JP2006246571A - リラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動、騒音を抑え、さらにトルク特性の向上を図ると共に、機械的強度を増し、製造を容易にしたリラクタンスモータを提供する
【解決手段】 複数の磁極２４を有する固定子２２と、非磁性導電性部材２７内に固定子２２の磁極数と異なる複数の磁性セグメント２５を埋め込んでなる円柱形状の回転子２６とを有し、固定子２２に、それぞれ１つの相をなすように、一対の相対向する隣合う磁極間を回転軸２９に沿う方向に電流が流れるような固定子巻線２８が施されて成る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リラクタンスモータに関する。

リラクタンスモータは、スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータまたはＳＲＭ）とシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）に大別される。これらのスイッチトリラクタンスモータやシンクロナスリラクタンスモータ等のリラクタンスモータは、一般に回転子が鉄のみで構成され、構造が簡単で堅牢であり、安価であり、高速回転にも適していることから、近年、工作機械、油圧ポンプ、家庭用電化製品、電気自動車などへの応用等で実用化が期待されている。

図２１にＶＲ（バリアブルリラクタンス）形ＳＲモータの概略を示す。このＶＲ形ＳＲモータ２２１は、円筒状の内壁にコイルにより励磁される複数の磁極２２３〔２２３Ａ，２２３Ｂ，２２３Ｃ，２２３Ａ′，２２３Ｂ′，２２３Ｃ′〕を一体に有した固定子２２２と、この固定子２２２の内側に磁極２２３の数と異なる複数の磁極２２５〔２２５Ａ，２２５Ａ′，２２５Ｂ，２２５Ｂ′〕を有する回転子２２４とを備え、固定子２２２の各磁極２２３にコイル２２６が巻装されて成る。この例では、６極の固定子２２２と４極の回転子２２４とにより形成され、各向かい合った磁極のコイル２２６を直列に結線して１相分として３相励磁となるように構成される。固定子２２２及び回転子２２４は強磁性材の例えば鉄で形成される。

このＶＲ形ＳＲモータ２２１は、ＡーＡ′相のコイル２２６に直流電流を流して固定子２２２の磁極２２３Ａ，２２３Ａ′が励磁されると、リラクタンス（磁気抵抗）が最小になるようにトルクが発生し、回転子２２４が回動する。すなわち、磁束２３３が固定子２２２の磁極２２３Ａ（Ｎ極）から発し、回転子２２４の磁極２２５Ａ，２２５Ａ′を通過し、固定子２２２の磁極２２３Ａ′へ戻る閉磁路を構成する（固定子２２２内ではＳ極からＮ極へ戻る）が、このとき磁極２２３Ａ、２２５Ａ間、磁極２２３Ａ′、２２５Ａ′間の間隙が大きく、また間隙を挟んで対向する両磁極の対向面積が小さいことによって、磁束２３３が曲げられ、磁気抵抗が大きくなる（図２２参照）。この磁気抵抗を最小にするためのトルク（いわゆるリラクタンストルク）が生じ回転子２２４が回動する。磁極２２３Ａと磁極２２５Ａ、磁極２２３Ａ′と磁極２２５Ａ′が丁度対向する位置に回動したときに、間隙が小さく且つ対向する磁極の対向面積が最も大きくなるので、磁気抵抗が最も小さくなり、Ａ相の励磁による回動は停止する。この動作を利用して、順次ＢーＢ′相、ＣーＣ′相を励磁して行くことで回転軸２２９を中心に回転子２２４が回転する。

また、図１９に、従来提案されている磁性セグメント構造の回転子を有するスイッチトリラクタンスモータの概略構成を示す。このスイッチトリラクタンスモータ１２１は、円筒状体１２３の内壁に複数の磁極１２４〔１２４Ａ，１２４Ｂ，１２４Ｃ，１２４Ａ′，１２４Ｂ′，１２４Ｃ′〕を一体に有した固定子１２２と、この固定子１２２に対して磁極１２４に対向するように磁極１２４の数と異なる複数の磁性セグメント１２５〔１２５Ａ，１２５Ａ′，１２５Ｂ，１２５Ｂ′〕を所要の持具にて中空保持した回転子１２６とを備え、固定子１２２にそれぞれ１つの相をなすように、一対の相対向する隣合う磁極１２４間を回転軸１２９に沿う方向に電流が流れるような固定子側のコイル１２８を巻装して構成される。この例では、６極の固定子１２２と４極の回転子１２６とにより構成される。固定子１２２及び回転子１２６の磁性セグメント１２５は、強磁性材、例えば鉄で形成される。

このスイッチトリラクタンスモータ１２１は、ＡーＡ′相のコイル１２８に直流電流を流して、それぞれのコイル１２８の両側の磁極１２４Ａ及び１２４Ｃ′、磁極１２４Ａ′及び１２４Ｃが励磁され、回転子側の磁性セグメント１２５との間に働くリラクタンストルクにより、回転子１２６が回動し、これより順次ＢーＢ′相、ＣーＣ′相を励磁して行くことで回転軸１２９を中心に回転子１２６が回転する。図１９では、回転子１２６の磁性セグメント１２５Ｂ，１２５Ｂ′が固定子１２２のＣーＣ′相の位置にある状態を示している。

図２１に対応したスイッチトリラクタンスモータの例は、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。
また，図１９に対応したスイッチトリラクタンスモータの例は、非特許文献（国際学会）１や非特許文献２で発表されている。
特開２００２−２７２０７１号公報 特開２０００−７８８０５号公報 B. C. Mecrow, J. W. Finch, E. A. EI-Kharashiand A. G. Jack: "The Design of Switched Reluctance Motors with Segmental Rotors" Conference Record of ICEM 2002 No. 336（2002） B. C. Mecrow, J. W. Finch, E. A. EI-Kharashi and A. G. Jack: "Switched Reluctance Motors with Segmental Rotors" IEE Proc. of Electr. Power Appl., Vol. 149, No. 4, pp. 245-254 (2002)

