JP2007252071A

JP2007252071A - 同期機

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Publication number: JP2007252071A
Application number: JP2006071109A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Ito; 一将伊藤; Koki Naka; 興起仲
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP4732930B2

Abstract

【課題】回転方向に依存することなく常にフレミングトルクとリラクタンストルクのピーク発生時を一致させてトルクの増大化を図った同期機を提供する。
【解決手段】電機子１と界磁極２とを有し、界磁極２は、界磁鉄心２０に複数の永久磁石２１が配列されるとともに、配列方向に沿って隣り合う永久磁石２１同士は互いに異極となるように着磁され、また各永久磁石２１の間には各突極２２が形成され、各突極２２には界磁コイル２３が巻装され、配列方向に沿って隣り合う界磁コイル２３同士はその巻方向が互いに逆巻に形成されている。各永久磁石２１から見て回転方向に沿って最も隣接する突極２２が当該永久磁石２１の極性と同じ極性となるように各界磁コイル２３に界磁電流が通電されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータ、同期発電機、同期調相機などの同期機に係り、特には同期機のトルク向上のための技術に関する。

従来、同期機として、例えば同期モータにおいては、電機子を固定子、界磁極を回転子として構成し、界磁極の界磁鉄心の周方向に沿って複数の永久磁石を配列するとともに、各永久磁石の間にそれぞれ突極を形成し、電機子に配置した電機子コイルにより回転磁界を発生させ、この回転磁界に界磁極を吸引して回転するようにしたものがある。その際、突極により電機子電流によるｑ軸方向の磁束が界磁極の界磁鉄心内を通り易くして、ｑ軸のインダクタンスＬｑをｄ軸のインダクタンスＬｄよりも大きくして逆突極性をもたせることで、リラクタンストルクＴｒを有効利用するようにしている。

この同期モータの出力トルクＴは、永久磁石の界磁によるフレミングトルクＴｆと上記のリラクタンストルクＴｒとを合成したものであるが、従来、界磁極の界磁鉄心の周方向に沿って永久磁石と突極とを単純に等間隔に配置した構成のものでは、両トルクＴｆ，Ｔｒのピークが一致しておらず、このため、電機子コイルに対する電流位相制御を行った場合でもトルク増加を図る上で限界があった。

そこで、従来、突極を永久磁石の固定位置に対して電気角で４５°以上９０°未満の角度だけ、好ましくは４５°ずらして配置することによって両トルクのピーク時を一致させ、これによってモータの出力を増大したり、同一トルクにおいてモータ形状を小型化するようにした技術が提案された（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この特許文献１の構成にあっては、永久磁石の周方向の長さが比較的短くなり、これに伴って主磁束が減少して、結局、発生トルクの増加をそれほど見込めないという問題がある。そのため、さらに従来技術では、界磁極鉄心にスリットを形成し、このスリットにより磁気抵抗分布をｄ軸に対して非対称とし、かつ、スリットが永久磁石の主磁束の磁気抵抗とならないように構成することで永久磁石による主磁束が低減しないような改善を図ったものや（例えば、特許文献２参照）、界磁極鉄心の形状を工夫してスリットを用いずに特許文献２と同様の効果を得るようにした技術（例えば、特許文献３参照）が提案されている。

特開平７−１４３６９４号公報特開平９−１８２３３０号公報特開平１０−１１２９４５号公報

ところで、同期モータにおいては、常に正転駆動するとは限らず、使用環境によって逆転駆動する場合も多く、また、機械要素に制動をかけるために積極的に逆転させる場合もある。

しかし、上記の特許文献１〜３に提示されているいずれの従来技術においても、永久磁石の主磁束方向に対して磁気抵抗の小さい突極（あるいは突極に相当する部分）を正転方向に電気角で４５゜ずらせた位置に形成した構成であるため、正転方向においてはトルクの増大効果が得られるものの、逆転方向に対してはリラクタンストルクが正転方向とは逆方向に作用するためにトルクが低下してしまうという問題が残っている。この点について、図１７および図１８を参照してさらに詳述する。

