JPH11191987A - スウィッチトリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】トルクリップルの小さなスウィッチトリラクタ
ンスモータとその制御装置を実現すること、その高速回
転運転を実現すること。 【解決手段】 ６個の約３０度の幅のステータ突極と４
個の約５０度の幅のロータ突極と各ステータ突極に巻回
され直列に接続された励磁巻き線を持つスウィッチトリ
ラクタンスモータ（ＮＲＭ）と、各励磁巻き線を直列に
接続して、励磁指令信号（ＦＣＭ）に従いモータを励磁
するため直流励磁電流（ＩＤ）を各励磁巻き線へ供給す
る励磁駆動手段（ＦＣＣ，ＦＤ）と、トルク指令（ＴＣ
Ｍ）に従った大きさの電流を、トルク指令の極性によ
り、６個のステータ磁極のトルク巻き線に、ロータ回転
角に応じて順次、通電するトルク電流駆動手段（ＰＷ）
を備えているスウィッチトリラクタンスモータとその制
御装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスウィッチトリラク
タンスモータの改良に関する。特に低コストであり、汎
用の産業用モータとして利用可能なモータの改良に関
し、更に、ロータが堅牢であることより、遠心力がロー
タ強度上問題となるような高速回転モータとして有用な
モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】電動機を高速で回転させる必要がある場
合、例えば、マシニングセンタ等の工作機械の高速回転
主軸では、モータのロータ直径が１００ｍｍ程度で３万
回転／分以上の回転が必要となっている。

【０００３】このような用途では従来誘導電動機が使用
されているが、遠心力に耐えられるようにロータのスロ
ットは開口させず、閉じたスロットとすることが多く、
ロータコイルエンドの処理にもそれなりの強化が図られ
ることが多い。

【０００４】しかしながら、これらの従来装置では、コ
スト高になったり、モータ特性を多少犠牲にした構造強
化策が採られる問題があった。

【０００５】ロータの強度が高いモータとしてはスウィ
ッチトリラクランスモータが研究され、一部実用化され
てきている。

【０００６】このモータの具体的な代表的例のモータ断
面図を図１７に示す。その駆動アルゴリズムを図１８に
示す。ロータは珪素鋼板を軸方向に積層したシンプルな
塊であり、非常に強固であるため、その点では、高速回
転に向いている。

【０００７】図２３のモータのステータ１は、６個の突
極２０を持っており、各突極２０の幅はロータ回転角度
換算で、約３０度である。各突極２０にはそれぞれ巻き
線が巻回されている。ロータ２は４個の突極２１を持っ
ており、各突極２１の幅はロータ回転角度換算で、約３
０度である。

【０００８】次に、このスウィッチトリラクランスモー
タの動作について説明する。例えば図２３の状態で反時
計方向に回転トルクを発生させる場合、ＴＣ１，ＴＣ２
およびＴＦ１，ＴＦ２で示す巻き線に電流を流してロー
タの突極を引き寄せることにより回転トルクを発生させ
る。この時、ＴＣ１，ＴＣ２で示す巻き線に流す電流と
ＴＦ１，ＴＦ２で示す巻き線に流す電流との方向は逆向
きとし、生成される磁束がロータを貫通するように電流
を流す。さらに、ロータが反時計方向に回転した場合、
ロータの突極がＴＣ１，ＴＣ２の巻き線が巻回されてい
るステータ突極に一致する位置までくるとこの場所での
回転トルクは発生しなくなる。この時、反時計方向の隣
のロータ突極はＴＥ１，ＴＥ２で示される巻き線が巻回
されたステータ突極に近接しているので、ＴＣ１，ＴＣ
２の巻き線の電流を零とすると同時に、ＴＥ１，ＴＥ２
で示される巻き線およびＴＢ１，ＴＢ２で示される巻き
線へ電流を流すことにより反時計方向の回転トルクを発
生させる。このように、各ステータ巻き線へ順次、適切
な断続的電流を流すことにより、継続的に回転トルクを
発生させることができる。

【０００９】同様に、図２３の状態で、時計方向に回転
トルクを発生させる場合、ＴＢ１，ＴＢ２で示す巻き線
に電流を流してロータの突極を引き寄せることにより回
転トルクを発生させることができる。

【００１０】なお、発生するトルクは各巻き線の電流と
ステータとロータとの相対位置に関係し、原理的にはロ
ータの回転速度との関係はない。

【００１１】図２３のスウィッチトリラクタンスモータ
の駆動装置の電力増幅部の具体例を後に本発明でも説明
する図５に示す。巻き線ＷＡは図２３のＴＡ１，ＴＡ２
で示される巻き線であり、巻き線ＷＤは図２３のＴＤ
１，ＴＤ２で示される巻き線であり、両巻き線の向きは
逆向きに巻回されている。この巻き線ＷＡ，ＷＤに流れ
る電流ＩＡＤは、特に図示しないが、ごく一般的にモー
タ電流制御で行われているように、電流指令と電流ＩＡ
Ｄの検出値との差分により、ＰＷＭ制御され、電流指令
値に対し精密に制御される。微視的な動作は、トランジ
スタ８，９をＯＮすることにより巻き線ＷＡ，ＷＤに電
圧が印加され、電流ＩＡＤが増加する。トランジスタ
８，９をＯＦＦすれば、その時の通電電流に起因したモ
ータ磁気エネルギー及び運動エネルギーは、ダイオード
１０，１１を経由してＤＣパワー電源ＶＳおよびＶＬへ
回生され、電流が減少していく。これらの動作を適切に
繰り返すことにより、電流指令値に対する電流ＩＡＤの
平均電流の制御がなされる。他の２相についても同様に
制御される。

【００１２】なお、図５、図２３で使用されている各巻
き線及び各電流の記号のうちアルファベットＡ，Ｂ，
Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆはモータの各ステータ磁極を示してい
る。

【００１３】次に、図２３のスウィッチトリラクタンス
モータの動作を整理して、その駆動アルゴリズムを図２
４に示す。横軸ＲＡは図２３に示すロータ回転位置であ
る。反時計回転方向にトルクを発生させる場合、図２４
の（ａ），（ｂ）、（ｃ）の特性の電流を通電する。反
時計回転方向にトルクを発生させる場合、図１８の
（ｄ），（ｅ）、（ｆ）の特性の電流を通電する。電流
の振幅が大きくなるとトルクも大きくなる関係となって
いる。

【００１４】このスウィッチトリラクランスモータの特
徴は、モータ構造が簡単でステータ巻き線が簡単な巻き
構造であるため製作コストが低いこと、ステータ巻き線
のコイルエンドが短くできるのでモータの全体長が比較
的短いこと、ロータが堅牢なので物理的に高速回転が可
能なこと、駆動アルゴリズムが簡単で電流の方向が片方
だけでよいので駆動回路を簡単にできる可能性があるこ
と等が挙げられる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】一方、このスウィッチ
トリラクランスモータの問題点もいくつかある。供給す
る電気エネルギーとモータ内部に蓄積される磁気エネル
ギーと機械出力エネルギーとの関係を均一にする制御ア
ルゴリズムも十分に確立されていないことから、結果と
して、トルクリップルが大きいという問題がある。一方
法として、トルクリップルを補償するように電流を補償
して通電してトルクリップルを低減する方法も提案され
ているが、制御が煩雑である等の別の問題がある。トル
クリップルに加え、各突極が発生するトルクが断続的で
あることもモータ強度上ステータの変形に荷担している
と考えられ、モータ駆動時の振動、騒音が大きいという
問題がある。図２４の特性からも、回転位置ＲＡが増加
して電流が零となるタイミングが少し遅れると、意図し
たトルクの反対のトルクが生成されることが示されてい
る。

【００１６】高速に回転する場合、非常に高速の電流ス
イッチングが必要であるなどの問題もある。またモータ
内部の磁気エネルギの供給および回生を頻繁に行う必要
があることから力率の問題もある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】これらの諸問題に対し、
改良したスウィッチトリラクタンスモータとその制御装
置を提案する。

【００１８】モータの概略特徴は、各ロータの突極に発
生するトルクをモータ全体として連続的に発生でき、基
本アルゴリズム的にトルクリップルの少ないモータであ
る。モータの振動、騒音も小さいモータである。

【００１９】以下、課題を解決するための手段を示す。

【００２０】具体的なモータ構造の例を図１に示すよう
に、各ステータ突極にトルク巻き線とは別個に励磁巻き
線を巻き、全てのステータ突極の励磁巻き線に励磁電流
を図４に示すように通電する。

【００２１】あるいは、各ステータ突極の励磁巻き線の
代わりに各ステータ突極に永久磁石を図９に示すように
配置する。

【００２２】図１，図２に示すように、スタータの突極
幅は約３０度、スタータの突極数は６とし、ロータの突
極幅は例として４０度幅で５度の構造的スキューをもた
せ、ロータの突極数は４である。

【００２３】これらのリラクタンスモータの各ステータ
のトルク巻き線に流すトルク電流を制御するトルク電流
制御部を備える。

【００２４】又、他の本発明リラクタンスモータの構成
として、前記励磁巻き線を省略し、トルク巻き線に励磁
電流も重畳させるトルク電流制御部を備える。

【００２５】ステータの各突極に巻き線を２組並列に巻
き、１組のステータ巻き線にトランジスタＯＮして電圧
及び電流を供給して電流を増加させ、電流を減少させる
場合はトランジスタをＯＦＦして、電磁気的に結合して
いる他の１組のステータ巻き線に誘起する電圧でダイオ
ードを介して電源側にエネルギーを回生させることによ
りそのステータのトータルステータ電流を減少させる。

【００２６】トルクリップルの低減策として、ロータあ
るいはステータを軸方向に複数に分割し、モータの発生
するトルクリップルの周波数成分の周期の１／２だけ回
転方向にシフトする構造とする。

【００２７】高速回転の運転を行う場合、ステータ突極
に巻かれた巻き線の中間タップが外部に取り出されてい
るか、あるいは、ステータ突極に２組以上の巻き線が巻
かれ、それらの巻き線が直列に接続された状態と巻き線
の一部に接続された状態とを切り換える切り換え手段を
備える。

【００２８】また、具体的なモータ構造は、図１７に示
すように、ロータ回転角換算で６０度より小さいが、ほ
ぼ６０度の幅を持つ６個のステータ磁極と、各ステータ
磁極に巻回された励磁巻き線は、隣り合う励磁巻き線が
逆直列となるように、各励磁巻き線が直列に接続された
励磁巻き線であり、各ステータ磁極に巻回されたトルク
巻き線は３相となっており、各相の巻き線はお互いに１
８０度離れた、ロータ回転中心に対して反対側の１対の
巻き線であり、逆直列に接続されており、ロータ回転角
換算で６０度から１２０度の大きさの幅を持つ２個のロ
ータ磁極とを備えるモータである。

【００２９】その制御装置は、各励磁巻き線を直列に接
続して、励磁指令信号に従いモータを励磁するため直流
励磁電流を各励磁巻き線へ供給する励磁駆動手段と、ト
ルク指令に従った大きさの電流を、トルク指令の極性に
より、例えばトルク指令が正の時は反時計回転方向トル
クを表すとして、トルク指令が正の時はロータ磁極の突
極部の反時計方向端が位置するステータ磁極のトルク巻
き線に通電し、トルク指令が負の時はロータ磁極の突極
部の時計方向端が位置するステータ磁極のトルク巻き線
に通電するトルク電流駆動手段を備えている。

