JP6304478B2 - リラクタンスモータ - Google Patents

Description

近年、エネルギー問題などが顕在化し、エアコンの高効率化が進められ、モータを使用したハイブリッド自動車、電気自動車の普及、開発も進められている。また、産業用モータに関する高効率化の規制なども注目されている。本発明はこれらのモータおよびその駆動技術の改良に関わるものである。すなわち、モータの高効率化、小型化、低コスト化、および、モータ駆動の低コスト化に関わるものである。

ハイブリッド自動車の主機モータや産業機械用の高精度、高応答モータ、そして、エアコンなどの家庭電化製品用のモータとして、永久磁石型の同期モータが多く使用されている。その一方で、リラクタンスモータの開発も進められ、製品化されてきている。リラクタンスモータの特徴は、高価な希土類磁石を必要としないので低コストであること、巻線が簡素な集中巻なので巻線巻回が容易であること、巻線占積率が高められるので巻線抵抗を小さくできること、コイルエンドのロータ軸方向長さが短くできること、堅牢なロータ構成であることから高速回転化により小型化、低コスト化できることなどの長所がある。
図２９は、ステータの磁極が６個でロータの磁極が４個のスイッチトリラクタンスモータである。２９９はステータ、２９Ｂはロータ軸である。２９Ａはロータの突極磁極で、３０°幅で、全周に等間隔に４か所配置している。２９１はＡ相のステータ磁極で、集中巻巻線２９７、２９８を巻回している。２９２もＡ相のステータ磁極で、２９１と２９２が同時を励磁してロータに磁束を通過させる。２９３、２９４はＢ相ステータ磁極で、２９５、２９６はＣ相ステータ磁極で、それぞれに励磁用巻線を巻回している。この回転位置から反時計回転方向ＣＣＷへ回転するためには、Ｂ相ステータ磁極２９３と２９４励磁してロータの突極磁極を吸引してトルクを発生させる。次に、Ｃ相ステータ磁極２９５、２９６を励磁してＣＣＷへ回転する。次に、Ａ相ステータ磁極２９１、２９２を励磁してＣＣＷへ回転する。このように順次ステータ磁極を励磁することにより、連続的な回転トルクを発生させることができる。
しかし、図２９のスイッチトリラクタンスモータは、回転全域にわたって、使用する巻線は全巻線の１／３であり、巻線の利用率が１／３と低い。実質的に巻線抵抗が大きくなる問題がある。励磁電流の入り切り、磁束の増減が急激になり、ステータ及びロータが急激に歪むため振動、騒音が大きくなる問題がある。モータの磁束を誘起する励磁電流が必要なため、小さな電流領域でのトルクが小さく、その領域では効率が低いという問題がある。
図２９は３相のリラクタンスモータの例であるが、単相のリラクタンスモータや２相のリラクタンスモータもある。特許文献２では環状巻線を備える単相および２相のリラクタンスモータの例が見られる。モータ構成が単純で、製作が容易で、モータ各部を駆動に活用する利用率を高くすることができる。しかし、これらの単相および２相では連続トルクを得ることが難しく、ロータ磁極の部分的な変形により、ステータ磁極とロータ磁極の間のエアギャップの大きさを工夫することなどが行われている。その結果、トルクリップルが大きくなるなどの問題がある。

特開２０１３−１５０４９２号公報（図２） 再公表特許ＷＯ２００６／１２３６５９（図６、図７）

請求項１が解決しようとする課題は、各ステータ磁極がトルクを発生する回転角幅の拡大とトルクリップルの低減である。
請求項２が解決しようとする課題は、請求項1のモータのトルクの向上、トルクリップルの低減である。
請求項３が解決しようとする課題は、請求項1のモータの巻線構造の改良、高効率化、駆動インバータの簡素化、低コスト化である。
請求項４が解決しようとする課題は、請求項1のモータの巻線構造の改良、高効率化、駆動インバータの簡素化、低コスト化である。
請求項５が解決しようとする課題は、請求項1における簡素なモータ構成の実現である。
請求項６が解決しようとする課題は、請求項1のモータのトルクの向上とトルクリップルの低減である。
請求項７が解決しようとする課題は、請求項1のモータのロータの製作方法の改良と騒音の低減である。
請求項８が解決しようとする課題は、請求項1のモータの歯を通過する磁束の量を増大することである。
請求項９が解決しようとする課題は、請求項1のモータの励磁電流の負担を軽減することである。
請求項１０が解決しようとする課題は、請求項1のモータの形態を変形し、環状巻線とクローポール状の磁路で構成して簡素化と低コスト化を行うことである。

請求項１に記載の発明は、Ａ相のステータ磁極と、Ａ相とは電気角で１８０°の位相差であるＡ／相のステータ磁極と、Ａ相とは電気角で９０°の位相差であるＢ相のステータ磁極と、Ａ相とは電気角で２７０°の位相差であるＢ／相のステータ磁極と、４個以上のステータ磁極と、各ステータ磁極を励磁する巻線と、ロータの円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてそのラジアル方向の磁気抵抗平均値Ｒ１Ｒが最も大きい第１の回転部と、前記第１の回転部の円周方向に隣接して配置された第２の回転部と、前記第２の回転部の円周方向に隣接して配置された第３の回転部とを備え、前記第２の回転部の円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてそのラジアル方向の磁気抵抗平均値Ｒ２Ｒが前記第３の回転部の円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてそのラジアル方向の磁気抵抗平均値Ｒ３Ｒの１５％から８５％の値であり、前記第１の回転部と前記第２の回転部と前記第３の回転部とで構成した第１のロータ磁極と、前記第１のロータ磁極と同様形状で電気角で１８０°の位相差である第２のロータ磁極とを備え、前記各相のステータ磁極の円周方向幅ＳＳＷは、電気角で９０°以下であり、ロータの前記第２の回転部と前記第３の回転部との円周方向幅の合計が電気角で９０°以上であるリラクタンスモータの構成である。
この構成によれば、各ステータ磁極がトルクを発生する回転角幅の拡大とトルクリップルの低減を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記第１のロータ磁極および第２ロータ磁極をＮＮ１倍に多極化したロータ磁極と、
それぞれ（ＮＮ１−ＮＮ２）個の前記Ａ相のステータ磁極と、前記Ａ／相のステータ磁極と、前記Ｂ相のステータ磁極、および、前記Ｂ／相のステータ磁極を備えるリラクタンスモータの構成である。ここで、ＮＮ１は２以上の整数で、ＮＮ２は１以上で（ＮＮ１−１）以下の整数である。
この構成によれば、請求項1のモータのトルクの向上、トルクリップルの低減を行うことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１において、Ａ相のステータ磁極を励磁する電流成分をＩａとし、Ｂ相のステータ磁極を励磁する電流成分をＩｂとして、スロットに通電すべき電流が（Ｉａ＋Ｉｂ）のスロットへ電流Ｉｊを通電する巻線を巻回し、スロットに通電すべき電流が（Ｉａ−Ｉｂ）のスロットへ電流Ｉｋを通電する巻線を巻回し、スロットに通電すべき電流が（２×Ｉａ）のスロットへ電流Ｉｍを通電する巻線を巻回し、
スロットに通電すべき電流が（２×Ｉｂ）のスロットへ電流Ｉｎを通電する巻線を巻回し、前記のそれぞれの通電すべき電流の値の正負の符号が逆の場合は逆向きにした巻線を巻回するリラクタンスモータの構成である。
この構成によれば、請求項1のモータの巻線構造の改良、高効率化、駆動インバータの簡素化、低コスト化を行うことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記の電流Ｉｍを通電する巻線とはスロットへ電流Ｉｊを通電する巻線と電流Ｉｋを通電する巻線とを巻回して構成し、前記の電流Ｉｎを通電する巻線とは電流Ｉｊを通電する巻線と電流（−Ｉｋ）を通電する巻線とを巻回して構成するリラクタンスモータの構成である。
この構成によれば、請求項1のモータの巻線構造の改良、高効率化、駆動インバータの簡素化、低コスト化を行うことができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１、及び、請求項２において、少なくとも、前記Ａ相のステータ磁極円周方向位置と前記Ａ／相のステータ磁極円周方向位置とを相互に交換する配置構成、又は、前記Ｂ相のステータ磁極円周方向位置と前記Ｂ／相のステータ磁極円周方向位置とを相互に交換する配置構成のいずれか一方の配置構成であるリラクタンスモータの構成である。
この構成によれば、請求項1における簡素なモータ構成の実現することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１において、ロータの円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてそのラジアル方向の磁気抵抗平均値Ｒ１Ｒが大きい第１の回転部と、前記第１の回転部の円周方向に隣接して配置された第２の回転部と、 前記第２の回転部の円周方向に隣接して配置された第４の回転部と、 前記第４の回転部の円周方向に隣接して配置された第３の回転部とを備え、前記第４の回転部の円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてそのラジアル方向の磁気抵抗平均値Ｒ４Ｒが前記第３の回転部の磁気抵抗平均値Ｒ３Ｒの３０％から８５％の値であり、 前記第１の回転部と前記第２の回転部と前記第４の回転部と前記第３の回転部とで第３のロータ磁極を構成し、前記第３のロータ磁極と同様形状で１８０°の位相差である第４のロータ磁極を備え、各相のステータ磁極の円周方向幅ＳＳＷは、電気角で９０°以下であり、ロータの前記第２の回転部と前記第４の回転部と前記第３の回転部との円周方向幅の合計が電気角で９０°以上であるリラクタンスモータの構成である。
この構成によれば、請求項1のモータのトルクの向上とトルクリップルの低減を行うことができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１、および、請求項６において、前記第１の回転部の磁気抵抗平均値Ｒ１Ｒと前記第２の回転部の磁気抵抗平均値Ｒ２Ｒと前記第３の回転部の磁気抵抗平均値Ｒ３Ｒと前記第４の回転部の磁気抵抗平均値Ｒ４Ｒとを電磁鋼板に施す複数の穴や溝、および、細長い穴を用いてほぼ等価な磁気抵抗の比となるように作成し、前記電磁鋼板をロータ軸方向に積層するリラクタンスモータの構成である。
この構成によれば、請求項1のモータのロータの製作方法の改良と騒音の低減を行うことができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１において、円周方向に並んで配置する２個のステータ磁極において、歯の外径側から内径側へ通過する通電時の磁束方向が逆向きである２個のステータ磁極の歯の先端部近傍に前記磁束方向が逆向きとなるような磁束を供給する極性の永久磁石を備えるリラクタンスモータの構成である。
この構成によれば、請求項1のモータの歯を通過する磁束の量を増大することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１において、モータバックヨークに配置し、各ステータ磁極の磁束方向に向いた極性を持つ永久磁石を備え、前記永久磁石のＮ極はＮＮ３個のＮ極のステータ磁極へ磁気的に接続され、前記永久磁石のＳ極はＮＮ３個のＳ極のステータ磁極へ磁気的に接続されているリラクタンスモータの構成である。ここで、ＮＮ３は２以上の整数である。
この構成によれば、請求項1のモータの励磁電流の負担を軽減することができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１において、２個以上のＡ相ステータ磁極と、前記Ａ相ステータ磁極とはクローポール状に配置した２個以上のＡ／相ステータ磁極と、前記Ａ相のステータ磁極と前記Ａ／相のステータ磁極に交差するように配置して、両ステータ磁極を通過する磁束を励磁する電流を通電する環状巻線と、２個以上のＢ相ステータ磁極と、
前記Ｂ相ステータ磁極とはクローポール状に配置した２個以上のＢ／相ステータ磁極と、
前記Ｂ相のステータ磁極と前記Ｂ／相のステータ磁極に交差するように配置して、両ステータ磁極を通過する磁束を励磁する電流を通電する環状巻線と、前記Ａ相ステータ磁極と前記Ａ／相のステータ磁極とが電磁気的に作用するロータ部ＲＡＡと、前記Ｂ相ステータ磁極と前記Ｂ／相のステータ磁極とが電磁気的に作用するロータ部ＲＢＢとを備え、前記ロータ部ＲＡＡと前記ロータ部ＲＢＢとは機械的に結合し、前記Ａ相ステータ磁極を通る磁束と前記Ｂ相ステータ磁極を通る磁束とが分離する位置に前記各ステータ磁極を配置するリラクタンスモータの構成である。
この構成によれば、請求項1のモータの形態を変形し、環状巻線とクローポール状の磁路で構成して簡素化と低コスト化を行うことができる。

