特許 5851654 同期電動機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5851654

(24)【登録日】2015年12月11日

(45)【発行日】2016年2月3日

(54)【発明の名称】同期電動機

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/12 20060101AFI20160114BHJP

   H02K 21/14 20060101ALI20160114BHJP

   H02K 21/22 20060101ALI20160114BHJP

   H02K 21/24 20060101ALI20160114BHJP

   H02K 1/27 20060101ALI20160114BHJP

   H02K 1/06 20060101ALI20160114BHJP

【ＦＩ】

   H02K21/12 M

   H02K21/14 M

   H02K21/22 M

   H02K21/24 M

   H02K1/27 501M

   H02K1/27 503

   H02K1/27 502Z

   H02K1/06 A

【請求項の数】5

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2015-512939(P2015-512939)

(86)(22)【出願日】2014年11月27日

(86)【国際出願番号】JP2014081438

【審査請求日】2015年3月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】513042056

【氏名又は名称】成田 憲治

(74)【代理人】

【識別番号】100083404

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 拓也

(72)【発明者】

【氏名】成田 憲治

【審査官】 田村 耕作

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２２６８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１６５９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１８２９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３０９７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８２６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５３１０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２３３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１９６２１８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ２１／１２

Ｈ０２Ｋ １／０６

Ｈ０２Ｋ １／２７

Ｈ０２Ｋ ２１／１４

Ｈ０２Ｋ ２１／２２

Ｈ０２Ｋ ２１／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの内周面側に上記ロータが配置されているインナーロータ式の同期電動機において、
上記界磁は、強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を有し、上記各界磁磁極が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の支持部材を介して強磁性体の回転軸に取り付けられ、上記界磁磁極の各々は、外径側の１つのラジアル面と、上記回転軸の軸方向に沿った両側面側の２つのアキシャル面とを有し、
上記各界磁磁極のラジアル面には、隣接する極性が交互に逆となるように永久磁石が設けられており、
上記電機子は、環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記界磁磁極の上記ラジアル面と上記各アキシャル面とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル面の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル面の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、
上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
上記直流励磁鉄心は、上記回転軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、上記回転軸と上記直流励磁鉄心との間および上記直流励磁鉄心と上記界磁磁極のフラックスゲート部との間にそれぞれ存在する空隙を励磁エアギャップとして、通電により発生する磁束が、上記回転軸のＮ極側→第１励磁エアギャップ→Ｎ極側の上記直流励磁鉄心→第２励磁エアギャップ→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のアキシャル面と上記環状鉄心との間のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記環状鉄心と上記偶数番目または奇数番目の界磁磁極のアキシャル面との間のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→第３励磁エアギャップ→上記Ｓ極側の直流励磁鉄心→第４励磁エアギャップ→上記回転軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、
上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記アキシャル面のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得るとともに、上記ラジアル面のエアギャップにおいて上記永久磁石の磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴とする同期電動機。

【請求項2】

電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの内周面側に上記ロータが配置されているインナーロータ式の同期電動機において、
上記界磁は、強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を有し、上記各界磁磁極が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の支持部材を介して強磁性体の回転軸に取り付けられ、上記界磁磁極の各々は、外径側の１つのラジアル面と、上記回転軸の軸方向に沿った両側面側の２つのアキシャル面とを有し、
上記各界磁磁極の少なくとも１つのアキシャル面には、隣接する極性が交互に逆となるように永久磁石が設けられており、
上記電機子は、環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記界磁磁極の上記ラジアル面と上記各アキシャル面とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル面の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル面の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、
上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
上記直流励磁鉄心は、上記回転軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、上記回転軸と上記直流励磁鉄心との間および上記直流励磁鉄心と上記界磁磁極のフラックスゲート部との間にそれぞれ存在する空隙を励磁エアギャップとして、通電により発生する磁束が、上記回転軸のＮ極側→第１励磁エアギャップ→Ｎ極側の上記直流励磁鉄心→第２励磁エアギャップ→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記界磁磁極のラジアル面と上記環状鉄心との間のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記環状鉄心と上記界磁磁極のラジアル面との間のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→第３励磁エアギャップ→上記Ｓ極側の励磁鉄心→第４励磁エアギャップ→上記回転軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、
上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記ラジアル面のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得るとともに、上記アキシャル面のエアギャップにおいて上記永久磁石の磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴とする同期電動機。

【請求項3】

電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの外周面側に上記ロータが配置されているアウターロータ式の同期電動機において、
上記ロータは、強磁性体の固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された非磁性体からなるケーシングと、上記ケーシングの内周面側に取り付けられる界磁とを含み、
上記界磁は、上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を備え、上記界磁磁極の各々は、上記ケーシングの円周側の内周面に配置される１つのラジアル磁極部と上記ケーシングの上記固定軸の軸方向に沿った両側の内周面に配置される２つのアキシャル磁極部とを有し、
上記各界磁磁極のラジアル磁極部には、隣接する極性が交互に逆となるように永久磁石が設けられており、
上記電機子は、内周側が非磁性体の支持部材を介して上記固定軸に固定される強磁性体からなる環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記各界磁磁極の上記ラジアル磁極部と上記各アキシャル磁極部とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル磁極部の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル磁極部の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、
上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
上記直流励磁鉄心は、上記固定軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、上記直流励磁鉄心と上記界磁磁極のフラックスゲート部との間に存在する空隙を励磁エアギャップとして、通電により発生する磁束が、上記固定軸のＮ極側→Ｎ極側の直流励磁鉄心→第５励磁エアギャップ→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記界磁磁極の上記アキシャル磁極部と上記環状鉄心との間のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記環状鉄心と上記界磁磁極のアキシャル磁極部との間のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→第６励磁エアギャップ→上記Ｓ極側の直流励磁鉄心→上記固定軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、
上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記アキシャル磁極部のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得るとともに、上記ラジアル磁極部のエアギャップにおいて上記永久磁石の磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴とする同期電動機。

【請求項4】

電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの外周面側に上記ロータが配置されているアウターロータ式の同期電動機において、
上記ロータは、強磁性体の固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された非磁性体からなるケーシングと、上記ケーシングの内周面側に取り付けられる界磁とを含み、
上記界磁は、上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を備え、上記界磁磁極の各々は、上記ケーシングの円周側の内周面に配置される１つのラジアル磁極部と上記ケーシングの上記固定軸の軸方向に沿った両側の内周面に配置される２つのアキシャル磁極部とを有し、
上記各界磁磁極の少なくとも１つのアキシャル磁極部には、隣接する磁極が交互に逆となるように永久磁石が設けられており、
上記電機子は、内周側が非磁性体の支持部材を介して上記固定軸に固定される強磁性体からなる環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記各界磁磁極の上記ラジアル磁極部と上記各アキシャル磁極部とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル磁極部の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル磁極部の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、
上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
上記直流励磁鉄心は、上記固定軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、上記直流励磁鉄心と上記界磁磁極のフラックスゲート部との間に存在する空隙を励磁エアギャップとして、通電により発生する磁束が、上記固定軸のＮ極側→Ｎ極側の直流励磁鉄心→第５励磁エアギャップ→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記界磁磁極の上記ラジアル磁極部と上記環状鉄心との間のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記環状鉄心と上記界磁磁極のラジアル磁極部との間のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→第６励磁エアギャップ→上記Ｓ極側の直流励磁鉄心→上記固定軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、
上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記ラジアル磁極部のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得るとともに、上記アキシャル磁極部のエアギャップにおいて上記永久磁石の磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴とする同期電動機。

【請求項5】

上記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の同期電動機において、上記永久磁石は、表面磁石方式，埋込磁石方式もしくはコンセクエントポール方式のいずれか１つの方式の磁石よりなる。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、１つのラジアルエアギャップ面と２つのアキシャルエアギャップ面の３面のエアギャップ面を有効利用して、よりトルク密度、出力密度を高めた同期電動機に関し、さらに詳しく言えば、さらに直流励磁磁石による界磁と、永久磁石による界磁とを組み合わせたハイブリッド励磁型の同期電動機に関する。

【背景技術】

【0002】

電動機の一例として直流励磁界磁型同期電動機がある。この種の電動機は、ロータの回転制御用として励磁用コイルと励磁鉄心を備えている。通常、この励磁コイルには、スリップリングを介して給電される。しかしながら、スリップリングは、ブラシとともに摩耗するため信頼性が低いという欠点がある。

【0003】

そこで、スリップリングを使用しない直流励磁界磁型同期電動機が提案されている。その一例として、非特許文献１の電動機がある。図１８に示すように、この電動機１Ａは、２つの界磁をクローポール型の組み合わせとして回転軸２１に固定されたロータ２Ａと、ロータ２Ａのラジアル方向の側面に対向するように配置された環状のステータ３Ａとを備えている。

