JP2011067048A - 永久磁石同期モータ - Google Patents

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Abstract

【課題】永久磁石による界磁と界磁巻線による界磁とを併用可能なハイブリッド励磁型モータにおいて、小型化を図る。
【解決手段】永久磁石（３１、３２）が埋め込まれたインナーロータの端部外側に界磁巻線（ＦＷ1、ＦＷ2）を巻回した界磁巻線ヨーク（ＦＹ1、ＦＹ2）を固定配置し、必要に応じて界磁巻線から界磁磁束を注入することにより、ステータの電機子巻線の鎖交磁束を増減させる。界磁巻線ヨークの外周ヨーク部（６３）に面するようにロータの外周鉄心のＮ極接合部又はＳ極接合部を回転軸方向に突出させ、且つ、ロータの内周鉄心も界磁巻線ヨーク側に突出させる。界磁巻線に界磁電流を供給することによって生じた界磁磁束は、界磁巻線ヨーク、ロータの内周鉄心及び外周鉄心並びにステータ鉄心を経由して電機子巻線を鎖交する。
【選択図】図１３

Description

本発明は、永久磁石が設けられたロータを有する永久磁石同期モータ、並びに、そのモータに対するモータ制御装置及びそのモータを利用するモータ駆動システムに関する。本発明は、特に、永久磁石による界磁と界磁巻線による界磁とを併用するハイブリッド励磁型モータに関する。
埋込磁石同期モータに代表される突極機の高速回転時においては、永久磁石に由来してモータ内で生じる誘起電圧の過度の上昇を抑えるべく弱め界磁制御（弱め磁束制御）が一般的に用いられる。
一般的な弱め界磁制御は、負のｄ軸電流を電機子巻線に流すことによって達成されるが、この場合、永久磁石自身にも負のｄ軸電流に由来する反磁界が直接加わるため、永久磁石の減磁が発生する惧れがある。また、ｄ軸電流を流す分、電機子巻線における銅損が増加して電機子巻線の発熱が増加する。更に、電機子巻線に供給可能な電流量には上限があるため、ｄ軸電流を流せばその分だけｑ軸電流（トルクに関与する電流成分）を減少させる必要があり、結果、高速回転時に発生トルクが低下する。
これらの事情を考慮したハイブリッド励磁型モータが提案されている。ハイブリッド励磁型モータでは、固定された界磁巻線を電機子巻線とは別に設け、界磁巻線による界磁と永久磁石による界磁とを併用して界磁磁束を制御する。
例えば、第１の従来構造では、複数のステータ間に界磁巻線を設けている（下記特許文献１参照）。但し、複数のステータ間に界磁巻線を設けると、必然的にステータが長くなってモータが大型化する。
また、第２の従来構造では、ロータとステータのバックヨークとの間を結ぶ磁気回路を構成するためのヨークを設けている（下記特許文献２参照）。但し、ロータとステータのバックヨーク（ステータ巻線よりも外側に位置するヨーク）との間を結ぶ磁気回路の磁路（特許文献２の図５における符号Ｇ又はＧ’）は長いため、モータが大型化する。また、バックヨークはモータを固定するためのモータフレームの一部を形成するため、界磁巻線（特許文献２の界磁コイル４６）によって発生された界磁磁束が、モータフレームの周辺部材を経由して漏れる惧れがある。
尚、クローポールを有するモータ構造も提案されているが（下記特許文献３参照）、クローポールを有するモータでは積層鋼板を利用できないため高効率化が困難である。
特開平６−３５１２０６号公報 特開２００４−３５０４１４号公報 特開２００４−７２８２７号公報
そこで本発明は、永久磁石による界磁と界磁巻線による界磁とを併用可能なモータであって且つ小型化に寄与する永久磁石同期モータを提供することを目的とする。また、本発明は、その永久磁石同期モータに対するモータ制御装置及びその永久磁石同期モータを利用するモータ駆動システムを提供することを目的とする。
本発明に係る永久磁石同期モータは、第１界磁磁束を発生する永久磁石が設けられたロータと、前記ロータを回転駆動するための電機子巻線が設けられたステータと、前記ロータの回転軸方向における端部の外側に配置された、第２界磁磁束を発生させるための界磁巻線と、を備えたことを特徴とする。
本発明に係る永久磁石同期モータは、ロータ端部外側のスペースを利用するため、上述の従来構造と比べてモータの小型化が図られる。
具体的には例えば、前記第２界磁磁束の発生時において、前記第１及び第２界磁磁束の合成界磁磁束が前記電機子巻線を鎖交するように、前記界磁巻線は配置される。
より具体的には例えば、前記ロータは、前記永久磁石の内周側に位置する内周鉄心及び前記永久磁石の外周側に位置する外周鉄心を有し、前記内周鉄心及び前記外周鉄心間に前記永久磁石を配設して構成され、前記ロータの回転軸方向における端部の外側に、前記界磁巻線と共に界磁巻線ヨークが配置され、前記界磁巻線によって発生した前記第２界磁磁束が、前記界磁巻線ヨーク、前記内周鉄心、前記外周鉄心及び前記ステータを形成するステータ鉄心を経由する磁路を通るように、前記界磁巻線ヨーク、前記内周鉄心及び前記外周鉄心が形成されている。
界磁巻線ヨーク、ロータの内周鉄心及び外周鉄心並びにステータ鉄心を経由する磁気回路を形成するため、ロータ端部外側のスペースを利用するだけで済み、上述の従来構造と比べてモータの小型化が図られる。また、副界磁磁束がモータフレームを通らないので周辺部材を経由して副界磁磁束が漏れる惧れもない（或いは少ない）。
更に具体的には例えば、前記ロータはインナーロータであり、前記界磁巻線ヨークは、前記界磁巻線の前記ステータ側に位置する外周ヨーク部及び前記界磁巻線よりも内周側に位置する内周ヨーク部を含み、前記内周鉄心及び前記外周鉄心の夫々は、前記永久磁石のＮ極側に接合されたＮ極接合部及び前記永久磁石のＳ極側に接合されたＳ極接合部を含み、前記外周鉄心のＮ極接合部及びＳ極接合部の内の何れか一方にのみ前記回転軸方向に突出した突出部を持たせ、前記突出部と前記外周ヨーク部を対向させることによって、その対向両者間の経路を前記磁路に含め、前記内周鉄心のＮ極接合部及びＳ極接合部の内の何れか一方又は双方を前記内周ヨーク部に対向させることによって、その対向両者間の経路を前記磁路に含める。
或いは具体的には例えば、前記ロータはアウターロータであり、前記界磁巻線ヨークは、前記界磁巻線の前記ステータ側に位置する内周ヨーク部及び前記界磁巻線よりも外周側に位置する外周ヨーク部を含み、前記内周鉄心及び前記外周鉄心の夫々は、前記永久磁石のＮ極側に接合されたＮ極接合部及び前記永久磁石のＳ極側に接合されたＳ極接合部を含み、前記内周鉄心のＮ極接合部及びＳ極接合部の内の何れか一方にのみ前記回転軸方向に突出した突出部を持たせ、前記突出部と前記内周ヨーク部を対向させることによって、その対向両者間の経路を前記磁路に含め、前記外周鉄心のＮ極接合部及びＳ極接合部の内の何れか一方又は双方を前記外周ヨーク部に対向させることによって、その対向両者間の経路を前記磁路に含める。
また例えば、前記界磁巻線ヨーク及び前記突出部の内の何れか一方又は双方は、圧粉磁性材料を用いて形成される。
本発明に係るモータ制御装置は、上記永久磁石同期モータを制御するモータ制御装置であって、前記ロータの静止時に、前記ロータの磁極位置を推定するための前記第２界磁磁束を前記界磁巻線に発生させる界磁磁束制御部を備えたことを特徴とする。
本発明に係る他のモータ制御装置は、上記永久磁石同期モータを制御するモータ制御装置であって、前記ロータの回転時に、前記ロータの回転速度に応じて前記合成界磁磁束を弱めるための前記第２界磁磁束を前記界磁巻線に発生させる、或いは、必要トルクに応じて前記合成界磁磁束を強めるための前記第２界磁磁束を前記界磁巻線に発生させる界磁磁束制御部を備えたことを特徴とする。
本発明に係るモータ駆動システムは、上記永久磁石同期モータと、前記モータを回転駆動するために前記モータ内の前記電機子巻線に電機子電流を供給するインバータと、前記第２界磁磁束を発生させるために前記モータ内の前記界磁巻線に界磁電流を供給する界磁回路と、前記インバータ及び前記界磁回路に対する制御を介して前記モータを制御するモータ制御装置と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、永久磁石による界磁と界磁巻線による界磁とを併用可能なモータであって且つ小型化に寄与する永久磁石同期モータを提供することが可能となる。また、その永久磁石同期モータに対するモータ制御装置及びその永久磁石同期モータを利用するモータ駆動システムを提供することが可能となる。
本発明の意義ないし効果は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。
本発明の第１実施形態に係るモータの全体構造を示す概略図である。 図１のステータのみを抽出して示した図である。 図１のロータの断面図である。 図１のロータとＺ軸との関係を示す図である。 図１のモータの構成要素名称を列記した図である。 図１のロータの断面図であって、ロータ積層鉄心が内周積層鉄心、外周積層鉄心及びブリッジ部に大別されることを示す図である。 図１のステータのＡ−Ａ'断面とロータの一部のＢ−Ｂ'断面を合成して示した図である（突出部を不図示）。 本発明の第１実施形態に係り、ステータのＡ−Ａ'断面とロータ及び界磁巻線部のＢ−Ｂ'断面とを合成した図である。 図８の界磁巻線部を形成する界磁巻線ヨークの外観斜視図（ａ）及び分解図（ｂ）である。 Ｚ軸方向が図面の左右方向に合致するような視点から見た、図８の界磁巻線ヨークの外観図である。 図８のロータ左側に位置する界磁巻線ヨークの、ＸＹ座標面上への投影図（Ｚ軸の正側から見た投影図）と、図８のロータ右側に位置する界磁巻線ヨークの、ＸＹ座標面上への投影図（Ｚ軸の負側から見た投影図）である。 Ｚ軸の正側から見た図８のロータの外観平面図（ａ）と、Ｚ軸の負側から見た図８のロータの外観平面図（ｂ）である。 図８に、副界磁磁束の磁路を重畳した図である。 図８の２つの界磁巻線の結線方法の第１及び第２例を示す図である。 図８に示すモータ構造の変形例を示す図である。 図８に示すモータ構造の他の変形例を示す図である。 Ｚ軸の負側から見た図１６のロータの外観平面図である。 本発明の第２実施形態に係るモータの全体構造を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係り、ロータブラケットの断面図とロータの外観図を分離して示した図である。 図１８のロータの断面図である。 図１８のモータの構成要素名称を列記した図である。 図１８のステータのＡ1−Ａ1'断面とロータの一部のＢ1−Ｂ1'断面を合成して示した図である（突出部を不図示）。 本発明の第２実施形態に係り、ステータのＡ1−Ａ1'断面とロータ及び界磁巻線部のＢ1−Ｂ1'断面とを合成した図である。 Ｚ軸方向が図面の左右方向に合致するような視点から見た、図２３の界磁巻線ヨークの外観図である。 図２３の界磁巻線ヨークの、ＸＹ座標面上への投影図（Ｚ軸の負側から見た投影図）である。 Ｚ軸の正側から見た図２３のロータの外観平面図（ａ）と、Ｚ軸の負側から見た図２３のロータの外観平面図（ｂ）である。 本発明の第３実施形態に係り、モータ駆動システム内の一部回路図を含む、モータ駆動システムの全体ブロック図である。 本発明の第３実施形態に係り、図２７のモータの解析モデル図である。
