WO2003055045A1

WO2003055045A1 - Machine dynamoelectrique du type a aimants permanents et generateur synchrone du type a aimants permanents utilisant l'energie eolienne

Info

Publication number: WO2003055045A1
Application number: PCT/JP2002/013309
Authority: WO
Inventors: Masatsugu Nakano; Haruyuki Kometani; Mitsuhiro Kawamura; Yuji Ikeda
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha; Tma Electric Corporation
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2003-07-03
Also published as: EP1458080A1; US6894413B2; EP1458080B1; EP1458080A4; JP4311643B2; US20040155537A1; JPWO2003055045A1

Description

明細書永久磁石型回転電機および風力発電用永久磁石型同期発電機技術分野

この発明は、永久磁石型回転電機および風力発電用永久磁石型同期発電機に関し、特に、永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子卷線を磁極に巻き回された固定子とを具備した永久磁石型回転電機および風力発電用永久磁石型同期発電機に関する。背景技術

従来より、永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子卷線を磁極に集中的に卷き回された固定子とを具備したいわゆる集中巻の永久磁石型回転電機が様々な用途に用いられている。集中卷は固定子の磁極に集中的に卷き回された構造であるがゆえに機械による自動巻きが可能であるため、サーポ用などの小型モータを中心に多く用いられている。このような小型モータでは銅損、鉄損、機械損が損失の中でほとんどを占めるため、回転子に発生する渦電流損は問題とならないことがほとんどである。

一方、数 k Wを超える大型機においては、これまでは、分布巻が用いられることが多かったが、コィルェンドの小さい集中巻の必要性が大型機においても高まりつつある。例えば、風力発電、特に、ギヤレス型の風力発電システムに永久磁石型同期発電機を採用する場合、分布卷と比較して、集中巻は、コイルェンドが小さいため軸方向の長さを低減でき、さらに電機子卷線に発生する銅損が小さいため高効率化が実現できるという点で、集中卷を選択した方がよいと言える。

上記のように集中卷はコイルエンドの小ささや、さらに、自動巻きが可能であるといった利点を持っている反面、電機子電流の起磁力に起因する回転子の渦電流損が分布巻に比べて大きくなるという問題を抱えている。さらに近年、希土類磁石のような残留磁束密度と保磁力が高い高性能磁石が大容量機の回転子の磁極として積極的に利用されるようになつているが、例えば、 N d— F e— B系の磁石は導電率が高くフェライト系の磁石に比べて渦電流が流れやすいという特徴を持っている。

以上のような理由から、集中卷の大容量機、特に、回転子の直径が 1 mを超えるような永久磁石型回転電機や風力発電用永久磁石型同期発電機では、回転子に発生する渦電流損が無視できないレベルに達することがあり、この渦電流損により回転機の効率が著しく下がったり、この渦電流損によって回転子の温度が上昇し、磁石の減磁を招くという課題があった。また、減磁には至らなくとも温度上昇によって残留磁束密度が低下し、その結果、磁石が発生する磁束が減少する。そのため、温度上昇のない状態と同じ出力を出すためには電機子電流を多く流す必要があり、銅損が増加し、効率が低下してしまうという課題もあった。

このような課題を解決する手法として、従来から回転子のヨークを積層鋼飯で構成することにより、渦電流を低減する手法があった。また、特開 2 0 0 1— 5 4 2 7 1号公報には、回転子の鉄心を積層鋼鈑とせず、塊状ヨークで構成し、かつそのョークを区分し、渦電流の経路を絶つことにより、渦電流を低減する手法が開示されている。

しかしながら、回転子のヨークを積層構造にすると、塊状ヨークで構成する場合に比べてコスト高になるという問題があり、また、上記特開 2 0 0 1 - 5 4 2 7 1号公報のように塊状ヨークを区分すると以下のような様々な問題を生ずる。例えば、一体の塊状ヨークに比べて加工費が増えてコスト高になるという問題があり、さらに回転子のヨークに設けられた、絶縁部の厚さが各絶縁部においてバラツキが生じた場合に、モータの空隙部の磁束密度にもバラツキが生じ、結果的に電磁力の不均一につながり、騒音や振動につながるという懸念がある。また、ヨークを区分するために、電気的に絶縁分割するための絶縁部があるが故に、その部分で起磁力が消費されるため、回転電機の出力低下につながるという問題がある。上記のように、従来の永久磁石型回転電機や風力発電用永久磁石型同期発電機等においては、過電流を低減するために、回転子のヨークを積層構造にしたり、塊状ヨークを区分したりする構造が提案されてきたが、積層構造にすると加工費が増えてコスト高になるという問題点があり、また、塊状ヨークを区分すると、モータの空隙部の磁束密度にバラツキが生じ、結果的に電磁力の不均一につながってしまうという問題点があつた。そのため、回転子のヨークは一体型であるのが望ましいと言える。本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、回転子ヨークを一体型にした構造を保ちつつ、回転子の渦電流損を低減することができる永久磁石型回転電機および風力発電用永久磁石型同期発電機を得ることを目的としている。発明の開示

この発明は、永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子巻線がティースに集中的に卷き回された固定子とを有する永久磁石型回転電機であって、上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [ m ] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P 。_{u t}として、上記 Dを D = 0 . 0 0 0 4 5 P。_{u t} + l . 2以上としたとき、上記回転子に発生する渦電流損の割合を評価するパラメータ X (単位は m ) を

と定義し、上記 Xの値が所定の値より小さくなるように、上記、 P、 D、 Nの値を選択する構成とした永久磁石型回転電機および風力発電用永久磁石型同期発電機である。

また、この発明は、永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子卷線がティースに集中的に巻き回された固定子とを有する永久磁石型回転電機であって、上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [ m ] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P。 _{u t}として、上記 Dを D = 0 . 0 0 0 4 5 P。_{u t} + l . 2以上としたとき、上記、 P、 D、 Nが

(Ν + Ρ ⁵Ν-^ΛΡ²ϋ < 0.6 (単位は m)