同期モータに発生するトルクＴは、ｑ軸のインダクタンスＬｑおよびｄ軸のインダクタンスＬｄを用いて以下のように表現される。
Ｔ＝Ｔｆ＋Ｔｒ（１）
Ｔｆ＝Ｐｎ・φｍ・ｉｑ（２）
Ｔｒ＝Ｐｎ・（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑ（３）
ここに、Ｔｆ：フレミングトルク、Ｔｒ：リラクタンストルク、Ｐｎ：極対数、φｍ：主磁束、ｉｄ：電機子電流のｄ軸成分、ｉｑ：電機子電流のｑ軸成分である。

ｉｄおよびｉｑを様々に変化させることによって発生するトルクＴが式（１）〜（３）にしたがって変わる。図１７に示すようにｉｄとｉｑのベクトル方向の角度差をθとすると、例えば、極数が“２”の場合で、突極を永久磁石Ｍ１，Ｍ２の固定位置（中心位置）Ｃｎ，Ｃｓから正転方向に電気角で４５°ずらして配置した場合の電気角と磁束密度との関係を模式的に表すと図１８（ａ），（ｂ）に示すようになる。

図１８（ａ）は正転の場合、同図（ｂ）は逆転の場合を示しており、正逆いずれの回転時も、フレミングトルクＴｆは永久磁石の磁極中心Ｃｎと磁極中心Ｃｓとの中央点の電気角１８０゜のときに通電することで最大ピークを得ることができる。また、リラクタンストルクＴｒは突極の位置から回転方向に電気角で４５°回転したときに通電することで最大ピークを得ることができる。

図１８（ａ）の正転時には、フレミングトルクＴｆの最大ピークを得るための通電時の位置と、リラクタンストルクＴｒの最大ピークを得るための通電時の位置とは共に電気角１８０゜で一致しており、両トルクＴｆ，Ｔｒのピーク発生時が一致することから、両トルクＴｆ，Ｔｒを加算したトルクＴはこの電気角１８０゜のときに最大となる。

これに対して、図１８（ｂ）の逆転時には、フレミングトルクＴｆの最大ピークを得るための通電時の位置と、リラクタンストルクＴｒの最大ピークを得るための通電時の位置とが一致しておらず、両トルクＴｆ，Ｔｒの最大ピーク発生時が相違して大きなずれΔθ’が生じることから、発生トルクＴはフレミングトルクＴｆの最大ピークとリラクタンストルクＴｒの最大ピークとを加算した値よりも小さくなる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、電機子と界磁極とが相対的に回転もしくは摺動する場合に、正逆いずれの回転方向もしくは摺動方向に対してもフレミングトルクとリラクタンストルクの最大ピーク発生時が常に一致するようにして、従来よりも一層トルクの増大化を図ることができる同期機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、電機子コイルを有する電機子と、この電機子と所定のギャップを介して配置された界磁極とを有する同期機において、次の構成を採用している。

すなわち、本発明の同期機において、上記界磁極は、界磁鉄心に複数の永久磁石が配列されるとともに、配列方向に沿って隣り合う永久磁石同士が互いに異極となるように着磁され、また、配列方向に沿って隣り合う各永久磁石の間にそれぞれ突極が形成され、各突極には界磁コイルが巻装され、かつ、配列方向に沿って隣り合う界磁コイル同士はその巻方向が互いに逆巻に形成されており、各永久磁石から見て上記電機子と界磁極とが相対的に回転もしくは摺動する場合の回転方向もしくは摺動方向に沿って最も隣接する突極が当該永久磁石の極性と同じ極性となるように上記各界磁コイルに界磁電流が通電されていることを特徴としている。

本発明によれば、電機子と界磁極とが相対的に回転もしくは摺動する場合に、回転方向または摺動方向に合わせて界磁コイルの通電方向を変えることにより、正逆いずれの回転方向もしくは摺動方向に対してもフレミングトルクとリラクタンストルクの最大ピークの発生時が常に一致する。したがって、従来よりも一層トルク増大を図った同期機を提供することが可能となる。

以下、本発明を同期機として同期モータに適用した場合の実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における同期モータの構造を示す断面図、図２は図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。