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。尚、モータの構造を表す図面において、図示の簡略化のため又は便宜上、外観上現れる部位の一部の図示を省略することがある。
＜＜第１実施形態＞＞
本発明の第１実施形態に係るモータ１の構造を説明する。図１は、モータ１の全体構造を示す概略図である。モータ１は、永久磁石を鉄心内に埋め込んで形成されたロータ２０と、ロータ２０の外側に固定配置されるステータ１０と、を有する埋込磁石同期モータである。ロータ２０は、ステータ１０の内側に配置されるため、ロータ２０はインナーロータであり、モータ１は、インナーロータ型のモータと呼べる。図２は、ステータ１０のみを抽出して示した図である。図３は、ロータ２０の断面図である。尚、図１及び図２では、図示の便宜上、ステータ１０及びロータ２０の部材が存在する部分に模様を付している。
ステータ１０は、磁性材料（強磁性体）である鋼板（ケイ素鋼板など）をロータ２０の回転軸方向に複数枚積層することによって形成されたステータ積層鉄心１１を有し、ステータ積層鉄心１１には、６つのスロット１２と内周方向に突出した６つのティース（歯）１３が交互に形成されている。そして、コイルを配置するためのスロット１２を利用して、各ティース１３の周りにコイル（図２において不図示）を巻くことによってステータ１０の電機子巻線が形成される。つまり、ステータ１０は、所謂６コイル集中巻ステータである。尚、スロット数、ティース数及びコイル数は６以外であってもよい。
以下、ロータ２０の回転軸をＺ軸とする。図４に示す如く、円筒形状を有するロータ２０の中心にＺ軸上の原点Ｏをとる。原点Ｏを境界にして、任意の点のＺ軸座標値の極性は正と負に分類される。図１は、Ｚ軸の正側から見た、モータ１の構造を表しており、図２は、Ｚ軸の正側から見た、Ｚ軸の直交面に沿ったステータ１０の平面図（又は断面図）である。図３は、Ｚ軸の正側から見た、Ｚ軸の直交面に沿ったロータ２０の断面図である。図１におけるＡ−Ａ'線及びＢ−Ｂ'線に関しては後述する。
ロータ２０は、Ｚ軸上に円心を有する円盤状の鋼板を絶縁膜を介して複数枚Ｚ軸方向に積層することによって形成されたロータ積層鉄心２１と、ロータ２０の回転軸を中心軸として有する円柱状のシャフト２２と、４つの板状の永久磁石３１〜３４と、夫々が隣接する永久磁石間に位置する非磁性体３５〜３８とを有し、それらを互いに結合することによって形成される。
ロータ積層鉄心２１を形成する各鋼板は、磁性材料（強磁性体）から成り、例えばケイ素鋼板である。各鋼板及びそれにて形成されるロータ積層鉄心２１には、シャフト２２、永久磁石３１〜３４及び非磁性体３５〜３８を挿入するための、Ｚ軸方向に伸びる挿入穴が設けられており、その挿入穴内にシャフト２２、永久磁石３１〜３４及び非磁性体３５〜３８が挿入され且つ固定される。
今、図３の断面図上のシャフト２２の中心に原点Ｏが存在するものとし、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸から成る実空間上の直交座標系を定義する。Ｘ軸はＹ軸及びＺ軸に直交すると共にＹ軸はＸ軸及びＺ軸に直交し、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は原点Ｏにて交差する。原点Ｏを境界にして、任意の点のＸ軸座標値の極性は正と負に分類され、且つ、任意の点のＹ軸座標値の極性は正と負に分類される。図３及び後述の図６等を含む、ＸＹ座標面に沿った断面図において、右側及び左側が夫々Ｘ軸の正側及び負側に対応し、上側及び下側が夫々Ｙ軸の正側及び負側に対応する。
ＸＹ座標面上において、ロータ積層鉄心２１の外周形状は円であると共にその円の中心は原点Ｏと合致し、シャフト２２の断面形状は円であると共にその円の中心は原点Ｏと合致する。
ＸＹ座標面上において、各永久磁石３１〜３４の断面形状は長方形であり、永久磁石３１及び３３における該長方形の中心はＹ軸上に位置し且つ永久磁石３２及び３４における該長方形の中心はＸ軸上に位置する。但し、永久磁石３１〜３４は、夫々、原点Ｏから見て、Ｙ軸の正側、Ｘ軸の正側、Ｙ軸の負側及びＸ軸の負側に位置する。ＸＹ座標面上において、ロータ２０はＸ軸を対称軸とする線対称の構造を有すると共にＹ軸を対称軸とする線対称の構造を有する。
ＸＹ座標面上において、
永久磁石３１内の下側及び上側に夫々永久磁石３１のＮ極及びＳ極が位置し、
永久磁石３２内の右側及び左側に夫々永久磁石３２のＮ極及びＳ極が位置し、
永久磁石３３内の上側及び下側に夫々永久磁石３３のＮ極及びＳ極が位置し、
永久磁石３４内の左側及び右側に夫々永久磁石３４のＮ極及びＳ極が位置する。
ＸＹ座標面上において、非磁性体３５〜３８の断面形状は三角形又は三角形の類似形状であり、ＸＹ座標面における第１、第４、第３及び第２象限に、夫々、非磁性体３５、３６、３７及び３８が位置する。より具体的には、ＸＹ座標面上において、
永久磁石３１の右側であって且つ永久磁石３２の上側に非磁性体３５が位置すると共に、永久磁石３１及び非磁性体３５間と永久磁石３２及び非磁性体３５間を含む、非磁性体３５の周辺部には、ロータ積層鉄心２１の一部であるブリッジ部が介在し、
永久磁石３３の右側であって且つ永久磁石３２の下側に非磁性体３６が位置すると共に、永久磁石３３及び非磁性体３６間と永久磁石３２及び非磁性体３６間を含む、非磁性体３６の周辺部には、ロータ積層鉄心２１の一部であるブリッジ部が介在し、
永久磁石３３の左側であって且つ永久磁石３４の下側に非磁性体３７が位置すると共に、永久磁石３３及び非磁性体３７間と永久磁石３４及び非磁性体３７間を含む、非磁性体３７の周辺部には、ロータ積層鉄心２１の一部であるブリッジ部が介在し、
永久磁石３１の左側であって且つ永久磁石３４の上側に非磁性体３８が位置すると共に、永久磁石３１及び非磁性体３８間と永久磁石３４及び非磁性体３８間を含む、非磁性体３８の周辺部には、ロータ積層鉄心２１の一部であるブリッジ部が介在する。
尚、非磁性体３５〜３８は、空気で満たされるべき空隙であってもよい。
図５に、説明の理解の容易化を図るため、モータ１の構成要素名称を列記する。図５に示す全名称の意義は、後述の説明から明らかとなる。
更に、図６を参照する。図６も、図３と同様、Ｚ軸の正側から見た、ＸＹ座標面に沿ったロータ２０の断面図である。図３のロータ積層鉄心２１は、永久磁石３１〜３４の内周側に位置する内周積層鉄心と、永久磁石３１〜３４の外周側に位置する外周積層鉄心と、上記ブリッジ部と、に大別される。図６において、符号４０が付された斜線領域が内周積層鉄心に相当し、符号５１〜５４が付された斜線領域の全体が外周積層鉄心に相当し、ロータ積層鉄心２１の全体から内周積層鉄心及び外周積層鉄心を除いた残部領域がブリッジ部に相当する。符号５１〜５４が付された斜線領域の夫々は、外周積層鉄心の構成要素であり、それらを外周鉄心本体と呼ぶ（図５も参照）。
ＸＹ座標面上において、外周鉄心本体５１は、永久磁石３１に隣接し且つ永久磁石３１よりもＹ軸の正方向側に位置し、外周鉄心本体５２は、永久磁石３２に隣接し且つ永久磁石３２よりもＸ軸の正方向側に位置し、外周鉄心本体５３は、永久磁石３３に隣接し且つ永久磁石３３よりもＹ軸の負方向側に位置し、外周鉄心本体５４は、永久磁石３４に隣接し且つ永久磁石３４よりもＸ軸の負方向側に位置する。
モータ１のより詳細な構造及び機能を説明する上で、ステータ１０に関しては図１のＡ−Ａ'線に沿った断面（Ａ−Ａ'断面）を想定し、ロータ２０に関しては図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面（Ｂ−Ｂ'断面）を想定する。Ｂ−Ｂ'線は、Ｙ軸上の正の点及びＸ軸上の正の点を夫々始点及び終点とし且つＺ軸上にて折れ曲がる折れ線である。Ａ−Ａ'線は、ＸＹ座標面上の第２象限の点及びＸ軸上の正の点を夫々始点及び終点とし且つＺ軸上にて折れ曲がる折れ線である。但し、Ａ−Ａ'線の始点からＺ軸に向かう線上に或る１つのティース１３が位置し、且つ、Ｚ軸からＡ−Ａ'線の終点に向かう線上に他の１つのティース１３が位置する。尚、それらのティース１３間には更に他の１つのティース１３が存在する。
図７は、ステータ１０のＡ−Ａ'断面とロータ２０の一部のＢ−Ｂ'断面を合成して示した図である。実際にはロータ２０に突出部が設けられるが、図７において、その突出部は示されていない。
図７の左右方向はＺ軸方向と合致し、図７の右側がＺ軸の正側に対応する（後述の図８、図１０、図１３、図１５及び図１６についても同様）。ロータ２０は、空隙ＡＧ1及びＡＧ2を介してステータ積層鉄心１１と磁気的に結合する。外周鉄心本体５１側に位置する、ステータ積層鉄心１１の一部であるティース１３を符号１３Aによって表し、外周鉄心本体５２側に位置する、ステータ積層鉄心１１の一部であるティース１３を符号１３Bによって表す。外周鉄心本体５１とティース１３A間に空隙ＡＧ1が介在し、外周鉄心本体５２とティース１３B間に空隙ＡＧ2が介在する。
ロータ２０のＢ−Ｂ'断面において、永久磁石３１とシャフト２２間には内周積層鉄心４０の一部が存在するが（図６参照）、それを、内周鉄心本体４１と呼ぶ。同様に、永久磁石３２とシャフト２２間には内周積層鉄心４０の他の一部が存在するが、それを内周鉄心本体４２と呼ぶ。
図７に示す如く、ステータ１０のＡ−Ａ'断面とロータ２０のＢ−Ｂ'断面を合成した図では、ティース１３Aから見て、ティース１３Aとティース１３Bとの間に、空隙ＡＧ1、外周鉄心本体５１、永久磁石３１、内周鉄心本体４１、シャフト２２、内周鉄心本体４２、永久磁石３２、外周鉄心本体５２及び空隙ＡＧ2がこの順番で配置される。尚、永久磁石３１及び３２内に示された矢印は、夫々、永久磁石３１及び３２内における磁束の向きを表している。
上記の如く構成されたモータ１では、永久磁石３１〜３４が発生する磁束が界磁磁束（第１界磁磁束）として働き、ステータ１０に設けられた電機子巻線に適切な電機子電流を流すことによってロータ２０が回転駆動される。