【００３０】また、トルクリップルを少なく、トルク電
流を増減する制御アルゴリズムについても提案する。

【００３１】もう一つの他のモータは、各ステータ磁極
に巻回された共通のステータ巻き線である前記同様のモ
ータである。

【００３２】その制御装置は、励磁指令信号に従いモー
タを励磁するための励磁電流をもとめ、トルク指令に従
った大きさの電流を、トルク指令の極性により、例えば
トルク指令が正の時は反時計回転方向トルクを表すとし
て、トルク指令が正の時はロータ磁極の突極部の反時計
方向端が位置するステータ磁極の共通巻き線にトルク電
流が通電されるものとして求め、トルク指令が負の時は
ロータ磁極の突極部の時計方向端が位置するステータ磁
極の共通巻き線にトルク電流が通電されるものとして求
め、前記励磁電流と前記トルク電流との和の電流を各共
通巻き線へ通電する共通巻き線電流駆動手段を備えてい
る。

【００３３】

【作用】具体的なモータ構造の例を図１に示すように、
各ステータ突極に励磁巻き線を巻き、全てのステータ突
極の励磁巻き線を直列にし励磁電流を図４に示すように
通電する。

【００３４】あるいは、各ステータ突極の励磁巻き線の
代わりに各ステータ突極に永久磁石を図９に示すように
配置してモータの励磁を行う。

【００３５】図１，図２に示すように、スタータの突極
幅は約３０度、スタータの突極数は６とし、ロータの突
極幅は例として４０度幅で５度の構造的スキューをもた
せ、ロータの突極数は４である。

【００３６】これらのリラクタンスモータの電流制御に
おける各ステータのトルク巻き線に流すトルク電流制御
は、ロータの回転角に応じて振幅制御を行う。この振幅
制御、即ち、電流の増減は、そのステータがトルクを発
生しない領域であるステータの突極とロータの突極が全
て対向している回転角の領域、あるいは、ステータの突
極とロータの突極が全てが対向していない回転角の領域
で行う電流制御部を備える。少し具体的には、力行運転
時は、ロータ突極が該当ステータ突極にさしかかるまで
であって、ステータ突極がロータの凹部幅ＢＲＯの間に
ある時間に、該当するトルク巻き線のトルク電流を零か
らトルク指令値ＴＣＭに相当するトルク電流値ＩＰ１に
増加させ、前記ロータ突極が該当する前記トルク巻き線
の巻かれたステータ突極にさしかかる間に回転トルクを
生成し、前記ステータ突極がロータ突極の幅ＢＲＴの間
に存在する間にトルク電流をＩＰ１から零に減ずるよう
に制御し、回生運転時は、ステータ突極がロータ突極の
幅ＢＲＴの間に存在する間にそのステータのトルク電流
を零からトルク指令値ＴＣＭに相当するトルク電流値Ｉ
Ｐ１に通電し、前記ロータ突極が該当する前記トルク巻
き線の巻かれたステータ突極から離れていく間に回生す
る回転トルクを生成し、ロータ突極が該当ステータから
離れてそのステータ突極がロータの凹部の幅ＢＲＯの間
にある時間に前記トルク電流値ＩＰ１から零に減ずるよ
うに制御する電流制御部を備える。

【００３７】又、他の本発明リラクタンスモータの構成
として、前記励磁巻き線を省略し、トルク巻き線に励磁
電流も重畳させる方法がある。この特長は、励磁巻き線
が不要なのでモータ巻き線が簡素化されること、励磁回
路が不要なので駆動回路が簡素化されることがある。逆
に負担としては、励磁電流分の負担が回路規模の大きい
トルク電流駆動回路側にかかる。

【００３８】さらに、この励磁巻き線を省略したモータ
構造において、トルク指令の逆方向にトルクを発生する
励磁電流分を除去するように制御することもできる。

【００３９】ステータの各突極に巻き線を２組並列に巻
き、１組のステータ巻き線にトランジスタＯＮして電圧
及び電流を供給して電流を増加させ、電流を減少させる
場合はトランジスタをＯＦＦして、電磁気的に結合して
いる他の１組のステータ巻き線に誘起する電圧でダイオ
ードを介して電源側にエネルギーを回生させることによ
りそのステータのトータルステータ電流を減少させる。

【００４０】トルクリップルの低減策として、ロータあ
るいはステータを軸方向に２個に分割し、モータの発生
するトルクリップルのある周波数成分の周期の１／２だ
け回転方向にシフトする構造とし、その周波数成分のト
ルクリップルを除去する。さらにその手法を積み重ね、
他の２個のロータについても同じ構成とし、２組のロー
タを相対的にその他の周波数成分の周期の１／２だけ回
転方向にシフトする。このような構成でトルクリップル
の２つの周波数成分が低減される。

【００４１】高速回転の運転を行う場合、ステータ突極
に巻かれた巻き線の中間タップが外部に取り出されてい
るか、あるいは、ステータ突極に２組以上の巻き線が巻
かれ、それらの巻き線が直列に接続された状態と巻き線
の一部に接続された状態とを切り換える切り換え手段を
備える。電圧の低い巻き線で制御することにより、高速
回転の制御を可能とする。

【００４２】２極のロータは、極性はロータの位置によ
り変わるが、常に一定の磁束を存在させられる構造とな
っている。従って、モータ内部の磁気エネルギーを、ロ
ータ回転位置に関わらず、基本的に一定にすることがで
きる。各励磁巻き線を全て直列に接続して励磁電流を流
した場合、回転に伴い、どの巻き線かは磁束が減少し負
の電圧を発生し、同時に、どの巻き線かは磁束が増加す
るので正の電圧を発生するので、トータルとして直列に
接続された励磁巻き線のトータル電圧は、巻き線抵抗分
の電圧効果のみで、磁束の増減に伴う電圧は基本的に発
生しない。従って、駆動装置の励磁制御は非常に簡単な
もので済む。なお、隣り合うステータ磁極の間の隙間に
ついては、隙間が小さければ隙間の悪影響は小さく、多
少大きくてもロータかステータのどちらかにスキューを
行うことによりその悪影響を低減できる。

【００４３】トルクの発生は磁気的吸引力により得られ
るので、ロータが対向しているステータ磁極の内、発生
させたいトルク方向のステータ磁極のトルク巻き線にト
ルク電流を通電することにより所望のトルクを発生させ
ることができる。この動作を回転に伴い、順次各ステー
タ磁極のトルク巻き線に行うことにより連続した回転ト
ルクを得ることができる。

【００４４】なお、各ステータ磁極とロータ突極との全
面が対向しているか、あるいは、全面が全く対向してい
ない回転位置があり、その回転位置を利用してトルク巻
き線の電流の増減を行うことにより、トルクリップルを
発生させない制御を可能とする。

【００４５】また、モータと駆動装置のトータルコスト
の低減方法として、モータの各ステータ磁極に回生用の
巻き線を備え、各ステータ磁極の磁気エネルギーをロー
タの回転と共に電源に回生するため、各回生用の巻き線
と電源との間に直列に、アノードが電源の低電圧側に向
いてカソードが電源の高電圧側に向いて接続されたダイ
オードを備えることによりモータエネルギーの回生回路
を簡単に構成し、駆動用のパワートランジスタとダイオ
ードを６個から３個に減少させる。

【００４６】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図１に示す。

【００４７】１はステータであり、ロータ回転角でほぼ
３０度の幅を持つ６個のステータ突極２０を備えてい
る。各ステータ突極２０には、励磁巻き線とトルク巻き
線が巻回されている。励磁巻き線は、ＨＡ３，ＨＡ４で
示される巻き線がＷＡＦ、ＨＢ３，ＨＢ４で示される巻
き線がＷＢＦ、ＨＣ３，ＨＣ４で示される巻き線がＷＣ
Ｆ、ＨＤ３，ＨＤ４で示される巻き線がＷＤＦ、ＨＥ
３，ＨＥ４で示される巻き線がＷＥＦ、ＨＦ３，ＨＦ４
で示される巻き線がＷＦＦである。トルク巻き線は、Ｈ
Ａ１とＨＡ２で示される巻き線がＷＡＴ，ＨＢ１とＨＢ
２で示される巻き線がＷＢＴ，ＨＣ１とＨＣ２で示され
る巻き線がＷＣＴ，ＨＤ１とＨＤ２で示される巻き線が
ＷＤＴ，ＨＥ１とＨＥ２で示される巻き線がＷＥＴ，Ｈ
Ｆ１とＨＦ２で示される巻き線がＷＦＴである。なお、
これら記号の内Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは、各ステータ
突極を表している。

【００４８】ステータ、ロータは、珪素鋼板を軸方向に
積層している。

【００４９】２はロータの軸である。

【００５０】ロータにはロータ回転角で約４０度の幅を
持つ突極２１を４個備え、積層時に５度のスキューがな
されている。図２にロータの表面形状をロータ回転方向
に平面展開した図を示す。図２に示すようにロータ突極
の回転方向幅は、スキュー部も含め、５０度である。

【００５１】図３は、モータの速度制御装置の構成例で
ある。

【００５２】ＮＲＭは図１に示すモータである。

【００５３】Ｅはロータの回転角を検出するエンコーダ
で、位置検出信号ＰＳを出力する。

【００５４】ＰＳＣは速度検出部で、位置検出信号ＰＳ
を入力とし速度信号ＶＥＬを検出する。

【００５５】ＶＣは速度制御部で、速度指令ＶＣＭと速
度信号ＶＥＬとを入力とし、速度制御器ＶＣＣでトルク
指令信号ＴＣＭを求め、界磁電流制御器ＦＣＣで界磁電
流指令ＦＣＭを求め出力する。

【００５６】ＦＤは界磁電流制御部で、界磁電流指令Ｆ
ＣＭに従いモータＮＲＭへ界磁電流ＩＤを供給する。界
磁電流指令ＦＣＭはモータが基底回転数以下では一定の
値とし、基底回転数以上では、モータ誘起電圧を電源電
圧以下に低減するため、回転数と共に徐々に小さな値と
する。回転数と共に界磁電流指令ＦＣＭを小さくする、
いわゆる界磁弱め制御の典型的な例は、基底回転数以上
では界磁電流指令ＦＣＭをモータ回転数の逆関数とする
方法である。また、トルク指令が小さな領域では、小さ
な界磁電流指令値とし、モータの発熱を低減すると共に
トルクリップルを低減することも実用上有効である。

【００５７】図４は、界磁電流制御部ＦＤのパワー回路
と各励磁巻き線の接続関係を示す図である。各ステータ
突極に巻回された各励磁巻き線、ＷＡＦ、ＷＢＦ、ＷＣ
Ｆ、ＷＤＦ、ＷＥＦ、ＷＦＦは、図４に示すように直流
電流を流した時、各ステータ突極は図１に示されるＮ
極，Ｓ極に励磁されるように、隣り合う各ステータ磁極
の各励磁巻き線が逆向きに巻回されている。５は界磁電
流制御回路であり界磁電流ＩＤを適切に制御し、６は駆
動トランジスタ、４はフライホイールダイオードであ
る。

