JP2010004690A - 永久磁石回転電機及びそれを用いたエレベータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は定格トルク時から最大トルク時までの幅広い領域における低トルク脈動（Ｐ−Ｐで１％程度）とコスト低減を両立し、且つ簡単な構成でコイルの脱落防止を図った永久磁石回転電機を提供する。
【解決手段】
本発明は、固定子突極を有する固定子鉄心と、固定子鉄心に形成されたスロット内に収納された固定子巻線とからなる固定子と、周方向に等間隔で配置された複数の永久磁石と、永久磁石による磁束の磁路を形成する回転子鉄心とからなる回転子とを有する永久磁石回転電機において、固定子鉄心が、磁性部材を積層することにより形成され、固定子突極は、先端に周方向に延びる突起を有し、周方向に隣接する固定子突極間の先端における開口幅について、全開開口幅Ｓと、平均開口幅Ｓａが（式１）であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石回転電機及びそれを用いたエレベータ装置に関する。

一般に、永久磁石回転電機のトルク脈動を低減するための方法として、例えば特許文献１に開示された方法がある。特許文献１に開示された永久磁石回転電機では、トルク脈動を低減するため、固定子鉄心の固定子突極の先端の周方向の突起幅が軸方向に異なる構造を形成し、漏れ磁束を低減してトルク脈動の低減を図っている。又、突起構成をスキュー構造と同等な構造に形成し、さらにトルク脈動の低減を図っている。これらの固定子鉄心では軸方向に異なる突起幅を形成するため、突起形状が異なる複数種類の板状の磁性部材を用いている。

特開２００２−１３６００３号公報

現在、永久磁石回転電機はさらなる小型化が望まれており、最大トルク領域では固定子鉄心の固定子突極の先端の周方向突起は磁気飽和を起こし、トルク脈動の上昇の要因となる。特許文献１の永久磁石回転電機も同様に最大トルク領域では磁気飽和によるトルク脈動の上昇が懸念される。また、複数種類の鋼板を用いて固定子鉄心を形成するため、手間とコストがかかる。エレベータの巻上機に適用する場合、定格トルク時から最大トルク時までの幅広い領域における低トルク脈動（Ｐ−Ｐで１％以下）および低コストが要求されるため、これらの問題の打開策が求められている。

従来の永久磁石回転電機の課題である、最大トルク領域での固定子鉄心の固定子突極の先端の周方向突起の磁気飽和によるトルク脈動の上昇、および、生産における高コストを解決する一手段について述べる。トルク脈動の課題に関しては、最適化計算による定格トルク時から最大トルク時の領域でのトルク脈動が小さくなる固定子鉄心の形状を計算したところ、固定子鉄心の固定子突極の先端の周方向突起が小さい、いわゆる全開スロットに近い構造が低トルク脈動（Ｐ−Ｐで１％以下）に寄与することが分かった。しかし、全開スロット構造はコイルの脱落の恐れがある。従って、コイル脱落防止を備えた全開スロットに近い構造を考える必要がある。従って、本発明は定格トルク時から最大トルク時までの幅広い領域における低トルク脈動（Ｐ−Ｐで１％程度）とコスト低減を両立し、且つ簡単な構成でコイルの脱落防止を図った永久磁石回転電機を提供する。

本発明は、固定子突極を有する固定子鉄心と、固定子鉄心に形成されたスロット内に収納された固定子巻線とからなる固定子と、周方向に等間隔で配置された複数の永久磁石と、永久磁石による磁束の磁路を形成する回転子鉄心とからなる回転子とを有する永久磁石回転電機において、固定子鉄心が、磁性部材を積層することにより形成され、固定子突極は、先端に周方向に延びる突起を有し、周方向に隣接する固定子突極間の先端における開口幅について、全開開口幅Ｓと、平均開口幅Ｓａが、

であることを特徴とする。

また、本発明は、固定子鉄心が軸方向に鋼板を積層することにより形成され、鋼板における前記固定子突極は、先端に周方向に延びる突起を有し、隣接する前記固定子突極間の角度がτｓである場合に、鋼板における前記突起を、周方向に回転角ｎ×τｓ（ｎは３以上の整数）の間隔で設けることを特徴とする。

