JP2021087348A - 永久磁石式ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクが小さく、銅損の少ない高効率な高速回転駆動、特にデルタ結線駆動を実現する回転電機を提供する。【解決手段】３相集中巻き式ブラシレスモータの全巻き線極数をＱとして、回転子永久磁石の極数をｐとして、ｐ＝Ｑ±１、Ｑ＝３ｑ、但しｑは各相の巻き線極数として、ｑ個の配位置を１巻き線極分の間隔を設けて非隣接的に配置、あるいは、ｑ−２個を隣接配置して、両端の２対のみ１巻き線極分離配置することを特徴とした回転電機。【選択図】図２

Description

本発明は永久磁石界磁形ブラシレス回転電機に関する。

永久磁石界磁形ブラシレス回転電機はＤＣモータのような摩擦を伴うブラシが無いため、近年、広く使用さている。この種の回転電機は、一般に、コア（鉄心）レス形のものが多いが、コアレス形のものはコギングトルクが無い反面、高トルク、大出力のものを得にくい問題がある。一方、コア付形のものは、高トルク、大出力のものを得やすいが、スロットあるいは歯を持つためにコギングトルクが大きくなる欠点がある。

１）非特許文献、新・ブラシレスモータ、１１７ページ、見城 尚志、永守 重信、総合電子出版社。
２）非特許文献、スロットコンビネーションによるＰＭＳＭのコギングトルクの低減、百目鬼 英雄、荘司祐大、電気学会回転機研究会、ＲＭ−０４−１５、１９１６年。
３）非特許文献、ＰＭ型ステッピングモータの特性改善、坂本正文、日本能率協会、モータ技術シンポジウム、１９８３年。
一方、関係する従来技術として上記の文献１）及び２）がある。また関連技術資料として、文献３）がある。上記の文献をそれぞれ、引例１）、引例２）、引例３）と以後略記すことにする。

本発明は永久磁石界磁形ブラシレス回転電機で、固定子に鉄心を有し、集中巻きされた複数の巻き線極を有した構成の回転電機に関して、コギングトルクを小さく保ち、高効率で低振動なブラシレス回転電機の実現を課題とする。コギングトルクを小さくする手段としては、固定子の全巻き線極数Ｑと回転子の極数ｐの最小公倍数ＬＣＭを大きくするように、Ｑとｐの関係を維持することが知られている。
また高出力、高速回転、低振動を実現するために誘起電圧を生み出す鎖交磁束の基本波成分を大きく保ち、第３，第５，第７次高調波成分は極力小さくするような巻き線方式を創出することを課題とする。

本発明を実現するには以下の手段による。
「手段１」
等ピッチでラジアル方向あるいはアキシャル方向に設けられたＱ個の鉄心よりなる巻き線極に集中巻きされた３相式固定子と、エアギャップを介して、Ｎ極とＳ極の永久磁石を交互に同数個配置した極数ｐの表面磁石式回転子、あるいは、Ｎ極とＳ極の永久磁石を交互に同数個、磁性体回転子ヨークに埋め込み配置した極数ｐの埋め込み磁石式回転子を有した回転電機において、
ｎは１以上の整数であり、１相分の巻き線極数ｑはｑ＝２ｎ＋１と定めて、３以上の奇数であり、３相全巻き線極数Ｑを、Ｑ＝３ｑとして、回転子の極数ｐを、ｐ＝Ｑ±１、とした回転電機であり、各相の巻き線極のｑ個は互いに１巻き線極間隔を置いて非隣接的に配置されたことを手段とする回転電機。
「手段２」
手段１の回転電機で、３相巻き線の各相の巻き線極の（ｑ−２）個は隣接して配置されて、その両端の２対の巻き線極が１巻き線極分離して配置されることを手段とする回転電機。
「手段３」
手段１，２で、ｐ＝ｍ（３ｑ±１）、Ｑ＝３ｍｑ、とした回転電機。但し、ｍは２以上の整数。
「手段４」
手段１〜３において、回転子は極異方性磁石を採用したことを手段とする回転電機。
「手段５」
手段１〜３において、回転子は疑似磁極構造としたことを手段とする回転電機。
「手段６」
手段１〜３で、ｑ個の巻き線極の内の何個かを他の巻き数と相違させたことを手段とする回転電機。

