JP2010057208A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
コイルの間隔を等間隔にしつつ、鎖交磁束に対する銅損を低減する。
【解決手段】
コイルの磁極位置の電気角位相がずれているコイル１２を持った永久磁石式回転電機において、前記コイルのコイル巻数をＴ１とし、その他コイルのコイル巻数をＴ２としたとき、Ｔ２＞Ｔ１の関係を満たす。または、前記コイルを巻装するティースの磁気抵抗をＲ１とし、その他コイルを巻装するティースの磁気抵抗をＲ２としたとき、Ｒ２＜Ｒ１の関係を満たす。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機に関する。

発電機等の回転電機は、複数のコイルを備えた固定子と、複数の永久磁石を備えた回転子とを有し、回転する永久磁石が発生する回転磁界がコイルと交差することによって、コイルに起電力が発生するように構成されている。

例えば、特許文献１には、磁石界磁回転形の永久磁石式回転電機が開示されており、この回転電機は３個の同相コイルが連続する構成となっている。なお、コイルの巻数については記載されていない。また、特に、特許文献１のＦｉｇ６には、磁極を追加することにより、隣接した固定子の各磁極を異極性の永久磁石と同一電気角にて対向させて、有効磁束を増加させたものが開示されている。

国際公開第０３／０９８７８１号パンフレット

特許文献１のＦｉｇ６に記載の技術の場合、従来の回転電機と同様の体格でありながら、中速回転領域〜高速回転領域における発電量を抑制しコイル温度を低減できると共に、低速回転領域における出力を向上させることが可能である。

しかしながら、同一電気角にて対向させたことにより、固定子の各磁極の機械角が等間隔とはならず、３個並んだ同相の磁極のうち左右に隣接する磁極が中央の磁極に寄った形状となるため、中央の磁極にコイルを巻くことが困難となる問題点がある。

一方、固定子の磁極間隔を等間隔にすると、同相磁極の中央の磁極位置と対向する回転子の磁極位置とが一致するとき、中央の磁極に隣接する２個の隣接磁極（隣接コイル）と対向する回転子の磁極位置とは位置ずれが生じる。このため、隣接コイルに鎖交する鎖交磁束は、中央の磁極に鎖交する鎖交磁束よりも少なくなる。一方、銅損は、固定子に巻回するコイル巻数に比例するので、隣接コイルの銅損が鎖交磁束に対して増加するという問題点がある。

そこで、本発明は、コイルの間隔を等間隔にしつつ、鎖交磁束に対する銅損を低減することができる回転電機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の回転電機は、コイルの磁極位置の電気角位相がずれているコイルを持った永久磁石式回転電機において、前記コイルのコイル巻数をＴ１とし、その他コイルのコイル巻数をＴ２としたとき
Ｔ２＞Ｔ１
の関係を満たすことを特徴とする。

また、コイルの磁極位置の電気角位相がずれているコイルを持った永久磁石式回転電機において、前記コイルを巻装するティースの磁気抵抗をＲ１とし、その他コイルを巻装するティースの磁気抵抗をＲ２としたとき
Ｒ２＜Ｒ１
の関係を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、コイルの間隔を等間隔にしつつ、鎖交磁束に対する銅損を低減することができる。

（実施形態）
本発明の一実施形態である回転電機の構成を図１を参照して説明する。

図１の構成図において、回転電機１００は、外転型（アウタロータ型）の永久磁石式回転電機であり、ロータコア２の内周面に複数の永久磁石３を貼設した回転子１と、ステータコア１１に形成されたスロットに巻回された複数のコイル１２を備えた固定子１０とを備え、軸方向の端面には板厚の違う鉄板（図示せず）が配置されている。また、固定子１０は、回転子１の内面に対してわずかなギャップを介して内挿されており、回転子１は図示しない軸受により、回転可能に支持され、フライホイールとしても機能する。

回転子１は、２０個の板状の永久磁石３がＮ極とＳ極とが交互になるように、ロータコア２の内周面に周方向等間隔に配列されている。このロータコア２は、半径よりも軸方向幅が短い薄型の円筒形状である。固定子１０は、リング状の中心部を有するステータコア１１と１８個のコイル１２とを備え、コイル１２は１８本のティース４に集中巻で各々巻回されている。すなわち、本実施形態のステータ磁極数は１８極であり、スロット数は１８である。なお、ティース４は、Ｔ字状に形成され、ステータコア１１に放射状に等角度間隔に凸設されている。また、ロータコア２とステータコア１１とは、渦電流損を低減するため、電磁鋼板が積層されて形成されているが、これらのコアは圧粉磁心を用いて形成することもできる。

