WO2014196218A1

WO2014196218A1 - 直流励磁界磁型同期電動機

Info

Publication number: WO2014196218A1
Application number: PCT/JP2014/051196
Authority: WO
Inventors: 成田　憲治
Original assignee: Narita Kenji
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-12-11
Also published as: DE112014002272T5; JP5647307B1; JP2015015874A; US20160105088A1

Abstract

　励磁鉄心を用いて界磁を励磁する直流励磁界磁型同期電動機において、大トルク密度・出力密度を得るため、電機子と界磁とが対向する有効なエアギャップの面積を大きくする。ロータ２００Ａ（２００Ｂ）のラジアル方向の側面と、２つのアキシャル方向の側面とに、それぞれエアギャップを介してステータ３００Ａ（３００Ｂ）の電機子を対向的に配置して、電機子にインバータによる多相交流電流を流すことにより、空間的および時間的に同一極性となる回転磁界が発生して、３つのエアギャップＧ１～Ｇ３において同一回転方向のトルクおよび回転出力を得るようにした。

Description

直流励磁界磁型同期電動機

　本発明は、直流励磁界磁型同期電動機に関し、さらに詳しく言えば、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、よりトルク密度、出力密度を高めた直流励磁界磁型同期電動機に関する。

　電動機の一例として直流励磁界磁型同期電動機がある。この種の電動機は、ロータの回転制御用として励磁用コイルと励磁鉄心を備えている。通常、この励磁コイルには、スリップリングを介して給電される。しかしながら、スリップリングは、ブラシとともに摩耗するため信頼性が低いという欠点がある。

　そこで、スリップリングを使用しない直流励磁界磁型同期電動機が提案されている。その一例として、非特許文献１の電動機がある。図１８に示すように、この電動機１Ａは、２つの界磁をクローポール型の組み合わせとして回転軸２１に固定されたロータ２Ａと、ロータ２Ａのラジアル方向の側面に対向するように配置された環状のステータ３Ａとを備えている。

　ロータ２Ａは、界磁鉄心２２のアキシャル側の側面（図１８では左側面）の一部が切り欠かれており、その切り欠き部２３に、一端が図示しない支持部材にて片持ちで支持された励磁鉄心４Ａの自由端側をロータ２Ａの内側に差し込んだ構造となっている。

　これによれば、励磁鉄心４Ａの励磁コイル４１に直流電流を流す
ことにより、クローポールの偶数極の界磁のうち、例えば偶数番目の極がＮ極、奇数番目の極がＳ極となるようにそれぞれ励磁され、ステータ３Ａ側の電機子の回転磁界との間にトルクが発生する。

　また別の例として、非特許文献２の電動機がある。図１９に示すように、この電動機１Ｂは、円盤状のロータ２Ｂと、ロータ２Ｂのラジアル方向の外周面に沿って環状のステータ３Ｂが配置されたインナーロータ型である。

　図１９（ａ）に示すように、ロータ２Ｂの界磁鉄心５１の中央部に円周方向の溝を切り、左右それぞれに偶数個の歯を形成するとともに、歯と歯の間には円周方向の巾が歯とほぼ等しいスロットを設け、左右で歯とスロットが互い違いに向き合うように配置して、左側のスロットにはＮ極の永久磁石を表面に張り付け、右側のスロットにはＳ極の永久磁石を表面に張り付ける。

　ステータ３Ｂの電機子鉄心３２の中央部には円周方向に溝３４を切り、そこにリング状の励磁コイル４１を埋め込み直流電流を流すと界磁の永久磁石５２，５３を張り付けていない歯には左側の界磁においてはＮ極、右側の界磁の歯にはＳ極の極性の磁界が発生し、界磁全体では偶数極の磁界が形成され、電機子の回転磁界との間にトルクが発生する。

　しかしながら、上述した２種類の電動機には次のような問題があった。すなわち、両者ともエアギャップ面がラジアル方向にのみ設けられているため、トルク密度や出力密度が低い。特に、後者は回転子となる界磁の磁界形成は、永久磁石と直流励磁とが半分ずつ分担する構造であるため、直流励磁による界磁磁束を十分に発生させることができない。

　モータの力（トルク）は、界磁による直流磁界と電機子による交流磁界とが対向して形成されたエアギャップを介して相互に作用して発生する引力－斥力（マクスウェル応力）の運動方向成分の総和に比例する。すなわち、モータの力（トルク）∝〔電機子の交流磁束の大きさ〕×〔界磁の直流磁束の大きさ〕
で表される。

　モータのサイズ、電気装荷、磁気装荷、及びエアギャップ長などをほぼ一定と仮定すると、次の二つの式が成立する。すなわち、〔電機子の交流磁束の大きさ〕∝〔電機子と界磁とが対向するエアギャップ面積〕であり、〔界磁の直流磁束の大きさ〕∝〔電機子と界磁とが対向するエアギャップ面積〕である。したがって、モータのトルク密度や出力密度を大きくするためには、電機子と界磁とが対向するエアギャップの面積を大きくすることが望ましい。

　しかしながら、両者はラジアル方向またはアキシャル方向のみのエアギャップをもって対向配置されているため、より高出力化を図るためには、上述したようにステータとロータのエアギャップ面積をさらに増やす必要がある。

井上正哉ら著、平成２２年電気学会産業応用部門大会（２－Ｓ８－３），ＩＩ－７７～８０頁，「脱レアアース２－クローポールモータの可能性」堺和人著、平成２２年電気学会産業応用部門大会（３－７），ＩＩＩ－１４９～１５４頁，「ハイブリッド可変磁力モータの原理と基本特性」