を満たす構成とした永久磁石型回転電機および風力発電用永久磁石型同期発電機である。

また、上記固定子のスロット数を Sとしたとき、上記 Pと上記 Sとが、 2 P < Sの関係を満たす構成とする。

また、上記固定子のスロット数を Sとしたとき、上記 Pと上記 Sとが、 2 P ： S = 2 ： 3の関係を満たすとともに、上記 Pと上記 Dとが、

F-⁰⁵D < 1.85 (単位は in) の関係を満たす構成とする。

また、上記固定子のスロット数を Sとしたとき、上記 Pと上記 Sとが、 2 P ： S = 8 ： 9の関係を満たすとともに、上記 Pと上記 Dとが、

P^D < 0.43 (単位は m) の関係を満たす構成とする。

また、上記固定子のス口ット数を Sとしたとき、上記 Pと上記 Sとが、 2 P ： S = 1 0 ： 1 2の関係を満たすとともに、上記 Pと上記 Dとが、 -°⁵D < 0.62 (単位は m) の関係を満たす構成とする。

また、上記回転子の磁極を構成する上記永久磁石を軸方向に分割して区分構造とする。図面の簡単な説明

図 1は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機の構成を示した断面図である。

図 2は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機における電機子起磁力を示した説明図である。

図 3は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機における起磁力波形のフーリェ解析結果（極数：スロット数 = 2 ： 3のとき）を示した説明図である。

図 4は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機における磁束の時間的変化と回転子に生じる渦電流の経路を示した説明図である。

図 5は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機における起磁力波形のフーリェ解析結果（極数：スロット数 = 4 ： 3のとき）を示した説明図である。

図 6は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機における起磁力波形のフーリェ解析結果（極数：スロット数 = 1 0 ： 9のとき）を示した説明図である。

図 7は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機における起磁力波形のフーリェ解析結果（極数：スロット数 = 8 ： 9のとき）を示した説明図である。

図 8は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機における起磁力波形のフーリェ解析結果（極数：スロット数 = 1 0 ： 1 2のとき）を示した説明図である。

図 9は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機の仕様の例を示した説明図である。

図 1 0は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機におけるパラメータ Xと渦電流損の割合の変化を示した説明図である。

図 1 1は本発明の実施の形態 2による風力発電システムの構成を示した構成図である。

図 1 2は本発明の実施の形態 2による風力発電システムの他の例を示した構成図である。

図 1 3は本発明の実施の形態 3による永久磁石型発電機における極数スロット数の組み合わせによる渦電流損の割合を示した説明図である。図 1 4は本発明の実施の形態 3による永久磁石型発電機における（スロット数/極数）に対する渦電流損の割合を示した説明図である。

図 1 5は本発明の実施の形態 4による永久磁石型同期発電機の構成を示した部分斜視図である。

図 1 6は本発明の実施の形態 1による永久磁石型同期発電機における発電機の出力と回転子外径との関係を示した説明図である。発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1 .

図 1に、本発明の実施の形態 1の例を示す。図 1はインナーロータ型の永久磁石型同期発電機である。すなわち、図 1においては、回転子 1 0 0の外側に固定子 1 0 1が位置している。図 1において、 1は固定子 1 0 1を構成している固定子鉄心、 2は固定子鉄心 1に設けられた複数個のティース、 3は隣接するティース 2間に形成された凹部であるスロット、 4は回転子 1 0 0に設けられた複数の永久磁石、 5は永久磁石 4 が等間隔に取り付けられている一体型の塊状の回転子ヨーク、 6は回転子 1 0 0の回転軸である。

図 1に示すように、回転子外径は 3 mであり、回転子 1 0 0に設けられた永久磁石 4の個数（すなわち、回転子磁極の極数）は 6 4、固定子 1 0 1のティース 2およびスロット 3の個数は共に 9 6である。回転子 1 0 0の塊状のヨーク 5の表面に永久磁石 4が配置された表面磁石型の同期発電機であり、固定子 1 0 1は 9 6個のティース 2を有し、図 1においては図示は省略しているが、各ティース 2に電機子卷線が集中的に卷き回されたいわゆる集中卷の卷線方式を採用している。図 2 ( a ) は、図 1の固定子 1 0 1 と回転子 1 0 0の一部を模式的に示したものであり、図 2 ( b )， ( c ) , ( d ) は、電機子電流が形成する起磁力波形を示したものである。図 2において、 8はティース 2に卷き回された電機子卷線である。他の構成については、図 1に示したものに相当するため、同一符号を付して示し、ここではその説明を省略する。本実施の形態では、回転子 1 0 0の極数と固定子 1 0 1のスロット数の比が 2 ： 3であるため、電磁気的に 2極 3スロット分が 1つのュニットとなっている。したがって、 2極 3スロットについて考えればよい。固定子 1 0 1には、図 2 ( a ) に示すように、 U相、 V相、 W相の合計 3 相の電機子卷線 8がスロット 3に納められており、これらの電機子卷線 8は各ティース 2に集中的に巻き回されている。また、 3相の電機子巻線 8には、電気角 1 2 0度ずつずれた正弦波状の電流が通電される。このように電機子巻線 8に電流が流れると、空隙部に矩形波状の起磁力が発生する。例えば、 U相に 1の電流が流れているとき、 V相， W相には一 1 / 2の電流が流れていることになる。このとき、空隙部に発生する起磁力波形は図 2 ( b ) のようになる。実際は、 3相の電流は時間ともに正弦波状に変化するため、この起磁力波形も変化する。この起磁力波形を時間、空間でフーリェ級数展開すると、回転子 1 0 0と同期した起磁力成分と、非同期成分とがあることが分かる。

図 3に、起磁力のフーリエ級数展開した結果を示す。図 3は、極数 2 Pとスロット数 Sとの比が 2 P ： S = 2 ： 3のときの固定子の起磁力のフーリエ解析結果を示したものである。横軸は 2極（電気角 3 6 0度）を基本波とした空間次数でありその符号が正のときは正相を示し、回転子 1 0 0と同じ方向に回転する起磁力である。負は逆相を示し、回転子 1 0 0の回転方向と逆方向に回転する起磁力である。縦軸はその成分の起磁力の振幅を表し、回転子と同期した成分すなわち + 1次の大きさを 1 として規格化して示している。ただし、すべての調波成分について示したものではなく、 1 5次以上の成分は省略している。この起磁力の各成分の中で、回転子 1 0 0の磁極と同期した成分は横軸が + 1次の成分で、この成分によってトルクが得られる。また、この起磁力成分は回転子 1 0 0に固定した座標系からみると時間的に変化しない起磁力であるため、回転子 1 0 ◦の渦電流の発生原因とならない。ところが、それ以外の成分は非同期成分であり、回転子 1 0 0に固定した座標系から見ると時間的に変化するので、回転子 1 0 0の渦電流の原因となっている。また、これら非同期成分の中では一 2次の成分の振幅が最も大きい。図 2 ( c ) , ( d ) に、同期成分（基本波の正相成分）と非同期成分の例として逆相の 2次成分を示す。既に説明したように、この同期成分は渦電流の原因とならないが、非同期成分は回転子 1 0 0に渦電流を発生させる。特に、このように極数とス口ット数の比が 2 ： 3の場合には、逆相成分の中で 2次成分の振幅が最も大きいため、回転子 1 0 0に発生する渦電流損の主な原因といえる。本実施の形態にて扱っている発電機の極数は 6 4極なので、この渦電流の主な原因となっている起磁力波形の空間次数は機械角 3 6 0度を 1次とすれば 6 4次となる。

