JP2016048984A

JP2016048984A - リラクタンスモータ

Info

Publication number: JP2016048984A
Application number: JP2014172864A
Authority: JP
Inventors: 真大青山; Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: JP6344144B2

Abstract

【課題】損失エネルギを回収して自己励磁する機能を有効利用して、低速回転時におけるトルクを向上させるリラクタンスモータを提供すること。
【解決手段】駆動コイルを有するステータと、駆動コイルに発生させる磁束の鎖交により主回転力を受ける複数の突極を有するロータとを備えるリラクタンスモータであって、ロータは、駆動コイルの磁束に重畳する空間高調波成分が鎖交する磁路上に配置されて該磁束の空間高調波成分により誘導電流を発生させる誘導子極コイルと、その誘導電流を整流する整流素子と、整流された誘導電流を界磁電流として通電され自己励磁して主回転力を補助する補助回転力となる電磁力を発生させる電磁石極コイルとを有して、駆動コイルに接続する電源から駆動電流として、電気角の所定区間に高周波パルス電流を重畳させて供給する電源制御部を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、リラクタンスモータに関し、詳しくは、自己励磁機能を備えて高効率の回転を実現するものに関する。

リラクタンスモータは、各種駆動装置に駆動源として搭載されている。リラクタンスモータは、ロータ側に永久磁石を埋め込んでマグネットトルクを利用することにより駆動するタイプのモータ（電動機）と比較して、リラクタンストルクのみを利用するタイプの場合には、大トルクが得られ難いという課題がある。

特に、大トルクを必要とする、ハイブリッド自動車（Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（Electric Vehicle）に搭載する場合には、マグネットトルクと共に、リラクタンストルクを効果的に利用するように、磁力の強いネオジム磁石（Neodymium magnet）などの永久磁石をロータ（回転子）内にＶ字に埋め込む、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構造を採用するモータが多用されている。

ところで、リラクタンスモータでも、例えば、非特許文献１に記載されているような自己励磁機能を採用することにより効率を向上させることが提案されている。車載モータとしては、安価に作製可能なリラクタンスモータでのトルク向上等の特性改善が望まれている。

この非特許文献１に記載の自己励磁式では、ステータ側の駆動コイルに供給する駆動電流の基本周波数よりも高い周波数の磁束をロータ側に鎖交させて、そのロータ側に配置する自己励磁用コイル（誘導子極コイル）に誘導電流を発生させる。この自己励磁式では、その誘導電流を半波整流した後に自己励磁用コイルに供給する（戻す）ことにより、自己励磁用コイルを電磁石極コイルとしても機能させている。

しかしながら、非特許文献１に記載の自己励磁機能では、自己励磁用コイルを電磁石極コイルとしても機能させるように兼用させることから、磁気的な干渉が生じて誘導電流を効率よく発生させることができず、また、発生させる電磁力も弱めてしまう。

また、非特許文献１に記載の構造では、ロータの外面から離隔する深部まで自己励磁用コイルを配置するが、磁束の高周波成分（空間高調波成分）はロータ深部まで進入する（鎖交する）ことができずに、自己励磁用コイルに非常に小さな誘導電流しか発生させることができない。

ここで、特許文献１には、ステータ側のコイルに高周波電流を別途入力することによりロータ側の自己励磁用コイルに励磁電流を発生させることが提案されている。

特開２０１０−２２１８５号公報

野中作太郎著「自励形単相同期電動機」電気学会雑誌７８巻８４２号、１９５８年１１月、Ｐ．１８−２６

この特許文献１に記載のリラクタンスモータにあっては、駆動電流に加えて、ステータ側の駆動コイルに高周波電流を別途入力するにしても、励磁エネルギを外部入力する必要があり、高効率な駆動を望むことができない（効率低下は免れない）。また、高周波電流を常時入力するのでは、重畳するタイミングによっては、誘導電流を減少させてしまう場合もある。

また、このようなリラクタンスモータにあっては、ロータ側の誘導子極コイルに誘導電流を発生させて供給先の電磁石極コイルを形成する突極を界磁極として機能させるが、その誘導子極コイルに誘導電流を発生させる磁束量は回転速度に依存する。このため、低速回転時には界磁量が少なく十分なトルクが得られない、という課題がある。