【0004】

ロータ２Ａは、界磁鉄心２２のアキシャル側の側面（図１８では左側面）の一部が切り欠かれており、その切り欠き部２３に、一端が図示しない支持部材にて片持ちで支持された励磁鉄心４Ａの自由端側をロータ２Ａの内側に差し込んだ構造となっている。

【0005】

これによれば、励磁鉄心４Ａの励磁コイル４１に直流電流を流す
ことにより、クローポールの偶数極の界磁のうち、例えば偶数番目の極がＮ極、奇数番目の極がＳ極となるようにそれぞれ励磁され、ステータ３Ａ側の電機子の回転磁界との間にトルクが発生する。

【0006】

また別の例として、非特許文献２の電動機がある。図１９に示すように、この電動機１Ｂは、円盤状のロータ２Ｂと、ロータ２Ｂのラジアル方向の外周面に沿って環状のステータ３Ｂが配置されたインナーロータ型である。

【0007】

図１９（ａ）に示すように、ロータ２Ｂの界磁鉄心５１の中央部に円周方向の溝を切り、左右それぞれに偶数個の歯を形成するとともに、歯と歯の間には円周方向の巾が歯とほぼ等しいスロットを設け、左右で歯とスロットが互い違いに向き合うように配置して、左側のスロットにはＮ極の永久磁石を表面に張り付け、右側のスロットにはＳ極の永久磁石を表面に張り付ける。

【0008】

ステータ３Ｂの電機子鉄心３２の中央部には円周方向に溝３４を切り、そこにリング状の励磁コイル４１を埋め込み直流電流を流すと界磁の永久磁石５２，５３を張り付けていない歯には左側の界磁においてはＮ極、右側の界磁の歯にはＳ極の極性の磁界が発生し、界磁全体では偶数極の磁界が形成され、電機子の回転磁界との間にトルクが発生する。

【0009】

しかしながら、上述した２種類の電動機には次のような問題があった。すなわち、両者ともエアギャップ面がラジアル方向にのみ設けられているため、トルク密度や出力密度が低いという欠点がある。

【0010】

また、後者については、界磁の磁束の流れは、永久磁石及び直流励磁電磁石の双方共、左側（右側）の正極（負極）の磁石→界磁鉄心（バックヨーク）→右側（左側）の負極（正極）の磁石→エアギャップ→右側（左側）の電機子鉄心→左側（右側）の電機子鉄心→エアギャップ→左側（右側）の正極（負極）の磁石というジグザグ状の磁路を形成するため、電機子鉄心内部を回転軸方向に、〔極数×回転速度〕に比例する周波数の交流磁束が流れることになり、そのため大きな渦電流が発生し、効率が低下するという欠点がある。

【0011】

モータのトルクは、界磁による直流磁界と電機子による交流磁界とが対向して形成されたエアギャップを介して相互に作用して発生する引力−斥力（マクスウェル応力）の運動方向成分の総和に比例する。すなわち、モータのトルク∝〔電機子の交流磁束の大きさ〕×〔界磁の直流磁束の大きさ〕
で表される。

【0012】

モータのサイズ、電気装荷、磁気装荷、及びエアギャップ長などをほぼ一定と仮定すると、次の二つの式が成立する。すなわち、〔電機子の交流磁束の大きさ〕∝〔電機子と界磁とが対向するエアギャップ面積〕であり、〔界磁の直流磁束の大きさ〕∝〔電機子と界磁とが対向するエアギャップ面積〕である。したがって、モータのトルク密度や出力密度を大きくするためには、電機子と界磁とが対向するエアギャップの面積を大きくすることが望ましい。

【0013】

しかしながら、両者はラジアル方向またはアキシャル方向のみのエアギャップをもって対向配置されているため、より高出力化を図るためには、上述したようにステータとロータのエアギャップ面積をさらに増やす必要がある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】井上正哉ら著、平成２２年電気学会産業応用部門大会（２−Ｓ８−３），ＩＩ−７７〜８０頁，「脱レアアース２−クローポールモータの可能性」

【非特許文献2】堺和人著、平成２２年電気学会産業応用部門大会（３−７），ＩＩＩ−１４９〜１５４頁，「ハイブリッド可変磁力モータの原理と基本特性」

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

そこで、本発明の課題は、同期電動機において、大トルク密度・出力密度を得るため、電機子と界磁とが対向する有効なエアギャップの面積を大きくすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上述した課題を解決するため、第１の発明は、電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの内周面側に上記ロータが配置されているインナーロータ式の同期電動機において、
上記界磁は、強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を有し、上記各界磁磁極が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の支持部材を介して強磁性体の回転軸に取り付けられ、上記界磁磁極の各々は、外径側の１つのラジアル面と、上記回転軸の軸方向に沿った両側面側の２つのアキシャル面とを有し、上記各界磁磁極のラジアル面には、隣接する極性が交互に逆となるように永久磁石が設けられており、
上記電機子は、環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記界磁磁極の上記ラジアル面と上記各アキシャル面とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル面の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル面の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、
上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
上記直流励磁鉄心は、上記回転軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、上記回転軸と上記直流励磁鉄心との間および上記直流励磁鉄心と上記界磁磁極のフラックスゲート部との間にそれぞれ存在する空隙を励磁エアギャップとして、通電により発生する磁束が、上記回転軸のＮ極側→第１励磁エアギャップ→Ｎ極側の上記直流励磁鉄心→第２励磁エアギャップ→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のアキシャル面と上記環状鉄心との間のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記環状鉄心と上記偶数番目または奇数番目の界磁磁極のアキシャル面との間のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→第３励磁エアギャップ→上記Ｓ極側の直流励磁鉄心→第４励磁エアギャップ→上記回転軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、
上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記アキシャル面のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得るとともに、上記ラジアル面のエアギャップにおいて上記永久磁石の磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴としている。

【0017】

また、第２の発明は、電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの内周面側に上記ロータが配置されているインナーロータ式の同期電動機において、
上記界磁は、強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を有し、上記各界磁磁極が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の支持部材を介して強磁性体の回転軸に取り付けられ、上記界磁磁極の各々は、外径側の１つのラジアル面と、上記回転軸の軸方向に沿った両側面側の２つのアキシャル面とを有し、上記各界磁磁極の少なくとも１つのアキシャル面には、隣接する極性が交互に逆となるように永久磁石が設けられており、
上記電機子は、環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記界磁磁極の上記ラジアル面と上記各アキシャル面とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル面の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル面の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
上記直流励磁鉄心は、上記回転軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、上記回転軸と上記直流励磁鉄心との間および上記直流励磁鉄心と上記界磁磁極のフラックスゲート部との間にそれぞれ存在する空隙を励磁エアギャップとして、通電により発生する磁束が、上記回転軸のＮ極側→第１励磁エアギャップ→Ｎ極側の上記直流励磁鉄心→第２励磁エアギャップ→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記界磁磁極のラジアル面と上記環状鉄心との間のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記環状鉄心と上記界磁磁極のラジアル面との間のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→第３励磁エアギャップ→上記Ｓ極側の励磁鉄心→第４励磁エアギャップ→上記回転軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記ラジアル面のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得るとともに、上記アキシャル面のエアギャップにおいて上記永久磁石の磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴としている。

【0018】

第３の発明は、電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの外周面側に上記ロータが配置されているアウターロータ式の同期電動機において、
上記ロータは、強磁性体の固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された非磁性体からなるケーシングと、上記ケーシングの内周面側に取り付けられる界磁とを含み、
上記界磁は、上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を備え、上記界磁磁極の各々は、上記ケーシングの円周側の内周面に配置される１つのラジアル磁極部と上記ケーシングの上記固定軸の軸方向に沿った両側の内周面に配置される２つのアキシャル磁極部とを有し、上記各界磁磁極のラジアル磁極部には、隣接する極性が交互に逆となるように永久磁石が設けられており、
上記電機子は、内周側が非磁性体の支持部材を介して上記固定軸に固定される強磁性体からなる環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記各界磁磁極の上記ラジアル磁極部と上記各アキシャル磁極部とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル磁極部の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル磁極部の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、
上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
上記直流励磁鉄心は、上記固定軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、上記直流励磁鉄心と上記界磁磁極のフラックスゲート部との間に存在する空隙を励磁エアギャップとして、通電により発生する磁束が、上記固定軸のＮ極側→Ｎ極側の直流励磁鉄心→第５励磁エアギャップ→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記界磁磁極の上記アキシャル磁極部と上記環状鉄心との間のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記環状鉄心と上記界磁磁極のアキシャル磁極部との間のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→第６励磁エアギャップ→上記Ｓ極側の直流励磁鉄心→上記固定軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記アキシャル磁極部のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得るとともに、上記ラジアル磁極部のエアギャップにおいて上記永久磁石の磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴としている。

