WO2016135813A1

WO2016135813A1 - 同期電動機

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Publication number: WO2016135813A1
Application number: PCT/JP2015/054962
Authority: WO
Inventors: 成田　憲治
Original assignee: 成田　憲治
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-09-01
Also published as: JP5951897B1; JPWO2016135813A1

Abstract

　電機子と界磁の間に、１つのラジアルエアギャップと２つのアキシャルエアギャップを含む広いエアギャップを有し、界磁磁束は直流励磁による磁束と永久磁石による磁束の２つを合成した大きな複合磁束を形成し、始動から加速の段階においては直流励磁磁束を多くし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、高効率の高速化が可能となる、ハイブリッド励磁型の同期電動機を得る。

Description

同期電動機

　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、トルク密度、出力密度をより高めた同期電動機に関し、さらに詳しく言えば、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励磁型の同期電動機に関する。

　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とを備えており、通常、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。

　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に固定したロータ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。

　ロータ２Ａは、界磁鉄心２２のアキシャル側の一方の側面（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。

　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。

　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配置された環状のステータ３Ｂとを有するインナーロータ型である。

　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５２を表面に張り付け、右側のスロットにはＳ極の永久磁石５３を表面に張り付ける。

　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。

　しかしながら、上述した２種類の電動機１Ａ，１Ｂともに、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。

　また、後者の電動機１Ｂ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とも、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。

　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る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。

　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、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はモータのトルクを大きくすることであり、そのことはモータのトルク密度や出力密度を増大させることに寄与する。

　しかしながら、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において、従来は上記電動機１Ａ，１Ｂのようにステータとロータは、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。

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」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」

　そこで、本発明の課題は、同期電動機において、トルク密度・出力密度をより増大させるため、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とともに、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、界磁磁束の総量を増大させたことを特徴とするハイブリッド励磁型の同期電動機を提供することにある。

　本発明には、インナーロータ式の同期電動機に係る第１の発明と、アウターロータ式の同期電動機に係る第２の発明とが含まれており、上述した課題を解決するため、第１の発明は、請求項１に記載されているように、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１つのラジアル面と上記２つの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１つのラジアル側ティース部と２つの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２つのアキシャル面の一方と対向する第１励磁鉄心および上記２つのアキシャル面の他方と対向する第２励磁鉄心と、上記回転軸を周回するようにリング状に巻回され、上記第１および第２の各励磁鉄心に磁束を与える直流励磁コイルとを有し、
　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、
　上記直流励磁コイルの起磁力により発生する磁束によって、上記奇数番目もしくは上記偶数番目のいずれか一方の界磁磁極がＮ極、いずれか他方の界磁磁極がＳ極に励磁され、
　上記奇数番目の界磁磁極と上記偶数番目の界磁磁極との間には、上記各界磁磁極の極性の並び順に沿って回転方向に着磁磁化された板状の永久磁石が配置され、直流励磁による磁束と永久磁石による磁束の２つの界磁磁束を利用することを特徴としている。

　また、第２の発明は、請求項２に記載されているように、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る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１つのラジアル磁極部と上記２つの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１つのラジアル側ティース部と２つの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２つのアキシャル磁極部の一方と対向する第１励磁鉄心および上記２つのアキシャル磁極部の他方と対向する第２励磁鉄心と、上記固定軸を周回するようにリング状に巻回され、上記第１および第２の各励磁鉄心に磁束を与える直流励磁コイルとを有し、
　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、
　上記直流励磁コイルの起磁力により発生する磁束によって、上記奇数番目もしくは上記偶数番目のいずれか一方の界磁磁極がＮ極、いずれか他方の界磁磁極がＳ極に励磁され、
　上記奇数番目の界磁磁極と上記偶数番目の界磁磁極の互いに対向する上記１つのラジアル磁極部および上記２つのアキシャル磁極部の円周方向の各端面間には、上記各界磁磁極の極性の並び順に沿って回転方向に着磁磁化された板状の永久磁石が配置され、直流励磁による磁束と永久磁石による磁束の２つの界磁磁束を利用することを特徴としている。

　上記第２の発明において、請求項３に記載されているように、上記永久磁石には、上記ラジアル磁極部の端面に沿って配置される第１永久磁石と、上記各アキシャル磁極部の端面に沿って配置される第２，第３永久磁石とが含まれ、その各々が分離して配置されていることが好ましい。