次に、上記非同期成分によって発生する回転子 1 0 0の渦電流を把握するために、簡易的なモデルを用いて近似的に導出することにする。さらに、その渦電流は原因になっている起磁力の非同期成分の次数 Nと、回転子 1 0 0の極対数 Pと、回転子 1 0 0の外径 D [ m ] とは、どのような関係にあるのか、また、渦電流を低減するために上記 N , Pをどのように選定すればよいかについて考えることにする。

図 4の上段は、渦電流の原因となる起磁力の非同期成分によって発生する磁束の時間的変化を示したものである。また、図 4の下段は上記磁束の変化によって回転子 1 0 0に生じる渦電流の経路と渦電流損を求める際に用いる微小回路（斜線部）を示したものであり、回転子 1 0 0を空隙面から見下ろした様子を簡略化して示している。なお、図 4において、 w [ m ] は、渦電流の原因となる起磁力の 1周期分の長さ、すなわち、波長であり、 L [ m ] は、発電機のコア長である。また、 Xは周方向の位置を表す座標 [ m ] で、 yは軸方向の位置を表す座標 [ m ] である。渦電流の流れる経路は、図 4に示す通り、起磁力の半波長分の幅すなわち w/ 2の幅の範囲内で形成される。そこで、 w/ 2の範囲内に図の斜線部に示すような周方向の幅 2 X、軸方向の幅 2 yでの位置に微小回路を考え、この微小回路の抵抗と回路に加わる起電力から渦電流損を求め、さらに空間的に積分することによって発電機全体に発生する渦電

メ

流損を算出する。一 W i

まず、微小回路の抵ラ抗 r [Ω] を求める。抵抗 rは抵抗率 p [Qm] と回路の長さに比例し、回路の断面積に反比例するので、 ^ ( と表される。ただし、ここで δは渦電流の表皮深さであり単位は mである。図 4から幾何学的に

•(2)

が成り立つ。これを式（ 1 ) に代入すると

Ap Is +W x

•(3)

δ wL dx となる。

次に、この微小回路に掛かる起電力を求める。渦電流の原因となる磁束密度の非同期成分の時間的、空間的変化を

Β(χ,ί) = 5sin(— χ-ωί) (4) として表す。これは磁束密度の変化の空間的周波数は 2 π /wであり、その周波数は ω [ r a d / s e c ] であることを示している。微小回路に掛かる起電力は区間 [— X , X ] の鎖交磁束の時間微分で表されるので、 JP02/13309

B(^ 2ydi…… (5) となる。式（4 ) を式（5 ) に代入すると xsm|— x coscirf (6)

を得る, のように起電力は時間的に正弦波状に変化するのでその実効値 Eは

となる。微小回路のリアクタンスを無視すれば、微小回路に発生する渦電流損 d Q [W] は式（3 ), ( 7 ) から

E² ω⁷Β⁷δ wL'

dQ -xsm '^χ)…"- (8)

r 2π ρ + w w と求めることができる。この微小回路の渦電流損を区間 [― _w/ 4， w / 4 ] で積分し、さらに渦電流の流れる経路は起磁力の半波長分の幅で形成されていたので、 2 N (= 2 π D/w) 倍しないといけないので、回転子全体での渦電流損 Q [W] は、

2πϋ ⁴ ω²Β²δ _ wL³ ¹2π \ ,

xsm —— x \dx

I 1 ヽ L³M>²

■+■ •(9)

p L +w となる。さらに、表皮深さ δについては、抵抗率 ρ、透磁率、周波数 ωとすると、

となる。で、通常発電機では w< < Lであるので

L³w²

と近似できる。また、 w= DZNであるから、式（ 9) ( 1 0) から

Q^Kw^l5N-²B^%D^JL…… (11)

と近似できる。ただし Kは

である。また、空間次数 Νの非同期の起磁力によって発生する渦電流の角周波数 ω [ r a d / s e c ] は発電機の回転数 w_m [ r a d / s e c ] を用いると ω = (Ν±Ρ)ω„ .(13) と表される。ただし、式中の符号 +は空間次数 Νの起磁力が逆相のとき、一は正相のときに対応する。すなわち、回転子に固定した座標系から見ると、回転子と逆方向に進行する起磁力の周波数は高く、逆に回転子と同じ方向に進行する起磁力の周波数は低く見えるのである。したがって、 Qは、式（ 1 1 ) ( 1 3 ) より

Q ^ K (N±P ⁵N-²B²D³L…… (M) と書くことができる図 5〜 8に集中卷にて良く用いられる様々な極数とスロット数の比に対して、起磁力の成分がどのようになっているかを示す。図 5は、極数 2 Pとスロット数 Sとの比が 2 P ： S = 4 ： 3のときの固定子の起磁力のフーリェ解析結果を示したものであり、図 6は、極数 2 Pとスロット数 Sとの比が 2 P ： S = 1 0 ： 9のときの固定子の起磁力のフーリエ解析結果を示したものであり、図 7は、極数 2 Pとスロット数 Sとの比が 2 P ： S = 8 ： 9のときの固定子の起磁力のフーリエ解析結果を示したものであり、図 8は、極数 2 Pとスロット数 Sとの比が 2 P ： S = 1 0 ： 1 2のときの固定子の起磁力のフーリェ解析結果を示したものである。分布巻の場合には、毎極毎相 1や 2の場合、起磁力の非同期成分は正相 5次、逆相 7次成分あるいはそれ以上であり、基本波より高次の成分である。しかしながら、集中卷の場合、基本波より高次の成分であっても分布巻に比べると基本波に近い次数に存在し、場合によっては基本波よりも低い成分にも非同期成分が存在することが分かる。さらに、渦電流の主たる原因になっている非同期成分の起磁力の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次）とすればその大きさは極対数との比すなわち P Z N に比例する。さらに、図 3、図 5 ~ 8から渦電流損の主たる原因となる起磁力すなわち非同期成分でもつとも振幅が大きいものは逆相であることも分かっている。したがって、式（ 1 4 ) は次のように書きかえることができる。

