(57)【要約】【課題】トルク調節が容易で発生トルクが大きい同期モータを提供すること。【解決手段】同期モータ１のロータ７は、周方向所定ピッチで配列された多数のセグメント１１と、周方向に隣接する各セグメント間隙１２に配置されて周方向両側のセグメント１１を逆向きに磁化するセグメント間磁石１３と、各セグメント１１に巻装された界磁コイル１４とを有している。セグメント１１は、周方向中央部の凹部１１０と、この凹部１１０の周方向両側に個別に配置された一対の磁気突極部１１１とを有しており、界磁コイル１４は、この凹部１１０に巻装されている。このようにすれば、磁石トルクとリラクタンストルクと界磁電流トルクとを発生するトルク制御が容易で、トルク制御電力が小さい同期モータを実現することができる。【選択図】図２
2010035404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転磁界を形成可能な複数の相巻線により構成されたステータコイルが巻装されたステータコアを有するステータと、前記ステータの径方向内側に配置されて回転するロータとを有し、前記ロータは、磁気抵抗が小さい磁気突極部と磁気抵抗が大きい磁気抵抗部とが電気角π／２離れて形成された磁気突極構造を有する軟磁性のロータコアを有する同期モータにおいて、
前記ロータコアは、周方向中央部に径方向内側に凹設されて前記磁気抵抗部を構成する凹部と、前記凹部の周方向両側に個別に配置された一対の磁気突極部とを有して軟磁性材料により形成された多数のセグメントにより構成され、
前記多数のセグメントは、所定のセグメント間ギャップを隔てて周方向へ多数配列してなり、
前記ロータは、奇数番目の前記セグメント間ギャップに配置されて周方向両側の前記磁気突極部を時計方向に磁化し、かつ、偶数番目の前記セグメント間ギャップに配置されて周方向両側の前記磁気突極部を反時計方向に磁化する多数のセグメント間磁石と、前記各セグメントの凹部を貫通して周方向に巻装される界磁コイルと、
を有し、
前記界磁コイルは、直流電流の通電により前記各セグメントの前記一対の磁気突極部を逆向きに励磁することを特徴とする同期モータ。
【請求項２】
前記セグメントは、前記一対の磁気突極部が前記ステータに対面しつつ軸方向に延在するクローポール構造を有する請求項１記載の同期モータ。
【請求項３】
周方向に磁化されて前記界磁コイルと逆向きに前記セグメントを磁化するセグメント内磁石を有する請求項１又は２記載の同期モータ。
【請求項４】
前記ロータコアは、セグメント間磁石を短絡するＣ字状の軟磁性部材からなり、第２界磁コイルが巻装された磁気短絡部材を有し、
前記第２界磁コイルは、前記磁気短絡部材内の前記セグメント間磁石の磁束を減らす向きに前記磁気短絡部材を励磁する請求項１乃至３のいずれか記載の同期モータ。
【請求項５】
前記ロータコアは、タンデム型ランデルロータ構造を有する請求項４記載の同期モータ。
【請求項６】
前記第１、第２界磁コイルは並列乃至直列に接続されている請求項１乃至５のいずれか記載の同期モータ。
【請求項７】
前記ステータコアの内周面から径方向に向かって突出する複数のティースの内径側先端の周方向幅は、前記多数のセグメント間磁石のいずれかの周方向幅よりも狭く形成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の同期モータ。
【請求項８】
隣り合う前記ティースの壁面がほぼ平行状となるスロットを形成し、
前記ティースの内径側先端には、前記同期モータがトルクを発生している場合に前記ロータのトルク発生方向とは反対側にのみ突出部を設け、
前記突出部は、前記ティースとの接合面幅と前記ロータとの対向面幅とをほぼ同一とし、先端面のトルク発生方向とは反対側の厚みを前記接合面幅よりも小さくし、内径側先端における隣り合う前記ティースの相互間距離を前記ロータとの対向面幅の２倍以上となるように形成することを特徴とする請求項７記載の同期モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期モータの改良に関し、特に界磁コイルと永久磁石と磁気突極構造とをもつロータを有する同期モータに関する。なお、モータを発電機として動作させ得ることは当業者にとって周知事項となっている。
【背景技術】
【０００２】