次に、図２の回路図を用いて回路構成について説明する。本実施形態の回転電機１００（図１）は、３本の同相のコイルＵ＋，Ｕ−，Ｕ＋が各相について直列接続され、この直列接続されたコイルの組がΔ結線されている。これにより、回転子１が回転することで、回転磁束がコイル１２に鎖交し、３相接続された１２個のコイル１２に１２０°の位相差を持った３相の誘起電圧が発生する。また、この３相の誘起電圧をダイオードＤ１〜Ｄ６からなる３相ブリッジ回路により直流電力に変換している。

次に、固定子１０の構成を詳細に説明する。図３は、図１の固定子１０を正面から示したものであり、回転子１が紙面に向かって反時計方向に回転すると仮定している。図３において、ステータコア１１に形成されたティース４に巻回されたコイル１２は、紙面に向かって反時計回りにＵ＋，Ｕ−，Ｕ＋，Ｗ＋，Ｗ−，Ｗ＋，Ｖ＋，Ｖ−，Ｖ＋，Ｕ＋，Ｕ−，Ｕ＋，Ｗ＋，Ｗ−，Ｗ＋，Ｖ＋，Ｖ−，Ｖ＋と同相コイルが３個連続して各相毎に配列された構成となっている。ここで、Ｕ＋とＵ−とは、コイル１２の巻回方向が逆であることを意味している。なお、同一相の３個のコイル１２の中央のコイルＵ−を中央コイルといい、コイル巻数はＴ２である。また、中央コイルの両側のコイルＵ＋，Ｕ＋を隣接コイルといい、コイル巻数は各々Ｔ１，Ｔ３である。

図４は、３個のＵ相の同相コイルＵ＋，Ｕ−，Ｕ＋と３個の永久磁石３（Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極）との位置関係を示した図であって、中央の中央コイルＵ−と永久磁石のＳ磁極との中心が重なった場合を示している。この場合には、左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋は電気角が２０°（機械角では２°）ずれている。すなわち、回転子１の磁極数は２０極（１０極対）なので、機械角３６０°に相当する電気角は、
３６０°×（２０／２）＝３６００°
である。この電気角をティース数（スロット数）１８で割ると、
３６００°／１８＝２００°
となる。つまり、均等に周方向に配置された場合、隣接したティース４の電気角の差は２００°となる。これが１８０°であれば、Ｕ＋相と位相が一致することになるが、２００°−１８０°＝２０°の電気角ズレが生じることになる。

通常、コイル１２の誘起電圧は鎖交磁束すなわちコイル巻数に比例するが、左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋は電気角が２０°（機械角では２°）ずれているため誘起電圧が中心のＵ相コイルＵ−に対して０.９４０（＝cos２０°）となってしまう。そのため、同一巻数でも左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋が作り出す誘起電圧、つまり実効的なコイル巻数は実際のコイル巻数にcos２０°を乗じた値となってしまう。言い換えれば、コイルを巻く場所によって有効的に作用する場所とそうでない場所とがあることになる。

図５に、図４で示した場合の実効的なコイル巻数をベクトル図で表現したものを示す。図４に示した中央コイルＵ−のコイル巻数をＴ２とし、右側の隣接コイルＵ＋のコイル巻数をＴ１とし、左側の隣接コイルＵ＋のコイル巻数をＴ３とする。中央コイルＵ−に巻装したコイル巻数Ｔ２は電気角のずれが生じないが、左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋の実効的なコイル巻数は、Ｔ１あるいはＴ３にcos２０°を乗じた値となり、実効的なコイル巻数が少なくなる。よって、左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋は中央コイルＵ−に対して６％利用率が低いことになる。そのため、３つの同相のコイル（隣接コイルＵ＋，中央コイルＵ−，隣接コイルＵ＋）の実効的なコイル巻数は（Ｔ１・cos２０°＋Ｔ２＋Ｔ３・cos２０°）となる。