【0019】

さらに第４の発明は、電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの外周面側に上記ロータが配置されているアウターロータ式の同期電動機において、
上記ロータは、強磁性体の固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された非磁性体からなるケーシングと、上記ケーシングの内周面側に取り付けられる界磁とを含み、
上記界磁は、上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を備え、上記界磁磁極の各々は、上記ケーシングの円周側の内周面に配置される１つのラジアル磁極部と上記ケーシングの上記固定軸の軸方向に沿った両側の内周面に配置される２つのアキシャル磁極部とを有し、上記各界磁磁極の少なくとも１つのアキシャル磁極部には、隣接する磁極が交互に逆となるように永久磁石が設けられており、
上記電機子は、内周側が非磁性体の支持部材を介して上記固定軸に固定される強磁性体からなる環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記各界磁磁極の上記ラジアル磁極部と上記各アキシャル磁極部とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル磁極部の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル磁極部の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、
上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
上記直流励磁鉄心は、上記固定軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、上記直流励磁鉄心と上記界磁磁極のフラックスゲート部との間に存在する空隙を励磁エアギャップとして、通電により発生する磁束が、上記固定軸のＮ極側→Ｎ極側の直流励磁鉄心→第５励磁エアギャップ→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記界磁磁極の上記ラジアル磁極部と上記環状鉄心との間のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記環状鉄心と上記界磁磁極のラジアル磁極部との間のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→第６励磁エアギャップ→上記Ｓ極側の直流励磁鉄心→上記固定軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記ラジアル磁極部のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得るとともに、上記アキシャル磁極部のエアギャップにおいて上記永久磁石の磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴としている。

【0020】

より好ましい態様として、上記永久磁石は、表面磁石方式，埋込磁石方式もしくはコンセクエントポール方式のいずれか１つの方式の磁石よりなることが好ましい。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、ステータ側とロータ側との間に、１つのラジアルエアギャップ面と２つのアキシャルエアギャップを設け、この３つのエアギャップにおける磁界の極性を、同一回転角の位置において、電機子にあっては時間的および空間的に同極性となるようにし、界磁にあっては空間的に同極性となるようにしたことにより、トルク密度・出力密度をより増大させた同期電動機を得ることができる。

【0022】

さらに、界磁磁極のラジアル面とアキシャル面のいずれか一方に直流励磁磁石による界磁を形成し、いずれか他方に永久磁石による界磁を形成し、この２種類の界磁を組み合わせたハイブリッド励磁型の界磁を形成し、双方の磁束が互いに独立して並列に流れるようにすることによって、始動、加速、ならびに低速時においては直流励磁電流を増やしてトルクを増大させることができる。また、高速時においては、直流励磁電流を減らすことによって高速化をはかることができるので、界磁が全て永久磁石からなる同期電動機のように弱め界磁のために無駄な電流を流す必要がないので、効率を向上できるという利点もある。

【0023】

また、永久磁石と直流励磁磁石の磁束の流れが並列であるため、直流励磁磁束は、アキシャルエアギャップ側に永久磁石がある場合はラジアル側を、ラジアルエアギャップ側に永久磁石がある場合はアキシャル側を通り、透磁率が空気並みの磁気抵抗の大きい永久磁石が存在する磁路は通らないので、少ない直流電力で直流励磁磁束を発生させることが出来る。

【0024】

界磁が全て永久磁石によって形成される永久磁石型同期電動機の場合、高速時には界磁の磁束を減らすため電機子巻線に弱め界磁のための電流を流す必要があるが、この技術によれば、励磁電流を減らすことによってその目的が達成できるので電力の無駄がなく、高速時において、効率を向上させることができるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1A】本発明の第１−１実施形態に係るインナーロータ式の同期電動機を示す模式的な断面図。

【図1B】本発明の第１−２実施形態に係るインナーロータ式の同期電動機を示す模式的な断面図。

【図2A】上記第１−１実施形態におけるロータ（界磁）の（ａ）左側面図および（ｂ）右側面図。

【図2B】上記第１−２実施形態におけるロータ（界磁）の（ａ）左側面図および（ｂ）右側面図。

【図3A】上記第１−１実施形態のロータの界磁磁極を示す斜視図。

【図3B】上記第１−２実施形態のロータの界磁磁極を示す斜視図。

【図4】上記第１実施形態におけるステータ（電機子）の（ａ）中央縦断面図および（ｂ）そのＡ−Ａ断面図。

【図5】上記第１実施形態における電機子巻線と三相交流電源の接続状態を示す結線図。

【図6】界磁磁極と励磁鉄心との相対的な位置関係と磁束の流れ方向を説明する説明図。

【図7】上記第１実施形態におけるステータの変形例を示す要部断面図。

【図8】上記変形例における電機子巻線と三相交流電源の接続状態を示す結線図。

【図9A】本発明の第２−１実施形態に係るアウターロータ式の同期電動機を示す模式的な断面図。

【図9B】本発明の第２−２実施形態に係るアウターロータ式の同期電動機を示す模式的な断面図。

【図10A】上記第２−１実施形態におけるロータの界磁磁極を示す斜視図。

【図10B】上記第２−２実施形態におけるロータの界磁磁極を示す斜視図。

【図11A】上記第２−１実施形態におけるロータの（ａ）左側面図および（ｂ）右側面図。

【図11B】上記第２−２実施形態におけるロータの（ａ）左側面図および（ｂ）右側面図。

【図12】上記第２実施形態におけるステータの側面図。

【図13】上記第２実施形態における電機子巻線と三相交流電源の接続状態を示す結線図。

【図14】上記第２実施形態におけるステータの変形例を示す（ａ）側面図，（ｂ）Ｂ−Ｂ線断面図および（ｃ）電機子巻線の巻回形態を説明する説明図。

【図15】上記変形例おける電機子巻線と三相交流電源の接続状態を示す結線図。

【図16】インナーロータ式の直流励磁磁束の流れを説明するための模式図。

【図17】アウターロータ式の直流励磁磁束の流れを説明するための模式図。

【図18】第１従来例として、クローポール型電動機を示す模式図。

【図19】（ａ）〜（ｃ）第２従来例として、直流励磁界磁型同期電動機を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0026】

次に、図１〜１５を参照して、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【0027】

図１Ａ，Ｂに示すように、この第１実施形態に係る同期電動機１００Ａ（以下、単に電動機１００Ａということがある）は、強磁性体からなる回転軸２１と、回転軸２１に同軸的に取り付けられた界磁を有する環状のロータ２００Ａと、ロータ２００Ａの界磁を励磁する励磁コイル４３０および励磁鉄心４００Ａを有し、ロータ２００Ａの外周面に沿って配置され、電機子の機能を有するステータ３００Ａとを備えたインナーロータ式の直流励磁界磁型同期電動機であり、全体が円筒形状のケーシング５００Ａの中に収納されている。

【0028】

ここで、図１Ａ，図２Ａ，図３Ａの各図に示す電動機１００Ａを本発明の第１実施形態の第１態様（以下、第１−１実施形態という）に係る電動機とし、 図１Ｂ，図２Ｂ，図３Ｂの各図に示す電動機１００Ａを本発明の第１実施形態の第２態様（以下、第１−２実施形態という）に係る電動機とする。

【0029】

この第１実施形態において、ケーシング５００Ａは、回転軸２１の軸線方向に沿って２分割されており、カップ型のケーシング本体５１０と、ケーシング本体５１０の開口部を塞ぐように取り付けられる蓋部材５２０とを備えている。ケーシング５００Ａは、例えばアルミニウムなどの非磁性体からなる。

【0030】

ケーシング本体５１０と蓋部材５２０との取付面にはフランジ部５１１，５２１が形成されており、フランジ部５１１，５２１同士を互いに突き当てた状態でネジ止めすることにより、ケーシング５００Ａが形成される。なお、溶接で一体化してもよい。

【0031】

ケーシング本体５１０および蓋部材５２０の軸線方向の中央には、挿通孔５１２，５２２を有し、各挿通孔５１２，５２２に隣接して軸受部４１，４１が同軸的に配置されている。この実施形態において、軸受部４１，４１は、ボールベアリングからなり、外輪側がケーシング５００に支持され、内輪側が回転軸２１を軸支している。

【0032】

図２Ａ，Ｂを併せて参照して、ロータ２００Ａは、中心に回転軸２１が同軸的に接合された支持部材２１０と、支持部材２１０の外周面に沿って取り付けられる複数の界磁磁極２２０とを備えている。

【0033】

支持部材２１０は、非磁性体からなる円管状を呈し、その外周面には、偶数個の界磁磁極２２０が固定されている。支持部材２１０に界磁磁極２２０を固定する方法の一例としては、ダイカストや樹脂成形などが用いられて良い。

