JP2552832B2

JP2552832B2 - 可変リラクタンスモ−タ

Info

Publication number: JP2552832B2
Application number: JP61119014A
Authority: JP
Inventors: カール・エフ・コネクニ
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1986-05-23
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: EP0205027A3; EP0205027B1; EP0205027A2; CA1270513A; JPS61288766A; DE3664985D1; US4647802A

Description

【発明の詳細な説明】〈発明の技術分野〉本発明は、トルクリップルが少くかつ励磁電流と発生
トルクの直線関係が良好な可変リラクタンスモータに関
する。

〈従来技術とその問題点〉可変リラクタンスモータ（以下VRモータと称する）
は、小さな離散的ステップの回転を発生することができ
るので、典型的なステップモータとして使用されてい
る。この動作モードはVRモータの性格に特有なものであ
る。VRモータには多極固定子と多極回転子とがあり、固
定子上の極間の距離、すなわちピッチは回転子上のピッ
チとは異なっている。固定子の極は別々のグループすな
わち相で電磁的に励磁され、回転子はその極が励磁され
た固定子の極に関して磁気リラクタンスが最小の位置に
来るまで回転する。固定子の相が次々に励磁されると、
回転子は回転子のピッチから固定子のピッチを差引いた
距離だけ回転する。

低価格、小形且つトルク対慣性比が大きいということ
を含む可変リラクタンスモータの他の特性はVRモータを
汎用サーボモータとしての使用に対し魅力あるものにし
ている。そのブラシ無しの構造によりVRモータは火花の
出ないことを必要とする用途に特に適している。

しかしながら、二つの欠点のため可変リラクタンスモ
ータがサーボモータとして使用されるのを制限されてき
た。それはトルクリップルとトルク対入力電流比（T/
I）が非線形であることとである。トルクリップルは回
転子の極の位置が固定子の極に対して変化するにつれて
最大利用可能トルクが変化することである。T/I比が非
線形であることは、VRモータに永久磁石が無いための一
般VRモータの構造に特有のものである。トルクは二つの
磁界、すなわち回転子磁界と固定子磁界との相互作用に
より発生するものであるが、両磁界とも電流の関数であ
る。

トルクリップルの問題を克服しようとする努力が行わ
れたが完全な成功は納められなかった。一つの手法はモ
ータへの電流を変調し、サイクル中のトルクの大きな期
間の電流を制御することである。この手法はモータが発
生するトルクをもピークトルクより70％も低いレベルに
制限するという欠点を持っている。

もう一つの、もっと具合のよい手法はモータの回転中
の各相から発するトルクがその最小に近い部分にある期
間中複数の相を付勢することである。これによりトルク
リップルはかなり減り、ピークトルクの約80％になる
が、この手法も、固定子相の付勢の制御に複雑な整流子
が必要となり、電流レベルが高いときは効果が少い。

従来、VRモータのトルク特性を最適化するためには、
固定子がモータを設計する際の決定的要素であった。固
定子の設計は、歯が多すぎて接近させすぎたために生ず
る磁束洩れを、歯が少なすぎるための安定拘留位置での
最小保持トルクと釣合わした。固定子は断面積が一様な
多くの歯を用いて設計し、コイルを巻くための歯間間隙
を充分取りつつ、歯の先端の磁束用の実用面積を最大に
なるようにした。固定子の歯幅の歯間間隙に対する比
は、固定子歯比と呼ばれるが、一般的には10以上であ
る。回転子の設計は固定子の設計によって変り、回転子
の歯数と歯幅とを固定子の外形寸法に適合するように選
定する。これによって回転子歯比が約0.5になる。

VRモータを固定子歯が磁気飽和を生ずるような電流レ
ベルで動作させないようにすることが慣例であった。数
多くの一様な極を用いて、VRモータは、電流が増加して
もトルクは無視し得る程しか増加しない飽和状態にしな
いで、飽和点の非常に近くで動作させていた。

本発明を理解するために、第３図に示す従来のVRモー
タの設計と動作とを説明する。

図示したモータには固定子歯が12個、回転子歯が８個
あり、典型的な構成では各相が順次付勢されると回転子
の位置が15度変化し、１回転につき24ステップを発生す
る。固定子の歯は四つの歯ごとに３相に巻かれている。
図には明瞭さと簡単のため、１相だけの巻線を示す。