　そこで、本発明の課題は、励磁鉄心を用いて界磁を励磁する直流励磁界磁型同期電動機において、大トルク密度・出力密度を得るため、電機子と界磁とが対向する有効なエアギャップの面積を大きくすることにある。

　上述した課題を解決するため、第１の発明は以下の特徴を備えている。すなわち、電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの内周面側に上記ロータが配置されているインナーロータ式の直流励磁界磁型同期電動機において、上記界磁は、強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を有し、上記各界磁磁極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支持部材を介して強磁性体の回転軸に取り付けられ、上記界磁磁極の各々は、外径側の１つのラジアル面と、上記回転軸の軸方向に沿った両側面側の２つのアキシャル面とを有し、上記電機子は、環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記界磁磁極の上記ラジアル面と上記各アキシャル面とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル面の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル面の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記直流励磁鉄心は、上記回転軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、通電により発生する磁束が、上記回転軸のＮ極側→Ｎ極側の励磁鉄心→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記３面のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記３面のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→Ｓ極側の励磁鉄心→上記回転軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記３面のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴としている。

　第２の発明は以下の特徴を備えている。すなわち、電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの外周面側に上記ロータが配置されているアウターロータ式の直流励磁界磁型同期電動機において、上記ロータは、強磁性体の固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された非磁性体からなるケーシングと、上記ケーシングの内周面側に取り付けられる界磁とを含み、上記界磁は、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強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を備え、上記界磁磁極の各々は、上記ケーシングの円周側の内周面に配置される１つのラジアル磁極部と上記ケーシングの上記固定軸の軸方向に沿った両側の内周面に配置される２つのアキシャル磁極部とを有し、上記電機子は、内周側が非磁性体の支持部材を介して上記固定軸に固定される強磁性体からなる環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記各界磁磁極の上記ラジアル磁極部と上記各アキシャル磁極部とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル磁極部の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル磁極部の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記直流励磁鉄心は、上記固定軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、通電により発生する磁束が、上記固定軸のＮ極側→Ｎ極側の励磁鉄心→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記３面のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記３面のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→Ｓ極側の励磁鉄心→上記固定軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記３面のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴としている。

　より好ましい態様として、第１および第２の発明において、上記フラックスゲート部および上記フラックスバリア部は、上記各界磁磁極の内径側に配置されていることが好ましい。

　第２の発明において、上記電機子は、上記電機子は、断面四角形の環状鉄心を有し、上記環状鉄心の表面には、その鉄心中心線を旋回する環状のスロットが周方向に所定の間隔をもって複数形成されており、上記各スロット内に、空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させるトロイダル巻電機子巻線が施されていることが好ましい。

　第２の発明において、上記電機子は、断面四角形の環状鉄心を有し、上記環状鉄心には、電機子巻線が施されるスロットが円周方向に沿って所定の間隔をもって配置され、隣接する上記スロット間には、上記環状鉄心の外径面および両側面を含み、円周方向の幅が半径方向外側に向けて漸次大きくなる扇状の電機子ティースが形成されており、上記各スロット内で上記電機子ティースの外径面および両側面の各周縁に沿わせて、空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させる集中巻電機子巻線が巻回されていることが好ましい。

　本発明によれば、ステータ側とロータ側との間に、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、この３つのエアギャップにおける磁界の極性を、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・出力密度をより増大させた直流励磁界磁型同期電動機を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係るインナーロータ式の直流励磁界磁型同期電動機を示す模式的な断面図。上記第１実施形態におけるロータ（界磁）の（ａ）左側面図および（ｂ）右側面図。上記第１実施形態のロータの界磁磁極を示す斜視図。上記第１実施形態におけるステータ（電機子）の（ａ）中央縦断面図および（ｂ）そのＡ－Ａ断面図。上記第１実施形態における電機子巻線と三相交流電源の接続状態を示す結線図。界磁磁極と励磁鉄心との相対的な位置関係と磁束の流れ方向を説明する説明図。上記第１実施形態におけるステータの変形例を示す要部断面図。上記変形例における電機子巻線と三相交流電源の接続状態を示す結線図。本発明の第２実施形態に係るアウターロータ式の直流励磁界磁型同期電動機を示す模式的な断面図。上記第２実施形態におけるロータの界磁磁極を示す斜視図。上記第２実施形態におけるロータの（ａ）左側面図および（ｂ）右側面図。上記第２実施形態におけるステータの側面図。上記第２実施形態における電機子巻線と三相交流電源の接続状態を示す結線図。上記第２実施形態におけるステータの変形例を示す（ａ）側面図，（ｂ）Ｂ－Ｂ線断面図および（ｃ）電機子巻線の巻回形態を説明する説明図。上記変形例おける電機子巻線と三相交流電源の接続状態を示す結線図。インナーロータ式の直流励磁磁束の流れを説明するための模式図。アウターロータ式の直流励磁磁束の流れを説明するための模式図。第１従来例として、クローポール型電動機を示す模式図。第２従来例として、直流励磁界磁型同期電動機を示す模式図。

　次に、図１～１５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。

　図１に示すように、この第１実施形態に係る直流励磁界磁型同期電動機１００Ａ（以下、単に電動機１００Ａということがある）は、強磁性体からなる回転軸２１と、回転軸２１に同軸的に取り付けられた界磁を有する環状のロータ２００Ａと、ロータ２００Ａの界磁を励磁する励磁コイル４３０および励磁鉄心４００Ａを有し、ロータ２００Ａの外周面に沿って配置され、電機子の機能を有するステータ３００Ａとを備えたインナーロータ式の直流励磁界磁型同期電動機であり、全体が円筒形状のケーシング５００Ａの中に収納されている。

