JP6303311B2 - シンクロナスリラクタンスモータ - Google Patents

Description

本発明は、シンクロナス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。

シンクロナス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シンクロナスリラクタンスモータを提供することを目的としている。

本発明は、複数相の駆動電流が入力される電機子極コイルを有するステータと、前記電機子極コイルに発生する磁束が鎖交する複数の突極を有するロータと、を備えるシンクロナスリラクタンスモータであって、前記ロータは、前記電機子極コイルにおいて発生した前記磁束に重畳する空間高調波成分により誘導電流を発生す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が界磁電流として通電されることにより該ロータの回転力を補助する電磁力を発生する電磁石極コイルと、回転軸側から前記ステータの内周面側に向かって延在する複数のロータティースと、隣り合う前記ロータティース間に配置されているロータスロットと、前記ロータスロットの底部から前記ロータの外周面側に向かって延在する支持部と、前記ロータティースの外周面側において前記ロータスロット側に向かって延在する延長部と、前記延長部と前記支持部との間において前記ロータの外周面側に向かってＶ字型に設置される永久磁石と、を備え、前記永久磁石は、第１永久磁石および第２永久磁石を含み、当該第１永久磁石および第２永久磁石のうち、いずれか一方の永久磁石のロータ外周面側端部にＮ極が配置されており、他方の永久磁石のロータ外周面側端部にＳ極が配置されていることを特徴とするものである。

このように、本発明によれば、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ることができる。

図１は、本発明に係るシンクロナス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、その概略構成を示す一部拡大径方向断面図である。 図３は、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、ロータにおける電磁石極コイルと永久磁石を等価磁気回路で表したモデル図である。 図５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６は、図５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７は、図５に示す回路における図５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８は、図６と図７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９は、本実施形態のシンクロナスリラクタンスモータで得られる界磁電流によるトルクの上昇を示すグラフである。 図１０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。

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９は本発明に係る一実施形態のシンクロナス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２は、シンクロナス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。
（一般的なシンクロナスリラクタンスモータの基本構造）
図１および図２において、シンクロナス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。

シンクロナス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、シンクロナス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、シンクロナス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。

このシンクロナス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。

（本実施形態のシンクロナスリラクタンスモータの構造）
このことから、シンクロナス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の全体をコア材として有効利用して巻線を巻き付けて集中巻を形成することにより誘導子極コイル２７を配置するとともに、そのロータスロット２３の底部側に電磁石極コイル２８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、シンクロナスリラクタンスモータ１０は、図３に示す電機子極コイル１４による磁束ＭＧに加えて、その磁束ＭＧに重畳する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ＭＧ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、シンクロナス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。

ここで、シンクロナスリラクタンスモータ１０は、ロータティース２２を含めてロータ２１全体が電磁鋼板（磁性体）の積層構造を採用されることにより透磁率が高められて、ステータ１１との間で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。なお、このシンクロナスリラクタンスモータ１０では、ロータティース２２内を通過する磁束の方向がｄ軸となり、そのｄ軸と電気角において磁気的に直交する方向がｑ軸となる。

具体的には、シンクロナスリラクタンスモータ１０は、ロータ２１内に、ロータスロット２３よりも回転軸側に位置して巻線の巻付作業用の空間として機能する第２ロータスロット３３が形成されている。このシンクロナスリラクタンスモータ１０は、第２ロータスロット３３を分割するように、ロータスロット２３の底部側中心から回転軸側に向かって延長した連結部３５を形成することによりロータ２１が回転軸を中心にして回転する回転体を構成するように形成されている。すなわち、第２ロータスロット３３は、ロータスロット２３の背面側の連結部３５の回転方向の両側に位置して、ロータティース２２の回転軸側に位置する空間に形成されている。
そして、シンクロナスリラクタンスモータ１０は、ロータスロット２３と第２ロータスロット３３の間をコア材（電磁石コア）２８ａとして、連結部３５の両側のロータスロット２３毎に集中巻線することによりロータスロット２３の底部側に電磁石極コイル２８が配置されている。

