JP2013106392A

JP2013106392A - 発電機

Info

Publication number: JP2013106392A
Application number: JP2011247227A
Authority: JP
Inventors: Taketsune Nakamura; 武恒中村; Takashi Hiramatsu; 敬司平松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-05-30

Abstract

【課題】コギングトルクが低減されてなるとともに発電効率の優れた発電機を提供する。
【解決手段】円板もしくは円筒状で周方向に沿って等間隔配置された複数の界磁を有する回転子と、回転子の外周もしくは対向位置に同心円状にかつ回転子と離間させて配置されてなり、周方向に沿って等間隔に配置された３ｋ個の櫛歯部からなる櫛歯部群を備えるとともに３ｍ相のコイルが設けられた固定子と、を備える単位起電部を複数備え、各回転子が一のシャフトに固定されてなる発電機が、各回転子の界磁の位相を回転子の周方向にそれぞれずらせるとともに、各固定子の櫛歯部の位相を全ての単位起電部の間で一致させることで、発生するコギングトルクが最大となる位置を各々の単位起電部において異ならせてなるとともに、各々の単位起電部の固定子のｉ番目の相同士を電気的に直列に接続してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機に関し、特に単位起電部を複数備える発電機の構造に関する。

界磁に永久磁石を用いる永久磁石発電機は、小型機や電気自動車用の発電機などで広く実用化されているが、永久磁石発電機には、回転子の回転に伴って生じるギャップ磁束の空間不均一性が原因となって、いわゆるコギングトルク（トルク脈動）が生じるという短所がある。コギングトルクは、特に低速動作時において顕著であり、永久磁石回転機においては、回転を開始し、さらに回転を持続させるために、回転子を一周回させたときの平均の回転力に比して大きな回転力（始動トルク）が必要である。また、コギングトルクは、永久磁石回転機の動作時における振動・騒音などの要因、つまりは、エネルギー損失の要因となる。

このように、コギングトルクは、永久磁石回転機の動作に際し種々のデメリットをもたらすものであることから、これを低減することが永久磁石回転機にとっての課題となっている。すなわち、回転子をスムーズに回転させるには、コギングトルクをできるだけ小さくし、余分な回転力を与えずとも回転子が回転するようにする必要がある。そこで、従来より、コギングトルク低減のために種々の技術が提案されている。

例えば、永久磁石回転機の一種として、回転軸を中心として放射状にかつ円周方向に沿って交互に極性の異なる磁極が配置された磁石と、電気的に絶縁されたボビンに巻かれたコイルおよび回転軸を中心に且つ放射状に磁石と近接対向させて配置され磁石から発生する磁束をコイルに印加する複数の金属片で構成される１つの磁束印加手段と、によって構成される起電手段を、同一の回転軸に複数連結し、かつ、発生するコギングトルクが最大となる位置が各々の起電手段において異なるようにし、これによって全体としてのコギングトルクを低減させてなる発電機が、既に公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−０９８９４５号公報

特許文献１に開示されている発電機においては、各々の起電手段の磁束印加手段を構成する複数の金属片の位置の位相と他の起電手段の磁束印加手段を構成する金属片の位置の位相とを、回転方向にそれぞれにずらせるとともに、各円板状の磁石間の磁極の位相を一致させることで、あるいは、各々の起電手段の磁石の磁極の極性の位相と他の起電手段の磁石の磁極の極性の位相とを回転方向にそれぞれにずらせるとともに、各磁束印加手段の金属片の位相を一致させることで、各々の起電手段においてコギングトルクが最大となる位置を異ならせるようになっている。