ところで、図２１のＶＲ形ＳＲモータ２２１においては、通常使われている誘導モータや同期モータ等の交流機に比べてトルク／容積比が小さく、トルク脈動や振動、騒音が大きいなどの欠点があり、実用化され難いのが現状である。振動、騒音を抑えるために磁極数を増やしたり、磁極形状を工夫するなどの提案があるが、根本的な解決策ではなく、また、トルク特性を改善するために永久磁石を併用したり、カットした巻鉄心を背中合せに張り合わす構造にする等、複雑な構造となっていた。

一方、図１９に示すような、極毎に独立した磁路を持つセグメント構造の回転子鉄心を有するＳＲモータ１２１においては、トルク特性の改善を図ることができるが、しかし、実際には回転子１２６の磁性セグメント１２５を中空で保持することが困難であり、製造が難しい。このことは、機械的強度が弱く、振動や騒音を引き起こす原因にもつながる。しかも、図２０に示すように、励磁によって発生する磁束１３３の一部が回転子の磁性セグメント間の空間、すなわち空気中を通る漏れ磁束１３３Ａとなり、モータ出力となるリラクタンストルクに影響する有効磁束が低減するという問題があった。

本発明は、上述の点に鑑み、トルク脈動や振動、騒音を抑え、さらにトルク特性の向上を図ると共に、機械的強度を増し、製造を容易にしたリラクタンスモータを提供するものである。

本発明に係るリラクタンスモータは、複数の磁極を有する固定子と、非磁性導電性部材内に固定子の磁極数と異なる複数の磁性セグメントを埋め込んでなる回転子とを有し、固定子に固定子巻線が施されていることを特徴とする。

本発明のリラクタンスモータは、回転子を柱形状となし、固定子にそれぞれ１つの相をなすように、一対の相対向する隣合う磁極間を回転軸に沿う方向に電流が流れるような固定子巻線を施して、スイッチトリラクタンスモータとして構成することができる。
本発明のリラクタンスモータは、回転子を柱形状となし、固定子に回転磁界を発生させるための二相以上の多相の固定子巻線を施して、シンクロナスリラクタンスモータとして構成することができる。

本発明の好ましい形態は、回転子の各磁性セグメントを、回転軸と直交する面内で扇形状に形成した構成とする。
本発明のさらに好ましい形態は、回転子の各磁性セグメントが、回転軸と直交する面内で両端が切断された円弧形状に形成された構成とする。

本発明のさらに好ましい形態は、回転子の磁性セグメントを積層構造で形成した構成とする。この磁性セグメントは、渦電流が生じ難い圧粉磁心で形成することもできる。
本発明のさらに好ましい形態は、固定子巻線に脈動する電流が供給される構成とする。

本発明に係るリラクタンスモータによれば、いわゆるセグメント構造の回転子を有するリラクタンスモータにおいて、その回転子を非磁性導電性部材内に磁性セグメントを埋め込んで形成するので、固定子巻線に電流を流して固定子の磁極を励磁したとき、非磁性導電性部材により磁束が回転子ギャップ中を回転子外周表面に対して接線方向に分布し、リラクタンストルクが大きくなる。このとき、磁束が非磁性導電性部材に入ろうとすると、それを打ち消す方向に渦電流が発生し、磁束が通りにくくなるため、磁束がより回転子外周表面に対して接線方向に分布しトルク特性がより向上する。

固定子に生じた磁束は、従来型に比べて回転子外周表面に対する接線方向成分が大きく、固定子及び回転子に対向する方向である垂直方向成分（ラジアル方向成分）が小さくなるため、１極当たりの垂直力（ラジアル力、磁気吸引力）自体が小さくなる。さらに、例えば６極の固定子と４極の回転子とからなるスイッチトリラクタンスモータの場合で説明すると、従来のＶＲ形リラクタンスモータの２磁極が励磁されるに対して、４磁極が励磁されることになり、吸引箇所も分散される。そのため、振動、騒音を大幅に軽減することができる。

回転子が磁性セグメントを非磁性導電性部材に埋め込んだ柱形状に形成されるときは、構造が堅牢で高速回転に耐える。しかも、焼きばめとそれに続く研磨（グラインド）のように、回転子の製造が簡単且つ容易になりセグメント構造のリラクタンスモータの実用化を促進することができる。

回転子の磁性セグメントが、回転軸と直交する面内で扇形状に形成されているので、磁束の曲がりを大きく、すなわち磁束がより回転子外周表面に対して接線方向へ分布し、リラクタンストルクを大きくすることができる。
回転子の磁性セグメントが、回転軸と直交する面内で両端が切断された弧形状に形成されるときは、磁性セグメントの製造および挿入作業が容易になり、精度よく回転子を製造することができる。
回転子の磁性セグメントを積層構造で形成するときは、磁性セグメントでの渦電流損を小さくすることができる。

固定子巻線に脈動する電流を供給するときは、非磁性導電性部材に発生する渦電流をより大きくすることができ、トルクの発生に寄与しない漏れ磁束を打ち消してよりリラクタンストルクを大きくすることができる。

以下、図面を参照して本発明に係るリラクタンスモータの実施の形態を説明する。

図１に、本発明のリラクタンスモータをスイッチトリラクタンスモータに適用した実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係るスイッチトリラクタンスモータ２１は、円筒状体２３の内壁に等角間隔を置いて突出するように複数の磁極２４〔２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ａ′２４Ｂ′，２４Ｃ′〕を一体に有した固定子２２と、この固定子２２内に配置され、非磁性導電体、すなわち非磁性導電性ブロック２７内に磁極２４に対向するように固定子２２の磁極数と異なる複数の磁性セグメント２５〔２５Ａ，２５Ｂ，２５Ａ′，２５Ｂ′〕を等角間隔に配置するように埋め込んでなる柱形状、本例では円柱形状の回転子２６と、固定子巻線、すなわち固定子２２に巻装したコイル２８とを有して構成される。回転子２６の中心には回転軸２９が取付けられている。

本例では、固定子２２の磁極２４を６極とし、回転子２６の磁性セグメント２５を４極としたセグメント構造の回転子を有する３相励磁型のスイッチトリラクタンスモータとして構成される。

