JP2004015880A - 永久磁石式同期モータ並びにそれを用いるエレベータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内転型永久磁石式同期モータのコギングトルクを低減する。
【解決手段】ティースのロータの前記表面に対向した部分において、ティースの中心部分のエアギャップに比べて、他の部分のエアギャップが大きくし、かつ永久磁石の極ピッチτｐに対する永久磁石の着磁部分の周方向長さτｍの比（τｍ／τｐ）を０．８７＜τｍ／τｐ＜０．９１とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエレベータなどに用いられる永久磁石式同期モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
各ティースに集中巻線が施されている永久磁石式同期モータは、音響機器や情報機器等の小型モータに広く使用されており、最近では比較的大型なエレベータ用巻上機などにも使用される。しかし、このモータにおいては、永久磁石とティース間の磁気吸引力によるトルク脈動すなわちコギングトルクが発生するため、極数とスロット数の関係の最適化，極ピッチと永久磁石の周方向長さの関係の最適化，スキューなどにより、コギングトルクの低減が図られている。
【０００３】
例えば、特開２０００−１３４８９３号公報には、１０ｎ極−１２ｎティース（ｎは自然数）のモータが示されており、極ピッチτｐと永久磁石の周方向長さτｍの関係をτｍ／τｐ≒０．８７とすることにより、コギングトルクが低減されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術においては、外転型モータにおける永久磁石の外周面をロータ鉄心の円周に沿って円弧状にし、内周面を平面にすることにより、単純な形状でコギングトルクを低減することは記載されているが、内転型モータのティース形状と永久磁石形状については記載されておらず、この場合はモータの用途によってはコギングトルクが十分に小さくならないこともある。例えば、ロープ懸架式エレベータにおいて、モータがトラクションシーブを介して直接ロープを駆動する場合は、ロープおよびかごの関係においてロープがバネ定数を持つため共振系を構成し、モータにトルクリップルがあるとかごに振動として伝わるので、かご搭乗者に不快感を与える。
【０００５】
この問題に対して、従来の一般的な対処方法は、スキューを行うことであるが、スキューはモータの構造が複雑になるため製作性が悪くなり、また、モータ特性も低下する。別の方法として、ティースの先端に溝を設ける方法もあるが、これも製作性が悪く、磁気的なギャップが広がってモータ特性も下がってしまう。
【０００６】
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、コギングトルクを低減できる永久磁石式同期モータとこれを用いたエレベータ装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、１２ｎ個（ｎは自然数）の各ティースに集中巻線を施したステータと、表面に１０ｎ個の永久磁石を有し、ステータ内に位置するロータと、を備える永久磁石式同期モータについて、ティースのロータの表面に対向した部分において、ティースの中心部分のエアギャップに比べて、他の部分のエアギャップが大きくすることにより、コギングトルクの低減を検討した。しかし、本発明者が得た新規な知見によれば、このようなエアギャップがコギングトルク低減効果を奏するためには、永久磁石の極ピッチτｐに対する永久磁石の着磁部分の周方向長さτｍの比（τｍ／τｐ）を、０．８７＜τｍ／τｐ＜０．９１とする。本発明は、このような新規な知見に基づくものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例である永久磁石式同期モータの断面構造を示す。このモータはステータ１の内側にロータ２が位置する内転型モータである。ロータ２には、１０個の各々がほぼ同一形状、ほぼ同一磁化の略扇形形状の永久磁石３をロータコア５に極ピッチτｐの等間隔で配置し、ロータコア５に貼り合わせてある。永久磁石３の極性は磁化方向が軸中心に向かって隣同士がＮ，Ｓ交互になっており、磁化の強さは、各永久磁石で略同じで、かつ、永久磁石表面でほぼ均一になっている。永久磁石３は極ピッチτｐに対して周方向の長さτｍの比が０．８７＜τｍ／τｐ＜０．９１になるようにしている。一方、ステータ１には等ピッチに配置した１２個のティース６があり、夫々のティースに集中的にコイル７が巻かれている。隣接するティース間でコイル７が入る空間をスロットというが、図に示すように、スロットの開口部８はコイル７が位置する個所よりも狭くしてあり、コイルの飛び出しを防止できると共に、ギャップ部分の高調波磁場を少なくしている。