しかしながら、特許文献１に開示されているのは、１つの起電手段あたりに１つのコイルを備える構成の発電機に過ぎない。すなわち、特許文献１に開示された技術的思想に基づく発電機の構成に関しては、発電効率の向上などの観点から、さらに検討・改良の余地がある。例えば、そうした検討課題の１つに、誘導起電力波形における高調波の低減がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、コギングトルクが低減されてなるとともに発電効率の優れた発電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、円板状もしくは円筒状をなす回転子と、
前記回転子の外周位置もしくは前記回転子に対向する位置に前記回転子と同心円状にかつ前記回転子と離間させて配置されてなる固定子と、を備える単位起電部を複数備え、それぞれの前記単位起電部の前記回転子がその重心位置において一のシャフトに固定されてなる発電機であって、それぞれの前記単位起電部において、前記回転子は、周方向に沿って等間隔に配置された複数の界磁を有してなり、前記固定子は、周方向に沿って等間隔に配置されるとともに前記回転子の側へと突出する３ｋ（ｋは自然数）個の櫛歯部からなる櫛歯部群を備えるとともに、各単位相の巻線が前記櫛歯部群のうちの所定の櫛歯部に巻かれることによって、３ｍ（ｍは自然数、ｍ≦ｋ）相のコイルが設けられており、各々の前記単位起電部の前記回転子の前記界磁の位相と他の前記単位起電部の前記回転子の前記界磁の位相とを、前記回転子の周方向にそれぞれずらせるとともに、各々の前記単位起電部が備える前記固定子の前記櫛歯部の位相を全ての前記単位起電部の間で一致させることで、前記回転子を回転させた際に発生するコギングトルクが最大となる位置を各々の前記単位起電部において異ならせてなるとともに、全ての前記単位起電部の間で、各々の前記固定子のｉ番目（１≦ｉ≦３ｍ）の相のコイル同士を電気的に直列に接続してなる、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発電機であって、前記界磁が永久磁石である、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の発電機であって、前記単位起電部の前記固定子の櫛歯部の数と、前記回転子の前記界磁の数との最小公倍数をＬとし、前記発電機に備わる前記単位起電部の数をＣとし、αを自然数とするとき、δ_n＝３６０°αｎ／｛Ｌ（Ｃ−１）｝なる式にｎ＝０、１、２、・・・Ｃ−１を順次に代入することで得られるＣ通りの値δ_nを、前記発電機に備わるＣ個の前記回転子のそれぞれの位相を与える位相角とすることにより、各々の前記回転子の位相を前記周方向にずらしてなる、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載の発電機であって、前記単位起電部の前記固定子の櫛歯部の数と、前記回転子の前記界磁の数との最小公倍数をＬとし、前記発電機に備わる前記単位起電部の数をＣとし、αを自然数とするとき、δ_n＝３６０°αｎ／（ＬＣ）なる式にｎ＝０、１、２、・・・Ｃ−１を順次に代入することで得られるＣ通りの値δ_nを、前記発電機に備わるＣ個の前記回転子のそれぞれの位相を与える位相角とすることにより、各々の前記回転子の位相を前記周方向にずらしてなる、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発電機であって、前記固定子の相数が３相である、ことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発電機であって、前記固定子が、前記回転子の外周位置に前記回転子と同心円状にかつ前記回転子と離間させて配置されてなる、ことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発電機であって、前記固定子が、前記回転子に対向する位置に前記回転子と同心円状にかつ前記回転子と離間させて配置されてなる、ことを特徴とする。

請求項８の発明は、円板状もしくは円筒状をなす回転子と、前記回転子の外周位置もしくは前記回転子に対向する位置に前記回転子と同心円状にかつ前記回転子と離間させて配置されてなる固定子と、を備える単位起電部を複数備え、それぞれの前記単位起電部の前記回転子がその重心位置において一のシャフトに固定されてなる発電機であって、それぞれの前記単位起電部において、前記回転子は、周方向に沿って等間隔に配置された複数の界磁を有してなり、前記固定子は、周方向に沿って等間隔に配置されるとともに前記回転子の側へと突出する３ｋ（ｋは自然数）個の櫛歯部からなる櫛歯部群を備えるとともに、各単位相の巻線が前記櫛歯部群のうちの所定の櫛歯部に巻かれることによって、３ｍ（ｍは自然数、ｍ≦ｋ）相のコイルが設けられており、各々の前記単位起電部の前記固定子の前記櫛歯部の位相と他の前記単位起電部の前記固定子の前記櫛歯部の位相とを、前記固定子の周方向にそれぞれずらせるとともに、各々の前記単位起電部が備える前記回転子の前記界磁の位相を全ての前記単位起電部の間で一致させることで、前記回転子を回転させた際に発生するコギングトルクが最大となる位置を各々の前記単位起電部において異ならせてなるとともに、全ての前記単位起電部の間で、各々の前記固定子のｉ番目（１≦ｉ≦３ｍ）の相のコイル同士を電気的に直列に接続してなる、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項８の発明によれば、全体としてのコギングトルクが低減されてなるとともに、それぞれの単位起電部の誘導起電力波形において生じる高調波成分が相殺されることによって発電効率が向上した発電機が実現される。

発電機１の概略構成を示す斜視図である。発電機１に備わる１つの単位起電部５の詳細構成を示す断面図である。固定子４における３相のコイル７の巻線６の巻き方を例示する図である。複数の単位起電部５の間におけるコイル７の結線の様子を示す図である。発電機１について、各々の単位起電部５における回転子３と固定子４との配置関係を例示する図である。コギングトルクと連数との関係を示す図である。無負荷での誘導起電力波形の解析結果図である。全ての回転子３の位相角が同じ発電機の、無負荷での誘導起電力波形の実測像である。発電機１の無負荷での誘導起電力波形の実測像である。

＜発電機の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る発電機１の概略構成を示す斜視図である。発電機１は、概略、中心軸ＡＸ周りに回転可能に設けられたシャフト２と、それぞれが、シャフト２に固設されてなる回転子３と当該回転子３の外周位置に配置されてなる固定子４とを主に備える複数の単位起電部５とを備える。なお、図１においては、４個の単位起電部５（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）を備える態様が示されているが、これは例示に過ぎない。発電機１は、さらに多くの単位起電部５を備えていてもよいし、２個または３個の単位起電部５を備える態様であってもよい。また、図１においては一部のみ図示しているが、４個の単位起電部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、それぞれ回転子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを備え、かつ、それぞれ固定子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを備える（図５参照）。

