WO2018084092A1 - リラクタンスモータおよび当該リラクタンスモータを備えるモータシステム - Google Patents

リラクタンスモータおよび当該リラクタンスモータを備えるモータシステム Download PDF

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WO2018084092A1
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salient pole
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motor
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祐一 高野
啓太 福島
友博 福村
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日本電産株式会社
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Definitions

  • the present application relates to a reluctance motor and a motor system including the reluctance motor.
  • reluctance means magnetic reluctance.
  • the magnetic resistance is a degree of difficulty in the flow of magnetic flux in the magnetic circuit.
  • the reluctance motor is driven to rotate using reluctance torque without using magnet torque generated by a permanent magnet.
  • the rotor and the stator have a double salient pole structure.
  • the reluctance motor is roughly classified into a switched reluctance motor and a synchronous reluctance motor.
  • a switched reluctance motor reluctance torque is generated by the self-inductance changing in accordance with the rotational position of the rotor.
  • a synchronous reluctance motor reluctance torque is generated by changing both the self-inductance and the mutual inductance according to the rotational position of the rotor.
  • the reluctance motor requires a more special control because it has a different torque generation mechanism than the widely used permanent magnet type motor and induction motor. Further, the basic characteristics of a reluctance motor are not always clear. For this reason, the control device for the reluctance motor has to be designed individually according to the structure of the reluctance motor to be employed. Furthermore, in a switched reluctance motor, since current is independently supplied to each phase coil of a stator, it is mainstream to use an inverter of a half bridge circuit instead of a full bridge circuit (also referred to as an “H bridge circuit”). It is.
  • Japanese Patent Publication No. 2011-35995 discloses a motor control device that supplies a control current to a switched reluctance motor. This motor control device is configured to operate with an inverter of a three-phase full bridge circuit.
  • a resolver is used as a rotation angle sensor for detecting the rotational position of the rotor.
  • the resolver is a rotation angle sensor capable of highly accurate angle detection, but is more expensive than a Hall element or Hall IC.
  • a reluctance motor of the present disclosure includes a rotor having N (N is an integer of 2 or more) rotor salient poles and a stator having M (M is an integer of 3 or more) stator salient poles. And three-phase windings for exciting the stator salient poles, a shaft connected to the rotor for rotation, and S poles fixed to the outer periphery of the shaft and arranged alternately along the circumferential direction of the shaft And a sensor magnet having N poles, and three magnetic sensors arranged at positions facing the sensor magnet, and the number of poles of the sensor magnet is N.
  • the motor system includes the reluctance motor, an inverter circuit electrically connected to the three-phase winding of the reluctance motor, and an electrical connection to the inverter circuit.
  • the motor control circuit receives the output of the magnetic sensor, and the angular position of the rotor is in one of six angular zones obtained by dividing an electrical angle of 360 degrees into six equal parts.
  • the rotor can be rotated in a desired direction without requiring an expensive rotation angle sensor such as a resolver or a rotary encoder. Moreover, it becomes possible to start a reluctance motor using the rotor position sensing technique and the full bridge inverter which were widely used for the permanent magnet motor.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of an SR motor according to an embodiment of the present disclosure as viewed from the sensor magnet side.
  • 1B is a cross-sectional view taken along line B1-B2 of FIG. 1A.
  • FIG. 2 is another view schematically showing a cross section perpendicular to the rotation center axis C of the SR motor 100.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a relative positional relationship in the circumferential direction of rotation of the rotor 10 and the stator 20 in the SR motor 100.
  • FIG. 4A is a diagram schematically showing a relative positional relationship in the circumferential direction of the rotation of the rotor 10 and the stator 20 in an example in which a range of 360 degrees in electrical angle is divided into 12 angle sections 0 to XI.
  • FIG. 4B is a diagram schematically showing another relative positional relationship in the circumferential direction of the rotation of the rotor 10 and the stator 20 in the example in which the range of 360 degrees in electrical angle is divided into 12 angle sections 0 to XI.
  • FIG. 4C is a diagram schematically showing a relative positional relationship in the circumferential direction of the rotation of the rotor 10 and the stator 20 in an example in which a range of 360 degrees in electrical angle is divided into six angular sections 0 to 5.
  • FIG. 4A is a diagram schematically showing a relative positional relationship in the circumferential direction of the rotation of the rotor 10 and the stator 20 in an example in which a range of 360 degrees in electrical angle is divided into 12 angle sections 0
  • FIG. 5 is a view of the SR motor according to the embodiment of the present disclosure as viewed from the sensor magnet side.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a state in which the electrical angle of 360 degrees is divided into six angle zones 0 to 5.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship (excitation pattern) between the rotor position and the excitation state.
  • FIG. 8A is a diagram showing the relationship between the rotor position and the excitation state in the present embodiment.
  • FIG. 8B is another diagram showing the relationship between the rotor position and the excitation state in the present embodiment.
  • FIG. 8C is still another diagram illustrating the relationship between the rotor position and the excitation state in the present embodiment.
  • FIG. 8D is still another diagram illustrating the relationship between the rotor position and the excitation state in the present embodiment.
  • FIG. 8E is still another diagram showing the relationship between the rotor position and the excitation state in the present embodiment.
  • FIG. 8F is still another diagram illustrating the relationship between the rotor position and the excitation state in the present embodiment.
  • FIG. 8G is still another diagram illustrating the relationship between the rotor position and the excitation state in the present embodiment.
  • FIG. 8H is still another diagram showing the relationship between the rotor position and the excitation state in the present embodiment.
  • FIG. 8I is still another diagram showing the relationship between the rotor position and the excitation state in the present embodiment.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the magnitude of torque generated in the rotor 10 and the rotor position in the present embodiment.
  • FIG. 10A is a graph showing a curve indicating the torque generated by the U-phase salient pole.
  • FIG. 10B is a graph showing a curve indicating the torque generated by the V-phase salient pole.
  • FIG. 10C is a graph showing a curve indicating the torque generated by the W-phase salient pole.
  • FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a non-limiting exemplary embodiment of a motor system according to the present disclosure.
  • FIG. 12 is a circuit diagram illustrating an example of another inverter circuit 200A including a three-phase full bridge circuit.
  • FIG. 13 is a circuit diagram illustrating an example of an inverter circuit 200B including an asymmetric half-bridge inverter.
  • FIG. 14 is a diagram showing another relationship (excitation pattern) between the rotor position and the excitation state of the stator salient poles in the present embodiment.
  • FIG. 15 is a circuit diagram of an inverter circuit 200D including a plurality of three-phase full-bridge inverters 200C.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the motor control circuit 300 in the motor system according to the present disclosure.
  • the reluctance motor of this embodiment is a switched reluctance motor.
  • the “switched reluctance motor” is simply referred to as “SR motor”.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of the SR motor 100 in this embodiment as viewed from the sensor magnet side.
  • 1B is a cross-sectional view taken along line B1-B2 of FIG. 1A.
  • FIG. 1A shows a cross section taken along line A1-A2, line A3-A4, and line A5-A6 in FIG. 1B.
  • 1A and 1B show a part of the right-handed XYZ coordinates including the X axis, the Y axis, and the Z axis that are orthogonal to each other.
  • the cross section shown in FIG. 1A is a cross section when the positive side is viewed from the negative side of the Z axis parallel to the rotation center axis C.
  • the negative side of the Z-axis is a sensor magnet 50 side (the left side in FIG. 1B), which will be described later, of the SR motor 100.
  • the orientation of the SR motor 100 described in the drawings does not limit the orientation when the reluctance motor according to the present disclosure is used.
  • clockwise rotation is defined as “forward rotation”.
  • the counterclockwise rotation is defined as “reverse rotation (reverse rotation)”.
  • the arrow of the curve described in FIG. 1A indicates the direction of “forward rotation (forward rotation)”.
  • the SR motor 100 in this embodiment includes a rotor 10 having four rotor salient poles 12 and a stator 20 having six stator salient poles 22.
  • the rotor 10 and the stator 20 may have various shapes and sizes depending on applications, like the rotor and the stator in the known SR motor.
  • the rotor 10 and the stator 20 are suitably formed from a soft magnetic material, and can be configured in an arbitrary shape by, for example, laminated silicon steel plates.
  • the number of rotor salient poles 12 is not limited to four, and may be N (N is an integer of 2 or more). Further, the number of stator salient poles 22 is not limited to six, and may be M (M is an integer of 3 or more).
  • the number of rotor salient poles 12 may be referred to as “the number of poles”, and the number of stator salient poles 22 may be referred to as “the number of slots”.
  • the “slot” in the stator 20 means a space (concave portion) between two stator salient poles 22 adjacent in the circumferential direction. The number of slots is equal to the number of stator salient poles 22.
  • a structure including the N rotor salient poles 12 and the M stator salient poles 22 may be referred to as an “MN structure” or an “M slot N pole structure”.
  • MN structure an SR motor having a “6-4 structure”
  • M slot N pole structure an SR motor having a “6-4 structure”
  • the SR motor 100 in the present embodiment includes a three-phase winding 30 that excites the stator salient poles 22 and a shaft 40 that is connected to the rotor 10 and rotates.
  • the winding 30 in this example is a concentrated winding and is connected to an inverter (not shown in FIGS. 1A and 1B) as will be described later.
  • the inverter applies a voltage necessary for the operation of the SR motor 100 to a desired winding 30 and causes a current (drive current) to flow through the winding 30.
  • a current flows through the winding 30, the stator salient pole 22 in the winding 30 is excited and generates a magnetic flux.
  • the magnetic flux is incident on the adjacent rotor salient pole 12 via the magnetic gap from the excited stator salient pole 22 to form a closed magnetic circuit inside the rotor 10 and the stator 20.
  • a current of an appropriate magnitude flows through each winding 30 at an appropriate timing according to the rotational position of the rotor 10, the rotor 10 rotates with a necessary torque in a predetermined direction.
  • the three-phase windings 30 are U, V, and W-phase windings, respectively.
  • stator salient pole 22 wound with the U-phase winding 30 is referred to as “U-phase salient pole”
  • stator salient pole 22 around which the V-phase winding is wound is referred to as “V-phase salient pole”
  • W-phase salient pole the stator salient poles 22 wound with the windings are referred to as “W-phase salient poles”.
  • a reluctance motor rotates on the same principle as an electromagnet attracts an iron piece.
  • the excited stator salient pole 22 corresponds to “electromagnet”
  • the rotor salient pole 12 adjacent to the excited stator salient pole 22 corresponds to “iron piece”.
  • the direction of the current flowing through the winding 30 is reversed, the direction of the generated magnetic flux is also reversed.
  • the force with which the “electromagnet” attracts the “iron piece” does not depend on the direction of the current flowing through the winding 30.
  • the shaft 40 is rotatably supported by a bearing (not shown). Since the shaft 40 is fixed to the rotor 10, the rotor 10 rotates together with the shaft 40.
  • the shaft 40 can transmit torque to a load via mechanical parts (not shown) such as gears.
  • the SR motor 100 includes a sensor magnet 50 fixed to the outer periphery of the shaft 40 and a plurality of magnetic sensors 60 arranged at positions facing the sensor magnet 50.
  • the sensor magnet 50 has S poles and N poles arranged alternately along the circumferential direction (rotation direction) of the shaft 40.