Q - K、 o^(N + )' ⁵N— ⁴尸² ·'"·■ (15)

ただし、ここでは比例定数である。以上により、回転子に発生する渦電流損の近似式を導出できた。この式は永久磁石型の発電機あるいはモータにおいて、回転子に発生する渦電流損が極対数 Ρと回転子外径 Dと逆相起磁力の空間次数 Νに大きく依存していることを示している。一方、一般的に回転電機において回転子の外径 Dと軸長 Lと回転数 co _m と出力 P。_utとの間には、おおよそ =K₂w_mD²L…… (16) なる関係があることが知られている。ただし、 K₂は比例定数である。したがって、式（ 1 5 ) を式（ 1 6 ) で除することにより、出力に対する渦電流損の割合を求めることができる。

式（ 1 7) 中から発電機の構造によって決まる要素すなわち、極対数 P、起磁力高調波の空間次数 N、回転子外径 Dを取り出し、これを発電機あるいはモータの回転子に発生する渦電流損の割合を評価するパラメータとして X (単位は m) を

X^^N+Pf'N-'P'D…… (18) のように定義する。 Xはもちろん厳密な意味で割合を示すものではないが、種々の発電機あるいはモータにおいて Xを算出しその大きさを知ることにより、渦電流損の大小を判断する目安になると考えられる。

ギヤレス型の風力発電機など低速で回転子が回転し、大きなトルクを必要とする発電機では式（ 1 6 ) からわかるように、軸長 Lを大きくするより直径 Dを大きくするほうが有利である。また、軸長 Lと直径 Dの比について考えると、 Lが大きくなると軸受けのスパンが大きくなるため、剛性を補う必要が生じ、発電機の重量が増大する。また、風力発電においては軸受けが発電機の片側にのみ設けた構成になることがあるが, Lが大きくなると機械剛性が低下し、この構成が実現不可能となる。さらに、熱設計の観点から Lが大きくなるとダクトを設けなければ冷却できなくなる。ダクトを設けると Lがさらに大きくなるため重量も大きくなるという課題がある。上記を鑑みて検討した結果、 L≤Dであることが望ましく、より好ましくは L O . 8 D、さらにより好ましくは L≤ 0. 5 Dであることがわかった。

図 1 6に発電機の出力 P。_{u t}に対する Dを L = D、 L = 0. 8 D、 L = 0. 5 Dとした場合について示す。出力が大きくなるにつれて、 Dを大きくする必要があることが分かる。また、風力発電用としては、先に述べた機械剛性や熱設計の観点からは L = Dとした場合の曲線より上の領域に設計されることが望ましく、さらに L= 0. 8 Dとした場合より上の領域であることが望ましく、さらには L= 0'. 5 Dとした場合より上の領域であることがより望ましい。したがって、図 1 6から、出力が 2 0 0 0 k Wの場合、 D≥ 2. 2 [m]、より好ましくは D 2. 3 [m]、さらにより好ましくは D≥ 2. 7 [m] として設計されるのが望ましいことがわかる。出力が 5 0 0 k Wの場合、 D≥ l . 4 [m]、より好ましくは D≥ 1. 5 [m]、さらにより好ましくは D≥ 1. 8 [m] であればよく。また、出力が l O O kWでは D≥ 0. 7 [m]、より好ましくは D ≥ 0. 8 [m]、さらにより好ましくは D 0. 9 [m] とすればよいことが分かる。 5 0 0 k W以上の領域を直線近似すると、 L =Dのときは D= 0. 0 0 0 4 5 P。_{u t} + l . 2、 L = 0. 8 Dのときは D= 0. 0 0 0 4 8 P。_{u t} + l . 3、 L = 0. 5 Dのときは D= 0. 00 0 5 7 P 。_{u t} + 1. 5 と表される（この式で P。 _{u t}の単位は k W、 Dの単位は m)。したがって、この直線より Dが大きい領域に設計されることが望ましい。直線近似した場合、出力が小さい範囲では実際の曲線から外れることになる。しかし、発電機やモータの各容量のシリーズ化を考えたときには生産設備等の制限から外径はほぼ同じで、軸長で調整することが多い。したがって、ここでは出力が低い範囲においても外径が急に小さくならないよう直線近似を採用した。以上により、出力が小さくなつても極端に外径が小さくなることがないため、同じ生産設備でも出力の小さい発電機を製造できるという効果がある。

ギヤレス型の風力発電用などでは 1 0 0 k Wを超えるような大容量の場合、回転子外径 Dと軸長 Lの関係あるいは： Dの値を上記のように設計しておけば、トルクが大きくなりギヤレス型に適した設計となる他、薄型となることでダクトを設けなくとも冷却性能を確保できる等、熱設計も有利となるという効果があり、軸受けのスパンが短くなることで機械剛性を確保でき、片側にのみ軸受けを設けた構成も可能となるという効果もある。

一方、 Xを見ると、外径が大きい回転電機、特に回転子外径が l mを超えるような風力発電機を設計するにあたっては、 P， Nを適切に選ばなければ回転子に発生する渦電流が無視できなくなると言える。

このパラメータの妥当性を検証するために、図 9に示すような 6種の仕様で、 6通りの発電機を設計し、電磁界解析によって定格運転時に回転子に発生する渦電流損を求めた。図 9の最右欄に、各仕様における定格出力に対する渦電流損の割合の解析結果を示す。さらに、横軸に Xをとり縦軸に渦電流損の出力に対する割合をとつたグラフを図 1 0に示す ₍ 渦電流損の出力に対する割合とパラメータ Xの間には相関関係があることが分かる。