回転子２６を構成する非磁性導電性ブロック２７は、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいは銅、真鍮などの銅合金、その他の非磁性導電性金属で形成することができる。本例ではアルミニウムで非磁性導電性ブロック２７が形成される。一方、磁性セグメント２５は、強磁性材で形成される。本例では鉄材により磁性セグメント２５が形成される。磁性セグメント２５は、回転軸２９と直交する面内で固定子２２の磁極２４と対向する側が広がり、後端にくびれ部が形成されるように広がる後端部２５ｂを有するような扇形状に形成される。この磁性セグメント２５は、回転軸方向に複数の薄板を絶縁膜を介して積層した積層構造に形成することが好ましい。例えば、表面に絶縁ワニス等を焼き付けた０．３〜０．５ｍｍの薄い鋼板を積層して磁性セグメント２５を形成することができる。磁性セグメント２５はまた、渦電流が生じにくい圧粉鉄心で形成することもできる。

円筒状体（バックアイアンまたは継鉄）２３と磁極２４からなる固定子２２は、強磁性材で形成される。本例では磁性セグメント２５と同様に鉄材により積層構造で、または渦電流が生じにくい圧粉鉄心で形成される。磁極２４は、扇形状の磁性セグメント２５に合わせて、磁性セグメント２５に対向する側が広がるように、先端側に笠部分３０が形成される。

固定子２２に巻装するコイル２８は、それぞれ１つの相をなすように一対の相対向する磁極間の空間、すなわち相対向している隣合う磁極間を回転軸２９に沿う方向に電流が流れるように巻回される。本例では図２に示すように、円筒状体２３の表面に沿い、１相目（ＡーＡ′相）のコイル２８をＡ′相の磁極２４Ｃと磁極２４Ａ′間を回転軸２９に沿い紙面の反対側（裏面）に達し、さらに円筒状体２３の裏面に沿ってＡ相の磁極２４Ａと磁極２４Ｃ′間を回転軸２９に沿って紙面の表面に達するように巻回される。２相目（ＢーＢ′相）のコイル２８、３相目（ＣーＣ′相）のコイル２８も、同じように巻回される。 ここでは、このコイルの巻き方を全節巻（または単層巻）と定義する。また、ここでは、コイル２８が巻装される対をなす磁極間では、回転軸２９を挟んで磁極間が対向する場合、あるいは回転軸を挟まないで磁極間が対向する場合、そのいずれも、対の磁極間が相対向する関係にあると定義する。

次に、このスイッチトリラクタンスモータ２１の動作を説明する。
例えば、ＡーＡ′相のコイル２８に直流電流を流すと、相対向するそれぞれのコイル２８の両側（すなわち、コイル２８を挟む両側）の磁極２４Ａと２４Ｃ′、磁極２４Ｃと２４Ａ′がそれぞれ励磁され、回転子磁性セグメントとの間に働くリラクタンストルクにより、回転子２６が図１において反時計方向に回動する。すなわち、図３Ａに示すように、コイル２８に流れる電流により、磁極２４Ａ−磁極２４Ｃ′−磁性セグメント２５Ａを通る磁束３３、及び磁極２４Ａ′−磁極２４Ｃ−磁性セグメント２５Ａ′を通る磁束３３′が発生する。この磁束３３、３３′は、図２２のＶＲ形スイッチトリラクタンスモータにおける磁束２３３が回転子２２４の中心軸を通り回転子ギャップ（エアギャップ）において回転子外周表面に対し垂直に通る閉磁路ではなく、磁束３３、３３′が回転子ギャップ３４において回転子外周表面に沿う方向に通る磁路を形成する。このとき、磁束３３、３３′は磁性セグメント２５Ａ、２５Ａ′の扇形状の一方の先端と磁極２４Ｃ′、２４Ｃとの間の磁気抵抗の低いところを通ることにより、曲げられて不均一な磁束密度の磁束になる。この不均一な磁束密度を均一になるように、すなわち磁気抵抗を最小にするためのリラクタンストルクが発生する。このリラクタンストルクにより回転子２６は図３Ａにおいて反時計方向に回動し、図３Ｂに示すように、磁束密度が均一になるように、磁性セグメント２５Ａと磁性セグメント２５Ａ′が、それぞれ固定子２２の丁度ＡーＡ′相に対応する磁極２４Ａ及び２４Ｃ′間と、磁極２４Ａ′及び２４Ｃ間に均等に跨がる状態で回転を停止する。そして、順次Ｂ−Ｂ′相、Ｃ−Ｃ′相を励磁して行くことで回転子２６は反時計方向に回転する。

本実施の形態では、回転子２６の磁性セグメント２５が非磁性導電性であるアルミニウムブロック２７に埋め込まれているため、アルミニウムブロック２７で磁束３３、３３′がより回転子ギャップ３４で回転子外周表面に沿うように曲げられる（図３Ａ参照）。さらにアルミニウムブロック２７に磁束３３、３３′が入ろうとすると、それを打ち消す方向に渦電流が発生し、磁束３３、３３′が通り難くなり、磁束３３、３３′が回転子ギャップ３４で回転子外周表面に対して、より接線方向に分布し、リラクタンストルクがより向上する。

一方、固定子２２において生じた磁束３３、３３′は、回転子ギャップ３４での接線方向（回転子外周表面方向）の成分が大きく、回転子ギャップ３４で回転子外周表面に直交するいわゆる垂直方向（ラジアル方向）の成分が小さいため、磁極２４の１極当たりの磁性セグメント２５を磁気吸引する力、いわゆる垂直力が小さくなる。さらに、本例の固定子６極、回転子４極の場合、４極の磁極２４Ａ，２４Ｃ′，２４Ｃ，２４Ａ′が励磁されるため、磁気吸引箇所も分散される。この垂直力の時間変化がＳＲモータの問題点の一つである振動、騒音の原因となるため、本実施の形態では、振動、騒音が大幅に低減される。
また、回転子２６の磁性セグメント２５を複数の薄い鋼板を重ねた積層構造とするときは、磁性セグメントに生じる渦電流損が低減される。

