JP6331949B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、自励式巻線界磁機能を有する電磁石をロータ側に備えるモータに関する。

例えば、ハイブリッド自動車（Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（Electric Vehicle）に搭載するモータとしては、リラクタンストルクと共に、マグネットトルクを効果的に利用するのが効率がよい。このようなモータとしては、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）内に埋め込む、ＩＰＭ（
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）構造が多用されている。

この種のモータとしては、高磁力の永久磁石は高価かつ安定供給が難しいことから、ロータ側に自励式巻線界磁機能を有する電磁石を備えさせることが提案されている（特許文献１）。この特許文献１に記載のモータでは、ステータの電機子極コイルで発生させる磁束を鎖交させるロータの突極部に、誘導コイルと電磁石コイルとを個別に形成して、誘導コイルで発生させる誘導電流を整流した後に電磁石コイルに界磁電流として供給することで電磁石としても機能させている。

この特許文献１に記載のモータは、ステータ側の電機子極コイルで発生させる磁束をロータの突極部に鎖交させることによるリラクタンストルクと、その突極部を電磁石として機能させることによるマグネットトルクとを利用して、ロータを回転させるトルクを向上させている。

特開２０１３−３８９１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のモータにあっては、誘導コイルと電磁石コイルとを形成するロータの突極部において自己励磁する巻線界磁機能を有する電磁石を実現しているが、トルク発生面が誘導コイルと電磁石コイルを共通に巻き付ける突極部の外周面のみである。

このことから、このモータでは、ロータの外周面においてトルク密度の小さくなる領域ができて回転効率を低下させているとともに、このトルク密度の小さな領域が周方向に繰り返し出現して回転品質を低下させている。

また、この特許文献１に記載のモータでは、誘導コイルで発生する交流の誘導電流を突極毎に半波整流して合成することで直流の界磁電流としており、誘導電流を有効利用することができていない。

そこで、本発明は、損失エネルギーをより効率よく界磁エネルギーとして回収して、効果的に高トルクで駆動させることのできる、自励式巻線界磁機能を有する電磁石を備える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モータの発明の一態様は、通電により磁束を発生させる複数の電機子極コイルを有するステータと、前記ステータからの前記磁束により回転するロータと、を備えるモータであって、前記ロータは、前記ステータに向かって延伸する突極形状に形成されて並列されている複数の主突極部と、前記主突極部の並列方向の側面間で前記ステータに向かって延伸する突極形状に形成されて並列されている複数の補助突極部と、が形成されており、前記主突極部および前記補助突極部は、前記電機子極コイルで発生する前記磁束に含まれる空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生させる誘導コイルと、前記誘導コイルで発生した前記誘導電流を通電させて電磁力を発生させる電磁石コイルと、を有するものである。

この本発明の一態様によれば、損失エネルギーを効率よく界磁エネルギーとして回収して、効果的に高トルクで駆動させることのできる、自励式巻線界磁機能を有する電磁石を備えるモータを提供することができる。

図１は、本発明に係る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、補助突極部の誘導コイルとロータティースの電磁石コイルとをダイオードを介して接続する簡易な回路構成図である。 図３は、ロータティースの誘導コイルと補助突極部の電磁石コイルとをダイオードを介して接続する簡易な回路構成図である。 図４は、通電時に発生する磁束の磁化方向に応じた磁束ベクトルの形成状態を示す状態図である。 図５は、通電時に発生する磁束線の形成状態を示す状態図である。 図６は、通電時に発生する磁束の形成状態を磁束線および磁束ベクトルで示す状態図である。 図７は、本実施形態と比較する補助突極部のない構造のモータの概略構成を示す一部拡大径方向断面図である。 図８は、通電時に発生する誘導電流量を補助突極部の有無で比較するグラフである。 図９は、通電時に得られるトルクを補助突極部の有無で比較するグラフである。

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９は本発明の一実施形態に係るモータを示す図である。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を示している。

（モータの基本構造）
図１において、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、内燃機関と共に、あるいは単独で駆動源として車載するのに好適な性能を有している。このモータ１０は、後述するように、外部からロータにエネルギー入力する必要のない構造に作製されている。