  • the sensor magnet 50 in the present embodiment has a total of four magnetic poles, S poles, N poles, S poles, and N poles, arranged in the circumferential direction. Since the sensor magnet 50 is fixed to the shaft 40, the sensor magnet 50 rotates around the rotation center axis C together with the shaft 40 as the rotor 10 rotates. On the other hand, each magnetic sensor 60 is in a fixed position with respect to the stator 20.
  • the three magnetic sensors 60 each output a current or voltage signal in response to a change in magnetic flux or magnetic field formed by the sensor magnet 50 that rotates with the shaft 40.
  • Each magnetic sensor 60 may be a Hall IC, for example.
  • the Hall IC can detect the timing at which the magnetic pole of the sensor magnet 50 at the opposite position changes from the S pole to the N pole and change the voltage level of the output signal from a logic low (Low) to a logic high (High). In addition, the voltage level of the output signal can be changed from High to Low by detecting the timing at which the magnetic pole changes from the N pole to the S pole. If the three Hall ICs, which are magnetic sensors, are arranged at predetermined angular intervals, the angular position of the rotor 10 can be detected based on the output signal from each Hall IC.
  • the number of poles of the sensor magnet 50 (the sum of the number of S poles and the number of N poles) is equal to the number of rotor salient poles 12 and is four. In other words, the number of poles of the sensor magnet 50 is equal to the number N of the salient rotor poles 12.
  • the position detection of the rotor 10 has been performed using an expensive rotation angle sensor such as a resolver or a rotary encoder.
  • a magnetic sensor such as a Hall IC
  • it has been considered that the number of poles of the sensor magnet 50 must be at least twice the number N of the rotor salient poles 12.
  • FIG. 2 schematically shows a cross section perpendicular to the rotation center axis C of the SR motor 100 in the present embodiment.
  • FIG. 2 shows a cross section taken along the line A1-A2, a cross section taken along the line A2-A5, and a cross section taken along the line A5-A6 as viewed from the sensor magnet side in FIG. 1B.
  • the description of the winding 30 is omitted for simplicity.
  • the symbols “U”, “V”, and “W” indicate “U-phase salient pole”, “V-phase salient pole”, and “W-phase salient pole” of the stator 20, respectively.
  • the symbols “a” and “b” in FIG. 2 indicate a set of rotor salient poles 12 having an electrical angle of 360 degrees (mechanical angle 180 degrees) among the four rotor salient poles 12, respectively. It is the code
  • the rotor salient pole 12 labeled “a” is referred to as “rotor salient pole 12a”
  • the rotor salient pole 12 labeled “b” is referred to as “rotor salient pole 12b”. is there.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the relative positional relationship in the circumferential direction of rotation of the rotor 10 and the stator 20.
  • FIG. 3 shows a positional relationship in which a curve extending in the circumferential direction of rotation is converted into a straight line extending in the horizontal direction in the drawing.
  • the rotor 10 moves in the direction of the arrow with respect to the stationary stator 20.
  • the direction of this arrow indicates the direction of “forward rotation”.
  • the symbols “U”, “V”, and “W” and the symbols “a” and “b” in FIG. 3 are attached to the elements corresponding to the elements to which the symbols shown in FIG. .
  • the relative position (angular position) of the rotor 10 with respect to the stator 20 is detected and excited according to the detected position.
  • the power salient pole needs to be appropriately selected from “U-phase salient pole”, “V-phase salient pole”, and “W-phase salient pole”. If this selection is inappropriate, the rotor 10 cannot obtain a torque in a certain direction and vibrates in the left and right directions in FIG.
  • FIG. 4A shows a range of 360 degrees in electrical angle from the “U-phase salient pole” with the stator 20 through the “V-phase salient pole” and the “W-phase salient pole” to the next “U-phase salient pole”.
  • An example is shown in which it is divided into 12 angular zones 0 to XI. The width of each angular zone is 30 degrees in electrical angle.
  • attention is paid to the rotor salient pole 12 to which the reference symbol “a” is attached.
  • the circumferential center position (indicated by a two-dot chain line in the figure) of the rotor salient pole 12a of interest is in the angle zone 0.
  • the torque for moving the rotor 10 to the right side is generated by selecting and exciting the “U-phase salient pole”. Thereafter, the rotor 10 moves to the right side, and the arrangement shown in the example of FIG. 4B is realized. At this time, the center position (two-dot chain line) in the circumferential direction of the rotor salient pole 12a of interest is in the angle zone I. Conventionally, the excitation of the “U-phase salient pole” is stopped at the timing when the circumferential center position of the rotor salient pole 12a of interest moves from the angle zone 0 to the angle zone I, and the “W-phase salient pole” is selected and excited. Has been done.
  • the number of poles of the sensor magnet 50 needs to be at least twice the number N of salient poles of the rotor 10.
  • the number of poles of the sensor magnet 50 can be set to the number of salient poles of the rotor, that is, N.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the SR motor 100 as viewed from the sensor magnet side, as in FIG. 1A.
  • the three magnetic sensors 60 are the first magnetic sensor 60U disposed at the first position and the first magnetic sensor 60U rotated in the circumferential direction of the shaft 40 by 120 degrees + 360 degrees ⁇ m in electrical angle from the first position.
  • the second magnetic sensor 60V is disposed at two positions
  • the third magnetic sensor 60W is disposed at a third position rotated in the circumferential direction of the shaft 40 by 240 degrees + 360 degrees ⁇ n from the first position.
  • m and n are 1 and 0, respectively, in the illustrated example, but may be other integer sets.
  • the three magnetic sensors 60U, 60V, and 60W are three Hall ICs having different positions by 120 degrees of mechanical angles.
  • the direction of the first position rotates clockwise by an angle ⁇ a from the direction A connecting the center of the circumferential direction and the rotation center of the U-phase salient pole.
  • the angle ⁇ a is preferably 60 degrees in electrical angle (30 degrees in mechanical angle).
  • the angle ⁇ a may be determined so that the influence of the magnetic flux leaked from the winding 30 of the stator salient pole 22 on the magnetic sensor 60 is small, and the angle ⁇ a is not limited to 60 degrees in terms of electrical angle.
  • the angle ⁇ a is arbitrary.
  • the center in the circumferential direction of the rotor salient pole 12 a to which the reference symbol “a” is attached is indicated by a black triangle.
  • the center in the circumferential direction of the rotor salient pole 12a is the “reference position (Ref)” rotated counterclockwise (reverse direction) by an angle ⁇ r from the direction A in the state shown in FIG.
  • the angle ⁇ r in the preferred embodiment is 105 degrees in electrical angle. In this embodiment, this angle is 52.5 degrees as a mechanical angle.
  • the rotation angle (electrical angle) of the center in the circumferential direction of the rotor salient pole 12 with respect to the reference position (Ref) is defined as the rotation position of the rotor 10 and is simply referred to as “rotor position”.
  • the rotor position In the state shown in FIG. 5, the rotor position is 0 degrees. When the rotor 10 rotates forward, the rotor position increases from 0 degrees.
  • an electrical angle of 360 degrees is divided into six angular zones 0-5 as shown in FIG. Then, the excitation of the U, V, and W phase salient poles is switched according to which angle zone the rotor position is in. The period in which each of the U, V, and W phase salient poles is excited coincides with the period in which the rotor 10 rotates by 120 degrees in electrical angle.
  • FIG. 7 is a diagram showing a relationship (excitation pattern) between the rotor position and the excitation state of the stator salient poles in the present embodiment.
  • the excitation state of the pole is described.
  • the width of one angular zone is 60 degrees in electrical angle.
  • the output signal levels of the three magnetic sensors 60U, 60V, and 60W are indicated by thick solid lines. These output signal levels periodically change between Low and High at a timing shifted by 180 degrees in electrical angle.
  • the excitation states of the U-phase salient pole, the V-phase salient pole, and the W-phase salient pole are identified by the symbols “+1”, “ ⁇ 1”, and “0”.
  • “+1” and “ ⁇ 1” mean that “a current flows through the winding in the first direction” and “a current flows through the winding in the second direction opposite to the first direction”, respectively.
  • Yes. “0” means “no current flows”.
  • the direction of the magnetic flux formed on the stator salient pole 22 depends on the direction of the current flowing through the winding 30, but the magnitude and direction of the torque are related to the direction of the current flowing through the winding 30. Not done. Therefore, also in the present disclosure, the direction of the current flowing through the winding 30 is originally arbitrary.
  • FIG. 8A schematically shows an excitation state in which the rotor position is ⁇ 15 degrees (angle zone 5).
  • the rotor position in the present disclosure is defined by the center position in the circumferential direction of the rotor salient pole 12a.
  • the center position of the rotor salient pole 12a in the circumferential direction is indicated by a black triangle in FIGS.
  • a current of “ ⁇ 1” flows through the winding of the V-phase salient pole
  • a current of “+1” flows through the winding of the W-phase salient pole.
  • 8A shows an upward arrow penetrating the V-phase salient pole and a downward arrow penetrating the W-phase salient pole. Each of these arrows schematically shows the direction of the magnetic flux formed in the salient pole by the excited stator salient pole 22.
  • the rotor salient pole 12b close to the V-phase salient pole is attracted to the V-phase salient pole, and torque is applied to the rotor 10.
  • the rotor salient pole 12a adjacent to the W-phase salient pole is attracted to the W-phase salient pole. However, since the force received by the rotor salient pole 12a is directed outward in the radial direction of the rotor 10, torque is applied to the rotor 10. Absent.
  • FIG. 8B schematically shows an excitation state in which the rotor position is 0 degrees (boundary between the angle zone 5 and the angle zone 0).
  • the rotor position at this time is equal to the rotational position of the rotor 0 shown in FIGS.
  • the magnetic sensor 60U detects the boundary between the S pole and the N pole in the sensor magnet 50, and the output signal level changes from Low to High.
  • the current of “ ⁇ 1” still flows in the winding of the V-phase salient pole, but the current flowing in the winding of the W-phase salient pole is stopped. Instead, a current of “+1” flows through the winding of the U-phase salient pole. For this reason, FIG.
  • 8B shows an upward arrow penetrating the V-phase salient pole and a downward arrow penetrating the U-phase salient pole. 8B, the rotor salient pole 12b close to the V-phase salient pole is attracted to the V-phase salient pole, and torque is applied to the rotor 10.
  • FIG. 8C schematically shows an excitation state in which the rotor position is 30 degrees (angle zone 0).
  • a current of “ ⁇ 1” flows through the winding of the V-phase salient pole, and a current of “+1” flows through the winding of the U-phase salient pole.
  • FIG. 8C shows an upward arrow passing through the V-phase salient pole and a downward arrow passing through the U-phase salient pole.
  • the rotor salient pole 12b close to the V-phase salient pole is attracted to the V-phase salient pole, and torque is applied to the rotor 10. Further, the rotor salient pole 12a adjacent to the U-phase salient pole also starts to be attracted to the U-phase salient pole.
  • FIG. 8D schematically shows an excitation state in which the rotor position is 45 degrees (angle zone 0).
  • a state where a current of “ ⁇ 1” flows through the winding of the V-phase salient pole and a current of “+1” flows through the winding of the U-phase salient pole continues.