【0034】

図３Ａ，Ｂを併せて参照して、界磁磁極２２０は、１つのラジアルティース面２２１と、２つのアキシャルティース面２２２，２２３とを有し、中心から半径方向の外側に向かうにつれて円周方向の幅が漸次大きくなる扇形柱状に形成されている。

【0035】

図１Ａ〜図４を参照して、第１−１実施形態のロータ２００Ａのラジアルティース面２２１には、永久磁石２４０Ａが設けられている。永久磁石２４０Ａは、代表的にはネオジム磁石が用いられるが、これ以外の永久磁石が用いられても良い。

【0036】

永久磁石２４０Ａは、それぞれラジアルティース面２２１の形状に合わせて円弧状（かまぼこ状）に形成されており、ラジアルティース面２２１の表面に沿ってＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）状に配置されている。各永久磁石２４０Ａは、隣接する永久磁石２４０Ａの極性が交互に異極となるように配置されている。

【0037】

この第１−１実施形態において、永久磁石２４０Ａは、ラジアルティース面２２１よりも一回り小さい円弧状に形成されており、永久磁石２４０Ａの外周にはラジアルティース面２２１の一部が露出しているが、ラジアルティース面２２１の全面を覆うように永久磁石２４０Ａを配置しても良い。

【0038】

これによれば、第１−１実施形態のロータ２００Ａの界磁磁極２２０のうち、ラジアル面２２１では永久磁石２４０Ａからなる界磁が形成され、２つのアキシャル面２２２，２２３では直流励磁鉄心により励磁される直流電磁石からなる界磁が形成されることで、ハイブリッド型の界磁が形成される。

【0039】

また別の態様として、図１Ｂ〜図４を参照して、第１−２実施形態のロータ２００Ａの各界磁磁極２２０のアキシャルティース面２２２，２２３には、永久磁石２４０Ｂが設けられている。永久磁石２４０Ｂは、代表的にはネオジム磁石が用いられるが、これ以外の永久磁石が用いられても良い。

【0040】

永久磁石２４０Ｂは、それぞれ各アキシャルティース面２２２，２２３の形状に合わせて扇状に形成されており、各アキシャルティース面２２２，２２３の中心にＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）状に配置されている。各永久磁石２４０Ｂは、隣接する永久磁石２４０Ｂの極性が交互に異極となるように配置されている。

【0041】

この第１−２実施形態において、永久磁石２４０Ｂは各アキシャルティース面２２２，２２３よりも一回り小さい扇状に形成されており、永久磁石２４０Ｂの外周には各アキシャルティース面２２２，２２３の一部が露出しているが、後述するフラックスバリア部２３１およびフラックスゲート部２３２を残して、各アキシャルティース面２２２，２２３の全面を永久磁石２４０Ｂで覆い隠してもよい。

【0042】

これによれば、第１−２実施形態のロータ２００Ｂの界磁磁極２２０のうち、ラジアル面２２１は、直流励磁鉄心により励磁される直流電磁石からなる界磁が形成され、２つのアキシャル面２２２，２２３は永久磁石２４０Ｂからなる界磁が形成された、いわゆるハイブリッド型の界磁が形成される。

【0043】

第１実施形態において、界磁磁極２２０の一方のアキシャルティース面２２２には、励磁鉄心４００からの磁束（フラックス）が界磁磁極２２０内に入らないようにするためのフラックスバリア部２３１が設けられていてもよい。

【0044】

この実施形態において、フラックスバリア部２３１は、一方のアキシャルティース面２２２の外周面から内側に向けて凹まされた凹部からなり、この凹部によって形成される大きな空隙Ｇｂが大きな磁気抵抗として機能することにより、界磁磁極２２０内に入ることを防ぐようになっている。

【0045】

界磁磁極２２０の他方のアキシャルティース面２２３には、フラックスゲート部２３２が設けられている。フラックスゲート部２３２は、励磁鉄心４００Ａとの空隙Ｇｇを小さくして磁気抵抗を小さくし、磁束の通りやすい構造とする。

【0046】

この実施形態において、フラックスバリア部２３１の空隙間隔は３ｍｍ以上、フラックスゲート部２３２の空隙間隔は０．３〜１ｍｍ程度であってよい。

【0047】

フラックスバリア部２３１およびフラックスゲート部２３２は、各界磁磁極２２０の内径側（回転軸２１の軸中心側）に配置されている。

【0048】

この実施形態において、界磁磁極２２０は、８極（２２０ａ〜２２０ｈ）分が設けられており、各界磁磁極２２０の間には、各界磁磁極２２０の間にフラックスが流れないようするため、フラックスバリアとして空隙Ｇｒが設けられている。この空隙Ｇｒの間隔も３ｍｍ以上であってよい。

【0049】

図２Ａ（ａ），図２Ｂ（ａ）に示すように、ステータ２００Ａの左側面において、各界磁磁極２２０のうち、偶数番目の界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）には、上述したフラックスバリア部２３１が配置されており、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）にはフラックスゲート部２３２が配置されている。

【0050】

これに対して、図２Ａ（ｂ），図２Ｂ（ｂ）に示すように、ステータ２００Ａの右側面において、各界磁磁極２２０のうち、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）は、上述したフラックスバリア部２３１が配置されており、偶数番目の界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）には、フラックスゲート部２３２が配置されている。

【0051】

次に、図４を併せて参照して、ステータ３００Ａは、ヨークとしての環状鉄心３１０を備え、環状鉄心３１０には、界磁磁極２２０のラジアルティース面２２１に対しラジアルエアギャップＧ１（図１では上下方向の面）をもって対向するラジアルティース部３１１と、ロータ２のアキシャルティース面２２２，２２３に対し２つのアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３（図１では左右方向の面）をもって対向する２つのアキシャルティース部３１２，３１３とを有し、それらがロータ２００Ａを挟むようにコ字型（門型）に配置されている。なお、このヨークはラジアルティース部３１１と２つのアキシャルティース部３１２，３１３の３つのティースの機能を持っている。

【0052】

ラジアルティース部３１１は、環状鉄心３１１の内周面からロータ２００ＡのラジアルエアギャップＧ１に向けて突設されており、その先端はロータ２００Ａの外径に沿って円弧状に切り欠かれている。この例において、ラジアルティース部３１１は、９スロット分が設けられている。各ラジアルティース部３１１の周囲には電機子巻線Ｃが巻回されるスロット部３２０が形成されている。

【0053】

各アキシャルティース部３１２，３１３は、基端側（ラジアルティース３１０側）から先端側（回転軸２１側）に向けて、円周方向の幅が漸次小さくなる扇状に形成されており、各アキシャルティース部３１２，３１３の間には、各アキシャルティース部３２の間で磁束が流れないようにするためのフラックスバリアとして空隙Ｇｓが設けられている。

【0054】

各アキシャルティース部３２０の先端側は、それぞれ半円状に切り欠かれており、その内径側に後述する励磁鉄心４００Ａが収納される開口部３２１が設けられている。

【0055】

この実施形態において、ステータ鉄心３００Ａは、電磁鋼鈑をプレス加工により軸方向に、アキシャル部、ラジアル部そしてアキシャル部と積層加工した環状の積層体からなるが、これ以外に焼結磁心や圧粉磁心などが用いられてもよい。

【0056】

ラジアルティース部３１１と２つのアキシャルティース部３１２，３１３とは一体成形されているため、ステータ３００Ａの内部にロータ２００Ａを保持するためには、ステータ３００Ａは円周方向に少なくとも２以上に分割されていなくてはならない。そこで、この実施形態において、ステータ３００Ａは１２０°間隔で半径方向に沿って分割面３０１によって３分割されている。

【0057】

各スロット部３２０内には電機子巻線Ｃが配線されるが、この第１実施形態において、電機子巻線Ｃは、ラジアルティース部３１１の周縁に沿わせて集中巻巻線として巻線される。

【0058】

図５に三相交流電源（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）と電機子巻線Ｃの接続状態を示す。なお、図５において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相中のアッパーラインが付されている巻線は、アッパーラインが付されていない巻線とは逆巻きであることを示しているが、本明細書では、逆巻きの巻線には便宜上アンダーラインを付している。

【0059】

この三相集中巻電機子巻線のＵ相（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）、Ｖ相（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）、Ｗ相（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）に対して、インバータで構成される三相交流電源より三相交流（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を通電することにより、最外径面側のラジアルティース部３１１と、両側面のアキシャルティース部３１２，３１３とに、空間的・時間的に同極の回転磁界が発生し、ロータ２００Ａ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクが発生する。

【0060】

ロータ２００Ａがステータ３００Ａの内側に配置されることで、ロータ２００Ａのラジアルティース面２２１とステータ３００Ａのラジアルティース部３１１とがラジアルエアギャップＧ１をもって対向し、ロータ２００Ａの２つのアキシャルティース面２２２，２２３と、ステータ３００Ａのアキシャルティース部３１２，３１３とが２つのアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３をもって対向配置され、３つの磁気的に有効なエアギャップ面Ｇ１〜Ｇ３が形成される。