本発明によれば、１種類の板状の磁性部材で全開スロットに近い構造を形成することができ、定格トルク時から最大トルク時までの幅広い領域における低トルク脈動（Ｐ−Ｐで１％程度）と固定子鉄心の生産におけるコスト低減（生産性向上）を実現した永久磁石回転電機を提供できる。

以下、本発明の特徴について説明する。

本発明の永久磁石回転電機は、固定子突極を有する固定子鉄心と、固定子鉄心に形成されたスロット内に収納された固定子巻線とからなる固定子と、周方向に等間隔で配置された複数の永久磁石と、永久磁石による磁束の磁路を形成する回転子鉄心とからなる回転子とを有する永久磁石回転電機において、固定子鉄心が、磁性部材を積層することにより形成され、固定子突極は、先端に周方向に延びる突起を有し、周方向に隣接する前記固定子突極間の先端における開口幅について、全開開口幅Ｓと、平均開口幅Ｓａが、

であることを特徴とする。

また、隣接する固定子突極間の角度がτｓであって、磁性部材における突起を、周方向に回転角ｎ×τｓ（ｎは３以上の整数）の間隔で設けることを特徴とし、突起を有する固定子突極の数に対する、突起を有さない固定子突極の数の比が２以上であることを特徴とする。

さらに、固定子巻線が隣接する前記固定子突極において、スロット内の外径側又は内径側に交互に配置されること、永久磁石の形状が矩形であること、及び、永久磁石の数及び固定子のスロット数の組み合わせが１０〜１２を基本単位とすることを特徴とする。

また、磁性部材が鋼板であって、突起部分が重ならないように積層されており、突起を有する固定子突極が角度τｓずれて積層されていることを特徴とする。

さらに、上記永久磁石回転電機をエレベータ装置に用いることを特徴とする。

以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。

まず、実施例１の永久磁石回転電機の構成を示す図１の横断面図を用いて、永久磁石回転電機の基本構成について説明する。

永久磁石回転電機１は、回転磁界を発生する固定子２と、固定子２との磁気的作用により回転すると共に、固定子２の外周側に空隙を介して回転可能なように、固定子２に対向配置された回転子３とを備えている。図１の構成を外転型の永久磁石回転電機という。

一方、内転型の永久磁石回転電機は、外転型と同様に固定子と回転子を備えているが、固定子と回転子の対向配置が逆になっており、回転子が固定子の内周側に空隙を介して回転可能なように、固定子に対向配置されている。実施例は外転型の永久磁石回転電機を示しているが、本発明は内転型の永久磁石回転電機も同様に実施できる。

固定子２は、固定子側の磁路を構成する固定子鉄心４と、通電により磁束を発生させる固定子巻線５とを備えている。

固定子鉄心４は、円筒状のヨーク部４１（又はコアバック部という）と、ヨーク部４１の外周表面から径方向外側に突出し、ヨーク部４１の外周面に沿って軸方向に延びた複数の固定子突極４２（又はティース部という）と、固定子突極４２の先端の周方向の固定子突起４３と、隣接する固定子突極４２間に構成される固定子スロット４４を備えている。固定子突極４２はヨーク部４１の外周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。又、固定子鉄心４は板状の磁性部材を軸方向に打ち抜いて形成した複数の板状の成型部材を軸方向に積層し形成される。

固定子突極４２には、絶縁部材（図示省略した巻線ボビン）を介して固定子巻線５の対応する相巻線が集中的に巻かれている。この集中巻は、固定子突極４２のコア片の４つの側面に対して巻線導体を複数巻回する巻線方式である。相巻線の２つの直線部を接続するコイルエンド部は固定子鉄心４の軸方向両端から軸方向外側に突出している。固定子巻線５の各相巻線をＹ字状に結線するスター結線、またはΔ状に結線するデルタ結線方式どちらを採用してもよい。

