JP6193456B1 - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】特に直流励磁磁束専用のエアギャップを設けることなく界磁に直流励磁磁束を供給し得るようにする。【解決手段】ステータ１１０は１つのラジアル電機子２１０と２つのアキシャル電機子２２０を備え、ロータ１２０の界磁はラジアルエアギャップＧ０を介して対向するラジアル面およびアキシャルエアギャップＧ１，Ｇ２を介して各アキシャル電機子２２０に対向する２つのアキシャル面を有し、ステータ側に設けられている直流励磁コイル４２１，４２２による励磁磁束にてロータ１２０Ａの界磁を形成する同期電動機で、直流励磁コイル４２１，４２２による励磁磁束を一方のアキシャル電機子から２つのアキシャルエアギヤップＧ１，Ｇ２、ラジアルエアギヤップＧ０、界磁鉄心３１０およびラジアル電機子２１０を含む磁路を介して他方のアキシャル電機子へと流れるようにする。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、１つのラジアルエアギャップ面と２つのアキシャルエアギャップ面の３面のエアギャップ面を有効利用して、トルク密度、出力密度をより高めた同期電動機に関し、さらに詳しく言えば、直流励磁磁石による界磁と、永久磁石による界磁とを組み合わせたハイブリッド励磁型の同期電動機および同期発電機に関するものである。

特許文献１に記載されている同期電動機では、インナーロータ式、アウターロータ式のいずれにおいても、直流励磁鉄心に励磁コイルを巻回して直流起磁力を発生させ、その直流磁束を界磁鉄心のＮ極の磁極側からＳ極の磁極側に供給することにより、２つのアキシャル側もしくはラジアル側に直流励磁磁極を形成し、他方のラジアル側もしくは２つのアキシャル側には永久磁石による磁極を形成させるようにしている。

上記同期電動機によれば、１つのラジアルエアギャップ面と２つのアキシャルエアギャップ面の３面のエアギャップ面を有効利用して、トルク密度、出力密度をより高めることができるが、なおも解決すべき課題がある。

すなわち、ステータ側に直流励磁鉄心を設け、その直流励磁鉄心からロータの界磁鉄心に直流励磁磁束を供給するようにしているため、上記のラジアルエアギャップ、アキシャルエアギャップとは別に、直流励磁鉄心と界磁鉄心との間に直流励磁磁束を供給するための第３のエアギャップが存在する。

このように、ステータとロータとの間に、上記のラジアルエアギャップ、アキシャルエアギャップとは別に、直流励磁磁束用の第３のエアギャップが存在するため、その分、エアギャップの数が多くなる。

しかも構造的に、上記第３のエアギャップの面積を大きくとれないことから、第３のエアギャップでの磁気抵抗が大きくなり、そのため、直流励磁鉄心に巻回されている励磁コイルへの直流励磁電流が増大し、励磁損失が増加して電動機の効率を低下させている。

特許第５８５１６５４号公報

そこで、本発明の課題は、特に直流励磁鉄心を設けることなく界磁鉄心に直流励磁磁束を供給し得るようにした同期電動機を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本願の第１発明は、電機子と直流励磁コイルとを有するステータと、上記直流励磁コイルにより励磁される界磁を有するロータと、磁性体からなる円筒状のブラケットおよび上記ブラケットの軸線上に軸受部材を介して配置された出力回転軸とを含み、上記ステータが上記ブラケット側に設けられ、上記ロータが上記ステータの内周面側で上記出力回転軸に取り付けられているインナーロータ式の同期電動機において、
上記電機子は、上記ブラケットの円筒部内面に非磁性体の第１支持部材を介して取り付けられるラジアル電機子と、上記ブラケットの一方の第１端板と他方の第２端板の各内面に上記出力回転軸を中心として同軸として取り付けられる同径の第１アキシャル電機子および第２アキシャル電機子とを備え、上記３つの電機子は、それぞれ円周方向に沿って同一の回転角で配置される複数の歯部を有し、上記各歯部には集中巻巻線が施され、同一の回転角に属する３つの歯部うち、上記第１，第２アキシャル電機子の歯部に巻かれるアキシャル巻線は同一極性、上記ラジアル電機子の歯部に巻かれるラジアル巻線は逆極性となるようにし、上記３つの巻線を単位グループとして、これらを直列および／または並列に接続して多相巻線を構成し、
上記界磁は、強磁性体からなる複数個の界磁鉄心を有し、上記各界磁鉄心が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の第２支持部材を介して上記出力回転軸に取り付けられ、上記界磁鉄心の各々は、上記ラジアル電機子と対向する外径側に１つのラジアル面を有するとともに、上記出力回転軸の軸方向に沿った両側面に上記第１アキシャル電機子と対向する第１アキシャル面と上記第２アキシャル電機子と対向する第２アキシャル面の２つのアキシャル面を有し、
上記各界磁鉄心のラジアル面と上記ラジアル電機子との間には磁路となるラジアルエアギャップが設けられ、任意に選択される上記界磁鉄心を１番目として、奇数番目の上記界磁鉄心の上記第１アキシャル面には第１永久磁石が設けられているとともに、上記第２アキシャル面には上記第２アキシャル電機子との間に磁路となる第２アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第１界磁突極が形成されており、
偶数番目の上記界磁鉄心の上記第１アキシャル面には上記第１アキシャル電機子との間に磁路となる第１アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第２界磁突極が形成されているとともに、上記第２アキシャル面には第２永久磁石が設けられており、かつ、上記各界磁鉄心の間にはそれぞれ第３永久磁石が配置されており、
上記直流励磁コイルは、上記ラジアル電機子、上記第１アキシャル電機子および上記ブラケットで囲まれる第１空間内において上記出力回転軸を中心として巻回される第１直流励磁コイルと、上記ラジアル電機子、上記第２アキシャル電機子および上記ブラケットで囲まれる第２空間内において上記出力回転軸を中心として巻回される第２直流励磁コイルとを備え、
上記直流励磁コイルにより発生する励磁磁束が上記第１アキシャル電機子もしくは上記第２アキシャル電機子のいずれか一方から上記第１，第２アキシャルエアギャップ、上記ラジアルエアギャップ、上記界磁鉄心および上記ラジアル電機子を含む磁路を介していずれか他方のアキシャル電機子へと流れるようにしたことを特徴としている。