本実施の形態に係るスイッチトリラクタンスモータ２１によれば、回転子２６として非磁性導電性ブロック２７内に磁性セグメント２５を埋め込んだ円柱構造に形成されるので、回転子２６が構造堅牢で高速回転にも耐えることができる。すなわち、磁性セグメント２５と非磁性導電性ブロック２７を別々に作成し、焼きばめ等によって磁性セグメント２５を非磁性導電性ブロック２７に挿入し、グラインド等により寸法精度を増すことができる。磁性セグメント２５が扇形状に形成されるので、扇形状の先端での磁束の集中が大きくなり、リラクタンストルクをより大きくすることができる。しかも、扇形状の要部の後端部２５ｂが埋め込まれた後のストッパとして機能し、高速回転したときにも非磁性導電性ブロック２７から磁性セグメント２５が抜け出すことが防止できる。
また、回転子２６の製造を簡単且つ容易にすることができ、精度よくこの種のセグメント構造のスイッチトリラクタンスモータを作ることができる。特性的には非磁性導電性ブロック２７による磁束打ち消し作用により、磁束が通り易い（ｄ軸）方向のインダクタンス、いわゆるｄ軸インダクタンスＬｄと、磁束が通りにくい（ｑ軸）方向のインダクタンス、いわゆるｑ軸インダクタンスＬｑとの比Ｌｄ／Ｌｑが増加してトルク／容積比を増加することができる。従って、本実施の形態のスイッチトリラクタンスモータ２１はリラクタンストルクの向上を図ることができる。固定子２２の磁極２４が励磁されて吸引される磁気吸引力（垂直力、ラジアル力）が分散されるので、振動、騒音を軽減するとこができる。

次に、本実施の形態のスイッチトリラクタンスモータの効果を、従来のスイッチトリラクタンスモータとの比較で詳述する。

先ず、本実施の形態のスイッチトリラクタンスモータを、図２１、図２２のＶＲ形のスイッチトリラクタンスモータと比較する。
図２１、図２２の従来のＶＲ形スイッチトリラクタンスモータ２２１では、回転子２２４と固定子２２２の磁極が対向したとき、磁束２３３が回転子２２４と固定子２２２間の回転子ギャップを回転子外周表面に対して垂直に通るため、固定子２２２の磁極２２３と回転子２２４の磁極２２５間での磁気吸引力（垂直力）が大きい。例えば、固定子６極、回転子４極の場合、常に固定子２２２の磁極２２３のうち、２極（例えば図示の場合は磁極２２３Ａ，２２３Ａ′）のみが励磁されるために、大きな垂直力に吸引されて固定子２２２が変形し、電流が切れる際に元に戻るため、スイッチが切り替わるたびに、大きな振動や騒音が発生することになる。
これに対し、本実施の形態のスイッチトリラクタンスモータ２１では、上述したように固定子２２で発生した磁束３３、３３′は回転子ギャップ３４での回転子外周表面に対する接線方向成分が大きく、回転子ギャップ３４での回転子外周表面に対する垂直方向成分が小さくなるので、１極当たりの磁気吸引力が小さくなり、さらに吸引力発生箇所が４極（例えば図示の場合は磁極２４Ａ，２４Ｃ′２４Ｃ，２４Ａ′）に分散されるので、振動、騒音が大幅に低減する。上述した扇形状の磁性セグメント（鉄心）を用いた場合、１極あたりの垂直力が７６％減少することを確認している。また、従来例に比べてリラクタンストルクにかかわる固定子側の磁極数が２倍になるので、モータの体積が同じ場合、磁束の利用率が高まる。上述した扇形状の磁性セグメント（鉄心）を用いた場合、トルクが４０％程度増加することを確認している。

次に、本実施の形態のスイッチトリラクタンスモータを、図１９、図２０の従来のセグメント構造の回転子を有するスイッチトリラクタンスモータと比較する。
図１９、図２０の従来のスイッチトリラクタンスモータ１２１では、互いの磁性セグメント１２５〔１２５Ａ，１２５Ｂ，１２５Ａ′１２５Ｂ′〕を磁気的に絶縁するために、中空状態で固定することが困難であり、実用化に難点がある。また、軸１２９を非磁性材とする必要がある。
これに対して、本実施の形態のスイッチトリラクタンスモータ２１では、磁性セグメント２５を非磁性導電性ブロック２７に埋め込んで回転子２６を円筒形状に形成することにより、回転子２６の製造が簡単且つ容易になる。すなわち、例えば外側から持具で固定したり、非金属（例えば樹脂）等で磁性セグメントを固定する場合に比べて製造が簡単、容易になる。このことは、振動、騒音の軽減にも寄与する。
さらに本実施の形態では、回転子２６における磁性セグメント２５を非磁性導電性ブロック２７で保持しているので、磁束３３、３３′が非磁性導電性ブロック２７に入ろうとしたとき、それを打ち消す方向に渦電流が発生し、磁束３３、３３′がより非磁性導電性ブロック２７内を通りにくくなる。このため、磁束３３、３３′が回転子ギャップ３４で回転子外周表面に対して、より接線方向に分布することになり（図３Ａ参照）、トルク特性を向上させる。

次に、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの解析結果を説明する。

本発明に係るセグメント構造のスイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）の各部の寸法とトルクの関係を解析する。図４にセグメント構造のＳＲモータの解析モデルを示す。この解析モデルは、制約条件として、モータ長さを２００ｍｍ、固定子２２の外径を１６０ｍｍ、回転子２６の外径を８９．４ｍｍ、回転子ギャップ長ｇを０．３ｍｍ一定とした。

図５は、回転子の磁性セグメント（鉄心）２５の周縁から軸方向に向かう深さｄのトルクに及ぼす影響を示したグラフである。固定子２２の外形を１６０ｍｍ、回転子２６の外形を８９．４ｍｍ、回転子歯幅（すなわち磁性セグメントの歯幅であり、δａを回転中心からの角度で表す）δａを６０°、固定子２２の磁極笠部分幅を示す回転中心からの角度δｃを４３°一定の条件において、回転子２６の磁性セグメント深さｄを変化させてトルク解析を行った。図５は磁性セグメント深さｄをパラメータとして示す。

