JP6591268B2 - 永久磁石回転電機、及び永久磁石回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、永久磁石回転電機、及び永久磁石回転電機の固定子に関する。

高エネルギー密度の回転電機の研究や開発が行われている。

これに関し、永久磁石の研究及び開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、回転電機の小型・高出力化が進められている。特に小型アクチェーターや産業用ロボット等では、近年可搬重量の増加、移動速度の高速化のため、限られた空間の中で高トルク、高出力化が強く要求されており、従来に比べ高エネルギー密度の回転電機となっている。このような回転電機には、稼働時間の伸張、並びに搭載バッテリー容量（重量）の低減のため、高効率化も求められている。

また、電気自動車、ハイブリッド自動車向けのような車両用を用途とする回転電機に対しては、排出ガスの抑制や燃費向上のため、高効率化が強く求められている。また、当該回転電機は、エンジンルームなどの搭載スペースが小さいことから、限られた空間の中で高トルク・高出力化が要求されており、高エネルギー密度の回転電機となっている。

このような回転電機のうち、巻線を構成する素線を巻きつけるティースが形成されていない固定子に空芯巻線を配置した永久磁石回転電機は、トルクリップルが抑制され、その結果、振動及び騒音が抑制される。しかし、当該永久磁石回転電機では、ティースがないため、ティースがある場合と比較して巻線（すなわち、空芯巻線）を構成する素線を貫く磁束が増加してしまい、当該素線内部の渦電流や当該素線同士が並列に接続された並列回路を循環する循環電流が増大してしまう場合があった。このような渦電流や循環電流は、当該永久磁石回転電機におけるトルクの増加に寄与せず、ジュール熱に変換されてしまうため、消費電力量を増加させてしまう可能性があった。

特開２００７−１２４８９２号公報

本発明が解決しようとする課題は、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる永久磁石回転電機、及び永久磁石回転電機の固定子を提供することである。

実施形態の永久磁石回転電機は、回転子と、固定子とを持つ。回転子は、永久磁石を備える。固定子は、回転子の回転方向の上流側に配置される空芯巻線である第１空芯巻線と、第１空芯巻線よりも当該回転方向の下流側に配置される空芯巻線である第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって形成される極を相毎に１以上有する多相の電機子巻線であって、それぞれの極において、第１空芯巻線と第２空芯巻線とが回転子の径方向に重なり合い、第１空芯巻線については第２空芯巻線よりも当該上流側に配置されている部分があり、第２空芯巻線については第１空芯巻線よりも当該下流側に配置されている部分がある電機子巻線を備え、各相の各極を形成する第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相の極を形成する第２空芯巻線のうちの１つとが直列にそれぞれ接続される。

回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図の一例を示す図。 固定子３における空芯巻線の接続状態の一例を示す図。 各相の各極を形成する第１空芯巻線と、同相の極を形成する第２空芯巻線との接続状態の一例を示す図。 回転子２が備える永久磁石の磁束が空芯巻線を構成する素線を貫く様子の一例を示す図。 空芯巻線を構成する素線の内部において渦電流が発生した様子の一例を示す図。 循環電流の発生原理を説明するための図。 回転子２の永久磁石２２から永久磁石２１へ向かう方向が、回転子２の中心から第１空芯巻線Ｕ１の上流辺と第１空芯巻線Ｕ７の下流辺とが配置された仮想スロットＶＳ１へ向かう方向と一致した状態の一例を示す図。 第１相Ｕの各極における第１空芯巻線及び第２空芯巻線の接続状態の他の例を示す図。 第１相Ｕの各極における第１空芯巻線及び第２空芯巻線の接続状態の更に他の例を示す図。

以下、実施形態の永久磁石回転電機を、図面を参照して説明する。まず、実施形態の永久磁石回転電機１の概要について説明する。永久磁石回転電機１が備える固定子（例えば、後述する固定子３）にティースが形成されていないため、永久磁石回転電機１では、ティースが形成された固定子を備えた他の回転電機と比べて、トルクリップルが小さい。このため、永久磁石回転電機１は、低振動のモーターであるとともに低騒音のモーターである。

永久磁石回転電機１は、永久磁石回転電機１と異なる他の永久磁石回転電機Ｘと比べて、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。例えば、従来技術による永久磁石回転電機Ｘは、永久磁石回転電機Ｘが備える空芯巻線に流れる電流を増大させることによって、永久磁石回転電機Ｘの発生可能なトルクを増大させることができる（当該空芯巻線の詳細については後述する）。

永久磁石回転電機Ｘが備える空芯巻線が１本の素線によって構成される場合、空芯巻線に流れる電流は、空芯巻線を構成する素線の断面積を大きくすることによって増大させることができる。しかし、空芯巻線を構成する素線の断面積を大きくすると、永久磁石回転電機Ｘを駆動する際に当該素線の内部に発生する渦電流が増大する。当該渦電流は、永久磁石回転電機Ｘのトルクの増加に寄与せず、ジュール熱に変換されてしまうため、消費電力量を増加させる一因である。