　この第１実施形態において、ケーシング５００Ａは、回転軸２１の軸線方向に沿って２分割されており、カップ型のケーシング本体５１０と、ケーシング本体５１０の開口部を塞ぐように取り付けられる蓋部材５２０とを備えている。ケーシング５００Ａは、例えばアルミニウムなどの非磁性体からなる。

　ケーシング本体５１０と蓋部材５２０との取付面にはフランジ部５１１，５２１が形成されており、フランジ部５１１，５２１同士を互いに突き当てた状態でネジ止めすることにより、ケーシング５００Ａが形成される。なお、溶接で一体化してもよい。

　ケーシング本体５１０および蓋部材５２０の軸線方向の中央には、挿通孔５１２，５２２を有し、各挿通孔５１２，５２２に隣接して軸受部４１，４１が同軸的に配置されている。この実施形態において、軸受部４１，４１は、ラジアルボールベアリングからなり、外輪側がケーシング５００に支持され、内輪側が回転軸２１を軸支している。

　図２を併せて参照して、ロータ２００Ａは、中心に回転軸２１が同軸的に接合された支持部材２１０と、支持部材２１０の外周面に沿って取り付けられる複数の界磁磁極２２０とを備えている。

　支持部材２１０は、非磁性体からなる円管状を呈し、その外周面には、偶数個の界磁磁極２２０が固定されている。支持部材２１０に界磁磁極２２０を固定する方法の一例としては、ダイカストや樹脂成形などが用いられて良い。

　図３を併せて参照して、界磁磁極２２０は、１つのラジアルティース面２２１と、２つのアキシャルティース面２２２，２２３とを有し、中心から半径方向の外側に向かうにつれて円周方向の幅が漸次大きくなる扇形柱状に形成されている。

　界磁磁極２２０の一方のアキシャルティース面２２２には、励磁鉄心４００からの磁束（フラックス）が界磁磁極２２０内に入らないようにするためのフラックスバリア部２３１が設けられていてもよい。

　この実施形態において、フラックスバリア部２３１は、一方のアキシャルティース面２２２の外周面から内側に向けて凹まされた凹部からなり、この凹部によって形成される大きな空隙Ｇｂが大きな磁気抵抗として機能することにより、界磁磁極２２０内に入ることを防ぐようになっている。

　界磁磁極２２０の他方のアキシャルティース面２２３には、フラックスゲート部２３２が設けられている。フラックスゲート部２３２は、励磁鉄心４００Ａとの空隙Ｇｇを小さくして磁気抵抗を小さくし、磁束の通りやすい構造とする。

　この実施形態において、フラックスバリア部２３１の空隙間隔は３ｍｍ以上、フラックスゲート部２３２の空隙間隔は０．３～１ｍｍ程度であってよい。

　フラックスバリア部２３１およびフラックスゲート部２３２は、各界磁磁極２２０の内径側（回転軸２１の軸中心側）に配置されている。

　この実施形態において、界磁磁極２２０は、８極（２２０ａ～２２０ｈ）分が設けられており、各界磁磁極２２０の間には、各界磁磁極２２０の間にフラックスが流れないようするため、フラックスバリアとして空隙Ｇｒが設けられている。この空隙Ｇｓの間隔も３ｍｍ以上であってよい。

　図２（ａ）に示すように、ステータ２００Ａの左側面において、各界磁磁極２２０のうち、偶数番目の界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）には、上述したフラックスバリア部２３１が配置されており、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）にはフラックスゲート部２３２が配置されている。

　これに対して、図２（ｂ）に示すように、ステータ２００Ａの右側面において、各界磁磁極２２０のうち、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）は、上述したフラックスバリア部２３１が配置されており、偶数番目の界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）には、フラックスゲート部２３２が配置されている。

　次に、図４を併せて参照して、ステータ３００Ａは、ヨークとしての環状鉄心３１０を備え、環状鉄心３１０には、界磁磁極２２０のラジアルティース面２２１に対しラジアルエアギャップＧ１（図１では上下方向の面）をもって対向するラジアルティース部３１１と、ロータ２のアキシャルティース面２２２，２２３に対し２つのアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３（図１では左右方向の面）をもって対向する２つのアキシャルティース部３１２，３１３とを有し、それらがロータ２００Ａを挟むようにコ字型（門型）に配置されている。なお、このヨークはラジアルティース部３１１と２つのアキシャルティース部３１２，３１３の３つのヨークの機能を持っている。

　ラジアルティース部３１１は、環状環状鉄心３１１の内周面からロータ２００ＡのラジアルエアギャップＧ１に向けて突設されており、その先端はロータ２００Ａの外径に沿って円弧状に切り欠かれている。この例において、ラジアルティース部３１１は、９スロット分が設けられている。各ラジアルティース部３１１の周囲には電機子巻線Ｃが巻回されるスロット部３２０が形成されている。

　各アキシャルティース部３１２，３１３は、基端側（ラジアルティース３１０側）から先端側（回転軸２１側）に向けて、円周方向の幅が漸次小さくなる扇状に形成されており、各アキシャルティース部３１２，３１３の間には、各アキシャルティース部３２の間で磁束が流れないようにするためのフラックスバリアとして空隙Ｇｓが設けられている。

　各アキシャルティース部３２０の先端側は、それぞれ半円状に切り欠かれており、その内径側に後述する励磁鉄心４００Ａが収納される開口部３２１が設けられている。

　この実施形態において、ステータ鉄心３００Ａは、電磁鋼鈑をプレス加工により軸方向に、アキシャル部、ラジアル部そしてアキシャル部と積層加工した環状の積層体からなるが、これ以外に焼結磁心や圧粉磁心などが用いられてもよい。