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定されるロータ（回転子）２１と、を備えている。ステータ１１およびロータ２１は、電磁鋼板（磁性体）を積層して巻線を巻き付け可能にそれぞれ一体に形成することにより、それぞれの内部での透磁率を高めて高密度に磁束を通すことのできる磁路として機能している。このステータ１１およびロータ２１は、ラジアル方向で対面する後述の極力小さなエアギャップＧを介して対面する端面間で効率よく磁束を鎖交させることができるように形成されている。

ステータ１１には、径方向の回転軸側に延伸されて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は、ロータ２１の後述するロータティース２２の外周面２２ａにエアギャップＧを介して内周面１２ａ側を対面させている。このステータティース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、３相電源の相毎の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。また、ステータティース１２は、電機子極コイル１４に交流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、径方向の回転軸から離隔する側に延伸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（主突極部）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（端面）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、モータ１０は、ステータ１１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る。これにより、モータ１０は、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、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ーを機械的エネルギーとして出力することができる。

（自励式巻線界磁モータの基本構造）
このモータ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。

具体的には、このとき、ステータ１１の電機子極コイル１４に基本周波数の交流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ーとして回収することができる。

このことから、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誘導コイル２７と電磁石コイル２８とを配置している。また、モータ１０は、ロータスロット２３内に後述する補助突極部３２を形成して同様に巻線を巻き付けて誘導コイル３７と電磁石コイル３８とを配置している。

誘導コイル２７、３７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と補助突極部３２の外周面２２ａ、３２ａ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して電磁石コイル２８、３８に供給する。電磁石コイル２８、３８は、その誘導コイル２７、３７から供給される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）を発生する。

これにより、モータ１０は、誘導コイル２７、３７の誘導電流で電磁石コイル２８、３８に発生させた磁束を、ロータティース２２や補助突極部３２の外周面２２ａ、３２ａ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マグネットトルク（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、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補助突極部３２においてもエネルギーとして回収して出力することができ、ロータスロット２３の形成領域においても駆動力を発生させてトルクリプルを低減することができる。

具体的には、ロータ２１には、ロータティース２２と磁気的に結合されている複数の補助突極部３２が一体回転するように形成されており、補助突極部３２は、ロータティース２２と同様に、径方向の回転軸から離隔する方向に延伸される突極形状に形成されて、ロータスロット２３内に位置するように周方向に均等配置されている。すなわち、補助突極部３２はロータティース２２と同数を備えて、相対回転時に外周面３２ａ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。

（自励式巻線界磁モータの詳細構造１）
このモータ１０は、ロータティース２２を電磁石として機能させるように電磁石コイル２８を配置するとともに、その電磁石コイル２８への界磁電流の電力供給源としてロータティース２２とは別個の補助突極部３２に誘導コイル３７を配置している。電磁石コイル２８は、ロータティース２２の外周面２２ａから離隔する回転軸側に集中巻して形成されており、誘導コイル３７は、補助突極部３２の外周面３２ａに近接する側に集中巻されて形成されている。

これにより、モータ１０は、小さなエアギャップＧを介してステータティース１２の内周面１２ａから補助突極部３２の外周面３２ａに磁束を高密度に鎖交させることができ、その鎖交する磁束に含まれる空間高調波成分（磁束密度の変化）により誘導コイル３７に誘導電流を発生させて、ロータティース２２の電磁石コイル２８に供給することができる。このロータティース２２の電磁石コイル２８は、補助突極部３２の誘導コイル３７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。

したがって、モータ１０は、補助突極部３２の誘導コイル３７の誘導電流で別個のロータティース２２の電磁石コイル２８に磁束を発生させて、そのロータティース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。

すなわち、モータ１０は、ロータティース２２の電磁石コイル２８に、ロータスロット２３内に位置する補助突極部３２の誘導コイル３７から電力供給して電磁石として機能させてロータ２１の回転を補助することができ、このロータティース２２をｄ軸とし、また、そのロータティース２２間の補助突極部３２をｑ軸として回転駆動させている。

（自励式巻線界磁モータの詳細構造２）
さらに、このモータ１０は、補助突極部３２を電磁石として機能させるように電磁石コイル３８を配置するとともに、その電磁石コイル３８への界磁電流の電力供給源として補助突極部３２とは別個のロータティース２２に誘導コイル２７を配置している。電磁石コイル３８は、補助突極部３２の外周面３２ａから離隔する回転軸側に集中巻して形成されており、誘導コイル２７は、ロータティース２２の外周面２２ａに近接する側に集中巻されて形成されている。