一方、永久磁石回転電機Ｘが備える空芯巻線が複数の素線によって構成される場合、永久磁石回転電機Ｘは、個々の素線の断面積を小さくすることによって渦電流の発生を抑制することができる。また、永久磁石回転電機Ｘは、素線の数を増やすことによって空芯巻線に流れる電流を増大させることができる。しかし、空芯巻線を構成する素線の数を複数にした場合、当該空芯巻線を構成する複数の素線同士が並列に接続された並列回路内において、永久磁石回転電機Ｘを駆動する際に当該並列回路を循環する電流である循環電流が発生する。このような循環電流は、渦電流と同様に、永久磁石回転電機Ｘのトルクの増加に寄与せず、ジュール熱に変換されてしまうため、消費電力量を増加させる一因である。

このような永久磁石回転電機Ｘに対し、永久磁石回転電機１は、永久磁石を備える回転子と、回転子の回転方向の上流側に配置される空芯巻線である第１空芯巻線と、第１空芯巻線よりも当該回転方向の下流側に配置される空芯巻線である第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって形成される極を相毎に１以上有する多相の電機子巻線であって、複数の第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線の一部位と、当該第１空芯巻線以外の１の第１空芯巻線の一部位とが、回転子の中心軸の方向に２層に積層され、複数の第２空芯巻線のそれぞれについて、第２空芯巻線の一部位と、当該第２空芯巻線以外の１の第２空芯巻線の一部位とが、回転子の中心軸の方向に２層に積層された２層巻きの電機子巻線を備え、各相の各極を形成する第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相の極を形成する第２空芯巻線のうちの１つとが直列にそれぞれ接続される。

換言すると、永久磁石回転電機１は、永久磁石を備える回転子と、回転子の回転方向の上流側に配置される空芯巻線である第１空芯巻線と、第１空芯巻線よりも当該回転方向の下流側に配置される空芯巻線である第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって形成される極を相毎に１以上有する多相の電機子巻線であって、それぞれの極において、第１空芯巻線と第２空芯巻線とが回転子の径方向に重なり合い、第１空芯巻線については第２空芯巻線よりも当該上流側に配置されている部分があり、第２空芯巻線については第１空芯巻線よりも当該下流側に配置されている部分がある電機子巻線を備え、各相の各極を形成する第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相の極を形成する第２空芯巻線のうちの１つとが直列にそれぞれ接続される。

この構成により、永久磁石回転電機１は、前述の渦電流や循環電流を抑制することにより、ジュール熱の発生による電力の損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。この実施形態では、永久磁石回転電機１が備えるこれらの構成の具体例と、当該構成による渦電流や循環電流の抑制について詳しく説明する。図１を参照し、実施形態の永久磁石回転電機１の構成について説明する。

図１は、回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図の一例を示す図である。永久磁石回転電機１は、回転子２と、固定子３とを備える。

永久磁石回転電機１は、巻線（コイル）を構成する素線を巻きつける部位であるティースが固定子３に形成されていないスロットレスのＭ相Ｎ極のブラシレス交流モーターである。Ｍは、２以上の整数である。また、Ｎは、１以上の整数である。また、スロットは、複数のティースが形成された固定子におけるティース間の間隙のことである。以下では、一例として、永久磁石回転電機１がスロットレスの３相４極のブラシレス交流モーターである場合について説明する。

回転子２は、図１に示したように、永久磁石２１〜永久磁石２８の８個の永久磁石を備える。永久磁石２１と永久磁石２２とは、回転子２の回転中心から回転子２の径方向における外周側へと向かう方向に磁化配向されている。また、永久磁石２３と永久磁石２４とは、回転子２の径方向における外周側から回転子２の回転中心へと向かう方向に磁化配向されている。

また、永久磁石２５は、永久磁石２４から永久磁石２１へと向かう方向に磁化配向されている。また、永久磁石２６は、永久磁石２３から永久磁石２２へと向かう方向に磁化配向されている。また、永久磁石２７は、永久磁石２３から永久磁石２１へと向かう方向に磁化配向されている。また、永久磁石２８は、永久磁石２４から永久磁石２２へと向かう方向に磁化配向されている。これらの永久磁石２１〜永久磁石２８は、回転子２において４極の磁極を構成する。

また、図１では、回転子２は、図示しない軸受によって支持されている。なお、図１では、回転子２の回転軸が延伸する方向と、図１に示した三次元座標系のＺ軸方向とを一致させている。

固定子３は、回転子２を回転させる磁場を発生させる複数の巻線が設けられる。前述したように固定子３には、ティースが形成されていない。そのため、この一例において固定子３に設けられる巻線は、空芯巻線（空芯コイル）である。この一例における空芯巻線は、内径側に磁性体が存在しない巻線のことである。また、当該空芯巻線は、１本の素線によって構成されるコイルである。また、当該空芯巻線は、巻き線を構成する素線の一部と当該素線の他の一部とが並列に接続される並列回路を含まない。

