JP7019105B1 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

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Abstract

永久磁石式回転電機（１００）は、固定子（１）と、第１回転子（２）と、第２回転子（３）とを備えている。固定子（１）は、固定子鉄心（１１）と、複数の固定子ティース（１２）と、複数の固定子スロット（１３）と、複数の固定子磁石（１５）と、固定子コイル（１４）とを含んでいる。第１回転子（２）は、複数の固定子磁石（１５）よりも固定子鉄心（１１）の内側に配置されている。第２回転子（３）は、複数の第１磁極片（２１）よりも固定子鉄心（１１）の内側に配置されている。第２回転子（３）は、複数の第２磁極片（３１）を含んでいる。第２回転子（３）の複数の第２磁極片（３１）の極数に対する複数の固定子スロット（１３）の数の割合は、１．２５よりも大きく１．５よりも小さいか、１．５よりも大きく３．０よりも小さい。

Description

本開示は、永久磁石式回転電機に関するものである。
従来、固定子と回転子とが接触していない状態で回転子の回転速度を変更することができる回転電機がある。例えば、特開２０１６－１３５０１４号公報（特許文献１）には、磁気波動歯車装置である回転電機が開示されている。上記公報に記載された磁気波動歯車装置は、ステータ（固定子）、低速で回転する低速ロータ（第１回転子）および変速比に応じて高速で回転する高速ロータ（第２回転子）を備えている。ステータ、低速ロータおよび高速ロータは、回転軸を中心に順に外周側から配置されている。ステータは、コイルを含んでいる。コイルは、発電した電力を出力するためのコイル、または発生したトルクを制御するためのコイルである。
上記公報に記載の磁気波動歯車装置によれば、高速回転子および低速回転子がステータに接触していない状態で高速回転子の速度が変えられるため、機械的な摩耗などに対応するためのメンテナンスを低減することができる。これにより、メンテナンスの負荷が小さくなる。また、磁気波動歯車装置が発電機として用いられた場合には、機械式の変速機が不要であるため、発電システムを小型化することができる。
特開２０１６－１３５０１４号公報
しかしながら、上記公報に記載の永久磁石式回転電機（磁気波動歯車装置）では、固定子コイル（コイル）は、分布巻によって固定子（ステータ）に巻き回されている。分布巻によって巻き回された固定子コイルの容量が大きくなる場合には、固定子コイルの工作性が低下する。このため、上記公報に記載の永久磁石式回転電機の容量が大きくなる場合には、固定子コイルの工作性が低下する。また、集中巻によって巻き回された固定子コイルの容量が大きくなる場合には、固定子コイルの工作性の低下が抑制される。このため、固定子コイルの工作性の低下の抑制のためには、上記公報に記載の永久磁石式回転電機の固定子コイルが集中巻によって巻き回されることが好ましい。しかし、集中巻の回数等によってはトルク脈動が生じることがある。
また、集中巻の永久磁石式回転電機では、第２磁極片（永久磁石）から生じた磁束のうち固定子コイルに鎖交した磁束の割合を示す巻線係数という指標が効率あるいは出力密度の評価のために用いられている。巻線係数が大きいほど、第２磁極片から生じた磁束が有効に固定子コイルに鎖交するため、永久磁石式回転電機の効率あるいは出力密度が大きい。しかしながら、上記公報に記載の永久磁石式回転電機のように、変速機構を有する永久磁石式回転電機では、効率あるいは出力密度は、増減速比にも影響を受ける。このため、巻線係数のみが考慮された場合には、効率あるいは出力密度が十分に向上しないことがある。
本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、トルク脈動が生じることを抑制でき、かつ効率あるいは出力密度を十分に向上できる永久磁石式回転電機を提供することである。
本開示の永久磁石式回転電機は、固定子と、第１回転子と、第２回転子とを備えている。固定子は、固定子鉄心と、複数の固定子ティースと、複数の固定子スロットと、複数の固定子磁石と、固定子コイルとを含んでいる。固定子鉄心は、環状に延在している。固定子ティースは、固定子鉄心から固定子鉄心の中心に向かって突出している。複数の固定子スロットの各々は、複数の固定子ティースのうち隣り合う固定子ティース同士の間にそれぞれ設けられている。複数の固定子磁石の各々は、複数の固定子スロットの各々にそれぞれ収納されている。固定子コイルは、複数の固定子ティースの各々に巻き回されている。第１回転子は、複数の固定子磁石よりも固定子鉄心の内側に配置されている。第１回転子は、複数の第１磁極片を含んでいる。複数の第１磁極片は、固定子から間隔を空けて固定子鉄心の周方向に沿って配置されている。第２回転子は、複数の第１磁極片よりも固定子鉄心の内側に配置されている。第２回転子は、複数の第２磁極片を含んでいる。複数の第２磁極片は、第１回転子から間隔を空けて固定子鉄心の周方向に沿って配置されている。複数の第２磁極片は、永久磁石を有している。固定子コイルは、複数の固定子ティースの各々に集中巻によって巻き回されている。固定子スロットの数をＮ Ｓ とし、第１回転子の第１磁極片数をＮ Ｌ とし、第２回転子の第２磁極片数をＮ Ｈ とした場合、Ｎ Ｌ ＝Ｎ Ｓ ＋Ｎ Ｈ の関係式が成立する。第２回転子の複数の第２磁極片の極数に対する複数の固定子スロットの数の割合は、１．２５よりも大きく１．５よりも小さいか、１．５よりも大きく３．０よりも小さい。
本開示の永久磁石式回転電機によれば、第２回転子の複数の第２磁極片の極数に対する複数の固定子スロットの数の割合は、１．２５よりも大きく１．５よりも小さいか、１．５よりも大きく３．０よりも小さい。このため、トルク脈動が生じることを抑制することができ、かつ効率あるいは出力密度を十分に向上できる。