　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と２つのアキシャルエアギャップとを設け、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って、モータのトルクをより大きくさせるとともに、トルク密度・出力密度をより増大させることができる。

　さらに、界磁磁極の１つラジアル面と２つのアキシャル面とに、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界磁を形成し、双方の磁束が互いに独立し、かつ、並列に同一方向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、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、高速時における効率を向上させることができるという利点もある。

本発明の第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２（ａ）のＡ－Ｏ－Ｂ線断面図）。上記第１実施形態におけるロータ（界磁）を示す（ａ）左側面図，（ｂ）右側面図。（ａ）上記第１実施形態におけるロータの界磁磁極を示す斜視図、（ｂ）同ロータの界磁磁極の変形例を示す模式的な断面図。上記第１実施形態におけるステータ（電機子）を示す（ａ）中央縦断面図，（ｂ）そのＡ－Ａ線断面図。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。上記第１実施形態において、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。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。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。本発明の第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１１（ａ）のＡ－Ｏ－Ｂ線断面図）。（ａ）上記第２実施形態におけるロータの界磁磁極を示す斜視図、（ｂ）同ロータの界磁磁極の変形例を示す模式的な断面図。上記第２実施形態におけるロータを示す（ａ）左側面図，（ｂ）右側面図。上記第２実施形態におけるステータを示す側面図。上記第２実施形態での電機子巻線と三相交流電源の接続状態を示す結線図。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。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。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。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。第１従来例としてのクローポール型電動機を示す模式的な断面図。第２従来例としての直流励磁界磁型同期電動機を示す（ａ）中央縦断面図，（ｂ）左側半断面図，（ｃ）右側半断面図。

　次に、図１～１７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。

　図１に示すように，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と、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ハイブリッド励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。

　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。

　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。

　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。

　図２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。

　支持部材２１０は、非磁性体からなる円筒状を呈し、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、アルミニウムや樹脂成形などが用いられてよい。

　図３（ａ）を併せて参照して、界磁磁極２２０は、１つのラジアル磁極部２２１と、２つのアキシャル磁極部２２２，２２３とを有し、回転軸２１の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。

　界磁磁極２２０の一方のアキシャル磁極部２２２には、励磁鉄心４００Ａ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が設けられている。

　この実施形態において、フラックスバリア部２３１は、一方のアキシャル磁極部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、磁束が界磁磁極２２０内に入ることを防ぐようにしている。

　これに対して、界磁磁極２２０の他方のアキシャル磁極部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。

　この第１実施形態において、フラックスゲート部２３２は、アキシャル磁極部２２３のティース面から突出した凸部からなるが、励磁鉄心４００Ａとの間に磁気抵抗が小さくなるような空隙が存在するのであれば、アキシャル磁極部２２３は単なる平坦面であってもよい。

　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程度であることが好ましい。

　励磁鉄心４００Ａとの位置的な関係から、フラックスバリア部２３１およびフラックスゲート部２３２は、好ましくは各界磁磁極２２０の内径側（回転軸２１の軸中心側）に配置される。

　この実施形態において、界磁磁極２２０は、８極（２２０ａ～２２０ｈ）分が設けられているが、図２（ａ）に示すロータ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、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。

　これに対して、図２（ｂ）に示すロータ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）には、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。

　この第１実施形態において、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）と、偶数番目の界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）との間には、それぞれ、永久磁石２４０が半径方向に放射状に埋め込まれている。

　図３（ａ）に示すように、永久磁石２４０は、好ましくは界磁磁極２２０の円周方向の端面とほぼ等しい面積を有する板状に形成されており、その板厚方向（ロータ２００Ａの回転方向、すなわち接線方向）に着磁磁化されている。

　なお、図３（ｂ）に示すように、フラックスゲート部２３２を有する側のアキシャル磁極部２２３の全面をフラットに形成して、第２励磁鉄心４２０と例えば０．３～１ｍｍ程度の空隙間隔ｄ１をもって対向させて、アキシャル磁極部２２３のうち第２励磁鉄心４２０と対向する面をフラックスゲート部２３２としてもよい（フラックスバリアが凹で、フラックスゲートがフラットの組合せ）。