以降の説明においては、発電機１に設けられた単位起電部５もしくは回転子の個数を、連数とも称し、例えば４つの単位起電部５もしくは回転子３が備わる場合を「４連」などと称することがある。

また、回転子３についての記述か固定子４についての記述かを問わず、シャフト２の中心軸ＡＸ周りの方向を「周方向」と総称する。そして、該周方向の反時計回りの向きを正の向き、時計回りの向きを負の向きとする。

シャフト２は、金属製の棒状の部材である。あるいは、金属製棒と同等の強度を有するのであれば、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）を初めとする繊維強化プラスチックなど他の素材からなる棒状の部材をシャフト２として用いる態様であってもよい。シャフト２は、軸受け２Ａによって支持されることで、中心軸ＡＸ周りに回転可能とされてなる。軸受け２Ａは、台座１Ａに固設された軸受け台２Ｂに設けられてなる。発電機１においては、外力を与えてシャフト２を中心軸ＡＸ周りに回転させることによって、回転子３が回転するようになっている。

それぞれの単位起電部５において、回転子３は、円板状もしくは円筒状の同一形状をなしており、その重心位置をシャフト２の中心軸ＡＸと一致させる態様にてシャフト２に固定されている。

図２は、発電機１に備わる１つの単位起電部５（５ａ）の詳細構成を示す、中心軸ＡＸに垂直な断面図である。なお、以下において、断面視とは、特に断らない限り、中心軸ＡＸに垂直な断面を見た場合を指し示すものとする。

図２に示すように、回転子３は、珪素鋼板などを材質とする円板状もしくは円筒状の鉄心３１と、鉄心３１の外縁部に周方向に沿って等間隔に（中心軸ＡＸ周りにおいて等角度間隔に）嵌め込まれた複数の永久磁石３３とを備える。図２に示す場合においては、断面視で細長い矩形状をなす板状の永久磁石３３が、両端に空隙３２を設ける態様にて鉄心３１に嵌め込まれてなる。それぞれの永久磁石３３は、その一方主面がＮ極、他方主面がＳ極となっており、断面視で両主面を通る垂直２等分線が中心軸ＡＸを通るように、かつ、回転子３を周方向に沿ってみた場合に、Ｎ極が外側（固定子４の側）を向く永久磁石３３とＳ極が外側を向く永久磁石３３とが交互に位置するように、配置されてなる。係る態様にて配置された永久磁石３３は、固定子４に対する界磁となる。なお、永久磁石３３の形状は板状に限られず、断面視で弧状やＶ字状その他の形状をなしていてもよい。空隙３２は、永久磁石３３に連接しつつも鉄心３１の外周側へと屈曲する態様にて設けられてなる。ただし、空隙３２を設けるのは必須の態様ではない。

なお、図２においては、回転子３が８個の永久磁石３３を備える構成を示している。係る場合、永久磁石３３の角度間隔θ１は４５°である。ただし、図２に示す構成はあくまで例示に過ぎず、固定子４に対する界磁として好適に機能するのであれば、永久磁石３３の数は８個には限られない。また、永久磁石３３と同様の機能を果たすのであれば、他の界磁が用いられる態様であってもよい。

それぞれの単位起電部５において、固定子４は、回転子３と同心円状にかつ回転子３と離間させて配置されてなる。すなわち、単位起電部５は、ラジアルギャップ型の構成を有する。また、各単位起電部５に備わる固定子４は、同一の形状を有する。図１に示すように、固定子４は、台座１Ａに設けられた固定子支持台４Ａによって支持されてなる。より詳細には、図２に示すように、固定子４は、断面視円環状の環状部４１と、環状部４１から中心軸ＡＸの方向に向けて（回転子３に向けて）延在する複数の櫛歯部４２とからなる鉄心４０を主に備える突極型の構成を有する。櫛歯部４２は、周方向に沿って等間隔に（中心軸ＡＸ周りにおいて等角度間隔に）設けられてなる。図２においては、固定子４が３６個の櫛歯部４２を備える構成を示している。係る場合、櫛歯部４２の角度間隔θ２は１０°である。ただし、図２に示す構成はあくまで例示に過ぎず、櫛歯部４２の数は３ｋ（ｋは自然数）個であればよい。

それぞれの櫛歯部４２は、断面視略Ｔ字型をなしており、その先端部４３は周方向に沿った平板状（断面視矩形状）をなしている。この先端部４３と回転子３の鉄心３１の外周部とは、回転子３が回転状態にあるか否かに関わらず、一定の間隙を保って離間してなる。

また、隣り合う櫛歯部４２の間隙部分をスロットＳと称する。図２に示す場合においては、３６個の櫛歯部４２が設けられることによって、３６個のスロットＳ（Ｓ１〜Ｓ３６）が備わっている。

