JP6115360B2 - リラクタンスモータ - Google Patents

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（
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）構造（図１０参照）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、ステータ側の電機子極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。
なお、特許文献１にも、自己励磁式のモータが提案されているが、同様に、効率よく誘導電流を発生させることができず、同様の課題を有している。
また、特許文献２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が、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）。

特開平１０−２７１７８１号公報 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

そこで、本発明は、損失エネルギを回収して機能する自己励磁を実現して、高効率回転させてトルクを向上させたリラクタンスモータを提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、複数相の駆動電流を入力する電機子極コイルが設けられているステータと、前記電機子極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を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、前記ステータの内周面に向かって延在して該内周面に外周面を対面させる複数本のロータティースと、当該ロータティースの間に形成されて該ロータティースにコイルを巻き掛ける空間のロータスロットと、前記電機子極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前記ロータスロット内の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、前記ロータティースに巻き掛けられて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、前記ロータと前記ステータとの間で鎖交する前記磁束が前記誘導子極コイル内に進入して通過しようとするのを制限する永久磁石と、を有することを特徴とするものである。

本発明の第２の態様としては、前記永久磁石の磁化方向が前記ロータの半径方向に一致しつつ前記電磁石極コイルの前記ロータティースへの巻付方向に応じて前記ロータスロット毎に交互に切り替わるようにするのが好適である。
本発明の第３の態様としては、前記誘導子極コイルは、前記ロータスロット内の前記ステータの内周面に近接する位置に設置され、前記永久磁石は、前記誘導子極コイルに隣接して前記ロータの回転軸側に設置されているのが好ましい。
本発明の第４の態様としては、前記永久磁石は、前記ロータスロットの底部中心から前記ロータの外周面側に向かって延長されている支持部と前記誘導子極コイルのコア材との間に挟まれる形態で支持されているのが好ましい。

このように、上記の第１の態様によれば、ステータ側の電機子極コイルで生成される磁束をロータ側の突極に鎖交させることにより主回転力が発生するのと同時に、その磁束に重畳する空間高調波成分がロータ側の誘導子極コイルに鎖交して誘導電流が発生する。その誘導電流は整流素子で整流して界磁電流として電磁石極コイルに供給（通電）することにより、その電磁石極コイルで電磁力（磁束）を発生させてステータ側からの磁束と協働させることができ、主回転力を補助する補助回転力を発生させてロータ側を回転させることができる。
さらに加えて、電磁石極コイルおよび電機子極コイルで発生する磁束は、誘電子極コイル内に進入・通過することが永久磁石により制限されてロータティース内に磁路を積極的に形成するように促され、ロータティース内を磁路としてステータとの間で効果的に鎖交して効率よく回転力を発生することができる。また、電機子極コイルで発生する磁束は、永久磁石により無駄にロータ内へ進入させることなくステータ側に戻すことができ、そのロータを回転させるトルクとして有効に機能させることができる。
したがって、ロータ側の電磁石極コイルに別途エネルギ供給をすることなく、従来には有効利用できていなかった（鉄損の発生要因になっていた）磁束の空間高調波成分を回収しつつ、鎖交する磁束を永久磁石により無駄なく利用してトルクを発生させることができ、ロータを高効率回転させることができる。このとき、誘導子極コイルと電磁石極コイルとに同一電流が流れることなく、互いに干渉して損失となってしまうことがない。この結果、損失エネルギを効果的に回収してリラクタンスモータのトルクを向上させることができる。

上記の第２の態様によれば、ロータの半径方向に一致する永久磁石の磁化方向を、電磁石極コイルで発生させる磁束の向きに応じてロータスロット毎に交互に切り替えることにより、回転力を発生させる磁束の磁路をロータティースに優先的に形成することができ、同時に、回転力の発生させる磁束がステータ（電機子極コイル）側から誘導子極コイルを経由してロータ内に無駄に進入するのを制限して効果的にステータ側に戻すことができる。
したがって、ロータスロット毎にステータ側からロータ側に鎖交して進入する磁束を有効利用して、ロータティース（突極）に磁束が鎖交して回転力を発生させるのと同様に、誘電子極コイル内に進入した磁束をステータ側に戻すように鎖交させて回転力を生成することができ、磁束を有効利用してトルクを発生させることができる。

