(57)【要約】【課題】極数とティース数との間に見出された一定のルールに則って、最適化された極数及びティース数の組み合わせを有する回転電機を得る。【解決手段】回転子に同軸に配置される集中巻きステータ（５０）のティース数が、素数列において隣り合う素数（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１＜Ｐ２）の間に存在する３の倍数である整数Ｓを２倍した値であり、回転子の極数が、隣り合う素数（Ｐ１、Ｐ２）のいずれかを２倍した値（２Ｐ１、２Ｐ２）である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子に同軸に配置される集中巻きステータ（５０）のティース数が、素数列において隣り合う素数の間に存在する３の倍数である整数を２倍した値であり、
前記回転子の極数が、前記隣り合う素数のいずれかを２倍した値である回転電機（１００）。
【請求項２】
前記ティース数が２４以上である請求項１記載の回転電機（１００）。
【請求項３】
前記ティース数が１２の倍数である場合、極数が１２ｋ±２かつｋは３、５、７、１７である請求項１又は２記載の回転電機（１００）。
【請求項４】
前記ティース数が６の倍数である場合、極数が６ｍ±４かつｍは５、７、１３、１５であることを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機（１００）。
【請求項５】
前記回転子は、３６±２極で、前記ステータ（５０）は、３６ティースである請求項３記載の回転電機（１００）。
【請求項６】
回転電機（１００）の電磁気サイズがφ２００以上である請求項１乃至５のいずれか１項記載の回転電機（１００）。
【請求項７】
前記ステータ（５０）のコア外径がφ２００以上のインナーロータ型である請求項６記載の回転電機（１００）。
【請求項８】
前記回転子の外径がφ２００以上のアウターロータ型である請求項６記載の回転電機（１００）。
【請求項９】
前記ステータ（５０）のコア外径がφ２００以上のアキシャルギャップ型である請求項６記載の回転電機（１００）。
【請求項１０】
前記回転子は、永久磁石（６０）を含む請求項１乃至９のいずれか１項記載の回転電機（１００）。
【請求項１１】
前記回転子は、前記永久磁石（６０）がハルバッハ配列される請求項１０記載の回転電機（１００）。
【請求項１２】
前記回転子は、前記永久磁石（６０）が前記回転子の回転軸中央部寄りに配置される請求項１０記載の回転電機（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低速大トルクを必要とする車両及び航空機用の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、回転電機の巻線方式は、巻線ピッチが磁極ピッチπ（ラジアン）に等しい全節巻きと、磁極ピッチより短い短節巻きと、磁極ピッチより長い長節巻きと、の３つに大別される。
【０００３】
近年、短接巻きは、固定子巻線同士の接続が集中重ね巻きで設計製造されることが多い。全節巻きでは、固定子鉄心に収容できない部分の巻線、いわゆるコイルエンドの造形が複雑になり、結果としてコイルエンドを含む固定子の全長が大きくなるが、短節巻きにおいて集中重ね巻きを行うとコイルエンドがすっきり設計できるからである。
【０００４】
しかしながら、集中重ね巻きでは、巻線ピッチが全節ピッチから外れるので、短節係数が低下して、回転電機の性能が低下することが一般に知られている。例えば、一般的な８極１２スロットでは短節係数が０．８６６となる。これは回転電機の出力トルクの理想値を１とした場合に、実際の出力トルクが０．８６６に低下することを意味する。
【０００５】
回転電機の出力トルクの低下を改善するため、巻線ピッチを（６±１）／６πにすると共に、回転子及び固定子の構成を１０極１２ティース又は１４極１２ティース等とすることが知られている。
【０００６】
特許文献１には、巻線ピッチを（９±２）／９πにすると共に、回転子及び固定子の構成を１４極１８ティース等にした回転電機の発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許５９０５１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１等に開示されている回転電機は、上記の極数及びティース数を採用することにより、回転電機の出力トルクの改善、並びに回転電機の振動及び騒音の抑制を達成しているが、上記の極数及びティース数をどのようにして決定するかが問題となる。
