JP4714305B2 - 同期電動機 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機の巻線構成に関し、特に、トルク性能を向上させる技術に関する。

コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等に用いられる同期電動機には、小型軽量、高出力、低振動、低騒音、高効率の要請から、特に高トルクかつ低トルク脈動であることが求められる。

永久磁石を回転子鉄心の表面に配置した、いわゆる表面磁石型同期電動機の場合、永久磁石による界磁と電機子電流との位相差が９０°であるとき、すなわち、回転子の磁極間と、固定子巻線が巻回された固定子ティースとが対向した位置関係でその固定子巻線に供給される電流が最大になるとき、永久磁石によるトルク（マグネットトルク）が最大となる。永久磁石による界磁と電機子電流との位相差が９０°からずれるとトルクは減少する。

また、永久磁石を鉄心の内部に配置した、いわゆる永久磁石埋込み型同期電動機の場合、永久磁石によるマグネットトルクに加え、回転子と固定子の位置による磁気抵抗の差による突極性に基づくリラクタンストルクが発生する。リラクタンストルクは、永久磁石による界磁と電機子電流との位相差が４５°近傍であるときに最大となる。従って、永久磁石埋込み型同期電動機のトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとを合せたトルクとなり、界磁と電機子電流との位相差０°から４５°近傍で最大トルクとなる。

一般に同期電動機のトルクは、永久磁石による界磁の高調波成分の影響や、電機子電流の高調波成分の影響等に基づく脈動成分をもつ。そこでトルク脈動を低減するために、同じ位相の電流が流れる固定子巻線の配置間隔（角度）を回転子の磁極間隔（角度）から機械的にずらす技術がある。このようにすると、互いの固定子巻線に生じるトルク脈動の位相がずれ、トルク脈動を打消すことができ、その結果、低振動、低騒音を実現することができる（例えば、特許文献１，２）
特許文献１には、固定子巻線が１つの固定子ティースに同心状に巻回されたいわゆる集中巻の同期電動機において、回転子の磁極の数を１０とし、固定子ティースをＵ＋相、Ｕ−相、Ｖ＋相、Ｖ−相、Ｗ＋相、Ｗ−相の順で２組繰り返し配置して合計１２ティースとしたものが開示されている。この場合、同じ位相の電流が流れる固定子巻線（例えばＵ＋相とＵ−相）は電気角でπ／６ラジアンずれることとなり、互いの固定子巻線に生じるトルク脈動の位相がπ／６ラジアンずれることになる。その結果、トルク脈動を低減することができる。

また、特許文献２は、固定子巻線が配置されるスロットの数（ティースの数と同等）と回転子の磁極数との関係を１８スロットで２０極とすることにより、１２スロットで８極あるいは９スロットで８極などの従来の同期電動機に比べて、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することを開示している。

特開平９−２８５０８８号公報 特開２００３−２４４９１５号公報 特開２０００−０４１３９２号公報

上記の通り、回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で配置された固定子ティースに、それぞれ固定子巻線を巻回し、これらの固定子巻線に同じ位相の電流を供給することとした場合、各固定子ティースから生じるトルク脈動の位相をずらすことができ、その結果、全体としてのトルク脈動を低減することができる。

しかしながら、上記構成では、ある固定子ティースが回転子の磁極との関係で最大トルクを生みだす位置にあるとき、その固定子ティースから回転子の磁極間隔と異なる間隔で配置された固定子ティースは、最大トルクを生みだす位置からずれた位置にあることとなり、最大トルクを生みだすことができない。すなわち従来の技術では、トルク脈動を低減しようとすると全体のトルクが減少してしまうという課題がある。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、トルク脈動を低減しつつ、トルクの減少を抑制することができる技術を提供することを目的とする。

本発明に係る同期電動機は、周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、周方向に並設された複数の固定子ティースを含む固定子とを備え、前記複数の固定子ティースは、周方向に並ぶ所定個数単位で固定子ティース組を構成し、当該構成された複数の固定子ティース組の周方向の間隔は等しく、前記複数の固定子ティースでは、電気角で同じ位置にある固定子ティース組が複数個ずつ存在し、周方向に並んだ複数個の固定子ティース組単位で回転対称になっており、各固定子ティース組において、固定子ティース組に含まれる所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並設され、前記所定個数の固定子ティースには、個別にメイン巻線が巻回されていると共に、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくともひとつにはサブ巻線がさらに巻回され、固定子ティース組に含まれる所定個数のメイン巻線と、当該固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれる少なくともひとつのサブ巻線とが直列に結線されて、ひとつの相の巻線を構成し、前記固定子ティース組に含まれる少なくともひとつのサブ巻線と、当該固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれる所定個数のメイン巻線とが直列に結線されて、ひとつの相の巻線を構成している。

本発明の同期電動機によれば、以下のような効果を得ることができる。
上記構成では、各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースは回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並んでいるので、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することができる。

また、上記構成によれば、ひとつの固定子ティースに巻回されたメイン巻線およびサブ巻線は、それぞれ異なる相の巻線の一部分となる。そのため、当該固定子ティースに生じる磁界は、メイン巻線に基づく磁界とサブ巻線に基づく磁界とをベクトル合成したものとなる。このベクトル合成により得られる磁界の大きさおよび位相は、メイン巻線およびサブ巻線の巻数を調整することにより任意に調整することができる。したがって、各固定子ティースのメイン巻線およびサブ巻線の巻数を適切に調整すれば、固定子ティースが回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で配置されていても、何れの固定子ティースも最大トルクを生みださせることができ、その結果、全体としてのトルクを高めることができる。

なお、上記構成では、メイン巻線およびサブ巻線は何れも固定子ティースに集中巻に巻回されているので、特許文献３に開示されているような分布巻を採用した同期電動機に比べてコイルエンド部を低く、かつ、巻線の配線長を短くすることができる。したがって、小型で高効率な同期電動機を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る同期電動機の平面図 図１の同期電動機の詳細図 本発明の第１の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図 従来の同期電動機の詳細図 トルクの時間変化を示す図 本発明の第２の実施形態に係る同期電動機の詳細図 本発明の第２の実施形態に係る同期電動機の巻線図 本発明の第３の実施形態に係る同期電動機の平面図 本発明の第４の実施形態に係る同期電動機の平面図 本発明の第４の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図 本発明の第１の変形例に係る同期電動機の平面図 図１１の同期電動機の詳細図 本発明の第１の変形例に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図 本発明の第２の変形例に係る同期電動機の平面図

本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
＜概略構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機の平面図、図２は、図１の同期電動機の詳細図である。

同期電動機１は回転子２および固定子３から構成される。
回転子２は、回転子コア４および２０個の永久磁石５を含み、永久磁石５は回転子コア４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５によって構成される磁極６は、固定子３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は２０極であり、機械角に対して電気角が１０倍の関係となっている。