　後述する直流励磁によって、例えば、偶数番目の界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）がＮ極、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）がＳ極に励磁されるとすれば、各永久磁石２４０は、そのＮ極を偶数番目の界磁磁極２２０側、Ｓ極を奇数番目の界磁磁極２２０側に向けて配置される。永久磁石２４０には、好ましく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よい。

　次に、図４（ａ），（ｂ）を参照して、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のラジアル磁極部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２００Ａのアキシャル磁極部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とが設けられており、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。

　ラジアルティース部３１１は、環状鉄心３１０の内周面からロータ２００Ａのラジアル磁極部２２１側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形成されている。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。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。

　アキシャルティース部３１２，３１３は、基端側（ラジアルティース部３１１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、アキシャルティース部３１２，３１３の間には、アキシャルティース部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。

　アキシャルティース部３１２，３１３の先端側は、ラジアルティース部３１１と同じく、それぞれ円弧状に形成されており、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。

　この実施形態において、ステータ３００Ａは、電磁鋼鈑をプレス加工により打ち抜いて軸方向に、一方のアキシャルティース部、ラジアルティース部そして他方のアキシャルティース部と積層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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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のラジアル磁極部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つのアキシャル磁極部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。

　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磁極部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磁極部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。

　第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２０は、回転軸２１と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。

　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おり、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１に示すように、第１励磁鉄心４１０側がＮ極で、第２励磁鉄心４２０側がＳ極に励磁されたとすると、図６，図１６を併せて参照して、励磁磁束（フラックス）は、回転軸２１のＮ極側→回転軸２１と第１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→第１励磁鉄心４１０と図２（ａ）のロータ２００Ａの左側面側に存在する偶数番目の界磁磁極が有する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）→偶数番目の界磁磁極（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→ステータ３００Ａの環状鉄心３１０→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→奇数番目の界磁磁極（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）→図２（ｂ）のロータ２００Ａの右側面側に存在する奇数番目の界磁磁極が有するフラックスゲート部２３２と第２励磁鉄心４２０との間の空隙Ｇｇ（第３励磁エアギャップ）→第２励磁鉄心４２０→回転軸２１と第２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、偶数番目の界磁磁極（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）がＮ極、奇数番目の界磁磁極（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）がＳ極に励磁されることになる。

　各永久磁石２４０は、そのＮ極を偶数番目の界磁磁極（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）側、Ｓ極を奇数番目の界磁磁極（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）側として、偶数番目の界磁磁極と奇数番目の界磁磁極との間に配置（埋設）される。

　したがって、永久磁石２４０による磁束は、自己のＮ極→偶数番目の界磁磁極（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）のラジアル磁極部２２１およびアキシャル磁極部２２２，２２３→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→ステータ３００Ａの環状鉄心３１０→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→隣接する奇数番目の界磁磁極（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）→自己のＳ極へと循環する。

　これにより、励磁コイル４３０の直流励磁による界磁磁束と永久磁石２４０による界磁磁束は、Ｎ極を構成する偶数番目の界磁磁極（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→ステータ３００Ａの環状鉄心３１０→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→奇数番目の界磁磁極（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）の磁気回路を相互に相手の磁束を減少させることなく並列に流れ、それぞれ大きな磁束を保ちながらより大きな複合磁束を形成し、これが電機子の回転磁界の磁束と作用して、大きな回転トルクを発生させる。

　なお、ステータ３００Ａの環状鉄心３１０と界磁磁極２２０との間のエアギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３、回転軸２１と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙（第１励磁エアギャップ）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（第２励磁エアギャップ）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、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を含めて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。

　図１６を参照して、Ｎ極界磁磁極（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）からＳ極界磁磁極（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）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、ステータ３００Ａの環状鉄心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４００Ａとフラックスゲート部２３２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次式１によって算出される。

　上記式１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

　次に、図７を参照して、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、その説明は省略する。

　この変形例でのステータ３００Ａ’において、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。

　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には、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。

　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３１２，３１３には、それぞれ電機子巻線Ｃが巻回されている。

　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。

　この第１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することにより、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、弱め界磁のための電流を流すことなく、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。