【0061】

再び図１を参照して、励磁鉄心４００Ａは、ロータ２００Ａの一方のアキシャルティース面２２２（図１では左側面）に対向するように配置された第１励磁鉄心４１０と、ロータ２００Ａの他方のアキシャルティース面２２３（図１では右側面）に対向するように配置された第２励磁鉄心４２０とを備えている。

【0062】

第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２０は、回転軸２１を中心に同軸的な環状鉄心であって、その一部はフラックスバリア部２３１およびフラックスゲート部２３２と対向するように配置されている。

【0063】

第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２０の各内周面には、リング状の励磁コイル４３０が回転軸２１を周回するように設けられている。各励磁コイル４３０は、磁化方向が同一になるように接続されて１つの励磁コイル４３０として機能する有芯コイルになっている。

【0064】

図６に示すように、励磁コイル４３０に直流電流を流すことで、有芯コイルによって回転軸２１は磁石となる。そこで、図１Ａのように第１励磁鉄心４１０側がＮ極で、第２励磁鉄心４２０側がＳ極とし、ラジアルティース面２２１に永久磁石２４０Ａを配置した場合、励磁磁束（フラックス）は回転軸２１のＮ極側→回転軸２１と励磁鉄心４１０との間の空隙Ｇｓ（第１励磁エアギャップ）→第１励磁鉄心４１０→励磁鉄心４１０とフラックスゲート部２３２との間の空隙Ｇｇ（第２励磁エアギャップ）→偶数番目のフラックスゲート部２３２を有する界磁磁極（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）→アキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→電機子３００Ａの環状鉄心３１１→アキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→奇数番目のフラックスゲート２３２を有する界磁磁極（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ→励磁鉄心４２０とフラックスゲート部２３２との間の空隙Ｇｇ（第３励磁エアギャップ）→奇数番目のフラックスゲート部２３２→第２励磁鉄心４２０→回転軸２１と励磁鉄心４２０との間の空隙Ｇｓ（第４励磁エアギャップ）→回転軸２１のＳ極側へと流れる直流励磁磁気回路が形成される。

【0065】

なお、電機子鉄心と界磁磁極２２０との間のアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３、回転軸２１と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙Ｇｓ、ならびに、フラックスゲート部２３２と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙Ｇｇについては、磁気抵抗を小さくするため、それらの間の長さを相対的に短くし、界磁磁極２２０相互間の空隙Ｇｒ、ならびに、フラックスゲート部２３２を除く界磁磁極２２０と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙Ｇｂは、フラックスバリア部２３１を含め、磁気抵抗を大きくするため、それらの長さを相対的に長くする。

【0066】

これに対し、図１Ｂのように第１励磁鉄心４１０側がＮ極で、第２励磁鉄心４２０側がＳ極とし、アキシャルティース面２２２，２２３に永久磁石２４０Ｂを配置した場合、励磁磁束（フラックス）は回転軸２１のＮ極側→回転軸２１と励磁鉄心４１０との間の空隙Ｇｓ（第１励磁エアギャップ）→第１励磁鉄心４１０→励磁鉄心４１０とフラックスゲート部２３２との間の空隙Ｇｇ（第２励磁エアギャップ）→偶数番目のフラックスゲート部２３２を有する界磁磁極（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）→ラジアル側のエアギャップＧ１→電機子３００Ａの環状鉄心３１１→ラジアル側のエアギャップＧ１→奇数番目のフラックスゲート２３２を有する界磁磁極（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ→励磁鉄心４２０とフラックスゲート部２３２との間の空隙Ｇｇ（第３励磁エアギャップ）→奇数番目のフラックスゲート部２３２→第２励磁鉄心４２０→回転軸２１と励磁鉄心４２０との間の空隙Ｇｓ（第４励磁エアギャップ）→回転軸２１のＳ極側へと流れる直流励磁磁気回路が形成される。

【0067】

なお、電機子鉄心と界磁磁極２２０との間のラジアル側のエアギャップＧ１、回転軸２１と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙Ｇｓ（第１および第４励磁エアギャップ）、ならびに、フラックスゲート部２３２と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙Ｇｇ（第２および第３励磁エアギャップ）については、磁気抵抗を小さくするため、それらの間の長さを相対的に短くし、界磁磁極２２０相互間の空隙Ｇｒ、ならびに、フラックスゲート部２３２を除く界磁磁極２２０と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙Ｇｂは、フラックスバリア部２３１を含め、磁気抵抗を大きくするため、それらの長さを相対的に長くする。

【0068】

これによれば、偶数番目の各界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）を流れる磁束の向きと、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）の中を流れる磁束の向きとが逆となり、その結果、例えば、偶数番目の界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）がＮ極となり、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）がＳ極となるように励磁される。

【0069】

図１６に示すように、Ｎ極界磁磁極からＳ極界磁磁極に流れる磁束は、環状鉄心３１０のラジアルティース部３１１と２つのアキシャルティース部３１２，３１３の３つの流れに分流する。ここで、回転軸２１、励磁鉄心４００Ａ、界磁磁極２２０、電機子鉄心３１０の透磁率は、空気の透磁率に比べて３ケタ以上大きいので、これらの部分における磁気抵抗は小さいため無視し、磁気抵抗の大きい空気層（すなわち、エアギャップ部Ｇ１〜Ｇ３）や励磁鉄心とフラックスゲート部２３１の空隙のみについて考えた場合、直流励磁磁束は、アンペアの周回積分の法則から下式１−１によって算出される。

【0070】

【数1】

【0071】

また、ラジアルギャップ面に永久磁石がある実施例１−２の場合、永久磁石の透磁率は空気と同等であり、かつその厚さ（ｔ）は通常エアギャップの１０倍以上あるので、２／（〔ｇ＋ｔ〕／μＳｒ）≒０となり、実際には式１−２のような近似式によって算出される。

【0072】

【数2】

【0073】

さらに、アキシャルギャップ面に永久磁石がある実施例１−２の場合は、永久磁石の透磁率は空気と同等であり、かつ永久磁石の厚さ（ｔ）≫ｇであるので、４／（ｇ／μＳａ）≒０となり、実際には式１−３のような近似式によって算出される。

【0074】

【数3】

【0075】

ここで、上記式１−１〜１−３の各パラメータは以下の通りである。
Φ：磁束量
Ｉ：直流電流
Ｓａ：アキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３の面積（一方のアキシャルエアギャップにおける界磁磁極と電機子鉄心の対向面積の総和の１／２）
Ｓｒ：ラジアルエアギャップの面積（ラジアルエアギャップにおける界磁磁極と電機子鉄心の対向面積の総和の１／２）
Ｓ１：励磁鉄心とフラックスゲート部の対向面積
Ｓ２：励磁鉄心と回転軸との対向面積
Ｎ：直流励磁コイル１個の巻数
ｇ：エアギャップの長さ
ｃ：励磁空隙の長さ
μ：空気の透磁率、永久磁石の透磁率

【0076】

次に、図７を参照して、この第１実施形態のステータ３００Ａの変形例を説明するが、上述した実施形態と同一または同一と見なされる箇所には同じ参照符号を付した。この変形例のステータ３００Ａ’は、ラジアルティース部３１０と、２つのアキシャルティース部３１２，３１３とがそれぞれ独立して形成されており、それらがロータ２００Ａを挟むようにコ字型（門型）に配置されている。

【0077】

ラジアルティース部３１１は、ロータ２００Ａの外周面に対して同心円状に９箇配置されている。ラジアルティース部３１１は、環状鉄心の周囲に電機子巻線Ｃが巻回されている。基本的な構造は上述したステータ３００Ａのラジアルティース部３１１と同様である。

【0078】

各アキシャルティース部３１２，３１３は、中心から半径方向の外側に向かって円周方向の幅が漸次大きくなる扇状に形成されており、それらが円周方向に複数、この例では９個が環状に配置されている。アキシャルティース部３２０には、電機子巻線Ｃが巻回されている。

【0079】

ラジアルティース部３１１と、２つのアキシャルティース部３１２，３１３に対して図８に示すような三相交流結線を施し、そこに三相交流を通電することにより、最外径面側のラジアルティース部３１１と、両側面のアキシャルティース部３１２，３１３とに、空間的・時間的に同一極性の回転磁界が発生し、ロータ２００Ａ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクおよび出力が発生する。

【0080】

この第１実施形態に係る２つの実施態様（第１−１実施形態と第１−２実施形態）によれば、直流励磁磁石による界磁と永久磁石による界磁とを組み合わせたハイブリッド型の界磁を形成したことにより、始動から加速の段階では直流励磁磁石による大きなトルクを利用して立ち上がり、高速回転時には、直流励磁電流を減らし、永久磁石の磁束のみで運転することにより、電力消費を効率的に行え、無駄な電力の消費を抑えることができる。