固定子３は、回転子２に対向配置されている１８個の固定子ティース７を含む。このように磁極の個数が２０であり固定子ティースの個数が１８であるため、固定子ティース７は円周に沿って半円あたり１０／９でずれて配置されている。なお、図１では固定子ティースの参照符号として「７ａ」のようにアルファベットが付記されているが、個々の固定子ティースを区別する必要がなく１８個の固定子ティースを総称する場合には、単に「固定子ティース７」と表記する。これ以外の構成要素の参照符号についても同様とする。各固定子ティース７には巻線９が巻回されている。

回転子磁極間１０，１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計回転方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を１０、反時計回転方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を１１と示している。なお、１１’は、磁極間１１に対して、電気角２πラジアンで、磁極対の繰り返しのため電気角で同じ位置だが機械角で異なる位置の磁極間位置を示している。

＜固定子ティース組の構成＞
次に、固定子ティース組の構成について説明する。１８個の固定子ティース７は、周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組８を構成している。このように構成された合計６組の固定子ティース組８ａ，８ｂ，８ｃ，８ａ’，８ｂ’，８ｃ’は、機械角で６０°毎に等間隔に配置されている。

固定子ティース組は、固定子の周方向に並ぶ複数の固定子ティースで構成され、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティースに対して、他の基準の固定子ティースが示す回転子との位相関係よりも近い位相関係にある固定子ティースで構成される。ここでは、固定子ティース組８を構成する固定子ティースの個数が３の場合であり、固定子ティース組８は、メイン巻線のみが巻回されたひとつの固定子ティースとメイン巻線およびサブ巻線が巻回されたふたつの固定子ティースとで構成される。なお、固定子ティースにひとつの巻線のみが巻回されている場合には、その巻線をメイン巻線と称し、固定子ティースにふたつの巻線が巻回されている場合には、巻数の多い方をメイン巻線と称し、巻数の少ない方をサブ巻線と称することとする。

図２に示すように、固定子ティース組８ａは、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース７ａと、これに隣接する固定子ティース７ａｂ，７ａｃとから構成されている。反時計回転方向を＋方向とすると、固定子ティース７ａｂは、固定子ティース７ａからみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン遅れた位置に配置されており、固定子ティース７ａｃは、固定子ティース７ａからみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン進んだ位置に配置されている。

また、固定子ティース７ａにはメイン巻線９１ａのみが巻回され、固定子ティース７ａｂにはメイン巻線９１ｂおよびサブ巻線９２ｅが巻回され、固定子ティース７ａｃにはメイン巻線９１ｃおよびサブ巻線９３ｄが巻回されている。固定子ティース７ａｂは、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース７ａ，７ｂに挟まれているが、固定子ティース７ｂの位相にπラジアン加えた位相に比べて固定子ティース７ａの位相に近いため、固定子ティース７ａと同じ固定子ティース組８ａに属する。また、固定子ティース７ａｃは、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース７ａ，７ｃに挟まれているが、固定子ティース７ｃの位相にπラジアン加えた位相に比べて固定子ティース７ａの位相に近いため、固定子ティース７ａと同じ固定子ティース組８ａに属する。他の固定子ティース組８ｂ，８ｃ，８ａ’，８ｂ’，８ｃ’についても同様である。

なお、同期電動機１では、固定子ティース組８ａ，８ｂ，８ｃの組み合わせが周方向に２組（固定子ティース組８ａ’，８ｂ’，８ｃ’）繰り替えされた配置となり、固定子ティース７ａ、７ｂ、７ｃの組み合わせが周方向に２組、（７ａ’，７ｂ’，７ｃ’）繰り替えされた配置となる。

＜固定子巻線の構成＞
次に固定子巻線の構成について説明する。本実施形態では、ひとつの相の固定子巻線は、固定子ティース組に含まれる３個のメイン巻線と、当該固定子ティース組に時計回転方向に隣接する固定子ティース組に含まれる１個のサブ巻線と、当該固定子ティース組に反時計回転方向に隣接する固定子ティース組に含まれる１個のサブ巻線とから構成される。

例えば、図２に示すように、固定子巻線９１は、固定子ティース組８ａに含まれるメイン巻線９１ａ，９１ｂ，９１ｃと、固定子ティース組８ｂに含まれるサブ巻線９１ｄと、固定子ティース組８ｃに含まれるサブ巻線９１ｅとを直列に結線して構成されている。固定子巻線９１の端部２１ａはＵ相の入力端子に接続され、固定子巻線９１の端部２１ｎは中性点に接続される。なお、便宜上「直列に結線」と表現しているが、固定子ティース毎に線材を個別に巻回して事後的に接続することに限らず、一本の線材を連続的に各固定子ティースに巻回して構成することも含むものとする。

固定子巻線９２は、固定子ティース組８ｂに含まれるメイン巻線９２ａ，９２ｂ，９２ｃと、固定子ティース組８ｃ’に含まれるサブ巻線９２ｄと、固定子ティース組８ａに含まれるサブ巻線９２ｅとを直列に結線して構成されている。固定子巻線９２の端部２２ａはＶ相の入力端子に接続され、固定子巻線９２の端部２２ｎは中性点に接続される。

同様に、固定子巻線９３は、固定子ティース組８ｃに含まれるメイン巻線９３ａ，９３ｂ，９３ｃと、固定子ティース組８ｂ’に含まれるサブ巻線９３ｅと、固定子ティース組８ａに含まれるサブ巻線９３ｄとを直列に結線して構成されている。固定子巻線９３の端部２３ａはＷ相の入力端子に接続され、固定子巻線９３の端部２３ｎは中性点に接続される。同期電動機１では、固定子巻線９１，９２，９３の組み合わせが周方向に２組（固定子巻線９１’，９２’，９３’）繰り替えされた配置となる。

本実施形態では、各相の固定子巻線が上記構成をもつため、ひとつの固定子ティースに巻回されたメイン巻線およびサブ巻線には、それぞれ異なる相の電流が供給されることになる。そのため、当該固定子ティースに生じる磁界は、メイン巻線に基づく磁界とサブ巻線に基づく磁界とをベクトル合成したものとなる。例えば、固定子ティース７ａｂには、メイン巻線９１ｂに流れるＵ相の電流に基づく磁界とサブ巻線９２ｅに流れるＶ相の電流に基づく磁界とをベクトル合成した磁界が生じる。また、固定子ティース７ａｃには、メイン巻線９１ｃに流れるＵ相の電流に基づく磁界とサブ巻線９３ｄに流れるＷ相の電流に基づく磁界とをベクトル合成した磁界が生じる。一方、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース７ａには、メイン巻線９１ａに流れるＵ相の電流に基づく磁界が生じる。このように固定子ティース７ａ，７ａｂ，７ａｃにそれぞれ生じる磁界は互いに位相が異なる。

＜固定子ティースに生じる磁界＞
図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図である。図２と図３を用いて固定子ティースに生じる磁界について説明する。

