JP2024060297A - 同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】自立起動を可能とし、且つ、力率を改善させることができる同期機を提供する。【解決手段】同期機は、環状の継鉄部から半径方向の一方側に向かって突出し、コイルが巻装された歯を有する固定子と、前記固定子よりも半径方向の一方側において、前記歯に空隙をもって配置された突極を有する回転子と、前記歯の半径方向の一方側に設けられた磁石と、を備える。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、同期機、特にリラクタンス同期機に関する。

図２１には、従来技術におけるリラクタンス（磁気抵抗）を利用するリラクタンス同期発電機およびリラクタンス同期電動機などのリラクタンス同期機９（reluctance synchronous machine）の構成が示されている。リラクタンス同期機９は、電磁鋼板を積層して制作した固定子９２および回転子９３を有する。回転子９３は半径方向Ｄｒに突出した突極９３２を有している。固定子９２の歯９２２に巻回された固定子コイル９５の起磁力により発生した磁束は、透磁率の高い突極９３２に引き寄せられて湾曲する。この湾曲を解消しようとする力（リラクタンストルク）が生じることによって、回転子９３の突極９３２が固定子コイル９５に引き寄せられて回転する。このように、リラクタンス同期機９は、回転子９３の突極性により界磁磁束を発生させて回転するものである。リラクタンス同期機９では、回転子９３には永久磁石も励磁巻線も不要であることから、誘導機や同期機と比較すると、構造が簡単であり、堅牢であることが知られている。加えて、リラクタンス同期機９は力率が小さいことが知られている。

また、回転子９３は電磁鋼板のみからなっており、永久磁石や励磁巻線を持たないため、停電時には回転子の磁束が消滅して自立起動することができない。対策として、例えば特許文献１には、固定子９２に永久磁石９４を設けて励磁力を与えるリラクタンス発電機９が記載されている。具体的には、特許文献１に記載のリラクタンス発電機９は、（１）固定子９２の隣り合う歯９２２の間に永久磁石を配置し、（２）固定子９２の歯９２２（界磁鉄心）の鍔部分を周方向Ｄｃに二股分割した界磁鉄心歯９２２Ａ，９２２Ｂを有し、（３）歯９２２に界磁コイル９５１を、界磁鉄心歯９２２Ａ，９２２Ｂそれぞれに発電コイル９５２を巻回する構成を有している。また、永久磁石９４は起磁力の向きが周方向Ｄｃに沿うように配置される。これにより、例えば風車で回転子９３を回転させることで、発電コイル９５２に誘導起電力を生じさせて自立起動させることができる。

特許第５５９４６６０号公報

しかしながら、特許文献１の上記構成について、（１）永久磁石９４を配置するには保持用の金具を要すること、（２）二股に分割した界磁鉄心歯９２２Ａ，９２２Ｂの間の空隙部の分だけ磁束が減り発電出力が低下すること、（３）界磁コイル９５１と発電コイル９５２の二種類を備えるのはコストがかかること、などの課題がある。

本開示の目的は、自立起動を可能とし、且つ、力率を改善させることができる同期機を提供することにある。

本開示の一態様によれば、同期機は、環状の継鉄部から半径方向の一方側に向かって突出し、コイルが巻装された歯を有する固定子と、前記固定子よりも半径方向の一方側において、前記歯に空隙をもって配置された突極を有する回転子と、前記歯の半径方向の一方側に設けられた磁石と、を備える。

上記態様の同期機によれば、自立起動を可能とし、且つ、力率を改善させることができる。

第１の実施形態に係るリラクタンス同期機の第１の断面図である。 第１の実施形態に係るリラクタンス同期機の第２の断面図である。 第１の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。 第１の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態の対比例に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。 第１の実施形態の対比例に係る突極の構成を示す第１の図である。 第１の実施形態の対比例に係る突極の構成を示す第２の図である。 第１の実施形態の変形例に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。 第１の実施形態の変形例に係るリラクタンス同期機の構成を示す第２の図である。 第２の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。 第２の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第２の図である。 第２の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第３の図である。 第２の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第４の図である。 第２の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第４の図である。 第２の実施形態の対比例に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。 第３の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。 第４の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。 第４の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第２の図である。 第４の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第３の図である。 第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。 第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第２の図である。 第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第３の図である。 第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第４の図である。 第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第５の図である。 第６の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。 第６の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第２の図である。 第７の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。 第８の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。 第９の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。 第１０の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。 従来技術におけるリラクタンス同期機の断面図である。

＜第１の実施形態＞
以下、本実施形態に係るリラクタンス同期機１について図１～図８を参照しながら詳しく説明する。なお、本実施形態に係るリラクタンス同期機１は、リラクタンス同期発電機およびリラクタンス同期電動機の何れとしても機能するものである。

（リラクタンス同期機の構成）
図１Ａは、第１の実施形態に係るリラクタンス同期機の第１の断面図である。
図１Ｂは、第１の実施形態に係るリラクタンス同期機の第２の断面図である。
図２は、第１の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。
図１に示すように、リラクタンス同期機１は、固定子２と、回転子３と、永久磁石４と、コイル５と、回転軸８とを備える。図１は、リラクタンス同期機１の回転軸８に対して垂直な断面を表している。一般に、リラクタンス同期機１の断面の形状は軸方向Ｄａの位置に依存しない。コイル５は、図１Ａのように一つの歯２２に巻回される集中巻きの形態であっても良いし、図１Ｂのように複数の歯２２に巻回される分布巻きの形態であっても良い。図１Ｂの例ではコイル５は隣合う三つの歯２２に対して巻回されている。発電機や電動機は３相のコイル５を有するものが一般的であり、図１Ａや図１Ｂも三相を表している。しかし、それに限定されることはない。例えばコイル５は５相，６相などであっても良い。

固定子２と回転子３とは回転軸８を中心とした同心状に設けられる。固定子２は固定されており、回転子３は回転軸８周りに回転する。

固定子２は、軟磁性材料からなる環状の継鉄部２１と、半径方向Ｄｒの内側に向かって突出し、軟磁性材料の鉄心からなる歯２２とを有する。

回転子３は固定子２の内側に配置され、軟磁性材料からなる継鉄部３１と、継鉄部３１から半径方向Ｄｒの外側に向かって突出し、軟磁性材料の鉄心からなる突極３２とを有する。回転子３の継鉄部３１と突極３２は回転子３の回転とともに周方向Ｄｃに移動する。

永久磁石４は、固定子２の歯２２の半径方向Ｄｒの内側（先端側）に設けられる。本実施形態では、永久磁石４は、歯２２の半径方向Ｄｒの内側を向く内側表面２２ａ（先端面）に設けられる。永久磁石４は、内側表面２２ａに張り付けるなどの方法で、歯２２の内側表面２２ａの全てを覆うことが好ましい。本実施形態では、永久磁石４の周方向Ｄｃにおける長さは、歯２２の周方向Ｄｃにおける長さと同じである。また、図２に示すように、永久磁石４は、起磁力の向きが半径方向Ｄｒに沿うように配置される。永久磁石４の磁極は、一つの歯２２に対して周方向Ｄｃに複数（図２～図３）であってもよい。この場合、永久磁石４は、極性の異なる磁極４１（例えば、Ｎ極）および磁極４２（例えば、Ｓ極）が周方向Ｄｃに並ぶように配置された複数の磁石４０１，４０２からなる。周方向Ｄｃに隣接する永久磁石４０１，４０２は半径方向Ｄｒの内側を向く磁極の極性が互いに異なるように配置される。例えば、図２～図３のように、永久磁石４０１は磁極４１が、磁石４０２は磁極４２が半径方向Ｄｒの内側を向くように配置される。また、永久磁石４の磁極は、一つの歯２２に対して周方向Ｄｃに単数（図１Ａ）であってもよい。さらに、二つ以上の歯２２に対して磁極が一つであってもよい。

コイル５は、主に固定子２の歯２２に巻回する。本願では、コイル５は歯２２一つに巻回する集中巻きの形態について説明するが、コイル５は複数の歯２２を巻回する分布巻きの形態であってもよい。なお、コイル５は、歯２２および永久磁石４の両方を巻回して、永久磁石４を支持してもよい。