【0081】

次に、図９〜図１５を参照して、第２実施形態のアウターロータ式の直流励磁界磁型同期電動機について説明する。

【0082】

図９Ａ，Ｂに示すように、この第２実施形態の同期電動機１００Ｂ（以下、単に電動機１００Ｂということがある）は、強磁性体からなる固定軸２５と、固定軸２５に固定されたステータ３００Ｂと、固定軸２５に軸受部材４１，４１を介して回転可能に支持されたケーシング５００Ｂの内面に界磁を有するロータ２００Ｂと、界磁を励磁する励磁コイル４３０が巻回された励磁鉄心４００Ｂとを有し、ステータ３００Ｂの外周面側にロータ２００Ｂが配置されたアウターロータ式の直流励磁界磁型同期電動機である。

【0083】

ここで、図９Ａ，図１０Ａ，図１１Ａの各図に示す電動機１００Ｂを本発明の第２実施形態の第１態様（以下、第２−１実施形態という）に係る電動機とし、 図９Ｂ，図１０Ｂ，図１１Ｂの各図に示す電動機１００Ｂを本発明の第２実施形態の第２態様（以下、第２−２実施形態という）に係る電動機とする。

【0084】

この第２実施形態において、ケーシング５００Ｂは、ステータ３００Ｂが固定される固定軸２５の軸線方向に沿って２分割されており、一方の第１ケーシング５１０（ケーシング本体）は、円筒カップ状に形成されており、その中央部分には、固定軸２５が挿通される挿通孔５１２が設けられている。ケーシング５００Ｂは、例えばアルミニウムなどの非磁性体が用いられる。

【0085】

他方の第２ケーシング５２０（蓋部材）は、第１ケーシング５１０の開口部５１１を塞ぐ蓋部材として形成され、その中央部分には、固定軸２５が挿通される挿通孔５２２が設けられている。

【0086】

第１ケーシング５１０と第２ケーシング５２０の開口部側にはともに、フランジ部５１１，５２１が形成されており、フランジ部４１２，４２２同士を互いに突き合わせた状態で、図示しない例えばネジによってネジ止めすることにより、ケーシング５１０，５２０同士が強固に連結される。第１ケーシング５１０と第２ケーシング５２０は溶接接合されてもよい。

【0087】

ケーシング５００Ｂは、上記挿通孔５１２，５２２の部分にラジアル軸受け４１，４１を有し、ラジアル軸受け４１，４１を介して固定軸２５がケーシング５００Ｂに支持されている。

【0088】

図１０Ａ，Ｂおよび図１１Ａ，Ｂを併せて参照して、ロータ２００Ｂは、ステータ３００Ｂのラジアル面に対してラジアルエアギャップＧ１をもって対向配置されるラジアルティース部２５１と、ステータ３００Ｂの２つアキシャル面に対してラジアルエアギャップＧ２，Ｇ３をもって対向配置される２つのアキシャルティース部２５２，２５３とを有する界磁磁極２５０を備えている。

【0089】

界磁磁極２５０は、例えば電磁鋼板などの強磁性体を軸線方向に沿って積層したものからなるが、これ以外に焼結磁心や圧粉磁心などが用いられてもよい。各界磁磁極２５０の間には、界磁磁極２５０間で磁束が流れないようにするためのフラックスバリアとしての空隙Ｇｒが形成されている。

【0090】

この第２実施形態において、界磁磁極２５０は、ラジアルティース部２５１の両端からアキシャルティース部２５２，２５３が直角に一体的に延設された断面コ字状に形成されている。アキシャルティース部２５２，２５３は、基端側（ラジアル界磁磁極２５１側）から自由端側（固定軸２５側）に向かうにつれて円周方向の幅が漸次小さくなる扇状に形成されている。

【0091】

図９Ａ〜図１１Ａを参照して、第２−１実施形態のロータ２００Ｂのラジアルティース部２５１には、永久磁石２６０Ａが設けられている。永久磁石２６０Ａは、代表的にはネオジム磁石が用いられるが、これ以外の永久磁石が用いられても良い。

【0092】

永久磁石２６０Ａは、それぞれラジアルティース部２５１の形状に合わせて円弧状（かまぼこ状）に形成されており、ラジアルティース部２５１の表面に沿ってＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）状に配置されている。各永久磁石２６０Ｂは、隣接する永久磁石２６０Ａの極性が交互に異極となるように配置されている。

【0093】

この第２−１実施形態において、永久磁石２６０Ａは、ラジアルティース部２５１よりも一回り小さい円弧状に形成されており、永久磁石２６０Ａの外周にはラジアルティース部２５１の一部が露出しているが、ラジアルティース部２５１の全面を覆うように永久磁石２４０Ｂを配置しても良い。

【0094】

この第２−１実施形態において、永久磁石２６０Ａは、ラジアルティース部２５１の一部を凹ませた凹部内に埋設されており、ラジアルティース部２５１の内周面と永久磁石２６０Ａの表面とが同一平面となるように配置されている。また、永久磁石２６０Ａの左右両端（アキシャルティース部２５２，２５３側）には、永久磁石２６０Ａの磁束がアキシャルティース部２５２，２５３に流れないようにするためのフラックスバリア２５４が設けられている。

【0095】

これによれば、第２−１実施形態のロータ２００Ａでは、界磁磁極２５０のうち、ラジアル部２５１では永久磁石２６０Ａからなる界磁が形成され、２つのアキシャルティース部２５２，２５３には、直流励磁鉄心により励磁される直流電磁石からなる界磁が形成されることで、ハイブリッド励磁型の界磁が形成される。

【0096】

また別の態様として、図９Ｂ〜図１１Ｂを参照して、第２−２実施形態のロータ２００Ｂの各界磁磁極２２０のアキシャルティース部２５２，２５３には、永久磁石２６０Ｂが設けられている。永久磁石２６０Ｂは、代表的にはネオジム磁石が用いられるが、これ以外の永久磁石が用いられても良い。

【0097】

永久磁石２６０Ｂは、それぞれ各アキシャルティース部２５２，２５３の形状に合わせて扇状に形成されており、各アキシャルティース部２５２，２５３の中心にＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）状に配置されている。各永久磁石２６０Ａは、隣接する永久磁石２６０Ａの極性が交互に異極となるように配置されている。

【0098】

この第２−２実施形態において、永久磁石２６０Ｂは各アキシャルティース部２５２，２５３よりも一回り小さい扇状に形成されており、永久磁石２６０Ｂの外周には各アキシャルティース部２５２，２５３の一部が露出しているが、後述するフラックスバリア部２６１およびフラックスゲート部２６２を残して、各アキシャルティース部２５２，２５３の全面を永久磁石２６０Ｂで覆い隠してもよい。

【0099】

この第２−２実施形態において、永久磁石２６０Ｂは、アキシャルティース部２５２の一部を凹ませた凹部内に埋設されており、アキシャルティース部２５２の内周面と永久磁石２６０Ｂの表面とが同一平面となるように配置されている。また、永久磁石２６０Ｂの上端（ラジアルティース部２５１側）には、永久磁石２６０Ｂの磁束がラジアルティース部２５１に流れないようにするためのフラックスバリア２５４が設けられている。

【0100】

これによれば、第２−２実施形態のロータ２００Ｂの界磁磁極２５０のうち、ラジアル面２５１では、直流励磁鉄心により励磁される直流電磁石からなる界磁が形成され、２つのアキシャルティース部２５２，２５３は永久磁石２６０Ｂからなる界磁が形成されることで、ハイブリッド励磁型の界磁が形成される。

【0101】

２つのアキシャルティース部２５２，２５３のうち、一方のアキシャルティース部２５２部（図１０では左側）には、励磁鉄心４１０，４２０から界磁磁極２２０に磁束を導き入れやすくするため、励磁鉄心４１０，４２０と界磁鉄心２２０との間の空隙を小さく取り、磁気抵抗を小さくする機能を持たせたフラックスゲート部２６１が設けられている。フラックスゲート部２６１は、アキシャルティース部２５２のティース面から突出した凸部からなる。なお、アキシャルティース２５２は単なる平坦面であってもよい。

【0102】

これに対し、他方のアキシャルティース部２５３（図１０では右側）には、励磁鉄心４００Ｂの磁束を界磁磁極２５０内に導き入れにくくするため、励磁鉄心４１０，４２０と界磁磁極２２０との間の空隙を大きく取り、磁気抵抗を大きくする機能を持たせたフラックスバリア部２６２が設けられている。なお、アキシャルティース部２５３は、単なる平坦面であってもよい。