ところで、埋込磁石同期モータに代表される突極機の高速回転時においては、永久磁石に由来してモータ内で生じる誘起電圧の過度の上昇を抑えるべく弱め界磁制御（弱め磁束制御）が一般的に用いられる。一般的な弱め界磁制御は、負のｄ軸電流を電機子巻線に流すことによって達成されるが、本実施形態に係るモータ１では、ロータ２０の外側に設けられた界磁巻線から界磁磁束を注入することによって弱め界磁制御を実現する。
この界磁巻線の説明を含めた、より詳細なモータ１の構造説明を行う。モータ１は、実際には、ステータ１０及びロータ２０に加えて、界磁巻線ヨークＦＹ1及びＦＹ2と界磁巻線ＦＷ1及びＦＷ2とを有している。界磁巻線ヨーク及び界磁巻線を総称して界磁巻線部とも呼ぶ。
図８に、ステータ１０のＡ−Ａ'断面とロータ２０及び界磁巻線部のＢ−Ｂ'断面とを合成した図を示す。ロータ２０は、実際には、図３又は図６に示すロータ積層鉄心２１、シャフト２２、永久磁石３１〜３４及び非磁性体３５〜３７に、突出部４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、５１ｂ及び５２ａを追加した構造を有する。図８の断面図において、界磁巻線ヨークＦＹ1及び界磁巻線ＦＷ1から成る界磁巻線部は、ロータ２０の右側（Ｚ軸方向における正側）に固定して配置され、界磁巻線ヨークＦＹ2及び界磁巻線ＦＷ2から成る界磁巻線部は、ロータ２０の左側（Ｚ軸方向における負側）に固定して配置される。
各突出部は、鉄などの磁性材料の粉末を圧縮成型した圧粉磁性材料から成る（但し、それらを鋼板によって形成するようにしてもよい）。
突出部４１ａ及び４１ｂの夫々は、ロータ２０の内周鉄心本体４１の、回転軸方向における端面から、回転軸方向に突出するように内周鉄心本体４１に接合される。但し、突出部４１ａは、Ｚ軸の正側における内周鉄心本体４１の端面からＺ軸の正の方向側に突出しており、突出部４１ｂは、Ｚ軸の負側における内周鉄心本体４１の端面からＺ軸の負の方向側に突出している。
突出部４２ａ及び４２ｂの夫々は、ロータ２０の内周鉄心本体４２の、回転軸方向における端面から、回転軸方向に突出するように内周鉄心本体４２に接合される。但し、突出部４２ａは、Ｚ軸の正側における内周鉄心本体４２の端面からＺ軸の正の方向側に突出しており、突出部４２ｂは、Ｚ軸の負側における内周鉄心本体４２の端面からＺ軸の負の方向側に突出している。
突出部５１ｂは、ロータ２０の外周鉄心本体５１の、回転軸方向における端面から、回転軸方向に突出するように外周鉄心本体５１に接合される。但し、突出部５１ｂは、Ｚ軸の負側における外周鉄心本体５１の端面からＺ軸の負の方向側に突出している。
突出部５２ａは、ロータ２０の外周鉄心本体５２の、回転軸方向における端面から、回転軸方向に突出するように外周鉄心本体５２に接合される。但し、突出部５２ａは、Ｚ軸の正側における外周鉄心本体５２の端面からＺ軸の正の方向側に突出している。
図９（ａ）に、界磁巻線ヨークＦＹ1の外観斜視図を示す。図９（ｂ）に、界磁巻線ヨークＦＹ1の分解図を示す。界磁巻線ヨークＦＹ2は、界磁巻線ヨークＦＹ1と同じ構造を有するため、界磁巻線ヨークＦＹ2の外観斜視図等の図示は割愛する。図１０に、Ｚ軸方向が図面の左右方向に合致するような視点から見た、界磁巻線ヨークＦＹ1及びＦＹ2の外観図を示す。図１１（ａ）に、Ｚ軸の正側から見た界磁巻線ヨークＦＹ2の、ＸＹ座標面上への投影図を示す。図１１（ｂ）に、Ｚ軸の負側から見た界磁巻線ヨークＦＹ1の、ＸＹ座標面上への投影図を示す。
界磁巻線ヨークＦＹ1は、Ｚ軸上に円心を有する円柱状の磁性材料に、シャフト２２を通すための、Ｚ軸方向に伸びる穴部６５と、界磁巻線ＦＷ1を配置するためのスロット（窪み）６２と、を設けたものである。分解して考えると、界磁巻線ヨークＦＹ1は、円筒形状を有する底面ヨーク部６０の上に、夫々が円筒形状を有する内周ヨーク部６１及び外周ヨーク部６３を、それらの円心が全てＺ軸上にのるように接合したもの、と捉えることができる。外周ヨーク部６３における内周側の円の半径は内周ヨーク部６１における外周側の円の半径よりも大きい。Ｚ軸方向から見た場合において、外周ヨーク部６３は内周ヨーク部６１の外側に位置し、スロット６２は外周ヨーク部６３と内周ヨーク部６１との間に位置している。界磁巻線ＦＷ1は、内周ヨーク部６１の外周に沿ってＺ軸周りに巻かれる。また、内周ヨーク部６１及び外周ヨーク部６３の端面（底面ヨーク部６０の反対側に位置する端面）は、Ｚ軸に直交する同一平面上にのる。
界磁巻線ヨークＦＹ2は、Ｚ軸上に円心を有する円柱状の磁性材料に、シャフト２２を通すための、Ｚ軸方向に伸びる穴部７５と、界磁巻線ＦＷ2を配置するためのスロット（窪み）７２と、を設けたものである。分解して考えると、界磁巻線ヨークＦＹ2は、円筒形状を有する底面ヨーク部７０の上に、夫々が円筒形状を有する内周ヨーク部７１及び外周ヨーク部７３を、それらの円心が全てＺ軸上にのるように接合したもの、と捉えることができる。外周ヨーク部７３における内周側の円の半径は内周ヨーク部７１における外周側の円の半径よりも大きい。Ｚ軸方向から見た場合において、外周ヨーク部７３は内周ヨーク部７１の外側に位置し、スロット７２は外周ヨーク部７３と内周ヨーク部７１との間に位置している。界磁巻線ＦＷ2は、内周ヨーク部７１の外周に沿ってＺ軸周りに巻かれる。また、Ｚ軸方向における内周ヨーク部７１及び外周ヨーク部７３の端面（底面ヨーク部７０の反対側に位置する端面）は、Ｚ軸に直交する同一平面上にのる。
界磁巻線ヨークＦＹ1及びＦＹ2は、鉄などの磁性材料の粉末を圧縮成型した圧粉磁性材料から成る（但し、それらを鋼板によって形成するようにしてもよい）。
図８を再び参照して、上記のように構成された界磁巻線部の配置位置を詳細に説明する。Ｚ軸方向から見た場合において、界磁巻線ヨークＦＹ1の外周の半径（換言すれば、外周ヨーク部６３における外周側の円の半径）及び界磁巻線ヨークＦＹ2の外周の半径（換言すれば、外周ヨーク部７３における外周側の円の半径）は、ロータ２０の外周の半径と一致或いは略一致している。
そして、界磁巻線ヨークＦＹ1の内周ヨーク部６１と突出部４１ａ及び４２ａとが対向し、且つ、界磁巻線ヨークＦＹ1の外周ヨーク部６３と突出部５２ａとが対向するように、界磁巻線ヨークＦＹ1を配置する。突出部４１ａ及び４２ａの端面と内周ヨーク部６１の端面は微小な空隙を介して面し、且つ、突出部５２ａの端面と外周ヨーク部６３の端面は微小な空隙を介して面する。
同様に、界磁巻線ヨークＦＹ2の内周ヨーク部７１と突出部４１ｂ及び４２ｂとが対向し、且つ、界磁巻線ヨークＦＹ2の外周ヨーク部７３と突出部５１ｂとが対向するように、界磁巻線ヨークＦＹ2を配置する。突出部４１ｂ及び４２ｂの端面と内周ヨーク部７１の端面は微小な空隙を介して面し、且つ、突出部５１ｂの端面と外周ヨーク部７３の端面は微小な空隙を介して面する。
また、図１２（ａ）に、Ｚ軸の正側から見た、ロータ２０の外観平面図を示す。図１２（ａ）において、斜線が付された部分が、ロータ積層鉄心２１の端面からＺ軸の正側に突出している部分であり、符号４１ａａ、４２ａａ及び５２ａａが付された破線領域内に、夫々、突出部４１ａ、４２ａ及び５２ａが位置する。図１２（ｂ）に、Ｚ軸の負側から見た、ロータ２０の外観平面図を示す。図１２（ｂ）において、斜線が付された部分が、ロータ積層鉄心２１の端面からＺ軸の負側に突出している部分であり、符号５１ｂｂ、４１ｂｂ及び４２ｂｂが付された破線領域内に、夫々、突出部５１ｂ、４１ｂ及び４２ｂが位置する。
尚、突出部４２ａ及び５２ａが形成されたことに伴い、Ｚ軸の正側における永久磁石３２の端面が突出部４２ａ及び５２ａの端面に合うように、永久磁石３２もＺ軸の正側に突出させる（但し、この突出は必須ではない）。同様に、突出部５１ｂ及び４１ｂが形成されたことに伴い、Ｚ軸の負側における永久磁石３１の端面が突出部５１ｂ及び４１ｂの端面に合うように、永久磁石３１もＺ軸の負側に突出させる（但し、この突出は必須ではない）。
次に、図１３を参照して、界磁巻線ＦＷ1及びＦＷ2に電流を流した時における磁束の様子を説明する。図１３の矢印付き折れ線１００は、界磁巻線ＦＷ1及びＦＷ2に電流を流すことによって発生した磁束の磁路及び該磁束の向きを表している。但し、矢印付き折れ線１００における向きは、永久磁石による界磁磁束を弱める方向の電流を界磁巻線ＦＷ1及びＦＷ2に流した場合における向きである。界磁巻線ＦＷ1及びＦＷ2は、図１４（ａ）に示す如く並列接続されている、或いは、図１４（ｂ）に示す如く直列接続されている。
以下、永久磁石３１〜３４から得られる界磁磁束を主界磁磁束（第１界磁磁束）と呼び、界磁巻線ＦＷ1及びＦＷ2に電流を流すことによって発生した磁束を副界磁磁束（第２界磁磁束）と呼ぶ。後に、界磁巻線を１つしか設けない例も示すが、その例では、１つの界磁巻線に電流を流すことによって発生した磁束を副界磁磁束（第２界磁磁束）と呼ぶ。
図１３において、破線１０１内に位置する、矢印付き折れ線１００の一部は、副界磁磁束が界磁巻線ヨークＦＹ1の底面ヨーク部６０を円周方向に沿って通る様子を示しており、破線１０２内に位置する、矢印付き折れ線１００の一部は、副界磁磁束が界磁巻線ヨークＦＹ2の底面ヨーク部７０を円周方向に沿って通る様子を示している。また、矢印付き折れ線１００の両端１０３及び１０４は、ティース１３B及び１３Aを含むステータ積層鉄心１１により、極めて微小な磁気抵抗で接続される。
永久磁石の比透磁率は１に近い値（例えば、１．１）を有する一方で、ステータ積層鉄心、界磁巻線ヨーク、ロータ積層鉄心及びロータ積層鉄心に接合される突出部の比透磁率は十分に大きな値（例えば、数百〜数万）を有する。このため、副界磁磁束の磁路は、以下に示す、第１磁路及び第２磁路を、磁束の主経路として有する。第２磁路は、第１磁路の一部の分岐路に相当する。
界磁巻線ヨークＦＹ1の底面ヨーク部６０を起点にして考える。第１磁路は、破線１０２に対応する部分を含む磁路である。具体的には、第１磁路は、底面ヨーク部６０を起点として、内周ヨーク部６１の内の、突出部４２ａに面している部分と、突出部４２ａと、内周鉄心本体４２と、突出部４２ｂと、内周ヨーク部７１の内の、突出部４２ｂに面している部分と、底面ヨーク部７０と、外周ヨーク部７３の内の、突出部５１ｂに面している部分と、突出部５１と、外周鉄心本体５１と、ティース１３B及び１３Aを含むステータ積層鉄心１１と、外周鉄心本体５２と、突出部５２ａと、外周ヨーク部６３の内の、突出部５２ａに面している部分と、を通じて底面ヨーク部６０に至る磁路である。尚、当然ではあるが、磁束の通り道となる任意の磁性材料間に空隙が存在する場合、磁束は、その空隙をも通る。