【００５８】図１に示すように、ロータの突極とステー
タの突極とが対向している部分の面積はロータの回転位
置に関係なく一定の関係となっており、全てのステータ
突極はＮ極かＳ極に励磁されており、磁束の極性はロー
タの位置により変わるが、磁束の絶対値は常に一定の量
が存在する構造となっている。従って、モータ内部の磁
気エネルギーを、ロータ回転位置に関わらず、基本的に
一定にすることができる。各励磁巻き線を全て直列に接
続して励磁電流を流した場合、ロータが回転してもモー
タの総磁束は変化しないのであるから、どの励磁巻き線
かは磁束が減少し負の電圧を発生し、同時に、他のどの
励磁巻き線かは磁束が増加するので正の電圧を発生し、
トータルとして直列に接続された励磁巻き線のトータル
電圧は、巻き線抵抗分の電圧効果のみで、磁束の増減に
伴う電圧は基本的に発生しない。従って、界磁電流制御
部による励磁制御は、図４に示すように、非常に簡単な
もので済む。さらには例えば、（電圧ＶＳ−ＶＬ）＝
（励磁電流ＩＤ）×（励磁巻き線の総抵抗）となるよう
に励磁巻き線の抵抗を選べば、電源に励磁巻き線を接続
するだけで良く、図４に示す励磁回路ＦＤも不要であ
る。

【００５９】なお、各３相励磁巻き線を２組に分割し
て、それぞれに励磁電流駆動回路を接続しても同様の効
果が得られる。界磁電流制御部ＦＤは図４の回路に限定
するものではない。

【００６０】図１のような構成の機能的な利点は、特に
高速回転の制御を従来の考え方で行う場合制御装置の励
磁電流駆動の電圧負担が大きくなるが、図１方式では励
磁巻き線間で勝手に磁気エネルギのやりとりを行うので
トルク電流の制御装置の負担が減少する点である。

【００６１】なお、磁気エネルギーが一定で回転トルク
を発生しない現象は、他の見方をすれば、ロータの両端
で正のトルクと負のトルクが発生していて、キャンセル
し合っているとも言える。従って、励磁電流のみが通電
されている時は、モータ全体としてリラクタンストルク
は発生しない。ステータ突極とロータ突極が接近すると
きあるいは離れるときに、その境界部でわずかに不連続
性があるが、基本的に、トルクリップルは小さい。ま
た、このトルクリップルの発生は、ロータかステータの
どちらかにスキューを行うことによりその悪影響を低減
できる。

【００６２】回転トルクの生成は、後でも説明するが、
この励磁電流が通電された状態でトルク電流を付加する
ことにより得ることができる。その時トルク電流の力率
は電流と電圧とが時間位相的にほぼ一致しているので高
力率である。

【００６３】ＴＣはトルク制御部であり、トルク指令信
号ＴＣＭと位置検出信号ＰＳを入力とし、モータＮＲＭ
の各相電流指令ＩＡＤＳ，ＩＢＥＳ，ＩＣＦＳ及び各相
の端子電圧を推定した各相の電圧フィードフォワード信
号ＶＡＤ，ＶＢＥ，ＶＣＦを出力する。

【００６４】ＴＤは電流制御部で、１相について説明す
ると、電流指令ＩＡＤＳと電流ＩＡＤの検出値の差分を
求め、電流制御器ＩＣＲで比例積分制御等の処理を行
い、電圧フィードフォワード信号ＶＡＤを加算し、電圧
指令信号をパワー増幅回路ＰＷへ出力する。他の２相に
ついても同様の動作が行われる。

【００６５】パワー増幅回路ＰＷは、電流ＩＡＤの相に
ついて説明すると、前記電圧指令信号を入力し、ごく一
般的なＰＷＭ動作により図５に示すトランジスタ８，９
を駆動し、モータＮＲＭへ電流ＩＡＤを供給する。

【００６６】図５にパワー増幅回路ＰＷのパワー回路と
ステータの各トルク巻き線の接続関係を示す。ＴＷＡは
ＨＡ１とＨＡ２で示されるトルク巻き線，ＷＤＴはＨＤ
１とＨＤ２で示されるトルク巻き線である。８および９
は駆動トランジスタであり、１０及び１１は回生用のフ
ライホイールダイオードである。ＷＡＴとＷＤＴとは逆
向きに直列に接続されている，なお、各ステータ磁極の
励磁巻き線の電流の向きとトルク巻き線の電流の向きと
は一致している。トルク電流ＩＡＤを流すときトランジ
スタ８，９がＯＮし、トランジスタ８，９がＯＦＦする
と電流ＩＡＤはフライホイールダイオード１０，１１を
介して電源ＶＳ、ＶＬへ回生される。ＶＬはパワー回路
のコモン線である。

【００６７】このようなＰＷＭ制御の結果、電流指令Ｉ
ＡＤＳに対して電流ＩＡＤはＰＷＭ制御の分だけ脈動的
になるが、概略の電流は指令通りに制御され、電流の平
均値は電流指令ＩＡＤＳの通りとなる。

【００６８】他の２相の巻き線ＷＢＴ，ＷＥＴの電流Ｉ
ＢＥおよびＷＣＴ，ＷＦＴの電流ＩＣＦの電流制御につ
いても電流ＩＡＤと同様の動作を行う。

【００６９】また、励磁電流とトルク電流とのモータ内
部の磁気エネルギの関係を定性的に説明をする。図６は
モータの磁気特性をモデル的に示すもので、横軸は起磁
力Ｈ、縦軸は磁束密度Ｂである。励磁電流は、起磁力が
Ｈ0となる値に通電し、励磁されたモータの磁気回路部
の磁束密度は、B0となり、動作点はＸ0である。磁気回
路内部の磁気エネルギーは三角形ＯＸ0Ｂ0で示される。
この状態でトルク電流がＨ1とＨ0の差分だけ通電された
とすると、動作点はＸ1に移動するがモータ内部の磁気
エネルギの変化は小さく、図６のモデル図では零であ
る。従って、トルク電流の可変制御においてトルク電流
による磁束変化が小さいのであるから、そのインダクタ
ンスは小さく、制御性が高いと言える。

【００７０】次にトルクの発生および各巻き線の電流と
の関係について、図７、図８の各電流値と回転角ＲＡの
特性で示す。

【００７１】図１において、水平に書いたロータの中心
線に対するロータ突極の反時計回転方向端までの角度を
ＲＡと定義する。

【００７２】今、電流振幅ＩＰ１に相当する反時計回転
方向のトルクを連続的に生成する場合について説明す
る。まず、励磁電流ＩＤは回転角ＲＡに無関係に一定値
ＩＤ１である。

【００７３】回転角ＲＡが零から次第に増加する時、即
ち、反時計回転方向へ回転していると仮定すると、各巻
き線電流は、図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すよう
に、それぞれロータ回転角ＲＡで６０度の位相差を持っ
て、通電されることにより一定のトルクを生成する。ロ
ータ回転角ＲＡ３０度から１５０度の範囲を拡大して図
７の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示し、その具体的動作に
ついて説明する。実線は通電電流、一点鎖線はトルク巻
き線に誘起される誘起電圧を示す。

【００７４】まず、各相の巻き線に誘起される誘起電圧
について説明する。

【００７５】図７（ｄ）に示すように、反時計回転方向
ＣＣＷへ一定回転速度で回転していると仮定すると、ト
ルク巻き線ＷＡＴ，ＷＤＴに誘起する電圧は、各巻き線
に鎖交する磁束の変化率に比例するので、ＲＡが３０度
から３５度まではロータの端のスキューされた一部がス
テータ突極の位置からはずれ始めるので負の電圧が発生
し始め、３５度から６０度まではロータ突極が回転と共
にステータ突極の位置からはずれていくので一定電圧−
Ｖ１が誘起し、６０度から６５度の間はロータのスキュ
ー部の端がはずれていくので次第に電圧が零まで減少
し、６５度から７５度までの間はロータ突極がステータ
突極に対向していないので電圧は発生せず、７５度から
８０度まではロータの端のスキューされた一部がステー
タ突極にかかり始めるので正の電圧が増加８０度から１
０５度まではロータ突極が回転と共にステータ突極に対
向する部分が増加するので一定電圧Ｖ１が誘起し、１０
５度から１１０度の間はロータのスキュー部のＣＣＷ端
がステータ突極からずれていくので次第に電圧が零まで
減少し、１１０度から１２０度の間はステータ突極がロ
ータ突極の幅の中に入っているので電圧は発生しない。
以下同様のサイクルを繰り返すことになる。

【００７６】次に、トルク巻き線ＷＡＴ，ＷＤＴに通電
する電流について説明する。具体的な電流の通電方法と
しては、電圧の発生していない時間帯に電流を増減し、
電流の増減時はトルクを発生しない制御を行っている。
従って、この期間内で有れば、電流の増減の形状等はモ
ータトルクに影響しないので、最大電圧を印加した電流
の急峻な増減が容易に可能である。ロータ回転角ＲＡが
６０度から７５度の間に電流を零からＩＰ１に増加し、
７５度から１１０度の間は一定値ＩＰ１とし、１１０か
ら１２０度の間にＩＰ１から零に減少させる。電力は電
流、電圧の積であるから、７５度から１１０度の間にモ
ータへエネルギが供給され、この間の電圧に比例したト
ルクが生成されることになる。

【００７７】他のトルク巻き線ＷＢＴ，ＷＥＴの電圧、
電流は同様に、図７（ｅ）に示す通りであり、図７
（ｄ）より６０度だけ位相が遅れた関係になっている。
また、トルク巻き線ＷＣＴ，ＷＦＴの電圧、電流は同様
に、図７（ｆ）に示す通りであり、図７（ｄ）より１２
０度だけ位相が遅れた関係になっている。 図７
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３相分のトルクを合計すると
どのロータ回転角でも一定値となっている。

【００７８】次に、回転方向は反時計回転方向ＣＣＷ
で、電流振幅ＩＰ１に相当する時計回転方向ＣＷのトル
クを連続的に生成する場合について説明する。モータが
回生動作を行う場合である。

【００７９】まず、励磁電流ＩＤは回転角ＲＡに無関係
に一定値ＩＤ１である。

【００８０】回転角ＲＡが零から次第に増加する時、即
ち、反時計回転方向へ回転していると仮定すると、各巻
き線電流は、図８の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すよう
に、それぞれロータ回転角ＲＡで６０度の位相差を持っ
て、通電されることにより一定のトルクを生成する。ロ
ータ回転角ＲＡ３０度から１５０度の範囲を拡大して図
７の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示し、その具体的動作に
ついて説明する。実線は通電電流、一点鎖線はトルク巻
き線に誘起される誘起電圧を示す。

【００８１】まず、各相の巻き線に誘起される誘起電圧
について考えると、回転方向と励磁電流が図７の場合と
同じなので、誘起電圧は図７（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）と
同じである。

【００８２】次に、トルク巻き線ＷＡＴ，ＷＤＴに通電
する電流について説明する。具体的な電流の通電方法と
しては、電圧の発生していない時間帯に電流を増減し、
電流の増減時はトルクを発生しない制御を行っている。
図７の場合に比較し、トルクの方向が逆なので、電流の
通電するタイミングも逆のタイミングとなる。

