(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固定子極用突起部を固定子本体の外周面に並んで有する固定子と、該固定子の周りに回転可能に設けられ、複数の回転子極用突起部を有する回転子と、からなり、
上記複数の固定子極用突起部、上記複数の回転子極用突起部の何れか一方の各突起部は、その側面側が上記回転子の回転方向又はその逆方向に向けて切り欠かれて高さが低くなっており、
上記複数の固定子極用突起部は、軸方向に所定長はなれて第１の固定子極用突起群及び第２の固定子極用突起群に分離されており、上記第１の固定子極用突起群及び上記第２の固定子極用突起群は、何れも上記固定子極用突起部を周方向に間隔をあけて並べて構成され、
上記回転子は、軸方向に所定長はなれて分離した第１リング部及び第２のリング部と、該第１リング部及び第２のリング部の各内周面に間隔をあけて並べた第１の回転子極用突起群及び第２の回転子極用突起群と、で構成され、
上記第１の固定子極用突起群と上記第２の固定子極用突起群とが位相を同じにして配置され、かつ、上記第２の回転子極用突起群が上記第１の回転子極用突起群に対し電気的な位相が半周期ずれる機械角だけ軸回りにずらして設けられていることにより、半周期ずれている同じ形状のトルク波形を重畳し、トルク波形のうち基本波と奇数次の高調波成分を相殺した、発電装置。
【請求項２】
複数の固定子極用突起部を固定子本体の外周面に並んで有する固定子と、該固定子の周りに回転可能に設けられ、複数の回転子極用突起部を有する回転子と、からなり、
上記複数の固定子極用突起部、上記複数の回転子極用突起部の何れか一方の各突起部は、その側面側が上記回転子の回転方向又はその逆方向に向けて切り欠かれて高さが低くなっており、
上記複数の固定子極用突起部は、軸方向に所定長はなれて第１の固定子極用突起群及び第２の固定子極用突起群に分離されており、上記第１の固定子極用突起群及び上記第２の固定子極用突起群は、何れも上記固定子極用突起部を周方向に間隔をあけて並べて構成され、
上記回転子は、軸方向に所定長はなれて分離した第１リング部及び第２のリング部と、該第１リング部及び第２のリング部の各内周面に間隔をあけて並べた第１の回転子極用突起群及び第２の回転子極用突起群と、で構成され、
上記第１の回転子極用突起群と上記第２の回転子極用突起群とが位相を同じにして配置され、かつ、上記第２の固定子極用突起群が上記第１の固定子極用突起群に対し電気的な位相が半周期ずれる機械角だけ軸回りにずらして設けられていることにより、半周期ずれている同じ形状のトルク波形を重畳し、トルク波形のうち基本波と奇数次の高調波成分を相殺した、発電装置。
【請求項３】
前記複数の回転子極用突起部は、それぞれ、上記回転子の回転方向に沿って突起の高さが低くなる第１のテーパー面と上記回転子の回転逆方向に沿って突起の高さが低くなる第２のテーパー面とを有する、請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記複数の回転子極用突起部の各先端部は、前記第１のテーパー面と前記第２のテーパー面との間に断面円弧状の突出面を有する、請求項３に記載の発電装置。
【請求項５】
前記複数の固定子極用突起部は、それぞれ、上記回転子の回転方向に沿って突起の高さが低くなる第１のテーパー面と上記回転子の回転逆方向に沿って突起の高さが低くなる第２のテーパー面とを有する、請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項６】
前記複数の固定子極用突起部の各先端部は、前記第１のテーパー面と前記第２のテーパー面との間に断面円弧状の突出面を有する、請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
前記固定子には軸を挟んで対向する位置に磁石が対をなすように設けられている、請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項８】
前記磁石は前記固定子の軸に対して十字方向に配置されている、請求項７に記載の発電装置。
【請求項９】
前記磁石はフェライト磁石である、請求項７又は８に記載の発電装置。
【請求項１０】
前記固定子は、固定子本体の中心軸周りにＮ（≧２）個の磁石を等間隔に該固定子本体に組み付けて構成され、上記Ｎ個の磁石は、それぞれ上記固定子本体の中心軸から前記回転子の方向に延びるよう、且つ、上記固定子本体の中心軸方向に平行な面で互いに３６０／Ｎ度を成す面同士が同極となるよう、配置されている、請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記固定子は、固定子本体の中心軸周りに第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石及び第４の磁石を等間隔に該固定子本体に組み付けて構成され、上記第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石及び第４の磁石は、それぞれ上記固定子本体の中心軸から前記回転子の方向に延びるよう、且つ、上記固定子本体の中心軸方向に平行な面で互いに９０度を成す面同士が同極となるよう、配置されている、請求項１又は２に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気回路の磁気抵抗変化を利用した可変磁気抵抗型の発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化及び省エネルギー対策のため、風力発電、小水力発電、マイクロガスタービンなどの分散型発電への期待が高まっており、分散型発電のために中容量から小容量の発電機の需要が増大している。特に、風力発電用や小水力発電用の発電機では、装置を小型化する必要があるため、高価な希土類磁石が一般的に用いられている。【０００３】
一方、低速からの発電を可能とし、コギングトルクやトルクリプルを小さくするため、発電装置の構造としてコアを有しない、所謂コアレスタイプの発電装置が有望視されている。ここで、一般に、コギングトルクとは、巻線を開放した状態、即ち巻線電流が流れない状態におけるトルクの脈動のことであり、回転子を回したときに磁石と鉄心とが引き付け合うことによってコギングトルクが生じる。一方、トルクリプルとは、巻線に負荷を接続した状態、即ち巻線電流が流れる状態におけるトルクの脈動のことであり、回転子を回したときに磁石と鉄心と巻線電流による電磁力との相互作用によってトルクリプルが生じる。【０００４】
特許文献３では、巻線が巻回された突極を備えるステータと、突極を備えるロータとからなるリラクタンスモータにおいて、ステータ側の突極と、ロータ側の突極との一方の先端面の角部を面取りし、巻線のインダクタンスに大きな高調波成分が含まれないようにしている。【０００５】
