JP2014180094A - Permanent magnet rotary electric machine and elevator driving winch - Google Patents
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Description
本発明は永久磁石回転電機に係り、特に回転子の磁石部と磁性材料部(回転子鉄心)が交互に放射状になるように配置された永久磁石回転電機、及びこれを用いたエレベーター駆動巻上機に関するものである。 The present invention relates to a permanent magnet rotating electric machine, and in particular, a permanent magnet rotating electric machine in which a magnet portion and a magnetic material portion (rotor core) of a rotor are alternately arranged radially, and an elevator drive hoist using the same. Related to the machine.
一般に、種々の産業分野で使用される電動機としては永久磁石回転電機が比較的多く使用されている。この永久磁石回転電機は回転子の界磁(磁極)に永久磁石を使用した同期電動機である。ところで永久磁石回転電機の性能を向上するためには、使用されている永久磁石の磁力を強くすれば良いことが知られており、このため磁力の強い磁石としてネオジム磁石に代表される希土類磁石を使用することが多くなってきている。これによって、小形、高出力な永久磁石回転電機を得ることができる。 In general, a permanent magnet rotating electric machine is relatively used as an electric motor used in various industrial fields. This permanent magnet rotating electric machine is a synchronous motor using a permanent magnet for the rotor field (magnetic pole). By the way, in order to improve the performance of the permanent magnet rotating electric machine, it is known that the magnetic force of the permanent magnet used should be increased. For this reason, a rare earth magnet represented by a neodymium magnet is used as a magnet having a strong magnetic force. It is increasingly used. Thereby, a small and high output permanent magnet rotating electric machine can be obtained.
そして、このような回転電機が使用される代表的な産業分野としては、建築構造物に設置されているエレベーターシステムがある。このエレベーターシステムではエレベーター駆動巻上機に永久磁石回転電機を使用し、これによって乗客を搬送する乗りかごを巻き上げるように構成されている。 And as a typical industrial field | area where such a rotary electric machine is used, there exists an elevator system installed in the building structure. In this elevator system, a permanent magnet rotating electric machine is used for an elevator driven hoisting machine, whereby a car carrying a passenger is wound up.
小形、軽量、低振動が要求されるエレベーター駆動巻上機は、高トルク密度と低トルク脈動を両立した永久磁石同期電動機が使用される。この永久磁石同期電動機には上述したように高いエネルギー密度を有するネオジム磁石が採用されている。ネオジム磁石の主原料であるネオジムと、ネオジム磁石の保磁力を高めるために使用されるジスプロシウムは希土類元素である。 Permanent magnet synchronous motors that achieve both high torque density and low torque pulsation are used for elevator-driven hoisting machines that require small size, light weight, and low vibration. As described above, the permanent magnet synchronous motor employs a neodymium magnet having a high energy density. Neodymium, the main raw material for neodymium magnets, and dysprosium used to increase the coercivity of neodymium magnets are rare earth elements.
しかしながら、昨今の希土類元素の高騰により、ネオジム磁石を使用した永久磁石回転電機の総コストに占める磁石コストの割合が増えていることから、近年、永久磁石回転電機に希土類元素の使用を少なくした永久磁石、或いは希土類元素を使用しない永久磁石を用いることが求められている。このため、ネオジム磁石に比べて希土類元素の含有量が少ないフェライト磁石が再び注目を集めている。 However, due to the recent surge in rare earth elements, the ratio of magnet cost to the total cost of permanent magnet rotating electrical machines using neodymium magnets has increased. It is required to use a magnet or a permanent magnet that does not use a rare earth element. For this reason, ferrite magnets with a rare earth element content less than neodymium magnets are attracting attention again.
フェライト磁石の磁力はネオジム磁石の1/3程度である。ネオジム磁石からフェライト磁石に置き換えると、磁力の低下によるトルクの不足分を磁石表面積の増加で補う必要があるため、電動機全体の体格が大きくなる。これは、設置スペースが厳しく制限されているエレベーター駆動巻上機にとって極めて深刻な問題である。そこで、フェライト磁石のような低磁力の磁石で高トルク密度を実現できる永久磁石回転電機が求められている。 The magnetic force of a ferrite magnet is about 1/3 that of a neodymium magnet. When a neodymium magnet is replaced with a ferrite magnet, the shortage of torque due to a decrease in magnetic force needs to be compensated for by increasing the magnet surface area, so that the overall size of the motor increases. This is a very serious problem for elevator-driven hoists where installation space is severely limited. Therefore, there is a demand for a permanent magnet rotating electrical machine that can realize a high torque density with a low-magnetism magnet such as a ferrite magnet.
