JP2009509488A - 電気駆動機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、３相電機駆動機械に関する。当該駆動機械は一連の固定子溝（３）を有する固定１次部品（２）であって、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の固定子巻線（４）が形成される。当該固定子巻線（４）を通る電流により１次部品の磁極が形成されるように位置決めされた１次部品（２）と、１次部品（２）に対して所定の移動路上を移動可能であり、その上に永久磁石（６）が配置され、いずれの場合にもその磁極の一つが１次部品（２）に向かい、一連の２次部品の磁極が移動方向をもたらすように形成された２次部品（５）とからなる。移動路上の２次部品（５）の移動は、２次部品の磁極と、電流の流れから形成される１次部品の磁極との相互作用によって生じる。本発明では、１次部品（２）に向かう２次部品の磁極の数と、２次部品（５）の所定の位置における２次部品に対向する１次部品の磁極の数との比率が、１９：１２である３相電気駆動機械を提供する。

Description

本発明は、３相電気駆動機械に関する。当該駆動機械は、固定子溝を有する固定１次部品であって、固定子巻線を通る電流が１次部品の磁極を形成するように３相の固定子巻線が位置決めされた１次部品と、１次部品に対して所定の移動路上を移動可能である２次部品であって、その上に、磁極の一方が１次部品に向かうように永久磁石が位置決めされ、移動方向に一連の２次部品の磁極を形成する２次部品とからなる。移動路上の２次部品の移動は、２次部品の磁極と、電流の流れから生じる１次部品の磁極との相互作用によって引き起こされる。

従来、この種の駆動機械が知られている。これらの機能を有する回転駆動機械には、特に、永久磁化を有する回転磁場モータが含まれる。本発明は、特に、エレベータの駆動及びエレベータに関して同様の要求がある他の用途に関する。この種の駆動について、以前から起振力及び負荷脈動トルクが問題であった。これらは、性能損失及び好まざるノイズ発生の原因となる。この種の公知のノイズ源は、電流に依存する現象だけでなく、特に電流から独立している影響及びコギングトルクである。これは、当該機械における不均衡な半径方向力及び接線分力を引き起こす。

より均一な作用力を実現し、ノイズ発生を最小化するための様々な対策が、先行技術に開示されている。例えば、固定子巻線を、所謂分布巻として２つ以上の固定子溝に亘って位置決めし、異なる固定子巻線の巻きを、個々の固定子溝間の固定子歯に巻きつける。しかしながら、これは、全体的に電気抵抗が高くなってしまうため、駆動機械の効率の低下を引き起こす。

更に、永久磁石として、例えば貝殻型の成形磁石や台形磁石を使用することによって、起振力及び負荷脈動トルクを最小化することが知られる。加えて、先行技術に係る駆動機械において、２次部品としてロータが使用され、当該ロータの永久磁石は、その軸に対して平行ではなく、むしろロータの軸方向に対して数度の小角度で対角線上に配向される磁石の列に位置決めされる。

これらの対策によって、起振力及び負荷脈動トルクの補償が行われ、ノイズ発生が抑えられる。しかしながら、これらは、特に成形磁石が使用される場合、性能損失及び製造コストが著しく増加してしまう。

このため、本発明の目的は、起振力、負荷脈動トルク、及びそれらと結びつくノイズ源が、冒頭で記述した種類の電気駆動機械においてより小さな性能損失で最小化される、よりよい方法を開示することである。

この目的は、本発明に従い、１次部品に向かう２次部品の磁極の数と、２次部品の所定の位置における２次部品の磁極に対向して位置する１次部品の磁極の数との比率が１９：１２である点で達成される。

本発明において、この比率は、性能及びノイズ源、特に起振力及び負荷脈動トルクの補償の点で最適である。本発明に係る駆動機械において、起振力及び負荷脈動トルクは、大部分改善されるので、費用のかかる成形磁石を用いなくてよい。したがって、より低ノイズ動作が可能であり、より低い製造コスト及びより低い性能損失のメリットを兼ね備えることができる。これは、従来、文献において、２次部品の磁極の数と１次部品の磁極の数とを、僅かだけ、特に一つか二つだけ異なるように選択することが当然と考えられていただけに、一層驚くべきことである。

