(57)【要約】本発明は、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なされたものである。その構成は、永久磁石４による複数の磁極を有する回転子１００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１０１とを具備し、回転子１００の磁極の極対数をＰ、回転子１００の直径をＤ［ｍ］とし、回転子１００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３６０度を１次とする）としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが、（（Ｎ＋Ｐ）の１．５乗）×（Ｎの（−４）乗）×（Ｐの２乗）×Ｄ＜０．６（単位はｍ）を満たすように構成されている。
2003055045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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
2003055045.tif 000038
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。
【請求項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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
2003055045.tif 000039
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。
【請求項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、２Ｐ＜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。
【請求項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、２Ｐ：Ｓ＝２：３の関係を満たすとともに、
上記Ｐと上記Ｄとが、
2003055045.tif 000040
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。
【請求項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、２Ｐ：Ｓ＝８：９の関係を満たすとともに、
上記Ｐと上記Ｄとが、
2003055045.tif 000041
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。
【請求項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、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の関係を満たすとともに、
上記Ｐと上記Ｄとが、
2003055045.tif 000042
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。
【請求項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。
【請求項８】
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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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
2003055045.tif 000043
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。
【請求項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巻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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
2003055045.tif 000044
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。
【発明の詳細な説明】
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巻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巻線を磁極に集中的に巻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。集中巻は固定子の磁極に集中的に巻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、サーボ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ｋＷ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、コイルエ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、分布巻と比較して、集中巻は、コイルエンドが小さいため軸方向の長さを低減でき、さらに電機子巻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、集中巻を選択した方がよいと言える。
上記のように集中巻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っているが、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−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、集中巻の大容量機、特に、回転子の直径が１ｍ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鈑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２００１−５４２７１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、かつそのヨークを区分し、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２００１−５４２７１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った。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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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
2003055045.tif 000003
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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
2003055045.tif 000004
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、２Ｐ＜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、２Ｐ：Ｓ＝２：３の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
2003055045.tif 000005
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、２Ｐ：Ｓ＝８：９の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
2003055045.tif 000006
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、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
2003055045.tif 000007
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。
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１００の外側に固定子１０１が位置している。図１において、１は固定子１０１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１００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１００の回転軸である。
図１に示すように、回転子外径は３ｍであり、回転子１００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６４、固定子１０１のティース２およびスロット３の個数は共に９６である。回転子１００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１０１は９６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に電機子巻線が集中的に巻き回されたいわゆる集中巻の巻線方式を採用している。
図２（ａ）は、図１の固定子１０１と回転子１００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に巻き回された電機子巻線である。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１００の極数と固定子１０１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つのユ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１０１には、図２（ａ）に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の合計３相の電機子巻線８がスロット３に納められており、これらの電機子巻線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１２０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−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、空間でフーリエ級数展開すると、回転子１００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２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：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３６０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１００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１００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、１５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１００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１００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１００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１００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１００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−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１００に渦電流を発生させる。特に、このように極数とスロット数の比が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１００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６４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３６０度を１次とすれば６４次となる。