　ラジアルティース部３１１と２つのアキシャルティース部３１２，３１２とは一体成形されているため、ステータ３００Ａの内部にロータ２００Ａを保持するためには、ステータ３００Ａは円周方向に少なくとも２以上に分割されていなくてはならない。そこで、この実施形態において、ステータ３００Ａは１２０°間隔で半径方向に沿って分割面３０１によって３分割されている。

　各スロット部３２０内には電機子巻線Ｃが配線されるが、この第１実施形態において、電機子巻線Ｃは、ラジアルティース部２１１の周縁に沿わせて集中巻巻線として巻線される。

　図５に三相交流電源（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）と電機子巻線Ｃの接続状態を示す。なお、図５において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相中のアッパーラインが付されている巻線は、アッパーラインが付されていない巻線とは逆巻きであることを示しているが、本明細書では、逆巻きの巻線には便宜上アンダーラインを付している。

　この三相集中巻電機子巻線のＵ相（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）、Ｖ相（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）、Ｗ相（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）に対して、インバータで構成される三相交流電源より三相交流（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を通電することにより、最外径面側のラジアルティース部３１１と、両側面のアキシャルティース部３１２，３１３とに、空間的・時間的に同極の回転磁界が発生し、ロータ２００Ａ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクが発生する。

　ロータ２００Ａがステータ３００Ａの内側に配置されることで、ロータ２００Ａのラジアルティース面２２１とステータ３００Ａのラジアルティース部３１１とがラジアルエアギャップＧ１をもって対向し、ロータ２００Ａの２つのアキシャルティース面２２２，２２３と、ステータ３００Ａのアキシャルティース部３１２，３１３とが２つのアキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３をもって対向配置され、３つの磁気的に有効なエアギャップ面Ｇ１～Ｇ３が形成される。

　再び図１を参照して、励磁鉄心４００Ａは、ロータ２００Ａの一方のアキシャルティース面２２１（図１では左側面）に対向するように配置された第１励磁鉄心４１０と、ロータ２００Ａの他方のアキシャルティース面２２２（図１では右側面）に対向するように配置された第２励磁鉄心４２０とを備えている。

　第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２０は、回転軸２１を中心に同軸的な環状鉄心であって、その一部はフラックスバリア部２３１およびフラックスゲート部２３２と対向するように配置されている。

　第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２０の各内周面には、リング状の励磁コイル４３０が回転軸２１を周回するように設けられている。各励磁コイル４３０は、磁化方向が同一になるように接続されて１つの励磁コイル４３０として機能する有芯コイルになっている。

　図６に示すように、励磁コイル４３０に直流電流を流すことで、有芯コイルによって回転軸２１は磁石となる。そこで、図１のように第１励磁コイル４１０側がＮ極で、第２励磁コイル４２０側がＳ極とした場合、励磁磁束（フラックス）は回転軸２１のＮ極側→回転軸２１と励磁鉄心４１０との間の空隙Ｇｓ→第１励磁鉄心４１０→励磁鉄心４１０とフラックスゲート部２３２との間の空隙Ｇｇ→偶数番目のフラックスゲート部２３２を有する界磁磁極（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）→３面のエアギャップＧ１～Ｇ３→電機子３００Ａの環状鉄心３１１→３面のエアギャップＧ１～Ｇ３→奇数番目のフラックスゲート２３２を有する界磁磁極（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ→励磁鉄心４２０とフラックスゲート部２３２との間の空隙Ｇｇ→奇数番目のフラックスゲート部２３２→第２励磁鉄心４２０→回転軸２１と励磁鉄心４２０との間の空隙Ｇｓ→回転軸２１のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成される。
　なお、電機子鉄心と界磁磁極２２０との間のエアギャップＧ１～Ｇ３、回転軸２１と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙Ｇｓ、ならびに、フラックスゲート部２３２と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙Ｇｇについては、磁気抵抗を小さくするため、それらの間の長さを相対的に短くし、界磁磁極２２０相互間の空隙Ｇｒ、ならびに、フラックスゲート部２３２を除く界磁磁極２２０と励磁鉄心４１０，４２０との間の空隙Ｇｂは、フラックスバリア部２３１を含め、磁気抵抗を大きくするため、それらの長さを相対的に長くする。

　これによれば、偶数番目の各界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）を流れる磁束の向きと、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）の中を流れる磁束の向きとが逆となり、その結果、例えば、偶数番目の界磁磁極２２０（２２０ｂ，２２０ｄ，２２０ｆ，２２０ｈ）がＮ極となり、奇数番目の界磁磁極２２０（２２０ａ，２２０ｃ，２２０ｅ，２２０ｇ）がＳ極となるように励磁される。

　図１６に示すように、Ｎ極界磁磁極からＳ極界磁磁極に流れる磁束は、環状鉄心３１０のラジアルティース部３１１と２つのアキシャルティース部３１２，３１３の３つの流れに分流する。ここで、回転軸２１、励磁鉄心４００Ａ、界磁磁極２２０、電機子鉄心３１０の透磁率は、空気の透磁率に比べて３ケタ以上大きいので、これらの部分における磁気抵抗は小さいため無視し、磁気抵抗の大きい空気層（すなわち、エアギャップ部Ｇ１～Ｇ３）や励磁鉄心とフラックスゲート部２３１の空隙のみについて考えた場合、直流励磁磁束は、アンペアの周回積分の法則から下式（１）によって算出される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（１）