  • no torque is applied to the rotor 10 even if the rotor salient pole 12 b close to the V-phase salient pole is attracted to the V-phase salient pole.
  • the rotor salient pole 12a adjacent to the U-phase salient pole is attracted to the U-phase salient pole, and torque is applied to the rotor 10.
  • U non-opposing means that the U-phase salient pole does not face the rotor salient pole.
  • U non-opposing the middle of the two adjacent rotor salient poles 12 and the U-phase salient poles oppose each other.
  • U non-opposing occurs when the rotor position is 15 degrees.
  • V facing means that the V phase salient pole faces the rotor salient pole. In this example, as shown in FIG. 8D, “V facing” occurs when the rotor position is 45 degrees.
  • characters such as “V non-opposing” and “U opposing” exist, but have the same meaning.
  • FIG. 8E schematically shows an excitation state in which the rotor position is 60 degrees (the boundary between the angle zone 0 and the angle zone 1).
  • the current of “+1” continues to flow through the winding of the U-phase salient pole
  • the current flowing through the winding of the V-phase salient pole stops.
  • a current of “ ⁇ 1” starts to flow through the winding of the W-phase salient pole.
  • the rotor salient pole 12a close to the U-phase salient pole is attracted to the U-phase salient pole, and torque is applied to the rotor 10.
  • FIG. 8F schematically shows an excitation state in which the rotor position is 75 degrees (angle zone 1).
  • the currents flowing through the windings of the U-phase salient pole and the W-phase salient pole are the same as in FIG. 8E.
  • the W-phase salient pole faces an intermediate position between two adjacent rotor salient poles (W non-opposing).
  • the rotor salient pole 12a close to the U-phase salient pole is attracted to the U-phase salient pole, and torque is applied to the rotor 10.
  • FIG. 8G schematically shows an excitation state in which the rotor position is 90 degrees (angle zone 1).
  • the currents flowing through the windings of the U-phase salient pole and the W-phase salient pole are the same as the excitation state shown in FIG. 8F.
  • the rotor salient pole 12a close to the U-phase salient pole is attracted to the U-phase salient pole
  • the rotor salient pole 12b close to the W-phase salient pole is attracted to the W-phase salient pole, and torque is applied to the rotor 10.
  • FIG. 8H schematically shows an excitation state in which the rotor position is 105 degrees (angle zone 1).
  • the currents flowing through the windings of the U-phase salient pole and the W-phase salient pole are the same as the excitation state shown in FIG. 8G.
  • the U-phase salient pole faces the rotor salient pole 12a, no torque is applied to the rotor salient pole 12a.
  • the rotor salient pole 12b close to the W-phase salient pole is attracted to the W-phase salient pole, and torque is applied to the rotor 10.
  • FIG. 8I schematically shows an excitation state in which the rotor position is 120 degrees (the boundary between the angle zone 1 and the angle zone 2).
  • the current flowing through the winding of the U-phase salient pole is stopped, and instead, the current of “+1” starts flowing through the winding of the V-phase salient pole.
  • the rotor salient pole 12b close to the W-phase salient pole is attracted to the W-phase salient pole, and torque is applied to the rotor 10.
  • the rotor position shown in FIG. 8I can be detected by the second magnetic sensor 60V of FIG. 5 facing the boundary position between the S pole and the N pole in the sensor magnet 50.
  • the period in which the U-phase salient pole is excited by flowing a current through the winding of the U-phase salient pole is a period in which the rotor position is 0 to 120 degrees.
  • the rotor position (reference position Ref) at which current starts to flow through the winding of the U-phase salient pole is only 105 degrees in electrical angle from the position where the U-phase salient pole faces any of the plurality of rotor salient poles 12.
  • the position is reversed.
  • the boundary position between the S pole and the N pole in the sensor magnet 50 attached to the shaft 40 is determined so that the first magnetic sensor 60U can detect that the rotor position has reached the reference position Ref.
  • the S pole and N of the sensor magnet 50 are aligned.
  • the boundary position with the pole is about 15 degrees in electrical angle (7.5 degrees in mechanical angle) on the reverse side along the circumferential direction of the shaft 40 from the position facing the second magnetic sensor 60V.
  • the boundary position between the S pole and the N pole of the sensor magnet 50 is 10 degrees or more and 20 degrees or less in electrical angle from the position facing the second magnetic sensor 60V to the reverse side along the circumferential direction of the shaft 40 (mechanical angle). It is desirable to be within the range of 5 degrees or more and 10 degrees or less. The range of 10 degrees or more and 20 degrees or less in electrical angle assumes ⁇ 5 degrees in electrical angle as an attachment error.
  • the movement of the rotor 10 during the period in which the U-phase salient pole is being excited (120 degrees in electrical angle) has been mainly described.
  • the period during which the stator salient poles of the other phases are excited can be similarly understood.
  • a driving method in which each of the U phase, the V phase, and the W phase is excited by 120 degrees in electrical angle can be referred to as “120 degree energization”.
  • the electrical angle of 360 degrees is divided into six angle zones, and the excitation state is switched in 6 steps (6-step drive). By switching the excitation state in six steps according to the rotor position, a torque that normally rotates the rotor 10 is always generated regardless of the angular area of the rotor position.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the magnitude of torque generated in the rotor 10 and the rotor position in the present embodiment. The magnitude of the torque was obtained by calculation.
  • the graph of FIG. 9 includes a curve indicating torque generated by the U-phase salient pole, a curve indicating torque generated by the V-phase salient pole, a curve indicating torque generated by the W-phase salient pole, and a curve indicating total torque. Yes.
  • FIG. 10A, FIG. 10B, and FIG. 10C are graphs showing a curve indicating torque generated by the U-phase salient pole, a curve indicating torque generated by the V-phase salient pole, and a curve indicating torque generated by the W-phase salient pole, respectively. is there.
  • the torque generated by one of the excited two-phase stator salient poles may be negative.
  • the torque generated by the U-phase salient pole is negative as shown in FIG. 10A, but as shown in FIG.
  • the resulting torque shows a sufficiently large positive value.
  • the excitation pattern shown in FIG. 7 is executed when the SR motor 100 starts rotating. After the rotor 10 starts to rotate, driving for realizing another excitation pattern may be performed according to the rotational speed of the rotor 10 or the like.
  • the excitation of the U-phase salient pole may be started at a timing shifted by a predetermined amount from the time when the level of the output signal of the first magnetic sensor 60U changes from Low to High.
  • the period in which the windings 30 of the U-phase salient pole, the V-phase salient pole, and the W-phase salient pole are energized is not limited to “120 degree energization”, and may be changed according to the rotational speed of the rotor 10. good.
  • the reluctance motor of the present disclosure is not limited to the switched reluctance motor in the above embodiment, and may be a synchronous reluctance motor. Further, the structure of the reluctance motor according to the present disclosure is not limited to the “6-4 structure”, and may be, for example, the “3-2 structure” and the “6-2 structure”.
  • FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a non-limiting exemplary embodiment of a motor system according to the present disclosure.
  • a motor system 1000 shown in FIG. 11 includes the above-described SR motor 100, an inverter circuit 200 electrically connected to a three-phase (U, V, W phase) winding of the SR motor 100, and an inverter circuit 200. And a motor control circuit 300 which is electrically connected.
  • the motor control circuit 300 receives the output of the magnetic sensor 60, and the rotor position is 360 according to which of the six angle zones obtained by dividing the 360 degree electrical angle shown in FIG. A drive signal (gate control signal) for switching the voltage applied to the three-phase winding while rotating by the electrical angle of the degree is output.
  • the inverter circuit 200 excites the stator salient poles of each phase at a predetermined timing, causing current to flow through the two-phase windings sequentially selected from the three-phase windings.
  • the motor control circuit 300 in the present embodiment inputs a drive signal for realizing the excitation pattern shown in FIG. 7 to the inverter circuit 200 particularly at the time of starting the motor.
  • the inverter circuit 200 illustrated in FIG. 11 is a general-purpose inverter circuit provided with a full-bridge inverter, and can be used by being connected to the DC power source 400.
  • the DC power supply 400 may include a converter circuit (not shown) that converts a commercial AC voltage into a DC voltage.
  • the inverter circuit 200 of FIG. 11 includes switching elements HS 1 , HS 2 , HS 3 , LS 1 , LS 2 , LS 3 .
  • Each of the switching elements HS 1 , HS 2 , HS 3 , LS 1 , LS 2 , LS 3 is, for example, a MOS field effect transistor (MOSFET) having a built-in free-wheeling diode or free-wheeling diode elements connected in parallel. It can be a MOSFET.
  • An insulated gate bipolar transistor (IGBT) may be used instead of the MOSFET.
  • These switching elements HS 1 , HS 2 , HS 3 , LS 1 , LS 2 , LS 3 constitute a three-phase full bridge circuit.
  • Each gate electrode (gate terminal) of the switching elements HS 1 , HS 2 , HS 3 , LS 1 , LS 2 , LS 3 is connected to the motor control circuit 300.
  • switching elements HS 1 and LS 1 have a first connection point N 1 between high side line PL connected to the positive side of DC power supply 400 and low side line NL connected to the negative side. Are connected in series.
  • the first connection point N ⁇ b> 1 is connected to one end of the winding of the U-phase salient pole in the SR motor 100.
  • the switching elements HS 2 and LS 2 are connected in series between the high side line PL and the low side line NL via the second connection point N2.
  • the second connection point N ⁇ b> 2 is connected to one end of the V-phase salient pole winding in the SR motor 100.
  • the switching elements HS 3 and LS 3 are connected in series via the third connection point N3 between the high side line PL and the low side line NL.
  • the third connection point N3 is connected to one end of the W-phase salient pole winding in the SR motor 100.
  • the windings of the U-phase salient pole, the V-phase salient pole, and the W-phase salient pole are connected by Y connection or delta connection. For this reason, for example, when a current is passed through the winding of the U-phase salient pole, the current needs to be fed back through at least one of the winding of the V-phase salient pole and the winding of the W-phase salient pole. If the inverter circuit 200 including such a three-phase full bridge circuit is used, driving according to the excitation pattern shown in FIG. 7 can be performed.
  • FIG. 12 is a circuit diagram illustrating an example of another inverter circuit 200A including a three-phase full bridge circuit.
  • Inverter circuit 200A of FIG. 12 has a switching element S 1, S 2, S 3 , S 4, S 5, S 6 and the diode D 1, D 2, D 3 , D 4, D 5, D 6 .
  • the switching elements S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 are typically MOSFETs or IGBTs.
  • Switching elements HS 1 , HS 2 , HS 3 , LS 1 , LS 2 , LS 3 and diodes D 1 , D 2 , D 3 , D 4 , D 5 , D 6 constitute a three-phase full bridge circuit Yes.
  • the gate electrodes of the switching elements S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 are connected to the motor control circuit 300.
  • the switching elements S 1 and S 2 are connected in series between the high side line PL and the low side line NL via the first connection point N1a.
  • the diodes D 1 and D 2 are connected in series between the high side line PL and the low side line NL via the second connection point N1b.
  • the first connection point N1a and the second connection point N1b are both connected to one end of the winding of the U-phase salient pole in the SR motor 100.
  • the switching elements S 3 and S 4 are connected in series between the high side line PL and the low side line NL via the third connection point N2a.