従来、同期機として、電気角π／２ピッチで磁気突極構造をもつロータと、正弦波電流が通電されるステータコイルにより形成されるステータの回転磁界とが同期してリラクタンストルクを発生するシンクロナスリラクタンスモータが、たとえば下記の特許文献１、２などに提案されている。このシンクロナスリラクタンスモータのリラクタンストルクは、回転座標系上にてｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差ΔＬと、ステータ電流のｄ軸成分（ｄ軸電流）Ｉｄと、ステータ電流のｑ軸成分（ｑ軸電流）Ｉｑとの積にて表される。このため、ロータコアの磁気突極部の周方向中心をｄ軸とする場合、ｑ軸インダクタンスをたとえば永久磁石磁界により低減する提案もなされている。その他、磁石トルクとリラクタンストルクとを併用する同期モータがたとえば埋め込み磁石型同期モータとして知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−８９１９３号公報
【特許文献２】特開２００６−１２１８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シンクロナスリラクタンスモータのロータコアの磁気突極構造としては、フラックスバリアタイプやセグメントタイプなど種々提案されているが、磁界形成用の電流損失によりモータ効率が低下し、トルクあたりの体格が大きくなるという問題点を有していた。このため、磁気突極比（Ｌｑ／Ｌｄ）を向上させてリラクタンストルクを増大させることが要望されていた。
【０００５】
また、シンクロナスリラクタンスモータでは、ステータとロータとの間の授受磁束の全部を、交流電流が通電されて比較的ターン数が少ないステータコイルにより形成する必要があるため、磁束形成用の電流による銅損が大きいという問題があった。
【０００６】
このため、たとえばランデル型界磁コイル式同期モータのようにロータ側で上記磁束を形成することもできるが、この場合には、直流電流が通電されてターン数が大きく、トルクの急速変更が容易でないという問題が生じる。この問題は、リラクタンストルクと磁石トルクを併用する埋め込み磁石型同期モータ（ＩＰＭ）により解決されるが、ＩＰＭは、大トルク発生のため高価な磁石を必要とするうえ、磁石磁束が大きいため高速回転時に弱め界磁のための大きな銅損が発生するという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、体格当たりのトルクが大きく、かつ、高速回転時の少ない損失でのトルク制御が容易である同期モータを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明の同期モータは、回転磁界を形成可能な複数の相巻線により構成されたステータコイルが巻装されたステータコアを有するステータと、前記ステータの径方向内側に配置されて回転するロータとを有し、前記ロータは、磁気抵抗が小さい磁気突極部と磁気抵抗が大きい磁気抵抗部とが電気角π／２離れて形成された磁気突極構造を有する軟磁性のロータコアを有する同期モータにおいて、前記ロータコアは、周方向中央部に径方向内側に凹設されて前記磁気抵抗部を構成する凹部と、前記凹部の周方向両側に個別に配置された一対の磁気突極部とを有して軟磁性材料により形成された多数のセグメントにより構成され、前記多数のセグメントは、所定のセグメント間ギャップを隔てて周方向へ電気角π／２ピッチで多数配列してなり、前記ロータは、奇数番目の前記セグメント間ギャップに配置されて周方向両側の前記磁気突極部を時計方向に磁化し、かつ、偶数番目の前記セグメント間ギャップに配置されて周方向両側の前記磁気突極部を反時計方向に磁化する多数のセグメント間磁石と、前記各セグメントの凹部を貫通して周方向に巻装される界磁コイルとを有し、前記界磁コイルは、直流電流の通電により前記各セグメントの前記一対の磁気突極部を逆向きに励磁することを、その特徴としている。
【０００９】
このように構成することにより、大きなトルクを発生することができるとともに、トルク調節が容易で、トルク調節のための電力も減らすことができる。また、発電動作や高速時電動動作におけるステータコイルに生じる好ましくない磁石起電力の影響を電力ロスを抑止しつつ軽減することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の同期モータにおいて、前記セグメントは、前記一対の磁気突極部が前記ステータに対面しつつ軸方向に延在するクローポール構造を有する。これにより、ロータ構造の簡素化が可能となり、界磁コイルの線長も短縮することができる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の同期モータにおいて、周方向に磁化されて前記界磁コイルと逆向きに前記セグメントを磁化するセグメント内磁石を有する。