上記の第３の態様によれば、誘導子極コイルをステータの内周面側に設置して、永久磁石はその誘導子極コイルよりもロータの回転軸側に設置するので、永久磁石の設置に邪魔されることなく空間高調波成分を回収することができ、誘導子極コイル内を通過しようとする磁束を効果的に案内することができる。
したがって、ステータ側から鎖交する磁束の空間高調波成分を誘電子極コイルで効果的に回収して電磁石極コイルで電磁力を発生させることができ、高効率にトルクを発生させてロータを回転させることができる。

上記の第４の態様によれば、ロータスロットの底部側に位置する支持部とロータの外周面側に位置する誘導子極コイルのコア材との間に挟まれる形態で永久磁石を支持するので、ロータの回転軸側や外周面側から誘電子極コイル内に進入しようとする磁束を永久磁石の磁力（磁束）で効果的に制限することができる。
したがって、ステータ側からロータ側に鎖交する磁束を有効利用して高効率にトルクを発生させてロータを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一部拡大径方向断面図である。 図２は、ロータ側の誘導子極における永久磁石の磁石磁束とステータ側のステータティースからの電機子磁束との相関関係を示す一部拡大ベクトル図である。 図３は、永久磁石を設置したことによるロータとステータとの間で鎖交する磁束経路を示す概念図である。 図４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５は、図４に示す回路における一方の誘導子極コイルから取り出す誘導電流波形を示すグラフである。 図６は、図４に示す回路における図４と異なる他方の誘導子極コイルから取り出して反転させた誘導電流波形を示すグラフである。 図７は、図５と図６の誘導電流を合流させた合成波形を示すグラフである。 図８は、ロータ側とステータ側とにおける３次空間高調波のベクトル分布図である。 図９は、本実施形態と比較する、永久磁石が設置されていないリラクタンスモータの構造を示す一部拡大径方向断面図である。 図１０は、本実施形態と比較する、永久磁石をロータ側に埋め込んだＩＰＭモータの構造を示す一部拡大径方向断面図である。 図１１は、本実施形態のリラクタンスモータのトルクと、図９に示すリラクタンスモータのトルクと、図１０に示すＩＭＰモータのトルクと、を比較するために図示するグラフである。 図１２は、本実施形態のリラクタンスモータでの誘起電流と、図９に示すリラクタンスモータでの誘起電流と、を比較するために図示するグラフである。 図１３は、本実施形態の他の態様を示す図であり、永久磁石を補助するコイルを設置したリラクタンスモータの構造を示す一部拡大径方向断面図である。 図１４は、本実施形態の他の態様を示す図であり、その一部を切りだした状態の斜視図である。 図１５は、図１４と異なる本実施形態の他の態様を示す図であり、図１と同様にその概略構成を示す一部拡大径方向断面図である。

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１２は本発明に係る一実施形態のリラクタンスモータを説明するための図である。ここで、図１は、リラクタンスモータの径方向断面図であり、軸心を中心とする機械角６０度分を図示しており、当該機械角６０度分が周方向に周期的に繰り返される構造に作製されている。
（一般的なリラクタンスモータの基本構造）
図１において、リラクタンスモータ１０は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車において、内燃機関と同様の駆動源として車載、あるいは車輪ホイール内に搭載するのに好適な性能を有しており、上述の特許文献２とは異なって、後述するように、外部からロータにエネルギ入力する必要のない構造に作製されている。

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が固設されるロータ（回転子）２１と、を備えている。
ステータ１１には、ロータ２１（ロータティース２２）の外周面２２ａにギャップＧを介して内周面１２ａ側を対面させるように、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１２には、隣接する側面間に形成される空間のステータスロット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電機子極コイル１４が形成されている。ステータティース１２は、電機子極コイル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（突極）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、ステータ１１のステータスロット１３内の電機子極コイル１４に通電することにより発生する磁束を、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、その磁束が通過する磁路（磁気結合）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とができる。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と一体回転する回転軸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を発生させ電磁力を得ることもできる。
詳細には、このとき、ステータ１１の電機子極コイル１４には基本周波数の駆動電力を供給してロータ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、磁束に重畳する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の近傍に設置するコイルに効率よく誘導電流を発生させることができる。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。