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。

電磁石極コイル２８は、誘導子極コイル２７から誘導電流（界磁電流）を受け取って自己励磁したときに、図４に等価磁気回路として図示するように、ロータ２１内でｑ軸と直交する磁化方向Ｄ３、Ｄ４の電磁石２８Ｍとして機能する。この電磁石極コイル２８は、両端部の磁極のＮ極とＳ極がロータスロット２３の背面側では連続して互いに対向する位置関係になるように形成することにより１つの電磁石２８Ｍとして機能するようになっており、また、ロータティース２２の回転軸側ではＮ極同士またはＳ極同士が互いに対向する位置関係になるように形成されている。
これにより、図３に示すように、ステータ１１のステータティース１２からロータ２１のロータティース２２に鎖交した磁束は、積極的に電磁石極コイル２８内（コア材２８ａ）のｄ軸を磁路として通過した後に隣接するロータティース２２を抜けてステータティース１２に鎖交することができる。また、電磁石極コイル２８の自己励磁による磁束も、同一方向の磁路を通してロータティース２２からステータティース１２に鎖交させることができる。よって、シンクロナスリラクタンスモータ１０では、反時計回り（counterclockwise）方向にロータ２１を効果的に回転させるリラクタンストルクを効果的に発生させることができる。

このシンクロナスリラクタンスモータ１０は、ロータスロット２３内に、ロータティース２２の外周面２２ａ側の回転方向に対する端部をロータスロット２３の内部側に向かってそれぞれ延長した第１、第２ブリッジ（延長部）３２Ａ、３２Ｂと、ロータスロット２３のｑ軸上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３４と、を備えることにより永久磁石３７Ａ、３７Ｂを挟み込む形態で支持するようになっている。
詳細には、永久磁石３７Ａ、３７Ｂは、Ｎ極とＳ極の間の磁化方向Ｄ１、Ｄ２の厚さがその磁化方向Ｄ１、Ｄ２に対する直交方向の厚さと同等になるように形成されており、従来のＩＰＭ型モータでロータ内に埋め込む永久磁石よりも大幅に薄いブロック形状に形成されている。

ロータ２１の外周面側の第１、第２ブリッジ３２Ａ、３２Ｂには、ロータスロット２３の中心側に対面する支持斜面３２ｓが形成されるとともに、ロータ２１の回転軸側の支持部３４には、その支持斜面３２ｓに対面して永久磁石３７Ａ、３７Ｂを収容する支持溝３４ｓが形成されている。
この構造により、永久磁石３７Ａ、３７Ｂは、支持溝３４ｓ内に嵌め込んで支持斜面３２ｓで押えるようにして磁化方向Ｄ１、Ｄ２がロータ２１の外周面側に向かってＶ字型に開く形態で支持されている。

また、支持部３４には、支持溝３４ｓ間をロータ２１の外周面側（半径方向）に延長した薄板の補強ブリッジ３４ｂが一体形成されているとともに、第１、第２ブリッジ３２Ａ、３２Ｂには、ロータスロット２３の内部側にさらに延長して回転軸側に屈曲させその補強ブリッジ３４ｂに連続する薄板の補強ブリッジ３２ｂが一体形成されている。
この構造により、第１、第２ブリッジ３２Ａ、３２Ｂは、補強ブリッジ３２ｂがそれぞれ補強ブリッジ３４ｂに連結されることによりロータスロット２３内を外部に向かって開放する形態のままにされる場合よりも、回転時に加わる遠心力などでも変形してしまうことを抑制することができる。
この補強ブリッジ３２ｂ、３４ｂは、薄板形状に形成されていることからステータ１１側から流れ込む磁束量を少なく抑えることができ、また、補強ブリッジ３２ｂは、外周面側にステータ１１に対する磁気抵抗を大きくする溝形状３２Ｄを備えさせてステータ１１から磁束が流れ込むのを制限するようになっている。
さらに、補強ブリッジ３２ｂ、３４ｂは、磁気抵抗の高い永久磁石３７Ａ、３７Ｂを介在させることにより、ロータティース２２に対する磁気的な独立性が高められており、ロータティース２２の突極比の低下を抑えつつ永久磁石３７Ａ、３７Ｂを信頼性高くロータスロット２３内に配置することを実現している。

また、永久磁石３７Ａ、３７Ｂは、ロータスロット２３毎の電磁石極コイル２８の組数と同一の極数になるように設置されており、図３や図４に示すように、その磁化方向Ｄ１、Ｄ２を電磁石極コイル２８により促進される磁束の鎖交方向に合わせるように（電磁石極コイル２８の巻付方向に応じて）、Ｎ極とＳ極とが交互に支持部３４側で連続してループ状の磁束を形成するように設置されている。
この永久磁石３７Ａ、３７Ｂ付近を通過する磁束は、図３に示すように、補強ブリッジ３２ｂを、ｑ軸とｄ軸の間に位置してループ状の磁路を形成する鉄心として機能させて、ギャップＧを介してステータ１１側からロータ２１側に鎖交した後に再度ステータ１１側に戻る経路を積極的に選択して、リラクタンストルクを効果的に発生させるようになっている。
このとき、永久磁石３７Ａ、３７Ｂが備える磁力（磁束）もギャップＧを介してロータ２１側からステータ１１側に鎖交させて周方向に作用するマグネットトルクを発生させることができ、ロータ２１を回転させるリラクタンストルクを補助することができる。

