JP2019502358A - コギングトルクを最小化する永久磁石回転装置とこれを用いた永久磁石発電機及び永久磁石電動機 - Google Patents

Abstract

本発明は、コギングトルクを最小化する永久磁石回転装置とこれを用いた永久磁石発電機及び電動機に関し、より詳細には、コストが嵩む従来のコギングトルクを低減するための多様な方法を用いることなく、単に極数とスロットの組み合わせ及び永久磁石の適切な配列により電動機又は発電機などで用いられる固定子及び回転子を含んで構成される永久磁石回転装置のコギングトルクを最小化するためのものである。本発明により極数とスロット数の組み合わせ及びスロットの歯の下端幅と永久磁石と永久磁石間の離間距離を同一にし、適切な巻線方法とピッチを適用したとき、コギングトルクを最小化するという効果を奏する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コギングトルクを最小化する永久磁石回転装置とこれを用いた発電機と電動機に関し、より詳細には、スキューと歯の加工などコストが嵩む従来のコギングトルクを低減するための多様な方法を用いることなく、単に極数とスロットの組み合わせ及び永久磁石間の適切な配列、そして位相角と波形を考慮して正弦波に最大限近接した波形を出力できるようにする巻線方法によりコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置とこれを用いた永久磁石発電機と永久磁石電動機に関する。

近年、地球温暖化の主因である二酸化炭素の排出を削減するために、新・再生可能エネルギー分野における多くの研究が行われている。

特に、風さえあればどこでも低コストで発電機を設置し、電気が得られる風力発電分野は、持続的な成長傾向を維持している。

これまで大型陸上風力発電では、ギヤ型誘導発電機を装着した風力発電機が主流となっていたが、近年は洋上風力発電市場の急成長に伴い、メンテナンス費用が多くかかるギヤ型同期発電機からメンテナンス費用が少なくかかるギアレス型永久磁石発電機を装着した風力発電機へと市場が再編されている。

特に、出力変動が激しい小型風力発電では、低ＲＰＭ、高ＴＯＲＱＵＥが要求される永久磁石発電機の使用が大半を占めている。

ところが、低ＲＰＭ、高ＴＯＲＱＵＥである永久磁石発電機は、永久磁石の高い磁束密度及びコアと永久磁石間の磁界のアンバランスによりコギングトルクが高いため、初期起動が難しいという短所を有している。

従って、最近、小型風力発電機には、起動トルクとコギングトルクを最小化して低い風速でもブレードの起動を可能にするために、鉄心を取り除いたＣｏｒｅｌｅｓｓ型ＡＦＰＭ（Ａｘｉａｌ Ｆｌｕｘ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）発電機や、鉄心はあるがスロットのないＳｌｏｔｌｅｓｓ型ＲＦＰＭ（Ｒａｄｉａｌ Ｆｌｕｘ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）発電機の使用が増えている。

しかし、鉄心を取り除いたＣｏｒｅｌｅｓｓ型ＡＦＰＭ（Ａｘｉａｌ Ｆｌｕｘ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）発電機や、鉄心はあるがスロットのないＳｌｏｔｌｅｓｓ型ＲＦＰＭ（Ｒａｄｉａｌ Ｆｌｕｘ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）発電機は、スロットのあるＲＦＰＭ（Ｒａｄｉａｌ Ｆｌｕｘ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）発電機に比べて磁束の漏洩が多いため、出力電圧が低下し、効率が減少するという短所を有している。

また、構造が複雑であり、かつ永久磁石の使用数が増えることにより、コストが嵩み、発電機自体の構造的な問題のため、大容量化が容易ではない。

スロットのあるＲＦＰＭ（Ｒａｄｉａｌ Ｆｌｕｘ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）発電機は、構造が簡単であり、出力電圧と効率が高く、小型軽量化が可能であるという長所はあるものの、コギングトルクが大きいため、初期起動が難しく、定格運転時にも振動が発生するという短所がある。

近年は、スロットのあるＲＦＰＭ発電機を風力発電機に用いるために、ＢＬＤＣ電動機技術をＲＦＰＭ発電機に応用してコギングトルクを最小化する作業が行われているが、大半が高ＲＰＭ用であるため、同期発電機のように増速ギヤを用いなければならないという問題を抱えている。

コギングトルクは、回転子永久磁石と固定子鉄心コア、孔隙から構成される磁気回路でリラクタンスが最小の方向に維持しようとする傾向により発生する脈動トルクと定義できるが、一般には、永久磁石発電機や永久磁石電動機において回転子が駆動するとき、磁界のアンバランスにより発生するトルクの最大値と最小値との差値といえる。