ここで、上述した非特許文献１には、自己励磁技術が提案されている。この非特許文献１に記載の自己励磁技術は、ロータティース２２にコイルを巻くことにより、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、非特許文献１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．非特許文献１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。

（本実施形態のリラクタンスモータの構造）
このことから、リラクタンスモータ１０は、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ロータスロット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集中巻を形成することにより電磁石極コイル２８を配置するとともに、そのロータスロット２３内に誘導子極コイル２７を配置する。
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２８に供給する。電磁石極コイル２８は、誘導子極コイル２７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。

これにより、リラクタンスモータ１０は、磁束の空間高調波成分で誘導子極コイル２７に流れる誘導電流を電磁石極コイル２８が受け取って磁束を発生させることができ、ロータティース２２の外周面２２ａからステータティース１２の内周面１２ａに鎖交させることができる。このため、主回転力を発生する電機子極コイル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）を得ることができ、ロータ２１の相対回転を補助することができる。
この結果、リラクタンスモータ１０は、ロータティース２２のみの場合には利用することができずに、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出力することができ、ロータスロット２３のみでは駆動力を発生させることができずに発生していたトルクリプルを低減することができる。

具体的には、リラクタンスモータ１０は、コア材２７ａに集中巻線した誘導子極コイル２７の全体をロータスロット２３内に収容するとともに、ロータティース２２の全体に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、電磁鋼板（磁性体）を積層したコア材２７ａ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。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、上述の非特許文献１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。詳細には、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、非特許文献１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。

さらに、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、外部（ステータ１１側およびロータ２１軸心側）から進入する磁束の通過を制限する形態でロータスロット２３内に配置されている。
詳細には、誘導子極コイル２７は、コア材２７ａがロータスロット２３の底面部を回転軸中心から外周面方向に延長して形成した支持部３３に、永久磁石３７Ａ、３７Ｂを介在（隣接）させて支持されている。
永久磁石３７Ａ、３７Ｂは、支持部３３とコア材２７ａの間に挟み込まれてステータ１１の内周面（ステータティース１２の内周面１２ａ）に近接対面する誘導子極コイル２７よりもロータ２１の回転軸側に位置する形態で設置されている。この永久磁石３７Ａ、３７Ｂは、電磁石極コイル２８と同一の極数になるように設置されて、その磁化方向Ｄ１、Ｄ２がロータ２１の半径方向に一致しつつ電磁石極コイル２８の巻付方向に応じてロータスロット２３毎に交互に切り替わるように設置されている。永久磁石３７Ａ、３７Ｂの磁化方向Ｄ１、Ｄ２は、支持部３３やコア材２７ａ内への磁束の進入を制限する方向になるように設定されて磁気遮蔽として機能するように設置されており、ステータ１１の電磁子極コイル１４で発生してロータ２１側に鎖交する磁束やロータ２１の電磁石極コイル２８で発生する磁束の磁路がロータティース２２内を優先的に選択するように機能する。ここで、永久磁石３７Ａ、３７Ｂは、誘電子極コイル２７内に進入しようとする磁束を制限するだけで良いことから後述するＩＰＭモータ１００よりも極少量で十分である。

このように、誘導子極コイル２７は、電磁石極コイル２８に対して、磁束経路ができるだけ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。
また、永久磁石３７Ａは、図２に示すように、コア材２７ａ内に向けて磁石磁束を進入させることができ、ステータ１１側から誘導子極コイル２７内に進入する電機子磁束と合成磁束を生成させてステータティース１２側に戻すことができる。このため、永久磁石３７Ａは、誘導子極コイル２７とステータティース１２との間でも効果的にリラクタンストルクを発生させることができる。
また、永久磁石３７Ｂは、ロータ２２の回転軸側に向けて磁石磁束を進入させることができ、ロータ２１側から誘導子極コイル２７内への磁束の進入を制限してロータティース２２側を磁路として選択させることができ、ステータティース１２との間でより効果的にリラクタンストルク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、図３に示すように、ステータ１１とロータ２１との間で磁束を無駄なく鎖交させて周方向の電磁力を効果的に発生させることができ、効率よくロータ２１を回転させることができる。