　次に、図９～図１５、図１７を参照して、第２実施形態に係るアウターロータ式のハイブリッド励磁型同期電動機について説明する。

　図９（図１１のＡ－Ｏ－Ｂ線断面図）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と、ケーシング５００Ｂの内面に設けられた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ハイブリッド励磁型同期電動機である。

　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。

　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。ケーシング５００Ｂには、例えばアルミニウムなどの非磁性体が用いられる。

　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。第一ケーシング５１０と第二ケーシング５２０は溶接接合されてもよい。

　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に支持されている。

　図１０（ａ）および図１１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を介して対向配置されるラジアル磁極部２５１と、ステータ３００Ｂの２つアキシャル面に対してアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３を介して対向配置される２つのアキシャル磁極部２５２，２５３とを有する複数個（この実施形態では８個）の界磁磁極２５０を備えている。

　界磁磁極２５０は、例えば電磁鋼板等の強磁性体を固定軸２５の軸線方向に沿って積層することにより形成されるが、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。

　この第２実施形態において、界磁磁極２５０は、ラジアル磁極部２５１の両端（固定軸２５の軸線方向に沿った両端）から、アキシャル磁極部２５２，２５３が固定軸２５側に向けてほぼ直角に一体的に折り曲げられた断面コ字状（門形状）に形成されている。アキシャル磁極部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。

　２つのアキシャル磁極部２５２，２５３のうち、一方のアキシャル磁極部２５２（図１０では左側）には、励磁鉄心４００Ｂ（４１０，４２０）との間で磁束を通り易くするため、励磁鉄心４００Ｂと界磁鉄心２５０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、上記第１実施形態と同じく、アキシャル磁極部２５２のティース面から突出した凸部からなるが、励磁鉄心４００Ｂとの間に磁気抵抗が小さくなるような空隙が存在するのであれば、アキシャル磁極部２５２は単なる平坦面であってもよい。

　これに対し、他方のアキシャル磁極部２５３（図１０では右側）には、励磁鉄心４００Ｂ（４１０，４２０）との間で磁束を通りにくくするため、励磁鉄心４００Ｂ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。

　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、励磁鉄心４００Ｂとの空隙距離が長くなるようにアキシャル磁極部２５３から励磁鉄心４００Ｂとは離反する方向（内側）に凹んだ凹部からなるが、励磁鉄心４００Ｂとの間に磁気抵抗が大きくなるような空隙が存在するのであれば、アキシャル磁極部２５３は単なる平坦面であってもよい。

　フラックスゲート部２６１とフラックスバリア部２６２は、上記第１実施形態と同じく、各アキシャル磁極部２５２，２５３の内径側（固定軸２５の軸中心側）に配置されている。

　この第２実施形態においても、界磁磁極２５０は、８極（２５０ａ～２５０ｈ）分が設けられているが、図１１（ａ）に示すロータ２００Ｂの左側面（一方の励磁鉄心４１０と対向する側の側面）において、各界磁磁極２５０のうち、偶数番目の界磁磁極２５０（２５０ｂ，２５０ｄ，２５０ｆ，２５０ｈ）には、フラックスゲート部２６１が配置されており、奇数番目の界磁磁極２５０（２５０ａ，２５０ｃ，２５０ｅ，２５０ｇ）には、フラックスバリア部２６２が配置されている。

　これに対して、図１１（ｂ）に示すロータ２００Ｂの右側面（他方の励磁鉄心４２０と対向する側の側面）において、各界磁磁極２５０のうち、奇数番目の界磁磁極２５０（２５０ａ，２５０ｃ，２５０ｅ，２５０ｇ）には、フラックスバリア部２６２が配置されており、偶数番目の界磁磁極２５０（２５０ｂ，２５０ｄ，２５０ｆ，２５０ｈ）には、フラックスゲート部２６１が配置されている。

　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。

　この第２実施形態においても、図１０（ａ），図１１に示すように、奇数番目の界磁磁極２５０（２５０ａ，２５０ｃ，２５０ｅ，２５０ｇ）と、偶数番目の界磁磁極２５０（２５０ｂ，２５０ｄ，２５０ｆ，２５０ｈ）との間には、それぞれ、永久磁石２６０が埋め込まれている。

　この第２実施形態において、図１０（ａ）に示すように、永久磁石２６０には、ラジアル磁極部２５１の端面に沿って配置される第１永久磁石２６０Ａと、アキシャル磁極部２５２，２５３の各端面に沿って配置される第２，第３永久磁石２６０Ｂ，２６０Ｂの３つの永久磁石が含まれている。