固定子２の歯２２と回転子３の突極３２とは、固定子２の継鉄部２１および回転子３の継鉄部３１とを連絡する磁路である。

一般に、歯の数と極の数の組み合わせを適切にすると以下で説明するように各継鉄の磁位は一定値となり変動しない。図１Ａでは、歯２２は６個、突極３２は４個の例を表しているが、これは適切な組み合わせの一例である。図１Ａに示す例では、歯２２と突極３２のパーミアンスは軸対称である。また、歯２２と永久磁石４とコイル５からなる複合体に着目すると、図１Ａの例では、１８０°離れた位置に対となる複合体がある。このとき、１８０°離れた位置にある複合体の起磁力を逆向きに設定するならば、すなわち軸対称にするならば、複合体の対は継鉄に対して正負逆方向に同量の起磁力を発生するので、対としてみると複合体の起磁力は相殺する。したがって、固定子２の継鉄部２１と回転子３の継鉄部３１の磁位は常に０である。相殺の仕方は軸対称に限らない。例えば、歯２２が３個、突極３２が４個などでもよい。本願は、継鉄部の磁位が一定となるように、または近似的に一定となるように、歯と極の数の組み合わせ、永久磁石４の配置、コイル５の電流を選定することを前提とする。継鉄の磁位が０で一定であるならば、歯は独立しており相互作用を考える必要はない。よって、以下では歯一つを用いて説明する。

コイル５に通電すると、磁路に磁束が発生し、同時に歯２２および突極３２に磁気吸引トルク（リラクタンストルク）が得られる。このとき、本実施形態に係る永久磁石４があることにより、永久磁石４の磁束による磁石トルクが同時に得られる。すなわち、この磁気吸引トルクは磁石補助される。

また、本実施形態において、回転子３の突極３２の周方向Ｄｃにおける長さＷ１は、永久磁石４の一つの磁極の周方向Ｄｃにおける長さＷ２と同一の長さである。なお、突極３２の長さＷ１および磁極の長さＷ２の差が所定差以内であれば、同一の長さであるとする。

図３は、第１の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成の一例を示す図である。
ここでは、図３を参照しながら、固定子２の歯２２の内側表面２２ａに永久磁石４を設けることの利点を説明する。図３に示すように、回転子３はθ_１に位置し、そのとき永久磁石４と突極３２とは互いに過不足なく交差しているとする。

歯２２と突極３２とが交差する面積の最大値をＳ、永久磁石４の厚さをｔ_ｍ、固定子２と永久磁石４との空隙Ｇの厚さ（半径方向Ｄｒの距離）をｔ_ｇ、空気の透磁率をμとすると、歯２２と突極３２とのパーミアンスｇは近似的に次式（１）で表される。

図２１に示す一般的なリラクタンス同期電動機９は歯９２２と突極９３２との間に永久磁石を持たないので、一般的なリラクタンス同期電動機９のパーミアンスｇ_Ｒは次式（２）で表される。

コイルのインダクタンスはパーミアンスに比例するので、一般的なリラクタンス同期電動機のインダクタンスＬ_Ｒと、本実施形態に係るリラクタンス同期機１のインダクタンスＬとの比は、次式（３）となる。

例えば、表面磁石型同期機（ＳＰＭ）のようにｔ_ｍ≫ｔ_ｇとすれば、Ｌ≪Ｌ_Ｒとなる。すなわち、本実施形態に係るリラクタンス同期機１は、固定子２の歯２２の内側表面２２ａに設ける永久磁石４を厚くすることにより、コイル５のインダクタンスが小さくなり力率が改善する。これは、本願で開示する技術は、永久磁石４の厚さｔ_ｍを空隙の厚さｔ_ｇに対する比率を大きくすれば表面磁石式の同期機として機能し、前記比率を小さくするとリラクタンス同期機として機能することを意味している。さらに、第４の実施形態で後述するように、永久磁石４を歯の鉄心に配置する仕方によって、埋込磁石型同期機（ＩＰＭ）として機能させることもできる。したがって、本願ではリラクタンス同期機として技術を開示するが、本願の技術はリラクタンス同期機を含む同期機一般に適用できる。

図４は、第１の実施形態の対比例に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。
ここでは、図３および図４を参照しながら、引き続き、永久磁石４を歯２２の内側表面２２ａに配置することにより発電量が向上することを説明する。

図４は、永久磁石４を歯２２の内側表面２２ａから埋込深さｔ_ｄに配置する場合の例を示している。永久磁石４を歯２２に埋め込むと、永久磁石４と回転子３の突極３２との間に厚さｔ_ｄの鉄心層ができる。この鉄心層により還流磁束Φ_Ｌが発生し固定子２と回転子３との間の正味の磁束が減る（Φ－Φ_Ｌとなる）。そうすると、コイル５に発生する誘起電圧が減り、最終的に発電電力が減る。還流磁束Φ_Ｌの大きさは、原理的には永久磁石４の埋込深さｔ_ｄに比例する。従って、埋込厚さｔ_ｄは０であることが望ましい。すなわち、図３の例のように、永久磁石４は歯２２の内側表面２２ａに張り付けるとことが永久磁石４を利用する観点で最良の形態である。なお、永久磁石４の保持強度の向上などを目的として、永久磁石を歯２２に埋め込むことも可能である。この場合、埋込深さｔ_ｄは強度的な必要最小限とするのがよい。

図５は、第１の実施形態の対比例に係る突極の構成を示す第１の図である。
図６は、第１の実施形態の対比例に係る突極の構成を示す第２の図である。
次に、図２および図５～図６を参照しながら、回転子３の突極３２の弧の長さ（周方向Ｄｃにおける長さ）を、永久磁石４の磁極の弧の長さに一致させることのメリットを説明する。

図３に示すように、回転子３の突極３２の弧の長さＷ１を永久磁石４の一つの磁極４１の弧の長さＷ２に一致させたとする。そうすると、一つの磁極４１は突極３２を過不足なく覆い、一つの磁極４１の磁束Φは全てが一つの突極３２に導かれる。これにより、コイル５の鎖交磁束が最大化され、誘起電圧が最大化され、発電量も最大化される。

一方、図５の例のように、突極３２の弧の長さＷ１が磁極４１の弧の長さＷ２より長くしたとする。そうすると、一つの磁極４１の磁束Φの一部が隣接する磁極４２を通じて還流し、コイル５の鎖交磁束をロスする。

また、図６に示すように、突極３２の弧の長さＷ１を磁極４１の弧の長さＷ２より短くしたとする。そうすると、突極３２および磁極４１の交差面積そのものが減って、コイル５の鎖交磁束をロスする。図６は突極３２の弧の長さＷ１を磁極４１の弧の長さＷ２の半分とした場合に、交差面積が半分になり磁束が半分（Φ／２）になる様子を表している。

このように、回転子３の突極３２の弧の長さＷ１を永久磁石４の磁極の弧の長さＷ２に一致させない場合には、鎖交磁束をロスし発電量を最大化できない。

（作用、効果）
以上のように、本実施形態に係るリラクタンス同期機１は、歯２２を有する固定子２と、歯２２に空隙Ｇをもって配置された突極３２を有する回転子３と、空隙Ｇに対面する歯２２の半径方向Ｄｒの内側に設けられた永久磁石４とを備える。

このようにすることで、リラクタンス同期機１は、永久磁石４が発生させる磁束と、回転子３の回転によりコイル５に誘起電圧を生じさせることができるので、停電時であっても自立起動することが可能となる。例えば特許文献１のように固定子の歯を二股に分割する必要はないため、磁束の減少及び発電出力の低下を抑制することができる。すなわち、発電効率を向上させることができる。さらに、一般的な同期機では、回転子に永久磁石を設けている。しかしながら、回転子に永久磁石を設ける構成では、回転時に遠心力によって永久磁石が剥落する可能性があるため、保持のために穴を開けて埋め込むなどの加工が必要であった。これに対し、本実施形態に係るリラクタンス同期機１では、静止している固定子２に永久磁石４を取り付けるので、接着剤で接着するなどの簡易な取り付け手段でも剥落を抑制することが可能である。

また、永久磁石４は、歯２２の半径方向Ｄｒの内側を向く内側表面２２ａに設けられ、歯２２の鉄心と突極３２の鉄心の距離を半径方向Ｄｒに離隔する。

このようにすることで、リラクタンス同期機１は、コイル５のインダクタンスをさらに小さくして力率を効果的に改善することができる。

また、永久磁石４は、磁極の方向が半径方向Ｄｒとなるように配置される。

このようにすることで、リラクタンス同期機１は、固定子２の歯２２から回転子３の突極３２へ向かう磁束、または、回転子３の突極３２から固定子２の歯２２へ向かう磁束を発生させることができる。つまり、効率的にトルクを発生させることができる。