実施の形態１に係る永久磁石式回転電機の構成を概略的に示す模式図である。 実施の形態１に係るスロット数／極数と巻線係数との関係を概略的に示すグラフである。 実施の形態１に係るスロット数／極数と増減速比との関係を概略的に示すグラフである。 実施の形態１に係るスロット数／極数と巻線係数×増減速比との関係を概略的に示すグラフである。 実施の形態１に係るスロット数／極数と５次巻線係数との関係を概略的に示すグラフである。 実施の形態１に係るスロット数／極数と７次巻線係数との関係を概略的に示すグラフである。 図１のＶＩＩ領域の拡大図である。 実施の形態２に係る永久磁石式回転電機の構成を概略的に示す模式図である。 実施の形態２に係る永久磁石式回転電機の固定子の構成を概略的に示す模式図である。 実施の形態３に係る永久磁石式回転電機の構成を概略的に示す模式図である。 実施の形態３に係る永久磁石式回転電機の固定子の構成を概略的に示す模式図である。 実施の形態４に係る永久磁石式回転電機の固定子の構成を概略的に示す模式図である。 実施の形態５に係る永久磁石式回転電機の構成を概略的に示す模式図である。 実施の形態５に係る永久磁石式回転電機の固定子、第１電源、第２電源および第３電源の構成を概略的に示す模式図である。
以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１を用いて、実施の形態１に係る永久磁石式回転電機１００の構成を説明する。本実施の形態では、永久磁石式回転電機１００が発電機として用いられた場合における構成および動作が説明されるが、永久磁石式回転電機１００の構成は、永久磁石式回転電機１００が電動機として用いられた場合であっても適用可能である。
本実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００は、変速機構を有する永久磁石式回転電機１００である。永久磁石式回転電機１００は、三相巻線の永久磁石式回転電機１００である。
図１に示されるように、永久磁石式回転電機１００は、固定子１と、第１回転子２と、第２回転子３とを含んでいる。固定子１、第１回転子２および第２回転子３は、同心円状に配置されている。
固定子１は、固定子鉄心１１と、複数の固定子ティース１２と、複数の固定子スロット１３と、複数の固定子磁石１５と、固定子コイル１４とを含んでいる。なお、図１等では、固定子コイル１４は斜線によって示されている。複数の固定子ティース１２の数、複数の固定子スロット１３の数および複数の固定子磁石１５の数は、同じである。
固定子鉄心１１は、環状に延在している。第１回転子２の中心および第２回転子３の中心は、固定子鉄心１１の中心Ｃと同じ位置に配置されている。固定子ティース１２は、固定子鉄心１１から固定子鉄心１１の中心Ｃに向かって突出している。複数の固定子スロット１３の各々は、複数の固定子ティース１２のうち隣り合う固定子ティース１２同士の間にそれぞれ設けられている。固定子コイル１４は、複数の固定子ティース１２の各々に巻き回されている。固定子コイル１４は、複数の固定子ティース１２の各々に集中巻によって巻き回されている。すなわち、本実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００は、集中巻の永久磁石式回転電機である。
複数の固定子磁石１５の各々は、複数の固定子スロット１３の各々にそれぞれ収納されている。複数の固定子磁石１５の各々は、複数の固定子ティース１２のうち隣り合う固定子ティース１２同士によって挟み込まれている。複数の固定子磁石１５の各々は、着磁されている。複数の固定子磁石１５の各々の極性の向きは、固定子鉄心１１の径方向に沿って同じである。このため、例えば、複数の固定子磁石１５の固定子鉄心１１の中心Ｃ側がＮ極である場合には、複数の固定子ティース１２の固定子鉄心１１の中心Ｃ側がＳ極である。
１つの固定子磁石１５および１つの固定子ティース１２は、一対の磁極を構成している。複数の固定子ティース１２の数、複数の固定子スロット１３の数および複数の固定子磁石１５の数が同じであるため、固定子１は、複数の固定子スロット１３の数と同じ数の極対数を有している。本実施の形態において、複数の固定子スロット１３の数は、Ｎ Ｓ である。図１に示される永久磁石式回転電機１００では、Ｎ Ｓ は、５４である。なお、複数の固定子スロット１３の数は、スロット数と記載されることもある。
第１回転子２は、複数の固定子磁石１５よりも固定子鉄心１１の内側に配置されている。本実施の形態において、第１回転子２は、低速回転子として構成されている。第１回転子２は、複数の第１磁極片２１を含んでいる。複数の第１磁極片２１は、固定子１から間隔を空けて固定子鉄心１１の周方向に沿って配置されている。複数の第１磁極片２１は、環状に配置されている。本実施の形態において、複数の第１磁極片２１の数は、Ｎ Ｌ である。図１に示される永久磁石式回転電機１００では、Ｎ Ｌ は、６６である。
第２回転子３は、複数の第１磁極片２１よりも固定子鉄心１１の内側に配置されている。本実施の形態において、第２回転子３は、高速回転子として構成されている。第２回転子３は、複数の第２磁極片３１と、支持部３２とを含んでいる。複数の第２磁極片３１は、第１回転子２から間隔を空けて固定子鉄心１１の周方向に沿って配置されている。複数の第２磁極片３１は、環状に配置されている。複数の第２磁極片３１は、支持部３２によって支持されている。複数の第２磁極片３１は、支持部３２の外周に配置されている。
複数の第２磁極片３１は、永久磁石を有している。本実施の形態において、複数の第２磁極片３１の数は、ＮＨである。このため、複数の第２磁極片３１の極対数は、ＮＨである。よって、複数の第２磁極片３１の極数は、２ＮＨである。図１に示される永久磁石式回転電機１００では、ＮＨは、１２である。