本発明のリラクタンスモータは、Ａ相、Ａ／相、Ｂ相、Ｂ／相などのステータ磁極で構成する簡素な構成のリラクタンスモータでありながら、新規なロータ構造とすることにより各ステータ磁極が駆動可能な回転角幅を広げ、トルクリップルの少ない連続トルクを実現することができる。騒音も低減することができる。さらに、ステータの配置構造の改良により各歯の磁路スペースと巻線スペースを確保することにより、大きな磁束密度、大きな電流通電を可能とし、リラクタンスモータの高トルク化、高効率化を可能とする。また巻線の構成方法、通電方法の改良により、銅損の低減、モータの製作性の改善、駆動用インバータの小型化低コスト化を可能とする。その他、ステータの各歯を通過できる磁束の量の拡大、各ステータ磁極の励磁負担を軽減を、永久磁石の付加により実現し、リラクタンスモータの小型化、低コスト化を行うことができる。

モータ 展開図 電圧、電流、トルク特性 駆動回路 モータ 展開図 電圧、電流、トルク特性 モータ モータ モータ モータ モータ モータ 組み合わせ モータ モータ モータ モータ 駆動回路 駆動回路 駆動回路 展開図 電圧、電流、トルク特性 展開図 電圧、電流、トルク特性 ロータ ステータ モータ 従来モータ

本発明の目的は、簡素で高効率、小形、低コストなリラクタンスモータを得ることである。リラクタンスモータの駆動回路まで含めたモータシステムとして低コストでなければ意味が無く、その観点で駆動法まで含めたリラクタンスモータとして評価する。本発明では、片方向のトルクを優先した構成のリラクタンスモータに関する。

図１に本発明のリラクタンスモータの例を示す。１３はステータ、１４はロータ軸である。１５と１６はロータ磁極であり、軟磁性体を使用していて、ロータ表面の磁気抵抗は円周方向に値が異なる特性としている。その円周方向幅１２が１２０°の例であり、後に図２にその形状、特性を示し説明する。

１７はＡ相のステータ磁極である。１８はＡ／相のステータ磁極であり、Ａ相とは逆相の関係である。１７と１８のステータ磁極幅１１は６０°の例である。１Ｂと１ＣはＡ相ステータ磁極１７を励磁するＡ相巻線で、図示する電流シンボルの方向に電流を通電する。１Ｅと１ＦはＡ／相ステータ磁極１８を励磁するＡ／相巻線で、図示する電流シンボルの方向に電流を通電する。各巻き線は１Ｄと１Ｇの破線で示すように、各ステータ磁極へ集中巻きとしている。１７と１８の両ステータ磁極は同時に励磁され、励磁磁束がＡ／相ステータ磁極１８を通り、ロータ磁極１６と１５を通り、Ａ／相ステータ磁極１７を通り、ステータバックヨークを介して一巡する。

１９はＢ相のステータ磁極である。１ＡはＢ／相のステータ磁極であり、Ｂ相とは逆相の関係である。１９と１Ａのステータ磁極幅はＡ相、Ａ／相と同様であり、６０°の例である。１Ｊと１ＨはＢ相ステータ磁極１９を励磁するＢ相巻線で、図示する電流シンボルの方向に電流を通電する。１Ｍと１ＬはＢ／相ステータ磁極１Ａを励磁するＢ／相巻線で、図示する電流シンボルの方向に電流を通電する。各巻き線は１Ｋと１Ｎの破線で示すように、各ステータ磁極へ集中巻きとしている。１９と１Ａの両ステータ磁極は同時に励磁され、励磁磁束がＢ／相ステータ磁極１Ａを通り、ロータ磁極１６と１５を通り、Ｂ／相ステータ磁極１９を通り、ステータバックヨークを介して一巡する。

次に、図１のモータの動作を、図２の展開図を用いて説明する。図２は、図１のステータとロータ間のエアギャップ面のそれぞれの対向する形状を、円周方向を水平展開して示す図である。図２の水平軸は図１で反時計回転方向ＣＣＷの円周方向の回転角θｒで、縦軸はロータ軸方向を示している。円周方向回転角θｒの０°の回転角位置は、図１のＡ相ステータ磁極１７の時計方向端としている。図２の（ａ）は、図１のステータの内周面形状を水平展開した図であり、２１はＡ相ステータ磁極１７のロータに対向する面の形状である。同様に、２２はＢ相ステータ磁極１９、２３はＡ／相ステータ磁極１８、２３はＢ／相ステータ磁極１Ａのそれぞれのロータに対向する面の形状である。それぞれのステータ磁極の円周方向幅は６０°で、それぞれの周期は９０°に示している。

なお、本発明のリラクタンスモータは、ステータとロータ間のリラクタンス（磁気抵抗）の円周方向変化を利用して回転トルクを得る。ステータ磁極とロータ磁極とが対向し、磁束通過を容易とする両者の対向面積が磁束の通し易さであるパーミアンス（１／磁気抵抗）に比例するという考え方である。巻線に通過する磁束φの時間変化率ｄφｄｔと巻線の巻回数の積が巻線の電圧であり、通電する電流と前記電圧の積が入力パワーである。モータ内の損失を無視すると、モータの出力パワーはトルクと回転角周波数（回転速度）の積なので、電圧と電流が決まればトルクが計算される。

図２の（ｂ）は、ロータ磁極１５、１６のステータに対向する面の形状を示している。２５はロータ磁極１５のステータに対向する面の形状であり、３６０°位相が異なる位置に記載して破線で示す２７と同一のものである。２６はロータ磁極１６のステータに対向する面の形状であり、２５とは１８０°の位相差である。図１のロータ磁極１６、１６の反時計回転方向ＣＣＷは、図２の紙面で左から右側の方向である。なお、図２の（ａ）に示すロータ２５の回転角位置は、図１に示すロータ１５の回転角位置とは異なっており、ロータ１５の反時計回転方向端がロータ回転角θｒ＝０°にさしかかった回転角位置である。ロータ磁極１５の回転角位置θｒは、ロータ磁極１５の反時計回転方向の端を０°と定義して説明する。また、ロータに作用するトルクの方向は、反時計回転方向ＣＣＷに発生するトルクを優先しており、ＣＣＷトルクの発生に都合の良い形状としている。なお、時計回転方向ＣＷのトルクは、ロータ回転角位置θｒにより不連続なトルクとなる。

図２の（ｂ）に示すロータ磁極２５の右端であるロータ位置θｒは０°近傍にあり、Ａ相巻線１７、１８へＡ相電流Ｉａを通電し、Ａ／相巻線１Ｅ、１ＦへＡ／相電流−Ｉａを通電することにより磁気的な吸引力が発生し、図１でＣＣＷのトルク、図２の紙面で右側方向のトルクＴ２を発生する。ロータ位置θｒが０°から６０°までは同一のトルクＴ２を発生することができる。ここで、ロータ位置θｒが６０°の位置、即ち、図２の（ｃ）のロータ磁極２５の回転位置で、ステータ磁極２１に対向する部分のロータ磁極２５のロータ軸方向幅Ｗ２は小さく、２５の他の部位のロータ軸方向幅Ｗ３の１／２としている。なお、発生するトルクの大きさは、ロータ磁極２５がステータ磁極２１に対向する面積ＳＳＲの回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒとＡ相電流Ｉａに関わった値となる。トルクの関係式は、ステータとロータの間の3次元的な漏れ磁束の影響、磁気エネルギーの大きさ、磁性材料の非線形性などにより単純な比例関係ではないが、以降の説明では、単純論理的におおよそ比例するものとして説明する。

図２の（ｃ）は、ロータ磁極２５のロータ位置θｒ＝６０°の状態を示している。この状態では、ステータ磁極２１に対向してさしかかる部分のロータ磁極２５のロータ軸方向幅がＷ２からＷ３へ変わる回転角位置であり、その幅の差分（Ｗ３−Ｗ２）＝Ｗ２となるので、発生トルクＴ３はロータ回転位置θｒが０°から６０°の間と同じトルクＴ２が発生する。そして、この関係は、ロータ回転位置θｒが６０°から１２０°の間に渡って保たれ、トルクＴ３を発生する。

図２の（ｄ）は、ロータ磁極２５のロータ回転位置θｒ＝９０°の状態を示している。前記のように、トルクＴ３＝Ｔ２を発生する。このモータでは、ステータ磁極２１の円周方向幅が６０°であり、６０°でありながらステータ磁極２１を励磁して９０°以上の間トルクを発生できること、そして、各ステータ磁極を交互に励磁すれば全周に渡って連続したトルクを発生できることを意味し、その観点で駆動条件の境界となる角度である。

また、ロータ磁極２５のロータ回転位置θｒ＝９０°では、Ｂ相のステータ磁極１９とＢ／相ステータ磁極１ＡもＢ相の励磁電流ＩｂによりＣＣＷトルクＴ２の発生を開始できるロータ回転位置θｒである。ロータ回転位置θｒが９０°から１２０°までは、Ａ相、Ａ／相とＢ相、Ｂ／相の両方がトルクを発生できる区間である。同様に、θｒが０°から３０°の間、θｒが１８０°から２１０°の間、θｒが２７０°から３００°の間でもＡ相、Ａ／相とＢ相、Ｂ／相の両方がトルクを発生できる。

図２の（ｅ）は、ロータ磁極２５のロータ位置θｒ＝１２０°の状態を示している。この角度までＣＣＷトルクを発生することができ、逆に、Ａ相電流Ｉａを通電した状態でロータ回転位置θｒが１２０°を越えると、ＣＷトルクが発生する。従って、ＣＷトルクが発生しないように制御するためには、ロータ回転位置θｒが１２０°を越える前にＡ相電流Ｉａを減少して零にする必要がある。

Ｂ相のステータ磁極１９とＢ／相ステータ磁極１Ａである２２、２４も、Ａ相、Ａ／相とは９０°の位相遅れで、Ｂ相の励磁電流ＩｂによりＣＣＷトルクＴ２を発生することができる。従って、交互に駆動することにより、全周にわたって、ＣＣＷトルクＴ２を発生することができる。

図３は、図２で説明したモータ動作時の電圧特性と電流特性およびトルク特性の例である。図３の（ａ）と（ｃ）の水平軸はロータ回転角で、縦軸は誘起電圧である。図３の（ｂ）と（ｄ）の水平軸はロータ回転角で、縦軸は電流である。図３の（ｅ）の水平軸はロータ回転角で、縦軸はトルクである。図３の（ａ）は、ロータ回転位置θｒが０°から１２０°の間と１８０°から３００°の間においてＡ相電流Ｉａを一定値として通電した時のＡ相巻線の誘起電圧の例である。前記の面積ＳＳＲの回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒとＡ相電流Ｉａに関わった値となる。図３の（ａ）に示す負電圧は、Ａ相電流を減少するときにモータの磁気エネルギーを回生する現象として発生する負電圧である。なお、電流の減少方法、回転数などにより負電圧の形状は大きく変化する。図３の（ｃ）は、図３の（ａ）と同様に、ロータ回転位置θｒが９０°から２１０°の間と２７０°から３９０°すなわち３０°の間においてＢ相電流Ｉｂを一定値として通電した時のＢ相巻線の誘起電圧の例である。

