JP2010029022A

JP2010029022A - 横磁束型同期機及びその設計方法

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Publication number: JP2010029022A
Application number: JP2008190061A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Sugimoto; 英彦杉本
Original assignee: University of Fukui NUC
Current assignee: University of Fukui NUC
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】トルクが最大となる横磁束型同期機を提供する。
【解決手段】電機子コア３、界磁コア１、永久磁石２及び当該永久磁石２と極歯３ａとのギャップから形成されると共に電機子巻線４に通電される電機子電流によって発生する磁束が通過する磁束領域の幅Ｃ及び外形面積Ｓ並びに電機子巻線によって磁束領域の内部に形成され電機子電流が通過する通電領域の面積Ｓ2からなる下記のトルク評価式Ｈが最大となるように磁束領域と通電領域との比率を決定する。Ｈ＝Ｓ2・Ｃ／Ｓ
【選択図】図２

Description

本発明は、横磁束型同期電動機や横磁束型同期発電機に代表される横磁束型同期機及びその設計方法に関する。

非特許文献１として示す下記ＵＲＬ（Uniform Resource Locator）には、「Tranverse Flux」形式の装置の設計方法をテーマにした論文「Design of Tranverse Flux Machine」が開示されている。また、非特許文献２として示す下記ＵＲＬには、このような「Tranverse Flux」形式の同期機の一例として、同期発電機が開示されている。さらには、特許文献１として示す下記国際公開公報には、「Tranverse Flux」形式の装置の改良発明「ROTATING TRANSVERSE FLUX MACHINE」が開示されている。さらに、「Tranverse Flux」形式の装置については、国際公開公報として多数の発明が開示されている。なお、以下の説明では、「Tranverse Flux」形式の装置を横磁束型同期機と記載する。

非特許文献１のＦｉｇ．１に明記されているように、一般の装置では固定子と移動子（回転機の場合は回転子）との相対移動方向と固定子巻線（電機子巻線）に流れる電流の方向とが直交するのに対して、横磁束型同期機は、固定子と移動子との相対移動方向と固定子巻線に流れる電流の方向とが並行に設定される点を特徴としている。より具体的には、非特許文献１のＦｉｇ．１あるいは非特許文献２のＦｉｇ．１に示されているように、横磁束型同期機は、回転子の周面を取り囲むように配列すると共に当該配列方向に直行する方向に一対の極歯を有する複数の固定子コアと、当該固定子コアの一対の極歯間に固定子コアの配列方向に延在するように、つまり回転子の周方向に複数の固定子コアを跨ぐように設けられた固定子巻線とを備えている。

このような横磁束型同期機では、固定子巻線に電機子電流が流れることにより発生した磁束は、固定子コアの一方の極歯→回転子の表面に設けられた一方の永久磁石→該永久磁石と回転子の回転軸との間に設けられた回転子コア→回転子の表面に設けられた他方の永久磁石→固定子コアの他方の極歯に流れる。すなわち、横磁束型同期機では、回転子において回転方向に対して横方向に磁束が流れる。
http://www.ansoft.com/news/articles/Design of Tranverse Flux Machine.pdf http://www.ee.kth.se/php/modules/publications/reports/2006/IR-EE-EME 2006 008.pdf ＷＯ２００６／０５２１７３

ところで、横磁束型同期機では、回転子の周囲に円環状に配置された複数の固定子コアの内側に回転子の周囲を囲むように固定子巻線が円環状に設けられるが、このような横磁束型同期機の設計方法について、十分な検討がなされていない。同期機として一般的に知られている縦磁束型同期機については、多くの実用例があり、設計方法について多くの研究がなされているが、横磁束型同期機については、原理については古くから知られていたものの、構造的な問題から実用に供されることが少なかったこともあり、設計方法が十分に検討されていないのが現状である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、同一断面積でトルクが最大となる横磁束型同期機を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、横磁束型同期機の設計方法に係る第１の解決手段として、所定方向に配列すると共に当該配列の方向に直交する方向に複数の極歯が形成された複数の電機子コア及び当該各電機子コアを跨ぐように敷線された電機子巻線を備える電機子と、界磁コア上に前記各極歯と対向するように前記配列の方向及び前記直交する方向に配列する複数の永久磁石を備える界磁と、からなる横磁束型同期機の設計方法であって、電機子コア、界磁コア、永久磁石及び当該永久磁石と極歯とのギャップから形成されると共に電機子巻線に通電される電機子電流によって発生する磁束が通過する磁束領域の幅Ｃ及び外形面積Ｓ並びに電機子巻線によって磁束領域の内部に形成され電機子電流が通過する通電領域の面積Ｓ2からなる下記のトルク評価式Ｈが最大となるように磁束領域と通電領域との比率を決定する、という手段を採用する。