【０００９】
一例として、様々な極数及びティース数の組み合わせの試行錯誤を重ねて、回転電機における効率のよい極数及びティース数の組み合わせを決定する。かかる試行錯誤は、効率のよい極数及びティース数の組み合わせの決定に至るまで、多大な時間、コスト及び労力が必要となる。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みて創作されたものであり、極数とティース数との間に見出された一定のルールに則って、最適化された極数及びティース数の組み合わせを有する回転電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明に係る回転電機（１００）は、回転子に同軸に配置される集中巻きステータ（５０）のティース数が、素数列において隣り合う素数の間に存在する３の倍数である整数を２倍した値であり、前記回転子の極数が、前記隣り合う素数のいずれかを２倍した値である。
【００１２】
この様に構成することで、試行錯誤によらず、極数とティース数との間に見出された一定のルールに則って、最適化された極数及びティース数の組み合わせを有する回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態に係る回転電機における素数列に基づいた一定のルールによる極数及びティース数の一例を示した表である。
【図２】本実施の形態に係る回転電機における、素数を基準とした設計ルールに基づいて対称３相巻線が成立する回転電機の極数及びティース数の組み合わせの一例を示した表である。
【図３】本実施の形態に係る回転電機における、３４極３６ティースのステータの巻線と永久磁石の配列の一例を示した展開図である。
【図４】３４極３６ティースの回転電機における各相の配置の一例を示した対照表である。
【図５】本実施の形態に係る回転電機の回転軸に直交する平面上に配置されたステータの３４極３６ティースの配列の一例を示した説明図である。
【図６】１０極１２ティースの配置の一例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。本実施形態における回転電機は、例えば車両動力源及び航空機用動力源として用いられる低速大トルクの回転電機である。
【００１５】
従来、回転電機の極数とティース数との間には法則性が見出されていなかったが、本実施の形態に係る回転電機の開発において、特殊な集中巻きの極数とティース数との間には、以下のような一定のルールが存在することが発見された。本実施の形態では、当該ルールに則って設計した回転電機であるモータ、さらには発電機を提供する。さらには、回転電機及び発電機の設計を一層効果的にするための諸元を明確にした。
【００１６】
極数とティース数との間に存在する一定のルールは、回転子に同軸に配置される集中巻きステータのティース数が、素数列において隣り合う素数（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１＜Ｐ２）の間に存在する３の倍数である整数Ｓを２倍した値（２Ｓ＝Ｐ１＋Ｐ２）であり、回転子の極数が、隣り合う素数（Ｐ１、Ｐ２）のいずれかを２倍した値（２Ｐ１、２Ｐ２）であるというものである。
【００１７】
かかる設計ルールを、図１を用いて詳細に説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各々は、１行目に素数の列を昇順で並べて示す。２行目には隣接する素数（Ｐ１、Ｐ２）の中間の値（（Ｐ１＋Ｐ２）／２）を示す。例えば、素数１１と素数１３の中間値は１２である。３行目は２行目の数字の２倍の値（Ｐ１＋Ｐ２）を示す。これが本実施の形態に係る回転電機の固定子のティースの数である。４行目には１行目の素数の値の２倍の数値が記載されており、かかる値が本実施の形態に係る回転電機の極数を示す値である。従って、表１の１列目をブランクとすると、２列目に記載されている組み合わせが１０極１２ティースの固定子巻線を示す。同様に３列目の組み合わせが１４極１２ティース、６列目が２２極２４ティース、７列目が２６極２４ティースとなる。
【００１８】