モータハウジング11は固定子12を囲っているが円環状
外郭部13と内向き突出した歯14とを備えている。固定子
12の内側に回転子16があり、回転軸18に固定子12と同心
的に取付けられている。回転子16は中心の円盤状ハブと
外向きに突出している歯17とを備えている。三つの相は
固定子12のまわりにA,BおよびＣと記してあるが、Ａ相
の巻線15だけを図示してある。実際のモータでは、巻線
15を隣接する固定子歯14間の間隙の大部分を占めてい
る。回転子16は、回転子歯が４個の励磁された固定子歯
の各々と整合した状態で、Ａ相が付勢され、励磁固定子
歯に発生する磁束のための最小リラクタンス径路を与え
る安定位置に示してある。回転子16はＡ相をオフにしＢ
相をオンにすることにより図示した位置から時計廻りに
15度動くことができる。Ｂ相は付勢した状態で、磁界は
回転子にトルク発生し、回転子の歯が４個のＢ相固定子
歯と整合するまで回転子を回転させる。回転子16はＡ相
をオフにしＣ相をオンにすることにより図示の位置から
反時計方向に15度動くことができる。Ａ−Ｂ−Ｃ−Ａ−
Ｂ−Ｃの順に各相を引続き付勢することにより時計方向
に連続的に回転子の運動を発生させることができる。ま
た、Ａ−Ｃ−Ｂ−Ａ−Ｃ−Ｂの順に各相を引続き付勢す
ることにより反時計方向に連続的に回転子の運動を発生
させることができる。

固定子歯14の断面は実質的に一様であるから、基部14
aは先端14bとほぼ同じ幅になっている。これにより歯を
通じて磁束密度が一様となり、ほとんど同じ励磁電流と
磁束とで、歯全体に磁気飽和が発生する。

さらに回転子の他のパラメータをも設計するには磁束
を考慮に入れなければならない。モータが発生するトル
クは付勢された固定子歯を通る全磁束の関数である。し
たがって、数個の歯を相ごとに付勢して数多くの固定子
歯を使用することによりトルクを増大させることができ
る。トルクは飽和に達するまでにもっと多くの磁束を流
せる幅のより広い歯を使用しても増大させることができ
る。ただし、歯が広くなりすぎて互いに接近しすぎる
と、歯の側面からの磁束洩れによりトルクが制限されは
じめ効率が低下する。伝統的には、固定子歯比が1.0以
上になると平衡状態に達する。

上述のように、回転子歯の構成は固定子歯の構成から
決まる。回転子歯16の先端17bは固定子歯14の先端14bと
同じ幅である。運動トルクを発生するため歯のピッチに
所要の差を与えるには回転子の歯数を固定子の歯数より
少くする。したがって、回転子歯比は固定子歯比より小
さい。第１図に示すモータでは、回転子歯比は0.5であ
り、これも従来のモータにおける代表的な値である。

（発明の目的）本発明は、ピークトルクを高く保ちながら、トリクリ
ップルが非常に小さく、トルクの対励磁電流比（T/I）
の直線性が優れた可変リラクタンスモータ（VRモータ）
を提供するものである。

（発明の概要）上記の目的は設計に際して固定子ではなく回転子を決
定要素とし、固定子歯の外形にテーパを付けることによ
って達成される。固定子歯比ではなく回転子歯幅比がト
ルク特性を最適化する基本であり、回転子歯比を約0.78
と大きくし、固定子歯比を0.5と小さくする。固定子の
歯数は回転子より少く、歯には先端より元の方が広いよ
うにテーパを付ける。従来のVRモータ技術の教示とは対
照的に、本発明のモータは飽和状態で動作するように設
計される。ただし、固定子の歯がテーパ形状をしている
ため、歯の先端部だけが飽和する。これらの特性からこ
のVRモータは非常にトルクリップルの小さい大きなトル
クを発生し、従って大きな最高速度が得られる。更に、
飽和状態で動作するとき本発明のVRモータは直線的T/I
比になり、トルクはモータ巻線の抵抗加熱限度まで電流
とともに増加する。