同期電動機１は３相同期電動機であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の位相差は電気角で２π／３ラジアンである。固定子ティース７ａ（図２，Ｈ２）には、Ｕ相の巻線９１が第１方向に巻数Ｎ１だけ巻回されている。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース７ａのＵ相の巻線９１に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３にＨ２で示す。

固定子ティース７ａｂ（図２，Ｈ１）には、Ｕ相の巻線９１が第１方向とは逆の第２方向に巻数Ｎ１１２だけ巻回されると共に、Ｖ相の巻線９２が巻数Ｎ２１２だけ巻回されている。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース７ａｂのＵ相の巻線９１に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３に−Ｕ２で示し、固定子ティース７ａｂのＶ相の巻線９２に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３にＶ３で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図３にＨ１で示す。

固定子ティース７ａｃ（図２，Ｈ３）には、Ｕ相の巻線９１が第２方向に巻数Ｎ１１３だけ巻回されると共に、Ｗ相の巻線９３が巻数Ｎ３１３だけ巻回されている。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース７ａｃのＵ相の巻線９１に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３に−Ｕ２で示し、固定子ティース７ａｃのＷ相の巻線９３に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３のＷ３で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図３にＨ３で示す。

ここで磁極の数Ａ（Ａは２以上の偶数）が２０、固定子ティースの数Ｂ（ＢはＡと等しくない３の倍数）が１８であり、電気角で２π／３ラジアンの位相差をもつ３相交流で駆動されているので、Ａ／２とした磁極対数Ｐが１０、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数ｋが６となるので、巻線比係数αは以下の式で計算できる。

α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
＝｜２π／２０−２π／１８｜×１０
＝π／９ ラジアン
固定子ティース７ａに巻回されたＵ相の巻線９１の巻数をＮ１とすると、固定子ティース７ａｂに巻回されたＵ相の巻線９１の巻数Ｎ１１２およびＶ相の巻線９２の巻数Ｎ２１２は、以下の通りである。

Ｎ１１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／９）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（２π／９）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ２１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／９）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース７ａｂに生じる磁界Ｈ１は、固定子ティース７ａに生じる磁界Ｈ２とほぼ同じ大きさとなり、固定子ティース７ａに生じる磁界Ｈ２に対して磁界の向きを反転させて（πラジアンずらして）さらに電気角でπ／９ラジアン進めた位相をもつこととなる。

また、固定子ティース７ａｃに巻回されたＵ相の巻線９１の巻数Ｎ１１３およびＷ相の巻線９３の巻数Ｎ３１３は、以下の通りである。
Ｎ１１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／９）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（２π／９）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ３１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／９）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース７ａｃに生じる磁界Ｈ３は、固定子ティース７ａに生じる磁界Ｈ２とほぼ同じ大きさとなり、固定子ティース７ａに生じる磁界Ｈ２に対して磁界の向きを反転させて（πラジアンずらして）さらに電気角でπ／９ラジアン遅れた位相をもつこととなる。

なお、上記の式では、右辺と左辺とがほぼ等しいことを示す記号（≒）を用いているが、これは実際には完全に一致させることが困難な場合が多いためである。上記の記号は、右辺が小数になる場合にはその小数に近い整数を採用する程度の一致を含み、さらには、設計上誤差として無視できる程度の一致を含むこととする。

図２において、固定子ティース７ａからみて固定子ティース７ａｂは、電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン遅れた位置にある。このような位置関係にある固定子ティース７ａｂに、磁界Ｈ２に対して電気角でπラジアンからπ／９ラジアンだけ進んだ磁界Ｈ１が生じるので、固定子ティース７ａｂの軸と回転子の磁極間１１とが一致したときに固定子ティース７ａｂに最大の磁界を生じさせると共に、固定子ティース７ａの軸と回転子の磁極間１０とが一致したときに固定子ティース７に最大の磁界を生じさせることができる。

また、図２において、固定子ティース７ａからみて固定子ティース７ａｃは、電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン進んだ位置にある。このような位置関係にある固定子ティース７ａｃに、磁界Ｈ２に対して電気角でπラジアンからπ／９ラジアンだけ遅れた磁界Ｈ３が生じるので、固定子ティース７ａの軸と回転子の磁極間１０とが一致したときに固定子ティース７ａに最大の磁界を生じさせると共に、固定子ティース７ａｃの軸と回転子の磁極間１１’とが一致したときに固定子ティース７ａｃに最大の磁界を生じさせることができる。

このように本実施形態では、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。

＜トルクの比較＞
次に、本実施形態の同期電動機から得られるトルクと、従来の同期電動機から得られるトルクとを比較する。図４は、従来の同期電動機の詳細図である。従来の同期電動機は、本実施形態の同期電動機と巻線の構成が異なる。図４に示すように、固定子ティース８７ａ，８７ａｂ，８７ａｃには、それぞれ巻線８９１ａ，８９１ｂ，８９１ｃが巻回され、これらは直列に結線されている。各固定子ティースにはＵ相の巻線しか巻回されていないため、各固定子ティースに生じる磁界は同位相となる。すなわち固定子ティース８７ａの軸と回転子の磁極間１０とが一致したときに固定子ティース８７ａに最大の磁界を生じさせることとすれば、固定子ティース８７ａｂと回転子の磁極間１１とがずれたときに固定子ティース８７ａｂに最大の磁界が生じ、同様に固定子ティース８７ａｃと回転子の磁極間１１’とがずれたときに固定子ティース８７ａｃに最大の磁界が生じる。そのため固定子ティース８７ａが生み出すマグネットトルクについては最大とすることができるが、固定子ティース８７ａｂ，８７ａｃがそれぞれ生み出すマグネットトルクについては最大とすることができない。したがって、本実施形態に比べて、全体のトルクは低く、トルク脈動も大きい。

図５は、トルクの時間変化を示す図である。
本実施形態の同期電動機から得られるトルク波形をＴ１で示し、従来の同期電動機から得られるトルク波形をＴ０で示す。トルクの大きさについては、本実施形態は従来に比べて１０５％高めることができた。また、平均トルクに対するトルク脈動の比であるトルク脈動率については、本実施形態は従来に比べて５．３％から０．５％まで大幅に低減させることができた。このように本実施形態によれば、従来トレードオフの関係と考えられていた高トルク化とトルク脈動の低減とを両立させることができた。

＜補足説明＞
本実施形態の同期電動機では、回転子磁極の間隔が機械角１８°（電気角πラジアン）であるのに対し、固定子ティース組内の３個の固定子ティースの間隔は機械角１８°度からずれた機械角２０°としている。このように機械的な位相差をもたせることにより、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することができる。

また、本実施形態の同期電動機では、固定子ティース組内の固定子ティースは電気角πラジアンに対して各々π／９ラジアンの位相差をもつ配置となっており、各固定子ティースに生じる磁界にはπ／９ラジアンの位相差をもたせている。そのため、各々の固定子ティースから得られるトルクを同じにすることができるのでπ／３ラジアンを基本周期とするトルク脈動を打ち消すことができ、かつ、各々の固定子ティースから得られるトルクを最大にすることができるので全体のトルクを高めることができる。