【０００９】
コギングトルクは、永久磁石をロータに用いた、集中巻線を施されたモータにおいては、永久磁石とステータ・ティース間に働く磁気吸引力によって発生するトルク脈動で、一般には、電機子巻線に通電せずにモータを外部から強制的に回したときのトルク波形で評価する。コギングトルクの周期はティース数と磁極数の最小公倍数で決まり、図１のモータは１０極１２ティースなので、モータ１回転当たり６０回のコギングトルクによる脈動が発生する。このモータは一回転の電気角が１０πであるから、コギングトルクの周期は電気角換算で（１／６）πとなる。
【００１０】
図２は、本発明者の検討により得られた新規な知見である、モータのコギングトルクの振幅と、極ピッチτｐと永久磁石周方向長さτｍの比τｍ／τｐとの関係を示す。これは、従来のモータ１と本発明によるモータ２および３において、τｍ／τｐを０．８０から１．００まで変化させたものである。図２から明らかなようにτｍ＜τｐの状態では、τｍ＝τｐの場合よりもコギングトルクは減少し、特にτｍ／τｐ＝０．９近傍の場合にコギングトルクが最小値をとる。
【００１１】
図２における従来のモータ１について、図３のステータ・ロータ拡大図（コイルは省略）を用いて説明する。ステータ１のティース６の内部形状は、ロータ回転中心を中心とする円弧９ｒからなり、ロータ回転中心から外径方向へひいた直線とティース６の内径部表面との交点と、この直線と永久磁石表面との交点を結ぶ線分の長さをエアギャップと定義すると、ティース６とロータ２との間のエアギャップがほぼ等幅になっている。図２に示すように、従来のモータ１においては、τｍ／τｐ＝０．９近傍の場合にコギングトルクが最小値をとる。
【００１２】
図２における本発明によるモータ２について、図４のステータ・ロータ拡大図（コイルは省略）を用いて説明する。ティース６の内径部の形状は、ティース６のロータ表面に対向した部分において、ロータ回転中心を中心とする円弧９ｒにティース中心で接する接線を含む実質的に平坦な平坦部９ｌを有する。平坦部９ｌの曲率半径は１００００ｍｍ以上、好ましくは９９９９．９５〜１００００．０５ｍｍ、あるいは９９９９．９９ｍｍ〜１００００．０９ｍｍであり、ティース中心から離れるに従って両側のエアギャップは、徐々に大きくなっている。図２に示すように、本発明によるモータ２においては、τｍ／τｐ＝０．９近傍の場合にコギングトルクが最小値をとり、従来のモータ１よりもコギングトルクは低減されている。
【００１３】
図２における本発明によるモータ３について、図５のステータ・ロータ拡大図（コイルは省略）を用いて説明する。モータ２と同様にティース６は平坦部を有する。永久磁石表面の曲率半径は、ティース６に対向した部分がロータ回転中心を中心とする半径ｒ１の円弧からなり、ティースに対向した部分がロータ回転中心を中心とする半径ｒ１の円弧に永久磁石表面の周方向中心で内接する半径
（ｒ１−２．０）＜ｒ２＜ｒ１ｍｍの円弧までの範囲からなっている。すなわち、永久磁石表面が、ロータ回転中心を中心とする略円弧に内接する略円弧形状または略楕円形状を有する。したがって、モータ３においても、ティース中心から離れるに従って、両側のエアギャップが徐々に大きくなっている。モータ３においては、τｍ／τｐ＝０．９近傍の場合にコギングトルクが最小値をとり、モータ１およびモータ２よりもコギングトルクは低減されている。なお、図５における永久磁石の表面形状は、ティース表面が円弧状の場合にも適用できる。
【００１４】
