用した場合を示す。基本中心
角:θt =60deg 、補正角θs =5deg になるため、
(式3)より磁極中心角:θr=65or55deg とな
り、基本中心角が固定子スロットの1/2補正した角度
になっている。
角θtに相当する60deg の角度である。それより、そ
れぞれの磁極から見て±θs=5deg (=DOB)した
角度がそれぞれ=AOD、=DOCであり、磁極中心
角:θr=65deg または55deg となっていることが
わかる。
任意でもよいが、以下の式より求めるとトルクリップル
低減効果が大きくなることが確認されている。(リップ
ルが周期的に発生するため、そのキャンセル効果が大き
くなる。)
スロットピッチの角度を示し、kは任意の整数である。
ッチ:Spは、同径のスリットの回転子外周における、
軸中心Oとのなす角:ピッチ角を指す)。図2のスリッ
トのピッチは上記角度になっていて、回転子内のスリッ
トによる磁路の片側が固定子の開口部に対向する場合、
反対側の磁路が固定子の歯に対向するよう配置されるこ
とがわかる。
は半分の角度になるため、スリットの数が増加し、必ず
しも回転子内のスリットによる磁路の片側が固定子の開
口部に対向する場合、反対側の磁路が固定子の歯に対向
するよう配置するとは限らないが、総合的な固定子の歯
および開口部と固定子の磁路(スリット)の相対位置は
上記関係になっている。
選択した場合を説明する。
t=60deg (=AOB)、補正角:θs=3.3deg.
となり、磁極中心角:θr=63.3deg 、56.7de
g が算出される。
OB)に対して、回転子構造を180deg 分を基準に考
えた場合、1極を+3.3deg (つまり、磁極中心角θ
r=66.7deg (=COD)にし、他の2極の中心角
を(180−66.7)/2=56.7deg (=DO
C、=COE)とする場合の磁極の組み合わせを考え
る。この図では360度で考えると、中心角66.7de
g の磁極が1対あり、56.7deg の磁極が2対ある構
造である。これは回転子の磁路が固定子スロットに対し
て、各磁極が固定子1/3スロットずつ位相がずれてお
り、ちょうどリップルを3相交流に例えて説明でき、そ
れぞれの磁極での磁気抵抗変化を合成するような計算に
なるため、離散的な磁気抵抗変化を平均化する効果があ
る(スリットに構成される磁路のスリットピッチの位相
関係は、0、1/3、2/3スロットずれが構成され
る)。
合わせ例を示す。
(補正角θs=5deg )磁極と1/3スロットずらした
(補正角θs=3.3deg )磁極とを、回転子円周方向
に併せ作り込んだ構造になっている(=EOC部分は図
3に相当、=COG部分は図2に相当、=EOG部分は
従来の図14に相当している)。
した(補正角θs=5deg )磁極ブロック91と1/3
スロットずらした(補正角θs=3.3deg )磁極ブロ
ック92とを、回転軸方向中間に磁気絶縁材93を挿入
して同軸にブロック状配置した場合の例である。
2スロットずらした(補正角θs=5deg )磁極ブロッ
ク91と1/3スロットずらした(補正角θs=3.3
deg)磁極ブロック92部分の磁気抵抗不均衡が原因で
起こるブロック境界での軸方向への磁気漏洩を防ぎ、有
効に磁気を利用できる効果がある。
対する固定角度を変化させることで、磁極ブロック91
と磁極ブロック92とのスキュー効果も得られるためト
ルクリップル低減への寄与は大きい。
を回転子円周方向、もしくは軸方向に重畳させることで
それぞれにリップルの平均化の効果を狙ったものであ
る。特に図5の回転子ブロックによるスキュー効果は、
任意にリップルをキャンセルする位相が選べるという利
点もある(回転子ブロックを軸に固定する際の相互固定
位相を操作できるため)。
気絶縁部4の構成の例を説明する。なお、説明の簡便上
q軸7を中心に(d軸6〜d軸6部を)抽出した1/4
モデルを説明する。
構成は必ずしも図1〜5の実施形態と組み合わせなくて
も、それぞれが固定子1と回転子間のインダクタンス変
化を正弦波状に分布させる効果があり、制御上有効で低
リップル化に寄与する。もちろん、図1〜5の実施形態
と組み合わせることにより、より大きな効果が得られ
る。
縁部4の開口角31、32、33が等しく、開口ピッチ
角34、35、36が階調的に変化する場合の例であ
る。ただし、開口ピッチ角34はd軸6に2等分されて
いるため、2×開口ピッチ角34が正規の角度である。
以下においてd軸6隣接部での倍角は同様である。
ピッチ角34)>開口ピッチ角35>開口ピッチ角36
という関係である。
である。
75=開口ピッチ角76であり、開口角71<開口角7
2<開口角73という関係にある。
