JP2014183636A - リラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】３相の駆動電流を入力する駆動コイル１４が設けられているステータ１１と、駆動コイルに発生する磁束を鎖交させて主回転力で回転させる複数のロータティース２２を設けられているロータ２１と、を備えるリラクタンスモータ１０であって、ロータは、ステータ側からロータ側に鎖交する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２７と、誘導子極コイルで発生した誘導電流を整流するダイオードと、ダイオードで整流された誘導電流を界磁電流として自己励磁して主回転力を補助する電磁力を発生させる電磁石コイル２８と、を有しており、誘導子極コイルと電磁石コイルとは兼用されることなく別個にロータに配置されている。
【選択図】図１

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（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、ステータ側の駆動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。

上記課題を解決するリラクタンスモータに係る発明の第１の態様としては、複数相の駆動電流を入力する駆動コイルが設けられているステータと、前記駆動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、前記駆動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コイルと、を有しており、前記誘導子極コイルと前記電磁石コイルとは兼用されることなく別個に前記ロータに配置されていることを特徴とするものである。

上記課題を解決するリラクタンスモータに係る発明の第２の態様としては、前記誘導子極コイルは前記ロータの隣り合う前記突極の間に配置されていることを特徴とするものである。
上記課題を解決するリラクタンスモータに係る発明の第３の態様としては、前記誘導子極コイルは当該コイルを巻き掛けるコア材を含めて当該誘導子極コイル以外の構成材料から磁気的に独立した構造になっていることを特徴とするものである。

上記課題を解決するリラクタンスモータに係る発明の第４の態様としては、前記誘導子極コイルは当該コイルを巻き掛けるコア材が磁性体で構成されていることを特徴とするものである。
上記課題を解決するリラクタンスモータに係る発明の第５の態様としては、前記ロータの前記突極の数Ｐと、前記ステータの前記駆動コイルを配置するスロットの数Ｓと、の比をＰ／Ｓ＝２／３にすることを特徴とするものである。

このように、本発明の上記の第１の態様によれば、ステータ側の駆動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コイルに供給（通電）することにより、その電磁石コイルで電磁力（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。
したがって、ロータ側の電磁石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。

本発明の上記の第２の態様によれば、突極と隣り合う、言い換えると、ロータの外周面側に位置する誘導子極コイルには、ステータからの磁束の空間高調波成分を効率よく鎖交させることができ、磁束の空間高調波成分を効率よく回収して誘導子極コイルを効果的に自己励磁させ電磁石コイルに大容量の界磁電流を供給することができる。したがって、高効率な自己励磁機能を簡易な構造で構築することができる。
本発明の上記の第３の態様によれば、誘導子極コイル周りに発生する磁束が干渉して自己励磁を妨げてしまうことを回避することができ、また、誘導子極コイルの存在が突極比を低下させる要因となってしまうことを回避することができる。したがって、リラクタンストルクの減少を避けつつ自己励磁によるトルクの向上を効果的に得ることができる。

本発明の上記の第４の態様によれば、誘導子極コイル内の透磁率を高くして、ステータからの空間高調波磁束を効率よく鎖交させることができ、損失エネルギの回収率を向上させることができる。したがって、リラクタンスモータのトルクをより効果的に向上させることができる。
本発明の上記の第５の態様によれば、ロータの突極数Ｐとステータのスロット数Ｓとの比を最適化して磁束密度を均等に分布させることができ、ステータの電磁振動を抑制することができる。したがって、電磁振動によるエネルギ損失を低減して、損失エネルギを効率よく回収することができ、また、電磁振動の低減により電磁騒音も抑えることができる。