回転子３は、回転側の磁路を構成する回転子鉄心７と、回転磁極を構成する永久磁石６と、回転軸を構成するシャフト８とを備えている。

回転子鉄心７は、板状の磁性部材を軸方向に打ち抜いて形成した複数の板状の成型部材を軸方向に積層したもの、あるいは鋳鉄であり、シャフト８とは固定子２の側面側を介して結合される。永久磁石６は、回転子鉄心７の内周面に沿って軸方向に延び、かつ径方向にＮ極とＳ極の磁極が形成された略かまぼこ状のものであり、回転子鉄心７の内周面に沿って周方向に等間隔で配置され、内周面の固定子鉄心の溝３１上に接着剤を用いて固定されている。周方向に隣接する永久磁石６の極性は互いに逆極性になっている。永久磁石６には、永久磁石回転電機の小型化，高効率化に寄与する希土類系磁石を用いている。

以上が、永久磁石回転電機１の主な構成である。

本発明の実施例の前に定格トルク時から最大トルク時までのトルク脈動が小さくなる固定子鉄心４の形状の最適化計算について図２から図６を用いて説明する。図２は上記最適化を行った外転型の永久磁石回転電機の設計変数を示す。主に、永久磁石６の幅ｘ₁，永久磁石６の厚みｘ₂，固定子スロット４４の開口幅ｘ₃，固定子突極４２先端の周方向の固定子突起４３の形状ｘ₄，ｘ₅を設計変数とする。定格トルク時から最大トルク時までトルク脈動が小さくなるよう目的関数を設定し、固定子鉄心４の形状を計算した結果を図３から図５に示す。図４，図５の最適設計変数の値は図３の最適設計変数の値で正規化をとっている。またＣＡＳＥ１に比べ、ＣＡＳＥ２，ＣＡＳＥ３は固定子スロット４４の開口幅が徐々に大きい。ＣＡＳＥ１からＣＡＳＥ３のそれぞれの形状での定格トルク時から最大トルク時までのトルク脈動を計算した結果を図６に示す。横軸を固定子巻線５の導体電流密度、左縦軸は最大トルクで正規化したトルク、右縦軸はトルク脈動（Ｐ−Ｐ）を示す。定格トルク時から最大トルク時までのトルク脈動はＣＡＳＥ１からＣＡＳＥ３のどれもが、Ｐ−Ｐで１％以下を満足している。しかし、定格トルク時付近におけるトルク脈動はどれも１％近くまで上昇しており、その中において、ＣＡＳＥ３が最もトルク脈動が小さい。従って、ＣＡＳＥ３が幅広いトルク領域で最も安定してトルク脈動が低い。その結果、固定子鉄心４の固定子突極４２の先端の周方向の固定子突起４３が小さい、いわゆる全開スロットに近い構造ほど幅広いトルク領域において低トルク脈動を実現できる。

本発明の固定子鉄心４について、図７から図１４に基づいて詳細に説明する。

図７は図１の永久磁石回転電機１の固定子鉄心４の構成を示す斜視図である。図８は図７の固定子鉄心４を構成する板状の磁性部材の基本形状を示す横断面図である。本発明の固定子鉄心４は図８の板状の磁性部材のみで構成される。又、固定子突極４２の先端の周方向の固定子突起４３の形状が軸方向で異なることを特徴としている。これは、固定子突極４２に固定子巻線５を巻いた際にコイルの脱落を防止する機能を有する。

次に、図７の固定子鉄心４の製作方法について説明する。図８の磁性部材４ａは、固定子突極４２の先端の周方向に大きさの異なる固定子突起４３ａ，４３ｂを配置したものである。図９と図１０に積層方法を示す。図９は図８の磁性部材４ａに２層目の磁性部材４ｂを積層する方法について示す。同様に、図１０は図９の板状の２層目の磁性部材４ｂに３層目の磁性部材４ｃを積層する方法について示す。積上げる際の角度は、隣接する固定子突極４２間の角度（又はスロットピッチという）をτｓとすると、図８の磁性部材４ａを基準（１層目）とし、２層目の磁性部材４ｂは１層目の磁性部材４ａより図９のようにτｓだけ回転させて積層し、３層目の磁性部材４ｃは１層目の磁性部材４ａより図１０のように２τｓだけ回転させて積層する。４層目以降もこれらの規則に沿って積層していく。その結果、図７の固定子鉄心４が形成される。図１１に図７の平面図を示す。図１１に示すように固定子スロット４４全てに固定子突起４３が形成され、コイルの脱落を防止する。図８に示す板状の磁性部材の基本形状として３個おきに大きな固定子突起４３ａを配置しているが、これだけに限定されるものではなく、最低２個おき以上とする。