１）回転子の極数ｐと固定子の巻き線極数Ｑは公約数をもたないので、その最小公倍数（以下ＬＣＭと略す）はｐとＱの積となり大きな値となり、低コギングトルクが得られる。
２）手段１ではｐとＱは１しか違わない数値のため、後述する簡易巻き線率の基本波率が大きくなり、高トルク化に有利。
３）手段１で、ｎ＝１でｑ＝３、Ｑ＝９、となり、ｐ＝８または１０の場合、後述する鎖交磁束の基本波率Ｐ_１は＝０．８６６、第３高調波率Ｐ_３＝０ である。またｎ＝２以上のＱとｐにおいても、同様な数値が得られる。この第３高調波が零ということは、デルタ結線駆動に適しており、高速運転に適したものとなる。これに対して、従来技術では、Ｐ３は零とはならずデルタ結線駆動で銅損が増大するため、本発明の大きな進歩性がここにある。
４）手段２で、ｎ＝２，ｑ＝５，Ｑ＝１５，ｐ＝１４または１６の場合、基本波率Ｐ_１は＝０．９１４、第３高調波率Ｐ_３＝０．４００である。従来技術と比較して、基本波率はやや低いが、第３高調波率は大幅に小さく、高速回転特性では、本発明は大きな進歩性がある。
５）手段３のｍ＝２以上では、ＬＣＭが大きくできて、不平衡電磁力が消滅するので、高速回転で低振動な回転電機が実現する。
６）本発明の手段１〜３に極異方性磁石回転子を採用すれば、バックヨーク不要の軽量安価で高速性に優れた高効率回転電機が実現する。
７）本発明の手段１〜３に疑似磁極磁石に構成した回転子を採用すれば、磁石個数を半減した軽量安価に加えて、更なる低コギングトルク化と弱め界磁効果の大きな、高速性に優れた高効率回転電機がえられる。
８）本発明の手段６で、ｑ個の巻き線極の内の何個かを他の巻き数と相違させれば、誘起電圧を更に正弦波にできる。特にＱ＝５以上では、（ｑ−２）個が隣接するので、ｑ個の巻き線極の中央極あるいは両端の２個等を適宜他の巻き数と相違させて、逆起電力波形を調整して、更に正弦波に近づけることができる。

本発明の説明のための固定子、回転子の概要構成を示す軸方向と垂直な断面図 図１に本発明を適用した場合の１相分の巻き線極位置の直線状展開とその励磁極性図 本発明のＱ＝９の１２０度通電の巻き線極励磁シーケンスの図 本発明のＱ＝９，ｐ＝８の歩進原理図 本発明のＱ＝９のスター結線３相励磁の直線展開した固定子巻き線極の極性図 本発明のＱ＝１５，ｐ＝１４の直線展開した１相分固定子と回転子の図 本発明のＱ＝１５のスター結線３相励磁の直線展開した固定子巻き線極の極性図 別の本発明のＱ＝１５のスター結線３相励磁の直線展開した固定子巻き線極の極性図 別の本発明のＱ＝２１のスター結線３相励磁の直線展開した固定子巻き線極の極性図 本発明のＱ＝９，ｐ＝８の２倍体のスター結線３相励磁の直線展開した固定子巻き線極の極性図 従来技術の引例１）のＱ＝９，ｐ＝８の１相励磁の直線展開した固定子巻き線極の図 従来技術の引例２）のＱ＝９，ｐ＝８の３相励磁の直線展開した固定子巻き線極の図 従来技術のＱ＝１５，ｐ＝１４の３相励磁の直線展開した固定子巻き線極の図 〔表１〕３相１２０度通電の励磁シーケンス表 〔表２〕簡易巻線率比較表 〔表３〕簡易巻線率比較表