次に、回転子の渦電流損を小さくし、高効率な発電機あるいはモータを設計する際に Xをどのように選定すべきか考える。発電機あるいはモータの効率を 9 5 %以上に設計しようとすれば、固定子で発生する銅損と鉄損や機械損そして回転子の渦電流損を含む漂遊負荷損の合計を 5 % 以内に設計する必要がある。機械損は銅損や鉄損に比べて一般的に小さいのであまり考慮しなくてもよい。銅損や鉄損は固定子の寸法、形状等である程度低減できるものの限界がある。そこで、総損失 5 %の半分すなわち 2 . 5 %まで回転子の渦電流損を低減できる構造にすれば、銅損や鉄損などの損失を合計した総損失を 5 %程度に抑えることができると考える。つまり、回転子の渦電流損を定格出力の 2 . 5 %程度に抑えることができれば、効率 9 5 %の高効率を達成できると考える。図 1 0のグラフにおいて渦電流損の割合を 2 . 5 %以下にするには、 Xの値を 0 . 6 [ m ] 以下にしなければならないことから、 (N + P†⁵N-^AP²D < 0.6…… (19)

とすれば高効率な永久磁石型発電機あるいはモータを実現できると考えられる。図 1の発電機は磁界解析の結果、回転子の渦電流損は定格出力の僅か 0 . 6 %であった。この発電機では X = 0 . 1 7 [ m ] であり、当然のことながら式（ 1 9 ) をみたす。

以上より、式（ 1 9 ) を満たす構造にすることにより、永久磁石型回転電機が大型化しても、回転子の渦電流の原因となる特定の電機子起磁力の空間次数 Nを大きくすることができ、回転子に発生する渦電流を低減することが可能となる。その結果、回転子の発熱を抑制できるという効果があると同時に、回転電機の高効率化を図ることができるという効果もある。さらに、従来例に述べられているように回転子のヨークを区分したり、絶縁分割したりといった複雑でコストのかかる構造にしなくとも、本実施の形態においては、塊状の回転子ヨークを用いながら、回転子の渦電流損を低減することができるという効果がある。また、ここでは回転子の表面に磁石を備えた表面磁石型の回転電機について述べたが、回転子鉄心に磁石を埋め込んだ埋め込み磁石型についても電機子起磁力の非同期成分が磁石等の渦電流損の原因になっている点では共通である。したがって、埋め込み磁石型の回転電機についても本実施の形態の構成にすることによって同様の効果が得られることは言うまでもない < また、本実施の形態においては、ィンナーロータ型について述べたが、回転子が固定子の外側を回転する、ァウタロータ型でも同じ効果が得られることがいうまでもない。さらに、本実施の形態で述べたラジアルギャップ型だけではなく、固定子と回転子が回転軸に垂直な面で対向するアキシャルギヤップ型でも、回転軸から回転子磁極までの距離を回転子の半径と定義しその 2倍の値を直径 Dとして定義すれば同じ効果が得られることはいうまでもない。実施の形態 2 .

本実施の形態においては、実施の形態 1で示した永久磁石型回転電機と同様に、永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子卷線を磁極に巻き回された固定子とを備えた風力発電用永久磁石型同期発電機に対して、上記実施の形態 1で示した式（ 1 9 ) を満たす構成を適用した例について説明する。図 1 1及び図 1 2に風力発電システムの概念図を示す。これらの図において、 1 0は風力発電システムの支柱となるタヮ一であり、 1 1はタワー 1 0上に設けられたナセルである。ナセル 1 1 の内部には、図 1 1の例では、発電機 1 2と増速ギヤ 1 3とが設けられており、図 1 2の例では、発電機 1 2のみが設けられている。 1 4はナセル 1 1の先端に設けられた風車であり、 1 5及び 1 6は、それぞれ、風車 1 4を構成しているハブとブレードである。なお、回転子および固定子の構造については、上述の実施の形態 1で示した図 1のものと同様であるため、ここでは説明を省略する。

このように、図 1 1の例においては、タワー 1 0の上にナセル 1 1があり、ナセル 1 1内部に発電機 1 2と増速ギヤ 1 3が納められており、その先に風車 1 4が接続されている。ハブ 1 5とブレード 1 6で構成される風車 1 4と発電機 1 2 とは増速ギヤ 1 3を介して接続されている。このシステムでは、增速ギヤ 1 3を介することで、発電機 1 2の回転数を風車 1 4の回転数より高くしているので、発電機 1 2のトルクが小さくてすみ、発電機 1 2は小型化が可能であるという利点がある。しかしながら、増速ギヤ 1 3の発生する騒音や増速ギヤ 1 3のメンテナンスなどの課題がある。一方、近年、図 1 2に示すように、風車 1 4と発電機 1 2が直結されたいわゆるギヤレス型の風力発電システムが普及しつつある。当該ギヤレス型のものは、さらに、卷線界磁型の同期発電機に比ベて、界磁損失がないという点で永久磁石型同期発電機が有利となる。

このシステムでは增速ギヤに起因する騒音ゃメンテナンスの課題はないが、発電機のトルクがギヤレス型に比べて大きくなるため、発電機自体の体格が大きくなる。これまで説明してきたように、式（ 1 8 ) によれば、発電機の回転子外径 Dが大きくなると回転子の渦電流損が大きくなる。したがって、極数 Pとスロット数 Sの選定が適切でないと、渦電流損が大きくなってしまい、界磁損失がないという永久磁石型同期発電機の利点を生かしきれないことになる。

したがって、風力発電用永久磁石型同期発電機、特にギヤレス型風力発電システムに組みこまれるような回転子径が大きな永久磁石型同期発電機においては、式（ 1 9 ) をみたす構造にすることにより、回転子の渦電流損を低減でき、回転子の発熱を抑制できるのと同時に、発電機の高効率化が図れるため、風力という自然エネルギーの有効利用ができるという効果力 ^sある。実施の形態 3.

これまで述べてきたように、固定子が集中卷の大型の永久磁石型発電機やモータにおいては、極対数 Pと渦電流の原因となる起磁力の空間次数 Nを適切に選ばないと回転子の渦電流損が非常に大きくなることがある。換言すれば、極対数 Pとスロット数 Sを適切に選定しないと渦電流による発熱や、効率低下が懸念される。一方、集中卷の回転電機の極数 2 Pとスロット数 Sには様々な組み合わせが考えられる。良く用いられる組み合わせとして、 2 P : S = 4 : 3， 1 0 : 9 , 8 : 9， 1 0 : 1 2 , 2 : 3となる組み合わせなどある。ここでは、これら 5通りの組み合わせについて極数が 6 0極程度になるように、 6 4極 4 8スロット、 6 0極 5 4スロット、 6 4極 7 2スロット、 6 0極 7 2スロット、 6 4 極 9 6スロットとして、回転子外径 3 mの同一出力の永久磁石型同期発電機を設計することを考えた。なお、ここでは回転子に発生する渦電流損の比較を行うため、条件を同じにするため回転数は同一としている。また、スロット開口部のパーミアンスの変化の影響が大きくならないように、スロット開口幅もほぼ同じ設計としている。これら 5種類の発電機について電磁界解析により定格運転時に回転子に発生する渦電流損を求めた。図 1 3にそれぞれの渦電流損の出力に対する割合を示す。この結果から、極数 2 Pをほぼ同じに設計しても、極数とスロット数の組み合わせによって渦電流損が大きく違うことが分かる。さらに、横軸にスロット数と極数の比 S / 2 Pを横軸にとってグラフにしたものを図 1 4 に示す。この結果から、 S / 2 P > 1すなわち 2 P < Sの場合には渦電流損が小さく。逆に S/ 2 P < 1すなわち 2 P > Sのときには渦電流損が大きいことが分かる。