そこで、本発明は、損失エネルギを回収して自己励磁する機能を有効利用して、低速回転時におけるトルクを向上させるリラクタンスモータを提供することを目的としている。

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、複数相の駆動電流を入力する駆動コイルが設けられているステータと、前記駆動コイルに発生する磁束を鎖交させることで主回転力を受ける複数の突極が設けられているロータと、を備えるリラクタンスモータであって、前記ロータは、前記駆動コイルの生成する前記磁束に重畳する空間高調波成分が前記ロータ側に鎖交する磁路上に配置されて該磁束の空間高調波成分により誘導電流を発生させる誘導子極コイルと、前記誘導子極コイルで発生した前記誘導電流を整流する整流素子と、前記整流素子で整流された前記誘導電流を界磁電流として通電され自己励磁することにより前記主回転力を補助する補助回転力となる電磁力を発生させる電磁石極コイルと、を有しており、前記駆動コイルに接続する電源から前記駆動電流として電気角の予め定められている区間に高周波パルス電流を重畳させて供給する電源制御部を備えることを特徴とするものである。

このように本発明の一態様によれば、ロータ側の誘導子極コイルにはステータ側の駆動コイルに駆動電流が入力されて発生する磁束の空間高調波成分により誘導電流が発生し、ロータ側の電磁石極コイルにはその誘導電流が整流素子で整流されて界磁電流として入力（通電）されて自己励磁することにより電磁力を発生させる。この電磁力がロータを回転させる主回転力に加える補助回転力となって、ロータは効率よく回転駆動させることができる。

このとき、ステータ側の駆動コイルに入力する駆動電流には、電源から、電気角の予め定められている区間に高周波パルス電流を重畳させて供給することにより、積極的に、ロータ側の誘導子極コイルに鎖交させる磁束に高調波成分を重畳することができ、発生させる誘導電流を増量することができる。このため、適宜、ステータ側の駆動コイルに入力する駆動電流に高周波パルス電流を重畳させて供給することにより、ロータ側の電磁石極コイルに入力する界磁電流（誘導電流）を増量して自己励磁させることができ、例えば、低速回転時にも大きな電磁力を発生させて大トルクで回転させることができる。

図１は、本発明に係るリラクタンスモータの一実施形態を示す図であり、その概略構成を示す径方向断面図である。図２は、車載バッテリ（電源）から駆動電流を供給する際の電源制御を実行する電源制御装置の概略構成を示す概念ブロック図である。図３は、誘導子極コイルと電磁石極コイルとをダイオードを介して接続する回路構成を分かり易く説明する簡易モデルの回路図である。図４は、空間高調波の重畳する磁束特性を示す磁束線図である。図５は、本実施形態を巻線界磁モータモデル化して静止座標系（ＵＶＷ）で図示する概念モデル図である。図６は、図５をさらに突極モデル化して回転座標系（ｄｑ軸）で図示する概念モデル図である。図７は、駆動コイルに供給する駆動電流を示す図であり、その駆動電流に重畳させる高周波パルス電流を重畳する区間を示す電力波形図である。図８は、図７に示す高周波パルス電流の駆動電流への重畳の有無に応じて電磁石極コイルに発生する界磁電流を示すグラフであり、立ち上がり時に高周波パルス電流を印加したときの界磁電流の影響（変化）を示すグラフである。図９は、図７に示す高周波パルス電流を駆動電流に重畳することにより増加する電磁石極コイルに発生する界磁電流を示すグラフである。図１０は、図７に示す高周波パルス電流を駆動電流に重畳することにより増加するトルクを示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図１０は本発明に係るリラクタンスモータの一実施形態を説明するための図である。

図１において、リラクタンスモータ１０は、後述するように、外部からロータ２１にエネルギ入力する必要のない構造に作製されており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。

（リラクタンスモータ１０の基本構造）
まず、リラクタンスモータ１０は、概略円筒形状に形成されたステータ（固定子）１１と、このステータ１１内に回転自在に収納されて軸心に一致する回転軸としてシャフト１０１が固定されるロータ（回転子）２１と、を備えている。

ステータ１１には、ロータ２１のロータティース２２の外周面２２ａにエアギャップＧを介して内周面１２ａ側を近接対面させるように、径方向に延長される突極形状に形成されている複数本のステータティース１２が周方向に均等配置されている。ステータティース（突極）１２には、隣接する側面間に形成される空間のスロット１３を利用して、相毎の３相巻線をそれぞれ個々に集中巻きすることにより駆動コイル１４が形成されている。ステータティース１２は、駆動コイル１４に駆動電流を入力することにより、内部に対面収納されているロータ２１を回転させる磁束を発生する電磁石として機能する。