〈本発明の実施例の説明〉本発明の一実施例の可変リラクタンスモータを第１図
および第２図に示す。第１図はモータの側断面図であ
り、第２図は回転子と固定子との構成を示す簡略断面図
である。第１図を参照すれば、モータ20はモータを収容
する外部ハウジング21および端部ベル22とその両端で軸
受25と26を保持する支持ジャーナル23と24とを備えてい
る。固定子30は内部ハウジング21に取付けられている。
回転子32は固定子30と同心に回転する軸受25と26を介し
て取付けられている回転軸33に取付けられている。固定
子30は複数の歯31を備えており、歯の各々は巻線34で包
まれている。巻線保持器35は巻線の下で固定子歯31の各
々の両端に位置している。巻線保持器35のテーパ付き本
体は固定子歯31のテーパ断面を補償し、巻線を固定子歯
31に巻きやすくするとともに、巻線がテーパ付き固定子
歯から滑り落ちないようにしている。巻線保持器35は非
磁性材料で作られているので固定子歯31の電磁応答に影
響することはない。

回転子歯の固定子歯との構成および固定子歯の断面形
状は、モータ回転軸33の軸に沿う回転子32と固定子30と
の関係を示す第２図を参照すれば一層理解しやすい。第
２図は明瞭のため巻線34をも図式的に示している。

本発明の重要な特徴は回転子の幾何学的形状が設計の
決定的要素であり、固定子は回転子の幾何学的形状によ
って課される制約内で設計しなければならないというこ
とである。また、回転子歯比は0.75から0.90の範囲にあ
り、従来の慣例より大きい。このようにすることにより
後述の第７図Ａ、Ｂに対する説明のように、各相のトル
ク曲線の重なりが増加して、トルクが増してリップルが
減少する。しかしながら、VRモータとして機能するため
には、十分な可変リラクタンス特性を有しなければなら
ないから、上述のように限度がある。

回転子16は回転軸18に取付けられた円板状ハブとハブ
から外向きに突出する８個の歯39とを備えている。回転
子の歯39は回転子の円周のまわりに等間隔に配置されて
いる。回転子歯39の幅は回転子歯の幅の歯間間隙に対す
る比が約０、78になるようになっている。回転子16は従
来のモータに使用されている低炭素鋼のかわりに、変圧
器用積層鉄心から構成されている。積層構造により渦硫
損が最小となり、モータは高速で大きなトルクを発生す
る。

固定子30は円環状外郭部36と円環部36から内側に突出
している６個の歯31とを備えている。それぞれの歯31に
は、それが円環部36と会合する比較的幅広の基部37か
ら、回転子16の近傍でモータの中心に近い細い先端38に
かけてテーパがついている。先端38の幅は回転子歯39の
幅と同じに作られている。これは、回転子歯の数が非常
に少くなっているので、回転子の歯が普通より幅広で
も、固定子歯を混雑させることなく行うことができる。
このように、固定子歯も普通より歯広でも、歯数が12個
ではなく６個であるため、固定子歯比は約0.5で、磁束
の洩れが問題になる値より充分小さい。

固定子歯の断面がテーパになっていることもモータの
性能の向上に寄与している。歯の先端38は、断面積が小
さいので歯の残りの部分より小さな磁束で磁気的に飽和
する。

第４図は固定子歯の一つを一層詳細に示したものであ
る。先端38には小さなテーパのない部分がある。この部
分は飽和が生ずる限界領域を形成しており、トルクと電
流のとの関係を直線化する上で重要である。テーパのな
い部分は固定子の内径を回転子の外径に合わせるように
機械加工し、先端が少し除去されても同じ幅に止るとい
う長所をもつ。歯の両側面は先端部の下までテーパにな
っている。テーパ角41は歯の基部が先端の約２倍になる
ようになっている。このような構成で、先端が飽和する
と、基部の磁束密度は、飽和値、すなわちリラクタンス
が小さくなるレベルの約半分になる。図示した実施例の
テーパ角は15度であり、これは図示のモータ構成に対し
て良好な結果を与えることがわかっている。

