JP2004088986A - スイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】所定回転方向と逆方向に回転することを防止するために、回転子が常に正方向トルク発生領域で待機するようにするスイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法を提供する。
【解決手段】スイッチドリラクタンスモータの回転子１００が待機する位置を感知し、回転子１００の待機位置が回転させたい方向に対して逆方向トルクを発生させる逆方向トルク発生領域にある場合は固定子２００に整列パルスを印加して回転子１００を正方向トルク発生領域に移動させた後、駆動パルスを印加して回転子１００が正方向に回転するようにすることによって、モータ制御の安定性および信頼性を確保し、また、モータを内蔵した機器の耐久性および正確性を向上させる。
【選択図】 図８
【解決手段】スイッチドリラクタンスモータの回転子１００が待機する位置を感知し、回転子１００の待機位置が回転させたい方向に対して逆方向トルクを発生させる逆方向トルク発生領域にある場合は固定子２００に整列パルスを印加して回転子１００を正方向トルク発生領域に移動させた後、駆動パルスを印加して回転子１００が正方向に回転するようにすることによって、モータ制御の安定性および信頼性を確保し、また、モータを内蔵した機器の耐久性および正確性を向上させる。
【選択図】 図８
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法に関し、特に、逆方向に回転されることを防止するために整列パルスを印加して回転子が正方向トルク発生領域で待機するようにするスイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、一般のスイッチドリラクタンスモータの構造を示す断面図であり、図２は一般のスイッチドリラクタンスモータの駆動回路を示す図である。これらを参照してスイッチドリラクタンスモータについて詳細に説明する。
【０００３】
スイッチドリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ、ＳＲＭ）は、駆動制御部（図示せず）と、この駆動制御部から電流が供給される界磁コイル（Ｗ１ないしＷ３）が巻かれた固定子２０と、固定子２０内で界磁コイルに電流が流れると固定子２０との間で発生するリラクタンストルクによって単一方向に回転する回転子１０とで構成される。
【０００４】
固定子２０は上下が開放された円筒形のヨークと、このヨークの内壁で、中央に位置する回転子１０に向かって一定間隔をおいて突出形成された多数個の突極２１と、突極２１に巻かれた界磁コイル（Ｗ１ないしＷ３）とで構成される。本明細書では突極の個数を６個と例示したが、これはモータの種類によって異なる。
【０００５】
回転子１０には円周の外側に一定間隔をおいて６個の突極１１が突出形成された積層コアからなる回転子コア１８が形成され、回転子１０の中央にはモータの駆動力を伝達する回転軸１７が配設されて回転子１０と共に回転する。固定子２０および回転子１０の支持および回転のために上部と下部に軸受１９があり、回転子１０のコア１８は上下軸受１９間に位置する。
【０００６】
上記の駆動制御部は、回転子１０の位置や速度を感知する光センサまたはホールセンサなどのセンサ３０から感知信号を受け取って、順次向い合う一対の界磁コイルと連結されたスイッチをオン／オフする駆動パルスを生成することによって、電流を導通させるようにする。
【０００７】
スイッチドリラクタンスモータは各界磁コイル（Ｗ１ないしＷ３）毎に２個のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を有し、この２つのスイッチは同時にオン／オフが行われて向い合う２つの固定子突極の各外周を取り囲む界磁コイル（Ｗ１ないしＷ３）と連結されて、上記の駆動制御部から供給された電流がその界磁コイルに流れるようにする。界磁コイルに電流が流れると固定子２０と回転子１０との間にリラクタンストルク（Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｔｏｒｑｕｅ）が発生して磁気抵抗の最小となる方向に回転駆動される。
【０００８】
また、スイッチドリラクタンスモータは単一の方向に回転駆動されるように、磁力を利用して特定位置で回転子１０が待機するようにするが、この磁力を生じさせる２つの磁石としては、回転子１０の周面にリング形に形成されたリングマグネット１５と、リングマグネット１５と相互に作用する磁力が形成されるようにリングマグネット１５と対向するパーキングマグネット１６とを用いて、回転子が停止状態のときそれらの両マグネットに作用する相互引力によって回転子１０が正方向回転トルクを発生する特定位置に固定されるようにする。
【０００９】
このとき、モータに形成された突極の数によってリングマグネット１５の極数が定められ、この突極の数がｎならリングマグネット１５はｎ個のＮ極とｎ個のＳ極で構成され、パーキングマグネット１６はモータの突極数とは無関係に１個のＮ極と１個のＳ極を有する。
【００１０】
スイッチドリラクタンスモータの駆動が停止されると、回転子１０は正方向トルク発生領域または逆方向トルク発生領域に固定されるが、これを図３および図４に示した。図３および図４に示したスイッチドリラクタンスモータは、６個の突極１１を有する回転子１０と６個の突極２１を有する固定子２０とで構成され、回転制御したい方向、すなわち正方向を反時計方向と仮定する。
【００１１】