エレベーター駆動巻上機で使われる永久磁石回転電機は、主に、永久磁石を回転子の表面に貼り付けた表面磁石型(SPM/Surface Permanent Magnet Motor)の回転電機である。しかしながら、この構造では磁石の表面積をエアギャップの面積(回転子と固定子の対向面積)以上に広げることができず、エアギャップ中の磁束密度を磁石の残留磁束密度以上にすることが困難であった。したがって、このような構造では、フェライト磁石のような低磁力の永久磁石を使って高トルク密度を実現することが困難であった。 A permanent magnet rotating electric machine used in an elevator drive hoist is mainly a surface magnet type (SPM / Surface Permanent Magnet Motor) rotating electric machine in which a permanent magnet is attached to the surface of a rotor. However, in this structure, the surface area of the magnet cannot be increased beyond the area of the air gap (opposite area of the rotor and stator), and it is difficult to make the magnetic flux density in the air gap higher than the residual magnetic flux density of the magnet. there were. Therefore, with such a structure, it has been difficult to achieve a high torque density using a low-magnetism permanent magnet such as a ferrite magnet.
これに対して、高トルク密度を実現した永久磁石回転電機として、例えば、代表的には特開2000−217286号公報(特許文献1)、及び特開昭63−140645号公報(特許文献2)に開示されているブラシレス直流電動機がある。この電動機の回転子の磁石部と磁性材料部(回転子鉄心)は交互に放射状になるように配置されている。すなわち、これらの特許文献の永久磁石回転電機は、回転子の磁石の磁化が径方向に対して直角に向くように、磁石を放射状に配置した構造になっている。このように磁石を配置することで、磁石の表面積を径方向に沿って広げることができるため、回転子と固定子間のエアギャップ中の磁束密度を大きくできるようになる。 On the other hand, as a permanent magnet rotating electric machine that realizes high torque density, for example, typically, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-217286 (Patent Document 1) and Japanese Patent Laid-Open No. 63-140645 (Patent Document 2). There is a brushless DC motor disclosed in Japanese Patent Application No. 2004-110826. The magnet part and the magnetic material part (rotor core) of the rotor of this electric motor are alternately arranged radially. That is, the permanent magnet rotating electrical machines of these patent documents have a structure in which the magnets are radially arranged so that the magnetization of the magnet of the rotor is perpendicular to the radial direction. By arranging the magnet in this way, the surface area of the magnet can be increased along the radial direction, so that the magnetic flux density in the air gap between the rotor and the stator can be increased.
上述したように、表面磁石型の回転子の場合、エアギャップ中の磁束密度は磁石の残留磁束密度を超えることはない。しかしながら、特許文献に開示されている永久磁石回転電機のエアギャップ中の磁束密度は、回転子鉄心のアスペクト比を適正化することで、磁石の残留磁束密度を超えることが可能である。したがって、フェライト磁石のような低磁力の磁石を使った場合でも、ネオジム磁石と同程度のトルク密度を実現することができるようになる。 As described above, in the case of a surface magnet type rotor, the magnetic flux density in the air gap does not exceed the residual magnetic flux density of the magnet. However, the magnetic flux density in the air gap of the permanent magnet rotating electrical machine disclosed in the patent document can exceed the residual magnetic flux density of the magnet by optimizing the aspect ratio of the rotor core. Therefore, even when a low magnetic force magnet such as a ferrite magnet is used, a torque density comparable to that of a neodymium magnet can be realized.
高トルク密度を実現した上述したような特許文献の永久磁石回転電機では、トルク脈動を低減するために回転子をスキューしている。回転子の軸方向両端において電気角(機械角と極対数の積)で30度、或いはコギングトルクの半周期に対応した電気角の位相差を回転方向に付けることで脈動成分をキャンセルできることが一般に知られている。そのため、回転子を製造する上で電磁鋼板を回転方向にずらしながら積層していく必要がある。 In the permanent magnet rotating electrical machine disclosed in the above-mentioned patent document that realizes a high torque density, the rotor is skewed in order to reduce torque pulsation. It is generally possible to cancel the pulsation component by adding a phase difference of 30 degrees in electrical angle (product of mechanical angle and pole pair number) at the both ends in the axial direction of the rotor, or an electrical angle corresponding to a half cycle of cogging torque in the rotational direction. Are known. Therefore, when manufacturing a rotor, it is necessary to laminate | stack an electromagnetic steel plate, shifting in a rotation direction.