近年、電動機分野では永久磁石を用いたスーパープレミアム電動機の需要が増加することにより、振動と騷音の主因となるコギングトルクを低減するための多様な方法が示されているが、これまでコギングトルクを低減するための方法として用いられている方法を纏めてみると、孔隙の長さの増加、スロット数と極数の増加、補助スロットの使用、固定子歯の形状の変化、固定子や電機子のスキュー（ｓｋｅｗ）、分数スロット又は極の使用、スロット開口幅の減少、磁石の形状変化、磁極の着磁変化、低い磁束密度の磁石の使用、Ａｒｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎなどである。

ところが、コギングトルクを低減するための前述した方法は、永久磁石電動機と永久磁石発電機の出力と効率を減少させたり、製造コストを増大させる主な要因となる。

従って、出力と効率の減少を最小化しながら、製造コストをアップさせないコギングトルクの低減方法に関する開発が急務となっている。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、極数とスロット数の組み合わせ及び回転子に挿入された永久磁石間の離間距離を改善し、正弦波に最大限近接した波形を出力できるようにする巻線方法を用いて、コイルの断面積とコイルのターン数（巻線数）を適切に設計することによって、出力と効率は最大化させながらも、製造コストも増大しないようにコギングトルクを最小化し、振動と騷音を画期的に減少させる永久磁石回転装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、コギングトルクによる初期起動トルクを減少させて永久磁石電動機の初期起動を容易にすることで、ＬＳＰＭ（Ｌｉｎｅ-Ｓｔａｒｔ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）同期電動機を実現することにある。

本発明が解決しようとする課題を達成するために、本発明に係るコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置は、シャフト１１０と、中央にシャフトが結合されており、複数の永久磁石２１０が一定間隔で形成されている回転子２００と、複数のスロット３１０が一定間隔で形成されており、それぞれのスロットにコイルが巻線されるステータコア部３００とを含んで構成され、コギングトルクを最小化するために、永久磁石の極数とスロットの数は、下記の式１により定められることを特徴とし、回転子２００の永久磁石２１０と永久磁石２１０間の離間距離ａは、前記ステータコア部３００の歯の下端幅ｂの７０％〜１３０％となるように形成することを特徴とし、前記ステータコア部３００の巻線は、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が１８０゜で向かい合うように配列し、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が各相間では６０゜の角度距離で均一に配列し、コイルピッチが５となるようにする巻線であることを特徴とし、巻線されたコイルの断面積１mm²当たりの定格電流は６Ａであることを特徴とし、巻線のターン数は、下記の式２により決定されることを特徴とする 。

(数１)
Ｐ＝Ｓ／３−２（Ｐ：極数、Ｓ：３０以上のスロット数）
(数２)
ターン数(巻線数)＝｛定格電圧(Ｖａｃ)×Ｋ｝／｛回転角速度(ｒａｄ／s)×磁束密度(Ｔ)｝／スロット数(Ｓ)／ステータコアの積層長(ｍｍ)
（前記において、Ｋは定数であり、０.８４〜１.５６範囲の値）

本発明に係るコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置を備えた発電機と電動機は、起動トルクが非常に低いため、少ない力で起動が可能であるという効果を奏する。

従って、風力発電機に本発明の発電機を装着する場合、起動風速を１ｍ／ｓ以下に下げることができ、永久磁石電動機に適用する場合、高速でもコギングトルクとトルクリップルを最小化でき、ドライバやインバータを用いなくても起動及び運転が可能なＬＳＰＭ同期モータの実現が可能になる。

また、本発明で提案する極数とスロット数の組み合わせ及び磁石間の離間距離と歯（Ｔｅｅｔｈ）の下端幅の割合により開発された永久磁石回転装置は、永久磁石とスロットがスキューなしに一直線に配列されているため、発電機或いは電動機の出力と効率を減少させなくても、コギングトルクを最小化できるという効果を提供する。

更に、スキュー、歯の加工などの追加の加工が不要なため、製造コストが上昇することなく、コギングトルクを最小化できるという効果が得られる。

また、孔隙及び磁束密度と関係なく、コギングトルクを最小化できるため、厚い永久磁石を用いたり、孔隙を最小化でき、従来の永久磁石電動機や発電機に比べて小型、軽量化が可能であるという効果を提供する。

本発明の実施形態に係るコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置の歯の下端幅と永久磁石と永久磁石間の離間距離を示す例示図である。 従来の３相巻線方法を示す例示図である。 本発明の一実施形態に係るコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置の巻線方法を示す例示図である。 本発明の一実施形態に係る３相巻線方法により巻線された各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が１８０°で向かい合う例を示す例示図である。 本発明のコイルピッチを示す例示図である。

以下、本発明について図面及び具体的な実施形態を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明に係るコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置とこれを用いた永久磁石発電機及び永久磁石電動機は、シャフト１１０と、中央にシャフトが結合されており、複数の永久磁石２１０が一定間隔で形成されている回転子２００と、複数のスロット３１０が一定間隔で形成されており、それぞれのスロットにコイルが巻線されるステータコア部３００とを含んで構成され、コギングトルクを最小化するために、永久磁石の極数とスロットの数は、下記の式により定められることを特徴とする。