以下図面を参照して、本実施形態にかかる回転電機について説明する。

図１は本発明の手段１で、ｎ＝１，ｑ＝３，Ｑ＝９，ｐ＝８の場合の図であり、固定子、回転子の概要構成を示す図であり、軸方向と垂直な断面図である。１は固定子鉄心で９個の半径方向に突き出た極歯が等ピッチで設けられ、各々の磁歯の総てへの符号は省略するが、集中巻きした巻き線５が巻かれ、巻き線極として１１〜１９が時計方向に分布配置されている。図１では１１，１２、１３、１８，１９に符号を付して、他の符号は省略してある。同様に、巻き線極１１の巻き線のみに、巻き線５として符号をつけたが、他の巻き線極の巻き線の符号は省略してある。そして回転子は永久磁石で構成された回転子磁極のＮ極とＳ極が交互に合計８極、即ち、ｐ＝８であり、そのうちの２個の回転子磁極２１と２２にしか符号を付けてないが、以下、２３，２４，２５，２６，２７，２８、と時計方向に符号を省略した磁極が順次設けられて、回転子２を形成し、９個の巻き線極とエアギャップを介して対向している。
３は各８個の回転子磁極のバックヨークを兼ねた中子であり、４は回転子軸である。
本発明の巻き線方式は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３相で構成されるが、１相分Ｕ相の巻き線は、同極性巻き線極性に巻かれた１８，１１，１３が１巻き線極間隔をあけて、即ち１９，１２を飛ばして結線配置構成されている。この固定子の構成を、エアギャップの周方向に直線展開すれば図２となる。図２で上段は図１に対応した巻き線極の番号であり、下段は励磁相とその励磁極性を示す。
図１で巻き線極１１と回転子磁極２１のＮ極が、互いの中心位置で対向している場合、巻き線極１２と回転子磁極２２のＳ極は角度δずれていることを図示している。従って図での符号は省略してあるが巻き線極１９と対向する回転子磁極２８のＳ極もδずれている。また巻き線極１３と対向する回転子磁極２３、及び、巻き線極１８と対向する回転子磁極２７は各々２δずれている。
尚δはこの場合、機械角では５°であるが、８極回転子なので、電気角では２０°となる。
従って、Ｕ相の３個の巻き線極は、対向する回転子磁極とのずれ角は、図１，図２を対応して、巻き線極１１が０°、巻き線極１８，１３が２δで４０°となる。
手段１は、ｐ＝Ｑ±１、Ｑ＝３ｑ、ｑ＝２ｎ＋１、であり、ｎは１以上の整数とした回転電機であり、巻き線方式は、１相分の巻き線極数ｑは３以上の奇数であり、互いに１巻き線極間隔を置いて非隣接的に配置されるので、ｎ＝１でｑ＝３として、Ｑ＝９であり、巻き線極１８，１１，１３は１巻き線極間隔を置いて、１相分を構成して、図２に示すようになる。
あるいは手段２を適用しても、ｑ個の巻き線極は隣接的に配置された位置から、その両端の巻き線極が１巻き線極分離れた非隣接状に配置されると述べてあるが、ｑ＝３として、その両端の巻き線極が１巻き線極分離れた非隣接状に配置すれば、手段１と同じ図２の如くなる。
この場合の１相分の誘起電圧は巻き線１８，１１，１３の各々の鎖交磁束の時間微分値の和となるため、鎖交磁束のパーミアンスの基本波率Ｐ_１、第３高調波率Ｐ_３及び第５，第７も含めて、簡易巻き線率と名付けて、以下の（１）、（２）の如く定義して、δに数値を代入して数値計算して求めることにする。この目的は本発明を従来技術と比較する評価要素とするためである。巻き線率としては集中巻き方式であっても、短節巻き係数と分布巻き係数を算出して、それらの積を巻き線係数とする評価方法が一般的であるが、ここで採用する鎖交磁束のパーミアンスの基本波率Ｐ_１は分布巻き係数に近い値をとり、高調波率まで含めての評価には、この簡易巻き線率で評価する方が便利なためである。
δ＝２０°（電気角）であり、前述したように、図１を参照して、巻き線極１１は対向回転子磁極とのずれ角δ＝０、巻き線極１３，１８のずれ角は２δとなるので、以下となる。