第5A図〜第5D図はテーパ付きおよびテーパ無しの固定
子歯内の磁束パターンを示している。第5A図と第5B図は
テーパ無しの従来の歯を示しており、第5C図と第5D図と
は本発明のテーパ付き歯を示している。テーパ無しの歯
が、第5A図に示すように、整合状態になると、歯はその
全長に沿って磁気的に飽和し、大きな範囲が飽和するこ
とにより歯の中に大きな磁気リラクタンスを発生させ
る。歯が、第5B図に示すように、整合状態からはずれて
いると、飽和の範囲は整合している隅に近い区域に限ら
れ、歯の中の磁気リラクタンスは小さい。このように、
歯が整合しているとき小さな電流値で飽和が起り、歯が
整合していないとき大きな電流値で飽和が起る。

対照的に、本発明のテーパ付き歯の構成の場合には、
飽和する範囲の長さ、したがって歯の中の磁気リラクタ
ンスはほぼ一定であり、歯の整合とは無関係である。飽
和の範囲は第5C図に示すように歯が整合しているとき
と、第5D図に示す歯が整合からはずれているときとの両
方でテーパになっていない小さな先端部分に限られる。
このように、歯の中のリラクタンスが磁気回路のリラク
タンスに与える効果は、従来のVRモータのように位置の
複雑な関数であるのとは違って、一定である。トルクは
回転子の位置に関するリラクタンスの導関数に比例す
る。ところが歯のリラクタンスが一定であるから、本発
明のVRモータでは、その因子はトルク関数の非線形には
寄与しない。

本発明にしたがって作ったVRモータの巻線電流と磁束
との関係を第６図に示す。磁束対電流の関数は不安定拘
留位置における曲線61aから安定拘留位置における曲線6
1fまでの回転子の位置に対する曲線群61a,61b,61c,61d,
61e,および61fにより表わされる。曲線のすべてに対し
て飽和点は、回転子／固定子磁気回路のリラクタンスが
回転子の位置とは無関係なので、同じ電流値Isのところ
である。Isより電流値の大きいところでは、磁束は電流
が増すにつれて増大しつづける。陰を付けた領域63と65
との面積はモータがわずかな電流の増加によって発生す
るトルクに比例する。飽和の間、磁気インダクタンスの
増加は、曲線61aから61fまでの傾斜であるが、一定であ
り、したがってトルクは電流の一次関数である。

第2,3,および４図に描いたモータの性能を更に第7A,7
B,および第８図に示す。

第7A図は従来の代表的なVRモータのトルク対回転子位
置の関数を示す。３層の各々はトルク対回転子位置に対
して、正弦状特性曲線を有しており、三本の曲線を重ね
合わせることによりモータの全体としてのトルク関係が
与えられる。各相に対するトルク曲線はトルク曲線が交
差するトルクの低い谷45a,46aおよび47aで隔てられてい
る高いトルクピーク42a,43a,および44aを示している。
トルクリップルはピークでのトルクと谷のトルクの差で
ある。第7A図に示すように、トルクリップルは従来のVR
モータではかなりある。これは低速で重負荷を駆動する
ときモータの性能をひどく劣化させる可能性がある。

第7B図は第１図，第２図，および第４図に示す本発明
により作られたモータの対応するトルク対回転子位置の
関数を示している。各相に対する高いトルクピーク42b,
43b,および44bは従来のVRモータに対するものより広い
ことが注目される。低いトルクの谷42b,43b,および44b
は、個々の相に対するトルク曲線の重なりが増加するた
めほとんど低くならない。これによりトルクリップルが
相当減少し、性能が向上する。

第８図は従来のVRモータに対するトルク対電流（T/
I）関数51と本発明により作られたVRモータに対するT/I
関数52との比較を示す。従来のVRモータでは、トルクは
電流が、固定子歯が点53で磁気的に飽和する値Is₁にな
るまで増大する。更に電流レベルが高くなると、トルク
はほとんど一定である。飽和レベルより下では、トルク
対電流の関係は非線形である。本発明のモータでは、ト
ルクは固定子歯の先端が点54で磁気的に飽和するときの
値Is₂を通過して電流が増加するにつれて増大しつづけ
る。飽和点より上では、トルクは電流の一次関数とな
り、モータの巻線の抵抗加熱限界IcLまで電流の増加と
ともに上昇しつづける。