特許文献1では、磁極形状が軸方向に滑らかになるように電磁鋼板を回転方向にずらしながら積層した、いわゆる連続スキュー型の回転子が開示されている。また、特許文献2では、回転子を軸方向に6段に分けて回転方向にずらしながら積層した、いわゆる段スキュー型の回転子が開示されている。
これらの回転子の課題として、構造が複雑になることから、回転子の製造が困難であることが挙げられる。特に、特許文献1の連続スキュー型は電磁鋼板の積層作業(作業性や組み立て等)への負担が大きく、更に、永久磁石の形状が複雑になり磁石の加工が困難になる。また、特許文献2の段スキュー型は永久磁石を軸方向に分割する必要があるため、部品点数が増えて組み立て作業への負担が大きくなる。これらはすべて製造コストの上昇につながるようになる。
One of the problems with these rotors is that the structure is complicated, making it difficult to manufacture the rotor. In particular, the continuous skew type of
このように、特許文献に記載されている永久磁石回転電機はトルク脈動の低減と製造コストの低減を両立する点でまだ改善する必要があるものである。また、このような永久磁石回転電機をエレベーター駆動巻上機に使用すると製造コストが高いものとなる。 As described above, the permanent magnet rotating electrical machine described in the patent literature still needs to be improved in terms of achieving both a reduction in torque pulsation and a reduction in manufacturing cost. Moreover, when such a permanent magnet rotating electric machine is used for an elevator drive hoist, the manufacturing cost becomes high.
本発明の目的は、製造コストの上昇を抑えながらトルク脈動を低減する構造を備えた永久磁石回転電機を提供することにあり、更に、これによって製造コストの上昇を抑えながら円滑な昇降動作を行うことができるエレベーター駆動巻上機を提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a permanent magnet rotating electric machine having a structure that reduces torque pulsation while suppressing an increase in manufacturing cost, and further performs a smooth lifting operation while suppressing an increase in manufacturing cost. The object is to provide an elevator-driven hoisting machine.
本発明の特徴は、回転子を形成する複数の単位回転子鉄心の両側に永久磁石を配置し、この永久磁石の外周端よりも単位回転子鉄心が飛び出す飛び出し部分を単位回転子鉄心に設け、この飛び出し部分の一方の面には、一方の永久磁石が接触している面と同一の面として外周側に延びる平面部が形成され、また、この飛び出し部分の他方の面には、他方の永久磁石が接触している面に対して他方の永久磁石の外周部の一部を覆うように周方向に延びて突出する突出部が形成されている、ところにある。 A feature of the present invention is that permanent magnets are arranged on both sides of a plurality of unit rotor cores forming a rotor, and a protruding portion from which the unit rotor core jumps out from the outer peripheral end of the permanent magnet is provided in the unit rotor core. One surface of the protruding portion is formed with a flat portion extending to the outer peripheral side as the same surface that is in contact with one permanent magnet, and the other surface of the protruding portion is provided with the other permanent magnet. A protruding portion that extends in the circumferential direction so as to cover a part of the outer peripheral portion of the other permanent magnet with respect to the surface with which the magnet is in contact is formed.
また、少なくとも回転子は回転シャフトの軸方向に2層に分離され、一方の回転子を構成する回転子鉄心の突出部と、他方の回転子を構成する回転子鉄心の突出部の突出方向は回転子の周方向で逆方向に突出されている、ところにある。 Further, at least the rotor is separated into two layers in the axial direction of the rotating shaft, and the protruding direction of the protruding portion of the rotor core constituting one rotor and the protruding direction of the protruding portion of the rotor core constituting the other rotor are It is located in the opposite direction in the circumferential direction of the rotor.
本発明によれば、2つの回転子を共通した単位回転子鉄心で形成するようにしたので製造コストの上昇を抑えることができると共に、2つの回転子を構成する単位回転鉄心の突出部を逆方向に設定することでコギングトルクの脈動成分を効果的に打ち消すことができるようになる。 According to the present invention, since the two rotors are formed with a common unit rotor core, an increase in manufacturing cost can be suppressed, and the protruding portions of the unit rotor cores constituting the two rotors can be reversed. By setting the direction, the pulsation component of the cogging torque can be effectively canceled out.
本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and application examples are included in the technical concept of the present invention. It is included in the range.