  • Diodes D 3 and D 4 are connected in series between the high side line PL and the low-side line NL via a fourth connection point N2b.
  • the third connection point N2a and the fourth connection point N2b are both connected to one end of the winding of the V-phase salient pole in the SR motor 100.
  • the switching elements S 5 and S 6 are connected in series between the high side line PL and the low side line NL via a fifth connection point N3a.
  • the diodes D 5 and D 6 are connected in series via the sixth connection point N3b between the high side line PL and the low side line NL.
  • the fifth connection point N3a and the sixth connection point N3b are both connected to one end of the winding of the W-phase salient pole in the SR motor 100.
  • the windings of the U-phase salient pole, the V-phase salient pole, and the W-phase salient pole are connected by Y connection or delta connection.
  • an inverter circuit 200B including an asymmetric half-bridge inverter will be described with reference to FIG.
  • the windings of the U-phase salient pole, the V-phase salient pole, and the W-phase salient pole are not connected to each other, and the currents flowing through the respective windings are controlled independently. Can be done.
  • Inverter circuit 200B in FIG. 13 has a switching element S 1, S 2, S 3 , S 4, S 5, S 6 and the diode D 1, D 2, D 3 , D 4, D 5, D 6 .
  • Switching elements S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 and diodes D 1 , D 2 , D 3 , D 4 , D 5 , D 6 constitute a three-phase half-bridge circuit. Yes.
  • the gate electrodes of the switching elements S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 are connected to the motor control circuit 300.
  • the switching element S 1 and the diode D 1 are connected in series between the high side line PL and the low side line NL via the first connection point N1a.
  • Diode D 2 and the switching element S 2 are connected in series between the high side line PL and the low-side line NL via the second connecting point N 1 b.
  • the first connection point N1a and the second connection point N1b are connected to both ends of the winding of the U-phase salient pole in the SR motor 100, respectively.
  • Switching element S 3 and the diode D 3 is connected in series between the high side line PL and the low-side line NL via a third connection point N2a.
  • Diodes D 4 and the switching element S 4 are connected in series between the high side line PL and the low-side line NL via a fourth connection point N2b.
  • the third connection point N2a and the fourth connection point N2b are connected to both ends of the V-phase salient pole winding in the SR motor 100, respectively.
  • Switching element S 5 and the diode D 5 is connected in series between the high side line PL and the low-side line NL via the fifth connection point N3a.
  • the diode D 6 and the switching element S 6 are connected in series between the high side line PL and the low side line NL via a sixth connection point N3b.
  • the fifth connection point N3a and the sixth connection point N3b are connected to both ends of the W-phase salient pole winding in the SR motor 100, respectively.
  • the excitation states of the U-phase salient pole, the V-phase salient pole, and the W-phase salient pole can be expressed by “+1” or “0” as shown in FIG.
  • the excitation state can be expressed by “ ⁇ 1” or “0”.
  • the inverter circuit may include three asymmetric half-bridge inverters, or may include a three-phase full-bridge inverter.
  • FIG. 15 is a circuit diagram of an inverter circuit 200D including two three-phase full-bridge inverters 200C. Each of the two three-phase full-bridge inverters 200C has the same configuration as the inverter circuit 200A of FIG. This inverter circuit 200D can operate in the same manner as the inverter circuit 200B of FIG.
  • FIG. 16 shows an example of the hardware configuration of the motor control circuit 300.
  • the motor control circuit 300 in this example includes a CPU (central processing unit) 320, a PWM circuit 330, a ROM (read only memory) 340, a RAM (random access memory) 350, and an I / F (input / output interface) connected to each other via a bus. ) 360.
  • Other circuits or devices not shown in the figure may be additionally connected to the bus.
  • the PWM circuit 330 gives a drive signal to the inverter circuit 200. This drive signal is input to the gate terminal of the switching element in the inverter circuit 200, and on / off of each switching element is controlled.
  • Such a motor control circuit 300 can be realized by, for example, a 32-bit general-purpose microcontroller.
  • a microcontroller can be comprised of, for example, one or more integrated circuit chips.
  • the various operations performed by the motor control circuit 300 are defined by a program.
  • This program generates a drive signal for realizing the excitation pattern shown in FIG. 7 at the time of starting the motor and inputs it to the gate terminal of the switching element in the inverter circuit 200. Since the drive signal generated after the start-up can be generated to realize a known drive method according to the rotational speed, details are not described here. It is also possible to change part or all of the operation of the motor control circuit 300 by updating part or all of the contents of the program. Such a program update may be performed using a recording medium storing the program, or may be performed by wired or wireless communication. Communication can be performed using the I / F 360 of FIG.
  • the configuration of the motor control circuit 300 is not limited to that shown in FIG.
  • the rotor can be started by using the inverter effectively.
  • the reluctance motor and the motor system of the present disclosure can be used for various machines, devices, and moving body drive sources that need to convert electric power into mechanical energy.

Landscapes

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Abstract