また、本願の第２発明は、電機子と直流励磁コイルとを有するステータと、上記直流励磁コイルにより励磁される界磁を有するロータと、強磁性体からなる固定軸および上記固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された円筒部を含むブラケットとを備え、上記ステータが上記固定軸側に設けられ、上記ロータが上記ブラケット側に設けられ上記ブラケットとともに回転するアウターロータ式の同期電動機において、
上記電機子は、上記固定軸に非磁性体の第１支持部材を介して取り付けられるラジアル電機子と、上記ラジアル電機子の両側において上記固定軸と磁気的に結合した状態で上記固定軸を中心として同軸に配置される同径の第１アキシャル電機子および第２アキシャル電機子とを備え、上記３つの電機子は、それぞれ円周方向に沿って同一の回転角で配置される複数の歯部を有し、上記各歯部には集中巻巻線が施され、同一の回転角に属する３つの歯部うち、上記第１，第２アキシャル電機子の歯部に巻かれるアキシャル巻線は同一極性、上記ラジアル電機子の歯部に巻かれるラジアル巻線は逆極性となるようにし、上記３つの巻線を単位グループとして、これらを直列および／または並列に接続して多相巻線を構成し、
上記界磁は、強磁性体からなる複数個の界磁鉄心を有し、上記各界磁鉄心が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の第２支持部材を介して上記ブラケットの円筒部内面に沿って取り付けられており、上記界磁鉄心の各々は、上記ラジアル電機子と対向する内径側の１つのラジアル面を有するとともに、上記固定軸の軸方向に沿った両側面に上記第１アキシャル電機子と対向する第１アキシャル面と上記第２アキシャル電機子と対向する第２アキシャル面の２つのアキシャル面を有し、
上記各界磁鉄心のラジアル面と上記ラジアル電機子との間には磁路となるラジアルエアギャップが設けられ、任意に選択される上記界磁鉄心を１番目として、奇数番目の上記界磁鉄心の上記第１アキシャル面には第１永久磁石が設けられているとともに、上記第２アキシャル面には上記第２アキシャル電機子との間に磁路となる第２アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第１界磁突極が形成されており、
偶数番目の上記界磁鉄心の上記第１アキシャル面には上記第１アキシャル電機子との間に磁路となる第１アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第２界磁突極が形成されているとともに、上記第２アキシャル面には第２永久磁石が設けられており、かつ、上記各界磁鉄心の間にはそれぞれ第３永久磁石が配置されており、
上記直流励磁コイルは、上記ラジアル電機子、上記第１アキシャル電機子および上記固定軸で囲まれる第１空間内において上記固定軸の一端側に巻回される第１直流励磁コイルと、上記ラジアル電機子、上記第２アキシャル電機子および上記固定軸で囲まれる第２空間内において上記固定軸の他端側に巻回される第２直流励磁コイルとを備え、
上記直流励磁コイルにより発生する励磁磁束が上記第１アキシャル電機子もしくは上記第２アキシャル電機子のいずれか一方から上記第１，第２アキシャルエアギャップ、上記ラジアルエアギャップ、上記界磁鉄心および上記ラジアル電機子を含む磁路を介していずれか他方のアキシャル電機子へと流れるようにしたことを特徴としている。

上記第１および第２の発明において、上記奇数番目の界磁鉄心に設けられる上記第１永久磁石と上記偶数番目の界磁鉄心に設けられる上記第２永久磁石はともにＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）方式の磁石で、上記第１永久磁石がＮ極で上記第２永久磁石はＳ極であり、上記直流励磁コイルの励磁磁束により、上記奇数番目の界磁鉄心の上記ラジアル面はＳ極、上記第１界磁突極はＮ極に励磁される一方で、上記偶数番目の界磁鉄心の上記ラジアル面はＮ極、上記第２界磁突極はＳ極に励磁される。

また、上記第３永久磁石はＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）方式の磁石で板厚方向に着磁されており、そのＮ極側が上記偶数番目のラジアル面側、Ｓ極が上記奇数番目のラジアル面側となるように配置される。

上記第１永久磁石および上記第２永久磁石が省略される態様、さらには上記第３永久磁石が省略される態様も本発明に含まれる。

上記第１発明と上記第２発明の同期電動機は、風力発電および水力発電用の発電機として用いられ、風車や水車の機械的トルクや出力に応じて上記直流励磁コイルへの通電電流を調整することにより、風力発電および水力発電の電気的出力を制御する。

本発明によれば、１つのラジアルエアギャップと２つのアキシャルエアギャップとを有するハイブリッド励磁型の同期電動機において、直流励磁磁気回路のエアギャップの数を少なくし、電機子と界磁が対向する広いエアギャップを有効に利用して磁気抵抗を減らし、励磁電流を少なくすることによって励磁損失を減少させ、速度・トルクの広い運転範囲において高効率の同期電動機を得ることができるとともに、高速領域において界磁磁束を増やすことにより大きな発電電力を供給し得るハイブリッド励磁型の同期発電機を得ることができる。

また、ステータ側とロータ側との間に設けられる３つのエアギャップ（１つのラジアルエアギャップと２つのアキシャルエアギャップ）の同一回転角の位置における磁極の極性は、界磁にあっては、左右のアキシャルエアギャップにおいては同一極性であるが、ラジアルエアギャップにおいては、２つのアキシャルエアギャップとは反対の極性とし、電機子巻線についても、ラジアルエアギャップにおいては、２つのアキシャルエアギャップとは反対の極性となるように、電機子巻線に多相交流電流を供給して回転磁界をつくり、すべての広いエアギャップにおいて同一回転方向にトルクを発生させることができるので、トルク密度・出力密度をより増大させた同期電動機を得ることができる。

さらに、界磁磁極のラジアル面とアキシャル面のいずれか一方に直流励磁磁石による界磁を形成し、いずれか他方に永久磁石による界磁を形成し、この２種類の界磁を組み合わせたハイブリッド励磁型の界磁を形成し、双方の磁束が互いに独立して並列に流せるようにすることによって、始動、加速、ならびに低速時においては直流励磁電流を増やして、ハイブリッド磁束すなわち合成磁束を増やすことによってトルクを増大させることができる。

また、高速時においては、直流励磁電流を減らすことによって高速化をはかることができるので、界磁が全て永久磁石からなる同期電動機のように弱め界磁のために無駄な電流を流す必要がないので、効率を向上させることができるという利点もある。

別の態様として、界磁から永久磁石の一部またはすべてをなくし、その空きスペースを空気層で埋めることによって、直流励磁磁石の磁束が勝るないしは直流励磁磁石のみの低コストの同期電動機を得ることができる。

また、本発明による同期電動機を風力発電（もしくは水力発電）の発電機として使用すれば、次のような効果が期待できる。

風車の機械的出力は角速度ωの三乗に比例し、その最大出力点におけるトルクＴの軌跡は角速度の二乗に比例することが知られている。したがって、風速の変動とともに風車の角速度が変化する場合、発電機の入力トルクを風車の出力トルクに合致させると風車の機械的出力を最大限に取り込むことができる。

ところが、従来の永久磁石形同期発電機の入力トルクは角速度に比例するので、風車の最大出力点とは一つの角速度でしか交わることができないため、風速すなわち角速度が変化する風車の場合、その機械的出力を発電機に取り込む効率が低くなる。

そこで、本ハイブリッド励磁型の同期電動機をこのように風速が変化する風力発電機に用いると、角速度の上昇とともに直流励磁電流を増やし界磁磁束を増やすと発電機の入力トルクが増大するので、風車の出力トルクに合わせることができ、風車の機械的出力を無駄なく発電機に取り込むことができる。

