(57)【要約】【課題】回転軸の１回転中に、入力トルク変動により回転速度が変動する場合でも、過電圧を発生させずに、高い発電力を安定的に得ること。【解決手段】第一の極対９及び第二の極対１０は、回転子において回転方向に交互に配置され、第二の極対１０は、第一の極対９よりも磁束が小さく、固定子は、第一の巻線組６及び第二の巻線組７を有し、第二の巻線組７の巻き数は、第一の巻線組６の巻き数よりも少なく、回転子の回転速度が最も速いときに、第一の巻線組６と第二の極対１０とが対向し、且つ、第二の巻線組７と第一の極対９とが対向する。これにより、回転軸の１回転中の回転速度変動による誘起電圧の変動の比が回転速度の変動の比よりも小さくなり、高い発電力が安定的に得られる。【選択図】図１Ｂ
2019103254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に回転自在に支持され、複数の磁極を有する回転子と、
空隙を介して前記回転子に対向する固定子と、
を備えた永久磁石同期発電機であって、
前記回転子において、
前記複数の磁極を構成する少なくとも第１のＳ極と第１のＮ極とをまとめて第一の極対とし、且つ、
前記複数の磁極を構成する少なくとも第２のＳ極及び第２のＮ極をまとめて第二の極対としたときに、
前記第一の極対及び前記第二の極対は、
前記回転子において回転方向に交互に配置され、
前記第二の極対は、
前記第一の極対よりも磁束が小さく、
前記固定子は、
円環状のヨーク部と、
前記ヨーク部から前記回転軸に向かって突出する複数のティース部と、
前記ティース部の各々の周囲に、または、複数の前記ティース部に跨る周囲に、導線を巻回させた複数の巻線部と、
を備え、
前記固定子において、
前記導線を第１の巻き数で巻回させた複数の前記巻線部をグルーピングして第一の巻線組とし、且つ、
前記導線を第２の巻き数で巻回させた複数の前記巻線部をグルーピングして第二の巻線組としたときに、
前記第２の巻き数は、
前記第１の巻き数よりも少なく、
前記回転子の回転速度が最も速いときに、
前記第一の巻線組と前記第二の極対とが対抗し、且つ、前記第二の巻線組と前記第一の極対とが対向する、
永久磁石同期発電機。
【請求項２】
前記第一の極対および前記第二の極対は、
それぞれが２組以上、前記回転子において回転方向に交互に配置され、
前記第一の巻線組および前記第二の巻線組は、
互いに同じ組数で、且つ全組数が前記極対の全組数と同じ数であって、前記固定子において前記回転子の回転方向に交互に配置された、
請求項１に記載の永久磁石同期発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、永久磁石同期発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の永久磁石回転機（例えば、特許文献１参照）の横断面図を図１０に示す。図１０において、１０１は固定子、１０２は固定子鉄心、１０３はティース部鉄心、１０４は電機子巻線、１０５はティース先端部、１０６は回転子、１０７は永久磁石である。固定子鉄心１０２の中央部のティース先端部１０５の形状は隣接するティース先端部との間に空隙を有し、固定子鉄心の軸端部のティース先端部１０５の形状は隣接するティース先端部と密着させリアクトルとして動作し、高周波鉄損の小さい永久磁石型同期電動機が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９７９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の構成の永久磁石型同期電動機を、回転軸の１回転中に発生するトルク変動が大きい入力の永久磁石同期発電機として用いると、入力トルク変動により回転速度が大きく変動するため、誘起電圧も大きく変動してしまう。このため、高い発電力を安定的に得ることができないという課題を有していた。
【０００５】
本開示は、上記従来の課題を解決するもので、入力トルク変動により回転軸の１回転中の回転速度が変動する場合でも高い発電力が安定的に得られる永久磁石同期発電機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】
【０００６】
本開示の永久磁石同期発電機は、
回転軸に回転自在に支持され、複数の磁極を有する回転子と、
空隙を介して前記回転子に対向する固定子と、
を備えた永久磁石同期発電機であって、
前記回転子において、
前記複数の磁極を構成する少なくとも第１のＳ極と第１のＮ極とをまとめて第一の極対とし、且つ、