なお、上述の説明では、永久磁石によるマグネットトルクのみを考慮していたので、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界の大きさが最大となるように磁界の位相を調整している。しかしながら、本実施形態の同期電動機は、回転子コア内部に永久磁石を配置した、いわゆる磁石埋込み型同期電動機であり、磁石によるマグネットトルクに加えて、磁気抵抗の差によるリラクタンストルクを利用することができる同期電動機である。そのため、マグネットトルクとリラクタンストルクの両者を生かして最大トルクを得るために、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とがずれた位置関係で固定子ティースに生じる磁界の大きさが最大となるように磁界の位相を調整することが有効な場合がある。

また、本実施形態では、固定子ティースに固定子巻線を巻回するのに集中巻を採用している。そのため、固定子の端面の巻線いわゆるコイルエンドの小型化が図れ、同期電動機の小型化ができる。また、巻線のコイルエンドは、電流を流してもトルクに寄与しない部分であり、通電時の巻線抵抗によるジュール損である銅損を低下することができ高効率である。

また、本実施形態では、回転子が固定子の外周側に配置された、いわゆるアウターロータ型を採用している。そのため、同じ体積で比較した場合、回転子が固定子の内周側に配置されたインナーロータ型に比べて、回転子径を大きくすることができる。したがって、本実施形態のような極数が２０となるような同期電動機でも、永久磁石の大きさを小さくする必要がないので有効磁束の低下を防ぐことができる。

また、本実施形態では、回転子磁極の数が２０個、固定子ティースの数が１８個の同期電動機であるが、固定子ティースが９個や２７個といった９の倍数に対して、回転子の磁極数が１０の倍数の組み合わせ、すなわち１０ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）の組み合わせであれば、電気角で上記の関係が成立する配置関係とすることで、同様の効果が得られる。

また、本実施形態では、固定子ティース組８ａ、８ｂ、８ｃと、固定子ティース組８ａ’、８ｂ’、８ｃ’のグループが２個、軸に対して対称な配置となるので、固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。したがって、軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期電動機が得られる。同様に３０極２７ティースでは、中性点接続された固定子ティース組が３個軸に対して機械角で１２０°ごとの配置となるため、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。

また、固定子ティースおよび回転子の磁極のいずれか、または両者を回転軸方向で旋回した構成とすることで、磁束変化がより滑らかになり、さらなる低振動な同期電動機とすることができる。

また、固定子の磁性材を圧粉鉄心材や、薄板の磁性材や、アモルファス磁性材を用いることで鉄損を大幅に低減することができ、より高効率な同期電動機とすることができる。
また、１極を構成する永久磁石を複数個で構成することにより永久磁石に発生する渦電流損を低減でき、より高効率な同期電動機とすることができる。

また、巻線を、複数の細い径の巻線や、扁平な平角線とすることで巻線の表面積を拡大し、高周波駆動時の表皮効果を低減して高効率な同期電動機とすることができる。
以上、本実施形態によれば、トルクを向上させてトルク脈動を低減することができ、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な同期電動機を提供することができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、固定子巻線の構成が第１の実施形態と異なる。これ以外の構成については第１の実施形態と同様なので説明を省略する。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る同期電動機の詳細図である。
第１の実施形態との差異は、固定子ティースに巻回された巻線の結線の順番が異なる点である。図６では、Ｕ相の固定子巻線９４の構成について詳細に述べる。固定子巻線９４は、Ｕ相の入力端子に接続される端部２４ａから中性点に接続される端部２４ｎにかけて、巻線９４ａ，９４ｃ，９４ｂ，９４ｄ，９４ｅの順番に結線されて構成されている。本実施形態では、ひとつの巻線のみが巻回されている固定子ティースに巻回された巻線を最も入力端子の近くになるように結線している。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る同期電動機の巻線図である。
Ｕ相の固定子巻線９４のうち、ひとつの巻線のみが巻回された固定子ティースの巻線を９４ａ、複数の巻線が巻回された固定子ティースの巻線をそれぞれ９４ｂ、９４ｃ、９４ｄ、９４ｅで示した。

同様に、Ｖ相の固定子巻線９５のうち、ひとつの巻線のみが巻回された固定子ティースの巻線を９５ａ、複数の巻線が巻回された固定子ティースの巻線をそれぞれ９５ｂ、９５ｃ、９５ｄ、９５ｅで示した。また、Ｗ相の固定子巻線９６のうち、ひとつの巻線のみが巻回された固定子ティースの巻線を９６ａ、複数の巻線が巻回された固定子ティースの巻線をそれぞれ９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ、９６ｅで示した。

図７に示したとおり、各入力端子には、ひとつの巻線のみが巻回された固定子ティースに巻回されている巻線９４ａ、９５ａ、９６ａが接続されている。巻線９４ａ、９５ａ、９６ａは他の巻線と比較して巻数が多く、巻線の両端での電位差が他の巻数の少ない巻線よりも高くなる。

ひとつの固定子ティースにひとつの相の巻線のみを巻回すれば、他の固定子ティースに巻回された他の相の巻線との相間絶縁の信頼性が高い。一方、ひとつの固定子ティースに複数の相の巻線を巻回している場合は、複数の巻線における相間の絶縁が複雑となる。

そこで、ひとつの固定子ティースに複数の相の巻線を巻回した巻線間での相間絶縁の信頼性を高めるために、ひとつの固定子ティースに複数の相の巻線を巻回した巻線を中性点に近い結線とした。また、ひとつの固定子ティースにひとつの相の巻線のみを巻回した巻線の相関絶縁の信頼性を高めるために、ひとつの固定子ティースにひとつの相の巻線を巻回した巻線を入力端子に近い結線とした。

なお、上記目的に鑑みれば、巻線９４ｃ，９４ｂ，９４ｄ，９４ｅの結線の順番は変わってもよい。
以上、本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、複数の相の巻線間の相間絶縁の信頼性を高めることができる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、８ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）の同期電動機である点で、第１の実施形態と異なる。

＜概略構成＞
図８は、本発明の第３の実施形態に係る同期電動機の平面図である。
同期電動機３１は、回転子３２と固定子３３から構成される。

回転子３２は、回転子コア３４および８個の永久磁石３５を含み、永久磁石３５は回転子コア３４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石３５によって構成される磁極３６は、固定子３３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は８極であり、機械角に対して電気角が４倍の関係となっている。

固定子３３は、回転子３２に対向配置されている９個の固定子ティース３７を含む。このように磁極の個数が８であり固定子ティースの個数が９であるため、固定子ティース３７は円周に沿って半円あたり８／９でずれて配置されている。各固定子ティース３７には巻線が巻回されている。

回転子磁極間３１０，３１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計回転方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を３１１、反時計回転方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を３１０と示している。なお、３１１’は、磁極間３１１に対して、電気角２πラジアンで、磁極対の繰り返しのため電気角で同じ位置だが機械角で異なる位置の磁極間位置を示している。