次に、上記非同期成分によって発生する回転子１００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１００の極対数Ｐと、回転子１００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１００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１００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２ｘ、軸方向の幅２ｙ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流損を算出する。
まず、微小回路の抵抗ｒ［Ω］を求める。抵抗ｒは抵抗率ρ［Ωｍ］と回路の長さに比例し、回路の断面積に反比例するので、
2003055045.tif 000008
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
2003055045.tif 000009
が成り立つ。これを式（１）に代入すると、
2003055045.tif 000010
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
2003055045.tif 000011
として表す。これは磁束密度の変化の空間的周波数は２π／ｗであり、その周波数はω［ｒａｄ／ｓｅｃ］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、
2003055045.tif 000012
となる。式（４）を式（５）に代入すると、
2003055045.tif 000013
を得る。こ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
2003055045.tif 000014
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ｄＱ［Ｗ］は式（３），（７）から
2003055045.tif 000015
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、２Ｎ（＝２πＤ／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、
2003055045.tif 000016
となる。さらに、表皮深さδについては、抵抗率ρ、透磁率μ、周波数ωとすると、
2003055045.tif 000017
となる。ここで、通常発電機ではｗ＜＜Ｌであるので、
2003055045.tif 000018
と近似できる。また、ｗ＝πＤ／Ｎであるから、式（９）（１０）から
2003055045.tif 000019
と近似できる。ただしＫは
2003055045.tif 000020
である。また、空間次数Ｎ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［ｒａｄ／ｓｅｃ］は発電機の回転数ωｍ［ｒａｄ／ｓｅｃ］を用いると
2003055045.tif 000021
と表される。ただし、式中の符号＋は空間次数Ｎの起磁力が逆相のとき、−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（１１）（１３）より
2003055045.tif 000022
と書くことができる。
図５〜８に集中巻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２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：Ｓ＝４：３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り、図６は、極数２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：Ｓ＝１０：９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２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：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２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：Ｓ＝１０：１２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。
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、集中巻の場合、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３６０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／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っ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（１４）は次のように書きかえることができる。
2003055045.tif 000023
ただし、ここでＫ１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Ｐと回転子外径Ｄと逆相起磁力の空間次数Ｎ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ωｍと出力Ｐｏｕｔとの間には、おおよそ
2003055045.tif 000024
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（１５）を式（１６）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。
2003055045.tif 000025
式（１７）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
2003055045.tif 000026
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（１６）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≦０．８Ｄ、さらにより好ましくはＬ≦０．５Ｄであることがわかった。
図１６に発電機の出力Ｐｏｕｔに対するＤをＬ＝Ｄ、Ｌ＝０．８Ｄ、Ｌ＝０．５Ｄ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＝０．８Ｄ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＝０．５Ｄ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１６から、出力が２０００ｋＷ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５００ｋＷの場合、Ｄ≧１．４［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１００ｋＷ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。５００ｋＷ以上の領域を直線近似すると、Ｌ＝ＤのときはＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２、Ｌ＝０．８ＤのときはＤ＝０．０００４８Ｐｏｕｔ＋１．３、Ｌ＝０．５ＤのときはＤ＝０．０００５７Ｐｏｕｔ＋１．５と表される（この式でＰｏｕｔの単位はｋＷ、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、出力が小さくなっ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１００ｋＷ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１ｍ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ったグラフを図１０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９５％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９５％の高効率を達成できると考える。図１０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、
2003055045.tif 000027
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＝０．１７［ｍ］であり、当然のことながら式（１９）をみたす。