この原因を考察してみる。図 3 と図 5 ~ 8から、渦電流の主たる原因になっている起磁力の非同期成分の空間次数 Nを見ると、 2 P： S = 4 ： 3， 1 0 : 9すなわち 2 P > Sとなる組み合わせでは同期成分よりも次数の低いところに同期成分と同等あるいはそれ以上の振幅の非同期に起磁力成分が存在する。具体的には 2 P ： S = 4 ： 3のときには一 1 / 2 次で振幅は同期成分の 2倍、 2 P ： S = 1 0 ： 9のときには一 4 Z 5次で振幅は同期成分の 1. 2 5倍の起磁力が存在する。ところが、 2 P : S = 8 ： 9 , 1 0 : 1 2 , 2 : 3すなわち 2 Pく Sとなる組み合わせでは同期成分よりも次数の低いところに振幅の大きな非同期の起磁力成分が存在しない。ここでは、極対数は 3 0か 3 2でほぼ一定、回転子外径 Dも一定であるから、回転子の渦電流損の大きさは式（ 1 8) より起磁力の空間次数 Nに依存する。したがって、大型の集中巻の永久磁石型回転電機を設計する場合には 2 P < Sとした方が、 Nを小さく設計できるので渦電流損は小さくなると言える。もちろん、 2 P > Sとした場合でも極数を増やして式（ 1 9 ) をみたす構造とすると、渦電流損は低減できる。しかしながら、 2 P < Sとした場合に比べて、パラメータ Xの値を同じに設計しようとすると極数が増えるため加工費が上がり不利である。

以上より、大形の永久磁石型回転電機においては、 2 P < Sをみたす構造にすることにより、回転子の渦電流損を低減でき回転子の発熱を抑制できるのと同時に、発電機の高効率化が図れるという効果がある。さらに、渦電流損を低減する構成とした場合、 2 P < Sとした場合に比べて、極数が少なくなるため加工費が少なく低コストの永久磁石型回転電機を提供できるという効果がある。

特に、同じかほぼ同じ極数で集中卷の回転電機を設計した場合に 2 P ： S = 2 ： 3のときには他に比べて Nは最も大きくなるため極数をもつとも少なく構成できるため非常に有利である。図 3から 2 P : S = 2 : 3のとき渦電流の主たる原因となるのは 2次の逆相の起磁力であるから、 2 P極の場合は N= 2 Pとなる。これを式（ 1 9) に代入すると、尸- ⁰⁵£><1.85 ··"·- (20) を得る。

したがって、集中卷で極対数 Pとスロット数 Sの組み合わせが 2 P ： S = 2 ： 3なる永久磁石型回転電機において式（ 2 0) をみたすような構成にしたことにより、渦電流の原因となる電機子起磁力の特定の調波成分の空間次数 Nを大きくするのに、特に少ない極数で実現可能なので、回転子の渦電流損を低減できるという効果があるとともに磁極の加工費を特に少なくできるという効果がある。

一方、 2 P < Sをみたす集中卷の永久磁石型回転電機において 2 P ： S = 8 ： 9 , 1 0 : 1 2なる関係が成り立つ場合についても同様に考える。 2 P ： S == 8 ： 9の場合には、図 7より 5 4次の逆相起磁力が渦電流の主な原因となっているからを式（ 1 9 )に代入して、 p-^{o i}D < 0.43 (21) を得る。したがって、 2 P ： S = 8 ： 9の場合には式（ 2 1 ) をみたす構成とすることにより、回転子に発生する渦電流を低減し、回転子の発熱を抑制できるとともに、高効率な永久磁石型回転電機を提供できるとレヽう効果がある。また、 2 P : S = 1 0 : 1 2の場合には、図 8より 7 / 5次の逆相起磁力が渦電流の主な原因となっており、 N= 7 P/ 5を式（ 1 9 ) に代入して、尸-⁰⁵/) < 0.62 (22) を得る。したがって、 2 P : S = 1 0 : 1 2の場合には式（2 2) をみたす構成とすることにより、回転子に発生する渦電流を低減し、回転子の発熱を抑制できるとともに、高効率な永久磁石型回転電機を提供できるという効果がある。

また、 2 P : S = 8 : 9、 2 P ： S = 1 0 ： 1 2の,袓み合わせの集中巻の永久磁石型回転電機は卷線係数が 2 P ： S = 4 ： 3 , 2 : 3の0. 8 6 6に比べて高くそれぞれ 0. 9 4 5、 0. 9 3 3である。このため磁石の使用量を小さくでき低コストな回転電機を提供できるという効果がある。また、同じまたはほぼ同じ極数で回転電機を設計した場合には、極数とスロット数の最小公倍数が 2 P : S = 4 : 3 , 2 : 3の場合にくらベて大きくなる。例えば、 6 4極 4 8スロット（ 2 P ： S = 4 ： 3 )、 6 4極 9 6スロット（ 2 P : S = 2 : 3 ) の場合はともに 1 9 2であるのに対し、 6 4極 7 2スロット（ 2 P : S = 8 : 9 ) では 5 7 6、 6 0 極 7 2スロット（ 2 P : S = 1 0 : 1 2 ) では 3 6 0となる。一般には、最小公倍数が大きいほどコギングトルクが小さい。したがって、 2 P : S = 8 ： 9、 1 0 ： 1 2にすることにより、コギングトルクの小さな永久磁石型回転電機を得ることができる。特に風力発電用の永久磁石型同期発電機においては、コギングトルクが大きいと風車の起動に必要が風速が大きくなり不利になる。したがって、 2 P ： S = 8 ： 9、 1 0 : 1 2にすることによりコギングトルクが小さくなり、結果として風速が小さくとも風車が起動し発電を開始することができるという効果がある。以上より、集中卷で極対数 Pとスロット数 Sの組み合わせが 2 P ： S = 8 ： 9あるいは 1 0 ： 1 2なる永久磁石型回転電機においてそれぞれ式（ 2 1 )、 ( 2 2) をみたすような構成にしたことにより、渦電流の原因となる電機子起磁力の特定の調波成分の空間次数 Nを大きくするのに. 2 P > Sの場合に比べて少ない極数で実現可能なので、回転子の渦電流損を低減できるという効果があるとともに磁極の加工費を特に少なくできるという効果がある。さらに、卷線係数が高いため、磁石の使用量を少なくすることができるため低コストな回転電機を提供できるという効果がある。また、極数とスロット数の最小公倍数が大きいため、コギングトルクが小さく、風速が小さくとも風車が起動し発電を開始することができるという効果もある。実施の形態 4 .

