(57)【要約】【課題】ロータの位置によらず所望の回転方向のトルクを生成してリラクタンスモータの始動特性を改善する。【解決手段】  本開示によるモータシステムは、リラクタンスモータと、このリラクタンスモータに接続された回路とを備える。本開示におけるリラクタンスモータは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のロータ突極を持つロータと、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）のステータ突極を持つステータと、ステータ突極を励磁する３相の巻線と、ロータの回転位置を検出するセンサとを有している。また、回路は、ロータを停止状態（初期位置）から第１方向に回転させるとき、３相の巻線に１２０度通電を行い、ロータを停止状態から第１方向とは逆である第２方向に回転させるとき、３相の巻線に１８０度通電を行う。
2018084093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータシステムであって、
リラクタンスモータと、
前記リラクタンスモータに接続された回路と、を備え、
前記リラクタンスモータは、
Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のロータ突極を持つロータと、
Ｍ個（Ｍは３以上の整数）のステータ突極を持つステータと、
前記ステータ突極を励磁する３相の巻線と、
前記ロータの回転位置を検出するセンサと、を有しており、
前記回路は、
前記ロータを停止状態から第１方向に回転させるとき、前記３相の巻線に１２０度通電を行い、前記ロータを前記停止状態から前記第１方向とは逆である第２方向に回転させるとき、前記３相の巻線に１８０度通電を行う。
【請求項２】
請求項１に記載のモータシステムであって、
前記リラクタンスモータは、前記ロータに接続されて回転するシャフトを有し、
前記センサは、
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、を有しており、
前記センサマグネットの極数はＮである。
【請求項３】
請求項２に記載のモータシステムであって、
Ｎは４、Ｍは６である。
【請求項４】
請求項３に記載のモータシステムであって、
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３個の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１０度以上２０度以下の電気角度でシフトしている。
【請求項５】
請求項２から５のいずれかに記載のモータシステムであって、
前記３個の磁気センサは、１２０度の機械角ずつ位置がずれた３個のホールＩＣである。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のモータシステムであって、
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。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載のモータシステムであって、
前記３相の巻線は、相互に電気的に独立している。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のモータシステムであって、
前記回路は、
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する。
【請求項９】
請求項７または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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、リラクタンスモータを備えるモータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
特表２００５−５３８６７２号公報には、スイッチトリラクタンスモータを静止時から始動するために必要なロータの角度位置（初期位相位置）を検出する方法が開示されている（０１１４段落）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５３８６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特表２００５−５３８６７２号公報に開示されている方法では、モータの巻線にパルス電圧を印加することにより、ロータの停止位置を検出している。任意の回転方向にロータを回転させるためには、巻線を流れる電流の反転を防ぐ必要があるため、所定の時間を置くことが記載されている。このため、所望の方向にロータを回転させるために相当の時間を要し、モータの始動特性が劣る。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示のモータシステムは、例示的な実施形態において、リラクタンスモータと、前記リラクタンスモータに接続された回路とを備え、前記リラクタンスモータは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のロータ突極を持つロータと、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）のステータ突極を持つステータと、前記ステータ突極を励磁する３相の巻線と、前記ロータの回転位置を検出するセンサとを有している。前記回路は、前記ロータを停止状態から第１方向に回転させるとき、前記３相の巻線に１２０度通電を行い、前記ロータを前記停止状態から前記第１方向とは逆である第２方向に回転させるとき、前記３相の巻線に１８０度通電を行う。
【発明の効果】
【０００９】
本開示のモータシステムの実施形態によれば、ロータを回転させたい方向に応じて異なる励磁パターンを採用するため、所望の方向のトルクを生成して回転方向を一意に決定できる。このため、リラクタンスモータにおける始動特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】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】図１Ｂは、図１ＡのＢ１−Ｂ２線断面図である。
【図２】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】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】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】図４Ｂは、電気角度で３６０度の範囲を１２個の角度区域０〜Ｘ１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】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】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】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】図７は、本実施形態における正転時の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】図８Ａは、本実施形態における正転時のロータ位置と励磁状態との関係を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