前記複数の磁極を構成する少なくとも第２のＳ極及び第２のＮ極をまとめて第二の極対としたときに、
前記第一の極対及び前記第二の極対は、
前記回転子において回転方向に交互に配置され、
前記第二の極対は、
前記第一の極対よりも磁束が小さく、
前記固定子は、
円環状のヨーク部と、
前記ヨーク部から前記回転軸に向かって突出する複数のティース部と、
前記ティース部の各々の周囲に、または、複数の前記ティース部に跨る周囲に、導線を巻回させた複数の巻線部と、
を備え、
前記固定子において、
前記導線を第１の巻き数で巻回させた複数の前記巻線部をグルーピングして第一の巻線組とし、且つ、
前記導線を第２の巻き数で巻回させた複数の前記巻線部をグルーピングして第二の巻線組としたときに、
前記第２の巻き数は、
前記第１の巻き数よりも少なく、
前記回転子の回転速度が最も速いときに、
前記第一の巻線組と前記第二の極対とが対向し、且つ、前記第二の巻線組と前記第一の極対とが対向するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の永久磁石同期発電機は、回転速度が変動した入力に対して、高回転速度領域においても過電圧を起こすことなく、高い発電量を安定的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】実施の形態１の永久磁石同期発電機の構成を示す断面図
【図１Ｂ】実施の形態１の永久磁石同期発電機の断面における、巻線組および極対を示す概略図
【図２】実施の形態１の永久磁石同期発電機の回転軸角度と回転速度との関係を示した図
【図３Ａ】実施の形態１の永久磁石同期発電機における、回転軸角度に対する誘起電圧波形の図
【図３Ｂ】従来の永久磁石同期発電機における、回転軸角度に対する誘起電圧波形の図
【図４】変形例１の永久磁石同期発電機の構成を示す断面図
【図５】変形例２の永久磁石同期発電機の構成を示す断面図
【図６】変形例３の永久磁石同期発電機の構成を示す断面図
【図７】実施の形態２の永久磁石同期発電機の構成を示す断面図
【図８】実施の形態２の永久磁石同期発電機の回転軸角度と回転速度との関係を示した図
【図９】実施の形態２の永久磁石同期発電機における、回転軸角度に対する誘起電圧波形の図
【図１０】従来の永久磁石型同期電動機の構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本発明者の検討に基づく知見）
従来の永久磁石型同期電動機では、回転速度に対する誘起電圧の比である誘起電圧定数が一定となるように構成されている。一方、発電機を内蔵する、または、発電機に連結される、例えばレシプロ膨張機またはロータリー膨張機などは、回転軸の１回転中において、発生するトルクの変動が大きいという特性を有している。このような、１回転中においてトルク変動が大きな回転動力を、従来の永久磁石型同期電動機を発電機とした永久磁石同期発電機の入力として用いると、入力トルク変動により回転速度も大きく変動する。従来の永久磁石型同期電動機では誘起電圧定数が一定となるように構成されているため、回転速度に比例して誘起電圧も大きく変動してしまう。したがって、永久磁石同期発電機を、低回転速度に合った誘起電圧で設計すると、高回転速度領域で誘起電圧が高くなり、過電圧を発生してしまう。逆に、永久磁石同期発電機を、高回転速度に合った誘起電圧で設計すると、低回転速度領域で電圧が低くなり、十分な発電力が得られない。このように、従来の永久磁石型同期電動機を、回転軸の１回転中におけるトルク変動が大きい回転動力を入力とする永久磁石同期発電機として用いると、誘起電圧も大きく変動してしまい、高い発電力を安定的に得ることができないという課題があることを、本発明者は発見した。
これに関して本発明者は、従来の永久磁石型同期電動機は、回転速度に対する誘起電圧の比である誘起電圧定数が常に一定となるように設計されていることに着目した。すなわち、回転速度の変動と誘起電圧の変動との関係が適切な状態になるように永久磁石同期発電機を設計すれば、高い発電力を安定的に得ることが可能となる。具体的には、回転軸の１回転中の回転速度変動による誘起電圧の変動の比が、回転速度の変動の比よりも小さくなるように構成すればよい。
【００１０】
以上を踏まえ、本発明者は、回転軸の１回転中の回転速度変動による誘起電圧の変動の比が、回転速度の変動の比よりも小さくなるような永久磁石同期発電機の構成を検討した。
【００１１】
本開示の第１の態様は、
回転軸に回転自在に支持され、複数の磁極を有する回転子と、