図３のように回転子１０の突極Ａ’が固定されている状態で固定子２０の突極Ａに電流が印加されると、回転子１０の突極Ａ’は電流が印加された固定子２０の突極Ａと整列しようとする方向、すなわち反時計方向に回転する。このように正方向に回転させるトルクが発生するようにする領域を正方向トルク発生領域といい、回転子１０の突極Ａ’がこの正方向トルク発生領域に固定された状態で駆動電流が印加されることによってはじめて安全な制御が行われる。
【００１２】
このとき図３におけるリングマグネット１５とパーキングマグネット１６との位置関係をみると、リングマグネット１５のＮ極とパーキングマグネット１６のＳ極は各マグネットの極の境界線が一列になって相対向して相互に最大引力を生成する位置関係になり、このような最大引力によってリングマグネット１５とパーキングマグネット１６との間で生成されるマグネットトルク（ｍａｇｎｅｔ ｔｏｒｑｕｅ）が０となるので、リングマグネット１５はそれ以上回転せずに安定した状態に固定される。このようにマグネットトルクが０となってリングマグネット１５とパーキングマグネット１６の位置が安定な平衡状態になる物理的位置を安定平衡位置（Ｓｔａｂｌｅ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＳＥＰ）という。
【００１３】
これに対し、リングマグネット１５とパーキングマグネット１６が図４のような位置関係を有すると、回転子１０は正方向トルク発生領域に固定されなくなる。すなわち、リングマグネット１５のＳ極とパーキングマグネット１６のＳ極が各マグネットの極の境界線が一列になって完全に対向すると互いに反発し合う最大斥力を生成し、このような最大斥力によってリングマグネット１５およびパーキングマグネット１６はマグネットトルクが０となって左右いずれの方向にも回転しない平衡状態になる。
【００１４】
しかし、上記の両マグネットの平衡状態は互いを安定した状態に固定させる引力によるものではなく、互いに反発する斥力によるものであるため、リングマグネット１５の微動によって両マグネットの極の境界線が一列になっている状態からずれて、異なる極性の極が対向しはじめるとリングマグネット１５とパーキングマグネット１６との間にマグネットトルクが生成されて不特定方向に回転してしまう。このように瞬間的には平衡状態をなすものの、その位置が安定的に固定されないマグネットの物理的な位置を不安定平衡位置（Ｕｎｓｔａｂｌｅ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＵＥＰ）という。
【００１５】
このように上記の両マグネットの位置関係が不安定平衡状態にあると、回転子１０の突極Ａ’は−３０°〜０°の間で固定され、このとき固定子２０の突極Ａに電流が印加されると、回転子１０の突極Ａ’は電流が印加された固定子２０の突極Ａと整列しようとする方向、すなわち時計方向に回転する。このように逆方向に回転させるトルクを発生させる領域を逆方向トルク発生領域というが、回転子１０の突極Ａ’は、この逆方向トルク発生領域に固定された状態で駆動電流が印加されると制御すべき方向と逆方向に回転し、これによりモータが内蔵された機器に制御異常が起こり、またモータの耐久性が低下し、機器の故障をきたすという問題がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、制御したい方向と逆方向にモータの回転子が回転することを防止するために整列パルスを印加して回転子を整列（ａｌｉｇｎ）させ、再びリリース（ｒｅｌｅａｓｅ）することによって回転子を正方向トルク発生領域に待機させ、モータの回転方向制御の安全性および信頼性を向上させることができるスイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するために、本発明によるスイッチドリラクタンスモータは、内側にｎ個の突極が形成され、前記突極に界磁コイルが巻かれた固定子と、外側にｎ個の突極が形成され、前記固定子との間で発生する電磁気力によって回転する回転子と、ｎ個のＮ極とｎ個のＳ極が前記回転子にリング形に配置されるリングマグネットと、前記リングマグネットと対向するように配置され、前記リングマグネットとの間で作用する引力によって前記回転子を正方向トルク発生領域に制動させるパーキングマグネットと、前記リングマグネットの前記パーキングマグネットとは別の側にリングマグネットと対向するように配置されて前記回転子の位置および速度情報を検出するセンサ手段と、前記センサ手段によって感知された前記回転子の位置および速度情報に基づいて前記固定子に駆動パルスを印加する駆動制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明によるスイッチドリラクタンスモータの初期駆動方法は、待機する回転子の位置を感知する第１段階と、前記回転子の待機位置が所望の回転方向に対して反対方向に回転させるような逆方向トルクを発生する逆方向トルク発生領域に位置するか否かを判断する第２段階と、前記判断の結果、前記回転子が逆方向トルク発生領域に位置すると、前記固定子に整列パルスを印加して前記回転子を所望の方向に回転させる回転トルクを発生する正方向トルク発生領域に前記回転子を移動させる第３段階と、前記固定子に駆動パルスを印加して前記正方向トルク発生領域で待機する回転子が正方向に回転するようにする第４段階と、を含んでなることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明の構成は、図１ないし図２における説明と類似しているので、それに加えて図５および図６を参照して説明する。
【００２０】
図５は、本発明のスイッチドリラクタンスモータの構造を示す詳細図であり、図６は、本発明のスイッチドリラクタンスモータのリングマグネットおよびパーキングマグネットの平面図である。