　ここで、上記数式１の各パラメータは以下の通りである。
　Φ：磁束量
　Ｉ：直流電流
　Ｓａ：アキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３の面積（界磁磁極のアキシャルギャップ面２２２，２２３と電機子鉄心のアキシャルギャップ面３１２，３１３との対向面積の総和の１／２）
　Ｓｒ：ラジアルエアギャップの面積（界磁磁極のラジアルギャップ面２２１と電機子鉄心のラジアルギャップ面３１１との対向面積の総和の１／２）
　Ｓ１：励磁鉄心とフラックスゲート部の対向面積
　Ｎ：直流励磁コイル１個の巻数
　ｇ：エアギャップの長さ
　ｃ：空隙の長さ
　μ：空気の透磁率

　次に、図７を参照して、この第１実施形態のステータ３００Ａの変形例を説明するが、上述した実施形態と同一または同一と見なされる箇所には同じ参照符号を付した。この変形例のステータ３００Ａ’は、ラジアルティース部３１０と、２つのアキシャルティース部３１２，３１３とがそれぞれ独立して形成されており、それらがロータ２００Ａを挟むようにコ字型（門型）に配置されている。

　ラジアルティース部３１１は、ロータ２００Ａの外周面に対して同心円状に９箇配置されている。ラジアルティース部３１１は、環状環状鉄心の周囲に電機子巻線Ｃが巻回されている。基本的な構造は上述したステータ３００Ａのラジアルティース部３１１と同様である。

　各アキシャルティース部３１２，３１３は、中心から半径方向の外側に向かって円周方向の幅が漸次大きくなる扇状に形成されており、それらが円周方向に複数、この例では９個が環状に配置されている。アキシャルティース部３２０には、電機子巻線Ｃが巻回されている。

　ラジアルティース部３１１と、２つのアキシャルティース部３１２，３１３に対して図８に示すような三相交流結線を施し、そこに三相交流を通電することにより、最外径面側のラジアルティース部３１１と、両側面のアキシャルティース部３１２，３１３とに、空間的・時間的に同一極性の回転磁界が発生し、ロータ２００Ａ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクおよび出力が発生する。

　次に、図９～図１５を参照して、第２実施形態のアウターロータ式の直流励磁界磁型同期電動機について説明する。

　図９に示すように、この第２実施形態の直流励磁界磁型同期電動機１００Ｂ（以下、単に電動機１００Ｂということがある）は、強磁性体からなる固定軸２５と、固定軸２５に固定されたステータ３００Ｂと、固定軸２５に軸受部材４１，４１を介して回転可能に支持されたケーシング５００Ｂの内面に界磁を有するロータ２００Ｂと、界磁を励磁する励磁コイル４３０が巻回された励磁鉄心４００Ｂとを有し、ステータ３００Ｂの外周面側にロータ２００Ｂが配置されたアウターロータ式の直流励磁界磁型同期電動機である。

　この第２実施形態において、ケーシング５００Ｂは、ステータ３００Ｂが固定される固定軸２５の軸線方向に沿って２分割されており、一方の第１ケーシング５１０（ケーシング本体）は、円筒カップ状に形成されており、その中央部分には、固定軸２５が挿通される挿通孔５１１が設けられている。ケーシング５００Ｂは、例えばアルミニウムなどの非磁性体が用いられる。

　他方の第２ケーシング５２０（蓋部材）は、第１ケーシング４１の開口部を塞ぐ蓋部材として形成され、その中央部分には、固定軸２３が挿通される挿通孔５２１が設けられている。

　第１ケーシング５１０と第２ケーシング５２０の開口部側にはともに、フランジ部５１２，５２２が形成されており、フランジ部４１２，４２２同士を互いに突き合わせた状態で図示しない例えばネジによってネジ止めすることにより、ケーシング５１０，５２０同士が強固に連結される。第一ケーシング５１０と第二ケーシング５２０は溶接接合されてもよい。

　ケーシング５００Ｂは、上記挿通孔５１１，５２１の部分にラジアル軸受け４１，４１を有し、ラジアル軸受け４１，４１を介して固定軸２５がケーシング５００Ｂに支持されている。

　図１０および図１１を併せて参照して、ロータ２００Ｂは、ステータ３００Ｂのラジアル面に対してラジアルエアギャップＧ１をもって対向配置されるラジアルティース部２５１と、ステータ３００Ｂの２つアキシャル面に対してラジアルエアギャップＧ２，Ｇ３をもって対向配置される２つのアキシャルティース部２５２，２５３とを有する界磁磁極２５０を備えている。

　界磁磁極２５０は、例えば電磁鋼板などの強磁性体を軸線方向に沿って積層したものからなるが、これ以外に焼結磁心や圧粉磁心などが用いられてもよい。各界磁磁極２５０の間には、界磁磁極２５０間で磁束が流れないようにするためのフラックスバリアとしての空隙Ｇｒが形成されている。

　この第２実施形態において、界磁磁極２５０は、ラジアルティース部２５１の両端からアキシャルティース部２５２，２５３が直角に一体的に延設された断面コ字状に形成されている。アキシャルティース部２５２，２５３は、基端側（ラジアル界磁磁極２５１側）から自由端側（固定軸２５側）に向かうにつれて円周方向の幅が漸次小さくなる扇状に形成されている。

　２つのアキシャルティース部２５２，２５３のうち、一方のアキシャルティース部２５２部（図１０では左側）には、励磁鉄心４１０，４２０から界磁磁極２２０に磁束を導き入れやすくするため、励磁鉄心４１０，４２０と界磁鉄心２２０との間の空隙を小さく取り、磁気抵抗を小さくする機能を持たせたフラックスゲート部２６１が設けられている。フラックスゲート部２６１は、アキシャルティース部２５２のティース面から突出した凸部からなる。なお、アキシャルティース２５２は単なる平坦面であってもよい。