空隙を介して前記回転子に対向する固定子と、
を備えた永久磁石同期発電機であって、
前記回転子において、
前記複数の磁極を構成する少なくとも第１のＳ極と第１のＮ極とをまとめて第一の極対とし、且つ、
前記複数の磁極を構成する少なくとも第２のＳ極及び第２のＮ極をまとめて第二の極対としたときに、
前記第一の極対及び前記第二の極対は、
前記回転子において回転方向に交互に配置され、
前記第二の極対は、
前記第一の極対よりも磁束が小さく、
前記固定子は、
円環状のヨーク部と、
前記ヨーク部から前記回転軸に向かって突出する複数のティース部と、
前記ティース部の各々の周囲に、または、複数の前記ティース部に跨る周囲に、導線を巻回させた複数の巻線部と、
を備え、
前記固定子において、
前記導線を第１の巻き数で巻回させた複数の前記巻線部をグルーピングして第一の巻線組とし、且つ、
前記導線を第２の巻き数で巻回させた複数の前記巻線部をグルーピングして第二の巻線組としたときに、
前記第２の巻き数は、
前記第１の巻き数よりも少なく、
前記回転子の回転速度が最も速いときに、
前記第一の巻線組と前記第二の極対とが対向し、且つ、前記第二の巻線組と前記第一の極対とが対向する、
永久磁石同期発電機である。
【００１２】
第１の態様によれば、回転速度が変動した入力に対して、高回転速度時に、第一の巻線組に第二の極対を対向させることで、誘起電圧の上昇が抑制され、低回転速度時に、第一の巻線組に第一の極対を対向させた誘起電圧と同等の値の誘起電圧を維持できる。また、高回転速度時に、第二の巻線組に第一の極対を対向させることで、第一の巻線組と同等の誘起電圧となり、回転軸の１回転中の回転速度変動による誘起電圧の変動の比を回転速度の変動の比よりも小さくすることができる。これにより、回転速度が変動した入力に対して、高回転速度であっても過電圧を起こすことなく、高い発電量を安定的に得ることができる。
【００１３】
本開示の第２の態様は、第１の態様に加えて、
前記第一の極対および前記第二の極対は、
それぞれが２組以上、前記回転子において回転方向に交互に配置され、
前記第一の巻線組および前記第二の巻線組は、
互いに同じ組数で、且つ全組数が前記極対の全組数と同じ数であって、前記固定子において前記回転子の回転方向に交互に配置された、
永久磁石同期発電機である。
【００１４】
第２の態様によれば、回転軸が１回転する間に、入力トルクの極大値もしくは極小値が２回以上発生し、これに伴って回転速度の極大値もしくは極小値が２回以上発生するような回転速度変動が発生する場合であっても、高回転速度で過電圧を起こすことなく、より高い発電量を得ることができる。さらに、第一の極対が回転対称位置に配置されれば、回転子と固定子との間の磁気吸引力の回転に対する変動が小さくなり、回転対称で回転子の磁気吸引力が打ち消し合うので、振動を小さくすることができる。
【００１５】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１６】
（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１における永久磁石同期発電機の構成を示す断面である。この断面図は横断面図であり、磁束線も併せて記載している。１は発電機、２は固定子、３は表面磁石型の回転子、４は固定子鉄心、５は巻線、８は永久磁石である。
【００１７】
固定子鉄心４は、円環状のヨーク部４１と、ヨーク部４１から半径方向に突出する複数のティース部４２と、隣接したティース部４２によって挟まれたスロット部４３とを有する形状で、磁性材からなる薄板電磁鋼板を回転軸方向に積層して構成される。巻線５は、固定子鉄心４の複数のスロット部４３に巻回配置されている。
【００１８】
図１Ｂは、図１Ａの永久磁石同期発電機の断面における、巻線組および極対を示す概略図である。６はＵ相の巻線６Ｕ、Ｖ相の巻線６Ｖ、Ｗ相の巻線６Ｗをグルーピングした第一の巻線組であり、７はＵ相の巻線７Ｕ、Ｖ相の巻線７Ｖ、Ｗ相の巻線７Ｗをグルーピングした第二の巻線組である。なお、本明細書においては、複数の巻線をグループ化したものを巻線組と称することとする。また、永久磁石８により、回転方向に交互に磁極Ｓ１、Ｎ１、Ｓ２、Ｎ２が形成され、Ｓ１とＮ１とが対をなし、Ｓ２とＮ２とが対をなす。
【００１９】
本実施の形態は、４極６ティース集中巻の３相永久磁石同期モータと同様の基本構成をとる。つまり、回転子に永久磁石による４極磁極を備え、６個の固定子ティースにＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか一種類の巻線が巻回され、回転方向にＶ相、Ｕ相、Ｗ相の順に配置されている。