【００２１】
スイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）は、モータの待機位置にしたがって整列パルスを印加し、モータの駆動のための駆動パルスを印加する駆動制御部（図示せず）によって制御される。
【００２２】
固定子は図示の上下が開放された円筒形の中心部に向かって一定間隔をおいて突出形成されたｎ個の突極を有し、上記の駆動制御部から電流が供給される界磁コイルが上記の突極に巻かれる。
【００２３】
固定子との間で発生するリラクタンストルクによって回転する回転子には、その円周の外側に一定間隔をおいてｎ個の突極が突出形成された積層コアの回転子コア１８０が形成され、回転子の中央にはモータの駆動力を伝達する回転軸１７０が配設されて回転子と共に回転駆動される。
【００２４】
また、スイッチドリラクタンスモータは制御したい方向（正方向）に回転駆動されるように、磁力を利用して特定位置で回転子が待機するようにし、この磁力を発生する２つの磁石は回転子にリング形に配置されるリングマグネット１５０と、このリングマグネット１５０と平行な位置に固定されてリングマグネット１５０と相互に作用する磁力を形成するパーキングマグネット１６０とを含む。
【００２５】
回転子が制動されるとき上記の両マグネットに作用する引力によって回転子が特定位置に固定される。つまり、リングマグネット１５０はｎ個のＮ極とｎ個のＳ極が交互に隣接して配置され、回転子と一体に回転するように回転軸１７０の端部に嵌められて固定され、パーキングマグネット１６０はリングマグネット１５０と同じ極幅を有する単一個のＮ極およびＳ極がリングマグネット１５０と対向するように配置されることによって、リングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０との間で引力が働き回転子を正方向トルク発生領域に制動させる。
【００２６】
光センサまたはホールセンサなどのセンサ手段３００はリングマグネット１５０の、パーキングマグネット１６０とは別の側にリングマグネット１５０と対向するように配置されて回転子の位置および速度情報を検出し、その感知信号を前述の駆動制御部に出力する。この駆動制御部は前記の感知信号を受け取って順次向い合う一対の界磁コイルと連結されたスイッチをオン／オフする駆動パルスを生成して回転子が回転するようにする。固定子の界磁コイルに電流が流れると固定子と回転子との間にリラクタンストルク（Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｔｏｒｑｕｅ）が発生して磁気抵抗の最小となる方向に回転駆動される。
【００２７】
ところで、回転子の回転周期（機械角）は３６０°／ｎであり、前述のリングマグネット１５０のＮ，Ｓ極の極性変化による回転周期も３６０°／ｎである。したがって、回転子および固定子の各突極間に形成されるインダクタンス（磁気抵抗）波形の周期はこの場合ｎ＝６として機械角で６０°である。これに関連して、本発明のスイッチドリラクタンスモータのセンサ手段から生成されるパルスおよびインダクタンスプロファイルを図７に示す。
【００２８】
上記のセンサ手段は第１センサＳ１および第２センサＳ２で構成され、リングマグネット１５０の磁気力線の変化を感知してそれぞれ第１パルス信号および第２パルス信号を生成し、それぞれのパルスは第１センサＳ１と第２センサＳ２間の角度差だけの位相差を有して生成され、各パルスの周期は機械角で６０°である。
【００２９】
前述の駆動制御部は上記のセンサ手段から出力された第２パルスの立ち上がり信号を生成したときから第１パルスの立ち下がり信号を生成するときまで回転子を回転させる駆動パルスを固定子に印加するが、これは上記の第１パルスと第２パルスの論理的共通区間（ＡＮＤ）と同一であり、この共通区間に相当する範囲を図７のインダクタンスプロファイル上に太線で示した。
【００３０】
上記の区間はインダクタンス波形の傾きが正の区間であって、回転子が正方向に回転できるように誘導する正方向トルク発生領域であることを意味する。このようにセンサ手段３００から感知された回転子の位置が正方向トルク発生領域にあるときのみ前述の駆動制御部は駆動パルスを与え、駆動パルスの幅を調節してモータの回転速度を制御し、回転子が逆方向トルク発生領域で待機中であれば、固定子に整列パルスを印加して回転子の位置を整列させてから回転子が上記の正方向トルク発生領域に位置するようにする。
【００３１】
図８は、本発明のスイッチドリラクタンスモータの回転子が整列（ａｌｉｇｎ）される段階を示す図であり、図９は本発明のスイッチドリラクタンスモータの初期駆動方法を示すフロー図であって、本実施例ではモータを回転したい方向（正方向）を反時計方向、逆方向を時計方向とする。
【００３２】
また、図８のように回転子および固定子の突極数（ｎ）を６個で例示し、各突極間の角度を６０°とする。電流の印加された固定子の突極Ａの中心を０°とするとき、回転子の突極Ａ’の位置は右側に３０°、左側に３０°の変位幅を有し、便宜上、上記の中心から右側を‘＋’と、左側を‘−’と表記する。
【００３３】
以下、図８および図９を参照して本発明のスイッチドリラクタンスモータの回転子整列段階および初期駆動方法を説明する。
【００３４】
まず、センサ手段によって待機中の回転子の位置が感知される（Ｌ１）。
【００３５】
その後、駆動制御部によって上記の感知された回転子の位置が逆方向トルク発生領域に位置するか否かを判断し（Ｌ２）、回転子の位置が逆方向トルク発生領域ではなく正方向トルク発生領域であれば固定子に駆動パルスを印加してモータを駆動させ（Ｌ７）、一方回転子の待機位置が逆方向トルク発生領域であれば固定子の突極Ａに整列パルス（Ａｌｉｇｎ Ｐｕｌｓｅ）を印加する（Ｌ３）。