従来品の引例１），２）の数値計算による比較は後述する。
即ち、Ｐ_１が大きいほど、誘起電圧も高くなり、従ってトルク、効率も向上する。
また、Ｐ_３が大きいと、１相分の誘起電圧は正弦波よりふっくら太った台形波に近い形になるが、誘起電圧の第３次高調波成分はスター結線では線間で打ち消されて影響がないが、デルタ結線では環状結線内部に循環電流を発生させて、銅損の増大を生むことになる。
本発明の巻き線方式では、Ｐ_３が零のため、デルタ結線も問題なく使用できることになる。

図３は本発明のＱ＝９の１２０度通電の３相巻き線の極励磁シーケンスの図である。図中のＵ，Ｖ，Ｗに対して、Ｕ，Ｖ，Ｗは極性が反転するように結線することを意味している。以下の図でも同様である。図３の最上段行は９個の巻き線極を１〜９として順に表現したものである。次の行から下段に向かい励磁を１〜６の番号で示すようにして、ブラシレスモータの代表的な励磁方式の１２０度通電で切り替えた場合の本発明の回転子磁極が８または１０極で、９巻き線極の場合の巻き線極励磁シーケンスの図であり、１行励磁切り替えごとに、電気角６０度ずつの６ステップ歩進で３６０度電気角歩進することになる。この図３と次に説明する図４の歩進動作図が対応することになる。
３相１２０度通電のバイポーラ方式インバータの３相ブラシレスモータのスター結線３端子Ｕ，Ｖ，Ｗへの印可電圧極性は表１に示すものとなる。
図４は本発明のブラシレスモータとして、確実に動作するための確認図である。固定子と対向する回転子の関係位置を、エアギャップの周方向に直線展開した、３相永久磁石式ステッピングモータの歩進動作の如く、所謂６ステップ歩進することの確認図である。この場合、１相ずつの励磁で、電気角で６０度ずつ歩進するので、電気角３６０度を６ステップで歩進動作することになる。１相励磁で、歩進が確認できれば、ブラシレスモータとして１２０度通電の２相励磁駆動でも、確実動作するものである。
ｐ＝Ｑ±１で、Ｑ＝９，ｐ＝８の場合で歩進図を示すが、ｐ＝１０の場合も同様に動作する。各３相の巻き線極は巻き終わり同士をコモン端子として短絡するスター結線を想定しているが、各相の巻き終わりと次相の巻き始めを順次結線して環状結線するデルタ結線でも同様に動作する。
図４よりわかる如く、励磁１）ではＵ相はすべてＮ極性として、回転子のＳ極と対向している。次に励磁２）ではＶ相が総てＳ極性となり、回転子のＮ極と対向している。励磁３）ではＷ相がすべてＮ極性として、回転子のＳ極と対向している。１相分の巻き線極の極性が総て同じで次相励磁が逆となるので、回転子磁束はＵ相とＶ相間、あるいはＶ相とＷ相、あるいはＷ相とＵ相間で閉磁路を形成する磁路となる。以下励磁４）は１）の、５）は２）の、６）は３）の逆極性に固定子巻き線極が励磁されて、図４の如く、回転子を電気角で６０度ずつ歩進させる。

図５は、図３で示した励磁１と２の２行の励磁極性を１度に示した図である。これは図４の如く、１相ずつの順次励磁１）、２）、３）の３ステップ分のＵ，Ｖ，Ｗ相の３相分を一つの表にまとめたものに相当するもので、便宜上３相励磁表現と名づけ、本発明の巻き線方式構成を一つの表で表現できるものである。この図５から表１を適応すれば図３が得られるので、本発明の巻き線方式の表現図はＱ及びｐを変えた場合にも、必要により図５のような３相励磁で示すことにする。