【００２０】
本実施の形態と特許文献１記載の従来技術との差異は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように本実施の形態では、永久磁石８により形成される磁場の強さに偏りを与えている点である。
【００２１】
図１Ｂに示すように、回転子３の図１Ｂ上における上半分の部分、すなわち、回転子３の周囲の永久磁石の、磁極Ｓ１の部分、磁極Ｎ１から磁極Ｓ１寄りの部分、および、磁極Ｎ２から磁極Ｓ１寄りの部分、の３つの部分により形成される磁束線は、密度が大きくなっている。永久磁石８のこの３つの部分をまとめて、第一の極対９と称することとする。
【００２２】
また、回転子３の図１Ｂ上における下半分の部分、すなわち、回転子３の周囲の永久磁石の、磁極Ｓ２の部分、磁極Ｎ１から磁極Ｓ２寄りの部分、および、磁極Ｎ２から磁極Ｓ２寄りの部分、の３つの部分により形成される磁束線は、密度が小さくなっている。永久磁石８のこの３つの部分をまとめて、第二の極対１０と称することとする。
【００２３】
図１Ｂからわかるように、第一の極対９に対して第二の極対１０の磁束が少なく、磁界が弱くなっている。
【００２４】
さらに、本実施の形態と特許文献１記載の従来技術とのもう一つの差異は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように本実施の形態では、ティース部４２の周囲のスロット部４３に巻回配置する巻線５の巻数に偏りを持たせている点である。
【００２５】
図１Ｂに示すように、固定子鉄心４の図１Ｂ上における右半分の部分に形成されたティース部４２のそれぞれの周囲のスロット部４３には、多くの巻数の巻線を巻回している。図１Ｂにおいては、便宜上、一つのティース部４２の周囲に２本の巻線を巻いた状態を示している。この部分における、Ｖ相の巻線を６Ｖ、Ｕ相の巻線を６Ｕ、Ｗ相の巻線を６Ｗとし、巻線６Ｖ、６Ｕ、６Ｗをグルーピングしたものを第一の巻線組６と称することとする。
【００２６】
また、固定子鉄心４の図１Ｂ上における左半分の部分に形成されたティース部４２のそれぞれの周囲のスロット部４３には、少ない巻数の巻線を巻回している。図１Ｂにおいては、便宜上、一つのティース部４２の周囲に１本の巻線を巻いた状態を示している。この部分における、Ｖ相の巻線を７Ｖ、Ｕ相の巻線を７Ｕ、Ｗ相の巻線を７Ｗとし、巻線７Ｖ、７Ｕ、７Ｗをグルーピングしたものを第二の巻線組７と称することとする。
【００２７】
図１Ｂからわかるように、第一の巻線組６に対して第二の巻線組７の巻数が少なくなっている。
【００２８】
以上のように構成された永久磁石同期発電機について、以下、その動作、作用を説明する。
【００２９】
まず、回転軸の１回転中の回転速度変動による誘起電圧の変動について説明する。図２は回転軸角度と回転速度との関係を示した図である。回転軸は 1500r/minで回転していて、回転軸角度が60°から 120°の間に回転速度が 3000r/minに増速している条件を示す。図３Ａ及び図３Ｂは、図２で示した回転速度に対する永久磁石同期発電機の誘起電圧波形を計算した結果である。誘起電圧は、回転数と鎖交磁束（回転子の磁石磁束と固定子巻線の巻数）とに比例する。
【００３０】
図３Ａは本実施の形態１の永久磁石同期発電機の誘起電圧波形を示す。この永久磁石同期発電機は、回転軸角度が60°から 120°のときに、第一の巻線組６と第二の極対１０とが対向するように構成されている。図３Ｂは従来の永久磁石同期発電機の誘起電圧波形を示す。従来の永久磁石同期発電機とは、回転子の周囲の永久磁石により形成される磁場の強さが回転子の周囲において偏りがなく、且つ、固定子鉄心におけるティース部の周囲のスロット部に巻回配置する巻線の巻数に偏りがないように構成したものである。
【００３１】
図３Ａに示されるように、本実施の形態の永久磁石同期発電機では、回転軸が 1500r/minで回転しているときの誘起電圧はおよそ19Ｖで、回転軸角度が60°から 120°の間に 3000r/minに増速しても、誘起電圧は最大22Ｖであり、回転軸角度が０°から 360°にわたって、誘起電圧に大きな変化は生じていない。
【００３２】
一方、図３Ｂに示されるように、従来の永久磁石同期発電機では、回転軸が 1500r/minで回転しているときの誘起電圧はおよそ19Ｖであるが、回転軸角度が60°から 120°の間に 3000r/minに増速すると、回転速度に比例して誘起電圧が増大し、最大38Ｖに倍増している。