【００８３】図８（ｄ）において、ロータ回転角ＲＡが
３０度から６５度の間は一定値ＩＰ１とし、６５から７
５度の間にＩＰ１から零に減少させ、７５度から１１０
度は零とし、１１０から１２０度の間に零からＩＰ１ま
で増加させる。電力は電流、電圧の積であるから、７５
度から１１０度の間は負電力となり、モータからエネル
ギが電源に回生され、この間は制動トルクが発生してい
る。制動トルクの大きさは、電圧に比例したトルクが生
成されることになる。

【００８４】他のトルク巻き線ＷＢＴ，ＷＥＴの電圧、
電流は同様に、図８（ｅ）に示す通りであり、図８
（ｄ）より６０度だけ位相が遅れた関係になっている。
また、トルク巻き線ＷＣＴ，ＷＦＴの電圧、電流は同様
に、図８（ｆ）に示す通りであり、図８（ｄ）より１２
０度だけ位相が遅れた関係になっている。 図（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）の３相分のトルクを合計するとどのロー
タ回転角でも負の一定値となっており、一定の制動トル
クが発生している。

【００８５】また、図７，図８の一点鎖線で示す誘起電
圧の内、各相の電流通電中の誘起電圧は各相の電圧フィ
ードフォワード信号ＶＡＤ，ＶＢＥ，ＶＣＦでもある。

【００８６】なお、トルクの生成は各電流と回転位置と
に関係し、回転方向、回転速度には関係しない。

【００８７】次に本発明の他の実施形態を図９に示し、
説明する。

【００８８】図９のモータは、図１のモータと比較し、
励磁巻き線が無く、永久磁石２２が各ステータの突極部
に挿入してある。励磁巻き線の起磁力を永久磁石が発生
するものである。このモータの駆動装置、制御方法は図
１のモータの場合とほぼ同じである。励磁巻き線がない
のでモータの効率が向上する特長がある。また、サーボ
モータとして使用する場合、停電時、非常停止などにお
いてモータをダイナミックブレーキで停止させる必要が
あるが、図１のモータでは、永久磁石が無くダイナミッ
クブレーキが困難である。この点、図９のモータは永久
磁石で励磁しており、ダイナミックブレーキを適用する
ことが可能である。

【００８９】次に本発明の他の実施形態を図１０に示
し、説明する。

【００９０】図１０のモータは、図のモータにおいてス
テータの励磁巻き線とトルク巻き線とを共通化し、励磁
電流とトルク電流を加算してトルク巻き線に通電するも
のである。

【００９１】速度制御装置は、特に図示しないが、図３
の速度制御装置において界磁電流制御部を取り除き、ト
ルク制御部において各ステータ巻き線の励磁電流分も求
めトルク電流分と加算して各電流指令ＩＡＤＳ，ＩＢＥ
Ｓ，ＩＣＦＳを作成する。その他は図３の速度制御装置
と同じである。

【００９２】次にトルクの発生および各巻き線の電流と
の関係について、図１１の各電流値と回転角ＲＡの特性
で示す。

【００９３】今、電流振幅ＩＰ１に相当する反時計回転
方向のトルクを連続的に生成する場合について説明す
る。

【００９４】回転角ＲＡが零から次第に増加する時、即
ち、反時計回転方向へ回転していると仮定すると、各ス
テータ巻き線の電流ＩＡＤ，ＩＢＥ，ＩＣＦは図１１の
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように制御される。特
に、ロータ回転角ＲＡが３０度から１５０度の範囲を拡
大して図１１の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示す。

【００９５】まず、一点鎖線で示す誘起電圧について
は、図７の場合と合成電流は同じなのであるから、図７
の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）と同じである。次に各ステー
タ巻き線の電流ＩＡＤ，ＩＢＥ，ＩＣＦは、図７の
（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示す電流に励磁電流分ＩＤ１
が加算されている。その他の動作等は図７の（ｄ）、
（ｅ）、（ｆ）と同じである。得られるトルク特性も同
じである。ただし、このモータと速度制御装置で制御す
る場合、図５に示すパワー増幅回路ＰＷの各トランジス
タの電流負担が増すこと、高速回転において速度制御装
置の電流制御が励磁電流の負担分だけ理想値より遅れた
場合、モータの振動、騒音が増加する傾向にある。

【００９６】次に、図１０の電動機を図１１とは異なる
制御法で制御するタイムチャートを図１２に示す。

【００９７】この方法は、図１１の制御法においてはト
ルク指令の方向にトルクを発生しない、むしろ逆方向の
トルクを生成する電流成分があることに鑑み、この逆方
向トルク成分の電流成分を零とするものである。

【００９８】今、電流振幅ＩＰ１に相当する反時計回転
方向のトルクを連続的に生成する場合について説明す
る。

【００９９】回転角ＲＡが零から次第に増加する時、即
ち、反時計回転方向へ回転していると仮定すると、各ス
テータ巻き線の電流ＩＡＤ，ＩＢＥ，ＩＣＦは図１２の
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように制御される。特
に、ロータ回転角ＲＡが３０度から１５０度の範囲を拡
大して図１２の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示す。

【０１００】まず、電流ＩＡＤについて説明すると、ロ
ータ回転角０度から６５度までは電流ＩＡＤを零とす
る。６５度から７５度の間に電流ＩＡＤを零からＩＰ２
へ増加し、７５度から１１０度までは電流ＩＡＤをＩＰ
２に保つ。図１１と同様に、一点鎖線は巻き線に誘起す
る電圧であり、これらの電圧と電流との積である電力が
速度制御装置からモータへ供給されることになる。この
電力の一部は、モータ内部の磁気エネルギーになり、他
の電力はモータの発生トルクとなり機械出力となる。７
５度から８０度の間はロータ突極のスキューした端部が
さしかかる回転位置であり回転と共に徐々に電圧が上昇
していき、磁気エネルギ分はモータ内部に蓄積され、他
の電力は機械エネルギに変換されている。８０度から１
０５度の間は、前記のＩＤ１×Ｖ１／２は磁気エネルギ
としてモータ内部に蓄積され、他の電力は機械エネルギ
にに変換されている。ここで機械エネルギとは、主に、
モータのロータを含めた負荷側の運動エネルギ及び実負
荷のことを指している。１１０度から１２０度の間に電
流ＩＡＤをＩＰ２から零に減少させる。この間はロータ
突極とステータ突極が完全に対向している回転位置であ
り、お互いの回転方向吸引力、即ち回転トルクは発生せ
ず、電圧と電流の積である負の電力が供給されている。
即ち、モータ内部の磁気エネルギがモータからパワー増
幅回路ＰＷへ回生されている。このようにモータの回転
と共に、パワー増幅回路ＰＷからモータへ磁気エネルギ
の供給と回生とを伴いながら機械エネルギがモータ側へ
供給されている。また、図１１の（ｄ）に比較し、ロー
タ回転角ＲＡが０度から６５度の間の電流ＩＤ１、即
ち、励磁電流が図１２の（ｄ）では零としており、回転
の逆方向である時計回転方向トルクは零となっている。
従って、図１２の制御法の方がその分だけ大きな回転ト
ルクを得られる。ただし、この例では１１０度から１２
０度の短時間に磁気エネルギをパワー増幅回路ＰＷ側へ
変換する必要があり、パワー増幅回路の電圧ＶＳも限ら
れていることから、この制御アルゴリズムを実現できる
高速側の回転数にも限界が出てくる。

【０１０１】電流ＩＢＥの動作は、電流ＩＡＤに比較
し、６０度の位相遅れで同一の制御が行われる。電流Ｉ
ＣＦの動作は、電流ＩＡＤに比較し、１２０度の位相遅
れで同一の制御が行われる。以下、各相が同じ動作をロ
ータ回転角ＲＡに応じて繰り返す。

【０１０２】図１２の制御の特長は、逆方向トルクの発
生が無くなるので、モータ全体としても発生トルクが増
加する点にある。ただし、課題としては、図７に示した
制御法に比較してパワー増幅回路ＰＷの各トランジスタ
の電流負担が増すこと、高速回転において速度制御装置
の電流制御が励磁電流及び電圧の負担分だけ理想値より
遅れた場合、モータの振動、騒音が増加する傾向にあ
る。

【０１０３】高速回転域でのパワー増幅回路からモータ
側へのエネルギ注入法として、図１２（ｄ）の電流ＩＡ
Ｄにおいて、ロータ回転角ＲＡが６０度から８０度の間
はモータ端子電圧が低いことから図１２（ｄ）に示した
電流より大きな電流を流し、１０５度となる前に電流を
減少させるように制御しても良い。他の相の電流ＩＢ
Ｅ、ＩＣＦも同様に制御する。この方法により高速回転
域での回転トルクを増加させることができる。但しこの
時トルクリップルは増加することになり、振動、騒音は
増加するという課題は発生する。高速回転域であり、振
動、騒音の周波数が高いことから、用途にもよるが実用
的な設計も可能である。

【０１０４】次に本発明の他の実施形態を図１３に示
し、説明する。

【０１０５】図１３に示すスウィッチトリラクタンスモ
ータの構造は、図１に示したスウィッチトリラクタンス
モータに対して、ロータの突極幅とステータの突極幅と
の関係が逆になっている。具体的には、ロータは３０度
幅の突極を５度スキューしており、結局ロータ突極の回
転方向の端から端までは４０度となっている。ステータ
突極の幅は５０度となっている。

【０１０６】このモータの動作は、図１のモータの考え
方と同じであり、ロータ突極が該当するステータ突極と
完全に対向している間か、あるいは、ロータ突極が該当
するステータ突極と完全に離れている間に該当するステ
ータ突極のトルク巻き線の電流を増減することによりト
ルクリップルの小さなモータを実現するものである。図
１のモータと同様に、励磁巻き線の動作をトルク巻き線
で代行することも可能である。

【０１０７】図１のモータに比較してこのモータの長短
は、ロータイナーシャを小さくできる点は優れており、
反面、ステータ巻き線の製作がステータ突極の形状から
難しくなる点、ステータ巻き線の巻回スペースが減少す
る点に少し難がある。

【０１０８】次に本発明のモータと制御装置の他の実施
形態について説明する。

【０１０９】図１４に図４に相当する電流制御部のパワ
ー増幅部とモータの各巻き線との関係を示す。モータの
各ステータ磁極にはそれぞれ２組の巻き線ＷＡとＷＡ
Ｇ、ＷＢとＷＢＧ、ＷＣとＷＣＧ、ＷＤとＷＤＧ、ＷＥ
とＷＥＧ、ＷＦとＷＦＧが巻回されている。前記２組の
巻き線は磁気的に結合されており、図１４に示す接続関
係になっている。