これにより、モータ１０は、小さなエアギャップＧを介してステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに磁束を高密度に鎖交させることができ、その鎖交する磁束に含まれる空間高調波成分により誘導コイル２７に誘導電流を発生させて、補助突極部３２の電磁石コイル３８に供給することができる。この補助突極部３２の電磁石コイル３８は、ロータティース２２の誘導コイル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。

したがって、モータ１０は、ロータティース２２の誘導コイル２７の誘導電流で別個の補助突極部３２の電磁石コイル３８に磁束を発生させて、その補助突極部３２の外周面３２ａ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。

すなわち、モータ１０は、ロータスロット２３内に位置する補助突極部３２の電磁石コイル３８に、ロータティース２２の誘導コイル２７から電力供給して電磁石として機能させてロータ２１の回転を補助することができる。

（自励式巻線界磁モータの回路構成１）
ここで、これら誘導コイル２７、３７および電磁石コイル２８、３８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や補助突極部３２の外周面２２ａ、３２ａ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されている。

また、誘導コイル２７、３７や電磁石コイル２８、３８では、集中巻構造を採用することにより、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、誘導コイル２７、３７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ーを増加させることができる。

さらに、誘導コイル２７、３７には、３次の空間高調波磁束を利用することにより、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。

これら誘導コイル２７、３７および電磁石コイル２８、３８は、電機子極コイル１４が交流電源から電力供給を受けて鎖交させる磁束に重畳する空間高調波成分で誘導電流を発生させて直流の界磁電流とすることにより、ロータティース２２や補助突極部３２を電磁石として機能させて電磁力を発生させており、その交流の誘導電流を有効利用するために、図２、図３に示す整流回路３０、４０内にそれぞれ組み込まれている。

詳細には、誘導コイル２７は、ロータティース２２に巻線を同一の巻付方向になるように形成して設けられている。同様に、誘導コイル３７は、補助突極部３２に巻線を同一の巻付方向になるように形成して設けられている。これら誘導コイル２７、３７は、共通の巻付方向になるように形成されている。

電磁石コイル２８は、ロータティース２２に巻線を周方向の１極置きに巻付方向が反対になるように形成して設けられている。同様に、電磁石コイル３８は、補助突極部３２に巻線を周方向の１極置きに巻付方向が反対になるように形成して設けられている。これら電磁石コイル２８、３８は、それぞれのロータティース２２または補助突極部３２において、周方向の１極置きに巻付方向が誘導コイル２７、３７と同一または反対になるように形成されている。

そして、ロータティース２２の電磁石コイル２８は、図２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補助突極部３２の誘導コイル３７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導コイル３７Ａ１〜３７Ａｎ、３７Ｂ１〜３７Ｂｎの両端部に並列接続されている。

同様に、補助突極部３２の電磁石コイル３８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ロータティース２２の誘導コイル２７の両端部にそれぞれダイオード３９Ａ、３９Ｂを介して接続されている。すなわち、電磁石コイル３８は、巻線の巻き方向毎のコイル３８Ａ１〜３８Ａｎ（ｎ：極数／２）とコイル３８Ｂ１〜３８Ｂｎが全直列接続されており、その電磁石コイル３８Ａ１〜３８Ａｎ、３８Ｂ１〜３８Ｂｎに対応するように直列接続されている誘導コイル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、３９Ａ、３９Ｂは、ロータティース２２や補助突極部３２のそれぞれにおいて、誘導コイル２７、３７や電磁石コイル２８、３８を多極化させる場合でも、そのうちの電磁石コイル２８、３８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、３９Ａ、３９Ｂ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ことにより全波整流して出力する中性点クランプ型の半波整流回路３０、４０を形成している。

すなわち、ダイオード２９Ａ、２９Ｂは、複数の誘導コイル３７および電磁石コイル２８を結線して整流する整流回路（第１の整流回路）３０に組み込まれている。ダイオード３９Ａ、３９Ｂは、複数の誘導コイル２７および電磁石コイル３８を結線して整流する整流回路（第２の整流回路）４０に組み込まれている。このダイオード２９Ａ、２９Ｂとダイオード３９Ａ、３９Ｂは、個々に電気的に独立する別個の整流回路３０、４０に組み込まれて、それぞれで誘導電流を全波整流している。