特許文献４では、ステータとロータとを含み、ロータの突極部の先端を左右非対称に切り欠きを設け、この切り欠きの効果により、回生運転時のトルクリプルを低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３１１７１１号公報
【特許文献２】特開２００２−２６２５３３号公報
【特許文献３】特開２０００−１５２５７７号公報（請求項２、段落［００２０］、［００２１］）
【特許文献４】特開２００６−１４９０３０号公報（要約）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、コアレスタイプの発電装置では、出力密度が小さくなるばかりか、希土類磁石などのコスト高の材料を用いているため、発電装置の低廉化が図れないという課題がある。【０００８】
特許文献１では、２つの電機子、即ち回転子が電気的に１８０度までの任意の位置関係となるよう回転機の構成が開示されているが、これは、巻線占積率の向上や励磁力を向上させるためのものに過ぎない。【０００９】
一方、コギングトルクやトルクリプルを低減するために、特許文献２では、回転子極の傾斜スキューを用いている。しかし、傾斜スキューを用いた場合、トルクリプルを小さくできるものの、発電機の出力も低下する問題がある。【００１０】
特許文献３に開示されているリラクタンスモータにあっては、インダクタンスの分布を正弦波とし、かつ正弦波電流で励磁すれば、トルクリプルを小さくすることは可能ではある。しかしながら、このリラクタンスモータは、スイッチトリラクタンスモータと呼ばれている種類に属するものであり、このモータを高出力、高効率で運転するためには、正弦波ではなく、矩形波電圧で励磁することが一般的である。従って、特許文献３に開示されているリラクタンスモータは、トルクリプルを小さくすることができても、出力や効率が悪いと考えられる。【００１１】
特許文献４に開示された発明によればトルクリプルをある程度減らすことができるが、原理的にゼロにすることはできない。【００１２】
そこで、本発明では、発電効率を低下させずに、低トルクリプルの発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、固定子に永久磁石を埋め込んだ三相可変磁気抵抗型発電装置等の開発をしてきた経緯を踏まえ、複数の固定子構造を採用すると共に、ロータをアウター側に配置し、固定子をインナー側に配置し、固定子に磁石を取り付けることでコアを有する構造とする一方、回転子における回転子極の先端部の形状を工夫することによりトルクリプルを従来の５０％以下に低減することに成功し、本発明を完成するに至った。また、固定子に埋め込む永久磁石として低コストのフェライト磁石を採用しても出力低下を招かないことができた。【００１４】
上記目的を達成するために、本発明による発電装置の第１の構成は、複数の固定子極用突起部を固定子本体の外周面に並んで有する固定子と、固定子の周りに回転可能に設けられ、複数の回転子極用突起部を有する回転子と、からなり、複数の固定子極用突起部、複数の回転子極用突起部の何れか一方は、それぞれ、回転子の回転方向、逆方向の何れかに沿って突起の高さが低くなっており、複数の固定子極用突起部は、軸方向に所定長はなれて第１の固定子極用突起群及び第２の固定子極用突起群に分離されており、第１の固定子極用突起群及び第２の固定子極用突起群は、何れも上記固定子極用突起部を周方向に間隔をあけて並べて構成され、回転子は、軸方向に所定長はなれて分離した第１のリング部及び第２のリング部と、複数の回転子極用突起部のうち半分が第１のリング部の内周面に周状に間隔をあけて並んでなる第１の回転子極用突起群と、複数の回転子極用突起部のうち半分が第２のリング部の内周面に周状に間隔をあけて並んでなる第２の回転子極用突起群と、を有しており、第１の固定子極用突起群と上記第２の固定子極用突起群とが位相を同じにして配置され、かつ、第２の回転子極用突起群が第１の回転子極用突起群に対し電気的な位相が１８０度ずれる機械角だけ軸回りにずらして設けられている。【００１５】
本発明による発電装置の第２の構成は、複数の固定子極用突起部を固定子本体の外周面に並んで有する固定子と、固定子の周りに回転可能に設けられ、複数の回転子極用突起部を有する回転子と、からなり、複数の固定子極用突起部、複数の回転子極用突起部の何れか一方は、それぞれ、回転子の回転方向、逆方向の何れかに沿って突起の高さが低くなっており、複数の固定子極用突起部は、軸方向に所定長はなれて第１の固定子極用突起群及び第２の固定子極用突起群に分離されており、第１の固定子極用突起群及び第２の固定子極用突起群は、何れも固定子極用突起部を周方向に間隔をあけて並べて構成され、回転子は、軸方向に所定長はなれて分離した第１のリング部及び第２のリング部と、複数の回転子極用突起部のうち半分が第１のリング部の内周面に周状に間隔をあけて並んでなる第１の回転子極用突起群と、複数の回転子極用突起部のうち半分が第２のリング部の内周面に周状に間隔をあけて並んでなる第２の回転子極用突起群と、を有しており、第１の回転子極用突起群と第２の回転子極用突起群とが位相を同じにして配置され、かつ、第２の固定子極用突起群が第１の固定子極用突起群に対し電気的な位相が１８０度ずれる機械角だけ軸回りにずらして設けられている。【００１６】
上記第１及び第２の何れかの構成において、好ましくは、複数の回転子極用突起部は、それぞれ、回転子の回転方向に沿って突起の高さが低くなる第１のテーパー面と回転子の回転逆方向に沿って突起の高さが低くなる第２のテーパー面とを有する。特に、複数の回転子極用突起部の各先端部は、第１のテーパー面と第２のテーパー面との間に断面円弧状の突出面を有する。【００１７】
上記第１及び第２の何れかの構成において、好ましくは、複数の固定子極用突起部は、それぞれ、回転子の回転方向に沿って突起の高さが低くなる第１のテーパー面と回転子の回転逆方向に沿って突起の高さが低くなる第２のテーパー面とを有する。特に、複数の固定子極用突起部の各先端部は、第１のテーパー面と前記第２のテーパー面との間に断面円弧状の突出面を有する。【００１８】
上記第１及び第２の何れかの構成において、好ましくは、固定子には軸を挟んで対向する位置に磁石が対をなすように設けられ、特に好ましくは、磁石は固定子の軸に対して十字方向に配置されており、当該磁石はフェライト磁石を用いることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の第１の構成によれば、複数の固定子極用突起部及び複数の回転子極用突起部の何れか一方のそれぞれが回転子の回転方向、逆方向の何れかに沿って突起の高さが低くなっていること、即ち、回転子極、固定子極の何れか一方の先端部をテーパー状としたことにより、回転子が固定子の周りに同軸に回転した際、奇数次成分を有するトルク波形が生成される。しかも、第１の固定子極用突起群と第２の固定子極用突起群とが位相を同じにして配置され、かつ第１の回転子極用突起群の各突起部と第２の回転子極用突起群の各突起部とは、電気的位相のずれが１８０度、即ち半周期を保つように配置されているので、上記トルク波形の奇数次成分が打ち消され直流成分のみが残る。よって、トルクリプルを低減することができる。【００２０】