固定子３の回転子２と対向する面である内径面の一部には、空芯巻線を設置する設置面が予め決められている。例えば、図１に示したように、当該座標軸のＺ軸の負方向に向かって固定子３を見た場合に、当該内径面のうちの図１に示した三次元座標系のＹ軸の正方向を含む面を設置面ＶＳ１と決める。そして、当該場合に、回転子２の中心から設置面ＶＳ１に向かう方向を基準として時計回りに所定の角度毎に設置面を決める。図１に示した例では、所定の角度は、１５°である。すなわち、この一例において、固定子３には、設置面ＶＳ１〜設置面ＶＳ２４の２４個の設置面を予め決めることができる。これらの設置面ＶＳ１〜設置面ＶＳ２４のそれぞれは、仮想的なスロットと見做すことができるため、以下では、設置面ＶＳ１〜設置面ＶＳ２４を、仮想スロットＶＳ１〜仮想スロットＶＳ２４と称して説明する。

この一例における固定子３には、これらの仮想スロットＶＳ１〜仮想スロットＶＳ２４を用いて、２４の空芯巻線が設けられる。ここで、図２を参照し、固定子３に設けられた２４の空芯巻線について説明する。

図２は、固定子３における空芯巻線の接続状態の一例を示す図である。固定子３は、回転子２の回転方向の上流側（回転の手前側）に配置される空芯巻線である第１空芯巻線と、当該回転方向の下流側（回転の先方側）に配置される空芯巻線である第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって１つの極が形成される３相４極の２層巻きの電機子巻線を備える。図２に示した例では、回転子２の回転方向は、図１に示した三次元座標系のＺ軸の負方向側に向かって回転子２を見た場合において回転子２が時計周りに回転する方向である。

具体的には、固定子３には、３相４極のうちの１つ目の相である第１相Ｕの第１極が、第１空芯巻線Ｕ１と第２空芯巻線Ｕ２により形成されている。また、固定子３には、第１相Ｕの第２極が、第１空芯巻線Ｕ３と第２空芯巻線Ｕ４により形成されている。また、固定子３には、第１相Ｕの第３極が、第１空芯巻線Ｕ５と第２空芯巻線Ｕ６により形成されている。また、固定子３には、第１相Ｕの第４極が、第１空芯巻線Ｕ７と第２空芯巻線Ｕ８により形成されている。

また、固定子３には、３相４極のうちの２つ目の相である第２相Ｗの第１極が、第１空芯巻線Ｗ１と第２空芯巻線Ｗ２により形成されている。また、固定子３には、第２相Ｗの第２極が、第１空芯巻線Ｗ３と第２空芯巻線Ｗ４により形成されている。また、固定子３には、第２相Ｗの第３極が、第１空芯巻線Ｗ５と第２空芯巻線Ｗ６により形成されている。また、固定子３には、第２相Ｗの第４極が、第１空芯巻線Ｗ７と第２空芯巻線Ｗ８により形成されている。

また、固定子３には、３相４極のうちの３つ目の相である第３相Ｖの第１極が、第１空芯巻線Ｖ１と第２空芯巻線Ｖ２により形成されている。また、固定子３には、第３相Ｖの第２極が、第１空芯巻線Ｖ３と第２空芯巻線Ｖ４により形成されている。また、固定子３には、第３相Ｖの第３極が、第１空芯巻線Ｖ５と第２空芯巻線Ｖ６により形成されている。また、固定子３には、第３相Ｖの第４極が、第１空芯巻線Ｖ７と第２空芯巻線Ｖ８により形成されている。

また、図２に示した固定子３では、これらの各極が回転子２の回転方向において、第１相Ｕの第１極、第２相Ｗの第１極、第３相Ｖの第１極、第１相Ｕの第２極、第２相Ｗの第２極、第３相Ｖの第２極、第１相Ｕの第３極、第２相Ｗの第３極、第３相Ｖの第３極、第１相Ｕの第４極、第２相Ｗの第４極、第３相Ｖの第４極の順に配置されている。

この一例における空芯巻線は、回転子２の回転方向における上流側（回転の手前側）の空芯巻線の１辺である上流辺と、当該回転方向における下流側（回転の先方側）の空芯巻線の１辺である下流辺とを、それぞれ異なる仮想スロットに配置することにより、固定子３に設けられる。また、当該空芯巻線は、当該上流辺と当該下流辺とによって、回転子２の回転方向に沿って１以上の仮想スロットを挟んで固定子３に設けられる。

具体的には、図２に示した固定子３には、第１空芯巻線Ｕ１の上流辺が仮想スロットＶＳ１に配置され、第１空芯巻線Ｕ１の下流辺が仮想スロットＶＳ７に配置されている。すなわち、第１空芯巻線Ｕ１は、第１空芯巻線Ｕ１の上流辺と下流辺とによって、回転子２の回転方向に沿って５つの仮想スロットを挟んで固定子３に設けられている。

また、図２に示した固定子３には、第２空芯巻線Ｕ２の上流辺が仮想スロットＶＳ２に配置され、第２空芯巻線Ｕ２の下流辺が仮想スロットＶＳ８に配置されている。すなわち、第２空芯巻線Ｕ２は、第２空芯巻線Ｕ２の上流辺と下流辺とによって、回転子２の回転方向に沿って５つの仮想スロットを挟んで固定子３に設けられている。