ロータ２１には、ステータティース１２と同様に径方向に延長される突極形状に形成されている複数本のロータティース２２が周方向に均等配置されている。ロータティース２２は、ステータティース１２と全周方向の本数を異ならせて、相対回転時に外周面２２ａがステータティース１２の内周面１２ａに適宜近接対面するように形成されている。

これにより、リラクタンスモータ１０は、図２に示す後述の電源システム１５０から電力供給してステータ１１のスロット１３内の駆動コイル１４に通電することにより磁束を発生させ、その磁束をステータティース１２の内周面１２ａから対面するロータティース２２の外周面２２ａに鎖交させることができる。このリラクタンスモータ１０では、その鎖交する磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルク（主回転力）によりロータ２１を相対回転させる。この結果、リラクタンスモータ１０は、ステータ１１内で相対回転するロータ２１と一体回転するシャフト１０１から通電入力する電気的エネルギを機械的エネルギとして出力することができる。

このとき、リラクタンスモータ１０では、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束には空間高調波成分が重畳している。このため、ロータ２１側でも、ステータ１１側から鎖交する磁束の空間高調波成分の磁束密度の変化を利用して、内蔵するコイルに誘導電流（補助電流）を発生させ電磁力を得ることができる。

詳細には、ステータ１１の駆動コイル１４に基本周波数の駆動電力を供給するだけでは、ロータ２１（ロータティース２２）をその基本周波数で変動する主磁束で回転させるだけであることから、ロータ２１側にコイルを単に配置しても鎖交する磁束に変化はなく誘導電流が生じることはない。

その一方で、磁束には空間高調波成分が重畳しており、その空間高調波成分は基本周波数と異なる周期で時間的に変化しつつロータティース２２に外周面２２ａ側から鎖交する。このことから、別途入力することなく、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分は、ロータティース２２の外周面２２ａの近傍にコイルを設置すれば効率よく誘導電流を発生させる。この結果、鉄損の原因となる空間高調波磁束は自己励磁するためのエネルギとして回収することができる。

ところで、リラクタンスモータとしては、図示することは省略するが、ロータティース２２の隣接する側面間に形成される空間をスロット２３として利用して、そのロータティース２２に巻線を巻き付けて径方向２段の集中巻を形成することにより、外周面２２ａ側に誘導子極コイルを形成し、その軸心側に電磁石極コイルを配置することが考えられる。

この構造では、誘導子極コイルは、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束の空間高調波成分（磁束密度の変化）により誘導電流を発生させて電磁石極コイルに供給することができる。このため、電磁石極コイルは、その誘導子極コイルから受け取った誘導電流を界磁電流として自己励磁することにより、磁束（電磁力）を発生させることができる。要するに、ロータティース２２自体に誘導子極コイルと電磁石極コイルを、誘導電流を界磁電流として利用可能な独立回路内に組み込むだけで、主回転力を発生する駆動コイル１４の磁束とは別に鎖交する磁束が通過磁路を最短にしようとするリラクタンストルク（補助回転力）を得て、ロータ２１の相対回転を補助することができ、また、損失要因となっていた磁束の空間高調波成分をエネルギとして回収して利用することができる。

ここで、このようにロータティース２２にコイルを巻くことは、野中作太郎著「自励形単相同期電動機」電気学会雑誌７８巻８４２号、１９５８年１１月、Ｐ．１８−２６にも記載されている。この文献に記載のリラクタンスモータは、基本周波数よりも高い周波数の磁束がロータ側コイルに鎖交することで誘導電流を発生させるものであり、その誘導電流を整流素子（ダイオード）で半波整流して戻すことにより、そのロータ側コイルを自己励磁式の電磁石として機能させるようになっている。