一般に飽和点の下の電流レベルで動作が制限される従
来のVRモータと対照的に、本発明のモータは飽和点の上
で有利に動作することができる。事実、この領域では、
モータはサーボ制御動作に理想的に適する直線的トルク
対電流関数を有している。ここでまた、固定子の構成が
役立つ。固定子歯間の間隙が増せば固定子歯に巻く巻き
数を増すことができる。これにより第８図に示すように
比較的低い電流値で飽和が発生する。その結果、T/I曲
線の直線部分が低い電流レベルで始まり、比較的大きい
トルクを発生することができ、従来のVRモータより高速
を達成することができる。

VRモータ設計の当業者には固定子歯と回転子歯との数
は所望の用途にしたがって選択し得ることを理解するで
あろう。本発明は固定子歯比と回転子歯比とが上に概説
した限界内に保たれる限り、および回転子歯の数が固定
子歯の数より大きい限り、回転子歯と固定子歯との広範
囲の組合せで実施することができる。

なお、詳述した実施例の思想から、歯にテーパをつけ
ることなく、歯の材質を変化させて、歯の先端を磁気飽
和に至らしめることができ、同様の効果を得ることがで
きることは、容易に考えられる。また、回転子と固定子
の位置関係や形状も実施例に限定されるものではなく、
回転子が外側に位置する場合や、回転子と固定子が直線
上に並ぶ場合も本発明から容易に考えられる。

〈発明の効果〉以上詳述した本発明の実施例からも明らかなように、
本発明の実施によって、トルクのリップルが小さく、か
つ励磁電流に対するトルクの直線性がよく、滑らかな高
速ステッピング機構を実現できる。さらに、歯数も減少
するから製作が容易になり部品コストも減少する。従っ
て本発明は実用に供して有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例による可変リラクタンスモー
タの簡略側断面図。第２図は本発明の１実施例による可
変リラクタンスモータの固定子と回転子の構成を示す簡
略横断面図。第３図は従来例の可変リラクタンスモータ
の固定子と回転子の構成を示す横断面図。第４図は第２
図の固定子の歯の詳細図。第5A図、第5B図、第5C図、第
5D図は、テーパなしの歯が整合したときと整合しないと
き、及びテーパつきの歯が整合したときと整合しないと
きのそれぞれの磁束パターンを示す図。第６図は本発明
の１実施例のVRモータにおいて、種々の回転子位置にお
ける巻線電流対磁束の関係を示すグラフ。第7A図は、従
来例のVRモータの回転子位置対トルクの関係を示すグラ
フ。第7B図は、第１図や第２図に示すような本発明の１
実施例におけるVRモータの回転子位置対トルクの関係を
示すグラフ。第８図は、本発明の１実施例におけるVRモ
ータのT/I関係と従来例のVRモータのT/I関係を比較した
グラフ。 A,B,C,D:励磁の相， 11:モータハウジング， 12:固定子， 13:外郭部 14,17:歯， 14a,17a:基部， 14b,17b:先端 15:巻線 16:回転子 18:回転軸 20:モータ 21:外部ハウジング 22:端部ベル 23,24:ジャーナル 25,26:軸受け 30:固定子 31:歯 32:回転子 33:回転軸 34:巻線 35:巻線保持器 36:外郭部 37:基部 38:先端 39:歯 VA:A相電圧 VB:B相電圧 41:テーパ角 42a,43a,44a:トルクピーク 45a,46a,47a:トルクの谷 42b,43b,44b:トルクピーク 45b,46b,47b:トルクの谷 51,52:T/I関数 53,54:磁気飽和点 61a,〜,61f:固定子位置からパラメータとしたT/I関数 63,65:トルクに比例する面積 Is,Is₁,Is₂:飽和電流 ICL:抵抗加熱限界電流。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】本体と該本体から突出したテーパ付きの複
数個の第１の歯を有する固定子と、前記固定子に対して
相対運動を行うように前記第１の歯に相対し、前記第１
の歯の個数より多い個数の第２の歯を有する回転子と、
前記回転子に対する磁気駆動力を発生するように前記第
１の歯を相づけして電磁気的に励振する手段とから成
り、前記第１の歯の先端部は前記第２の歯の先端部と略等し
い幅のテーパのない部分を有し、該テーパのない部分を
磁気飽和状態で動作し実質的に直線的なトルク対電流関
数を有することを特徴とする可変リラクタンスモータ。