これにより、ステータ１１からロータ２１に鎖交する磁束は、ロータスロット２３の配置領域においても、積極的にステータティース１２からロータティース２２に鎖交させた後に戻すように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反時計回りに効率よく回転させることができる。永久磁石３７Ａ、３７Ｂは、ステータ１１からロータ２１への磁束の鎖交方向を促す磁力でも十分であることから、従来のＩＰＭモータよりも極少量で十分である。すなわち、永久磁石３７Ａ、３７Ｂは、磁力の大きなネオジウム磁石に限らず、フェライト磁石やアルニコ磁石など永久的に磁力が固定されている種別のものを適宜選択すればよい。

そして、電磁石極コイル２８は、図５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を形成している。

これにより、シンクロナス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（ロータティース２２）に、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、シンクロナスリラクタンスモータ１０は、励磁用と電磁石用とを共通のコイルにすると互いに干渉して弱め合ってしまう磁束を、その励磁用の誘導子極コイル２７および電磁石用の電磁石極コイル２８として分割して独立させることで、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、シンクロナス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１８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９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。
このシンクロナスリラクタンスモータ１０では、図５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６〜図８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６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７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６と図７に示す誘導電流を合成した図８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。
ここで、シンクロナスリラクタンスモータ１０は、図６や図７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。

このように、シンクロナスリラクタンスモータ１０は、電機子極コイル１４で発生させる磁束をステータティース１２からロータティース２２に鎖交させることによるリラクタンストルクでロータ２１が回転する。
このとき、シンクロナスリラクタンスモータ１０では、図９に示すように、誘導子極コイル２７に磁束の空間高調波成分が鎖交することにより、電磁石極コイル２８に供給する界磁電流が発生して、従来、損失となっていた空間高調波を界磁エネルギ源として回収できていることが分かり、その界磁電流が上昇するにつれて、そのリラクタンストルクも上昇していることが分かる。
なお、図９は、時間高調波を考慮しない正弦波電流源で行った磁界解析結果を示すグラフであり、上段のトルクが下段の界磁電流の振幅に連動していることが分かるように、トルクと界磁電流の振幅の対応するもの同士の一部を破線で繋げている。
したがって、シンクロナスリラクタンスモータ１０では、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な集中リラクタンスモータに比べて、従来、損失となっていた空間高調波を界磁エネルギ源として回収することができ、永久磁石の使用量を転減しつつ、所謂、ＩＰＭモータに近いトルクを得ることが実現することができ、また、脈動の抑えられた高品質な回転を実現して、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。