図５より、磁性セグメント深さｄが増加するに従って、磁界が通りやすくなるため最大トルクが増加するが、回転子角度２０ー３０°では回転子ギャップ磁束の傾きが鈍り平均トルクは減少して行く。ｄの増加による最大トルク増加の現象はｄ＝１４ｍｍ程度で飽和の傾向を示し、磁性セグメント深さｄが１４ｍｍにおいて平均トルクが最大となった。平均トルクＴａｖは、ｄ＝１０ｍｍにおいてＴａｖ＝１１．０３Ｎ−ｍ、ｄ＝１４ｍｍにおいてＴａｖ＝１１．３５Ｎ−ｍ、ｄ＝１８ｍｍにおいてＴａｖ＝１１．０８Ｎ−ｍであった。

図６は、回転子歯幅δａのトルクに及ぼす影響を示したグラフである。回転子の磁性セグメント深さｄを１４ｍｍ、固定子外形一定の条件で回転子歯幅δａを変化させてトルクに及ぼす影響を検討した。ただし、この際に回転子歯幅δａを変化させる度に回転子極間の幅、すなわち磁性セグメント間の幅δｂも変化し、δａとδｂの和が常に９０°となるような構造とした。図６は回転子歯幅δａをパラメータとして示す。

図６より、回転子歯幅δａを大きくすることにより、回転子角度０°における始動トルクは増加するが、最大トルクをとる回転子角度が減少し、最大トルクを取った後、トルクは減少して、回転子角度３０°でトルクは０になる。δａを大きくするとトルク立ち上がりが早くなり結果的に平均トルクは減少して行くことが分かる。回転歯幅δａは６８°において平均トルクは最大となった。δａ＝６０°においてＴａｖ＝１１．３５Ｎ−ｍ、δａ＝６８°においてＴａｖ＝１２．０６Ｎ−ｍ、δａ＝８０°においてＴａｖ＝１１．０３Ｎ−ｍであった。

次に、適切な磁性セグメントの深さｄと回転子歯幅δａの組み合わせを決定するために、回転子歯幅δａを変化させる度に磁性セグメントの深さｄを変化させ、トルク解析を行った。図７に、回転子歯幅δａをパラメータとして磁性セグメントの深さｄにおける平均トルクを示す。図７より、回転子歯幅δａがどの角度においても、図５の結果と同様に、磁性セグメントの深さｄを増加することにより最初平均トルクは増加し、最大値を取った後、平均トルクは減少して行くことが分かる。また、図６の結果と同様に、磁性セグメントの深さｄが１４ｍｍ、回転歯幅δａが６８°において平均トルクが最大であった。

次に、回転子の磁性セグメントの深さｄを１４ｍｍ、回転子歯幅δａを６８°、固定子の外径一定の条件において、固定子の磁極笠部分３０の幅δｃを変化させ、トルク解析を行った。図８において角度−トルク特性を示す。この図８より、笠部分幅δｃを増加すると、始動トルクは増加するが、最大トルクを出す角度域が減少し結果的に平均トルクも減少して行く傾向が見られた。磁性セグメントの深さｄが１４ｍｍ、回転子歯幅δａが６８°、固定子の磁極笠部分幅δｃが３５°において、平均トルクが最大となった。δｃ＝３０°においてＴａｖ＝１１．３７Ｎ−ｍ、δｃ＝３５°においてＴａｖ＝１２．２６Ｎ−ｍ、δｃ＝５２°においてＴａｖ＝１１．６４Ｎ−ｍであった。

図９は、従来のＶＲ形ＳＲモータと、従来のセグメント構造の回転子を有するＳＲモータと、本発明に係るセグメント構造の回転子を有するＳＲモータとのトルク特性の比較グラフである。図９に示すように、磁性セグメントの厚さｄを１４ｍｍ、回転子歯幅δａを６８°、固定子磁極笠部分幅δｃ＝３５°の本発明に係るセグメント構造のＳＲモータと、同寸法の従来に係るセグメント構造のＳＲモータと、従来のＶＲ型ＳＲモータを比較するため、同じサイズの固定子、回転子をもつモデルを作成した。コイルに図１０に示す電流を流して検証した。

図９において、曲線ａは本発明に係るセグメント構造のＳＲモータのトルク特性、曲線ｂは従来例に係るセグメント構造のＳＲモータのトルク特性、曲線ｃは従来例のＶＲ形ＳＲモータのトルク特性である。この図９より、セグメント構造のＳＲモータ（曲線ａ，ｂ参照）はＶＲ形ＳＲモータに比べて平均トルク、最大トルク共に増大することが確認できる。平均トルクにおいて４０％程度のトルク増大が確認できた。さらに、本発明に係るセグメント構造のＳＲモータは、従来例のセグメント構造のＳＲモータに比べて平均トルク、最大トルク共に増大することが確認できる。
平均トルクについて見ると、本発明に係るセグメント構造のＳＲモータが１０．３４Ｎ−ｍ、従来例のセグメント構造のＳＲモータが１０．０７Ｎ−ｍ、従来例のＶＲ形ＳＲモータが７．４０Ｎ−ｍである。

図１１において、前項と同じ条件で、曲線ａは本発明に係るセグメント構造のＳＲモータの１極あたりの垂直力特性、曲線ｂは従来例に係るセグメント構造のＳＲモータの１極あたりの垂直力特性、曲線ｃは従来例のＶＲ形ＳＲモータの１極あたりの垂直力特性である。この図１１より、セグメント構造のＳＲモータ（曲線ａ，ｂ参照）はＶＲ形ＳＲモータに比べて１極あたりの垂直力は最大値、平均値共に大幅に減少することが確認できる。平均値において７６％程度の１極あたりの垂直力の減少が確認できた。さらに、本発明に係るセグメント構造のＳＲモータは、従来例のセグメント構造のＳＲモータに比べて１極あたりの垂直力が若干減少することが確認できる。
１極あたりの垂直力の平均値について見ると、本発明に係るセグメント構造のＳＲモータが５５０Ｎ、従来例のセグメント構造のＳＲモータが５７８Ｎ、従来例のＶＲ形ＳＲモータが２，２４４Ｎである。