(数１)
Ｐ＝Ｓ／３−２
前記式において、Ｐ＝極数、Ｓ＝スロット数である。

一般に、永久磁石発電機と永久磁石電動機は、大きく６つの要素により設計されるが、第一にスロットと極数の組み合わせ、第二に磁石間の離間距離、第三に巻線方法、第四にコイルピッチ、第五にコイルの断面積、第六にコイルのターン数である。

これらの６つの要素のうち、何れか１つでも誤って設計されると、コギングトルク、出力密度、効率、力率、振動などにおいて顕著な差を示すため、全体として一貫した設計が非常に重要である。

本発明に係るコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置及びこれを用いた永久磁石電動機及び永久磁石発電機も基本的には６つの要素により構成されるが、永久磁石電動機及び永久磁石発電機の容量などと関係なく、一貫性のある設計が可能である。

まず、極数Ｐとスロット数Ｓの組み合わせによりコギングトルクを低減せしめる方法である。

これまで発表された従来の技術を見ると、極数とスロット数の多様な組み合わせによりコギングトルクを低減せしめる方法が提示されているが、一定の公式なしに極数とスロット数を多くするか、極数とスロット数の最小公倍数が大きいほどコギングトルクが低減されるとのみ説明している。

コギングトルクは、極数とスロット数が同一であるか、永久磁石の中心と歯の中心が一致するか、スロット数が極数の倍数となってスロットが永久磁石の中心から左右に対称するように位置するとき、最も最大となるが、この際に永久磁石とスロットの引力が最も安定的に位置しているためである。

従って、コギングトルクを最小化するためには、永久磁石とスロット間の引力の安定的な配列を非安定的な配列に変え、歯の中心が永久磁石の中心から左右対称の位置に置かれないようにすればよい。

極数とスロット数の多様な組み合わせのうち、コギングトルクが最も低い組み合わせは、極数とスロット数の最小公倍数が最も高い組み合わせである。

ところが、極数とスロット数の最小公倍数が最も高いとしても、大半の発電機或いは電動機で採択している３相巻線が困難であったり、不可能な場合は、好適な組み合わせであるといえない。

従って、コギングトルクを最小化するためには、３相巻線も可能であると共に、最小公倍数が最も高い極数とスロット数の組み合わせが要求されるといえる。

３相巻線が可能であり、磁界のアンバランスを最小化するためには、スロット数が３の倍数にならなければならず、偶数でなければならない。

３の倍数であり、かつ偶数であるスロット数をＳとするとき、３相巻線も可能であると共に最小公倍数が最も高いため、コギングトルクを最小化できる極数Ｐは、前記式のようにＳ／３-２（Ｓはスロット数）になる。

このとき、最小公倍数が大きい組み合わせであるほど、コギングトルクは更に最小化される。

本発明における図１は、スロット数が７２個の回転装置を例示するものであって、式Ｐ＝Ｓ／３-２により極数は２２個となる。一方、極数とスロット数の最小公倍数が高いながらも、３相巻線が可能な極数とスロット数の組み合わせＰ（Ｓ／３-２）：Ｓが作られたが、この組み合わせだけではコギングトルクを完全に無くすことができない。

即ち、従来は永久磁石或いは固定子鉄心コアを一定角度で斜めに配列するスキュー（ｓｋｅｗ）、磁石幅と磁石ピッチ間の割合であるＡｒｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎなどの技法を用いてコギングトルクを低減していたが、このような方法も同様に、出力と効率は減少させ、コストは上昇させる要因として作用する。

従って、本発明では出力と効率はそのまま維持しながら、コストの上昇はない方法でコギングトルクを最小化するために、スロット３１０とスロット３１０の間にある歯（Ｔｅｅｔｈ）の下端幅ｂと永久磁石と永久磁石間の離間距離ａを用いてこの問題を解決した。

即ち、図２に示すように、永久磁石と永久磁石間の離間距離ａをステータコア部３００歯の下端幅ｂの７０％〜１３０％となるように形成し、より好ましくは、永久磁石と永久磁石間の離間距離ａとステータコア部３００歯の下端幅ｂが１：１になるように形成する。