【課題】 高価な回転位置センサを必要とせず、所望の方向にロータを回転させることのできるリラクタンスモータを提供する。 【解決手段】 本開示のＳＲモータ１００は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のロータ突極１２を有するロータ１０と、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）のステータ突極２２を有するステータ２０と、ロータ１０に接続されて回転するシャフト４０と、シャフト４０の外周に固定され、シャフト４０の周方向に沿って交互に配列されたＳ極およびＮ極を有するセンサマグネット５０と、センサマグネット５０に対向する位置に配置された３個の磁気センサ６０Ｕ、６０Ｖ、６０Ｗとを備える。センサマグネット５０の極数はＮである。

Description

リラクタンスモータおよび当該リラクタンスモータを備えるモータシステム
　本願は、リラクタンスモータおよび当該リラクタンスモータを備えるモータシステムに関する。
　永久磁石を必要としないリラクタンスモータの研究が進められている。「リラクタンス」の用語は、磁気抵抗（ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ）を意味する。磁気抵抗は、磁気回路における磁束の流れにくさの度合いである。リラクタンスモータは、永久磁石によるマグネットトルクを用いることなく、リラクタンストルクを用いて回転駆動を行う。リラクタンストルクを発生させるため、ロータおよびステータは双突極（ｄｏｕｂｌｅ　ｓａｌｉｅｎｔ）構造を有している。
　リラクタンスモータには、大きく分けてスイッチトリラクタンスモータとシンクロナスリラクタンスモータとがある。スイッチトリラクタンスモータでは、自己インダクタンスがロータの回転位置（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ）に応じて変化することによってリラクタンストルクが発生する。一方、シンクロナスリラクタンスモータでは、自己インダクタンスおよび相互インダクタンスの両方がロータの回転位置に応じて変化することよってリラクタンストルクが発生する。
　リラクタンスモータは、広く普及している永久磁石型モータおよび誘導モータに比べると、トルク発生メカニズムが異なるため、より特殊な制御を必要とする。また、リラクタンスモータの基本特性は必ずしも明確になっていない。このため、リラクタンスモータの制御装置は、採用するリラクタンスモータの構造に応じて個別に設計する必要があった。さらに、スイッチトリラクタンスモータでは、従来、ステータの各相コイルに独立した通電が行われてきたため、フルブリッジ回路（「Ｈブリッジ回路」とも呼ばれる）ではなく、ハーフブリッジ回路のインバータを用いることが主流である。３相のフルブリッジ回路のインバータは、様々な技術分野で広く使用されているため、価格の低い量産品を容易に入手できるが、ハーフブリッジ回路のインバータは、品数も少なく、リラクタンスモータに合わせて個別に設計する必要がある。
　このように、リラクタンスモータの制御装置およびインバータには、量産化された低価格の汎用品を採用することが困難であり、個別に設計された高価な部品が必要であった。このことは、リラクタンスモータを備えるモータシステムの低コスト化にとって妨げとなっている。
　日本国公開公報第２０１１－３５９９５号公報は、スイッチトリラクタンスモータに制御電流を供給するモータ制御装置を開示している。このモータ制御装置は、３相のフルブリッジ回路のインバータで動作するように構成されている。
日本国公開公報第２０１１－３５９９５号公報
　日本国公開公報第２０１１－３５９９５号公報に開示されているモータ制御装置では、ロータの回転位置を検出するための回転角センサとしてレゾルバが使用されている。レゾルバは、高精度の角度検出が可能な回転角センサであるが、ホール素子またはホールＩＣなどに比べて高価である。従来、リラクタンスモータを始動するときには、ロータの回転位置を正確に検出することが必要であると考えられてきた。
　レゾルバまたはロータリエンコーダのような高価な回転角センサを必要とせず、所望の方向にロータを回転させることのできるリラクタンスモータが求められている。
　本開示のリラクタンスモータは、例示的な実施形態において、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のロータ突極を有するロータと、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）のステータ突極を有するステータと、前記ステータ突極を励磁する３相の巻線と、前記ロータに接続されて回転するシャフトと、前記シャフトの外周に固定され、前記シャフトの周方向に沿って交互に配列されたＳ極およびＮ極を有するセンサマグネットと、前記センサマグネットに対向する位置に配置された３個の磁気センサとを備え、前記センサマグネットの極数はＮである。
　本開示のモータシステムは、例示的な実施形態において、上記のリラクタンスモータと、前記リラクタンスモータの前記３相の巻線に電気的に接続されたインバータ回路と、前記インバータ回路に電気的に接続されたモータ制御回路とを備え、前記モータ制御回路は、前記磁気センサの出力を受け取り、前記ロータの角度位置が３６０度の電気角度を６等分した６個の角度区域のいずれにあるかに応じて、前記ロータが３６０度の電気角度だけ回転する間に前記３相の巻線に印加する電圧を切り替える駆動信号を出力し、前記インバータ回路は、前記駆動信号に応じて前記３相の巻線に電圧を印加する。
　本開示のリラクタンスモータの実施形態によれば、レゾルバまたはロータリエンコーダのような高価な回転角センサを必要とせず、所望の方向にロータを回転させることができる。また、永久磁石モータに広く用いられてきたロータ位置センシング技術およびフルブリッジインバータを利用してリラクタンスモータを起動することが可能になる。
図１Ａは、本開示の実施形態におけるＳＲモータをセンサマグネット側から視たときの断面図である。 図１Ｂは、図１ＡのＢ１－Ｂ２線断面図である。 図２は、ＳＲモータ１００の回転中心軸Ｃに垂直な断面を模式的に示す他の図である。 図３は、ＳＲモータ１００におけるロータ１０およびステータ２０の回転の周方向における相対位置関係を模式的に示す図である。 図４Ａは、電気角度で３６０度の範囲を１２個の角度区域０～ＸＩに分割した例において、ロータ１０およびステータ２０の回転の周方向における相対位置関係を模式的に示す図である。 図４Ｂは、電気角度で３６０度の範囲を１２個の角度区域０～ＸＩに分割した例において、ロータ１０およびステータ２０の回転の周方向における他の相対位置関係を模式的に示す図である。 図４Ｃは、電気角度で３６０度の範囲を６個の角度区域０～５に分割した例において、ロータ１０およびステータ２０の回転の周方向における相対位置関係を模式的に示す図である。 図５は、本開示の実施形態におけるＳＲモータをセンサマグネット側から視た図である。 図６は、電気角度３６０度を６個の角度区域０～５に分けた状態を模式的に示す図である。 図７は、ロータ位置と励磁状態との関係（励磁パターン）を示す図である。 図８Ａは、本実施形態におけるロータ位置と励磁状態との関係を示す図である。 図８Ｂは、本実施形態におけるロータ位置と励磁状態との関係を示す他の図である。 図８Ｃは、本実施形態におけるロータ位置と励磁状態との関係を示す更に他の図である。 図８Ｄは、本実施形態におけるロータ位置と励磁状態との関係を示す更に他の図である。 図８Ｅは、本実施形態におけるロータ位置と励磁状態との関係を示す更に他の図である。 図８Ｆは、本実施形態におけるロータ位置と励磁状態との関係を示す更に他の図である。 図８Ｇは、本実施形態におけるロータ位置と励磁状態との関係を示す更に他の図である。 図８Ｈは、本実施形態におけるロータ位置と励磁状態との関係を示す更に他の図である。 図８Ｉは、本実施形態におけるロータ位置と励磁状態との関係を示す更に他の図である。 図９は、本実施形態においてロータ１０に生じるトルクの大きさとロータ位置との関係を示すグラフである。 図１０Ａは、Ｕ相突極によって生じるトルクを示す曲線を示すグラフである。 図１０Ｂは、Ｖ相突極によって生じるトルクを示す曲線を示すグラフである。 図１０Ｃは、Ｗ相突極によって生じるトルクを示す曲線を示すグラフである。 図１１は、本開示によるモータシステムの限定的ではない例示的な実施形態を示す回路図である。 図１２は、３相のフルブリッジ回路を備える他のインバータ回路２００Ａの例を示す回路図である。 図１３は、非対称ハーフブリッジインバータを備えるインバータ回路２００Ｂの例を示す回路図である。 図１４は、本実施形態におけるロータ位置とステータ突極の励磁状態との他の関係（励磁パターン）を示す図である。 図１５は、複数の３相フルブリッジインバータ２００Ｃを備えるインバータ回路２００Ｄの回路図である。 図１６は、本開示によるモータシステムにおけるモータ制御回路３００のハードウェア構成の例を示す図である。
＜リラクタンスモータ＞
　以下、本開示のリラクタンスモータの限定的ではない例示的な実施形態を説明する。
　まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照しながら、本実施形態におけるリラクタランスモータの基本構造を説明する。本実施形態のリラクタンスモータは、スイッチトリラクタンスモータである。以下、「スイッチトリラクタンスモータ」を単に「ＳＲモータ」と呼ぶ。
　図１Ａは、本実施形態におけるＳＲモータ１００をセンサマグネット側から視た断面図である。図１Ｂは、図１ＡのＢ１－Ｂ２線断面図である。図１Ａは、図１ＢのＡ１－Ａ２線断面、Ａ３－Ａ４線断面、およびＡ５－Ａ６線断面を示している。図１Ａおよび図１Ｂには、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を含む右手系ＸＹＺ座標の一部が示されている。図１Ａに示されている断面は、回転中心軸Ｃに平行なＺ軸の負側から正側を視たときの断面である。本開示において、Ｚ軸の負側は、ＳＲモータ１００の後述するセンサマグネット５０の側（図１Ｂの左側）である。なお、図面に記載されたＳＲモータ１００の向きは、本開示によるリラクタンスモータの使用時における向きをなんら限定しない。
　本開示では、Ｚ軸の負側から正側を視たとき、すなわち、センサマグネット側（図１Ｂの左側）からモータを視たときに時計回り方向の回転を「正転」と定義する。この場合において、反時計回り方向の回転を「逆転（逆回転）」と定義する。図１Ａに記載されている曲線の矢印は、「正転（正回転）」の方向を示している。
　本実施形態におけるＳＲモータ１００は、４個のロータ突極１２を有するロータ１０と、６個のステータ突極２２を有するステータ２０とを備えている。ロータ１０およびステータ２０は、公知のＳＲモータにおけるロータおよびステータと同様に、用途に応じて多様な形状およびサイズを有し得る。ロータ１０およびステータ２０は、軟磁性材料から好適に形成され、例えば積層された珪素鋼板によって任意の形状に構成され得る。
　なお、ロータ突極１２の個数は４個に限定されず、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）であればよい。また、ステータ突極２２の個数も、６個に限定されず、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）であればよい。ロータ突極１２の個数を「ポール数」、ステータ突極２２の個数を「スロット数」と呼ぶことがある。ステータ２０における「スロット」とは、周方向に並んで隣接する２個のステータ突極２２の間の空間（凹部）を意味している。スロットの個数はステータ突極２２の個数に等しい。Ｎ個のロータ突極１２およびＭ個のステータ突極２２を備える構造は、「Ｍ－Ｎ構造」または「ＭスロットＮポール構造」と称されることがある。以下、「６－４構造」のＳＲモータについて、本開示の実施形態を説明するが、本開示のリラクタンスモータは、このような実施形態に限定されない。例えば、「３－２構造」および「６－２構造」を有していても良い。
　本実施形態におけるＳＲモータ１００は、ステータ突極２２を励磁する３相の巻線３０と、ロータ１０に接続されて回転するシャフト４０とを備えている。この例における巻線３０は、集中巻であり、後に説明するようにインバータ(図１Ａおよび図１Ｂにおいて不図示)に接続される。インバータはＳＲモータ１００の動作に必要な電圧を所望の巻線３０に印加し、当該巻線３０に電流（駆動電流）を流す。電流が巻線３０を流れると、その巻線３０内のステータ突極２２が励磁され、磁束を生成する。磁束は、励磁されたステータ突極２２から磁気ギャップを介して近接するロータ突極１２に入射し、ロータ１０およびステータ２０の内部で閉じた磁気回路を形成する。ロータ１０の回転位置に応じて適切な大きさの電流が適切なタイミングで各巻線３０を流れると、ロータ１０は所定の方向に必要なトルクを得て回転する。本開示において、３相の巻線３０を、それぞれ、Ｕ、Ｖ、およびＷ相の巻線とする。以下の説明において、Ｕ相の巻線３０が巻かれたステータ突極２２を「Ｕ相突極」、Ｖ相の巻線が巻かれたステータ突極２２を「Ｖ相突極」、Ｗ相の巻線が巻かれたステータ突極２２を「Ｗ相突極」と称する。
　一般に、リラクタンスモータは、電磁石が鉄片を引き付ける原理と同じ原理によって回転する。励磁されたステータ突極２２が「電磁石」に対応し、励磁されたステータ突極２２に近接するロータ突極１２が「鉄片」に対応する。巻線３０を流れる電流の向きを反転すると、生成される磁束の方向も反転する。しかし、「電磁石」が「鉄片」を引き付ける力は、巻線３０を流れる電流の向きに依存しない。