また、この一例における固定子３には、複数の第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線の一部位と、当該第１空芯巻線以外の１の第１空芯巻線の一部位とが、回転子２の中心軸の方向に２層に積層され、複数の第２空芯巻線のそれぞれについて、第２空芯巻線の一部位と、当該第２空芯巻線以外の１の第２空芯巻線の一部位とが、回転子２の中心軸の方向に２層に積層される２層巻きによって、これらの第１空芯巻線及び第２空芯巻線が配置されている。具体的には、当該２層巻きでは、各相の各極を形成する第１空芯巻線毎に、当該第１空芯巻線の上流辺（前述の第１空芯巻線の一部位）と、他の第１空芯巻線の下流辺（前述の他の第１空芯巻線の一部位）とが回転子２の中心軸の方向に向かって当該上流辺から当該下流辺の順（又は当該下流辺から当該上流辺の順）に２層に積層される。例えば、図２に示した固定子３には、第１空芯巻線Ｕ１の上流辺と、第１空芯巻線Ｕ１の下流辺とが仮想スロットＶＳ７において回転子２の中心軸の方向に向かって当該上流辺から当該下流辺の順に２層に積層されている。

また、当該２層巻きでは、各相の各極を形成する第２空芯巻線毎に、当該第２空芯巻線の上流辺（前述の第２空芯巻線の一部位）と、他の第２空芯巻線の下流辺（前述の他の第２空芯巻線の一部位）とが回転子２の中心軸の方向に向かって当該上流辺から当該下流辺の順（又は当該下流辺から当該上流辺の順）に２層に積層される。例えば、図２に示した固定子３には、第２空芯巻線Ｕ２の上流辺と、第２空芯巻線Ｕ２の下流辺とが仮想スロットＶＳ８において回転子２の中心軸の方向に向かって当該上流辺から当該下流辺の順に２層に積層されている。

このように、固定子３は、第１空芯巻線と第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって１つの極が形成される３相４極の２層巻きの電機子巻線を備える。ここで、各相の各極を形成する第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相の極を形成する第２空芯巻線とは、図２において図示しない接続線によって直列に接続される。

図３は、各相の各極を形成する第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相の極を形成する第２空芯巻線との接続状態の一例を示す図である。図３に示した例では、第１相Ｕの第１極を形成する第１空芯巻線Ｕ１と第２空芯巻線Ｕ２とが第１直列回路ＵＣ１として直列に接続される。また、当該例では、第１相Ｕの第２極を形成する第１空芯巻線Ｕ３と第２空芯巻線Ｕ４とが第２直列回路ＵＣ２として直列に接続される。また、当該例では、第１相Ｕの第３極を形成する第１空芯巻線Ｕ５と第２空芯巻線Ｕ６とが第３直列回路ＵＣ３として直列に接続される。また、当該例では、第１相Ｕの第４極を形成する第１空芯巻線Ｕ７と第２空芯巻線Ｕ８とが第４直列回路ＵＣ４として直列に接続される。

また、当該例では、これら４つの直列回路である第１直列回路ＵＣ１〜第４直列回路ＵＣ４が互いに並列に接続される。

また、当該例では、３相４極のうちの２つ目の相である第２相Ｗの第１極を形成する第１空芯巻線Ｗ１と第２空芯巻線Ｗ２とが第１直列回路ＷＣ１として直列に接続される。また、当該例では、第２相Ｗの第２極を形成する第１空芯巻線Ｗ３と第２空芯巻線Ｗ４とが第２直列回路ＷＣ２として直列に接続される。また、当該例では、第２相Ｗの第３極を形成する第１空芯巻線Ｗ５と第２空芯巻線Ｗ６とが第３直列回路ＷＣ３として直列に接続される。また、当該例では、第２相Ｗの第４極を形成する第１空芯巻線Ｗ７と第２空芯巻線Ｗ８とが第４直列回路ＷＣ４として直列に接続される。

また、当該例では、これら４つの直列回路である第１直列回路ＷＣ１〜第４直列回路ＷＣ４が互いに並列に接続される。

また、当該例では、３相４極のうちの３つ目の相である第３相Ｖの第１極を形成する第１空芯巻線Ｖ１と第２空芯巻線Ｖ２とが第１直列回路ＶＣ１として直列に接続される。また、当該例では、第３相Ｖの第２極を形成する第１空芯巻線Ｖ３と第２空芯巻線Ｖ４とが第２直列回路ＶＣ２として直列に接続される。また、当該例では、第３相Ｖの第３極を形成する第１空芯巻線Ｖ５と第２空芯巻線Ｖ６とが第３直列回路ＶＣ３として直列に接続される。また、当該例では、第３相Ｖの第４極を形成する第１空芯巻線Ｖ７と第２空芯巻線Ｖ８とが第４直列回路ＶＣ４として直列に接続される。

