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haratkhr技報

SRモータ技術研究所

100記事に際して

以下の記事より数えて 100になりました

 

2016-12-21  はじめに

SRモータの開発を行っています。

 SRモータを試作し特性をもとめ、基本動作を見直すことにより、従来の課題を解決する方策が見えてきました。

実験、試作、思考により得られた、モータの基本動作、磁気回路、駆動回路、NewSRモータ等について書ていきます。

実際に、SRモータ、駆動回路を設計し、試作、試験を行うのに必要な知識、ノウハウをまとめたいと思っています。

(NewSRモータの設計者教育資料として)

 

100記事に際して、上記のNewSRモータを紹介します。

出願した特許に近いですが、同一でありません。

 2相のSRモータで、フルブリッジの交流駆動駆動、全節巻を特徴としています。

 

詳細は以下に追加、編集していきます。

 

2017-5-21 

このSRモータは

SRモータの弱点  2.巻線の稼働率が低い 標準の6/4突極3相SRモータの場合、働いているいる巻線は1/3で、2/3の巻線は休んでいす。」

の改善をめざし、2相で、1/2の休みにし、集中巻より全節巻にし、全巻線が常に働くようにしています。

 

2017-5-22

巻線を擬似的に示します。

ダンボール紙の4突極に

2相SRモータは集中巻で2ターンX4

NewSRモータは全節巻で2ターンX2 と巻線との関係を示しています。

f:id:haratkhr:20170522132225j:plain

NewSRモータの巻数は、2相SRモータの半分となるため、巻線の断面積を2倍に出来るため、銅損が1/2になります。

  

巻線の電流方向を記号で示します。

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 2017-5-23

駆動回路の例を示します。

f:id:haratkhr:20170523090509j:plain

 

 2017-5-24

多極化の例を示します。

全巻線が常に電流が流れています。

DC相は電流の方向が一定ですが、AC相は交互に正、負と反転します。

電流を取り巻く磁束が発生し、磁束が加算する極と、打ち消しあう極があります。

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 従来の2相SRモータと同一の仕組みで同一のトルクが発生しますが、巻線の断面積が2倍にできるため、抵抗値が1/2のなり銅損が1/2になります。

 

 2017-5-25

出願した特許の駆動回路の例を示します。

DC相は永久磁石又は、電磁石で構成しています。

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 2017-5-26

従来のSRモータは、励磁により磁束が多くなった固定子の突極に回転子の突極を吸引します。

特許のSRモータは、永久磁石の磁束にAC相の磁束が加算又は減算され、固定子の突極間での磁束量の差を生じさせ、磁束が多くなった固定子の突極に回転子の突極を吸引します。

 直流モータも、永久磁石の磁束に回転子の巻線の磁束が加算又は減算され、磁束量の差を生じさせ、トルクを発生させています。

 

特許のSRモータと 直流モータは同一のしくみでトルクを発生させていると考えています。

但し、直流モータは固定子に磁石、回転子に巻線が配置されていますが、特許のSRモータは固定子に磁石、巻線が配置され、回転子は突極構造になっています。

ステップモーターの仕様

仕様を簡略にまとめてみました。

 

鉄心

固定子の鉄心はt0.5mm1枚とかきましたが、実際は3枚で構成されています。

巻線を組み込むため2分割された2枚と、つなぎめの影響をなくすための1枚で構成されています。

分解調査はしていませんが、つなぎめはコイルのセンターと推定しています。

磁路断面 3mmX0.5mm

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巻線

抵抗 470Ω

インダクタンス 1.63H

線径 0.1mmと推定

巻数 23X1.5X0.38 / 0.1x0.1X3.14/4 = 1700Tと推定

 

電流波形

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 回転子の回転に伴って速度起電力が発生し、電流波形が変化しています。

電流は電圧と抵抗値で決まっていますが、立ち上がり時のdI/dtは電圧とインダクタンスで決まっています。

 

磁束密度推定

Bm=1.2VX2ms/1700TX3mmX0.5mm

  =0.94T

クオーツ時計のステップモーター

磁石の回転子を一つのコイルで回転させます。

固定子の鉄心はt0.5mm1枚で形状に工夫があります。

固定子のギャップ寸法が一様でなく、狭い部分と広い部分があります。

コイルに通電していない時、回転子のN極S極はギャップの狭い固定子にリラクタンストルクにより引き寄せられ、45°の方向で停止します。

コイルに通電すると、固定子のN極と回転子のS極、固定子のS極と回転子のN極が引き合い135°回転し、通電停止後45°回転します。

コイルに通電する前は、回転子が45°の方向で停止しているため、回転方向が一方向になります。

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 コイルへの印加電圧は1秒毎の正、負のパルス電圧です。

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駆動回路はベアーチップの専用ICで、その他の部品は水晶振動子コンデンサ0.2μFです。

出力回路はCMOSのフルブリッジと思われます。

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 100円ショップの掛け時計のムーブメントです。

このモータのコストは驚くほど安いと思います。

 