これにより、トルクを増大することができる。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の同期モータにおいて、前記ロータコアは、セグメント間磁石を短絡するＣ字状の軟磁性部材からなり、第２界磁コイルが巻装された磁気短絡部材を有し、前記第２界磁コイルは、前記磁気短絡部材内の前記セグメント間磁石の磁界に対抗する向きに前記磁気短絡部材を励磁する。この構成により、好ましい運転状況ではセグメント間磁石の磁束と前記短絡部材を流れる界磁磁束とが加わり、また好ましくない運転状況ではセグメント間磁石の磁束は前記短絡部材により短絡されるためステータコイルに与える起電力が軽減される。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の同期モータにおいて、前記ロータコアは、タンデム型ランデルロータ構造を有する。これにより、セグメント間磁石及びセグメント内磁石の両方を軟磁性部材で磁気短絡し、この軟磁性部材に巻装した界磁コイルによりこれらセグメント間磁石やセグメント内磁石がステータに流す磁束を自由に調節することが可能となる。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか記載の同期モータにおいて、前記第１、第２界磁コイルは並列乃至直列に接続されている。これにより、界磁電流の制御回路を簡素化することができる。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか記載の同期モータにおいて、前記ステータコアの内周面から径方向に向かって突出する複数のティースの内径側先端の周方向幅は、前記多数のセグメント間磁石のいずれかの周方向幅よりも狭く形成することを特徴とする。これにより、ティース先端を通って、ｑ軸−ｑ軸間ロータ磁路から漏れる磁束を低減することができ、リラクタンストルクを増大させることができる。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の同期モータにおいて、隣り合う前記ティースの壁面がほぼ平行状となるスロットを形成し、前記ティースの内径側先端には前記同期モータがトルクを発生している場合に前記ロータのトルク発生方向とは反対側（すなわちティースの先端を流れる磁束が集中する方向）にのみ突出部を設け、前記突出部は、前記ティースとの接合面幅と前記ロータとの対向面幅とをほぼ同一とし、先端面のトルク発生方向とは反対側の厚みを前記接合面幅よりも小さくし、内径側先端における隣り合う前記ティースの相互間距離を前記ロータとの対向面幅の２倍以上となるように形成することを特徴とする。これにより、ティースとの接合面幅と前記ロータとの対向面幅とをほぼ同一としたので、磁気飽和が低減される。また、ロータとエアギャップの距離が一定であるので、磁束量が減少してトルクダウンすることもない。さらに、突出部の先端側にいくほど前記突出部の厚み（すなわち径方向厚さ）が小さくなるので、ｑ軸インダクタンスを低減でき、リラクタンストルクを向上させることができる。そして、隣り合うティースの壁面がほぼ平行状に形成され、内径側先端における隣り合うティースの相互間距離が十分に取られているので、ｑ軸漏れ磁束を低減でき、リラクタンストルクを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１の同期モータのブロック回路図である。
【図２】実施例１の同期モータのロータの基本構造を示す模式径方向側面図である。
【図３】実施例１のリラクタンストルク発生状態を示す説明図である。
【図４】実施例１の磁石トルク発生状態を示す説明図である。
【図５】実施例１の界磁電流トルク発生状態を示す説明図である。
【図６】実施例２の同期モータのロータの基本構造を示す模式径方向側面図である。
【図７】実施例３の同期モータのロータの基本構造を示す模式径方向側面図である。
【図８】図７のロータ外周面の周方向展開図である。
【図９】実施例３の変形態様のロータ構造を示す模式部分斜視図である。
【図１０】実施例４の同期モータのロータの基本構造を示す模式径方向側面図である。
【図１１】実施例５の同期モータのロータの模式軸方向断面図である。
【図１２】実施例５の同期モータのロータの周方向模式展開図である。
【図１３】実施例６の同期モータのロータの模式径方向拡大断面図である。
【図１４】実施例６の同期モータのロータの模式径方向拡大断面図である。
【図１５】実施例７の同期モータのロータの模式径方向拡大断面図である。