　これに対し、他方のアキシャルティース部２５３（図１０では右側）には、励磁鉄心４００Ｂの磁束を界磁磁極２５０内に導き入れにくくするため、励磁鉄心４１０，４２０と界磁磁極２２０との間の空隙を大きく取り、時期定期を大きくする機能を持たせたフラックスバリア部２６２が設けられている。なお、アキシャルティース部２５３は、単なるへ端面であってもよい。

　フラックスバリア部２６２は、フラックスゲート部２６１とは逆に、アキシャルティース部２５３から励磁鉄心５００Ｂとは離反する方向（内側）に凹んだ凹部からなり、フラックスバリア部２６２と励磁鉄心５００Ｂとの空隙距離を長くすることにより、フラックスバリア部２６２にフラックスが入ることが防止される。この第２実施形態においても、フラックスゲート部２６１とフラックスバリア部２６２は、各アキシャルティース部２５２，２５３の内径側（固定軸２５の軸中心側）に配置されている。

　図１１（ａ）に示すように、この第２実施形態において、ロータ２００Ｂの左側面において、各アキシャルティース部２５２のうち、奇数番目のアキシャルティース部２５２（２５２ａ，２５２ｃ，２５２ｅ，２５２ｇ）には、上述したフラックスゲート部２６１が配置されており、偶数番面のアキシャルティース部２５２（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ）には、フラックスバリア部２６２が配置されている。

　これに対し、図１１（ｂ）に示すように、ロータ２００Ｂの右側面において、アキシャルティース部２５３のうち、偶数番目のアキシャルティース部２５３（２５３ｂ，２５３ｄ，２５３ｆ，２５３ｈ）には、上述したフラックスゲート部２６１が配置されており、奇数番面のアキシャルティース部２５３（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ）には、フラックスバリア部２６２が配置されている。

　フラックスゲート部２３１（２６１）とフラックスバリア部２３２（２６２）との考えられる組み合わせは次の表１に示す３通りである。

　図１２および図１３を参照して、ステータ３００Ｂは、電機子としての環状鉄心３３０を有し、この環状鉄心３３０は、アルミニウム材や合成樹脂材等の非磁性体からなる支持部材３４０を介して固定軸２５に固定される。

　環状鉄心３３０は、円盤状に打ち抜かれた例えば電磁鋼板を、軸線方向（図９では左右方向）に複数枚積層することにより構成され、積層状態における半径方向に沿った断面は四角形状であり、巻線を巻きやすくするため円周方向に複数に分割されていてもよい。環状鉄心３３０は、電磁鋼鈑積層鉄心のほかに、圧粉磁心もしくは焼結磁心であってもよい。

　この第２実施形態において、環状鉄心３３０には、電機子巻線Ｃを巻回するためのスロット（溝）３３１が、環状鉄心３３０の中心線を旋回するように環状に形成されている。すなわち、スロット３３１は、同一の半径線上において環状鉄心２１の外径面、両側面および内径面にかけて一連に形成されている。

　スロット３３１は、その複数個が環状鉄心３３０の円周方向に沿って所定の間隔で配置されており、その各々に電機子巻線Ｃがトロイダル巻線として巻線される。この第２実施形態に係る電動機１００Ｂは三相８極であり、スロット３３１は、１５°間隔で２４箇所に設けられており、隣接するスロット３３１，３３１の間の鉄心部分が、電機子ティース３３２として作用する。

　図１３の結線図に、図１２における三相８極のトロイダル巻線と、三相交流電源（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）との接続状態を示す。なお、図１２，図１３において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相中のアッパーラインが付されている巻線は、アッパーラインが付されていない巻線とは逆巻きであることを示しているが、本明細書では、逆巻きの巻線には便宜上アンダーラインを付している。

　このトロイダル巻線のＵ相（Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋Ｕ４，Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋Ｕ４）、Ｖ相（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４，Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）、Ｗ相（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４，Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４）に対して、インバータで構成される三相交流電源より三相交流（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を通電することにより、環状鉄心３３０には、最外径面側のラジアル部と、両側面のアキシャル部とに、空間的・時間的に同一極性の回転磁界が発生し、ロータ２００Ｂ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクが発生する。

　再び図９を参照して、励磁鉄心４００Ｂは、ロータ２００Ｂのアキシャルティース面２５２（図９では左側面）に対向するように配置された第１励磁鉄心４１０と、ステータ３００Ｂのアキシャルティース面２５３（図１では右側面）に対向するように配置された第２励磁鉄心４２０とを備えている。

　第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２０は、回転軸２１を中心に同軸的な環状鉄心であって、固定軸２５の外周面に圧入固定されている。第１励磁鉄心４１０および第２励磁鉄心４２には、固定軸２３を中心に励磁コイル４３０が巻回されている。各励磁コイル４３０は、互いに結線されて１つの励磁コイル４３０として機能し、固定軸２５を励磁する有芯コイルである。

　励磁コイル４３０に直流電流を流すことで、有芯コイルである固定軸２５は磁石となる。そこで、図９のように第１励磁コイル４１０側がＮ極で、第２励磁コイル４２０側がＳ極とした場合、磁束が、固定軸２５のＮ極側→第１励磁鉄心４１０→フラックスゲート部２６１を有する偶数番目の界磁磁極（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ）→３面のエアギャップＧ１～Ｇ３→電機子３００Ｂの環状鉄心３１１→３面のエアギャップＧ１～Ｇ３→フラックスゲート部２６１を有する奇数番目の界磁磁極（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ）→第２励磁鉄心４２０→固定軸２５のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成され、偶数番目の界磁磁極と奇数番目の界磁磁極が互いに異極となる。