この実施の形態１の同期モータは、固定子となる電機子１と、回転子となる界磁極２とを備え、両者１，２がギャップ３を介して同心状に配置され、電機子１はハウジング４に取り付けられ、また、界磁極２はベアリング５により回転自在に支持されたシャフト６に固定されている。なお、７は界磁極２の回転角度を検出する角度検出器である。

上記の電機子１は、電機子鉄心１０の内周部に形成された磁極ティース１１に電機子コイル１２が巻装されてなる。また、界磁極２は、界磁鉄心２０に複数（本例では２つ）の永久磁石２１が周方向に沿って配列されるとともに、その配列方向に沿って隣り合う（本例では２極なので互いに対向している）永久磁石２１同士は互いに異極となるように着磁されている。また、配列方向に沿って隣り合う各永久磁石２１の間にはそれぞれ界磁鉄心２０から突き出た突極２２が形成されており、各突極２２には界磁コイル２３が巻装されている。

この場合、配列方向に沿って隣り合う（本例では２極なので互いに対向している）界磁コイル２３同士はその巻方向が互いに逆巻になるように形成されている。そして、本例ではシャフト６に一体的に固定されたバッテリ３０から界磁コイル２３に通電されるようになっている。したがって、バッテリ３０から各界磁コイル２３に通電した場合、各突極２２は電磁石として作用する。なお、各界磁コイル２３のバッテリ３０に対する接続は、直列接続あるいは並列接続のいずれであってもよい。

しかも、この実施の形態１では、各永久磁石２１から見て界磁極２の回転方向に沿って最も隣接する突極２２が当該永久磁石２１の極性と同じ極性が発生するように各界磁コイル２３に界磁電流を流すようにしている。

すなわち、図３（ａ）に示すように、界磁極２が時計方向に回転するときは、Ｎ極の永久磁石２１から見てその時計方向に沿って最も隣接する突極２２が当該永久磁石２１のＮ極と同じＮ極が発生するように界磁コイル２３に通電する。同様に、Ｓ極の永久磁石２１から見てその時計方向に沿って最も隣接する突極２２が当該永久磁石２１のＳ極と同じＳ極が発生するように界磁コイル２３に通電する。一方、図３（ｂ）に示すように、界磁極２が反時計方向に回転するときは、Ｎ極の永久磁石２１から見てその反時計方向に沿って最も隣接する突極２２に当該永久磁石２１のＮ極と同じＮ極性が発生するように界磁コイル２３に通電する。同様に、Ｓ極の永久磁石２１から見てその反時計方向に沿って最も隣接する突極２２に当該永久磁石２１のＳ極と同じＳ極が発生するように界磁コイル２３に通電する。

これにより、永久磁石２１とその回転方向に沿って最も隣接する突極２２とで１極の磁極が構成される。よって、この実施の形態１では、界磁極２全体で２極の磁極が形成される。このとき、永久磁石２１の磁極中心とその隣の突極２２の磁極中心とは、電気角で９０゜（本例では２極なので機械角も９０゜）ずれている。

また、上記のように、界磁極２の正転、逆転の方向に応じて各突極２２の界磁コイル２３に永久磁石２１の極性に適合した極性をもたせるためには、例えば界磁極２の回転が停止しているときにバッテリ３０を着脱して極性の向きを切り替えることにより簡単に実現することができる。

なお、界磁コイル２３の抵抗は温度による変化分だけであるから、バッテリ３０を使用すると定電圧源のみならず定電流源としても作用するために好ましい。また、本例のように、バッテリ３０をシャフト６に一体的に固定した構成すると、ブラシを用いた給電による損失を低減できるのでより好ましいが、ブラシを介して電流を供給することも可能である。

また、この実施の形態１では、界磁鉄心２０は電磁鋼板を打ち抜いて積層することにより構成されている。このようにすると、回転方向を切り替えるときには界磁コイル２３に通電する電流の向きを反転させる際にも、誘起電圧差が小さくなるために渦電流を低減することができ、高効率な同期モータが得られる。

次に、上記構成の同期モータによって、フレミングトルクＴｆとリラクタンストルクＴｒの最大ピークの発生時を、正転および逆転のいずれの回転方向についても一致させることができる理由について、図３ないし図５を参照して説明する。