【００３６】
上記の逆方向トルク発生領域で待機する回転子１００および固定子２００の位置を図８の一番目（ａ）の段階に示した。このとき、リングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０は互いに同極同志が対向して斥力が作用するので、回転子１００の位置は非常に不安定な平衡状態である。
【００３７】
このとき上記の整列パルスが固定子の突極Ａに印加されると、この固定子の突極Ａと回転子の突極Ａ’との間の引力によって回転子の突極Ａ’は磁気抵抗の最小となる方向に回転して固定子の突極Ａと完全に整列する（Ｌ４）。
【００３８】
このような過程を整列（Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）といい、図８の二番目（ｂ）の段階に示した通り、このときのリングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０の位置関係は、固定子２００に印加された整列パルスによって強制的に回転子１００が完全に整列させられることによってリングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０のＮ極とＳ極の境界が一列でない状態で互いに相異なる極が対向している状態になる。
【００３９】
上記の整列の後、整列パルスは遮断され（Ｌ５）、固定子の突極Ａのコイルに流れる電流が遮断されることによって回転子１００と固定子２００との間にはリングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０の位置関係による相互引力によってＮ極とＳ極の境界が一列になる。これによって回転子の突極Ａ’は０°〜３０°の間に位置することになり、こうした過程をリリース（Ｒｅｌｅａｓｅ）という（Ｌ６）。
【００４０】
上記の０°〜３０°の間の位置は正方向トルク発生領域であって、この正方向トルク発生領域で待機する回転子１００および固定子２００が図８の三番目（ｃ）の段階に示されている。
【００４１】
このように回転子が正方向トルク発生領域で待機中のとき駆動制御部は固定子に駆動パルスを印加し（Ｌ７）、回転子は正方向、すなわち反時計方向に回転駆動されることによってモータの正確な制御が行われる（Ｌ８）。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように構成される本発明のスイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法は、回転子の待機位置にしたがって整列パルスを印加し整列／リリースの過程によって回転子を正方向トルク発生領域で待機するように整列させた後に駆動パルスを印加するので、回転子の逆方向回転を防止してモータ制御の安定性および正確性を確保し、しかも、モータを採用した機器の耐久性および信頼性を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般のスイッチドリラクタンスモータの構造を示す断面図である。
【図２】一般のスイッチドリラクタンスモータの駆動回路を示す図である。
【図３】スイッチドリラクタンスモータの回転子が待機する安定平衡位置を示す図である。
【図４】スイッチドリラクタンスモータの回転子が待機する不安定平衡位置を示す図である。
【図５】本発明のスイッチドリラクタンスモータの構造を示す詳細図である。
【図６】本発明のスイッチドリラクタンスモータのリングマグネットおよびパーキングマグネットの平面図である。
【図７】本発明のスイッチドリラクタンスモータのセンサ手段から生成されたパルス波形を示す図である。
【図８】本発明のスイッチドリラクタンスモータの回転子の整列（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）段階を示す図である。
【図９】本発明のスイッチドリラクタンスモータの初期駆動方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０、１００…回転子
Ａ’…回転子の突極
２０、２００…固定子
Ａ…固定子の突極
１５、１５０…リングマグネット
１６、１６０…パーキングマグネット
１７、１７０…回転軸
１８、１８０…回転子コア
３０、３００…センサ手段
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…界磁コイル
ＳＷ１、ＳＷ２…スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法に関し、特に、逆方向に回転されることを防止するために整列パルスを印加して回転子が正方向トルク発生領域で待機するようにするスイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、一般のスイッチドリラクタンスモータの構造を示す断面図であり、図２は一般のスイッチドリラクタンスモータの駆動回路を示す図である。これらを参照してスイッチドリラクタンスモータについて詳細に説明する。
【０００３】
スイッチドリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ、ＳＲＭ）は、駆動制御部（図示せず）と、この駆動制御部から電流が供給される界磁コイル（Ｗ１ないしＷ３）が巻かれた固定子２０と、固定子２０内で界磁コイルに電流が流れると固定子２０との間で発生するリラクタンストルクによって単一方向に回転する回転子１０とで構成される。
【０００４】