【０１１０】図１５に周期ＴでＰＷＭ制御動作を行う図
５と図１４のパワー増幅部の動作のごく一部をタイムチ
ャートで示す。例えばＰＷＭ動作を１０ｋＨｚで行う場
合は、各トランジスタがＯＮ、ＯＦＦ動作を行う時間周
期は１００μｓｅｃとごく短い時間である。図１１の
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図５のパワー増幅部のＰＷＭ
動作の例であり、（ａ）はトランジスタ８，９の指令信
号ＴＡＤであり、（ｂ）は巻き線に印加される電圧ＶＰ
Ｗ、（ｃ）はＰＷＭ制御された電流ＩＡＤである。図１
５の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は図１４のパワー
増幅部のＰＷＭ動作の例であり、（ｄ）はトランジスタ
１２の指令信号ＴＡＤであり、（ｅ）は巻き線に印加さ
れる電圧、（ｆ）はＰＷＭ制御された電流ＩＡＤ、
（ｇ）はＰＷＭ制御された電流ＩＡＧである。（ｆ）、
（ｇ）に示す電流ＩＡＤ、ＩＡＧを加算すると（ｃ）の
電流ＩＡＤと同じ値となる。少し具体的に説明すると、
ステータ磁極ＡとＤに電流ＩＡＤを流すときトランジス
タ１２をＯＮし、電流ＩＡＤが増加したところでトラン
ジスタをＯＦＦすると電流ＩＡＤは電流路が無くなるの
で零となり、同時に、巻き線ＷＡＧ、ＷＤＧにも電圧が
発生するのでダイオード１３を介して電流ＩＡＧが流
れ、直流電源ＶＳ、ＶＬに回生するので電流は次第に減
少する。この動作をＰＷＭ制御動作として繰り返すこと
により電流ＩＡＤ，ＩＡＧの精密な制御がなされる。他
の２相についても同様の動作が行われる。

【０１１１】図１４のパワー増幅部の特徴は、図５のパ
ワー増幅部に比較し、トランジスタ、ダイオードの数を
半減することができ、制御回路が低コスト化できること
である。短所としては、ステータ巻き線が複雑になるこ
と、モータの巻き線抵抗が大きくなり効率が低下するこ
とがある。

【０１１２】次に本発明のモータと制御装置の他の実施
形態について説明する。

【０１１３】図１６は、図５におけるモータ巻き線を分
割してステータ巻き線の中間部へ接続できるようにし、
かつ、切り替えスウィッチを設けている。低速回転時は
全巻き線に通電し、高速回転時はモータ端子電圧が大き
くなるので、ステータ巻き線の中間部へ接続してモータ
端子電圧を低くし、電流を容易に供給できるようにして
高速回転運転を実現するものである。具体的には図１６
に示すように、モータ端子ＰＡＤ１とＰＡＤ２の内部巻
き線及び回路は、図５のステータ巻き線ＷＡＴ，ＷＤＴ
をそれぞれＷＡ１，ＷＡ２とＷＤ１，ＷＤ２に分割し、
切り替えスウィッチで高速回転用端子ＳＷＨと低速回転
用端子ＳＷＬが選択できるようになっている。他の２相
についても同様である。

【０１１４】次に、図１のスウィッチトリラクタンスモ
ータにおけるトルクリップルの低減策について説明す
る。ここまでの説明では図１のモータ特性をモデル化し
てそのモデルで説明したが、現実にはロータ突極及びス
テータ突極の回転方向側面及び軸方向側面の空隙中にも
それぞれの磁気抵抗に応じた磁束が存在し、かつ、モー
タの珪素鋼板の磁気特性も非線形な磁気飽和特性を示す
ことから、前記の単純な論理だけでは除去できないトル
クリップル成分が存在する。この残ったトルクリップル
成分をその各高調波成分ごとに分割し、それぞれをうち
消し合うようにロータ構造を改良してトルクリップルを
低減するものである。今例えば周期ＴＲＰ１とＴＲＰ２
のトルクリップル成分があるものとして、これらのトル
クリップル成分を低減する方法について説明する。軸方
向に珪素鋼板を積層したロータを軸方向に４分割し、Ｒ
Ｔ１，ＲＴ２，ＲＴ３，ＲＴ４とする。ＲＴ１とＲＴ２
とを回転方向にＴＲＰ１／２のピッチだけシフトし、Ｒ
Ｔ３とＲＴ４についても回転方向にＴＲＰ１／２のピッ
チだけシフトする。さらに、ＲＴ１とＲＴ２の組とＲＴ
３とＲＴ４の組を回転方向に相対的にＴＲＰ２／２のピ
ッチだけシフトする。このようにトルクリップルの各高
調波成分を独立に消去することによりトルクリップルを
論理的に低減することが可能である。また、各ロータＲ
Ｔ１，ＲＴ２，ＲＴ３，ＲＴ４の軸方向境界部へステン
レス等の非磁性体を挟むことにより相互の磁気結合を低
減することができ、より効率よくトルクリップルを低減
できる。ロータを分割して回転方向へシフトする代わり
にステータをシフトすることもできる。

【０１１５】なお、図１に示すようにロータをスキュー
することによりトルクリップルは低減しているが、更に
各突極の回転方向角部を多角形化したり、扇形などの曲
線とする方法もトルクリップル低減に有効である。前記
トルクリップル低減策との組み合わせにより、低トルク
リップルな特性を実現できる。

【０１１６】次に、本発明の更に他の実施形態につい
て、図１７を用いて説明する。

【０１１７】図１７は、提案するモータの断面図であ
る。１Ｈはステータであり、ロータ回転角で６０度より
は小さいがほぼ６０度の幅を持つ６個のステータ磁極を
備えている。各ステータ磁極には、ＨＡ３とＨＡ４、Ｈ
Ｂ３とＨＢ４，ＨＣ３とＨＣ４，ＨＤ３とＨＤ４，ＨＥ
３とＨＥ４，ＨＦ３とＨＦ４で示される各励磁巻き線、
ＨＡ１とＨＡ２，ＨＢ１とＨＢ２，ＨＣ１とＨＣ２，Ｈ
Ｄ１とＨＤ２，ＨＥ１とＨＥ２，ＨＦ１とＨＦ２で示さ
れる各トルク巻き線を備えている。

【０１１８】３は、ロータであり、ロータ回転角で約８
０度の幅を持つ突極を持っている。ロータの突極の幅Ｐ
Ａは、６０度から１２０度までの幅であればあらゆる回
転位置で正負のトルク生成が可能である。なお、後でも
述べるが、ロータかステータのどちらかをスキューする
ことにより、ステータ磁極の幅及びロータ磁極の幅の限
界値が変わる。

【０１１９】モータの速度制御装置は図３の回路を用い
る。

【０１２０】次にトルクの発生および各巻き線の電流と
の関係について、図１８、図１９の各電流値と回転角Ｒ
Ａの特性で示す。

【０１２１】今、電流振幅ＩＰ１に相当する反時計回転
方向のトルクを連続的に生成する場合について説明す
る。まず、励磁電流ＩＤは図１８の（ｄ）に示すよう
に、回転角ＲＡに無関係に一定値ＩＤ１である。

【０１２２】回転角ＲＡが零から次第に増加する時、即
ち、反時計回転方向へ回転していると仮定すると、ＲＡ
が零の位置では巻き線ＷＡＴ，ＷＤＴの電流ＩＡＤをＩ
Ｐ１にし、他の電流ＩＢＥ，ＩＣＦは零とする。ＲＡが
零から３０度までの間は、巻き線ＷＡＴ，ＷＤＴがトル
クを生成する。

【０１２３】ＲＡが２０度に達すると巻き線ＷＢＴ，Ｗ
ＥＴの電流ＩＢＥを増加させ始め、ＲＡが３０度に達す
るときに電流値をＩＰ１まで増加させる。この間はまだ
ロータ突極が巻き線ＷＢＴ、ＷＥＴのステータ磁極まで
達していないのでトルクを発生せず、その後のトルク生
成のための準備動作である。

【０１２４】ＲＡが３０度から９０度までは巻き線ＷＢ
Ｔ、ＷＥＴがトルクを生成する。この時同時にＲＡが３
０度から４０度の間は電流ＩＡＤは電流をＩＰ１から零
まで減少させる。この間は、巻き線ＷＡＴとＷＤＴが巻
回されたステータ磁極はロータ突極に全面が対向してい
るので、トルクの生成には基本的には寄与しない。

【０１２５】ＲＡが８０度から９０度の間は巻き線Ｗ
Ｃ、ＷＦに流れる電流ＩＣＦを零からＩＰ１まで増加
し、トルク生成の準備をし、ＲＡが９０度から１５０度
の間は電流ＩＣＦによりトルクを生成する。同時にＲＡ
が９０度から１００度の間に電流ＩＢＥをＩＰ１から零
に減少させる。

【０１２６】以下同様に各電流を通電することにより、
トルクリップルの少ない反時計方向の一定のトルクを生
成し続けることができる。

【０１２７】図１８の各図において、一点鎖線はモータ
の各巻き線に鎖交する磁束の変化に伴う誘起電圧であ
る。従って、その誘起電圧の振幅は回転速度に比例して
いる。なお、巻き線の漏れ磁束の変化分、巻き線抵抗分
による電圧降下は無視している。また、図１８の一点鎖
線で示す誘起電圧の内、各相の電流通電中の誘起電圧は
各相の電圧フィードフォワード信号ＩＡＤＳ，ＩＢＥ
Ｓ，ＩＣＦＳでもある。通電していない領域の誘起電圧
に相当する信号も電圧フィードフォワード信号に加えて
も特に弊害は無く、回路方式によっては負電圧に相当す
る電圧フィードフォワード信号が必要な場合もあるが、
通常は不要である。さらに精密に制御するためには、こ
れらの誘起電圧信号に各巻き線の漏れ磁束の変化分に相
当する電圧成分及び巻き線抵抗の電圧降下分も加算して
電圧フィードフォワード信号を作ることも可能である。

【０１２８】なお、ステータ磁極の幅が６０度でロータ
磁極の幅が８０度なので、図１８の特性において、電流
の立ち上がりを例えば５度程度早め、電流の立ち下がり
も５度程度遅らせて電流の通電幅を広めることも可能で
あり、モータの発生するトルクは変わらない。電流の通
電幅を広めることは、高速で回転するときに電流を高速
に変化させる必要性が高くなることから、電流制御の時
間的マージンを確保する意味で有効である。ステータ磁
極の幅を例えば９０度程度に広くすれば、さらに、電流
制御の時間的マージンを大きくすることもできる。ただ
し、電流の通電幅をむやみに広めることはモータの銅損
を増すことになり、モータの効率運転という観点では不
利である。

【０１２９】従って、電流制御の時間的マージンを必要
最小限とし、電流通電幅を極力狭くした方が、モータの
損失を低減でき、その分モータの出力を増加させること
も可能となる。具体的には、図１８の特性において、低
速回転時には電流通電幅を小さくし、回転数が上がると
ともに電流通電幅を電流制御の時間的マージンが得られ
る程度に広めていく方法が有効である。

【０１３０】なお、ＲＡが２０度から３０度の間の巻き
線ＷＢＴ，ＷＥＴの電流ＩＢＥのように、トルクを発生
しない期間にその巻き線に電流を流し、磁気エネルギー
を蓄えておくことは、その直後に蓄えられた磁気エネル
ギーの一部が回転エネルギーに変換されるので、駆動装
置にとって駆動効率を上げることになり、有効である。

【０１３１】次に、電流ＩＰ１に相当する時計回転方向
のトルクを連続的に生成する場合について説明する。ま
ず、励磁電流ＩＤは図１９の（ｄ）に示すように回転角
ＲＡに無関係に一定値ＩＤ１である。