横磁束型同期機の設計方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、磁束領域の外形面積Ｓを一定値としてトルク評価式Ｈが最大となるように磁束領域と通電領域との比率を決定する、という手段を採用する。

横磁束型同期機の設計方法に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、磁束領域の幅Ｃを一定値としてトルク評価式Ｈが最大となるように磁束領域と通電領域との比率を決定する、という手段を採用する。

また、本発明では、横磁束型同期機に係る解決手段として、所定方向に配列すると共に当該配列の方向に直交する方向に複数の極歯が形成された複数の電機子コア及び当該各電機子コアを跨ぐように敷線された電機子巻線を備える電機子と、界磁コア上に各極歯と対向するように配列の方向及び直交する方向に配列する複数の永久磁石を備える界磁とからなる横磁束型同期機であって、各電機子コアは、所定の支持部材によって移動自在に支持される複数の極歯と、電機子巻線が付設されると共に相互に接続され、かつ、各極歯とは機械的に分離されると共に当該各極歯を磁気的に接続する接続コア部とから形成される、という手段を採用する。

本発明によれば、磁束領域の幅Ｃ及び外形面積Ｓ並びに通電領域の面積Ｓ2からなるトルク評価式Ｈが最大となるように磁束領域と通電領域との比率を決定するので、横磁束型同期機について同一断面積でトルクを最大化することができる。
また、本発明によれば、各電機子コアは、所定の支持部材によって移動自在に支持される複数の極歯と、電機子巻線が付設されると共に相互に接続され、かつ、各極歯とは機械的に分離されると共に当該各極歯を磁気的に接続する接続コア部とから形成されるので、異なる回転方向の回転動力を取り出すことができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１〜第３実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る横磁束型の同期発電機Ｐ1の要部構成を示す斜視図である。この図に示すように、本同期発電機Ｐ1は、回転子コア１、複数の永久磁石２、複数の固定子コア３及び固定子巻線４を備えている。回転子コア１及び複数の永久磁石２は、回転軸（図示略）等と共に回転子５を構成し、また複数の固定子コア３及び固定子巻線４は、固定子６を構成している。回転子５は界磁として機能するものであり、一方、固定子６は電機子として機能するものである。

回転子コア１は、延在方向が矢印で示す回転軸方向に設定された回転軸（図示略）に挿入固定される円筒状部材であり、磁気抵抗を極力下げるため、また磁化されないように高透磁率かつ低保磁力の軟磁性材料から形成されている。この回転子コア１の回転軸方向に直行する方向の寸法（幅）は、図示するように所定値Ｃである。複数の永久磁石２は、回転子コア１ｂの外周面（表面）に２列に、かつ、隣り合うもの同士が逆極性となるように設けられた板状磁石である。

固定子コア３は、図示するようにコの字状部材であり、両端が一対の極歯３ａ，３ａを構成している。すなわち、固定子コア３には、上記回転子コア１と対向する側に矩形状の窪み部３ｂが形成されており、この窪み部３ｂの両側が一対の永久磁石２と所定のギャップ幅ｇ_ｍを隔てて対向する一対の極歯３ａ，３ａとなっている。図示するように、一対の極歯３ａ，３ａは、上述した回転子コア１の幅Ｃと同様であり、また一対の極歯３ａ，３ａを接続する部位も回転子コア１の幅Ｃと同様である。このような固定子コア３は、上記回転子コア１と同様に磁気抵抗を極力下げるため、また磁化されないように高透磁率かつ低保磁力の軟磁性材料から形成されており、回転子５の外周面（永久磁石２の表面）に、回転軸方向に直交する配列方向で円環状に複数設けられている。