発明が解決しようとする課題の欄において既述したように、正転、逆転いずれの場合も、フレミングトルクＴｆは磁極中心と磁極中心の中央点で電流を通電することで最大ピークを得ることができる。また、リラクタンストルクＴｒは突極２２の位置から回転方向に４５°回転した位置で電流を通電することで最大ピークを得ることができる。

いま、図３（ａ）に示すように界磁極２が時計回りに回転するときを正転、図３（ｂ）に示すように界磁極２が反時計回りに回転するときを逆転とすると、正転、逆転いずれの場合も、ある永久磁石２１から回転方向を見てすぐ隣りにある突極２２はその永久磁石２１と同じ極を発生させるように通電されている。このため、前述のように永久磁石２１と回転方向に隣り合う突極２２とで一極の磁極を構成している。

ここで、図３（ａ）に示すように界磁極２が正転し、かつ、界磁コイル２３による発生磁束と永久磁石２１の発生磁束とが等しいとすると、図４（ａ）に示すように、永久磁石２１とその隣の突極２２とで形成される一つのＮ極の磁極中心は符号Ｃｎで示す位置にあり、また、永久磁石２１とその隣の突極２２とで形成される一つのＳ極の磁極中心は符号Ｃｓで示す位置にある。したがって、フレミングトルクＴｒは、両磁極中心Ｃｎ，Ｃｓの中央点であるｑ軸の位置（電気角０゜と１８０゜）で通電すれば最大ピークが得られる。また、リラクタンストルクＴｒは、突極２２の位置から回転方向に４５°回転した位置で通電すれば最大ピークが得られるが、その位置はｑ軸の位置（電気角０゜と１８０゜）と一致する。つまり、界磁極２の正転時には、両トルクＴｆ，Ｔｒの最大ピークの発生時が一致するので、両トルクＴｆ，Ｔｒを加算したトルクＴはこのｑ軸の位置（電気角０゜と１８０゜）で最大となる。

次に、図３（ｂ）に示すように界磁極２が逆転し、かつ、界磁コイル２３による発生磁束と永久磁石２１の発生磁束とが等しいとすると、図４（ｂ）に示すように、永久磁石２１とその隣の突極２２とで形成される一つのＮ極の磁極中心は符号Ｃｎで示す位置にあり、また、永久磁石２１とその隣の突極２２とで形成される一つのＳ極の磁極中心は符号Ｃｓで示す位置にある。したがって、フレミングトルクＴｒは、両磁極中心Ｃｎ，Ｃｓの中央点であるｑ軸の位置（電気角９０゜と２７０゜）で通電すれば最大ピークが得られる。また、リラクタンストルクＴｒは、突極２２の位置から回転方向に４５°回転した位置で通電すれば最大ピークが得られるが、その位置はｑ軸の位置（電気角９０゜と２７０゜）と一致する。つまり、界磁極２の逆転時においても、両トルクＴｆ，Ｔｒの最大ピークの発生時が一致するので、両トルクＴｆ，Ｔｒを加算したトルクＴはこのｑ軸の位置（電気角９０゜と２７０゜）で最大となる。

このように、界磁コイル２３による突極２２での発生磁束が永久磁石２１の発生磁束と等しいときには、正転、逆転いずれの場合も、磁極中心Ｃｎ，Ｃｓの位置から回転方向に４５°回転した位置にそれぞれ突極２２があることによってフレミングトルクＴｆとリラクタンストルクＴｒのピーク発生時が一致するので、両トルクＴｆ，Ｔｒを加算したトルクＴとして最大の値を得ることができる。

なお、上記の説明は、界磁コイル２３による突極２２での発生磁束と永久磁石２１の発生磁束とが等しい場合の最も好適な例であるが、次に、界磁コイル２３により突極２２に生じる磁束が永久磁石２１による発生磁束と若干異なる場合について、図５を参照して説明する。