上述したように、τｍ／τｐ＝０．９近傍においては、本発明によるモータ２またはモータ３、すなわちステータのティースのロータ表面に対向した部分の、ティース中心部分のエアギャップに比べて、他の部分のエアギャップが大きくなるようした場合は、従来のモータ１よりもコギングトルクが低減する。しかし、図２に示すとおり、τｍ／τｐが０．９より小さくなると、０．８９近傍で従来のモータと本発明によるモータのコギングトルクの大小関係が逆転し、０．８９近傍より小さな範囲では、むしろ従来のモータ１の方が、コギングトルクが小さい。τｍ／τｐが０．９より大きくなる場合も同様に、０．９１近傍で従来のモータと本発明によるモータのコギングトルクの大小関係が逆転し、０．９１近傍より大きな範囲では、従来のモータ１の方が、コギングトルクが小さい。すなわち、上記のようなエアギャップの効果は、τｍ／τｐが０．９近傍である場合に得られる。実際、本発明者の検討当初、上記のような構造のエアギャップは、期待に反しコギングトルク低減効果を確認できなかったが、τｍ／τｐを０．８から１．０という広い範囲で変化させた結果、０．９近傍になると、すなわちコギングトルクが最小値となる近傍において、従来よりもコギングトルクが低減するという効果が生じることを発見した。
【００１５】
図６は、τｍ／τｐの最小値のスロット開口部の幅による変化を示す。すなわち、図６は、図２で示したモータ２をさらにスロット開口部幅を３〜８ｍｍと変化させたときの、コギングトルクの振幅とτｍ／τｐとの関係を示す。振幅が最小値をとるτｍ／τｐは、夫々のスロット開口部幅によって若干異なり、０．８７＜τｍ／τｐ＜０．９１程度の範囲で変化する。したがって、０．８７＜τｍ／τｐ＜０．９１の間でコギングトルクが最小値をとる。
【００１６】
図７は、第１の実施例におけるステータの分割図である。ヨーク部２１とティース部２２を軸方向からと、ティース部２２と巻線２３をティース部分割面径方向から示してある。ステータが、各ティース毎に略Ｔ字形のティース部２２とヨーク部２１に分割されていて、巻線はあらかじめ整列巻線２３で巻いておき、整列巻線２３をティース部２２に挿入した後、ティース部２２をヨーク部２１に組込むので、高密度に巻線ができ、巻線抵抗を小さくすることができる。図７において、巻線径はおおむね２．５ｍｍから３．０ｍｍ程度が好ましい。また、あらかじめ巻線を巻いておきティース部に挿入するため、スロット開口部を任意に調整することができ、図６に示したように、コギングトルクが低減できる。スロット開口部はおおむね３ｍｍから８ｍｍが好ましい。ステータの分割は、図８に示すように、ヨーク部２１は複数の各ティース毎に分割されるように構成することもできる。
【００１７】
上記のように、図１の実施例は１０極１２ティースを有するが、この１０極
１２ティースを基本ユニットとして、モータの電磁気的構造を繰り返した２０極２４ティース，３０極３６ティース等の極数とスロットの比が１０／１２であるモータについても、本発明は同様の効果を奏する。
【００１８】
図９に、本発明の第２の実施例である永久磁石式同期モータの断面構造を示す。第１の実施例と同様の構成及び作用については説明を省略する。本実施例は、永久磁石６０極，７２ティースを有する内転型モータであり、電磁気的には図１の１０極１２ティースのモータの６回繰り返し構造である。よって、第１の実施例と同様にコギングトルクを低減できる。
【００１９】
また、第２の実施例においては、さらに以下の効果が得られる。すなわち、極数とスロット数の最小公倍数は３６０となり、第１の実施例に比べて大きくなっている。すなわち、コギングトルクの周波数が高くなりコギングトルクを大幅に低減することができるので、トルクリップルの小さなモータを得ることができる。比較的大型で低トルクリップルを要求されるモータには、極数とスロット数の最小公倍数は３００以上とすることが好ましい。
【００２０】
図１０に、本発明の第３の実施例である、本発明による永久磁石式同期モータを用いたエレベータ装置の概略図を示す。
【００２１】
図示していない電源部からモータ３３に電力を供給し、モータ３３はダイレクト（ギヤレス）でトラクションシーブ３２を駆動する。これにより、トラクションシーブ３２に懸けられたロープ３４の両端に固定されたかご３５およびカウンタウエイト３６が、昇降路３１内を上下に走行する。
【００２２】
通常、モータで発生するトルクリップルは、トラクションシーブおよびロープを介してかごに伝達されるので、乗り心地を低下させる。本発明による永久磁石式同期モータを用いれば、コギングトルクが低減されているので、乗り心地が向上する。また、本発明による永久磁石式同期モータでは、各々のティースに電機子巻線が集中的に施してあるため、通常の分布巻モータに比べてコイルエンドが小さくなる。したがって、モータの小型化、特に薄型化に有効である。この薄いモータを図のように昇降路内のかごと壁の隙間に配置すれば、昇降路断面積を抑えつつ屋上機械室の無いエレベータを実現できる。
