JP2011125125A - スイッチドリラクタンスモータ及びスイッチドリラクタンスモータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な駆動が可能で、回生電力の回収が可能となるとともに、トルク脈動、振動の少ないスイッチドリラクタンスモータ及びその駆動システムを提供することである。
【解決手段】回転子３３の複数の回転子ユニット３３ａ〜３３ｄのそれぞれは、２ｎ個の凸極を有し、固定子３１の複数の固定子ユニット３１ａ〜３１ｄのそれぞれは、対応する回転子ユニットの各凸極との間に所定のギャップが形成されるように並ぶ４ｎ個の磁極を有し、複数の固定子ユニット３１ａ〜３１ｄのそれぞれにおける前記４ｎ個の磁極の１つおきに第１の励磁コイル３２（Ａ）が巻回されるとともに、前記第１の励磁コイルの巻回された磁極以外の磁極に順次第２の励磁コイル３２（Ｂ）が巻回され、複数の回転子ユニット３３ａ〜３３ｄと、複数の固定子ユニット３１ａ〜３１ｄとの回転方向の相対位置は、所定角度ずれるように設定されている構成となる。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、複数の凸極を有する回転子と、該回転子の外周に配置され、凸部に励磁コイルが巻かれた構造の複数の磁極とを有する固定子とを備え、前記固定子の該複数の磁極の励磁コイルに順次電流を供給することにより、前記回転子を回転させるようにしたスイッチドリラクタンスモータ及び該モータの駆動システムに関する。

これまで広く知られた電気モータ駆動システムとして、（１）ＰＷＭ（Pulse Width modulation）インバータ及び３相同期電動機により構成されるもの、（２）ＰＷＭインバータ及び３相誘導電動機により構成されるものが知られている。これらは、昭和４０年代に提案され、パワーエレクトロニクスと電子回路技術の発展よって、エレベータ、電気車、クレーン、エアコン、電気自動車、ハイブリッド車に広く用いられている。上記電気モータシステムは、古典的な電気モータシステムに対して制御性の良さから普及してきた。しかし、ＣＯ₂低減や希少資源の重要性が認識されるようになった近年では、これまでの電気モータ駆動システムをそのまま踏襲うることは、次のような問題がある。

同期電動機に使用するネオジウム磁石の資源は特定国に偏在し、かつ、全世界の電気自動車の駆動源としての電気モータに利用することができる程の量がない。また、誘導電動機は、重量、効率の点で弱点があり、かつＰＷＭインバータにて生成される疑似正弦波の高周波によって更に効率が低下し、かつまた、回生制動は高いレベルの技術が必要となる。

ＣＯ₂低減を大きく進めるためには、電気自動車の普及を含めてあらゆる分野の電気モータ駆動システムの効率向上は勿論、これだけではなく、制動時のエネルギー回収をできるだけ大きくすることが必要である。そして、これを世界的に広げるためには、資源的な制約が少ない構成であることが肝心である。

本発明は、これまでの３相同期電動機や３相誘導電動機を基本としたモータ駆動システムから脱却して、リラクタンスモータ（例えば、特許文献１参照）をベースに新しいモータ駆動システムを提案するものである。

特開２００７−３１２５６２号公報

これまでのリラクタンスモータは、
効率が低く、重量が大きく、
回生制動が困難であり、
トルク脈動、振動、騒音が大きい
等の問題があった。

これらの問題は、リラクタンスモータのコイルは、本来リアクタンスが大きいことから、電流の素早い制御が困難であるために、トルク変動の観点から有利な波形の電流を各コイルに供給することが難しいことに起因している。また、回生制動時、励磁コイルは吸引力を生じさせる本来の電流と回生電流とが重畳されるが、この回生電流を有効に分離して電源に回収するための制御が難しい。更に、吸引力によって外枠に対して内方への力が働き、振動や騒音の原因となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、効率的な駆動が可能で、回生電力の回収が可能となるとともに、トルク脈動、振動の少ないスイッチドリラクタンスモータ及びその駆動システムを提供するものである。

本発明に係るスイッチドリラクタンスモータは、回転子と、該回転子を囲むように配置され、励磁コイルの装着された固定子とを有するスイッチドリラクタンスモータであって、前記回転子は、回転軸に同軸的に固定された複数の回転子ユニットを有し、前記固定子は、前記複数の回転子ユニットに対向するように配置される複数の固定子ユニットを有し、前記複数の回転子ユニットのそれぞれは、所定角度間隔にて並ぶ２ｎ（ｎは整数）個の凸極を有し、前記複数の固定子ユニットのそれぞれは、対応する回転子ユニットの各凸極との間に所定のギャップが形成されるように所定角度間隔にて並ぶ４ｎ（ｎは整数）個の磁極を有し、前記複数の固定子ユニットのそれぞれにおける前記４ｎ個の磁極の１つおきに第１の励磁コイルが巻回されるとともに、前記第１の励磁コイルの巻回された磁極以外の磁極に順次第２の励磁コイルが巻回され、前記複数の回転子ユニットと、前記複数の固定子ユニットとの回転方向の相対位置は、所定角度ずれるように設定されている構成となる。

このような構成により、固定子を構成する複数の固定子ユニットそれぞれの４ｎ個の磁極の１つおきに巻回された第１の励磁コイルと第２の励磁コイルとに矩形波直流定電流を各固定子ユニットについ所定のタイミングずつずらしながら切換え供給することにより、回転子を構成する複数の回転子ユニットのそれぞれの２ｎ個の凸極が対応する固定子ユニットの励磁される磁極に順次吸引されるようになるので、その吸引力によって回転子が回転するようになる。

本発明に係るスイッチドリラクタンスモータにておいて、前記整数ｎは２以上であって、前記複数の回転子ユニットのそれぞれは、４個以上の凸極を有するとともに、前記複数の固定子ユニットのそれぞれは、８個以上の磁極を有する構成とすることができる。

このような構成により、固定子を構成する各固定子ユニットが８個以上の磁極を有するので、第１の励磁コイルと第２の励磁コイルとを交互に通電されるときに、２組の１つおきの４個以上の磁極が交互に励磁されるようになるので、その駆動時に、前記励磁による力が偏り少なく各固定子ユニットに作用するようになり、駆動時の振動を抑制することができるようになる。

また、本発明に係るスイッチドリラクタンスモータにおいて、前記複数の回転子ユニットと、前記複数の固定子ユニットとの回転方向の相対位置は、固定子ユニットの磁極のピッチ角度を前記複数の回転子ユニットの個数で除した角度ずつずれるように設定されているように構成することができる。

このような構成により、固定子を構成する複数の固定子ユニットそれぞれの磁極の１ピッチ分を複数の回転子ユニットで分担するようになるので、より滑らかな回転が可能となる。

また、本発明に係るスイッチドリラクタンスモータにおいて、前記複数の回転子ユニットは、前記回転軸に対して回転方向の同じ角度関係にて固定されている構成とすることができる。

この場合、回転子に対して固定子を構成する複数の固定子ユニットが所定角度ずつずれるように配置される。

更に、本発明に係るスイッチドリラクタンスモータにおいて、前記複数の固定子ユニットは、前記回転軸に対して回転方向の同じ角度関係にて配置されている構成とすることができる。

この場合、回転軸に対して回転子を構成する複数の回転子ユニットが所定角度ずつずれるように固定される。

また、本発明に係るスイッチドリラクタンスモータにおいて、前記複数の固定子ユニットそれぞれの各磁極の回転方向の幅の前記複数の回転子ユニットそれぞれの各凸極の回転方向の幅に対する割合が１未満の所定の割合に設定された構成とすることができる。

このような構成により、複数の回転子ユニットそれぞれの各凸極の回転方向の幅が、対応する固定子ユニットの各磁極の回転方向の幅より大きくなるので、回転する回転子ユニットの各凸極が固定子ユニットの磁極に対向していない期間がより小さくできるので、回転子ユニットの各凸極に対する固定子ユニットの各磁極からの吸引力の途切れる期間がより短くなる。従って、トルク変動や振動をより小さいものとすることができる。