固定子巻線４は、ｂ固定子コア３の窪み部３ｂに収納されるように、つまり回転子５の外周面（永久磁石２の表面）に円環状に設けられている。この固定子巻線４は、線材を多重巻きしたものであるが、その全体的な断面形状は、上記窪み部３ｂ内を密に埋めるように矩形状である。

なお、図１は、本同期発電機Ｐ1の一相分（単相発電ユニット）の一部分を拡大したものであり、本同期発電機Ｐ1は、実際には、単相発電ユニットが１２０°の電気角だけずれた関係で回転軸に３つ（三相分）併設されて構成されている。すなわち、本同期発電機Ｐ1は、回転子５がタービン等の動力源によって所定の同期速度で回転駆動されることによって、定格周波数（例えば５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）の三相交流電力を固定子巻線４の起電力として外部に出力する永久磁石型三相同期発電機である。

また、図示しないが、上記複数の固定子コア３及び固定子巻線４は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）を隙間に充填することによって一体物として固定子６を構成する。このような固定子６は、略円筒状のケーシング（図示略）の内部に収容・固定され、また略円筒状の回転子５は、固定子６が形成する略円筒状の空間に回転自在に収容される。

次に、このように構成された本同期発電機Ｐ1の設計方法について、図２をも参照して詳しく説明する。

図２は、本同期発電機Ｐ1の回転軸中心を含む断面の模式図である。本同期発電機Ｐ1は、この図に示すように、縦幅Ａ、横幅Ｂの矩形磁束領域Ｒ1の内部に縦幅ａ、横幅ｂの矩形通電領域Ｒ2が形成されたものとみなすことができる。矩形磁束領域Ｒ1は、図示するように、回転子コア１、一対の永久磁石２、固定子コア３及び一対の永久磁石２と一対の極歯３ａ，３ａとの間に形成される一対のギャップとによって形成され、固定子巻線４に通電される電機子電流によって発生するループ状の磁束が通過する高透磁率領域である。この矩形磁束領域Ｒ1の外形面積Ｓは、縦幅Ａと横幅Ｂとの積として与えられる。

矩形通電領域Ｒ2は、固定子巻線４の占有領域であり、電機子電流の通過断面に相当するものである。この矩形通電領域Ｒ2の面積Ｓ2は、縦幅ａと横幅ｂとの積として与えられるが、固定子巻線４が樹脂モールド等によって固定子コア３の内部に固定されるので、矩形通電領域Ｒ2の外形は上記矩形磁束領域Ｒ1の内径よりも多少小さな外形を有する。

このような本同期発電機Ｐ1のトルクは、矩形磁束領域Ｒ1の磁束Φと矩形通電領域Ｒ2の電機子電流Ｕと当該電機子電流Ｕの角周波数ωに依存するものであり、磁束密度Ｂ_ｍ、電流密度ｉ及び角周波数ωが一定値であるとした場合には、矩形磁束領域Ｒ1の外形面積Ｓ、矩形磁束領域Ｒ1の幅（つまり固定子コア３の各部位及び回転子コア１の幅Ｃ）及び矩形通電領域Ｒ2の面積Ｓ2からなる下記のトルク評価式Ｈに依存する。

ここで、矩形通電領域Ｒ2の縦幅ａと横幅ｂとは、上記回転子コア１の幅Ｃに対する縮小係数ｒ1〜ｒ4を用いることにより下式（２）のように表され、よって矩形通電領域Ｒ2の面積Ｓ2は、式（３）によって表される。なお、この式（３）において、ｘ＝ｒ1+ｒ2、ｙ＝ｒ3+ｒ4である。そして、この式（３）及びＳ＝Ａ・Ｂを式（１）に代入すると、トルク評価式Ｈは、式（４）のように表される。

このトルク評価式Ｈにおいて、矩形磁束領域Ｒ1の外形面積Ｓが一定値（定数）であるとすると、トルク評価式Ｈが最大値をとるということは、トルク評価式Ｈの分子が最大値をとるということと同義となる。以下では、トルク評価式Ｈの分子を評価式Ｈ1とする。