本実施形態における正転時の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】図８Ｃは、本実施形態における正転時の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】図８Ｄは、本実施形態における正転時の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】図８Ｅは、本実施形態における正転時の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】図８Ｆは、本実施形態における正転時の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】図８Ｇは、本実施形態における正転時の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】図８Ｈは、本実施形態における正転時の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】図８Ｉは、本実施形態における正転時の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】図９は、本実施形態において正転時のロータ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】図１０Ａは、正転時の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】図１０Ｂは、正転時の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】図１０Ｃは、正転時の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】図１１は、本実施形態における逆転時の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１２Ａ】図１２Ａは、本実施形態における逆転時のロータ位置と励磁状態との関係を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本実施形態における逆転時のロータ位置と励磁状態との関係を示す他の図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本実施形態における逆転時の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１２Ｄ】図１２Ｄは、本実施形態における逆転時の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１２Ｅ】図１２Ｅは、本実施形態における逆転時の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１２Ｆ】図１２Ｆは、本実施形態における逆転時の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１２Ｇ】図１２Ｇは、本実施形態における逆転時の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１２Ｈ】図１２Ｈは、本実施形態における逆転時の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１２Ｉ】図１２Ｉは、本実施形態における逆転時の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１３】図１３は、本実施形態において逆転時のロータ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１４Ａ】図１４Ａは、逆転時の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１４Ｂ】図１４Ｂは、逆転時の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１４Ｃ】図１４Ｃは、逆転時の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１５】図１５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１６】図１６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１７】図１７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１８】図１８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１９】図１９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２０】図２０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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示によるモータシステムは、リラクタンスモータと、このリラクタンスモータに接続された回路とを備える。本開示におけるリラクタンスモータは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のロータ突極を持つロータと、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）のステータ突極を持つステータと、ステータ突極を励磁する３相の巻線と、ロータの回転位置を検出するセンサとを有している。また、回路は、ロータを停止状態（初期位置）から第１方向に回転させるとき、３相の巻線に１２０度通電を行い、ロータを停止状態から第１方向とは逆である第２方向に回転させるとき、３相の巻線に１８０度通電を行う。
【００１２】
本開示のモータシステムの実施形態によれば、ロータを回転させる方向に応じて異なる励磁パターンを採用するため、所望の方向のトルクを生成して回転方向を一意に決定できる。より具体的には、ロータを停止状態（初期位置）から第１方向に回転させるとき、ロータの停止位置によらず、第１方向の回転を引き起こすトルクを発生させることができる。また、−ロータを停止位置から第２方向に回転させるときは、ロータの停止位置によらず、第２方向の回転を引き起こすトルクを発生させることができる。所望の方向のトルクを生成して回転方向を一意に決定できるため、始動特性を改善することができる。
＜リラクタンスモータ＞
以下、本開示のモータシステムの限定的ではない例示的な実施形態を説明する。
【００１３】
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モータシステムが備え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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、本開示のモータシステムが備える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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、本開示のモータシステムが備える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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。なお、ロータ１０が逆転するとき、ロータ位置は０度（＝３６０度）から減少する。