図１２は図１の固定子２の一部を回転子３側から視た展開図、図１３は図１２の固定子２の周方向に隣接する固定子突極４２の固定子突起４３間の長さ（又はスリットと呼ぶ）δを零とした展開図である。図１４は磁界解析シミュレーションによる、ある永久磁石回転電機のＳａ／Ｓに対するトルク脈動の変化を示す。

固定子鉄心４の構造は、以下の条件を満足するものとする。

図１３において周方向に隣接する固定子突極４２の間において、全開開口幅（軸方向における固定子突起４３がない場合の固定子突極４２間の長さ）をＳ、平均開口幅（軸方向における固定子突起４３間の平均の長さ）をＳａとした時、

を満たす構造とする。全開スロットの場合、Ｓａ／Ｓは１、軸方向に大きな固定子突起４３ａを一定に配置した場合は０に近づく。下限を０.７とした理由を以下に述べる。図１４に磁界解析シミュレーションによるある永久磁石回転電機のＳａ／Ｓに対するトルク脈動の変化の一例を示す。入力電流は最大トルク付近の値とした。結果、Ｓａ／Ｓが０.７以上において、安定してトルク脈動がＰ−Ｐで１％以下となる。従って、Ｓａ／Ｓを０.７以上とすれば最大トルク付近においてトルク脈動がＰ−Ｐで１％以下を満足することができる。

以上が本発明の実施例１の永久磁石回転電機である。

実施例１の永久磁石回転電機の構成で、固定子巻線５と永久磁石６の形状および構成を変えた場合について説明する。

図１５に実施例２の永久磁石回転電機の構成を示す横断面図を示す。

固定子スロット４４の上層コイル５ａおよび下層コイル５ｂに分けて巻線導体を複数巻回する。例えば上層部の巻線を固定子突極４２ａに巻き、下層部の巻線を固定子突極４２ｂに巻くというように、上層部と下層部で巻線を巻く固定子突極４２が異なる。これにより、永久磁石回転電機１の固定子鉄心４において、固定子突極４２が長い場合、それにより固定子スロット４４の底へのコイルの押入が困難となる問題に対し、コイルの押入が容易になり、巻線の占積率を向上できる。

又、永久磁石６の形状として、矩形磁石を用いると、トルク脈動は上昇するが、磁石の加工が容易となり、コスト低下に寄与する。

又、回転子３の永久磁石６の数および固定子２の固定子スロット４４の数の組み合わせが、１０−１２を基本単位とする。

以上説明した本実施例の永久磁石回転電機１をエレベータの巻上機に適用した場合の巻上機９の構成について、図１６を用いて説明する。

図１６は永久磁石回転電機１とシーブ１０が一体となった巻上機９である。巻上機９は、動力を生み出す永久磁石回転電機１と、永久磁石回転電機１が生み出す動力をロープに伝えるシーブ１０と、回転子３に制動力を与えるブレーキ１１と、シャフト８を支えるベアリング１３と、これらを支えるハウジング１２を備えている。

本発明の永久磁石回転電機１を適用することで、定格トルク時から最大トルクまでの幅広い領域における低トルク脈動（Ｐ−Ｐで１％程度）が可能となり、かごに伝わる振動およびエレベータ機構の騒音の低減に寄与する。さらに、固定子鉄心４の生産が容易なため、コスト低減に寄与する。