第２磁路は、破線１０１に対応する部分を含む磁路である。具体的には、第２磁路は、底面ヨーク部６０と、内周ヨーク部６１の内の、突出部４１ａに面している部分と、突出部４１ａと、内周鉄心本体４１と、突出部４１ｂと、内周ヨーク部７１の内の、突出部４１ｂに面している部分と、底面ヨーク部７０と、を結ぶ経路を経由する磁路であり、底面ヨーク部６０及び底面ヨーク部７０において、第１及び第２磁路は合流する。
内周鉄心本体４１及び４２を含む内周積層鉄心４０と内周積層鉄心４０に接合される突出部（４１ａ、４１ｂ、４２ａ及び４２ｂを含む）は、全体として「ロータ内周鉄心」を形成し、外周鉄心本体５１及び５２を含む外周積層鉄心と外周積層鉄心に接合される突出部（５１ｂ及び５２ａを含む）は、全体として「ロータ外周鉄心」を形成する（図５も参照）。そして、上記のような副界磁磁束の磁路が形成されるように、ロータ内周鉄心及びロータ外周鉄心並びに界磁巻線部を形成及び配置する。これにより、副界磁磁束の発生時には、永久磁石による主界磁磁束と界磁巻線による副界磁磁束の合成磁束が、ステータ１０の電機子巻線の鎖交磁束となる。
上記の如くモータを構成すれば、ロータの端部外側に設けられた界磁巻線に界磁電流を供給することによって弱め界磁制御を実現可能である。この際、界磁巻線による磁界は永久磁石自体に直接加わらないため、永久磁石の減磁の惧れがない。また、弱め界磁制御を実現するに当たり、電機子巻線に負のｄ軸電流を流す必要がないため、ｄ軸電流による電機子巻線の発熱増加が解消される（発熱箇所が分散される）。また、ｄ軸電流の分だけｑ軸電流（トルクに関与する電流成分）を減少させる必要もなくなるため、高速回転時における発生トルクの低下も抑制される。
加えて、ロータ内周鉄心とロータ外周鉄心を結ぶ磁気回路を形成する界磁巻線ヨークをロータ端部外側に配置する構成であるため、ロータ端部外側のスペースを利用するだけで済み、上述の従来構造と比べてモータの小型化が図られる。更に、副界磁磁束の磁気回路にバックヨーク（ステータ巻線よりも外側に位置し、モータフレームの一部を形成するヨーク）が含まれないため、副界磁磁束がモータフレームの周辺部材を経由して漏れる惧れもない。
尚、上述の説明から明らかであるが、外周鉄心本体５１の界磁巻線ヨークＦＹ1側及び外周鉄心本体５２の界磁巻線ヨークＦＹ2側には、突出部を設けない。仮に、外周鉄心本体５１の界磁巻線ヨークＦＹ1側にも突出部を設けたならば、図１３の断面図上のティース１３A及びシャフト２２間に位置する、ロータ鉄心部分と界磁巻線ヨークＦＹ1及びＦＹ2とで閉磁路が形成されてしまい、副界磁磁束がステータ１０の電機子巻線を鎖交しなくなるからである。このような事態の発生を避けるべく、外周鉄心本体５１と外周ヨーク部６３との間の空隙長及び外周鉄心本体５２と外周ヨーク部７３との間の空隙長を十分に大きくとる。例えば、それらの空隙長をステータ−ロータ間の空隙長（即ち、空隙ＡＧ1及びＡＧ2の長さ）の５倍〜数１０倍とする。
モータ１の構造の一部を変形することが可能である。モータ１の構造変形例として、以下に、第１〜第３構造変形例を説明する。第１〜第３構造変形例に述べる変形をモータ１に加えても、上述の同様の作用及び効果が得られる。尚、変形が施されていない、上述のモータ１の構造を、以下「モータ１の基本構造」又は単に「基本構造」と呼ぶ。矛盾なき限り、第１〜第３構造変形例の内の２以上を、組み合わせて実施することも可能である。
［第１構造変形例］
モータ１の基本構造では、突出部４１ａ、４１ｂ、４２ａ及び４２ｂを設けることによって、ロータ内周鉄心を界磁巻線ヨークＦＹ1側及び界磁巻線ヨークＦＹ2側に突出させているが、この突出の全部又は一部をなくすようにしてもよい。つまり、ロータ２０から突出部４１ａ、４１ｂ、４２ａ及び４２ｂの全部又は一部を省いても良い。但し、この場合、上述した副界磁磁束の磁路と同等の磁路が形成されるように、界磁巻線ヨークの内周ヨーク部をロータ２０側に突出させる。
例えば、ロータ２０から突出部４１ａ、４１ｂ、４２ａ及び４２ｂの全部を省く場合は、界磁巻線ヨークＦＹ1の内周ヨーク部６１が内周鉄心本体４１及び４２と微小な空隙を介して対向する（面する）ように基本構造と比べて内周ヨーク部６１を内周鉄心本体４１及び４２側に突出させ、且つ、界磁巻線ヨークＦＹ2の内周ヨーク部７１が内周鉄心本体４１及び４２と微小な空隙を介して対向する（面する）ように基本構造と比べて内周ヨーク部７１を内周鉄心本体４１及び４２側に突出させる。
［第２構造変形例］
モータ１の基本構造では、突出部４１ａ、４１ｂ、４２ａ及び４２ｂを設けることによって、ロータ内周鉄心を界磁巻線ヨークＦＹ1側及び界磁巻線ヨークＦＹ2側に突出させているが、突出部４１ａ及び４２ａの内、何れか一方をなくすようにしてもよく、同様に、突出部４１ｂ及び４２ｂの内、何れか一方をなくすようしてもよい。
突出部４１ａ及び４２ａの内、何れか一方のみをなくすのであれば、第１構造変形例で述べたような内周ヨーク部６１の突出は不要であり、突出部４１ｂ及び４２ｂの内、何れか一方のみをなくすのであれば、第１構造変形例で述べたような内周ヨーク部７１の突出は不要である。これは、内周鉄心本体４１及び４２を含む内周積層鉄心４０が、永久磁石のＮ極にもＳ極にも繋がっているためである。
例えば、モータ１の基本構造から突出部４１ａ及び４２ｂを削除した場合は、図１５に示すような副界磁磁束の磁路が形成される。図１５の矢印付き折れ線１１０は、界磁巻線ＦＷ1及びＦＷ2に電流を流すことによって発生した副界磁磁束の磁路及び副界磁磁束の向きを表している。但し、矢印付き折れ線１１０における向きは、永久磁石による界磁磁束を弱める方向の電流を界磁巻線ＦＷ1及びＦＷ2に流した場合における向きである。
界磁巻線ヨークＦＹ1の底面ヨーク部６０を起点にして副界磁磁束の磁路を考える。突出部４１ａ及び４２ｂを削除した場合、副界磁磁束は、底面ヨーク部６０と、内周ヨーク部６１の内の、突出部４２ａに面している部分と、突出部４２ａと、内周鉄心本体４２とを通った後、内周鉄心本体４２から内周鉄心本体４１に向かってＺ軸周りに内周鉄心本体４１及び４２を含む内周積層鉄心４０内を通る。内周鉄心本体４１から、副界磁磁束は、突出部４１ｂと、内周ヨーク部７１の内の、突出部４１ｂに面している部分と、底面ヨーク部７０と、外周ヨーク部７３の内の、突出部５１ｂに面している部分と、突出部５１ｂと、外周鉄心本体５１と、ティース１３B及び１３Aを含むステータ積層鉄心１１と、外周鉄心本体５２と、突出部５２ａと、外周ヨーク部６３の内の、突出部５２ａに面している部分と、底面ヨーク部６０とを経由する磁路内を通る。
内周鉄心本体４１は、永久磁石３１のＮ極側に接合された部分（Ｎ極接合部）であり、内周鉄心本体４２は、永久磁石３２のＳ極側に接合された部分（Ｓ極接合部）である。尚、外周鉄心本体５１及び５２を含む外周積層鉄心も、内周積層鉄心４０と同様、永久磁石のＮ極及びＳ極に繋がっている。外周鉄心本体５１は、永久磁石３１のＳ極側に接合された部分（Ｓ極接合部）であり、外周鉄心本体５２は、永久磁石３２のＮ極側に接合された部分（Ｎ極接合部）である。
［第３構造変形例］
モータ１の基本構造では、界磁巻線及び界磁巻線ヨークから成る界磁巻線部を、ロータ２０の両端に１つずつ配置しているが、界磁巻線部をロータ２０の一端側に１つだけ設けるようにしてもよい。即ち、モータ１の基本構造から、界磁巻線ＦＷ2及び界磁巻線ヨークＦＹ2を削除するようにしていもよい。ロータ２０から界磁巻線ＦＷ2及び界磁巻線ヨークＦＹ2を削除した場合におけるロータを、ロータ２０ａと呼ぶ。
図１６に、ステータ１０のＡ−Ａ'断面とロータ２０ａ及び界磁巻線部のＢ−Ｂ'断面とを合成した図を示す。ロータ２０ａは、図３又は図６に示すロータ積層鉄心２１、シャフト２２、永久磁石３１〜３４及び非磁性体３５〜３７に、突出部４１ａ、４１ｂＡ、４２ａ、４２ｂ、５１ｂ及び５２ａを追加した構造を有する。そして、界磁巻線ヨークＦＹ1及び界磁巻線ＦＷ1から成る界磁巻線部が、ロータ２０ａの右側（Ｚ軸方向における正側）に固定して配置される。
第３構造変形例に係るロータ２０ａには、基本構造におけるロータ２０の突出部４１ｂの代わりに突出部４１ｂＡに設けられ、更に、突出部４１ｂＡと突出部５１ｂ間に所定の空隙長を有する空隙４１ｂAGが設けられている。この他の点において、ロータ２０ａと基本構造におけるロータ２０は同様である。
突出部４１ｂＡは、ロータ２０ａの内周鉄心本体４１の、回転軸方向における端面から、回転軸方向に突出するように内周鉄心本体４１に接合される。但し、突出部４１ｂＡは、Ｚ軸の負側における内周鉄心本体４１の端面からＺ軸の負の方向側に突出している。更に、突出部４１ｂＡは、永久磁石３１の、Ｚ軸の負側における端面の一部を覆っており、Ｚ軸の直交方向であるＹ軸方向において、突出部５１ｂと突出部４１ｂＡとの間には空隙４１ｂAGが存在する。
図１７に、Ｚ軸の負側から見た、ロータ２０ａの外観平面図を示す。図１７において、斜線が付された部分が、ロータ積層鉄心２１及び永久磁石３１〜３４の端面からＺ軸の負側に突出している部分であり、符号５１ｂｂ、４１ｂＡｂ及び４２ｂｂが付された破線領域内に、夫々、突出部５１ｂ、４１ｂＡ及び４２ｂが位置する。Ｚ軸の負側から見た場合において、空隙４１ｂAGが位置する部分は突出しておらず、その部分に、突出部を形成する圧粉磁性材料は存在しない。
図１６の矢印付き折れ線１２０は、界磁巻線ＦＷ1に電流を流すことによって発生した副界磁磁束の磁路及び副界磁磁束の向きを表している。但し、矢印付き折れ線１２０における向きは、永久磁石による界磁磁束を弱める方向の電流を界磁巻線ＦＷ1に流した場合における向きである。
界磁巻線ヨークＦＹ1の底面ヨーク部６０を起点にして副界磁磁束の磁路を考える。副界磁磁束は、底面ヨーク部６０から、内周ヨーク部６１、突出部４１ａ及び４２ａ、内周鉄心本体４１及び４２を経由して突出部４１ｂＡ及び４２ｂに通じ、その後、空隙４１ｂAGと、突出部５１ｂと、外周鉄心本体５１と、ティース１３B及び１３Aを含むステータ積層鉄心１１と、外周鉄心本体５２と、突出部５２ａと、外周ヨーク部６３の内の、突出部５２ａに面している部分とを通じて底面ヨーク部６０に至る。空隙４１ｂAGは、矢印付き破線１２１に示すような閉磁路の形成を防ぐために設けられる。
尚、ロータ２０ａに対して上述の第１又は第２構造変形例を適用してもよい。即ち、ロータ２０ａから突出部４１ａ及び／又は４２ａを省いても良い。但し、この場合、矢印付き折れ線１２０に示す磁路と略同等の磁路が形成されるように、必要に応じて、界磁巻線ヨークＦＹ1の内周ヨーク部６１をロータ２０ａ側に突出させる。
＜＜第２実施形態＞＞