図３の（ｂ）は、Ａ相電流Ｉａの通電例であり、この間ではほぼＡ相電流Ｉａに類似した形状のトルクが発生する。図３の（ｄ）は、Ｂ相電流Ｉｂの通電例であり、この間ではほぼＢ相電流Ｉｂに類似した形状のトルクが発生する。図３の（ｂ）と（ｄ）ではＡ相電流ＩａとＢ相電流Ｉｂが丁度交互に流れるように通電している。図３の（ｅ）はＡ相のトルクとＢ相のトルクとを加算した値であり、均一なモータトルクを発生できることを示している。この結果、９０°に満たない６０°の４個のＡ相ステータ磁極１７、Ａ／相ステータ磁極１８、Ｂ相ステータ磁極１９、Ｂ／相ステータ磁極により、片方向の連続トルクの発生方法を示した。そして、原理的には、トルクリップルの無い高品質な回転トルクを得ることができる。

図４は、前記のＡ相電流ＩａとＢ相電流Ｉｂを通電するインバータの例である。リラクタンスモータであるため、両電流共に片方向電流で駆動することができる。３Ｘはモータ制御装置、３７は直流電圧源、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は電流Ｉａを通電する電力制御素子で、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子である。Ｔ１、Ｔ２をオンすることにより巻線４１へ流れる電流Ｉａを増加し、オフすることにより逆向きの２個のダイオードによりエネルギーを直流電圧源３７へ回生する。巻線４１は、図１のＡ相巻線１Ｂ、１Ｃ、Ａ／相巻線１Ｅ、１Ｆである。Ｔ３、Ｔ４をオンすることにより巻線４２へ流れる電流Ｉａを増加し、オフすることにより逆向きの２個のダイオードによりエネルギーを直流電圧源３７へ回生する。巻線４２は、図１のＢ相巻線１Ｊ、１Ｈ、Ｂ／相巻線１Ｍ、１Ｌである。簡素な回路で駆動することができる。

次に、図１のリラクタンスモータの発生トルクを向上するためステータ磁極の円周方向幅広げた例を図５に示す。図１のモータはトルクリップルのない連続トルクを得ることができるが、トルクの大きさでは図２に示したように、ロータ磁極のロータ軸方向幅が全長の１／２であるため、Ａ相巻線に鎖交する磁束φａの回転変化率ｄφａ／ｄθｒ、Ｂ相巻線に鎖交する磁束φｂの回転変化率ｄφｂ／ｄθｒが全域で１／２となり、図３の（ａ）、（ｃ）に示す電圧が１／２となる。ロータ磁極のロータ軸方向幅がその全長の長さであるモータに比較してトルクが１／２である。図５のモータでは、ステータ磁極の円周方向幅５１を７５°として広げることにより、平均トルクの向上を図っている。すなわち、回転全域での連続的にトルクを発生するという条件は満たしながら、ロータ回転角θｒの一部の回転角領域で磁束の回転変化率ｄφａ／ｄθｒ、ｄφｂ／ｄθｒを改善し、トルクの増加を図る。

ロータ磁極の円周方向磁極幅５２は１０５°である。５７はＡ相のステータ磁極である。５８はＡ／相のステータ磁極であり、Ａ相とは逆相の関係である。５７と５８のステータ磁極幅５１は７５°である。５Ｂと５ＣはＡ相ステータ磁極５７を励磁するＡ相巻線で、図示する電流シンボルの方向に電流を通電する。５Ｅと５ＦはＡ／相ステータ磁極５８を励磁するＡ／相巻線で、図示する電流シンボルの方向に電流を通電する。各巻き線は５Ｄと５Ｇの破線で示すように、各ステータ磁極へ集中巻きとしている。５７と５８の両ステータ磁極は同時に励磁され、励磁磁束がＡ／相ステータ磁極５８を通り、ロータ磁極５６と５５を通り、Ａ／相ステータ磁極５７を通り、ステータバックヨークを介して一巡する。

５９はＢ相のステータ磁極である。５ＡはＢ／相のステータ磁極であり、Ｂ相とは逆相の関係である。５９と５Ａのステータ磁極幅はＡ相、Ａ／相と同様であり、７５°である。５Ｊと５ＨはＢ相ステータ磁極５９を励磁するＢ相巻線で、図示する電流シンボルの方向に電流を通電する。５Ｍと５ＬはＢ／相ステータ磁極５Ａを励磁するＢ／相巻線で、図示する電流シンボルの方向に電流を通電する。各巻き線は５Ｋと５Ｎの破線で示すように、各ステータ磁極へ集中巻きとしている。５９と５Ａの両ステータ磁極は同時に励磁され、励磁磁束がＢ／相ステータ磁極５Ａを通り、ロータ磁極５６と５５を通り、Ｂ／相ステータ磁極５９を通り、ステータバックヨークを介して一巡する。

図６の（ａ）は、図５の内周面形状を水平展開した図であり、６１はＡ相ステータ磁極５７のロータに対向する面の形状である。同様に、６２はＢ相ステータ磁極５９、６３はＡ／相ステータ磁極５８、６４はＢ／相ステータ磁極５Ａのそれぞれのロータに対向する面の形状である。それぞれのステータ磁極の円周方向幅は７５°で、それぞれの周期は９０°に示している。

図６の（ｂ）は、ロータ磁極５５、５６のステータに対向する面の形状を示している。６５はロータ磁極５５のステータに対向する面の形状であり、３６０°位相が異なる位置に記載して破線で示す６７と同一のものである。６６はロータ磁極５６のステータに対向する面の形状であり、６５と同じ形状であるが配置位置の位相が１８０°異なる。６５の形状は、図６の紙面で、進行方向先端部の回転角幅ＲＦＦは１５°で、その部分のロータ軸方向厚みはロータの軸方向厚みの１／２である。６５の右側１５°から１０５°までの間はロータ軸方向長さがロータコアの軸方向厚みと同じ長さ、すなわち、全長である。図示するように２段の段違いの形状としている。

図６の（ｂ）に示すロータ磁極６５の右端であるロータ位置θｒは０°近傍にあり、Ａ相巻線５７、５８へＡ相電流Ｉａを通電し、Ａ／相巻線５Ｅ、５ＦへＡ／相電流−Ｉａを通電することにより磁気的な吸引力が発生し、図５でＣＣＷのトルク、図６の紙面で右側方向のトルクＴ２を発生する。ロータ位置θｒが０°から１５°までは同一のトルクＴ２を発生することができる。ここで、ロータ位置θｒが１５°の位置、即ち、図６の（ｃ）のロータ磁極６５の回転位置で、ステータ磁極６１に対向する部分のロータ磁極６５のロータ軸方向幅Ｗ２は小さく、６５の他の部位のロータ軸方向幅Ｗ３の１／２としている。

図６の（ｃ）は、ロータ磁極６５のロータ位置θｒ＝１５°の状態を示している。この状態では、ステータ磁極６１に対向してさしかかる部分のロータ磁極６５のロータ軸方向幅がＷ２からＷ３の変わる回転角位置であり、発生トルクＴ３はロータ回転位置θｒが１５°から７５°の間はステータ磁極６１に対向する面積ＳＳＲの回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒは原理的な最大値をとることができる。

図６の（ｄ）は、ロータ磁極６５のロータ回転位置θｒ＝７５°の状態を示している。θｒが７５°から９０°の間は、対向面積ＳＳＲの回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒが１／２に低下するので発生トルクも１／２となる。

図６の（ｅ）は、ロータ磁極６５のロータ位置θｒ＝９０°の状態を示している。この角度までＣＣＷトルクを発生することができる。そして、Ａ相電流Ｉａを通電した状態でもロータ回転位置θｒが９０°から図６の（ｆ）である１０５°の間では、対向面積ＳＳＲは変化せず、その回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒ＝０となり、トルクが発生しない状態となる。この間にＡ相電流Ｉａを減少して零にすることができる。

Ｂ相のステータ磁極５９とＢ／相ステータ磁極５Ａである６２、６４も、Ａ相、Ａ／相とは９０°の位相遅れで、Ｂ相の励磁電流ＩｂによりＣＣＷトルクを発生することができる。従って、交互に駆動することにより、全周にわたってトルクを発生することができる。

図７は、図６で説明したモータ動作時の電圧特性と電流特性およびトルク特性の例である。図７の（ａ）と（ｃ）の水平軸はロータ回転角で、縦軸は誘起電圧である。図７の（ｂ）と（ｄ）の水平軸はロータ回転角で、縦軸は電流である。図７の（ｅ）の水平軸はロータ回転角で、縦軸はトルクである。図７の（ａ）は、ロータ回転位置θｒが０°から９０°の間と１８０°から２７０°の間においてＡ相電流Ｉａを一定値として通電した時のＡ相巻線の誘起電圧の例である。前記の面積ＳＳＲの回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒとＡ相電流Ｉａに関わった値となる。図７の（ａ）に示す負電圧は、Ａ相電流を減少するときにモータの磁気エネルギーを回生する現象として発生する負電圧である。なお、電流の減少方法、回転数などにより負電圧の形状は大きく変化する。図７の（ｃ）は、図７の（ａ）と同様に、ロータ回転位置θｒが９０°から１８０°の間と２７０°から３６０°の間においてＢ相電流Ｉｂを一定値として通電した時のＢ相巻線の誘起電圧の例である。

図７の（ｂ）は、Ａ相電流Ｉａの通電例であり、この間ではほぼＡ相巻線の誘起電圧に類似した形状のトルクが発生する。図７の（ｄ）は、Ｂ相電流Ｉｂの通電例であり、この間ではほぼＢ相巻線の誘起電圧に類似した形状のトルクが発生する。図７の（ｂ）と（ｄ）ではＡ相電流ＩａとＢ相電流Ｉｂが丁度交互に流れるように通電している。図７の（ｅ）はＡ相のトルクとＢ相のトルクとを加算した値である。このトルクは脈動しているもののその平均値は図３の（ｅ）で示したトルク平均値の1.６６倍の値となり、増加している。モータ効率も改善し、モータの小型化、低コスト化が可能である。なお、駆動用のインバータは、図４に示したインバータを使用することができる。

図５、図６、図７に示したモータ特性では、Ａ相ステータ磁極とＡ／相ステータ磁極が発生するトルクの回転角度幅は９０°であり、Ｂ相ステータ磁極とＢ／相ステータ磁極が発生するトルクの回転角度幅も９０°である。このモータモデルは、両相のトルクを乗りついで、多回転の連続トルクを発生できる限界の形状である。片相のトルクが９０°以上の回転角度幅にわたって発生できなければ、安定して多回転の連続トルクを発生できない。片相のトルクが９０°以上発生する条件は、ステータ磁極の円周方向角度幅をＳＳＷとし、図６の紙面でロータ磁極の進行方向先端部の回転角幅をＲＦＦとすると、ＲＦＦ＞（９０°−ＳＳＷ）である。図６では、ステータ磁極の円周方向角度幅をＳＳＷを７５°としたので、ロータ磁極の進行方向先端部の回転角幅ＲＦＦを１５°以上の値、例えば２０°とすれば、片相のステータ磁極がトルクを発生する回転角度幅は９５°となり、連続トルクを発生するための余裕が５°となる。

また、ロータ磁極の進行方向先端部のロータ軸方向長さは、ロータ積み厚の１５％以上で８５％以下であれば、ステータ磁極による最初の吸引トルクで起動することができ、また一方、モータの連続トルクを維持できる。

次に、請求項２に関わる実施例を示す。図８に、図１のモータあるいは図５のモータを３倍に多極化したモータの例を示す。８１と８５と８６はＡ相のステータ磁極である。８３と８７と８ＢはＡ／相のステータ磁極であり、Ａ相とは逆相の関係である。８２と８６と８ＡはＢ相のステータ磁極である。８４と８８と８ＣはＢ／相のステータ磁極であり、Ｂ相とは逆相の関係である。Ａ相のステータ磁極８１には集中巻き巻線８Ｆと８Ｇを巻回し、Ａ相電流Ｉａを通電して励磁する。Ａ／相のステータ磁極８３には集中巻き巻線８Ｍと８Ｋを巻回し、Ａ相電流Ｉａを通電して励磁する。Ｂ相のステータ磁極８２には集中巻き巻線８Ｈと８Ｊを巻回し、Ｂ相電流Ｉｂを通電して励磁する。Ｂ／相のステータ磁極８４には集中巻き巻線８Ｐと８Ｎを巻回し、Ｂ相電流Ｉｂを通電して励磁する。