本発明の第２の構成によれば、複数の固定子極用突起部及び複数の回転子極用突起部の何れか一方のそれぞれが回転子の回転方向、逆方向の何れかに沿って突起の高さが低くなっていること、即ち、回転子極、固定子極の何れか一方の先端部をテーパー状としたことにより、回転子が固定子の周りに同軸に回転した際、奇数次成分を有するトルク波形が生成される。しかも、第１の回転子極用突起群と第２の回転子極用突起群とが位相を同じにして配置され、かつ第１の固定子極用突起群の各突起部と第２の固定子極用突起群の各突起部とは、電気的位相のずれが１８０度、即ち半周期を保つように配置されているので、上記トルク波形の奇数次成分が打ち消され直流成分のみが残る。よって、トルクリプルを低減することができる。【００２１】
さらに、固定子が内側に配置され、回転子が外側に配置され、磁石や巻線が固定子に配置されているので、小型化も容易に実現できるし、コアありの構造を採用しているので、出力の低下を招かない。特に、磁石として希土類磁石と比べて安価なフェライト磁石を用いることで、低廉化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る発電装置の断面図である。
【図２】図１に示す発電装置における固定子と回転子との関係を模式的に示し、（Ａ）はある方向からみた斜視図、（Ｂ）は別の方向からみた斜視図である。
【図３】図１に示す発電装置における固定子と回転子との関係を示す側面図である。
【図４】図１に示す回転子の一部を示す側面図である。
【図５】ＰＭＲＧを二段積み上げた場合のトルク波形を示す図である。
【図６】回転子における各突起部の一例を示す側面図である。
【図７】図６に示す切り落とし角θとトルク波形との関係を示す図であり、（Ａ）は切り落とし角θが０°の場合、（Ｂ）は切り落とし角θが３°の場合、（Ｃ）は切り落とし角θが５°の場合を示す。
【図８】回転子における各突起部の別例を示す側面図である。
【図９】回転子における各突起部が図８に示す形状を有する場合におけるトルク波形を示す図であり、（Ａ）はλ１が４．５ｍｍ、θ１が５°である場合、（Ｂ）はλ１が４ｍｍ、θ１が１０°である場合、（Ｃ）はλ１が６ｍｍ、θ１が５°である場合、（Ｄ）はλ１が６ｍｍ、θ１が１０°である場合を示す。
【図１０】突起部の先端部が、両側にテーパー面をそれぞれ備え中央部が湾曲面を有する場合のトルク波形を示す図である。
【図１１】第２の実施形態に係る発電装置の側面図である。
【図１２】図１１に示す固定子に設けられる突起部の拡大側面図である。
【図１３】本発明の実施例において、回転数を１０００ｒｐｍとしたときの最大出力時のトルク波形を示す図である。
【図１４】上記実施例において、発電装置の実証実験システムを示す図である。
【図１５】上記実施例において、巻線を解放した状態、即ち無負荷状態において巻線に誘起される電圧波形を示す図であり、（Ａ）は計算波形を、（Ｂ）は観測波形を示す。
【図１６】上記実施例において、各回転数における無負荷誘起電圧の実効値を示す図である。
【図１７】試作した発電装置の発電特性を示す図である。
【図１８】各回転数での最大出力時における効率の実測値を示す図である。
【図１９】シミュレーション結果を示す図であり、（Ａ）はフェライト磁石を採用した場合を、（Ｂ）は希土類磁石としてネオジム磁石を採用した場合を示す。
【符号の説明】
【００２３】
１：発電装置
１０，６０：固定子
１１，６１：固定子本体
１２，６２：突起部（固定子極用突起部）
１２Ａ，６２Ａ：第１の突起群（第１の固定子極用突起群）
１２Ｂ：第２の突起群（第２の固定子極用突起群）
１３，６６：巻線
１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ，６４Ｄ：磁石
１５：中空
２０，７０：回転子
２１Ａ，７１Ａ：第１のリング部
２１Ｂ：第２のリング部
２２，７２：突起部（回転子極用突起部）
２２Ａ，７２Ａ：第１の突起群（第１の回転子極用突起群）
２２Ｂ，７２Ｂ：第２の突起群（第２の回転子極用突起群）
２３，６３：突起部の先端部２３Ａ：突起部の中心部
２４，６５：対向面
２４Ａ，６５Ａ，：第１のテーパー面
２４Ｂ，６５Ｂ：第２のテーパー面
２４Ｃ，６５Ｃ：湾曲面
２４Ｄ，２４Ｅ：テーパー面
２４Ｆ：突出面
２５：外枠
２５Ａ：円筒部
２５Ｂ，２５Ｃ：側部
２６：動力伝達部
２６Ａ：先端部
２７：固定軸部
２８：ベアリング
５０：実証実験システム
５１：モータ
５２：トルクメータ
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明について幾つかの実施形態を示して詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る発電装置１の断面図であり、図２は図１に示す発電装置１における固定子１０と回転子２０との関係を模式的に示し、（Ａ）はある方向からみた斜視図、（Ｂ）は別の方向からみた斜視図である。図３は図１に示す発電装置１における固定子１０と回転子２０との関係を示す正面図である。
本発明の第１の実施形態に係る発電装置１では、図１乃至図３に示すように、固定子１０と回転子２０とを有する。固定子１０は円筒形状であり、その外周曲面には周状に間隔を開けて突起部１２が設けられ、突起部１２にそれぞれ巻線１３が装着されている。この突起部１２を特に固定子極用突起部又は単に固定子極１２と呼ぶことにする。回転子２０は固定子１０の外周曲面に対向するよう同軸上で軸方向に離れて第１のリング部２１Ａと第２のリング部２１Ｂとを有し、第１のリング部２１Ａ及び第２のリング部２１Ｂの内周面にはそれぞれに突起部２２が設けられている。この突起部２２を特に回転子極用突起部又は単に回転子極２２と呼ぶことにする。固定子１０及び回転子２０についての詳細な構成については後述する。
【００２５】
発電装置１は、さらに、例えば図１に示すように、固定子１０及び回転子２０のほかに、第１及び第２のリング部２１Ａ，２１Ｂを保持する外枠２５と、外枠２５に対し動力を伝達する動力伝達部２６と、動力伝達部２６における軸の延長上に設けられ、かつ固定子１０の中心軸上に配設される管状の固定軸部２７と、を備える。
【００２６】
以下、これら外枠２５、動力伝達部２６、固定軸部２７について詳細に説明する。固定軸部２７は管状であり、この固定軸部２７は固定子１０の中空部１５に挿通されている。外枠２５は、第１のリング部２１Ａ及び第２のリング部２１Ｂよりも径の大きい円筒部２５Ａと軸方向の一方の側部２５Ｂ及び他方の側部２５Ｃとで一体構成されている。外枠２５における側部２５Ｂ，２５Ｃの軸上の挿通口にはベアリング２８がそれぞれ取り付けられ、外枠２５はベアリング２８，２８により固定軸部２７に対して回転可能に取り付けられている。外枠２５における一方の側部２５Ｂの軸上には固定軸部２７が側部２５Ｂの外側から近接しており、固定軸部２７の延長線上に動力伝達部２６が同軸上に設けられている。動力伝達部２６の先端部２６Ａにはフランジが形成されており、動力伝達部２６の先端部２６Ａと外枠２５の一方の側部２５Ｂとは、図示しない螺子などの取付具で接続されている。