風力発電システムにおける発電機は、風車とのパワー（すなわちトルク×角速度）マッチングならびに負荷とのインピーダンスマッチングが必要であるが、直流励磁電流による界磁磁束の調整により前者は可能となり、発電機の巻線仕様の調整により後者は可能であるので、本ハイブリッド励磁型の同期電動機を発電機として利用したハイブリッド励磁型同期発電機は風速が変化する風力発電システムにおいては優れた発電機であると言うことができる。水力発電についても同様である。

本発明の第１実施形態に係るインナーロータ式同期電動機の内部構造を示す出力回転軸の軸線に沿った模式的な断面図。 上記インナーロータ式同期電動機の内部構造を示す図１ＡのＡ−Ａ線に沿った模式的な断面図。 上記インナーロータ式同期電動機が備えるロータの界磁を示す出力回転軸の軸線に沿った模式的な断面図（図２ＢのＢ−Ｂ線に沿った断面図）。 上記界磁の左側面図。 上記界磁の右側面図。 上記界磁の隣接する界磁鉄心の一部分を示す平面図。 上記界磁の隣接する界磁鉄心の一部分を示す斜視図。 上記インナーロータ式同期電動機が備える電機子のうちのラジアル電機子を示す図１Ｂと同様の断面図。 一方（図１Ａにおいて左側）のアキシャル電機子を示す正面図。 上記左側アキシャル電機子の一部の歯部を示す平面図。 他方（図１Ａにおいて右側）のアキシャル電機子を示す正面図。 上記右側アキシャル電機子の一部の歯部を示す平面図。 上記界磁鉄心の界磁突極と永久磁石の極性の相互関係を示す展開図。 上記電機子の１つのラジアル電機子と２つのアキシャル電機子への巻線状態を示す展開図。 図７の各電機子の巻回される電機子巻線の接続状態を示す接続図。 上記界磁の第１変形例を示す出力回転軸の軸線に沿った模式的な断面図（図３ＢのＣ−Ｃ線に沿った断面図）。 上記第１変形例に係る界磁の左側面図。 上記第１変形例に係る界磁の右側面図。 上記第１変形例に係る界磁の隣接する界磁鉄心の一部分を示す平面図。 上記界磁の第２変形例を示す出力回転軸の軸線に沿った模式的な断面図（図４ＢのＤ−Ｄ線に沿った断面図）。 上記第２変形例に係る界磁の左側面図。 上記第２変形例に係る界磁の右側面図。 上記第２変形例に係る界磁の隣接する界磁鉄心の一部分を示す平面図。 本発明の第２実施形態に係るアウタロータ式同期電動機の内部構造（上半分）を示す固定軸の軸線に沿った模式的な断面図。 上記第２実施形態における左側アキシャル電機子の一部（１／４部分）を歯側から見た側面図。 上記第２実施形態での左側アキシャル電機子の一部の歯部を示す平面図。 上記第２実施形態における右側アキシャル電機子の一部（１／４部分）を歯側から見た側面図。 上記第２実施形態での右側アキシャル電機子の一部の歯部を示す平面図。 図９ＡのＥ−Ｅ線断面図。 上記アウターロータ式同期電動機が備えるロータの界磁を示す模式的な断面図（図１０ＢのＦ−Ｆ線に沿った断面図、図１０ＣのＧ−Ｇ線に沿った断面）。 図１０Ａの左側半分を示す左側面図。 図１０Ａの右側半分を示す右側面図。

次に、図１〜１０を参照して、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

まず、図１ないし図８により、本発明の第１実施形態に係る同期電動機１００Ａについて説明する。

図１Ａ，図１Ｂを参照して、この同期電動機１００Ａはインナーロータ式電動機で、基本的な構成として、ブラケット（外郭）４００と、出力回転軸４３０Ａと、電機子等を含むステータ１１０Ａと、界磁等を含むロータ１２０Ａと、直流励磁コイル４２１Ａ，４２２Ａとを備えている。

ブラケット４００は、円筒部４１０を有し、その一端側には端板４１１が一体的に設けられ、他端側にも端板４１２が一体的に設けられている。実際には、ブラケット４００は、円筒部４１０の軸線方向に沿って２分割されたカップ形状の半割体４１０ａ，４１０ｂを含み、これら半割体４１０ａ，４１０ｂをねじ止めや溶接等により一体に接合することにより作成される。

端板４１１，４１２の中央部分には、それぞれボールベアリングからなる軸受部４４０，４４０が同軸的に配置されており、軸受部４４０，４４０により出力回転軸４３０Ａがブラケット４００の軸線上に支持されている。この第１実施形態において、出力回転軸４３０Ａは非磁性体であるが、例えばブラケット４００の軸受ハウジング４５０の部分が非磁性体であり、ブラケット４００と出力回転軸４３０Ａとが磁気的に結合されていない場合には、出力回転軸４３０Ａは磁性体であってもよい。

ステータ１１０Ａは、１つのラジアル電機子２１０と、２つのアキシャル電機子２２０ａ，２２０ｂとを有し、ラジアル電機子２１０は非磁性体の支持部材２０９を介して円筒部４１０の内周面に沿って環状に配置されている。

これに対して、一方のアキシャル電機子２２０ａは端板４１１に磁気的に結合した状態で取り付けられ、他方のアキシャル電機子２２０ｂは端板４１２に磁気的に結合した状態で取り付けられる。

アキシャル電機子２２０ａとアキシャル電機子２２０ｂは同径であり、対向するように同軸的に配置される。なお、アキシャル電機子２２０ａ，２２０ｂを区別する必要がない場合には、総称としてアキシャル電機子２２０と言う。

図２を併せて参照して、ロータ１２０Ａが備える界磁３００Ａについて説明する。界磁３００Ａは、回転軸４３０Ａに同軸的に接合された円筒状の支持部材３３０の外周面に沿って取り付けられる複数個の界磁鉄心３１０を備えている。

この実施形態において、界磁鉄心３１０には８個の界磁鉄心３１０ａ〜３１０ｈが含まれ、これら界磁鉄心３１０ａ〜３１０ｈは扇状で、支持部材３３０の外周面に沿って等間隔で配置されている。なお、支持部材３３０に界磁鉄心３１０を固定する方法の一例としては、個々の界磁鉄心３１０ａ〜３１０ｈを連結するための電磁鋼板からなるブリッジの巾を狭くして積層し磁気抵抗を大きくするとか、ダイカストや樹脂成形等が用いられてよい。

界磁鉄心３１０（３１０ａ〜３１０ｈ）は、ラジアル電機子２１０と対向する１つのラジアル面ＲＳと、２つのアキシャル面ＡＳ、すなわちアキシャル電機子２２０ａと対向するアキシャル面ＡＳａおよびアキシャル電機子２２０ｂと対向するアキシャル面ＡＳｂとを備えている。なお、図１Ａを基準として、一方のアキシャル面ＡＳａを左側アキシャル面、他方のアキシャル面ＡＳｂを右側アキシャル面ということがある。