図５では、突極２２での発生磁束が永久磁石２１の発生磁束よりも小さい場合の磁極の様子を示している。このとき、永久磁石２１とその隣の突極２２で形成される一つのＮ極の磁極中心は符号Ｃｎで示す位置にあり、また、永久磁石２１とその隣の突極２２とで形成される一つのＳ極の磁極中心は符号Ｃｓで示す位置にあり、各磁極中心Ｃｎ，Ｃｓは、図４に示した位置よりも突極２２の位置に近付く。つまり、磁極中心Ｃｎ，Ｃｓと突極２２との間の電気角は通電する電流の大きさによって４５°〜９０°まで変化する。したがって、フレミングトルクＴｆとリラクタンストルクＴｒのピーク発生時に若干のずれΔθが生じるが、従来技術のように、界磁極２を逆転する場合に生じたようなフレミングトルクＴｆとリラクタンストルクＴｒのピーク発生時のずれΔθ’（図１８（ｂ）参照）程には大きくならないので、十分に実用性がある。

これとは逆に、突極２２での発生磁束が永久磁石２１の発生磁束よりも大きい場合は、磁極中心と突極２２の間の電気角は通電する電流の大きさによって０°〜４５°まで変化する。このときにおいても、突極２２における発生磁束が永久磁石２１の発生磁束よりも小さい場合と同様に、十分に実用性がある。

以上のように、この実施の形態１では、正転、逆転のいずれの回転方向に対してもフレミングトルクＴｆとリラクタンストルクＴｒの最大ピークの発生時が常に一致するので、従来よりも一層トルク増大を図ることができる。しかも、この実施の形態１では、永久磁石２１に基づく主磁束が減少した分を界磁コイル２３による主磁束で補う構造となっているため、従来技術（特許文献１）のように主磁束が減少するといった問題は生じない。さらに、この同期モータを駆動するための電源制御装置は、電機子コイル１２に通電する電流の位相を運転途中で変化させなくても最大トルクを得ることができるため、電流位相制御を行う場合の演算を簡素化できるという利点がある。

なお、この実施の形態１の同期モータは、中央の界磁極２を回転子、その周りの電機子１を固定子とした、いわゆるインナロータ型の場合について説明したが、その逆に、中央の界磁極２を固定子、その周りの電機子１を回転子とした、いわゆるアウタロータ型の場合にも本発明を適用することができる。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２における同期モータの構成を示す断面図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

上記の実施の形態１では、界磁極２に設けた個々の永久磁石２１によってそれぞれ一つのＮ極やＳ極を構成しているが、この実施の形態２では、複数の永久磁石２１ａ，２１ｂを組み合わせて一つの極２１を構成している。この構成の場合には、同期モータが大きくなった場合でも、各極２１を小さな永久磁石２１ａ，２１ｂを組み合わせて構成できるため、容易かつ安価に製作できる利点がある。その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３における同期モータの構成を示す断面図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

図１および図２に示した実施の形態１の同期モータにおいては、電機子１の内周側にギャップ３を介して界磁極２を配置しているが、この実施の形態３では、その逆に、永久磁石２１と界磁コイル２３を備えた界磁極２の内周側にギャップ３を介して電機子１を配置している。なお、この場合は、界磁極２が回転子で電機子１が固定子となるアウタロータ型、あるいはその逆に、界磁極２が固定子で電機子１が回転子となるインナロータ型のいずれであってもよい。
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態４．
図８は本発明の実施の形態４における同期モータの界磁極２の構成を示す断面図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態４の同期モータの特徴は、界磁極２の周りにステンレス鋼製の管２４を取り付けたことである。このように構成することによって、界磁極２の回転により生じる遠心力によって永久磁石２１が飛散することを防ぐことができ、かつ、界磁コイル２３が突極２２から抜け出すことを防ぐことができる。なお、同様な効果を得る目的で、樹脂モールドで界磁極２の周りを覆い固めてもよく、あるいは、ガラス強化繊維を界磁極２の周りに巻装してもよい。管２４やモールドを用いた場合、磁石飛散防止およびコイル抜け止めの効果以外にも、界磁極２の表面が滑らかになることよって風損が低減できるという効果を得ることができる。
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５における同期モータの界磁極２の構成を示す断面図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態５の同期モータの特徴は、永久磁石２１が界磁鉄心２０の内部に埋設されている。また、界磁鉄心２０の外周側には、界磁コイル２３を覆うコイル覆部２５が突極２２からその周方向に沿って一体に延設されている。