これにより、モータ１０は、誘導コイル２７、３７の個々に発生させる交流の誘導電流を、別個の整流回路３０、４０のダイオード２９Ａ、２９Ｂ、３９Ａ、３９Ｂを介して全波整流させて直流界磁電流に調整した後に合流させて、それぞれで直列接続させている電磁石コイル２８、３８に供給している。このため、このモータ１０では、電磁石コイル２８、３８毎に合流させた直流界磁電流により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。

このように、モータ１０は、ロータティース２２の誘導コイル２７で発生する誘導電流を整流回路４０で全波整流して補助突極部３２の電磁石コイル３８に直流界磁電流として供給することにより、電磁石として機能させることができる。すなわち、このモータ１０では、ロータティース２２に誘導コイルと電磁石コイルとを形成する場合に損失となっていた電機子反作用トルクを利用して、補助突極部３２を電磁石として機能させることができる。

また、後述する図７のモータ１００のコア部材１３２では磁気的に遮蔽されている誘導コイル１３７において誘導電流を発生するに留まり、トルクを発生させることはできない。しかし、このモータ１０は、誘導コイル３７だけでなく誘導コイル２７と電磁石コイル３８を配置している。このため、モータ１０では、誘導コイル３７に電磁石コイル２８、３８を直列接続する場合のように抵抗値増加による銅損を増加させてしまうことなく、また、誘導コイル３７に電磁石コイル２８、３８を並列接続する場合のように循環電流を発生させて界磁電流を減少させてしまうことなく、トルク発生面として、ロータティース２２の外周面２２ａに補助突極部３２の外周面３２ａを加えることができる。

この結果、モータ１０は、ロータティース２２に加えて補助突極部３２をロータスロット２３に形成することによって、誘導コイル２７、３７および電磁石コイル２８、３８を励磁用と電磁石用とで分割して独立させるようにそれぞれ配置することができる。これにより、互いに干渉して弱め合ってしまうことを回避しつつ、トルク発生面（外周面２２ａ、３２ａ）を拡大して、誘導電流を全波整流した界磁電流により時間的変動を抑えたトルクとして出力することができる。

また、誘導コイル２７、３７および電磁石コイル２８、３８は、ロータ２１の周方向に複数配置して多極化している。このため、ロータティース２２および補助突極部３２の双方において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や補助突極部３２に作用する電磁力も周方向に分散化させて電磁振動を抑えて静寂化させることができる。

（自励式巻線界磁モータの回路構成２）
そして、このロータ２１においては、補助突極部３２の誘導コイル３７で発生させる誘導電流をダイオード２９Ａ、２９Ｂで整流して直流界磁電流として、ロータティース２２の電磁石コイル２８に供給して電磁力を発生させている。この電磁石コイル２８は、ロータティース２２の１極毎に巻き付け方向が反対向きにされている。このことから、ロータ２１は、図４に磁束ベクトルＶで示すように、電磁石コイル２８がロータティース２２の磁化方向を周方向に向かって交互になる電磁石として機能させており、また、図５に磁束線ＦＬで示すように、そのロータティース２２の磁化方向によりロータスロット２３を迂回してスムーズに磁束を通過させる磁路を形成することができる。

また、ロータティース２２の誘導コイル２７で発生させる誘導電流は、同様に、ダイオード３９Ａ、３９Ｂで整流して直流界磁電流として、補助突極部３２の電磁石コイル３８に供給して電磁力を発生させている。この電磁石コイル３８は、補助突極部３２の１極毎に巻き付け方向が反対向きにされている。このことから、ロータ２１は、図４に磁束ベクトルＶで示すように、電磁石コイル３８が補助突極部３２の磁化方向を周方向に向かって交互になる電磁石として機能させており、また、図５に磁束線ＦＬで示すように、その補助突極部３２の磁化方向によりロータスロット２３を迂回してスムーズに磁束を通過させる磁路を形成することができる。

この電磁石コイル３８は、ロータティース２２の電磁石コイル２８に隣接して、その磁化方向をロータ２１の半径方向に一致させるように形成されているとともに、その巻線の巻付方向を周方向に向かって交互に切り替わるように設置されている。