本発明に係るスイッチドリラクタンスモータの駆動システムは、前述したいずれかのスイッチドリラクタンスモータと、直流定電流電源装置と、前記スイッチドリラクタンスモータにおける前記複数の固定子ユニットのそれぞれに対応して設けられ、第１の電流路と第２の電流路とを切換える複数の電流切換え回路と、前記電流切換え回路を制御して、前記第１の電流路と前記第２とを交互に導通させる切換え制御手段とを有し、各電流切換え回路の第１の電流路及び第２の電流路と対応する固定子ユニットに設けられた第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルとがそれぞれ直列接続された状態で、前記複数の電流切換え回路が直列的に接続され、前記直流定電流電源装置の一方の出力端子から出力される直流定電流が前記直列的に接続された初段の電流切換え回路の第１及び第２の電流路に入力し、最終段の電流切換え回路の第１の電流路に接続された第１の励磁コイル及び第２の電流路に接続された第２の励磁コイルを流れた前記直流定電流が前記直流定電流電源装置の他方の出力端子に帰還するように、前記直流定電流電源装置、前記複数の電流切換え回路及び前記スイッチドリラクタンスモータが接続され、前記切換え制御手段は、前記スイッチドリラクタンスモータの前記回転子の角度位置に応じて前記複数の電流切換え回路それぞれにおける前記第１及び前記第２の電流路の導通状態を交互に切換えて矩形波電流を前記第１及び第２の励磁コイルに交互に流し、前記スイッチドリラクタンスモータの駆動時と制動時とで、前記第１及び第２の電流路の導通状態を切換えるタイミングを前記回転子の電気角１８０度に対応する角度の回転時間だけずらすように各電流切換え回路を制御する構成となる。

このような構成により、固定子を構成する複数の固定子ユニットの４ｎ個の磁極に巻回された第１の励磁コイルと第２の励磁コイルとに矩形波の直流定電流を交互に切り換えつつ供給することにより、スイッチドリラクタンスモータを、駆動させることができる。また、制動時に、各固定子ユニットの各磁極に巻回された第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルに供給される直流定電流に重畳する、対応する回転子ユニットの凸極との対向面積の変化に応じた電流を直流定電流電源装置に帰還させることができる。その帰還された当該直流定電流に重畳する電流を回生電力として蓄積することができるようになる。

本発明に係るスイッチドリラクタンスモータによれば、固定子を構成する複数の固定子ユニットそれぞれの４ｎ個の磁極の１つおきに巻回された第１の励磁コイルと第２の励磁コイルとに矩形波直流定電流を各固定子ユニットについ所定のタイミングずつずらしながら切換え供給することにより、回転子を構成する複数の回転子ユニットのそれぞれの２ｎ個の凸極が対応する固定子ユニットの励磁される磁極に順次吸引されて回転子が回転するようになるので、トルク脈動、振動の少ない効率的な駆動が可能になる。

また、本発明に係るスイッチドリラクタンスモータの駆動システムによれば、固定子を構成する複数の固定子ユニットの４ｎ個の磁極に巻回された第１の励磁コイルと第２の励磁コイルとに矩形波の直流定電流を交互に切り換えつつ供給することにより、スイッチドリラクタンスモータを、駆動させることができ、また、制動時に、各固定子ユニットの各磁極に巻回された第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルに供給される直流定電流に重畳する、対応する回転子ユニットの凸極との対向面積の変化に応じた電流を直流定電流電源装置に帰還させることができるので、スイッチドリラクタンスモータの駆動とともに回生電力を回収することができるようになる。

本発明の実施の一形態に係るスイッチドリラクタンスモータ駆動システムの基本構成を示すブロック図である。 本発明の実施の一形態に係るスイッチドリラクタンスモータの横方向から見た断面構造を示す断面図である。 図２Ａに示すスイッチドリラクタンスモータのＡ−Ａ線での断面構造を示す断面図である。 回転位相をずらした４つの固定子ユニットからなる固定子に対して配置される回転位相が同じに設定された４つの回転子ユニットからなる回転子の基準回転位置における第１回転子ユニットと第１固定子ユニットとの配置関係を示す図である。 回転位相をずらした４つの固定子ユニットからなる固定子に対して配置される回転位相が同じに設置された４つの回転子ユニットからなる回転子の基準回転位置における第２回転子ユニットと第２回転子ユニットとの配置関係を示す図である。 回転位相をずらした４つの固定子ユニットからなる固定子に対して配置される回転位相が同じに設定された４つの回転子ユニットからなる回転子の基準回転位置における第３回転子ユニットと第３固定子ユニットとの配置関係を示す図である。 回転位相をずらした４つの固定子ユニットからなる固定子に対して配置される回転位相が同じに設定された４つの回転子ユニットからなる回転子の基準回転位置における第４回転子ユニットと第４固定子ユニットとの配置関係を示す図である。 回転位相が固定された４つの固定子ユニットからなる固定子に対して配置される回転位相をずらした４つの回転子ユニットからなる回転子の基準回転位置における第１回転子ユニットと第１固定子ユニットとの配置関係を示す図である。 回転位相が固定された４つの固定子ユニットからなる固定子に対して配置される回転位相をずらした４つの回転子ユニットからなる回転子の基準回転位置における第２回転子ユニットと第２固定子ユニットとの配置関係を示す図である。 回転位相が固定された４つの固定子ユニットからなる固定子に対して配置される回転位相をずらした４つの回転子ユニットからなる回転子の基準回転位置における第３回転子ユニットと第３固定子ユニットとの配置関係を示す図である。 回転位相が固定された４つの固定子ユニットからなる固定子に対して配置される回転位相をずらした４つの回転子ユニットからなる回転子の基準回転位置における第４回転子ユニットと第４固定子ユニットとの配置関係を示す図である。 固定子の各固定子ユニットに巻かれる励磁コイルの接続関係と、発生する磁束の状態を示す図である。 電流切換え器の具体的な構成例を示す図である。 スイッチドリラクタンスモータを駆動させる際の電流切換え器における各スイッチング素子の動作を示すタイミングチャートである。 スイッチドリラクタンスモータを制動させる際の電流切換え器における各スイッチング素子の動作を示すタイミングチャートである。 電流切換え器を構成する各定電流フリップフロップ回路（電流切換え回路）を示す図である。 図８に示す定電流フリップフロップ回路（電流切換え回路）における励磁コイルの各種電流波形及びコンデンサの充電電圧波形を示す波形図である。 駆動時における回転する各回転子ユニットの固定子ユニットに対する相対位置関係（その１）を示す図である。 駆動時における回転する各回転子ユニットの固定子ユニットに対する相対位置関係（その２）を示す図である。 駆動時における回転する各回転子ユニットの固定子ユニットに対する相対位置関係（その３）を示す図である。 各固定子ユニットに巻かれたＡ相励磁コイル及びＢ相励磁コイルに流れる電流波形を示す波形図である。 制動時における回転する各回転子ユニットの固定子ユニットに対する相対位置関係（その１）を示す図である。 制動時における回転する各回転子ユニットの固定子ユニットに対する相対位置関係（その２）を示す図である。 制動時における回転する各回転子ユニットの固定子ユニットに対する相対位置関係（その３）を示す図である。 各固定子ユニット及び回転子ユニットの寸法関係と、それらの間で形成される磁気回路を示す図である。 駆動時における回転する回転子ユニットの凸極と固定子ユニットの磁極との間のギャップに形成される磁束の分布状態を示す図である。 図１４に示すように回転子ユニットが回転する際に生ずる磁束の変化と、それに基づいて発生する起電力及びトルクとを示す図である。 制動時における回転する回転子ユニットの凸極と固定子ユニットの磁極との間のギャップに形成される磁束の分布状態を示す図である。 図１６に示すように回転子ユニットが回転する際に生ずる磁束の変化と、それに基づいて発生する起電力及びトルクとを示す図である。 駆動時における駆動システムの等価回路を示す回路図である。 制動時における駆動システムの等価回路を示す回路図である。 停止時における駆動システムの等価回路を示す回路図である。 磁極短縮率Ｋ（図１３参照）＝０．７５における各相（１つの回転子ユニットと１つの固定子ユニットとに対応）当たりのトルク、及びそれらを合成した合成トルクの時間的変動を示す図である。 磁極短縮率Ｋ（図１３参照）＝０．５における各相当たりのトルク、及びそれらを合成した合成トルクの時間的変動を示す図である。 磁極短縮率Ｋ（図１３参照）＝０．８における各相当たりのトルク、及びそれらを合成した合成トルクの時間的変動を示す図である。 磁極短縮率Ｋ（図１３参照）＝０．７における各相当たりのトルク、及びそれらを合成した合成トルクの時間的変動を示す図である。 Ａ相励磁コイルが励磁されているときに各固定子ユニットに作用する力（吸引力）を示す図である。 Ｂ相励磁コイルが励磁されているときに各固定子ユニットに作用する力（吸引力）を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明の実施の一形態に係るスイッチドリラクタンスモータ駆動システムの基本構成は、図１に示すようになっている。図１において、このスイッチドリラクタンスモータ駆動システムは、直流定電源装置１０、電流切換え器２０及びスイッチドリラクタンスモータ３０を有している。直流定電流装置１０は、制御系（図示略）から指令に応じた値の直流定電流を出力する。電流切換え器２０は、後述するように、スイッチドリラクタンスモータ３０の２系統の励磁コイル（固定子側）に直流定電源装置１０からの直流定電流を矩形波形にて交互に切換え供給する。そして、スイッチドリラクタンスモータ３０は、矩形波形で２系統の励磁コイルに所定のタイミングで切換え供給される直流定電流によって、回転軸に固定された回転子が回転するようになっている。以下、本発明の実施の形態に係るスイッチドリラクタンスモータ駆動システムについて詳細に説明する。