縦幅Ａ、横幅Ｂを固定子コア３の厚さＣ及び係数ｍ，ｎを用いて表すと、Ａ＝ｍＣ，Ｂ＝ｎＣとなる。したがって、矩形磁束領域Ｒ1の外形面積Ｓは下式（５）のように表される。
Ｓ＝Ａ・Ｂ＝ｍｎＣ^２（５）
この式（５）において、ｍｎ＝ｋ^２と置くと、ｎ＝ｋ^２／ｍと表されるので、評価式Ｈ1は下式（６）のように表される。

この評価式Ｈ1において、本同期発電機Ｐ1のトルクを最大にする条件である縦幅Ａと横幅Ｂとの比率は、評価式Ｈ1をｍを変数とする関数として考え、当該評価式Ｈ1を変数ｍについて微分した式が「０」となる場合、つまり下式（７）によって与えられる。

この式（７）から変数ｍ，ｎは下式（８）、（９）のように表される。

すなわち、本同期発電機Ｐ1のトルクを最大化するための条件は、変数ｍ，ｎを式（６）、（７）を満足するように設定することである。この式（８）、（９）における係数は、上述したようにｘ＝ｒ1+ｒ2、ｙ＝ｒ3+ｒ4によって与えられ、係数ｋは、変数ｍ，ｎからなる関係式「ｍｎ＝ｋ^２」によって与えられる。

そこで、本同期発電機Ｐ1のトルクを最大化するための条件として、係数ｋが満足すべき条件を求める必要がある。式（８）、（９）を式（４）に代入すると、トルク評価式Ｈは下式（１０）のように変形される。この式（１０）を展開して整理すると、トルク評価式Ｈは、式（１１）のように表される。

この式（１１）において、後ろの括弧内の項は一定値、つまりｋＣ＝一定と考えることができるので、トルク評価式Ｈが最大となる条件は、前の括弧内の項（以下、評価式Ｈ2とする。）の係数ｋを変数とする微分式が「０」となる場合に与えられる。すなわち、下式（１２）によってトルク評価式Ｈが最大となる条件が与えられる。また、この式（１２）の両辺に「−ｋ^４」を乗算して整理すると、式（１２）は式（１３）のように変形される。この式（１１）に基づいて変数ｋを求めると、変数ｋは式（１２）によって与えられる。

このように変数ｋについては２つの解が得られるが、このうち大きい方の解を採用すると、結局、本同期発電機Ｐ1のトルクを最大化するための条件は、式（８）、（９）に変数ｋに関する大きい方の解を代入することによって得られる下式（１５）、（１６）を満足することである。

例えば、各係数ｒ1〜ｒ4を「１」とした場合、ｘ＝ｙ＝２、ｍ＝ｎ＝６となる。したがって、矩形磁束領域Ｒ1の外形面積Ｓを規定する縦幅Ａ、横幅Ｂは、Ａ＝６Ｃ、Ｂ＝６Ｃとして与えられ、矩形通電領域Ｒ2の面積Ｓ2を規定する縦幅ａ、横幅ｂは、何れも（６Ｃ−２Ｃ）＝４Ｃとして与えられる。すなわち、同一断面積において本同期発電機Ｐ1のトルクを最大化するための条件は、矩形磁束領域Ｒ1の縦幅Ａ、横幅Ｂと矩形通電領域Ｒ2の縦幅ａ、横幅ｂとの比率を３：２に設定することである。

〔第２実施形態〕
上述した第１実施形態では、矩形磁束領域Ｒ1の外形面積Ｓが一定値（定数）である場合について、横磁束型の同期発電機Ｐ1のトルクが最大となる条件を求めたが、本第２実施形態では、上記外形面積Ｓではなく矩形磁束領域Ｒ1の幅（つまり固定子コア３の各部位及び回転子コア１の幅Ｃ）が一定値（定数）である場合について、横磁束型の同期発電機Ｐ2のトルクが最大となる条件を求める。