【００３３】
以上のように、回転速度が変動する入力に対して、高回転速度のときに、第一の巻線組６と第二の極対１０とを対向させるように構成することで、誘起電圧の過度な上昇が抑制され、低回転速度のときとほぼ同等の値の誘起電圧を維持することができる。さらに、高回転速度のときに、第二の巻線組７と第一の極対９とを対向させるように構成することで、誘起電圧を上記の低回転速度のときとほぼ同等の値にすることができる。したがって、回転軸の１回転中の回転速度変動による誘起電圧の変動の比を、回転速度の変動の比よりも小さくすることができ、回転速度が変動する入力に対して、高回転速度領域でも過電圧を起こすことなく、高い発電量を安定的に得ることができる。
【００３４】
なお、巻回数の多い固定子ティースに最大電流が流れても減磁しない保磁力を有するように構成すれば、脱調等が生じて予期せぬ界磁が作用しても減磁が起きない、信頼性が高い永久磁石同期発電機を提供することができる。
【００３５】
以下に、変形例を示す。
【００３６】
（変形例１）
実施の形態１の回転子３が永久磁石埋め込み型でも同様の効果を得ることができる。図４は変形例１の永久磁石同期発電機の軸方向断面図を表す。１Ｂは発電機、３Ｂは回転子である。回転子３Ｂには、永久磁石を埋め込むための４つの孔が形成されている。回転子３Ｂは、実施の形態１の回転子３の表面磁石型から、この４つの孔に永久磁石を埋め込んだ埋め込み磁石型に置き換えたものである。この４つの孔に永久磁石を埋め込むことにより、回転方向に交互に磁極Ｓ１、Ｎ１、Ｓ２、Ｎ２が形成され、Ｓ１とＮ１とが対をなし、Ｓ２とＮ２とが対をなす。磁極Ｓ１とＮ１との２つの部分をまとめて、第一の極対９Ｂと称することとする。磁極Ｓ２とＮ２との２つの部分をまとめて、第二の極対１０Ｂと称することとする。その他の構成については、図１Ａおよび図１Ｂと同様であり、説明を省略する。磁極Ｓ１、Ｎ１を形成する永久磁石は、磁極Ｓ２、Ｎ２を形成する永久磁石よりも、強い磁場を形成するものを用いている。これにより、第一の極対９Ｂに対して第二の極対１０Ｂの磁束が少なく、磁界が弱くなっている。すなわち、実施の形態１と同様に、永久磁石により形成される磁場の強さに偏りを与えている。
【００３７】
また、ティース部４２の周囲のスロット部４３に巻回配置する巻線５については、実施の形態１と同様に巻数に偏りを持たせている。
【００３８】
以上のように構成し、回転速度が変動する入力に対して、高回転速度のときに、第一の巻線組６と第二の極対１０Ｂとを対向させるように構成することで、誘起電圧の過度な上昇が抑制され、低回転速度のときとほぼ同等の値の誘起電圧を維持することができる。さらに、高回転速度のときに、第二の巻線組７と第一の極対９Ｂとを対向させるように構成することで、誘起電圧を低回転速度のときとほぼ同等の値にすることができる。したがって、回転軸の１回転中の回転速度変動による誘起電圧の変動の比を、回転速度の変動の比よりも小さくすることができ、回転速度が変動する入力に対して、高回転速度領域でも過電圧を起こすことなく、高い発電量を安定的に得ることができる。
【００３９】
(変形例２）
実施の形態１の固定子巻線が分布巻でも同様の効果を得ることができる。図５は変形例２の永久磁石同期発電機の軸方向断面図を表す。１Ｃは発電機、２Ｃは固定子である。固
定子２Ｃは、１２個のティース部を有し、実施の形態１においてティース部それぞれに巻線を巻いた集中巻としたのに対して、固定子３個に跨って巻線を巻いた分布巻に置き換えたものである。
【００４０】
図５に示すように、固定子２Ｃの図５上の右半分においては、ティース部３個ごとに、多くの巻線を巻回している。図５においては、便宜上、ティース部３個の周囲に２本の巻線を巻いた状態を示している。この部分における、実線で示したＵ相の巻線を６ＣＵ、一点鎖線で示したＷ相の巻線を６ＣＷ、破線で示したＶ相の巻線を６ＣＶとし、巻線６ＣＵ、６ＣＷ、６ＣＶをグルーピングしたものを第一の巻線組６Ｃと称することとする。
【００４１】
また、固定子２Ｃの図５上の左半分においては、ティース部３個ごとに、少ない巻線を巻回している。図５においては、便宜上、ティース部３個の周囲に１本の巻線を巻いた状態を示している。この部分における、実線で示したＵ相の巻線を７ＣＵ、一点鎖線で示したＷ相の巻線を７ＣＷ、破線で示したＶ相の巻線を７ＣＶとし、巻線７ＣＵ、７ＣＷ、７ＣＶをグルーピングしたものを第二の巻線組７Ｃと称することとする。
【００４２】