　各永久磁石２６０Ａ，２６０Ｂ，２６０Ｂは、ともに角柱状として分離（分割）して形成されているが、各界磁磁極２５０の極性の並び順に沿って回転方向に着磁磁化されている。

　なお、図１０（ｂ）に示すように、フラックスバリア部２６２を有する側のアキシャル磁極部２５３の全面をフラットに形成し、第２励磁鉄心４２０と例えば３ｍｍ以上の空隙間隔ｄ２をもって対向させて、アキシャル磁極部２５３のうち第２励磁鉄心４２０と対向する面をフラックスリア部２６２としてもよく（フラックスバリアがフラットで、フラックスゲートが凸の組合せ）、これによれば、アキシャル磁極部２５３にフラックスバリアとしての凹部を形成する必要がなく、その分、アキシャル磁極部２５３側の端面に取り付けられる永久磁石２６０Ｂの磁束を１００％有効に使うことができる。

　後述する直流励磁によって、例えば図１１に示すように、偶数番目の界磁磁極２５０（２５０ｂ，２５０ｄ，２５０ｆ，２５０ｈ）がＮ極、奇数番目の界磁磁極２５０（２５０ａ，２５０ｃ，２５０ｅ，２５０ｇ）がＳ極に励磁されるとすれば、永久磁石２６０（２６０Ａ，各２６０Ｂ）は、そのＮ極を偶数番目の界磁磁極２５０側、Ｓ極を奇数番目の界磁磁極２５０側に向けて配置される。永久磁石２６０には、好ましく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よい。

　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、図９に示すように、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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　再び図９を参照して、励磁鉄心４００Ｂは、界磁磁極２５０の一方のアキシャル磁極部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、界磁磁極２５０の他方のアキシャル磁極部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。

　第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２０は、固定軸２５を中心とする環状鉄心であって、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４２０には、固定軸２５を中心に励磁コイル４３０が巻回されている。

　図９において左右に分かれている励磁コイル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。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９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極に励磁されたとすると、励磁磁束（フラックス）は、固定軸２５のＮ極側→第１励磁鉄心４１０→第１励磁鉄心４１０と図１１（ａ）のロータ２００Ｂの左側面側に存在する偶数番目の界磁磁極（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ）が有するフラックスゲート部２６１との間の空隙Ｇｇ→偶数番目の界磁磁極（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ）→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→ステータ３００Ｂの環状鉄心３１０→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→奇数番目の界磁磁極（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ）→図１１（ｂ）のロータ２００Ｂの右側面側に存在する奇数番目の界磁磁極（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ）が有する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（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ）がＮ極、奇数番目の界磁磁極（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ）がＳ極に励磁される。

　永久磁石２６０（２６０Ａ，２６０Ｂ）は、そのＮ極を偶数番目の界磁磁極（２５０ｂ，２５０ｄ，２５０ｆ，２５０ｈ）側、Ｓ極を奇数番目の界磁磁極（２５０ａ，２５０ｃ，２５０ｅ，２５０ｇ）側として、偶数番目の界磁磁極と奇数番目の界磁磁極との間に配置（埋設）される。

　したがって、永久磁石２６０による磁束は、自己のＮ極→偶数番目の界磁磁極（２５０ｂ，２５０ｄ，２５０ｆ，２５０ｈ）のラジアル磁極部２５１およびアキシャル磁極部２５２，２５３→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→ステータ３００Ｂの環状鉄心３１０→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→奇数番目の界磁磁極（２５０ａ，２５０ｃ，２５０ｅ，２５０ｇ）→自己のＳ極へと循環する。

　これにより、励磁コイル４３０の直流励磁による界磁磁束と永久磁石２６０による界磁磁束は、Ｎ極を構成する偶数番目の界磁磁極（２５０ｂ，２５０ｄ，２５０ｆ，２５０ｈ）→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→ステータ３００Ａの環状鉄心３１０→ラジアルエアギャップＧ１およびアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３→奇数番目の界磁磁極（２５０ａ，２５０ｃ，２５０ｅ，２５０ｇ）の磁気回路を相互に相手の磁束を減少させることなく並列に同一方向に流れ、それぞれ大きな磁束を保ちながら大きな複合磁束を形成し、これが電機子の回転磁界の磁束と作用して、より大きな回転トルクを発生させる。