固定子ティース３７ａ，３７ｂ，３７ｃは、それぞれメイン巻線のみが巻回された固定子ティースであり、機械角で１２０°の等間隔で配置されている。
図８に示す状態では、固定子ティース３７ａの軸は回転子の磁極間３１０と一致した状態で対向している。また、反時計回転方向を＋方向とすると、固定子ティース３７ｂの軸と回転子の磁極との位置関係は、機械角で１２０°、電気角で＋２π／３ラジアンずれて配置されている。また、固定子ティース３７ｃの軸と回転子の磁極との位置関係は、機械角で−１２０°、電気角で−２π／３ラジアンずれて配置されている。よって、固定子ティース３７ａ，３７ｂ，３７ｃは互いに電気角で２π／３ラジアンの間隔の配置となる。

＜固定子ティース組の構成＞
次に、固定子ティース組の構成について説明する。９個の固定子ティース３７は、周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組を構成している。このように構成された合計３組の固定子ティース組は、機械角で１２０°毎に等間隔に配置されている。

例えば、ひとつの固定子ティース組は、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース３７ａと、これに隣接する固定子ティース３７ａｂ，３７ａｃとから構成されている。固定子ティース３７ａｂは、固定子ティース３７ａからみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン遅れた位置に配置されており、固定子ティース３７ａｃは、固定子ティース３７ａからみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン進んだ位置に配置されている。

また、固定子ティース３７ａにはメイン巻線３９１ａのみが巻回され、固定子ティース３７ａｂにはメイン巻線３９１ｂおよびサブ巻線３９２ｅが巻回され、固定子ティース３７ａｃにはメイン巻線３９１ｃおよびサブ巻線３９３ｄが巻回されている。固定子ティース３７ａｂは、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース３７ａ，３７ｂに挟まれているが、固定子ティース３７ｂの位相にπラジアン加えた位相に比べて固定子ティース３７ａの位相に近いため、固定子ティース３７ａと同じ固定子ティース組に属する。また、固定子ティース３７ａｃは、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース３７ａ，３７ｃに挟まれているが、固定子ティース３７ｃの位相にπラジアン加えた位相に比べて固定子ティース３７ａの位相に近いため、固定子ティース３７ａと同じ固定子ティース組に属する。

＜固定子巻線の構成＞
次に固定子巻線の構成について説明する。例えば、図８に示すように、固定子巻線３９１は、巻線３９１ａ，３９１ｂ，３９１ｃ，３９１ｄ，３９１ｅを直列に結線して構成されている。固定子巻線３９１の端部３２１ａはＵ相の入力端子に接続され、固定子巻線３９１の端部３２１ｎは中性点に接続される。

＜固定子ティースに生じる磁界＞
本実施形態でも、図３に示すベクトル図が適用可能である。図８と図３を用いて固定子ティースに生じる磁界について説明する。

同期電動機３１は３相同期電動機であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の位相差は電気角で２π／３ラジアンである。固定子ティース３７ａ（図８，Ｈ２）には、Ｕ相の巻線３９１が第１方向に巻数Ｎ１だけ巻回されている。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース３７ａのＵ相の巻線３９１に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３にＨ２で示す。

固定子ティース３７ａｂ（図８，Ｈ１）には、Ｕ相の巻線３９１が第１方向とは逆の第２方向に巻数Ｎ１１２だけ巻回されると共に、Ｖ相の巻線３９２が巻数Ｎ２１２だけ巻回されている。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース３７ａｂのＵ相の巻線３９１に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３に−Ｕ２で示し、固定子ティース３７ａｂのＶ相の巻線３９２に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３にＶ３で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図３にＨ１で示す。

固定子ティース３７ａｃ（図８，Ｈ３）には、Ｕ相の巻線３９１が第２方向に巻数Ｎ１１３だけ巻回されると共に、Ｗ相の巻線３９３が巻数Ｎ３１３だけ巻回されている。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース３７ａｃのＵ相の巻線３９１に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３に−Ｕ２で示し、固定子ティース３７ａｃのＷ相の巻線３９３に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図３のＷ３で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図３にＨ３で示す。

ここで磁極の数Ａ（Ａは２以上の整数）が８、固定子ティースの数Ｂ（ＢはＡと等しくない３の倍数）が９であり、電気角で２π／３ラジアンの位相差をもつ３相交流で駆動されているので、Ａ／２とした磁極対数Ｐが４、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数ｋが３（３の倍数）となるので、巻線比係数αは以下の式で計算できる。

α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
＝｜２π／８−２π／９｜×４
＝π／９ ラジアン
固定子ティース３７ａに巻回されたＵ相の巻線３９１の巻数をＮ１とすると、固定子ティース３７ａｂに巻回されたＵ相の巻線３９１の巻数Ｎ１１２およびＶ相の巻線３９２の巻数Ｎ２１２は、以下の通りである。

Ｎ１１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／９）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（２π／９）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ２１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／９）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース３７ａｂに生じる磁界Ｈ１は、固定子ティース３７ａに生じる磁界Ｈ２とほぼ同じ大きさとなり、固定子ティース３７ａに生じる磁界Ｈ２に対して磁界の向きを反転させて（πラジアンずらして）さらに電気角でπ／９ラジアン進めた位相をもつこととなる。

また、固定子ティース３７ａｃに巻回されたＵ相の巻線３９１の巻数Ｎ１１３およびＷ相の巻線３９３の巻数Ｎ３１３は、以下の通りである。
Ｎ１１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／９）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（２π／９）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ３１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／９）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース３７ａｃに生じる磁界Ｈ３は、固定子ティース３７ａに生じる磁界Ｈ２とほぼ同じ大きさとなり、固定子ティース３７ａに生じる磁界Ｈ２に対して磁界の向きを反転させて（πラジアンずらして）さらに電気角でπ／９ラジアン遅れた位相をもつこととなる。

図８において、固定子ティース３７ａからみて固定子ティース３７ａｂは、電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン遅れた位置にある。このような位置関係にある固定子ティース３７ａｂに、磁界Ｈ２に対して電気角でπラジアンからπ／９ラジアンだけ進んだ磁界Ｈ１が生じるので、固定子ティース３７ａｂの軸と回転子の磁極間３１１’とが一致したときに固定子ティース３７ａｂに最大の磁界を生じさせると共に、固定子ティース３７ａの軸と回転子の磁極間３１０とが一致したときに固定子ティース３７に最大の磁界を生じさせることができる。

また、図８において、固定子ティース３７ａからみて固定子ティース３７ａｃは、電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン進んだ位置にある。このような位置関係にある固定子ティース３７ａｃに、磁界Ｈ２に対して電気角でπラジアンからπ／９ラジアンだけ遅れた磁界Ｈ３が生じるので、固定子ティース３７ａの軸と回転子の磁極間３１０とが一致したときに固定子ティース３７ａに最大の磁界を生じさせると共に、固定子ティース３７ａｃの軸と回転子の磁極間３１１とが一致したときに固定子ティース３７ａｃに最大の磁界を生じさせることができる。