図６は本発明の手段１で、ｎ＝２として、ｑ＝５、従って、Ｑ＝１５，ｐ＝１４の１相励磁時の固定子と回転子の対向図である。表のＡ行目は固定子の巻き線極番号を表し、１〜１５と等ピッチで３６０度にわたり配置されている。Ｂ行目は励磁される相とその極性を表している。図６以降の図のＡ行目，Ｂ行目も同様に、Ａ行は巻き線極番号、Ｂ行はその極性を表す。図６のＣ行は回転子磁極の左端を巻き線極１に合わせたときの関係図である。５個のＵ相の巻き線極は１巻き線極間隔を置いて配置されている。ｐ＝Ｑ±１なので、Ｑ＝１５，ｐ＝１６でも、本巻き線方式は成立するものである。

図７は手段１で、ｎ＝２として、ｑ＝５、従ってＱ＝１５とした場合の本発明による、各相の励磁順をＵ，Ｖ，Ｗの順で、１相ずつ励磁して３相分表す図である。即ち図６の１相分表示を、３相分の固定子励磁極性で表したもので、前述したＱ＝９の場合の図５に相当する。
尚、この場合の歩進図は省略するが、図４と同様な歩進図を作成すれば６０度ずつの歩進が確認できる。

図８は手段２を適用した本発明のＱ＝１５、ｐ＝１４または１６の場合の、３相励磁状態での固定子巻き線極の極性図で、ｎ＝２でｑ＝５の場合である。ｑ個の巻き線極は、手段２を適用すれば、３相巻き線の各相の巻き線極のｑ個は隣接的に配置された位置から、その両端の巻き線極が１巻き線極分離れた非隣接状に配置されるため、１相分の巻き線極の配置は、５−２＝３の３個隣接してその両端は１巻き線極分、分離した非隣接状に配置される。即ち、分離して１極分飛ばした箇所を０で表現し、Ｕ相の励磁で示せば、Ｕ０ＵＵＵ０Ｕ、とｑ＝５なので、このような表現にもできる。これを３相励磁状態で表現すれば、図８となる。
この場合、Ｑ＝１５，ｐ＝１４で、図８の巻き線極４と対向する回転子磁極とがずれ角が零であるとき、巻き線極３および５と対向する回転子磁極のずれ角をδとすれば、巻き線極１および７と対向する回転子磁極のずれ角は３δであり、δ＝１２°（電気角）で、図８のＵ相の５個、即ち、図８の巻き線極１，３，４，５，７の巻き線極の合計のＰ_１，Ｐ_３は以下となる。

図９も手段２を適用した本発明のＱ＝２１，ｐ＝２０または２２の場合の、３相励磁状態での固定子巻き線極の極性図である。ｎ＝３でｑ＝７の場合である。ｑ個の巻き線極は、手段２を適用すれば、３相巻き線の各相の巻き線極のｑ個は隣接的に配置された位置から、その両端の巻き線極が１巻き線極分離れた非隣接状に配置されるため、１相分の巻き線極の配置は、５個隣接してその両端は１巻き線極分、分離した非隣接状に配置される。即ち、分離して１極分飛ばした箇所を０で表現し、Ｕ相の励磁で示せば、Ｕ０ＵＵＵＵＵ０Ｕ、とｑ＝７なので、０を除いて７個の文字で表現できる。これを３相励磁状態で表現すれば、図９となる。
この場合、Ｑ＝２１、ｐ＝２０で、図９の巻き線極５と対向する回転子磁極とが対向して、ずれ角が零であるとき、巻き線極４および６と、対向する回転子磁極のずれ角をδとすれば、巻き線極３および７と、対向する回転子磁極のずれ角は２δ、巻き線極１および９と、対向する回転子磁極のずれ角は４δとなる。
δ＝８．５７１４°（電気角）で、図９のＵ相の７個、即ち、図９の巻き線極１，３，４，５，６，７，９の巻き線極の合計のＰ_１，Ｐ_３は以下となる。