【0103】

フラックスバリア部２６２は、フラックスゲート部２６１とは逆に、アキシャルティース部２５３から励磁鉄心５００Ｂとは離反する方向（内側）に凹んだ凹部からなり、フラックスバリア部２６２と励磁鉄心５００Ｂとの空隙距離を長くすることにより、フラックスバリア部２６２にフラックスが入ることが防止される。この第２実施形態においても、フラックスゲート部２６１とフラックスバリア部２６２は、各アキシャルティース部２５２，２５３の内径側（固定軸２５の軸中心側）に配置されている。

【0104】

図１１Ａ（ａ），図１１Ｂ（ａ）に示すように、この第２実施形態において、ロータ２００Ｂの左側面において、各アキシャルティース部２５２のうち、奇数番目のアキシャルティース部２５２（２５２ａ，２５２ｃ，２５２ｅ，２５２ｇ）には、上述したフラックスゲート部２６１が配置されており、偶数番目のアキシャルティース部２５２（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ）には、フラックスバリア部２６２が配置されている。

【0105】

これに対し、図１１Ａ（ｂ），図１１Ｂ（ｂ）に示すように、ロータ２００Ｂの右側面において、アキシャルティース部２５３のうち、偶数番目のアキシャルティース部２５３（２５３ｂ，２５３ｄ，２５３ｆ，２５３ｈ）には、上述したフラックスゲート部２６１が配置されており、奇数番目のアキシャルティース部２５３（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ）には、フラックスバリア部２６２が配置されている。

【0106】

フラックスゲート部２３２（２６１）とフラックスバリア部２３１（２６２）との考えられる組み合わせは次の表１に示す３通りである。

【0107】

【表1】

【0108】

図１２および図１３を参照して、ステータ３００Ｂは、電機子としての環状鉄心３３０を有し、この環状鉄心３３０は、アルミニウム材や合成樹脂材等の非磁性体からなる支持部材３４０を介して固定軸２５に固定される。

【0109】

環状鉄心３３０は、円盤状に打ち抜かれた例えば電磁鋼板を、軸線方向（図９では左右方向）に複数枚積層することにより構成され、積層状態における半径方向に沿った断面は四角形状であり、巻線を巻きやすくするため円周方向に複数に分割されていてもよい。環状鉄心３３０は、電磁鋼鈑積層鉄心のほかに、圧粉磁心もしくは焼結磁心であってもよい。

【0110】

この第２実施形態において、環状鉄心３３０には、電機子巻線Ｃを巻回するためのスロット（溝）３３１が、環状鉄心３３０の中心線を旋回するように環状に形成されている。すなわち、スロット３３１は、同一の半径線上において環状鉄心２１の外径面、両側面および内径面にかけて一連に形成されている。

【0111】

スロット３３１は、その複数個が環状鉄心３３０の円周方向に沿って所定の間隔で配置されており、その各々に電機子巻線Ｃがトロイダル巻線として巻線される。この第２実施形態に係る電動機１００Ｂは三相８極であり、スロット３３１は、１５°間隔で２４箇所に設けられており、隣接するスロット３３１，３３１の間の鉄心部分が、電機子ティース３３２として作用する。

【0112】

図１３の結線図に、図１２における三相８極のトロイダル巻線と、三相交流電源（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）との接続状態を示す。なお、図１２，図１３において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相中のアッパーラインが付されている巻線は、アッパーラインが付されていない巻線とは逆巻きであることを示しているが、本明細書では、逆巻きの巻線には便宜上アンダーラインを付している。

【0113】

このトロイダル巻線のＵ相（Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋Ｕ４，Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋Ｕ４）、Ｖ相（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４，Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）、Ｗ相（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４，Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４）に対して、インバータで構成される三相交流電源より三相交流（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を通電することにより、環状鉄心３３０には、最外径面側のラジアル部と、両側面のアキシャル部とに、空間的・時間的に同一極性の回転磁界が発生し、ロータ２００Ｂ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクが発生する。

【0114】

再び図９を参照して、励磁鉄心４００Ｂは、ロータ２００Ｂのアキシャルティース面２５２（図９では左側面）に対向するように配置された第１励磁鉄心４１０と、ステータ３００Ｂのアキシャルティース面２５３（図１では右側面）に対向するように配置された第２励磁鉄心４２０とを備えている。

【0115】

第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２０は、回転軸２１を中心に同軸的な環状鉄心であって、固定軸２５の外周面に圧入固定されている。第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２には、固定軸２３を中心に励磁コイル４３０が巻回されている。各励磁コイル４３０は、互いに結線されて１つの励磁コイル４３０として機能し、固定軸２５を励磁する有芯コイルである。

【0116】

励磁コイル４３０に直流電流を流すことで、有芯コイルである固定軸２５は磁石となる。そこで、図９Ａのように、第１励磁コイル４１０側がＮ極で、第２励磁コイル４２０側がＳ極とし、ラジアルティース部２５１に永久磁石２６０Ａを配置した場合、磁束が、固定軸２５のＮ極側→第１励磁鉄心４１０→第１励磁鉄心４１０とフラックスゲート部２６１との間の空隙Ｇｇ（第５励磁エアギャップ）→フラックスゲート部２６１を有する偶数番目の界磁磁極（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ）→アキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→電機子３００Ｂの環状鉄心３１１→アキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→フラックスゲート部２６１を有する奇数番目の界磁磁極（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ）→フラックスゲート部２６１と第２励磁鉄心４２０との間の空隙Ｇｇ（第６励磁エアギャップ）→第２励磁鉄心４２０→固定軸２５のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成され、偶数番目の界磁磁極と奇数番目の界磁磁極が互いに異極となる。

【0117】

これに対し、図９Ｂのように、第１励磁コイル４１０側がＮ極で、第２励磁コイル４２０側がＳ極とし、アキシャルティース部２５２，２５３に永久磁石２６０Ｂを配置した場合、磁束が、固定軸２５のＮ極側→第１励磁鉄心４１０→第１励磁鉄心４１０とフラックスゲート部２６１との間の空隙Ｇｇ（第５励磁エアギャップ）→フラックスゲート部２６１を有する偶数番目の界磁磁極（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ）→ラジアルエアギャップＧ１→電機子３００Ｂの環状鉄心３１１→ラジアルエアギャップＧ１→フラックスゲート部２６１を有する奇数番目の界磁磁極（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ）→フラックスゲート部２６１と第２励磁鉄心４２０との空隙Ｇｇ（第６励磁エアギャップ）→第２励磁鉄心４２０→固定軸２５のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成され、偶数番目の界磁磁極と奇数番目の界磁磁極が互いに異極となる。

【0118】

その結果、偶数番目の界磁磁極と奇数番目の界磁磁極との磁界の向きが逆となり、奇数番目の界磁磁極２５２，２５３（２５２ａ，２５２ｃ，２５２ｅ，２５２ｇ（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ））がＳ極となり、偶数番目の各界磁磁極２５２，２５３（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ（２５３ｂ，２５３ｄ，２５３ｆ，２５３ｈ））がＮ極となるように励磁される。

【0119】

図１７に示すように、Ｎ極界磁磁極からＳ極界磁磁極に流れる磁束は、電機子鉄心３３０のラジアル部と２つのアキシャル部の３つの流れに分流する。そこで、固定軸２５、励磁鉄心４００Ｂ、界磁磁極２２０、電機子鉄心３１０の透磁率は、空気の透磁率に比べて３ケタ以上大きいので、これらの部分における磁気抵抗は小さいため無視し、磁気抵抗の大きい空気層（すなわち、エアギャップ部Ｇ１〜Ｇ３）や励磁鉄心とフラックスゲート部２３１の空隙のみについて考えた場合、アンペアの周回積分の法則から、直流励磁磁束は、下式２−１によって算出される。

【0120】

【数4】

【0121】

また、ラジアルギャップ部に永久磁石がある実施例２−２の場合は、永久磁石の透磁率は空気と同等であり、かつ永久磁石の厚さ（ｔ）≫ｇであるので、２／（〔ｇ＋ｔ〕／μＳｒ）≒０となり、実際には下式２−２によって算出される。

【0122】

【数5】

【0123】

さらに、アキシャルギャップ部に永久磁石がある実施例２−２の場合は、永久磁石の透磁率は空気と同等であり、かつ永久磁石の厚さ（ｔ）≫ｇであるので、４／（〔ｇ＋ｔ〕／μＳａ）≒０となり、実際には下式２−３によって算出される。

【0124】

【数6】

【0125】

ここで、上記各数式２−１〜２−３の各パラメータは以下の通りである。
Φ：磁束量
Ｉ：直流電流
Ｓａ：アキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３の面積（界磁磁極のアキシャルギャップ面２２２，２２３と電機子鉄心のアキシャルギャップ面３１２，３１３との対向面積の総和の１／２）
Ｓｒ：ラジアルエアギャップの面積（界磁磁極のラジアルギャップ面２２１と電機子鉄心のラジアルギャップ面３１１との対向面積の総和の１／２）
Ｓ１：励磁鉄心とフラックスゲート部の対向面積
Ｎ：直流励磁コイル１個の巻数
ｇ：エアギャップの長さ
ｃ：励磁空隙の長さ
μ：空気の透磁率