左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋が中央コイルＵ−と同等の誘起電圧を得るためには左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋のコイル巻数Ｔ１，Ｔ３を増加すればよいが、コイルの線材の長さが長くなり、銅損が増大してしまう。そのため、コイル巻数をできるだけ抑えて高い誘起電圧を確保することが望ましい。そこで、総巻数（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）を一定とし、実際のコイル巻数に比べて実効的な巻数が少なくなる隣接コイルＵ＋，Ｕ＋のコイル巻数Ｔ１，Ｔ３を減少させ、実際のコイル巻数がそのまま実効的な巻数となる中央コイルＵ−のコイル巻数Ｔ２を増加することにより、銅損を増加させることなく、誘起電圧を増加させることが可能となる。

次に、具体的な巻数調整手順を示す。中央磁極に永久磁石の磁極中心が重なったとき、紙面右側に配置された磁極の電気角のずれをθ１、同時に紙面左側に配置された磁極の電気角のずれをθ３、右側の隣接コイルＵ＋のコイル巻数をＴ１とし、中央コイルＵ−のコイル巻数をＴ２とし、左側の隣接コイルＵ＋のコイル巻数をＴ３とする。同じ誘起電圧を確保するためには（１）式（２）式が成立するように中央コイルＵ−の巻数Ｔ２を増加させればよい。

Ｔ１・cosθ１＋Ｔ２＋Ｔ３・cosθ３＝一定 ・・・・（１）
Ｔ１＝Ｔ３＜Ｔ２ ・・・・（２）
理論上では、中央コイルＵ−のコイル巻数Ｔ２を増加するほど巻数あたりの誘起電圧が増加するが、実装の問題を考慮すると、中央コイルＵ−のコイル巻数Ｔ２の上限はコイルスペースや巻線技術によって決まってくる。

また、左右の磁極位置を中央の磁極に寄せた配置にして中央コイルＵ−のコイル巻数Ｔ２を増加させることもできる。たとえば、磁極が等間隔であった場合、電気角のずれθ１＝θ３＝２０°となり、左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋の実効的な巻数は実際の巻数のcos２０度（＝０.９４０）倍となるが、電気角のずれをθ１＝θ３＝１０°（機械角では１°）にすることにより、左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋の実効的な巻数はcos１０°（＝０.９８５）倍となり、より１.０００倍に近い値となる。そのため、左右の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋の実効的な巻数が多くなるので、中央コイルＵ−のコイル巻数Ｔ２をそれほど多くする必要はない。

なお、特許文献１のＦｉｇ６に記載の技術では電気角のずれθ＝０°となっているので、cos０°＝１.００となり中央コイルＵ−のコイル巻数Ｔ２を増加させる必要はない。しかしながら、前記したとおり中央コイルＵ−の両側のコイルスペース（スロット）が狭くなるため、狭いスペースにコイルを巻くための高度な巻線技術が必要となる。

また、Ｕ相だけではなく、Ｖ相，Ｗ相でも同様の手順で巻数を調整する。

以上述べたように、回転子１の磁極数と固定子１０の磁極数との比が１０：９で構成された磁石界磁回転形の永久磁石式回転電機では、中央のコイル巻数Ｔ２を増加させ、右側のコイル巻数Ｔ１、及び左側のコイル巻数Ｔ３を減少させることができる。これにより、必要な誘起電圧を確保したまま、全体のコイル巻数（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）を減らすことができ、巻線抵抗を抑えることができるので、銅損の低減が可能になる。

銅損低減の効果を検証するために、２次元有限要素法による解析を行った。

図６に、１２００rpm（低速回転時）での各種損失及び発電電流の特性図を示す。横軸に中央のコイル巻数Ｔ２［Ｔurn］を示し、縦軸に損失［Ｗ］及び発電電流［Ａ］を示す。ここで、各種損失とは、機械・風損［Ｗ］，ステータ鉄損［Ｗ］，渦電流損失［Ｗ］，ステータ銅損［Ｗ］、及びダイオード損失［Ｗ］であり、全損失に対する比率により図示されている。

図３，図４において、回転子１が紙面に向かって反時計方向に回転すると仮定した場合、紙面に向かって右側の隣接コイルＵ＋のコイル巻数Ｔ１、及び左側の隣接コイルＵ＋のコイル巻数Ｔ３は（３）式，（４）式が成り立つように設定した。なお、隣接した３つのコイルＵ＋，Ｕ−，Ｕ＋を同一巻数にしたときのコイル巻数は、Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３＝４１［Ｔurn］である。