スイッチドリラクタンスモータ３０は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように構成される。図２Ａは、スイッチドリラクタンスモータ３０の側方から見た断面構造を示しており、図２ｂは、図２Ａに示すスイッチドリラクタンスモータ３０のＡ−Ａ線での断面構造を示している。

図２Ａ及び図２Ｂにおいて、基台３００に固定された円筒状の外枠３０１の前後端部に円板状の軸受け板３０２、３０３が固定されている。軸受け板３０２、３０３の中心部には回転軸３０６を回転自在に支持する軸受け（ベアリング）３０４、３０５が固定されている。回転軸３０６には、回転子３３が非磁性材料で形成される回転子止め３０７によって固定されている。回転子３３は、積層鋼鈑にて形成された４つの回転子ユニット３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄにて構成され、これら４つの回転子ユニット３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄは非磁性材料で形成されるスペーサによって所定の間隔に保持されつつ回転軸３０６に固定されている。

円筒状の外枠３０１の内周壁には、前述した回転子３３を囲むように固定子３１が非磁性材料で形成される固定子止め３０８によって固定されている。固定子３１は、積層鋼鈑にて形成された４つの固定子ユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄにて構成され、これら４つの固定子ユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、前述した回転子ユニット３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄに対向するように、非磁性材料にて形成されるスペーサによって所定の間隔に保持されつつ円筒状の外枠３０１の内周壁に固定されている。

回転軸３０６の一方の軸受け板３０３から突出する部分に対向するように角度位置検出器３０９が設けられている。この角度位置検出器３０９は、回転する回転軸３０６の回転角度位置を検出し、検出される回転角度位置に対応した検出信号を出力する。

固定子３１を構成する４つの固定子ユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、図２Ｂに代表して固定子ユニット３１ａについて示すように、周上に等角度間隔にて配列された８個（４ｎ：ｎ＝２）の磁極３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７、３１８を有している。それらの磁極３１１〜３１８には、励磁コイル３２１、３２２、３２３、３２４、３２５、３２６、３２７、３２８が巻かれている。固定子ユニット３１ａ（３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）の８磁極３１１〜３１８のうちの１つおきの磁極３１１、３１３、３１５、３１７に巻かれた４つの励磁コイル３２１、３２３、３２５、３２７は直列に接続されて、Ａ相励磁コイル３２ａ（Ａ）（３２ｂ（Ａ）、３２ｃ（Ａ）、３２ｄ（Ａ））（第１の励磁コイル）として構成される。残りの磁極３１２、３１４、３１６、３１８に巻かれた４つの励磁コイル３２２、３２４、３２６、３２８もまた直列接続されて、Ｂ相励磁コイル３２ａ（Ｂ）（３２ｂ（Ｂ）、３２ｃ（Ｂ）、３２ｄ（Ｂ））（第２の励磁コイル）として構成される。

Ａ相励磁コイル３２ａ（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２ａ（Ｂ）はそれぞれ入出力端子を有し、その巻き方向については、後述する（なお、Ａ相励磁コイル３２ａ（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２ａ（Ｂ）のそれぞれを構成する４つの励磁コイルの接続は、電磁力学的に全く条件が同じであれば並列接続であってもよい）。

このように、前述したスイッチドリラクタンスモータ３０の構造では、固定子３１の各固定子ユニット３１ａ〜３１ｄの磁極数が８個で、固定子ユニット３１ａ〜３１ｄが４個重ねられているので、このような構造を、「８極４重相」の構造ということにする。

回転子３３を構成する４つの回転子ユニット３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄは、図２Ｂに代表して回転子ユニット３３ａについて示すように、円周上に等角度間隔にて配列された、各固定子ユニットの磁極数の半分の数となる、４個（２ｎ：ｎ＝２）の凸極３３１、３３２、３３３、３３４を有している。固定子３１と回転子３３との配置関係は、各固定子ユニット３１ａ〜３１ｄの磁極３１１〜３１８の先端部と各回転子ユニット３３ａ〜３３ｄの凸極３３１〜３３４の先端との間に所定のギャップ（磁気ギャップ）が形成される配置関係となっている。

４つの固定子ユニット３１ａ〜３１ｄと４つの回転子ユニット３３ａ〜３３ｄとの配置関係は、例えば、図３Ａ〜図３Ｄに示すようになっている。

回転軸３０６（回転子３３）が、ある角度位置（例えば、基準角度位置）にあるときに、固定子ユニット３１ａは、図３Ａに示すように、磁極３１１が回転子ユニット３３ａの凸極３３１に対向する位置にあり、次の固定子ユニット３１ｂは、図３Ｂに示すように、図３Ａに示す位置から、１磁極角度ピッチ４５度（電気角１８０度）の凸極の数（＝４）分の１の角度＝１１．２５度だけ回転方向にずれた位置にあり、その次の固定子ユニット３１ｃは、図３Ｃに示すように、図３Ａに示す位置から、前記角度（＝１１．２５度）の２倍の角度（＝２２．５度）だけ回転方向にずれた位置にあり、更に次の固定子ユニット３１ｄは、図３Ｄに示すように、図３Ａに示す位置から、前記角度（＝１１．２５度）の３倍の角度（３３．７５度）だけ回転方向にずれた位置にある。このように、回転子３３を構成する４つの回転子ユニット３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｃは、回転軸３０６に対して同じ角度関係にて固定される一方、固定子３１を構成する４つの固定子ユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、対応する回転子ユニット３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｃに対して回転方向に所定角度（＝１１．２５度）ずつずれた位置に配置されている。

また、４つの固定子ユニット３１ａ〜３１ｂと４つの回転子ユニット３３ａ〜３３ｄとの配置関係を、例えば、図４Ａ〜図４Ｄに示すように設定することも可能である。

この場合、回転軸３０６（回転子３３）が、ある角度位置（例えば、基準角度位置）にあるときに、回転子ユニット３３ａは、図４Ａに示すように、凸極磁極３３１が固定子ユニット３１ａの磁極３１１に対向する位置にあり、次の回転子ユニット３３ｂは、図４Ｂに示すように、図４Ａに示す位置から、１磁極角度ピッチ４５度（電気角１８０度）の凸極の数（＝４）分の１の角度＝１１．２５度だけ回転方向と逆方向にずれた位置にあり、その次の回転子ユニット３３ｃは、図４Ｃに示すように、図４Ａに示す位置から、前記角度（＝１１．２５度）の２倍の角度（＝２２．５度）だけ回転方向と逆方向にずれた位置にあり、更に次の回転子ユニット３３ｄは、図４Ｄに示すように、図４Ａに示す位置から、前記角度（＝１１．２５度）の３倍の角度（３３．７５度）だけ回転方向と逆方向にずれた位置にある。このように、固定子３１を構成する４つの固定子ユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｃは、回転軸３０６に対して同じ角度関係にて配置される一方、回転子３３を構成する４つの回転子ユニット３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄは、対応する固定子ユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｃに対して回転方向と逆方向に所定角度（＝１１．２５度）ずつずれた位置に配置されている。

固定子３１における各固定子ユニット３１ａ〜３１ｄの８個の磁極３１１〜３１８に巻回されるＡ相励磁コイル３２ａ（Ａ）とＢ相励磁コイル３２ｂ（Ａ）の巻き方向について図５を参照して説明する。

各固定子ユニット３１ａ〜３１ｄの８個の磁極３１１〜３１８の１つおきの磁極３１１、３１３、３１５、３１７に巻かれるＡ相励磁コイル３２ａ（Ａ）（３２ｂ（Ａ）、３２ｃ（Ａ）、３２ｄ（Ａ））の入力端子から出力端子に電流を流したときに、例えば、対向する磁極３１１及び磁極３１５に外側から内側に向かう磁束が生成されるとともに、対向する磁極３１３及び磁極３１７に内側から外側に向かう磁束が生成されるように、４つの磁気回路（図５における破線矢印参照）が形成される。このような４つの磁気回路が形成されるようにＡ相励磁コイル３２ａ（Ａ）（３２ｂ（Ａ）、３２ｃ（Ａ）、３２ｄ（Ａ））の巻き方向が設定される。

また、各固定子ユニット３１ａ〜３１ｄの８個の磁極３１１〜３１８の１つおきの磁極３１２、３１４、３１６、３１８に巻かれるＢ相励磁コイル３２ａ（Ｂ）（３２ｂ（Ｂ）、３２ｃ（Ｂ）、３２ｄ（Ｂ））は、入力端子から出力端子に電流を流したときに、例えば、対向する磁極３１２及び磁極３１６に外側から内側に向かう磁束を生成するとともに、対向する磁極３１４及び磁極３１８に内側から外側に向かう磁束を生成する。このような４つの磁気回路（図５における破線矢印産初う）が形成されるように、Ｂ相励磁コイル３２ａ（Ｂ）（３２ｂ（Ｂ）、３２ｃ（Ｂ）、３２ｄ（Ｂ））の巻き方向が設定される。