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、本実施形態の基本構造を示す図であり、その概略構成を示す一部拡大径方向断面図である。 図３は、本実施形態の改良前の原型構造を示す図であり、その概略構成を示す一部拡大径方向断面図である。 図４は、誘導子極コイルと電磁石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、図３に示す改良前原型構造のリラクタンスモータで誘導子極コイルで発生する誘導電流波形を示すグラフである。 図９は、図２に示す基本構造のリラクタンスモータで得られるトルクと、図３に示す改良前原型構造のリラクタンスモータで図８に示す誘導電流を利用して得られるトルクとを示すグラフである。 図１０は、図３に示す改良前原型構造のリラクタンスモータにおける空間高調波磁束の密度分布をベクトル表示で示す概念図である。 図１１は、図１に示す本実施形態のリラクタンスモータにおける空間高調波磁束の密度分布をベクトル表示で示す概念図である。 図１２は、図１に示す本実施形態のリラクタンスモータと図３に示す改良前原型構造のリラクタンスモータのそれぞれの誘導子極コイルで発生する誘導電流波形を示すグラフである。 図１３は、図１に示す本実施形態のリラクタンスモータと図３に示す改良前原型構造のリラクタンスモータのそれぞれで誘導電流を利用して得られるトルクを示すグラフである。 図１４は、ステータ側のスロット数とロータ側の突極数の比によって生じる電磁振動の一例を示す軸心方向から見たデフォルメ平面図である。 図１５は、ステータ側のスロット数とロータ側の突極数の比によって生じる誘導電流の品質を示すグラフである。 図１６は、本実施形態のリラクタンスモータの一部拡大径方向断面図中に、ステータ側のスロット数とロータ側の突極数の対応関係を図示する概念モデル図である。 図１７は、本実施形態のリラクタンスモータのステータ側からロータ側に鎖交する磁束に重畳する空間高調波成分の波形を示すグラフである。 図１８は、図１７に示す磁束の波形をフーリエ級数展開した結果を示す３ｆ次の空間高調波磁束毎の鎖交磁束強度を示すグラフである。 図１９は、図１８に鎖交磁束強度を示す３次の空間高調波磁束の磁束密度分布をベクトル表示で示す概念図である。 図２０は、図１８に鎖交磁束強度を示す６次の空間高調波磁束の磁束密度分布をベクトル表示で示す概念図である。 図２１は、図１８に鎖交磁束強度を示す９次の空間高調波磁束の磁束密度分布をベクトル表示で示す概念図である。 図２２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２３は、図２２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２１は本発明に係るリラクタンスモータの一実施形態を説明するための図である。ここで、図１〜図３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。

図１において、リラクタンスモータ１０は、図２に示す基本構造のリラクタンスモータ１０Ｂを出発点とするものであり、このリラクタンスモータ１０Ｂを発展させた図３に示す改良構造のリラクタンスモータ１０Ｄの課題を解消する構造を採用するものである。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いる。なお、ここで説明するリラクタンスモータ１０、１０Ｂ、１０Ｄは、いずれも上述の特許文献２とは異なって、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の基本構造）
まず、リラクタンスモータ１０Ｂは、図２に示すように、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駆動コイル１４が形成されている。ステータティース１２は、駆動コイル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１０Ｂは、ステータ１１のスロット１３内の駆動コイル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１０Ｂ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１０Ｂでは、ロータ２１内にトルクに寄与する磁束を発生させることができていないが、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に鎖交する磁束には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の駆動コイル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。

（リラクタンスモータの改良構造）
そして、リラクタンスモータ１０Ｄは、図３に示すように、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径方向２段の集中巻を形成することにより、誘導子極コイル２５と電磁石コイル２６が配置されている。
誘導子極コイル２５は、ロータティース２２の外周面２２ａ側に配置されている。電磁石コイル２６は、ロータティース２２の軸心側に配置されている。誘導子極コイル２５と電磁石コイル２６は、後述する図４と同様の回路構成になるように接続されて連係動作する。なお、このリラクタンスモータ１０Ｄでは、誘導子極コイル２５が図４における誘導子極コイル２７Ａ、２７Ｂのそれぞれに対応し、また、電磁石コイル２６が電磁石コイル２８Ａ、２８Ｂのそれぞれに対応している。
誘導子極コイル２５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コイル２６に供給する。電磁石コイル２６は、誘導子極コイル２５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１０Ｄは、磁束の空間高調波成分で誘導子極コイル２５に流れる誘導電流を電磁石コイル２６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駆動コイル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１０Ｄは、リラクタンスモータ１０Ｂで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、例えば、同一ステータ構造で同一駆動条件（回転速度、電流値、電流位相角）で駆動させた場合の定常トルクを、そのリラクタンスモータ１０Ｂよりも３１．９％程度向上させることができるとともにトルクリプルを低減することができている（後述する図９を参照）。

ここで、リラクタンスモータ１０Ｂの改良構造としては、上述した非特許文献１にも提案されている。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（後述の図８を参照）。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１０の基本構造）
そこで、図１に戻って、本実施形態のリラクタンスモータ１０は、図３に示すように、ステータ１１側においては、スロット１３を利用して、ステータティース１２の個々に相毎の３相巻線をそれぞれ巻き付ける集中巻を採用し、電磁石の駆動コイル１４を形成している。このリラクタンスモータ１０では、リラクタンスモータ１０Ｄの誘導子極コイル２５を誘導子極コイル２７に置き換えて、電磁石コイル２６を電磁石コイル２８に置き換えている。