Ｔ１cos２０°＋Ｔ２＋Ｔ３cos２０°＝一定（＝４１・cos２０°＋４１
＋４１・cos２０°＝１１８.１＝一定） ・・・・（３）
Ｔ１＝Ｔ３ ・・・・（４）
このときのダイオード損失が４３［Ｗ］程度、ステータ銅損が６０［Ｗ］程度であり、これらの損失は全損失１３１［Ｗ］に対して大きな割合を占めている。また、中央コイルＵ−のコイル巻数Ｔ２を増加することにより、全損失が１３１Ｗ（４１Ｔurn）から１１３Ｗ（６５Ｔurn）へと１３.７％減少しているのに対して、発電電流は２４.９Ａ（４１Ｔurn）から２２.４Ａ（６５Ｔurn）へと１０.０％の減少にとどまっている。

図７に１２００rpm（低速回転時）での効率［％］を示す。これより、中央のコイル巻数Ｔ２を増加することにより、効率が７２.７％（４１Ｔurn）から７３.６％（６５Ｔurn）に上昇していることが分かる。なお、コイル巻数Ｔ２＝６５Ｔurnのとき、コイル巻数Ｔ１＝Ｔ３＝２８Ｔurnであり、そのときの効率が最大になっている。

以上説明したように、本実施形態によれば、永久磁石３の磁極数とコイルの磁極数との比率は１０対９であり、中央コイルＵ−と、これと同相の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋とが３個連続して配置される。また、中央コイルＵ−の軸と対向する永久磁石３の磁極位置とが一致するとき、中央コイルＵ−に隣接する２個の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋の軸と対向する永久磁石３の磁極位置とは電気角で２０°の位置ずれが生じる。このため、隣接コイルＵ＋，Ｕ＋に発生する誘起電圧は、中央コイルＵ−に発生する誘起電圧に対してcos２０°乗算した値になる。一方、銅損はコイル巻数の総数に比例するので、中央コイルＵ−のコイル巻数Ｔ２を増加させ、隣接コイルＵ＋，Ｕ＋のコイル巻数Ｔ１，Ｔ３を減少させることにより、同相のコイル全体の誘起電圧を維持しつつ、銅損を減少させることができる。また、総巻数（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）を一定にしつつ、銅損を増加させることなく、鎖交磁束（すなわち、誘起電圧）を増加させることができる。

（変形例）
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。

（１）前記実施形態は、回転子１の磁極数と固定子１０の磁極数との比を１０：９としたが、磁極数の比を８：９としても同様の効果を得ることができる。この場合には、回転子１の磁極数は１６極（８極対）なので、機械角３６０°に相当する電気角は、
３６０°×（１６／２）＝２８８０°
である。この電気角をティース数（スロット数）１８で割ると、
２８８０°／１８＝１６０°
となる。つまり、均等に周方向に配置された場合、隣接したティース４の電気角の差は１６０°となる。３つ並んだ同相のコイル１２のうち、中央コイルの電気角位相を０°とし、Ｕ−相と仮定すると、左右の隣接コイルの電気角位相は±１６０°である。１８０°であれば、Ｕ＋相と位相が一致することになるが、本実施形態でも磁極数の比を１０：９にした場合と同様に２０°の電気角のずれが生じることになる。

すなわち、中央コイルＵ−の軸と対向する永久磁石３の磁極位置とが一致するとき、中央コイルＵ−に隣接する２個の隣接コイルＵ＋，Ｕ＋の軸と対向する永久磁石３の磁極位置とは電気角で２０°の位置ずれが生じるため、隣接コイルＵ＋，Ｕ＋に発生する誘起電圧は、中央コイルＵ−に発生する誘起電圧よりも低くなる。一方、銅損はコイル巻数の総数に比例するので、中央コイルＵ−のコイル巻数を増加させ、隣接コイルＵ＋，Ｕ＋のコイル巻数を減少させることにより、同相のコイル全体の誘起電圧を維持しつつ、銅損を減少させることができる。また、総巻数を一定にしつつ、銅損を増加させることなく、鎖交磁束すなわち誘起電圧を増加させることができる。

（２）前記実施形態は、回転子１の磁極数と固定子１０の磁極数との比を１０：９、８：９とし、３個同相のコイルが連続する構成となったが、必ずしも同相のコイルが３つ連続する構成である必要がない。たとえば、図８のように２８極１８スロットの組み合わせであった場合、回転子１の磁極数が２８極（１４極対）で、機械角３６０°に相当する電気角は、３６０°×（２８／２）＝５０４０°である。この電気角をティース数（スロット数）１８で割ると、２８０°となる。つまり、均等に周方向に配置された場合、隣接したティース４の電気角の差は２８０°となる。