本発明において、前記特定の比率は、２次部品がロータである駆動機械にとって最適であるだけでなく、むしろリニア駆動部においても改善した結果をもたらすことが立証されている。もちろん、リニア駆動部では固定１次部品の巻線の数、及び、その結果として、１次部品の磁極の数は、原則として無制限であり、本質的には、移動可能な２次部品の最大移動路によってのみ決定される。しかしながら、２次部品の所定の位置では、常に１次部品の全磁極のうち、部分的なもののみが、２次部品の磁極に対向して位置している。したがって、１９：１２の特定の比率は、２次部品の所定の位置における２次部品に対向し、電気機械の力の発生においてアクティブである１次部品の磁極にのみ関連する。

冒頭で記述した種類の低性能損失の低ノイズ駆動機械は、少なくとも１つの相の少なくとも２つの固定子巻線が、対向する巻線方向を有する点でも実現できる。この種の機械は、本発明の他の実施形態を示し、１次部品及び２次部品の磁極の任意の数に対して独立している特徴を有する。

本発明の更なる詳細説明及び効果は、添付の図面を参照して好適な実施形態に基づいてより詳細に説明される。そこにおいて記述される特徴は、好適な実施形態を提供するために単独で又は組み合わせて使用される。

図１は、電気駆動機械１の好適な実施形態である同期機を示し、単純化のため固定子巻線を備えずに示される。固定子巻線４及びそれらの電気的相互接続は、図２に示される。電気駆動機械１は、４８個の固定子溝３を有する固定１次部品２を備える。図２に示されるように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の固定子巻線４は、固定子溝３において同心巻線として位置決めされる。これは、実質的に、全ての巻線４の巻きが、単一の固定子歯８に巻かれ、隣接する巻線４には亘らないことを意味する。所定の巻線４における、全ての巻きは、好適には、単一の固定子歯８に巻かれる。しかしながら、固定子巻線４の幾つか巻きが、例えば１００個の内３個が、巻線４が巻かれた隣接する第２の固定子歯８に巻かれていても、実際には発生した磁場に対して差異がないため、このような場合は、集中巻であるとして理解すると良い。

Ｕ相の夫々の巻線４は、直列に接続され、相巻線を形成する。Ｖ相、Ｗ相の巻線４も、同様に直列に接続される。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線が、１次部品２の周りの円として示される。説明のため、図２には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対する夫々の巻線４の配置が、対応する文字で追記している。Ｕ相の巻線は、最も外側の円上の破線で示される。Ｖ相の巻線は、中央の円上の実線で示され、Ｗ相の巻線は、最も内側の円上の一点鎖線によって示される。しかしながら、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の幾つか又は全ての巻線を並列に接続することも可能である。

例示される駆動機械は、内部ロータ機械である。１次部品２は、ロータとして用いられる２次部品５を取り囲み、当該２次部品５は、所定の移動路上を移動可能、即ち、１次部品２に対して当該１次部品２及び２次部品５の共通軸を中心に回転する。直方体として成形された永久磁石６は、各永久磁石６の一極が１次部品２に向かうように２次部品５上に位置決めされる。したがって、永久磁石６は、回転軸に対して放射状に配設される。これは、移動方向に２次部品の磁極の交互配列をもたらす。移動路上の２次部品５の移動、即ち回転は、２次部品５の磁極と、固定子巻線４を通した電流の流れから生じる１次部品の磁極との相互作用によって引き起こされる。それによってトルクが発生し、当該トルクは２次部品５によってシャフトに伝達される。なお、当該シャフトはトルクによって２次部品５の溝７に嵌合される。