奇数番目の界磁鉄心３１０ａ，３１０ｃ，３１０ｅ，３１０ｇの総称をＯＤとし、偶数番目の界磁鉄心３１０ｂ，３１０ｄ，３１０ｆ，３１０ｈの総称をＥＶとして、奇数番目の界磁鉄心ＯＤと偶数番目の界磁鉄心ＥＶとでは、アキシャル面ＡＳ（ＡＳａ，ＡＳｂ）は異なる形態をとる。

なお、この実施形態では、後述するように直流励磁コイル４２１Ａ，４２２Ａにより、左側のアキシャル電機子２２０ａがＮ極、右側のアキシャル電機子２２０ｂがＳ極となるように励磁される。また、奇数番目，偶数番目を決める１番目の界磁鉄心は任意に選択されてよい。

まず、奇数番目の界磁鉄心ＯＤ（３１０ａ，３１０ｃ，３１０ｅ，３１０ｇ）では、左側アキシャル面ＡＳａにＮ極のＳＰＭ方式の永久磁石３２１Ｎを貼り付け、これに対して、右側アキシャル面ＡＳｂは界磁鉄心３１０をそのまま剥きだしとして突出させた界磁突極３１１（以下、右側界磁突極３１１Ｒと言うことがある。）とし、直流励磁磁束を右側界磁突極３１１ＲからアキシャルエアギャップＧ２を透して対向するアキシャル電機子２２０ｂに送るようにし、右側界磁突極３１１Ｒを有する右側アキシャル面ＡＳｂは、左側アキシャル面ＡＳａと同様Ｎ極とする。

そのためには、奇数番目の界磁鉄心ＯＤのラジアル面ＲＳにラジアル電機子２１０側からラジアルエアギャップＧ０を通して直流励磁磁束を送ってもらう必要があり、必然的に奇数番目の界磁鉄心ＯＤのラジアル面ＲＳはＳ極となる。すなわち、奇数番目の界磁鉄心ＯＤにおいては、左側アキシャル面ＡＳａはＮ極、ラジアル面はＳ極、そして右側アキシャル面ＡＳｂはＮ極となる。

次に、偶数目の界磁鉄心ＥＶ（３１０ｂ，３１０ｄ，３１０ｆ，３１０ｈ）について説明する。偶数目の界磁鉄心ＥＶにおいては、奇数番目の界磁鉄心ＯＤとは反対に、左側アキシャル面ＡＳａは界磁鉄心３１０をそのまま剥きだしとして突出させた界磁突極３１１（以下、左側界磁突極３１１Ｌと言うことがある。）とし、右側アキシャル面ＡＳｂにはＳ極のＳＰＭ方式の永久磁石３２１Ｓを貼り付ける。

これにより、左側のアキシャル電機子２２０ａから供給される直流励磁磁束は、アキシャルエアギャップＧ１を通って偶数番目の界磁鉄心ＥＶの左側界磁突極３１１Ｌから界磁鉄心内に入り、そのラジアル面ＲＳからラジアルエアギャップＧ０を通ってラジアル電機子２１０に入り、そのラジアル電機子２１０のヨークを経由して再びラジアルエアギャップＧ０を通って隣の奇数番目の界磁鉄心ＯＤのラジアル面ＲＳに送られ、右側界磁突極３１１Ｒから抜け、アキシャルエアギャップＧ２を通って右側アキシャル電機子２２０ｂに至る。

このようにして、偶数目の界磁鉄心ＥＶにおいては、左側アキシャル面ＡＳａはＳ極、ラジアル面ＲＳはＮ極、そして右側アキシャル面ＡＳｂはＳ極となり、奇数番目の界磁鉄心ＯＤの極性とは逆になる。

なお、左側のアキシャル電機子２２０ａと界磁鉄心３１０との間のエアギャップＧ１と、右側のアキシャル電機子２２０ｂと界磁鉄心３１０との間のエアギャップＧ２は、好ましくは等幅とする。

また、この実施形態によると、奇数目の界磁鉄心ＯＤと偶数番目の界磁鉄心ＥＶとの間に板状のＩＰＭ方式の永久磁石３２３が配置される。この永久磁石３２３の磁化（着磁）方向は、ローターの回転方向（板厚方向）で、直流励磁磁束によってつくられる極性と同じになるように選択する。すなわち、Ｓ極が奇数番目の界磁鉄心ＯＤ側に向けられ、Ｎ極は偶数番目の界磁鉄心ＥＶ側に向けられることになる。

上記のようにして形成された界磁全体の極性を表わしたものが図４である。奇数番目と偶数番目のいずれにおいても、２つのアキシャル面ＡＳ（ＡＳａ，ＡＳｂ）の極性は同極であるが、ラジアル面ＲＳは異極となる。なお、図４において、永久磁石による極性は大文字のＮ，Ｓで表され、ラジアル面ＲＳと界磁突極３１１の直流電磁石による極性は小文字のｎ，ｓで表している。

次に、ステータ１１０Ａが備えている電機子について説明する。ラジアル電機子鉄心２１０およびアキシャル電機子鉄心２２０ａ，２２０ｂは、電磁鋼鈑を打ち抜き積層したり、電磁鋼板の帯板を重ね巻きしたり、あるいは焼結磁心や圧粉磁心などでつくり、粉体塗装や樹脂モールドで絶縁を施し、集中巻巻線を施す。

図３Ａに示すように、ラジアル電機子鉄心２１０は、環状に形成されたヨーク２１１を有し、ヨーク２１１の内周面側には、中心に向けて突設された複数のスロット（この例では１２スロット）の歯（ティース）２１２ａ〜２１２ｌが均等に形成されている。

図３Ｂａと図３Ｂｂに示すように、左側のアキシャル電機子鉄心２２０ａは、ブラケット４００の端板４１１の内面に取り付けられる円環状に形成されたヨーク２２１Ｌを有し、ヨーク２２１Ｌの反端板側の面（図１Ａで右側の面）には、１２スロットの歯（ティース）２２２Ｌａ〜２２２Ｌｌが均等に形成されている。

また、図３Ｃａと図３Ｃｂに示すように、右側のアキシャル電機子鉄心２２０ｂは、ブラケット４００の端板４１２の内面に取り付けられる円環状に形成されたヨーク２２１Ｒを有し、ヨーク２２１Ｒの反端板側の面（図１Ａで左側の面）には、１２スロットの歯（ティース）２２２２Ｒａ〜２２２Ｒｌが均等に形成されている。

左側のアキシャル電機子鉄心２２０ａ，中央のラジアル電機子鉄心２１０，右側のアキシャル電機子鉄心２２０ｂの各歯のうち、図５に示すように、２２２Ｌａ−２１２ａ−２２２Ｒａ，２２２Ｌｂ−２１２ｂ−２２２Ｒｂ，２２２Ｌｃ−２１２ｃ−２２２Ｒｃ，……，２２２Ｌｌ−２１２ｌ−２２２Ｒｌが、それぞれ同一回転角の組合せとなる。