次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
図１２は、本発明に係る回転子及びその磁性セグメントの他の例を示す。本実施の形態の磁性セグメント３５は、図１２Ａに示すように、両端が切断された円弧形状に形成される。すなわち、円弧と直線に囲まれ両側先端が切断された形状である。この場合、両端の円弧端が非鋭角となるように切断されることが好ましく、本例では切断線と上記直線に直角な垂線とのなす角θが０°を越える全体として略台形状をなすように磁性セグメント３５が形成される。本例では角θが１５°程度である。そして、図１２Ｂに示すように、このような形状の磁性セグメント３５を複数、図１２Ｂの例では４個、非磁性導電性ブロック２７に等角間隔を置いて埋め込んで回転子２６が形成される。

図１２に示す本実施の形態に係る回転子２６によれば、磁性セグメント３５が略台形となるように両端が切断された円弧形状に形成されるので、磁性セグメント３５のエッジ部分の機械的強度が強くなり、非磁性導電性ブロック２７に磁性セグメント３５を埋め込む作業が簡単になり、精度よく回転子を作成することができる。また、磁性セグメント３５が台形状をなすように底辺が幅広に形成されているので、この幅広部分の両側端面がストッパとなって回転子が高速回転したときにも、磁性セグメント２５に比べて非磁性導電性ブロック２７から磁性セグメント３５が離脱しにくくすることができる。

上述の実施の形態では、６極の固定子と４極の回転子を持つスイッチトリラクタンスモータに適用したが、固定子及び回転子の極数は種々異ならして構成することができる。図１３に各種のスイッチトリラクタンスモータの実施の形態を示す。

図１３Ａは、６極の固定子２２と４極の回転子２６を持ち、ＡーＡ′相、ＢーＢ′相、ＣーＣ′相の３相固定子巻線を設けて、３相駆動モータとして構成されたスイッチトリラクタンスモータである（極数は図１と同じ）。
図１３Ｂは、１２極の固定子２２と８極の回転子２６を持ち、Ａ1 ーＡ1 ′相、Ｂ1 ーＢ1 ′相、Ｃ1 ーＣ1 ′相、Ａ2 ーＡ2 ′相、Ｂ2 ーＢ2 ′相、Ｃ2 ーＣ2 ′相の３相固定子巻線を設けて、３相駆動モータとして構成されたスイッチトリラクタンスモータである。Ａ1 ーＡ1 ′相とＡ2 ーＡ2 ′相、Ｂ1 ーＢ1 ′相とＢ2 ーＢ2 ′相、Ｃ1 ーＣ1 ′相とＣ2 ーＣ2 ′相のコイルは、それぞれ並列もしくは直列接続され、同じ電圧もしくは同じ電流が同時に供給される。
図１３Ｃは、６極の固定子２２と８極の回転子２６を持ち、ＡーＡ′相、ＢーＢ′相、ＣーＣ′相の３相固定子巻線を設けて、３相駆動モータとして構成されたスイッチトリラクタンスモータである。

図１３Ｄは、８極の固定子２２と６極の回転子２６を持ち、ＡーＡ′相、ＢーＢ′相、ＣーＣ′相、ＤーＤ′相の４相固定子巻線を設けて、４相駆動モータとして構成されたスイッチトリラクタンスモータである。
図１３Ｅは、１６極の固定子２２と１２極の回転子２６を持ち、Ａ1 ーＡ1 ′相、Ｂ1 ーＢ1 ′相、Ｃ1 ーＣ1 ′相、Ｄ1 ーＤ1 ′相、Ａ2 ーＡ2 ′相、Ｂ2 ーＢ2 ′相、Ｃ2 ーＣ2 ′相、Ｄ2 ーＤ2 ′相の４相固定子巻線を設け、４相駆動モータとして構成されたスイッチトリラクタンスモータである。Ａ1 ーＡ1 ′相とＡ2 ーＡ2 ′相、Ｂ1 ーＢ1 ′相とＢ2 ーＢ2 ′相、Ｃ1 ーＣ1 ′相とＣ2 ーＣ2 ′相、Ｄ1 ーＤ1 ′相とＤ2 ーＤ2 ′相のコイルは、それぞれ並列もしくは直列接続され、同じ電圧もしくは同じ電流が同時に供給される。
ここで、Ａ1 とＡ1 ′、Ａ２とＡ2 ′、Ｂ1 とＢ1 ′、Ｂ2 とＢ2 ′、Ｃ1 とＣ1 ′、Ｃ2 とＣ2 ′、Ｄ1 とＤ1 ′、Ｄ2 とＤ2 ′は、それぞれ相対向する位置にあると定義する。

図１３Ｆは、１２極の固定子２２と１６極の回転子２６を持ち、Ａ1 ーＡ1 ′相、Ｂ1 ーＢ1 ′相、Ｃ1 ーＣ1 ′相、Ａ2 ーＡ2 ′相、Ｂ2 ーＢ2 ′相、Ｃ2 ーＣ2 ′相、の３相固定子巻線を設け、３相駆動モータとして構成されたスイッチトリラクタンスモータである。Ａ1 ーＡ1 ′相とＡ2 ーＡ2 ′相、Ｂ1 ーＢ1 ′相とＢ2 ーＢ2 ′相、Ｃ1 ーＣ1 ′相とＣ2 ーＣ2 ′相のコイルは、それぞれ並列もしくは直列接続され、同じ電圧もしくは同じ電流が同時に供給される。

上述の図１３Ａ〜Ｆに示す本実施の形態に係るスイッチトリラクタンスモータにおいても、前述した実施の形態と同様の効果を奏する。極数を増やすことにより、より振動、騒音を軽減することができる。