以上より、式（１９）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、イ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、ア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ャップ型でも、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巻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（１９）を満たす構成を適用した例について説明する。図１１及び図１２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、１０は風力発電システムの支柱となるタワーであり、１１はタワー１０上に設けられたナセルである。ナセル１１の内部には、図１１の例では、発電機１２と増速ギヤ１３とが設けられており、図１２の例では、発電機１２のみが設けられている。１４はナセル１１の先端に設けられた風車であり、１５及び１６は、それぞれ、風車１４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１１の例においては、タワー１０の上にナセル１１があり、ナセル１１内部に発電機１２と増速ギヤ１３が納められており、その先に風車１４が接続されている。ハブ１５とブレード１６で構成される風車１４と発電機１２とは増速ギヤ１３を介して接続されている。このシステムでは、増速ギヤ１３を介することで、発電機１２の回転数を風車１４の回転数より高くしているので、発電機１２のトルクが小さくてすみ、発電機１２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１３の発生する騒音や増速ギヤ１３のメンテナンスなどの課題がある。一方、近年、図１２に示すように、風車１４と発電機１２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、巻線界磁型の同期発電機に比べて、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。
このシステムでは増速ギヤに起因する騒音や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（１８）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（１９）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がある。
実施の形態３．
これまで述べてきたように、固定子が集中巻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、集中巻の回転電機の極数２Ｐ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、２Ｐ：Ｓ＝４：３，１０：９，８：９，１０：１２，２：３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６０極程度になるように、６４極４８スロット、６０極５４スロット、６４極７２スロット、６０極７２スロット、６４極９６スロットとして、回転子外径３ｍ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１３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２Ｐ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／２Ｐを横軸にとってグラフにしたものを図１４に示す。この結果から、Ｓ／２Ｐ＞１すなわち２Ｐ＜Ｓの場合には渦電流損が小さく。逆にＳ／２Ｐ＜１すなわち２Ｐ＞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、２Ｐ：Ｓ＝４：３，１０：９すなわち２Ｐ＞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２Ｐ：Ｓ＝４：３のときには−１／２次で振幅は同期成分の２倍、２Ｐ：Ｓ＝１０：９のときには−４／５次で振幅は同期成分の１．２５倍の起磁力が存在する。ところが、２Ｐ：Ｓ＝８：９，１０：１２，２：３すなわち２Ｐ＜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３０か３２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（１８）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２Ｐ＜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、２Ｐ＞Ｓとした場合でも極数を増やして式（１９）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、２Ｐ＜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、２Ｐ＜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、２Ｐ＜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巻の回転電機を設計した場合に２Ｐ：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っとも少なく構成できるため非常に有利である。図３から２Ｐ：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、２Ｐ極の場合はＮ＝２Ｐとなる。これを式（１９）に代入すると、
2003055045.tif 000028
を得る。
したがって、集中巻で極対数Ｐとスロット数Ｓの組み合わせが２Ｐ：Ｓ＝２：３なる永久磁石型回転電機において式（２０）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、２Ｐ＜Ｓをみたす集中巻の永久磁石型回転電機において２Ｐ：Ｓ＝８：９，１０：１２なる関係が成り立つ場合についても同様に考える。２Ｐ：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Ｎ＝５Ｐ／４を式（１９）に代入して、
2003055045.tif 000029
を得る。したがって、２Ｐ：Ｓ＝８：９の場合には式（２１）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、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２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＝７Ｐ／５を式（１９）に代入して、
2003055045.tif 000030
を得る。したがって、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の場合には式（２２）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、２Ｐ：Ｓ＝８：９、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の組み合わせの集中巻の永久磁石型回転電機は巻線係数が２Ｐ：Ｓ＝４：３，２：３の０．８６６に比べて高くそれぞれ０．９４５、０．９３３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２Ｐ：Ｓ＝４：３，２：３の場合にくらべて大きくなる。例えば、６４極４８スロット（２Ｐ：Ｓ＝４：３）、６４極９６スロット（２Ｐ：Ｓ＝２：３）の場合はともに１９２であるのに対し、６４極７２スロット（２Ｐ：Ｓ＝８：９）では５７６、６０極７２スロット（２Ｐ：Ｓ＝１０：１２）では３６０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、２Ｐ：Ｓ＝８：９、１０：１２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、２Ｐ：Ｓ＝８：９、１０：１２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、集中巻で極対数Ｐとスロット数Ｓの組み合わせが２Ｐ：Ｓ＝８：９あるいは１０：１２なる永久磁石型回転電機においてそれぞれ式（２１）、（２２）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、２Ｐ＞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、巻線係数が高いため、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１５に本実施の形態を示す。本実施の形態においては、図１５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（１９）をみたすような組み合わせとし、さらに、図１５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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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
2003055045.tif 000031
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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
2003055045.tif 000032
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、２Ｐ＜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、２Ｐ＞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、２Ｐ：Ｓ＝２：３の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
2003055045.tif 000033
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、２Ｐ：Ｓ＝８：９の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
2003055045.tif 000034
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、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
2003055045.tif 000035
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巻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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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
2003055045.tif 000036
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１ｍ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巻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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