具体的に、ステータコア部３００には歯３２０が形成され、歯の下端は、図２に示すように、下端幅ｂが構成される。

歯の下端幅ｂが回転子を構成する永久磁石と永久磁石との間に位置すると、歯の下端と回転子との間では、斥力が発生して回転子が一方向に自ら動くようになる。

従って、コギングトルクの最小化は、回転子の位置と関係なく、斥力が発生する区間を多くすればよい。

換言すると、回転子の位置と関係なく、磁石と磁石との間が歯の下端幅の下部分に位置する数が多くなければならない。

本発明で提案する極数とスロット数の組み合わせにおいて歯の下端幅と磁石間の離間距離を同一にすれば、斥力が発生する区間が最大化し、逆にコギングトルクは最小化する。

このとき、斥力が発生する区間は、極数に比例するようになるが、極数が多ければ斥力が発生する区間が増加し、コギングトルクを最小化する効果が大きくなり、極数が少なければ斥力が発生する区間が減少し、コギングトルクを最小化する効果に乏しい。

従って、式Ｐ＝Ｓ／３−２においてコギングトルクを最小化するためには、Ｓを３０以上にすることが好ましいが、発電機或いは電動機の大きさ、出力などによってＳを３０未満に設計してもコギングトルクを最小化する効果は発生する。

一方、永久磁石と永久磁石間の離間距離ａと歯の下端幅ｂは、１：１で構成することが最も理想的であるが、設計上、不都合な場合は永久磁石間の離間距離ａを歯の下端幅ｂの７０％〜１３０％の範囲内で形成することが好ましい。

永久磁石間の離間距離ａが歯の下端幅ｂの７０％〜１３０％の範囲から外れると、コギングトルクの低減効果が顕著に低下する。

例えば、歯の下端幅ｂが１０ｍｍの場合、永久磁石と永久磁石間の離間距離ａは７ｍｍ〜１３ｍｍの範囲内で設定しなければならないが、この範囲から外れると、コギングトルクの低減効果が低下する。

一方、モータと発電機は、回転子とステータコアが適切に設計されたとしても巻線が正常でないと起動及び運転が不可能であったり、出力と効率が顕著に減少してしまう。

これまで詳察した極数とスロットの組み合わせ、磁石間の離間距離などは、発電機と電動機において構造を決定するハードウェア的な概念である。

反面、発電機と電動機の設計において巻線方法、コイルピッチ、コイルの断面積及びコイルのターン数（巻線数）は、ソフトウェア的な概念であって、出力密度と効率、力率、振動などを決定する上で非常に重要である。

特に、位相角１２０゜を実現するスロットと極数の組み合わせではない変形されたスロットと極数の組み合わせの場合は、巻線方法が非常に重要である。

巻線は同一のスロットと極数の組み合わせであっても、モータと発電機メーカー毎に若干差を示しているが、これは巻線方法に一定の規則が定められているわけではなく、大半が経験的なノウハウによって巻線が行われるためである。

一般に、永久磁石発電機或いは永久磁石電動機は、特殊な場合を除き、３相巻線を基本とする。

図３は、従来の３相巻線方法を示すものであって、３６スロット１２極の巻線方法を示す図である。

従来の３相巻線は、各相の位相角が１２０゜に一定であるため、磁界が平衡状態をなして対称になり、出力と効率が最高となり、振動と騷音が最小化される。

各相の位相角が１２０゜に一定となるためには、正確に極数がスロット数の１／３になることが理想的である。

従って、スロットが３６であれば、１２個の極数で巻線し、スロットが４８であれば、１６個の極数で巻線し、スロットが７２であれば、２４個の極数で巻線する。

また、３相巻線はスロット数の１／３に該当する極数が１２０°の位相角の基本３相巻線のための極数であるが、この基本極数を２或いは３に割って偶数が算出されると、その極数も同様、３相巻線が可能である。

例えば、スロットが２４個であれば、１２０°の位相角を有する３相巻線が可能な基本極数はスロットの１／３である８極となり、基本極数である８極を ２に割ると４極となり、４極を２に割ると２極になるので、２４スロットで３相巻線が可能な極数は８極、４極、２極となる。このとき、４極の位相角は６０°になり、２極の位相角は３０°となって同一の周波数でＲＰＭがそれぞれ２倍、４倍増加するようになる。

同一の原理により３６スロットを計算すると、３相巻線が可能な極数は１２極、６極、２極になる。

大部分の誘導電動機は１２スロット、２４スロット、３６スロット、４８スロットなどを用いるため、３相巻線が可能な極数は２極、４極、６極、８極などからなる。

図３に示すように、３６スロットの場合、巻線をしてみると、３相巻線のためには１２極が必要であるので、図３のように、ピッチが４である場合、１相の１コイル、２相の１コイル、３相の１コイルを１組にして１スロットに１相の１コイルから４スロットまで巻線するようになり、２スロットに２相の１コイルから５スロットまで巻線するようになり、３スロットに３相の１コイルから６スロットまで巻線する方式で１２組まで巻線すれば、位相角１２０°を有する３相巻線が完了する。

このような３相巻線方法は、一般に知られている技術であるので、前述した程度の説明でも十分に理解できるだろう。

ところが、本発明で提示しているコギングトルクを最小化する極数とスロット数の多様な組み合わせのための巻線において従来の３相巻線方法をそのまま適用して巻線すれば、極数が異なるため、１２０゜の位相角を形成できない。