【０１３２】回転角ＲＡが零から次第に増加すると仮定
すると、ＲＡが零の位置では巻き線ＷＣＴ，ＷＦＴの電
流ＩＣＦをＩＰ１にし、他の電流ＩＡＤ，ＩＢＥは零と
する。ＲＡが零から５０度までの間は、巻き線ＷＣＴ，
ＷＦＴがトルクを生成する。

【０１３３】ＲＡが４０度に達すると巻き線ＷＡＴ，Ｗ
ＤＴの電流ＩＡＤを増加させ始め、ＲＡが５０度に達す
るときに電流値をＩＰ１まで増加させる。ＲＡが３０か
ら５０度の間はまだ巻き線ＷＡＴとＷＤＴが巻回された
ステータ磁極はロータ突極に全面が対向しているので、
トルクの生成には基本的には寄与しない。その後のトル
ク生成のための準備動作である。

【０１３４】ＲＡが５０度から１１０度までは巻き線Ｗ
ＡＴ、ＷＤＴがトルクを生成する。この時同時にＲＡが
５０度から６０度の間は電流ＩＣＦは電流をＩＰ１から
零まで減少させる。この間は、巻き線ＷＣＴとＷＦＴが
巻回されたステータ磁極はロータ突極に全面が対向して
いないので、トルクの生成には基本的には寄与しない。

【０１３５】ＲＡが１００度から１１０度の間は巻き線
ＷＢＴ、ＷＥＴに流れる電流ＩＢＥを零からＩＰ１まで
増加し、トルク生成の準備をし、ＲＡが１１０度から１
７０度の間は電流ＩＢＥによりトルクを生成する。同時
にＲＡが１１０度から１２０度の間に電流ＩＡＤをＩＰ
１から零に減少させる。

【０１３６】以下同様に各電流を通電することにより、
トルクリップルの少ない時計方向の一定のトルクを生成
し続けることができる。

【０１３７】図１９の各図において、一点鎖線はモータ
の各巻き線に鎖交する磁束の変化に伴う誘起電圧であ
る。従って、電力的には正の電流と負の電圧の積であ
り、物理的にも反時計回転中に時計方向トルクを発生し
ているのであるから、モータは発電して回生を行ってい
る。その誘起電圧の振幅は回転速度に比例している。ま
た、巻き線の漏れ磁束の変化分、巻き線抵抗分による電
圧降下は無視している。

【０１３８】また、図１９の一点鎖線で示す誘起電圧の
内、各相の電流通電中の誘起電圧は各相の電圧フィード
フォワード信号ＶＡＤ，ＶＢＥ，ＶＣＦでもある。

【０１３９】なお、図１９に示す特性は、反時計回転方
向トルク発生時の運転動作の説明でも記述したように、
電流通電幅を広げることが可能である。ロータ磁極幅を
変更した場合は、ロータ磁極幅に応じた特性とする必要
がある。

【０１４０】なお、トルクの生成は各電流と回転位置と
に関係し、回転方向、回転速度には関係しない。

【０１４１】また、各ステータ磁極とロータ突極との全
面が対向しているか、あるいは、全面が全く対向してい
ない回転位置、即ち、各巻き線の誘起電圧が発生しない
回転位置の領域があり、その回転位置の領域を利用して
トルク巻き線の電流の増減を行えばトルクリップルを発
生させない制御が可能であるとも言える。

【０１４２】次に、図１７のロータを回転方向に１０度
スキューした場合の制御について説明する。ロータもし
くはステータをスキューする効果は、隣り合うステータ
磁極間の隙間に起因するトルクリップルを低減する効果
がある。また、図１８，図１９での一点鎖線で示す電圧
フィードフォワード信号は矩形波状である。これは、ロ
ータが回転してステータ磁極にさしかかる時にロータの
回転方向全面がステータ磁極と対向することになり、磁
束の回転変化率がステップ状に変化するためである。ロ
ータ回転角ＲＡに対して電圧フィードフォワード信号が
矩形波状に変化する境界領域における、信号の曖昧さの
問題と、一瞬にしてパワー部の電圧を変化させることの
困難さの問題がある。スキューはこれらの問題も軽減す
る効果がある。

【０１４３】図１８の（ｅ）はロータを１０度スキュー
し、反時計回転方向に回転しながら反時計回転方向トル
クを発生する場合の電流ＩＡＤとその巻き線に誘起する
電圧である。例えばロータを１０度スキューすれば、ロ
ータが回転してステータ磁極にさしかかる時にロータの
回転方向のスキューされた一部がステータ磁極にさしか
かり、徐々に対向する部分が増加していくことになり、
磁束の回転変化率が直線的に増加し、スキュー部を通り
過ぎると一定になる。結果として、ステップ状に変化す
る電圧信号を台形波状に変えることができ、電圧フィー
ドフォワード信号を徐々に変化させればよいので、前記
課題である境界領域における信号の曖昧さの問題と制御
的な電圧の急激な可変の困難さの課題が軽減される。特
に高速回転になるほど、この効果は大きい。

【０１４４】電流ＩＡＤの増減は巻き線の誘起電圧が発
生しない領域で行えば、増減によるトルクへの影響は小
さいので、有効な電圧が発生する領域の前後で行うよう
にすればよい。

【０１４５】電流ＩＡＤが流れる相について説明した
が、他の２相についてもロータ回転角ＲＡに対する位相
がそれぞれ１２０度、２４０度遅れる関係となってお
り、動作内容は同じである。

【０１４６】図１９の（ｅ）はロータを１０度スキュー
し、反時計回転方向に回転しながら時計回転方向トルク
を発生する場合の電流ＩＡＤとその巻き線に誘起する電
圧である。前記と同様に、電圧信号を台形波状にするこ
とができ、制御的な困難さが軽減されている。他の２相
についてもロータ回転角ＲＡに対する位相がそれぞれ１
２０度、２４０度遅れる関係となっており、動作内容は
同じである。

【０１４７】次に、図２０のモータとそのモータに関わ
る本発明の他の実施形態を説明する。

【０１４８】図２０のモータは、図１７のモータにおい
てステータの励磁巻き線とトルク巻き線とを共通化し、
共通巻き線としたモータである。制御的には、励磁電流
ＩＤと各トルク電流を加えた値を各相の共通巻き線電流
として制御するものである。

【０１４９】図２１は、このモータの速度制御装置の例
である。図３の速度制御装置に比較して、界磁電流制御
部を除去している。

【０１５０】次にトルクの発生および各巻き線の電流と
の関係について、図２２の各電流値と回転角ＲＡの特性
で示す。

【０１５１】今、電流振幅ＩＰ１に相当する反時計回転
方向のトルクを連続的に生成する場合について説明す
る。回転角ＲＡが零から次第に増加する時、即ち、反時
計回転方向へ回転していると仮定すると、ＲＡが零の位
置では、巻き線ＷＡＴ，ＷＤＴの電流ＩＡＤを図２２
（ａ）に示すようにＩＰ２とし、他の電流ＩＢＥ，ＩＣ
Ｆは電流値をＩＤ１とする。ＩＰ２の値は図１８におけ
る励磁電流ＩＤ１とトルク電流ＩＰ１との和に相当す
る。ＲＡが零から３０度までの間は、巻き線ＷＡＴ，Ｗ
ＤＴがトルクを生成する。

【０１５２】ＲＡが２０度に達すると巻き線ＷＢＴ，Ｗ
ＥＴの電流ＩＢＥを増加させ始め、ＲＡが３０度に達す
るときに電流値をＩＰ２まで増加させる。この間はまだ
ロータ突極が巻き線ＷＢＴ、ＷＥＴのステータ磁極まで
達していないのでトルクを発生せず、その後のトルク生
成のための準備動作である。

【０１５３】ＲＡが３０度から９０度までは巻き線ＷＢ
Ｔ、ＷＥＴがトルクを生成する。この時同時にＲＡが３
０度から４０度の間は電流ＩＡＤは電流をＩＰ２からＩ
Ｄ１まで減少させる。この間は、巻き線ＷＡＴとＷＤＴ
が巻回されたステータ磁極はロータ突極に全面が対向し
ているので、トルクの生成には基本的には寄与しない。
ＲＡが８０度から９０度の間は巻き線ＷＣＴ、ＷＦＴに
流れる電流ＩＣＦをＩＤ１からＩＰ２まで増加し、トル
ク生成の準備をし、ＲＡが９０度から１５０度の間は電
流ＩＣＦによりトルクを生成する。同時にＲＡが９０度
から１００度の間に電流ＩＢＥをＩＰ２からＩＤ１に減
少させる。

【０１５４】以下同様に各電流を通電することにより、
トルクリップルの少ない反時計方向の一定のトルクを生
成し続けることができる。ロータ磁極の磁性はステータ
磁極の極性に支配され、図２０に示すような分布になっ
ており、その分布はロータの回転とともに変化してい
く。

【０１５５】図２２の各図において、一点鎖線及び二点
鎖線はモータの各巻き線に鎖交する磁束の変化に伴う誘
起電圧である。従って、その誘起電圧の振幅は回転速度
に比例している。なお、巻き線の漏れ磁束の変化分、巻
き線抵抗分による電圧降下は無視している。また、図２
２の一点鎖線及び二点鎖線で示す誘起電圧は、各相の電
圧フィードフォワード信号ＶＡＤ，ＶＢＥ，ＶＣＦでも
ある。さらに精密に制御するためには、これらの誘起電
圧信号に各巻き線の漏れ磁束の変化分に相当する電圧成
分及び巻き線抵抗の電圧降下分も加算して電圧フィード
フォワード信号を作ることも可能である。

【０１５６】次に他の制御方法について説明する。

【０１５７】図２２の（ａ），（ｂ），（ｃ）におい
て、各相の電流値が励磁電流ＩＤ１としている領域で
は、破線で示すように電流値を零とすることもできる。
その場合には、二点鎖線で示す誘起電圧は励磁電流が零
なので、当然、零となる。この場合の方が図２２に示す
実線で示した電流値を通電するより大きなトルクを発生
することができる。ただし、励磁電流ＩＤ１により得ら
れるトルクは起磁力Ｈと磁束密度Ｂの特性におけるコエ
ネルギー成分であり、電流が同一値であればトルク電流
により得られるトルクの半分である。

【０１５８】この時、各相の電圧フィードフォワード信
号ＩＡＤＳ，ＩＢＥＳ，ＩＣＦＳは、図２２の（ａ），
（ｂ），（ｃ）において一点鎖線で示す信号である。二
点鎖線で示す誘起電圧成分に相当する電圧フィードフォ
ワード信号は不要である。

【０１５９】次にエネルギー的観点から、図２０のモー
タ、図２２（ａ），（ｂ），（ｃ）の制御特性を説明す
る。説明で仮定する前提条件は、ステータ磁極とロータ
磁極の間の磁束透過部の内、最も狭い磁束透過部が励磁
電流ＩＤ１によりほぼ飽和磁束密度に励磁されること、
ステータ磁極とロータ磁極を構成する珪素鋼板の起磁力
Ｈと磁束密度Ｂの磁気特性は、起磁力Ｈの増加に伴い磁
束密度Ｂが直線的に増加し、飽和磁束密度以上では磁束
密度がほぼ一定になることである。