また、突極３２の周方向Ｄｃにおける長さＷ１は、永久磁石４の磁極の周方向Ｄｃにおける長さＷ２と等しい。

このようにすることで、各磁極の全ての磁束Φを突極３２に導くことができるので、コイル５の鎖交磁束が最大化され、誘起電圧が最大化されることとなるため、発電量を最大化することができる。

＜第１の実施形態の変形例＞
図７は、第１の実施形態の変形例に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。
なお、第１の実施形態では、永久磁石４を歯２２の内側表面２２ａに設ける構成について説明したが、これに限られることはない。例えば、図７に示すように、永久磁石４は、歯２２の半径方向Ｄｒの内側において、歯２２の内部に埋め込まれてもよい。図７の例は、歯２２の鉄心の一部が永久磁石４により絶縁されることなく内側表面２２ａまで導通することが特徴である。導通部分は鉄心が突極３２に近接するので、磁気吸引トルクを得ることができる。さらに、回転子３を半径方向Ｄｒの外側に、固定子２を半径方向Ｄｒの内側に配置するアウターロータの構成であってもよい。

永久磁石４を歯２２に埋め込む場合でも、埋込深さｔ_ｄが小さければ還流磁束Φ_Ｌは埋込深さｔ_ｄにより流路面積が制限され、近似的に歯２２の内側表面２２ａに配置するのと略同等の効果が得られる。具体的には、還流磁束Φ_Ｌの流路面積が永久磁石４の磁極の磁路面積を超えるまでは近似的な効果があると考える。したがって、図７に示すように、軸方向Ｄａの何れかの断面において、歯２２への永久磁石４の埋込深さｔ_ｄが、永久磁石４の総磁石幅Ｗｍの１／２以下であればよい。

埋込深さｔ_ｄは歯２２の内側表面２２ａと永久磁石４との半径方向Ｄｒの距離である。なお、歯２２の内側表面２２ａが平坦（周方向Ｄｃの各位置において回転軸８との距離が等しい）であり、上述の第１の実施形態（図３）のように永久磁石４を内側表面２２ａに張り付けた場合、埋込深さｔ_ｄは負の値をとる。

また、第１の実施形態において、永久磁石４の周方向Ｄｃにおける長さが、歯２２の周方向Ｄｃにおける長さと同じである（永久磁石４が内側表面２２ａ全てを覆う）構成について説明したが、これに限られることはない。例えば、図７に示すように、歯２２の一部に永久磁石４が設けられていない（永久磁石４に覆われていない）としても、その比率が小さければ、近似的に第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。永久磁石４が設けられていない部分は、還流磁束の磁路となるが、還流磁束の磁路面積が磁極の磁路面積と等しくなるまでは近似的に効果が得られると考える。したがって、歯２２の軸方向Ｄａの何れかの断面において総磁石幅Ｗｍが、歯２２の総幅Ｗｔの１／２を超えていればよい。また、総磁石幅Ｗｍは、歯２２の総幅Ｗｔより長くしてもよい。

図８は、第１の実施形態の変形例に係るリラクタンス同期機の構成を示す第２の図である。
埋込深さｔｄは、歯２２の内側表面２２ａと永久磁石４との最小距離である。例えば図８のように、永久磁石４が複数の磁石を傾けて配置したものであっても、最小距離が総磁石幅Ｗｍの１／２以下であれば、本変形例の範囲に含まれる。

また、総磁石幅Ｗｍは、磁石一つひとつの周方向Ｄｃの最大長さの総和である。例えば図８のように、永久磁石４が複数の磁石を傾けて配置したものであっても、総磁石幅Ｗｍが歯２２の総幅Ｗｔの１／２以下であれば、本変形例の範囲に含まれる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係るリラクタンス同期機１について図９～図１０を参照しながら説明する。第１の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図９Ａは、第２の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。
図９Ａに示すように、固定子２の歯２２は、継鉄部２１から半径方向Ｄｒの内側に延びる胴部２２１と、胴部２２１の先端側に設けられ、胴部２２１よりも周方向Ｄｃに長い鍔部２２２とを有する。具体的には、図９Ａの例のように、鍔部２２２は、半径方向Ｄｒの内側に向かうほど周方向Ｄｃにおける長さ（弧の長さ）が長くなるように形成される。このように、胴部２２１の弧の長さを短くした分、コイル５を巻回するスペースを広く確保できるので、太い巻線を使うことができる。これにより、巻線のジュール発熱が下がり、効率が改善する。

また、歯２２の胴部２２１の弧の長さＷ３は、永久磁石４の一つの磁極の弧の長さＷ２と同一の長さである。なお、胴部２２１の長さＷ３と磁極の長さＷ２との差が所定差以内であれば、同一の長さであるとする。

磁極の残留磁束密度は、最大でも１．３Ｔ（テスラ）程度である。磁性鋼板に磁気飽和の傾向が表れるのは磁束密度が２Ｔ程度からである。歯２２の胴部２２１の弧の長さＷ３を永久磁石４の一つの磁極の弧の長さＷ２に一致させてあれば、永久磁石４により歯２２の胴部２２１に発生する磁束密度は残留磁束密度程度にしかならないので、胴部２２１で磁束が飽和する恐れなくコイル５の巻回スペースを確保することができる。または、歯の胴部２２１が磁気飽和を始める限度まで磁路を狭めてもよい。例えば、歯２２の飽和磁束密度をＢｓ、永久磁石４の残留磁束密度をＢｒとしたとき、Ｗ３＝Ｂｒ／Ｂｓ×Ｗ２とすることで、巻回スペースを広げることもできる。なお、Ｗ３≧Ｂｒ／Ｂｓ×Ｗ２としてもよい。例えば、飽和磁束密度Ｂｓは２．０Ｔ、残留磁束密度Ｂｒは１．３Ｔであるが、歯２２に用いる磁性鋼板や、永久磁石４に応じて値を変えてもよい。

同様に、図９Ｂのように突極３２が胴部３２１（突極胴部）および鍔部３２２（突極鍔部）を有する構成とし、突極３２の胴部３２１の幅Ｗ６を、鍔部３２２の幅Ｗ１よりも狭くしてもよい。例えば、Ｗ６＝Ｂｒ／Ｂｓ×Ｗ１としてもよい。これにより、突極３２の周方向Ｄｃのパーミアンスを抑制することができる。図５に示す還流磁束φ_Ｌの一部は、突極３２の胴部の側面を経由するものもある。突極３２にも鍔部３２２を設けて、これを阻害する。

また、図９Ｃのように、コイル５の巻回スペースは歯２２の総幅Ｗｔを超えてもよい。隣の歯のコイル５と接触しなければよい。さらに、総磁石幅Ｗｍも歯２２の総幅Ｗｔを超えてもよい。総磁石幅Ｗｍが歯２２の総幅Ｗｔを超えるときには、超えた磁石の幅を無視して磁極の弧の長さＷ２を定めてもよい。

また、図９Ｄのように、歯２２に磁極が奇数個ある場合のように、磁極４１の総幅と磁極４２の総幅が異なる場合には、総幅が大きい方の磁極の総幅に基づいて胴部２２１の幅Ｗ３を決めてもよい。図９Ｄの例では、磁極４１の総幅は２×Ｗ２であり、磁極４２の総幅はＷ２´である。このとき、胴部２２１の幅Ｗ３は、磁極４１の総幅２×Ｗ２に基づいて、例えば、Ｗ３≧Ｂｒ／Ｂｓ×（２×Ｗ２）のように定めてもよい。突極３２の幅Ｗ１は、Ｗ２′とＷ２の大きい側に定めてもよい。図９Ｄの例では、突極３２の幅Ｗ３は、磁極４２の幅Ｗ２′に基づいて、例えば、Ｗ１＝Ｗ２′と定めてもよい。

図１０は、第２の実施形態の対比例に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。
例えば、図１０の対比例のように、歯２２ひとつについて磁極がひとつ（磁極４１のみ、または磁極４２のみ）であると、磁束の飽和を防ぐために、胴部２２１の弧の長さＷ３を磁極の弧の長さＷ２に対して相対的に大きくせざるを得ない。その結果、コイル５のスペースが減る。これは、回転子に永久磁石を設ける従来の同期機においても起きることであり、ジュール発熱を勘案しながらコイルの断面積を調節しなければならない。

これに対し、図９Ａの例のように、永久磁石４が二つの磁極（第１磁極４１，第２磁極４２）を有する場合、胴部２２１の弧の長さＷ３は、回転子３に対向する鍔部２２２の弧の長さの半分でよくなり、その分、胴部２２１の周囲にコイル５を巻回するスペースを広く確保できる。さらに、胴部２２１において、隣合う歯２２の離隔距離が長くなるので、隣りの歯２２に漏洩する磁束が減る。よって、リラクタンス同期機１の力率をより改善することができる。