【００２７】
以上の構成により、風力や水力による回転力が動力伝達部２６に伝わると、その回転力が外枠２５に伝達され、回転子２０を回転する一方、固定子１０及びその中心軸に配設されている固定軸部２７は固定されたままである。その際、外枠２５における軸方向の一方側部２５Ｂと動力伝達部２６とは図示しない螺子などの取付具により接続されているが、その外枠２５における一方の側部２５Ｂと他方の側部２５Ｃにそれぞれベアリング２８，２８を介在しているので、動力伝達部２６の回転力が外枠２５を経由して回転子２０にスムーズに伝達される。
【００２８】
固定子１０の詳細な構成について説明する。固定子１０は、円筒形状の固定子本体１１に対し複数の突起部１２が固定子極として固定子本体１１の外周面に張り出すように設けられて構成されている。詳細には、固定子本体１１の外周面において軸方向に隙間を開けて第１の突起群１２Ａと第２の突起群１２Ｂとが設けられている。第１の突起群１２Ａ及び第２の突起群１２Ｂの各固定子極用突起部１２は、円筒の中心軸から所定の中心角を有するように断面略矩形状に形成されている。固定子極用突起部１２にはそれぞれコイル状に巻線１３が装着され、各巻線１３が接続されている。巻線１３は、例えば固定軸部２７に穿設された孔を経由して固定軸部２７の中空に配線されている。巻線１３は図２（Ａ），（Ｂ）には図示されていない。第１の突起群１２Ａ、第２の突起群１２Ｂを、それぞれ第１の固定子極用突起群、第２の固定子極用突起群と呼ぶことにする。
【００２９】
回転子２０の詳細な構成について説明する。回転子２０は、固定子１０の円筒外周面の外側で固定子１０と同心円状に配置される。回転子２０は、第１のリング部２１Ａと第２のリング部２１Ｂとが軸方向に隙間を開けて例えば外枠２５における円筒部２５Ａの内側に固定して設けられて構成される。ここで、第１のリング部２１Ａは、その内周面が固定子１０における第１の固定子極用突起群１２Ａに対向するように設けられる。第２のリング部２１Ｂは、その内周面が固定子１０における第２の固定子極用突起群１２Ｂに対向するように設けられる。第１のリング部２１Ａの内周面には複数の回転子極用突起部２２が設けられ、第１のリング部２１Ａに設けられている複数の回転子極用突起部２２で第１の突起群２２Ａを構成している。同様に、第２のリング部２１Ｂの内周面に複数の回転子極用突起部２２が設けられ、第２のリング部２１Ｂに設けられている複数の回転子極用突起部２２で第２の突起群２２Ｂを構成している。第１及び第２のリング部２１Ａ、２１Ｂの内周面に設けられた回転子極用突起部２２は回転子極として作用する。第１の突起群２２Ａ、第２の突起群２２Ｂをそれぞれ第１の回転子極用突起群２２Ａ、第２の回転子極用突起群２２Ｂと呼ぶことにする。
【００３０】
固定子１０及び回転子２０は上記のように構成されているので、回転子２０が外部の動力により回転すると、第１の回転子極用突起群２２Ａにおける各回転子極用突起部２２が固定子１０における第１の固定子極用突起群１２Ａの各固定子極用突起部１２と対向する状態、対向しない状態が生じ、同様に、第２の回転子極用突起群２２Ｂにおける各回転子極用突起部２２が固定子１０における第２の固定子極用突起群１２Ｂの各固定子極用突起部１２と対向する状態、対向しない状態が生じる。よって、固定子１０と回転子２０とで形成される磁気回路において磁気抵抗が変化し、固定子１０の各固定子極用突起部１２に装着されている巻線１３に誘導起電力が生じる。
【００３１】
ここで、回転子２０における第１の回転子極用突起群２２Ａと第２の回転子極用突起群２２Ｂとの関係について説明する。第１の回転子極用突起群２２Ａは第２の回転子極用突起群２２Ｂに対し回転中心軸に対して所定の角度だけずれている。具体的には、回転子２０における第２の回転子極用突起群２２Ｂは、回転子２０における第１の回転子極用突起群２２Ａに対し、電気的に位相が１８０度、即ち半周期ずれる機械角φだけ回転中心軸に対してずらして設けられている。図２（Ａ），（Ｂ）及び図３に示す形態では、固定子１０における第１の固定子極用突起群１２Ａ及び第２の固定子極用突起群１２Ｂには同数の固定子極用突起部１２が固定子極として設けられ、第１の突起群１２Ａ及び第２の突起群１２Ｂにおける各固定子極の数ｘは１２個であり、一方、回転子２０における第１の回転子極用突起群２２Ａ及び第２の回転子極用突起群２２Ｂには同数の回転子極用突起部２２が回転子極として設けられ、第１の突起群２２Ａ及び第２の突起群２２Ｂにおける各回転子極の数ｙは１６個である。よって、図３に示す機械角φは、３．７５°となる。一般的には、機械角φは、次式で求められる。
機械角φ＝１８０°×｜１／ｘ−１／ｙ｜
これにより、固定子１０における第１の固定子極用突起群１２Ａの各固定子極用突起部１２に装着されている巻線１３に生じる誘導起電力と、固定子１０における第２の固定子極用突起群１２Ｂの各固定子極用突起部１２に装着されている巻線１３に生じる誘導起電力とは、互いに電気的位相差が１８０度となる。ただし、図示のように、第１の固定子極用突起群１２Ａと第２の固定子極用突起群１２Ｂとは位相を同じにして配置されていることが必要となる。
【００３２】
ここで、本発明の第１の実施形態における主要な特徴点について説明する。
第１に、本発明の第１の実施形態では、前述したように、固定子１０において、第１の固定子極用突起群１２Ａ及び第２の固定子極用突起群１２Ｂは同一の形状を有しており、これら第１及び第２の固定子極用突起群１２Ａ，１２Ｂはそれぞれ円筒の中心軸から所定の中心角を有するように円弧状に複数の固定子極用突起部１２が形成されている。また、回転子２０において、同一形状の第１のリング部２１Ａと第２のリング部２１Ｂとは軸方向に間隔を開けて配置されている。そして、回転子２０における第１の回転子極用突起群２２Ａの各回転子極用突起部２２と回転子２０における第２の回転子極用突起群２２Ｂの各回転子極用突起部２２は、電気的位相が半周期である１８０度を保つように配置されている。換言すれば、固定子１０における第１の固定子極用突起群１２Ａと回転子２０における第１の回転子極用突起群２２Ａとで一段目のＰＭＲＧが構成され、固定子１０における第２の固定子極用突起群１２Ｂと回転子２０における第２の回転子極用突起群２２Ｂとで二段目のＰＭＲＧが構成され、一段目のＰＭＲＧと二段目のＰＭＲＧとは電気的位相が１８０度を保つように、回転子２０における第１の回転子極用突起群２２Ａと第２の回転子極用突起群２２Ｂとが前述の式で求められる機械角φだけ同心円状に軸方向にずれている。ここで、説明上、ＰＭＲＧ（permanent magnet reluctance generator）とは、固定子１０の外周面に周状に間隔を開けて設けた複数の固定子極と、これらの複数の固定子極に対応するように回転子２０の内周面に周状に間隔を開けて設けた複数の回転子極とのペアを呼ぶものとする。