従って、磁界のアンバランスにより発電機及び電動機の起動及び運転が不可能であったり、出力と効率が急激に減少し、騷音と振動が増加してしまう。

従って、本発明で説明している極数とスロット数の組み合わせに相応しい巻線方法が必要であるが、位相角を１２０゜に近く実現しながら、出力と効率、振動と騷音を従来の３相巻線方法と同じレベルに維持することが本願発明の巻線方法の核心である。

本発明のコギングトルクを最小化する極数とスロット数の組み合わせに相応しい巻線方法は、基本的にコイルピッチが磁極ピッチよりも大きい長節巻であり、コイルが２個以上のスロットに巻かれる分布巻であり、コイル数がスロット数と同一の二層巻である。

図４と図５は、本発明の巻線方法を示している例示図である。

具体的に図４を参照して説明する。

コイルピッチが５である場合、１組は１相の１コイルを１スロットから始まって５スロットまで巻線し、１相の２コイルを２スロットから始まって６スロットまで巻線し、２相の１コイルを３スロットから始まって７スロットまで巻線し、３相の１コイルを４スロットから始まって８スロットまで巻線して１組の巻線を完了する。

その後、２組は１相の３コイルを５スロットから始まって９スロットまで巻線し、２相の２コイルを６スロットから始まって１０スロットまで巻線し、３相の２コイルを７スロットから始まって１１スロットまで巻線し、３相の３コイルを８スロットから始まって１２スロットまで巻線して２組の巻線を完了する。３組は１相の４コイルを９スロットから始まって１３スロットまで巻線し、２相の３コイルを１０スロットから始まって１４スロットまで巻線し、３相の４コイルを１１スロットから始まって１５スロットまで巻線して３組の巻線を完了する。４組は１相の５コイルを１２スロットから始まって１６スロットまで巻線し、２相の４コイルを１３スロットから始まって１７スロットまで巻線し、２相の５コイルを１４スロットから始まって１８スロットまで巻線し、３相の５コイルを１５スロットから始まって１９スロットまで巻線して４組の巻線を完了する。５組は１相の６コイルを１６スロットから始まって２０スロットまで巻線し、２相の６コイルを１７スロットから始まって２１スロットまで巻線し、３相の６コイルを１８スロットから始まって２２スロットまで巻線して５組の巻線を完了する。

このように順次、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分の間隔を同一に巻線すると、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置される角度は６０°をなすようになり、同一の相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループは必ず１８０°で対称となる。このとき、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループの巻線順序は、１相、３相、２相の順に一定の間隔をおいて配置される。

このとき、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループ数は６個に常に一定であり、その順序はスロットと極数の組み合わせによって変わる。例えば、スロットに対する極数が３６：１０の組み合わせでは、２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループの数は６つの組となり、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置される順序は１相、３相、２相の順となり、極数が４８：１４の組み合わせでは、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループの数は６つの組であるものの、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置される順序は、１相、２相、３相の順となるが、これは各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループを６０゜の角度に維持するためである。結局、上述した巻線方法を用いて巻線することによって、本発明の巻線方法は完成する。

図５を説明すれば、０°と向かい合う１８０°にそれぞれ１相で２つのコイルが相次いで巻線される部分を配置させるようになり、６０°と向かい合う２４０°にそれぞれ３相で２つのコイルが相次いで巻線される部分を配置させるようになり、１２０°と向かい合う３００°にそれぞれ２相で２つのコイルが相次いで巻線される部分を配置させる。そして、各各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分を配置させる組は、図５に示すように、１相、３相、２相の順に配列される。

ここで、スロット数に対する極数が３６：１０の組み合わせを有する永久磁石電動機の巻線方法を再び詳察すると、以下の通りである。

まず、３相巻線を用い、１相〜３相を１グループとして１０個の組をなすことを特徴とし、１組は１相の１〜２コイル、２相の１コイル、３相の１コイルを順に巻線し、２組は１相の３コイル、２相の２コイル、３相の２〜３コイルを順に巻線し、３組は１相の４コイル、２相の３コイル、３相の４コイルを順に巻線し、４組は１相の５コイル、２相の４〜５コイル、３相の５コイルを順に巻線し、５組は１相の６コイル、２相の６コイル、３相の６コイルを順に巻線し、６組は１相の７〜８コイル、２相の７コイル、３相の７コイルを順に巻線し、７組は１相の９コイル、２相の８コイル、３相の８〜９コイルを順に巻線し、８組は１相の１０コイル、２相の９コイル、３相の１０コイルを順に巻線し、９組は１相の１１コイル、２相の１０〜１１コイル、３相の１１コイルを順に巻線し、１０組は１相の１２コイル、２相の１２コイル、３相の１２コイルを順に巻線することを特徴とする。