　シャフト４０は、不図示のベアリングによって回転可能に支持されている。シャフト４０はロータ１０に固定されているため、ロータ１０はシャフト４０とともに回転する。シャフト４０は、ギヤなどの不図示の機械部品を介して負荷にトルクを伝達することができる。
　ＳＲモータ１００は、シャフト４０の外周に固定されたセンサマグネット５０と、センサマグネット５０に対向する位置に配置された複数の磁気センサ６０とを備えている。センサマグネット５０は、シャフト４０の周方向(回転方向)に沿って交互に配列されたＳ極およびＮ極を有している。本実施形態におけるセンサマグネット５０は、周方向に配列されたＳ極、Ｎ極、Ｓ極、およびＮ極の合計４個の磁極を有している。センサマグネット５０は、シャフト４０に固定されているため、ロータ１０の回転に伴ってシャフト４０とともに回転中心軸Ｃの回りを回転する。一方、各磁気センサ６０は、ステータ２０に対して固定された位置にある。３個の磁気センサ６０は、それぞれ、シャフト４０とともに回転するセンサマグネット５０が形成する磁束または磁界の変化に応答して、電流または電圧の信号を出力する。個々の磁気センサ６０は、例えばホールＩＣであり得る。ホールＩＣは、対向位置にあるセンサマグネット５０の磁極がＳ極からＮ極に変化するタイミングを検知して出力信号の電圧レベルを論理低（Ｌｏｗ）から論理高（Ｈｉｇｈ）に変化させることができ、また、磁極がＮ極からＳ極に変化するタイミングを検知して出力信号の電圧レベルをＨｉｇｈからＬｏｗに変化させることができる。磁気センサである３個のホールＩＣをそれぞれ所定の角度間隔で配置すれば、各ホールＩＣからの出力信号に基づいて、ロータ１０の角度位置を検知することが可能になる。
　本実施形態のＳＲモータ１００において、センサマグネット５０の極数（Ｓ極の数およびＮ極の数の合計）は、ロータ突極１２の個数に等しく、４個である。言い換えると、センサマグネット５０の極数は、ロータ突極１２の個数Ｎに等しい。従来、ＳＲモータ１００の始動時にロータ１０を所定の方向に適切に回転させるためには、回転前におけるロータ１０の停止位置を正確に検知することが必要であると考えられてきた。このため、従来、ロータ１０の位置検出は、レゾルバまたはロータリエンコーダのような高価な回転角センサを用いて行われてきた。また、ホールＩＣなどの磁気センサを用いる場合は、センサマグネット５０の極数を、最低でもロータ突極１２の個数Ｎの２倍以上にすることが必要であると考えられてきた。
　以下、図２および図３を参照してロータ１０の位置検出をより詳細に説明する。図２は、本実施形態におけるＳＲモータ１００の回転中心軸Ｃに垂直な断面を模式的に示している。図２は、図１Ｂにおけるセンサマグネット側から見たＡ１－Ａ２線断面、Ａ２－Ａ５線断面、およびＡ５－Ａ６線断面を示ししている。図２では、簡単のため、巻線３０の記載は省略されている。
　図２における「Ｕ」、「Ｖ」、および「Ｗ」の符号は、それぞれ、ステータ２０の「Ｕ相突極」、「Ｖ相突極」、および「Ｗ相突極」を示している。また、図２における「ａ」および「ｂ」の符号は、それぞれ、４個のロータ突極１２のうちで電気角度３６０度（機械角度１８０度）の関係にある１組のロータ突極１２に付した符号である。以降の説明において、「ａ」の符号を付したロータ突極１２を「ロータ突極１２ａ」と称し、「ｂ」の符号を付したロータ突極１２を「ロータ突極１２ｂ」と称することがある。
　図３は、ロータ１０およびステータ２０の回転の周方向における相対位置関係を模式的に示す図である。図３では、簡単のため、回転の周方向に延びる曲線を、図中の横方向に延びる直線に変換した配置関係を示している。図３の例では、静止しているステータ２０に対して、ロータ１０が矢印の方向に移動する。この矢印の方向が「正転」の方向を示している。図３における「Ｕ」、「Ｖ」、および「Ｗ」の符号、ならびに「ａ」および「ｂ」の符号は、図２に示した符号が付された要素に対応する要素に付されている。
　図３に示す矢印の方向にロータ１０を移動させる（正転させる）ためには、ステータ２０に対するロータ１０の相対位置（角度位置）を検出して、その検出された位置に応じて、励磁すべき突極を「Ｕ相突極」、「Ｖ相突極」、および「Ｗ相突極」の中から適切に選択する必要がある。この選択が不適切であると、ロータ１０は、一定方向のトルクを得ることができず、図３中の左右の方向に振動する。
　図４Ａは、ステータ２０のある「Ｕ相突極」から、「Ｖ相突極」および「Ｗ相突極」を経て、次の「Ｕ相突極」までの電気角度で３６０度の範囲を１２個の角度区域０～ＸＩに分割した例を示している。各角度区域の幅は電気角度で３０度である。ここで、参照符号「ａ」が付されたロータ突極１２に着目する。図４Ａの例において、着目するロータ突極１２ａの周方向の中心位置（図中、二点鎖線によって示されている）は角度区域０にある。この場合、「Ｕ相突極」を選択して励磁することにより、ロータ１０を右側に移動させるトルクが発生している。その後、ロータ１０が右側に移動し、図４Ｂの例に示す配置が実現したとする。このとき、着目するロータ突極１２ａの周方向の中心位置（二点鎖線）は、角度区域Ｉにある。従来、着目するロータ突極１２ａの周方向の中心位置が角度区域０から角度区域Ｉに移動するタイミングで「Ｕ相突極」の励磁を停止し、「Ｗ相突極」を選択して励磁することが行われてきた。
　上述のように電気角度で３６０度の範囲を少なくとも１２個の角度区域に分割する精度(電気角３０度の角度分解能)でロータ１０の位置を検出することが必要であるとの技術常識があった。この分解能を達成するためには、センサマグネット５０の極数をロータ１０の突極数Ｎ個の２倍以上にすることが必要であると考えられてきた。これに対して、本開示のリラクタンスモータでは、例えば図４Ｃに示すように、電気角度で３６０度の範囲を６個の角度区域に分割すれば足りる。この場合、センサマグネット５０の極数をロータの突極数、すなわち、Ｎ個にすることが可能になる。このように位置検出の精度(角度分解能)を低下させても、以下に説明する駆動を行うことにより、ロータ１０を所定の方向に適切に回転させることが可能になる。
　次に図５を参照して、本実施形態におけるＳＲモータ１００の構成をより詳細に説明する。図５は、図１Ａと同様に、ＳＲモータ１００をセンサマグネット側から視たときの断面図である。
　本実施形態において、３個の磁気センサ６０は、第１位置に配置された第１磁気センサ６０Ｕと、第１位置から電気角度で１２０度＋３６０度×ｍだけシャフト４０の周方向に回転した第２位置に配置された第２磁気センサ６０Ｖと、第１位置から２４０度＋３６０度×ｎだけシャフト４０の周方向に回転した第３位置に配置された第３磁気センサ６０Ｗとによって構成される。ｍおよびｎは、それぞれ、図示されている例において、１および０であるが、他の整数の組であってもよい。図５の例において、３個の磁気センサ６０Ｕ、６０Ｖ、６０Ｗは、１２０度の機械角度ずつ位置が異なる３個のホールＩＣである。
　図５の配置例において、第１位置の方向は、Ｕ相突極における周方向の中心と回転中心とを結ぶ方向Ａから角度θａだけ時計回りに回転している。この角度θａは、本実施形態において、電気角度で６０度(機械角度で３０度)であることが好ましい。角度θａは、ステータ突極２２の巻線３０から漏洩した磁束による磁気センサ６０への影響が小さくなるように決定すればよく、角度θａは電気角度で６０度に限定されない。漏洩した磁束の影響が磁気センサ６０に及ばない場合、角度θａは、任意である。
　図５では、参照符号「ａ」が付されたロータ突極１２ａにおける周方向の中心が黒い三角形によって示されている。このロータ突極１２ａにおける周方向の中心は、図５に示される状態において、方向Ａから角度θｒだけ反時計回り（逆転方向）に回転した「基準位置（Ｒｅｆ）」にある。好ましい実施形態における角度θｒは、電気角度で１０５度である。この角度は、本実施形態において、機械角度では５２．５度である。以下の説明において、この基準位置（Ｒｅｆ）に対する、当該ロータ突極１２における周方向の中心の回転角度（電気角度）を、ロータ１０の回転位置と定義し、簡単に「ロータ位置」と称する。図５に示される状態において、ロータ位置は０度である。ロータ１０が正転すると、ロータ位置は０度から増加する。
　図５の配置例において、ロータ位置が０度のとき、センサマグネット５０のＳ極とＮ極との境界位置（Ｓ－Ｎ）の１つは、第１磁気センサ６０Ｕに対向する位置にある。従って、ロータ１０が正転しながらロータ位置が０度の位置を通過するとき、第１磁気センサ６０Ｕの出力信号の電圧レベルはＬｏｗからＨｉｇｈに変化する。本実施形態では、第１磁気センサ６０Ｕの出力信号の電圧レベルがＬｏｗからＨｉｇｈに変化したタイミングで、Ｕ相突極の励磁を開始する。Ｕ相突極の励磁は、ロータ１０が電気角度で１２０度だけ回転して、第２磁気センサ６０Ｖの出力信号の電圧レベルがＬｏｗからＨｉｇｈに変化するまで継続する。
　図６を参照する。本開示では、図６に示すように電気角度３６０度を６個の角度区域０～５に分ける。そして、ロータ位置がどの角度区域にあるかに応じて、Ｕ、Ｖ、およびＷ相突極の励磁を切り替える。Ｕ、Ｖ、Ｗ相突極のそれぞれが励磁される期間は、ロータ１０が電気角度で１２０度だけ回転する期間に一致する。
　図７を参照する。図７は、本実施形態におけるロータ位置とステータ突極の励磁状態との関係（励磁パターン）を示す図である。図７において、６個の角度区域０～５のそれぞれについて、３個の磁気センサ（ホールＩＣ）６０Ｕ、６０Ｖ、６０Ｗの出力信号レベルと、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の励磁状態とが記載されている。１個の角度区域の幅は電気角度で６０度である。
　図７において、３個の磁気センサ６０Ｕ、６０Ｖ、６０Ｗの出力信号レベルは、それぞれ、太い実線で示されている。これらの出力信号レベルは、それぞれ電気角度で１８０度シフトしたタイミングでＬｏｗとＨｉｇｈとの間を周期的に変化している。
　図７において、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の励磁状態は、「＋１」、「－１」、および「０」の符号によって識別される。「＋１」および「－１」は、それぞれ、「巻線を第１方向に電流が流れること」および「巻線を第１方向とは反対の第２方向に電流が流れる」ことを意味している。「０」は「電流が流れていない」ことを意味している。前述したように、ステータ突極２２に形成される磁束の方向は巻線３０を流れる電流の向きに依存しているが、トルクの大きさおよび向きは巻線３０を流れる電流の向きとは関係していない。従って、本開示においても、本来、巻線３０を流れる電流の向きは任意である。図７に記載されている「＋１」および「－１」をそれぞれ「－１」および「＋１」に反転しても良いし、全ての「－１」を「＋１」に置換しても良い。しかし、図７に例示する方向の電流を巻線に流すことは、後述するように、フルブリッジ回路を備える汎用的で安価なインバータの採用を可能にする利点をもたらす。　
　以下、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の励磁状態を図７に示すタイミングで変化させることにより、ロータ１０とステータ２０の位置関係がどのように変化するかを説明する。
　まず、図８Ａを参照する。図８Ａは、ロータ位置が－１５度（角度区域５）の励磁状態を模式的に示している。本開示におけるロータ位置は、ロータ突極１２ａの周方向における中心位置によって規定される。このロータ突極１２ａの周方向における中心位置は、図５および図６において、黒い三角形で示されていた。図８Ａに示される状態では、Ｖ相突極の巻線に「－１」の電流が流れ、Ｗ相突極の巻線に「＋１」の電流が流れる。このため、図８Ａには、Ｖ相突極を貫く上向きの矢印とＷ相突極を貫く下向きの矢印とが記載されている。これらの矢印は、それぞれ、励磁されたステータ突極２２が突極内に形成する磁束の向きを模式的に示している。図８Ａの位置では、Ｖ相突極に近接するロータ突極１２ｂがＶ相突極に引き寄せられてロータ１０にトルクが与えられる。Ｗ相突極に近接するロータ突極１２ａはＷ相突極に引き寄せられるが、このロータ突極１２ａが受ける力はロータ１０の径方向外側を向いているため、ロータ１０にはトルクが与えられない。
　次に、図８Ｂを参照する。図８Ｂは、ロータ位置が０度（角度区域５と角度区域０との境界）の励磁状態を模式的に示している。このときのロータ位置は、図５および図６に示されるロータ０の回転位置に等しい。このとき、磁気センサ６０Ｕは、センサマグネット５０におけるＳ極とＮ極との境界を検知して、出力信号レベルがＬｏｗからＨｉｇｈに変化する。その結果、Ｖ相突極の巻線に「－１」の電流が流れたままであるが、Ｗ相突極の巻線に流れていた電流は停止される。その代わり、Ｕ相突極の巻線に「＋１」の電流が流れ出す。このため、図８Ｂには、Ｖ相突極を貫く上向きの矢印とＵ相突極を貫く下向きの矢印とが記載されている。図８Ｂの位置では、Ｖ相突極に近接するロータ突極１２ｂがＶ相突極に引き寄せられてロータ１０にトルクが与えられる。
　次に、図８Ｃを参照する。図８Ｃは、ロータ位置が３０度（角度区域０）の励磁状態を模式的に示している。Ｖ相突極の巻線に「－１」の電流が流れ、Ｕ相突極の巻線に「＋１」の電流が流れている。このため、図８Ｃには、Ｖ相突極を貫く上向きの矢印とＵ相突極を貫く下向きの矢印とが記載されている。図８Ｃの位置では、Ｖ相突極に近接するロータ突極１２ｂがＶ相突極に引き寄せられてロータ１０にトルクが与えられる。また、Ｕ相突極に近接するロータ突極１２ａもＵ相突極に引き寄せられ始める。