しかしながら、この文献に記載の自己励磁技術には、次のような課題がある。
１．ロータ側のコイルとしては、誘導電流を発生させるコイルおよび整流した誘導電流を界磁電流として流すコイルとして兼用するので、磁気的な干渉が生じて効率よく誘導電流を発生させることができず、また、起磁力も非常に小さくなってしまう。
２．基本周波数よりも高い高次の磁束の高周波成分は、ロータ２１（ロータティース２２）に鎖交するにしても外周面２２ａ付近に分布するのに留まるため、軸心側にコイルを配置してしまうと非常に小さな誘導電流しか発生しない。なお、ロータ側コイルは、ロータティース２２の外周面２２ａ付近に設置するにしても、現実的には無理がある。例えば、線径の細い導線の極少量を巻いてコイルとしても、導体抵抗が高くなって、その結果、銅損が増加して効率のよい電磁石として機能させるのは難しい。また、ロータ表面では、ステータ側に接触してしまう懸念も生じてしまう。
３．ステータ１１側のコイルとしては、分布巻にしてしまうと、高次の高調波が磁束に重畳する傾向にあり、上述するように、高次の磁束の高周波成分ではより小さな誘導電流しか期待できない。要するに、コイルの巻き方としては、分布巻は不適当である。
４．この文献では、基本周波数の２倍の高調波磁束でロータ側コイルを励磁するように説明するが、２次の高調波磁束で発生する誘導電流は整流合成したときに谷ができてしまう。また、誘導電流は磁束の時間変化が大きいほど大電流となるので、高くなり過ぎない３次程度の高調波磁束の方が有利である。

そこで、リラクタンスモータ１０は、ロータ２１側において、コア材２５に集中巻線した誘導子極コイル２７の全体をロータティース２２間のスロット２３内に収容して回転方向に並列配置するとともに、ロータティース２２の全体に１段の集中巻を形成することにより電磁石極コイル２８が配置されている。

誘導子極コイル２７は、電磁鋼（磁性体）からなるコア材２５を採用することにより、透磁率を高めて磁束を高密度に鎖交可能にしており、ステータティース１２の内周面１２ａに極力小さなエアギャップＧを介して対面する磁路上に位置させることで、より多くの空間高調波磁束を鎖交させるようになっている。この誘導子極コイル２７は、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束の３次の空間高調波成分を有効利用するように磁界解析を行って厳密に空間高調波磁路を確認することにより、効率よく誘導電流を発生させることができるように設置している。なお、誘導子極コイル２７は、電磁石極コイル２８との間に必要十分な空隙を確保するようにロータティース２２の間に位置するように配置されている。

このように、集中巻構造を採用することにより、誘導子極コイル２７や電磁石極コイル２８では、複数スロットに亘って周方向に巻線をする必要がなく、全体的に小型化することができる。また、誘導子極コイル２７では、１次側での銅損損失を低減しつつ、低次である３次の空間高調波磁束の鎖交による誘導電流を効率よく発生させて、回収可能な損失エネルギを増加させることができる。

また、誘導子極コイル２７には、３次の空間高調波磁束を利用することにより、上述の文献（電気学会雑誌）で説明する２次の空間高調波磁束を利用する場合よりも、効果的に誘導電流を発生させることができる。具体的には、誘導電流は２次よりも３次の空間高調波磁束を利用する方が磁束の時間変化を大きくして大電流にすることができ、効率よく回収することができる。なお、この文献では、ロータの軸心側深部に巻線したコイルが図示されており、空間高調波の鎖交領域が考慮されておらず、有効利用できる構造になっていない。

そして、誘導子極コイル２７は、ロータティース２２の外周面２２ａの間で磁気的に独立する形態でスロット２３内に配置されている。
また、電磁石極コイル２８は、ロータティース２２の全長に亘って巻線することにより全体を有効利用して磁束を発生させる。
このように、誘導子極コイル２７および電磁石極コイル２８は、磁束経路が干渉し合わないように分割されているので、磁気的干渉を低減することができ、効率よく誘導電流を発生させることができるとともに、効果的に電磁石として機能させて磁束を発生させることができる。

さらに、誘導子極コイル２７は、ロータ２１の径方向に対して同一の周回巻線となる集中巻に形成されて、かつ、ロータ２１の周方向に配列されており、図３に示すように、１つおきの誘導子極コイル２７がそれぞれ全直列接続されている。また、電磁石極コイル２８は、ロータ２１の径方向に対して隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ２１の周方向の外周側と軸心側とを交互に接続する全直列接続にされている。

電磁石極コイル２８は、図３に示すように、全直列接続されている両端部が、並列接続されている誘導子極コイル２７の両端部にそれぞれダイオード（整流素子）２９Ａ、２９Ｂを介して接続されている。すなわち、電磁石極コイル２８は、巻線の巻き方向毎のコイル２８Ａ１〜２８Ａｎ（ｎ：極数／２）とコイル２８Ｂ１〜２８Ｂｎが全直列接続されており、その電磁石極コイル２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎに対応するように直列接続されている誘電子極コイル２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎの両端部に並列接続されている。