なお、図９Ａには、一つの歯２２に対し、二つの磁極４１，４２を有する永久磁石４を設けた例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、一つの歯２２に対し、三つ以上の磁極を有する永久磁石４を設けてもよい。さらに、図９Ａでは、隣り合う歯２２は、第１磁極４１と第２磁極４２の配列が周方向Ｄｃについて同一であるように表示しているが、これに限られることはない。例えば、図９Ｅのように、一つの磁極（図９Ｅでは磁極４２）が複数の歯に跨って配置されてもよい。このとき、図９Ｅに示すＷ２‘が磁極４２の幅である。回転子３の突極３２の周方向Ｄｃにおける長さＷ１はＷ２’に一致させてもよい。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係るリラクタンス同期機１について図１１を参照しながら説明する。上述の各実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図１１は、第３の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。
回転子３の突極３２は、歯２２と交差しない位置では仕事をしない。具体的には図１１において突極３２の位置がθ_６のとき、突極３２は歯２２と交差しないので仕事をしない。これを考慮して、本実施形態では、隣り合う歯２２との周方向Ｄｃにおける離隔距離Ｗ７を、回転子３の突極３２の周方向Ｄｃにおける長さＷ１（弧の長さ）以下とする。このようにすることで、図１１のθ_６のように突極３２が仕事をしない位置を減らし、リラクタンス同期機１の出力を向上させることができる。なお、隣り合う歯２２との周方向Ｄｃにおける離隔距離Ｗ７が、回転子３の突極３２の周方向Ｄｃにおける長さＷ１（弧の長さ）を超える程度が小さければリラクタンス同期機１の出力は保たれるので、Ｗ７≦１．５×Ｗ１であれば本願の範囲である。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態に係るリラクタンス同期機１について図１２～図１３を参照しながら説明する。上述の各実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図１２Ａは、第４の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。
図１２Ａでは、永久磁石４は、固定子２の一つの歯２２に対して周方向Ｄｃに交番する二つ以上の磁極４１，４２を有する例を示している。また、固定子２の歯２２は、隣接する磁極４１，４２が周方向Ｄｃに接する位置に、一般化すれば磁極の周方向Ｄｃの端部に接する位置に、内側表面２２ａから半径方向Ｄｒの外側に向かって窪んだ凹部２２３をさらに有している。凹部２２３は空隙であっても良いし、磁石を埋め込んでも良い。凹部２２３は、半径方向Ｄｒに磁束を通り難くする（パーミアンスを小さくする）ことが目的であり、歯２２の鉄心を取り除いてそれを達成する。鉄心を取り除いた部分が凹部２２３となる。

なお、図１２Ａに示すように、歯２２の周方向Ｄｃの端部から凹部２２３までの距離Ｗ５と、突極３２の弧の長さＷ１とは同一の長さであることが望ましい。上述の各実施形態と同様に、距離Ｗ５と突極３２の弧の長さＷ１との差が所定差以内であれば、同一の長さであるとする。例えば、Ｗ１がＷ２と同一の長さであっても、近似的に本実施例と同様の効果は得ることができる。また、一つの歯２２に三つ以上の磁極を有する構成では、各磁極が周方向Ｄｃに接する位置それぞれに一つずつ凹部２２３を設けてもよい。この場合も、歯２２の端部から凹部２２３までの距離Ｗ５、および、二つの凹部２２３間の距離Ｗ５が突極３２の弧の長さＷ１と同一の長さとなるように配置されることが望ましい。さらに、一つの歯２２に一つの磁極のみを有する構成では、凹部２２３は設けなくてもよい。この場合、各磁極の両端は隣の歯２２との隙間があり、この隙間が凹部２２３と同様に機能する。

図１２Ｂは、第４の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第２の図である。
凹部２２３は、固定子２の継鉄部２１と突極３２を連絡する磁束の方向に沿って歯２２Ａが深くくり抜かれてもよい。たとえば凹部２２３は、軸方向Ｄａから見て楔形である。具体的には、図１２Ｂの例のように、半径方向Ｄｒの外側（歯２２の胴部２２１側）に向かうほど、凹部２２３の周方向Ｄｃの幅は小さくなる。このように凹部２２３を楔型形状とすることで、半径方向Ｄｒの外側に向かうほど磁束の通路が縮小する程度を小さくして、磁束の流れの渋滞を抑制することができる。したがって、凹部２２３を半径方向Ｄｒに深くくりぬくことが可能となる。また、凹部２２３は、歯２２Ａの鍔部２２２に亘って、胴部２２１にまで（例えば、胴部２２１の中間付近まで）半径方向Ｄｒに形成されていてもよい。凹部２２３として歯２２Ａが深くくり抜かれることにより、特に鉄心と磁石の接合面の近くで隣り合う磁極に還流する磁束を制限する追加的な効果が得られる。

図１２Ａおよび図１２Ｂの突極３２Ａは、歯２２Ａの鉄心と完全に交差しており、歯２２Ａと突極３２Ａとの間のパーミアンスは最大である。突極３２Ａ以外の位置、例えば、突極３２Ｂの位置では、凹部２２３のため、突極３２Ｂは歯２２Ｂの鉄心と完全には交差できずパーミアンスが小さい。このように、本実施形態では、周方向Ｄｃに周期的なパーミアンスの変化を付けることで、歯２２が突極３２を吸引するリラクタンストルクの発生が向上し、リラクタンス同期機１の出力を向上させることができる。

図１３は、第４の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第３の図である。
図１３に示すように、固定子２の歯２２は、凹部２２３に代えて、磁極４１，４２が周方向Ｄｃに接する位置に、一般化すれば磁極の周方向Ｄｃの端部に接する位置に、歯２２の内側表面２２ａから半径方向Ｄｒの内側に向かって突出する凸部２２４を有してもよい。また、図１２の例のように、磁極４１，４２の周方向Ｄｃの端部に凸部２２４をさらに有していてもよい。一つの歯に磁極が一つの場合においても、磁極の端部に凸部２２４を設けてもよい。

凸部２２４は、半径方向Ｄｒに磁束が通り易くする（パーミアンスを小さくする）ことが目的であり、歯２２を半径方向Ｄｒの内側に延長してそれを達成する。凹部２２３と同様に、凸部２２４によっても周方向Ｄｃに周期的なパーミアンスの変化が生じ、リラクタンス同期機１の出力を向上させることができる。

また、図１３の例では、突極３２の弧の長さＷ１と一つの磁極の弧の長さＷ２とは同じ長さとする。したがって、図１３のように磁極の両端部に凸部２２４を設ける場合、周方向Ｄｃの端部の凸部２２４と、中央部の凸部２２４との離隔距離は、突極３２の弧の長さＷ１と同一の長さである。上述の各実施形態と同様に、磁極の弧の長さＷ２と突極の弧の長さＷ１との差が所定差以内であれば、同一の長さであるとする。

＜第５の実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態に係るリラクタンス同期機１について図１４を参照しながら説明する。上述の各実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図１４Ａは、第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。
図１４Ｂは、第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第２の図である。
図１４Ａに示すように、回転子３は等間隔に配置された複数の突極３２を有する。また、永久磁石４は、固定子２の一つの歯２２に対し複数の永久磁石４０１，４０２，…を周方向に配置してなる。隣接する永久磁石４０１，４０２，…は、半径方向Ｄｒの内側を向く磁極の極性が互いに異なるように（交番するように）配置される。例えば、図１４Ａに示すように、半径方向Ｄｒの内側を向く磁極は、第１磁極４１ａ，４１ｂ，・・・，４１ｎと、第１磁極と正負を逆にする第２磁極４２ａ，４２ｂ，・・・，４２ｎとが交互に配置される。なお、突極３２の凹凸の周期が、周方向Ｄｃにおいて交番する磁極４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２ｂ，…の周期（すなわち、複数の永久磁石４０１，４０２，…を配置する周期）に近付くほど、図４と図５で述べた還流磁束φ_Ｌが減少し、リラクタンス同期機１の出力は向上する。つまり、回転子３の凸部（突極３２）の弧の長さＷ１および凹部の弧の長さＷ１’は、磁極の弧の長さＷ２と同じ長さとすることが望ましい。また、固定子２の歯２２は周方向Ｄｃに等間隔に配置され、リラクタンス同期機１の相の数の倍数が設けられる。一般的なＵ，Ｖ，Ｗの３相交流に接続するとすれば、例えば、図１４Ｂのように、歯を６個、磁極数を２４個、突極数を１３としても良い。