第１実施形態ではインナーロータ型のモータの構造を説明したが、第１実施形態で述べた技術的内容をアウターロータ型のモータに適用することもできる。アウターロータ型のモータであるモータ２０１の構造を第２実施形態として説明する。
モータ２０１は、永久磁石を鉄心内に埋め込んで形成されたロータ２２０と、ロータ２２０の内側に固定配置されるステータ２１０と、を有する埋込磁石同期モータである。ロータ２２０は、ステータ２１０の外側に配置されるため、ロータ２２０はアウターロータである。
図１８は、ステータ２１０及びロータ２２０の全体構造を示す概略図である。尚、図１８では、図示の便宜上、ステータ２１０及びロータ２２０の部材が存在する部分に模様を付している。ステータ２１０は、磁性材料（強磁性体）である鋼板（ケイ素鋼板など）をロータ２２０の回転軸方向に複数枚積層することによって形成されたステータ積層鉄心２１１を有し、ステータ積層鉄心２１１には、６つのスロット２１２と外周方向に突出した６つのティース（歯）２１３が交互に形成されている。そして、コイルを配置するためのスロット２１２を利用して、各ティース２１３の周りにコイル（図１８において不図示）を巻くことによってステータ２１０の電機子巻線が形成される。つまり、ステータ２１０は、所謂６コイル集中巻ステータである。尚、スロット数、ティース数及びコイル数は６以外であってもよい。また、ロータ２２０の回転軸方向に沿った、ステータ積層鉄心２１１の中央部には穴が開いている。
第２実施形態では、ロータ２２０の回転軸をＺ軸とする。図１９に示す如く、ロータ２２０はロータブラケット２０５に嵌め込まれ、ロータブラケット２０５と一体となってロータ２２０は回転する。図１９は、ロータブラケット２０５の断面図とロータ２２０の外観図を分離して示した図である。ロータブラケット２０５は、円筒形状の部材である。但し、この円筒の一端には金属等で形成された底面が設けられている一方、他端は開放となっている。この円筒内にロータ２２０が固定される。ロータ２２０が固定される部分から見て、底面が存在する側をＺ軸の負側、開放されている側をＺ軸の正側とする。尚、図１８は、Ｚ軸方向の正側から見たステータ２１０及びロータ２２０の全体構造を表している。
図２０は、Ｚ軸の正側から見た、Ｚ軸の直交面に沿ったロータ２２０の断面図である。ロータ２２０には突出部が設けられるが、図２０の断面図は、その突出部を通らない部分の断面図である。今、図２０の断面図上の中心に原点Ｏが存在するものとし、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸から成る実空間上の直交座標系を定義する。Ｘ軸はＹ軸及びＺ軸に直交すると共にＹ軸はＸ軸及びＺ軸に直交し、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は原点Ｏにて交差する。原点Ｏを境界にして、任意の点のＸ軸座標値の極性は正と負に分類され、且つ、任意の点のＹ軸座標値の極性は正と負に分類される。図２０、図２５並びに図２６（ａ）及び（ｂ）を含む、ＸＹ座標面に沿った断面図において、右側及び左側が夫々Ｘ軸の正側及び負側に対応し、上側及び下側が夫々Ｙ軸の正側及び負側に対応する。
ロータ２２０は、所定形状を有する磁性材料の鋼板（ケイ素鋼板など）を絶縁膜を介して複数枚Ｚ軸方向に積層することによって形成されたロータ積層鉄心と、４つの永久磁石２３１〜２３４と、を有し、それらを互いに結合することによって形成される。永久磁石２３１〜２３４は、Ｚ軸上に円心を持つ１つの円筒形状の永久磁石を、Ｚ軸に平行な切断面に沿って４等分したものに相当する。永久磁石２３１〜２３４の形状及び大きさは同じである。原点Ｏから見て、永久磁石２３１〜２３４の中心は、夫々、Ｙ軸の正側、Ｘ軸の正側、Ｙ軸の負側及びＸ軸の負側に位置する。原点Ｏと永久磁石の中心との間の距離は、永久磁石２３１〜２３４間で同じである。永久磁石２３１のＮ極の方が永久磁石２３１のＳ極よりも原点Ｏに近く、永久磁石２３２のＳ極の方が永久磁石２３２のＮ極よりも原点Ｏに近く、永久磁石２３３のＮ極の方が永久磁石２３３のＳ極よりも原点Ｏに近く、永久磁石２３４のＳ極の方が永久磁石２３４のＮ極よりも原点Ｏに近い。ＸＹ座標面上において、ロータ２２０はＸ軸を対称軸とする線対称の構造を有すると共にＹ軸を対称軸とする線対称の構造を有する。
ロータ積層鉄心は、内周積層鉄心２４０及び外周積層鉄心２５０と、両者を結合するブリッジ部（不図示）から形成される。内周積層鉄心２４０は、永久磁石２３１〜２３４の内周側に位置し（永久磁石２３１〜２３４の原点Ｏ側に位置し）、外周積層鉄心２５０は、永久磁石２３１〜２３４の外周側に位置する。外周積層鉄心２５０及び内周積層鉄心２４０は、共に、Ｚ軸上に円心を有する円筒形状の部材である。外周積層鉄心２５０の半径は内周積層鉄心２４０の半径よりも大きく、両者間に永久磁石２３１〜２３４が挟まれて結合され、ロータ積層鉄心と永久磁石２３１〜２３４が一体となってＺ軸周りを回転する。図２０及び（後述の図２６（ａ）及び（ｂ））において、内周積層鉄心２４０内に示された４つの四角形は、隣接する永久磁石間近傍に位置する、内周積層鉄心２４０内に設けられた非磁性体部を表す。この非磁性体部は、例えば、空気で満たされるべき空隙である。
モータ２０１のより詳細な構造及び機能を説明する上で、ステータ２１０に関しては図１８のＡ1−Ａ1'線に沿った断面（Ａ1−Ａ1'断面）を想定し、ロータ２２０に関しては図１８のＢ1−Ｂ1'線に沿った断面（Ｂ1−Ｂ1'断面）を想定する。Ｂ1−Ｂ1'線は、Ｙ軸上の正の点及びＸ軸上の正の点を夫々始点及び終点とし且つＺ軸上にて折れ曲がる折れ線である。Ａ1−Ａ1'線は、ＸＹ座標面上の第２象限の点及びＸ軸上の正の点を夫々始点及び終点とし且つＺ軸上にて折れ曲がる折れ線である。但し、Ａ1−Ａ1'線の始点からＺ軸に向かう線上に或る１つのティース２１３が位置し、且つ、Ｚ軸からＡ1−Ａ1'線の終点に向かう線上に他の１つのティース２１３が位置する。尚、それらのティース２１３間には更に他の１つのティース２１３が存在する。
図２１に、説明の理解の容易化を図るため、モータ２０１の構成要素名称を列記する。図２１に示す全名称の意義は、後述の説明から明らかとなる。
図２２は、ステータ２１０のＡ1−Ａ1'断面とロータ２２０の一部のＢ1−Ｂ1'断面を合成して示した図である。実際にはロータ２２０に突出部が設けられるが、図２２において、その突出部は示されていない。
図２２の左右方向はＺ軸方向と合致し、図２２の右側がＺ軸の正側に対応する（後述の図２３及び図２４についても同様）。ロータ２２０は、空隙ＡＧ3及びＡＧ4を介してステータ積層鉄心１１と磁気的に結合する。
ロータ２２０のＢ1−Ｂ1'断面において、永久磁石２３１とステータ２１０間には内周積層鉄心２４０の一部が存在するが、それを、内周鉄心本体２４１と呼ぶ。同様に、永久磁石２３２とステータ２１０間には内周積層鉄心２４０の他の一部が存在するが、それを内周鉄心本体２４２と呼ぶ（図２１も参照）。また、ロータ２２０のＢ1−Ｂ1'断面において、永久磁石２３１の外周側に外周積層鉄心２５０の一部が存在するが、それを外周鉄心本体２５１と呼ぶ。同様に、永久磁石２３２の外周側に外周積層鉄心２５０の他の一部が存在するが、それを外周鉄心本体２５２と呼ぶ（図２１も参照）。更に、内周鉄心本体２４１とステータ積層鉄心２１１との間の空隙をＡＧ3にて表し、内周鉄心本体２４２とステータ積層鉄心２１１との間の空隙をＡＧ4にて表す。尚、永久磁石２３１及び２３２内に示された矢印は、夫々、永久磁石２３１及び２３２内における磁束の向きを表している。
上記の如く構成されたモータ２０１では、永久磁石２３１〜２３４が発生する磁束が界磁磁束（第１界磁磁束）として働き、ステータ２１０に設けられた電機子巻線に適切な電機子電流を流すことによってロータ２２０が回転駆動される。
実際には、モータ２０１には、ステータ２１０及びロータ２２０に加えて界磁巻線ヨークＦＹ3及び界磁巻線ＦＷ3から成る界磁巻線部が設けられており、且つ、ロータ２２０には、更に突出部が設けられている。
図２３に、ステータ２１０のＡ1−Ａ1'断面とロータ２２０及び界磁巻線部のＢ1−Ｂ1'断面とを合成した図を示す。ロータ２２０には、突出部２５１ａ、２４１ａ、２４２ｂ、２５２ａ及び２５２ｂが設けられている。図２３の断面図において、界磁巻線ヨークＦＹ3及び界磁巻線ＦＷ3から成る界磁巻線部は、ロータ２２０の右側（ロータブラケット２０５の開放側であって、Ｚ軸方向における正側）に固定して配置される。
各突出部は、鉄などの磁性材料の粉末を圧縮成型した圧粉磁性材料から成る（但し、それらを鋼板によって形成するようにしてもよい）。
突出部２５１ａ、２４１ａ及び２５２ａは、夫々、外周鉄心本体２５１、内周鉄心本体２４１及び外周鉄心本体２５２の、回転軸方向における端面から、回転軸方向に突出するように外周鉄心本体２５１、内周鉄心本体２４１及び外周鉄心本体２５２に接合される。但し、突出部２５１ａ、２４１ａ及び２５２ａは、夫々、Ｚ軸の正側における、外周鉄心本体２５１、内周鉄心本体２４１及び外周鉄心本体２５２の端面からＺ軸の正の方向側に突出している。
突出部２４２ｂ及び２５２ｂは、夫々、内周鉄心本体２４２及び外周鉄心本体２５２の、回転軸方向における端面から、回転軸方向に突出するように内周鉄心本体２４２及び外周鉄心本体２５２に接合される。但し、突出部２４２ｂ及び２５２ｂは、夫々、Ｚ軸の負側における、内周鉄心本体２４２及び外周鉄心本体２５２の端面からＺ軸の負の方向側に突出している。
ロータ２２０から見て、Ｚ軸の正側には界磁巻線部が位置し、Ｚ軸の負側にはロータブラケット２０５の底面が位置する。
図２４に、Ｚ軸方向が図面の左右方向に合致するような視点から見た、界磁巻線ヨークＦＹ3の外観図を示す。図２５に、Ｚ軸の負側から見た界磁巻線ヨークＦＹ3の、ＸＹ座標面上への投影図を示す。
界磁巻線ヨークＦＹ3は、Ｚ軸上に円心を有する円柱状の磁性材料に、ロータ２２０の回転軸を中心線として有する穴部２６５と、界磁巻線ＦＷ3を配置するためのスロット（窪み）２６２と、を設けたものである。穴部２６５には、ステータ２１０が配置される。分解して考えると、界磁巻線ヨークＦＹ3は、円筒形状を有する底面ヨーク部２６０の上に、夫々が円筒形状を有する内周ヨーク部２６１及び外周ヨーク部２６３を、それらの円心が全てＺ軸上にのるように接合したもの、と捉えることができる。外周ヨーク部２６３における内周側の円の半径は内周ヨーク部２６１における外周側の円の半径よりも大きい。Ｚ軸方向から見た場合において、外周ヨーク部２６３は内周ヨーク部２６１の外側に位置し、スロット２６２は外周ヨーク部２６３と内周ヨーク部２６１との間に位置している。界磁巻線ＦＷ3は、内周ヨーク部２６１の外周に沿ってＺ軸周りに巻かれる。また、内周ヨーク部２６１及び外周ヨーク部２６３の端面（底面ヨーク部２６０の反対側に位置する端面）は、Ｚ軸に直交する同一平面上にのる。