これにより、電気的な位相が半周期ずれている同じ形状のトルク波形を重畳することができ、トルク波形のうち基本波と奇数次の高周波成分を相殺することができる。よって、トルクリプルを低減することができる。
【００３３】
第２に、本発明の第１の実施形態では、回転子２０における各回転子極用突起部２２が次のような形状を有する。図４は回転子２０の一部を示す側面図である。図４には、図３における回転子２０における第１のリング部２１Ａの一部と第１のリング部２１Ａの内周面から回転軸側に突出した回転子極用突起部２２を一つだけ示している。第２のリング部２１Ｂも同様な構成であるので図示を省略している。
図３及び図４に示すように、回転子２０における第１、第２のリング部２１Ａ，２１Ｂの内周面から張り出した各回転子極用突起部２２の先端部２３は、固定子１０との対向面２４が回転方向及び回転逆方向に沿って突起高さが低くなるようテーパー状に形成されており、しかも、固定子１０との対向面２４が対向面２４の中心部２３Ａにおいて断面円弧状に形成されている。即ち、回転子２０における各回転子極用突起部２２の先端部２３は、矢印で示す回転方向に沿って突起高さが低くなるように断面直線状の平面を有する第１のテーパー面２４Ａと、矢印と逆方向の回転逆方向に沿って突起高さが低くなるように断面直線状の平面を有する第２のテーパー面２４Ｂと、第１のテーパー面２４Ａと第２のテーパー面２４Ｂとの間に設けられた湾曲面２４Ｃと、を有する。ここで、湾曲面２４Ｃは回転子２０の回転中心軸から所定の曲率半径を有する。各回転子極用突起部２２がこのような形状を有することにより、トルクリプルを低減することができる。その理由については後述する。
【００３４】
第３に、本発明の第１の実施形態では、内側に固定子１０を設け、固定子１０の周りに回転子２０を配置している。磁気回路を構成する永久磁石と巻線１３とを固定子１０側に設けるようにしたので、多極構造のＰＭＲＧであっても磁石配置用スペースを十分確保することができる。例えば、固定子本体１１には、図３に示すように、固定軸部２７を挿通する中空部１５に対して断面十字状に各磁石１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄが組み込まれている。図３に示す「Ｓ」及び「Ｎ」は各磁石１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄの極性を示している。各磁石１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄの配置構成について詳細に説明すると、第１の磁石１４Ａ、第２の磁石１４Ｂ、第３の磁石１４Ｃ及び第４の磁石１４Ｄは中空部１５の中心軸に対する中心角が９０度をなすように配置されている。第１の磁石１４Ａは中空部１５から鉛直上方に延びるように配置されており、第２の磁石１４Ｂは第１の磁石１４Ａを９０度半時計回りに回転させた位置、即ち中空部１５から水平横に延びるように配置されており、第３の磁石１４Ｃは中空部１５から鉛直下方に延びるように配置されており、第４の磁石１４Ｄは中空部１５の中心軸に対し第２の磁石１４Ｂと対峙する位置に配置されている。その際、各磁石１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄは、軸方向に平行な面で相互に９０度を成す面同士が同極となるよう配置されている。図３に示す例では、第１の磁石１４Ａにおける第２の磁石１４Ｂ側の面をＮ極とし、第２の磁石１４Ｂにおける第１の磁石１４Ａ側の面をＮ極とし、第２の磁石１４Ｂにおける第３の磁石１４Ｃ側の面をＳ極とし、第３の磁石１４Ｃにおける第２の磁石１４Ｂ側の面をＳ極とし、第３の磁石１４Ｃにおける第４の磁石１４Ｄ側の面をＮ極とし、第４の磁石１４Ｄにおける第３の磁石１４Ｃ側の面をＮ極とし、第４の磁石１４Ｄにおける第１の磁石１４Ａ側の面をＳ極としている。各磁石１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄにおける極性は逆であってもよい。なお、図３に示す例では、固定子１０においてその中心軸周りに等間隔に４個の磁石１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄを組み付けているものの、中心軸周りに等間隔に複数の磁石を組み付けてもよい。
【００３５】
ここで、磁石１４Ａ乃至１４Ｄの素材としてはネオジム系、フェライト系などを用いることができるが、磁石１４Ａ乃至１４Ｄとしてフェライト磁石を用いても、ネオジム磁石を用いた場合と同様の発電出力及び効率を得ることができ、発電装置１の低廉化を図ることができる。この点については後述する。なお、固定子１０において磁石を配置しない部位や回転子２０は無方向性ケイ素鋼板（無方向性電磁鋼板とも呼ばれている。）で構成する。その他の部材、例えば外枠２５、動力伝達部２６及び固定軸部２７は非磁性体で構成すればよい。例えば外枠２５はアルミニウム、ステンレス等で構成することができる。
【００３６】
＜トルクリプルが低減できる理由＞
本発明の実施形態では、回転子２０における各回転子極用突起部２２が上述のような面を対向面２４として備えているので、トルクリプルを低減することができる。以下、この点について、開発経緯を説明しながら、詳細に説明する。
【００３７】
トルクリプルを低減するためには、周状に間隔を開けて固定子極を有する固定子と周状に間隔を開けて回転子極を有する回転子との組み合わせ、即ちＰＭＲＧを一段とするよりも、ＰＭＲＧを軸方向に多段積み上げた構造の方が有効である。ところが、多段のＰＭＲＧとした積み上げ構造を採用すると、発電装置全体が大型化し、構造が複雑となる。そこで、固定子１０及び回転子２０を次のように二段積み上げ構造、即ち二段のＰＭＲＧとすることが好ましい。具体的には前述したように、固定子１０では、同一形状の第１の固定子極用突起群１２Ａ及び第２の固定子極用突起群１２Ｂを備え、各固定子極用突起群１２Ａ，１２Ｂは円筒の中心軸に対して所定の中心角を有するように円弧状に複数の固定子極用突起部１２を配置して構成されている。回転子２０では、同一形状の第１のリング部２１Ａと第２のリング部２１Ｂとが軸方向に間隔を開けて配置される。回転子２０における第１の回転子極用突起群２２Ａの各回転子極用突起部２２と回転子２０における第２の回転子極用突起群２２Ｂの各回転子極用突起部２２は、電気的位相のズレが１８０度を保つように配置されている。固定子１０及び回転子２０の組み合わせ、即ちＰＭＲＧを二段積み上げ構造とすることで、電気的位相が半周期ずれた同じ形状のトルク波形を重畳することができ、トルク波形のうち基本波と奇数次高調波成分を相殺することができる。よって、トルクリプルを低減することができる。
【００３８】