隣あう歯の永久磁石の周方向Ｄｃの離隔距離をＷ７、歯２２の数をｎ_Ｔ、永久磁石４の磁極の数をｎ_ＰＭ、突極３２の数をｎ_ＰＳとすると、図１４Ｂの同期機の歯の数ｎ_Ｔ、永久磁石の磁極の数ｎ_ＰＭ、突極の数ｎ_ＰＳ、の構成例は式（４）のように一般化することができる。

式（４）は、例えば、同期機を設計する初期の段階に、歯の数、磁極の数、突極の数を決めるときに有益である。それぞれの数を定めたあと、例えば、突極３２の凸部の周方向Ｄｃの長さＷ１を減らして凹部の周方向Ｄｃの長さＷ１′を増やす事や、隣り合う歯の永久磁石の周方向の離隔Ｗ７を減らして磁石の周方向Ｄｃの長さＷ２を増やす事、などを式（５）が満たされるように微調整してもよい。

図１４Ｃは、第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第３の図である。
式（４）を用いると、図１４Ｂの例の他にも、例えば、図１４Ｃのように、歯を６個、磁極数を２４個、突極数を１４個、なども同期機を構成する一例として得られる。

さらに、式（５）の近似として、Ｗ７を０として式（６）のように寸法を調整してもよい。

図１４Ｄは、第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第４の図である。
図１４Ｄは、歯を６個、磁極数を２４個、突極数を１４に対し、式（６）に従ってＷ７を０と調整する例である。

回転子３の突極３２の凹凸は、凹凸の一つ一つが突極として作用する。したがって、図１４Ａのように多数の突極３２を設けることにより、リラクタンス同期機１を多極化した効果を得ることができる。このようすることで、リラクタンス同期機１は、減速機が無くても低速で大トルクを得ることができる。このため、例えば、風力発電装置のような低速第トルクの用途に適したリラクタンス同期機１とすることができる。

また、一つの歯２２に複数（多数）の磁極を配置すれば、コイル５の総数を減らすことができる。この結果、リラクタンス同期機１の製造コストを下げる効果が得られる。

なお、一つの歯２２が有する第１磁極４１ａ，４２ａ，…，４１ｎ（または第２磁極４２ａ，４２ｂ，…，４２ｎ）の弧の長さの総和Ｗ２＿ｔｏｔａｌと、歯２２の胴部２２１の弧の長さＷ３は同一の長さである。または、歯２２の胴部２２１で磁束飽和しない程度に胴部２２１の長さＷ３を短くする。具体的には、Ｗ２＿ｔｏｔａｌ＜Ｂｓ／Ｂｒ×Ｗ３となるように、磁極の弧の長さの総和Ｗ２＿ｔｏｔａｌおよび胴部２２１の弧の長さＷ３を設定する。このようにすることで、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１４Ｅは、第５の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第５の図である。
火力発電などに使われる同期発電機は、発電機の回転数が系統の周波数に同期している。例えば、周波数が５０Ｈｚのエリアでは２極の同期発電機を３０００ｒｐｍで、６０Ｈｚのエリアでは同じく２極の同期発電機を３６００ｒｐｍで運転することが一般的である。本願の同期機１を２極機として機能させるには、図１４Ｅのように、（１）分布巻きにし、（２）突極数を２に減らせばよい。図１４Ｅでは、コイルは３個の歯２２を囲むように巻いている。また、歯２２の数ｎ_Ｔを６、磁極数ｎ_ＰＭは６、突極数ｎ_ＰＳは２である。隣あう歯２２の磁石の離隔長さＷ７はＷ２÷３である。式（４）は磁極の磁束を無駄なく使う場合に有効である。本実施例では、回転数の都合から突極数を強制的に２に減らすので、式（４）は適用しない。突極数ｎ_ＰＳを２に固定して、式（５）を満たすよう、歯数ｎ_Ｔ、磁極数ｎ_ＰＭは、突極の周方向長さＷ１、磁極の周方向長さＷ２、隣り合う歯の磁極の離隔長さＷ７の値を決める。

＜第６の実施形態＞
次に、本発明の第６の実施形態に係るリラクタンス同期機１について図１５～図１６を参照しながら説明する。上述の各実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図１５は、第６の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第１の図である。
図１５に示すように、本実施形態に係るリラクタンス同期機１は、少なくとも一部の永久磁石に代えて、電磁石６を備える。電磁石６は、磁極の方向が半径方向Ｄｒに一致するよう設けられる。つまり、第１磁極６３（例えば、Ｎ極）および第２磁極６４（例えば、Ｓ極）が半径方向Ｄｒに並ぶように設けられる。また、図１５の例のように、電磁石６は、一つの歯２２に対して複数の電磁石６０１，６０２（磁石部材）を備えていてもよい。このとき、周方向に隣接する電磁石６０１，６０２は、半径方向Ｄｒの内側の磁極が正負が逆の磁極をなすように設けられる。例えば、図１５のように、電磁石６０１は磁極６３が、電磁石６０２は磁極６４が半径方向Ｄｒの内側を向くように配置される。さらに、一つの歯２２が一つの電磁石６を有していても良いし、周方向Ｄｃに歯総幅Ｗｔより長い電磁石６を備え、複数の歯２２が同一の電磁石６を共有してもよい。二つ以上の歯２２が同一の電磁石の磁極を共有するのは、例えば、コイル５を分布巻きにするときに有効である。

電磁石６（電磁石６０１，６０２）は、鉄心６１およびコイル６２を有する。電磁石６のコイル６２には外部から直流電力を供給し、交番しない直流磁界を発生させる。直流磁界であれば、自立起動はバッテリがあれば可能である。なお、全ての永久磁石４の磁極を電磁石６で完全に置き換えてもよいし、永久磁石４と電磁石６とを併用してもよい。

また、電磁石６を用いた場合、リラクタンス同期機１の運転条件に応じて磁界の強さを可変とすることができる。これにより、リラクタンス同期機１を最も効率のよい状態で運転させることができる。

なお、電磁石６は、超電導電磁石であってもよい。超電導磁石を用いる場合、鉄心６１の磁気飽和が磁束の妨げとならないよう、鉄心６１は取り除いても良い。超電導電磁石は冷却が必要である。一般の同期機では、電磁石は回転子に設けられるため、回転する回転子の内部に冷却材を流して超電導磁石を冷却することは容易ではない。これに対し、本実施形態では、電磁石６は静止部材である固定子２に設けられるため、一般の同期機と比較して、冷却材を流して電磁石６を冷却することは容易である。

図１６は、第６の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す第２の図である。
また、図１６に示すように、電磁石６の半径方向Ｄｒの内側に、更に永久磁石４を設けてもよい。

＜第７の実施形態＞
次に、本発明の第７の実施形態に係るリラクタンス同期機１について図１７を参照しながら説明する。上述の各実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図１７は、第７の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。
図１７は、リラクタンス同期機１を回転軸８の歯２２と突極３２の位置の子午面の断面を表したものである。紙面の左右方向が軸方向Ｄａ、上下方向が半径方向Ｄｒを表す。

図１７に示すように、本実施形態に係るリラクタンス同期機１は、固定子２の歯２２の先端部分、ならびに、回転子３の突極３２、および、継鉄部２１の軸方向Ｄａの端部の少なくとも一方に、軸方向Ｄａに張り出す張り出し部７１をさらに備えることを特徴とする。固定子２の張り出し部７１を備えるスペースについて説明する。歯２２の軸方向Ｄａの長さはＡである。歯２２にはコイル５が巻回される。歯の軸方向Ｄａについては、歯の長さＡよりさらに外側にコイル５を収めるスペースが必要になる。巻線端部のスペース２２５は、そのためのものである。巻線端部のスペース２２５において、巻線は主に周方向Ｄｃに巻かれている。固定子２の張り出し部７１は、巻線端部のスペース２２５と回転軸８とに挟まれた空きスペースに新規に設ける。固定子２の張り出し部７１は、長さＡの歯２２と磁石４から胴部２２１を取り除いて構成する。すなわち、固定子２の張り出し部７１は鍔部２２２と磁石４とから成る。

回転子３の張り出し部７１は、従来、回転子３は磁性鋼板を軸方向Ｄａの長さＡにわたって積層していたものを、積層を長さＢまで延長して構成する。
なお、図１７には、固定子２の歯２２および回転子３の突極３２の両方が張り出し部７１を備える構成が例示されているが、他の実施形態では、何れか一方を省略してもよい。