2003055045.tif 000037
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１ｍ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。
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。
【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エ解析結果（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エ解析結果（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エ解析結果（極数：スロット数＝１０：９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エ解析結果（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エ解析結果（極数：スロット数＝１０：１２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１０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１１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１２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１３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１４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１５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１６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。
【図１】
2003055045.tif 000045
【図２】
2003055045.tif 000046
【図３】
2003055045.tif 000047
【図４】
2003055045.tif 000048
【図５】
2003055045.tif 000049
【図６】
2003055045.tif 000050
【図７】
2003055045.tif 000051
【図８】
2003055045.tif 000052
【図９】
2003055045.tif 000053
【図１０】
2003055045.tif 000054
【図１１】
2003055045.tif 000055
【図１２】
2003055045.tif 000056
【図１３】
2003055045.tif 000057
【図１４】
2003055045.tif 000058
【図１５】
2003055045.tif 000059
【図１６】
2003055045.tif 000060
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月28日(2004.6.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【特許請求の範囲】
【請求項１】  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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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）1.5Ｎ-4Ｐ2Ｄ
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。
【請求項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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
【数１】
2003055045.tif 000061
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。
【請求項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、２Ｐ＜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。
【請求項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、２Ｐ：Ｓ＝２：３の関係を満たすとともに、
上記Ｐと上記Ｄとが、
【数２】
2003055045.tif 000062
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。
【請求項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、２Ｐ：Ｓ＝８：９の関係を満たすとともに、
上記Ｐと上記Ｄとが、
【数３】
2003055045.tif 000063
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。
【請求項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、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の関係を満たすとともに、
上記Ｐと上記Ｄとが、
【数４】
2003055045.tif 000064
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。
【請求項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。
【請求項８】  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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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）1.5Ｎ-4Ｐ2Ｄ
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。
【請求項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巻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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
【数５】
2003055045.tif 000065
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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巻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。
【０００２】
【従来の技術】
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巻線を磁極に集中的に巻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。集中巻は固定子の磁極に集中的に巻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、サーボ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。
【０００３】
一方、数ｋＷ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、コイルエ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、分布巻と比較して、集中巻は、コイルエンドが小さいため軸方向の長さを低減でき、さらに電機子巻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、集中巻を選択した方がよいと言える。
【０００４】
上記のように集中巻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っているが、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−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。
【０００５】
以上のような理由から、集中巻の大容量機、特に、回転子の直径が１ｍ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。
【０００６】
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鈑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２００１−５４２７１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、かつそのヨークを区分し、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。
【０００７】
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２００１−５４２７１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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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った。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。
【０００９】
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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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）1.5Ｎ-4Ｐ2Ｄ
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。
【００１１】
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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
【００１２】
【数６】
2003055045.tif 000066
【００１３】
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。
【００１４】