【図１６】実施例７の同期モータのロータの模式径方向拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の好適な実施形態を以下の実施例により具体的に説明する。
【００１９】
（実施例１）
実施例１の同期モータの基本原理を図１を参照して説明する。ただし、図１は、この同期モータの回路を示す基本的なブロック回路図、図２はそのロータ構造を示す模式径方向断面図である。なお、ステータは、３相ステータコイルがスロットに巻装された周知構造を採用するため、図２では図示を省略する。
【００２０】
（構成）
図１において、１はインナーロータタイプの同期モータ、２は三相のインバータ、３は界磁電流制御回路、４は外部からのトルク指令に基づいてインバータ２及び界磁電流制御回路３を制御するマイコン内蔵のコントローラ（制御部）、５は車載のバッテリ、６は平滑コンデンサである。
【００２１】
同期モータ１は、図略のステータコアに巻装されたステータコイル１０と、界磁コイル１４とを有する。ステータコイル１０は、Ｕ相コイル１Ｕ、Ｖ相コイル１Ｖ、Ｗ相コイル１Ｗを星形接続して構成されている。界磁コイル１４を流れる界磁電流Ｉｆは界磁電流制御回路３により制御され、ステータコイルに流れる各相電流はインバータ２により制御される。なお、インバータ２を３相全波整流器として作動させることにより、同期モータ１を発電動作させてもよいことはもちろんである。
【００２２】
コントローラ４は、図略の回転角センサで検出した図１では記載を省略したロータロータの回転角と外部から入力されるトルク指令に基づいて、インバータ２がステータコイル１０に流す３相電流を決定し、この３相電流を通電するための制御信号をインバータ２に出力する。また、コントローラ４は、界磁コイル１４に流す界磁電流Ｉｆを決定し、それを界磁電流制御回路３に出力し、界磁電流制御回路３は入力された界磁電流Ｉｆの界磁コイル１４に通電する。
【００２３】
図１のモータ回路は通常の界磁コイル型同期電動機と本質的に同じであるため、これ以上の説明は省略する。
【００２４】
（ロータ７）
次に、この同期モータ１のロータ７の基本構造を図２を参照して説明する。
【００２５】
このロータ７は、軟磁性材料により形成されるとともにステータの径方向内側に位置して回転軸８の外周側に周方向所定ピッチで配列された合計１０個のセグメント１１と、周方向に隣接する各セグメント間隙１２に配置されて周方向両側のセグメント１１を逆向きに磁化するセグメント間磁石１３と、各セグメント１１に巻装された界磁コイル１４とを有している。
【００２６】
セグメント１１は、周方向中央部に径方向内側に凹設されて磁気抵抗部を構成する凹部１１０と、この凹部１１０の周方向両側に個別に配置された一対の磁気突極部１１１とを有して、図２に示すように模式的にＣ字状の形状を有している。したがって、セグメント１１の周方向幅とセグメント間隙１２との合計が電気角πとなる。各セグメント１１の一対の磁気突極部１１１、１１１は略電気角π離れているため、各セグメント１１の合計であるロータ７の軟磁性磁気回路は、磁気突極構造をもつ。このため、このロータ７は、シンクロナスリラクタンスモータとしてリラクタンストルクを発生することができる。
【００２７】
奇数番目のセグメント間磁石１３と偶数番目のセグメント間磁石１３とは周方向逆向きに磁化されており、これにより、奇数番目のセグメント間磁石１３と偶数番目のセグメント間磁石１３とは逆向きに磁化される。奇数番目のセグメント間磁石１３から出てステータを流れた後、偶数番目のセグメント間磁石１３に還る磁石磁束通路が形成される。これにより、このロータ７は、磁石式同期モータとして磁石トルクを発生することができる。
【００２８】
界磁コイル１４は、セグメント間磁石１３を挟んで周方向に隣在する一対の磁気突極部１１１、１１１の周囲に巻装される。言い換えれば、界磁コイル１４は、各セグメント１１の凹部１１０に順次貫通して配置されている。これにより、このロータ７は、界磁コイル式同期モータとして作用する。
【００２９】
結局、ステータ電流の位相角及び電流量を適切に制御することにより、このモータは、リラクタンストルクと磁石トルクと界磁コイルの電流によるトルク（以下、界磁電流トルクと称する）とを発生する。このことは、当業者であれば容易に理解されることであるため、これ以上の説明は省略する。
【００３０】
各トルクの関係を図３〜図５を参照して説明する。
【００３１】