そして、図２においては詳細な図示を省略しているが、固定子４においては、それぞれの櫛歯部４２に（より詳細には先端部４３を除く部分に）巻線６が巻かれることによってコイルが形成されてなる。なお、以降の説明においては、図１に示す４連の発電機１について、それぞれの単位起電部５の固定子４に３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルが設けられるものとする。また、ｉ相（ｉ＝Ｕ、Ｖ、Ｗ）のコイルであって、ｊ連目（１≦ｊ≦４）の単位起電部５に備わるものの符号を「７ｉｊ」と記述する。ただし、コイル７の相数を３とするのはあくまで例示であって、１つの固定子４には３ｍ（ｍは自然数、ｍ≦ｋ）相のコイル７が設けられる態様であればよい。

巻線６には適宜の導線を用いることが可能であり、例えば、銅などの常電導体の導線のほか、ビスマス系やイットリウム系その他の高温酸化物超電導体の導線を用いる態様であってもよい。また、巻線６の断面積や１つの櫛歯部４２に対する巻線６の巻数なども、供給される発電量その他に応じて適宜に設定されてよい。

図３は、１つの固定子４（４ａ）における３相のコイル７（７Ｕ１、７Ｖ１、７Ｗ１）の巻線６の巻き方を例示する図である。図４は、複数の単位起電部５の間（つまりは固定子４の間）におけるコイル７の結線の様子を示す図である。各相のコイル７を構成する巻線６は、全ての櫛歯部４２（櫛歯部群）の中から所定の規則に応じて選択された櫛歯部４２に巻かれるようになっている。

なお、図３において、「Ｓ１」などの符号は、各スロットＳを表すとともに、該スロットＳに対して周方向正の向きに隣接する櫛歯部４２を表している。そして、図３において「DOWN SLOT」と記された側のスロットＳは、周方向正の向きに隣接する櫛歯部４２に巻かれた巻線６が図２において紙面奥から手前に向けて引き出されるスロットＳであり、「UP SLOT」と記された側のスロットＳは、周方向正の向きに隣接する櫛歯部４２に巻かれた巻線６が図２において紙面手前から奥に向けて引き込まれるスロットＳである。なお、図２においては、理解の容易のために、紙面手前側においてスロットＳの間を結ぶ巻線６（６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ）のみ簡略的に示している。

例えばコイル７Ｕ１の場合であれば、スロットＳ１において図２の紙面奥から手前に向けて引き出された巻線６ＵがスロットＳ５において図２の紙面手前から奥に向けて引き込まれる。図３に示した巻線６の巻き方はあくまで一例に過ぎず、他の巻き方が採用されてもよい。

また、図３に示すように、固定子４ａに備わるコイル７Ｕ１は端子Ｕ１＋と端子Ｕ１−とに接続される。同様に、コイル７Ｖ１は端子Ｖ１＋と端子Ｖ１−とに接続される。コイル７Ｗ１は端子Ｗ１＋と端子Ｗ１−とに接続される。そして、図４に示すように、これらの接続関係は固定子４ｂ、４ｃ、４ｄにおいても同様である。すなわち、固定子４ｂにおいては、コイル７Ｕ２は端子Ｕ２＋と端子Ｕ２−とに接続される。コイル７Ｖ２は端子Ｖ２＋と端子Ｖ２−とに接続される。コイル７Ｗ２は端子Ｗ２＋と端子Ｗ２−とに接続される。また、固定子４ｃにおいては、コイル７Ｕ３は端子Ｕ３＋と端子Ｕ３−とに接続される。コイル７Ｖ３は端子Ｖ３＋と端子Ｖ３−とに接続される。コイル７Ｗ３は端子Ｗ３＋と端子Ｗ３−とに接続される。さらに、固定子４ｄにおいては、コイル７Ｕ４は端子Ｕ４＋と端子Ｕ４−とに接続される。コイル７Ｖ４は端子Ｖ４＋と端子Ｖ４−とに接続される。コイル７Ｗ４は端子Ｗ４＋と端子Ｗ４−とに接続される。

以上のような構成を有する発電機１においては、シャフト２が外力を与えられることによって回転すると、それぞれの単位起電部５においては、永久磁石３３を備える回転子３が回転することにより、その外周に備わる固定子４の各相のコイル７に誘導起電力が生じる。それゆえ、本実施の形態に係る発電機１は、一見すると、同一のシャフト２に固設された複数の単位起電部５がそれぞれ三相交流発電機として機能する、複数の三相交流発電機を並列的に設けた構成を有しているかのように捉えられる。