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、２Ｐ＜Ｓの関係を満たす構成とする。
【００１５】
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、２Ｐ：Ｓ＝２：３の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
【００１６】
【数７】
2003055045.tif 000067
【００１７】
の関係を満たす構成とする。
【００１８】
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、２Ｐ：Ｓ＝８：９の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
【００１９】
【数８】
2003055045.tif 000068
【００２０】
の関係を満たす構成とする。
【００２１】
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、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
【００２２】
【数９】
2003055045.tif 000069
【００２３】
の関係を満たす構成とする。
【００２４】
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。
【００２５】
【発明の実施の形態】
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１００の外側に固定子１０１が位置している。図１において、１は固定子１０１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１００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１００の回転軸である。
【００２６】
図１に示すように、回転子外径は３ｍであり、回転子１００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６４、固定子１０１のティース２およびスロット３の個数は共に９６である。回転子１００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１０１は９６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に電機子巻線が集中的に巻き回されたいわゆる集中巻の巻線方式を採用している。
【００２７】
図２（ａ）は、図１の固定子１０１と回転子１００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に巻き回された電機子巻線である。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１００の極数と固定子１０１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つのユ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１０１には、図２（ａ）に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の合計３相の電機子巻線８がスロット３に納められており、これらの電機子巻線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１２０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−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、空間でフーリエ級数展開すると、回転子１００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。
【００２８】
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２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：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３６０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１００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１００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、１５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１００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１００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１００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１００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１００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−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１００に渦電流を発生させる。特に、このように極数とスロット数の比が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１００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６４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３６０度を１次とすれば６４次となる。
【００２９】
次に、上記非同期成分によって発生する回転子１００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１００の極対数Ｐと、回転子１００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。
【００３０】
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１００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１００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２ｘ、軸方向の幅２ｙ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流損を算出する。
【００３１】
まず、微小回路の抵抗ｒ［Ω］を求める。抵抗ｒは抵抗率ρ［Ωｍ］と回路の長さに比例し、回路の断面積に反比例するので、
【００３２】
【数１０】
2003055045.tif 000070
【００３３】
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
【００３４】
【数１１】
2003055045.tif 000071
【００３５】
が成り立つ。これを式（１）に代入すると、
【００３６】
【数１２】
2003055045.tif 000072
【００３７】
となる。
【００３８】
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
【００３９】
【数１３】
2003055045.tif 000073
【００４０】
として表す。これは磁束密度の変化の空間的周波数は２π／ｗであり、その周波数はω［ｒａｄ／ｓｅｃ］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、
【００４１】
【数１４】
2003055045.tif 000074
【００４２】
となる。式（４）を式（５）に代入すると、
【００４３】
【数１５】
2003055045.tif 000075
を得る。こ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
【００４４】
【数１６】
2003055045.tif 000076
【００４５】
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ｄＱ［Ｗ］は式（３），（７）から
【００４６】
【数１７】
2003055045.tif 000077
【００４７】
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、２Ｎ（＝２πＤ／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、
【００４８】
【数１８】
2003055045.tif 000078
【００４９】
となる。さらに、表皮深さδについては、抵抗率ρ、透磁率μ、周波数ωとすると、
【００５０】
【数１９】
2003055045.tif 000079
【００５１】
となる。ここで、通常発電機ではｗ＜＜Ｌであるので、
【００５２】
【数２０】
2003055045.tif 000080
【００５３】
と近似できる。また、ｗ＝πＤ／Ｎであるから、式（９）（１０）から
【００５４】
【数２１】
2003055045.tif 000081
【００５５】
と近似できる。ただしＫは
【００５６】
【数２２】
2003055045.tif 000082
【００５７】
である。また、空間次数Ｎ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［ｒａｄ／ｓｅｃ］は発電機の回転数ωm［ｒａｄ／ｓｅｃ］を用いると
【００５８】
【数２３】
2003055045.tif 000083
【００５９】
と表される。ただし、式中の符号＋は空間次数Ｎの起磁力が逆相のとき、−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（１１）（１３）より
【００６０】
【数２４】
2003055045.tif 000084
【００６１】
と書くことができる。
【００６２】
図５〜８に集中巻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２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：Ｓ＝４：３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り、図６は、極数２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：Ｓ＝１０：９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２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：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２Ｐとスロット数Ｓとの比が２Ｐ：Ｓ＝１０：１２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。