そして、これら同一回転角に含まれる３つの歯に三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の巻線が施されるが、このうち、アキシャル電機子２２０側の２つの巻線は同極とし、ラジアル電機子２１０側はそれらと異極となるように巻線の巻回方向を選択し、この３つの電機子巻線を単位グループとする。これらをまとめた巻線全体を表わしたものが図５である。図５において、オーバーバー（上線）が付されているＵ，Ｖ，Ｗの文字は逆極性を表わしている。

図６にこれら三相巻線の接続図を示すが、第１のＵ相巻線Ｕ１は、図５におけるアキシャル電機子２２０ａの歯２２２Ｌａに巻かれた第１のＵ相巻線Ｕ１１、ラジアル電機子２１０の歯２１２ａに巻かれた第１のＵ相巻線Ｕ１（逆巻）およびアキシャル電機子２２０ｂの歯２２２Ｒａに巻かれた第１のＵ相巻線Ｕ２１を直列接続した空間的に同一位相にある巻線を直列接続した巻線の単位グループを表わしている。

また、空間的に電気角で１２０°ずれたＶ相において、第１のＶ相巻線Ｖ１は、アキシャル電機子２２０ａの歯２２２Ｌｂに巻かれた第１のＶ相巻線Ｖ１１、ラジアル電機子２１０の歯２１２ｂに巻かれた第１のＶ相巻線Ｖ１（逆巻）およびアキシャル電機子２２０ｂの歯２２２Ｒｂに巻かれた第１のＶ相巻線Ｖ２１を単位グループとしている。

さらに空間的に電気角で１２０°ずれたＷ相において、第１のＷ相巻線Ｗ１は、アキシャル電機子２２０ａの歯２２２Ｌｃに巻かれた第１のＷ相巻線Ｗ１１、ラジアル電機子２１０の歯２１２ｃに巻かれた第１のＷ相巻線Ｗ１（逆巻）およびアキシャル電機子２２０ｂの歯２２２Ｒｃに巻かれた第１のＷ相巻線ＶＷ１を単位グループとし、以下順次これを繰り返し、１２個のグループにまとめ、これらの三つの相の巻線グループを三相のスター接続あるいはΔ接続して電機子巻線とする。

次に、直流励磁コイル４２１Ａ，４２２Ａについて説明する。図１Ａに示すように、一方の直流励磁コイル４２１Ａは、ラジアル電機子２１０、第１アキシャル電機子２２０ａおよびブラケット４００とで囲まれる第１空間Ａ１ａ内において出力回転軸４３０Ａを中心にして巻回され、また、他方の直流励磁コイル４２２Ａは、ラジアル電機子２１０、第２アキシャル電機子２２０ｂおよびブラケット４００とで囲まれる第２空間Ａ２ａ内において出力回転軸４３０Ａを中心にして巻回される。

この実施形態によると、一方の直流励磁コイル４２１Ａは、第１空間Ａ１ａ内においてブラケット４００の端板４１１側の隅に好ましくは電気絶縁材を介して配置され、他方の直流励磁コイル４２２Ａは、第２空間Ａ２ａ内においてブラケット４００の端板４１２側の隅に好ましくは電気絶縁材（図示省略）を介して配置されている。直流励磁コイル４２１Ａと直流励磁コイル４２２Ａは、好ましくは同一方向に巻回されるとよい。

直流励磁コイル４２１Ａ，４２２Ａに、図１Ａの左側から見て、時計方向に直流電流を流した場合、直流磁束は、左の端板４１１→左側アキシャル電機子鉄心２２０ａ→アキシャルエアギャップＧ１→偶数番目の界磁鉄心ＥＶの左側界磁突極（ｓ極）３１１Ｌ→偶数番目の界磁鉄心ＥＶ→そのラジアル面（ｎ極）ＲＳ→ラジアルエアギャップＧ０→ラジアル電機子鉄心２１０→ヨーク２１１→ラジアル電機子鉄心２１０→ラジアルエアギャップＧ０→奇数番目の界磁鉄心ＯＤのラジアル面（ｓ極）ＲＳ→奇数番目の界磁鉄心ＯＤ→その右側界磁突極（ｎ極）３１１Ｒ→アキシャルエアギャップＧ２→右側アキシャル電機子鉄心２２０ｂ→右の端板４１２のような経路で流れる。なお、ＳＰＭの永久磁石３２１は透磁率が小さいため磁束が通らないフラックスバリアとして作用する。

この場合の界磁の極性について詳しく説明すると、左側の界磁突極３１１ａがＳ極（ｓ）になり、それと一体となっている界磁鉄心３１０のラジアル面はＮ極（ｎ）となり、円周方向に両隣の極の界磁鉄心３１０のラジアル面はＳ極（ｓ）となり、それらの右側の界磁突極３１１はＮ極（ｎ）となる。

このとき、界磁鉄心３１０の両側に埋め込まれた永久磁石３２３の極性は、その極の界磁鉄心３１０のラジアル面ＲＳの極性と同じ極になるよう配列し、直流励磁磁石による磁束と永久磁石による磁束が並列に同一方向に流れるようにし、ハイブリッド磁界を形成させる。

直流励磁磁束の大きさは次のように表わされる。まず、アンペアの周回積分の法則により、次の方程式を得る。
２Ｎ×Ｉ≒Φ×（２ｇ_１／μ・Ｓ_１／２＋ｇ_２／μ・Ｓ_２／２＋ｇ_２／μ・Ｓ_２／２）

この式より磁束は、次のように求められる。
Φ ≒ μＮ×Ｉ／２（ｇ_１／Ｓ_１ ＋ｇ_２／Ｓ_２）・・・・・・（１）
ここで、上式のパラメータは以下の通りである。
Φ：磁束量
Ｉ：直流電流
Ｓ_１：ラジアル電機子鉄心の歯のラジアル面の総面積と界磁鉄心のラジアル面の総面積 の有効対向面積
Ｓ_２：アキシャル電機子の歯の左側または右側のアキシャル面の総面積と界磁鉄心の界 磁突極のアキシャル面の総面積の有効対向面積
Ｎ：直流励磁コイル１個の巻数
ｇ_１：ラジアルエアギャップの長さ
ｇ_２：アキシャルエアギャップの長さ
μ：空気の透磁率

上記式（１）を、先行技術として挙げた特許文献１（特許公報 特許５８５１６５４号「同期電動機」）に記載されている式（１）等と比較して分かることは、本発明によれば、直流励磁磁気回路に励磁エアギャップが存在しないため、その分磁気抵抗が少なくなり磁束が通りやすく、同じ磁束をつくるための起磁力（Ｎ×Ｉ）が少なくて済み、励磁損失が少なくなることである。

また、界磁の毎極の磁束は、次のとおりである。
（１）ラジアル磁極にあっては、Φｄ＋Φｉ
（２）アキシャル磁極にあっては、（Φｄ＋Φｉ＋Φｓ）／２
アキシャル磁極の場合、すべての磁極がコンセクエントポール（Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔ Ｐｏｌｅ）であるので、磁束は半分となる。
ここで、Φｄ：直流励磁磁束，Φｓ：ＳＰＭ永久磁石３２１の磁束，Φｉ：ＩＰＭ永久磁石３２３の磁束。
上記の式から、ラジアル磁束もアキシャル磁束も直流励磁電流でそれらの磁束量を制御できることが分かる。