そして、シンクロナス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、シンクロナス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、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、シンクロナス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、シンクロナス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、シンクロナス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、シンクロナス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１０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、図示することは省略するが、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、インナステータ側に誘導子極コイルを配置して損失エネルギを回収し、アウタステータ側に電磁石極コイルを配置してトルクを発生させる構造とすることでも大幅にトルクを向上させることができる。また、ダブルギャップ型に限らず、シングルステータ構造では、ラジアルギャップ方向に電磁石極コイルを配置し、アキシャルギャップ方向に誘導子極コイルを配置した構造とすることでも大幅にトルクを向上させることができる。
さらに、シンクロナス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。
また、本発明の第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、主回転力と補助回転力とで回転するロータは、埋め込まれている永久磁石がステータに対して磁気力を働かせて協働させることにより、より大きな力で回転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利用しつつ、永久磁石の磁気力と協働して、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シンクロナスリラクタンスモータのトルクを向上させつつ、永久磁石の磁気力をも利用してロータを回転させることができる。
また、本発明の第２の態様によれば、永久磁石はロータティース間のロータスロット内に配置される。このため、永久磁石の設置の有無に影響なく、所望の寸法形状にロータティースを作製して最適な突極比にすることができ、また、永久磁石に影響されることなく、空間高調波成分を鎖交させることができる。したがって、リラクタンストルクを有効に発生させることができる。
また、誘導子極コイルを巻き掛けるロータティース間に永久磁石を配置するので、単なる空隙にすることなく、ロータの外周面の周方向における磁束の変動を小さくすることができ、ロータティース間でもステータに対して磁束を鎖交させることができる。したがって、ロータを回転させるトルクの脈動を小さくすることができ、高品質な回転を実現することができる。
また、本発明の第３の態様によれば、回転軸側となるロータスロット底部の電磁石コアに電磁石極コイルを巻き掛けることにより、その電磁石極コイルに妨げられることなく、空間高調波成分を含む磁束が鎖交するロータの外周面側に十分なコイルターン数の誘導子極コイルを配置することができる。
したがって、磁束の空間高調波成分を有効に効率よく回収することができ、電磁石トルクを有効に発生させることができる。
また、本発明の第４の態様によれば、ロータスロット底部の電磁石コアの両端部をＮ極およびＳ極にする電磁石極コイルがロータティースの両隣で対称となる位置関係となる電磁石として機能することができ、ロータティース内を磁路としてステータ側との間で鎖交させる磁束を発生・案内することができる。したがって、ロータティースでトルクを有効に発生させることができる。
また、永久磁石がロータティース間の外周面側に位置してステータとの間にループ状の磁路を形成し鎖交させるので、磁気力がロータの回転力として寄与する。したがって、永久磁石の磁力も有効に利用してトルクを効率よく発生させることができる。
また、本発明の第５の態様によれば、ロータの外周面側に向かってＶ字型に開くように設置されている第１、第２永久磁石の一端側のＮ極とＳ極の間に、ステータとの間でループ状に鎖交する磁束を形成するので、第１、第２永久磁石を支持する第１、第２延長部を利用してステータとの間で鎖交する磁束を積極的に案内することができ、ロータの外周面を広く使って磁束を鎖交させることができる。
したがって、脈動を大きくすることなく、トルクを発生させることができる。また、第１、第２延長部間を繋げた場合には、ステータティース間の磁気抵抗の変化を緩やかにして、より高品質なトルクを発生させるようにすることもできる。

１０ シンクロナス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、２８ａ コア材
２８、２８Ａ、２８Ｂ 電磁石極コイル
２９、２９Ａ、２９Ｂ ダイオード
３２Ａ、３２Ｂ ブリッジ
３２Ｄ 溝形状
３２ｂ、３４ｂ 補強ブリッジ
３２ｓ 支持斜面
３４ 支持部
３４ｓ 支持溝
３５ 連結部
３７Ａ、３７Ｂ 永久磁石

Claims (4)

1. 複数相の駆動電流が入力される電機子極コイルを有するステータと、前記電機子極コイルに発生する磁束が鎖交する複数の突極を有するロータと、を備えるシンクロナスリラクタンスモータであって、
   前記ロータは、
   前記電機子極コイルにおいて発生した前記磁束に重畳する空間高調波成分により誘導電流を発生す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が界磁電流として通電されることにより該ロータの回転力を補助する電磁力を発生する電磁石極コイルと、
   回転軸側から前記ステータの内周面側に向かって延在する複数のロータティースと、
   隣り合う前記ロータティース間に配置されているロータスロットと、
   前記ロータスロットの底部から前記ロータの外周面側に向かって延在する支持部と、
   前記ロータティースの外周面側において前記ロータスロット側に向かって延在する延長部と、
   前記延長部と前記支持部との間において前記ロータの外周面側に向かってＶ字型に設置される永久磁石と、を備え、
   前記永久磁石は、第１永久磁石および第２永久磁石を含み、
   当該第１永久磁石および第２永久磁石のうち、いずれか一方の永久磁石のロータ外周面側端部にＮ極が配置されており、他方の永久磁石のロータ外周面側端部にＳ極が配置されていることを特徴とするシンクロナスリラクタンスモータ。
2. 前記誘導子極コイルは、前記ロータティースに巻き掛けて形成されるとともに、前記ロータスロット内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。
3. 前記ロータは、
   前記ロータスロットの底部に前記電磁石極コイルを巻き掛ける電磁石コアが形成されており、
   前記誘導子極コイルは、前記ロータティースの外周側に配置されており、
   前記電磁石極コイルは、前記ロータティースの回転軸側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。
4. 前記電磁石極コイルは、
   前記ロータティースを挟んでＮ極同士およびＳ極同士を対向させるように設置され、
   前記永久磁石は、
   前記ロータスロット内において前記ロータの外周面側に設置されていることを特徴とする請求項３に記載のシンクロナスリラクタンスモータ。

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