【００３３】
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、ロータ１０の正転を行うとき、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。
【００３４】
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、正転時、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。なお、後述するように、Ｕ、Ｖ、Ｗ相突極のそれぞれが励磁される期間は、逆転時には、ロータ１０が電気角度で１８０度だけ回転する期間に一致する。
【００３５】
まず、図７を参照して正転時の動作を説明する。図７は、本実施形態における正転時の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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。また、図７に示す正転時の励磁パターンは、進角が４５度の駆動を実現する。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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
図７に示される励磁パターンは、ＳＲモータ１００の正転方向へ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。
【００５５】
次に、図１１を参照して逆転時の動作を説明する。図１１は、本実施形態における逆転時の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１１は、図７に対応する図面であり、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。図１１に示す励磁パターンを実行するとき、ロータ１０は逆転するため、ロータの停止位置が例えば角度区域５にある場合、ロータ位置は、角度区域５→角度区域４→角度区域３→・・・と移動していく。
【００５６】
図１１においても、図７と同様に、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。
【００５７】
図１１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」、「＋０．５」、「０」、「−０．５」、および「−１」の符号によって識別される。「＋１」および「＋０．５」は、それぞれ、「巻線を第１方向に第１の大きさの電流が流れること」および「巻線を第１方向に第１の大きさの半分の第２の大きさの電流が流れる」ことを意味している。「−１」および「−０．５」は、それぞれ、「巻線を第１方向とは反対の第２の方向に第１の大きさの電流が流れること」および「巻線を第２方向に第１の大きさ半分の第２の大きさの電流が流れる」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。図１１の例において、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極は、程度の差はあるものの、常に励磁されている。
【００５８】
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１１に記載されている「＋」および「−」の符号の一部または全部反転しても良い。しかし、図１１に例示する方向の電流を巻線に流すことは、図７について言及したように、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。
【００５９】
以下、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の励磁状態を図１１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。
【００６０】
まず、図１２Ａを参照する。図１２Ａは、ロータ位置が１８０度（角度区域２と角度区域３との境界）の励磁状態を模式的に示している。より正確には、ロータ位置が角度区域３から角度区域２に移動し、角度区域２の励磁状態に切り替わった状態を模式的に示している。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。図１２Ａに示される状態では、Ｕ相突極の巻線には「−１」の電流が流れ、Ｖ相突極の巻線に「＋０．５」の電流が流れ、Ｗ相突極の巻線に「＋０．５」の電流が流れる。このため、図１２Ａには、Ｕ相突極を貫く上向きの矢印とＶ相突突極および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が形成する突極内の磁束の向きを模式的示している。相対的に長い矢印は、「＋１」または「−１」の電流が流れていることを表し、相対的に短い矢印は、「＋０．５」または「−０．５」の電流が流れていることを表している。
【００６１】
図１２Ａの位置では、巻線に大きな電流が流れるＵ相突極に近接するロータ突極１２ａがＵ相突極に引き寄せられてロータ１０に逆転方向（図中の左方向）のトルク（負）が与えられる。Ｖ相突極はロータ１０に正転方向のトルク（正）を与え、Ｗ相突極はロータ１０に逆転方向のトルク（負）を与えることになる。トルクの合計値は、負となり、全体として逆転方向のトルクが生じる。
【００６２】
次に、図１２Ｂを参照する。図１２Ｂは、ロータ位置が１２０度（角度区域２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。より正確には、ロータ位置が角度区域２から角度区域１に移動し、角度区域１の励磁状態に切り替わった状態を模式的に示している。このとき、磁気センサ６０Ｖ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ＨｉｇｈからＬｏｗに変化する。その結果、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の巻線に、それぞれ、「−０．５」、「＋１」、および「−０．５」で示される電流が流れ出る。このため、図１２Ｂには、Ｕ相突極およびＷ相突極を貫く上向きの矢印とＶ相突極を貫く下向きの矢印とが記載されている。図１２Ｂ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に逆転方向のトルクが与えられる。Ｗ相突極はロータ１０に正転方向のトルクを与え、Ｕ相突極はロータ１０に逆転方向のトルクを与えることになる。トルクの合計値は、負となり、全体として逆転方向のトルクが生じる。
【００６３】
次に、図１２Ｃを参照する。図１２Ｃは、ロータ位置が１０５度（角度区域１、Ｕ対向）の励磁状態を模式的に示している。励磁状態は、図１２Ｂの状態と変化していない。しかし、Ｕ相突極がロータ１０の突極１２ａに対向しているため、Ｕ相突極はロータ１０にトルクを与えない。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に逆転方向のトルクが与えられる。Ｗ相突極はロータ１０に正転方向のトルクを与えるが、図１２Ｃの位置でも、トルクの合計値は、負となり、全体として逆転方向のトルクが生じる。
【００６４】