図１（Ａ）の１〜６列目までの組み合わせ（１０極１２ティース〜２２極２４ティース）は既に公知であるが、図１（Ａ）の７列目以降の組み合わせはその限りではない。
【００１９】
また、図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各々は、５行目に巻線ピッチ、すなわち隣接する１ティース分の電気角度を表している。巻線ピッチの値の整数倍に２／３π又は４／３πが出現すれば対称３相巻線として成立することを示す。図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各々の８行目には、〇×で対称３相巻線として成立するか否かを示している。
【００２０】
例えば、８列目の２６極３０ティースは隣接するティースのピッチが１３／１５πであり１番目のティースを起点とすると１１番目のティースが１３０／１５π（巻線ピッチの１０倍）、即ち（８＋２／３）πとなる。同様に２１番目のティースが２６０／１５π（巻線ピッチの２０倍）、すなわち、（１６＋４／３）πとなる。
【００２１】
従って、１１番目と２１番目のティースに２／３πと４／３πが出現することで対称３相巻線として成立することを意味する。すなわち、複数のティースのうち、機械的に１２０度及び２４０度のいずれかの位置に存在するティースが、電気的に１２０度及び２４０度のいずれかに割り付けられることを意味する。巻線ピッチの値の整数倍に２／３π又は４／３πが出現するか否かのルールは、他の極数及びティース数の組み合わせの巻線ピッチでも成立する。
【００２２】
しかしながら、図１（Ａ）の１４列目に示した４６極５２ティースの組み合わせに上記のルールを適用すると、４６極５２ティースでは隣接するティースの間隔は２３／２６πであり、かかる値の整数倍で最も４／３πに近い値を含むものは８番目のティースである。２３／２６πを７倍した結果は１６１／２６πとなり、当該結果は（５＋３１／２６）πである。３１／２６πは１．１９πラジアンであり、４／３π、すなわち１．３３πラジアンよりは小さい。従って、かかる組み合わせでは対称３相巻線が成立しない。同様に１５列目の５８極５２ティースも対象３相巻線とはならない。
【００２３】
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各々に示した素数を基準とした組み合わせで対称３相巻線が成立する条件は、２行目の数値、即ち隣接する素数の中間の値が３の倍数であることが必要となる。
【００２４】
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各々の６行目に、極数及びティース数の組み合わせに応じた巻線の短節係数を示す。図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を見ると、特に極数が大きくなるにつれて短節係数が限りなく１に近づき、８０極を超えると、略０．９９９となることが分かる。
【００２５】
極数が大きくなるに従って短節係数が１に近付くことは、回転電機に低速大トルクが要求されるような用途では、大径偏平で極数を８０以上とすることが望ましいことを示している。特に磁気回路外径が２００を超えてくると、多極の回転電機の設計製造が比較的容易になる。本実施の形態に係る回転電機は、電磁気サイズがφ２００以上を想定しており、より具体的には、ステータコア外径がφ２００以上のインナーロータ型回転電機、又はロータ外径がφ２００以上のアウターロータ型の回転電機である。さらには、ステータコア外径がφ２００以上のアキシャルギャップ型である回転電機でもよい。
【００２６】
また、図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各々の７行目には、３行目に示したティース数を、巻線を基本的な２−３系列（２極３ティースの整数倍）で実現する際の極数が参考値として示してある。対称３相巻線が成立する場合、７行目の数値が整数となることが特徴的である。
【００２７】
素数を基準とした設計ルールに基づいて対称３相巻線が成立する回転電機の極数及びティース数の組み合わせの一例を図２に示す。
【００２８】
図２（Ａ）は、ティース数が６の倍数（除く１２の倍数）で成立可能な極数を、図２（Ｂ）は、ティース数が１２の倍数で成立可能な極数を、各々示している。図２（Ａ）、（Ｂ）に示したように、ティース数が６の倍数の場合と、ティース数が１２の倍数の場合と、の各々で成立可能な極数に相関性が見られる。具体的には、ティース数が６の倍数の場合の極数は、ティース数に４を加算するか減算するかによって決定できる。ティース数が１２の倍数の場合の極数は、ティース数に２を加算するか減算するかによって決定できる。