図３は、リラクタンストルクを説明する模式説明図である。セグメント間磁石１３及び界磁コイル１４によるトルクは無視する。セグメント間磁石１３の周方向中央部をｄ軸、セグメント１１の周方向中央部をｑ軸とみなす。ステータ電流のｄ軸成分をｄ軸電流Ｉｄ、ステータ電流のｑ軸成分をｑ軸電流Ｉｑとする。Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスである。リラクタンストルクＴｒは、（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｄＩｑとなる。この実施形態では、ｑ軸インダクタンス（Ｌｑ）は、セグメント１１の凹部１１０が２つとセグメント間隙１２とが、ｑ軸−ｑ軸間のロータ磁路に存在するため、小さくなる。更に、ｑ軸電流Ｉｑによるステータ電流磁束Φｑ（図３に破線で示す）は、それと逆向きに磁化されたセグメント間磁石１３の磁石磁束により打ち消されるため、等価的に小さくなる。その結果として、大きなリラクタンストルクを期待することができる。
【００３２】
図４は、セグメント間磁石１３による磁石トルクを説明する模式説明図である。リラクタンストルクＴｒ及び界磁コイル１４によるトルク（界磁電流トルク）は無視する。セグメント間磁石１３による磁石磁束Φｍは、図４の左側のセグメント１１から入って、セグメント間磁石１３を周方向に通過し、図４の右側のセグメント１１からステータに出る。磁気飽和等を無視して理想的に考えれば、磁石磁束Φｍは、セグメント１１の２つの磁気突極部１１１、１１１を半分ずつ流れると仮定することができる。これは、磁石磁束Φｍが等価的にｑ−ｑ軸通路を流れると見なすことができる（図４を参照されたい）。その結果、磁石トルクＴｍは、ΦｍＩｄとなる。
【００３３】
図５は、界磁コイル１４に形成される磁束（電流磁束Φｉと呼ぶ）によるトルクである電流トルクＴｉを説明する模式説明図である。電流磁束Φｉによる電流トルクＴｉ及び磁石トルクＴｍは無視する。電流磁束Φｉは、図５において、セグメント間磁石１３の両側の２つのセグメント１１、１１の合計４つの磁気突極部１１１のうち、時計方向端がＮ極となっているセグメント間磁石１３の両側に隣在する中央よりの２つの磁気突極部１１１からステータに向かう。また、セグメント間磁石１３の両側の２つのセグメント１１、１１の合計４つの磁気突極部１１１のうち、時計方向端がＮ極となっているセグメント間磁石１３から離れた２つの磁気突極部１１１においてステータから流れ込む。磁気飽和等を無視して理想的に考えれば、電流磁束Φｉは、セグメント間磁石１３を挟んでセグメント１１の互いに近接する２つの磁気突極部１１１、１１１を半分ずつ流れると仮定することができる。これは、電流磁束Φｉが等価的にｄ−ｄ軸通路を流れると見なすことができる（図５を参照されたい）。その結果、電流トルクＴｉは、ΦｉＩｑとなる。
【００３４】
結局、この同期モータ１の合成トルクは、上記３つのトルクの和である。各トルクを生み出す磁束によりセグメント１１が磁気飽和しないようにしたり、又は、高速回転時に磁石磁束Φｍによるステータコイルの逆起電力が押さえるための弱め界磁制御を行ったり、高速のトルク調節のためにｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとを調節したり、低速のトルク調節のために界磁コイル１４に通電する界磁電流Ｉｆを調節できることは明白である。
【００３５】
なお、上記合成トルク発生原理は、リラクタンストルクＴｒを増大するために、ｄ軸インダクタンスＬｄを等価的に増大させ、ｑ軸インダクタンスＬｑを等価的に減少させるものであると見なすことも可能である。
【００３６】
このようにすれば、周方向に隣在する２つのセグメント１１、１１の合計４つの磁気突極部１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄのうち、磁気突極部１１１Ａは各磁束により強いＮ極に、磁気突極部１１１Ｃは各磁束により強いＳ極に磁化される。なお、図２において、磁気突極部１１１Ｂ、１１１Ｃは、各磁束が打ち消し合う結果として中間的な磁気ポテンシャルをもつため、ここでは簡易的に中間極Ｏと表示している。
【００３７】
（実施例２）
実施例２の同期モータの基本原理を図６を参照して説明する。ただし、図６は、この同期モータのロータ構造を示す模式径方向断面図である。なお、ステータは、３相ステータコイルがスロットに巻装された周知構造を採用するため、図２では図示を省略する。
【００３８】
（構成）
図６に示すロータ７は、各セグメント１１の凹部１１０にセグメント内磁石１５を追加した点をその特徴とする。各セグメント内磁石１５は、周方向右側に隣在するセグメント間磁石１３と逆向き、かつ、周方向左側に隣在するセグメント間磁石１３と同向きに磁化されている。