界磁巻線ヨークＦＹ3は、鉄などの磁性材料の粉末を圧縮成型した圧粉磁性材料から成る（但し、それらを鋼板によって形成するようにしてもよい）。
図２３を再び参照して、上記のように構成された界磁巻線部の配置位置を詳細に説明する。Ｚ軸方向から見た場合において、界磁巻線ヨークＦＹ3の外周の半径（換言すれば、外周ヨーク部２６３における外周側の円の半径）は、ロータ２２０の外周の半径と一致或いは略一致している。
そして、界磁巻線ヨークＦＹ3の内周ヨーク部２６１と突出部２４１ａとが対向し、且つ、界磁巻線ヨークＦＹ3の外周ヨーク部２６３と突出部２５１ａ及び２５２ａとが対向するように、界磁巻線ヨークＦＹ3を配置する。突出部２４１ａの端面と内周ヨーク部２６１の端面は微小な空隙を介して面し、且つ、突出部２５１ａ及び２５２ａの端面と外周ヨーク部２６３の端面は微小な空隙を介して面する。
また、図２６（ａ）に、Ｚ軸の正側から見た、ロータ２２０の外観平面図を示す。図２６（ａ）において、斜線が付された部分が、ロータ積層鉄心（内周積層鉄心２４０及び外周積層鉄心２５０）の端面からＺ軸の正側に突出している部分であり、符号２５１ａａ、２４１ａａ及び２５２ａａが付された破線領域内に、夫々、突出部２５１ａ、２４１ａ及び２５２ａが位置する。
尚、突出部２５１ａ及び２４１ａが形成されたことに伴い、Ｚ軸の正側における永久磁石２３１の端面が突出部２５１ａ及び２４１ａの端面に合うように、永久磁石２３１もＺ軸の正側に突出させる（但し、この突出は必須ではない）。
図２６（ｂ）に、Ｚ軸の負側から見た、ロータ２２０の外観平面図を示す。図２６（ｂ）において、斜線が付された部分が、ロータ積層鉄心（内周積層鉄心２４０及び外周積層鉄心２５０）の端面からＺ軸の負側に突出している部分であり、符号２４２ｂｂ及び２５２ｂｂが付された破線領域内に、夫々、突出部２４２ｂ及び２５２ｂが位置する。また、突出部２５２ｂは、永久磁石２３２の、Ｚ軸の負側における端面の一部を覆っており、Ｚ軸の直交方向であるＸ軸方向において、突出部２４２ｂと突出部２５２ｂとの間には空隙２５２ｂAGが存在する。Ｚ軸の負側から見た場合において、空隙２５２ｂAGが位置する部分は突出しておらず、その部分に、突出部を形成する圧粉磁性材料は存在しない。
第２実施形態では、永久磁石２３１〜２３４から得られる界磁磁束が主界磁磁束（第１界磁磁束）として機能し、界磁巻線ＦＷ3に電流を流すことによって発生した磁束が副界磁磁束（第２界磁磁束）として機能する。
図２３の矢印付き折れ線３００は、界磁巻線ＦＷ3に電流を流すことによって発生した副界磁磁束の磁路及び副界磁磁束の向きを表している。但し、矢印付き折れ線３００における向きは、永久磁石による界磁磁束を弱める方向の電流を界磁巻線ＦＷ3に流した場合における向きである。
界磁巻線ヨークＦＹ3の底面ヨーク部２６０を起点にして副界磁磁束の磁路を考える。この磁路は、底面ヨーク部２６０を起点として、外周ヨーク部２６３の内の、突出部２５１ａに面している部分と、突出部２５１ａと、外周鉄心本体２５１と、突出部２５２ｂと、突出部２４２ｂと、内周鉄心本体２４２と、ステータ積層鉄心２１１と、内周鉄心本体２４１と、突出部２４１ａと、内周ヨーク部２６１の内の、突出部２４１ａに面している部分と、内周ヨーク部２６１と、を通じて底面ヨーク部２６０に至る磁路である。空隙２５２ｂAGは、矢印付き破線３１０に示すような閉磁路の形成を防ぐために設けられる。
内周鉄心本体２４１及び２４２を含む内周積層鉄心２４０と内周積層鉄心２４０に接合される突出部（２４１ａ及び２４２ｂを含む）は、全体として「ロータ内周鉄心」を形成し、外周鉄心本体２５１及び２５２を含む外周積層鉄心２５０と外周積層鉄心２５０に接合される突出部（２５１ａ、２５２ａ及び２５２ｂを含む）は、全体として「ロータ外周鉄心」を形成する（図２１も参照）。そして、上記のような副界磁磁束の磁路が形成されるように、ロータ内周鉄心及びロータ外周鉄心並びに界磁巻線部を形成及び配置する。これにより、副界磁磁束の発生時には、永久磁石による主界磁磁束と界磁巻線による副界磁磁束の合成磁束が、ステータ２１０の電機子巻線の鎖交磁束となる。
本実施形態に係るモータでも、第１実施形態に係るモータと同様の作用及び効果が得られる。尚、上述の第２の従来構造に類似させて、仮に、アウターロータの外周部分とステータの内周ヨーク部分（Ｚ軸近傍の部分）を結ぶ磁気回路を形成する構造を採用すると、モータが大型化する。
また、上述の説明から明らかであるが、内周鉄心本体２４２の界磁巻線ヨークＦＹ3側には、突出部は設けられていない。仮に、内周鉄心本体２４２の界磁巻線ヨークＦＹ3側にも突出部を設けたならば、ロータ鉄心部分と界磁巻線部とから成る閉磁路が形成されてしまい、副界磁磁束がステータ２１０の電機子巻線を鎖交しなくなるからである。このような事態の発生を避けるべく、内周鉄心本体２４２と内周ヨーク部２６１との間の空隙長を十分に大きくとる。例えば、それらの空隙長をステータ−ロータ間の空隙長（即ち、空隙ＡＧ3及びＡＧ4の長さ）の５倍〜数１０倍とする。
モータ２０１の構造の一部を以下のように変形することが可能である。モータ２０１の構造変形例として、以下に、第４及び第５構造変形例を説明する。第４及び第５構造変形例に述べる変形をモータ２０１に加えても、上述の同様の作用及び効果が得られる。尚、変形が施されていない、上述のモータ２０１の構造を「基本構造」と呼ぶ。
［第４構造変形例］
ロータ２２０から突出部２５１ａ及び２５２ａを省く一方で、矢印付き折れ線３００に示す磁路と略同等の磁路が形成されるように、基本構造と比べて、界磁巻線ヨークＦＹ3の外周ヨーク部２６３をロータ２２０側に突出させるようにしてもよい。例えば、突出部２５１ａ及び２５２ａを省く場合、界磁巻線ヨークＦＹ3の外周ヨーク部２６３が外周鉄心本体２５１と微小な空隙を介して対向する（面する）ように、外周ヨーク部２６３の内の、外周鉄心本体２５１に近い部位を、外周鉄心本体２５１側に突出させる。或いは、界磁巻線ヨークＦＹ3の外周ヨーク部２６３が外周鉄心本体２５２と微小な空隙を介して対向する（面する）ように、外周ヨーク部２６３の内の、外周鉄心本体２５２に近い部位を、外周鉄心本体２５２側に突出させる。或いは、それらの双方の突出を同時に行っても良い。
［第５構造変形例］
また、界磁巻線ヨークＦＹ3の外周ヨーク部２６３をロータ２２０側に突出させることなく、突出部２５１ａ及び２５２ａの内の何れか一方を削除することが可能である。これは、外周鉄心本体２５１及び２５２を含む外周積層鉄心２５０が、永久磁石のＮ極にもＳ極にも繋がっているためである。
外周鉄心本体２５１は、永久磁石２３１のＳ極側に接合された部分（Ｓ極接合部）であり、外周鉄心本体２５２は、永久磁石２３２のＮ極側に接合された部分（Ｎ極接合部）である。尚、内周鉄心本体２４１及び２４２を含む内周積層鉄心２４０も、外周積層鉄心２５０と同様、永久磁石のＮ極及びＳ極に繋がっている。内周鉄心本体２４１は、永久磁石２３１のＮ極側に接合された部分（Ｎ極接合部）であり、内周鉄心本体２４２は、永久磁石２３２のＳ極側に接合された部分（Ｓ極接合部）である。
＜＜第３実施形態＞＞
次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態では、第１又は第２実施形態で説明したモータを利用したモータ駆動システムを説明する。
図２７は、第３実施形態に係るモータ駆動システム４００内の一部回路図を含む、モータ駆動システム４００の全体ブロック図である。モータ駆動システム４００は、モータ４０１と、モータ４０１内の電機子巻線に電機子電流を供給してモータ４０１内のロータ４２０を回転駆動するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータ４０２と、マイクロコンピュータ等にて形成されるモータ制御装置４０３と、モータ４０１内の界磁巻線部４３０に界磁電流を供給するための界磁回路４０４と、電流センサ部４０５と、直流電源４０６と、を備える。
モータ４０１には、ステータ４１０、ロータ４２０及び界磁巻線部４３０が設けられ、モータ制御装置４０３には、電流検出部４５１、初期磁極位置推定部４５２、電圧指令値生成部４５３及び界磁指令値生成部４５４が設けられる。
モータ４０１は、第１又は第２実施形態で述べた任意のモータである。例えば、モータ４０１が第１実施形態の基本構造を有するモータ１であるとすれば、ステータ４１０及びロータ４２０は夫々ステータ１０及びロータ２０であり（図１参照）且つ界磁巻線部４３０は界磁巻線ヨークＦＹ1及びＦＹ2並びに界磁巻線ＦＷ1及びＦＷ2から成る（図８参照）。
界磁巻線部４３０に２つの界磁巻線が設けられている場合、２つの界磁巻線は並列接続されて、２つの界磁巻線の各一端は端子４３１に共通接続され且つ２つの界磁巻線の各他端は端子４３２に共通接続される（図１４（ａ）参照）。或いは、２つの界磁巻線は直列接続されて１つの合成巻線を形成し、その合成巻線の一端及び他端が夫々端子４３１及び４３２に接続される（図１４（ｂ）参照）。界磁巻線部４３０に設けられる界磁巻線が１つである場合、その１つの界磁巻線の一端及び他端が夫々端子４３１及び４３２に接続される。本実施形態において、以下、単に界磁巻線といった場合、それは界磁巻線部４３０に設けられた界磁巻線を意味するものとする。
モータ４０１は、三相式の永久磁石同期モータとして形成されている。このため、ステータ４１０には、Ｕ相の電機子巻線４１０ｕ、Ｖ相の電機子巻線４１０ｖ及びＷ相の電機子巻線４１０ｗが設けられる。電機子巻線４１０ｕ、４１０ｖ及び４１０ｗは、中性点４１０Ｎを中心にＹ結線（スター結線）されている。本実施形態において、以下、単に電機子巻線といった場合、それはステータ４１０に設けられた電機子巻線を意味するものとする。
ＰＷＭインバータ４０２（以下、インバータ４０２と略記する）は、Ｕ相用のハーフブリッジ回路、Ｖ相用のハーフブリッジ回路及びＷ相用のハーフブリッジ回路を備えた三相ブリッジインバータである。界磁回路４０４は、第１相用のハーフブリッジ回路及び第２相用のハーフブリッジ回路を備えた二相ブリッジインバータである。