次に、図１２Ｄを参照する。図１２Ｄ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。励磁状態は、図１２Ｂおよび図１２Ｃの状態と変化していない。Ｕ相突極およびＷ相突極の両方がロータ１０に正転方向のトルクを与えるが、そのトルクの大きさは小さい。巻線に相対的に大きな電流が流れる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に逆転方向のトルクが与えられる。トルクの合計値は、負となり、全体として逆転方向のトルクが生じる。
【００６５】
次に、図１２Ｅを参照する。図１２Ｅは、ロータ位置が７５度（角度区域１、Ｗ非対向）の励磁状態を模式的に示している。励磁状態は、図１２Ｄの状態と変化していないが、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）。このため、Ｗ相突極によるトルクは生じない。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に正転方向のトルクが与えられる。また、Ｖ相突極に近接するロータ突極１２ａがＶ相突極に引き寄せられ、それによって生じる逆転方向のトルクの絶対値が相対的に大きい。トルクの合計値は、負となり、全体として逆転方向のトルクが生じる。
【００６６】
次に、図１２Ｆを参照する。図１２Ｆは、ロータ位置が６０度（角度区域１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。より正確には、ロータ位置が角度区域１から角度区域０に移動し、角度区域０の励磁状態に切り替わった状態を模式的に示している。このとき、磁気センサ６０Ｗ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、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の巻線に、それぞれ、「＋０．５」、「＋０．５」、および「−１」で示される電流が流れる。このため、図１２Ｆには、Ｗ相突極を貫く上向きの矢印とＵ相突極およびＶ相突極を貫く下向きの矢印とが記載されている。図１２Ｆの位置では、Ｗ相突極に近接するロータ突極１２ａがＷ相突極に引き寄せられてロータ１０に逆転方向のトルクが与えられる。Ｕ相突極はロータ１０に正転方向のトルクを与え、Ｖ相突極はロータ１０に逆転方向のトルクを与えることになる。トルクの合計値は、負となり、全体として逆転方向のトルクが生じる。
【００６７】
次に、図１２Ｇを参照する。図１２Ｇ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。励磁状態は、図１２Ｆの状態と変化していないが、Ｖ相突極は、ロータ突極１２ｂに対向している（Ｖ対向）。Ｖ相突極はロータ突極１２ｂに対向するため、ロータ突極１２ｂ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１２ａはＷ相突極に引き寄せられ、ロータ１０に逆転方向のトルクが与えられる。Ｕ相突極はロータ１０に正転方向のトルクを与えるが、図１２Ｇの位置でも、トルクの合計値は、負となり、全体として逆転方向のトルクが生じる。
【００６８】
次に、図１２Ｈを参照する。図１２Ｈ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。励磁状態は、図１２Ｇの状態と変化していない。Ｕ相突極およびＶ相突極は、ロータ１０に正転方向のトルクを与えるが、その大きさは小さい。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、ロータ１０に逆転方向のトルクが与えられる。トルクの合計値は、負となり、全体として逆転方向のトルクが生じる。
【００６９】
最後に、図１２Ｉを参照する。図１２Ｉは、ロータ位置が０度（角度区域０と角度区域５との境界）の励磁状態を模式的に示している。より正確には、ロータ位置が角度区域０から角度区域５に移動し、角度区域５の励磁状態に切り替わった状態を模式的に示している。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ＨｉｇｈからＬｏｗに変化する。その結果、Ｕ相突極、Ｖ相突極、およびＷ相突極の巻線に、それぞれ、「＋１」、「−０．５」、および「−０．５」で示される電流が流れ出す。このため、図１２Ｉには、Ｖ相突極およびＷ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１２Ｆの位置では、Ｕ相突極に近接するロータ突極１２ｂがＵ相突極に引き寄せられてロータ１０に逆転方向のトルクが与えられる。この状態でも、トルクの合計値は、負となり、全体として逆転方向のトルクが生じる。
【００７０】
ロータ位置が他の角度区域にあっても、同様にして図１１に示す励磁パターンを実行すれば、常に負のトルクを生成してロータ１０を逆転させることができる。
【００７１】
図１１の励磁パターンは、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のそれぞれを電気角度で１８０度だけ励磁する駆動方式であり、「１８０度通電」と呼ぶことができる。このような逆転時の励磁パターンは、進角が１３５度の駆動を実現する。ロータ位置がどの６個の角度区域にあっても、常に、ロータ１０を逆転させるトルク（負）が発生する。
【００７２】
図１３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１３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。
【００７３】
図１４Ａ、図１４Ｂ、および図１４Ｃ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３相のステータ突極のうちのいずれかによって生じるトルクが正を示す場合がある。しかし、図１３に示されるように、合計トルクは常に負である。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を常に逆正転方向に始動させることができる。正転の場合と同様に、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。
【００７４】
図１１に示される励磁パターンは、ＳＲモータ１００の逆転方向へ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、「１８０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。
【００７５】
図９および図１３からわかるように、正転時における合計トルクの絶対値は、逆転時における合計トルクの絶対値よりも大きい。このため、本開示によるモータシステムを実施する場合、より大きなトルクが必要とされる方向の合計トルクが最大になるように正転方向を決定すればよい。本開示では、マグネットセンサ側から視たとき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。
【００７６】
本開示のモータシステムが備える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。
【００７７】
＜モータシステム＞
図１５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。
【００７８】
図１５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。
【００７９】