【００２９】
図２（Ａ）、（Ｂ）に示したティース数と極数との関係は、以下のように一般化できる。ティース数が１２の倍数である場合、極数は１２ｋ±２（ｋは一例として３、５、７、１７）となる。また、ティース数が６の倍数である場合、極数は６ｍ±４  （ｍは一例として４、５、７、１３、１５）となる。
【００３０】
以上、図１、２を用いて説明した回転電機の巻線のルールは、回転電機の構造を問わず、対称３相を要求されるものであれば、アウターロータ、インナーロータ、アキシャルギャップ型、又はそれらの複数ギャップ型に適用してもよい。
【００３１】
続いて、本実施の形態に係る回転電機の、より具体的な構成について説明する。３４極３６ティースのステータ５０の巻線と永久磁石６０の配列の一例を図３に示す。
【００３２】
１周を３４分割したピッチ１０．５８８度が電気的にπラジアンとなるため、隣り合うティースの間隔は３４／３６π、即ち１７／１８πラジアンとなる。
【００３３】
図３に示したように、各々のティースを識別するために連番を付している。各々のティースには複数回導線を巻装するが、巻回数は全てのティースで同等である。また、隣り合う巻線の通電方向は逆になるように結線する。本実施の形態では奇数番目のティースは反時計回り、偶数番目のティースには時計回りに通電できるように結線する。
【００３４】
図３に示したティースの各々は、連続する３ティース単位で１つの相を構成する。従って、ティース番号１、２、３でＵ相、４、５、６でＷ相の反転側、７、８、９でＶ相、１０、１１、１２でＵ相の反転側、１３、１４、１５でＷ相、１６、１７、１８でＶ相の反転側、１９、２０、２１でＵ相、２２、２３、２４でＷ相の反転側、２５、２６、２７でＶ相、２８、２９、３０でＵ相の反転側、３１、３２、３３でＷ相、３４、３５、３６Ｖ相の反転側を構成する。
【００３５】
また、各３ティース単位のうち、中央の巻線は両端の巻線とは極性が反転しているので、ティース番号１、２、３は、各々Ｕ相、−Ｕ相、Ｕ相に対応する。同様にティース番号４、５、６は−Ｗ相、Ｗ相、−Ｗ相となる。これらの対照表を図４に示す。
【００３６】
各巻線の端末にＵ、−Ｕ、Ｖ、−Ｖ、Ｗ、−Ｗを記し、例えば−Ｕ端子、−Ｖ端子、−Ｗ端子を束ねて中性点とし、Ｕ端子、Ｖ端子、Ｗ端子を端末とする対称３相Ｙ巻線とすればよい。あるいは、Ｕと−Ｖ、Ｖと−Ｗ、Ｗと−Ｕを結線した、対称３相△巻線としてもよい。
【００３７】
前述の通り、隣り合うティースの間隔が電気角で１７／１８πであるから、１番ティースと７番ティースの間隔は６×１７／１８π＝（５＋２／３）πであるから、２／３πピッチである。同様に１番ティースと１３番ティースの間隔は１２×１７／１８π＝（１０＋４／３）πであるから、４／３πピッチである。従って、１番ティースを基準にＵ相を割り付けて、７番ティースにＶ相、１３番ティースにＷ相を割り付ければ対称３相巻線となる。
【００３８】
図５に示したように、３４極３６ティースの配列では、ティースの各々は円状に配置されるので、円の１周（３６０度）を電気角１周期２πラジアンに割り付けて各々のティースを配置する。なお、図５における「１７／１８π＝１０ｄｅｇＭ」の記載は、電機角１７／１８πが機械角１０度に相当することを示している。
【００３９】
図５の〇の数字は、図３、４に示したティース番号を示しているが、図５では、ティース番号が隣り合うティースを、上述の電気角１７／１８πで隔てて配列している。例えば、図１（Ａ）を参照すると、３４極３６ティースの構成で隣接するティース１とティース２との間隔は電気角度で１７／１８πであるから、図５では時計回りに１７／１８π、即ち１７０度の位置にティース２を配置する。同様にティース２から時計回りに１７／１８πだけ進んだ位置にティース３を配置する。このように順次ティースを配置すると図５に示したように各々のティースが配置される。これに各相を割り付けると、ティース１とティース３との間にティース２０が配置されることになる。ティース２０は−Ｕ相なので、見かけ上、Ｕ相であるティース１とティース３との間に−Ｕ相であるティース２が配置されることになる。従って、連続する３ティースに渡ってＵ相、−Ｕ相、Ｕ相の巻線列が構成できる。