ＰＷＭインバータ４０２及び界磁回路４０４内の各ハーフブリッジ回路は、直列接続された一対のスイッチング素子を有し、各ハーフブリッジ回路に直流電源４０６から出力される直流電圧が印加される。また、各スイッチング素子には、直流電源４０６の低電圧側から高電圧側に向かう方向を順方向とするフリーホイールダイオードが並列接続される。各スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。
Ｕ相用、Ｖ相用及びＷ相用のハーフブリッジ回路を形成する一対のスイッチング素子間の接続点は、夫々、中性点４１０Ｎと反対側の電機子巻線４１０ｕ、４１０ｖ及び４１０ｗの一端に接続される。第１相用及び第２相用のハーフブリッジ回路を形成する一対のスイッチング素子間の接続点は、夫々、端子４３１及び４３２に接続される。
インバータ４０２は、モータ制御装置４０３から与えられた三相電圧指令値に基づいてＵ相、Ｖ相及びＷ相のハーフブリッジ回路に対するＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）を生成し、該ＰＷＭ信号をインバータ４０２内の各スイッチング素子の制御端子（ゲート）に与えることで、各スイッチング素子をスイッチング動作させる。三相電圧指令値は、Ｕ相電圧指令値ｖu *、Ｖ相電圧指令値ｖv *及びＷ相電圧指令値ｖw *から構成される。
直流電源４０６の出力電圧であるインバータ４０２への入力電圧は、三相電圧指令値に従うインバータ４０２内の各スイッチング素子のスイッチング動作によって、ＰＷＭ変調（パルス幅変調）された三相交流電圧に変換される。その三相交流電圧がモータ４０１（ステータ４１０内の電機子巻線）に印加されることによって、電機子巻線４１０ｕ、４１０ｖ及び４１０ｗに、三相交流電圧に応じた電流が流れてロータ４２０が回転駆動される。
ステータ４１０内の電機子巻線に対してインバータ４０２が印加する全体電圧をモータ印加電圧Ｖaと呼び、インバータ４０２からステータ４１０内の電機子巻線に供給される全体電流をモータ供給電流Ｉaと呼ぶ。インバータ４０２によるスイッチング制御によって、モータ印加電圧ＶaのＵ相成分、Ｖ相成分及びＷ相成分の電圧値は、夫々、Ｕ相電圧指令値ｖu *、Ｖ相電圧指令値ｖv *及びＷ相電圧指令値ｖw *に従う。
界磁回路４０４は、モータ制御装置４０３から与えられた界磁電圧指令値に基づいて第１相用及び第２相用のハーフブリッジ回路に対するＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）を生成し、該ＰＷＭ信号を界磁回路４０４内の各スイッチング素子の制御端子（ゲート）に与えることで、各スイッチング素子をスイッチング動作させる。界磁電圧指令値は、第１相電圧指令値ｖe1 *及び第２相電圧指令値ｖe2 *から構成される。界磁指令値生成部４５４が電圧指令値生成部４５３からの界磁電流指令に従って第１相及び第２相電圧指令値ｖe1 *及びｖe2 *を生成及び出力する。
直流電源４０６の出力電圧である界磁回路４０４への入力電圧は、界磁電圧指令値に従う界磁回路４０４内の各スイッチング素子のスイッチング動作によって、ＰＷＭ変調（パルス幅変調）された交流電圧又はパルス状電圧などに変換される。その変換によって得られた電圧が界磁巻線部４３０の界磁巻線に印加されることによって、その電圧に応じた界磁電流が界磁巻線に流れ、その界磁電流によって生じた副界磁磁束が電機子巻線を鎖交する。
電流センサ部４０５は、モータ供給電流ＩaのＵ相成分であるＵ相電流ｉuの電流値を表すアナログ信号と、モータ供給電流ＩaのＶ相成分であるＶ相電流ｉvの電流値を表すアナログ信号と、を出力する２つの電流センサからなる。電流検出部４５１は、その２つの電流センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換することによって、Ｕ相電流ｉu及びＶ相電流ｉvの電流値を検出する。また、必要に応じて、関係式「ｉw＝−ｉu−ｉv」に基づき、モータ供給電流ＩaのＷ相成分であるＷ相電流ｉwの電流値も検出される。尚、モータ供給電流ＩaのＵ相成分、Ｖ相成分、Ｗ相成分とは、夫々、モータ供給電流Ｉaの内の、電機子巻線４１０ｕ、４１０ｖ及び４１０ｗに流れる電流成分である。
ここで、図２８を参照する。図２８は、モータ４０１の解析モデル図である。図２８には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子巻線固定軸（以下、Ｕ相軸、Ｖ相軸及びＷ相軸という）が示されている。ロータ４２０内の永久磁石が作る磁束の回転速度と同じ速度で回転する回転座標系において、その永久磁石が作る磁束の方向をｄ軸にとり、ｄ軸から電気角で９０度進んだ位相にｑ軸をとる。ロータ４２０の回転時において、ｄ軸及びｑ軸は回転しており、その回転速度をωで表す。また、Ｕ相軸から見たｄ軸の角度（位相）をθにより表す。図２８において、半時計回り方向が位相の進み方向であり、θは、Ｕ相軸から見た、ｄ軸の進み方向の角度（位相）である。θにて表される角度は、電気角における角度であり、それを磁極位置と呼ぶ。ωにて表される回転速度は、電気角における角速度である。尚、Ｖ相及びＷ相軸は、Ｕ相軸から見て、夫々、電気角で１２０度及び２４０度だけ進んでいる。
［ロータ静止時における磁極位置推定］
初期磁極位置推定部４５２は、ロータ４２０の静止時において、界磁巻線部４３０を利用して磁極位置θを推定する。
具体的には例えば、ロータ４２０の静止時において、電圧指令値生成部４５３及び界磁指令値生成部４５４が協働し、界磁巻線にパルス状の界磁電流を流すことによって電機子巻線に副界磁磁束に由来する誘起電圧を発生させる。この際、誘起電圧に由来する電流が電機子巻線を介して流れることが可能なようにインバータ４０２内のスイッチング素子をオンとしておく（通電状態にしておく）ことにより、磁極位置θの推定を実現する。
例えば、インバータ４０２内のＵ相、Ｖ相及びＷ相の下アームを全てオンとし且つ上アームを全てオフとするための三相電圧指令値（ｖu *、ｖv *及びｖw *）を生成する一方で、界磁巻線にパルス状の界磁電流を流すための界磁電圧指令値（ｖe1 *及びｖe2 *）を生成する。この界磁電流を流すことによって電機子巻線に流れた電流の電流値は電流センサ部４０５及び電流検出部４５１によって検出され、初期磁極位置推定部４５２は、その検出値（ｉu、ｉv及びｉw）に基づいて磁極位置θを推定する。
或いは、界磁巻線にパルス状の界磁電流を流しつつ、インバータ４０２内のスイッチング素子を１相ずつ順番にオンにし、各相の電機子巻線への通電の有無に基づいて磁極位置θを推定してもよい。即ち例えば、界磁巻線にパルス状の界磁電流を流しつつ、Ｕ相の下アーム、Ｖ相の下アーム及びＷ相の下アームのみを１つずつ順番にオンとする。そして、Ｕ相の下アームをオンとしている時においてＵ相電流ｉuが流れたか否かを検出し、且つ、Ｖ相の下アームをオンとしている時においてＶ相電流ｉvが流れたか否かを検出し、且つ、Ｗ相の下アームをオンとしている時においてＷ相電流ｉwが流れたか否かを検出する。初期磁極位置推定部４５２は、それらの検出結果に基づいて磁極位置θを推定する。この場合は、６０度単位にて磁極位置θを推定することが可能である。
尚、Ｕ相の上アーム及び下アームとは、夫々、Ｕ相のハーフブリッジ回路を形成する一対のスイッチング素子の内の、高電圧側及び低電圧側のスイッチング素子を指す。Ｖ相及びＷ相に対しても同様である。
また、ロータ４２０の静止時において、パルス状の界磁電流ではなく交番電流を界磁電流として界磁巻線に流すことにより、磁極位置θを推定してもよい。つまり、ロータ４２０の静止時において、電圧指令値生成部４５３及び界磁指令値生成部４５４が協働し、界磁巻線に交番電流を流すことによって電機子巻線に副界磁磁束に由来する誘起電圧を発生させる。この際、誘起電圧に由来する交番電流が電機子巻線を介して流れることが可能なようにインバータ４０２内のスイッチング素子をオンとしておく（通電状態にしておく）ことにより、磁極位置θの推定を実現する。
例えば、インバータ４０２内のＵ相、Ｖ相及びＷ相の下アームを全てオンとし且つ上アームを全てオフとするための三相電圧指令値（ｖu *、ｖv *及びｖw *）を生成する一方で、界磁巻線に交番電流を流すための界磁電圧指令値（ｖe1 *及びｖe2 *）を生成する。初期磁極位置推定部４５２は、界磁巻線に交番電流を流すことによって電機子巻線に流れた交番電流の位相を、電流センサ部４０５及び電流検出部４５１と協働して検出することにより磁極位置θを推定する。例えば、界磁巻線に流した交番電流の位相が、検出された交番電流としてのＵ相電流ｉuの位相と同じであれば磁極位置θは０度と推定され、界磁巻線に流した交番電流の位相が、検出された交番電流としてのＶ相電流ｉvの位相と同じであれば磁極位置θは１２０度と推定される。尚、界磁巻線に交番電流を流すことによって電機子巻線に流れた交番電流の位相は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相軸から成る固定座標面上における、その交番電流の電流ベクトルの向きを表している。従って、この手法は、その電流ベクトルの向きに基づいて磁極位置θを推定する手法である、と言える。
或いは、界磁巻線に界磁電流として交番電流を流しつつ、インバータ４０２内のスイッチング素子を１相ずつ順番にオンにし、各相の電機子巻線への通電の有無に基づいて磁極位置θを推定してもよい。即ち例えば、界磁巻線に交番電流を流しつつ、Ｕ相の下アーム、Ｖ相の下アーム及びＷ相の下アームのみを１つずつ順番にオンとする。そして、Ｕ相の下アームをオンとしている時においてＵ相電流ｉuが流れたか否かを検出し、且つ、Ｖ相の下アームをオンとしている時においてＶ相電流ｉvが流れたか否かを検出し、且つ、Ｗ相の下アームをオンとしている時においてＷ相電流ｉwが流れたか否かを検出する。初期磁極位置推定部４５２は、それらの検出結果に基づいて磁極位置θを推定する。この場合は、６０度単位にて磁極位置θを推定することが可能である。
［ロータ回転時における動作］
ロータ４２０の静止時における磁極位置θが推定された後、電圧指令値生成部４５３は、その推定された磁極位置θをもとにロータ４２０を回転始動させる。モータ駆動システム４００の内部又は外部にて生成された回転速度指令値ω*が電圧指令値生成部４５３に与えられる。ロータ４２０を回転始動後、電圧指令値生成部４５３は、フィードバック制御を用い、電流検出部４５１の検出結果（ｉu、ｉvの検出値）に基づいて磁極位置θを逐次推定すると共にロータ４２０の回転速度ωが回転速度指令値ω*に追従するように三相電圧指令値（ｖu *、ｖv *及びｖw *）を生成及び出力する。この際、ベクトル制御を用いることが可能である。尚、逐次推定された磁極位置θは、所望の界磁電圧指令値（ｖe1 *及びｖe2 *）を生成するために、界磁指令値生成部４５４によって参照される。