本発明の手段１及び手段２を用いて、ｎを増加すれば、Ｑ＝３３でｐ＝３２，３４等、ｐ＝Ｑ±１を満たす色々な組み合わせのものに本発明の巻き線方式を適応できる。そして、極数ｐを増加すれば、そのモータの出し得る限界トルクは極数ｐに比例するので、電気自動車やドローン等の高トルク用途に適した回転電機が得られる。更に、ｐ，Ｑが増大すれば、そのＬＣＭも大きくなり、コギングトルクが小さくなる。コギングトルクが大きいと、無負荷電流も大きくなり、効率を阻害する。

Ｑが奇数の場合、１相分励磁時に固定子により、回転子にラジアル方向に働く力、を完全に打ち消せない状態、即ち、不平衡電磁力やサイドプルと呼ばれる電磁力が働き、振動騒音に不利になる。
しかし、現実には、Ｑ＝９、ｐ＝８または１０は、Ｑとｐの間で公約数をもたないので、ＬＣＭが大きく、コギングトルクが小さいため、多用されている。
更に、本発明の手段３を用いれば、ｐ＝ｍ（３ｑ±１）で、ｍを２以上に選べば、手段１のｍ倍体回転電機となり、不平衡電磁力を相殺して無くすことができる。また極数の増加で、ＬＣＭが大きく、低コギングトルクでｐが大きいので、限界トルクの高い、高トルク回転電機が期待できる。
図１０は手段３を用いて、ｍ＝２，ｑ＝３で、Ｑ＝３ｍｑ＝１８となり、ｐ＝１６または２０の場合の、巻き線極１８個の３相励磁の図である。即ち、図５の、巻き線極Ｑ＝９、極数ｐ＝８または１０極の３相回転電機の２倍体となり、不平衡電磁力も消滅するので、低振動な回転電機が得られる。尚この場合の鎖交磁束のパーミアンスの基本波率Ｐ_１，第３高調波率Ｐ_３は（１），（２）式の値と同じになる。

図１１は従来技術の引例１）として、Ｑ＝９、ｐ＝８の１相励磁時の固定子と回転子の対向図である。
引用文献１の１１７ページに、図１１の構成が開示されている。
この場合、図１１の１相分、例えばＵ相に関して、以下となる。

また図１２は引例２）の３相励磁の表示の場合であり、ｑ＝３が隣接配置されている。同様にして、１相分に関しては、以下となる。

従来技術、及び本発明の手段１，２のＰ_１，Ｐ_３を小数点４桁以下は切り捨てて３桁までの表示で、一覧表として比較すれば、表２となる。
即ち、表２のＰ_１が大きいほど、誘起電圧も大きくなり、従ってトルク、効率も向上する。
しかし、従来技術の引例１のＰ_１は本発明の手段１が０．８４４であるのに対して０．６５７と劣り、Ｐ_３は手段１が零で小さいのに対して、０．５７７と大きいので、デルタ結線駆動には適さない回転電機となる。
また、引例２のＰ_１値は本発明の手段１より、やや勝るが、Ｐ_３は０．６６６とかなり大きな値で、本発明のように零でないので、引例１と同様にデルタ結線駆動に適さない回転電機である。ここに、本発明の進歩性がある。
図１３は引例２と同類の従来技術で、ｑ＝５を隣接配置した、Ｑ＝１５，ｐ＝１４の１相励磁時の固定子と回転子の対向図である。この場合、１相分に関して、Ｐ_１，Ｐ_３は、（５）、（６）式に準じて同様に計算すれば、以下となる。