このため、補助突極部３２の電磁石コイル３８は、磁化方向が回転軸側に向いている場合には、補助突極部３２内への磁束の進入を制限する磁気遮蔽として機能することができ、電磁石コイル２８で発生する磁束がロータティース２２内の磁路を優先的に選択するように機能する。
なお、電磁石コイル３８がつくる磁束は、電機子磁束の向きと対向する向きになり、電機子反作用トルクを発生させる。一方、電磁石トルク２８がつくる磁束は、電機子磁束の向きと同じ向きになり、マグネットトルク（電磁石トルク）として作用する。

また、ロータティース２２の電磁石コイル２８は、磁化方向が回転軸側に向いている場合には、ロータティース２２内から回転軸側に向かう磁路を積極的に形成する。この電磁石コイル２８は、磁化方向がステータ１１側に向いている場合には、ロータティース２２内からステータティース１２側に向かう磁路を積極的に形成する。
同様に、補助突極部３２の電磁石コイル３８も、磁化方向が回転軸側に向いている場合には、補助突極部３２内から回転軸側に向かう磁路を積極的に形成する。また、電磁石コイル３８も、磁化方向がステータ１１側に向いている場合には、補助突極部３２内からステータティース１２側に向かう磁路を積極的に形成する。
このため、電磁石コイル２８、３８は、エアギャップＧを介してステータ１１とロータ２１との間を周回する磁気回路を形成することができる。

このことから、電磁石コイル２８、３８の磁束がロータティース２２や補助突極部３２の外周面２２ａ、３２ａ側に向かう場合には、ステータティース１２を含む磁路における直流成分の磁束がステータ１１側から鎖交してロータ２１の回転軸側に進行しようとするのをそのステータ１１側に戻す磁気回路を形成することができ、ロータ２１の接線方向に向かう磁束に合成して回転を有効に補助するリラクタンストルクとして利用することができる。なお、この場合の電磁石コイル２８、３８の直流成分の磁束は、ロータ２１側からステータ１１側に鎖交してステータスロット１３を迂回する磁気回路を形成することになり、後述の磁気回路によるマグネットトルクとして機能する。

また、電磁石コイル２８、３８の磁束がロータティース２２や補助突極部３２から回転軸側に向かう場合には、ステータティース１２を含む磁路における直流成分の磁束がステータ１１側からロータ２１の回転軸側に積極的に向かう磁気回路を形成することができ、ロータ２１の回転を有効に補助するマグネットトルクとして利用することができる。

このとき、誘導コイル２７、３７と電磁石コイル２８、３８は、誘導電流を発生させるための配置箇所と、その誘導電流を界磁電流として供給されて電磁石として機能するための配置箇所との組み合わせがロータティース２２と補助突極部３２とで別々に配置されるように振り分けられている。言い換えると、誘導コイル３７と電磁石コイル２８の組と、誘導コイル２７と電磁石コイル３８の組とは、それぞれで、ロータティース２２と補助突極部３２との双方に配置されている。このため、ロータティース２２と補助突極部３２は、磁気的干渉を低減されて、また、磁気的飽和が回避されており、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、誘導コイル２７、３７では交流の誘導電流を発生させる磁束がロータティース２２および補助突極部３２の内部を通過し、また、電磁石コイル２８、３８では直流の界磁電流で発生する磁束がロータティース２２および補助突極部３２の内部を通過する。この交流の磁束と直流の磁束とでは特性が異なっていて互いに干渉することは少なく、磁気飽和しない限り、電磁石コイル２８、３８で発生する磁束が誘導コイル２７、３７で発生する磁束により制限されることない。このため、電磁石コイル２８、３８で発生する磁束は、ロータティース２２や補助突極部３２の外周面２２ａ、３２ａと、ステータティース１２の内周面１２ａとの間を制限なく鎖交してマグネットトルクとして機能することができ、ロータ２１の回転を効果的に補助することができる。

このため、モータ１０は、図６に３次の空間高調波成分の磁束ベクトルとその磁束線図で示すように、ロータティース２２および補助突極部３２の外周面２２ａ、３２ａを有効利用して、ステータ１１とロータ２１との間で磁束を効果的に鎖交させることができている。このように、モータ１０は、トルクの発生面をロータティース２２および補助突極部３２の外周面２２ａ、３２ａとして大面積化かつ分散化させることができ、脈動を少なくして、滑らかに、かつ、効率よくロータ２１を回転させることができる。