しかしながら、実際には、図４に示す発電機１においては、それぞれの単位起電部５の固定子４のＵ相同士、Ｖ相同士、およびＷ相同士が直列に接続されてなり、各相の端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを取り出すようになっている。また、端子Ｕ１−、Ｖ１−、Ｗ１−は互いに接続（図４においてはさらに接地）されている。このような接続態様は、相数が３ｍである本実施の形態に係る全ての発電機１において同様である。すなわち、本実施の形態に係る発電機１は、全ての単位起電部５の間で、各々の固定子４のｉ番目（１≦ｉ≦３ｍ）の相のコイル７同士が電気的に直列に接続された構成を有する。これにより、本実施の形態に係る発電機１は、回転子３と固定子４との組み合わせである単位起電部５を複数備えつつも、全体として１つの３ｍ相交流発電機として機能するように構成されてなる。換言すれば、本実施の形態に係る発電機１は、３ｍ相それぞれのコイル７を異なる単位起電部５に分散させて設け、かつ、一のシャフト２の回転によって全ての単位起電部５に備わる回転子３を同期的に回転させることによって、それぞれの単位起電部５において３ｍ相それぞれのコイル７に誘導起電力を生じさせる構成を有するともいえる。

＜コギングトルクの低減＞
上述のように、本実施の形態に係る発電機１は、それぞれの単位起電部５において回転子３に備わる永久磁石３３が界磁であるとともに固定子４が突極型の構成を有する。それゆえ、外力によってシャフト２を回転させることによって回転子３を回転させる場合に、永久磁石３３とその近傍に位置する固定子４の櫛歯部４２（主にはその先端部４３）との間に引力が作用することで、それぞれの単位起電部５にコギングトルクが発生する。しかも、本実施の形態に係る発電機１の場合、複数の単位起電部５を構成する全ての回転子３が一のシャフト２に固設されてなることから、それぞれの回転子３と対応する固定子４との間で生じるコギングトルクの重ね合わせが、発電機１全体のコギングトルクとなる。

そこで、本実施の形態においては、各々の単位起電部５における回転子３と固定子４との配置関係を調整することによって、発電機１全体のコギングトルクを低減させてなる。具体的には、それぞれの単位起電部５を構成する複数の回転子３を、少しずつ姿勢を違えた（中心軸ＡＸ周りの位相をずらした）状態でシャフト２に固設させてなる。一方で、固定子４については、全ての単位起電部５において同じ姿勢を取るように設けてなる。

係る態様にて回転子３と固定子４との配置関係を設定することでコギングトルクが低減される理由については、特許文献１に開示されているので、本実施の形態においては、以下に概略的に説明するに留める。

まず、全ての単位起電部５は同一構造を有しているので、個々の単位起電部５が単独に存在する場合におけるコギングトルクの変動周期およびコギングトルクの最大値は全て同じである。しかしながら、上述のように、各単位起電部５の回転子３の姿勢を少しずつ違える一方で、固定子４については、全ての単位起電部５において同じ姿勢を取るように配置すると、コギングトルクが最大となるタイミングが個々の単位起電部５において異なることになるので、発電機１全体としてみれば、単独の単位起電部５よりもコギングトルクの変動周期が小さくなる。変動周期が小さいということは、コギングトルクが相対的に大きな値を取る時間が短いことを意味している。

加えて、回転子３と固定子４とが上述の配置を取る場合、シャフト２を回転させると、ある単位起電部５において回転子３と固定子４との間に回転子３の回転を阻害する向きに吸引力が作用してコギングトルクが増大しようとするときには、他の単位起電部５においては回転子３と固定子４との間に回転子３の回転を速める向きに吸引力が作用してコギングトルクが減少しようとする、という状態が絶えず実現される。これにより、個々の単位起電部５におけるコギングトルクの最大値が低減される。

結果として、発電機１全体としてみれば、コギングトルクが低減され、かつ変動が平準化された状態が実現される。すなわち、発電機１においては、１つの単位起電部５を備えるのみの発電機に比して、余分なトルクを与えずともシャフト２をスムーズに回転させることが可能となる。

個々の回転子３に与えるずらし角（位相角）δの値についてであるが、回転子３に備わる永久磁石３３および固定子４に備わる櫛歯部４２のサイズを考慮しない場合、発電機１の連数をＣ（Ｃは自然数）とすると、次の式１にｎ＝０、１、２、・・・Ｃ−１を順次に代入することで得られるＣ通りの値δ_nが、Ｃ個の回転子３のそれぞれの位相角δとなる。

δ_n＝３６０°αｎ／｛Ｌ（Ｃ−１）｝・・・・・（式１）
ここで、Ｌは、固定子４のスロットＳ（もしくは櫛歯部４２）の数（以下、Ａとする）と、永久磁石３３の数（以下、Ｂとする）との最小公倍数である。αは、任意の自然数であり、１つの単位起電部５におけるコギングトルクの発生周期などに応じて定められる。なお、角度原点は、中心軸ＡＸに垂直な面内において任意に定めればよい。

換言すれば、Ｃ個の回転子３はそれぞれ、中心軸ＡＸ周りにδ_u＝３６０°α／｛Ｌ（Ｃ−１）｝なる角度ずつ異なる姿勢を与えてシャフト２に固設される。以降、δ_uを単位位相角と称する。