で、開口角と開口ピッチ角がそれぞれに等しい場合、そ
れぞれにd軸からq軸にかけて階調的に変化するという
組み合わせでもよい。
での回転子内の磁気抵抗変化させるための手法例であ
る。
り、q軸7を交叉する磁気絶縁部4の幅が径方向に階調
的に変化する場合である。図ではq軸7を交叉する磁路
幅41は同じで、磁気絶縁部幅42>磁気絶縁部幅43
>磁気絶縁部幅44という関係であり、同心円上に磁気
絶縁部4が配置される。
気絶縁部幅51は等しく、軟磁性材料4で構成される磁
路幅52〜54は磁路幅52<磁路幅53<磁路幅54
という関係であり、請求項5に記載の実施形態である。
図5と同様磁気絶縁部4が同心円上に配置される。
2=開口角613であり、(2×開口ピッチ角614)
=開口ピッチ角615=開口ピッチ角、なおかつ、q軸
7を交叉する磁気絶縁部61の幅は等しく、磁路幅62
>磁路幅63>磁路幅64という関係である。このよう
にすると、磁気絶縁部4の形状は、q軸付近と回転子外
周の開口部付近との幅が異なることもある。
円周方向に階調変化させた例と、図1に示すような回転
子中心角補正を行った組み合わせ例を示す。
q軸にかけて、スリット及び磁路の幅が階調的に変化し
ている磁極を持つ例である。磁極の磁気抵抗が階調的に
変化する実施形態は、この例に限定するものではなく、
図6〜10等の例と組み合わせても良い。
ト)の構成例を示す。図1や図12(a)に示すような
スリットの数が少ないものから、図11(c)に示すよ
うな、多スリットを持つ磁極にも本発明は適用可能であ
る。多スリットの磁極は回転子内磁気絶縁部により構成
される磁路の構成が細かくなるため、回転方向への磁気
抵抗変化の離散の度合いも減少し、低リップル化への効
果も大である(スリットの数が少なく、磁路の構成が大
まかなほど周期、振幅の大きなトルクリップルが発生
(エネルギー変化率が大きくなるため)し、スリットの
数が多くなるとより振幅が小さく高調波成分ののったト
ルクリップルが発生するため)。
示す。
に対するトルクリップルの変化を示している。
のリラクタンス型同期電動機を制御した場合のトルクリ
ップルであり、周期的(特に固定子1の歯部によるスロ
ットリップルと回転子の磁気絶縁部4・軟磁性材料2の
離散形状による)リップルが重畳しており、リップルも
大きく、実用上支障がでる。
転子構造および、その組み合わせを用いた場合のトルク
リップル例である。微小なリップルが残存しているもの
の、全体のリップルが大きく低下しているのが確認でき
る。
磁極対によりトルクリップルが互いに相殺され、その結
果、トルクリップルが低減される。
均一なため、磁気抵抗のムラが少なくなり回転子内で磁
束を拘束し易くなった為、スキューを行ないトルクリッ
プル低減を行なった場合より、トルクリップルの低減が
確実に行なえるようになった。
を行なう段取り及び工数が削減でき、コストダウンにつ
ながった。
に示した本発明の実施形態に限定されるものではなく、
その主旨を逸脱しない範囲での下記のような変形を行な
ってもよい。
タの可動子と固定子の磁極に応用させてもよい。
本(外周部〜外周部)で表現したが、回転子を補強する
目的で、q軸7部分で磁気的に短絡を行なうことで2等
分してもよい。
形状を開口部がわかるよう直線的に図示したが、磁気的
に短絡する部分を設けてスロット部を閉構造にしてもよ
い。
が、q軸部分に凹部を設けた突極構造の回転子(フラッ
クスバリア型)でもよい。
(スリット)を設けることで磁気抵抗操作を行ったが、
磁気抵抗操作を固定子と回転子とを入れ替えても良い。
し、逆に回転子磁極中心角を等しくする。こうすること
で固定子歯部の幅は等しいがスロットピッチが異なると
いう構造になる(つまり、回転子内の磁路と固定子の歯
はそれぞれ相互間の磁気抵抗変化を回転方向に離散的に
する要因であるため、磁気抵抗の平均化の考え方は置き
換えが容易である)。
(回転子側、固定子側)と本発明の組み合わせを行って
も良い(スキューと回転子中心角補正、スキューと回転
子磁気絶縁部(スリット)の円周方向の開口角の階調変
化等)。
形態を示す説明図である。
形態を示す説明図である。
形態を示す説明図である。
形態を示す説明図である。
す側面図である。
す説明図(1/4)であり、磁気絶縁部の詳細図であ
る。
す説明図(1/4)であり、磁気絶縁部の詳細図であ
る。
す説明図(1/4)であり、磁気絶縁部の詳細図であ
る。
す説明図(1/4)であり、磁気絶縁部の詳細図であ
る。
示す説明図(1/4)であり、磁気絶縁部の詳細図であ
る。
示す説明図である。
示す説明図である。
動機の特性図である。
を示す説明図である。
絶縁部、5 固定子巻線、6 d軸、6' 虚d軸、7