固定子２０は上下が開放された円筒形のヨークと、このヨークの内壁で、中央に位置する回転子１０に向かって一定間隔をおいて突出形成された多数個の突極２１と、突極２１に巻かれた界磁コイル（Ｗ１ないしＷ３）とで構成される。本明細書では突極の個数を６個と例示したが、これはモータの種類によって異なる。
【０００５】
回転子１０には円周の外側に一定間隔をおいて６個の突極１１が突出形成された積層コアからなる回転子コア１８が形成され、回転子１０の中央にはモータの駆動力を伝達する回転軸１７が配設されて回転子１０と共に回転する。固定子２０および回転子１０の支持および回転のために上部と下部に軸受１９があり、回転子１０のコア１８は上下軸受１９間に位置する。
【０００６】
上記の駆動制御部は、回転子１０の位置や速度を感知する光センサまたはホールセンサなどのセンサ３０から感知信号を受け取って、順次向い合う一対の界磁コイルと連結されたスイッチをオン／オフする駆動パルスを生成することによって、電流を導通させるようにする。
【０００７】
スイッチドリラクタンスモータは各界磁コイル（Ｗ１ないしＷ３）毎に２個のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を有し、この２つのスイッチは同時にオン／オフが行われて向い合う２つの固定子突極の各外周を取り囲む界磁コイル（Ｗ１ないしＷ３）と連結されて、上記の駆動制御部から供給された電流がその界磁コイルに流れるようにする。界磁コイルに電流が流れると固定子２０と回転子１０との間にリラクタンストルク（Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｔｏｒｑｕｅ）が発生して磁気抵抗の最小となる方向に回転駆動される。
【０００８】
また、スイッチドリラクタンスモータは単一の方向に回転駆動されるように、磁力を利用して特定位置で回転子１０が待機するようにするが、この磁力を生じさせる２つの磁石としては、回転子１０の周面にリング形に形成されたリングマグネット１５と、リングマグネット１５と相互に作用する磁力が形成されるようにリングマグネット１５と対向するパーキングマグネット１６とを用いて、回転子が停止状態のときそれらの両マグネットに作用する相互引力によって回転子１０が正方向回転トルクを発生する特定位置に固定されるようにする。
【０００９】
このとき、モータに形成された突極の数によってリングマグネット１５の極数が定められ、この突極の数がｎならリングマグネット１５はｎ個のＮ極とｎ個のＳ極で構成され、パーキングマグネット１６はモータの突極数とは無関係に１個のＮ極と１個のＳ極を有する。
【００１０】
スイッチドリラクタンスモータの駆動が停止されると、回転子１０は正方向トルク発生領域または逆方向トルク発生領域に固定されるが、これを図３および図４に示した。図３および図４に示したスイッチドリラクタンスモータは、６個の突極１１を有する回転子１０と６個の突極２１を有する固定子２０とで構成され、回転制御したい方向、すなわち正方向を反時計方向と仮定する。
【００１１】
図３のように回転子１０の突極Ａ’が固定されている状態で固定子２０の突極Ａに電流が印加されると、回転子１０の突極Ａ’は電流が印加された固定子２０の突極Ａと整列しようとする方向、すなわち反時計方向に回転する。このように正方向に回転させるトルクが発生するようにする領域を正方向トルク発生領域といい、回転子１０の突極Ａ’がこの正方向トルク発生領域に固定された状態で駆動電流が印加されることによってはじめて安全な制御が行われる。
【００１２】
このとき図３におけるリングマグネット１５とパーキングマグネット１６との位置関係をみると、リングマグネット１５のＮ極とパーキングマグネット１６のＳ極は各マグネットの極の境界線が一列になって相対向して相互に最大引力を生成する位置関係になり、このような最大引力によってリングマグネット１５とパーキングマグネット１６との間で生成されるマグネットトルク（ｍａｇｎｅｔ ｔｏｒｑｕｅ）が０となるので、リングマグネット１５はそれ以上回転せずに安定した状態に固定される。このようにマグネットトルクが０となってリングマグネット１５とパーキングマグネット１６の位置が安定な平衡状態になる物理的位置を安定平衡位置（Ｓｔａｂｌｅ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＳＥＰ）という。
【００１３】
これに対し、リングマグネット１５とパーキングマグネット１６が図４のような位置関係を有すると、回転子１０は正方向トルク発生領域に固定されなくなる。すなわち、リングマグネット１５のＳ極とパーキングマグネット１６のＳ極が各マグネットの極の境界線が一列になって完全に対向すると互いに反発し合う最大斥力を生成し、このような最大斥力によってリングマグネット１５およびパーキングマグネット１６はマグネットトルクが０となって左右いずれの方向にも回転しない平衡状態になる。
【００１４】
しかし、上記の両マグネットの平衡状態は互いを安定した状態に固定させる引力によるものではなく、互いに反発する斥力によるものであるため、リングマグネット１５の微動によって両マグネットの極の境界線が一列になっている状態からずれて、異なる極性の極が対向しはじめるとリングマグネット１５とパーキングマグネット１６との間にマグネットトルクが生成されて不特定方向に回転してしまう。このように瞬間的には平衡状態をなすものの、その位置が安定的に固定されないマグネットの物理的な位置を不安定平衡位置（Ｕｎｓｔａｂｌｅ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＵＥＰ）という。
【００１５】