図５からわかるように、第一の巻線組６Ｃに対して第二の巻線組７Ｃの巻数が少なくなっている。すなわち、実施の形態１と同様に、ティース部に巻回配置する巻線については、巻数に偏りを持たせている。
【００４３】
また、回転子３の周囲に配置する永久磁石については、実施の形態１と同様に、磁場の強さに偏りを与えるように配置している。
【００４４】
その他の構成については、図１Ａおよび図１Ｂと同様であり、説明を省略する。
【００４５】
以上のように構成し、回転速度が変動する入力に対して、高回転速度のときに、第一の巻線組６Ｃと第二の極対１０とを対向させるように構成することで、誘起電圧の過度な上昇が抑制され、低回転速度のときとほぼ同等の値の誘起電圧を維持することができる。さらに、高回転速度のときに、第二の巻線組７Ｃと第一の極対９とを対向させるように構成することで、誘起電圧を低回転速度のときとほぼ同等の値にすることができる。したがって、回転軸の１回転中の回転速度変動による誘起電圧の変動の比を、回転速度の変動の比よりも小さくすることができ、回転速度が変動する入力に対して、高回転速度領域でも過電圧を起こすことなく、高い発電量を安定的に得ることができる。
【００４６】
（変形例３）
実施の形態１の回転子が永久磁石埋め込み型で、且つ固定子巻線が分布巻でも同様の効果を得ることができる。図６は変形例３の永久磁石同期発電機の軸方向断面図を表す。１Ｄは発電機である。回転子３Ｂ、第一の極対９Ｂおよび第二の極対１０Ｂは図４と同様であり、固定子２Ｃ、第一の巻線組６Ｃ、および第二の巻線組７Ｃの構成は図５と同様であるので、詳細な説明は省略する。すなわち図６の構成は、回転子を表面磁石型から埋め込み磁石型に、且つ固定子を集中巻から分布巻に置き換えたものである。磁極Ｓ１、Ｎ１を形成する永久磁石は、変形例１と同様に、磁極Ｓ２、Ｎ２を形成する永久磁石よりも、強い磁場を形成するものを用いている。固定子２Ｃは、変形例２と同様に、１２個のティース部を有して固定子３個に跨って巻線を巻いた分布巻とし、第一の巻線組６Ｃに対して第二の巻線組７Ｃの巻数が少ない構成としている。回転子の第一の極対９Ｂと第二の極対１０Ｂとが回転方向に交互に配置されていて、第一の極対９Ｂに対して第二の極対１０Ｂの磁束が小さく、固定子の第一の巻線組６Ｃと第二の巻線組７Ｃとを有し、第一の巻線組６Ｃに対して第二の巻線組７Ｃの巻数が少ない構成である。
【００４７】
以上のように構成し、回転速度が変動する入力に対して、高回転速度のときに、第一の
巻線組６Ｃと第二の極対１０Ｂとを対向させるように構成することで、誘起電圧の過度な上昇が抑制され、低回転速度のときとほぼ同等の値の誘起電圧を維持することができる。さらに、高回転速度のときに、第二の巻線組７Ｃと第一の極対９Ｂとを対向させるように構成することで、誘起電圧を低回転速度のときとほぼ同等の値にすることができる。したがって、回転軸の１回転中の回転速度変動による誘起電圧の変動の比を、回転速度の変動の比よりも小さくすることができ、回転速度が変動する入力に対して、高回転速度領域でも過電圧を起こすことなく、高い発電量を安定的に得ることができる。
【００４８】
なお、実施の形態１および変形例１〜３に示した永久磁石同期発電機は、回転軸の入力として、１ピストンのレシプロ膨張機、あるいは、１ロータのロータリー膨張機が適している。
【００４９】
（実施の形態２）
図７は、実施の形態２における永久磁石同期発電機の構成を示す断面図である。この断面図は横断面図であり、２１は発電機、２２は固定子、２３は回転子、２４は固定子鉄心、２５は巻線、２８は永久磁石である。
【００５０】
固定子鉄心２４は、円環状のヨーク部２４１と、ヨーク部２４１から半径方向に突出する複数のティース部２４２と、隣接したティース部２４２によって挟まれたスロット部２４３とを有する形状で、磁性材からなる薄板電磁鋼板を回転軸方向に積層して構成される。巻線２５は、固定子鉄心２４の複数のスロット部２４３に巻回配置されている。
【００５１】
実施の形態２は、実施の形態１と比較して、回転子２３の表面に配置される永久磁石２８により形成される磁極の数が異なるとともに、ティース部２４２の周囲に巻回される巻線の巻数の分布のさせ方が異なっている。
【００５２】