このように本実施形態では、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。

本実施形態は８極９ティースの構成であるが、１６極１８ティースの構成でも同様の効果が得られる。なお、１６極１８ティースでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が軸に対して対称な配置となるので、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。したがって、軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期電動機が得られる。同様に２４極２７ティースでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対して機械角で１２０°ごとに３個の配置となるため、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）の同期電動機である点で、第１の実施形態と異なる。

＜概略構成＞
図９は、本発明の第４の実施形態に係る同期電動機の平面図である。
同期電動機４１は、回転子４２と固定子４３から構成される。

回転子４２は、回転子コア４４および１０個の永久磁石４５を含み、永久磁石４５は回転子コア４４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石４５によって構成される磁極４６は、固定子４３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は１０極であり、機械角に対して電気角が５倍の関係となっている。

固定子４３は、回転子４２に対向配置されている１２個の固定子ティース４７を含む。このように、磁極の個数が１０であり、固定子ティースの個数が１２であるため、固定子ティース４７は円周に沿って半円あたり５／６でずれて配置されている。各固定子ティース４７には巻線が巻回されている。

回転子磁極間４１０，４１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計回転方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を４１１、反時計回転方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を４１０と示している。何れの固定子ティースにもメイン巻線およびサブ巻線がそれぞれ集中巻に巻回されている。

固定子ティース４７ａｂ，４７ａｃでは、Ｕ相の巻線４９１ａ，４９１ｂが他の相の巻線よりも多く巻回されている。反時計回転方向を＋とした場合、固定子ティース４７ａｃが、回転子の磁極間４１０に対して電気角でπ／１２ラジアン進んだ位置に配置されるときに、固定子ティース４７ａｂは、回転子の磁極間４１１に対して電気角でπ／１２ラジアン遅れた位置に配置される。

また、固定子ティース４７ｂａは回転子磁極間４１１に対して２／３πラジアン進んだ位置４２２から電気角でさらにπ／１２ラジアン進んだ位置に配置され、固定子ティース４７ｂｃは位置４２２からみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／１２ラジアン遅れた位置に配置される。

また、固定子ティース４７ｃａは、回転子磁極間４１０に対して２／３πラジアン遅れた位置４２３から電気角でさらにπ／１２ラジアン遅れた位置に配置され、固定子ティース４７ｃｂは位置４２３からみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／１２ラジアン進んだ位置に配置されている。

よって、固定子ティース４７ａｃと固定子ティース４７ａｂに対して、固定子ティース４７ｂａと固定子ティース４７ｂｃ、固定子ティース４７ｃｂと固定子ティース４７ｃａは、それぞれ電気角で２π／３ラジアンの等間隔で配置されている。

＜固定子ティース組の構成＞
次に、固定子ティース組の構成について説明する。１２個の固定子ティース４７は、周方向に並ぶ２個単位で固定子ティース組を構成している。ひとつの固定子ティース組のなかで回転子との位相関係を示す基準の固定子ティースは、メイン巻線の巻数が最も多い固定子ティースとする。例えば、固定子ティース４７ａｂ，４７ａｃから構成される固定子ティース組に着目すると、基準の固定子ティースは固定子ティース４７ａｂ，４７ａｃである。図９に示すように、固定子ティース４７ａｃおよび固定子ティース４７ａｂのそれぞれが、磁極間隔であるπラジアンに対してπ／１２ラジアンずれて配置される。

＜固定子巻線の構成＞
次に固定子巻線の構成について説明する。例えば、図９に示すように、固定子巻線４９１は、巻線４９１ａ，４９１ｂ，４９１ｃ，４９１ｄを直列に結線して構成されている。固定子巻線４９１の端部４２１ａはＵ相の入力端子に接続され、固定子巻線４９１の端部４２１ｎは中性点に接続される。

＜固定子ティースに生じる磁界＞
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図である。図９と図１０を用いて固定子ティースに生じる磁界について説明する。

同期電動機４１は３相同期電動機であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の位相差は電気角で２π／３ラジアンである。固定子ティース４７ａｂ（図９，Ｈ２）には、Ｕ相の巻線４９１が第１方向に巻数Ｎ１１２だけ巻回されると共に、Ｖ相の巻線４９２が巻数Ｎ２１２だけ巻回されている。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース４７ａｂのＵ相の巻線４９１に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図１０にＵ１で示し、固定子ティース４７ａｂのＶ相の巻線４９２に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図１０に−Ｖ２で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図１０にＨ２で示す。

固定子ティース４７ａｃ（図９，Ｈ１）には、Ｕ相の巻線４９１が第２方向に巻数Ｎ１１３だけ巻回されると共に、Ｗ相の巻線４９３が巻数Ｎ３１３だけ巻回されている。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース４７ａｃのＵ相の巻線４９１に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図１０に−Ｕ１で示し、固定子ティース４７ａｃのＷ相の巻線４９３に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図１０のＷ２で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図１０にＨ１で示す。

ここで磁極の数Ａ（Ａは２以上の整数）が１０、固定子ティースの数Ｂ（ＢはＡと等しくない３の倍数）が１２であり、電気角で２π／３ラジアンの位相差をもつ３相交流で駆動されているので、Ａ／２とした磁極対数Ｐが５、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数ｋが４（３の倍数以外）となるので、巻線比係数αは以下の式で計算できる。

α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２
＝｜２π／１０−２π／１２｜×５／２
＝π／１２ ラジアン
固定子ティース４７ａｂに巻回されたＵ相の巻線４９１の巻数をＮ１１２、固定子ティース４７ａｂに巻回されたＶ相の巻線４９２の巻数をＮ２１２としたとき、以下の通りとなる。

Ｎ１＝Ｎ１１２＋Ｎ２１２
Ｎ１１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／４）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ２１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース４７ａｂに生じる磁界Ｈ２は、Ｕ相に対して電気角でπ／１２ラジアン進んだ位相をもつこととなる。

固定子ティース４７ａｃに巻回されたＵ相の巻線４９１の巻数をＮ１１３、固定子ティース４７ａｃに巻回されたＷ相の巻線４９３の巻数をＮ３１３としたとき、以下の通りとなる。

Ｎ１＝Ｎ１１３＋Ｎ３１３
Ｎ１１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／４）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ３１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース４７ａｃに生じる磁界Ｈ１は、−Ｕ相に対して電気角でπ／１２ラジアン遅れた位相をもつこととなる。

図９において、回転子磁極間４１０からみて固定子ティース４７ａｃは、電気角でπ／１２ラジアン進んだ位置にある。このような位置関係にある固定子ティース４７ａｃに、−Ｕ相からπ／１２ラジアンだけ遅れた磁界Ｈ１が生じるので、固定子ティース４７ａｃの軸と回転子の磁極間４１０とが一致したときに固定子ティース４７ａｃに最大の磁界を生じさせることができる。