（補助突極部等の有無に応じた特性比較）
ところで、リラクタンスモータでは、トルクや回転品質の向上を目的として自己励磁する電磁石を設けることが考えられる。

例えば、図７に示すモータ１００は、ステータ１１１のステータティース１１２に、ステータスロット１１３を利用して電機子極コイル１１４を巻き付けて形成するとともに、ロータ１２１のロータティース１２２に、ロータスロット１２３を利用して電磁石コイル１２８を巻き付けて形成する。

これに加えて、モータ１００では、ロータ１２１側のロータスロット１２３内に磁気的に遮蔽する状態で配置するコア部材１３２に、誘導コイル１３７を巻き付けて形成し、この誘導コイル１３７と電磁石コイル１２８をモータ１０と同様に不図示のダイオードで結線して全波整流回路内に組み込む。

この構造により、モータ１００では、マグネットトルクを利用することのない単なるリラクタンスモータの構成に加えて、外部電源の必要なく誘導コイル１３７で発生させた誘導電流を整流して電磁石コイル１２８に直流の界磁電流として供給することにより、自己励磁可能な電磁石として機能させ、マグネットトルクによりトルクや回転品質の向上を図ることができる。

これに対して、モータ１０では、ロータスロット２３内に補助突極部３２を設けることにより、モータ１００における誘導コイル１３７と同様に、誘導コイル３７を備えるのに加えて、誘導コイル２７と電磁石コイル３８とを備えることができ、トルクや回転品質をより向上させることができている。

例えば、定常回転に達した状態では、図８に示すように、空間高調波成分の磁束により発生する順方向の誘導電流を一例にして比較すると、モータ１０の方が通過する磁束量が増加していることから、モータ１００よりも数倍の電流量の誘導電流を発生させていることが分かる。

また、同様に、定常回転に達した状態では、例えば、図９に示すように、平均トルクにおいては、モータ１０の方がモータ１００よりも約７０％以上向上させていることが分かる。

（モータ１０の突極構造）
また、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間の誘導コイル３７に鎖交する磁束強度が変化することにより、効果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ーを効率よく回収して回転することができる。同様に、補助突極部３２間の誘導コイル２７でも鎖交する磁束強度が変化することにより、効果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ー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、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、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、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、損失エネルギー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、本実施形態においては、ステータ１１の内周面１２ａに外周面２２ａ、３２ａを対面させるロータティース２２と補助突極部３２を備えて、そのロータティース２２と補助突極部３２の双方の外周面２２ａ、３２ａ側に誘導コイル２７、３７をそれぞれ配置するとともに、その双方の回転軸側に電磁石コイル３８、２８をそれぞれ配置する構造になっている。

このモータ構造により、モータ１０は、ステータ１１の電機子極コイル１４で発生させた磁束に重畳する空間高調波成分が、ｄ軸に位置するロータティース２２だけでなくｑ軸に位置する補助突極部３２も加えた外周面２２ａ、３２ａに鎖交することになる。このため、このモータ１０では、誘導コイル２７、３７のそれぞれに誘導電流を発生させて、それぞれの電磁石コイル３８、２８に界磁電流として供給することができ、ロータティース２２と補助突極部３２とをそれぞれ電磁石として機能させてマグネットトルクを働かせることができる。

また、このモータ１０では、ダイオード２９Ａ、２９Ｂを備える整流回路３０と、ダイオード３９Ａ、３９Ｂを備える整流回路４０と、をそれぞれ別個に独立する回路構成として、誘導コイル２７、３７で発生する誘導電流を整流回路３０、４０のそれぞれで全波整流して電磁石コイル３８、２８毎に供給して電磁石として機能させている。

この回路構成により、モータ１０は、誘導コイル２７および電磁石コイル３８と、誘導コイル３７および電磁石コイル２８とでそれぞれ別個の整流回路３０、４０とすることができる。このため、このモータ１０では、誘導電流を全波整流して直流界磁電流とし電磁力を発生させる処理を、互いに干渉し合うことなく、個別に効率よく行うことができ、かつ、直流界磁電流とすることで、時間的変動を少なくして、高品質回転可能なトルクを発生させることができる。