　図１７に示すように、Ｎ極界磁磁極（２５０ｂ，２５０ｄ，２５０ｆ，２５０ｈ）からＳ極界磁磁極（２５０ａ，２５０ｃ，２５０ｅ，２５０ｇ）に流れる磁束は、ステータ３００Ａの環状鉄心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。固定軸２５、励磁鉄心４００Ｂ、界磁磁極２５０、環状鉄心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２６１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、次式２によって算出される。

　上記数２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磁極部２２２，２２３と電機子鉄心のアキシャルティース部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磁極部２２１と電機子鉄心のラジアルティース部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

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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、１つのラジアルエアギャップＧ１と２つのアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３の３つのエアギャップを形成し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３３２をサドル形状とし、各電機子スロット３３１に集中巻電機子巻線Ｃを施すようにしている。

　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）。

　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３１１と２つのアキシャルティース部３１２，３１３の機能を備え、対向する界磁磁極との間に、それぞれラジアルエアギャップＧ１と２つのアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３を形成する。

　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。

　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。

　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。

　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、モータトルクをより大きくし、トルク密度・出力密度をより増大させたハイブリッド励磁型同期電動機を得ることができる。

　また、直流励磁磁石による界磁と永久磁石による界磁の２種類の界磁を組み合わせた複合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たことにより、始動から加速の段階においては直流励磁磁束を多くし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、永久磁石界磁のみの界磁のみの界磁と異なり、弱め界磁のための無駄な電力を消費しないので、高効率の高速化が可能となる。

　１００Ａ　ハイブリッド励磁型同期電動機（インナーロータ型）
　１００Ｂ　ハイブリッド励磁型同期電動機（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　ラジアル磁極部
　２２２，２２３　アキシャル磁極部
　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
　３１２，３１３　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）

Claims

　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１つのラジアル面と上記２つの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１つのラジアル側ティース部と２つの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２つのアキシャル面の一方と対向する第１励磁鉄心および上記２つのアキシャル面の他方と対向する第２励磁鉄心と、上記回転軸を周回するようにリング状に巻回され、上記第１および第２の各励磁鉄心に磁束を与える直流励磁コイルとを有し、
　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、
　上記直流励磁コイルの起磁力により発生する磁束によって、上記奇数番目もしくは上記偶数番目のいずれか一方の界磁磁極がＮ極、いずれか他方の界磁磁極がＳ極に励磁され、
　上記奇数番目の界磁磁極と上記偶数番目の界磁磁極との間には、上記各界磁磁極の極性の並び順に沿って回転方向に着磁磁化された板状の永久磁石が配置され、
　直流励磁による磁束と永久磁石による磁束の２つの界磁磁束を利用することを特徴とするハイブリッド励磁型同期電動機。
　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る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１つのラジアル磁極部と上記２つの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１つのラジアル側ティース部と２つの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２つのアキシャル磁極部の一方と対向する第１励磁鉄心および上記２つのアキシャル磁極部の他方と対向する第２励磁鉄心と、上記固定軸を周回するようにリング状に巻回され、上記第１および第２の各励磁鉄心に磁束を与える直流励磁コイルとを有し、
　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、
　上記直流励磁コイルの起磁力により発生する磁束によって、上記奇数番目もしくは上記偶数番目のいずれか一方の界磁磁極がＮ極、いずれか他方の界磁磁極がＳ極に励磁され、
　上記奇数番目の界磁磁極と上記偶数番目の界磁磁極の互いに対向する上記１つのラジアル磁極部および上記２つのアキシャル磁極部の円周方向の各端面間には、上記各界磁磁極の極性の並び順に沿って回転方向に着磁磁化された板状の永久磁石が配置され、
　直流励磁による磁束と永久磁石による磁束の２つの界磁磁束を利用することを特徴とするハイブリッド励磁型同期電動機。
　上記永久磁石には、上記ラジアル磁極部の端面に沿って配置される第１永久磁石と、上記各アキシャル磁極部の端面に沿って配置される第２，第３永久磁石とが含まれ、その各々が分離して配置されていることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド励磁型同期電動機。