例示される好適な実施形態では、永久磁石６は２次部品５上に位置決めされ、その軸方向に走る磁石列に並べられる。１次部品２に向かう２次部品５の磁極の数と、２次部品５に対向する１次部品２の磁極の数との比率は、例示される好適な実施形態では１９：１２である。２４個の１次部品の磁極が、１次部品２に向かう各３８個の２次部品５の磁極に対向して位置する内部ロータ同期機は、特に高性能且つ低ノイズである。図２に例示される同期機１では、全部で２４個の固定子巻線４、即ち２４個の１次部品２の磁極が、全部で３８個の２次部品５の磁極に対向して配設される。

これに関連して、一般的に、１次部品２の磁極の数は、磁石列の数（即ち、図１に示すように、断面上に位置決めされる永久磁石６の数）に対応することが重要であるが、これは、必ずしも限定されるわけではない。例示される好適な実施形態のように、隣接する磁石列が、各々対向する磁化方向を有する場合に、磁極の数は磁石列の数に対応する。しかしながら、例えば、幅が半分しかない２倍の数の磁石列が使用され、２つの隣接する磁石列がそれぞれ１つの磁極を形成する、即ち２つの隣接する磁石列が両方とも放射状に外部へ向くＮ極を有するか両方とも放射状に内側へ向くＮ極を有する場合でも、発生した磁場の形状について同じ結果が得られる。従って、動作は、磁石の数の作用ではなく、むしろそれによって形成された特定の一方の部品に向かう磁極の数の作用である。

起振力及び負荷脈動トルクを最小化するために、少なくとも１つの相の少なくとも２つの固定子巻線４が対向する巻線方向を有すると好適である。固定子巻線４の巻線方向は、文字Ｌ又はＲによって図２に示される。一つの相における固定子巻線４の半分は、第１の巻線方向Ｌを有し、残りの半分は、対向する巻線方向Ｒを有する。これは、固定子巻線４の半分が時計回りに巻かれ、残りの半分が反時計回りに巻かれていることを意味する。

図２は、Ｕ相等の所定の相の各２つの固定子巻線４間の外周に、Ｖ相又はＷ相等の他の相の少なくとも１つの固定子巻線４が位置決めされることも示す。一つの相の各２個の固定子巻線４は、巻線対を形成する。巻線対の２個の固定子巻線４は、それぞれ対向する巻線方向を有し、他の相の一つの固定子巻線４がそれらの間に位置決めされる。このようにして、性能損失は最小化され、起振力も著しく良好に最小化される。

例示される好適な実施形態では、１つの固定子巻線４が、いずれの場合にも２つの隣接する固定子溝３を備えている。夫々の固定子溝３の間には、固定子歯８が位置決めされる。これは、固定子巻線４が１つおきの固定子歯８に巻かれることを意味する。この形状は、製造上及び結果として生じる磁束の通路上の両方にとって有効である。しかしながら、原則として、固定子巻線４を各固定子歯８に巻き、固定子溝３の数が固定子巻線４の数に対応するようにすることも可能である。

更に、固定子歯８が、その自由端上に、１次部品２に向かう端の幅よりも２次部品５に向かう端の幅の方が大きいヘッド９を有していれば、磁束の最適な誘導にとって好適である。図１に示される駆動機械１の固定子歯８は、図３に例示される。ヘッド９は、外見的にはその自由端に向かって先細りする本質的に台形の歯８上に位置する。ヘッド９自体も台形である。ヘッド９の側面が、２０乃至３０°、好適には２４乃至２６°の角度αで歯８の隣接する側面に対して延出していれば良い。

上述の駆動機械は、内部ロータ同期機であり、特にエレベータに適しており、本発明の特に重要な用途である。上述のように、本発明は多数の変形が可能である。特に、外部ロータ回転モータはもちろん、リニア駆動部においても使用されることができる。