図７，図８に示すように永久磁石の一部ないし全部を省いてもよい。この場合、永久磁石の透磁率は空気と同様１に近いので、直流励磁磁束の経路ならびに磁束の大きさは変わらない。それぞれの場合の磁束の大きさはつぎのとおりである。
（１）直流励磁磁石とＩＰＭ永久磁石３２３を使った場合、
ラジアル磁極にあってはΦｄ＋Φｉとなり、アキシャル磁極にあっては（Φｄ＋Φｉ）／２となる。
（２）直流励磁磁石ならびにアキシャル磁極にのみＳＰＭ永久磁石３２１を使った場合、
ラジアル磁極にあってはΦｄで、アキシャル磁極にあっては（Φｄ＋Φｓ）／２。
（３）永久磁石を使わず、直流励磁磁石のみ使用した場合、ラジアル磁極にあってはΦｄで、アキシャル磁極にあってはΦｄ／２。

次に、ロータ１２０Ａが備える界磁３００Ａの変形例について説明する。まず、第１変形例として、図７Ａ〜図７Ｄに示すように、奇数番目の界磁鉄心ＯＤ（３１０ａ，３１０ｃ，３１０ｅ，３１０ｇ）の左側アキシャル面ＡＳａからＮ極の永久磁石３２１Ｎを取り外すとともに、偶数番目の界磁鉄心ＯＤ（３１０ｂ，３１０ｄ，３１０ｆ，３１０ｈ）の右側アキシャル面ＡＳｂからＳ極の永久磁石３２１Ｓを取り外してもよい。

永久磁石は透磁率が小さいので磁束は通さないが、この第１変形例のように、アキシャル面から永久磁石（ＳＰＭ）を取り外すと、奇数番目の界磁鉄心ＯＤの左側アキシャル面ＡＳａとこれと対向する左側の第１アキシャル電機子２２０ａとの間のエアギャップ、また、偶数番目の界磁鉄心ＯＤの右側アキシャル面ＡＳｂとこれと対向する右側の第２アキシャル電機子２２０ｂとの間のエアギャップがそれぞれ永久磁石の板厚分広げられ、これがフラックスバリアとして作用することになる。

さらには、第２変形例として、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、各界磁鉄心３１０の間に埋め込まれているＩＰＭの永久磁石３２３を取り外して、各界磁鉄心３１０の間を空気層Ｇａとしてもよい。

上記第１および第２変形例のように永久磁石を取り外したとしても、永久磁石を取り外した部分の空気層は永久磁石と同様にフラックスバリアとして作用することから、直流磁束の流れる経路は上記実施形態と同じであり、上記変形例に係る同期電動機は直流励磁電動機として動作する。なお、ＳＰＭの永久磁石３２１（アキシャル界磁の永久磁石）を省略した場合は、直流励磁磁石のＮ極またはＳ極のみのコンセクエントポール（Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔ Ｐｏｌｅ）方式となる。

次に、図９〜１０を参照して、本発明の第２実施形態に係る同期電動機１００Ｂついて説明する。なお、上記第１実施形態に係る同期電動機１００Ａと実質的に同一と見做される構成要素には同じ参照符号を用いる。

この第２実施形態に係る同期電動機１００Ｂはアウターロータ式同期電動機で、出力回転軸に代えて強磁性体からなる固定軸４３０Ｂが用いられ、この固定軸４３０Ｂにブラケット４００が軸受部材（この例ではボールベアリング）４４０を介して回転可能に支持されている。

ステータ１１０Ｂは、基本的な構成として上記第１実施形態と同じく、１つのラジアル電機子２１０と、２つのアキシャル電機子２２０（２２０ａ，２２０ｂ）と、２つの励磁コイル４２１Ｂ，４２２Ｂとを備えている。

ラジアル電機子２１０は、非磁性体からなる支持部材２０９を介して固定軸４３０Ｂに同軸的に固定されている。アキシャル電機子２２０（２２０ａ，２２０ｂ）は、円盤状で中央部分に支持孔が穿設されたヨーク２２３を有し、このヨーク２２３を介して固定軸４３０Ｂに固定されている。

左側のアキシャル電機子２２０ａと右側のアキシャル電機子２２０ｂの各歯部分の構成は、上記第１実施形態と同じであってよく、図９Ｂに図９Ａから抜き出した左側のアキシャル電機子２２０ａの一部分を示し、図９Ｃに同じく図９Ａから抜き出した右側のアキシャル電機子２２０ｂの一部分を示す。

この第２実施形態においても、アキシャル電機子２２０ａ，２２０ｂのスロット数は１２スロットであり、これらアキシャル電機子２２０ａ，２２０ｂおよびラジアル電機子２１０の各歯には、先の図５および図６で説明したような態様で巻線が巻かれる。

ロータ１２０Ｂの界磁３００Ｂは、非磁性体の支持部材３３０を介してブラケット４００の円筒部の内周面に取り付けられている。図１０Ａ〜図１０Ｃを参照して、この第２実施形態においても、界磁３００Ｂは、上記第１実施形態と同じく、８個（８極）の界磁鉄心３１０（３１０ａ〜３１０ｈ）を備えているが、図１０Ｂ，図１０Ｃには、そのうちの半分の界磁鉄心３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄ，３１０ｅのみが示されている。

各界磁鉄心３１０は、１つのラジアル面ＲＳと２つのアキシャル面ＡＳ（左側のＡＳａ，右側のＡＳｂ）とを備えている。ラジアル面ＲＳは、ラジアルエアギャップＧ０を介してラジアル電機子２１０と対向する。左側のアキシャル面ＡＳａは、アキシャルエアギャップＧ１を介して左側のアキシャル電機子２２０ａと対向し、また、右側のアキシャル面ＡＳｂは、アキシャルエアギャップＧ２を介して右側のアキシャル電機子２２０ｂと対向する。

図４を参照して、上記第１実施形態と同じく、８個の界磁鉄心３１０のうち、奇数番目の界磁鉄心ＯＤ（３１０ａ，３１０ｃ，３１０ｅ，３１０ｇ）の左側のアキシャル面ＡＳａには、ＳＰＭ方式のＮ極の永久磁石３２１Ｎが貼り付けられ、これに対して、右側のアキシャル面ＡＳｂには、界磁突極３１１Ｒが形成される。

そして、偶数番目の界磁鉄心ＥＶ（３１０ｂ，３１０ｄ，３１０ｆ，３１０ｈ）の左側のアキシャル面ＡＳａには、界磁突極３１１Ｌが形成され、これに対して、右側のアキシャル面ＡＳｂには、ＳＰＭ方式のＳ極の永久磁石３２１Ｓが貼り付けられる。