【０１６０】各相の電流値が図２２（ａ），（ｂ），
（ｃ）の実線の場合、図２１の制御装置からモータへ投
入される電力Ｐ１は、例えばロータ回転角ＲＡ＝１８０
度の点では、電流ＩＡＤの相が作用し、次式となる。

【０１６１】

【数１】 Ｐ１＝（ＩＰ２）×（誘起電圧ＶＡ） ＝（ＩＰ１＋ＩＤ１）×（誘起電圧ＶＡ） Ｐ１の内、（ＩＰ１）×（誘起電圧ＶＡ）と（ＩＤ１）
×（誘起電圧ＶＡ）の１／２はトルクとして機械エネル
ギーが出力される。ＩＤ１×（誘起電圧ＶＡ）の残り１
／２はモータ内部の磁気エネルギであり、図２１の駆動
装置からモータ内部へ供給される。

【０１６２】一方、モータから図２１の駆動装置へ回生
される電力Ｐ２は、電流ＩＣＦの相が作用し、次式とな
る。

【０１６３】

【数２】Ｐ２＝−（ＩＤ１）×（誘起電圧ＶＡ） Ｐ２の内、１／２は回転方向と反対方向のトルクとして
機械エネルギーが図２１の駆動装置へ回生され、残り１
／２はモータ内部の磁気エネルギがモータ内部から図２
１の駆動装置へ回生される。

【０１６４】結果として、モータの機械出力パワーＰ３
は、次式となる。

【０１６５】

【数３】 Ｐ３＝Ｐ１−Ｐ２ ＝（ＩＰ１）×（誘起電圧ＶＡ） 次に、図２２の（ａ），（ｂ），（ｃ）において、各相
の電流値が励磁電流ＩＤ１としている領域では、破線で
示すように電流値を零とすることができ、その場合につ
いてエネルギー的観点から、図２０のモータ、図２２
（ａ），（ｂ），（ｃ）の制御特性を説明する。各相の
電流値が図２２（ａ），（ｂ），（ｃ）の実線の場合、
図２１の制御装置からモータへ投入される電力Ｐ１は、
例えばロータ回転角ＲＡ＝１８０度の点では、電流ＩＡ
Ｄの相が作用し、次式となる。

【０１６６】

【数４】 Ｐ１＝（ＩＰ２）×（誘起電圧ＶＡ） ＝（ＩＰ１＋ＩＤ１）×（誘起電圧ＶＡ） Ｐ１の内、（ＩＰ１）×（誘起電圧ＶＡ）と（ＩＤ１）
×（誘起電圧ＶＡ）の１／２はトルクとして機械エネル
ギーが出力される。ＩＤ１×（誘起電圧ＶＡ）の残り１
／２はモータ内部の磁気エネルギであり、図２１の駆動
装置からモータ内部へ供給される。

【０１６７】一方、モータから図２１の駆動装置へ回生
される電力Ｐ２は、電流ＩＣＦが零であり、かつ、励磁
電流もないので誘起電圧も零であり、全くエネルギーの
出入りがない。

【０１６８】結果として、モータの機械出力パワーＰ３
は、次式となる。

【０１６９】

【数５】 Ｐ３＝Ｐ１−（ＩＤ１）×（誘起電圧ＶＡ）×１／２−Ｐ２ ＝Ｐ１−（ＩＤ１）×（誘起電圧ＶＡ）×１／２ ＝（ＩＰ１＋ＩＤ１／２）×（誘起電圧ＶＡ） ここで、Ｐ１のうち、ＩＤ１×（誘起電圧ＶＡ）の１／
２はモータ内部の磁気エネルギであり、出力トルクには
寄与しないことに注意を要する。

【０１７０】図２０のモータの長所としては、図１７に
示したモータより巻き線が単純化されること、制御回路
に図４に示す励磁回路が不要となり回路が単純化される
ことが挙げられる。逆に短所としては、高速回転時のモ
ータ端子電圧が図１７に示したモータより大きくなるた
め電流制御部の負担が増えること、モータ電流も励磁電
流分だけ大きくなり電流制御部の電流容量も大きくする
必要があることが上げられる。従って、図１７のモータ
と図２０のモータでは、使用回転数及び出力パワーによ
って長短があるため、一般的には、高速回転あるいは出
力パワーの大きいときは図３のモータの方が有利であ
る。

【０１７１】次に、図２０のロータを回転方向に１０度
スキューした場合の制御について説明する。スキューの
作用、効果は前述したように、スキューによりロータが
回転してステータ磁極にさしかかる時にロータの回転方
向のスキューされた一部がステータ磁極にさしかかり、
徐々に対向する部分が増加していくことになり、磁束の
回転変化率が直線的に増加し、スキュー部を通り過ぎる
と一定になる。結果として、スキューがない時ステップ
状に変化する誘起電圧を台形波状に変えることができ、
電圧フィードフォワード信号を徐々に変化させればよい
ので、前記課題である境界領域における信号の曖昧さの
問題と制御的な電圧の急激な可変の困難さの課題が軽減
される。

【０１７２】電流ＩＡＤの相について具体的な制御特性
を図２２の（ｅ）に示す。誘起電圧は一点鎖線、二点鎖
線で示す特性である。また、前述と同様に、実線で示す
電流ＩＡＤを破線に変更する事も可能であり、その時は
二点鎖線で示す誘起電圧は零となる。

【０１７３】電流ＩＢＥ、ＩＣＦの他の相については、
ロータ回転角ＲＡに対する位相がそれぞれ１２０度、２
４０度だけシフトしている関係となっている。

【０１７４】以上本発明のスウィッチトリラクタンスモ
ータとその制御装置について説明したが、それぞれ、種
々応用、変形が可能であり、それらも本発明に含むもの
である。

【０１７５】例えば、図３に示す制御装置の構成例とし
て示した各演算部の替わりにマイクロプロセッサとメモ
リにより制御パターンを記憶して、最終的には同一の制
御を実現することが可能である。ファジイー制御、ニュ
ーラルネット的記憶で制御することも可能である。

【０１７６】ロータの回転位置を検出する方法としては
エンコーダを使用せず、センサレス位置検出も可能であ
る。

【０１７７】モータの高速回転制御を行う場合は、励磁
電流を弱め、いわゆる界磁弱め制御を行うことも応用可
能である。

【０１７８】ステータ突極数を３としロータ突極数を２
と少なくしたり、逆に突極数を多くすることも可能であ
る。

【０１７９】スキューについてはロータ側をスキューす
る例について紹介したがステータ側をスキューすること
も可能である。ロータを軸方向に数分割し少しずつ回転
方向にシフトし、スキューと同様の効果を得ることも可
能である。

【０１８０】また、いくつかの制御方法について説明し
たが、モータの回転条件等に応じて自動的に制御モード
を切り換えを切り換えて、各制御状態に応じてより適切
な運転モードへ自動的に切り換えることも可能である。
例えば、低速回転時と高速回転時では制御アルゴリズム
を切り換える方法、あるいは、徐々に移行するなどの方
法である。

【０１８１】

【発明の効果】本発明のスウィッチトリラクタンスモー
タとその制御装置は、トルクリップルを小さく制御で
き、振動及び騒音の小さな駆動システムを実現すること
ができる。３相誘導電動機の制御では、パワー増幅部に
通常、６個のトランジスタと６個のダイオードが必要で
あるが、本発明では３個のトランジスタと３個のダイオ
ードでも制御でき、安価な制御装置の実現が可能であ
る。より高速な回転駆動が可能となる。トルクリップル
低減策によりより静粛な駆動が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のスウィッチトリラクタンスモータの
断面図である。