q軸、8 固定子スロット、21 実d軸、22 シ
フト角:θs 、91、92 磁極ブロック、92 磁気
絶縁体、31、32、33、71、72、73、61
1、612、613 開口角、34、35、36、7
4、75、76 開口ピッチ角、41、52、53、5
4、62、63、64 磁路幅(q軸交叉部)、42、
43、44、51、61 磁気絶縁部幅(q軸交叉
部)、81 従来技術による特性曲線、82 本発明に
よる特性曲線。
Claims (7)
- 【請求項1】 固定子側より見た回転子の磁気抵抗が回
転子位置により回転方向に異なる構造となるよう回転子
内に磁気絶縁手段を備え、回転子の磁気抵抗の低い部分
である磁極の方向と異なる方向へ固定子の起磁力を発生
し、回転子の磁極を固定子の該起磁力方向へ回転移動さ
せるようなトルクを発生する同期電動機において、 回転子に形成される磁極中心角は不均等であり、固定子
の均一な磁極中心角に対して円周方向に補正した中心角
を備える磁極を持つ回転子を具備する同期電動機。 - 【請求項2】 請求項1に記載の同期電動機において、 固定子の均一な磁極中心角に対して円周方向に補正する
角度が、固定子スロットピッチの角度の±1/2である
磁極中心角を備える磁極を持つ回転子を具備することを
特徴とする同期電動機。 - 【請求項3】 請求項1に記載の同期電動機において、 固定子の均一な磁極中心角に対して円周方向に補正する
角度が、固定子スロットピッチの角度の±1/3である
磁極中心角を備える磁極を持つ回転子を具備することを
特徴とする同期電動機。 - 【請求項4】 請求項1に記載の同期電動機において、 請求項2に記載の磁極と請求項3に記載の磁極を円周方
向に併せ持つ回転子を具備することを特徴とする同期電
動機。 - 【請求項5】 請求項1に記載の同期電動機において、 請求項2に記載の磁極と請求項3に記載の磁極を回転軸
方向に併せ持つ回転子を具備することを特徴とする同期
電動機。 - 【請求項6】 固定子側より見た回転子の磁気抵抗が回
転子位置により回転方向に異なる構造となるよう回転子
内に磁気絶縁手段を備え、回転子の磁気抵抗の低い部分
である磁極の方向と異なる方向へ固定子の起磁力を発生
し、回転子の磁極を固定子の該起磁力方向へ回転移動さ
せるようなトルクを発生する同期電動機において、 回転子内の磁気絶縁手段の構成が回転子外周における回
転軸中心から各磁気絶縁部および磁路が成す角度である
開口角がd軸からq軸にかけてそれぞれ円周方向に階調
的に変化する磁極を有する回転子を持つことを特徴とす
る同期電動機。 - 【請求項7】 請求項1に記載の同期電動機において、 請求項6に記載の磁極を有する回転子を持つことを特徴
とする同期電動機。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8156517A JP3051340B2 (ja) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | 同期電動機 |
US08/873,919 US5903080A (en) | 1996-06-18 | 1997-06-12 | Reluctance type synchronous motor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8156517A JP3051340B2 (ja) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | 同期電動機 |
Publications (2)
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---|---|
JPH1014185A true JPH1014185A (ja) | 1998-01-16 |
JP3051340B2 JP3051340B2 (ja) | 2000-06-12 |
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ID=15629521
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8156517A Expired - Fee Related JP3051340B2 (ja) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | 同期電動機 |
Country Status (2)
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