第２回転子３の複数の第２磁極片３１の極数に対する複数の固定子スロット１３の数の割合（ＮＳ／（２ＮＨ ））は、１．２５よりも大きく１．５よりも小さいか、１．５よりも大きく３．０よりも小さい。なお、本実施の形態において、第２回転子３の複数の第２磁極片３１の極数に対する複数の固定子スロット１３の数の割合は、ＮＳ／（２ＮＨ ）と記載される。また、第２回転子３の複数の第２磁極片３１の極数に対する複数の固定子スロット１３の数の割合は、スロット数／極数と記載されることもある。
次に、実施の形態１に係る永久磁石式回転電機１００の変速機としての構成を説明する。
固定子１、第１回転子２および第２回転子３は、変速機として構成されている。具体的には、複数の固定子スロット１３の数Ｎ Ｓ 、複数の第１磁極片２１の数Ｎ Ｌ および複数の第２磁極片３１の数ＮＨが以下の数１の関係を満たしている場合には、固定子１、第１回転子２および第２回転子３は、変速機として機能する。
Figure 0007019105000001
本実施の形態において、複数の固定子スロット１３の数ＮＳ、複数の第１磁極片２１の数ＮＬおよび複数の第２磁極片３１の数ＮＨは、上記の数１の関係を満たしている。このため、固定子１、第１回転子２および第２回転子３は、変速機として機能する。複数の固定子磁石１５の磁力および複数の２回転子の磁力の相互作用によって、複数の第１回転子２に負のトルクが生じる。これに対して、第１回転子２が外部動力によって回転することで、第１回転子２に入力が得られる。
第１回転子２に入力が得られた状態において、第２回転子３がフリーラン状態で回転するように固定子１に電流が流される。なお、フリーラン状態とは、回転子が惰性によって回転可能な状態のことである。数１においてＮＬ＝ＮＳ＋ＮＨが満たされる場合には、第２回転子３は、第１回転子２のＮＬ／ＮＨ倍の速度で回転する。これにより、永久磁石式回転電機１００は、変速機として機能する。また、第２回転子３が第１回転子２のＮＬ／ＮＨ倍の回転速度で回転することで、固定子コイル１４に誘導起電力が生じる。これにより、固定子コイル１４から発電電力が出力される。
増減速比は、第２回転子３の回転速度の第１回転子２の回転速度に対する倍率である。増減速比、複数の固定子スロット１３の数および複数の第２回転子３の数は、以下の数２の関係を満たす。
Figure 0007019105000002
次に、永久磁石式回転電機１００の効率あるいは出力密度について説明する。
複数の磁極片から生じる磁束のうち固定子コイル１４の発電に寄与する割合は、巻線係数と呼ばれている。複数の第２磁極片３１から生じる磁束のうち少なくとも一部の磁束が固定子コイル１４に鎖交することで、複数の第２磁極片３１から生じた磁束が固定子コイル１４の発電に寄与する。このため、本実施の形態における巻線係数は、複数の第２磁極片３１から生じた磁束のうち固定子コイル１４の発電に寄与する割合である。巻線係数は、以下の数３によって示される。
Figure 0007019105000003
ｎは、空間高調波次数である。また、空間調和次数の基本波は、１である。また、βは、短節度である。短節度は、以下の数４によって示される。
Figure 0007019105000004
ｑ’は、毎極毎相のスロット数である。本実施の形態において、相数は、３である。以下の数４を用いて示され、数５の右辺が小数になる場合は右辺の値が整数倍されて得られる最小の整数である。
Figure 0007019105000005
従来、集中巻の固定子コイル１４を有しておりかつ変速機構を有していない比較例に係る永久磁石式回転電機では、巻線係数によって永久磁石式回転電機の効率あるいは出力が評価されている。このため、巻線係数が大きくなるほど永久磁石式回転電機の効率あるいは出力密度が高くなると評価されている。すなわち、巻線係数のみが永久磁石式回転電機の評価のための指標として用いられている。
しかしながら、本実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００のように変速機構を有する永久磁石式回転電機１００では、第２回転子３の増減速比がさらに考慮される必要がある。巻線係数および増減速比の各々は、固定子ティース１２の数および第２磁極片３１の極数に基づいて算出される。このため、巻線係数の向上のみが考慮されて固定子ティース１２の数および第２磁極片３１の極数が定められた場合には、必要な増減速比が得られない可能性がある。
したがって、本実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００では、巻線係数×増減速比によって永久磁石式回転電機１００の効率あるいは出力が評価される。すなわち、巻線係数×増減速比が永久磁石式回転電機１００の評価のための指標として用いられる。
具体的には、第２回転子３の磁石量（複数の第２磁極片３１から生じる磁束の量）が同じであれば、固定子コイル１４に生じる誘起電圧は巻線係数×増減速比に比例する。このため、巻線係数×増減速比が大きくなることによって永久磁石式回転電機１００の効率あるいは出力密度が向上する。
続いて、図２～図６を用いて、巻線係数、増減速比、巻線係数×増減速比とＮＳ／（２ＮＨ ）との関係について詳細に説明する。
図２は、ＮＳ／（２ＮＨ ）と巻線係数との関係を示すグラフである。図２に示されるように、ＮＳ／（２ＮＨ ）が低下するにつれて、巻線係数が増加する。このため、巻線係数の向上のみが考慮される場合には、ＮＳ／（２ＮＨ ）が小さいことが望ましい。図３は、ＮＳ／（２ＮＨ ）と増減速比との関係を示すグラフである。図３に示されるように、ＮＳ／（２ＮＨ ）が増加するにつれて、増減速比が増加する。