また、図９において、回転子磁極間４１１からみて固定子ティース４７ａｂは、電気角でπ／１２ラジアン遅れた位置にある。このような位置関係にある固定子ティース４７ａｂに、Ｕ相からπ／１２ラジアンだけ進んだ磁界Ｈ２が生じるので、固定子ティース４７ａｂの軸と回転子の磁極間４１１とが一致したときに固定子ティース４７ａｂに最大の磁界を生じさせることができる。

このように本実施形態では、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。

本実施形態は１０極１２ティースの構成であるが、２０極２４ティースの構成でも同様の効果が得られる。１０ｑ極１２ｑティースでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が軸に対して対称な配置となるので、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。したがって、軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期電動機が得られる。

以上、本発明に係る同期電動機について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施形態では、複数の固定子ティースが固定子の周方向に等間隔に配置されていたが、本発明はこれに限られない不等間隔配置でもよい。図１１および図１２に、２０極１８ティースの構成であり、固定子ティースが等間隔に配置されていない同期電動機を示す。

この同期電動機５１は、周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組５８を構成しており、このように構成された複数の固定子ティース組５８は機械角で６０°の等間隔で配置されている。また、各固定子ティース組において、３個の固定子ティースは機械角で１９°の等間隔で配置されている。そうすると例えば、固定子ティース５７ａｂと固定子ティース５７ｂａとのなす角は機械角で２２°となり、固定子ティース組内の固定子ティースどうしのなす角（機械角で１９°）と異なることになる（図１２参照）。同期電動機５１に適した磁界の位相を図１３に示す。

図１３の磁界の位相を実現するには、固定子ティース５７ａに巻回されたＵ相の巻線５９１の巻数をＮ１とすると、固定子ティース５７ａｂに巻回されたＵ相の巻線５９１の巻数Ｎ１１２およびＶ相の巻線５９２の巻数Ｎ２１２は、以下の通りにすればよい。

Ｎ１１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／１８）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（５π／１８）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ２１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／１８）／ｓｉｎ（π／３）
また、固定子ティース５７ａｃに巻回されたＵ相の巻線５９１の巻数Ｎ１１３およびＷ相の巻線５９３の巻数Ｎ３１３は、以下の通りにすればよい。

Ｎ１１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／１８）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（５π／１８）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ３１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／１８）／ｓｉｎ（π／３）
このようにすれば、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
（２）実施形態では、１０ｑ極９ｑティース、８ｑ極９ｑティース、１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）の構成を挙げているが、本発明はこれに限らない磁極とティース数の組み合わせが可能である。例えば図１４に示すように、１６ｑ極１５ｑティースの構成でも構わない。

図１４に示す同期電動機６１は、１５個の固定子ティースが周方向に等間隔に並設されており、５個単位で固定子ティース組を構成している。互いに隣接する固定子ティースは、電気角でπラジアンずれた位置からさらにπ／１５ラジアンずれて配置されている。例えば、固定子ティース６７ａからみて固定子ティース６７１ａは、電気角でπラジアンずれた位置からさらにπ／１５ラジアン遅れた位置にある。また、固定子ティース６７１ａからみて固定子ティース６７２ａは、電気角でπラジアンずれた位置からさらにπ／１５ラジアン遅れた位置にある。すなわち、固定子ティース６７２ａは固定子ティース６７ａからみると電気角で２π／１５ラジアン遅れた位置となる。

また、ひとつの相の固定子巻線は、５個のメイン巻線および４個のサブ巻線を直列に結線されて構成されている。例えば、Ｕ相の固定子巻線６９１は、巻線６９１ａ，６９１ｂ，６９１ｃ，６９１ｄ，６９１ｅ，６９１ｆ，６９１ｇ，６９１ｈ，６９１ｉを直列に結線されて構成されている。

なお、各固定子ティースに巻回されているメイン巻線およびサブ巻線の比率は、基準の固定子ティースからみたときの位相差を打ち消すように設定されている。そうすることで固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
（３）実施形態では、例えば、図３に示すように、Ｈ１で示す磁界を作成するために、−Ｕ方向のベクトル（−Ｕ２）と＋Ｖ方向のベクトル（Ｖ３）とを合成することとしている。しかしながらこれに限る必要はなく、例えば、−Ｕ方向のベクトルと−Ｗ方向のベクトルとを合成することでＨ１に示す磁界を作成することとしてもよい。また、実施形態では、各固定子ティース組において、隣り合う固定子ティースでメイン巻線の巻回方向を互いに逆向きとしているが、これに限らず、メイン巻線の巻回方向を同じ向きとし、メイン巻線とサブ巻線との巻線比を調整することで任意のベクトルを作成することとしてもよい。
（４）実施形態では３相駆動の同期電動機を例示しているが、本発明は、例えば５相や７相など多相駆動の同期電動機にも適用可能である。
（５）実施形態では固定子巻線は固定子ティースに巻回されているが、本発明はこれに限らず、固定子ティースのない、いわゆるコアレスモータにも適用可能である。
（６）実施形態では特に挙げていないが、固定子巻線が回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子巻線の配置間隔だけずれていくスキュー配置を施すこととしてもよい。
（７）実施形態では、回転子が固定子の外側に配置されたアウターロータ型の同期電動機で説明しているが、回転子を固定子の内側に配置したインナーロータ型の同期電動機や、回転子と固定子とが軸方向に空隙を持って配置された、いわゆる面対向のアキシャルギャップ式同期電動機や、それらを複数組み合わせた構造の同期電動機でも同じ効果があることは言うまでもない。
（８）実施形態では、回転子の磁極を永久磁石により構成したが、磁気抵抗の差で構成したリラクタンストルクを利用した同期電動機、回転子に両者を組み合わせた同期電動機でも適用可能である。
（９）本発明は、同期回転機に限らず、同期発電機、また、直動駆動されるリニア同期電動機、リニア同期発電機にも適用できる。
（１０）本発明は、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な同期電動機を提供することができ、低振動、低騒音性が要求される自動車用途に特に有用である。

本発明は、小型高効率で低振動低騒音性が要求される、コンプレッサ用、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の同期電動機に利用可能である。

１、３１、４１、５１、６１ 同期電動機
２、３２、４２、５２、６２ 回転子
３、３３、４３、５３、６３ 固定子
４、３４、４４、５４、６４ 回転子コア
５、３５、４５、５５、６５ 永久磁石
６、３６、４６、５６、６６ 磁極
７、３７、４７、５７、６７ 固定子ティース
８、５８ 固定子ティース組
９、５９ 固定子巻線
９１、９２、９３、９４、９５、９６ 固定子巻線
３９１、４９１、５９１、６９１ 固定子巻線

Claims (17)