永久磁石２１を界磁鉄心２０の内部に埋設することによって、永久磁石２１の飛散を防止することができ、また、界磁鉄心２０にコイル覆部２５を形成することによって、界磁コイル２３が抜け出すのを防止できる。さらに、実施の形態４のような管２４などの部品が増加せず、組立工数を削減することができる。
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態６．
図１０は、図１に示した構成の同期モータにおいてバッテリ３０から界磁極２の界磁コイル２３に通電する場合のこの実施の形態６の回路図である。

実施の形態１で説明したように、界磁極２の回転方向に応じて各突極２２に適切な極性をもたせるためには、界磁極２の回転方向に応じて界磁コイル２３に流れる電流の向きを切り替える必要がある。そのため、実施の形態１では、例えば界磁極２の回転が停止しているときにバッテリ３０を着脱して極性の向きを切り替えている。しかし、そのようにするとバッテリ３０の脱着に手間がかかり煩雑である。

そこで、この実施の形態６では、界磁コイル２３に通電する回路の途中にメカニカルなスイッチ３１を設け、このスイッチ３１によって界磁コイル２３に流れる電流の向きを簡単に切り替えることができるようにしている。すなわち、各スイッチ３１の共通端子３１ａを一方の個別端子３１ｂに接続する場合と、他方の個別端子３１ｃに接続する場合とで界磁コイル２３に流れる電流の向きを簡単に切り替えることができる。なお、この場合、界磁極２が回転子となる場合には、ブラシを設けるなどの給電の煩雑を省くため、スイッチ３１はバッテリ３０と共に界磁極２と一体に設けられている。また、同期モータを使用しない場合には各スイッチ３１をオフにしておけば、バッテリ３０の余分な電力消費を抑えることができるので都合がよい。

実施の形態７．
図１１は、図１に示した構成の同期モータにおいてバッテリ３０から界磁極２の界磁コイル２３に通電する場合のこの実施の形態７の回路図であり、図１０に示した実施の形態６と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態７では、図１０に示した実施の形態６のメカニカルなスイッチ３１に代えて、半導体からなるスイッチ３１により構成した。そして、これらのスイッチ３１に対しては、その切り替え動作をリモコン３２からの無線信号に基づいて行う受信器３３が設けられている。すなわち、リモコン３２から受信器３３に対して切替信号を送信すると、これに応じて受信器３３がスイッチ３１を制御して界磁コイル２３に流れる電流の向きが切り替わるようになっている。なお、受信器３３は、スイッチ３１やバッテリ３０と共に界磁極２に一体に設けられている。そして、上記のリモコン３２と受信器３３とが特許請求の範囲のスイッチ切替制御手段に対応している。

この構成によれば、同期モータを駆動源とした各種の装置に、当該同期モータを入り込んで設置した場合においても、リモコン３２から受信器３３に無線で指令を与えることによってスイッチ３１を制御して界磁コイル２３に流れる電流の向きを簡単に切り替えることができる。しかも、界磁極２が回転中でも簡単に切り替えることができる。なお、この場合も同期モータを使用しないときには各スイッチ３１をオフにしておけば、バッテリ３０の余分な消費を抑えることができる。

実施の形態８．
図１２は、図１に示した構成の同期モータにおいてバッテリ３０から界磁極２の界磁コイル２３に通電する場合のこの実施の形態８の回路図である。

この実施の形態８では、マイクロコンピュータ等からなるコントローラ３４を有し、このコントローラ３４は、界磁極２の回転方向に応じて半導体のスイッチ３１を制御して界磁コイル２３に流れる電流の向きが切り替わるように制御するとともに、界磁極２の回転速度および界磁極２の回転に伴って発生する電機子コイル１２への誘起電圧の大きさに基づいて、バッテリ３０から界磁コイル２３へ供給される界磁電流の大きさを制御するように構成されている。したがって、コントローラ３４が特許請求の範囲における弱め界磁制御手段に対応している。