　次に、図８Ｄを参照する。図８Ｄは、ロータ位置が４５度（角度区域０）の励磁状態を模式的に示している。Ｖ相突極の巻線に「－１」の電流が流れ、Ｕ相突極の巻線に「＋１」の電流が流れている状態が継続している。図８Ｄの位置では、Ｖ相突極に近接するロータ突極１２ｂがＶ相突極に引き寄せられてもロータ１０にトルクは与えられない。これに対し、Ｕ相突極に近接するロータ突極１２ａはＵ相突極に引き寄せられ、ロータ１０にトルクが与えられる。
　ここで、再び図７を参照する。図７に示す角度区域０では、「Ｕ非対向」および「Ｖ対向」の文字が記載されている。「Ｕ非対向」とは、Ｕ相突極がロータ突極に対向しない位置にあることを意味する。言い換えると、「Ｕ非対向」のとき、隣接する２個のロータ突極１２の中間とＵ相突極とが対向する。この例では、ロータ位置が１５度のときに「Ｕ非対向」が生じる。また、「Ｖ対向」とは、Ｖ相突極がロータ突極と対向していることを意味している。この例では、図８Ｄに示すように、ロータ位置が４５度のときに「Ｖ対向」が生じる。図７に示される他の角度区域１～５にも、例えば「Ｖ非対向」および「Ｕ対向」などの文字が存在するが、同様の意味を示している。
　次に、図８Ｅを参照する。図８Ｅは、ロータ位置が６０度（角度区域０と角度区域１との境界）の励磁状態を模式的に示している。Ｕ相突極の巻線には「＋１」の電流が流れている状態が継続しているが、Ｖ相突極の巻線に流れる電流は停止する。そして、Ｗ相突極の巻線には「－１」の電流が流れ始める。図８Ｅの位置では、Ｕ相突極に近接するロータ突極１２ａはＵ相突極に引き寄せられ、ロータ１０にトルクが与えられる。
　次に、図８Ｆを参照する。図８Ｆは、ロータ位置が７５度（角度区域１）の励磁状態を模式的に示している。Ｕ相突極の巻線およびＷ相突極の巻線に流れる電流は、図８Ｅにおける状態と同じである。図８Ｆの位置において、Ｗ相突極は、隣接する２つのロータ突極の中間位置に対向している（Ｗ非対向）。Ｕ相突極に近接するロータ突極１２ａはＵ相突極に引き寄せられ、ロータ１０にトルクが与えられる。
　次に、図８Ｇを参照する。図８Ｇは、ロータ位置が９０度（角度区域１）の励磁状態を模式的に示している。Ｕ相突極の巻線およびＷ相突極の巻線に流れる電流は、図８Ｆに示される状態の励磁状態と同様である。Ｕ相突極に近接するロータ突極１２ａはＵ相突極に引き寄せられ、また、Ｗ相突極に近接するロータ突極１２ｂはＷ相突極に引き寄せられロータ１０にトルクが与えられる。
　次に、図８Ｈを参照する。図８Ｈは、ロータ位置が１０５度（角度区域１）の励磁状態を模式的に示している。Ｕ相突極の巻線およびＷ相突極の巻線に流れる電流は、図８Ｇに示される状態の励磁状態と同様である。しかし、Ｕ相突極はロータ突極１２ａに対向するため、ロータ突極１２ａにトルクは与えられない。Ｗ相突極に近接するロータ突極１２ｂはＷ相突極に引き寄せられ、ロータ１０にトルクが与えられる。
　最後に、図８Ｉを参照する。図８Ｉは、ロータ位置が１２０度（角度区域１と角度区域２との境界）の励磁状態を模式的に示している。Ｕ相突極の巻線を流れていた電流は停止し、その代わり、Ｖ相突極の巻線に「＋１」の電流が流れ始める。Ｗ相突極の巻線に流れる電流に変化はない。Ｗ相突極に近接するロータ突極１２ｂはＷ相突極に引き寄せられ、ロータ１０にトルクが与えられる。
　図８Ｉに示されるロータ位置は、図５の第２磁気センサ６０Ｖがセンサマグネット５０におけるＳ極とＮ極との境界位置に対向することによって検知され得る。
　上述したように、Ｕ相突極の巻線に電流を流すことによってＵ相突極を励磁する期間は、ロータ位置が０度から１２０度の期間である。言い換えると、Ｕ相突極の巻線に電流を流し始めるロータ位置（基準位置Ｒｅｆ）は、Ｕ相突極が複数のロータ突極１２のいずれかに対向する位置から、電気角度で１０５度だけ逆転した位置である。シャフト４０に取り付けられるセンサマグネット５０におけるＳ極とＮ極との境界位置は、ロータ位置が基準位置Ｒｅｆに達したことを第１磁気センサ６０Ｕによって検知できるように決定される。具体的には、複数のロータ突極１２のうち少なくとも１つロータ突極１２の周方向の中心がＵ相突極の周方向の中心に整合しているとき、センサマグネット５０のＳ極とＮ極との境界位置が、第２磁気センサ６０Ｖに対向する位置からシャフト４０の周方向に沿って逆転側に電気角度で約１５度（機械角度で７．５度）とする。なお、センサマグネット５０のＳ極とＮ極との境界位置が、第２磁気センサ６０Ｖに対向する位置からシャフト４０の周方向に沿って逆転側に電気角度で１０度以上２０度以下（機械角度で５度以上１０度以下）の範囲に収まることが望ましい。電気角度で１０度以上２０度以下の範囲は、取り付け誤差として電気角度で±５度を想定している。
　図８Ａから図８Ｉを参照して、主として、Ｕ相突極が励磁されている期間(電気角度で１２０度)におけるロータ１０の移動を説明してきた。他の相のステータ突極が励磁されている期間も同様に理解することができる。Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のそれぞれを電気角度で１２０度だけ励磁する駆動方式を「１２０度通電」と呼ぶことができる。本実施形態では、電気角度で３６０度を６個の角度区域に分け、６ステップで励磁状態を切り替える（６ステップ駆動）。ロータ位置に応じて６ステップで励磁状態が切り替わることにより、ロータ位置がどの角度区域にあっても、常に、ロータ１０を正転させるトルクが発生する。
　図９は、本実施形態においてロータ１０に生じるトルクの大きさとロータ位置との関係を示すグラフである。トルクの大きさは、計算によって求められた。図９のグラフは、Ｕ相突極によって生じるトルクを示す曲線、Ｖ相突極によって生じるトルクを示す曲線、Ｗ相突極によって生じるトルクを示す曲線、および、合計トルクを示す曲線が記載されている。
　図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃは、それぞれ、Ｕ相突極によって生じるトルクを示す曲線、Ｖ相突極によって生じるトルクを示す曲線、およびＷ相突極によって生じるトルクを示す曲線を示すグラフである。これらの図から分るように、ロータ位置によっては、励磁された２相のステータ突極のうちの一方によって生じるトルクが負を示す場合がある。例えばロータ位置が０度から１５度の範囲内にあるとき、図１０Ａに示されるように、Ｕ相突極によって生じるトルクは負であるが、図１０Ｂに示されるように、Ｖ相突極によって生じるトルクは、充分に大きな正の値を示している。また、ロータ位置が４５度から６０度の範囲内にあるとき、図１０Ｂに示されるように、Ｖ相突極によって生じるトルクは負であるが、図１０Ａに示されるように、Ｕ相突極によって生じるトルクは、充分に大きな正の値を示している。このように、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極によって生じるトルクの一部が負であっても、図９に示されるように、合計トルクは常に正である。従って、ロータ１０を回転させる前の停止位置がどこであっても、ロータ位置が６個の角度区域０～６のいずれの角度区域内にあるかを検知することができれば、ロータ１０を常に正転方向に始動させることができる。また、ロータ位置の検出に必要な角度分解能は電気角度で６０度であるため、より分解能の高いレゾルバまたはロータリエンコーダなどの高価な角度センサが不要になる。
　図７に示される励磁パターンは、ＳＲモータ１００の回転始動時に実行される。ロータ１０が回転を開始した後は、ロータ１０の回転速度などに応じて他の励磁パターンを実現する駆動を行っても良い。例えば、第１磁気センサ６０Ｕの出力信号のレベルがＬｏｗからＨｉｇｈに変化したときから所定の大きさだけシフトしたタイミングでＵ相突極の励磁を開始するようにしてもよい。また、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の各巻線３０に通電する期間も、「１２０度通電」に制約されず、ロータ１０の回転速度などに応じて変化させても良い。
　本開示では、マグネットセンサ側から視たときのロータの回転方向が時計回りの方向である回転を「正転」と定義して実施形態を説明してきた。「正転」と「逆転」とは対称の関係にあるため、「正転」と「逆転」との定義を交換しても、本開示の効果を得ることは明らかである。そのような交換を行うと、図１Ａに示される構成の左右が反転し、図１Ａにおける反時計回りが「正転」の方向に一致する。
　本開示のリラクタンスモータは、上記の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータに限定されず、シンクロナスリラクタンスモータであってもよい。また、本開示によるリラクタンスモータの構造は、「６－４構造」に限定されず、例えば、「３－２構造」および「６－２構造」であってもよい。
＜モータシステム＞
　図１１は、本開示によるモータシステムの限定的ではない例示的な実施形態を示す回路図である。
　図１１に示されるモータシステム１０００は、上記のＳＲモータ１００と、ＳＲモータ１００の３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の巻線に電気的に接続されたインバータ回路２００と、インバータ回路２００に電気的に接続されたモータ制御回路３００とを備えている。
　モータ制御回路３００は、磁気センサ６０の出力を受け取り、ロータ位置が図５に示される３６０度の電気角度を６等分した６個の角度区域のいずれにあるかに応じて、ロータ位置が３６０度の電気角度だけ回転する間に３相の巻線に印加する電圧を切り替える駆動信号（ゲート制御信号）を出力する。この駆動信号に応じて、インバータ回路２００は、３相の巻線から順次選択された２相の巻線に電流を流す、各相のステータ突極を所定のタイミングで励磁する。本実施形態におけるモータ制御回路３００は、特にモータ始動時において、図７に示される励磁パターンを実現するための駆動信号をインバータ回路２００に入力する。
　図１１に例示されるインバータ回路２００は、フルブリッジインバータ備える汎用的なインバータ回路であり、直流電源４００に接続されて使用され得る。直流電源４００は、商用の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路（不図示）を含み得る。
　図１１のインバータ回路２００は、スイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3を備えている。スイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3は、それぞれ、例えば還流ダイオードを内蔵したＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、または、還流ダイオード素子が並列的に接続されたＭＯＳＦＥＴであり得る。ＭＯＳＦＥＴの代わりに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられても良い。これらのスイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3は、３相のフルブリッジ回路を構成している。スイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3のそれぞれのゲート電極（ゲート端子）は、モータ制御回路３００に接続されている。
　より詳細には、スイッチング素子ＨＳ1およびＬＳ1は、直流電源４００の正側に接続されたハイサイドラインＰＬと、負側に接続されたローサイドラインＮＬとの間で第１の接続点Ｎ１を介して直列に接続されている。第１の接続点Ｎ１は、ＳＲモータ１００におけるＵ相突極の巻線の一端に接続されている。スイッチング素子ＨＳ2およびＬＳ2は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第２の接続点Ｎ２を介して直列に接続されている。第２の接続点Ｎ２は、ＳＲモータ１００におけるＶ相突極の巻線の一端に接続されている。スイッチング素子ＨＳ3およびＬＳ3は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第３の接続点Ｎ３を介して直列に接続されている。第３の接続点Ｎ３は、ＳＲモータ１００におけるＷ相突極の巻線の一端に接続されている。
　この例において、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の巻線は、Ｙ結線またはデルタ結線によって接続されている。このため、例えばＵ相突極の巻線に電流を流すとき、その電流は、Ｖ相突極の巻線およびＷ相突極の巻線の少なくとも一方を通って帰還する必要がある。このような３相のフルブリッジ回路を備えるインバータ回路２００を使用すれば、図７に示される励磁パターンに従った駆動が可能になる。
　図１２は、３相のフルブリッジ回路を備える他のインバータ回路２００Ａの例を示す回路図である。図１２のインバータ回路２００Ａは、スイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5、Ｓ6およびダイオードＤ1、Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4、Ｄ5、Ｄ6を備えている。スイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5、Ｓ6は、典型的には、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴである。スイッチング素子ＨＳ1、ＨＳ2、ＨＳ3、ＬＳ1、ＬＳ2、ＬＳ3およびダイオードＤ1、Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4、Ｄ5、Ｄ6は、３相のフルブリッジ回路を構成している。スイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5、Ｓ6のそれぞれのゲート電極は、モータ制御回路３００に接続されている。