図８の残りの２／３についても、前記構成と同様である。図８のモータの動作は、図１のモータあるいは図５のモータと同じ動作をする。ただし、３倍に多極化しているのでロータの回転数は１／３となる。

ここで、図１、図５、図８のモータについて改めて評価する。これらのモータは、簡素な構成であるという特徴があるが、しかし、ステータ側の歯で構成する磁路と各相巻線を巻回するスロットとでスペースの取り合いになっていて、トレードオフの関係になっているという問題がある。具体的には、図１のモータではロータの軸方向幅を、電磁鋼板を積層するコアの厚みである、軸方向幅の全長の１／２としている。従って、ステータ磁極を通る磁束をφとして、磁束φの回転変化率ｄφ／ｄθｒが１／２となり、トルクも１／２となる。図５のモータではステータの円周方向幅の角度を７５°に広げてより多くの磁束φが得られるようにしたが、巻線５Ｂ、５Ｃ、５Ｅ、５Ｆ、５Ｊ、５Ｈ、５Ｍ、５Ｌのスペースが小さくなっている。図５に示すスロット形状は三角状になっているのである程度の広さがあるようにも見えるが、実際には多極化してモータを設計するので、スロット断面積が小さくなる。図８は３倍に多極化しているので、スロット断面積を確保するため、各歯の円周方向幅を各歯のピッチの６０％に縮小した図を示している。この場合には、ロータの磁束密度も６０％に低減して設計せざるを得ない。磁束φの回転変化率ｄφ／ｄθｒが低下するので、トルクも低下する問題がある。

図９にこの問題を軽減するモータの例を示す。図９のモータは、図８において破線で示したＢ相ステータ磁極８２、Ａ相ステータ磁極８５、Ｂ／相ステータ磁極８８、Ａ／相ステータ磁極８Ｂ、および、それらの巻線を排除し、そのスペースを残ったステータ磁極とそれらの巻線で再配分した構成となっている。ただし、残った各ステータ磁極のロータに対向する面とその近傍の円周方向位置は、変えずに、図８と同一の円周方向位置としている。

図９のモータはステータ磁極の数を２／３の８個としているが、バランス良く配置しているので、モータ全体としての特性は類似したものが得られる。特に、各ステータ磁極の歯の円周方向幅を十分に確保できるので、磁気飽和の問題が大幅に改善し、ピークトルクの大きなモータを設計することができる。連続定格トルクの３倍程度のピークトルクを必要とする用途などでは重要な特性である。勿論、各巻線に作用する磁束φの回転変化率ｄφ／ｄθｒを理論上の最大値とすることができる。そして、スロット断面積についても大きくできるので、ジュール熱であるいわゆる銅損を低減することができる。ただし、図１、図５のモータを２倍に多極化した８個のステータ磁極と４個のロータ磁極で構成するモータに比較すると、モータの駆動周波数が１．５倍に大きくなり、周波数増加による鉄損の増加は考慮する必要がある。しかし、使用回転数が低ければ、鉄損の問題は小さく、また、鉄損の小さい軟磁性体を使用する方法もある。

図９において、Ａ相ステータ磁極は９１と９Ｇで、Ａ／相ステータ磁極は９４と９Ｄで、Ｂ相ステータ磁極は９Ａと９Ｋで、Ｂ／相ステータ磁極は９７と９Ｐである。Ａ相ステータ磁極９１は、集中巻に巻回した巻線９２、９３に通電するＡ相電流Ｉａにより励磁する。もう一つのＡ相ステータ磁極９Ｇの巻線は９Ｈ、９Ｊで、同様である。Ａ相とＡ／相の両方をＡ相電流Ｉａで励磁する。Ａ／相ステータ磁極９４は、集中巻に巻回した巻線９５、９６に通電する負のＡ相電流−Ｉａにより励磁する。もう一つのＡ／相ステータ磁極９Ｄの巻線は９Ｅ、９Ｆも同様である。Ｂ相ステータ磁極９Ａは、集中巻に巻回した巻線９Ｂ、９Ｃに通電するＢ相電流Ｉｂにより励磁する。もう一つのＢ相ステータ磁極９Ｋの巻線は９Ｍ、９Ｎで、同様である。Ｂ／相ステータ磁極９７は、集中巻に巻回した巻線９８、９９に通電する負のＢ相電流−Ｉｂにより励磁する。もう一つのＢ／相ステータ磁極９Ｐの巻線は９Ｑ、９Ｒで、同様である。Ｂ相とＢ／相の両方をＢ相電流Ｉｂで励磁する。

図９の各相ステータ磁極のロータに対向する部分は、図８の該当するステータ磁極の位置と同じで、かつ、両ロータは同一なので、両モータは同一のアルゴリズムで駆動することができる。即ち、図１から図７に示した駆動方法が図９のモータへも適用することができる。図９のモータは、前記のように、ステータ磁極あたりのスペースが図８のモータに比較して１２／８＝１．５倍に増加しているので、ステータ磁極の歯の円周方向幅を広くしている。ロータの軟磁性体を通過する磁束を１．５倍程度あるいはそれ以上に通過させることが可能である。その結果、ステータ磁極を通過する磁束φの回転変化率ｄφ／ｄθｒは磁束に比例して１．５倍程度になる。モータの誘起電圧定数、および、トルク定数は、磁束φの回転変化率ｄφ／ｄθｒと巻回数の積なので、モータ特性が改善することを意味している。各スロットの巻回する巻線の量は１．５倍に増えるが、巻線の数は８／１２となり、合計では１．５×８／１２＝１と変わらないことになる。しかし、スロットの数が減るので巻き易くなり巻占積率の向上が期待できること、絶縁紙などが減少して巻線占積率が向上することにより、実質的には巻線の量も増加することができる。

これらの結果、図９のモータは、高効率化が可能となり、小型化、低コスト化が可能となる。また、各ステータ磁極の磁気飽和を低減できるので、ピークトルクの確保が容易となり、特に、瞬時大トルクが必要な用途では大きな特徴となる。さらに、図９のモータは、各歯がロータに対向する部分の近傍で円周方向のスペースの余裕があるため、歯の先端部の幅を広げること、円周方向に位置をシフトすることなども可能となり、トルクの増大、トルクリップルの低減、通電時の隣りの磁極との漏れ磁束の低減などの改良の余地も出てくる。

次に、図１０に請求項２の他の実施例を示す。このモータは、図９のモータのＡ／相のステータ磁極９ＤとＡ相ステータ磁極９Ｇの位置を交換し、Ｂ相ステータ磁極９ＫとＢ／相ステータ磁極９Ｐの位置を交換している。これは、Ａ相とＡ／相が電磁気的に対象で、Ｂ相とＢ／相も電磁気的に対象なのでこれらの磁極の位置を交換しても原理的な基本特性は類似することを利用している。ステータ磁極の配置によりステータ磁極間の相互作用が変化するので、単純原理的には同じ考え方のモータであっても、大きな特性差を持たせることもできる。

図１０のモータのＡ相ステータ磁極は１０１と１０Ｄで、Ａ／相ステータ磁極は１０４と１０Ｇで、Ｂ相ステータ磁極は１０Ａと１０Ｐで、Ｂ／相ステータ磁極は１０７と１０Ｋである。Ａ相ステータ磁極１０１は、集中巻に巻回した巻線１０２、１０３に通電するＡ相電流Ｉａにより励磁する。もう一つのＡ相ステータ磁極１０Ｄの巻線は１０Ｅ、１０Ｆで、同様である。Ａ相とＡ／相の両方をＡ相電流Ｉａで励磁する。Ａ／相ステータ磁極１０４は、集中巻に巻回した巻線１０５、１０６に通電する負のＡ相電流−Ｉａにより励磁する。もう一つのＡ／相ステータ磁極１０Ｇの巻線は１０Ｈ、１０Ｊも同様である。Ｂ相ステータ磁極１０Ａは、集中巻に巻回した巻線１０Ｂ、１０Ｃに通電するＢ相電流Ｉｂにより励磁する。もう一つのＢ相ステータ磁極１０Ｐの巻線は１０Ｑ、１０Ｒで、同様である。Ｂ／相ステータ磁極１０７は、集中巻に巻回した巻線１０８、１０９に通電する負のＢ相電流−Ｉｂにより励磁する。もう一つのＢ／相ステータ磁極１０Ｋの巻線は１０Ｍ、１０Ｎで、同様である。Ｂ相とＢ／相の両方をＢ相電流Ｉｂで励磁する。

図１０のモータは、円周方向に並んだ２個のステータ磁極の極性が同一であるという特徴を持たせている。ステータ磁極に巻回する巻線の電流方向から、ステータ磁極の先端の極性が決まっていて、Ａ相ステータ磁極とＢ相ステータ磁極の先端はＳ極であり、Ａ／相ステータ磁極とＢ／相ステータ磁極の先端はＮ極である。今、これらのステータ磁極を
電流ＩａとＩｂとが零であるときにも永久磁石で励磁する方法を考える。図１０のモータでは図示するように、電気角で約９０°幅のＡ／相ステータ磁極１０４とＢ／相ステータ磁極１０７とが９０°の位相差で並んでいるので電気角で１８０°の幅がＮ極となる。一方ロータ側は、電気角で１８０°の間には常に１個分のロータ磁極が存在する。ロータが回転してもその関係は変わらない。従って、これらの両ステータ磁極の方へＮ極の極性を持つ永久磁石１０Ｓと１０Ｔを配置すると、ロータ回転位置にかかわらず励磁でき、永久磁石の磁束がほぼ一定に保たれるので都合がよい。

同様に、Ｂ相ステータ磁極１０ＡとＡ相ステータ磁極１０Ｄとが９０°の位相差で並んで１８０°のＳ極を構成している。従って、永久磁石１０Ｔと１０ＵとのＳ極をこれらの両ステータ磁極に向けてバックヨークに配置する。
同様に、Ａ／相ステータ磁極１０ＧとＢ／相ステータ磁極１０Ｘとが９０°の位相差で並んで１８０°のＮ極を構成している。従って、永久磁石１０Ｕと１０ＶとのＮ極をこれらの両ステータ磁極に向けてバックヨークに配置する。
同様に、Ｂ相ステータ磁極１０ＰとＡ相ステータ磁極１０１とが９０°の位相差で並んで１８０°のＳ極を構成している。従って、永久磁石１０Ｖと１０ＳとのＳ極をこれらの両ステータ磁極に向けてバックヨークに配置する。

このように永久磁石を配置することにより、ステータ巻線の励磁負担を軽減できるので、銅損を低減でき、モータの高効率化を実現でき、小型化も実現できる。なお、永久磁石による吸引力は、ＣＣＷとＣＷとへバランスするように作用するので、トルクリップルは小さい。

また、永久磁石１０Ｓを配置するモータバックヨーク部の形状は、永久磁石１０Ｓの両側面に軟磁性体の細い磁路を形成している。永久磁石１０Ｓの磁束の一部はこの軟磁性体部を通って閉回路を成している。この軟磁性体部を通る磁束の量は、軟磁性体の飽和特性により限定される。モータを高速回転まで定出力制御する場合には、低速回転では磁束量を大きくし、高速回転では磁束量を減らす必要がある。前記の軟磁性体の細い磁路を形成しておくことにより、磁束量を減らした状態とし、低速回転で高トルクを必要とする場合には巻線電流を増加させることにより、ステータ磁極の磁束量を増加させることができる。このように前記軟磁性体部を持つことにより、モータ電流の励磁負担を軽減すると共に、定出力制御も可能な構造としている。