回転子２３は、永久磁石２８により、回転方向に交互に磁極Ｎ１、Ｓ１、Ｎ２、Ｓ２が２組形成され、Ｎ１とＳ１とが対をなし、Ｎ２とＳ２とが対をなす。磁極Ｓ１、Ｎ１を形成する永久磁石は、磁極Ｓ２、Ｎ２を形成する永久磁石よりも、強い磁場を形成するものを用いている。磁極Ｎ１とＳ１との２つの部分をまとめて、第一の極対２９と称することとする。磁極Ｎ２とＳ２との２つの部分をまとめて、第一の極対３０と称することとする。すなわち、回転方向に交互に８極で４組の極対が構成されている。これにより、永久磁石２８により形成される磁場の強さに偏りを与えており、第一の極対２９に対して第二の極対３０の磁束が少なく、磁界が弱くなっている。
【００５３】
固定子２３は、１２個のティース部２４２を有し、ティース部２４２それぞれに巻線を巻いた集中巻としている。連続して隣り合う３つのティース部２４２のそれぞれの周囲に多数の巻線を巻いた部分について、Ｖ相の巻線を２６Ｖ、Ｕ相の巻線を２６Ｕ、Ｗ相の巻線を２６Ｗとし、巻線２６Ｖ、２６Ｕ、２６Ｗをグルーピングしたものを第一の巻線組２６と称することとする。図７においては、便宜上、第一の巻線組２６の各ティース部２４２の周囲に２本の巻線を巻いた状態を示している。また、連続して隣り合う３つのティース部２４２のそれぞれの周囲に少数の巻線を巻いた部分について、Ｖ相の巻線を２７Ｖ、Ｕ相の巻線を２７Ｕ、Ｗ相の巻線を２７Ｗとし、巻線２７Ｖ、２７Ｕ、２７Ｗをグルーピングしたものを第二の巻線組２７と称することとする。図７においては、便宜上、第二の巻線組２７の各ティース部２４２の周囲に１本の巻線を巻いた状態を示している。このように、第一の巻線組２６に対して第二の巻線組２７の巻数が少なくなっている。また、図７に示すように、固定子２４には、回転方向に交互に、第一の巻線組２６と第二の巻線組２７との組が２組すなわち４組の巻線組が構成されている。これにより、ティース部２４２の周囲に巻回される巻線の巻数の分布のさせ方に偏りを与えている。
【００５４】
以上のように、本実施の形態における永久磁石同期発電機は、磁場の強さに偏りを有する４組の極対と、巻線の巻数の分布のさせ方に偏りを持たせた４組の巻線組とを有しており、８極１２ティース集中巻の３相永久磁石同期モータと同様の基本構成を有している。
【００５５】
本実施の形態と特許文献１記載の従来技術との差異は、図７に示すように本実施の形態では、回転子２３の表面に配置される永久磁石２８により形成される磁場の強さに偏りを有するとともに、ティース部２４２の周囲に巻回される複数の巻線２５をグループ化して構成される第一の巻線組２６に対して第二の巻線組２７の巻数が少なく且つ巻数の分布のさせ方に偏りを持たせているという点である。
【００５６】
以上のように構成された永久磁石同期発電機について、以下、その動作、作用を説明する。
【００５７】
本実施の形態に示す永久磁石同期発電機の回転軸には、２ピストンのレシプロ膨張機が接続されている。永久磁石同期発電機は、レシプロ膨張機のピストン毎に大きな入力を得ることができるが、トルク脈動を発生する。そのため、１ピストンのレシプロ膨張機では回転軸の１回転で１回のトルク脈動があり、２ピストンのレシプロ膨張機は回転軸の１回転で２回のトルク脈動がある。ピストンが膨張作動するタイミングを１８０°回転対称の位置とすることで、回転軸の１回転で、永久磁石同期発電機に大きな入力を得るタイミングが２倍となるため、高い発電力が期待できる。
【００５８】
図８は回転軸角度と回転速度との関係を示した図である。回転軸は 1500r/minで回転していて、回転軸角度が30°から60°の間と 210°から 240°の間 3000r/minに増速している条件を示す。図９は、図８で示した回転速度に対する永久磁石同期発電機の誘起電圧波形を計算した結果である。誘起電圧は、回転数と鎖交磁束（回転子の磁石磁束と固定子巻線の巻数）とに比例する。
【００５９】
本実施の形態の永久磁石同期発電機では、回転軸角度が30°から60°のときと、 210°から 240°のときに、第一の巻線組２６と第二の極対３０とが対向するように構成されている。
【００６０】
図９に示されるように、本実施の形態の永久磁石同期発電機では、回転軸が 1500r/minで回転しているときの誘起電圧はおよそ19Ｖで、回転軸角度が30°から60°の間と 210°から 240°の間とに回転速度が 3000r/minに増速しても、誘起電圧は最大22Ｖであり、回転軸角度が０°から 360°にわたって、誘起電圧に大きな変化は生じていない。
【００６１】