図 1 5に本実施の形態を示す。本実施の形態においては、図 1 5に示すように、回転子のヨーク 5の表面に永久磁石 4が固定されており、また、この永久磁石 4は回転子の軸方向に分割された構成となっている。また、分割された個々の永久磁石 4の間は電気的に絶縁されている。他の構成については、上記の実施の形態 1 と同様であるため、ここでは説明を省略する。

近年、希土類系の磁石がよく用いられるようになっているが、希土類磁石は導電率が高いため、渦電流が問題になることがある。そこで、これまで述べたように極対数 Pと起磁力の空間次数 Nと回転子の外径 Dを式（ 1 9 ) をみたすような組み合わせとし、さらに、図 1 5に示すように永久磁石 4を分割した構成にすることにより、回転子全体における渦電流損を低減できる他、磁石自身に発生する渦電流損を大幅に低減し、永久磁石 4の発熱を抑制することができる上、高効率な永久磁石型回転電機を得ることができるという効果がある。以下にこの発明の効果を述べる。

この発明は、永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子卷線がティースに集中的に巻き回された固定子とを有する永久磁石型回転電機であって、上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [ m ] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P 。 _{u t}として、上記 Dを D = 0 . 0 0 0 4 5 P。 _{u t} + l . 2以上としたとき、上記回転子に発生する渦電流損の割合を評価するパラメータ X (単位は m ) を

X = ( N + P ) !- ⁵N -⁴ P ² D

と定義し、上記 Xの値が所定の値より小さくなるように、上記、 P、 D、 Nの値を選択する構成とした永久磁石型回転電機であるので、このような構成としたことにより、永久磁石型回転電機が大形化しても、回転子の渦電流の原因となる特定の電機子起磁力の空間次数 Nを大きくすることができ、回転子に発生する渦電流を低減することが可能となる。その結果、回転子の発熱を抑制できるという効果があると同時に、回転電機の高効率化を図ることができるという効果もある。さらに、従来例に述ベられているように回転子のヨークを区分したり、絶縁分割したりといつた複雑でコストのかかる構造にしなくとも、ヨークを一体型にした構造を保ちつつ、回転子の渦電流損を低減することができるという効果がある。

また、この発明は、永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子巻線がティースに集中的に巻き回された固定子とを有する永久磁石型回転電機であって、上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [ m ] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P。 _{u t}として、上記 Dを D = 0 . 0 0 0 4 5 P。_{u t} + l . 2以上としたとき、上記、 P、 D、 Nが

(N + P ⁵N-⁴P²D < 0.6 (単位は m)

を満たす構成とした永久磁石型回転電機であるので、このような構成としたことにより、永久磁石型回転電機が大形化しても、回転子の渦電流の原因となる特定の電機子起磁力の空間次数を大きくすることができ、回転子に発生する渦電流を低減することが可能となる。その結果、回転子の発熱を抑制できるという効果があると同時に、回転電機の高効率化を図ることができるという効果もある。さらに、従来例に述べられているように回転子のヨークを区分したり、絶縁分割したりといった複雑でコストのかかる構造にしなくとも、ヨークを一体型にした構造を保ちつつ、回転子の渦電流損を低減することができるという効果がある。

また、上記固定子のスロット数を Sとしたとき、上記 Pと上記 Sとが、 2 P < Sの関係を満たすようにしたので、このような構成にしたことにより、渦電流の原因となる電機子起磁力の特定の調波成分の空間次数 N を大きくするのに、 2 P > Sである永久磁石型回転電機と比較して、少ない極数で実現可能なので、回転子の渦電流損を低減できるという効果があるとともに磁極の加工費を少なくできるという効果がある。

また、上記固定子のスロット数を Sとしたとき、上記 Pと上記 Sとが、 2 P ： S = 2 ： 3の関係を満たすとともに、上記 Pと上記 Dと力 S、 -⁰⁵Z) < 1.85 (単位は m)

の関係を満たす構成としたので、このような構成にしたことにより、渦電流の原因となる電機子起磁力の特定の調波成分の空間次数 Nを大きくするのに、特に少ない極数で実現可能なので、回転子の渦電流損を低減できるという効果があるとともに磁極の加工費を特に少なくできるという効果がある。

また、上記固定子のスロット数を S としたとき、上記 Pと上記 Sとが、 2 P ： S = 8 ： 9の関係を満たすとともに、上記 Pと上記 Dとが、 -⁰⁵D < 0.43 (単位は m)

の関係を満たすようにしたので、このような構成にしたことにより、渦電流の原因となる電機子起磁力の特定の調波成分の空間次数 Nを大きくするのに、少ない極数で実現可能なので、回転子の渦電流損を低減できるという効果があるとともに、磁極の加工費を少なくできるという効果がある。さらに、極数とスロット数の最小公倍数が大きいためコギングトルクを低減できるという効果がある。また卷線係数が高いため磁石の使用量を低減できるので、低コスト化が図れるという効果がある。

また、上記固定子のスロット数を Sとしたとき、上記 Pと上記 Sとが、 2 P ： S = 1 0 ： 1 2の関係を満たすとともに、上記 Pと上記 Dとが、

P^D < 0.62 (単位は m) の関係を満たすようにしたので、このような構成にしたことにより、渦電流の原因となる電機子起磁力の特定の調波成分の空間次数 Nを大きくするのに、少ない極数で実現可能なので、回転子の渦電流損を低減できるという効果があるとともに回転子の渦電流損を低減できるという効果がある。さらに、極数とスロット数の最小公倍数が大きいためコギングトルクを低減できるという効果がある。また巻線係数が高いため磁石の使用量を低減できるので、低コスト化が図れるという効果がある。