この値を表２に入れて、本発明のＱ＝１５，ｑ＝１４の手段２と比較すると、以下のようになる。
Ｐ１値は本発明の手段２の０．９１４と比較すれば、やや勝るが、Ｐ_３は本発明品が０．４００に対して、０．６４７とかなり大きな値で、引例１と同様にデルタ結線駆動に適さない回転電機である。
ここに、本発明の進歩性がある。
更に巻き線極数のＱ＝９の場合、引例２と本発明の比較では、引例２の３個のｑが隣接しているのに対して、本発明の３個のｑは非隣接配置で、より分散しているため、本発明品の方が、１相励磁時の不平衡電磁力がより少なくなり、低振動化に有利な構成といえる。Ｑ＝１５，ｐ＝１４の不平衡電磁力は、従来技術は図１３に示すように、ｑである５個の巻き線極が隣接しているのに対して、本発明の手段２の方は、より分散配置されているため、小さくなり、低振動化に有利な構成といえる。
また表２より、本発明の回転電機は表２のＬＣＭは、ｐ＝Ｑ±１の効果で、大きな値が得られるので、コギングトルクの低減に有利な構造を採用していることも分かる。
更に表２から次のことが分かる。
１）本発明の手段１と手段２によるＱ＝９，ｐ＝８は巻き線極配置が同一でＰ_１，Ｐ_３の値も同一である。
２）Ｑを１５以上と大きくした場合、手段１と手段２とでは、巻き線極配置も、Ｐ_１，Ｐ_３の値も相違する。
３）本発明の手段１内でＱを変化させても、Ｐ_１，Ｐ_３の値はほぼ同一である。
４）本発明の手段３内でＱを変化させても、Ｐ_１，Ｐ_３の値はほぼ同一である。
５）本発明の手段３によるＱ＝２７の場合はｐ＝２４で、手段１でのＱ＝２７の場合、ｐは２６となるので異なる回転電機となる。

更に、本発明の手段２と従来技術の引例２に関して、Ｑが１５，２１，２７の場合の鎖交磁束のパーミアンスの第５高調波率Ｐ_５，第７高調波率Ｐ_７を同様に計算して、表３に示す。表２，表３より、次のことが分かる。
１）Ｑ＝９はＰ_３＝０なので、デルタ結線向きである。
２）引例２と比較しても、Ｑ＝１５は第５高調波、Ｑ＝２１は第７高調波が零で、Ｑ＝２７も、第７高調波が零に近く、Ｐ_５，Ｐ_７が小さいことは、その回転電機は正弦波逆起電力となり、正弦波駆動の場合の電流によるトルクムラが小さいことを意味する。
３）Ｑ＝１５、２１、２７等は、第３高調波は存在するが、第５、第７高調波が小さいので、スター結線向きである。
４）なめらかな回転動作を得るには、ＱとｐのＬＣＭを大きく選びコギングトルクを低減し、逆起電力によるトルクムラも低減すればよい。
５）例えば表３の結果より考えて、Ｑ＝１５では、第７高調波を、Ｑ＝２１では、第５高調波を除去するように磁石磁極幅、端部形状、凸レンズ形状磁石肉厚、あるいは、固定子歯形状等を工夫すれば、更にトルクムラ対策に効果的である。
６）特に手段６で述べたように、ｑ個の巻き線極の内の何個かを他の巻き数と相違させれば、誘起電圧を更に正弦波にできる。特にＱ＝５以上では、（ｑ−２）個が隣接するので、ｑ個の巻き線極の中央極あるいは両端の２個等を適宜他の巻き数と相違させて、逆起電力波形を更に正弦波に近づけることもできる。逆起電力の大きさは巻き数に比例することと、その逆起電力波形の正弦波への修正効果は１相分の巻き線極が隣接している構成で顕著に得られるものである。