しかしながら、固定子１０及び回転子２０の各突起群が一段である場合のトルク波形に含まれる偶数次高調波成分は、固定子１０及び回転子２０の各突起群を二段に積み上げた構造を採用しても残存する。
そこで、回転子極、即ち回転子２０の突起部２２の形状を改良することにより、トルク波形の偶数の高調波成分を抑え、ＰＭＲＧを２段積み上げた構造としたによりトルクリプルを低減することに、本発明者らは成功した。理論的なアプローチとして、この分野において最も信頼性の高い解析手法の一つである有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）による電磁場解析を行ったので、その結果を以下図５乃至８に示している。
【００３９】
図５は、ＰＭＲＧを二段積み上げた場合のトルク波形を示す図である。図５において横軸は回転子の位置を、縦軸はトルクをそれぞれ示す。図５から分かるように、一段目のＰＭＲＧによるトルク波形ＰＭＲＧ１（点線）と二段目のＰＭＲＧによるトルク波形ＰＭＲＧ２（一点破線）との電気的位相差が１８０度ずれている。しかし、一段目のＰＭＲＧによるトルク波形及び二段目のＰＭＲＧによるトルク波形の頂点が中央から左右にそれぞれずれている。図中、実線で示す波形は、トルク波形ＰＭＲＧ１とトルク波形ＰＭＧＲ２とを合成した波形である。そこで、回転子極の先端部分に傾斜を持たせることで、非対向位置直前の磁気抵抗の変化をより急激にし、トルク波形における正のピークから負のピークに至るまでの傾きがより大きくなるようにし、その結果、各トルク波形においてピークを境に左右対称になるようにすることを考えた。
【００４０】
図６は、回転子２０における各回転子極用突起部２２の一例を示す側面図である。第１のリング部２１Ａ及び第２のリング部２１Ｂに設けられる各回転子極用突起部２２は、図６に示すように、その先端部２３は回転方向に沿って突起高さが低くなるテーパー面２４Ｄを設けている。テーパー面２４Ｄは、回転逆方向の側面から回転方向の側面に対して切り落とし角θで切り欠かれて形成されている。図７は、図６に示す切り落とし角θとトルク波形との関係を示す図であり、（Ａ）は切り落とし角θが０°の場合、（Ｂ）は切り落とし角θが３°の場合、（Ｃ）は切り落とし角θが５°の場合を示す。横軸は回転子２０の位置を角度で示し、縦軸はトルクを示す。各波形の点線は一段のみのＰＭＲＧの場合のトルク波形であり、実線は二段組みのＰＭＲＧの場合のトルク波形を示す。なお、図６に示すように、回転子極用突起部２２の先端部２３はテーパー面２４Ｄが形成されているに過ぎない。回転数は１０００ｒｐｍとした。最大出力とリプル率は、それぞれ、θが０°の場合３７１Ｗ、４６．４％であり、θが３°の場合３５０Ｗ、４３．５％であり、θが５°の場合２７９Ｗ、６０．８％であった。図７から、切り落とし角θを大きくすると、トルク波形は負トルクのピーク値を境界にして左右対称な形に近づいている。切り落とし角θが０°、３°である場合、図５に示す結果と比べるとトルクリプルが低減され、切り落とし角θが５°であるとき、最も左右対称な形状である。しかしながら、切り落とし角θが５°であるときピーク値付近に見られるように高次の高調波成分が増加したため、切り落とし角θが０°であるときより、リプルが大きい。これは切り落とし角θを増加したことにより、回転子極先端の鋭角部分に磁束が集中するためと考えられる。切り落とし角θの増加に伴い出力電力も減少する。
【００４１】
以上のことから、各回転子極用突起部２２が図６に示す形状を有する場合には、ある程度リプルを低減することができる。しかし、さらにリプルを低減させるために、磁束の過度な集中を緩和するための形状として、図８に示す形状を考えた。
図８は、回転子２０における各回転子極用突起部２２の別例を示す側面図である。第１のリング部２１Ａ及び第２のリング部２１Ｂに設けられる各回転子極用突起部２２は、図８に示すように、その先端部２３は回転方向に沿って突起高さが低くなるテーパー面２４Ｅを設けている。テーパー面２４Ｅは、回転逆方向の側面から所定長垂直に延びた突出面２４Ｆ内側から切り落とし角θ１で回転方向の側面に対し切り欠かれてテーパー面２４Ｅが形成されている。
【００４２】
図９は、回転子における各突起部が図８に示すテーパー面２４Ｅ及び突出面２４Ｆを有する場合におけるトルク波形を示す図であり、（Ａ）はλ１が４．５ｍｍ、θ１が５°である場合、（Ｂ）はλ１が４ｍｍ、θ１が１０°である場合、（Ｃ）はλ１が６ｍｍ、θ１が５°である場合、（Ｄ）はλ１が６ｍｍ、θ１が１０°である場合を示している。各波形の点線は一段のみのＰＭＲＧの場合におけるトルク波形であり、実線は二段組みのＰＭＲＧの場合におけるトルク波形を示す。なお、突出面２４Ｆは側面と直交する場合である。回転数は１０００ｒｐｍである。図８に示す長さλは９ｍｍである。
図９から、切り落とし角θ１を大きくしてもピーク付近のトルク波形は滑らかであり、高次成分が低減している。図９（Ａ）における波形では、トルクリプルが３４．７％で、最大出力が３５７Ｗと、図７に示す各結果よりも良い特性が得られた。
【００４３】
以上のことから、各回転子極用突起部２２の先端部２３がテーパー面２４Ｅと突出面２４Ｆを有することで、磁束の過度な集中を緩和することができる。また、切り落とし角θを大きくすることで生じる高次高調波成分を低減することができる。
【００４４】
ところで、固定子極に対して回転子極が近づいて固定子極と対向し始める直前と、固定子極に対して回転子極が完全に離れる直前とでは、何れも、磁気抵抗の変化が最も大きくなる。その結果、トルク波形にリプルが生じる。そこで、回転子２０における各回転子極用突起部２２の先端部２３は、図４において矢印が示す回転方向に沿って突起高さが低くなるように断面直線で平面状の第１のテーパー面２４Ａと、矢印と逆方向の回転逆方向に沿って突起高さが低くなるように断面直線で平面状の第２のテーパー面２４Ｂと、を有することが好ましい。この場合、回転子２０における各回転子極用突起部２２と固定子１０の固定子極用突起部１２との距離は、各回転子極用突起部２２の中心部２３Ａで最も近づく。そのため、発電装置１の出力低下も抑えることができる。
【００４５】
ここで、第１のテーパー面２４Ａと第２のテーパー面２４Ｂとは隣り合って互いに接していても、又は第１のテーパー面２４Ａと第２のテーパー面２４Ｂとの間は互いに接していなくてもよい。中心部２３Ａにおいて湾曲面２４Ｃは、回転子２０の回転軸方向を向いていてもよい。その際、湾曲面２４Ｃは、図４に示すように、断面凹形状を有していても、図４とは逆に、断面凸形状を有していてもよい。
【００４６】
図１０は、回転子極用突起部２２の先端部２３がその両側にテーパー面２４Ａ，２４Ｂをそれぞれ備え中央部が湾曲面２４Ｃを有する場合のトルク波形を示す図である。波形の点線は一段のみのＰＭＲＧの場合におけるトルク波形であり、実線は二段組みのＰＭＲＧの場合におけるトルク波形を示す。なお、回転子極用突起部２２の各寸法は、長さλが９ｍｍであり、長さλ１、λ２が２ｍｍであり、切り落とし角θ１、θ２が１５°である。図１０から、１段のＰＭＲＧのトルク波形では上下左右ほぼ対称となっており、基本波と奇数次成分のみで構成されている。よって２段組のＰＭＲＧのトルク波形、即ち一段目のＰＭＲＧのトルク波形と二段目のトルク波形とを合成した波形ではリプルの発生が抑制されていることが分かる。上述した突起部２２の各寸法では、発電出力の低下を１４％に抑えることができ、トルクリプルは６２％低減することができる。