また、当該例では、これら４つの直列回路である第１直列回路ＶＣ１〜第４直列回路ＶＣ４が互いに並列に接続される。

また、この一例において、第１空芯巻線及び第２空芯巻線は、それぞれを構成する素線を重ね巻きすることによって形成されているとする。なお、第１空芯巻線と第２空芯巻線とのうちいずれか一方又は両方は、これに代えて、第１空芯巻線と第２空芯巻線とのうちいずれか一方又は両方を構成する素線を波巻きすることによって形成されている構成であってもよい。

このような構成により、前述したように、永久磁石回転電機１は、渦電流や循環電流を抑制することができる。以下、図４〜図６を参照し、このような構成によって永久磁石回転電機１が抑制する渦電流及び循環電流の発生原理と抑制方法について説明する。

図４は、回転子２が備える永久磁石の磁束が空芯巻線を構成する素線を貫く様子の一例を示す図である。図４に示した拡大図ＷＤ内には、永久磁石２１と、永久磁石２５と、永久磁石２７とが作り出す磁束が第２空芯巻線Ｗ８の下流辺を構成する素線を貫いている様子を示す。図４では、第２空芯巻線Ｗ８の下流辺を構成する素線は、１本の素線が１６巻きに巻かれているため、１６本の素線のように見えている。なお、第２空芯巻線Ｗ８における素線の巻き数は、１６巻きに代えて、他の巻き数であってもよい。

第２空芯巻線Ｗ８の下流辺を構成する素線を貫く磁束は、永久磁石２１と、永久磁石２５と、永久磁石２７とによって構成される磁極から回転子２の径方向へと放射状に生成される。すなわち、当該素線を貫く磁束の方向及び大きさは、当該素線の内部における位置毎にばらつく。このため、当該素線の内部に存在する自由電子は、当該磁束（磁場）によるローレンツ力によって当該内部において渦を巻いて動き始める。前述の渦電流は、この渦を巻いて動いている自由電子の流れである。

図５は、空芯巻線を構成する素線の内部において渦電流が発生した様子の一例を示す図である。図５において矢印Ｂのそれぞれは、空芯巻線を構成する素線Ｌを貫く磁束Ｂを示している。また、素線Ｌの内部において楕円状に描かれている矢印ＣＣ１は、当該磁束によって発生した渦電流を示している。このような矢印ＣＣ１によって示した渦電流は、素線Ｌを貫く磁束Ｂの数を少なくするとともに、素線Ｌの内部における位置毎の磁束Ｂの方向及び大きさのばらつきを小さくすることによって抑制することができる。

図６は、循環電流の発生原理を説明するための図である。図６では、空芯巻線Ｃ１と、空芯巻線Ｃ２と、空芯巻線Ｃ３とが、空芯巻線Ｃ１、空芯巻線Ｃ２、空芯巻線Ｃ３の順に直列に接続されている。また、空芯巻線Ｃ４と、空芯巻線Ｃ５と、空芯巻線Ｃ６とが、空芯巻線Ｃ４、空芯巻線Ｃ５、空芯巻線Ｃ６の順に直列に接続されている。また、直列に接続された空芯巻線Ｃ１と、空芯巻線Ｃ２と、空芯巻線Ｃ３とを１つの空芯巻線Ｃ１０と見立て、直列に接続された空芯巻線Ｃ４と、空芯巻線Ｃ５と、空芯巻線Ｃ６とを１つの空芯巻線Ｃ２０と見立てた場合、空芯巻線Ｃ１０と空芯巻線Ｃ２０とが並列に接続されている。なお、ここでは、空芯巻線Ｃ１〜空芯巻線Ｃ６のそれぞれは、それぞれを構成する素線の素材、当該素線の断面積、当該素線の巻き数が同じである場合について説明する。

ここで、空芯巻線Ｃ１０と空芯巻線Ｃ２０とのそれぞれに対して磁束を貫かせた場合を例に挙げて説明する。この場合、空芯巻線Ｃ１０を貫く磁束の方向及び大きさと、空芯巻線Ｃ２０を貫く磁束の方向及び大きさとが異なると、空芯巻線Ｃ１０に発生する誘導起電力の大きさと、空芯巻線Ｃ２０に発生する誘導起電力の大きさに差異が生じる。並列に接続された空芯巻線Ｃ１０と空芯巻線Ｃ２０とのそれぞれに発生する誘導起電力の大きさが異なる場合、当該並列に接続された局所的な回路には、図６に示した矢印ＣＣ２の方向に電流が流れる。この電流が、前述の循環電流である。循環電流は、並列に接続された空芯巻線Ｃ１０と空芯巻線Ｃ２０とのそれぞれを貫く磁束の方向及び大きさのばらつきを小さくすることによって抑制することができる。

次に、図７を参照し、永久磁石回転電機１における渦電流及び循環電流の抑制について説明する。

図７は、回転子２の永久磁石２２から永久磁石２１へ向かう方向が、回転子２の中心から第１空芯巻線Ｕ１の上流辺と第１空芯巻線Ｕ７の下流辺とが配置された仮想スロットＶＳ１へ向かう方向と一致した状態の一例を示す図である。図７に示した矢印Ｂ１〜矢印Ｂ４のそれぞれは、当該状態における回転子２の各永久磁石によって発生した磁束の方向を表わしている。ここで、一例として、第１相Ｕの第１空芯巻線及び第２空芯巻線を例に挙げて説明する。