図４は、ＮＳ／（２ＮＨ ）と巻線係数×増減速比との関係を示すグラフである。本実施の形態に係るＮ Ｓ ／（２Ｎ Ｈ ）の範囲は、一点鎖線によって囲まれた範囲である。なお、ＮＳ／（２ＮＨ ）＝１．５の点は、本実施の形態に係るＮＳ／（２ＮＨ ）の範囲に含まれない。
図４に示されるように、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５よりも大きく１．５よりも小さい範囲においては、ＮＳ／（２ＮＨ ）が増加するにつれて、巻線係数×増減速比が増加する傾向がある。ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２である場合には、巻線係数×増減速比は、増加傾向から突出して大きい。図４では、点Ｐ（１．２）がＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２である場合に対応する。表１に示されるように、具体的には、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２である場合における巻線係数×増減速比は、例えば、３．１７である。
Figure 0007019105000006
しかしながら、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２である場合における増減速比は、十分に大きくない。また、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２３９である場合における巻線係数×増減速比は、例えば、３．１７である。このため、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２３９である場合における巻線係数×増減速比は、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２である場合における巻線係数×増減速比と略同じである。また、表２に示されるように、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２６０である場合における巻線係数×増減速比は、例えば、３．１９である。
Figure 0007019105000007
このため、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２６０である場合における巻線係数×増減速比は、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２である場合における巻線係数×増減速比よりも大きい。よって、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５である場合における巻線係数×増減速比は、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２である場合における巻線係数×増減速比よりも大きい。また、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５である場合における増減速比は、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２である場合における増減速比よりも大きい。このため、増減速比が十分に大きい。よって、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５よりも大きいことが好ましい。
ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．５の場合には、巻線係数×増減速比は突出して大きい。図４では、点Ｐ（１．５）がＮＳ／（２ＮＨ ）が１．５である場合に対応する。
表３に示されるように、具体的には、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．５である場合における巻線係数×増減速比は、例えば、３．４６である。
Figure 0007019105000008
しかしながら、図５および図６に示されるように、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．５である場合には、５次巻線係数（空間５次高調波）および７次巻線係数（空間７次高調波）が突出して大きい。このため、トルクの変動幅（トルクリップル）および高調波磁束による損失等の空間高調波によって永久磁石式回転電機１００の性能が悪化する可能性がある。例えば、トルクの変動幅が大きい場合には、永久磁石式回転電機１００が脈動する。トルクの変動による永久磁石式回転電機１００の脈動は、トルク脈動と呼ばれる。したがって、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．５ではないことが好ましい。
図４に示されるように、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．５よりも大きく３．０よりも小さい場合における巻線係数×増減速比は、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５よりも大きく１．５よりも小さい場合における巻線係数×増減速比よりも大きい。このため、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．５よりも大きく３．０よりも小さいことは、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５よりも大きく１．５よりも小さい場合よりもさらに好ましい。