次に、図１１に請求項２の他の実施例を示す。
図１０のモータのＡ相ステータ磁極は１１１と１１Ｄで、Ａ／相ステータ磁極は１１４と１１Ｇで、Ｂ相ステータ磁極は１１７と１１Ｋで、Ｂ／相ステータ磁極は１１Ａと１１Ｐである。Ａ相ステータ磁極１１１は、集中巻に巻回した巻線１１２、１１３に通電するＡ相電流Ｉａにより励磁する。もう一つのＡ相ステータ磁極１１Ｄの巻線は１１Ｅ、１１Ｆで、同様である。Ａ相とＡ／相の両方をＡ相電流Ｉａで励磁する。Ａ／相ステータ磁極１１４は、集中巻に巻回した巻線１１５、１１６に通電する負のＡ相電流−Ｉａにより励磁する。もう一つのＡ／相ステータ磁極１１Ｇの巻線は１１Ｈ、１１Ｊも同様である。Ｂ相ステータ磁極１１７は、集中巻に巻回した巻線１１８、１１９に通電するＢ相電流Ｉｂにより励磁する。もう一つのＢ相ステータ磁極１１Ｋの巻線は１１Ｍ、１１Ｎで、同様である。Ｂ／相ステータ磁極１１Ａは、集中巻に巻回した巻線１１Ｂ、１１Ｃに通電する負のＢ相電流−Ｉｂにより励磁する。もう一つのＢ／相ステータ磁極１１Ｐの巻線は１１Ｑ、１１Ｖで、同様である。Ｂ相とＢ／相の両方をＢ相電流Ｉｂで励磁する。

本発明の狙いとして先に述べたように、各ステータ磁極のトルク発生域を広げ、かつ、平均トルクを向上させるため、ステータ磁極の円周方向幅を広げたい。例えば、図１０のモータにおいて、１０４と１０７のステータ磁極の円周方向幅を広げると、両ステータ磁極の先端が接近し、片方のステータ磁極を励磁すると他方のステータ磁極へ大きな漏れ磁束が発生することになる。この漏れ磁束は歯の磁気飽和を助長し、トルクが減少する問題がある。また、漏れ磁束の磁気エネルギーも回転数が大きくなると、無効電力が増大し、問題である。なお、１０４隣り合う１０１のステータ磁極とは電気角で９０°の空きスペースがあるので、漏れ磁束はそれほど大きくならない。

図１１のモータでは、この漏れ磁束の問題を低減するため、隣り合うステータ磁極のＮ極とＳ極の極性が逆極性となるように配置している。そして、隣り合う両ステータ磁極の間に永久磁石を漏れ磁束を低減する極性の向きに配置している。図１１の永久磁石１１Ｓ、１１Ｔ、１１Ｕ、１１Ｖである。例えば、Ａ／相ステータ磁極１１４はＮ極なので、磁石１１Ｓの１１４側はＮ極で、Ｓ極であるＢ相ステータ磁極１１７の方は永久磁石１１ＳのＳ極を向けている。

これらの永久磁石は、２つの大きな作用、効果がある。その一つは、前記の漏れ磁束を低減する作用、効果である。もう一つは、両ステータ磁極に逆方向の磁束を通し、軟磁性体の磁束Ｂと磁界の強さＨにおける逆バイアスする作用である。ステータ磁極を励磁するときに、ロータからステータ磁極を通ってバックヨークへ通過する磁束の量を増大する効果である。このモータはリラクタンスモータなので、各歯には片方向の磁束しか作用しない構成であるが、永久磁石などで磁気的に逆バイアスしておくことにより、最大２倍の磁束を通過させることが可能となる。図１１の永久磁石１１Ｓ、１１Ｔ、１１Ｕ、１１Ｖの特性、大きさなどはモータに求める特性により適正な値を選ぶことができる。

図１１のステータ磁極の配置と歯間の永久磁石１１Ｓ、１１Ｔ、１１Ｕ、１１Ｖにより、特にピークトルクの増大が可能となる。ピークトルクが必要な用途のモータとして好適である。また、漏れ磁束の磁気エネルギーに起因する無効電力を低減できるので、モータ効率の向上、インバータの小型化にも寄与する。

次に、図１２に請求項２の他の実施例を示す。図１２のモータのＡ相ステータ磁極は１２１と１２４で、Ａ／相ステータ磁極は１２Ｄと１２Ｇで、Ｂ相ステータ磁極は１２７と１２Ａで、Ｂ／相ステータ磁極は１２Ｋと１２Ｐである。Ａ相ステータ磁極１２１は、集中巻に巻回した巻線１２２、１２３に通電するＡ相電流Ｉａにより励磁する。もう一つのＡ相ステータ磁極１２４の巻線は１２５、１２６で、同様である。Ａ相とＡ／相の両方をＡ相電流Ｉａで励磁する。Ａ／相ステータ磁極１２Ｄは、集中巻に巻回した巻線１２Ｅ、１２Ｆに通電する負のＡ相電流−Ｉａにより励磁する。もう一つのＡ／相ステータ磁極１２Ｇの巻線は１２Ｈ、１２Ｊも同様である。Ｂ相ステータ磁極１２７は、集中巻に巻回した巻線１２８、１２９に通電するＢ相電流Ｉｂにより励磁する。もう一つのＢ相ステータ磁極１２Ａの巻線は１２Ｂ、１２Ｃで、同様である。Ｂ／相ステータ磁極１２Ｋは、集中巻に巻回した巻線１２Ｍ、１２Ｎに通電する負のＢ相電流−Ｉｂにより励磁する。もう一つのＢ／相ステータ磁極１２Ｐの巻線は１２Ｑ、１２Ｒで、同様である。Ｂ相とＢ／相の両方をＢ相電流Ｉｂで励磁する。

図１１のモータ構成の特徴は、正と負の同一の電流を通電する２個の巻線が同一のスロットに巻回している点で、４個のスロットがその状態となっている。具体的には、巻線１２３に電流−Ｉａが通電され、巻線１２５に＋Ｉａが通電される。従って、概略には、この２個の巻線は機能しておらず、排除することが可能である。同様に、巻線１２３に電流−Ｉｂが通電され、巻線１２Ｂに＋Ｉｂが通電される。巻線１２Ｆに電流＋Ｉａが通電され、巻線１２Ｈに−Ｉａが通電される。巻線１２Ｎに電流＋Ｉａが通電され、巻線１２Ｑに−Ｉｂが通電される。

図１３に、図１１の前記８個の巻線を排除した構成を示す。８個の巻線とそれらの該当する４個のスロットを、１３１、１３２、１３３、１３４のくぼみに置き換えている。巻線１２２と１２６の集中巻き巻線へＡ相電流Ｉａを通電し、巻線１２８と１２Ｖの集中巻き巻線へＢ相電流Ｉｂを通電し、巻線１２Ｅと１２Ｕの集中巻き巻線へ負のＡ相電流−Ｉａを通電し、巻線１２Ｍと１２Ｒの集中巻き巻線へ負のＢ相電流−Ｉｂを通電する。前記くぼみの深さ、形状は、適宜修正することができる。これらの８個の巻線を排除することにより、銅損が半減し、巻線コストが低減し、軽量化が可能である。モータの高効率化と高効率化に伴う小型化、低コストが可能であるという表現をすることもできる。

図１１および図１３のモータにおいて、Ａ相ステータ磁極１２１はＳ極で、隣に配置するＢ／相ステータ磁極１２ＰはＮ極なので、１２１の方がＳ極極性の永久磁石１２Ｕを追加することができる。Ｂ相ステータ磁極１２ＡとＡ／相ステータ磁極１２Ｄとの間の永久磁石１２Ｖも同様である。これらの永久磁石により、隣り合う２個のステータ磁極間の漏れ磁束を低減できる。また、永久磁石によりそれぞれの歯に負方向の磁束を通しておくことができるので、それぞれの歯を励磁して駆動するときに通る磁束の量を増加させることができ、該当する歯の円周方向幅を減少することが可能となる。図１３のモータをさらに多極化する場合に効果的である。なお、Ａ相ステータ磁極１２４とＢ相ステータ磁極１２７は共にＳ極なので磁石の追加はできない。Ａ／相ステータ磁極１２ＧとＢ／相ステータ磁極１２Ｋは共にＮ極なので磁石の追加はできない。

また、図１１および図１３のモータにおいて、Ａ相ステータ磁極１２１、１２４とＢ相ステータ磁極１２７、１２ＡはＳ極で、他の４個のステータ磁極はＮ極なので、その中間部に各磁極の極性方向を持った永久磁石１２Ｓ、１２Ｔを追加することができる。４個のステータ磁極１２１、１２４、１２７、１２Ａへは常に２個分のロータ磁極が対向する関係となっている。これらの永久磁石１２Ｓ、１２Ｔにより、各巻線に通電する励磁電流成分を低減することが可能となり、モータの高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。

なお、前記の巻線１２３と１２５には相互に逆方向の電流が流れ、モータの電磁気的な作用を打ち消す効果があるが、ステータとロータとのエアギャップの近傍では磁界の強さＨの空間分布に大きく影響する。従って、図１２のモータと図１３のモータが全く等価なわけではない。例えば、１２６、巻線１２２に大きな電流を通電したときに、前記くぼみ１３１へ漏れ磁束が発生しやすい。従って、図１３のモータは、大きなピークトルクが求められない用途で高効率な特性を発揮でき、小形、低コストなモータという見方もできる。

図９、図１０、図１１、図１２、図１３に、各ステータ磁極とそれらの各巻線との配置関係を換えた例を示したが、各ステータ磁極の入れ替えの組み合わせは図１４に示すような１３通りの配置が可能である。図９は組み合わせ１で、図１０は組み合わせ４で、図１１は組み合わせ７で、図１２と図１３は組み合わせ９である。具体例を示していないその他のステータ磁極の配列順のモータは、それぞれの特性となっている。

これらのモータの構成は、２個のＡ相のステータ磁極と、Ａ相とは１８０°の励磁位相差であって、ステータの空間的にはＡ相とは電気角の０°あるいは１８０°の位置に配置するＡ／相のステータ磁極と、Ａ相とは９０°の励磁位相差であって、ステータの空間的にはＡ相とは電気角の９０°あるいは２７０°の位置に配置するＢ相のステータ磁極と、Ａ相とは２７０°の励磁位相差であって、ステータの空間的にはＡ相とは電気角の９０°あるいは２７０°の位置に配置するＢ／相のステータ磁極とをそれぞれ２個づつ、合計８個のステータ磁極とそれぞれのステータ磁極を励磁する巻線を備え、円周方向に等間隔に８個のロータ磁極を持つロータを備えたリラクタンスモータである。これらのモータは、多極化することが可能であり、各種モータと複合化すること、変形することも可能である。

次に請求項３の実施例として、図１５のモータを示し、説明する。図９のモータでは、例えば、巻線９６へは電流Ｉａが通電され、巻線９８へは電流−Ｉｂが通電されるが、大半の時間帯では両電流が同時には通電されない。そこで、このスロットの２個の巻線を１個の巻線に統合すれば、巻き線の太さ、すなわち、断面積を２倍にすることができ、スロット内の巻線抵抗、巻線の銅損を１／２に低減することができる。この時、通電電流は（Ｉａ−Ｉｂ）の電流値とすれば、等価である。同様に、巻線９Ｃと９Ｅ、巻線９Ｊと９Ｍ、巻線９Ｒと９２についても巻線の統合の効果が期待できる。