　その結果、偶数番目の界磁磁極と奇数番目の界磁磁極との磁界の向きが逆となり、奇数番目の界磁磁極２５２，２５３（２５２ａ，２５２ｃ，２５２ｅ，２５２ｇ（２５３ａ，２５３ｃ，２５３ｅ，２５３ｇ））がＳ極となり、偶数番目の各界磁磁極２５２，２５３（２５２ｂ，２５２ｄ，２５２ｆ，２５２ｈ（２５３ｂ，２５３ｄ，２５３ｆ，２５３ｈ））がＮ極となるように励磁される。

　図１７に示すように、Ｎ極界磁磁極からＳ極界磁磁極に流れる磁束は、電機子鉄心３３０のラジアル部と２つのアキシャル部の３つの流れに分流する。そこで、回転軸２１、励磁鉄心４００Ｂ、界磁磁極２２０、電機子鉄心３１０の透磁率は、空気の透磁率に比べて３ケタ以上大きいので、これらの部分における磁気抵抗は小さいため無視し、磁気抵抗の大きい空気層（すなわち、エアギャップ部Ｇ１～Ｇ３）や励磁鉄心とフラックスゲート部２３１の空隙のみについて考えた場合、アンペアの周回積分の法則から、直流励磁磁束は、下式（２）によって算出される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（２）

　ここで、上記式（２）の各パラメータは以下の通りである。
　Φ：磁束量
　Ｉ：直流電流
　Ｓａ：アキシャルエアギャップＧ２，Ｇ３の面積（一方のアキシャルエアギャップにおける界磁磁極と電機子鉄心の対向面積の総和の１／２）
　Ｓｒ：ラジアルエアギャップの面積（ラジアルエアギャップにおける界磁磁極と電機子鉄心の対向面積の総和の１／２）
　Ｓ１：励磁鉄心とフラックスゲート部の面積
　Ｓ２：励磁鉄心と回転軸との面積
　Ｎ：直流励磁コイル１個の巻数
　ｇ：エアギャップの長さ
　ｃ：空隙の長さ
　μ：空気の透磁率

　次に、図１４，１５を参照して、第２実施形態に係る永久磁石型同期電動機１００Ｂのステータの変形例について説明する。

　この変形例において、図１４に示す構成のステータ３００Ｂ’を備える。このステータ３００Ｂ’において、上記第２実施形態でのステータ３００Ｂと同一もしくは同一と見なされてよい要素には同じ参照を付している。

　ステータ３００Ｂ’は、環状に形成された断面四角形の鉄心３３０を有し、この環状鉄心３３０は、上記第１実施形態と同じく、非磁性体からなる支持部材３４０を介して固定軸２５に固定される。

　なお、環状鉄心３３０は、固定軸２５に直接固定されてもよい。また、支持部材３４０は磁性体材料が用いられてもよい。さらに、環状鉄心３３０には、電磁鋼鈑積層鉄心、圧粉磁心もしくは焼結磁心などが用いられてよい。

　このステータ３００Ｂ’は、三相９スロットで、三相８極の回転磁界を作ることができ、環状鉄心３３０には４０°間隔で９個の電機子ティース３３２（３３２ａ～３３２ｉ）が設けられる。

　この実施形態において、電機子ティース３３２（３３２ａ～３２ｉ）はロータ２００Ｂ側の界磁との間で、ラジアルギャップ面と２つのアキシャルギャップ面の３面のギャップ面において有効な回転トルクが得られるようにするため、電機子ティース３３１をサドル形状とし、各電機子ティース３３２ａ～３３２ｉに集中巻電機子巻線Ｃを施すようにしている。

　環状鉄心３３０には、電機子巻線Ｃが施されるスロット３３１が円周方向に沿って所定の間隔をもって配置されている（この例で、そのスロット数は９個）。

　隣接するスロット３３１間が電機子ティース３３２となるが、この変形例において、電機子ティース３３２は、環状鉄心３３０の外径面および両側面の３面（ラジアル側の１面とアキシャル側の２面）を含み、円周方向の幅が半径方向外側に向けて漸次大きくなるサドル状（立体台形の扇状）に形成されている。すなわち、この電機子ティース３３２は、１つのラジアルティース部と２つのアキシャルティース部とを備える。

　スロット３３１内に電機子巻線Ｃが配線されるが、この変形例において、電機子巻線Ｃは、図１４（ｃ）に示すように、電機子ティース２２０の外径面（ラジアルティース部）および両側面（アキシャルティース部）の各周縁に沿わせて三次元集中巻きとして巻線される。

　図１５の結線図に、図１４における三相集中巻電機子巻線と、三相交流電源（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）との接続状態を示す。なお、図１４，図１５において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相中のアッパーラインが付されている巻線は、アッパーラインが付されていない巻線とは逆巻きであることを示しているが、本明細書では、逆巻きの巻線には便宜上アンダーラインを付している。

　この三相集中巻電機子巻線のＵ相（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）、Ｖ相（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）、Ｗ相（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）に対して、インバータで構成される三相交流電源より三相交流（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を通電することにより、環状鉄心２１には、最外径面側のラジアルティース部と、両側面のアキシャルティース部とに、空間的・時間的に同極の回転磁界が発生し、ロータ３Ｂ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクが発生する。