また、奇数番目の界磁鉄心ＯＤと偶数番目の界磁鉄心ＥＶとの間に、ＩＰＭ方式の永久磁石３２３が設けられる。

２つの直流励磁コイル４２１Ｂ，４２２Ｂのうち、一方の直流励磁コイル４２１Ｂは、ラジアル電機子２１０、第１アキシャル電機子２２０ａおよび固定軸４３０Ｂで囲まれる第１空間Ａ１ｂ内において固定軸４３０Ｂの一端側に巻回される。

これに対して、他方の直流励磁コイル４２２Ｂは、ラジアル電機子２１０、第２アキシャル電機子２２０ｂおよび固定軸４３０Ｂで囲まれる第２空間Ａ２ｂ内において固定軸４３０Ｂの他端側に巻回される。図示しないが、直流励磁コイル４２１Ｂ，４２２Ｂは、固定軸４３０Ｂに電気絶縁材を介して同一方向に巻かれることが好ましい。

図９Ａにおいて、固定軸４００Ｂの左端側がＮ極、右端側がＳ極となるようにコイル４２１Ｂ，４２２Ｂに直流電流を流すと、直流磁束は、固定軸４３０Ｂ→左側のアキシャル電機子２２０ａ→アキシャルエアギャップＧ１→偶数番目の左側界磁突極３１１Ｌ→偶数番目の界磁鉄心３１０ＥＶ→そのラジアル面ＲＳ→ラジアルエアギャップＧ０→ラジアル電機子鉄心２１０→ヨーク２１１→ラジアル電機子鉄心２１０→ラジアルエアギャップＧ０→奇数番目の界磁鉄心ＯＤのラジアル面ＲＳ→奇数番目の界磁鉄心ＯＤ→奇数番目の右側界磁突極３１１Ｒ→アキシャルエアギャップＧ２→右側のアキシャル電機子鉄心２２０ｂ→固定軸４３０Ｂの経路ように流れる。

このように磁束が流れることにより、左側の界磁突極３１１ＬがＳ極（ｓ）になり、それと同一極の界磁鉄心３１０のラジアル面ＲＳはＮ極（ｎ）となり、隣の極の界磁鉄心３１０のラジアルＲＳ面はＳ極（ｓ）となり、隣の極の右側の界磁突極３１１ＲはＮ極（ｎ）となる。このとき、各界磁鉄心の間に埋め込まれた永久磁石（ＩＰＭ）３２３の極性は、その極の界磁鉄心３１０のラジアル面の極性と同じＮ極（ｎ）になるよう配列する。

このように、アウターロータ式同期電動機１００Ｂの直流励磁磁気回路は、上記第１実施形態に係るインナーロータ式同期電動機１００Ａの直流励磁磁気回路のブラケットと固定軸を置き換えたものと同じになる。

界磁の毎極の磁束についてもインナーロータ式電動機１００Ａの場合と同様、次のようになる。
（１）ラジアル磁極にあっては、Φｄ＋Φｉ
（２）アキシャル磁極にあっては、（Φｄ＋Φｉ＋Φｓ）／２
アキシャル磁極の場合、すべての磁極がコンセクエントポール（Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔ Ｐｏｌｅ）であるので、毎極の磁束は半分となる。ここで、Φｄ：直流励磁磁束、Φｓ：永久磁石（ＳＰＭ）による磁束、Φｉ：永久磁石（ＩＰＭ）による磁束。
以上の式から、ラジアル磁束もアキシャル磁束も直流励磁電流でそれらの磁束量を制御できることはインナーロータ式電動機１００Ａと同じである。

また、アウターロータ式同期電動機１００Ｂの界磁全体の磁極の配列、すなわち永久磁石ならびに直流励磁による電磁石の磁極の配列は、インナーロータ式電動機１００Ａの場合と同じであるので、図４で同様に説明できる。２つのアキシャル面ＡＳでは同一回転角における極性は同極であるが、ラジアル面では異極となる。なお、ｎ、ｓは界磁突極（直流電磁石）の極性がＮ極、Ｓ極であることを意味している。

以上説明したように、本発明によれば、電機子と界磁との間に、１つのラジアルエアギャップ面と２つのアキシャルエアギャップを設け、同一回転角の位置において、この２種類のエアギャップにおけるそれぞれの磁界の極性を、電機子にあっては時間的および空間的に同極性となるようにし、界磁にあっては空間的に同極性となるようにしたことにより、トルク密度・出力密度がより増大する同期電動機を得ることができる。

さらには、ラジアルエアギャップとアキシャルエアギャップにおいて、直流励磁磁石と永久磁石の２種類の磁石を組み合わせたハイブリッド励磁型の界磁を形成するとともに、永久磁石による磁束の流れと直流励磁による磁束の流れが互いに独立して並列に流れるようにし、直流励磁磁気回路の中に３つのエアギャップ以外に磁気抵抗の大きい空隙が存在しないため、効率よく直流励磁磁束が発生し、始動から加速の段階において大きなトルクを出すことができるとともに、高速運転時には、直流励磁電流を減らすことによって、弱め界磁のための無駄な電力を消費せず、高効率の高速化が可能となる。

１００Ａ ハイブリッド励磁形同期機（インナーロータ式）
１００Ｂ ハイブリッド励磁形同期機（アウターロータ式）
１１０Ａ ステータ（インナーロータ式）
１１０Ｂ ステータ（アウターロータ式）
１２０Ａ ロータ（インナーロータ式）
１２０Ｂ ロータ（アウターロータ式）
２１０ ラジアル電機子
２２０（２２０ａ，２２０ｂ） アキシャル電機子
３００Ａ 界磁（インナーロータ式）
３００Ｂ 界磁（アウターロータ式）
３１０ 界磁鉄心
３１１ 界磁突極
３２１ 永久磁石（ＳＰＭ）
３２３ 永久磁石（ＩＰＭ）
４００ ブラケット
４２１Ａ，４２２Ａ，４２１Ｂ，４２２Ｂ 直流励磁コイル
４３０Ａ 出力回転軸
４３０Ｂ 固定軸
４４０ 軸受
Ｇ０ ラジアルエアギャップ
Ｇ１，Ｇ２ アキシャルエアギャップ

Claims (7)