一方、本発明のスイッチトリラクタンスモータのさらに他の実施の形態は、固定子２２の巻線（コイル）に供給する電流として、一定電流に代えて、脈動（振動）する直流電流を供給した構成とする。このように脈動する直流電流を供給することにより、固定子２２の磁極２４を励磁したときに回転子２６の非磁性導電性ブロック２７に生じる渦電流が増し、さらに磁束の回転子ギャップの回転子外周表面に対して接線方向の成分を増やし、リラクタンストルクを大きくすることができる。

渦電流を発生する起電力ｅは、次の式で表すことができる。すなわち、時間とともに変化する磁束をΦ、時間をｔ、磁束の変化分をｄΦ、時間の変化分をｄｔ、時間と共に変化しない磁界の磁束密度をＢ、その中を長さｌの導体が速度ｖで運動すると、
ｅ＝−ｄΦ／ｄｔ＋ｖＢｌ

１項は磁束が時間で変化することで渦電流を発生する起電力であり、２項は、磁界が動くことで渦電流を発生する起電力である。一定の電流を与えると、２項の現象による渦電流しか発生しない。時間と共に変化する電流を与えると磁束が時間変化し、２項に加えて１項の現象による渦電流も同時に発生することになる。

モータ駆動用の指令電流を得るには、通常ＰＷＭ手法が使われるが、この場合に電流が一定電流とならず脈動が生じる。従来のモータ駆動では、この脈動を出来るだけ無くした電流を作るようにしていたが、本実施の形態は積極的にこの脈動する電流を使用することにより、リラクタンストルクを更に大きくすることができる。

本発明の上述した技術は、シンクロナスリラクタンスモータにも適用することができる。固定子１２スロット、回転子２セグメントのシンクロナスリラクタンスモータの構成を、図１４に示す。すなわち、本実施の形態のシンクロナスリラクタンスモータ４１は、１２個のスロット(磁極)４２を有する固定子４３と、回転軸４７を有し非磁性導電性ブロック４４に等角間隔を置いて2個の磁性セグメント４５（４５ａ，４５ｂ）を埋め込んでなる回転子４６とから構成される。
４極の三相巻線が施され、Ａ１ー−Ａ１相とＡ２ー−Ａ２相、Ｂ１ー−Ｂ１相とＢ２ー−Ｂ２相、Ｃ１ー−Ｃ１相とＣ２ー−Ｃ２相はそれぞれ並列もしくは直列に接続される。Ａ、Ｂ、Ｃ相コイルに三相交流電流を流すことにより、回転磁界を発生することができる。
シンクロナスリラクタンスモータの固定子４３と回転子４６の極数や構成については、図１３と同様に、いろいろな組み合わせがあること、および巻線として二層巻（全節巻、短節巻）や集中巻が可能であることは、当業者においては明らかである。

次に、本実施の形態に係るシンクロナスリラクタンスモータ４１の効果を、従来型の図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃのシンクロナスリラクタンスモータ３１１，３１２，３１３と比較する。図１８Ａは、複数のスロト(磁極)３２１を有した固定子３２２と、例えば４極の磁極３２４を有した回転子３２５とからなる、通常のＶＲ形のシンクロナスリラクタンスモータ３１１である。３２６は回転軸である。図１８Ｂは、同様の固定子３２２と、カットした巻鉄心を背中合わせに張り合わせた構造であるアキシャルラミネート形（フラックスバリア形も同様の構造）の回転子３２８とからなる、シンクロナスリラクタンスモータ３１２である。図１８Ｃは、同様の固定子３２２と、磁性セグメント３２９を有する回転子３３０とからなる、セグメント構造のシンクロナスリラクタンスモータ３１３であるが、機械的に空間中に磁性セグメント３２９を固定したものである。図１８Ａ、Ｂ、Ｃはともに固定子３２２は積層鉄心を用い、三相巻線を二層巻又は集中巻にすることにより回転磁界を生じさせる。

従来の3タイプのシンクロナスリラクタンスモータ３１１，３１２，３１３では、磁束が回転子の軸３２６に対して垂直に通るため、固定子３２２の磁極３２１と回転子３２５，３２８，３３０の磁極間に働く磁気吸引力（垂直力）が大きい。
これに対し、本実施の形態のシンクロナスリラクタンスモータ４１では、固定子４３で生じた磁束は上述したように、回転子外周表面に対する接線方向の成分が大きく、垂直方向の成分が小さいので、１極当たりの垂直力自体が小さくなる。そのため、軸受けの負担や、振動、騒音が従来型に比べて軽減される。

また、本実施の形態のシンクロナスリラクタンスモータ４１は、図１８Ｃのセグメント構造の回転子３３０を適用したシンクロナスリラクタンスモータ３１３と比較した場合も、上述したと同様に、回転子４６の製造が簡単、容易となり、機械的強度を大幅に増すことができる。従って、振動、騒音の軽減に寄与する。また、本実施の形態では回転子４６が非磁性導電性ブロック４４に磁性セグメント４５（４５a,４５b）を埋め込んで形成されるので、渦電流を積極的に利用して、よりトルク特性を向上することができる。

本実施の形態では、図１５Ａに示すように回転子４６の両側端に非磁性導電性の短絡板または短絡環４８を設けることで、従来のシンクロナスリラクタンスモータでは不可能であった、自己始動形のシンクロナスリラクタンスモータを実現することができる。ここで、図１５Ｂに示すように磁性セグメント４５の表面中心部を厚さ方向に削り、非磁性導電性体４９を挿入する、または誘導電動機のかご型鉄心のように導体棒４９を通すことにより、始動トルクを増すことができる。

上述した本実施の形態のシンクロナスリラクタンスモータは、三相巻線を施した構成である。三相巻線が好ましいが、その他、二相以上の多相の巻線を施した構成とすることも可能である。

上述した全ての本実施の形態に係るリラクタンスモータは、図１６に示すように、アウターローターモータ５１（すなわち、内側に設けた固定子５２の周りを外側に設けた回転子５３が回転するモータ）の形態とすることができる。この場合も、回転子５３は円筒状の非磁性導電性ブロック５４の内面に等角間隔を置いて複数の磁性セグメント５５を埋め込んで形成される。
アウターロータータイプのリラクタンスモータ５１の固定子５２と回転子５３の構成については、図１３と同様に、いろいろな組み合わせがあることは、当業者においては明らかである。