当該状態において、第１空芯巻線Ｕ１と、第１空芯巻線Ｕ３と、第１空芯巻線Ｕ５と、第１空芯巻線Ｕ７とのそれぞれに発生する誘導起電力の大きさは、回転子２の回転における回転軸のずれ等による誤差を除いて等しい。また、当該状態において、第２空芯巻線Ｕ２と、第２空芯巻線Ｕ４と、第２空芯巻線Ｕ６と、第２空芯巻線Ｕ８とのそれぞれに発生する誘導起電力の大きさは、回転子２の回転における回転軸のずれ等による誤差を除いて等しい。

また、当該状態において、第１空芯巻線Ｕ１と、第１空芯巻線Ｕ３と、第１空芯巻線Ｕ５と、第１空芯巻線Ｕ７とのそれぞれに発生する誘導起電力の大きさは、第２空芯巻線Ｕ２と、第２空芯巻線Ｕ４と、第２空芯巻線Ｕ６と、第２空芯巻線Ｕ８とのそれぞれに発生する誘導起電力の大きさと比べて大きい。

ここで、図３において説明したように、永久磁石回転電機１では、第１直列回路ＵＣ１〜第４直列回路ＵＣ４が互いに並列に接続されている。回転子２の各永久磁石によって発生した磁束によって、これらの直列回路に発生する誘導起電力に差異が生じた場合、当該並列に接続された並列回路には、循環電流が発生する。しかし、図７において説明したように、第１直列回路ＵＣ１〜第４直列回路ＵＣ４のそれぞれには、回転子２の回転における回転軸のずれ等による誤差を除いて等しい誘導起電力が発生する。

これはすなわち、永久磁石回転電機１において、第１相Ｕの各極を形成する第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相である第１相Ｕの同極を形成する第２空芯巻線とを直列にそれぞれ接続することにより、当該並列回路を構成する第１直列回路ＵＣ１〜第４直列回路ＵＣ４のそれぞれを貫く磁束の大きさのばらつきが小さくなったことを示している。その結果、永久磁石回転電機１は、第１相Ｕにおいて、当該並列回路を循環する循環電流を抑制することができる。このような循環電流の抑制は、第１相Ｕと同様の構成を有する第２相Ｗ及び第３相Ｖのそれぞれについても同様に起こる。このため、ここでは、第２相Ｗ及び第３相Ｖのそれぞれにおける循環電流の抑制についての説明を省略する。

また、この一例における永久磁石回転電機１では、図２に示したように、第１相Ｕの各極が第１空芯巻線と第２空芯巻線との２つの空芯巻線によって構成される。このため、永久磁石回転電機１は、空芯巻線を構成する素線を細くすることによって当該空芯巻線に発生する渦電流を抑制しつつ、第１相Ｕの各極を構成する空芯巻線に流れる電流の総量を増やすことができる。このような渦電流の抑制と、空芯巻線に流れる電流の総量の増大とは、第１相Ｕと同様の構成を有する第２相Ｗ及び第３相Ｖのそれぞれについても同様に起こる。このため、ここでは、第２相Ｗ及び第３相Ｖのそれぞれにおける渦電流の抑制と、空芯巻線に流れる電流の総量の増大とについての説明を省略する。以上のことにより、永久磁石回転電機１は、前述の永久磁石回転電機Ｘと比べて、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。

なお、永久磁石回転電機１は、各相の各極を構成する第１空芯巻線と第２空芯巻線との接続状態として図３に示した接続状態を採用した場合、他の接続状態と比べて、空芯巻線間を直列に接続するための図示しない接続線（渡り線）を短くすることができる。このため、永久磁石回転電機１では、空芯巻線を構成する素線の終端部の長さを短縮することができ、且つコイル抵抗を低減することができる。その結果、永久磁石回転電機１は、当該コイル抵抗による損失（銅損）を抑制することができる。

また、永久磁石回転電機１において、各相の各極を構成する第１空芯巻線と第２空芯巻線との接続状態は、図３に示した接続状態に代えて、各相の各極を形成する第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相の極を形成する第２空芯巻線とが直列にそれぞれ接続される他の接続状態であってもよい。

図８は、第１相Ｕの各極における第１空芯巻線及び第２空芯巻線の接続状態の他の例を示す図である。図８に示した例では、第１空芯巻線Ｕ１と第２空芯巻線Ｕ４とが直列に第１直列回路ＵＣ１１として接続され、第１空芯巻線Ｕ３と第２空芯巻線Ｕ２とが直列に第２直列回路ＵＣ１２として接続され、第１空芯巻線Ｕ５と第２空芯巻線Ｕ８とが直列に第３直列回路ＵＣ１３として接続され、第１空芯巻線Ｕ７と第２空芯巻線Ｕ６とが直列に第４直列回路ＵＣ１４として接続される。