【図２】 本発明のスウィッチトリラクタンスモータの
ロータの回転方向表面を直線展開した図である。

【図３】 本発明に係わるモータ制御装置の好適な実施
形態を示す構成例のブロック図である。

【図４】 界磁電流制御部ＦＤの実施形態を示す構成例
である。

【図５】 電流制御部のパワー増幅回路ＰＷの例であ
る。

【図６】 モータ磁気材料の磁気特性をモデル的に示す
図である。

【図７】 本発明制御装置の制御特性図である。

【図８】 本発明制御装置の制御特性図である。

【図９】 本発明のスウィッチトリラクタンスモータの
断面図である。

【図１０】 本発明のスウィッチトリラクタンスモータ
の断面図である。

【図１１】 本発明制御装置の制御特性図である。

【図１２】 本発明制御装置の制御特性図である。

【図１３】 本発明のスウィッチトリラクタンスモータ
の断面図である。

【図１４】 本発明に係わるスウィッチトリラクタンス
モータの巻き線構成とパワー増幅回路ＰＷのである。

【図１５】 本発明制御装置の制御特性図である。

【図１６】 本発明に係わるスウィッチトリラクタンス
モータの巻き線構成の例である。

【図１７】 本発明の制御装置の対象としているモータ
の他の実施形態の構成図である。

【図１８】 本発明制御装置の制御特性図である。

【図１９】 本発明制御装置の制御特性図である。

【図２０】 本発明制御装置の対象としているモータの
他の構成図である。

【図２１】 本発明に係わるモータ制御装置の他の実施
形態の構成図である。

【図２２】 本発明制御装置の制御特性図である。

【図２３】 従来のスウィッチトリラクタンスモータの
構成図である。

【図２４】 従来のスウィッチトリラクタンスモータの
制御特性の図である。

【符号の説明】

２ 軸、３ ロータ、４，１０，１１ フライホイール
ダイオード、５ 界磁電流制御回路、６，８，９ 駆動
トランジスタ。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータの内周にほぼ均等配置された複
   数のステータ突極と、 前記各ステータ突極に巻回された励磁巻き線と、 前記各ステータ突極に巻回されたトルク巻き線と、 前記各ステータ突極に巻回された各励磁巻き線を直列に
   接続して直流電流を通電する励磁手段を備えることを特
   徴とするスウィッチトリラクタンスモータ。
2. 【請求項２】 ステータの内周にほぼ均等配置された複
   数のステータ突極と、 前記各ステータ突極の一部に配置された永久磁石と、 前記各ステータ突極に巻回されたトルク巻き線と、 を備えることを特徴とするスウィッチトリラクタンスモ
   ータ。
3. 【請求項３】 回転方向の幅がＢＳＴであるステータ突
   極と、 各ステータ突極に挟まれた幅ＢＳＯの凹部と、 ロータに前記ステータ突極の幅ＢＳＴより大きな幅ＢＲ
   Ｔである複数の突極と、 ロータに前記ステータ突極の幅ＢＳＴより大きな幅ＢＲ
   Ｏである前記ロータ突極に挟まれた複数の凹部と、 力行運転時は、ロータ突極が該当ステータ突極にさしか
   かるまでであって、ステータ突極がロータの凹部幅ＢＲ
   Ｏの間にある時間に、該当するトルク巻き線のトルク電
   流を零からトルク指令値ＴＣＭに相当するトルク電流値
   ＩＰ１に増加させ、前記ロータ突極が該当する前記トル
   ク巻き線の巻かれたステータ突極にさしかかる間に回転
   トルクを生成し、前記ステータ突極がロータ突極の幅Ｂ
   ＲＴの間に存在する間にトルク電流をＩＰ１から零に減
   ずるように制御し、 回生運転時は、ステータ突極がロータ突極の幅ＢＲＴの
   間に存在する間にそのステータのトルク電流を零からト
   ルク指令値ＴＣＭに相当するトルク電流値ＩＰ１に通電
   し、前記ロータ突極が該当する前記トルク巻き線の巻か
   れたステータ突極から離れていく間に回生する回転トル
   クを生成し、ロータ突極が該当ステータから離れてその
   ステータ突極がロータの凹部の幅ＢＲＯの間にある時間
   に前記トルク電流値ＩＰ１から零に減ずるように制御す
   る電流制御部を備えることを特徴とする請求項１項、又
   は請求項２項記載のスウィッチトリラクタンスモータ。
4. 【請求項４】 ステータの内周にほぼ均等配置され回転
   方向の幅がＢＳＴのＮＳ個のステータ突極と、 前記各ステータ突極に巻回されたトルク巻き線と、 ロータに前記ステータ突極の幅ＢＳＴより大きな幅ＢＲ
   ＴのＮＳより小さな数のＮＲ個の複数の突極と、 前記ロータ突極に挟まれたの複数の凹部であってロータ
   突極の幅ＢＲＴとほぼ同じ幅ＢＲＯであるＮＲ個のロー
   タの凹部と、 を備えることを特徴とするスウィッチトリラクタンスモ
   ータ。
5. 【請求項５】 請求項４のスウィッチトリラクタンスモ
   ータと、 力行運転時は、ロータが回転しているとき、該当ステー
   タ突極がロータ突極に挟まれた凹部の幅ＢＳＯの間にあ
   る時間に電流値を励磁電流ＩＤ１からトルク指令値ＴＣ
   Ｍに相当する電流値ＩＰ２を該当する前記トルク巻き線
   に通電し、前記ロータ突極が該当する前記トルク巻き線
   の巻かれた突極にさしかかる間に回転トルクを生成し、
   前記ステータ突極がロータ突極の幅ＢＲＯの間に存在す
   る間にトルク電流をＩＰ２から前記励磁電流ＩＤ１に減
   ずるように制御し、 回生運転時は、ステータ突極がロータ突極の幅ＢＲＴの
   間に存在する間にそのステータのトルク電流値を励磁電
   流ＩＤ１からトルク指令値ＴＣＭに相当するトルク電流
   値ＩＰ２に通電し、前記ステータ突極がロータ突極から
   離れていく間に回生する回転トルクを生成し、ステータ
   突極がロータ突極から離れてロータ突極との間に挟まれ
   た凹部の幅ＢＲＯの間にある時間にステータ巻き線の電
   流を前記トルク電流値ＩＰ２から前記励磁電流ＩＤ１に
   減ずるように制御する電流制御部を備えることを特徴と
   するスウィッチトリラクタンスモータ。
6. 【請求項６】 請求項４のスウィッチトリラクタンスモ
   ータと、 力行運転時は、ロータが回転しているとき、該当ステー
   タ突極がロータ突極に挟まれた凹部の幅ＢＳＯの間にあ
   る時間に電流値を零からトルク指令値ＴＣＭに相当する
   電流値ＩＰ２を該当する前記トルク巻き線に通電し、前
   記ロータ突極が該当する前記トルク巻き線の巻かれた突
   極にさしかかる間に回転トルクを生成し、前記ステータ
   突極がロータ突極の幅ＢＲＯの間に存在する間にトルク
   電流をＩＰ２から零に減ずるように制御し、回生運転時
   は、ステータ突極がロータ突極の幅ＢＲＴの間に存在す
   る間にそのステータのトルク電流値を零からトルク指令
   値ＴＣＭに相当するトルク電流値ＩＰ２に通電し、前記
   ステータ突極がロータ突極から離れていく間に回生する
   回転トルクを生成し、ステータ突極がロータ突極から離
   れてロータ突極との間に挟まれた凹部の幅ＢＲＯの間に
   ある時間にステータ巻き線の電流を前記トルク電流値Ｉ
   Ｐ２から零に減ずるように制御する電流制御部を備える
   ことを特徴とするスウィッチトリラクタンスモータ。
7. 【請求項７】 ステータの内周にほぼ均等配置された複
   数のステータ突極と、 モータを駆動するインバータの正電源ＶＳと、 モータを駆動するインバータの負電源ＶＬと、 前記正電源ＶＳから負電源ＶＬの間にステータ突極の電
   力供給側巻き線とトランジスタが直列に接続され、 前記正電源ＶＳから負電源ＶＬの間に前記ステータ突極
   の前記電力供給側巻き線に並列に巻かれ電磁気的には逆
   向きの電力回生側巻き線とアノードが負電源側ＶＬに向
   いたダイオードとが直列に接続され、 前記トランジスタのＯＮ、ＯＦＦにより前記電力供給側
   巻き線と前記電力回生側巻き線の電流を制御することを
   特徴とするスウィッチトリラクタンスモータ。
8. 【請求項８】 ロータあるいはステータを軸方向に複数
   に分割し、モータの発生するトルクリップルの周波数成
   分の周期の１／２だけ回転方向にシフトする構造とした
   ことを特徴とする請求項１，２，４，７項のいずれかに
   記載のスウィッチトリラクタンスモータ。
9. 【請求項９】 ステータ突極に巻かれた巻き線の中間タ
   ップが外部に取り出されているか、あるいは、ステータ
   突極に２組以上の巻き線が巻かれ、 それらの巻き線が直列に接続された状態と巻き線の一部
   に接続された状態とを切り換える切り換え手段を備える
   ことを特徴とする請求項１，２，４，７項のいずれかに
   記載のリラクタンスモータ。
10. 【請求項１０】 ロータ回転角換算で６０度より小さい
    が、ほぼ６０度の幅を持つ６個のステータ磁極と、各ス
    テータ磁極に巻回された励磁巻き線と、各ステータ磁極
    に巻回されたトルク巻き線と、ロータ回転角換算で６０
    度から１２０度の大きさの幅を持つ２個の磁気的に突極
    状のロータ磁極を備えるモータの制御装置において、 各励磁巻き線を直列に接続して、励磁指令信号に従いモ
    ータを励磁するため直流励磁電流を各励磁巻き線へ供給
    する励磁駆動手段と、 トルク指令に従った大きさの電流を、トルク指令が正の
    時はロータ磁極の突極部の反時計方向端が位置するステ
    ータ磁極のトルク巻き線に通電し、 トルク指令が負の時はロータ磁極の突極部の時計方向端
    が位置するステータ磁極のトルク巻き線に通電するトル
    ク電流駆動手段を備えることを特徴とするモータ制御装
    置。
11. 【請求項１１】 ロータが反時計方向に回転していてト
    ルク指令が正の時、各ステータのトルク巻き線のロータ
    回転に依存したトルク電流の増加はステータ磁極の時計
    方向端の位置よりロータ磁極の突極部の反時計方向端の
    位置が時計方向側に位置する間に行い、各ステータのト
    ルク巻き線のロータ回転に依存したトルク電流の減少は
    ステータ磁極の反時計方向端の位置よりロータ磁極の突
    極部の時計方向端の位置が反時計方向側に位置する間に
    行い、ロータが反時計方向に回転していてトルク指令が
    負の時、各ステータのトルク巻き線のロータ回転に依存
    したトルク電流の増加はステータ磁極がロータ磁極の幅
    の中に位置している間に行い、各ステータのトルク巻き
    線のロータ回転に依存したトルク電流の減少はステータ
    磁極とロータ磁極とが全く向かい合っていない状態に位
    置している間に行うことを特徴とする請求項１０記載の
    モータ制御装置。
12. 【請求項１２】 ロータ回転角換算で６０度より小さい
    が、ほぼ６０度の幅を持つ６個のステータ磁極と、各ス
    テータ磁極に巻回された共通巻き線と、ロータ回転角換
    算で６０度から１２０度の大きさの幅を持つ２個の磁気
    的に突極状のロータ磁極を備えるモータの制御装置にお
    いて、 励磁指令信号に従いモータを励磁するための励磁電流を
    もとめ、トルク指令に従った大きさの電流を、トルク指
    令が正の時はロータ磁極の突極部の反時計方向端が位置
    するステータ磁極の共通巻き線にトルク電流が通電され
    るものとして求め、トルク指令が負の時はロータ磁極の
    突極部の時計方向端が位置するステータ磁極の共通巻き
    線にトルク電流が通電されるものとして求め、前記励磁
    電流と前記トルク電流との和の電流を各共通巻き線へ通
    電する共通巻き線電流駆動手段を備えることを特徴とす
    るモータ制御装置。
13. 【請求項１３】 ロータが反時計方向に回転していてト
    ルク指令が正の時、各ステータの共通巻き線のロータ回
    転に依存した電流の増加はステータ磁極の時計方向端の
    位置よりロータ磁極の突極部の反時計方向端の位置が時
    計方向側に位置する間に行い、各ステータの共通巻き線
    のロータ回転に依存したトルク電流の減少はステータ磁
    極の反時計方向端の位置よりロータ磁極の突極部の時計
    方向端の位置が反時計方向側に位置する間に行い、 ロータが反時計方向に回転していてトルク指令が負の
    時、各ステータの共通巻き線のロータ回転に依存したト
    ルク電流の増加はステータ磁極がロータ磁極の幅の中に
    位置している間に行い、各ステータの共通巻き線のロー
    タ回転に依存したトルク電流の減少はステータ磁極とロ
    ータ磁極とが全く向かい合っていない状態に位置してい
    る間に行うことを特徴とする請求項１２記載のモータ制
    御装置。
14. 【請求項１４】 ロータが反時計方向に回転していてト
    ルク指令が正の時、各ステータのロータ回転に依存した
    電流の増加はステータ磁極の時計方向端の位置よりロー
    タ磁極の突極部の反時計方向端の位置が時計方向側に位
    置するＹＤＡ度の間に行い、各ステータのロータ回転に
    依存したトルク電流の減少はステータ磁極の反時計方向
    端の位置よりロータ磁極の突極部の時計方向端の位置が
    反時計方向側に位置するＹＤＡ度の間に行い、 ロータが反時計方向に回転していてトルク指令が負の
    時、各ステータの共通巻き線のロータ回転に依存したト
    ルク電流の増加はステータ磁極の時計方向端の位置より
    ロータ磁極の突極部の時計方向端の位置が時計方向側に
    位置するＹＤＡ度の間に行い、各ステータのロータ回転
    に依存したトルク電流の減少はステータ磁極の反時計方
    向端の位置よりロータ磁極の突極部の時計方向端の位置
    が反時計方向側に位置するＹＤＡ度の間に行い、 前記角度ＹＤＡ度は、モータ回転数が小さいときは小さ
    な値とし、モータ回転数が大きくなると大きな値とする
    ことを特徴とする請求項１１又は１３のいずれかに記載
    のモータ制御装置。
15. 【請求項１５】 モータの各ステータ磁極に回生用の巻
    き線を備え、 各ステータ磁極の磁気エネルギーをロータの回転と共に
    電源に回生するため、各回生用の巻き線と電源との間に
    直列に、アノードが電源の低電圧側に向いてカソードが
    電源の高電圧側に向いて接続されたダイオードを備えた
    ことを特徴とする請求項１０又は請求項１２のいずれか
    に記載のモータ制御装置。