また、上記回転子の磁極を構成する上記永久磁石を軸方向に分割して区分構造としたことにより、磁石に発生する渦電流損を低減することができるため磁石の発熱を抑制することができる上、高効率な永久磁石型回転電機を得ることができるという効果がある。

また、この発明は、永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子巻線がティースに集中的に卷き回された固定子とを有する風力発電用永久磁石型同期発電機であって、上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [ m ] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P。_{u t}として、上記 Dを D = 0 . 0 0 0 4 5 P。_u _t + 1 . 2以上としたとき、上記回転子に発生する渦電流損の割合を評価するパラメータ X (単位は m ) を

X = ( N + P ) i^ N ^ P 'D

と定義し、上記 Xの値が所定の値より小さくなるように、上記、 P、 D、 Nの値を選択する構成とした風力発電用永久磁石型同期発電機であるので、このような構成とするとすることにより、風力発電用永久磁石型同期発電機、特にギヤレス型風力発電システムに組みこまれる回転子径が 1 mを超えるような大形の永久磁石型同期発電機においても、回転子に発生する渦電流損を低減することができ、結果として回転子の発熱を抑制することができると同時に発電機の高効率化を実現できる。さらに、従来例に述べられているように回転子のヨークを区分したり、絶縁分割したりといった複雑でコストのかかる構造にしなくとも、ヨークを一体型にした構造を保ちつつ、回転子の渦電流損を低減することができるという効果がある。

また、この発明は、永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子巻線がティースに集中的に卷き回された固定子とを有する風力発電用永久磁石型同期発電機であって、上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [ m ] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P。_{u t}として、上記 Dを D = 0 . 0 0 0 4 5 P。_u _t + 1 . 2以上としたとき、上記、 P、 D、 N力 S

(N + P 'N^P^ < 0.6 (単位は m )

を満たす構成とした風力発電用永久磁石型同期発電機であるので、このような構成とするとすることにより、風力発電用永久磁石型同期発電機、特にギヤレス型風力発電システムに組みこまれる回転子径が 1 mを超えるような大形の永久磁石型同期発電機においても、回転子に発生する渦電流損を低減することができ、結果として回転子の発熱を抑制することができると同時に発電機の高効率化を実現できる。さらに、従来例に述ベられているように回転子のヨークを区分したり、絶縁分割したりといつた複雑でコストのかかる構造にしなくとも、ヨークを一体型にした構造を保ちつつ、回転子の渦電流損を低減することができるという効果がある。産業上の利用可能性

以上のように、本発明の永久磁石型回転電機は、風力発電等の種々の発電に用いると有用である。

Claims

請求の範囲

1. 永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子卷線がティースに集中的に巻き回された固定子とを有する永久磁石型回転電機であつて、

上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [m] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P。_{u t}として、上記 Dを D = 0. 0 0 0 4 5 P。_{u t} + l . 2以上としたとき、上記回転子に発生する渦電流損の割合を評価するパラメータ X (単位は m) を

X = (N + P ) '-'Ν^Ρ^Ό

と定義し、上記 Xの値が所定の値より小さくなるように、上記、 P、 D、 Nの値を選択することを特徴とする永久磁石型回転電機。

2. 永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子巻線がティ一スに集中的に卷き回された固定子とを有する永久磁石型回転電機であつて、

上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [m] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P。 _{u t}として、上記 Dを D = 0. 0 0 0 4 5 P。_{u t} + l . 2以上としたとき、上記、 P、 D、 N力 S

(N + Ρ)^{) 5}Ν-^ΛΡ²Ώ < 0.6 (単位は m)

を満たす構成としたことを特徴とする永久磁石型回転電機。

3. 上記固定子のスロット数を Sとしたとき、上記 Pと上記 Sとが、 2 P < Sの関係を満たす構成としたことを特徴とする請求項 1または 2 に記載の永久磁石型回転電機。

4 . 上記固定子のスロット数を Sとしたとき、

上記 Pと上記 Sとが、 2 P ： S = 2 ： 3の関係を満たすとともに、上記 Pと上記 Dとが、

P-⁰⁵D < } .&5 (単位は m) の関係を満たす構成としたことを特徴とする請求項 1ないし 3のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。

5 . 上記固定子のスロット数を Sとしたとき、

上記 Pと上記 Sとが、 2 P ： S = 8 ： 9の関係を満たすとともに、上記 Pと上記 Dとが、

P^D < 0.43 (単位は m) の関係を満たす構成としたことを特徴とする請求項 1ないし 3のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。

6 . 上記固定子のスロット数を Sとしたとき、

上記 Pと上記 Sとが、 2 P： S = 1 0 ： 1 2の関係を満たすとともに、上記 Pと上記 Dとが、

Ρ-°'Ώ < 0,62 (単位は m) の関係を満たす構成としたことを特徴とする請求項 1ないし 3のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。

7. 上記回転子の磁極を構成する上記永久磁石を軸方向に分割して区分構造としたことを特徴とする請求項 1ないしは 6のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。

8. 永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子卷線がティースに集中的に卷き回された固定子とを有する風力発電用永久磁石型同期発電機であって、

上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [m] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P。 u _tとして、上記 Dを D= 0. 0 0 0 4 5 P。 _{u t} + l . 2以上としたとき、上記回転子に発生する渦電流損の割合を評価するパラメータ X(単位は m) を

X = (N + P ) i^_N-4 p 2_D

と定義し、上記 Xの値が所定の値より小さくなるように、上記、 P、 D、 Nの値を選択することを特徴とする風力発電用永久磁石型同期発電機。

9. 永久磁石による複数の磁極を有する回転子と電機子巻線がティースに集中的に卷き回された固定子とを有する風力発電用永久磁石型同期発電機であって、

上記回転子の磁極の極対数を P、上記回転子の直径を D [m] とし、上記回転子の電機子起磁力の所定の調波成分の空間次数を N (機械角 3 6 0度を 1次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力を P。 u _tとして、上記 Dを D= 0. 0 0 0 4 5 P。 _{u t} + l . 2以上としたとき、上記、 P、 D、 N力 S

(N十 P)¹⁵N-⁴尸² i) < 0.6 (単位は m ) を満たす構成としたことを特徴とする風力発電用永久磁石型同期発電機 ₍