上述した全ての本実施の形態に係るリラクタンスモータは、図１７Ａに示すようにリニアモータ６１の形態および図１７Ｂに示すように有限長の円弧形状固定子に対してドラム形回転子を持つリラクタンスモータ６２の形態とすることができる。
図１７Ａのリニアモータ６１では、前述の実施の形態の非磁性導電性ブロック６３に磁性セグメント６４を埋め込んだ回転子を直線状に展開した移動子または固定子６５とし、前述の実施の形態の磁極６６を有する固定子を直線状に展開した固定子または移動子６７として構成することができる。
図１７Ｂのリラクタンスモータ６２は、非磁性導電性ブロック７１に磁性セグメント７２を埋め込んだドラム形回転子７３と、複数の磁極７４を有し有限長の円弧形状固定子７５とから構成される。
リニアモータタイプ６１及び有限長の円弧形状固定子に対してドラム形回転子を持つ形態のリラクタンスモータ６２の固定子と回転子の構成については、図１３と同様に、いろいろな組み合わせがあることは、当業者においては明らかである。

上述した本実施の形態に係るリラクタンスモータは、電気自動車、ブロア、ポンプ、工作機械、家庭電化製品（クーラ、洗濯機、掃除機、冷蔵庫、その他）等用のモータに適用して好適ならしめる。

本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの概略構成図である。 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの固定子券線の巻き方を示す平面図である。 Ａ，Ｂ 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの動作説明に供する説明図である。 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの解析に用いた解析モデルを示す構成図である。 磁性セグメントの深さｄとトルクの関係を示すグラフである。 回転子歯幅δａとトルクの関係を示すグラフである。 回転子歯幅δａをパラメータとした回転子深さｄとトルクの関係を示すグラフである。 固定子笠部分幅δｃとトルクの関係を示すグラフである。 本発明のセグメント構造のスイッチトリラクタンスモータと、従来のセグメント構造のスイッチトリラクタンスモータと、従来のＶＲ形スイッチトリラクタンスモータとを比較した回転子角度とトルクの関係を示すグラフである。 解析に用いたコイルに流す電流を示す波形図である。 本発明のセグメント構造のスイッチトリラクタンスモータと、従来のセグメント構造のスイッチトリラクタンスモータと、従来のＶＲ形スイッチトリラクタンスモータとを比較した回転子角度と１極あたりの垂直力（ラジアル力）の関係を示すグラフである。 Ａ，Ｂ 本発明に係る磁性セグメント及び回転子の他の実施の形態を示す構成図である。 Ａ〜Ｆ 本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの極数の例を示す概略構成図である。 本発明に係るシンクロナスリラクタンスモータの実施の形態を示す概略構成図である。 Ａ，Ｂ 本発明に係るシンクロナスリラクタンスモータの回転子の他の実施の形態の概略構成図である。 本発明に係るアウターローターモータの実施の形態を示す概略構成図である。 Ａ、Ｂ 本発明に係るリニアモータの実施の形態、および有限長の円弧形状固定子とドラム形回転子を持つ本発明に係るリラクタンスモータの実施の形態をそれぞれ示す概略構成図である。 Ａ〜Ｃ 従来例のシンクロナスリラクタンスモータの概略構成図である。 従来例のセグメント構造スイッチトリラクタンスモータを示す概略構成図である。 図１９におけるセグメント構造スイッチトリラクタンスモータの動作時の磁束を示す説明図である。 従来のＶＲ形スイッチトリラクタンスモータを示す概略構成図である。 従来例のＶＲ形スイッチトリラクタンスモータの動作時の磁束を示す説明図である。

符号の説明

２１・・セグメント構造のリラクタンスモータ、２２・・固定子、２３・・円筒状体、２４〔２４Ａ〜２４Ｃ，２４Ａ′〜２４Ｃ′〕・・磁極、２５〔２５Ａ，２５Ｂ，２５Ａ′，２５Ｂ′〕・・磁性セグメント、２６・・回転子、２７・・非磁性導電性ブロック、２８・・コイル、２９・・回転軸、３３、３３′・・磁束

Claims (12)

1. 複数の磁極を有する固定子と、
   非磁性導電性部材内に前記固定子の磁極数と異なる複数の磁性セグメントを埋め込んでなる回転子とを有し、
   前記固定子に、固定子巻線が施されている
   ことを特徴とするリラクタンスモータ。
2. 前記回転子が柱形状をなし、
   前記固定子に、それぞれ１つの相をなすように、一対の相対向する隣合う磁極間を回転軸に沿う方向に電流が流れるような固定子巻線が施され、
   スイッチトリラクタンスモータとして構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。
3. 前記回転子が柱形状をなし、
   前記固定子に、回転磁界を発生させるための二相以上の多相の固定子巻線が施され、
   シンクロナスリラクタンスモータとして構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。
4. 前記回転子の各磁性セグメントが、回転軸と直交する面内で扇形状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。
5. 前記回転子の各磁性セグメントが、回転軸と直交する面内で両端が切断された円弧形状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。
6. 前記回転子の磁性セグメントが積層構造で形成されている
   ことを特徴とする請求項４または５記載のリラクタンスモータ。
7. 前記固定子または／および回転子の磁性セグメントが圧粉磁心で構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。
8. 前記回転子が前記固定子の外側に位置し回転するアウターローター形の回転子である ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。
9. 前記回転子を直線状に展開した移動子と、
   前記固定子を直線状に展開した固定子とを有し、
   リニアモータとして構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。
10. 前記回転子を直線状に展開した固定子と、
    前記固定子を直線状に展開した移動子とを有し、
    リニアモータとして構成されている
    ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。
11. 前記回転子がドラム形の回転子で、前記固定子が有限長の固定子である
    ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。
12. 前記固定子巻線に脈動する電流が供給される
    ことを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータ。

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