【００３９】
このようにすれば、セグメント内磁石１５は、周方向に隣在する２つのセグメント１１、１１の合計４つの磁気突極部１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄのうち、Ｎ極である磁気突極部１１１Ａの磁化を強化し、Ｓ極である磁気突極部１１１Ｃの磁化を強化する。このため、実施例１で説明したトルク特にその磁石トルクを強化することができる。
【００４０】
都合の良いことに、このセグメント内磁石１５は、軟磁性のセグメント１１と磁気的に並列接続される構造となり、通常時にはこのセグメント内磁石１５の磁石磁束は、ステータ側へはほとんど流れることがない。その結果、界磁コイル１４への通電又はステータ電流の位相角調節によりセグメント１１内の磁束調節に応じて、セグメント内磁石１５の磁石磁束はステータ側に流れることができる。たとえば、発電機動作時に発電を停止したい場合などにおいて、このセグメント内磁石１５の磁石磁束がステータ側に流れて発電が生じることがない。また、高速電動動作においてこのセグメント内磁石１５の磁石磁束がステータ側に流れるのを弱め界磁用のｄ軸電流の増大や界磁コイル１４の電流増大無しに実現することができる。そして大トルクが必要な場合にのみ、ｄ軸電流を増大させたり、界磁コイル１４の電流増大により、セグメント１１内の磁束の流れ方向及び大きさを調節して、セグメント内磁石１５の磁石磁束を実質的にステータ側に流すことができる。
【００４１】
（実施例３）
実施例３の同期モータを図７を参照して説明する。ただし、図７は、この同期モータのロータを軸方向に見た模式側面図である。
【００４２】
（構成）
図７に示すロータ７は、図６に示すロータをランデルロータ構造のロータコアを用いて実現した点にその特徴がある。
【００４３】
このランデルロータ７は通常のランデルロータコアと同じく同形の２つの爪極付きハーフコア７Ａ、７Ｂを軸方向に隣接して回転軸８に嵌着して構成されている。
【００４４】
紙面向こう側に配置される爪極付きハーフコア７Ａは、円筒状のボス部７１と、ボス部７１の軸方向外端から径外方向へ突出した後、軸方向相手側へ向けて延在するＬ字状の爪極部７２とを有する軟磁性部材である。紙面こちら側に配置される爪極付きハーフコア７Ｂは、円筒状のボス部７１と、ボス部７１の軸方向外端から径外方向へ突出した後、軸方向相手側へ向けて延在するＬ字状の爪極部７４とを有する軟磁性部材である。爪極付きハーフコア７Ａは合計８つの爪極部７２すなわち既述した磁気突極部１１１をもち、爪極付きハーフコア７Ｂは合計８つの爪極部７４すなわち既述した磁気突極部１１１をもつ。このようにすれば、図１に示すセグメント１１を簡単に構成することができる。図７におけるロータ７の外周面の周方向展開図を図８に示す。
【００４５】
（変形態様）
ただ、図７の構成では、図２に示すセグメント間磁石１３の両側の２つの爪極（磁気突極部１１１）がボス部７１により磁気的に短絡されてしまう。このため、図９に示すように、セグメント１１の磁気突極部１１１Ａ、１１１Ｃはボス部７１から磁気的に分離されていることが好適である。この時、ボス部７１から分離された磁気突極部１１１Ａ、１１１Ｃの機械支持には、たとえば非磁性体によりボス部７１に連結するなど種々の機械的支持方法を採用することができる。
【００４６】
（実施例４）
実施例４の同期モータを図１０を参照して説明する。ただし、図１０は、この同期モータのロータを軸方向に見た模式側面図である。
【００４７】
（構成）
図１０に示すロータ７において、セグメント間磁石１３を磁気短絡する第２セグメント１８を追加し、更にこの第２セグメント１８に第２界磁コイル１９を巻装した点をその特徴とする。このようにすれば、この第２界磁コイル１９の通電電流により、セグメント間磁石１３からステータに流れる磁石磁束を調整することができるとともに、第２界磁コイル１９の電流による電流磁束をステータに流すことができる。
【００４８】
たとえば、第２界磁コイル１９の通電電流を０とすればセグメント間磁石１３の磁石磁束はほとんど第２セグメント１８に流れてステータに作用しない。このため、たとえば発電機動作時に発電を停止したい場合などにおいて、このセグメント間磁石１３の磁石磁束がステータ側に流れて発電が生じることがない。また、高速電動動作においてこのセグメント間磁石１３の磁石磁束がステータ側に流れるのを弱め界磁用のｄ軸電流の増大や界磁コイル１４の電流増大無しに実現することができる。そして大トルクが必要な場合にのみ、第２界磁コイル１９の電流増大により、第２セグメント１８内の磁束の流れ方向及び大きさを調節して、セグメント間磁石１３の磁石磁束を実質的にステータ側に流し、更に必要であれば、第２界磁コイル１９の電流磁束も併せてステータ側に流すことができる。