本発明の回転電機は極異方性磁石式回転子を採用すると、優れた回転電機となる。手段２の如く巻き線極が隣接しているか、手段１あるいは２の如く、１巻き線極分分離であれば、隣接巻き線極間で永久磁石磁束の磁路が形成されるため、極異方性磁石を使うと、バックヨークを省略することができて、その分安価軽量となる。即ち、図１で説明すれば、永久磁石２のＮ極の磁極２１とＳ極の磁極２２は磁石内部で磁化配向されていて、回転子中子３は非磁性体の樹脂等でもよく、あるいは３を用いないで、永久磁石２と回転子軸４が直接接していてもよい。図１はインナーロータ型であるが、アウターロータ型では、回転子のバックヨークは大きくなるため、これが、樹脂等で代用できるか、または、アルミ等の非磁性体、あるいは不要となることは、軽量安価に有効である。極異方性磁石とは永久磁石内部で決められた極数に対応して磁石成形時に磁路配向して異方性化した磁石であり、筆者の一人が、１９８３年に日本能率協会主催の小形モータ技術シンポジウムで発表したもので、関連技術として引例３）として資料を前述記載したが、モータのトルクを大幅に向上させて、且つ誘起電圧も正弦波状になるものである。
本発明に上記の特性が加わり、その相乗効果も期待できる。
また巻き線極が隣接しているか、１巻き線極分の分離であれば、同様に隣接巻き線極間で永久磁石磁束の磁路が形成されるため、疑似磁極式回転子にも本発明は適応する。
疑似磁極とはｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔ ｐｏｌｅとも呼ばれるが、回転子磁石配置を、Ｎ極とＳ極を交互に配置するのではなくて、同極磁石のみ、例えばＮ極磁石のみ配置し、Ｓ極分は鉄心あるいは空間としたもので、永久磁石の個数は半減し、コギングトルクも低減する。極異方性磁石と比較して、バックヨークは必要であるが、Ｎ，Ｓ極交互配置の回転子に対して、疑似極配置の構成は、ブラシレスモータの弱め界磁駆動の場合、弱め界磁効果が顕著になり、より高速性に有利となる。

本発明は、固定子巻き線極を集中巻きとして新規創出した巻き線構成として、その数と回転子磁極数を±１、相違させる構成のため、巻き線極数が少ない割には、コギングトルクが小さく、不平衡電磁力も同等構成の従来品より小さく、その２倍体以上とすれば、不平衡電磁力が消えて低振動で高トルクなブラシレスモータが得られるため、産業上の利用可能性の極めて大きいものである。

１： 固定子鉄心 ２１、２２： 回転子磁極
１１、１２、１３、１８、１９： 巻き線極 ３： 回転子中子
２： 回転子 ４： 回転子軸
５： 巻き線

Claims (6)

1. 等ピッチでラジアル方向あるいはアキシャル方向に設けられたＱ個の鉄心よりなる巻き線極に集中巻きされた３相式固定子と、エアギャップを介して、Ｎ極とＳ極の永久磁石を交互に同数個配置した極数ｐの表面磁石式回転子、あるいは、Ｎ極とＳ極の永久磁石を交互に同数個、磁性体回転子ヨークに埋め込み配置した極数ｐの埋め込み磁石式回転子を有した回転電機において、
   ｎは１以上の整数であり、１相分の巻き線極数ｑはｑ＝２ｎ＋１と定めて、３以上の奇数であり、３相全巻き線極数ＱをＱ＝３ｑとして、回転子の極数ｐをｐ＝Ｑ±１とした回転電機であり、各相の巻き線極のｑ個は互いに１巻き線極間隔を置いて非隣接的に配置されたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１の回転電機で、３相巻き線の各相の巻き線極の（ｑ−２）個は隣接して配置されて、その両端の２対の巻き線極が１巻き線極分離して配置されることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１及び２で、ｐ＝ｍ（３ｑ±１）、Ｑ＝３ｍｑとした回転電機。但し、ｍは２以上の整数。
4. 請求項１〜３において、回転子は極異方性磁石を採用したことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１〜３において、回転子は疑似磁極構造としたことを特徴とする回転電機。
6. 請求項１〜３において、ｑ個の巻き線極の内の何個かを他の巻き数と相違させたことを特徴とする回転電機。

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