New SRモータの詳細

要望はありませんでした。

詳細の紹介に代えて、出願した特許の考え方を紹介します。

 

トルクの法則 の内容は、出願した特許の構成と異なりますが、考え方は共通です。

回転子に巻線、磁石を配置しないでトルクを得る方法を考えています。

 

トルクの法則 の中の回転子、突極、巻線の構造と構成を、効率よくトルクが発生するように変更して、特許の構成要素としています。

 回転子に巻線、磁石を配置しない、直流モータの動作に近いリラクタンストルクモータです。

特別な機構は設けてなく、容易に思いつく構造、構成です。

誘導モータの強み

全てのモータは、電流を流す巻線を選択する機構を持っています。

直流モータは整流子、同期モータ、SRモータは位置検出器と半導体駆動回路で巻線を選択しています。

 

誘導モータには巻線を選択する機構が無いようにみえますが、トランスの2次巻線として、電流を流す巻線が自動的に選択されています。

この単純な無損失な巻線を選択する機構は誘導モータの最大の強みです。

 しかし、トランスはVAの面から最大の弱点です。

 

一ヶ月にわたって、モータの動作原理の見直し、New誘導モータの可能性について検討をしてきましたが、New誘導モータの更新は、始動トルクの試験が完了するまで中断します。

 

カゴ型ローター

カゴ型ローターの鉄心は珪素鋼板にします。

フェライトにしないのは、回転子には鉄損失がほとんどないとされているからです。

又、珪素鋼板でないと高速回転に耐えられません。

 

回転子の鉄心には滑り周波数が印加されます。

駆動周波数は15kHzですが滑りを5%とすると1/20の750Hzになります。

フェライトの飽和磁束密度は珪素鋼板よりひくいので、磁束密度は約1/4に下がります。

スーパーコア高周波用途電磁鋼帯の使用で、定格回転時は、750Hz、0.35テスラです。

 

楽観的に、珪素鋼板で特性は出せると推定しています。

 この推定が間違っていると、開発は困難になりますが、 課題が見つかり、乗り越えるチャンスを得る幸運と考えます。

 

模擬開発に使用した二相誘導モータのカゴの導体は18本でした。

単純計算すると、16極のモータのカゴの導体は64本必要ですが、今後、検討していきたいと考えています。

 

励磁のフェライトコアの機械的強度は、問題無しと考えています。 

フェライト磁石を使用したDCモータの磁石は接着剤で固定されており、磁石と回転子の吸引力に十分耐えています。

 

多極化の巻線法

三相交流発電機のシンプルな巻線法を電機設計の教科書より抜粋します。

 単層巻線、二段巻線でq=3、三相、4極の巻線の場合は36溝となりますす。

U,V,Wを端子とし、X,Y,Zを短絡して中性点とするとスター結線が得られます。

電流の方向と磁束の方向を書いてみました。

トルクを発生させる2次電流と直交磁束の関係が分かります。

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二相16極の巻線法

二相4極モータより単純計算すると16X(16/4)=64溝になりますが、三相、4極の巻線を参考にして、溝数が最小になる巻線法を推定しています。

 

q=1、二相16極の巻線の場合は32溝となります。

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q=2、二相16極の巻線の場合は64溝となります。

 

フェライトコアを組み合わせて、動作確認の試作方法を考えています。

 

駆動周波数は250倍(15kHz/60Hz=250)で、フェライトの飽和磁束密度が低いので、磁束密度を約1/4に下げる必要がありますが、それでも巻数は1/50以下にになります。

New誘導モータの課題

高周波で誘導モータを駆動することは新しいことでなく、従来より検討されてきたと思います。

製品化されている商品もあるはずですが、広く普及していません。

ブレークスルーしなければならない課題があると推定しています。

 

模擬開発 の「単相誘導モータの新始動方式の開発」はその様な課題は無く、短時間で開発可能と予想して、ゼロから始めました。

予想外の問題は無かったのですが、意外な事柄はありました。

 

New誘導モータの検討は長時間が必要で、実現不可の結論になる可能性もありますが、ブレークスルーする課題を見つけ、乗り越えていく様なテーマと考えています。

 

やってみないと分からない事がたくさんあります。

やってみなると意外と簡単な事もあります。

 可能性に気付いたら、やってみるしかありません。

New誘導モータの可能性

NewSRモータは誘導モータを改造して回転することを確認しました。

New誘導モータは机上構想で可能性を見出した段階です。

 

高周波駆動とフェライトコアの採用により、トランスの小型化、効率の改善をはかり、単相駆動と多極化で回転数を軸受けの限界まで低下させることを考えました。

11万rpmは模型のジェットエンジン、掃除機での実績を根拠にしました。

自転車のハブダイナモは大幅な多極化(32極)でタイヤの1回転を高速回転と同等にしています。

 

機械精度と特殊な軸受けを作成しないと、11万rpmは試験できないと考えていますが、始動トルクが得られた段階で計画します。

始動トルクの検討には機械精度は必要が無いため、始動トルクの検討をすれば、可能性の判断は出来ると思っています。

多極化の検討から始めたいと思っています。