1. 電機子と直流励磁コイルとを有するステータと、上記直流励磁コイルにより励磁される界磁を有するロータと、磁性体からなる円筒状のブラケットおよび上記ブラケットの軸線上に軸受部材を介して配置された出力回転軸とを含み、上記ステータが上記ブラケット側に設けられ、上記ロータが上記ステータの内周面側で上記出力回転軸に取り付けられているインナーロータ式の同期電動機において、
   上記電機子は、上記ブラケットの円筒部内面に非磁性体の第１支持部材を介して取り付けられるラジアル電機子と、上記ブラケットの一方の第１端板と他方の第２端板の各内面に上記出力回転軸を中心として同軸として取り付けられる同径の第１アキシャル電機子および第２アキシャル電機子とを備え、上記３つの電機子は、それぞれ円周方向に沿って同一の回転角で配置される複数の歯部を有し、上記各歯部には集中巻巻線が施され、同一の回転角に属する３つの歯部うち、上記第１，第２アキシャル電機子の歯部に巻かれるアキシャル巻線は同一極性、上記ラジアル電機子の歯部に巻かれるラジアル巻線は逆極性となるようにし、上記３つの巻線を単位グループとして、これらを直列および／または並列に接続して多相巻線を構成し、
   上記界磁は、強磁性体からなる複数個の界磁鉄心を有し、上記各界磁鉄心が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の第２支持部材を介して上記出力回転軸に取り付けられ、上記界磁鉄心の各々は、上記ラジアル電機子と対向する外径側に１つのラジアル面を有するとともに、上記出力回転軸の軸方向に沿った両側面に上記第１アキシャル電機子と対向する第１アキシャル面と上記第２アキシャル電機子と対向する第２アキシャル面の２つのアキシャル面を有し、
   上記各界磁鉄心のラジアル面と上記ラジアル電機子との間には磁路となるラジアルエアギャップが設けられ、任意に選択される上記界磁鉄心を１番目として、奇数番目の上記界磁鉄心の上記第１アキシャル面には第１永久磁石が設けられているとともに、上記第２アキシャル面には上記第２アキシャル電機子との間に磁路となる第２アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第１界磁突極が形成されており、
   偶数番目の上記界磁鉄心の上記第１アキシャル面には上記第１アキシャル電機子との間に磁路となる第１アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第２界磁突極が形成されているとともに、上記第２アキシャル面には第２永久磁石が設けられており、かつ、上記各界磁鉄心の間にはそれぞれ第３永久磁石が配置されており、
   上記直流励磁コイルは、上記ラジアル電機子、上記第１アキシャル電機子および上記ブラケットで囲まれる第１空間内において上記出力回転軸を中心として巻回される第１直流励磁コイルと、上記ラジアル電機子、上記第２アキシャル電機子および上記ブラケットで囲まれる第２空間内において上記出力回転軸を中心として巻回される第２直流励磁コイルとを備え、
   上記直流励磁コイルにより発生する励磁磁束が上記第１アキシャル電機子もしくは上記第２アキシャル電機子のいずれか一方から上記第１，第２アキシャルエアギャップ、上記ラジアルエアギャップ、上記界磁鉄心および上記ラジアル電機子を含む磁路を介していずれか他方のアキシャル電機子へと流れるようにしたことを特徴とするインナーロータ式の同期電動機。
2. 電機子と直流励磁コイルとを有するステータと、上記直流励磁コイルにより励磁される界磁を有するロータと、強磁性体からなる固定軸および上記固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された円筒部を含むブラケットとを備え、上記ステータが上記固定軸側に設けられ、上記ロータが上記ブラケット側に設けられ上記ブラケットとともに回転するアウターロータ式の同期電動機において、
   上記電機子は、上記固定軸に非磁性体の第１支持部材を介して取り付けられるラジアル電機子と、上記ラジアル電機子の両側において上記固定軸と磁気的に結合した状態で上記固定軸を中心として同軸に配置される同径の第１アキシャル電機子および第２アキシャル電機子とを備え、上記３つの電機子は、それぞれ円周方向に沿って同一の回転角で配置される複数の歯部を有し、上記各歯部には集中巻巻線が施され、同一の回転角に属する３つの歯部うち、上記第１，第２アキシャル電機子の歯部に巻かれるアキシャル巻線は同一極性、上記ラジアル電機子の歯部に巻かれるラジアル巻線は逆極性となるようにし、上記３つの巻線を単位グループとして、これらを直列および／または並列に接続して多相巻線を構成し、
   上記界磁は、強磁性体からなる複数個の界磁鉄心を有し、上記各界磁鉄心が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の第２支持部材を介して上記ブラケットの円筒部内面に沿って取り付けられており、上記界磁鉄心の各々は、上記ラジアル電機子と対向する内径側の１つのラジアル面を有するとともに、上記固定軸の軸方向に沿った両側面に上記第１アキシャル電機子と対向する第１アキシャル面と上記第２アキシャル電機子と対向する第２アキシャル面の２つのアキシャル面を有し、
   上記各界磁鉄心のラジアル面と上記ラジアル電機子との間には磁路となるラジアルエアギャップが設けられ、任意に選択される上記界磁鉄心を１番目として、奇数番目の上記界磁鉄心の上記第１アキシャル面には第１永久磁石が設けられているとともに、上記第２アキシャル面には上記第２アキシャル電機子との間に磁路となる第２アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第１界磁突極が形成されており、
   偶数番目の上記界磁鉄心の上記第１アキシャル面には上記第１アキシャル電機子との間に磁路となる第１アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第２界磁突極が形成されているとともに、上記第２アキシャル面には第２永久磁石が設けられており、かつ、上記各界磁鉄心の間にはそれぞれ第３永久磁石が配置されており、
   上記直流励磁コイルは、上記ラジアル電機子、上記第１アキシャル電機子および上記固定軸で囲まれる第１空間内において上記固定軸の一端側に巻回される第１直流励磁コイルと、上記ラジアル電機子、上記第２アキシャル電機子および上記固定軸で囲まれる第２空間内において上記固定軸の他端側に巻回される第２直流励磁コイルとを備え、
   上記直流励磁コイルにより発生する励磁磁束が上記第１アキシャル電機子もしくは上記第２アキシャル電機子のいずれか一方から上記第１，第２アキシャルエアギャップ、上記ラジアルエアギャップ、上記界磁鉄心および上記ラジアル電機子を含む磁路を介していずれか他方のアキシャル電機子へと流れるようにしたことを特徴とするアウターロータ式の同期電動機。
3. 上記奇数番目の界磁鉄心に設けられる上記第１永久磁石と上記偶数番目の界磁鉄心に設けられる上記第２永久磁石はともにＳＰＭ方式の磁石で、上記第１永久磁石がＮ極で上記第２永久磁石はＳ極であり、上記直流励磁コイルの励磁磁束により、上記奇数番目の界磁鉄心の上記ラジアル面はＳ極、上記第１界磁突極はＮ極に励磁される一方で、上記偶数番目の界磁鉄心の上記ラジアル面はＮ極、上記第２界磁突極はＳ極に励磁されることを特徴とする請求項１または２に記載の同期電動機。
4. 上記第３永久磁石はＩＰＭ方式の磁石で板厚方向に着磁されており、そのＮ極側が上記偶数番目のラジアル面側、Ｓ極が上記奇数番目のラジアル面側となるように配置されることを特徴とする請求項３に記載の同期電動機。
5. 上記第１永久磁石および上記第２永久磁石が省略されている請求項１または２に記載の同期電動機。
6. 上記第３永久磁石がさらに省略されている請求項５に記載の同期電動機。
7. 風力発電および水力発電用の発電機として用いられ、風車や水車の機械的トルクや出力に応じて上記直流励磁コイルへの通電電流を調整することにより、風力発電および水力発電の電気的出力を制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の同期電動機。

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