通常、回転速度が大きくなるのに従って電機子１の電機子コイル１２に生じる誘起電圧が次第に大きくなり、何ら対策を講じない場合には、図１３中、符号Ｌ１で示すように、誘起電圧が電源電圧を越えてしまい運転ができなくなる。そこで、コントローラ３４は、誘起電圧の大きさをモニタしながら、誘起電圧が電源電圧に近似した値になると回転速度の増加に応じてバッテリ３０の電圧を制御し、界磁コイル２３に通電される界磁電流を次第に低減して界磁極２の磁束を抑制する、いわゆる弱め界磁制御を行う。これにより、図１３中、符号Ｌ２で示すように、電機子コイル１２に生じる誘起電圧を電源電圧以下に抑えることができるので、広範囲な回転速度で同期モータを回転させることが可能となる。

なお、図１２に示した構成では、コントローラ３４が回転速度の増加に伴ってバッテリ３０から界磁コイル２３へ供給される界磁電流の大きさを連続的に低減して弱め界磁制御を行うようにしているが、図１４に示すように、複数のバッテリ３０とスイッチ３５とを縦列接続し、コントローラ３４が回転速度の増加に伴って各スイッチ３５を切り替えることにより、界磁コイル２３へ供給される界磁電流の大きさを段階的に変化させるようにすることも可能である。この場合にも、図１５に示すように、電機子コイル１２に生じる誘起電圧を電源電圧以下に抑えることができるので、運転可能な回転速度範囲を拡大することができる。

実施の形態９．
図１６は本発明の実施の形態９におけるリニア同期モータの構成図である。

この実施の形態９のリニア同期モータは、電機子１と界磁極２とが相対的に摺動可能なように所定のギャップ３を介して配置されている。この実施の形態９のリニア同期モータにおいても、実施の形態１と同様、電機子１は電機子鉄心１０の内周部に形成された磁極ティース１１に電機子コイル１２が巻装されてなる。また、界磁極２は、界磁鉄心２０に複数の永久磁石２１が配列されるとともに、配列方向に沿って隣り合う永久磁石２１同士は互いに異極となるように着磁され、また、配列方向に沿って隣り合う各永久磁石２１の間にはそれぞれ界磁鉄心２０から突き出た突極２２が形成され、各突極２２に界磁コイル２３が巻装されている。

そして、配列方向に沿って隣り合う界磁コイル２３同士はその巻方向が互いに逆巻に形成されており、各永久磁石２１から見て電機子１と界磁極２とが相対的に摺動する場合の摺動方向に沿って最も隣接する突極２２が当該永久磁石２１の極性と同じ極性となるように各界磁コイル２３に界磁電流が通電されている。

この実施の形態９のリニア同期モータの場合にも、動作原理は実施の形態１の回転式の同期モータと同じであり、フレミング推力のピーク値とリラクタンス推力のピーク値とを電気角で４５°以内に近づけることができる。このため、リニア同期モータの発生推力を増大できるという効果を得ることができる。しかも、永久磁石２１に基づく主磁束が減少した分を界磁コイル２３による主磁束で補う構造となっているため、従来技術（特許文献１）のように主磁束が減少するといった問題も生じない。また、リニア同期モータの場合は、界磁コイル２３に給電するためのブラシが基本的に不要であるため、ブラシ損失を低減することができる。

また、実施の形態８の場合と同様に、移動速度が大きい領域では界磁コイル２３に通電する電流を低減して界磁極２の磁束を抑制する弱め界磁制御を行うことで、界磁極２が相対的に移動することにより発生する誘起電圧を電源電圧以下に抑えることができ、より広範囲な移動速度でリニア同期機を動作させることができる。

なお、図１６に示した構成のリニア同期モータでは、界磁極２の摺動方向の長さが電機子１の摺動方向長さよりも長くなっているが、どちらが長くてもかまわない。また、図１６では直線状のリニア同期モータを示したが、移動端のある同期モータ、例えば円弧状の同期モータの場合でも本発明を適用することができる。

上記の実施の形態１〜８では、２極の同期モータについて説明したが、２極よりも極数が大きい同期モータの場合にも本発明を適用することができるのは勿論である。さらに、上記の実施の形態１〜９では、本発明を同期モータに適用した場合の実施の形態について説明したが、本発明はこのような同期モータに限定されるものではなく、同期発電機や同期調相機などにも適用することができる。さらに、本発明は上記の実施の形態１〜９の構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において各種の変形を加えることが可能である。