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または図１１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。いずれの励磁パターンを選択するかは、ロータを回転させたい方向に応じて決定される。
【００８０】
図１５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。
【００８１】
図１５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。
【００８２】
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。
【００８３】
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、例えば図７または図１１に示される励磁パターンに従った駆動が可能になる。
【００８４】
本開示によるモータシステムの実施形態によれば、前述した励磁パターンに従った駆動を行うことにより、ロータを停止状態（初期位置）から正転させるとき、ロータの停止位置によらず、正転方向の合計トルクを発生させることができる。また、ロータを停止位置から逆転させるときは、ロータの停止位置によらず、逆転方向の合計トルクを発生させることができる。このため、所望の方向のトルクを生成して回転方向を一意に決定できるため、リラクタンスモータの始動特性を改善することができる。
【００８５】
図１６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１６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。
【００８６】
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。
【００８７】
図１６のインバータ回路２００Ａによっても、例えば図７または図１１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。
【００８８】
次に、図１７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。
【００８９】
図１７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。
【００９０】
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。
【００９１】
図１７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１８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。
【００９２】
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。
【００９３】
図１９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１６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１７のインバータ回路２００Ｂと同様に動作することができる。
【００９４】
図２０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。
【００９５】
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または図１１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２０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２０に示すものに限定されない。
【００９６】
以上の説明から明らかなように、本開示の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所望の回転方向に速やかに起動することが可能になる。また、ロータ位置の検出は、上記の実施形態における検出の例に限定されない。磁気センサの代わりに他のロータ位置センシング技術を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本開示モータシステムは、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。
【符号の説明】
【００９８】
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
【図１Ａ】
2018084093.tif 000003
【図１Ｂ】
2018084093.tif 000004
【図２】
2018084093.tif 000005
【図３】
2018084093.tif 000006
【図４Ａ】
2018084093.tif 000007
【図４Ｂ】
2018084093.tif 000008
【図４Ｃ】
2018084093.tif 000009
【図５】
2018084093.tif 000010
【図６】
2018084093.tif 000011
【図７】
2018084093.tif 000012
【図８Ａ】
2018084093.tif 000013
【図８Ｂ】
2018084093.tif 000014
【図８Ｃ】
2018084093.tif 000015
【図８Ｄ】
2018084093.tif 000016
【図８Ｅ】
2018084093.tif 000017
【図８Ｆ】
2018084093.tif 000018
【図８Ｇ】
2018084093.tif 000019
【図８Ｈ】
2018084093.tif 000020
【図８Ｉ】
2018084093.tif 000021
【図９】
2018084093.tif 000022
【図１０Ａ】
2018084093.tif 000023
【図１０Ｂ】
2018084093.tif 000024
【図１０Ｃ】
2018084093.tif 000025
【図１１】
2018084093.tif 000026
【図１２Ａ】
2018084093.tif 000027
【図１２Ｂ】
2018084093.tif 000028
【図１２Ｃ】
2018084093.tif 000029
【図１２Ｄ】
2018084093.tif 000030
【図１２Ｅ】
2018084093.tif 000031
【図１２Ｆ】
2018084093.tif 000032
【図１２Ｇ】
2018084093.tif 000033
【図１２Ｈ】
2018084093.tif 000034
【図１２Ｉ】
2018084093.tif 000035
【図１３】
2018084093.tif 000036
【図１４Ａ】
2018084093.tif 000037
【図１４Ｂ】
2018084093.tif 000038
【図１４Ｃ】
2018084093.tif 000039
【図１５】
2018084093.tif 000040
【図１６】
2018084093.tif 000041
【図１７】
2018084093.tif 000042
【図１８】
2018084093.tif 000043
【図１９】
2018084093.tif 000044
【図２０】
2018084093.tif 000045
【国際調査報告】
2018084093.tif 000046
2018084093.tif 000047
2018084093.tif 000048
2018084093.tif 000049