このように上記の両マグネットの位置関係が不安定平衡状態にあると、回転子１０の突極Ａ’は−３０°〜０°の間で固定され、このとき固定子２０の突極Ａに電流が印加されると、回転子１０の突極Ａ’は電流が印加された固定子２０の突極Ａと整列しようとする方向、すなわち時計方向に回転する。このように逆方向に回転させるトルクを発生させる領域を逆方向トルク発生領域というが、回転子１０の突極Ａ’は、この逆方向トルク発生領域に固定された状態で駆動電流が印加されると制御すべき方向と逆方向に回転し、これによりモータが内蔵された機器に制御異常が起こり、またモータの耐久性が低下し、機器の故障をきたすという問題がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、制御したい方向と逆方向にモータの回転子が回転することを防止するために整列パルスを印加して回転子を整列（ａｌｉｇｎ）させ、再びリリース（ｒｅｌｅａｓｅ）することによって回転子を正方向トルク発生領域に待機させ、モータの回転方向制御の安全性および信頼性を向上させることができるスイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するために、本発明によるスイッチドリラクタンスモータは、内側にｎ個の突極が形成され、前記突極に界磁コイルが巻かれた固定子と、外側にｎ個の突極が形成され、前記固定子との間で発生する電磁気力によって回転する回転子と、ｎ個のＮ極とｎ個のＳ極が前記回転子にリング形に配置されるリングマグネットと、前記リングマグネットと対向するように配置され、前記リングマグネットとの間で作用する引力によって前記回転子を正方向トルク発生領域に制動させるパーキングマグネットと、前記リングマグネットの前記パーキングマグネットとは別の側にリングマグネットと対向するように配置されて前記回転子の位置および速度情報を検出するセンサ手段と、前記センサ手段によって感知された前記回転子の位置および速度情報に基づいて前記固定子に駆動パルスを印加する駆動制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明によるスイッチドリラクタンスモータの初期駆動方法は、待機する回転子の位置を感知する第１段階と、前記回転子の待機位置が所望の回転方向に対して反対方向に回転させるような逆方向トルクを発生する逆方向トルク発生領域に位置するか否かを判断する第２段階と、前記判断の結果、前記回転子が逆方向トルク発生領域に位置すると、前記固定子に整列パルスを印加して前記回転子を所望の方向に回転させる回転トルクを発生する正方向トルク発生領域に前記回転子を移動させる第３段階と、前記固定子に駆動パルスを印加して前記正方向トルク発生領域で待機する回転子が正方向に回転するようにする第４段階と、を含んでなることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明の構成は、図１ないし図２における説明と類似しているので、それに加えて図５および図６を参照して説明する。
【００２０】
図５は、本発明のスイッチドリラクタンスモータの構造を示す詳細図であり、図６は、本発明のスイッチドリラクタンスモータのリングマグネットおよびパーキングマグネットの平面図である。
【００２１】
スイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）は、モータの待機位置にしたがって整列パルスを印加し、モータの駆動のための駆動パルスを印加する駆動制御部（図示せず）によって制御される。
【００２２】
固定子は図示の上下が開放された円筒形の中心部に向かって一定間隔をおいて突出形成されたｎ個の突極を有し、上記の駆動制御部から電流が供給される界磁コイルが上記の突極に巻かれる。
【００２３】
固定子との間で発生するリラクタンストルクによって回転する回転子には、その円周の外側に一定間隔をおいてｎ個の突極が突出形成された積層コアの回転子コア１８０が形成され、回転子の中央にはモータの駆動力を伝達する回転軸１７０が配設されて回転子と共に回転駆動される。
【００２４】
また、スイッチドリラクタンスモータは制御したい方向（正方向）に回転駆動されるように、磁力を利用して特定位置で回転子が待機するようにし、この磁力を発生する２つの磁石は回転子にリング形に配置されるリングマグネット１５０と、このリングマグネット１５０と平行な位置に固定されてリングマグネット１５０と相互に作用する磁力を形成するパーキングマグネット１６０とを含む。
【００２５】
回転子が制動されるとき上記の両マグネットに作用する引力によって回転子が特定位置に固定される。つまり、リングマグネット１５０はｎ個のＮ極とｎ個のＳ極が交互に隣接して配置され、回転子と一体に回転するように回転軸１７０の端部に嵌められて固定され、パーキングマグネット１６０はリングマグネット１５０と同じ極幅を有する単一個のＮ極およびＳ極がリングマグネット１５０と対向するように配置されることによって、リングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０との間で引力が働き回転子を正方向トルク発生領域に制動させる。
【００２６】
光センサまたはホールセンサなどのセンサ手段３００はリングマグネット１５０の、パーキングマグネット１６０とは別の側にリングマグネット１５０と対向するように配置されて回転子の位置および速度情報を検出し、その感知信号を前述の駆動制御部に出力する。この駆動制御部は前記の感知信号を受け取って順次向い合う一対の界磁コイルと連結されたスイッチをオン／オフする駆動パルスを生成して回転子が回転するようにする。固定子の界磁コイルに電流が流れると固定子と回転子との間にリラクタンストルク（Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｔｏｒｑｕｅ）が発生して磁気抵抗の最小となる方向に回転駆動される。