　より詳細には、スイッチング素子Ｓ1およびＳ2は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第１の接続点Ｎ１ａを介して直列に接続されている。ダイオードＤ1およびＤ2は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第２の接続点Ｎ１ｂを介して直列に接続されている。第１の接続点Ｎ１ａおよび第２の接続点Ｎ１ｂは、いずれも、ＳＲモータ１００におけるＵ相突極の巻線の一端に接続されている。スイッチング素子Ｓ3およびＳ4は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第３の接続点Ｎ２ａを介して直列に接続されている。ダイオードＤ3およびＤ4は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第４の接続点Ｎ２ｂを介して直列に接続されている。第３の接続点Ｎ２ａおよび第４の接続点Ｎ２ｂは、いずれも、ＳＲモータ１００におけるＶ相突極の巻線の一端に接続されている。スイッチング素子Ｓ5およびＳ6は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第５の接続点Ｎ３ａを介して直列に接続されている。ダイオードＤ5およびＤ6は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第６の接続点Ｎ３ｂを介して直列に接続されている。第５の接続点Ｎ３ａおよび第６の接続点Ｎ３ｂは、いずれも、ＳＲモータ１００におけるＷ相突極の巻線の一端に接続されている。
　図１２のインバータ回路２００Ａによっても、図７に示される励磁パターンに従った駆動が可能である。なお、この例においても、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の巻線は、Ｙ結線またはデルタ結線によって接続されている。
　次に、図１３を参照して非対称ハーフブリッジインバータを備えるインバータ回路２００Ｂの構成例を説明する。このようなインバータ回路２００Ｂを用いるとき、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の巻線は、相互に接続されておらず、それぞれの巻線を流れる電流は独立して制御され得る。
　図１３のインバータ回路２００Ｂは、スイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5、Ｓ6およびダイオードＤ1、Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4、Ｄ5、Ｄ6を備えている。スイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5、Ｓ6およびダイオードＤ1、Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4、Ｄ5、Ｄ6は、３相のハーフブリッジ回路を構成している。スイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5、Ｓ6のそれぞれのゲート電極は、モータ制御回路３００に接続されている。
　より詳細には、スイッチング素子Ｓ1およびダイオードＤ1は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第１の接続点Ｎ１ａを介して直列に接続されている。ダイオードＤ2およびスイッチング素子Ｓ2は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第２の接続点Ｎ１ｂを介して直列に接続されている。第１の接続点Ｎ１ａおよび第２の接続点Ｎ１ｂは、それぞれ、ＳＲモータ１００におけるＵ相突極の巻線の両端に接続されている。スイッチング素子Ｓ3およびダイオードＤ3は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第３の接続点Ｎ２ａを介して直列に接続されている。ダイオードＤ4およびスイッチング素子Ｓ4は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第４の接続点Ｎ２ｂを介して直列に接続されている。第３の接続点Ｎ２ａおよび第４の接続点Ｎ２ｂは、それぞれ、ＳＲモータ１００におけるＶ相突極の巻線の両端に接続されている。スイッチング素子Ｓ5およびダイオードＤ5は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第５の接続点Ｎ３ａを介して直列に接続されている。ダイオードＤ6およびスイッチング素子Ｓ6は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第６の接続点Ｎ３ｂを介して直列に接続されている。第５の接続点Ｎ３ａおよび第６の接続点Ｎ３ｂは、それぞれ、ＳＲモータ１００におけるＷ相突極の巻線の両端に接続されている。
　図１３のインバータ回路２００Ｂを使用するとき、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の巻線には、それぞれ独立して、一方向に電流が流れ得る。このため、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の励磁状態は、図１４に示さるように「＋１」または「０」によって表現され得る。なお、電流の向きが反対になるように接続されている場合は、「－１」または「０」によって励磁状態を表現することができる。
　前述したように、リラクタンスモータでは、ステータ２０の巻線を流れる電流の向きはトルクに影響しない。このため、インバータ回路は、３個の非対称ハーフブリッジインバータを含んでいてもよいし、３相フルブリッジインバータを含んでいても良い。
　図１５は、２個の３相フルブリッジインバータ２００Ｃを備えるインバータ回路２００Ｄの回路図である。２個の３相フルブリッジインバータ２００Ｃのそれぞれは、図１２のインバータ回路２００Ａと同一の構成を有している。このインバータ回路２００Ｄは、図１３のインバータ回路２００Ｂと同様に動作することができる。
　図１６は、モータ制御回路３００のハードウェア構成の例を示している。この例におけるモータ制御回路３００は、互いにバス接続されたＣＰＵ（中央演算ユニット）３２０、ＰＷＭ回路３３０、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）３４０、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３５０、およびＩ／Ｆ（入出力インタフェース）３６０を有している。図示されていない他の回路またはデバイス（ＡＤ変換器など）が付加的にバスに接続されていても良い。ＰＷＭ回路３３０は、インバータ回路２００に駆動信号を与える。この駆動信号は、インバータ回路２００におけるスイッチング素子のゲート端子に入力され、各スイッチング素子のオンオフが制御される。ＣＰＵ３２０の動作を規定するプログラムおよびデータは、ＲＯＭ３４０およびＲＡＭ３５０の少なくとも一方に記憶されている。このようなモータ制御回路３００は、例えば３２ビットの汎用的なマイクロコントローラによって実現され得る。そのようなマイクロコントローラは、例えば１個または複数の集積回路チップから構成され得る。
　モータ制御回路３００が行う各種の動作は、プログラムによって規定されている。このプログラムは、モータ始動時に図７の励磁パターンを実現するための駆動信号を生成してインバータ回路２００におけるスイッチング素子のゲート端子に入力する。始動後に生成する駆動信号は、回転速度に応じた公知の駆動方法を実現するように生成され得るため、ここでは詳細を記載しない。プログラムの内容の一部または全部を更新することにより、モータ制御回路３００の動作の一部または全部を変更することも可能である。そのようなプログラムの更新は、プログラムを格納した記録媒体を用いて行ってもよいし、有線または無線の通信によって行っても良い。通信は、図１６のＩ／Ｆ３６０を用いて行うことができる。モータ制御回路３００の構成は、図１６に示すものに限定されない。
　以上の説明から明らかなように、本開示のリラクタンスモータおよびモータシステムの実施形態によれば、永久磁石モータに広く用いられている、ホールＩＣなどの磁気センサを用いたロータ位置センシング技術およびフルブリッジインバータを効果的に利用してロータを起動することが可能になる。
　本開示のリラクタンスモータやおよびモータシステムは、電力を機械的エネルギに変換することが必要な各種の機械、装置、および、移動体の駆動源に利用され得る。
　　１０…ロータ、　　１２…ロータ突極、　　１２ａ…ロータ突極、　　１２ｂ…ロータ突極、　　２０…ステータ、　　２２…ステータ突極、　　３０…巻線、　　４０…シャフト、　　５０…センサマグネット、　　６０…磁気センサ、　　１００…ＳＲモータ、　　２００…インバータ回路、　　２００Ａ・２００Ｂ・２００Ｄ…インバータ回路、　　２００Ｃ…３相のフルブリッジインバータ、　　３００…モータ制御回路、　　３２０…ＣＰＵ（中央演算ユニット）、　　３３０…ＰＷＭ回路、　　３４０…ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、　　３５０…ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、　　３６０…Ｉ／Ｆ（入出力インタフェース）、　　４００…電源、　　１０００…モータシステム

Claims (11)

  1. 　リラクタンスモータであって、
    　Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のロータ突極を有するロータと、
    　Ｍ個（Ｍは３以上の整数）のステータ突極を有するステータと、
    　前記ステータ突極を励磁する３相の巻線と、
    　前記ロータに接続されて回転するシャフトと、
    　前記シャフトの外周に固定され、前記シャフトの周方向に沿って交互に配列されたＳ極およびＮ極を有するセンサマグネットと、
    　前記センサマグネットに対向する位置に配置された３個の磁気センサと、を備え、
    　前記センサマグネットの極数はＮである。
  2. 　請求項１に記載のリラクタンスモータであって、
    　Ｎは４、Ｍは６である。
  3. 　請求項１または２に記載のリラクタンスモータであって、
    　前記３相の巻線を、それぞれ、Ｕ、Ｖ、およびＷ相の巻線とし、
    　ｎおよびｍを、それぞれ、整数とするとき、
    　前記３個の磁気センサは、
    　第１位置に配置された第１磁気センサと、
    　前記第１位置から１２０度＋３６０度×ｍだけ前記シャフトの周方向に回転した第２位置に配置された第２磁気センサと、
    　前記第１位置から２４０度＋３６０度×ｎだけ前記シャフトの周方向に回転した第３位置に配置された第３磁気センサとによって構成されており、
    　複数の前記ロータ突極のうち少なくとも１つの当該ロータ突極における周方向の中心が、複数の前記ステータ突極のうち前記Ｕ相の巻線を有する当該ステータ突極の周方向の中心に整合しているとき、前記センサマグネットの前記Ｓ極と前記Ｎ極との境界位置は、前記第２磁気センサに対向する位置から前記シャフトの周方向に沿って逆回転側に１０度以上２０度以下の電気角度でシフトしている。
  4. 　請求項１から３のいずれかに記載のリラクタンスモータであって、
    　前記３個の磁気センサは、１２０度の機械角度ずつ位置が異なる３個のホールＩＣである。
  5. 　請求項１から４のいずれかに記載のリラクタンスモータであって、
    　前記３相の巻線は、Ｙ結線またはデルタ結線によって接続されている。
  6. 　請求項１から４のいずれかに記載のリラクタンスモータであって、
    　前記３相の巻線は、相互に電気的に独立している。
  7. 　モータシステムであって、
    　請求項１から６のいずれかに記載のリラクタンスモータと、
    　前記リラクタンスモータの前記３相の巻線に電気的に接続されたインバータ回路と、
    　前記インバータ回路に電気的に接続されたモータ制御回路と、を備え、
    　前記モータ制御回路は、前記磁気センサの出力を受け取り、前記ロータの角度位置が３６０度の電気角度を６等分した６個の角度区域のいずれにあるかに応じて、前記ロータが３６０度の電気角度だけ回転する間に前記３相の巻線に印加する電圧を切り替える駆動信号を出力し、
    　前記インバータ回路は、前記駆動信号に応じて前記３相の巻線に電圧を印加する。
  8. 　請求項７に記載のモータシステムであって、
    　前記モータ制御回路は、前記ロータを第１方向に回転させるとき、前記３相の巻線に１２０度通電を行う前記駆動信号を出力する。
  9. 　請求項８に記載のモータシステムであって、
    　前記インバータ回路は、前記駆動信号に応答して、前記３相の巻線から順次選択された２相の巻線に電流を流す。
  10. 　請求項９に記載のモータシステムであって、
    　前記インバータ回路は、前記３相の巻線のそれぞれに接続された３個の非対称ハーフブリッジインバータを含む。
  11. 　請求項９に記載のモータシステムであって、
    　前記インバータ回路は、前記３相の巻線に接続された少なくともひとつの３相フルブリッジインバータを含む。
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