本実施の形態に係るスイッチドリラクタンスモータ３０は、前述したように、２相の励磁コイル（Ａ相励磁コイル及びＢ相励磁コイル）が４個の固定子ユニット３１ａ〜３１ｄに対して合計４組（４重相）設けられた構造となる。

電流切換え器２０は、例えば、図６に示すように構成される。

図６に示す電流切換え器２０は、スイッチドリラクタンスモータ３０における固定子３１を構成する４つの固定子ユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに対応して設けられた４つの定電流フリップフリップ回路（電流路切換え回路）２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを有している。固定子ユニット３１ａに対応した第１定電流フリップフロップ回路２０ａは、第１スイッチング素子２１１ａ（半導体スイッチ）及びダイオード２１２ａ、２１３ａを含む第１電流路２１０ａと、第２スイッチング素子２２１ａ（半導体スイッチ）及びダイオード２２２ａ、２２３ａを含む第２電流路２２０ａとを有している。そして、第１電流路２１０ａと固定子ユニット３１ａのＡ相励磁コイル３２ａ（Ａ）とが直列接続され、第２電流路２２０ａと固定子ユニット３１ａのＢ相励磁コイル３２ａ（Ｂ）とが直列接続されている。また、第１電流路２１０ａの２つのダイオード２１２ａ、２１３ａの接続点と、第２電流路２２０ａの２つのダイオード２２２ａ、２２３ａの接続点との間に後述する転流のための回路要素であるコンデンサ２３０ａが接続されている。

固定子ユニット３１ｂに対応した第２定電流フリップフロップ回路２０ｂも、第１定電流フリップフロップ回路２０ａと同様に、第１スイッチング素子２１１ｂ及びダイオード２１２ｂ，２１３ｂを含む第１電流路２１０ｂと、第２スイッチング素子２２１ｂ及びダイオード２２２ｂ、２２３ｂを含む第２電流路２２０ｂとを有し、これら第１電流路２１０ｂ及び第２電流路２２０ｂに固定子ユニット３１ｂのＡ相励磁コイル３２ｂ（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２ｂ（Ｂ）が直列的にそれぞれ接続されている。更に、固定子ユニット３１ｃ及び固定子ユニット３１ｄに対応した第３定電流フリップフロップ回路２０ｃ及び第４定電流フリップフロップ回路２０ｄも、第１定電流フリップフロップ回路２０ａ及び第２定電流フリップフロップ回路２０ｂと同様に、第１スイッチング素子２１１ｃ、２１１ｄ及びダイオード２１２ｃ、２１３ｃ、２１２ｄ、２１３ｄを含む第１電流路２１０ｃ、２１０ｄと、第２スイッチング素子２２１ｃ、２２１ｄ及びダイオード２２２ｃ、２２３ｃ、２２２ｄ、２２３ｄを含む第２電流路２２０ｃ、２２０ｄとを有し、これら第１電流路２１０ｃ、２１０ｄ及び第２電流路２２０ｃ、２２０ｄに固定子ユニット３１ｃ、３１ｄのＡ相励磁コイル３２ｃ（Ａ）、３２ｄ（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２ｃ（Ｂ）、３２ｄ（Ｂ）が直列的にそれぞれ接続されている。

また、各定電流フリップフロップ回路２０ｂ（２０ｃ、２０ｄ）において、第１定電流フリップフロップ回路２０ａと同様に、第１電流路２１０ｂ（２１０ｃ、２１０ｄ）の２つのダイオード２１２ｂ、２１３ｂ｛（２１２ｃ、２１３ｃ）、（２１２ｄ、２１３ｄ）｝の接続点と、第２電流路２２０ｂ（２２０ｃ、２２０ｄ）の２つのダイオード２２２ｂ、２２３ｂ｛（２２２ｃ、２２３ｃ）、（２２２ｄ、２２３ｄ）｝の接続点との間に転流のための回路要素であるコンデンサ２３０ｂ、（２３０ｃ、２３０ｄ）が接続されている。

初段に位置する第１定電流フリップフロップ回路２０ａの第１スイッチング素子２１１ａと第２スイッチング素子２２１ａとが直流定電流電源装置１０の一方の出力端子Ｔ１に接続されている。また、第１定電流フリップフロップ２０ａの第１電流路２１０ａ及び第２電流路２２０ａに接続される固定子ユニット３１ａのＡ相励磁コイル３２ａ（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２ａ（Ｂ）が、接続点Ｔ２を介して次段の第２定電流フリップフロップ回路２０ｂの第１スイッチング素子２１１ｂ及び第２スイッチング素子２２１ｂに接続されている。第２定電流フリップフロップ２０ｂの第１電流路２１０ｂ及び第２電流路２２０ｂに接続される固定子ユニット３１ｂのＡ相励磁コイル３２ｂ（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２ｂ（Ｂ）が、接続点Ｔ３を介して次段の第３定電流フリップフロップ回路２０ｃの第１スイッチング素子２１１ｃ及び第２スイッチング素子２２１ｃに接続され、第３定電流フリップフロップ回路２０ｃの第１電流路２１０ｃ及び第２電流路２２０ｃに接続される固定子ユニット３１ｃのＡ相励磁コイル３２ｃ（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２ｃ（Ｂ）が、接続点Ｔ４を介して最終段の第４定電流フリップフロップ回路２０ｄの第１スイッチング素子２１０ｄ及び第２スイッチング素子２２０ｄに接続されている。更に、第４定電流フリップフロップ回路２０ｄの第１電流路２１０ｄ及び第２電流路２２０ｄに接続される固定子ユニット３１ｄのＡ相励磁コイル３２ｄ（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２ｄ（Ｂ）が、直流定電流電源装置１０の他方の出力端子Ｔ５に接続されている。

直流定電流電源装置１０は、電流切換え器２０に表れる負荷起電力の正・負、大・小に依存することなく、指令された定電流設定値に対応した一定の値の直流電流を一定の向きに（出力端子Ｔ１から）出力するように構成されている。そして、上述した構成の電流切換え器２０では、直流定電流電源装置１０の出力端子Ｔ１から出力される直流定電流が、第１定電流フリップフロップ２０回路ａ、固定子ユニット３１ａのＡ相励磁コイル３２ａ（Ａ）またはＢ相励磁コイル３２ａ（Ｂ）、接続点Ｔ２、第２定電流フリップフロップ回路２０ｂ、固定子ユニット３１ｂのＡ相励磁コイル３２ｂ（Ａ）またはＢ相励磁コイル３２ｂ（Ｂ）、接続点Ｔ３、第３定電流フリップフロップ回路２０ｃ、固定子ユニット３１ｃのＡ相励磁コイル３２ｃ（Ａ）またはＢ相励磁コイル３２ｃ（Ｂ）、接続点Ｔ４、第４定電流フリップフロップ回路２０ｄ、及び固定子ユニット３１ｄのＡ相励磁コイル３２ｄ（Ａ）またはＢ相励磁コイル３２ｄ（Ｂ）を介して直流定電流電源装置１０の出力端子Ｔ５に帰還するようになっている。

フリップフロップ制御回路６１（切換え制御手段）は、角度位置検出器３０９からの検出信号に基づいた回転軸３０６（回転子３３）の固定子ユニット３１ａに対する相対的な角度位置を表す角度位置情報に基づいて、第１定電流フリップフロップ２０ａ内の第１スイッチング素子２１１ａ及び第２スイッチング素子２２１ａをオン、オフさせるための動作信号を出力し、角度位置検出器３０９からの検出信号に基づいた回転子３３の固定子ユニット３１ｂに対する相対的な角度位置を表す角度位置情報に基づいて、第２定電流フリップフロップ２０ｂ内の第１スイッチング素子２１１ｂ及び第２スイッチング素子２２１ｂをオン、オフさせるための動作信号を出力する。また、フリップフロップ制御回路６１は、角度位置検出器３０９からの検出信号に基づいた回転子３３の固定子部分３１ｃに対する相対的な角度位置を表す角度位置情報に基づいて、第３定電流フリップフロップ２０ｃ内の第１スイッチング素子２１１ｃ及び第２スイッチング素子２２１ｃをオン、オフさせるための動作信号を出力し、角度位置検出器３０９からの検出信号に基づいた回転子３３の固定子ユニット３１ｄに対する相対的な角度位置を表す角度位置情報に基づいて、第４定電流フリップフロップ２０ｄ内の第１スイッチング素子２１１ｄ及び第２スイッチング素子２２１ｄをオン、オフさせるための動作信号を出力する。また、フリップフロップ制御回路６１は、他の制御系（図示略）からの制動指令を入力すると、動作信号の出力タイミングを、駆動時の出力タイミングから回転子３３が電気角１８０°に対応する角度を回転する時間だけずらす。