また、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おり、ロータ２１の周方向に配列されて並列接続されている。電磁石極コイル２８は、ロータティース２２の全長にわた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おり、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４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（２７Ａ、２７Ｂ）の両端部にそれぞれダイオード２９（２９Ａ、２９Ｂ）を介して接続されている。ダイオード２９は、誘導子極コイル２７や電磁石極コイル２８（２８Ａ、２８Ｂ）を多極化させる場合でも電磁石極コイル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２９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、一方を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が透磁率の高い電磁鋼板のコア材２７ａ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て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２９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の個々に流すことができ、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、図９に示すリラクタンスモータ１０Ｄでは互いに干渉して弱め合っていた磁束を、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、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。
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、上述の非特許文献１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。

また、誘導子極コイル２７および電磁石極コイル２８は、電機子極コイル１４も含めて、銅導体よりなる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の線材として銅導体を採用する場合には、平角導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、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。
さらに、電機子極コイル１４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テータスロット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。

このような、リラクタンスモータ１０としては、例えば、２．０×１．０ｍｍの平角銅線の巻線を１０ターンさせて誘導子極コイル２７を形成するとともに、２．０×１．０ｍｍの平角銅線の巻線を２０ターンさせて電磁石極コイル２８を形成している。なお、これらの数値は、ロータ２１の外径に応じて、コイルを巻く空間スペースと主磁路の磁気飽和が起きない磁路幅を確保するなど、それぞれで許容できる最適な数値を組み合わせて設定すればよく、例えば、ステータ１１の外径がφ２００ｍｍで極数１２での一例を示している。
このリラクタンスモータ１０では、図４の簡易モデルで示す誘導子極コイル２７Ａ、２７Ｂ、電磁石極コイル２８Ａ、２８Ｂに、図５〜図７に示す電流波形の電流が流れる。
詳細には、誘導子極コイル２７Ａで発生する誘導電流は、図５に示すように、ダイオード２９Ａで半波整流させて下流側へと供給する。誘導子極コイル２７Ｂで発生する誘導電流は、図６に示すように、ダイオード２９Ｂで半波整流して反転させて下流へと供給する。電磁石極コイル２８Ａ、２８Ｂは、直列接続されていることから、図５と図６に示す誘導電流を合成した図７に示す合成波をそれぞれ界磁電流として流して電磁石として機能させることができる。要するに、誘導子極コイル２７が従来には損失要因となっていた磁束の空間高調波をダイオード２９Ａ、２９Ｂを利用してエネルギ源として回収し、電磁石極コイル２８がその回収エネルギを有効利用して磁束を生成し、その磁束をステータ１１の電機子極コイル１４で発生する磁束に追加してロータ２１を効率よく回転させる。

ところで、リラクタンスモータ１０は、図５や図６に示すように、誘導子極コイル２７で発生させて電磁石極コイル２８に供給する界磁電流が電気角１周期中に３回の脈動が認められる３倍調波を主成分としていることが分かり、誘導子極コイル２７に主に誘導電流を発生させているのは３次空間高調波磁束であることが分かる。
このことから、リラクタンスモータ１０は、３次空間高調波磁束の磁路を磁界解析して磁束密度分布をベクトル表示すると、ロータ２１側ではロータティース２２の外周面２２ａ付近に集中して（磁束密度が高く）、また、ステータ１１側ではステータティース１２の内周面１２ａ付近に集中して鎖交していることを確認することができ（図３を参照）、ロータスロット２３内の誘導子極コイル２７の設置箇所付近を空間磁路としていることが分かる。このことから、リラクタンスモータ１０では、そのロータティース２２の間のロータスロット２３内に誘導子極コイル２７を配置して効果的に３次空間高調波磁束が鎖交するようにしている。
これにより、３次空間高調波磁束は、磁気飽和近くになってエアーギャップ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。なお、３次空間高調波磁束のベクトル分布を図示すると、図８に示すようになり、有効に誘導子極コイル２７に鎖交していることが分かり、損失エネルギの回収において磁気的に悪化させる干渉は認められないことが確認できる。