図５は、図２に示した単位起電部５を４つ備える図１の４連の発電機１について、各々の単位起電部５における回転子３と固定子４との配置関係を例示する図である。なお、単位起電部５（具体的には回転子３と固定子４）は本来シャフト２の中心軸ＡＸに対して垂直に設けられてなるが、図５においては図示の都合上、各々の単位起電部５と中心軸ＡＸとを同一平面上に示している。また、回転子３が図２に示す姿勢をとるときを、位相δ＝０°の基準姿勢にあるとし、回転子３が周方向正の向きに回転するにつれて位相δが大きくなるものとする。

図５に示す場合、Ａ＝３６、Ｂ＝８であることからＬ＝７２であり、Ｃ＝４であることから、α＝１とすると式１より、δ₀＝０°、δ₁≒１．６７°、δ₂≒３．３３°、δ₃＝５°となる。そこで、図５に示す場合においては、４つの回転子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの位相δ＝δａ、δｂ、δｃ、δｄが、δａ＝０°、δｂ≒１．６７°、δｃ≒３．３３°、δｄ＝５°と設定している。

なお、図５においては、位相角δがだんだんと増加するように回転子３の姿勢を定めているが、これは必須の態様ではない。一般に、Ｃ通りの値δ_nの全てが位相角δとしていずれかの回転子３において設定されていれば、回転子３の配列の順序は任意でよい。例えば、図５に示す場合において、δａ＝５°、δｂ≒１．６７°、δｃ＝０°、δｄ≒３．３３°などとなっていてもよい。

ただし、実用上は、式１に代えて近似的に次の式２を用いてもよい。ただし、αの値は式１と同じとする。

δ_n＝３６０°αｎ／（ＬＣ）・・・・・（式２）
このことは、少なくとも実用上は、個々の回転子３をシャフト２に固定するにあたって、それぞれの回転子３に与えられる位相角δに、式１を用いて算出されるδ_nの値と式２を用いて算出されるδ_nの値との差分値程度の誤差は許容され得ることを意味している。なお、式２を用いる場合、δ_u＝３６０°α／（ＬＣ）となる。

実際、永久磁石３３および櫛歯部４２がそれぞれにある有限のサイズを有するなどの理由から、発電機１のコギングトルクを厳密に最小とする位相角δの値は、式１で求められる値とは異なり得る。しかしながら、位相角δを、少なくとも上述の差分値程度の誤差範囲内で設定するようにすれば、コギングトルク低減の効果は十分に得ることができる。また、そもそも、発電機１の製造工程においてシャフト２に回転子３を固定する際の加工精度（加工誤差）が、上述の差分値と同程度となることも十分にあり得、このような場合にまで、該差分値の範囲内で厳密に位相角δを定める必要はないともいえる。

あるいは、特に、商用の発電機１の場合、スロットＳの数は３０〜５０程度あるいはそれ以上の値であることから、スロット数Ａの値と永久磁石３３の数Ｂとの最小公倍数Ｌの値はＡの値と同じかそれ以上という比較的大きな値となる。それゆえ、上述の差分値は大きくても１°未満と十分に小さくなる。例えば図５に示した場合であれば、約０．４２°である。すなわち、式２を用いて求めた位相角δに従って回転子３をシャフト２に固定したとしても、コギングトルクの低減という効果は問題なく得られる。

図６は、単位起電部５の構成を同じとし、連数を違えた複数の発電機１のそれぞれについて、有限要素法により解析的に算出したコギングトルクと、連数との関係を示す図である。なお、Ａ＝４８、Ｂ＝８とし、回転数は１８００ｒｐｍとした。また、図６においては、コギングトルクの値を連数が１の時の値で規格化してなる。なお、位相角δの算出には、式２を用いた。この場合、Ｌ＝４８であり、α＝５と定めてδ_u＝９．３７５°とした。

図６によれば、コギングトルクは、連数が２連の場合で１連の場合の約半分となり、４連で１連の場合の１／４以下となり、８連の場合はほとんど０となっている。

図６に示す結果は、単位起電部５の連数が多くなるほど、コギングトルクが低減されることを意味している。すなわち、単位起電部５を複数、好ましくは４連以上、より好ましくは８連以上備えるようにするとともに、式１または式２から求められる位相角に従って回転子３をシャフトに固設することで、コギングトルクによる損失が好適に低減された発電機１が実現される。

＜直列接続の効果＞
上述のように、本実施の形態に係る発電機１は、全ての単位起電部５の間で、各々の固定子４のｉ番目（１≦ｉ≦３ｍ）の相のコイル７同士が電気的に直列に接続された構成をも有している。次に、発電機１が係る構成を有することの効果について説明する。