スイッチドリラクタンスモータ３０の駆動時には、フリップフロップ制御回路６１（切換え制御手段）の制御により、図７Ａに示すように、第１定電流フリップフロップ回路２０ａの第１スイッチング素子２１１ａ及び第２スイッチング素子２２１ａのオン・オフ動作、第２定電流フリップフロップ回路２０ｂの第１スイッチング素子２１１ｂ及び第２スイッチング素子２２１ｂのオン・オフ動作、第３定電流フリップフロップ回路２０ｃの第１スイッチング素子２１１ｃ及び第２スイッチング素子２２１ｃのオン・オフ動作、及び第４定電流フリップフロップ回路２０ｄの第１スイッチング素子２１１ｄ及び第２スイッチング素子２２１ｄのオン・オフ動作が、順次１８０度／４＝４５度（電気角）の位相差をもって繰り返し行われる。また、スイッチドリラクタンスモータ３０の制動時には、フリップフロップ制御回路６１（切換え制御手段）の制御により、図７Ｂに示すように、各定電流フリップフロップ回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの第１スイッチング素子２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄ及び第２スイッチング素子２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄのオン・オフ動作が駆動時のタイミングから全体として１８０度（電気角）位相シフトされた状態で、順次１８０度／４＝４５度（電気角）の位相差をもって繰り返し行われる。

図８及び図９を参照して、電流切換え器２０における各定電流フリップフロップ回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄでの転流動作を説明する。なお、電流切換え器２０は、４つの定電流フリップフロップ回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを有するが、それぞれでの転流動作は、そのタイミングが１８０度／４（電気角）の位相差だけずれていること以外は同じであるため、図８では、直流定電流電源装置１０とともに、直流定電流電源装置１０から直流定電流の供給される１つの定電流フリップフロップ回路だけが示されている。図８に示す１つの定電流フリップフロップ回路で代表される各定電流フリップフロップ回路２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄでの転流動作は全て同じである。

図９（ａ）は、図８における定電流フリップフロップに接続されるＡ相励磁コイル３２（Ａ）の電流がオンしてから、オフになるまでの期間の電流波形を示す。図９（ｂ）は、Ｂ相励磁コイル３２（Ｂ）の電流がオフしてから、次にオンするまでの期間の電流波形を示す。図９（ｃ）は、Ａ相励磁コイル３２（Ａ）の電流がオフするとともに、Ｂ相励磁コイル３２（Ｂ）の電流がオンする電流切換え過渡期間中においてコンデンサ２３０、ダイオード２１３、Ａ相励磁コイル３２（Ａ）、Ｂ相励磁コイル３２（Ｂ）、及びダイオード２２３を循環する電流ｉの波形を示す。なお、この循環電流ｉは、ダイオード２２３を逆向きに流れるように示されているが、ダイオード２２３を流れる逆流定電流と相殺されるため、実際にはダイオード２２３には順方向電流しか存在しない。図９（ｄ）は、上記循環電流ｉによるコンデンサ２３０の充電電圧波形を示す。図９（ｄ）において、コンデンサ２３０の極性は、転流期間終了後に、逆向きに反転する。コンデンサ２３０の充電電圧は、ダイオード２１２、２１３、２２２、２２３によって放電することなく、次の転流まで保持される。

Ａ励磁コイル３２（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２（Ｂ）を流れる電流のオン・オフ動作の周期は図９（ａ）に示すように、矩形波基本周波数ｆで行なわれる。また、そのオン・オフ動作の立上り、立下りは、図９（ａ）において点線で示す転流等価周波数ｆ₀で行なわれる。矩形波基本周波数ｆは、スイッチドリラクタンスモータ３０（図２Ａ、図２Ｂ参照）における励磁コイル極数Ｐと回転速度Ｎ（毎秒）に依存し、
ｆ＝Ｐ／２×Ｎ ・・・（１）
にて表される。転流等価周波数ｆ₀は定電流フリップフロップ（電流切換え回路）における電流切換の速さに依存した概念であって、ｆ＜ｆ₀の範囲で後述するように適値が選択される。

コンデンサ２３０に生じる電圧は、直流定電流値をピーク値とした転流等価周波数ｆ₀の正弦波電流によるＡ励磁コイル３２（Ａ）のリアクタンス電圧降下分として算出でき、コンデンサ電圧Ｅ_sは、
Ｅ_s ＝２πｆ₀ＬＩ ・・・（２）
にて表される。但し、ＬはＡ相励磁コイル３２（Ａ）（Ｂ相励磁コイル３２（Ｂ））のリアクタンスである。上記リアクタンスＬは、Ａ励磁コイル３２（Ａ）のリアクタンスとＢ相励磁コイル３２（Ｂ）のリアクタンスの和であるが、磁極と凸極が対向していない部分では、事実上空心コイルとなるので所定の空隙長で対向した磁極１個分を考えればよい。

図１０Ａ〜図１０Ｃ及び図１１を参照して、駆動トルクについて説明する。回転子３３の回転は各図において右回りを基準にしている。なお、図１０Ａ〜図１０Ｃは、固定子ユニット３１ａとそれに対応する回転子ユニット３３ａとの関係について示しているが、他の固定子ユニット３１ｂ、３１ｃ、３１ｄとそれに対応する回転子ユニット３３ｂ、３３ｃ、３３ｄとの関係も同じである。

図１０Ａは、回転子ユニット３３ａの凸極３３１の回転方向先端Ｐが、固定子ユニット３１ａの磁極３１１の上流側端点Ｑ₁に近接した状態を示し、図１０Ｂは、回転子ユニット３３ａの凸極３３１の回転方向先端Ｐが固定子ユニット３１ａの磁極３１１の下流側端点Ｑ２に近接した状態を示し、図１０Ｃは、回転子ユニット３３ａの凸極３３１の回転方向先端Ｐが固定子ユニット３１ａの磁極３１１の隣の磁極３１２の上流側端点Ｑ₃に近接した状態を示している。励磁コイル３２１（Ａ相励磁コイル３２（Ａ））による磁極３１１の励磁と、励磁コイル３２２（Ｂ相励磁コイル３２（Ｂ））による磁極３１２の励磁の切換りによって、図１０Ａ〜図１０Ｃに示す順番で、回転子ユニット３３ａが、固定子ユニット３１ａの１極ピッチ分だけ回転する。

Ａ相励磁コイル３２（Ａ）及びＢ相励磁コイル３２（Ｂ）には、定電流フリップフロップ回路における第１スイッチング素子２１１と第２スイッチング素子２２１のオン・オフの交互の切換えによって、図１１に示すような矩形波直流定電流が交互に流れる。

具体的には、図１０Ａに示すように回転子ユニット３３ａにおける凸極３３１の回転方向先端Ｐと固定子ユニット３１ａにおける磁極３１１の上流側端点Ｑ₁が対向した位置にでは、励磁コイルに対する電流が、Ａ相側に転流して該転流が完了し（図１１における時刻ｔ１参照）、次いで、図１０Ｂに示すように凸極３３１の回転方向先端Ｐと磁極３１１の下流側端点Ｑ₂とが対向した位置では、励磁コイルに対する電流が、Ｂ相側への転流を開始し（図１１における時刻ｔ２参照）、更に、図１０Ｃに示すように凸極３１１の回転方向先端Ｐと次の磁極３１２の上流側端点Ｑ₃が対向した位置では、前記Ｂ相側への転流が完了する（図１１における時刻ｔ３参照）ように、定電流フリップフロップ回路における第１スイッチング素子２１１と第２スイッチング素子２２１のオン・オフの切換えがなされるようになっている。

これにより、図１０Ａに示す状態から図１０Ｂに示す状態に遷移する期間では、励磁コイル３２１（Ａ相励磁コイル３２（Ａ））によって励磁された磁極３１１から及ぶ力によって回転子ユニット３１ａの凸極３３１が吸引され、順方向にトルクを生じる。そして、図１０Ｂに示す状態から図１０Ｃに示す状態に遷移する期間では、励磁コイル３２１（Ａ相励磁コイル３２（Ａ））の電流は減少し、励磁コイル３２２（Ｂ相励磁コイル３２（Ｂ））の電流が増大する転流期間になる。回転子ユニット３１ａの各凸極の回転方向の幅は、固定子ユニット３３ａの各磁極の幅より大きく設定されており、励磁極の幅全体が凸極に対向した状態が維持されるので、図１０Ｂに示す状態から図１０Ｃに示す状態に遷移する期間（転流期間）では、Ａ相励磁コイル３２（Ａ）の残存電流による反抗トルクが生じない。また、Ｂ相励磁コイル３２（Ｂ）（励磁コイル３２２）の立ち上がりつつある電流による吸引力は、近傍に回転子ユニット３３ａの他の凸極が対向していないので、回転子ユニット３３ａの回転に悪影響を及ぼさない。