【００６３】
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、集中巻の場合、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３６０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／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っ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（１４）は次のように書きかえることができる。
【００６４】
【数２５】
2003055045.tif 000085
【００６５】
ただし、ここでＫ１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Ｐと回転子外径Ｄと逆相起磁力の空間次数Ｎに大きく依存していることを示している。
【００６６】
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ωmと出力Ｐoutとの間には、おおよそ
【００６７】
【数２６】
2003055045.tif 000086
【００６８】
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（１５）を式（１６）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。
【００６９】
【数２７】
2003055045.tif 000087
【００７０】
式（１７）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
【００７１】
【数２８】
2003055045.tif 000088
【００７２】
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。
【００７３】
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（１６）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≦０．８Ｄ、さらにより好ましくはＬ≦０．５Ｄであることがわかった。
【００７４】
図１６に発電機の出力Ｐｏｕｔに対するＤをＬ＝Ｄ、Ｌ＝０．８Ｄ、Ｌ＝０．５Ｄ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＝０．８Ｄ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＝０．５Ｄ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１６から、出力が２０００ｋＷ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５００ｋＷの場合、Ｄ≧１．４［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１００ｋＷ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。５００ｋＷ以上の領域を直線近似すると、Ｌ＝ＤのときはＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２、Ｌ＝０．８ＤのときはＤ＝０．０００４８Ｐｏｕｔ＋１．３、Ｌ＝０．５ＤのときはＤ＝０．０００５７Ｐｏｕｔ＋１．５と表される（この式でＰｏｕｔの単位はｋＷ、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。
【００７５】
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、出力が小さくなっ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。
【００７６】
ギヤレス型の風力発電用などでは１００ｋＷ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。
【００７７】
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１ｍ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。
【００７８】
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ったグラフを図１０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。
【００７９】
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９５％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９５％の高効率を達成できると考える。図１０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、
【００８０】
【数２９】
2003055045.tif 000089
【００８１】
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＝０．１７［ｍ］であり、当然のことながら式（１９）をみたす。
【００８２】
以上より、式（１９）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。
【００８３】
また、本実施の形態においては、イ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、ア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ャップ型でも、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。
【００８４】
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巻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（１９）を満たす構成を適用した例について説明する。図１１及び図１２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、１０は風力発電システムの支柱となるタワーであり、１１はタワー１０上に設けられたナセルである。ナセル１１の内部には、図１１の例では、発電機１２と増速ギヤ１３とが設けられており、図１２の例では、発電機１２のみが設けられている。１４はナセル１１の先端に設けられた風車であり、１５及び１６は、それぞれ、風車１４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。
【００８５】
このように、図１１の例においては、タワー１０の上にナセル１１があり、ナセル１１内部に発電機１２と増速ギヤ１３が納められており、その先に風車１４が接続されている。ハブ１５とブレード１６で構成される風車１４と発電機１２とは増速ギヤ１３を介して接続されている。このシステムでは、増速ギヤ１３を介することで、発電機１２の回転数を風車１４の回転数より高くしているので、発電機１２のトルクが小さくてすみ、発電機１２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１３の発生する騒音や増速ギヤ１３のメンテナンスなどの課題がある。一方、近年、図１２に示すように、風車１４と発電機１２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、巻線界磁型の同期発電機に比べて、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。
【００８６】
このシステムでは増速ギヤに起因する騒音や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（１８）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。
【００８７】
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（１９）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がある。
【００８８】
実施の形態３．
これまで述べてきたように、固定子が集中巻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、集中巻の回転電機の極数２Ｐ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、２Ｐ：Ｓ＝４：３，１０：９，８：９，１０：１２，２：３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６０極程度になるように、６４極４８スロット、６０極５４スロット、６４極７２スロット、６０極７２スロット、６４極９６スロットとして、回転子外径３ｍ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１３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２Ｐ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／２Ｐを横軸にとってグラフにしたものを図１４に示す。この結果から、Ｓ／２Ｐ＞１すなわち２Ｐ＜Ｓの場合には渦電流損が小さく、逆にＳ／２Ｐ＜１すなわち２Ｐ＞Ｓのときには渦電流損が大きいことが分かる。
【００８９】
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、２Ｐ：Ｓ＝４：３，１０：９すなわち２Ｐ＞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２Ｐ：Ｓ＝４：３のときには−１／２次で振幅は同期成分の２倍、２Ｐ：Ｓ＝１０：９のときには−４／５次で振幅は同期成分の１．２５倍の起磁力が存在する。ところが、２Ｐ：Ｓ＝８：９，１０：１２，２：３すなわち２Ｐ＜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３０か３２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（１８）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２Ｐ＜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、２Ｐ＞Ｓとした場合でも極数を増やして式（１９）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、２Ｐ＜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。
【００９０】