なお、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に対して磁気抵抗の高い永久磁石３７を介在させることにより、磁束が通過することを制限するように独立させてロータスロット２３内に配置している。

このことから、リラクタンスモータ１０は、回転品質を向上させることができるとともに、ＩＰＭモータと遜色のないトルクが得られる。
具体的には、一般的なリラクタンスモータの改良版である、支持部３３や永久磁石３７Ａ、３７Ｂが配置されていない図９に示すリラクタンスモータ１０Ｄと、ロータティースを形成することなく、ロータ側にはＶ字に永久磁石１３７を埋め込んだ図１０に示す所謂ＩＰＭモータ１００と、を比較することにより明らかである。
例えば、トルクを示す図１１を確認すると、リラクタンスモータ１０は、回転を開始して安定回転に移行した後には、リラクタンスモータ１０Ｄよりも大きくトルクを向上させてＩＰＭモータ１００と同等になり、また、トルクリプルはリラクタンスモータ１０Ｄよりも大きく抑えてＩＰＭモータ１００よりも小さくすることができている。
また、電磁石極コイル２８での界磁電流特性を示す図１２を確認すると、リラクタンスモータ１０は、従来、損失となっていた空間高調波成分を界磁エネルギ源としてリラクタンスモータ１０Ｄよりも効果的に回収するとともに、その界磁電流の脈動も大幅に低減できていることが分かる。
この結果、リラクタンスモータ１０は、トルクリプルに起因して発生するステータ１１の電磁振動（収縮・膨張をするｋ＝０の振動モード）も低減させて、モータの電磁振動および電磁騒音も低減できる。

すなわち、リラクタンスモータ１０は、同一のコアサイズ（ロータ径）のリラクタンスモータ１０ＤとＩＰＭモータ１００よりも高品質な回転と高トルクを得ることができ、ＩＰＭモータ１００よりも永久磁石の使用量を低減しつつ、同一の駆動条件で同等のトルク密度で回転させることができる。
また、所謂、集中リラクタンスモータは、一般的に、構造的な要因に起因して磁気抵抗の変動に伴う脈動が大きいことから、その脈動の低減が難しかった。しかしながら、リラクタンスモータ１０は、損失エネルギで励磁する誘電子極コイル２７と、その励磁エネルギで自己励磁可能な電磁石極コイル２８とを備えるのに加えて、その誘電子極コイル２７とロータ２１との間に極少量の永久磁石３７Ａ、３７Ｂを挟み込むだけで、トルク低下の要因を極力小さくして電機子反作用を最大限に利用することができ、トルクリプルをＩＰＭモータ１００よりも大幅に低減することができる。

ここで、リラクタンスモータは、一般的に、ステータ１１とロータ２１との間で磁気結合しつつ相対回転することにより周方向の電磁力を発生させて所望のトルクで回転するが、図９に示すリラクタンスモータ１０Ｄでは、誘電子極コイル２７に鎖交する磁束がロータ２１の内部（回転軸側）に流れて径方向に還流することを抑制するために、その誘電子極コイル２７を単に磁気的に独立させる構造としていた。
しかし、このような構造では、誘電子極コイル２７に鎖交した磁束を積極的にステータ１１側に戻して磁気結合させることができず、ステータティース１２と誘電子極コイル２７との間で磁気結合するにしても全周に亘って効率的に磁気力が発生しておらず、相対的な位置関係によっては半分（６極／１２極）のトルクしか得られていないタイミングが存在する。このため、磁気抵抗の脈動も誘電子極コイル２７を設置するだけでは十分に低減することができていない。
これに対して、本実施形態のリラクタンスモータ１０では、突極比を下げることなく周方向の磁気力を増加させるために、永久磁石３７Ａ、３７Ｂを挟み込む形態で設置するだけで、誘電子極コイル２７に鎖交する磁束をステータ１１側に戻して効果的に磁気結合させることができ、磁気抵抗に起因する脈動を小さくするとともに、全周に亘って周方向の電磁力を発生させて高品質かつ高トルクで回転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側のステータスロット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、電機子極コイル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８とステータスロット数１２を組み合わせる８Ｐ１２Ｓ（Ｐ／Ｓ＝２／３）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。