このように、本発明のコギングトルクを最小化する回転装置及びこれを用いた永久磁石発電機及び永久磁石電動機の巻線方法は、各相の位相角が類似するように維持され、磁界のアンバランスが最小化できるように一定の間隔をおいて極数の減少により残っている余分のコイルを適切に配列することが好ましい。

従来の３相巻線は、各相毎にＳ（スロット）／３個のコイル数がある。

即ち、１相のコイル数がＳ／３個、２相のコイル数がＳ／３個、３相のコイル数はＳ／３個であり、１相、２相、３相のコイル数を全て合計すると、スロットＳ数となり、１相、２相、３相の順に巻線すれば、スロットに均等に巻線される。

ところが、本発明で提案する式により多様に導出された極数は、従来の３相巻線が可能な極数よりも常に２極が少ない。従って、従来の３相巻線方法で巻線を行うと、回転子の極数はＳ／３-２であるが、ステータコアの巻線極数はＳ／３となり、磁界のアンバランスによりモータ及び発電機の起動及び運転が不可能であったり、出力と効率が低下する原因となる。

従って、ステータコアの極数をＳ／３-２にしなければならないが、極数をＳ／３-２にするために、各相のコイル数をＳ／３-２にすることはできない。

仮りに、各相のコイル数をＳ／３-２にすると、コイル束の全体数が（Ｓ／３-２）*３になり、ステータコアのスロット数よりも常に６個が足りなくなり、コイルがバランス悪く巻線されるためである。

本発明のコギングトルクを最小化するスロット数と極数の組み合わせ比であるＳ：Ｐ（＝Ｓ／３-２）における巻線も各相のコイル数は、Ｓ（スロット）／３である。

各相のコイル数Ｓ／３をＳ／３-２極数で巻線するためには、同一の相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループを適切な角度で分配しなければならないが、図５に示すように、最も理想的な角度は１８０゜で向かい合うように配置することである。

即ち、１相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループを１８０゜で向かい合うようにそれぞれ配置し、２相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループを１８０゜で向かい合うようにそれぞれ配置し、３相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループを１８０゜で向かい合うようにそれぞれ配置し、このとき、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループの角度は６０゜を維持すればよいが、順序は１相-２相-３相になるか、１相-３相-２相になることもできる。

図４は、前述した本発明の巻線方法の例示図であり、図５は、同一の相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループを１８０°で向かい合うように配置し、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が配置されるグループの角度が６０゜で配列されている例示図である。

図４では、スロット数と極数の組み合わせ７２：１４に適用された巻線の例示を示すものであって、前記説明のうち１、２極に対する巻線方法である１極：１相、１相、２相、３相と２極：１相、２相、３相のみを示し、３〜１４に対する巻線方法は示していない。

本発明によるスロット、極数の組み合わせでは、このような原理の巻線方法が同一に適用される。

前記のような巻線方法により出力と効率を最大化し、磁界のバランスを取り、振動を最小化できる。

本発明に係るコギングトルクを最小化する装置は、スロット数及び極数の組み合わせと関係なく、コイルピッチが５であるとき、コギングトルクが最も最小となる。

図６は、コイルピッチが５である巻線の例示図である。

コイルピッチとは、コイルの巻線において巻線と次の巻線間の距離をいうものであって、一般にスロットの数で表す。

コイルピッチも一定の法則があるわけではなく、スロット数と極数、ステータコアの内径などによって少しずつ異なるように設計される。

本発明で提案する式により導出された極数及びスロット数の組み合わせでもスロット数と極数、ステータコアの内径を考慮して多様なコイルピッチを設計することはできる。

しかし、本発明で提案する式により導出された極数及びスロット数の組み合わせでは、スロット数と極数、ステータコアの内径と関係なく、コイルピッチを常に５に設計するとき、出力と効率を極大化できる。

従って、本発明で提案する極数とスロット数の式Ｐ＝Ｓ／３-２により導出された極数及びスロットの組み合わせとコイルピッチ５は、一定の規則性があると見られる。

発電機と電動機の設計においてコイルの断面積及びコイルのターン数（巻線数）も電動機及び発電機の性能を決定する上で非常に重要な要素である。

近年は発電機と電動機の設計プログラムが多様に発売されており、多数のパラメータさえ入力すれば、コイルの断面積とコイルのターン数を簡単に求めることができる。

従来の設計プログラムは、かつて知られていたパラメータを考慮して設計したプログラムであるため、斥力を発生させる構造を有する本発明で提案する永久磁石発電機と永久磁石電動機の設計プログラムとしては適切ではない。

本発明で提案する回転装置及びこれを用いた永久磁石電動機及び永久磁石発電機でコイルの断面積とコイルのターン数を多様に実験してみた結果、出力及び効率において大きな差を示していることが確認できた。