ＮＳ／（２ＮＨ ）が３．０の場合には、複数の固定子スロット１３の数が分布巻の永久磁石式回転電機１００における固定子スロット１３の数と同じである。このため、ＮＳ／（２ＮＨ ）が３の場合には、複数の固定子スロット１３が多いことによって固定子コイル１４の工作性が悪化するという分布巻における問題点がある。また、ＮＳ／（２ＮＨ ）が３よりも大きい場合には、ＮＳ／（２ＮＨ ）が３である場合と同様に固定子コイル１４の工作性が悪化する。したがって、ＮＳ／（２ＮＨ ）が３．０以上であることは好ましくない。
次に、図１、図４および図７を用いて、本実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００について詳細に説明する。
図１および図７に示されるように、本実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００では、複数の固定子スロット１３の数と複数の第２磁極片３１の極数との比は、９：４である。本実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００では、ＮＳ／（２ＮＨ ）は、２．２５である。表３に示されるように、ＮＳ／（２ＮＨ ）が２．２５である場合、巻線係数×増減速比は３．３９である。また、図４では、点Ｐ（２．２５）がＮＳ／（２ＮＨ ）が２．２５である場合に対応する。
図７は、実施の形態１に係る永久磁石式回転電機１００の一部を示す模式図である。図１に示される永久磁石式回転電機１００の全体は、図７に示される永久磁石式回転電機１００の一部を複数有している。具体的には、図１に示される永久磁石式回転電機１００の全体は、図７に示される永久磁石式回転電機１００の一部を６つ有している。図７に示される永久磁石式回転電機１００の一部は、周期的に配置されている。
図７に示される永久磁石式回転電機１００の一部が含んでいる固定子スロット１３の数は、例えば、９である。また、図７に示される永久磁石式回転電機１００の一部が含んでいる第２磁極片３１の数は２であるため、図７に示される永久磁石式回転電機１００の一部の極対数は、４である。また、図７に示される永久磁石式回転電機１００の一部が含んでいる複数の第１磁極片２１の数は、１１である。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態１に係る永久磁石式回転電機１００によれば、図１に示されるように、第２回転子３の複数の第２磁極片３１の極数に対する複数の固定子スロット１３の数の割合（ＮＳ／（２ＮＨ ））は、１．２５よりも大きく１．５よりも小さいか、１．５よりも大きく３．０よりも小さい。このため、図４に示されるように、巻線係数×増減速比を大きくすることができる。したがって、永久磁石式回転電機１００の効率あるいは出力密度が十分に向上する。また、ＮＳ／（２ＮＨ ）は、１．５ではない。このため、５次巻線係数および７次巻線係数が突出して大きくなることを抑制することができる。よって、トルクの変動幅（トルクリップル）および高調波磁束による損失等によるトルク脈動が生じることを抑制することができる。したがって、永久磁石式回転電機１００の性能が悪化することを抑制することができる。
図１および図７に示されるように、複数の固定子スロット１３の数と複数の第２磁極片３１の極数との比は、９：４である。複数の固定子スロット１３の数と複数の第２磁極片３１の極数との比が９：４である場合、ＮＳ／（２ＮＨ ）は２．２５である。図４に示されるように、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５よりも大きく１．５よりも小さい範囲および１．５よりも大きく３．０よりも小さい範囲において、ＮＳ／（２ＮＨ ）が２．２５の場合における巻線係数×増減速比は最も大きい。このため、永久磁石式回転電機１００の効率または出力密度が十分に向上する。
実施の形態２．
次に、図４および図８を用いて、実施の形態２に係る永久磁石式回転電機１００の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図８に示されるように、実施の形態２に係る永久磁石式回転電機１００では、複数の固定子スロット１３の数と複数の第２磁極片３１の極数との比は、１８：１４である。表２に示されるように、本実施の形態に係るＮＳ／（２ＮＨ ）は、１．２８６である。なお、図４では、点Ｐ（１．２８６）が複数の固定子スロット１３の数と複数の第２磁極片３１の極数との比が１８：１４である場合に対応する。図８は、実施の形態２に係る永久磁石式回転電機１００の一部を示す模式図である。永久磁石式回転電機１００の全体は、図８に示される永久磁石式回転電機１００の一部を複数有している。
例えば、図８に示される永久磁石式回転電機１００の一部が含んでいる固定子スロット１３の数は、１８である。また、図８に示される永久磁石式回転電機１００の一部が含んでいる第２磁極片３１の数は７であるため、図８に示される永久磁石式回転電機１００の一部の極対数は、１４である。また、図８に示される永久磁石式回転電機１００の一部が含んでいる第１磁極片２１の数は、２５である。
本実施の形態において、固定子コイル１４は、複数のコイル部Ｃ０を含んでいる。複数のコイル部Ｃ０は、互いに並列に接続されている。１つのコイル部Ｃ０は、１８の固定子ティース１２の各々に集中巻によって巻き回されている。このため、１８の固定子ティース１２ごとに並列回路が構成される。よって、誘起電圧は、１８の固定子ティース１２ごとに等しい。図８に示される永久磁石式回転電機１００の一部は、複数のコイル部Ｃ０のうち１つのコイル部Ｃ０を含んでいる。なお、図８に示される永久磁石式回転電機１００の一部では、複数のコイル部Ｃ０のうち１つのコイル部Ｃ０が図示されている。