本発明の第1の実施形態を図1乃至図7を用いて説明するが、図1は永久磁石回転電機の径方向の断面を示す断面図であり、図2は図1に示す永久磁石回転電機の径方向の断面を一部だけ切り取って拡大した拡大断面図であり、図3は図2に示す回転子鉄心の断面を一部だけ切り取って拡大した拡大断面図であり、図4は図3に示す回転子鉄心に形成した突出部の適切な長さを説明するための拡大断面図であり、図5は図2に示す永久磁石回転電機の回転子を一部だけ切り取って斜めから見た拡大斜視図である。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a radial cross section of a permanent magnet rotating electric machine, and FIG. 2 is a permanent magnet rotation shown in FIG. FIG. 3 is an enlarged sectional view in which only a part of the radial cross section of the electric machine is cut out and enlarged, FIG. 3 is an enlarged sectional view in which a part of the rotor core shown in FIG. 2 is cut out and enlarged, and FIG. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view for explaining an appropriate length of a protrusion formed on the rotor core shown in FIG. 3, and FIG. 5 is a partial cutaway view of the rotor of the permanent magnet rotating electric machine shown in FIG. FIG.
図1において、一般に永久磁石回転電機1は固定子2と回転子3とから構成されており、固定子2と回転子3とは所定のエアギャップGを介してその表面が周状に対向している。そして、固定子2には所定角度毎に複数の固定子突極42が設けられており、個々の固定子突極42には固定子巻線5が巻回されている。
In FIG. 1, a permanent magnet rotating
また、回転子3には中空の回転シャフト10と、この回転シャフト10の周囲に配置された非磁性体リング9、及びこの外周に固定された環状の回転子鉄心7を備え、この回転子鉄心7には放射状に所定角度毎に複数の永久磁石6が設けられている。固定子巻線5に電力を供給するとこれに応じて回転子3が回転を始めて所定の回転トルクを回転シャフト10に与えるものである。このような回転電機の基本的な構成と動作は既によく知られているのでこれ以上の説明は省略する。
The rotor 3 includes a hollow
次に、永久磁石回転電機の径方向の断面を一部だけ切り取って拡大した図2に基づき本発明の第1の実施形態を詳細に説明する。 Next, the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2 in which only a part of the radial cross section of the permanent magnet rotating electrical machine is cut out and enlarged.
図2において、固定子2は固定子鉄心4と固定子巻線5とを備えている。固定子鉄心4は打ち抜き金型等により打ち抜いた電磁鋼板を積層して構成されている。固定子鉄心4は外周部に位置して固定子磁路を形成する固定子コアバック41と、固定子コアバック41より固定子2の内周に向かって放射状に、所定角度ピッチで延設される固定子突極(固定子ティース)42とから構成されている。隣り合った固定子突極42の間と固定子コアバック41とで構成される空間はスロット43であり、固定子巻線5を収納する空間である。ここで、各固定子突極42には1極に1個の固定子巻線5が巻回されるものであり、図2においては、1個のスロット43内に隣り合う固定子突極42に使用される固定子巻線5が夫々配置される構成となっている。
In FIG. 2, the
一方、回転子3は、シャフト10と、シャフト10の外周面に配置されたステンレスのような非磁性体リング9と、非磁性体リング9の外周面に固定的に設けられ、回転子3を形成する単位回転子鉄心(以下、単に回転子鉄心という)7と、隣り合った一対の回転子鉄心7の間に配置された永久磁石6で構成されている。そして、この回転子3は図示しない軸受によって軸支されて固定子2の内周に径方向のエアギャップGを介して回転可能に配置されている。ここで、永久磁石6と回転子鉄心7は、夫々回転子2の外周に向かって所定角度ピッチで放射状に配置されている。
On the other hand, the rotor 3 is fixedly provided on the
回転子鉄心7は、打ち抜き金型等により打ち抜いた電磁鋼板を積層して構成されており、極毎に分離され、かつ回転子3の周方向に沿って所定角度ピッチで並べて配置されており、この回転子鉄心7の外側先端は回転子磁路を構成する回転子磁極71として機能する。
The
また、隣り合った一対の回転子鉄心7と非磁性体スペーサ75とで形成される空間、すなわち磁石挿入スペース74には、例えば、フェライト磁石よりなる永久磁石6が収納されている。このときの永久磁石6の磁化は回転子3の径方向に対して直角を向き、回転子鉄心7が回転子3の周方向に沿ってN-S-N-S・・・と交互になるように配置されている。これらの永久磁石6は、エポキシ樹脂のような接着剤によって磁石挿入スペース74に固着されている。非磁性体リング9と非磁性体スペーサ75は、回転子鉄心7の内周側と外周側への漏れ磁束を小さくするために設けられている。