また、ロータ２１側においては、コア材２７ａに集中巻線した誘導子極コイル２７の全体をスロット２３内に収容するとともに、ロータティース２２の全体に１段の集中巻を形成することにより電磁石コイル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。具体的には、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。
誘導子極コイル２７は、ロータティース２２の外周面２２ａの間で磁気的に独立する形態でスロット２３内に配置されている。電磁石コイル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。このように、誘導子極コイル２７および電磁石コイル２８は、磁束経路が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。
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や電磁石コイル２８（２８Ａ、２８Ｂ）を多極化させる場合でも電磁石コイル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コイル２８の個々に流すことができ、その電磁石コイル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、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。

（本実施形態のリラクタンスモータ１０の具体的構造）
誘導子極コイル２７および電磁石コイル２８は、駆動コイル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。

ステータ１１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。
誘導子極コイル２７は、電磁石コイル２８をロータティース２２に保持させる樹脂などの非磁性体でコア材２７ａと共にロータ２１側に固定すればよい。なお、誘導子極コイル２７は、コア材２７ａと共に、ロータ２１の軸方向両端部を締め付ける締結端板により一緒にアキシャル方向に締結する構造としてもよく、また、コア材２７ａを非磁性体のボルトで支持するようにしてもよい。

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コイル２８を形成している。また、リラクタンスモータ１０Ｄは、例えば、誘導子極コイル２５をφ１ｍｍの断面円形の巻線を４５ターンさせて形成するとともに、電磁石コイル２６をφ１ｍｍの断面円形の巻線を４８ターンさせて形成している。
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、電磁石コイル２８Ａ、２８Ｂに、図５〜図７に示す電流波形の電流が流れる。なお、リラクタンスモータ１０Ｄでは、誘導子極コイル２５と電磁石コイル２６に、それぞれ対応する誘導子極コイル２７Ａ、２７Ｂと電磁石コイル２８Ａ、２８Ｂと同様の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に示す誘導電流の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（２５）が従来には損失要因となっていた磁束の空間高調波をエネルギ源として回収して、電磁石コイル２８（２６）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の駆動コイル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１０Ｄは、図８に示すように、電磁石コイル２６に界磁電流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１０Ｄは、リラクタンスモータ１０Ｂと比較すると、図９に示すように、リラクタンスモータ１０Ｂと同様のリラクタンストルクに、電磁石コイル２６で生成する電磁力（磁束）によるリラクタンストルクを加えたトルク特性に向上させることができている。

ここで、リラクタンスモータ１０Ｄは、図８に示すように、電磁石コイル２６に発生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２５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１０Ｄは、図１０に示すように、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、磁束ベクトルＶは、ロータ２１側ではロータティース２２の外周面２２ａ付近に集中していることを確認できる。また、その３次空間高調波磁束は、ロータティース２２内における磁束ベクトルＶからすると、スロット２３内では図中破線矢印で図示する経路を空間磁路ＭＲとして通過してステータティース１２側に戻っていることが分かる。
このため、リラクタンスモータ１０では、そのロータティース２２の間のスロット２３内に、図１０に示す位置に誘導子極コイル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。

そして、本実施形態のリラクタンスモータ１０は、同様に、３次空間高調波磁束の磁束密度分布をベクトル表示すると、図１１に示すように、ロータ２１側のロータティース２２と誘導子極コイル２７の全体に３次空間高調波磁束（磁束ベクトルＶ）を鎖交させることができていることが分かる。また、この３次空間高調波磁束は、ステータ１１側でも、ステータティース１２の全体を磁路としてロータ２１側に鎖交させるように磁路を分散させていることが分かる。
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。
ここで、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間に空隙やアルミニウムや樹脂などの非磁性材料で磁気的に独立させてスロット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、図１２に示すように、リラクタンスモータ１０Ｄよりも誘導子極コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて損失エネルギを回収できており、図１３に示すように、その誘導電流によりリラクタンスモータ１０Ｄよりもトルク特性が向上していることが分かる。この図１３に示すトルク特性では、リラクタンスモータ１０は、リラクタンスモータ１０Ｄよりも、定常トルクで１９．５％程度向上させることができるとともにトルクリプルを低減することができている。
また、リラクタンスモータ１０は、例えば、同一ステータ構造で同一駆動条件（回転速度、電流値、電流位相角）で駆動させた場合には、リラクタンスモータ１０Ｂよりも、定常トルクを約５７．５％程度向上させることができ、トルクリプルは約４９．８％低減することができている。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の電磁振動（例えば、図１４に示すような振動モード）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ている。