【００４９】
（実施例５）
実施例５の同期モータを図１１、図１２を参照して説明する。ただし、図１１はこの同期モータのロータを軸方向に見た模式側面図、図１２はこの同期モータのロータ外周面の周方向模式展開図である。
【００５０】
（構成）
図１１、図１２に示すロータ７は、図１０に示すロータをタンデム式ランデルロータ構造のロータコアを用いて実現した点にその特徴がある。
【００５１】
このタンデム式ランデルロータ７は、同形の２つの爪極付きハーフコア７Ａ、７Ｂにより第３の爪極付きハーフコア７Ｃを軸方向に挟んだ状態で回転軸８に嵌着して構成されている。以下、爪極付きハーフコアを単にハーフコアと略称する。ハーフコア７Ａは周方向所定ピッチでＬ字状の爪極をもち、この爪極は磁気突極部１１１Ａを構成している。ハーフコア７Ｂは周方向所定ピッチでＬ字状の爪極をもち、この爪極は磁気突極部１１１Ｃを構成している。軸方向中間のハーフコア７Ｃは、ハーフコア７Ａ、７Ｂのボス部７１Ａ、７１Ｂに比べて軸方向に薄いボス部７１Ｃから径方向外側に突出した後、軸方向両側に延在するＴ字状の爪極をもち、この爪極は、磁気突極部１１１Ｂ、１１１Ｄを構成している。このようにすれば、セグメント内磁石１５を磁気短絡するセグメント１１をハーフコア７Ａ、７Ｃにより構成することができ、セグメント間磁石１３を磁気短絡する第２セグメント１８をハーフコア７７Ｃ、７Ｂにより構成することができる。更に、セグメント内磁石１５の磁気短絡の程度をハーフコア７Ａ、７Ｃの間にリング状に巻装された界磁コイル１４により調節することができ、セグメント間磁石１３の磁気短絡の程度をハーフコア７Ｃ、７Ｂの間にリング状に巻装された第２界磁コイル１９により調節することができる。
【００５２】
これにより、上述した大きな合成トルクを発生することができる効果と、小トルクの発生状態にて界磁電流やステータコイルの無駄な電流を必要としない効果と、急速なトルク調節と緩慢なトルク調節とを別々に実施できる効果とを実現することができる。
【００５３】
（実施例６）
実施例６の同期モータを図１３、図１４を参照して説明する。図１３および図１４は同期モータ１のロータ７にかかる径方向の拡大断面図を示す。なお、実施例６の構成は図１４に示し、図１３は参考例を示す。
【００５４】
図１３および図１４において、ステータコア６の内周面には、径方向（すなわち図面下方向であって同期モータ１の中心方向を意味する。以下同じである。）に向かって複数のティース６Ａが櫛状に突出して形成されている。各ティース６Ａの内径側先端は、図示するように先端幅Ｔｗ（周方向幅）の厚みを有する。ロータ７の外周面には、セグメント間磁石１３とセグメント内磁石１５とが交互に形成されている。セグメント間磁石１３は、図示するようにセグメント間磁石幅Ｍｗ（周方向幅）を有する。先端幅Ｔｗとセグメント間磁石幅Ｍｗとの大小関係は、図１３ではＴｗ＞Ｍｗとなるように形成され、図１４ではＴｗ＜Ｍｗとなるように形成されている。
【００５５】
図１３に示すように先端幅Ｔｗがセグメント間磁石幅Ｍｗよりも大きくなるように形成すると、ｑ軸−ｑ軸間ロータ磁路は矢印Ｄｑ１のように通るだけでなく、矢印Ｄｑ２で示すようにティース６Ａの先端を通る漏れ磁束が生じる。この漏れ磁束は、先端幅Ｔｗが大きくなるほど増大してゆく。そのため、ｑ軸インダクタンスＬｑが増大し、リラクタンストルクＴｒが減少する要因になっていた。
【００５６】
そこで実施例６では、図１４に示すように先端幅Ｔｗがセグメント間磁石幅Ｍｗよりも小さくなるように形成する。また、スロット９は隣り合うティース６Ａの壁面がほぼ平行状となるように形成する。この構成によれば、ｑ軸磁束のほとんどが矢印Ｄｑ１のように通るようになり、破線で図示する矢印Ｄｑ２のようにティース６Ａの先端を通るｑ軸漏れ磁束は少なくなる。よって、ｑ軸インダクタンスＬｑを低減でき、リラクタンストルクＴｒを向上させることができる。
【００５７】
（実施例７）
実施例７の同期モータを図１５、図１６を参照して説明する。図１５および図１６は同期モータ１のロータ７にかかる径方向の拡大断面図を示す。具体的には、ティース６Ａの先端に設ける突出部６Ｂの構成を図１５に示し、磁束の流れを図１６に示す。
【００５８】