従って、本発明で提案する回転装置及びこれを用いた永久磁石電動機及び永久磁石発電機には、以下のような方法でコイルの断面積とコイルのターン数を決定することが好ましい。

コイルの断面積は、電流の大きさを決定するパラメータであるが、一般にmm²単位で示し、１mm²当たりの電流量を設計する。

本発明では、１mm²当たりの定格電流量を６Ａに設計するとき、出力と効率が最も高い。

即ち、永久磁石発電機或いは永久磁石電動機で定格電流が６Ａであれば、１相、２相、３相のコイルの断面積を１mm²に設計すればよい。

このとき、コイルのターン数（巻線数）は、以下の式により決定される。

(数２)
ターン数(巻線数)＝｛定格電圧(Ｖａｃ)×Ｋ｝／｛回転角速度(ｒａｄ／ｓ)×磁束密度(Ｔ)｝／スロット数(Ｓ)／ステータコアの積層長（ｍｍ）

ここで、Ｋは定数、｛定格電圧（Ｖａｃ）×定数｝／｛回転角速度（ｒａｄ／ｓ）×磁束密度（Ｔ）｝は、コイル長を示すが、定数Ｋを除いた全てのパラメータは、発電機或いは電動機の設計において基本的に提供されるものであるため、特別なノウハウが必要なわけではない。

但し、定数Ｋに該当する部分が発電機や電動機メーカーが保有している固有の設計パラメータに該当する。

定数Ｋ値は、無負荷電圧と定格負荷時に電圧を決定する重要な要素となる。一般的に全ての発電機は負荷を印加すると電圧降下が発生するが、基本的に電圧降下が小さな発電機であるほど効率が高い。

従って、電圧降下を最小化するための多様な研究が進められているが、本発明では、コイルの断面積１mm²当たりに６Ａを基準に定数Ｋ値を１.２に設計するとき、出力と効率を最大化できる。

ここで、定数Ｋが１.２から上下に遠ざかるほど出力と効率は益々減少するため、可能であれば定数を１.２に定めて設計することが有利であるが、定数Ｋを１.２の７０％〜１３０％の値範囲である０.８４〜１.５６内で用いても構わない。

また、本発明の永久磁石２１０の厚さは、１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内で選定することができる。

即ち、永久磁石が厚いほど磁束密度が高いため、出力と効率が高くなるが、従来は永久磁石が厚くなるとコギングトルクが増加するので、厚さに対する限界があった。

しかし、本発明の場合は、極数とスロットの最小公倍数の組み合わせと、歯３２０の下端幅ｂと永久磁石と永久磁石間の離間距離ａでコギングトルクを最小化するため、一定部分で回転子とステータコア部３００との間で斥力が発生するので、永久磁石の厚さ及びエアギャップと関係なく、コギングトルクは最小化される。

従って、適切な厚さを有する永久磁石回転子をまず設計し、回転子の磁束密度に相応しいステータコア部を設計すると、発電機と電動機の小型、軽量化を極大化させることができる。

また、図３に示すように、前記回転子２００の永久磁石とステータコア部３００の歯の下端幅ｂ間のエアギャップｃは、０.１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内で設定しなければならず、前記範囲から外れると、出力と効率が低下するという問題が生じる。

前記のように回転装置を構成すれば、同一容量の従来の発電機或いは電動機よりも大きさと重さを大幅に減少できるという効果が発生する。

永久磁石を回転子に固定させる方法としては、表面磁石型（ＳＰＭ）と埋込磁石型（ＩＰＭ）があるが、コギングトルクを最小化する方法は、表面磁石型であれ、埋込磁石型であれ、本発明で提示する方法と同一である。

本発明で提案するコギングトルクを最小化する回転装置と、本発明で提案するピッチ、巻線方法、巻線仕様などを同時に満足させる永久磁石電動機及び永久磁石発電機を製作すると、出力密度が高くなり、効率が増加し、振動と騷音が減少する効果をもたらすだけでなく、従来の永久磁石同期電動機では実現が不可能であるという新しい現象が発生する。

そのうち最も代表的な現象が永久磁石同期電動機では不可能であると知られている直入れ起動（Ｌｉｎｅ-Ｓｔａｒｔ）が本発明で提案する永久磁石同期電動機では可能になる。

直入れ起動電動機とは、常用電源で起動及び運転が可能な電動機のことをいうが、代表的な電動機として誘導電動機が挙げられる。

反面、永久磁石同期電動機は、直入れ起動が不可能であるため、起動及び運転のためには、ドライバ或いはセンサレスベクタ制御インバータなどを用いなければならない。

ところが、本発明で提案するコギングトルクを最小化する回転装置及びピッチ、巻線方法、巻線仕様などを同時に満足させる永久磁石電動機は、ドライバ或いはセンサレスベクタ制御インバータなどを用いなくても誘導電動機のように常用電源だけで起動及び運転が可能である。