したがって、モータ１０は、ロータティース２２だけでなく、補助突極部３２でも、誘導電流を発生させるとともに、電磁石としても効果的に機能させることができ、誘導電流を大電流化して電磁力を増強し、ロータ２１を高トルクに回転させることができる。このとき、ロータ２１を回転させるトルクは、ロータティース２２と補助突極部３２の双方の外周面２２ａ、３２ａをトルク発生面として分散化させて、それぞれの接線方向に作用させることができ、ロータ２１を脈動等させることなく、安定状態で回転させることができる。

この結果、損失エネルギーを効率よく界磁エネルギーとして回収して、効果的に高トルクで駆動させることのできる、自励式巻線界磁機能を有する電磁石を備えるモータ１０を提供することができる。

本実施形態の第１の他の態様としては、図示することが省略するが、モータ１０のようなラジアルギャップ構造に限らずに、軸方向に向かってステータとロータとが対面するアキシャルギャップ構造に作製してもよい。

また、本実施形態の第２の他の態様としては、図示することが省略するが、ステータ１１とロータ２１との間に、それぞれに対してエアギャップを介して対面する、同軸で相対回転可能なアウタロータを配置してもよい。このアウタロータには、ステータ１１とロータ２１との間で鎖交する磁束を中継する磁性体と、その磁束の通過を遮断する非磁性体とを周方向に並列させている、ダブルロータ構造とすればよい。

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 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、３２ａ 外周面（端面）
２３ ロータスロット
２７、２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎ、３７、３７Ａ１〜３７Ａｎ、３７Ｂ１〜３７Ｂｎ 誘導コイル
２８、２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎ、３８、３８Ａ１〜３８Ａｎ、３８Ｂ１〜３８Ｂｎ 電磁石コイル
２９Ａ、２９Ｂ、３９Ａ、３９Ｂ ダイオード
３０ 整流回路（第１の整流回路）
３２ 補助突極部
４０ 整流回路（第２の整流回路）
ＦＬ 磁束線
Ｇ エアギャップ
Ｖ 磁束ベクトル

Claims (6)

1. 通電により磁束を発生させる複数の電機子極コイルを有するステータと、前記ステータからの前記磁束により回転するロータと、を備えるモータであって、
   前記ロータは、前記ステータに向かって延伸する突極形状に形成されて並列されている複数の主突極部と、前記主突極部の並列方向の側面間で前記ステータに向かって延伸する突極形状に形成されて並列されている複数の補助突極部と、が形成されており、
   前記主突極部および前記補助突極部は、前記電機子極コイルで発生する前記磁束に含まれる空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生させる誘導コイルと、前記誘導コイルで発生した前記誘導電流を通電させて電磁力を発生させる電磁石コイルと、を有する、モータ。
2. 前記主突極部は、ｄ軸磁路で発生する磁束に重畳する空間高調波成分が前記ステータに対向する端面から鎖交するように形成され、
   前記補助突極部は、ｑ軸磁路で発生する磁束に重畳する空間高調波成分が前記ステータに対向する端面から鎖交するように形成されている、請求項１に記載のモータ。
3. 前記誘導コイルは、前記主突極部および前記補助突極部の前記端面側に配置され、
   前記電磁石コイルは、前記主突極部および前記補助突極部の前記端面から離隔する回転軸側に配置されている、請求項１または請求項２に記載のモータ。
4. 前記主突極部に配置される前記誘導コイルと、前記補助突極部に配置される前記電磁石コイルとを第１の整流回路に接続し、
   前記補助突極部に配置される前記誘導コイルと、前記主突極部に配置される前記電磁石コイルとを第２の整流回路に接続し、
   前記第１の整流回路および前記第２の整流回路は、前記誘導コイルで発生する前記誘導電流を整流して直流界磁電流として前記電磁石コイルに通電する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ。
5. 前記第１の整流回路および前記第２の整流回路は、個々に電気的に独立する回路構成になっている、請求項４に記載のモータ。
6. 前記第１の整流回路および前記第２の整流回路は、それぞれ前記誘導コイルで発生する前記誘導電流を全波整流する回路構成になっている、請求項４または請求項５に記載のモータ。
   

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