以上のように、１回転で２回の回転速度変動のある入力に対して、高回転速度のときに、第一の巻線組２６と第二の極対３０とを対向させるように構成することで、誘起電圧の過度な上昇が抑制され、低回転速度のときとほぼ同等の値の誘起電圧を維持することができる。さらに、高回転速度のときに、第二の巻線組２７と第一の極対２９とを対向させるように構成することで、誘起電圧を上記の低回線速度のときとほぼ同等の値にすることができる。これにより、回転軸の１回転中に生じる２回の回転速度変動による誘起電圧の変動の比を、回転速度の変動の比よりも小さくすることができる。したがって、回転軸が１回転する間に入力トルクの極大値もしくは極小値が２回以上発生し、これに伴い回転速度の極大値もしくは極小値が２回以上発生するような回転速度変動が発生する場合に、高回転速度領域でも過電圧を起こすことなく、且つ、回転軸の１回転に２回以上の回転速度変動を有する入力を活用してより高い発電量を得ることができる。さらに、回転子２３の強い磁力の第一の極対２９が、 180°回転対称に配置されて回転子の磁気吸引力が打ち消し合うので、回転子２３と固定子２２との間の磁気吸引力の回転に対する変動を小さくすることができ、振動が小さい永久磁石同期発電機を提供することができる。
【００６２】
また、磁石が回転子に埋め込み配置された永久磁石埋め込み同期発電機でも、固定子巻線が分布巻でも同様の効果を得ることができる。
【００６３】
また、本実施の形態に示した永久磁石同期発電機は、２ロータのロータリー膨張機にも適した永久磁石発電機を提供することができる。
【００６４】
（変形例４）
変形例４として、回転軸の１回転にｎ回（ｎは自然数１，２，・・・）の回転速度変動を有する永久磁石同期発電機を簡単に説明する。
【００６５】
回転子の周囲には、４ｎ極の磁極を形成するように永久磁石を配置する。隣接する同じ磁力のＳ極とＮ極との２極で一つの極対を形成することで２ｎ個の極対を形成し、ｎ個ずつ２種類の強度の極対を形成する。同じ磁力の極対同士を 180°回転対称に配置し、且つ、回転方向に交互に異なる磁力の極対を配置する。同じ磁力のｎ個の極対をグループ化したものを極対組と呼ぶこととする。極対組は、磁束の強弱により２種類形成される。
【００６６】
一方、固定子のティース部には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する巻線をグルーピングしたものを巻線組と称することとし、一つのティース部に対する巻数が２種類の巻線組をそれぞれｎ組ずつ、計２ｎ組の巻線組を形成する。巻き方は集中巻でも分布巻でもよい。
【００６７】
以上のように、回転子で２ｎ個の極対と、固定子で２ｎ組の巻線組とを形成する。そして、回転速度が高速度となる回転軸角度のときに、巻数の多い巻線組と磁束の弱い極対組とが対向するように構成し、且つ、巻数の少ない巻線組と磁束の強い極対組とが対向するように構成する。このように構成することで、高い発電量を安定的に得ることができる永久磁石同期発電機を提供することができる。なお、実施の形態１はｎ＝１、実施の形態２はｎ＝２に対応する。
【００６８】
また、同じ磁力の極対同士を 180°回転対称に配置するため、回転子の磁気吸引力が打ち消し合うので、回転子と固定子との間の磁気吸引力の回転に対する変動を小さくすることができ、振動が小さい永久磁石同期発電機を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上のように、本開示にかかる永久磁石同期発電機は、回転軸の１回転中に発生するトルク変動が大きい入力に対して、過電圧を起こすことなく、高い発電量を安定的に得ることができ有用である。
【符号の説明】
【００７０】
１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、２１  発電機
２、２Ｃ、２２  固定子
３、３Ｂ、２３  回転子
４、２４  固定子鉄心
５、２５  巻線
６、６Ｃ、２６  第一の巻線組
６Ｖ、６ＣＶ、２６Ｖ  Ｖ相の巻線
６Ｕ、６ＣＵ、２６Ｕ  Ｕ相の巻線
６Ｗ、６ＣＷ、２６Ｗ  Ｗ相の巻線
７、７Ｃ、２７  第二の巻線組
７Ｖ、７ＣＶ、２７Ｖ  Ｖ相の巻線
７Ｕ、７ＣＵ、２７Ｕ  Ｕ相の巻線
７Ｗ、７ＣＷ、２７Ｗ  Ｗ相の巻線
８、２８  磁石
９、９Ｂ、２９  第一の極対
１０、１０Ｂ、３０  第二の極対
４１、２４１  ヨーク部
４２、２４２  ティース部
４３、２４３  スロット部
１０１  固定子
１０２  固定子鉄心
１０３  ティース部鉄心
１０４  電機子巻線
１０５  ティース先端部
１０６  回転子
１０７  永久磁石
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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