図１５において、ロータ７は所定方向（図示する矢印Ｄｒ方向）にトルクを発生していると仮定する。実施例６と同様にして、ステータコア６（図示せず）の内周面には、径方向に向かって複数のティース６Ａが櫛状に突出して形成されている。各ティース６Ａには、内径側先端であって一方側にのみを突出部６Ｂを設ける。当該一方側は、ロータ７のトルク発生方向とは反対側、すなわちティース６Ａの先端を流れる磁束が集中する方向を意味する。突出部６Ｂは、ティース６Ａとの接合面幅Ｔｂとロータ７との対向面幅Ｔｃとをほぼ同一になるように形成する（図１５の拡大図を参照）。また、突出部６Ｂの厚み（すなわち径方向厚さ）をトルク発生方向とは反対側（すなわち先端側、図１５では図面右側）にいくほど小さく形成する。言い換えれば、突出部６Ｂの断面を台形状に形成する。さらに、先端面のトルク発生方向とは反対側端部の厚みＴｄを接合面幅Ｔｂよりも小さくし、内径側先端における隣り合うティース６Ａの相互間距離Ｔｅをロータ７との対向面幅Ｔｃの２倍以上（すなわちＴｅ＞２Ｔｃ）となるように形成する。
【００５９】
突出部６Ｂの形状について、図１６を参照しながら説明する。図１６に示すように、ティース６Ａの先端面とロータ７との間は、エアギャップＧの距離が一定となるように形成する。ロータ７が矢印Ｄｒ方向にトルクを発生しているとき、ティース６Ａからロータ７に向かって直線的に流れる磁束が少なからずあるものの、多くの磁束は矢印Ｄｍで示すようにトルク発生方向とは反対側に偏って（曲がって）流れる。このため、ティース６Ａの先端に備えるＴ字状の突起部のうち破線で示す部位（図示するように断面が四角形状となる断面四角状部６Ｃおよび断面が三角形状となる断面三角状部６Ｄ）には、磁束がほとんど流れないために不要となる。一方、トルク発生時における磁束の流れを阻害しないようにするには、図１５の拡大図で示すようにティース６Ａとの接合面幅Ｔｂとロータ７との対向面幅Ｔｃとをほぼ同一になるように形成するのが望ましい。もし接合面幅Ｔｂと対向面幅Ｔｃとをほぼ同一に形成しなければ、断面三角状部６Ｄから断面四角状部６Ｃに向かって破線で示す矢印Ｄｘのような流れの漏れ磁束が発生する。したがって、磁束の流れを阻害せず、漏れ磁束の発生を防止するため、突出部６Ｂは結果的に図１５に示す形状で形成する。
【００６０】
上述した構成によれば、ティース６Ａとの接合面幅Ｔｂとロータ７との対向面幅Ｔｃとをほぼ同一に形成したので、磁気飽和が低減される。また、ティース６Ａの先端面とロータ７とのエアギャップＧの距離が一定であるので、磁束量が減少してトルクダウンすることもない。さらに、突出部６Ｂの厚みをトルク発生方向とは反対側（すなわち先端側）にいくほど小さくしているので、ｑ軸インダクタンスＬｑを低減でき、リラクタンストルクＴｒを向上させることができる。そして、隣り合うティース６Ａの壁面をほぼ平行状にしてスロット９が形成され、内径側先端における隣り合うティース６Ａの相互間距離Ｔｅが十分に取られているので、ｑ軸漏れ磁束を低減でき、リラクタンストルクＴｒを向上させることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１      同期モータ
１Ｕ    相コイル
１Ｖ    相コイル
１Ｗ    相コイル
２      インバータ
３      界磁電流制御回路
４      コントローラ
６      ステータコア（ステータ）
６Ａ    ティース
６Ｂ    突出部
７      ロータ、タンデム式ランデルロータ（ランデルロータ）
７Ａ    ハーフコア
７Ｂ    ハーフコア
７Ｃ    ハーフコア
８      回転軸
９      スロット
１０      ステータコイル
１１      セグメント
１２      セグメント間隙
１３      セグメント間磁石
１４      界磁コイル
１５      セグメント内磁石
１８      第２セグメント
１９      第２界磁コイル
７１      ボス部
７１Ａ    ボス部
７１Ｂ    ボス部
７１Ｃ    ボス部
７２      爪極部（爪極）
７４      爪極部（爪極）
７７Ｃ    ハーフコア
１１０      凹部
１１１      磁気突極部
１１１Ａ    磁気突極部
１１１Ｂ    磁気突極部
１１１Ｃ    磁気突極部
Ｍｗ      セグメント間磁石幅
Ｔｂ      接合面幅
Ｔｃ      対向面幅
Ｔｄ      トルク発生方向とは反対側の厚み
Ｔｅ      相互間距離
Ｔｗ      先端幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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