本発明に従う電気駆動機械において使用される永久磁石及び電気巻線の総数は、例えば以下の理由により、変更可能である。

複数の隣接する永久磁石は１次部品に向かう１つの２次部品の磁極を形成し、且つ／又は、巻線は２次部品に向かう１つの１次部品の磁極を形成する。

回転機械（電気モータ）の場合、１次部品（固定子）及び２次部品（ロータ）は、その周囲に、それぞれ特定の一方の部品に向かう整数倍の２４又は３８個の（活性）磁極を有する。

それぞれ一方の部品に向かう複数の磁極は、２次部品の所定の移動路に対して直交する方向に一列に位置決めされる。

いずれの場合においても、その相互作用が駆動を引き起こす、互いに対して向かい合う２つの部品の磁極の比率が、特定の比率にあれば有効である。その結果、移動方向におけるそれらの部品の間隔は、逆の比率となる。

本発明の好適な実施形態に係る駆動機械の断面を示す図（固定子巻線無し） 図１に示される好適な実施形態の固定子巻線の電気的相互接続を示す図 図１に示される好適な実施形態の固定子歯を示す図

Claims (14)

1. ３相電気駆動機械であって、
   一連の固定子溝を有すると共に、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の固定子巻線が位置決めされて、前記固定子巻線を流れる電流により磁極を形成する固定１次部品と、
   前記１次部品に対して所定の移動路上を移動可能とされると共に、その上に永久磁石が位置決めされて、前記永久磁石の磁極のうちの１つが前記１次部品に向かうことにより移動方向に磁極を形成する２次部品と、を備え、
   前記移動路上の前記２次部品の移動が、電流により発生する１次部品の磁極と、２次部品の磁極との相互作用によって発生し、
   前記１次部品に向かう２次部品の磁極の数と、前記２次部品の所定の位置における前記２次部品に対向する１次部品の磁極の数との比率が１９：１２である駆動機械。
2. 少なくとも１相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のうちの、少なくとも２つの固定子巻線が、互いに対向する巻線方向（Ｌ、Ｒ）を有する請求項１に記載の駆動機械。
3. ３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の全てにおいて、少なくとも２つの固定子巻線が、互いに対向する巻線方向（Ｒ、Ｌ）を有する請求項２に記載の駆動機械。
4. １相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の前記固定子巻線の半分が、一方の巻線方向（Ｒ、Ｌ）を有し、残りの半分が他方の巻線方向（Ｌ、Ｒ）を有する請求項２又は３に記載の駆動機械。
5. １相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の少なくとも１つの固定子巻線が、外周の所定の相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の２つの固定子巻線の間に位置決めされる請求項１から４のいずれか一項に記載の駆動機械。
6. １相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の２つの固定子巻線が、巻線対を形成し、当該巻線対の２つの固定子巻線の各々が、対向する巻線方向（Ｒ、Ｌ）を有し、他の相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の１つの固定子巻線がその間に位置決めされる請求項５に記載の駆動機械。
7. 前記２次部品はロータであり、２４個の１次部品の磁極が、各々が前記１次部品に向かう３８個の２次部品の磁極に対向して位置する請求項１から６のいずれか一項に記載の駆動機械。
8. 固定子歯が、固定子溝の間に位置決めされ、前記固定子歯が、その自由端にヘッドを有し、２次部品に向かう端のヘッドの幅が、１次部品に向かう端のヘッドの幅よりも大きい請求項１から７のいずれか一項に記載の駆動機械。
9. 前記ヘッドが、台形の断面を有する請求項８に記載の駆動機械。
10. 前記永久磁石が、直方体として成形される請求項１から８のいずれか一項に記載の駆動機械。
11. 当該駆動機械が、同期機である請求項１から１０のいずれか一項に記載の駆動機械。
12. 前記固定子巻線が、集中巻で形成される請求項１から１１のいずれか一項に記載の駆動機械。
13. 前記１次部品が、前記２次部品を取り囲む請求項１から１２のいずれか一項に記載の駆動機械。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の駆動機械をエレベータに使用する使用方法。

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