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、駆動コイル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。
このため、例えば、ロータティース突極数８とステータスロット数９を組み合わせる８Ｐ９Ｓ構造の場合には、機械角３６０度内の周方向にムラとなるような偏った磁束密度分布が形成されて、ステータ１１に働く電磁力分布にもムラが生じて大きな電磁振動が発生する可能性がある。また、１４Ｐ１２Ｓ構造の場合には、回転対称の位置関係となる磁束密度分布の高低領域が形成されて、図１４に示すように、振動方向の回転なく径方向に繰り返し収縮・膨張して楕円形に変形するｋ＝０の振動モードで大きく電磁振動する可能性がある。このように電磁振動が発生する場合には、その結果として、大きな電磁騒音となる可能性がある。
また、１６Ｐ１８Ｓ構造の場合には、機械角３６０度内の周方向に鎖交しない領域ができて、回収エネルギ量が減少してしまう。また、この１６Ｐ１８Ｓ構造の場合には、図１５に示すように、誘導子極コイルで発生させた誘導電流の図７に対応する合成波でも、誘導子極コイル２７Ａ´、２７Ｂ´毎にノイズが乗ってしまっているような波形になって、ロータ２１を安定回転させることができない。

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。

なお、図１６に示すように、Ｐ／Ｓ＝２／３の構造のリラクタンスモータ１０では、図１７に示す波形の磁束がロータティース２２の１歯に鎖交している。この磁束波形は、フーリエ級数展開をすると、図１８に示すように、３ｆ次の空間高調波磁束において、３次成分の振幅が最大であり、その３次成分が誘導子極コイル２７に誘導電流を発生させるのに最適であることが分かる。なお、図１６では、後述する図１９〜図２１に合わせて、コイル２７、２８の図示を割愛している。
この３ｆ次の空間高調波磁束の磁束密度分布をベクトル表示すると、図１９に示す３次の空間高調波磁束が、図２０に示す６次の空間高調波磁束や図２１に示す９次の空間高調波磁束よりも数倍以上の高密度に鎖交できていることが分かる。
この結果から、リラクタンスモータ１０では、Ｐ／Ｓ＝２／３の構造を採用している。この図１９〜図２１に示す空間高調波磁束密度分布は、リラクタンスモータ１０のベースであるリラクタンスモータ１０Ｂの構造でベクトル図を作成して比較している。

このように、リラクタンスモータ１０は、ステータ１１の駆動コイル１４以外に電力供給することなく、ロータ２１側に配置する誘導子極コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて電磁石コイル２８に界磁電流として供給し自己励磁電磁石として機能させることができ、駆動コイル１４への電力供給による主回転力を補助する補助回転力を得て高効率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、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２２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、延長した駆動コイル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する。
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２３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。
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（SoftMagneticComposites）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。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造に好適である。
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。

本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１０ リラクタンスモータ
１１ ステータ
１２ ステータティース
１２ｂ 鍔形状部
１３、２３ スロット
１４ 駆動コイル
２１ ロータ
２２ ロータティース
２７、２７Ａ、２７Ｂ 誘導子極コイル
２７ａ コア材
２８、２８Ａ、２８Ｂ 電磁石コイル
２９、２９Ａ、２９Ｂ ダイオード

Claims (5)

1. 複数相の駆動電流を入力する駆動コイルが設けられているステータと、前記駆動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、
   前記駆動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コイルと、
   を有しており、
   前記誘導子極コイルと前記電磁石コイルとは兼用されることなく別個に前記ロータに配置されていることを特徴とするリラクタンスモータ。
2. 前記誘導子極コイルは前記ロータの隣り合う前記突極の間に配置されてい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当該コイルを巻き掛けるコア材を含めて当該誘導子極コイル以外の構成材料から磁気的に独立した構造になってい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。
4. 前記誘導子極コイルは当該コイルを巻き掛けるコア材が磁性体で構成されてい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。
5. 前記ロータの前記突極の数Ｐと、前記ステータの前記駆動コイルを配置するスロットの数Ｓと、の比をＰ／Ｓ＝２／３にす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。

Images