【００４０】
かかる構成の３相巻線に対称３相交流を通電すると、回転子の磁極配列との相互作用で見かけ上３４極の回転磁界を生成できる。
【００４１】
図３が実空間の巻線配置を示しているのに対し、図５は仮想の磁気空間における巻線配置を示したものになる。特にこの３４極３６ティース（３８極３６ティースも同様）は各極分が均等な正方形、例えばＵ相群はティース１、２０、３と、ティース２８、１１、３０と、ティース１９、２、２１と、ティース１０、２９、１２との各々が略正方形に配置され、Ｕ相群を構成するティースを頂点とした場合、当該頂点同士を結ぶ線分（前述の正方形の対角線）が略直交する状態を呈している。Ｖ相群及びＷ相群の各々のティースも、Ｕ相群の各々のティースと同様に、Ｕ相群、Ｗ相群の各々を構成するティースを頂点とした略正方形を想定でき、当該頂点同士を結ぶ線分が略直交する。従って、図５に示した３４極３６ティースの回転電機１００は、同相のティース群を頂点とした略正方形を想定でき、同相のティース群同士を結ぶ線分が略直交する状態を呈する。
【００４２】
同相のティース群同士を結ぶ線分が略直交することにより、回転電機１００における内部空間磁界の歪を抑制することが可能となるので、回転電機１００の騒音を小さくできる。
【００４３】
比較のために１０極１２ティースの配置を図６に示す。図６では、Ｕ相群は長方形の配置（ティース１、８、７、２）となり、生成磁界に異方性が生じている。かかる生成磁界の異方性は、回転電機の騒音の原因となり得る。
【００４４】
図５に示した巻線構成は、回転電機１００の回転子構造には依存せずに設計可能である。例えば回転子が固定子の内側で回転するインナーロータ型でもよいし、回転子が固定子の外側で回転するアウターロータ型でもよいし、回転子が固定子と回転軸方向に対向して回転するアキシャルギャップ型でもよい。
【００４５】
回転子は磁石併用型でもよいし、界磁巻線型でもよい。永久磁石６０の配列は任意に設計可能で、最もエネルギー効率のよいハルバッハ配列のものに適用してもよい。また、永久磁石６０が回転子の回転軸の中央部寄りに配置されるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型であってもよい。
【００４６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、極数とティース数との間に見出された一定のルールに則って、最適化された極数及びティース数の組み合わせを有する回転電機１００を得ることができる。
【００４７】
極数とティース数との間に存在する一定のルールは、回転子に同軸に配置される集中巻きステータ（５０）のティース数が、素数列において隣り合う素数（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１＜Ｐ２）の間に存在する３の倍数である整数Ｓを２倍した値（２Ｓ＝Ｐ１＋Ｐ２）であり、回転子の極数が、隣り合う素数のいずれかを２倍した値（２Ｐ１、２Ｐ２）であるというものである。
【００４８】
また、ティース数が６の倍数の場合の極数は、ティース数に４を加算するか減算するかによって決定できる。ティース数が１２の倍数の場合の極数は、ティース数に２を加算するか減算するかによって決定できる。
【００４９】
本実施の形態に係る回転電機１００では、従来は試行錯誤に依存していた極数及びティース数の組み合わせの決定を、素数列に基づいた明快なルールにより容易に行うことができる。その結果、最適化された極数及びティース数の組み合わせを有する回転電機の設計開発を迅速かつ低コストで行うことが可能となる。
【００５０】
また、本実施の形態に係る回転電機１００は、図５に示したように、同相のティース群を頂点とした略正方形を想定でき、同相のティース群同士を結ぶ線分が略直交する構成を採用することが可能である。かかる構成により、回転電機１００における内部空間磁界の歪を抑制することが可能なので、回転電機１００の騒音を小さくできるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００５１】
５０  ステータ、１００  回転電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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