まず、図１７を参照しながら、張り出し部７１がない状態を説明する。歯２２の胴部２２１にはコイル５が巻回される。張り出し部７１が無い状態では、回転子３と固定子２との磁気的な空隙（いわゆるエアギャップ）の軸方向長はＡである。これに対し、張り出し部７１があると磁気的な空隙の軸方向長はＢになる。発電機や電動機はコイル５を筐体内部に配置するのに充分な軸方向距離を有しているので、一般的に、張り出し部７１の軸方向長さＬ１はＢがコイル５の軸方向の端部を超えない程度に設定できる。

発電機や電動機の出力は、回転子３と固定子２の磁気的な空隙の面積に比例する。このため、空隙の軸方向長をＡからＢにすることにより、発電機や電動機の出力をＢ／Ａ倍にする効果が得られる。本実施形態のリラクタンス同期機１は、第２の実施形態で述べたように、歯２２ひとつあたりにコイル５が占有する体積が大きいため、巻線端部の張り出しも利用する価値がある。

＜第８の実施形態＞
次に、本発明の第８の実施形態に係るリラクタンス同期機１について図１７～図１８を参照しながら説明する。上述の各実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図１７に、固定子２の張り出し部７１を通る磁束φｅｘを表している。固定子２の張り出し部７１を通る磁束φｅｘは、軸の中央に向かって軸方向Ｄａに流れる。一般に、発電機および電動機の鉄心は、磁性鋼板を軸方向Ｄａに積層して構成される。固定子２の張り出し部７１も同様である。このため、固定子２の張り出し部７１において磁束が軸方向Ｄａに流れるときには、軸方向Ｄａの磁束は磁性鋼板を一枚ずつ横切らなければならず、磁性鋼板を横切るときの磁気抵抗のために磁束が減少し、張り出し部７１の効果が充分に得られない。

そこで、図１８のように、固定子２の張り出し部７１は電磁鋼板を回転軸８に平行に積層して磁気抵抗を低減する。固定子２の張り出し部７１を通る磁束φｅｘは、半径方向Ｄｒの成分もあるので、積層の方向は半径方向Ｄｒに平行、かつ、軸方向Ｄａに平行、が最も好ましい。積層の向きの変更は、固定子２の張り出し部７１の全部であっても良いし、一部であっても良い。

固定子２の張り出し部７１にほぞを設け、歯２２の対面する位置にほぞ穴を設け、ほぞ継ぎによって接合してもよい。

＜第９の実施形態＞
次に、本発明の第８の実施形態に係るリラクタンス同期機１について図１９を参照しながら説明する。上述の各実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図１９は、第９の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。
図１９に示すように、本実施形態に係るリラクタンス同期機１において、歯２２の張り出し部７１は、筐体のフランジ部Ｆから軸方向Ｄａに延びる支持部７３により、フランジ部Ｆに支持される。フランジ部Ｆと固定子２の張り出し部７１の接合はほぞ継ぎによってもよい。

このようにすることで、張り出し部７１の強度を向上することができる。

＜第１０の実施形態＞
次に、本発明の第８の実施形態に係るリラクタンス同期機１について図２０を参照しながら説明する。上述の各実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図２０は、第１０の実施形態に係るリラクタンス同期機の構成を示す図である。
図２０に示すように、本実施形態に係るリラクタンス同期機１において、歯２２の張り出し部７１は、周方向Ｄｃに延びる連結部材７４により連結されることを特徴とする。連結部材７４は、非磁性材料で形成される。連結部材７４は、軸方向Ｄａに、張り出し部７１を超えて配置してもよい。

このようにすることで、張り出し部７１の強度を向上することができる。

以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第３～第５および第７～第１０の実施形態については、第２の実施形態の構成（図９Ａ）に対して各実施形態の構成を適用する例について説明したが、これに限られることはない。第１の実施形態の構成（図１～図３）またはその変形例の構成（図７～図８）に対して各実施形態の構成を適用してもよい。

＜付記＞
上述の実施形態に記載の同期機１は、例えば以下のように把握される。

（１）本開示の第１の態様によれば、同期機１は、環状の継鉄部２１から半径方向Ｄｒの一方側に向かって突出し、コイル５が巻装された歯２２を有する固定子２と、固定子２よりも半径方向の一方側において、歯２２に空隙Ｇをもって配置された突極３２を有する回転子３と、歯２２の半径方向Ｄｒの一方側に設けられた磁石４，６と、を備える。

このようにすることで、同期機１は、磁石４，６が発生させる磁束と、回転子３の回転によりコイル５に誘起電圧を生じさせることができるので、停電時であっても自立起動することが可能となる。また、磁石４，６による磁石補助を得ることで、コイル５のインダクタンスを小さくして力率を改善することができる。さらに、一般的な同期機では、回転子に永久磁石を設けている。しかしながら、回転子に永久磁石を設ける構成では、回転時に遠心力によって永久磁石が剥落する可能性があるため、保持のために穴を開けて埋め込むなどの加工が必要であった。これに対し、本実施形態に係る同期機１では、静止している固定子２に永久磁石４を取り付けるので、接着剤で接着するなどの簡易な取り付け手段でも剥落を抑制することが可能である。

（２）本開示の第２の態様によれば、第１の態様に係る同期機１において、磁石４，６は前記歯の半径方向Ｄｒの一方側を向く先端面２２ａに設けられる。

このようにすることで、同期機１は、コイル５のインダクタンスをさらに小さくして力率を効果的に改善することができる。

（３）本開示の第３の態様によれば、第１または第２の態様に係る同期機１において、少なくとも１つの磁石は、極性の異なる第１磁極４１および第２磁極４２が半径方向に並ぶように配置された永久磁石４である。

このようにすることで、同期機１は、固定子２の歯２２から回転子３の突極３２へ向かう磁束、または、回転子３の突極３２から固定子２の歯２２へ向かう磁束を発生させることができる。つまり、効率的にリラクタンストルクを発生させることができる。

（４）本開示の第４の態様によれば、第１から第３の何れか一の態様に係る同期機１において、少なくとも１つの磁石は、直流磁界を発生させる電磁石６である。

このようにすることで、同期機１は、バッテリで電磁石６に直流電力を供給することにより自立起動することができる。また、電磁石６を用いた場合、同期機１の運転条件に応じて磁界の強さを可変とすることができる。これにより、同期機１を最も効率のよい状態で運転させることができる。

（５）本開示の第５の態様によれば、第１から第４の何れか一の態様に係る同期機１において、突極３２の周方向Ｄｃにおける長さは、磁石４，６の磁極の周方向Ｄｃにおける長さと等しい。

このようにすることで、各磁極の全ての磁束Φを突極３２に導くことができるので、コイル５の鎖交磁束が最大化され、誘起電圧が最大化されることとなるため、発電量を最大化することができる。

（６）本開示の第６の態様によれば、第１から第５の何れか一の態様に係る同期機１において、歯２２は、隣接する歯２２との周方向Ｄｃにおける離隔距離Ｗ７が、突極３２の周方向Ｄｃにおける長さ以下となるように配置される。

このようにすることで、同期機１は、突極３２が仕事をしない位置を減らし、出力を向上させることができる。

（７）本開示の第７の態様によれば、第１から第６の何れか一の態様に係る同期機１において、歯２２は、継鉄部２１から半径方向Ｄｒの一方側に延びる胴部２２１と、胴部２２１の先端側に設けられ、胴部２２１よりも周方向Ｄｃの長さが長い鍔部２２２とを備え、磁石４の磁極の周方向Ｄｃにおける長さをＷ２、胴部２２１の周方向Ｄｃにおける長さをＷ３、歯２２の飽和磁束密度をＢｓ、磁石４の磁極の残留磁束密度をＢｒとしたとき、Ｗ３≧Ｂｒ／Ｂｓ×Ｗ２を満たす。

このようにすることで、同期機１は、胴部２２１で磁束が飽和することを抑制しつつ、コイル５を巻回するスペースを確保することができる。

（８）本開示の第８の態様によれば、第７の態様に係る同期機１において、胴部２２１の周方向Ｄｃにおける長さＷ３は、磁石４の磁極の周方向における長さＷ２と等しい。

このようにすることで、同期機１は、胴部２２１で磁束が飽和することをより確実に抑制することができる。

（９）本開示の第９の態様によれば、第１から第６の何れか一の態様に係る同期機１において、突極３２は、半径方向Ｄｒに延びる突極胴部３２１と、突極胴部３２１の先端側に設けられ、突極胴部３２１よりも周方向Ｄｃの長さが長い突極鍔部３２２とを備え、突極鍔部３２２の周方向Ｄｃの長さをＷ１、突極胴部３２１の周方向の長さをＷ６、歯の飽和磁束密度をＢｓ、磁石の磁極の残留磁束密度をＢｒとしたとき、Ｗ６＝Ｂｒ／Ｂｓ×Ｗ１を満たす。