すなわち、図８に示した例では、第１相Ｕの各極における第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相（すなわち、第１相Ｕ）の他極の第２空芯巻線とが直列にそれぞれ接続される。また、図８に示した例では、これら４つの直列回路である第１直列回路ＵＣ１１〜第４直列回路ＵＣ１４が互いに並列に接続される。なお、この一例において、第２相Ｗと第３相Ｖとのそれぞれにおける第１空芯巻線と第２空芯巻線との接続状態は、第１相Ｕにおける第１空芯巻線と第２空芯巻線との接続状態と同様の接続状態であるため、説明を省略する。

ここで、第１空芯巻線Ｕ１と第２空芯巻線Ｕ４とのそれぞれに生じる誘導起電力の和と、第１空芯巻線Ｕ３と第２空芯巻線Ｕ２とのそれぞれに生じる誘導起電力の和と、第１空芯巻線Ｕ５と第２空芯巻線Ｕ８とのそれぞれに生じる誘導起電力の和と、第１空芯巻線Ｕ７と第２空芯巻線Ｕ６とのそれぞれに生じる誘導起電力の和とは、回転子２の回転における回転軸のずれ等による誤差を除いて等しい。すなわち、永久磁石回転電機１は、各相の各極を構成する第１空芯巻線と第２空芯巻線との接続状態を、図８に示した接続状態とした場合であっても、これらの第１空芯巻線及び第２空芯巻線によって構成される並列回路内を循環する循環電流を抑制することができる。

また、図８に示した例では、図３に示した例と同様に、各相の各極が第１空芯巻線と第２空芯巻線との２つの空芯巻線によって構成されるため、永久磁石回転電機１は、空芯巻線を構成する素線を細くすることによって当該空芯巻線に発生する渦電流を抑制しつつ、各相の各極を構成する空芯巻線に流れる電流の総量を増やすことができる。すなわち、永久磁石回転電機１は、前述の永久磁石回転電機Ｘと比べて、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。

図９は、第１相Ｕの各極における第１空芯巻線及び第２空芯巻線の接続状態の更に他の例を示す図である。図９に示した例では、第１空芯巻線Ｕ１と第２空芯巻線Ｕ６とが直列に第１直列回路ＵＣ２１として接続され、第１空芯巻線Ｕ３と第２空芯巻線Ｕ８とが直列に第２直列回路ＵＣ２２として接続され、第１空芯巻線Ｕ５と第２空芯巻線Ｕ２とが直列に第３直列回路ＵＣ２３として接続され、第１空芯巻線Ｕ７と第２空芯巻線Ｕ４とが直列に第４直列回路ＵＣ２４として接続される。

すなわち、図９に示した例では、第１相Ｕの各極における第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相（すなわち、第１相Ｕ）の他極のうちの自極と対向する極の第２空芯巻線とが直列にそれぞれ接続される。また、図９に示した例では、これら４つの直列回路である第１直列回路ＵＣ２１〜第４直列回路ＵＣ２４が互いに並列に接続される。なお、この一例において、第２相Ｗと第３相Ｖとのそれぞれにおける第１空芯巻線と第２空芯巻線との接続状態は、第１相Ｕにおける第１空芯巻線と第２空芯巻線との接続状態と同様の接続状態であるため、説明を省略する。

ここで、第１空芯巻線Ｕ１と第２空芯巻線Ｕ６とのそれぞれに生じる誘導起電力の和と、第１空芯巻線Ｕ３と第２空芯巻線Ｕ８とのそれぞれに生じる誘導起電力の和と、第１空芯巻線Ｕ５と第２空芯巻線Ｕ２とのそれぞれに生じる誘導起電力の和と、第１空芯巻線Ｕ７と第２空芯巻線Ｕ４とのそれぞれに生じる誘導起電力の和とは、回転子２の回転における回転軸のずれ等による誤差を除いて等しい。すなわち、永久磁石回転電機１は、各相の各極を構成する第１空芯巻線と第２空芯巻線との接続状態を、図９に示した接続状態とした場合であっても、これらの第１空芯巻線及び第２空芯巻線によって構成される並列回路内を循環する循環電流を抑制することができる。

また、図９に示した例では、図３及び図８に示した例と同様に、第１相Ｕの各極が第１空芯巻線と第２空芯巻線との２つの空芯巻線によって構成されるため、永久磁石回転電機１は、空芯巻線を構成する素線を細くすることによって当該空芯巻線に発生する渦電流を抑制しつつ、第１相Ｕの各極を構成する空芯巻線に流れる電流の総量を増やすことができる。すなわち、永久磁石回転電機１は、前述の永久磁石回転電機Ｘと比べて、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。

なお、永久磁石回転電機１は、各相の各極を構成する第１空芯巻線と第２空芯巻線との接続状態として図３に示した接続状態を採用した場合、他の接続状態と比べて、回転子２が偏心した場合であっても、循環電流を抑制することができる。何故なら、第１相Ｕの各極における第１空芯巻線のそれぞれについて、第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相の他極のうちの自極と対向する極の第２空芯巻線とが直列にそれぞれ接続されているためである。例えば、回転子２が仮想スロットＶＳ１３側に偏心した場合、第１空芯巻線Ｕ５及び第２空芯巻線Ｕ６のそれぞれに発生する誘導起電力は大きくなる。一方、第１空芯巻線Ｕ１及び第２空芯巻線Ｕ２のそれぞれに発生する誘導起電力は小さくなる。このため、永久磁石回転電機１は、回転子２の偏心によって第１直列回路ＵＣ２１〜第４直列回路ＵＣ２４のそれぞれに発生する誘導起電力の差異を抑制することができる。また、この場合、永久磁石回転電機１は、回転子２の偏心による電磁加振力を抑制するため、振動や騒音を低減することができる。