これらの統合した巻線の電流を下記（１）式、（２）式のように置き換え、電流Ｉｊと電流Ｉｋで表現できる。
Ｉａ＋Ｉｂ＝Ｉｊ （１）
Ｉａ−Ｉｂ＝Ｉｋ （２）

図９の巻線９３、９５に通電する電流の合計は−２×Ｉａで、巻線９９、９Ｂに通電する電流の合計は２×Ｉｂで、巻線９Ｆ、９Ｈに通電する電流の合計は２×Ｉａで、巻線９Ｎ、９Ｑに通電する電流の合計は−２×Ｉｂである。これらの統合した巻線の電流を下記（３）式、（４）式のように置き換え、電流Ｉｍと電流Ｉｎで表現できる。
２×Ｉａ＝Ｉｍ （３）
２×Ｉｂ＝Ｉｎ （４）

図１５のモータは、図９のモータの各スロットの２個の巻線を統合して、新たな巻線へ置き換えている。なお、各ステータ磁極の形状、各スロットの形状、各巻線の形状は少し修正している。巻線１５Ｇへは電流Ｉｊを通電し、巻線１５Ｈへは電流Ｉｋを通電し、
巻線１５Ｊへは電流−Ｉｊを通電し、巻線１５Ｋへは電流−Ｉｊを通電する。これらの巻線の断面積は２倍となるので、巻線抵抗、損失を低減することができる。

巻線１５２へは電流−Ｉｍを通電し、巻線１５３へは電流Ｉｎを通電し、巻線１５１へは電流Ｉｍを通電し、巻線１５４へは電流−Ｉｎを通電する。これらの巻線の断面積は２倍となるが、電流も２倍になるので、損失の低減効果はない。ただ、他の４個の巻線の巻回方法を変えるためには、巻線１５２、１５３、１５１、１５４の巻線構造も変えざるを得ない。

図１５のモータの結線、巻回方法は、１５５に示すように、１８０°反対側のスロットに巻回しなければならない。１５Ｈの巻線は１５Ｋの巻線と巻回する。その他の巻線も同様である。巻線間の距離が遠いことは好ましくはなく、コイルエンドが長くなるなど、大きな問題である。この問題を軽減する方法として、多極化がある。例えば、２倍に多極化すれば、コイルエンドの長さを１／２に縮小することができる。３倍に多極化すれば、コイルエンドの長さを１／３に縮小することができる。具体的なモータ設計としては、多極化した構成のモータが好ましい。

図１５および（１）式、（２）式、（３）式、（４）式に示したこの巻線の統合の技術は、図１４に示す１３種類の各組あわせのモータへも同様に適用することができる。特に、ロータ軸方向の長さが大きい、細長いタイプのモータでは、スロット内の巻線抵抗を低減できるので高効率化の効果が大きい。

また、図１５のモータに永久磁石１５２、１５３、１５４、１５５を追加することもできる。２個のステータ磁極の隙間が電気角で９０°と大きい部分に永久磁石を追加している。図１１で示した例に比較して、漏れ磁束の低減効果は少ないが、図１１で示した永久磁石１１Ｓ、１１Ｔ、１１Ｕ、１１Ｖと同じ効果がある。各歯には片方向の磁束しか作用しない構成であるが、永久磁石などで磁気的に逆バイアスしておくことにより、最大２倍の磁束を通過させることが可能となる。図１５のモータの場合には、歯間のスペースが広く、永久磁石の配置を工夫することによりより多くの逆バイアス用の磁束を作ることが可能である。図１５の永久磁石１５２、１５３、１５４、１５５は、図９、図１０などのモータへも付加して適用することができる。

次に請求項３の他の実施例を図１６に示す。図１６のモータは、図１３の巻線を（１）式、（２）式に従う巻線の統合を行った例である。巻線１６１と巻線１６３とに巻線を巻回し、電流Ｉｊを通電する。巻線１６４と巻線１６２とに巻線を巻回し、電流Ｉｋを通電する。モータの作用は図１３のモータと同じである。スロット内の巻線抵抗が１／２となり、スロット内の銅損は１／２となり、高効率化が可能である。ただし、コイルエンドの長さが長くなる問題があり、モータ長の大きいモータに適用すると効果が大きい。あるいは、多極化によりコイルエンド長を短縮することによりこの問題を軽減することができる。

次に請求項３の他の実施例を図１７に示す。図１７のモータは図８のモータへ（１）式、（２）式で示した巻線の統合を適用したモータである。巻線１７１と１７３とを巻回し、電流Ｉｊを通電する。巻線１７４と１７２とを巻回し、電流Ｉｋを通電する。このモータは３倍に多極化したモータであり、残りの２／３の巻線についても同様に巻線を巻回し、電流を通電する。スロット内の巻線抵抗が１／２となり、銅損を１／２に低減することができる。

図８のモータの説明で述べたように、図１７のモータはステータ磁極の歯の円周方向幅が不足し、ステータ磁極へ作用する磁束を低減せざるを得ない。その結果、トルクが減少する問題がある。この問題を低減するために、図１１で示した歯間の永久磁石１１Ｓ、１１Ｔ、１１Ｕ、１１Ｖと同様に、歯間の永久磁石１７５、１７６、１７７、１７８、１７９、１７Ａを追加することができる。これらの永久磁石は、両方の歯にステータ磁極の極性とは逆の方向の磁束を通し、軟磁性体の磁束Ｂと磁界の強さＨにおける逆バイアスするように作用する。

具体的には、例えば、永久磁石１７６はＢ相のステータ磁極８２の方向をＳ極とし、Ａ／相ステータ磁極８３の方向をＮ極とする。永久磁石１７６のＮ極の磁束φｐｍは、Ａ／相ステータ磁極８３を通り、バックヨークを通り、Ｂ相ステータ磁極８２を通り、永久磁石１７６のＳ極に戻る。この磁束φｐｍは、この磁束の経路が何らかの理由で磁気飽和しない限りこの経路の磁気抵抗は十分に小さく、おおよそ保たれることになる。一方、Ｂステータ磁極８２がトルクを発生するために励磁されるときにはＳ極として作用るので、作用する磁束φｂはロータ側から８２を通り、バックヨーク側へ通る。８２の部分では前記磁束φｐｍと前記磁束φｂとは重畳し、前記の磁束φｐｍと前記磁束φｂとは逆方向の向きである。例えば、前記磁束φｂと前記磁束φｐｍとが同じ大きさであるときには、磁束の向きが逆なので、Ｂ相ステータ磁極を通過する磁束は零となる。このような作用により、、ステータ磁極を通過する磁束の量を、永久磁石がないときに比較して、最大２倍に増加させることが可能となる。

この結果、図１７のステータ磁極を通すことのできる磁束の量が不足するという前記問題を低減することが可能となる。なお、隣り合う両ステータ磁極の極性が同じである場所、例えば、Ｂ相ステータ磁極８２とＡ相ステータ磁極８１の間では、同様の効果を得ることはできない。また、これらの歯間の永久磁石１７５、１７６、１７７、１７８、１７９、１７Ａは、ステータ磁極間の漏れ磁束を低減する作用、効果もある。

また、図１７のステータにおいて、異極の極性を持つステータ磁極の間のバックヨーク部へ永久磁石を追加し、各励磁電流の励磁負担を軽減することも可能である。永久磁石１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ、１７Ｅ、１７Ｆ、１７Ｇであり、永久磁石の極性の向きは各ステータ磁極の極性の向きである。同じ極性のステータ磁極が２個隣に並ぶ場合、これら２個を通過する磁束の量がロータ回転位置に関係なく一定となるので、これらの永久磁石の追加が可能となる。永久磁石が生成する磁束量はロータ回転位置に関係なく一定となる。各励磁電流の励磁負担を軽減することができるので、モータを高効率化、小型化することができる。

次に請求項４の実施例を図１８に示す。図１８のモータは、図１５に示すモータの電流がＩｊ、Ｉｋ、Ｉｍ、Ｉｎの４種類となり、これらの電流を作るインバータが複雑化することを避けるため、通電する電流をＩｊ、Ｉｋの２種類とする構成のモータである。（１）式、（２）式、（３）式、（４）式より次式が成立する。
２×Ｉａ＝Ｉｊ＋Ｉｋ＝Ｉｍ （５）
２×Ｉｂ＝Ｉｊ−Ｉｋ＝Ｉｎ （６）
この関係で、図１５のモータを図１８のように変換することができる。また、図１８のモータのもう一つの狙いは、巻線の結線、コイルエンドの簡素化である。

図１５の巻線１５１を図１８の１８７と１８８へ置き換えることができる。図１５の巻線１５２を図１８の１８２と１８１へ置き換えることができる。図１５の巻線１５３を図１８の１８４と１８５へ置き換えることができる。図１５の巻線１５４を図１８の１８Ａと１８Ｂへ置き換えることができる。

図１８の巻線の結線は、図１５の巻線の結線とは大幅に異なる。巻線１８１と１８２を破線で示すように集中巻きとし、電流Ｉｊを通電する。巻線１８３と１８４を破線で示すように集中巻きとし、電流Ｉｋを通電する。巻線１８５と１８６を破線で示すように集中巻きとし、電流Ｉｊを通電する。巻線１８８と１８９を破線で示すように集中巻きとし、電流Ｉｋを通電する。巻線１８Ｂと１８Ｅに巻線を巻回し、電流Ｉｋを通電する。巻線１８７と１８Ａに巻線を巻回し、電流Ｉｊを通電する。

図１８のモータは、ＩｊとＩｋの２種類の電流で駆動できる。また、多少無駄な電流が流れることになるがスロットの狭い場所の巻線が１個で、開口部の広いスロットで２巻線となるので、無理なく巻線を巻回できる。コイルエンドが、図１５のモータに比較すると、短い。

次に、前記電流ＩｊとＩｋの駆動回路の例を図１９に示し、説明する。電流Ｉｊは（１）式に示すように片方向の電流であり、Ｔ５とＴ６をオンすることにより、巻線４１へ流れる電流を増加し、オフすることにより逆向きの２個のダイオードによりエネルギーを直流電圧源３７へ回生する。巻線１９１は、電流Ｉｊを通電すべき巻線の総称である。電流Ｉｋは（２）式に示すように、Ｉａを通電すべきロータ回転位置θｒかＩｂを通電すべきロータ回転位置θｒかにより電流の正負の値が変わる交流の電流であり、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９、ＴＡにより両方向の電流を制御する。巻線４２は、電流Ｉｋを通電すべき巻線の総称である。

図１９の駆動回路は６個のトランジスタで構成しており、直流電圧源３７からの電力の供給は２つの経路から並列して供給することができる。従って、直流電圧源３７の電圧をＶｔとし、トランジスタの定格電流をＩｔとすると、最大出力電力Ｐｍ１は２×Ｖｔ×Ｉｔである。モータ構成としても、一定回転数で回転するとき、電流の切り替わり領域を除いては、両巻線に鎖交するそれぞれの磁束φ１，φ２がロータの回転と共に変化し、それぞれの磁束の変化率ｄφ１／ｄｔ、ｄφ２／ｄｔは一定値となるので、モータの最大入力を２×Ｖｔ×Ｉｔに近い値とすることが可能である。一方、一般的に使用される３相交流電圧電流のインバータも６個のトランジスタを使用するが、３端子回路網であり、最大の出力Ｐｍ２はＶｔ×Ｉｔとなる。従って、図１９のインバータは、３相交流電圧電流のインバータに比較して、トランジスタの電流容量を１／２近くまで小さくできる可能性があり、大幅に小形化できる可能性がある。

次に、前記電流ＩｊとＩｋとＩｍとＩｎの駆動回路の例を図２０に示し、説明する。図２０の駆動回路に比較してＩｍとＩｎの駆動回路を追加する必要がある。電流ＩｍはトランジスタＴ１１とＴ１２で駆動し、電流ＩｎはトランジスタＴ１３とＴ１４で駆動する。
巻線Ｙｐ１は、電流Ｉｍを通電すべき巻線の総称である。巻線Ｙｐ２は、電流Ｉｎを通電すべき巻線の総称である。トランジスタの数が１０個となり、素子数が増えるので複雑になる。