本実施形態の他の態様としては、永久磁石３７Ａ、３７Ｂのみで誘導子極２７のコア材２７ａ内に外部から進入しようとする磁束を制限するだけでなく、図１３に示すように、永久磁石３７Ａ、３７Ｂに代えて、永久磁石５７Ａ、５７Ｂを設置するとともに、支持部３３にコイルを巻き付けて補助子極コイル７７を形成してもよい。この場合、永久磁石５７Ａ、５７Ｂは、磁気抵抗を確保する程度の厚さにするとともに、補助子極コイル７７には足りなくなる磁束を発生させるようにする。これにより、永久磁石３７Ａ、３７Ｂよりも極少量の永久磁石５７Ａ、５７Ｂと補助子極コイル７７とが、永久磁石３７Ａ、３７Ｂと同等に機能して、誘導子極２７のコア材２７ａ内に外部から磁束が進入しようとするのを制限することができる。
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ことが多用されているが、これに限るものではなく、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。
さらに、リラクタンスモータ１０のようなラジアルギャップ構造に限らずに、アキシャルギャップ構造に作製してもよい。この場合には、例えば、図１４に示すマルチギャップ型構造に作製すればよい。このマルチギャップ型構造では、ステータ１１側にはロータ２１の軸方向端面側に対面するアキシャルステータ３１を形成して、延長した電機子極コイル１４´を巻き掛ける。また、ロータ２１側には、軸方向端面側でそのアキシャルステータ３１に対面する誘導子極コイル４７をコア材４７ａに巻き掛ける構造を追加し、そのコア材４７ａとの間に不図示の永久磁石を挟み込ませればよい。
扁平の大径モータ構造に作製する場合には、インナステータとアウタ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。このダブルギャップ型モータ構造では、例えば、図１５に示すように、インナステータ５１に対面するロータ６１の内周面側には永久磁石８７を本実施形態と同様に挟み込む形態で誘導子極コイル６７を配置して損失エネルギを回収するとともに、アウタステータ７１に対面するロータ６１の外周面側には電磁石極コイル６８を配置して回収誘導電流を界磁電流としてトルクを発生させる。
さらに、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。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１０ リラクタンスモータ
１１ ステータ
１２ ステータティース
１２ａ 内周面
１３ ステータスロット
１４ 電機子極コイル
２１ ロータ
２２ ロータティース
２２ａ 外周面
２３ ロータスロット
２７、２７Ａ、２７Ｂ 誘導子極コイル
２７ａ コア材
２８、２８Ａ、２８Ｂ 電磁石極コイル
２９、２９Ａ、２９Ｂ ダイオード
３３ 支持部
３７、３７Ａ、３７Ｂ 永久磁石

Claims (4)

1. 複数相の駆動電流を入力する電機子極コイルが設けられているステータと、前記電機子極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を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、
   前記ステータの内周面に向かって延在して該内周面に外周面を対面させる複数本のロータティースと、
   当該ロータティースの間に形成されて該ロータティースにコイルを巻き掛ける空間のロータスロットと、
   前記電機子極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前記ロータスロット内の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、
   前記ロータティースに巻き掛けられて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、
   前記ロータと前記ステータとの間で鎖交する前記磁束が前記誘導子極コイル内に進入して通過しようとするのを制限する永久磁石と、
   を有することを特徴とするリラクタンスモータ。
2. 前記永久磁石の磁化方向が前記ロータの半径方向に一致しつつ前記電磁石極コイルの前記ロータティースへの巻付方向に応じて前記ロータスロット毎に交互に切り替わ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。
3. 前記誘導子極コイルは、前記ロータスロット内の前記ステータの内周面に近接する位置に設置され、
   前記永久磁石は、前記誘導子極コイルに隣接して前記ロータの回転軸側に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のリラクタンスモータ。
4. 前記永久磁石は、
   前記ロータスロットの底部中心から前記ロータの外周面側に向かって延長されている支持部と前記誘導子極コイルのコア材との間に挟まれる形態で支持されてい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。

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