ダイオード２９Ａ、２９Ｂは、誘導子極コイル２７や電磁石極コイル２８を多極化させる場合でも、そのうちの電磁石極コイル２８を全直列させることで使用数を抑えている。このダイオード２９Ａ、２９Ｂは、大量使用を回避するために、一般的なＨブリッジ型の全波整流回路を形成するのではなく、それぞれ１８０度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路（整流素子）を形成している。

これにより、リラクタンスモータ１０では、誘導子極コイル２７の透磁率の高い電磁鋼のコア材２５に、電磁石極コイル２８との干渉なく（誘導電流の減少なく）、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束の空間高調波成分を通過させることにより、誘導電流を効率よく発生させて回収することができる。誘導子極コイル２７の個々に発生させる誘導電流は、ダイオード２９Ａ、２９Ｂで整流させた後に合流させて、直列接続させている電磁石極コイル２８の個々に流し有効利用することができ、その電磁石極コイル２８を効果的に自己励磁させて大きな磁束（電磁力）を発生させることができる。

この結果、リラクタンスモータ１０は、励磁用と電磁石用とで分割して独立させる誘導子極コイル２７および電磁石極コイル２８で、互いに干渉して弱め合ってしまうことなく、発生する磁束を有効かつ平滑化させて利用することができ、効率よくエネルギとして回収して出力することができる。すなわち、電磁石極コイル２８がロータティース２２と共に突極を構成して、誘電子極コイル２７がコア材２５と共に補極を構成している。

また、誘導子極コイル２７および電磁石極コイル２８は、ロータ２１の周方向に複数配置して多極化しているので、上述の文献（電気学会雑誌）に記載のような２極モータの場合よりも、ロータティース２２の１歯当たりの鎖交する磁束量を周方向に分散化させることができ、個々のロータティース２２に作用する電磁力（リラクタンストルク）も周方向に分散化させて電磁振動を抑えることができ、静寂化させることができる。

具体的に、誘導子極コイル２７および電磁石極コイル２８は、駆動コイル１４も含めて、銅導体よりなる電線材を採用して巻線形成されており、銅導体の採用により電気伝導率を高くして損失を低減することにより、効率よく誘導電流を発生させて界磁電流として利用することができる。このコイル２７、２８、１４の電線材として銅導体を採用する場合には、平角銅線を採用するのが好ましく、これにより、コイル抵抗に起因する銅損や発熱損失を低減することができる。さらに、コイル２７、２８、１４の形態としては、短辺側を内径面側になるように縦に巻いたエッジワイズコイルとすることにより、分布容量（浮遊容量）を小さくして周波数特性を向上させることができ、また、電線材の周囲長が長いため表皮効果による抵抗増加を抑えて効率が低下してしまうことを抑制することができる。この結果、コイル２７、２８、１４では、少ない銅導体量で、より多くの損失エネルギを回収可能になっている。なお、コイル２７、２８、１４の電線材は、銅導体に限るものではなく、他の目的を持って選択してもよく、例えば、比重が銅の１／３のアルミバー導体を採用して軽量化を図ってもよい。

また、ステータ１１は、ステータティース１２の内周面１２ａ側を正逆双方の周方向に突出させた鍔形状部１２ｂを有するオープンタイプのスロット１３に形成することにより、空間高調波磁束を効率よく誘導子極コイル２７内に鎖交させるようにしている。なお、この鍔形状部１２ｂを設けるオープンタイプにすることで、急峻なサージ電圧を発生させてしまうことを抑制することができる。

このように、リラクタンスモータ１０は、ロータ２１側に誘導子極コイル２７と電磁石極コイル２８を設置することで、３次空間高調波磁束をステータ１１側のステータティース１２から効果的に鎖交させて効率よくリラクタンストルクを発生させることができる。例えば、図４に示すように、３次空間高調波磁束の磁界解析により求めた磁束線ＦＬを図示すると、電磁石極コイル２８のロータティース２２の外周面２２ａに誘導子極コイル２７のコア材２５の外周面を加えて、ステータ１１とロータ２１との間で磁束を鎖交させることができる。このため、ロータティース２２の外周面２２ａのみの場合よりも、ロータ２１の外周面側での磁束の鎖交面積を大きくして（鎖交位置を分散化させて）、磁気飽和してしまうことなく（磁気抵抗なく）鎖交させて効率よくリラクタンストルクを発生させることができる。また、誘導子極コイル２７は、コア材２５の外周面をロータ２１の外周側に位置させていることから、磁束を直交方向から鎖交させることができ、効率よく誘導電流を発生させることができる。