次に、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５よりも大きく１．５よりも小さい範囲における、具体的な固定子スロット１３および第２回転子３の第２磁極片３１の極数を検討する。永久磁石式回転電機１００は、三相巻線の永久磁石式回転電機１００である。このため、複数の固定子スロット１３の数は３の倍数である。また、１つの第２磁極片３１が２つの極を含んでいるため、第２回転子３の複数の第２磁極片３１の極数は、２の倍数（偶数）である。このため、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５よりも大きく１．５よりも小さい範囲において、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２５以上となる場合には、具体的な固定子スロット１３の数は大きい。
例えば、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．４５となるための最小の固定子スロット１３の数は８７であり、第２磁極片３１の極数は６０である（第２磁極片３１の数が３０である）。この場合、複数のコイル部Ｃ０の各々は、８７スロットごとに周期的に配置される。
１つのコイル部Ｃ０が１つの固定子ティース１２に巻き回される回数は整数である必要があるため、複数の固定子スロット１３の数が大きいほど、コイル部Ｃ０の巻線の設計自由度が小さい。また、複数のコイル部Ｃ０の各々による複数の並列回路の数が大きい場合には複数のコイル部Ｃ０の各々の巻数が小さくなる。
また、複数の並列回路同士の誘起電圧が異なる場合には複数の並列回路同士に循環電流が生じるため永久磁石式回転電機１００の効率が悪化する。このため、複数のコイル部Ｃ０の数を単純に増やすことで複数の並列回路の数を多くすることはできない。よって、複数の並列回路の数を増加させることで複数のコイル部Ｃ０の巻線の設計自由度の低下を抑制することは困難である。
以上より、ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．４５である永久磁石式回転電機１００では、例えば、固定子スロット１３と第２磁極片３１の極数との比が１２：１０である（ＮＳ／（２ＮＨ ）が１．２０である）場合と比べて、巻線の設計自由度が低い。
表４は、本実施の形態に係る複数の固定子ティース１２に巻き回されたコイル部Ｃ０の相および位相を示す。
Figure 0007019105000009
図９および表４に示されるように、本実施の形態において、複数の固定子ティース１２は、第１の固定子ティースＴ１０１～第１８の固定子ティースＴ１１８を含んでいる。第１の固定子ティースＴ１０１～第１８の固定子ティースＴ１１８の各々の位相は、それぞれ１４０度ずつずれている。本実施の形態において、複数のコイル部Ｃ０には、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる三相電流が流れる。また、複数のコイル部Ｃ０は、順方向または逆方向に沿って固定子ティース１２に巻き回される。三相電流によって生じる回転磁界の方向は、白抜き矢印によって図示されている。
表４に示されるように、隣り合う固定子ティース１２同士における位相は、１４０度ずれている。このため、１８の固定子ティース１２によって、位相が計２５２０度ずれる。２５２０は、３６０の倍数である。よって、電流の位相が１８の固定子ティース１２ごとに等しくなるため、誘起電圧が１８の固定子ティース１２ごとに等しくなる。したがって、複数の並列回路同士に循環電流が生じることを抑制することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態２に係る永久磁石式回転電機１００によれば、図８に示されるように、複数の固定子スロット１３の数と複数の第２磁極片３１の極数との比は、１８：１４である。このため、複数の固定子スロット１３の数が小さいため、巻線の設計自由度が小さくなることを抑制することができる。また、１８の固定子ティース１２ごとに並列回路が構成される。よって、循環電流が生じることを抑制することができる。
実施の形態３．
次に、図１０および図１１を用いて、実施の形態３に係る永久磁石式回転電機１００の構成を説明する。実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態２と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図１０に示されるように、実施の形態３に係る永久磁石式回転電機１００では、固定子コイル１４は、第１コイル部Ｃ１と、第２コイル部Ｃ２とを含んでいる。本実施の形態において、複数のコイル部Ｃ０の各々は、第１コイル部Ｃ１と、第２コイル部Ｃ２とを含んでいる。第２コイル部Ｃ２は、第１コイル部Ｃ１に並列に接続されている。
複数の固定子ティース１２は、複数の第１ティース部Ｔ１と、複数の第２ティース部Ｔ２とを含んでいる。複数の第１ティース部Ｔ１の各々には、第１コイル部Ｃ１が巻き回されている。複数の第２ティース部Ｔ２の各々には、第２コイル部Ｃ２が巻き回されている。複数の第１ティース部Ｔ１の数は、複数の第２ティース部Ｔ２の数と同じである。複数の第１ティース部Ｔ１の各々と複数の第２ティース部Ｔ２の各々とは、交互に配置されている。
図１１に示されるように、複数の第１ティース部Ｔ１は、第１の第１ティース部Ｔ１０１～第９の第１ティース部Ｔ１０９を含んでいる。複数の第２ティース部Ｔ２は、第１の第２ティース部Ｔ２０１～第９の第２ティース部Ｔ２０９を含んでいる。第１ティース部Ｔ１の数および第２ティース部Ｔ２の数は、９の倍数である。
本実施の形態においては、第１コイル部Ｃ１および第２コイル部Ｃ２の各々が並列回路を構成している。このため、１つのコイル部Ｃ０が２つの並列回路を含んでいる。