このようにすることで、同期機１は、還流磁束の発生を抑制することができる。

（１０）本開示の第１０の態様によれば、第７の態様に係る同期機１において、磁石４，６は、一つの歯２２に対し極性の異なる第１磁極４１，６３および第２磁極４２，６４が半径方向Ｄｒに並ぶ磁石部材を周方向Ｄｃに二つ以上配置してなり、隣接する磁石部材は、半径方向Ｄｒの一方側を向く磁極の極性が互いに異なるように配置される。

例えば、二つの磁極を有する場合、胴部２２１の弧の長さＷ３は、回転子３に対向する鍔部２２２の弧の長さの半分でよくなり、その分、胴部２２１の周囲にコイル５を巻回するスペースを広く確保できる。さらに、胴部２２１において、隣合う歯２２の離隔距離が長くなるので、隣りの歯２２に漏洩する磁束が減る。よって、同期機１の力率をより改善することができる。

（１１）本開示の第１１の態様によれば、第７の態様に係る同期機１において、歯２２は、半径方向Ｄｒの一方側を向く先端面２２ａに少なくとも一つの凹部２２３を有し、凹部２２３は、歯２２の周方向Ｄｃの端部から凹部２２３までの距離Ｗ５、または、二つの凹部間の距離Ｗ５が突極３２の周方向の長さＷ１と同一となるように配置される。

このようにすることで、同期機１は、周方向Ｄｃに周期的なパーミアンスの変化を付けることができるので、歯２２が突極３２を吸引するリラクタンストルクの発生が向上し、出力を向上させることができる。

（１２）本開示の第１２の態様によれば、第１１の態様に係る同期機１において、凹部２２３は、軸方向Ｄａから見て歯２２の胴部２２１側に向かうほど周方向Ｄｃの長さが小さくなる楔形状の断面形状を有する。

このように凹部２２３を楔型形状とすることで、半径方向Ｄｒの外側に向かうほど磁束の通路が縮小する程度を小さくして、磁束の流れの渋滞を抑制することができる。したがって、凹部２２３を半径方向Ｄｒに深くくりぬくことが可能となる。凹部２２３として歯２２Ａが深くくり抜かれることにより、特に鉄心と磁石の接合面の近くで隣り合う磁極に還流する磁束を制限する追加的な効果を得ることができる。

（１３）本開示の第１３の態様によれば、第７の態様に係る同期機１において、歯２２は、半径方向Ｄｒの一方側を向く先端面２２ａに少なくとも一つの凸部２２４を有し、凸部２２４は、磁石４の磁極の周方向Ｄｃの端部に接する位置に配置される。

このようにすることで、同期機１は、周方向Ｄｃに周期的なパーミアンスの変化を付けることができるので、歯２２が突極３２を吸引するリラクタンストルクの発生が向上し、出力を向上させることができる。

（１４）本開示の第１３の態様によれば、第１０の態様に係る同期機１において、回転子３の突極３２を設ける周期は、周方向Ｄｃにおいて磁極の極性が交番する周期と等しい。

このようにすることで、同期機１は、減速機が無くても低速で大トルクを得ることができる。このため、例えば、風力発電装置のような低速第トルクの用途に適した同期機１とすることができる。

（１５）本開示の第１５の態様によれば、第１４の態様に係る同期機１において、複数の磁石部材のうち、半径方向Ｄｒの一方側を向く磁極が第１磁極４１，６３である磁石部材、または、半径方向Ｄｒの一方側を向く磁極が第２磁極４２，６４である磁石部材の周方向Ｄｃの長さの総和をＷ２＿ｔｏｔａｌ、胴部２２１の周方向Ｄｃにおける長さをＷ３、歯２２の飽和磁束密度をＢｓ、磁石４，６の磁極の残留磁束密度をＢｒとしたとき、Ｗ２＿ｔｏｔａｌ＜Ｂｓ／Ｂｒ×Ｗ３を満たす。

このようにすることで、同期機１は、胴部２２１で磁束が飽和することを抑制しつつ、コイル５を巻回するスペースを確保することができる。

（１６）本開示の第１６の態様によれは、第１５の態様に係る同期機１において、総和Ｗ２＿ｔｏｔａｌは、胴部２２１の周方向Ｄｃにおける長さＷ３と等しい。

このようにすることで、同期機１は、より確実に胴部２２１で磁束が飽和することを抑制することができる。

（１７）本開示の第１７の態様によれば、第１から第１６の何れか一の態様に係る同期機１は、歯２２および突極３２の少なくとも一方の軸方向Ｄａの端面に設けられた張り出し部７１をさらに備える。

このようにすることで、同期機１は、張り出し部７１によって磁気的な空隙の軸方向長を伸ばすことができるため、その分、出力を向上させることができる。

（１８）本開示の第１８の態様によれば、第１７の態様に係る同期機１は、周方向Ｄｃに積層され、半径方向Ｄｒの一方の端部が歯２２の張り出し部７１に接するように設けられた磁路７２をさらに備える。

このようにすることで、同期機１は、張り出し部７１の軸方向Ｄａの磁気抵抗を少なくすることができる。

（１９）本開示の第１９の態様によれば、第１７または第１８の態様に係る同期機１において、歯２２の張り出し部７１は、フランジ部Ｆから軸方向Ｄａに延びる支持部７３により、フランジ部Ｆに支持される。

このようにすることで、張り出し部７１の強度を向上することができる。

（２０）本開示の第２０の態様によれば、第１７または第１８の態様に係る同期機１において、歯２２の張り出し部７１は、周方向Ｄｃに延びる板状の連結部材７４により連結される。

このようにすることで、張り出し部７１の強度を向上することができる。

（２１）本開示の第２１の態様によれば、第１から第４の何れか一の態様に係る同期機１において、磁石４，６の磁極の周方向Ｄｃにおける長さをＷ２、周方向Ｄｃに隣り合う歯２２のうち一方の歯に設けられる第１の磁石と、他方の歯に第１の磁石と対向して設けられる第２の磁石との離間距離をＷ７、歯２２の数をｎ_Ｔ、周方向Ｄｃに並ぶ磁極の数をｎ_ＰＭ、突極３２の数をｎ_ｐｓとしたとき、歯２２の数、磁極の数、および突極３２の数は、ｎ_ＴＷ７＝（２ｎ_ｐｓ－ｎ_ＰＭ）Ｗ２を満たすように設定される。

このようにすることで、同期機１を設計する際に、歯２２の数、磁極の数、突極３２の数を適切に決定することができる。

（２２）本開示の第２２の態様によれば、第１から第４の何れか一の態様に係る同期機１において、突極３２の周方向の幅をＷ１、隣り合う突極３２間の幅をＷ１´、磁石４，６の磁極の周方向Ｄｃにおける長さをＷ２、周方向Ｄｃに隣り合う歯２２のうち一方の歯に設けられる第１の磁石と、他方の歯に第１の磁石と対向して設けられる第２の磁石との離間距離をＷ７、歯２２の数をｎ_Ｔ、周方向Ｄｃに並ぶ磁極の数をｎ_ＰＭ、突極３２の数をｎ_ｐｓとしたとき、突極３２の幅Ｗ１、隣り合う突極３２間の幅Ｗ１´、磁極の周方向Ｄｃにおける長さＷ２、および離間距離Ｗ７は、ｎ_ＴＷ７＝ｎ_ｐｓ（Ｗ１＋Ｗ１´）－ｎ_ＰＭＷ２を満たすように設定される。

このようにすることで、同期機１を設計する際に、歯２２の数、磁極の数、突極３２の数を決定した後に、各構成の幅や離間距離などの寸法を適切に調整することができる。

（２３）本開示の第２３の態様によれば、第１から第４の何れか一の態様に係る同期機１において、突極３２の周方向の幅をＷ１、隣り合う突極３２間の幅をＷ１´、磁石４，６の磁極の周方向Ｄｃにおける長さをＷ２、周方向Ｄｃに隣り合う歯２２のうち一方の歯に設けられる第１の磁石と、他方の歯に第１の磁石と対向して設けられる第２の磁石との離間距離をゼロ、歯２２の数をｎ_Ｔ、周方向Ｄｃに並ぶ磁極の数をｎ_ＰＭ、突極３２の数をｎ_ｐｓとしたとき、突極３２の幅Ｗ１、隣り合う突極３２間の幅Ｗ１´、および磁極の周方向Ｄｃにおける長さＷ２は、０＝ｎ_ｐｓ（Ｗ１＋Ｗ１´）－ｎ_ＰＭＷ２を満たすように設定される。