図３は、本第２実施形態に係る横磁束型の同期発電機Ｐ2の設計方法を示す模式図である。この横磁束型の同期発電機Ｐ2は、本発明者が特願2008-093219（発明の名称：横磁束型同期機）として出願したものであり、図示するように、隣り合う固定子コア３が回転軸方向に所定幅で交互にずれて配置されると共に、このような固定子コア３の極歯３ａ、３ａが各々対向するように永久磁石２を４列に配置したものである。この同期発電機Ｐ2の回転子コア１Ａは、その長さＤが永久磁石２を４列に配置した分、第１実施形態の回転子コア１の長さＢよりも長くなる一方、固定子巻線４Ａは、横幅ｄが第１実施形態の固定子巻線４の横幅ｂよりも短くなっている。なお、この図４では、上述した第１実施形態に構成要素と同一の構成要素については、同一符号を付している。

この同期発電機Ｐ2は、縦幅Ａ、横幅Ｄの矩形磁束領域Ｒ3の内部に矩形通電領域Ｒ4が形成されたものとみなすことができる。矩形磁束領域Ｒ3は、図示するように、回転子コア１Ａ、一対の永久磁石２、固定子コア３及び一対の永久磁石２と一対の極歯３ａ，３ａとの間に形成される一対のギャップとによって形成され、固定子巻線４Ａに通電される電機子電流によって発生するループ状の磁束が通過する高透磁率領域である。

矩形通電領域Ｒ4は、固定子巻線４Ａの占有領域であり、電機子電流の通過断面に相当する。固定子巻線４Ａは、樹脂モールド等によって固定子コア３の内部に固定されるので、矩形通電領域Ｒ4は、上記矩形磁束領域Ｒ3の内径よりも多少小さな外形を有する。図示するように固定子コア３の各部位及び回転子コア１の幅を「Ｃ」とすると、上記矩形磁束領域Ｒ3の縦幅Ａ、横幅Ｄは下式（１７）、（１８）のように表される。なお、これら式（１７）、（１８）におけるｅ，ｆは、矩形磁束領域Ｒ3と矩形通電領域Ｒ4との間の隙間（樹脂モールド等の存在領域）であり、機械的仕様によって決まる定数である。

ここで、本同期発電機Ｐ2の設計において、極歯３ａ，３ａと永久磁石２とのギャップ幅ｇ_ｍは、機械的仕様によって許容される最小値に決定される。そして、このギャップ幅ｇ_ｍが決定されると、当該ギャップ幅ｇ_ｍ、回転子コア１及び固定子コア３の磁気性能等に基づいて回転子コア１及び固定子コア３の飽和磁束並びに固定子巻線４Ａ（矩形通電領域Ｒ4）に通電される電機子電流Ｕ（アンペア・ターン）が規定され、この飽和磁束に基づいて回転子コア１及び固定子コア３の幅Ｃ（矩形磁束領域Ｒ3の幅Ｃ）並びに固定子巻線４Ａの占有面積（矩形通電領域Ｒ4の面積Ｓ2）が決定される。

すなわち、上述した式（４）の評価式Ｈにおいて、幅Ｃ及び矩形通電領域Ｒ4の面積Ｓ2（＝ａ×ｄ）は定数となり、評価式Ｈを最大化することは、矩形磁束領域Ｒ3の外形面積Ｓ（＝Ａ×Ｄ）を最小化することと同義となる。この矩形磁束領域Ｒ3の外形面積Ｓは、上記式（１７）、（１８）に基づいて下式（１９）のように表される。

この式（１９）を矩形通電領域Ｒ4の縦幅ａについて微分し、この微分によって得られた式を下式（２０）に示すように「０」と置く。上記外形面積Ｓが最小となる条件は、この式（２０）によって与えられ、矩形通電領域Ｒ4の縦幅ａ及び横幅ｄについて下式（２０）、（２１）の関係が求まる。そして、この式（２０）、（２１）によって、矩形通電領域Ｒ4の縦幅ａと横幅ｄとの比率は、式（２２）によって与えられる。