図７は、本実施の形態に係る発電機１のある１つの相についての無負荷での誘導起電力波形ＷＦ１の解析結果図である。より詳細には、図７に示す誘導起電力波形ＷＦ１は、図６に示した結果を求めた場合と同じ条件設定のもとで解析的に求められた、それぞれの単位起電部５における誘導起電力波形を足し合わせたものである。ただし、連数は４とし、コイル７は３相としている。

また、図７には、参考として、全ての回転子３について位相角が同じである発電機、つまりは、全ての回転子３を同一の姿勢でシャフト２に固定してなる発電機のある１つの相についての誘導起電力波形ＷＦ２を併せて示している。係る誘導起電力波形ＷＦ２も、それぞれの単位起電部５における誘導起電力波形を足し合わせたものである。

誘導起電力波形ＷＦ１と誘導起電力波形ＷＦ２とを対比すると、同一形状の波形を連数分足し合わせたものである後者においては、基本波に高調波が重畳しており、基本波のピークが約７５０Ｖとなっているのに対して、前者は、正弦波形に近く、かつ、ピークが約９５０Ｖとなっている。

係る結果は、本実施の形態のように、全ての単位起電部５の間で、同一相のコイル７同士を電気的に直列に接続することで、高調波成分が相殺され、結果として、発電効率が向上することを示唆している。

また、図８は全ての回転子３の位相角を同じとし、コイルの接続を本実施の形態に係る発電機と同じとした発電機の、無負荷での誘導起電力波形の実測像である。一方、図９は本実施の形態に係る発電機１の、無負荷での誘導起電力波形の実測像である。いずれも、連数は４連であり、コイル７は３相である。

図８と図９とを対比すると、前者は各相の波形にショルダー部が観察されるのに対して、後者は各相の波形がほぼ均一な正弦波形となっている。係る結果は、図７に示す解析結果を裏付けるものといえる。

これらの結果は、本実施の形態に係る発電機１のように、上述した態様にて回転子３に位相角δを与え、かつ、コイル７を各単位起電部５の間で直列に接続することで、誘導起電力波形の改善と、発電効率の向上とが実現されることを示している。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、回転子と固定子とを備える単位起電部を複数備えるとともに、それぞれの回転子を同一のシャフトに固設してなる構成の発電機において、それぞれの回転子３を、少しずつ姿勢を違えた状態でシャフトに固設させてなる一方で、全ての固定子を同一姿勢とすることで、発電機全体としてのコギングトルクが低減される。

加えて、同一相のコイル同士を電気的に直列に接続し、全体として１つの３ｍ相交流発電機とすることで、それぞれの単位起電部の誘導起電力波形において生じる高調波成分が相殺された正弦波形に近い誘導起電力波形が得られ、結果として、高い発電効率が実現される。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、複数の回転子３の位相をずらす一方で、複数の固定子４の位相は全て同じとしているが、これに代わり、複数の回転子３の位相を全て同じとし、かつ、複数の固定子４の位相を、上述の実施形態の式１もしくは式２に基づいてずらせるようにしてもよい。係る場合においても、回転子を回転させた際に発生するコギングトルクが最大となる位置を各々の単位起電部において異ならせることができるので、上述の実施の形態と同様に、コギングトルク低減の効果は同様に得られる。なぜならば、上述の実施の形態のように回転子３に位相角δを与えることはすなわち、個々の単位起電部５における回転子３と固定子４との相対的な配置関係を違えることと等価であり、係る回転子３と固定子４との相対的な配置関係は、回転子３の位相を同じとし、固定子４の位相を違えた場合であっても、同様に実現されるからである。

また、上述の実施の形態においては、単位起電部５において固定子４が回転子３の外周位置に設けられるラジアルギャップ型の構成を前提として説明を行っているが、固定子４は、回転子３に対向する位置に回転子３と同心円状にかつ回転子３と離間させて配置されてなる態様であってもよい。係る場合、単位起電部５はアキシャルギャップ型の構成を有することとなる。

また、上述の実施の形態において、発電機１は、円板状または円筒状の回転子３が固定子４の内側で回転するインナーロータ型の構成を有しているが、これに代わり、発電機１が、円板状または円筒状の固定子の外周を円環状もしくは円筒形状回転子が回転するアウターロータ型の構成を有する態様であってもよい。

また、上述の実施の形態においては、回転子３において永久磁石３３が鉄心３１の内部に嵌め込まれた構成を示しているが、これに代わり、永久磁石３３が円板状もしくは円筒状をなす鉄心３１の外周面に配置されてなる態様であってもよい。

１発電機
２シャフト
３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）回転子
３１鉄心
３２空隙
３３永久磁石
４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）固定子
４０鉄心
４１環状部
４２櫛歯部
４３先端部
５（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）単位起電部
６（６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ）巻線
７（７Ｕ１〜７Ｕ４、７Ｖ１〜７Ｖ４、７Ｗ１〜７Ｗ４）コイル
ＡＸ（シャフトの）中心軸
Ｓ（Ｓ１〜Ｓ３６）スロット