【００２７】
ところで、回転子の回転周期（機械角）は３６０°／ｎであり、前述のリングマグネット１５０のＮ，Ｓ極の極性変化による回転周期も３６０°／ｎである。したがって、回転子および固定子の各突極間に形成されるインダクタンス（磁気抵抗）波形の周期はこの場合ｎ＝６として機械角で６０°である。これに関連して、本発明のスイッチドリラクタンスモータのセンサ手段から生成されるパルスおよびインダクタンスプロファイルを図７に示す。
【００２８】
上記のセンサ手段は第１センサＳ１および第２センサＳ２で構成され、リングマグネット１５０の磁気力線の変化を感知してそれぞれ第１パルス信号および第２パルス信号を生成し、それぞれのパルスは第１センサＳ１と第２センサＳ２間の角度差だけの位相差を有して生成され、各パルスの周期は機械角で６０°である。
【００２９】
前述の駆動制御部は上記のセンサ手段から出力された第２パルスの立ち上がり信号を生成したときから第１パルスの立ち下がり信号を生成するときまで回転子を回転させる駆動パルスを固定子に印加するが、これは上記の第１パルスと第２パルスの論理的共通区間（ＡＮＤ）と同一であり、この共通区間に相当する範囲を図７のインダクタンスプロファイル上に太線で示した。
【００３０】
上記の区間はインダクタンス波形の傾きが正の区間であって、回転子が正方向に回転できるように誘導する正方向トルク発生領域であることを意味する。このようにセンサ手段３００から感知された回転子の位置が正方向トルク発生領域にあるときのみ前述の駆動制御部は駆動パルスを与え、駆動パルスの幅を調節してモータの回転速度を制御し、回転子が逆方向トルク発生領域で待機中であれば、固定子に整列パルスを印加して回転子の位置を整列させてから回転子が上記の正方向トルク発生領域に位置するようにする。
【００３１】
図８は、本発明のスイッチドリラクタンスモータの回転子が整列（ａｌｉｇｎ）される段階を示す図であり、図９は本発明のスイッチドリラクタンスモータの初期駆動方法を示すフロー図であって、本実施例ではモータを回転したい方向（正方向）を反時計方向、逆方向を時計方向とする。
【００３２】
また、図８のように回転子および固定子の突極数（ｎ）を６個で例示し、各突極間の角度を６０°とする。電流の印加された固定子の突極Ａの中心を０°とするとき、回転子の突極Ａ’の位置は右側に３０°、左側に３０°の変位幅を有し、便宜上、上記の中心から右側を‘＋’と、左側を‘−’と表記する。
【００３３】
以下、図８および図９を参照して本発明のスイッチドリラクタンスモータの回転子整列段階および初期駆動方法を説明する。
【００３４】
まず、センサ手段によって待機中の回転子の位置が感知される（Ｌ１）。
【００３５】
その後、駆動制御部によって上記の感知された回転子の位置が逆方向トルク発生領域に位置するか否かを判断し（Ｌ２）、回転子の位置が逆方向トルク発生領域ではなく正方向トルク発生領域であれば固定子に駆動パルスを印加してモータを駆動させ（Ｌ７）、一方回転子の待機位置が逆方向トルク発生領域であれば固定子の突極Ａに整列パルス（Ａｌｉｇｎ Ｐｕｌｓｅ）を印加する（Ｌ３）。
【００３６】
上記の逆方向トルク発生領域で待機する回転子１００および固定子２００の位置を図８の一番目（ａ）の段階に示した。このとき、リングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０は互いに同極同志が対向して斥力が作用するので、回転子１００の位置は非常に不安定な平衡状態である。
【００３７】
このとき上記の整列パルスが固定子の突極Ａに印加されると、この固定子の突極Ａと回転子の突極Ａ’との間の引力によって回転子の突極Ａ’は磁気抵抗の最小となる方向に回転して固定子の突極Ａと完全に整列する（Ｌ４）。
【００３８】
このような過程を整列（Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）といい、図８の二番目（ｂ）の段階に示した通り、このときのリングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０の位置関係は、固定子２００に印加された整列パルスによって強制的に回転子１００が完全に整列させられることによってリングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０のＮ極とＳ極の境界が一列でない状態で互いに相異なる極が対向している状態になる。
【００３９】
上記の整列の後、整列パルスは遮断され（Ｌ５）、固定子の突極Ａのコイルに流れる電流が遮断されることによって回転子１００と固定子２００との間にはリングマグネット１５０とパーキングマグネット１６０の位置関係による相互引力によってＮ極とＳ極の境界が一列になる。これによって回転子の突極Ａ’は０°〜３０°の間に位置することになり、こうした過程をリリース（Ｒｅｌｅａｓｅ）という（Ｌ６）。
【００４０】
上記の０°〜３０°の間の位置は正方向トルク発生領域であって、この正方向トルク発生領域で待機する回転子１００および固定子２００が図８の三番目（ｃ）の段階に示されている。
【００４１】
このように回転子が正方向トルク発生領域で待機中のとき駆動制御部は固定子に駆動パルスを印加し（Ｌ７）、回転子は正方向、すなわち反時計方向に回転駆動されることによってモータの正確な制御が行われる（Ｌ８）。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように構成される本発明のスイッチドリラクタンスモータおよびその初期駆動方法は、回転子の待機位置にしたがって整列パルスを印加し整列／リリースの過程によって回転子を正方向トルク発生領域で待機するように整列させた後に駆動パルスを印加するので、回転子の逆方向回転を防止してモータ制御の安定性および正確性を確保し、しかも、モータを採用した機器の耐久性および信頼性を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般のスイッチドリラクタンスモータの構造を示す断面図である。