すなわち、矩形磁束領域Ｒ1の幅Ｃ（固定子コア３の各部位及び回転子コア１の幅）を定数とした場合、本同期発電機Ｐ2のトルクが最大となる条件は、矩形通電領域Ｒ4の縦幅ａと横幅ｄとの比率が式（２２）を満足すことである。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態に係る横磁束型の三相同期電動機Ｐ3について説明する。
図４は、本三相同期電動機Ｐ3の要部構成を示す断面図である。この図４に示すように、本三相同期電動機Ｐ3は、ケーシング１０、第１の出力軸１１Ａ、第２の出力軸１１Ｂ、第１の回転子１２Ａ、第２の回転子１２Ｂ、固定子１３Ａ〜１３Ｃ及び４つの軸受け１４〜１７を備えている。

ケーシング１０は、中空かつ有底の円筒状部材であり、左右の底部の中心に丸孔１０ａ，１０ｂがそれぞれ形成されている。第１の出力軸１１Ａは、丸棒状部材であり、左側の丸孔１０に軸受け１４を介して回動自在に支持されている。また、第２の出力軸１１Ｂは、同じく丸棒状部材であり、右側の丸孔１０ｂに軸受け１５を介して回動自在に支持されている。これら第１、第２の出力軸１１Ａ，１１Ｂは、同一の回転中心となるようにケーシング１０の各底部に設けられている。

第１の回転子１２Ａは、上述した第１実施形態の回転子５と同一構成を有するものであり、第１の出力軸１１Ａの周面に第１の出力軸１１Ａの中心軸方向に延在するように密に敷詰められた矩形棒状部材から形成された略円筒形状の回転子コア１と当該回転子コア１の表面に互いの表面極性が異なるように配置された永久磁石２とが三相分設けられたものである。

第２の回転子１２Ｂは、上述した第１実施形態の固定子６の固定子コア３における極歯３ａ，３ａを分離した態様の回転子コア１２ｂ1（三相分）を非磁性材料によって中空円筒状に成形し、かつ当該成形体の右端に固定された円盤状部材１２ｂ2を介して第２の出力軸１１Ｂに連結されている。上記非磁性材料は、例えば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）である。このような第２の回転子１２Ｂは、円筒状の内部空間に円筒状の第１の回転子１２Ａを収容すると共に、内周面が第１の回転子１２Ａの周面と微小ギャップを隔てて対向している。

固定子１３Ａ〜１３Ｃは、三相に対応して３つ設けられている。固定子１３Ａは、上述した第１実施形態の固定子６と同一構成を有するものであり、当該固定子６における複数の固定子コア３に相当する複数の固定子コア１３ａ1と上記固定子６における固定子巻線４に相当する固定子巻線１３ａ2とを備えている。固定子１３Ｂは、上述した第１実施形態の固定子６と同一構成を有するものであり、当該固定子６における複数の固定子コア３に相当する固定子コア１３ｂ1と上記固定子２における固定子巻線４に相当する固定子巻線１３ｂ2とを備えている。固定子１３Ｃは、上述した第１実施形態の固定子６と同一構成を有するものであり、当該固定子６における複数の固定子コア３に相当する固定子コア１３ｃ1と上記固定子２における固定子巻線４に相当する固定子巻線１３ｃ2とを備えている。

このような各固定子１３Ａ〜１３Ｃは、各固定子コア１３ａ1、１３ｂ1、１３ｃ1の内周面が第２の回転子１２Ｂの外周面と微小ギャップを隔てて対向している。また、上記複数の固定子コア１３ａ1は、上記内周面に磁気的な凸凹が生じないように相互に接続されて一体化されている。複数の固定子コア１３ｂ1及び複数の固定子コア１３ｃ1も、上記複数の固定子コア１３ａ1と同様に、各々に、内周面に磁気的な凸凹が生じないように相互に接続されて一体化されている。

軸受け１４は、上述したように第１の出力軸１１Ａを回転自在にケーシング１０に支持し、軸受け１５は、第２の出力軸１１Ｂを回転自在にケーシング１０に支持する。軸受け１６，１７は、第１の回転子１２Ａと第２の回転子１２Ｂとを相互に回転自在に支持する。すなわち、これら４つの軸受け１４〜１７によって、第１、第２の回転子１２Ａ，１２Ｂはケーシング１０に同一回転中心で回動自在に支持されると共に、第１の回転子１２Ａと第２の回転子１２Ｂとは同一回転中心で相互回転自在に支持されている。