このため、リラクタンスモータ１０では、電磁石極コイル２８と周方向に並列させて誘電子極コイル２７を設置することで、その誘電子極コイル２７内に磁束を効果的に誘導して誘導電流を発生させ電磁石極コイル２８に供給することができる。

これにより、リラクタンスモータ１０では、３次空間高調波磁束（磁束ベクトル）をロータティース２２の外周面２２ａ側に高密度に発生させつつ、誘導子極コイル２７を含めて、ステータティース１２の間の全体で鎖交させることができ、周方向の広範囲にリラクタンストルクを効果的に発生させて駆動コイル１４による駆動力を補助することができる。

この結果、３次空間高調波磁束は、磁気飽和近くになってエアギャップＧ間を介して鎖交することが抑えられることはなく、より多くを誘導子極コイル２７に鎖交させて大容量の誘導電流を発生させることができる。

ここで、誘導子極コイル２７は、周囲との間の磁気抵抗が小さいと、例えば、ロータティース２２に磁束が大量に流れ込んで突極比を低下させてしまうことになり、リラクタンストルクを著しく減少させてしまう。また、ロータティース２２に磁束が大量に流れ込むと、ステータ１１とロータ２１との相対的な位置関係によっては、負（逆回転）方向へのトルクが働いたり、磁気的干渉が生じてトルク低下の要因となってしまうことがある。

このため、誘導子極コイル２７は、ロータティース２２に磁気的に結合することによる不都合を回避するために、そのロータティース２２間に空隙やアルミニウムや樹脂などの非磁性材料で磁気的に独立させてスロット２３内に配置されている。

このことから、リラクタンスモータ１０は、誘導子極コイル２７を電磁石極コイル２８間に磁気的に独立させつつ並列させることにより、並列させていない場合に比べて、ロータ２１の回転を開始するのに伴って、鎖交する３次空間高調波磁束が増加して、誘導子極コイル２７に誘導電流を効率よく発生させることにより損失エネルギを回収できる。また、このリラクタンスモータ１０では、誘導子極コイル２７を電磁石極コイル２８間に並列させることで、発生させる誘導電流の波形を安定させることができ、定常トルクを向上させるとともに、トルクリプルを低減させて、トルク特性を高品質に向上させることができる。

そして、リラクタンスモータ１０は、３ｆ次の空間高調波磁束（ｆ＝１、２、３・・・）を主に利用する構造として、ロータ２１側の突極（ロータティース２２）の数Ｐ：ステータ１１側のスロット１３の数Ｓが２：３になる構造に作製されている。例えば、３次の空間高調波磁束は、駆動コイル１４に入力する基本周波数よりも周波数が高いために短周期で脈動する。このため、ロータ２１は、ロータティース２２間の誘導子極コイル２７に鎖交する磁束強度が変化することにより、効率的に誘導電流を発生させて、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分の損失エネルギを効率よく回収して回転することができる。

また、このように、リラクタンスモータ１０は、ロータ２１側とステータ１１側の間での相対的な磁気的作用の品質を決定する構造として、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比としてＰ／Ｓ＝２／３を採用するのは、電磁振動を低減して電磁騒音の小さな回転を実現するためである。

詳細には、上記と同様に磁束密度分布の磁界解析をすると、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比に応じて、機械角３６０度内の周方向に磁束密度分布も分散化されるため、ステータ１１に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。

これに対して、リラクタンスモータ１０では、ロータティース突極数Ｐ／ステータスロット数Ｓ＝２／３となる構造を採用することにより、機械角３６０度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、ロータ２１をステータ１１内で高品質に回転させることができる。

これにより、リラクタンスモータ１０では、空間高調波磁束を損失とすることなく利用して、回転動作させることができ、損失エネルギを効率よく回収して、電磁振動を大幅に低減し静寂性高く回転させることができる。

このように、リラクタンスモータ１０は、ステータ１１の駆動コイル１４以外に電力供給することなく、ロータ２１側に配置する誘導子極コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて電磁石極コイル２８に界磁電流として供給し自己励磁電磁石として機能させることができ、駆動コイル１４への電力供給による主回転力を補助する補助回転力（電磁力）を得て高効率回転させることができる。