Claims

円板状もしくは円筒状をなす回転子と、
前記回転子の外周位置もしくは前記回転子に対向する位置に前記回転子と同心円状にかつ前記回転子と離間させて配置されてなる固定子と、
を備える単位起電部を複数備え、それぞれの前記単位起電部の前記回転子がその重心位置において一のシャフトに固定されてなる発電機であって、
それぞれの前記単位起電部において、
前記回転子は、周方向に沿って等間隔に配置された複数の界磁を有してなり、
前記固定子は、周方向に沿って等間隔に配置されるとともに前記回転子の側へと突出する３ｋ（ｋは自然数）個の櫛歯部からなる櫛歯部群を備えるとともに、各単位相の巻線が前記櫛歯部群のうちの所定の櫛歯部に巻かれることによって、３ｍ（ｍは自然数、ｍ≦ｋ）相のコイルが設けられており、
各々の前記単位起電部の前記回転子の前記界磁の位相と他の前記単位起電部の前記回転子の前記界磁の位相とを、前記回転子の周方向にそれぞれずらせるとともに、各々の前記単位起電部が備える前記固定子の前記櫛歯部の位相を全ての前記単位起電部の間で一致させることで、前記回転子を回転させた際に発生するコギングトルクが最大となる位置を各々の前記単位起電部において異ならせてなるとともに、
全ての前記単位起電部の間で、各々の前記固定子のｉ番目（１≦ｉ≦３ｍ）の相のコイル同士を電気的に直列に接続してなる、
ことを特徴とする発電機。
請求項１に記載の発電機であって、
前記界磁が永久磁石である、
ことを特徴とする発電機。
請求項１または請求項２に記載の発電機であって、
前記単位起電部の前記固定子の櫛歯部の数と、前記回転子の前記界磁の数との最小公倍数をＬとし、前記発電機に備わる前記単位起電部の数をＣとし、αを自然数とするとき、
δ_n＝３６０°αｎ／｛Ｌ（Ｃ−１）｝
なる式にｎ＝０、１、２、・・・Ｃ−１を順次に代入することで得られるＣ通りの値δ_nを、前記発電機に備わるＣ個の前記回転子のそれぞれの位相を与える位相角とすることにより、各々の前記回転子の位相を前記周方向にずらしてなる、
ことを特徴とする発電機。
請求項１または請求項２に記載の発電機であって、
前記単位起電部の前記固定子の櫛歯部の数と、前記回転子の前記界磁の数との最小公倍数をＬとし、前記発電機に備わる前記単位起電部の数をＣとし、αを自然数とするとき、
δ_n＝３６０°αｎ／（ＬＣ）
なる式にｎ＝０、１、２、・・・Ｃ−１を順次に代入することで得られるＣ通りの値δ_nを、前記発電機に備わるＣ個の前記回転子のそれぞれの位相を与える位相角とすることにより、各々の前記回転子の位相を前記周方向にずらしてなる、
ことを特徴とする発電機。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発電機であって、
前記固定子の相数が３相である、
ことを特徴とする発電機。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発電機であって、
前記固定子が、前記回転子の外周位置に前記回転子と同心円状にかつ前記回転子と離間させて配置されてなる、
ことを特徴とする発電機。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発電機であって、
前記固定子が、前記回転子に対向する位置に前記回転子と同心円状にかつ前記回転子と離間させて配置されてなる、
ことを特徴とする発電機。
円板状もしくは円筒状をなす回転子と、
前記回転子の外周位置もしくは前記回転子に対向する位置に前記回転子と同心円状にかつ前記回転子と離間させて配置されてなる固定子と、
を備える単位起電部を複数備え、それぞれの前記単位起電部の前記回転子がその重心位置において一のシャフトに固定されてなる発電機であって、
それぞれの前記単位起電部において、
前記回転子は、周方向に沿って等間隔に配置された複数の界磁を有してなり、
前記固定子は、周方向に沿って等間隔に配置されるとともに前記回転子の側へと突出する３ｋ（ｋは自然数）個の櫛歯部からなる櫛歯部群を備えるとともに、各単位相の巻線が前記櫛歯部群のうちの所定の櫛歯部に巻かれることによって、３ｍ（ｍは自然数、ｍ≦ｋ）相のコイルが設けられており、
各々の前記単位起電部の前記固定子の前記櫛歯部の位相と他の前記単位起電部の前記固定子の前記櫛歯部の位相とを、前記固定子の周方向にそれぞれずらせるとともに、各々の前記単位起電部が備える前記回転子の前記界磁の位相を全ての前記単位起電部の間で一致させることで、前記回転子を回転させた際に発生するコギングトルクが最大となる位置を各々の前記単位起電部において異ならせてなるとともに、
全ての前記単位起電部の間で、各々の前記固定子のｉ番目（１≦ｉ≦３ｍ）の相のコイル同士を電気的に直列に接続してなる、
ことを特徴とする発電機。