【図２】一般のスイッチドリラクタンスモータの駆動回路を示す図である。
【図３】スイッチドリラクタンスモータの回転子が待機する安定平衡位置を示す図である。
【図４】スイッチドリラクタンスモータの回転子が待機する不安定平衡位置を示す図である。
【図５】本発明のスイッチドリラクタンスモータの構造を示す詳細図である。
【図６】本発明のスイッチドリラクタンスモータのリングマグネットおよびパーキングマグネットの平面図である。
【図７】本発明のスイッチドリラクタンスモータのセンサ手段から生成されたパルス波形を示す図である。
【図８】本発明のスイッチドリラクタンスモータの回転子の整列（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）段階を示す図である。
【図９】本発明のスイッチドリラクタンスモータの初期駆動方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０、１００…回転子
Ａ’…回転子の突極
２０、２００…固定子
Ａ…固定子の突極
１５、１５０…リングマグネット
１６、１６０…パーキングマグネット
１７、１７０…回転軸
１８、１８０…回転子コア
３０、３００…センサ手段
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…界磁コイル
ＳＷ１、ＳＷ２…スイッチ
Claims (10)
- 内側にｎ個の突極が形成され、前記突極に界磁コイルが巻かれた固定子と、外側にｎ個の突極が形成され、前記固定子との間で発生する電磁気力によって回転する回転子と、ｎ個のＮ極とｎ個のＳ極が前記回転子にリング形に配置されるリングマグネットと、前記リングマグネットと対向するように配置され、前記リングマグネットとの間で作用する引力によって前記回転子を正方向トルク発生領域に制動させるパーキングマグネットと、前記リングマグネットに対向するように配置されて前記回転子の位置および速度情報を検出するセンサ手段と、前記センサ手段によって感知された前記回転子の位置および速度情報に基づいて前記固定子に駆動パルスを印加する駆動制御部と、を含んで構成されることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータ。
- 前記リングマグネットは、前記回転子と一体に回転するように回転軸の端部に嵌められて固定されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチドリラクタンスモータ。
- 前記リングマグネットは、Ｎ極とＳ極が交互に隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチドリラクタンスモータ。
- 前記パーキングマグネットは、前記リングマグネットのＮ極およびＳ極と同じ幅を有する単一個のＮ極およびＳ極で構成されることを特徴とする請求項３に記載のスイッチドリラクタンスモータ。
- 前記センサ手段は、前記リングマグネットに水平に配置される第１センサと、前記第１センサから一定間隔をおいて位置する第２センサとから構成されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチドリラクタンスモータ。
- 前記センサ手段は前記リングマグネットの磁石の極性が周期的に変化することによってそれぞれ第１パルスおよび第２パルスを生成し、
前記第１パルスおよび第２パルスは前記第１センサと前記第２センサ間の角度差だけの位相差を有して生成されることを特徴とする請求項５に記載のスイッチドリラクタンスモータ。 - 前記駆動制御部は、前記センサ手段によって感知された前記回転子の待機位置が逆方向トルク発生領域である場合は、前記固定子に整列パルスを印加することを特徴とする請求項６に記載のスイッチドリラクタンスモータ。
- 前記駆動制御部は、前記センサ手段によって感知された前記回転子の待機位置が正方向トルク発生領域である場合は、前記センサ手段が前記第２パルスの立ち上がり信号を生成したときから前記第１パルスの立ち下がり信号を生成するときまで前記回転子を回転させる駆動パルスを印加することを特徴とする請求項７に記載のスイッチドリラクタンスモータ。
- 待機する回転子の位置を感知する第１段階と、前記回転子の待機位置が所望回転方向に対して逆方向トルクを発生させる逆方向トルク発生領域に位置するか否かを判断する第２段階と、前記判断の結果、前記回転子が逆方向トルク発生領域に位置すると、前記固定子に整列パルスを印加して前記回転子の所望回転方向に回転させるトルクを発生させる正方向トルク発生領域に前記回転子を移動させる第３段階と、前記固定子に駆動パルスを印加して前記正方向トルク発生領域で待機する回転子が正方向に回転するようにする第４段階と、を含んでなることを特徴とするスイッチドリラクタンスモータの初期駆動方法。
- 前記第３段階は、前記整列パルスが前記固定子に印加されることによって前記固定子の突極に隣接する回転子の突極が前記固定子の突極と整列する第１過程と、前記整列パルスの印加を停止することによって前記固定子および回転子に形成されたマグネット間の磁力によって前記回転子が正方向トルク発生領域にリリースされる第２過程と、を含んでなることを特徴とする請求項９に記載のスイッチドリラクタンスモータの初期駆動方法。
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