すなわち、本三相同期電動機Ｐ3は、図１に示した単相発電ユニットを中心軸方向に３ユニット併設し、各ユニットの固定子２の極歯の先端部を分離することにより第２の回転子１２Ｂと固定子１３Ａ〜１３Ｃとを構成する構造を備える。

このような本三相同期電動機Ｐ3によれば、３つの固定子巻線１３ａ2、１３ｂ2、１３ｃ2に位相が互いに１２０°異なる三相駆動電流を印加すると、第１の回転子１２Ａと第２の回転子１２Ｂとを逆向きのトルクを発生させながら同期回転させることができる。したがって、本三相同期電動機Ｐ3によれば、第１の出力軸１１Ａと第２の出力軸１１Ｂとに異なる回転方向の回転動力を取り出すことができる。
このような本三相同期電動機Ｐ3は、ハイブリッド自動車用駆動モータ、船舶の二重反転プロペラ駆動用モータ、風力用二重反転発電機等に適用することができる。

なお、本願発明は、上記各実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では界磁を永久磁石で構成したが、界磁の構成方法はこれに限定されず、電磁石によって界磁を構成するようにしても良い。すなわち、図１に示した永久磁石２をそれぞれ棒状の電磁石に置き換え、回転軸に設けたスリップリングとブラシを介して外部から各電磁石に界磁電流を供給するようにしても良い。また、永久磁石２の代わりに誘導子型界磁を用いることが考えられるが、この場合には誘導子型界磁の誘導子部分だけが移動（回転）し、界磁巻線は移動（回転）しないので、スリップリングとブラシが不要である。

（２）上記各実施形態では、本願発明を回転機（同期発電機Ｐ1、三相同期電動機Ｐ2）として構成した場合について説明したが、本願発明はこれに限定されない。すなわち、本願発明は、移動子と固定子とが直線状に設けられ、移動子が固定子に対して直線的に移動するリニア同期機にも適用可能である。この場合、リニア同期機は、上述した回転機（同期発電機Ｐ1、三相同期電動機Ｐ2）のように無端構造ではなく、有端構造を有するので、固定子巻線の巻き線方法を工夫する必要がある。

図５は、リニア同期機における固定子巻線の巻線構造の一例を示すものである。なお、この図では、図１の構成要素に対応する構成要素には同一符号を付している。この図に示すように、リニア同期機では、リニア軌道上に４列に永久磁石１ｃを並べることによって界磁（固定子）を構成し、リニア軌道の延在方向にＵ相電機子、Ｖ相電機子及びＷ相電機子を隣接配置する。各電機子は、各々に４つの電機子コア２ａ1，２ａ2と２つの電機子巻線２０Ａ，２０Ｂによって構成されている。

各電機子において、４つの電機子コア２ａ1，２ａ2は、リニア軌道の延在方向に交互に隣接配置される。また、２つの電機子巻線２０Ａ，２０Ｂは、各々に同一な円環状に形成され、一部が４つの電機子コア２ａ1，２ａ2の内側を通過するようにリニア軌道の左右（図では上下）に設けられる。また、各電機子は、リニア軌道の延在方向における相対的な位置関係が１２０°の電気角に相当する分だけ異なるように配置されている。このようなリニア同期機では、各相の電機子巻線２０Ａ，２０Ｂに互いに１２０°の位相差を有する３相交流を通電することによって、各電機子がリニア軌道の延在方向に移動する。なお、上記リニア同期機では、各電機子をリニア軌道の延在方向に配置したが、リニア軌道の幅方向に配置しても良い。この場合には、４列に永久磁石１ｃを４列ではなく、（４×３）列＝１２列配置する必要がある。

（３）第１実施形態では同期発電機Ｐ1について説明したが、図１に示した構成は、そのまま同期電動機にも適用することができる。すなわち、図１に示した構成において、固定子巻線４に外部の駆動装置から駆動電流を供給することにより回転子１を同期回転させて回転軸１ａから回転動力を取り出すようにしても良い。