次に、図２１に、図２０のインバータを簡素化した例を示す。電流ＩｍはトランジスタＴ１５とその直列回路で駆動する。巻線２１１は、電流Ｉｍを通電すべき巻線の総称である。電流ＩｎはトランジスタＴ１６とその直列回路で駆動する。巻線２１２は、電流Ｉｎを通電すべき巻線の総称である。電流２×Ｉｊは電流Ｉｍと電流Ｉｎの和であり、トランジスタＴ１７とその直列回路で駆動する。巻線２１３は、電流Ｉｊを通電すべき巻線の総称である。なお、ダイオード２１４と２１５は駆動条件によっては省略しても良い。

ただし、図２１では通電の基本的な考え方を示したもので、電流と電圧のバランスは無視している。すなわち、巻線２１１，２１２と巻線２１３は直列になっている。２１３に流れる電流は２×Ｉｋとなっている。従って、具体的なモータの４組の巻線２１１、２１２、２１３、１９２の巻き回数を調整する必要がある。例えば、２１３の巻線は、巻線を2分し、並列にする方法がある。

図２１のインバータは、図１９のインバータに比較してトランジスタが１個増え、７個となっている。しかし、先に説明したように、３相交流電圧電流インバータに比較すると、２つの経路で電力を供給できることから、インバータの全体の電流容量を小容量化することが可能であり優位性がある。

次に、請求項５の実施例について説明する。本発明のモータは、多極化など種々の変形が可能である。各相のステータ磁極の削除、スペースの再配分なども可能である。例えば、ステータ磁極の数が８個の場合は、図１４に示すように、各ステータ磁極の入れ替えの組み合わせが可能である。

次に請求項６の実施例を示し、説明する。図２２は図６のロータ形状を修正し、トルクリップルを低減する例である。図２２の水平軸は、ロータ回転角の電気角である。縦軸はロータ軸方向である。図２２の（ａ）の２２１は、図５のＡ相ステータ磁極５７のロータに対向する面の形状である。同様に、２２２はＢ相ステータ磁極５９、２２３はＡ／相ステータ磁極５８、２２４はＢ／相ステータ磁極５Ａのそれぞれのロータに対向する面の形状である。それぞれのステータ磁極の円周方向幅は７５°で、それぞれの周期は９０°に示している。

２２５と２２７は同じもので、ロータのステータに対向する面の形状の水平展開図である。ロータのＣＣＷの方向は、図２２の紙面で左から右側方向である。ロータがＣＣＷへ回転する動作を説明する。ロータ磁極２２５の形状は、図２２の紙面で、進行方向先端部の回転角幅ＲＦＦは１５°で、その部分のロータ軸方向厚みはロータの軸方向厚みの１／３である。２２５の右側１５°から７５°までの間はロータの軸方向厚みの２／３である。２２５の右側７５°から１０５°までの間はロータの軸方向厚みの３／３ですなわち、全長である。図示するように３段の段違いの形状としている。

図２２の（ｂ）に示すロータ磁極２２５の右端であるロータ位置θｒは０°近傍にあり、Ａ相巻線５７、５８へＡ相電流Ｉａを通電し、Ａ／相巻線５Ｅ、５ＦへＡ／相電流−Ｉａを通電することにより磁気的な吸引力が発生し、図５でＣＣＷのトルク、図６の紙面で右側方向のトルクＴ２を発生する。ロータ位置θｒが０°から１５°までは同一のトルクＴ２を発生することができる。ここで、ロータ位置θｒが１５°の位置、即ち、図２２の（ｃ）のロータ磁極２２５の回転位置で、ステータ磁極２２１に対向する部分のロータ磁極２２５のロータ軸方向幅Ｗ２は小さく、ロータの軸方向全長の１／３としている。

図２２の（ｃ）は、ロータ磁極２２５のロータ位置θｒ＝１５°の状態を示している。この状態では、ステータ磁極２２１に対向してさしかかる部分のロータ磁極２２５のロータ軸方向幅がＷ２からＷ３の変わる回転角位置であり、発生トルクＴ３はロータ回転位置θｒが１５°から７５°の間はステータ磁極２２１に対向する面積ＳＳＲの回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒは原理的な最大値の２／３となる。

図２２の（ｄ）は、ロータ磁極２２５のロータ回転位置θｒ＝７５°の状態を示している。θｒが７５°から９０°の間は、対向面積ＳＳＲの回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒが１／３に低下するので発生トルクも１／３となる。

図２２の（ｅ）は、ロータ磁極２２５のロータ位置θｒ＝９０°の状態を示している。θｒが９０°から図２２の（ｆ）である１０５°までの間は、対向面積ＳＳＲの回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒが１／３に低下するので発生トルクも１／３となる。

Ｂ相のステータ磁極５９とＢ／相ステータ磁極５Ａである２２２、２２４も、Ａ相、Ａ／相とは９０°の位相遅れで、Ｂ相の励磁電流ＩｂによりＣＣＷトルクを発生することができる。従って、交互に駆動することにより、全周にわたってトルクを発生することができる。

図２３は、図２２で説明したモータ動作時の電圧特性と電流特性およびトルク特性の例である。図２３の（ａ）と（ｃ）の水平軸はロータ回転角で、縦軸は誘起電圧である。図２３の（ｂ）と（ｄ）の水平軸はロータ回転角で、縦軸は電流である。図２３の（ｅ）の水平軸はロータ回転角で、縦軸はトルクである。図２３の（ａ）は、ロータ回転位置θｒが０°から９０°の間と１８０°から２７０°の間においてＡ相電流Ｉａを一定値として通電した時のＡ相巻線の誘起電圧の例である。前記の面積ＳＳＲの回転変化率ｄ（ＳＳＲ）／ｄθｒとＡ相電流Ｉａに関わった値となる。図２３の（ａ）に示す負電圧は、Ａ相電流を減少するときにモータの磁気エネルギーを回生する現象として発生する負電圧である。なお、電流の減少方法、回転数などにより負電圧の形状は大きく変化する。図２３の（ｃ）は、図２３の（ａ）と同様に、ロータ回転位置θｒが９０°から１８０°の間と２７０°から３６０°の間においてＢ相電流Ｉｂを一定値として通電した時のＢ相巻線の誘起電圧の例である。

図２３の（ｂ）は、Ａ相電流Ｉａの通電例であり、この間ではほぼＡ相巻線の誘起電圧に類似した形状のトルクが発生する。図２３の（ｄ）は、Ｂ相電流Ｉｂの通電例であり、この間ではほぼＢ相巻線の誘起電圧に類似した形状のトルクが発生する。図２３の（ｂ）と（ｄ）ではＡ相電流ＩａとＢ相電流Ｉｂが丁度交互に流れるように通電している。図２３の（ｅ）はＡ相のトルクとＢ相のトルクとを加算した値である。このトルクの最大値は図７の（ｅ）で示したトルク最大値の２／３であり、平均トルクは低下しているが、トルク脈動は少なくなっている。

次に請求項６の他の実施例を示す。図２４は図６のステータとロータに軟磁性体を付加してトルク特性を改善する例である。付加する軟磁性体はステータの軸方向両端とロータの軸方向両端である。従って、容易に付加できる寸法には制約があり、比較的扁平で、モータ軸方向長さの小さい形状のモータに有効である。

図２４の（ａ）は、ステータ磁極の水平展開図である。各ステータ磁極には軟磁性体２４８をロータ軸方向両端に付加している。各ステータ磁極がロータに対向する近傍に付加する。各ロータ磁極には軟磁性体２４９をロータ軸方向両端に付加している。各ロータ磁極がステータに対向する近傍に付加する。その他のステータ磁極の形状およびロータ磁極の形状は図６と同じである。２４１はＡ相ステータ磁極、２４２はＢ相ステータ磁極、２４３はＡ／相ステータ磁極、２４４はＢ／相ステータ磁極である。２４５と２４６はロータ磁極である。

図２４の（ｂ）は、図６の（ｄ）に相当するロータ回転角７５°の図である。図６では７５°から９０°の間でトルクが１／２に低下するが、図２４では前記軟磁性体２４８と２４９を付加しているのでトルクが低下しない。さらに、図２４の（ｃ）の９０°から１０５°の間も前記軟磁性体２４８と２４９によりトルクを発生することができる。

図２５は、図２４の特性の電圧、電流、トルクである。図２５の（ａ）はＡ相電流Ｉａを一定値として通電した時のＡ相巻線の誘起電圧である。図２３の（ｂ）は、Ａ相電流Ｉａの通電例である。図２５の（ｃ）はＢ相電流Ｉｂを一定値として通電した時のＢ相巻線の誘起電圧である。図２３の（ｂ）は、Ｂ相電流Ｉｂの通電例であある。図２３の（ｅ）はＡ相のトルクとＢ相のトルクとを加算した値であり、前記軟磁性体２４８と２４９の効果により、トルク脈動を無くすことが可能となる。また、トルク値は、図７の（ｅ）に示すトルクの最大値である。

この結果、前記軟磁性体２４８と２４９の形状に制約があるものの、トルク特性の改善が可能である。また。図２４の（ｄ）と（ｅ）は、図２４の（ａ）と（ｂ）における前記軟磁性体２４８と２４９の両方を同じ角度だけロータ回転角の方向へ移動したもので、モータの特性は変わらない。前記軟磁性体２４８と２４９の構成の設計上の都合で取り付け位置を移動するすることが可能である。

次に請求項７の実施例を図２６に示し、説明する。図１、図２などにロータ磁極の形状例を示した。これらのロータ形状は、回転方向に形状が変わるため製作コストがかかる問題がある。また、高速回転では騒音の問題が発生することもある。図２６の構成は電磁鋼板に穴やくぼみを設けることにより、磁気抵抗が等価なロータを構成するものである。図２６の（ａ）は、図１、図２のロータを意味するもので、２６１の部分は空間で、２６３の部分は軟磁性体が詰まっていて、２６２の部分は２６１と２６３のの中間の磁気特性である。

図２６の（ｂ）は図２６の（ａ）と等価な磁気特性を、２６４の大きな穴と２６５の細長い穴により実現している。このような構成であれば、同一の電磁鋼板を積層するだけで構成できるの製作が容易である。また、外周が円形なので、ロータが風を切る騒音を低減することができる。

図２６の（ｃ）は図２６の（ａ）と類似した磁気特性をステータとロータ間のエアギャップで得るものである。２６７は空間であり、２６８はステータとロータとの間のエアギャップが少し広くなっている。２６９の部分は、エアギャップが小さく、ステータとロータとの磁束通過が容易な場所である。ステータとロータが同一の電磁鋼板を積層するだけで構成できるの製作が容易である。

次に、請求項８について説明する。請求項８は、円周方向に並んで配置する２個のステータ磁極において、歯の外径側から内径側へ通過する通電時の磁束方向が逆向きである２個のステータ磁極の歯の先端部近傍に前記磁束方向が逆向きとなるような磁束を供給する極性の永久磁石を備える構成であり、既に説明したように、図１１の１１Ｓ、１１Ｔ、１１Ｕ、１１Ｖなどの永久磁石を付加する技術である。

次に、請求項９について説明する。請求項９は、モータバックヨークに配置し、各ステータ磁極の磁束方向に向いた極性を持つ永久磁石を備える構成であり、既に説明したように、図１０の１０Ｓ、１０Ｔ、１０Ｕ、１０Ｖなどの永久磁石を付加する技術である。