このようにして、図１０Ａの状態から図１０Ｂに示す状態に遷移する期間では、設定された最高電流がＡ相励磁コイル３２（Ａ）（励磁コイル３２１）に流れて、有効なトルクを生じる。この有効なトルクは、励磁電流がＢ相励磁コイル３２（Ｂ）（励磁コイル３２２）に切り換えられた状態でも生じる。回転子ユニット３３ａにおける各凸極のＰ点が磁極のＱ₁点からＱ₃点に移動する期間のうち、Ｑ₁点からＱ₂点に移動する期間に、トルク及び負荷起電力が生ずる。磁極短縮率Ｋが、
（Ｑ１〜Ｑ２間の角度）／（Ｑ１〜Ｑ３間の角度）＝Ｋ ・・・（３）
に従って定義される。

なお、スイッチドリラクタンスモータ３０全体としてのトルク及び起電力は、前述したように見積もられるトルク及び起電力に、各回転子ユニットにおける凸極の総数４と、重相数（回転子ユニット及び固定子ユニットそれぞれの数）４とを乗じた値となる。

図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して、回生動トルクの発生について説明する。なお、図１２Ａ〜図１２Ｃは、固定子ユニット３１ａとそれに対応する回転子ユニット３３ａとの関係について示しているが、他の固定子ユニット３１ｂ、３１ｃ、３１ｄとそれに対応する回転子ユニット３３ｂ、３３ｃ、３３ｄとの関係も同じである。

図１２Ａは、回転子ユニット３３ａの凸極３３１の回転方向後端Ｐが、固定子ユニット３１ａの磁極３１１の上流側端点Ｑ₁に近接した状態を示し、図１２Ｂは、回転子ユニット３３ａの凸極３３１の回転方向後端Ｐが、固定子ユニット３１ａの磁極３１１の下流側端点Ｑ₂に近接した状態を示し、図１２Ｃは、回転子ユニット３３ａの凸極３３１の回転方向後端Ｐが、固定子ユニット３１ａの磁極３１１のとなりの磁極３１２の上流側端点Ｑ₃に近接した状態を示している。図１２Ａ〜図１２Ｃに示す回転子ユニット３３ａの角度位置は、図１０Ａ〜図１０Ｃに示すものと比べて、それぞれ、凸極の幅の分、即ち、３６０度／８（幾何角）、１８０度（電気角）遅れたものとなっている。

図１２Ａに示すように回転子ユニット３３ａにおける凸極３３１の回転方向後端Ｐと固定子ユニット３１ａにおける磁極３１１の上流側端点Ｑ₁とが対向した位置では、励磁コイルに対する電流が、Ａ相側に転流して該転流が完了し（図１１における時刻ｔ１参照）、次いで、図１２Ｂに示すように凸極３３１の回転方向後端Ｐと磁極３１１の下流側端点Ｑ₂とが対向した位置では、励磁コイルに対する電流が、Ｂ相側への転流を開始し（図１１における時刻ｔ２参照）、更に、図１２Ｃに示すように凸極３１１の回転方向後端Ｐと次の磁極３１２の上流側端点Ｑ₃が対向した位置では、前記Ｂ相側への転流が完了する（図１１における時刻ｔ３参照）ように、定電流フリップフロップ回路における第１スイッチング素子２１１と第２スイッチング素子２２１のオン・オフの切換えがなされるようになっている。

これにより、図１２Ａに示す状態から図１２Ｂに示す状態に遷移する期間では、励磁コイル３２１（Ａ相励磁コイル３２（Ａ））によって励磁された磁極３１１の吸引力によって、回転子ユニット３１ａの凸極３３１が回転方向と逆方向に引かれて回転子ユニット３１ａには回転に抗する制動力が作用する。そして、図１２Ｂに示す状態から図１２Ｃに示す状態に遷移する期間では、励磁電流のＡ相励磁コイル３２（Ａ）からＢ相励磁コイル３２（Ｂ）への転流がなされるが、前述したのと同様（図１０Ｂに示す状態から図１０Ｃに示す状態に遷移する期間での動作参照）に、凸極の幅が磁極の幅より大きいことから、前記制動を妨げる作用は生じない。

図１３を参照して、各励磁コイルのアンペアターン（起磁力）について説明する。

固定子ユニット３１ａ（３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）には、Ａ相励磁コイル３２（Ａ）としての励磁コイル（３２１等）が巻回された磁極（３１１等）と、Ｂ相励磁コイル３２（Ｂ）としての励磁コイル（３２２等）が巻回された磁極（３１２等）とが１つおきに配列されている。同相の磁極間には図５に示すように８つの磁気回路が形成される。図１３では、上記８つの磁気回路のうちの１つの磁気回路が破線矢印によって示されている。各磁気回路には、２つの励磁コイルと２つの空隙ｇが含まれている。鉄心の磁束密度は飽和領域以下であれば、鉄心の磁気抵抗は空隙の磁気抵抗に比して無視でき、１つの励磁コイルのアンペアターンと１つの空隙が対応すると考えればよい。電磁気学の一般理論により、アンペアターン（ＩＮ）は、
ＩＮ（ＡＴ）＝Ｂ・ｇ／μ₀≒Ｂ・ｇ×８００，０００ ・・・（４）
Ｉ：励磁コイル電流（Ａ）
Ｎ：励磁コイルターン数
Ｂ：空隙磁束密度（Ｔ）
ｇ：空隙長（ｍ）
で表される。

通常の鉄心（珪素鋼板）では磁気飽和しない上限の磁束密度は、１．６Ｔ程度と考えられ、モータの小型、軽量に重点をおく場合は、大略これを基準にして励磁コイルが設計できる。ただし、小容量のモータでは上記Ｂは、これ以下で設計することもできる。

また、図１３を参照して、磁極の幅、凸極の幅及びヨーク幅について説明する。

回転子ユニット３３ａの凸極の幅Ｌ（円弧長）は、
Ｌ＝２πR／８（磁極数） （ｍ）・・・・・（５）
を基準に設定される。但し、Ｒは回転子ユニット３３ａの凸極の先端での半径（ｍ）である。

固定子ユニット３１ａの磁極の幅Ｌ’（円弧長）は、
Ｌ’＝ＫＬ ・・・・・（６）
を基準に設定される。但し、Ｋは磁極中短縮率であり、Ｋ＜１を基準に選択される。この磁極幅短縮率Ｋは、後述するよう、トルク脈動率、励磁コイル占有率に重要な関係がある。

ヨークの幅Ｗ（固定子ユニットの円筒部分の厚さ）は、
Ｗ＝Ｌ’／２ ・・・・・（７）
に設定することができる。磁極を通る磁束の１／２が左右のヨークに分かれるためである。

図１４及び図１５を参照して、駆動状態における励磁コイルの起電力について説明する。

図１４は、駆動状態における回転子ユニットの凸極３３１の回転方向の角度位置に対する空隙磁束の分布状況を示したものである。図１４（ｉ）は回転子ユニットの凸極３１１の回転方向先端Ｐが固定子ユニットの磁極３１１の上流側端点Ｑ₁と近接した瞬間、同図（ｉｉ）は同じ先端Ｐが磁極３１１の略中央点Ｑ₂と近接した瞬間、同図（ii）は同じ先端Ｐが磁極３１１の下流側端端Ｑ₃に近接した瞬間、同図（iv）は同じ先端Ｐが回転方向隣の磁極３１２の上流側端点Ｑ₄に近接した瞬間をそれぞれ示す。図１４（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）に表示した空隙部の矢印は、空隙に生ずる磁束を表す。議論の単純化のため、漏れ磁束はないと仮定すると、回転子ユニットの凸極３３１と固定子ユニットの磁極３１１が対向している部分の空隙磁束密度は前述した（４）式による値となる。凸極３３１の磁極が対向していない部分は、空隙長無限大で空隙磁束密度は０となる。

図１５は、固定子ユニットの励磁磁極の磁束と磁束変化による起電力を説明するための図である。図１５（ａ）は、図１４における磁束の変化を描いた図である。横軸は回転方向角度位置を表わし、（≡）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）の角度位置は、図１４（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）で示す状態の角度位置に対応させている。回転子３１が等しい角速度で回転している場合は、図１５の横軸は時間軸と同じ概念と見てもよい。励磁磁極の磁束は、時刻（ｉ）を０起点として時刻（ｉｉ）、時刻（ｉｉｉ）の過程で直線的に増大して、最大磁束ヤｍは、
ヤｍ＝ＢＬ’ａ〔ウェーバ〕・・・・・（８）
となる。但し、Ｂは（４）式で計算される磁束密度〔Ｔ〕、ａは磁極厚さ（ｍ）である。図１５における時刻（ｉｉｉ）と（ｉｖ）との間では磁束は一定になる。