【００４７】
本発明の第１の実施形態における発電装置１は、円筒外周面に複数の固定子極１２を突出して有する固定子１０と、固定子１０の外周外側に複数のリング部２１Ａ，２１Ｂ及び複数のリング部２１Ａ，２１Ｂから内側に突出して複数の回転子極２２を有する回転子２０と、を備えている。固定子１０には軸を挟んで対向する位置に磁石１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄが対をなすように設けられている。固定子１０における複数の固定子極１２は、軸方向に対して所定長を開けて第１の突起群１２Ａと第２の突起群１２Ｂに分離して設けられる一方、回転子２０における複数の回転子極２２は、軸方向に対して所定長を開けて第１の突起群２２Ａと第２の突起群２２Ｂに分離して設けられる。回転子２０における第２の突起群２２Ｂは、回転子２０における第１の突起群２２Ａに対し、電気的な位相が１８０度ずれる機械角だけ回転軸回りにずらして設けられ、回転子２０における複数の回転子極１２の各先端部２３は、回転方向、回転逆方向の何れかに沿って突起高さが低くなるテーパー面を有する。
【００４８】
特に、回転子２０における複数の回転子極２２の各先端部２３は、回転方向に沿って突起高さが低くなる第１のテーパー面２４Ａと回転逆方向に沿って突起高さが低くなる第２のテーパー面２２Ｂとを有する。さらに好ましくは第１のテーパー面２４Ａと第２のテーパー面２２Ｂとの間に断面円弧状の突出面２４Ｆを有する。
【００４９】
本発明の第１の実施形態における発電装置１では上述のような構造を有することから、発電効率を低下させずに、低トルクリプルを実現することができる。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態の変形例として第２の実施形態を説明する。
図１１は、第２の実施形態に係る発電装置の側面図であり、第１の実施形態を示す図３に対応するものである。図１２は、図１１に示す固定子６０に設けられる突起部６２の拡大側面図である。
第２の実施形態に係る発電装置においても、第１の実施形態に係る発電装置１と同様、固定子６０と回転子７０とを有する。即ち、固定子６０は、円筒外周面に複数の固定子極を突出して有する。回転子７０は、固定子６０の外周外側に第１のリング部７１Ａ及び第２のリング部と、第１のリング部７１Ａ及び第２のリング部から内側に突出して複数の回転子極を有する。固定子６０には、軸を挟んで対向する位置に複数の磁石６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ及び６４Ｄが対をなすように配置されている。また、固定子６０における複数の固定子極は、軸方向に対して互いに所定長を開けて第１の突起群と第２の突起群に分離して同じ位相で設けられている。固定子６０側の第１の突起群、第２の突起群はそれぞれ第１の固定子極用突起群、第２の固定子極用突起群と呼ぶことにする。一方、回転子７０における複数の回転子極は、軸方向に対して互いに所定長を開けて第１の突起群と第２の突起群に分離して設けられている。回転子７０側の第１の突起群、第２の突起群をそれぞれ第１の回転子極用突起群、第２の回転子極用突起群と呼ぶことにする。そして、回転子７０における第２の回転子極用突起群は、回転子７０における第１の回転子極用突起群に対し、電気的に位相が１８０度ずれる機械角φだけ回転軸に対してずらして設けられている。固定子６０における突起部６２に巻線６６が装着されている。ここまでは、第１の実施形態と同じ構成である。
【００５１】
第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、固定子６０側の突起部（固定子極用突起部とも呼ぶ）６２における先端部６３の形状を工夫することで、トルクリプルを低減している。即ち、固定子６０における各突起部６２の先端部６３は、矢印で示す回転子７０の回転方向に沿って突起高さが低くなるように断面直線状で平面状の第１のテーパー面６５Ａと、矢印と逆方向の回転子７０の回転逆方向に沿って突起高さが低くなるように断面直線状で平面状の第２のテーパー面６５Ｂと、第１のテーパー面６５Ａと第２のテーパー面６５Ｂとの間に設けられた湾曲面６５Ｃと、を有する。ここで、湾曲面６５Ｃは固定子６０の軸から所定の極率半径を有する。各突起部６２がこのような形状を有することにより、第１の実施形態と同様、トルクリプルを低減することができる。
【００５２】
本発明の第２の実施形態における発電装置では、円筒外周面に複数の固定子極６２を突出して有する固定子６０と、固定子６０の外周外側に複数のリング部７１Ａ及び複数のリング部７１Ａから内側に突出して複数の回転子極７２を有する回転子７０と、を備えている。固定子６０には軸を挟んで対向する位置に磁石６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ，６４Ｄが対をなすように設けられている。固定子６０における複数の固定子極６２は、軸方向に対して所定長を開けて第１の突起群６２Ａと第２の突起群に分離して設けられている一方、回転子７０における複数の回転子極７２は、軸方向に対して所定長を開けて第１の突起群７２Ａと第２の突起群７２Ｂに分離して設けられている。回転子７０における第２の突起群７２Ｂは、回転子７０における第１の突起群７２Ａに対し、電気的な位相が１８０度ずれる機械角だけ回転軸に対してずらして設けられ、固定子６０における複数の固定子極６２の各先端部は、回転子７０の回転方向、回転逆方向の何れかに沿って突起高さが低くなるテーパー面を有する。
【００５３】
特に、固定子６０における複数の固定子極６２の各先端部６３は、回転方向に沿って突起高さが低くなる第１のテーパー面６５Ａと回転逆方向に沿って突起高さが低くなる第２のテーパー面６５Ｂとを有する。さらに好ましくは第１のテーパー面６５Ａと第２のテーパー面６５Ｂとの間に断面円弧状の突出面６５Ｃを有する。
【００５４】
＜その他の実施形態＞
第１の実施形態、第２の実施形態では、何れも、固定子１０，６０における第１の突起群（第１の固定子極用突起群とも呼ぶ）１２Ａ，６２Ａと第２の突起群（第２の固定子極用突起群とも呼ぶ）１２Ｂとが位相を同じにして配置され、かつ、回転子２０，７０における第２の突起群（第２の回転子極用突起群とも呼ぶ）２２Ｂ，７２Ｂが回転子２０，７０における第１の突起群（第１の回転子極用突起群とも呼ぶ）２２Ａ，７２Ａに対し電気的な位相が１８０度ずれる機械角だけ軸回りにずらして設けられている。しかしこれに限定されることなく、第１の回転子極用突起群と第２の回転子極用突起群とが位相を同じにして配置され、かつ、第２の固定子極用突起群が第１の固定子極用突起群に対し電気的な位相が１８０度ずれる機械角だけ軸回りにずらして設けられていてもよい。