また、図１１のようなモータ構成の場合、図１０のように永久磁石を付加することはできない。このような場合には、図２７に示すバックヨークの構成とすることが可能である。図２７はステータコアの側面図であり、紙面の上下がロータ軸方向である。２７１はバックヨークを構成するリング状の軟磁性体で、２７２もバックヨークを構成する同一形状の軟磁性体である。２７１と２７２の間には図示するように相互にＮ極とＳ極の方向を向いた永久磁石２７３を配置する。そして、図１１においてＮ極を構成するステータ磁極１１４、１１Ａ、１１Ｇ、１１Ｐのバックヨーク側を磁気的に２７２へ接続する。Ｓ極を構成するステータ磁極１１１、１１７、１１Ｄ、１１Ｋのバックヨーク側を磁気的に２７１へ接続する。この時、図１１に示しているステータのバックヨークは除去し、各ステータ磁極は前記２７１あるいは２７２へ磁気的に接続するものとする。このような構成とすることにより、各ステータ磁極は永久磁石２７３により励磁することができ、各ステータ磁極を励磁電流成分を低減することができ、モータを高効率化することができる。なお、この構成は、平面状ではなく、３次元状の磁路を構成となるため、電磁鋼板を積層する構造では実現が難しい。この対応策の一つとして、圧粉磁心を用いた３次元形状の磁路を構成することにより、前記磁路を比較的容易に実現することができる。

次に請求項１０の実施例を図２８に示し、説明する。図２８は本発明モータの縦断面図である。２８１はロータ軸であり、２８２は図１に示したロータのような構成の第１ロータである。２８３は同様な第２ロータである。２８４は空間などの磁気抵抗の大きなスペースである。２８５は第１ステータで、２８６と２８７はクローポール状のステータ磁極であり、それぞれ、Ａ相ステータ磁極とＡ／相ステータ磁極を構成する。２８８はＡ相ステータ磁極とＡ／相ステータ磁極とを励磁する環状のＡ相巻線である。２８９は第２ステータで、２８Ａと２８Ｂはクローポール状のステータ磁極であり、それぞれ、Ｂ相ステータ磁極とＢ／相ステータ磁極を構成する。２８ＣはＢ相ステータ磁極とＢ／相ステータ磁極とを励磁する環状のＢ相巻線である。２８Ｄは空間などの磁気抵抗の大きなスペースである。円周上に各相のステータ磁極は複数個設けた構成である。モータの大きさにもよるが、最低でも２個以上の各相ステータ磁極を設ける。また、ステータ磁極の特性、ロータ磁極の特性は、本発明で示した他の例と同じである。

前記のクローポール状の磁路は、圧粉磁心を使用することによりプレス技術で製作することができる。また、環状巻線の製作も容易である。環状巻線とクローポール状の磁路を用いることにより、製作性に優れたモータを構成することができる。

また、図２８のような２つのモータ構成要素を並列に配置する構成は、ロータ軸方向に並べる以外の方法で構成することができる。モータの外径側に第１モータ構成要素を配置し、モータの内径側に第２モータ構成要素を配置する方法である。また、いわゆるアキシャルギャップモータのように構成して、ロータ軸方向に背中合わせで、第１モータ構成要素と第２モータ構成要素を配置する方法もある。

以上本発明について説明したが、種々の変形、応用、組み合わせが可能である。例えば、ロータ磁極の円周方向の磁気特性は、ロータのスキュー、あるいは、ステータのスキューの技術も応用して実現することもできる。段スキューなどの技術と合わせて実現することもできる。ロータ磁極の数を数個増加して、その増加した間隔でステータ磁極を円周方向に移動することにより、考え方は同じで類似した特性のモータを実現することもできる。極数の変更もできる。外径側に第１のモータを配置し、内径側に第２のモータを配置し、合計２個のモータを配置して一体化したモータ構成が可能である。巻線の種類としてアルミ線などを使用することもでき、限定しない。軟磁性体も電磁鋼板だけでなく、圧分磁心など種々の材料が使える。また、永久磁石に種々のもが使用でき、使用時に磁石の強さを可変することも可能である。これらについても本発明に含むものである。

１１１、１１Ｄ Ａ相ステータ磁極
１１２、１１３、１１Ｅ、１１Ｆ Ａ相巻線
１１４、１１Ｇ Ａ／相ステータ磁極
１１５、１１６、１１Ｈ、１１Ｊ Ａ／相巻線
１１７、１１Ｋ Ｂ相ステータ磁極
１１８、１１９、１１Ｍ、１１Ｎ Ｂ相巻線
１１Ａ、１１Ｐ Ｂ／相ステータ磁極
１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｑ、１１Ｒ Ｂ相巻線

Claims (10)

1. Ａ相のステータ磁極と、
   Ａ相とは電気角で１８０°の位相差であるＡ／相のステータ磁極と、
   Ａ相とは電気角で９０°の位相差であるＢ相のステータ磁極と、
   Ａ相とは電気角で２７０°の位相差であるＢ／相のステータ磁極と、
   各ステータ磁極を励磁する巻線と、
   ロータの円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてそのラジアル方向の磁気抵抗平均値Ｒ１Ｒが最も大きい第１の回転部と、
   前記第１の回転部の円周方向に隣接して配置された第２の回転部と、
   前記第２の回転部の円周方向に隣接して配置された第３の回転部とを備え、
   前記第２の回転部の円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてのラジアル方向のパーミアンス（１／磁気抵抗平均値Ｒ２Ｒ）が前記第３の回転部の円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてのラジアル方向のパーミアンス（１／磁気抵抗平均値Ｒ３Ｒ）の１５％から８５％の値であり、
   前記第１の回転部と前記第２の回転部と前記第３の回転部とで構成した第１のロータ磁極と、
   前記第１のロータ磁極と同様形状で電気角で１８０°の位相差である第２のロータ磁極とを備え、
   前記各相のステータ磁極の円周方向幅ＳＳＷは、電気角で９０°以下であり、
   ロータの前記第２の回転部と前記第３の回転部との円周方向幅の合計が電気角で９０°以上であり、
   ステータ磁極の円周方向角度幅をＳＳＷとして前記第３の回転部の円周方向幅ＲＦＦは、それぞれ電気角で、（９０°−ＳＳＷ）以上の値である
   ことを特徴とするリラクタンスモータ。
2. 請求項１において、
   前記第１のロータ磁極および第２ロータ磁極をＮＮ１倍に多極化したロータ磁極と、
   それぞれ（ＮＮ１−ＮＮ２）個の前記Ａ相のステータ磁極と、前記Ａ／相のステータ磁極と、前記Ｂ相のステータ磁極、および、前記Ｂ／相のステータ磁極を備える
   ことを特徴とするリラクタンスモータ。
   ここで、ＮＮ１は２以上の整数で、ＮＮ２は１以上で（ＮＮ１−１）以下の整数である。
3. 請求項１において、
   Ａ相のステータ磁極を励磁する電流成分をＩａとし、Ｂ相のステータ磁極を励磁する電流成分をＩｂとして、スロットに通電すべき電流が（Ｉａ＋Ｉｂ）のスロットへ電流Ｉｊを通電する巻線を巻回し、
   スロットに通電すべき電流が（Ｉａ−Ｉｂ）のスロットへ電流Ｉｋを通電する巻線を巻回し、
   スロットに通電すべき電流が（２×Ｉａ）のスロットへ電流Ｉｍを通電する巻線を巻回し、
   スロットに通電すべき電流が（２×Ｉｂ）のスロットへ電流Ｉｎを通電する巻線を巻回し、
   前記のそれぞれの通電すべき電流の値の正負の符号が逆の場合は逆向きにした巻線を巻回することを特徴とするリラクタンスモータ。
4. 請求項３において、
   前記の電流Ｉｍを通電する巻線とはスロットへ電流Ｉｊを通電する巻線と電流Ｉｋを通電する巻線とを巻回して構成し、
   前記の電流Ｉｎを通電する巻線とは電流Ｉｊを通電する巻線と電流（−Ｉｋ）を通電する巻線とを巻回して構成する
   ことを特徴とするリラクタンスモータ。
5. 請求項１、及び、請求項２において、
   少なくとも、前記Ａ相のステータ磁極円周方向位置と前記Ａ／相のステータ磁極円周方向位置とを相互に交換する配置構成、又は、前記Ｂ相のステータ磁極円周方向位置と前記Ｂ／相のステータ磁極円周方向位置とを相互に交換する配置構成のいずれか一方の配置構成である
   ことを特徴とするリラクタンスモータ。
6. 請求項１において、
   ロータの円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてそのラジアル方向の磁気抵抗平均値Ｒ１Ｒが最も大きい第１の回転部と、
   前記第１の回転部の円周方向に隣接して配置された第２の回転部と、
   前記第２の回転部の円周方向に隣接して配置された第４の回転部と、
   前記第４の回転部の円周方向に隣接して配置された第３の回転部とを備え、
   前記第４の回転部の円周方向の単位角度幅のロータ軸方向の全長に渡る単位面積についてのラジアル方向のパーミアンス（１／磁気抵抗平均値Ｒ４Ｒ）が前記第３の回転部のパーミアンス（１／磁気抵抗平均値Ｒ３Ｒ）の３０％から８５％の値であり、
   前記第１の回転部と前記第２の回転部と前記第４の回転部と前記第３の回転部とで第３のロータ磁極を構成し、
   前記第３のロータ磁極と同様形状で１８０°の位相差である第４のロータ磁極を備え、
   各相のステータ磁極の円周方向幅ＳＳＷは、電気角で９０°以下であり、
   ロータの前記第２の回転部と前記第４の回転部と前記第３の回転部との円周方向幅の合計が電気角で９０°以上である
   ことを特徴とするリラクタンスモータ。
7. 請求項１、および、請求項６において、
   前記第１の回転部の磁気抵抗平均値Ｒ１Ｒと前記第２の回転部の磁気抵抗平均値Ｒ２Ｒと前記第４の回転部の磁気抵抗平均値Ｒ４Ｒと前記第３の回転部の磁気抵抗平均値Ｒ３Ｒとを電磁鋼板に施す複数の穴や溝、および、細長い穴を用いてほぼ等価な磁気抵抗の比となるように作成し、
   前記電磁鋼板をロータ軸方向に積層する
   ことを特徴とするリラクタンスモータ。
8. 請求項１において、
   円周方向に並んで配置する２個のステータ磁極において、歯の外径側から内径側へ通過する通電時の磁束方向が逆向きである２個のステータ磁極の歯の先端部近傍に前記磁束方向が逆向きとなるような磁束を供給する極性の永久磁石
   を備えることを特徴とするリラクタンスモータ。
9. 請求項１において、
   モータバックヨークに配置し、各ステータ磁極の磁束方向に向いた極性を持つ永久磁石を備え、
   前記永久磁石のＮ極はＮＮ３個のＮ極のステータ磁極へ磁気的に接続され、
   前記永久磁石のＳ極はＮＮ３個のＳ極のステータ磁極へ磁気的に接続されている
   ことを特徴とするリラクタンスモータ。
   ここで、ＮＮ３は２以上の整数である。
10. 請求項１において、
    ２個以上のＡ相ステータ磁極と、
    前記Ａ相ステータ磁極とはクローポール状に配置した２個以上のＡ／相ステータ磁極と、
    前記Ａ相のステータ磁極と前記Ａ／相のステータ磁極に交差するように配置して、両ステータ磁極を通過する磁束を励磁する電流を通電する環状巻線と、
    ２個以上のＢ相ステータ磁極と、
    前記Ｂ相ステータ磁極とはクローポール状に配置した２個以上のＢ／相ステータ磁極と、
    前記Ｂ相のステータ磁極と前記Ｂ／相のステータ磁極に交差するように配置して、両ステータ磁極を通過する磁束を励磁する電流を通電する環状巻線と、
    前記Ａ相ステータ磁極と前記Ａ／相のステータ磁極とが電磁気的に作用するロータ部ＲＡＡと、
    前記Ｂ相ステータ磁極と前記Ｂ／相のステータ磁極とが電磁気的に作用するロータ部ＲＢＢとを備え、
    前記ロータ部ＲＡＡと前記ロータ部ＲＢＢとは機械的に結合し、
    前記Ａ相ステータ磁極を通る磁束と前記Ｂ相ステータ磁極を通る磁束とが分離する位置に前記各ステータ磁極を配置する
    ことを特徴とするリラクタンスモータ。

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