励磁磁極を通る磁束ヤが時間的に変化すると当該励磁コイルにはファラデーの法則によって起電力ｅ_aが生じる。図１５（ｂ）は起電力を表わす。ｅ_aは次の（９）式により算出できる。
ｅ_a＝Ｎ・ｄヤ／ｄｔ＝Ｎ・ヤｍ／Ｔ ・・・・・（９）
但し、Ｎは励磁コイルターン数、Ｔは図１４における（ｉ）に示す状態から（ｉｉｉ）に示す状態に遷移する間の時間〔秒〕である。起電力の極性は磁束の増大を妨げる方向、即ち、励磁コイルの入口側に正の極性となる。

回転子ユニット３３の凸極３３１は、図１４から分かるように、固定子ユニット３１の磁極３１１に吸引されて右回りのトルクが生じる。起電力ｅ_aと励磁電流ＩはＴ期間一定、即ち、供給電力はＴ期間一定のため、発生するトルクはＴ期間一定になる。図１５（ｃ）はトルクを表わす。［供給電力］＝［機械トルク出力］として、
ｅ_a×Ｉ×Ｔ［Ｊ］＝２πＮτＴ［Ｊ］・・・・・（１０）
の関係が成り立つ。但し、Ｎは回転子の秒速回転速度、τはトルク［−Ｎ・ｍ］である。

これより、トルクτは、
τ＝ｅ_a・Ｉ／２πＮ ［−Ｎ・ｍ］ ・・・・・（１１）
となり、磁極短縮率Ｋを考慮した平均起電力ｅ_a’、及び平均トルクτ’は、
ｅ_a’＝ｋｅ_a ・・・・・（１２）
τ’＝ｋτ ・・・・・（１３）
に従って算出することができる。

図１６は、回生制動状態における回転子ユニットの凸極の回転方向の角度位置に対する空隙磁束の分布状態を示したものである。前述した図１４では、回転子ユニット３３の凸極３３１の回転方向先端Ｐの固定磁極の各点Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃、Ｑ₄に対する位置関係が示されていたが、図１６では、凸極３３１の回転方向後端Ｐ点と固定磁極の各点Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃、Ｑ_4との位置関係に変えられている。即ち、図１６は、図１４と対比して、回転子ユニット３３の凸極３３１の幅の円弧長分（電気角１８０度）回転方向に対して遅れた状態を示す。図１７（ａ）は、Ａ相の励磁磁極の磁束の変化、図１７（ｂ）はＡ相励磁コイルの起電力、図１７（ｃ）は回転子ユニット３３の凸極３３１に生じる制動力を表わす。起電力ｅ_aの値は、前記（９）式と同じ値であり、その極性は磁束の減少を妨げる方向で、励磁コイルの電流入口側が「負」である。制動力の値は前記（１１）式の駆動トルクと同じである。

本実施の形態に係るスイッチドリラクタンスモータ３０では、図２Ａ及び図２Ｂに示すように８極４重相構造であるので、前述した１凸極当たりの起電力ｅ_a’及びトルクτ’は、1回転子ユニットあたりそれぞれ４倍となり、４重相当たり更に４倍となって、計、１６倍となる。従って、モータ全体での出力及びトルクは、
出力＝１６・ｅ_a・Ｉ・Ｋ ・・・・（１４）
トルク＝１６｛ｅ_a・Ｉ／２πＮ｝・Ｋ （ ＝出力／２πＮ） ・・・・（１５）
となる。

図１８Ａ〜図１８Ｃを参照して、本実施の形態に係るスイッチドリラクタンスモータ駆動システムにおける速度起電力と電気エネルギーの供給及び回生について説明する。

図１８Ａ〜図１８Ｃは、スイッチドリラクタンスモータ３０における回転子３３の回転にともなって誘起される速度起電力に対応して行われる直流定電流電源装置１０のエネルギー供給及び回生の動作を表している。図１８Ａは、スイッチドリラクタンスモータ３０が駆動している状態、図１８Ｂは、スイッチドリラクタンスモータ３０が回生制動している状態、図１８Ｃは、スイッチドリラクタンスモータ３０の停止する状態をそれぞれ示している。

このモータ駆動システムにおいて、ファラデーの法則、あるいはフレミングの法則によって算出される起電力Ｅａと、そのとき流れる電流（アンペア）との積（ワット）は、正味の動力変換、可逆的な動力変換とみなせる。直流定電流電源装置１０から出力端子Ｔ１を通して出力される直流定電流Ｉがスイッチドリラクタンスモータ３０のＡ相励磁コイル３２（Ａ）またはＢ相励磁コイル３２（Ｂ）を通って出力端子Ｔ５に帰還する。

スイッチドリラクタンスモータ３０が駆動している状態では、図１８Ａに示すようにスイッチドリラクタンスモータ３０において正の起電力Ｅａが発生しており、Ｅａ⁺×Ｉの電力（ワット）と、抵抗ＲのＡ相励磁コイル３２（Ａ）またはＢ相励磁コイル３２（Ｂ）を通る電流ＩによってＩ²×Ｒの電力（ワット）が直流定電流電源装置１０から供給される。この場合、Ｅａ⁺×Ｉの電力（ワット）が機械的な出力となり、Ｉ²Ｒの電力（ワット）が損失分となる。スイッチドリラクタンスモータ３０の制動時には、図１８Ｂに示すように、スイッチドリラクタンスモータ３０において負の起電力Ｅａが発生し、機械的動力が、Ｅａ^-×Ｉの電力（ワット）及びＩ²Ｒの電力に変換される。そして、Ｉ²Ｒの電力（ワット）が損失分となる一方、Ｅａ^-×Ｉの電力（ワット）が直流定電流電源装置１０に回収される（回生）。なお、スイッチドリラクタンスモータ３０が停止状態にある場合には、図１８Ｃに示すように、起電力Ｅａの発生はなく、Ａ相励磁コイル３２（Ａ）またはＢ相励磁コイル３２（Ｂ）での損失分であるＩ²Ｒの電力（ワット）だけが直流定電流電源装置１０から供給される。

このように、本実施の形態に係るスイッチドリラクタンスモータ駆動システムでは、駆動と回生制動（速度起電力Ｅａの正負）、回転速度の大小（速度起電力Ｅａの大小）に対して、電流切換え器２０における切換え動作の１８０度（電気角）の位相シフトだけで、特別な制御なしで電力の供給及び回生が自動的に行われるようになる。

次に、図１９Ａ〜図１９Ｄを参照して、８極４重相構造となる本発明の実施の形態に係るスイッチドリラクタンスモータ３０におけるトルク脈動について説明する。

図１９Ａは、磁極短縮率Ｋ＝０．７５における４つの固定子ユニット３１ａ〜３１ｄ及び回転子ユニット３３ａ〜３３ｄに対応した４つの相（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）についてのトルクの状態及びそれらの合成トルクの状態を示している。図１９Ｂは、磁極短縮率Ｋ＝０．５における４つの相（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）についてのトルクあるいは速度起電力（駆動時）の状態及びそれらの合成トルクあるいは合成起電力の状態を示している。このように磁極短縮率Ｋ＝０．７５の場合（図１９Ａ参照）及び磁極短縮率Ｋ＝０．５の場合（図１９Ｂ参照）では、合成トルクあるいは合成起電力には、全く脈動が表れないことが分かる。ただし、合成トルク及び合成起電力の値は、Ｋ＝０．７５の場合は、それぞれ各相のピーク値の３倍であるのに対して、Ｋ＝０．５の場合は、それぞれ各相のピーク値の２倍である。単純にはこの比でモータの出力は小さくなる。但し、後者は磁極巾が小さくなる分、励磁コイルのスペースが広くとれるメリットが生じる。

図１９Ｃは、磁極短縮率Ｋ＝０．７５を基準にして僅かに磁極の幅を広げて磁極短縮率Ｋ＝０．８に設定した場合、図１９Ｄは、磁極短縮率Ｋ＝０．７５を基準にして僅かに磁極の幅を小さくして磁極短縮率Ｋ＝０．７に設定した場合、をそれぞれ示す。いずれの場合にも、合成トルク及び合成起電力には脈動が生じる。なお、８極４重相（図２Ａ、図２Ｂ参照）のスイッチドリラクタンスモータ３０において、回転速度を６０００ｒｐｍに想定すると、脈動周波数は３２００Ｈｚであり、回転速度を２００ｒｐｍ（低速度）に想定すると、脈動周波数は１０７Ｈｚである。脈動分の振幅は、１相（固定子ユニット、回転子ユニット）分のトルク、起電力に等しい。