図９に示すとおり任意のコイルの電気角位相を０°とし、Ｕ＋相と仮定すると、隣接したコイルの電気角位相は２８０°である。Ｕ相と位相が２７０°〜３３０°ずれていた場合、Ｖ−相と定義されるが、本来のＶ−相の位相である３００°と２０°の電気角のずれが生じることになる。

その次のコイルの電気角位相は２８０°×２＝５６０°つまり２００°である。Ｕ相と位相が１５０°〜２１０°ずれていた場合、Ｕ−相と定義されるが、本来のＵ−相の位相である１８０°と２０°の電気角のずれが生じることになる。

すなわち、任意のコイルの軸と対向する永久磁石３の磁極位置とが一致するとき、隣接するコイルの電気角位相と本来の電気角位相とは、ずれが生じるため、実際発生する誘起電圧は本来発生するべき誘起電圧よりも低くなる。そのため、電気角位相のずれが生じているコイルの巻数を減少させ、電気角位相のずれが生じていないコイルの巻数を増加させることにより、コイル全体の誘起電圧を維持しつつ、銅損を減少させることができる。また、総巻数を一定にしつつ、銅損を増加させることなく、鎖交磁束すなわち誘起電圧を増加させることができる。

なお、上記（１），（２）で述べられた実施形態に限らず回転子１の磁極数と固定子１０の磁極数との比がさまざまなパターンであっても本実施形態と同様の効果を得ることができる。

（３）前記実施形態は、回転電機１００を発電機として使用したが、電動機として使用することもできる。この場合には、Δ結線された複数のコイル１２に三相電圧を印加することにより、回転磁界が生成され、回転子１が回転する。また、前記実施形態は、固定子１０を回転子１に内挿する外転型としたが、回転子を固定子に内挿する内転型（インナーロータ型）とすることもできる。

（４）前記実施形態では三相電圧を仮定していたが、四相，五相電圧など他の相数の回転電機にも適用できる。

（５）前記実施形態では巻数を調整することで効率向上を図ったが、図１０のように位相ずれのないコイルに鎖交する磁束を通すためのティースを太くする、あるいは、位相ずれのないコイルが巻装されているティースに高パーミアンスの材料を使うことにより、磁気抵抗を低減し、位相ずれのないコイルに鎖交する磁束数を増やして回転電機の効率向上を図ることも可能である。

（６）前記実施形態では回転子に永久磁石を使用して界磁を発生させていたが、界磁発生に巻線を使用しても構わない。たとえば特開２００７−２５９５７５（Ｐ２００７−２５９５７５Ａ）の図１５，図１６に示すタンデム回転子（インナーロータ）ではスリップリングを介して界磁巻線に界磁電流が供給されており、その界磁電流によって界磁を発生させている。

本発明の一実施形態である回転電機の構成図である。 本発明の一実施形態である回転電機の回路図である。 固定子の構成図である。 中央磁極に永久磁石の磁極中心が重なった場合の電気角のずれを説明するための図である。 同相の有効巻数のベクトル和を説明するための図である。 低速回転時の損失及び発電電流の特性図である。 低速回転時の効率の特性図である。 固定子の構成図である。 Ｕ＋相の中央磁極に永久磁石の磁極中心が重なった場合の電気角のずれを説明するための図である 側板を設けて磁気抵抗を低減する方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 回転子
２ ロータコア
３ 永久磁石
４ ティース
１０ 固定子
１１ ステータコア
１２ コイル
１００ 回転電機

Claims (2)

1. 永久磁石の磁極位置とコイルの磁極位置の電気角位相がずれているコイルを持った回転電機において、
   前記コイルのコイル巻数をＴ１とし、その他のコイルのコイル巻数をＴ２としたとき
   Ｔ２＞Ｔ１
   の関係を満たすことを特徴とする回転電機。
2. 永久磁石の磁極位置とコイルの磁極位置の電気角位相がずれているコイルを持った回転電機において、
   前記コイルを巻装するティースの磁気抵抗をＲ１とし、その他コイルを巻装するティースの磁気抵抗をＲ２としたとき
   Ｒ２＜Ｒ１
   の関係を満たすことを特徴とする回転電機。

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