このようにすることで、同期機１を設計する際に、歯２２の数、磁極の数、突極３２の数を決定した後に、各構成の幅や離間距離などの寸法を適切に調整することができる。

１ リラクタンス同期機（同期機）
２ 固定子
２１ 継鉄部
２２ 歯
２２ａ 内側表面
２２１ 胴部
２２２ 鍔部
２２３ 凹部
２２４ 凸部
２２５ 巻線端部のスペース
３ 回転子
３１ 継鉄部
３２ 突極
３２１ 胴部（突極胴部）
３２２ 鍔部（突極鍔部）
４ 永久磁石（磁石）
４０１，４０２ 永久磁石（磁石部材）
５ コイル
６ 電磁石（磁石）
６０１，６０２ 電磁石（磁石部材）
６１ 鉄心
６２ コイル
８ 回転軸
７１ 張り出し部
７２ 磁路
７３ 支持部
７４ 連結部材
Ｆ フランジ部
Ｇ 空隙

Claims (23)

1. 環状の継鉄部から半径方向の一方側に向かって突出し、コイルが巻装された歯を有する固定子と、
   前記固定子よりも半径方向の一方側において、前記歯に空隙をもって配置された突極を有する回転子と、
   前記歯の半径方向の一方側に設けられた磁石と、
   を備える同期機。
2. 前記磁石は前記歯の半径方向の一方側を向く先端面に設けられる、
   請求項１に記載の同期機。
3. 少なくとも１つの前記磁石は、極性の異なる第１磁極および第２磁極が半径方向に並ぶように配置された永久磁石である、
   請求項１に記載の同期機。
4. 少なくとも１つの前記磁石は、直流磁界を発生させる電磁石である、
   請求項１に記載の同期機。
5. 前記突極の周方向における長さは、前記磁石の磁極の周方向における長さと等しい、
   請求項１に記載の同期機。
6. 前記歯は、隣接する歯との周方向における離隔距離が、前記突極の周方向における長さ以下となるように配置される、
   請求項１に記載の同期機。
7. 前記歯は、前記継鉄部から半径方向の一方側に延びる胴部と、前記胴部の先端側に設けられ、前記胴部よりも周方向の長さが長い鍔部とを備え、
   前記磁石の磁極の周方向における長さをＷ２、前記胴部の周方向における長さをＷ３、前記歯の飽和磁束密度をＢｓ、前記磁石の磁極の残留磁束密度をＢｒとしたとき、Ｗ３≧Ｂｒ／Ｂｓ×Ｗ２を満たす、
   請求項１に記載の同期機。
8. 前記胴部の周方向における長さＷ３は、前記磁石の磁極の周方向における長さＷ２と等しい、
   請求項７に記載の同期機。
9. 前記突極は、半径方向に延びる突極胴部と、前記突極胴部の先端側に設けられ、前記突極胴部よりも周方向の長さが長い突極鍔部とを備え、
   前記突極鍔部の周方向の長さをＷ１、前記突極胴部の周方向の長さをＷ６、前記歯の飽和磁束密度をＢｓ、前記磁石の磁極の残留磁束密度をＢｒとしたとき、Ｗ６＝Ｂｒ／Ｂｓ×Ｗ１を満たす、
   請求項１に記載の同期機。
10. 前記磁石は、一つの前記歯に対し、極性の異なる第１磁極および第２磁極が半径方向に並ぶ磁石部材を周方向に二つ以上配置してなり、
    隣接する前記磁石部材は、半径方向の一方側を向く磁極の極性が互いに異なるように配置される、
    請求項７に記載の同期機。
11. 前記歯は、半径方向の一方側を向く先端面に少なくとも一つの凹部を有し、
    前記凹部は、前記歯の周方向の端部から前記凹部までの距離、または、二つの前記凹部間の距離が前記突極の周方向の長さと同一となるように配置される、
    請求項７に記載の同期機。
12. 前記凹部は、軸方向から見て前記歯の胴部側に向かうほど周方向の長さが小さくなる楔形状の断面形状を有する、
    請求項１１に記載の同期機。
13. 前記歯は、半径方向の一方側を向く先端面に少なくとも一つの凸部を有し、
    前記凸部は、前記磁石の磁極の周方向の端部に接する位置に配置される、
    請求項７に記載の同期機。
14. 前記回転子の前記突極を設ける周期は、周方向において磁極の極性が交番する周期と等しい、
    請求項１０に記載の同期機。
15. 複数の前記磁石部材のうち、半径方向の一方側を向く磁極が前記第１磁極である磁石部材、または、半径方向の一方側を向く磁極が前記第２磁極である磁石部材の周方向の長さの総和をＷ２＿ｔｏｔａｌ、前記胴部の周方向における長さをＷ３、前記歯の飽和磁束密度をＢｓ、前記磁石の磁極の残留磁束密度をＢｒとしたとき、Ｗ２＿ｔｏｔａｌ＜Ｂｓ／Ｂｒ×Ｗ３を満たす、
    請求項１４に記載の同期機。
16. 前記総和Ｗ２＿ｔｏｔａｌは、前記胴部の周方向における長さＷ３と等しい、
    請求項１５に記載の同期機。
17. 前記歯および前記突極の少なくとも一方の軸方向の端面に設けられた張り出し部をさらに備える、
    請求項１から１６の何れか一項に記載の同期機。
18. 周方向に積層され、半径方向の一方の端部が前記歯の前記張り出し部に接するように設けられた磁路をさらに備える、
    請求項１７に記載の同期機。
19. 前記歯の前記張り出し部は、フランジ部から軸方向に延びる支持部により、前記フランジ部に支持される、
    請求項１７に記載の同期機。
20. 前記歯の張り出し部は、周方向に延びる板状の連結部材により連結される、
    請求項１７に記載の同期機。
21. 前記磁石の磁極の周方向における長さをＷ２、周方向に隣り合う前記歯のうち一方の歯に設けられる第１の磁石と、他方の歯に前記第１の磁石と対向して設けられる第２の磁石との離間距離をＷ７、前記歯の数をｎ_Ｔ、周方向に並ぶ前記磁極の数をｎ_ＰＭ、前記突極の数をｎ_ｐｓとしたとき、前記歯の数、前記磁極の数、および前記突極の数は、ｎ_ＴＷ７＝（２ｎ_ｐｓ－ｎ_ＰＭ）Ｗ２を満たすように設定される、
    請求項１に記載の同期機。
22. 前記突極の周方向の幅をＷ１、隣り合う前記突極間の幅をＷ１´、前記磁石の磁極の周方向における長さをＷ２、周方向に隣り合う前記歯のうち一方の歯に設けられる第１の磁石と、他方の歯に前記第１の磁石と対向して設けられる第２の磁石との離間距離をＷ７、前記歯の数をｎ_Ｔ、周方向に並ぶ前記磁極の数をｎ_ＰＭ、前記突極の数をｎ_ｐｓとしたとき、前記突極の幅Ｗ１、隣り合う前記突極間の幅Ｗ１´、前記磁極の周方向における長さＷ２、および前記離間距離Ｗ７は、ｎ_ＴＷ７＝ｎ_ｐｓ（Ｗ１＋Ｗ１´）－ｎ_ＰＭＷ２を満たすように設定される、
    請求項１に記載の同期機。
23. 前記突極の周方向の幅をＷ１、隣り合う前記突極間の幅をＷ１´、前記磁石の磁極の周方向における長さをＷ２、周方向に隣り合う前記歯のうち一方の歯に設けられる第１の磁石と、他方の歯に前記第１の磁石と対向して設けられる第２の磁石との離間距離をゼロ、前記歯の数をｎ_Ｔ、周方向に並ぶ前記磁極の数をｎ_ＰＭ、前記突極の数をｎ_ｐｓとしたとき、前記突極の幅Ｗ１、隣り合う前記突極間の幅Ｗ１´、および前記磁極の周方向における長さＷ２は、０＝ｎ_ｐｓ（Ｗ１＋Ｗ１´）－ｎ_ＰＭＷ２を満たすように設定される、
    請求項１に記載の同期機。

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