ロータ４２０の回転時において、電圧指令値生成部４５３は、必要に応じ、界磁電流指令を界磁指令値生成部４５４に出力することによって、モータ４０１の界磁磁束を制御する。
例えば、ロータ４２０の高速回転時において、永久磁石に由来してモータ内で生じる誘起電圧の過度の上昇を抑える必要がある場合には、弱め界磁制御（弱め磁束制御）を実現するための界磁電流指令を界磁指令値生成部４５４に与える。この場合、界磁指令値生成部４５４は、弱め界磁制御用の副界磁磁束が界磁巻線に発生するように界磁電圧指令値（ｖe1 *及びｖe2 *）を生成する。弱め界磁制御用の副界磁磁束は、ロータ４２０内の永久磁石による電機子巻線の鎖交磁束を弱める方向の磁束であり、その磁束の発生の有無及びその磁束の大きさは、ロータ４２０の回転速度ωに応じて決定される。
また例えば、ロータ４２０の負荷トルクが大きく、ロータ４２０に発生させるべきトルク（必要トルク）を高める必要がある場合、強め界磁制御（強め磁束制御）を実現するための界磁電流指令を界磁指令値生成部４５４に与える。この場合、界磁指令値生成部４５４は、強め界磁制御用の副界磁磁束が界磁巻線に発生するように界磁電圧指令値（ｖe1 *及びｖe2 *）を生成する。強め界磁制御用の副界磁磁束は、ロータ４２０内の永久磁石による電機子巻線の鎖交磁束を強める方向の磁束であり、その磁束の発生の有無及びその磁束の大きさは、必要トルクの大きさに応じて決定される。
尚、第１又は第２実施形態で述べたように、副界磁磁束の発生時には、永久磁石による主界磁磁束と界磁巻線による副界磁磁束の合成磁束が、ステータ４１０の電機子巻線の鎖交磁束となり、弱め界磁制御用の副界磁磁束によって、その合成磁束は弱められ、強め界磁制御用の副界磁磁束によって、その合成磁束は強められる。
また、ロータ４２０が一定速度で回転している時において、横軸に磁極位置θをとり且つ縦軸に永久磁石による電機子巻線の鎖交磁束をとって該鎖交磁束の波形を描いた場合、その波形は理想的には正弦波となる。但し、実際には、複数のティースが分散配置されている事などに由来して、その正弦波は歪む。この歪みの存在は、モータに対する制御精度を劣化させる方向に作用する。これを考慮し、ロータ４２０の回転時において、電機子巻線の鎖交磁束整形用の副界磁磁束を界磁巻線に発生させるようにしてもよい。電機子巻線の鎖交磁束整形用の副界磁磁束は上記の歪みを低減するための磁束であり、その副界磁磁束の発生によって、永久磁石及び界磁電流による電機子巻線の鎖交磁束（上記合成磁束に相当）の波形は正弦波に近づく。
＜＜変形等＞＞
上述した説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。上述の実施形態の変形例または注釈事項として、以下に、注釈１〜注釈５を記す。各注釈に記載した内容は、矛盾なき限り、任意に組み合わせることが可能である。
［注釈１］
第３実施形態では、磁極位置θを推定によって導出しているが、磁極位置θに応じた信号を出力する磁極位置センサ（ホール素子、レゾルバ等）の出力信号に基づいて、それを導出するようにしてもよい。
［注釈２］
第３実施形態では、電流センサ部４０５を用いてＵ相電流ｉu及びＶ相電流ｉvを直接検出するようにしているが、直流電源４０６とインバータ４０２との間に流れる直流電流に基づいて、それらを検出するようにしてもよい。
［注釈３］
第３実施形態で述べた各種の指令値（ｖu *及びｖe1 *など）や状態量（θ、ωなど）を含む、導出されるべき全ての値の導出手法は任意である。即ち、例えば、それらを、モータ制御装置４０３内での演算によって導出するようにしてもよいし、予め設定しておいたテーブルデータから導出するようにしてもよい。
［注釈４］
モータ制御装置４０３の機能の一部または全部は、例えば汎用マイクロコンピュータ等に組み込まれたソフトウェア（プログラム）を用いて実現される。ソフトウェアを用いてモータ制御装置４０３を実現する場合、モータ制御装置４０３の各部の構成を示すブロック図は機能ブロック図を表すこととなる。勿論、ソフトウェア（プログラム）ではなく、ハードウェアのみによって、或いは、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせによって、モータ制御装置４０３を形成することも可能である。
［注釈５］
上述の実施形態で述べたモータ及びモータ駆動システムは、モータを利用する任意の機器に適用可能である。その機器には、圧縮機、電気自動車などが含まれる。圧縮機は、モータの回転力（厳密にはロータの回転力）を駆動源として冷媒ガス（不図示）の圧縮を行う。
１、２０１ モータ
１０、２１０ ステータ
１１、２１１ ステータ積層鉄心
１２、２１２ スロット
１３、２１３ ティース
２０、２２０ ロータ
２１ ロータ積層鉄心
２２ シャフト
３１〜３４、２３１〜２３４ 永久磁石
４０、２４０ 内周積層鉄心
２５０ 外周積層鉄心
４１、４２、２４１、２４２ 内周鉄心本体
５１〜５４、２５１、２５２ 外周鉄心本体
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、５１ｂ、５２ａ、２５１ａ、２４１ａ、２４２ｂ、２５２ａ及び２５２ｂ 突出部
ＦＷ1、ＦＷ2、ＦＷ3 界磁巻線
ＦＹ1、ＦＹ2、ＦＷ3 界磁巻線ヨーク
６０、７０、２６０ 底面ヨーク部
６１、７１、２６１ 内周ヨーク部
６３、７３、２６３ 外周ヨーク部
ＡＧ1〜ＡＧ4 空隙

Claims (9)

  1. 第１界磁磁束を発生する永久磁石が設けられたロータと、
    前記ロータを回転駆動するための電機子巻線が設けられたステータと、
    前記ロータの回転軸方向における端部の外側に配置された、第２界磁磁束を発生させるための界磁巻線と、を備えた
    ことを特徴とする永久磁石同期モータ。
  2. 前記第２界磁磁束の発生時において、前記第１及び第２界磁磁束の合成界磁磁束が前記電機子巻線を鎖交するように、前記界磁巻線は配置される
    ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期モータ。
  3. 前記ロータは、前記永久磁石の内周側に位置する内周鉄心及び前記永久磁石の外周側に位置する外周鉄心を有し、前記内周鉄心及び前記外周鉄心間に前記永久磁石を配設して構成され、
    前記ロータの回転軸方向における端部の外側に、前記界磁巻線と共に界磁巻線ヨークが配置され、
    前記界磁巻線によって発生した前記第２界磁磁束が、前記界磁巻線ヨーク、前記内周鉄心、前記外周鉄心及び前記ステータを形成するステータ鉄心を経由する磁路を通るように、前記界磁巻線ヨーク、前記内周鉄心及び前記外周鉄心が形成されている
    ことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石同期モータ。
  4. 前記ロータはインナーロータであり、
    前記界磁巻線ヨークは、前記界磁巻線の前記ステータ側に位置する外周ヨーク部及び前記界磁巻線よりも内周側に位置する内周ヨーク部を含み、
    前記内周鉄心及び前記外周鉄心の夫々は、前記永久磁石のＮ極側に接合されたＮ極接合部及び前記永久磁石のＳ極側に接合されたＳ極接合部を含み、
    前記外周鉄心のＮ極接合部及びＳ極接合部の内の何れか一方にのみ前記回転軸方向に突出した突出部を持たせ、前記突出部と前記外周ヨーク部を対向させることによって、その対向両者間の経路を前記磁路に含め、
    前記内周鉄心のＮ極接合部及びＳ極接合部の内の何れか一方又は双方を前記内周ヨーク部に対向させることによって、その対向両者間の経路を前記磁路に含める
    ことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石同期モータ。
  5. 前記ロータはアウターロータであり、
    前記界磁巻線ヨークは、前記界磁巻線の前記ステータ側に位置する内周ヨーク部及び前記界磁巻線よりも外周側に位置する外周ヨーク部を含み、
    前記内周鉄心及び前記外周鉄心の夫々は、前記永久磁石のＮ極側に接合されたＮ極接合部及び前記永久磁石のＳ極側に接合されたＳ極接合部を含み、
    前記内周鉄心のＮ極接合部及びＳ極接合部の内の何れか一方にのみ前記回転軸方向に突出した突出部を持たせ、前記突出部と前記内周ヨーク部を対向させることによって、その対向両者間の経路を前記磁路に含め、
    前記外周鉄心のＮ極接合部及びＳ極接合部の内の何れか一方又は双方を前記外周ヨーク部に対向させることによって、その対向両者間の経路を前記磁路に含める
    ことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石同期モータ。
  6. 前記界磁巻線ヨーク及び前記突出部の内の何れか一方又は双方は、圧粉磁性材料を用いて形成される
    ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の永久磁石同期モータ。
  7. 請求項１〜請求項６の何れかに記載の永久磁石同期モータを制御するモータ制御装置であって、
    前記ロータの静止時に、前記ロータの磁極位置を推定するための前記第２界磁磁束を前記界磁巻線に発生させる界磁磁束制御部を備えた
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  8. 請求項１〜請求項６の何れかに記載の永久磁石同期モータを制御するモータ制御装置であって、
    前記ロータの回転時に、前記ロータの回転速度に応じて前記合成界磁磁束を弱めるための前記第２界磁磁束を前記界磁巻線に発生させる、或いは、必要トルクに応じて前記合成界磁磁束を強めるための前記第２界磁磁束を前記界磁巻線に発生させる界磁磁束制御部を備えた
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  9. 請求項１〜請求項６の何れかに記載の永久磁石同期モータと、
    前記モータを回転駆動するために前記モータ内の前記電機子巻線に電機子電流を供給するインバータと、
    前記第２界磁磁束を発生させるために前記モータ内の前記界磁巻線に界磁電流を供給する界磁回路と、
    前記インバータ及び前記界磁回路に対する制御を介して前記モータを制御するモータ制御装置と、を備えた
    ことを特徴とするモータ駆動システム。
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