【実施例】
【００５５】
以下、実施例によりさらに詳細に説明する。
図１乃至図４に示す第１の実施形態の発電装置１を試作した。試作した発電装置１では、各段において１２個の固定子極と１６個の回転子極とを有する。固定子１０の大きさは突起部１２の先端を結ぶ仮想円で直径１３５．６ｍｍとし、固定子１０における固定子本体１１の内直径を３０ｍｍとし、固定子本体１１の外直径を１０４ｍｍとした。回転子２０の大きさは、第１及び第２のリング部２１Ａ，２１Ｂの外直径を１８０ｍｍ、内直径を１６０ｍｍとし、突起部２２の先端は突起部１２との隙間が０．２ｍｍとなるようにした。また、回転子２０の各突起部２２は、幅λを９ｍｍとし、第１及び第２のテーパー面２４Ａ，２４Ｂは外側からの幅λ１，λ２を２ｍｍとし、切り落とし角θ１、θ２を１５°とした。また、磁石１４Ａ乃至１４Ｄはフェライト磁石を用いた。【００５６】
図１３は、回転数を１０００ｒｐｍとしたときの最大出力時のトルク波形を示す図である。横軸は回転子の位置を角度で示しており、縦軸はトルクである。波形のうち点線及び破線で示す波形は各段のＰＭＲＧに生じるトルク波形であり、巻線電流を実測して有限要素モデルにより解析して求めたものである。図１３にそれぞれ点線で示すように、各段のＰＭＲＧに生じるトルク波形は互いに位相が半周期ずれている。また、これらのトルク波形も正のピークから正のピークまでの一周期でほぼ上下左右対称となっている。よって、これらの波形を合成して求まる合成トルクの波形は、実線で示すように、トルクリプルが小さいことが分かる。【００５７】
図１４は発電装置１の実証実験システム５０を示す図である。図１４に示すように、ＰＭモータ５１により発電装置１を任意の回転数で駆動した。ＰＭモータ５１と発電装置１との間にはトルクメータ５２を介在させ、トルクメータ５２により入力トルクと回転数を測定した。【００５８】
図１５は、巻線を解放した状態、即ち無負荷状態において巻線に誘起される電圧波形を示す図であり、（Ａ）は計算波形、（Ｂ）は観測波形である。回転数は１０００ｒｐｍとした。ｕ１，ｖ１，ｗ１は一段目のＰＭＲＧによる電圧波形であり、ｕ２，ｖ２，ｗ２は二段目のＰＭＲＧによる電圧波形である。図１５から、計算波形と観測波形とはよく一致していることが分かる。また、各波形の位相差も等しいことから、一段目のＰＭＲＧと二段目のＰＭＲＧとの間の電気的な位相差も正確に再現できていることが分かる。【００５９】
図１６は、各回転数における無負荷誘起電圧の実効値を示す図である。実線が有限要素法による解析結果であり、シンボルが実測値である。計算解析結果と実測結果とがよく一致していることが分かる。【００６０】
図１７は、試作した発電装置の発電特性を示す図である。負荷電流の増加に伴い、出力電圧ｖ０は滑らかな減少傾向を示し、機械的入力Ｐｍは増加して負荷電流が４Ａ以上になると飽和傾向を示し、出力電力Ｐｇは機械的入力Ｐｍと同様な傾向を示す。効率ηは、１．５Ａまで急激に増加しその後ほぼ一定となった。ここで、最大出力電力は７５４Ｗであり、効率ηは８１．７％であった。【００６１】
図１８は、各回転数での最大出力時における効率の実測値を示す図である。各段における固定子数が１２で回転子数が１６である１２／１６のＰＭＲＧである場合の他、各段における固定子数が１２で回転子数が８である１２／８ＰＭＲＧ、各段における固定子数が６で回転子数が４である６／４ＰＭＲＧのそれぞれについても行った。図１８から何れの発電装置１においても回転数の増加に伴い効率ηが増加する。発電装置１が１２／１６ＰＭＲＧである場合、即ち、回転子極、固定子極の数を増加することで、低速でも効率ηを高めることができた。【００６２】
次に、磁石１４Ａ乃至１４Ｄとしてネオジム磁石、フェライト磁石のそれぞれを採用した場合の有限要素法によるシミュレーションを説明する。固定子１０及び回転子２０の形状は、何れも図２に示すような形状とした。ただし、ネオジム磁石とフェライト磁石とでは軸上の中空部の大きさが異なり、ネオジム磁石を採用した場合における中空部の寸法は、フェライト磁石の場合より大きい。これは、ネオジム磁石はフェライト磁石に比べて約３〜４倍の磁束量を有することから、仮に、フェライト磁石を組み込む領域と同じ体積だけネオジム磁石を組み付けると、固定子極及び回転子極が磁気飽和してしまい、発電出力や効率が低下するためである。つまり、中空部の寸法を変えることで、最も発電出力が得られる磁石寸法で対比するようにした。【００６３】
図１９は、シミュレーション結果を示す図であり、（Ａ）はフェライト磁石を採用した場合を示し、（Ｂ）は希土類磁石としてネオジム磁石を採用した場合を示す。各図の横軸は負荷電流であり、左の縦軸は出力電圧ｖ０、効率η、右の横軸は出力電圧Ｐｇ、機械的な入力Ｐｍである。【００６４】
磁石１４Ａ乃至１４Ｄとしてフェライト磁石を用いた場合でも、ネオジム磁石を用いた場合でも、負荷電流の増加に伴い、出力電圧ｖ０は滑らかな減少傾向を示し、機械的入力Ｐｍは増加して負荷電流が約２Ａを超えると僅かに減少する傾向を示し、出力電力Ｐｇは機械的入力Ｐｍと同様な傾向を示した。効率ηは、約０．２５Ａまで急激に増加しその後ほぼ一定となった。
よって、磁石１４Ａ乃至１４Ｄとしてフェライト磁石を用いた場合であっても、ネオジム磁石を用いた場合と同様の傾向を示し、安価なフェライト磁石を用いても発電特性、特に変換効率が低下しないことが分かった。【００６５】
本発明の各実施形態では、アウターローター型、即ち回転子２０を外側に設け、固定子１０中にフェライト磁石をヨークとして組み込み、電気的な位相が１８０度ずれるように固定子１０及び回転子２０における固定子極及び回転子極の組を二段組構成としたので、トルクリプルの基本波と奇数次成分は打ち消される。また、回転子極の先端部２３をテーパー形状としたのでトルクリプルの高調波成分を抑制することができる。よって、本発明の実施形態により、トルクリプルを低減し、低コストで高い効率を有する発電が実現できる。【００６６】
本発明は、上述した実施形態で説明したものに限らず、発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更することができる。例えば、各実施形態の何れにおいても、固定子極となる突起部１２、回転子極となる突起部２２の何れかは、回転方向に沿って突起高さが低くなる第１のテーパー面と回転方向に沿って突起高さが低くなる第２のテーパー面とを有しているが、回転方向に沿って突起高さが低くなるようテーパー面だけを有していても、回転逆方向に沿って突起高さが低くなるテーパー面だけを有していても良い。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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