【００２３】
図１０の実施例では、モータおよびトラクションシーブを昇降路内のかごと壁の隙間に配置した場合について示したが、これらに限られるものではなく、例えばカウンタウエイトに搭載することも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石式同期モータのコギングトルクが低減され、さらに永久磁石式同期モータを用いたエレベータ装置の乗り心地が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である永久磁石式同期モータの断面構造。
【図２】モータのコギングトルクの振幅と、極ピッチτｐと永久磁石周方向長さτｍの比τｍ／τｐとの関係。
【図３】従来のモータのステータ・ロータ拡大図（コイルは省略）。
【図４】本発明によるモータのステータ・ロータ拡大図（コイルは省略）。
【図５】本発明によるモータのステータ・ロータ拡大図（コイルは省略）。
【図６】τｍ／τｐの最小値のスロット開口部の幅による変化を示す。
【図７】第１の実施例におけるステータの分割図。
【図８】ヨーク部２１が複数の各ティース毎に分割される構成。
【図９】本発明の第２の実施例である永久磁石式同期モータの断面構造。
【図１０】本発明の第３の実施例である、本発明による永久磁石式同期モータを用いたエレベータ装置の概略図。
【符号の説明】
１…ステータ、２…ロータ、３…永久磁石、４…ステータコア、５…ロータコア、６…ティース、７…コイル、８…スロット開口部、９ｒ…円弧、９ｌ…平坦部、１０…軸、２１…ヨーク部、２２…ティース部、２３…整列巻線、３１…昇降路、３２…トラクションシーブ、３３…モータ、３４…ロープ、３５…かご、３６…カウンタウエイト。

Claims (8)

1. １２ｎ個（ｎは自然数）のティースを有し、各ティースに集中巻線を施したステータと、
   前記ステータ内に位置し、表面に１０ｎ個の永久磁石を有するロータと、
   を備え、
   前記ティースの前記ロータの前記表面に対向した部分において、前記ティースの中心部分のエアギャップに比べて、他の部分のエアギャップが大きく、
   前記永久磁石の極ピッチτｐに対する前記永久磁石の着磁部分の周方向長さ
   τｍの比（τｍ／τｐ）が０．８７＜τｍ／τｐ＜０．９１である永久磁石式同期モータ。
2. 請求項１において、隣接する前記ティース間における前記巻線が入る空間の開口部幅が３ｍｍ〜８ｍｍである永久磁石式同期モータ。
3. 請求項１または請求項２において、前記ティースは、該ティースの前記ロータの前記表面に対向した部分に、前記ロータ回転中心を中心とする略円弧に前記ティース中心で接する接線を含む平坦部を有する永久磁石式同期モータ。
4. 請求項１または請求項２において、前記ティースに対向する前記永久磁石の前記表面の曲率半径は、前記表面の周方向中心よりも外側において小さくなっている永久磁石式同期モータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、前記ステータが、各ティース毎に略Ｔ字形のティース部と、ヨーク部に分割される永久磁石式同期モータ。
6. 請求項１〜４のいずれか１項において、ステータのヨーク部が、複数のティース毎に分割される永久磁石式同期モータ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、前記１２ｎと前記１０ｎの最小公倍数が３００以上である永久磁石式同期モータ。
8. モータによって駆動されるトラクションシーブを有する巻上機と、
   前記トラクションシーブに懸けられたロープによって昇降路内を上下に走行するかごおよびカウンタウエイトと、
   を備え、
   前記モータが、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の永久磁石式同期モータであるエレベータ装置。

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