実施例１の永久磁石回転電機の構成を示す横断面図。 最適化を行った外転型の永久磁石回転電機の横断面図。 最適形状（ＣＡＳＥ１）の横断面図。 最適形状（ＣＡＳＥ２）の横断面図。 最適形状（ＣＡＳＥ３）の横断面図。 トルク特性。 実施例１の永久磁石回転電機の固定子の構成を示す斜視図。 図７を構成する板状の磁性部材の基本形状を示す横断面図。 図８に２層目を積上げた際の固定子鉄心の横断面図。 図９に３層目を積上げた際の固定子鉄心の横断面図。 図８に適当な層数を積上げた際の固定子鉄心の横断面図。 図１における固定子の一部を回転子側から視た展開図。 図１２において固定子突極の突起間の長さδを零とした場合の固定子の一部を回転子側から視た展開図。 磁界解析シミュレーションによるＳａ／Ｓに対するトルク脈動の変化。 実施例２の永久磁石回転電機の構成を示す横断面図。 実施例３のエレベータの巻上機の構成を示す縦断面図。

符号の説明

１ 永久磁石回転電機
２ 固定子
３ 回転子
４ 固定子鉄心
４ａ 磁性部材
４ｂ ２層目の磁性部材
４ｃ ３層目の磁性部材
５ 固定子巻線
５ａ 上層コイル
５ｂ 下層コイル
６ 永久磁石
７ 回転子鉄心
８ シャフト
９ 巻上機
１０ シーブ
１１ ブレーキ
１２ ハウジング
１３ ベアリング
３１ 回転子鉄心の溝
４１ ヨーク（コアバック）
４２，４２ａ，４２ｂ 固定子突極（ティース）
４３，４３ａ，４３ｂ 固定子突起
４４ 固定子スロット

Claims (10)

1. 固定子突極を有する固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に形成されたスロット内に収納された固定子巻線とからなる固定子と、
   周方向に等間隔で配置された複数の永久磁石と、前記永久磁石による磁束の磁路を形成する回転子鉄心とからなる回転子と、を有する永久磁石回転電機において、
   前記固定子鉄心が、磁性部材を積層することにより形成され、
   前記固定子突極は、先端に周方向に延びる突起を有し、
   周方向に隣接する前記固定子突極間の先端における開口幅について、全開開口幅Ｓと、平均開口幅Ｓａが、
   

   

   であることを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 隣接する前記固定子突極間の角度がτｓであって、
   前記磁性部材における前記突起を、周方向に回転角ｎ×τｓ（ｎは３以上の整数）の間隔で設けることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機。
3. 前記固定子巻線が、隣接する前記固定子突極において、前記スロット内の外径側又は内径側に交互に配置されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機。
4. 前記永久磁石の形状が、矩形であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機。
5. 前記永久磁石の数及び前記固定子のスロット数の組み合わせが、１０〜１２を基本単位とすることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機。
6. 前記突起を有する前記固定子突極の数に対する、前記突起を有さない前記固定子突極の数の比が、２以上であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機。
7. 固定子突極を有する固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に形成されたスロット内に収納された固定子巻線とからなる固定子と、
   周方向に等間隔で配置された複数の永久磁石と、前記永久磁石による磁束の磁路を形成する回転子鉄心とからなる回転子と、を有する永久磁石回転電機において、
   前記固定子鉄心が、軸方向に鋼板を積層することにより形成され、
   前記鋼板における前記固定子突極は、先端に周方向に延びる突起を有し、
   隣接する前記固定子突極間の角度がτｓである場合に、
   前記鋼板における前記突起を、周方向に回転角ｎ×τｓ（ｎは３以上の整数）の間隔で設けることを特徴とする永久磁石回転電機。
8. 前記鋼板が、前記突起部分が重ならないように、積層されていることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石回転電機。
9. 前記突起を有する前記固定子突極が、角度τｓずれて積層されていることを特徴とする請求項８に記載の永久磁石回転電機。
10. 固定子突極を有する固定子鉄心と、
    前記固定子鉄心に形成されたスロット内に収納された固定子巻線とからなる固定子と、
    周方向に等間隔で配置された複数の永久磁石と、前記永久磁石による磁束の磁路を形成する回転子鉄心とからなる回転子と、を有する永久磁石回転電機において、
    前記固定子鉄心が、鋼板を積層することにより形成され、
    前記固定子突極は、先端に周方向に延びる突起を有し、
    周方向に隣接する前記固定子突極間の先端における開口幅について、全開開口幅Ｓと、平均開口幅Ｓａが、
    

    

    である永久磁石回転電機を用いることを特徴とするエレベータ装置。

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