　１００Ａ　直流励磁界磁型同期電動機（インナーロータ型）
　１００Ｂ　直流励磁界磁型同期電動機（アウターロータ型）
　２００Ａ　ロータ（インナーロータ型）
　２００Ｂ　ロータ（アウターロータ型）
　２１０　支持部材
　２２０　界磁磁極
　２３１，２６１　フラックスバリア部
　２３２，２６２　フラックスゲート部
　２５０　界磁磁極
　２５１　ラジアルティース部
　２５２，２５３　アキシャルティース部
　３００Ａ　ステータ（インナーロータ型）
　３００Ｂ　ステータ（アウターロータ型）
　３１０　環状鉄心
　３１１　ラジアルティース部
　３１２　アキシャルティース部
　３２０　支持部材
　４００Ａ　励磁鉄心（インナーロータ型）
　４００Ｂ　励磁鉄心（アウターロータ型）
　４１０　第１励磁鉄心
　４２０　第２励磁鉄心
　４３０　励磁コイル
　Ｇ１　ラジアルエアギャップ
　Ｇ２，Ｇ３　アキシャルエアギャップ

Claims

　電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの内周面側に上記ロータが配置されているインナーロータ式の直流励磁界磁型同期電動機において、
　上記界磁は、強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を有し、上記各界磁磁極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支持部材を介して強磁性体の回転軸に取り付けられ、上記界磁磁極の各々は、外径側の１つのラジアル面と、上記回転軸の軸方向に沿った両側面側の２つのアキシャル面とを有し、
　上記電機子は、環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記界磁磁極の上記ラジアル面と上記各アキシャル面とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
　上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル面の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル面の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
　上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、
　上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル面に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル面には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
　上記直流励磁鉄心は、上記回転軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、通電により発生する磁束が、上記回転軸のＮ極側→Ｎ極側の励磁鉄心→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記３面のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記３面のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→Ｓ極側の励磁鉄心→上記回転軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、
　上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記３面のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴とする直流励磁界磁型同期電動機。
　電機子と直流励磁鉄心とを有するステータと、上記直流励磁鉄心により励磁される界磁を有するロータとを含み、上記ステータの外周面側に上記ロータが配置されているアウターロータ式の直流励磁界磁型同期電動機において、
　上記ロータは、強磁性体の固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された非磁性体からなるケーシングと、上記ケーシングの内周面側に取り付けられる界磁とを含み、
　上記界磁は、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強磁性体からなる偶数個の界磁磁極を備え、上記界磁磁極の各々は、上記ケーシングの円周側の内周面に配置される１つのラジアル磁極部と上記ケーシングの上記固定軸の軸方向に沿った両側の内周面に配置される２つのアキシャル磁極部とを有し、
　上記電機子は、内周側が非磁性体の支持部材を介して上記固定軸に固定される強磁性体からなる環状鉄心を備え、上記環状鉄心には、上記各界磁磁極の上記ラジアル磁極部と上記各アキシャル磁極部とにそれぞれエアギャップを介して対向するラジアル側ティース部とアキシャル側ティース部の３つのティース部を含む電機子ティースが円周方向に所定の間隔をもって設けられており、
　上記直流励磁鉄心は、上記界磁磁極の上記各アキシャル磁極部の一方と対向する第１励磁鉄心と上記各アキシャル磁極部の他方と対向する第２励磁鉄心とを有し、
　上記界磁磁極のうちの奇数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を通すフラックスゲート部が形成され、
　上記偶数番目の界磁磁極には、上記第１励磁鉄心と対向する側の一方のアキシャル磁極部に磁束を通すフラックスゲート部が形成され、上記第２励磁鉄心と対向する側の他方のアキシャル磁極部には磁束を遮断するフラックスバリア部が形成され、
　上記直流励磁鉄心は、上記固定軸を周回するリング状の直流励磁コイルを有し、通電により発生する磁束が、上記固定軸のＮ極側→Ｎ極側の励磁鉄心→上記奇数番目または偶数番目の界磁磁極のフラックスゲート部を有する界磁磁極→上記３面のエアギャップ→上記電機子の環状鉄心→上記３面のエアギャップ→上記偶数番目または奇数番目のフラックスゲート部を有する界磁磁極→Ｓ極側の励磁鉄心→上記固定軸のＳ極側へと流れる直流磁気回路が形成されて上記偶数番目の界磁磁極と上記奇数番目の界磁磁極が互いに異極となるようにし、
　上記電機子に多相交流電流を流して空間的・時間的に同一極性となる回転磁界を発生させ、上記３面のエアギャップにおいて上記界磁による直流磁束と上記電機子による交流磁束とを相互に作用させて回転出力を得ることを特徴とする直流励磁界磁型同期電動機。
　上記フラックスゲート部および上記フラックスバリア部は、上記各界磁磁極の内径側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の直流励磁界磁型同期電動機。
　上記電機子は、断面四角形の環状鉄心を有し、上記環状鉄心の表面には、その鉄心中心線を旋回する環状のスロットが周方向に所定の間隔をもって複数形成されており、上記各スロット内に、空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させるトロイダル巻電機子巻線が施されていることを特徴とする請求項２に記載の直流励磁界磁型同期電動機。
　上記電機子は、断面四角形の環状鉄心を有し、上記環状鉄心には、電機子巻線が施されるスロットが円周方向に沿って所定の間隔をもって配置され、隣接する上記スロット間には、上記環状鉄心の外径面および両側面を含み、円周方向の幅が半径方向外側に向けて漸次大きくなる扇状の電機子ティースが形成されており、上記各スロット内で上記電機子ティースの外径面および両側面の各周縁に沿わせて、空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させる集中巻電機子巻線が巻回されていることを特徴とする請求項２に記載の直流励磁界磁型同期電動機。