これは本発明で提案する多様な要素により回転子とステータコアとの間で斥力が発生し、この斥力がステータコアで発生する回転磁界だけでも回転子の起動を可能にするためである。

誘導電動機が出力密度及び効率、力率などが永久磁石同期電動機よりも低いにも拘らず、広く用いられる理由は、相対的に安い価格と直入れ起動のためである。

反面、永久磁石同期電動機（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）は、出力密度及び効率、力率などは高いにも拘らず、広く用いられない理由は、相対的に高価なためであるが、価格が高い理由のうち最も大きな要因は、直入れ起動が不可能なことにより、起動及び運転に必要な装置を追加で購買しなければならないということにある。

従って、直入れ起動が可能であると共に、永久磁石同期電動機の出力密度と効率、力率が可能な電動機を開発することは非常に大きな意味を持つといえる。

近年、直入れ起動が可能な永久磁石同期電動機（ＬＳＰＭＳＭ）を開発するための先行研究が活発に行われているが、代表的な技術が誘導起動型永久磁石同期電動機である。

誘導起動型永久磁石同期電動機は、直入れ起動が不可能な永久磁石同期電動機に誘導電動機の起動技術を融合したものであって、起動は誘導電動機方式で行い、運転は永久磁石同期電動機方式で行う電動機である。

ところが、構造が複雑であり、回転子に挿入された誘導起動のための装置（アルミニウムバー（ｂａｒ）或いは銅バー（ｂａｒ））が永久磁石の磁場を妨げるなどの問題が発生し、大衆化できないのが現状である。

しかし、本発明で提案するコギングトルクを最小化する回転装置と、本発明で提案するピッチ、巻線方法、巻線仕様などを同時に満足させる永久磁石電動機は、永久磁石同期電動機と同一の構造で誘導電動機の直入れ起動の長所と永久磁石同期電動機の高出力密度、高効率、高力率の長所を同時に実現できる。

従って、本発明で提案する永久磁石電動機は、誘導電動機分野と永久磁石同期電動機分野で幅広く活用されることができる。

以上で説明した本発明は、前述した発明の詳細な説明、使用例及び図面により限定されるものではなく、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で該当技術分野における当業者が多様に修正及び変更させたことも本発明の範囲内に含まれるのはもちろんである。

１１０ シャフト
２００ 回転子
２１０ 永久磁石
３００ ステータコア部
３１０ スロット
３２０ 歯
ａ 永久磁石と永久磁石間の離間距離
ｂ スロット下端の歯幅
ｃ 回転子とスロット間のエアギャップ

Claims (5)

1. 永久磁石回転装置において、
   シャフト１１０と、
   中央にシャフトが結合されており、複数の永久磁石２１０が一定間隔で形成されている回転子２００と、
   複数のスロット３１０が一定間隔で形成されており、それぞれのスロットにコイルが巻線されるステータコア部３００とを含んで構成され、
   コギングトルクを最小化するために、永久磁石の極数とスロットの数は、下記の式１により定められることを特徴とし、
   回転子２００の永久磁石２１０と永久磁石２１０間の離間距離ａは、前記ステータコア部３００の歯の下端幅ｂの７０％〜１３０％となるように形成することを特徴とし、
   前記ステータコア部３００の巻線は、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が１８０゜で向かい合うように配列し、各相のコイルのうち２つのコイルが相次いで巻線される部分が各相間では６０゜の角度距離で均一に配列し、コイルピッチが５となるようにする巻線であることを特徴とし、
   巻線されたコイルの断面積１mm²当たりの定格電流は６Ａであることを特徴とし、
   巻線のターン数は、下記の式２により決定されることを特徴とするコギングトルクを最小化する回転装置。
   (数１)
   Ｐ＝Ｓ／３−２（Ｐ：極数、Ｓ：３０以上のスロット数）
   (数２)
   ターン数（巻線数）＝｛定格電圧（Ｖａｃ）×Ｋ｝／｛回転角速度（ｒａｄ／s）×磁束密度（Ｔ）｝／スロット数（ｓ）／ステータコアの積層長（ｍｍ）
   （前記において、Ｋは定数であり、０.８４〜１.５６範囲の値）
2. 前記回転子２００の永久磁石２１０と永久磁石２１０間の離間距離ａとステータコア部３００歯の下端幅ｂの比が１：１になるように形成することを特徴とする請求項１に記載のコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置。
3. 定数Ｋの値が１.２であることを特徴とする請求項１に記載のコギングトルクを最小化する永久磁石回転装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の永久磁石回転装置を備えた永久磁石発電機。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載の永久磁石回転装置を備えた永久磁石電動機。