（リラクタンスモータ１０の電源）
ここで、リラクタンスモータ１０は、モデル化すると、図５に示す巻線界磁モータモデルとして図示することができる。このモデルは、３相の巻線毎のＵ相磁束φ_ｓ−ｕ、Ｖ相磁束φ_ｓ−ｖ、Ｗ相磁束φ_ｓ−ｗを用いる３相電機子磁束φ_ｓ−３φの静止座標系３相（ＵＶＷ）を、直交座標の静止座標系２相（αβ軸）に変換した後に、図６に示す突極モデルとして図示する回転２軸（ｄｑ軸）に換算することができる。

この突極モデルは、磁束が鎖交することにより誘導電流を発生する電機子極コイル２７（Ｉ-poleコイル）をｑ軸とし、その誘導電流を界磁電流として磁束を発生する電磁石極コイル２８（Ｅ-poleコイル）をｄ軸としている。また、この突極モデルでは、回転座標（ｄｑ軸）がωｔ（ω：角速度、ｔ：時間）で回転している。

そして、この突極モデルでは、ｑ軸の電機子極コイル２７で発生する誘導電流を全波整流して電磁石極コイル２８の界磁電流とすることで電磁石として機能させることができ、その全波整流された誘導電流を突極モデルのＲＬ回路に印加したときの過渡現象を解くと、その電磁石極コイル２８に流れる界磁電流を求めることができ、その界磁電流は角速度ωと時間ｔの関数であることが分かる。すなわち、角速度ω（＝２πｆ、ｆ：モータ駆動周波数）が高くなると界磁電流も増加することを意味し、逆に、角速度ωが低いと界磁電流も低くなって十分な界磁を得られないことを意味する。

また、界磁電流とする誘導電流は、鎖交する磁束の基本波成分に重畳する空間高調波成分によって発生することから、駆動コイル１４に入力する駆動電流に高周波電流を重畳させると、その高周波電流に相当する項も発生して、時間高調波によっても界磁エネルギを供給できる。すなわち、静止座標系だと空間的な位相θで空間高調波である成分が、回転座標系ｄｑ軸に座標変換されるとωｔの時間成分に換算されるため、回転座標系では空間高調波も時間高調波も同じ物理量（同じ高調波）となる。

そこで、駆動コイル１４に入力する駆動電流に高周波電流を常時重畳しようとすると、脈動（ハンチング）が発生して界磁電流の平均値としては大差なくリップル（ripple）が発生してしまうだけである。要するに、高周波電流を常時入力するのでは、誘導電流を減少させてしまう場合もある。

このことから、リラクタンスモータ１０は、図２に戻って、駆動コイル１４を電源システム１５０に接続させている。電源システム１５０は、例えば、車載のバッテリ１５１から出力される直流電力をインバータ１５２を介して３相の交流電力に変換して駆動コイル１４に供給（入力）するようになっている。

この電源システム１５０は、電源制御装置（電源制御部）５０を介在させて、３相の交流電流を駆動電流として駆動コイル１４に供給するようになっており、電源制御装置５０は、駆動電流に重畳する高周波パルス電流を生成するパルス電流発生部５１と、駆動電流を中継する際に、交流電流における電気角の予め定められている区間に生成高周波パルス電流を重畳して出力するタイミングを調整するタイミング制御部５５と、を備えている。

ここで、リラクタンスモータ１０では、駆動電流に特定区間だけ高周波パルス電流を重畳して駆動コイル１４に入力するシミュレーションをすると、例えば、図７に示すタイミングに高周波パルスを印加（入力）するのが有効であることが分かる。

具体的には、電源制御装置５０のタイミング制御部５５は、誘導子極コイル２７から電磁石極コイル２８に入力する誘導電流をダイオード２９Ａ、２９Ｂを介して全波整流する際の正負の切替タイミングに高周波パルス電流を印加するように設定（調整）されている。すなわち、タイミング制御部５５は、誘導電流をダイオード２９Ａ、２９Ｂを介して全波整流する際の正負の切替タイミングを、印加区間になるように設定されており、その切替タイミング（区間）に高周波パルス電流を３相の各相（ＵＶＷ）のそれぞれに印加して界磁電流に重畳するようになっている。

これにより、誘導子極コイル２７で発生する誘導電流は、図８に示すように、高周波パルス電流の印加のない正弦波形に比べて、立ち上がり時に高周波パルス電流が追加され、図９に示すように、電流量を増加させた界磁電流として電磁石極コイル２８に供給することができ、図１０に示すように、ロータ２１を回転させるトルクも大きくすることができる。