上記の永久磁石回転電機１の説明では、図２における第１空芯巻線及び第２空芯巻線の位置関係を、回転子２の回転方向によって定義した。当該回転方向は、この実施形態において、図１に示した三次元座標系のＺ軸の負方向に向かって図１に示した断面図を見た場合の時計回りである。このため、当該回転方向が、図１に示した三次元座標系のＺ軸の負方向に向かって図１に示した断面図を見た場合の反時計回りである場合、第１空芯巻線と第２空芯巻線とを入れ替えた説明は、上記において説明した永久磁石回転電機１の構成と同様の構成についての説明となる。ただし、この場合、上記の説明において、第１空芯巻線の上流辺と下流辺とが入れ替わり、第２空芯巻線の上流辺と下流辺とが入れ替わる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、永久磁石回転電機１は、永久磁石を備えた回転子と、当該回転子の回転方向の上流側に配置される空芯巻線である第１空芯巻線と、第１空芯巻線よりも当該回転方向の下流側に配置される空芯巻線である第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって形成される極を相毎に１以上有する多相の電機子巻線であって、それぞれの極において、第１空芯巻線と第２空芯巻線とが回転子の径方向に重なり合い、第１空芯巻線については第２空芯巻線よりも当該上流側に配置されている部分があり、第２空芯巻線については第１空芯巻線よりも当該下流側に配置されている部分がある電機子巻線を備え、各相の各極を形成する第１空芯巻線毎に、当該第１空芯巻線と同相の極を形成する第２空芯巻線のうちの１つとが直列にそれぞれ接続される固定子と、を備える。これにより、永久磁石回転電機１は、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…永久磁石回転電機、２…回転子、３…固定子、２１〜２８…永久磁石

Claims (7)

1. 永久磁石を備えた回転子と、
   前記回転子の回転方向の上流側に配置される空芯巻線である第１空芯巻線と、前記第１空芯巻線よりも前記回転方向の下流側に配置される空芯巻線である第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって形成される極を相毎に１以上有する多相の電機子巻線であって、それぞれの極において、前記第１空芯巻線と前記第２空芯巻線とが前記回転子の径方向に重なり合い、前記第１空芯巻線については前記第２空芯巻線よりも前記上流側に配置されている部分があり、前記第２空芯巻線については前記第１空芯巻線よりも前記下流側に配置されている部分がある前記電機子巻線を備え、各相の各極を形成する前記第１空芯巻線のそれぞれについて、前記第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相の極を形成する前記第２空芯巻線のうちの１つとが直列にそれぞれ接続される固定子と、
   を備える永久磁石回転電機。
2. 前記第１空芯巻線及び前記第２空芯巻線には、巻き線を構成する素線の一部と当該素線の他の一部とが並列に接続される並列回路を含まない、
   請求項１に記載の永久磁石回転電機。
3. 各相の各極を形成する前記第１空芯巻線のそれぞれについて、前記第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相であり同極の前記第２空芯巻線とが直列に接続される、
   請求項１又は２に記載の永久磁石回転電機。
4. 相毎に複数の極を有し、
   各相の各極を形成する前記第１空芯巻線のそれぞれについて、前記第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相であり他極の前記第２空芯巻線のうちの１つとが直列に接続される、
   請求項１又は２に記載の永久磁石回転電機。
5. 相毎に偶数の極を有し、
   各相の各極を形成する前記第１空芯巻線毎に、前記第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相であり他極のうちの自極と前記回転子を挟んで対向関係にある極における前記第２空芯巻線とが直列に接続される、
   請求項４に記載の永久磁石回転電機。
6. 前記直列に接続される前記第１空芯巻線及び前記第２空芯巻線の組は、互いに並列に接続される、
   請求項１から５のうちいずれか一項に記載の永久磁石回転電機。
7. 永久磁石を備えた回転子の回転方向の上流側に配置される空芯巻線である第１空芯巻線と、前記回転方向の下流側に配置される空芯巻線である第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって形成される極を相毎に１以上有する多相の電機子巻線であって、それぞれの極において、前記第１空芯巻線と前記第２空芯巻線とが前記回転子の径方向に重なり合い、前記第１空芯巻線については前記第２空芯巻線よりも前記上流側に配置されている部分があり、前記第２空芯巻線については前記第１空芯巻線よりも前記下流側に配置されている部分がある前記電機子巻線を備え、各相の各極を形成する前記第１空芯巻線のそれぞれについて、前記第１空芯巻線と、当該第１空芯巻線と同相の極を形成する前記第２空芯巻線のうちの１つとが直列に接続される、
   永久磁石回転電機の固定子。