1. 周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、
   周方向に並設された複数の固定子ティースを含む固定子とを備え、
   前記複数の固定子ティースは、周方向に並ぶ所定個数単位で固定子ティース組を構成し、当該構成された複数の固定子ティース組の周方向の間隔は等しく、
   前記複数の固定子ティースでは、電気角で同じ位置にある固定子ティース組が複数個ずつ存在し、周方向に並んだ複数個の固定子ティース組単位で回転対称になっており、
   各固定子ティース組において、固定子ティース組に含まれる所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並設され、
   前記所定個数の固定子ティースには、個別にメイン巻線が巻回されていると共に、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくともひとつにはサブ巻線がさらに巻回され、
   固定子ティース組に含まれる所定個数のメイン巻線と、当該固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれる少なくともひとつのサブ巻線とが直列に結線されて、ひとつの相の巻線を構成し、
   前記固定子ティース組に含まれる少なくともひとつのサブ巻線と、当該固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれる所定個数のメイン巻線とが直列に結線されて、ひとつの相の巻線を構成していること
   を特徴とする同期電動機。
2. 前記固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組は、当該固定子ティース組に隣接する固定子ティース組であること
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
3. 各固定子ティース組において、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくとも二つにサブ巻線が巻回されており、
   ひとつの相の巻線は、固定子ティース組に含まれる所定個数のメイン巻線と、当該固定子ティース組からみて電気角で進んだ位置にある固定子ティース組に含まれるサブ巻線と、前記固定子ティース組からみて電気角で遅れた位置にある固定子ティース組に含まれるサブ巻線とを直列に結線して構成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
4. 各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの特定の固定子ティースにはメイン巻線のみが巻回されており、
   ひとつの相の巻線の一端は対応する相の入力端子に接続され、当該巻線の他端は中性点に接続されており、当該巻線を構成する所定個数のメイン巻線および少なくともひとつのサブ巻線は、前記特定の固定子ティースに巻回されているメイン巻線が最も入力端子の近くになるような結線順で結線されていること
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
5. 各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの第１の固定子ティースにはメイン巻線のみが巻回され、これに隣接する第２の固定子ティースにはメイン巻線およびサブ巻線が巻回されており、
   前記第１の固定子ティースと前記回転子の磁極とが所定の位置関係になったときに当該第１の固定子ティースから生じる磁界が最大となり、前記回転子が回転して前記第２の固定子ティースと前記回転子の磁極とが前記所定の位置関係と同一の位置関係になったときに当該第２の固定子ティースから生じる磁界が最大となるように、前記第２の固定子ティースに巻回されているメイン巻線およびサブ巻線の巻線比率が定められていること
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
6. 各固定子ティース組において、前記第１の固定子ティースから生じる磁界の最大値と前記第２の固定子ティースから生じる磁界の最大値とが同じになるように、前記第１の固定子ティースに巻回されているメイン巻線および前記第２の固定子ティースに巻回されているメイン巻線およびサブ巻線のそれぞれの巻数が定められていること
   を特徴とする請求項５に記載の同期電動機。
7. 各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの第１の固定子ティースにはメイン巻線のみが巻回され、これに隣接する第２の固定子ティースにはメイン巻線およびサブ巻線が巻回されており、
   磁極の数をＡ（但し、Ａは２以上の偶数）、固定子ティースの数をＢ（但し、ＢはＡと等しくない３の倍数）とし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
   ｋ＝３ｍのとき、
   α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐとなり、
   ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
   α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを定義し、
   前記第１の固定子ティースに巻回されたメイン巻線の巻数をＮ１としたとき、
   前記第２の固定子ティースに巻回されたメイン巻線の巻数は、
   （Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）
   にほぼ等しく、
   前記第２の固定子ティースに巻回されたサブ巻線の巻数は、
   （Ｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）
   にほぼ等しいこと
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
8. 各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースにはメイン巻線およびサブ巻線が巻回されており、
   磁極の数をＡ（但し、Ａは２以上の偶数）、固定子ティースの数をＢ（但し、ＢはＡと等しくない３の倍数）とし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
   ｋ＝３ｍのとき、
   α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐとなり、
   ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
   α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを定義し、Ｎ１を任意の数とし、
   メイン巻線の巻数を、
   （Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）
   としたとき、
   サブ巻線の巻数が、
   （Ｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）
   にほぼ等しいこと、
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
9. 各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの第１の固定子ティースにはメイン巻線のみが巻回され、これに隣接する第２の固定子ティースにはメイン巻線およびサブ巻線が巻回されており、
   前記第２の固定子ティースは前記第１の固定子ティースからみて電気角でπラジアンからαラジアンだけずれて配置されており、
   前記第１の固定子ティースに巻回されたメイン巻線の巻数をＮ１としたとき、
   前記第２の固定子ティースに巻回されたメイン巻線の巻数は、
   （Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）
   にほぼ等しく、
   前記第２の固定子ティースに巻回されたサブ巻線の巻数は、
   （Ｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）
   にほぼ等しいこと
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
10. 各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの第１の固定子ティースにはメイン巻線のみが巻回され、これに隣接する第２の固定子ティースにはメイン巻線およびサブ巻線が巻回されており、
    前記第２の固定子ティースに巻回されているメイン巻線の巻数およびサブ巻線の巻数の和は、前記第１の固定子ティースに巻回されているメイン巻線の巻数にほぼ等しいこと
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
11. 前記同期電動機は、各巻線の位置関係を維持しつつ前記固定子ティースを無くしたコアレス型の同期電動機であること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
12. 前記複数の固定子ティースのうち少なくともひとつは、前記回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子ティースの配置間隔だけずれていくスキュー配置が施されていること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
13. 前記同期電動機はインナーロータ型であること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
14. 前記同期電動機は永久磁石埋め込み型であること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
15. 前記同期電動機は自動車用であること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
16. 各固定子ティース組において、前記所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極間隔と異なる間隔であって、かつ、前記複数の固定子ティースの全てを周方向に等間隔に配置した場合よりも磁極間隔に近い間隔で並んでいること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
17. 周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、
    周方向に並設された複数の固定子ティースを含む固定子とを備え、
    前記複数の固定子ティースは、周方向に並ぶ所定個数単位で固定子ティース組を構成し、当該構成された複数の固定子ティース組の周方向の間隔は等しく、
    各固定子ティース組において、固定子ティース組に含まれる所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並設され、
    前記所定個数の固定子ティースには、個別にメイン巻線が巻回されていると共に、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくともひとつにはサブ巻線がさらに巻回され、
    固定子ティース組に含まれる所定個数のメイン巻線と、当該固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれる少なくともひとつのサブ巻線とが直列に結線されて、ひとつの相の巻線を構成し、
    前記固定子ティース組に含まれる少なくともひとつのサブ巻線と、当該固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれる所定個数のメイン巻線とが直列に結線されて、ひとつの相の巻線を構成しており、
    各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの特定の固定子ティースにはメイン巻線のみが巻回されており、
    ひとつの相の巻線の一端は対応する相の入力端子に接続され、当該巻線の他端は中性点に接続されており、当該巻線を構成する所定個数のメイン巻線および少なくともひとつのサブ巻線は、前記特定の固定子ティースに巻回されているメイン巻線が最も入力端子の近くになるような結線順で結線されていること
    を特徴とする同期電動機。

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