図２０Ａ及び図２０Ｂを参照して、スイッチドリラクタンスモータ３０の振動及び騒音について説明する。

スイッチドリラクタンスモータ３０では、大きさ、重量の弱点を補う為に鉄心の磁束密度を飽和領域内近くの値で使用することが多い。磁束密度１．６Ｔを想定すると対向磁極１ｃｍ²当たり、１０２Ｎの吸引力が生じる。図２０Ａ及び図２０Ｂは、本発明の実施の形態における８極構成における励磁磁極に働く吸引力を描いたものである。図２０（Ａ）は、Ａ相磁極（Ａ相励磁コイル３２（Ａ）が巻かれた磁極）が励磁された場合、図２０（Ｂ）は、Ｂ相磁極（Ｂ相励磁コイル３２（Ｂ）が巻かれた磁極）が励磁された場合をそれぞれ示す。図２０（Ａ）に示す状態と図２０（Ｂ）に示す状態とが交互に高速に繰り返えされる。この場合、円形の外周鉄心構造（固定子）のため、４方からの均等な力に対しては比較的大きな強度を持ち、方位による振動、騒音は生じ難いと考えられる。

上述したような本発明の実施の形態に係るスイッチドリラクタンスモータ駆動システムによれば、固定子３１を構成する４つの固定子ユニット３１ａ〜３１ｄそれぞれの４個の磁極の１つおきに巻回されたＡ相励磁コイル３２（Ａ）とＢ相励磁コイル３２（Ｂ）とに矩形波直流定電流を各固定子ユニット３１ａ〜３２ｄについ所定のタイミングずつずらしながら切換え供給することにより、回転子３３を構成する４個の回転子ユニット３３ａ〜３３ｄのそれぞれの４個の凸極が対応する固定子ユニット３１ａ〜３１ｄの励磁される磁極に順次吸引されて回転子が回転するようになるので、トルク脈動、振動の少ない効率的な駆動が可能になる。また、固定子３１を構成する４個の固定子ユニット３１ａ〜３１ｄそれぞれの４個の磁極に巻回されたＡ相励磁コイル３２（Ａ）とＢ相励磁コイル３２（Ｂ）とに矩形波の直流定電流を交互に切り換えつつ供給することにより、スイッチドリラクタンスモータ３０を、駆動させることができるとともに、その制動時に、各固定子ユニット３１ａ〜３１ｄの各磁極に巻回されたＡ相励磁コイル３２（Ａ）及びＢ励磁相コイル３２（Ｂ）に供給される直流定電流に重畳する、対応する回転子ユニット３３ａ〜３３ｄの凸極との対向面積の変化に応じた電流を直流定電流電源装置１０に帰還させることができるので、スイッチドリラクタンスモータ３０の駆動とともに回生電を回収することができるようになる。

なお、本実施の形態に係るスイッチドリラクタンスモータ３０は、８極４重相の構造となっていたが、各固定子ユニット３１ａ〜３１の磁極の数として、４、８、１２、１６、２０、・・・の４の倍数の任意の数が選択可能である。また、重相数は２、３、４、・・・の任意の重相数が選択可能である。

但し、磁極の数については、
（ｉ）極数を増すと、同じ出力を生じるための磁極巾が狭くでき、鉄心ヨークに反映して、モータの小型、軽量化に繋がる。
（ｉｉ）上記、最小極数の４極の場合、吸引力は外周鉄心をつぶす様に作用し、振動、騒音の原因になる。

また、重相数については、
（ｉ）重相数を増すと、転流過電圧、高速回転の面で有利である。
（ｉｉ）重相数を増すと、それに対応して電流切換器ユニット数が増し、コスト、半導体損に不利になる。
（ｉｉｉ）重相数１では、始動力ゼロの点が生じる。
上記の点を勘案して磁極の数、重相数を決めることができる。

なお、前述したスイッチドリラクタンスモータ駆動システムは、スイッチドリラクタンスモータ３０の回転軸３０６（回転子３３）を外力（風力等の自然力や他の機関からの駆動力等）によって回転させて電力を回収する発電機システムとして利用することも可能である。

以上、説明したように、本発明に係るスイッチドリラクタンスモータ及びその駆動子システムは、効率的な駆動が可能で、回生電力の回収が可能となるとともに、トルク脈動、振動が少なくすることができるという効果を有し、複数の凸極を有する回転子と、該回転子の外周に配置され、凸部に励磁コイルが巻かれた構造の複数の磁極とを有し、該複数の磁極の励磁コイルに順次電流を供給することにより、前記回転子を回転させるようにしたスイッチドリラクタンスモータ及びその駆動システムとしてとして有用である。

１０ 直流定電流電源装置
２０ 電流切換え器
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 定電流フリップフロップ回路
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ 第１電流路
２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ 第２電流路
２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄ 第１スイッチング素子
２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄ 第２スイッチング素子
２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ ダイオード
２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ，２１３ｄ ダイオード
２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄ コンデンサ
３０ スイッチドリラクタンスモータ
３００ 基台
３０１ 外枠
３０２、３０３ 軸受け板
３０４、３０５ 軸受け
３０６ 回転軸
３０７ 回転子止め
３０８ 固定子止め
３０９ 角度位置検出器
３１ 固定子
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ 固定子ユニット
３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７、３１８ 磁極
３２（Ａ） Ａ相励磁コイル
３２（Ｂ） Ｂ相励磁コイル
３２１、３２２、３２３、３２４、３２５、３２６、３２７、３２８ 励磁コイル
３３ 回転子
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ 回転子ユニット
３３１、３３２、３３３、３３４ 凸極

Claims (7)

1. 回転子と、該回転子を囲むように配置され、励磁コイルの装着された固定子とを有するスイッチドリラクタンスモータであって、
   前記回転子は、回転軸に同軸的に固定された複数の回転子ユニットを有し、
   前記固定子は、前記複数の回転子ユニットに対向するように配置される複数の固定子ユニットを有し、
   前記複数の回転子ユニットのそれぞれは、所定角度間隔にて並ぶ２ｎ（ｎは整数）個の凸極を有し、
   前記複数の固定子ユニットのそれぞれは、対応する回転子ユニットの各凸極との間に所定のギャップが形成されるように所定角度間隔にて並ぶ４ｎ（ｎは整数）個の磁極を有し、
   前記複数の固定子ユニットのそれぞれにおける前記４ｎ個の磁極の１つおきに第１の励磁コイルが巻回されるとともに、前記第１の励磁コイルの巻回された磁極以外の磁極に順次第２の励磁コイルが巻回され、
   前記複数の回転子ユニットと、前記複数の固定子ユニットとの回転方向の相対位置は、所定角度ずれるように設定されているスイッチドリラクタンスモータ。
2. 前記整数ｎは２以上であって、前記複数の回転子ユニットのそれぞれは、４個以上の凸極を有するとともに、前記複数の固定子ユニットのそれぞれは、８個以上の磁極を有する請求項１記載のスイッチドリラクタンスモータ。
3. 前記複数の回転子ユニットと、前記複数の固定子ユニットとの回転方向の相対位置は、固定子ユニットの磁極のピッチ角度を前記複数の回転子ユニットの個数で除した角度ずつずれるように設定されている請求項１または２記載のスイッチドリラクタンスモータ。
4. 前記複数の回転子ユニットは、前記回転軸に対して回転方向の同じ角度関係にて固定されている請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチドリラクタンスモータ。
5. 前記複数の固定子ユニットは、前記回転軸に対して回転方向の同じ角度関係にて配置されている請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチドリラクタンスモータ。
6. 前記複数の固定子ユニットそれぞれの各磁極の回転方向の幅の前記複数の回転子ユニットそれぞれの各凸極の回転方向の幅に対する割合が１未満の所定の割合に設定された請求項１乃至５のいずれかに記載のスイッチドリラクタンスモータ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のスイッチドリラクタンスモータと、
   直流定電流電源装置と、
   前記スイッチドリラクタンスモータにおける前記複数の固定子ユニットのそれぞれに対応して設けられ、第１の電流路と第２の電流路とを切換える複数の電流切換え回路と、
   前記電流切換え回路を制御して、前記第１の電流路と前記第２とを交互に導通させる切換え制御手段とを有し、
   各電流切換え回路の第１の電流路及び第２の電流路と対応する固定子ユニットに設けられた第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルとがそれぞれ直列接続された状態で、前記複数の電流切換え回路が直列的に接続され、
   前記直流定電流電源装置の一方の出力端子から出力される直流定電流が前記直列的に接続された初段の電流切換え回路の第１及び第２の電流路に入力し、最終段の電流切換え回路の第１の電流路に接続された第１の励磁コイル及び第２の電流路に接続された第２の励磁コイルを流れた前記直流定電流が前記直流定電流電源装置の他方の出力端子に帰還するように、前記直流定電流電源装置、前記複数の電流切換え回路及び前記スイッチドリラクタンスモータが接続され、
   前記切換え制御手段は、前記スイッチドリラクタンスモータの前記回転子の角度位置に応じて前記複数の電流切換え回路それぞれにおける前記第１及び前記第２の電流路の導通状態を交互に切換えて矩形波電流を前記第１及び第２の励磁コイルに交互に流し、前記スイッチドリラクタンスモータの駆動時と制動時とで、前記第１及び第２の電流路の導通状態を切換えるタイミングを前記回転子の電気角１８０度に対応する角度の回転時間だけずらすように各電流切換え回路を制御するモータ駆動システム。

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