【0126】

次に、図１４，１５を参照して、第２実施形態に係る永久磁石型同期電動機１００Ｂのステータの変形例について説明する。

【0127】

この変形例において、図１４に示す構成のステータ３００Ｂ’を備える。このステータ３００Ｂ’において、上記第２実施形態でのステータ３００Ｂと同一もしくは同一と見なされてよい要素には同じ参照を付している。

【0128】

ステータ３００Ｂ’は、環状に形成された断面四角形の鉄心３３０を有し、この環状鉄心３３０は、上記第１実施形態と同じく、非磁性体からなる支持部材３４０を介して固定軸２５に固定される。

【0129】

なお、環状鉄心３３０は、固定軸２５に直接固定されてもよい。また、支持部材３４０は磁性体材料が用いられてもよい。さらに、環状鉄心３３０には、電磁鋼鈑積層鉄心、圧粉磁心もしくは焼結磁心などが用いられてよい。

【0130】

このステータ３００Ｂ’は、三相９スロットで、三相８極の回転磁界を作ることができ、環状鉄心３３０には４０°間隔で９個の電機子ティース３３２（３３２ａ〜３３２ｉ）が設けられる。

【0131】

この実施形態において、電機子ティース３３２（３３２ａ〜３２ｉ）はロータ２００Ｂ側の界磁との間で、ラジアルギャップ面と２つのアキシャルギャップ面の３面のギャップ面において有効な回転トルクが得られるようにするため、電機子ティース３３１をサドル形状とし、各電機子ティース３３２ａ〜３３２ｉに集中巻電機子巻線Ｃを施すようにしている。

【0132】

環状鉄心３３０には、電機子巻線Ｃが施されるスロット３３１が円周方向に沿って所定の間隔をもって配置されている（この例で、そのスロット数は９個）。

【0133】

隣接するスロット３３１間が電機子ティース３３２となるが、この変形例において、電機子ティース３３２は、環状鉄心３３０の外径面および両側面の３面（ラジアル側の１面とアキシャル側の２面）を含み、円周方向の幅が半径方向外側に向けて漸次大きくなるサドル状（立体台形の扇状）に形成されている。すなわち、この電機子ティース３３２は、１つのラジアルティース部と２つのアキシャルティース部とを備える。

【0134】

スロット３３１内に電機子巻線Ｃが配線されるが、この変形例において、電機子巻線Ｃは、図１４（ｃ）に示すように、電機子ティース２２０の外径面（ラジアルティース部）および両側面（アキシャルティース部）の各周縁に沿わせて三次元集中巻きとして巻線される。

【0135】

図１５の結線図に、図１４における三相集中巻電機子巻線と、三相交流電源（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）との接続状態を示す。なお、図１４，図１５において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相中のアッパーラインが付されている巻線は、アッパーラインが付されていない巻線とは逆巻きであることを示しているが、本明細書では、逆巻きの巻線には便宜上アンダーラインを付している。

【0136】

この三相集中巻電機子巻線のＵ相（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）、Ｖ相（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）、Ｗ相（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）に対して、インバータで構成される三相交流電源より三相交流（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を通電することにより、環状鉄心２１には、最外径面側のラジアルティース部と、両側面のアキシャルティース部とに、空間的・時間的に同極の回転磁界が発生し、ロータ３Ｂ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクが発生する。

【0137】

上記第１および第２実施形態において、永久磁石２４０Ａ，２４０Ｂ（２６０Ａ，２６０Ｂ）は、表面磁石方式（ＳＰＭ方式）の磁石よりなるが、永久磁石２４０Ａ，２４０Ｂ（２６０Ａ，２６０Ｂ）は、表面磁石方式（ＳＰＭ方式）、埋込磁石方式（ＩＰＭ方式：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ方式）もしくはコンセクエントポール方式のいずれか１つの方式の磁石よりなればよい。

【0138】

また、上記第１および第２実施形態において、永久磁石２４０Ｂ（２６０Ｂ）は、アキシャル磁極面２２２，２２３およびアキシャル磁極部２５２，２５３の両面に取り付けられた場合を例にとって説明したが、永久磁石２４０Ｂ（２６０Ｂ）は、少なくとも１つのアキシャル磁極面２２２，２２３（アキシャル磁極部２５２，２５３）に設けられていればよい。

【0139】

さらには、第１−１実施形態および第１−２実施形態（第２−１実施形態および第２−２実施形態）を組み合わせてもよい。すなわち、ラジアル磁極面２２１（ラジアル磁極部２５１）と、いずれか一方のアキシャル磁極面２２２，２２３（２５２，２５３）とに永久磁石２４０Ａ，２４０Ｂ（２６０Ａ，２６０Ｂ）をそれぞれ取り付けて、１つのアキシャル磁極面に励磁電流による界磁を形成し、残る１つのアキシャル磁極面とラジアル磁極面で永久磁石による界磁を形成して、それらを組み合わせてもよい。

【0140】

表面磁石方式（ＳＰＭ方式）の磁石よりなるが、永久磁石２４０Ａ，２４０Ｂ（２６０Ａ，２６０Ｂ）は、表面磁石方式（ＳＰＭ方式）、埋込磁石方式（ＩＰＭ方式：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ方式）もしくはコンセクエントポール方式のいずれか１つの磁石よりなればよい。

【0141】

以上説明したように、本発明によれば、ステータ側とロータ側との間に、１つのラジアルエアギャップ面と２つのアキシャルエアギャップを設け、同一回転角の位置において、この３つのエアギャップにおける磁界の極性を、電機子にあっては時間的および空間的に同極性となるようにし、界磁にあっては空間的に同極性となるようにしたことにより、トルク密度・出力密度をより増大させた同期電動機を得ることができる。

【0142】

さらに、ラジアルギャップとアキシャルギャップのいずれか一方に直流励磁磁石による界磁を形成し、いずれか他方に永久磁石による界磁を形成し、２種類の界磁を組み合わせたハイブリッド励磁型の界磁を形成するとともに、永久磁石による磁束の流れと直流励磁による磁束の流れが互いに独立して並列に流れるようにし、直流励磁磁気回路の中に磁気抵抗の大きい永久磁石が存在しないため、効率よく直流励磁磁束が発生し、始動から加速の段階において大きなトルクを出すことができるとともに、高速運転時には、直流励磁電流を減らすことによって、弱め界磁のための無駄な電力を消費せず高効率の高速化が可能となる。

【符号の説明】

【0143】

１００Ａ 直流励磁界磁型同期電動機（インナーロータ型）
１００Ｂ 直流励磁界磁型同期電動機（アウターロータ型）
２００Ａ ロータ（インナーロータ型）
２００Ｂ ロータ（アウターロータ型）
２１０ 支持部材
２２０ 界磁磁極
２２１ ラジアル磁極面
２２２，２２３ アキシャル磁極面
２３１，２６１ フラックスバリア部
２３２，２６２ フラックスゲート部
２４０Ａ，２４０Ｂ 永久磁石
２５０ 界磁磁極
２５１ ラジアル磁極部
２５２，２５３ アキシャル磁極部
２６０Ａ，２６０Ｂ 永久磁石
３００Ａ ステータ（インナーロータ型）
３００Ｂ ステータ（アウターロータ型）
３１０ 環状鉄心
３１１ ラジアルティース部
３１２ アキシャルティース部
３２０ 支持部材
４００Ａ 励磁鉄心（インナーロータ型）
４００Ｂ 励磁鉄心（アウターロータ型）
４１０ 第１励磁鉄心
４２０ 第２励磁鉄心
４３０ 励磁コイル
Ｇ１ ラジアルエアギャップ
Ｇ２，Ｇ３ アキシャルエアギャップ
Ｇｇ 第２、第３励磁エアギャップ（第５、第６励磁エアギャップ）
Ｇｓ 第１、第４励磁エアギャップ）

【要約】

直流励磁コイルを具備する固定された励磁鉄心により励磁されてなる直流励磁磁石と永久磁石からなる複合界磁が、ラジアルエアギャップと二つのアキシャルエアギャップのいずれかに配置され、その２種類の磁石によってつくられる界磁磁束が２種類のエアギャップにおいて、それぞれの磁気回路が独立かつ並列に形成され、それらを電磁気的に一体の電機子が発生する回転磁界によって同一方向にトルクを発生させることによって、始動、加速及び低速時には大トルクを発生させ、高速時には高効率を狙った、トルク密度と出力密度の高いハイブリッド励磁型の同期電動機。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】