本発明の実施の形態１における同期モータの構造を示す断面図である。図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。本発明の実施の形態１における同期モータの回転状態の説明図であり、同図（ａ）は正転の場合、同図（ｂ）は逆転の場合の状態をそれぞれ示している。実施の形態１の同期モータの界磁極において、界磁コイルによる発生磁束が永久磁石の発生磁束と等しい場合の電気角と磁束密度との関係を模式的に表す説明図で、同図（ａ）は正転の場合、同図（ｂ）は逆転の場合の状態をそれぞれ示している。実施の形態１の同期モータの界磁極において、界磁コイルによる発生磁束が永久磁石の発生磁束と若干異なる場合の電気角と磁束密度との関係を模式的に表す説明図である。本発明の実施の形態２における同期モータの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態３における同期モータの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態４における同期モータの界磁極の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態５における同期モータの界磁極の構成を示す断面図である。図１に示した構成の同期モータにおいてバッテリから界磁極の界磁コイルに通電する場合の本発明の実施の形態６の回路図である。図１に示した構成の同期モータにおいてバッテリから界磁極の界磁コイルに通電する場合の本発明の実施の形態７の回路図である。図１に示した構成の同期モータにおいてバッテリから界磁極の界磁コイルに通電する場合の本発明の実施の形態８の回路図である。図１２に示す構成の回路において弱め界磁制御を行う場合の説明図である。図１に示した構成の同期モータにおいてバッテリから界磁極の界磁コイルに通電する場合の本発明の実施の形態８の変形例を示す回路図である。図１４に示す構成の回路において弱め界磁制御を行う場合の説明図である。本発明の実施の形態９におけるリニア同期モータの構成図である。電流のベクトルを説明する図である。従来の同期モータの界磁極における電気角と磁束密度との関係を模式的に表す説明図で、同図（ａ）は正転の場合、同図（ｂ）は逆転の場合の状態をそれぞれ示している。

符号の説明

１電機子、２界磁極、３ギャップ、１０電機子鉄心、１２電機子コイル、
２０電機子鉄心、２１永久磁石、２２突極、２３界磁コイル、３０バッテリ、３１スイッチ、３２リモコン（スイッチ切替制御手段）、
３３受信器（スイッチ切替制御手段）、３４コントローラ（弱め界磁制御手段）。

Claims

電機子コイルを有する電機子と、この電機子と所定のギャップを介して配置された界磁極とを有する同期機において、上記界磁極は、界磁鉄心に複数の永久磁石が配列されるとともに、配列方向に沿って隣り合う永久磁石同士が互いに異極となるように着磁され、また、配列方向に沿って隣り合う各永久磁石の間にそれぞれ突極が形成され、各突極には界磁コイルが巻装され、かつ、配列方向に沿って隣り合う界磁コイル同士はその巻方向が互いに逆巻に形成されており、各永久磁石から見て上記電機子と界磁極とが相対的に回転もしくは摺動する場合の回転方向もしくは摺動方向に沿って最も隣接する突極が当該永久磁石の極性と同じ極性となるように上記各界磁コイルに界磁電流が通電されていることを特徴とする同期機。
上記永久磁石の磁極中心と上記突極の磁極中心とが、電気角で９０゜ずれて設定されていることを特徴とする請求項１記載の同期機。
上記永久磁石で発生される磁束に対して、上記突極に設けた上記界磁コイルで発生される磁束が略等しくなるようにコイル巻数や界磁電流が設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期機。
上記電機子と界磁極のいずれか一方が固定子、他方が回転子として構成されており、上記界磁極には上記界磁コイルに界磁電流を供給するバッテリが設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の同期機。
上記バッテリから界磁コイルへ供給する界磁電流の向きを切り替えるスイッチを備えることを特徴とする請求項４記載の同期機。
上記スイッチの切り替えを無線信号に基づいて行うスイッチ切替制御手段を備えることを特徴とする請求項５記載の同期機。
上記電機子と界磁極のいずれか一方が固定子、他方が回転子として構成されており、上記回転子の回転速度、および電機子コイルへの誘起電圧の大きさに基づいて上記界磁コイルへ供給される界磁電流の大きさを制御する弱め界磁制御手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の同期機。
上記電機子と界磁極のいずれか一方が固定子、他方が摺動子として構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の同期機。