１群における各相の電流の位相は、２群における各相の電流の位相と等しい。なお、１群は、複数の第１ティース部Ｔ１および第１コイル部Ｃ１である。２群は、複数の第２ティース部Ｔ２および第２コイル部Ｃ２である。３群は、複数の第３ティース部Ｔ３および第３コイル部Ｃ３である。表５に示されるように、例えば、１群におけるＵ相の電流の位相は、０度、２００度、１６０度である。
Figure 0007019105000010
また、２群におけるＵ相の電流の位相は、３４０度、１８０度、２０度である。このため、合計の誘起電圧は等しい。よって、１群の並列回路と２群の並列回路との間で位相差が生じることが抑制される。したがって、循環電流が生じることを抑制することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態３に係る永久磁石式回転電機１００によれば、図１０に示されるように、複数の第１ティース部Ｔ１の各々と複数の第２ティース部Ｔ２の各々とは、交互に配置されている。このため、表５に示されるように、複数の第１ティース部Ｔ１に巻き回された第１コイル部Ｃ１の誘起電圧と複数の第２ティース部Ｔ２に巻き回された第２コイル部Ｃ２の誘起電圧は等しい。よって、循環電流が生じることを抑制することができる。
図１０に示されるように、固定子コイル１４は、第１コイル部Ｃ１と、第２コイル部Ｃ２とを含んでいる。第１コイル部Ｃ１および第２コイル部Ｃ２の各々は、並列回路を構成している。このため、固定子コイル１４が１つの並列回路を構成している場合よりも、永久磁石式回転電機１００に含まれる並列回路の数を増やすことができる。
実施の形態４．
次に、図１２を用いて、実施の形態４に係る永久磁石式回転電機１００の構成を説明する。実施の形態４は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図１２に示されるように、実施の形態４に係る永久磁石式回転電機１００では、複数の第１ティース部Ｔ１と複数の第２ティース部Ｔ２とは、３つずつ交互に配置されている。
１群における各相の電流の位相は、２群における各相の電流の位相と等しい。表６に示されるように、例えば、１群におけるＵ相の電流の位相は、０度、３４０度、２０度である。
Figure 0007019105000011
また、２群におけるＵ相の電流の位相は、２００度、１８０度、１６０度である。このため、１群におけるＵ相の合計の誘起電圧と２群におけるＵ相の合計の誘起電圧とは等しい。よって、１群の並列回路と２群の並列回路との間で位相差が生じることが抑制される。したがって、循環電流が生じることを抑制することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態４に係る永久磁石式回転電機１００によれば、図１２に示されるように、複数の第１ティース部Ｔ１と複数の第２ティース部Ｔ２とは、３つずつ交互に配置されている。このため、表６に示されるように、複数の第１ティース部Ｔ１に巻き回された第１コイル部Ｃ１の誘起電圧と複数の第２ティース部Ｔ２に巻き回された第２コイル部Ｃ２の誘起電圧は等しい。よって、循環電流が生じることを抑制することができる。
図１２に示されるように、固定子コイル１４は、第１コイル部Ｃ１と、第２コイル部Ｃ２とを含んでいる。第１コイル部Ｃ１および第２コイル部Ｃ２の各々は、並列回路を構成している。このため、固定子コイル１４が１つの並列回路を構成している場合よりも、永久磁石式回転電機１００に含まれる並列回路の数を増やすことができる。
実施の形態５．
次に、図１３および図１４を用いて、実施の形態５に係る永久磁石式回転電機１００の構成を説明する。実施の形態５は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態３および４によれば、１８の固定子コイル１４ごとに２つの並列回路が構成される。しかしながら、永久磁石式回転電機１００が電源を１つしか含んでいない場合には、１８の固定子コイル１４ごとに３つの並列回路を構成することはできない。
図１３に示されるように、実施の形態５に係る永久磁石式回転電機１００では、永久磁石式回転電機１００は、第１電源Ｐ１、第２電源Ｐ２および第３電源Ｐ３をさらに含んでいる。第１電源Ｐ１、第２電源Ｐ２および第３電源Ｐ３の各々は、独立している。第１電源Ｐ１、第２電源Ｐ２および第３電源Ｐ３の位相は、２０度ずつずれている。
複数の固定子ティース１２は、複数の第１ティース部Ｔ１と、複数の第２ティース部Ｔ２と、複数の第３ティース部Ｔ３とを含んでいる。複数の第１ティース部Ｔ１は、第１電源Ｐ１に電気的に接続されている。複数の第２ティース部Ｔ２は、第２電源Ｐ２に電気的に接続されている。複数の第３ティース部Ｔ３は、第３電源Ｐ３に電気的に接続されている。複数の第１ティース部Ｔ１の各々、複数の第２ティース部Ｔ２の各々および複数の第３ティース部Ｔ３の各々は、順に循環するように固定子鉄心１１に接続されている。
固定子コイル１４は、第１コイル部Ｃ１と、第２コイル部Ｃ２と、第３コイル部Ｃ３とを含んでいる。第３コイル部Ｃ３は、複数の第３ティース部Ｔ３の各々に集中巻によって巻き回されている。
図１４に示されるように、複数の第１ティース部Ｔ１は、第１の第１ティース部Ｔ１０１～第６の第１ティース部Ｔ１０６を含んでいる。複数の第２ティース部Ｔ２は、第１の第２ティース部Ｔ２０１～第６の第２ティース部Ｔ２０６を含んでいる。複数の第３ティース部Ｔ３は、第１の第３ティース部Ｔ３０１～第６の第３ティース部Ｔ３０６を含んでいる。
１群における各相の電流の位相は、２群における各相の電流の位相と等しい。表７に示されるように、例えば、１群におけるＵ相の電流の位相は、０度、３４０度、２０度である。