（４）上記各実施形態では、固定子コア３をコの字状（断面形状）に形成し、回転子コア１を平板状（断面形状）に形成したが、これとは逆に固定子コア３を平板状（断面形状）に形成し、回転子コア１をコの字状（断面形状）に形成しても良い。

（５）上記各実施形態における回転子コア１及び固定子コア３は、高透磁率かつ低保持力の難磁性材料によって形成されるが、鉄損、特に渦電流損の関係で、永久磁石２を貼り付ける回転子コア１については圧粉コアで形成し、固定子コア３については電磁鋼板で形成する場合がある。この場合、圧粉コアの飽和磁束密度Ｂspは電磁鋼板の飽和磁束密度Ｂsemより低いので、上記Ｃを固定子コア３（電磁鋼板）の幅としたときには、回転子コア１（圧粉コア）の幅は、磁束密度の差を考慮してＣ・（Ｂsp／Ｂsem）とする必要がある。

本発明の第１実施形態に係わる横磁束型の同期発電機Ｐ1の要部構成を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係わる横磁束型の同期発電機Ｐ1の回転軸中心を含む断面の模式図である。本発明の第２実施形態に係わる横磁束型の同期発電機Ｐ2の回転軸中心を含む断面の模式図である。本発明の第３実施形態に係わる横磁束型の三相同期電動機Ｐ3の要部構成を示す断面図である。本発明の変形例に係るリニア同期機における固定子巻線の巻線構造の一例を示す正面図である。

符号の説明

Ｐ1，Ｐ2…同期発電機、１…回転子コア、２…永久磁石、３…固定子コア、３ａ…極歯、４…固定子巻線、５…回転子、６…固定子、Ｐ3…三相同期電動機、１０…ケーシング、１１Ａ…第１の出力軸、１１Ｂ…第２の出力軸、１２Ａ…第１の回転子、１２Ｂ…第２の回転子、１３Ａ〜１３Ｃ…固定子、１４〜１７…軸受け

Claims

所定方向に配列すると共に当該配列の方向に直交する方向に複数の極歯が形成された複数の電機子コア及び当該各電機子コアを跨ぐように敷線された電機子巻線を備える電機子と、界磁コア上に前記各極歯と対向するように前記配列の方向及び前記直交する方向に配列する複数の永久磁石を備える界磁と、からなる横磁束型同期機の設計方法であって、
前記電機子コア、前記界磁コア、前記永久磁石及び当該永久磁石と前記極歯とのギャップから形成されると共に前記電機子巻線に通電される電機子電流によって発生する磁束が通過する磁束領域の幅Ｃ及び外形面積Ｓ並びに前記電機子巻線によって磁束領域の内部に形成され電機子電流が通過する通電領域の面積Ｓ2からなる下記のトルク評価式Ｈが最大となるように前記磁束領域と前記通電領域との比率を決定することを特徴とする横磁束型同期機の設計方法。
前記磁束領域の外形面積Ｓを一定値として前記トルク評価式Ｈが最大となるように前記磁束領域と前記通電領域との比率を決定することを特徴とする請求項１記載の横磁束型同期機の設計方法。
前記磁束領域の幅Ｃを一定値として前記トルク評価式Ｈが最大となるように前記磁束領域と前記通電領域との比率を決定することを特徴とする請求項１記載の横磁束型同期機の設計方法。
所定方向に配列すると共に当該配列の方向に直交する方向に複数の極歯が形成された複数の電機子コア及び当該各電機子コアを跨ぐように敷線された電機子巻線を備える電機子と、界磁コア上に前記各極歯と対向するように前記配列の方向及び前記直交する方向に配列する複数の永久磁石を備える界磁とからなる横磁束型同期機であって、
前記各電機子コアは、所定の支持部材によって移動自在に支持される前記複数の極歯と、前記電機子巻線が付設されると共に相互に接続され、かつ、前記各極歯とは機械的に分離されると共に当該各極歯を磁気的に接続する接続コア部とから形成されることを特徴とする横磁束型同期機。