以上より、大形の永久磁石型回転電機においては、２Ｐ＜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、２Ｐ＜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。
【００９１】
特に、同じかほぼ同じ極数で集中巻の回転電機を設計した場合に２Ｐ：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っとも少なく構成できるため非常に有利である。図３から２Ｐ：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、２Ｐ極の場合はＮ＝２Ｐとなる。これを式（１９）に代入すると、
【００９２】
【数３０】
2003055045.tif 000090
【００９３】
を得る。
【００９４】
したがって、集中巻で極対数Ｐとスロット数Ｓの組み合わせが２Ｐ：Ｓ＝２：３なる永久磁石型回転電機において式（２０）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。
【００９５】
一方、２Ｐ＜Ｓをみたす集中巻の永久磁石型回転電機において２Ｐ：Ｓ＝８：９，１０：１２なる関係が成り立つ場合についても同様に考える。２Ｐ：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Ｎ＝５Ｐ／４を式（１９）に代入して、
【００９６】
【数３１】
2003055045.tif 000091
【００９７】
を得る。したがって、２Ｐ：Ｓ＝８：９の場合には式（２１）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、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２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＝７Ｐ／５を式（１９）に代入して、
【００９８】
【数３２】
2003055045.tif 000092
【００９９】
を得る。したがって、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の場合には式（２２）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。
【０１００】
また、２Ｐ：Ｓ＝８：９、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の組み合わせの集中巻の永久磁石型回転電機は巻線係数が２Ｐ：Ｓ＝４：３，２：３の０．８６６に比べて高くぞれぞれ０．９４５、０．９３３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２Ｐ：Ｓ＝４：３，２：３の場合にくらべて大きくなる。例えば、６４極４８スロット（２Ｐ：Ｓ＝４：３）、６４極９６スロット（２Ｐ：Ｓ＝２：３）の場合はともに１９２であるのに対し、６４極７２スロット（２Ｐ：Ｓ＝８：９）では５７６、６０極７２スロット（２Ｐ：Ｓ＝１０：１２）では３６０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、２Ｐ：Ｓ＝８：９、１０：１２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、２Ｐ：Ｓ＝８：９、１０：１２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。
【０１０１】
以上より、集中巻で極対数Ｐとスロット数Ｓの組み合わせが２Ｐ：Ｓ＝８：９あるいは１０：１２なる永久磁石型回転電機においてそれぞれ式（２１）、（２２）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、２Ｐ＞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、巻線係数が高いため、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。
【０１０２】
実施の形態４．
図１５に本実施の形態を示す。本実施の形態においては、図１５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。
【０１０３】
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（１９）をみたすような組み合わせとし、さらに、図１５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。
【０１０４】
以下にこの発明の効果を述べる。
【０１０５】
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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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）1.5Ｎ-4Ｐ2Ｄ
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。
【０１０６】
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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
【０１０７】
【数３３】
2003055045.tif 000093
【０１０８】
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。
【０１０９】
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、２Ｐ＜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、２Ｐ＞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。
【０１１０】
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、２Ｐ：Ｓ＝２：３の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
【０１１１】
【数３４】
2003055045.tif 000094
【０１１２】
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。
【０１１３】
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、２Ｐ：Ｓ＝８：９の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
【０１１４】
【数３５】
2003055045.tif 000095
【０１１５】
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。
【０１１６】
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、２Ｐ：Ｓ＝１０：１２の関係を満たすとともに、上記Ｐと上記Ｄとが、
【０１１７】
【数３６】
2003055045.tif 000096
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋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）1.5Ｎ-4Ｐ2Ｄ
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１ｍ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。
【０１２１】
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、上記固定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３６０度を１次とする）とし、上記永久磁石型回転電機の出力をＰｏｕｔとして、上記ＤをＤ＝０．０００４５Ｐｏｕｔ＋１．２以上としたとき、上記、Ｐ、Ｄ、Ｎが
【０１２２】
【数３７】
2003055045.tif 000097
【０１２３】
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１ｍ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。
【０１２４】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  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】  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】  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エ解析結果（極数：スロット数＝２：３のとき）を示した説明図である。
【図４】  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】  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エ解析結果（極数：スロット数＝４：３のとき）を示した説明図である。
【図６】  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エ解析結果（極数：スロット数＝１０：９のとき）を示した説明図である。
【図７】  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エ解析結果（極数：スロット数＝８：９のとき）を示した説明図である。
【図８】  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エ解析結果（極数：スロット数＝１０：１２のとき）を示した説明図である。
【図９】  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１０】  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１１】  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１２】  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１３】  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１４】  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１５】  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１６】  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。
【国際調査報告】
2003055045.tif 000098
2003055045.tif 000099
2003055045.tif 000100