Figure 0007019105000012
また、２群におけるＵ相の電流の位相は、２００度、１８０度、１６０度である。このため、１群におけるＵ相の合計の誘起電圧と２群におけるＵ相の合計の誘起電圧とは等しい。よって、１群の並列回路と２群の並列回路との間で位相差が生じることが抑制される。したがって、循環電流が生じることを抑制することができる。
１群における各相の電流の位相は、２群における各相の電流および３群における電流の位相に対してずれている。例えば、１群におけるＵ相の電流の位相は、０度、１８０度である。また、２群におけるＵ相の電流は、２００度、２０度である。また、３群におけるＵ相の電流は、３４０度、１６０度である。このため、２群におけるＵ相の電流の位相は、１群におけるＵ相の電流の位相よりも２０度ずれている。また、３群におけるＵ相の電流の位相は、２群におけるＵ相の電流の位相よりも２０度ずれている。すなわち、２群は、１群および３群に対して２０度ずつずれている。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態５に係る永久磁石式回転電機１００によれば、第１電源Ｐ１、第２電源Ｐ２および第３電源Ｐ３の位相は、２０度ずつずれている。このため、１群、２群および３群の位相の３０度ずつのずれは、第１電源Ｐ１、第２電源Ｐ２および第３電源Ｐ３のずれによって打ち消されることで解消される。これにより、１群、２群および３群の各々の位相は、等しくなる。よって、１８の固定子ティース１２ごとに３の並列回路を構成することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 固定子、２ 第１回転子、３ 第２回転子、１１ 固定子鉄心、１２ 固定子ティース、１３ 固定子スロット、１４ 固定子コイル、１５ 固定子磁石、２１ 第１磁極片、３１ 第２磁極片、１００ 永久磁石式回転電機、Ｃ１ 第１コイル部、Ｃ２ 第２コイル部、Ｐ１ 第１電源、Ｐ２ 第２電源、Ｐ３ 第３電源、Ｔ１ 第１ティース部、Ｔ２ 第２ティース部。

Claims (6)

  1. 環状に延在する固定子鉄心と、前記固定子鉄心から前記固定子鉄心の中心に向かって突出している複数の固定子ティースと、前記複数の固定子ティースのうち隣り合う固定子ティース同士の間にそれぞれ設けられた複数の固定子スロットと、前記複数の固定子スロットの各々にそれぞれ収納された複数の固定子磁石と、前記複数の固定子ティースの各々に巻き回された固定子コイルとを含む固定子と、
    前記固定子から間隔を空けて前記固定子鉄心の周方向に沿って配置された複数の第１磁極片を含み、かつ前記複数の固定子磁石よりも前記固定子鉄心の内側に配置された第１回転子と、
    前記第１回転子から間隔を空けて前記固定子鉄心の前記周方向に沿って配置されかつ永久磁石を有する複数の第２磁極片を含み、かつ前記複数の第１磁極片よりも前記固定子鉄心の内側に配置された第２回転子とを備え、
    前記固定子コイルは、前記固定子ティースに集中巻によって巻き回されており、
    前記固定子スロットの数をＮ Ｓ とし、前記第１回転子の前記第１磁極片の数をＮ Ｌ とし、前記第２回転子の前記第２磁極片の数をＮ Ｈ とした場合、Ｎ Ｌ ＝Ｎ Ｓ ＋Ｎ Ｈ の関係式が成立し、
    前記第２回転子の前記複数の第２磁極片の極数に対する前記複数の固定子スロットの数の割合は、１．２５よりも大きく１．５よりも小さいか、１．５よりも大きく３．０よりも小さい、永久磁石式回転電機。
  2. 前記複数の固定子スロットの数と前記複数の第２磁極片の極数との比は、９：４である、請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
  3. 前記複数の固定子スロットの数と前記複数の第２磁極片の極数との比は、１８：１４である、請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
  4. 前記固定子コイルは、第１コイル部と、前記第１コイル部に並列に接続された第２コイル部とを含み、
    前記複数の固定子ティースは、前記第１コイル部が巻き回された複数の第１ティース部と、前記第２コイル部が巻き回された複数の第２ティース部とを含み、
    前記複数の第１ティース部の数は、前記複数の第２ティース部の数と同じであり、
    前記複数の第１ティース部の各々と前記複数の第２ティース部の各々とは、交互に配置されている、請求項３に記載の永久磁石式回転電機。
  5. 前記固定子コイルは、第１コイル部と、前記第１コイル部に並列に接続された第２コイル部とを含み、
    前記複数の固定子ティースは、前記第１コイル部が巻き回された複数の第１ティース部と、前記第２コイル部が巻き回された複数の第２ティース部とを含み、
    前記複数の第１ティース部の数は、前記複数の第２ティース部の数と同じであり、
    前記複数の第１ティース部と前記複数の第２ティース部とは、３つずつ交互に配置されている、請求項３に記載の永久磁石式回転電機。
  6. 第１電源、第２電源および第３電源をさらに備え、
    前記複数の固定子ティースは、前記第１電源に電気的に接続された複数の第１ティース部、前記第２電源に電気的に接続された複数の第２ティース部および前記第３電源に接続された複数の第３ティース部を含み、
    前記複数の第１ティース部の各々、前記複数の第２ティース部の各々および前記複数の第３ティース部の各々は、順に循環するように前記固定子鉄心に接続されており、
    前記第１電源、前記第２電源および前記第３電源の位相は、２０度ずつずれている、請求項３に記載の永久磁石式回転電機。
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