このように、本実施形態においては、誘導子極コイル２７で発生する誘導電流の正負が切り換わるタイミング（区間）に、駆動コイル１４に供給する駆動電流の各相に高周波パルス電流を印加（重畳）するので、特に、ダイオード２９Ａ、２９Ｂによる正負の切替タイミング時のように電流量が少なくなる区間に電磁石極コイル２８に供給される界磁電流の電流量を増加させることができる。したがって、電磁石極コイル２８の自己励磁により発生させる電磁力（回転補助力）を増強することができ、例えば、低速回転時にも大きな電磁力を発生させて大トルクで回転させることができる。

本実施形態の他の態様としては、リラクタンスモータ１０のように径方向にエアギャップＧを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に作製してもよい。この場合にも、ステータ側とロータ側とで対面する軸方向端面に駆動コイルと共に誘電子極コイルや電磁石極コイルを配置すればよい。

さらに、扁平の大径モータ構造に作製する場合には、インナーステータとアウターステータとの間に回転自在にロータを収容するダブルギャップ型モータ構造を採用してもよい。この場合には、インナーステータ側に損失エネルギを回収する誘電子極コイルを配置するとともに、アウターステータ側にトルクを発生する電磁石極コイルを配置することで、大幅にトルクを増大させることができる。

また、リラクタンスモータ１０のようなラジアルギャップ構造の場合には、ステータ１１やロータ２１を電磁鋼板の積層構造で作製するばかりでなく、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（SoftMagnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造に好適である。

また、リラクタンスモータ１０は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。

本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１０リラクタンスモータ
１１ステータ
１２ステータティース
１３、２３スロット
１４駆動コイル
２１ロータ
２２ロータティース
２５コア材
２７、２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎ誘導子極コイル
２８、２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎ電磁石極コイル
２９、２９Ａ、２９Ｂダイオード（整流素子）
５０電源制御装置
５１パルス電流発生部
５５タイミング制御部
１０１シャフト
Ｇエアギャップ

Claims

複数相の駆動電流を入力する駆動コイルが設けられているステータと、前記駆動コイルに発生する磁束を鎖交させることで主回転力を受ける複数の突極が設けられているロータと、を備えるリラクタンスモータであって、
前記ロータは、
前記駆動コイルの生成する前記磁束に重畳する空間高調波成分が前記ロータ側に鎖交する磁路上に配置されて該磁束の空間高調波成分により誘導電流を発生させる誘導子極コイルと、
前記誘導子極コイルで発生した前記誘導電流を整流する整流素子と、
前記整流素子で整流された前記誘導電流を界磁電流として通電され自己励磁することにより前記主回転力を補助する補助回転力となる電磁力を発生させる電磁石極コイルと、
を有しており、
前記駆動コイルに接続する電源から前記駆動電流として、電気角の予め定められている区間に高周波パルス電流を重畳させて供給する電源制御部を備えることを特徴とするリラクタンスモータ。
前記電源制御部は、前記整流素子による整流前の前記誘導電流の正負が切り換わるタイミングを前記区間となるように調整することを特徴とする請求項１に記載のリラクタンスモータ。
複数相の駆動電流を入力する駆動コイルが設けられているステータと、前記駆動コイルに発生する磁束を鎖交させることで主回転力を受ける複数の突極が設けられているロータと、を備えるリラクタンスモータに前記駆動電流を入力する電源制御装置であって、
前記リラクタンスモータの前記ロータは、
前記駆動コイルの生成する前記磁束に重畳する空間高調波成分が前記ロータ側に鎖交する磁路上に配置されて該磁束の空間高調波成分により誘導電流を発生させる誘導子極コイルと、
前記誘導子極コイルで発生した前記誘導電流を整流する整流素子と、
前記整流素子で整流された前記誘導電流を界磁電流として通電され自己励磁することにより前記主回転力を補助する補助回転力となる電磁力を発生させる電磁石極コイルと、
を有しており、
前記駆動コイルに前記駆動電流として電気角の予め定められている区間に高周波パルス電流を重畳させて供給することを特徴とするリラクタンスモータ用電源制御装置。
前記整流素子による整流前の前記誘導電流の正負が切り換わるタイミングを前記区間となるように調整することを特徴とする請求項３に記載のリラクタンスモータ用電源制御装置。