Further, a
固定鉄心2の固定子巻線5に電流を流すと回転子鉄心7には回転力が生じ、回転子鉄心7に作用するトルクは、非磁性体リング9を介して回転シャフト10へ伝達される。尚、非磁性体リング9の代わりに空隙を設けても良いものである。この場合、回転シャフト10の軸方向端部に対向して一対の円盤を設け、この円盤に回転子鉄心7をボルトで締結して、回転子鉄心7に作用するトルクを回転シャフト10へ伝達することが必要である。
When a current is passed through the stator winding 5 of the fixed
そして、本実施例では回転鉄心7の形状に特徴を有しているものである。図2にあるように、1個の回転子鉄心7の両側には永久磁石6が配置されており、永久磁石6の外周端よりも回転子鉄心7の磁極71の先端が飛び出している。
In this embodiment, the shape of the
この飛び出した部分の一方の面は、一方の永久磁石6が接触している面と同一の面として外周側に延びる平面部73が形成されている。また、この飛び出した部分の他方の面は、他方の永久磁石6が接触している面に対して他方の永久磁石6の外周部の一部を覆うように周方向に延びて突出する突出部72が形成されている。
One surface of the protruding portion is formed with a
また、本実施例においては、回転子3はコギングトルクの脈動を低減するために、回転シャフト10の軸方向に2つの回転子3として、図5にあるように2層に分離して重ねられている。一方の回転子3を形成する回転子鉄心7に設けた突出部72の突出方向と、他方の回転子3を形成する回転子鉄心7に設けた突出部72の突出方向は逆方向に延びるように形成されている。尚、回転子鉄心7の突出部72の先端側の上面角部はベべリング(面取り)77が施されて丸みが形成されている。このベべリング77は、エアギャップG中の磁束密度の空間高調波成分を低減してトルク脈動の低減を図る機能を備えている。
In this embodiment, the rotor 3 is separated into two layers as shown in FIG. 5 as two rotors 3 in the axial direction of the
このように、本実施例になる回転子鉄心7は打ち抜き金型等により打ち抜いた、上述した突出部72と平面部73を有する電磁鋼板を積層して構成するだけなので、製造コストの上昇を抑えることが可能である。また、本実施例では2層の回転子3が必要とされるが、もう一方の回転子3は回転子鉄心7を裏返して使用することができるので、この点でも製造コストの上昇を抑えることができる。尚、トルク脈動(コギングトルク)の低減方法とその効果については図5乃至図7を用いて後ほど説明する。
As described above, the
次に、本実施例になる回転子鉄心7の更に詳細な構成につい図3乃至図5に基づき説明する。図3において、回転子鉄心7は、回転シャフト10の回転中心から回転子鉄心7の周方向の中点を通るように伸ばした基準線A−Aを境にして、非対称になるように回転子磁極71の片側には周方向に伸びる突起部72を有している。
Next, a more detailed configuration of the
つまり、突出部72は回転子鉄心7と永久磁石6とが接触する面に対して永久磁石6の外周側の一部を覆うように周方向に延びている。この突出部62の突出量は、基準線A−Aから見て永久磁石6の周方向の中心線O−Oを越えない範囲に決められている。尚、この範囲の好ましい値については後述する。一方、この突出部72の反対側は、永久磁石6が接触している面と同一の面として外周側に延びる平面部73が形成されている。
That is, the
ここで、基準線A−Aは、回転シャフト10の中心から永久磁石6の磁化方向厚みの半分の位置Pに向かって引いた中心線O-Oを磁極ピッチτp(=2π/P、P:磁極数)の1/2の角度(τp/2)で回転方向に回転させたものと等価である。
Here, the reference line AA is a magnetic pole pitch τp (= 2π / P, P: a center line OO drawn from the center of the
更に、突出部72の突出量は基準線A−Aから見て永久磁石6の周方向の中心線O−Oを越えない範囲に決められていると述べたが、突出部72の突出量についてより適切な値について説明する。図4にあるように、基準線A−Aから見て磁極ピッチ角(回転子鉄心7を挟む2個の永久磁石6の間の開き角)の半分の角度を角度aとし、基準線A−Aから見て突出部72の先端の開き角を角度bとし、基準線A−Aから見て突出部72の根元(永久磁石との接触面)の開き角を角度cとすると、(1)b/a≒0.75と(2)c/b≒0.71の条件を満足することが望ましい。
Further, it has been stated that the protrusion amount of the
次に、トルク脈動(コギングトルク)の低減方法とその効果について図5乃至図7を用いて説明する。 Next, a method for reducing torque pulsation (cogging torque) and its effect will be described with reference to FIGS.
図5において、回転子鉄心7の形状が回転シャフト10の軸方向で変化するように、一方の回転子3において、突出部72aがこの回転子3の回転方向(右回り方向)に伸びる第1の回転子鉄心7aと、他方の回転子3において、突出部72bが回転子3の回転方向とは逆方向(左回り方向)に伸びる第2の回転子鉄心7bが回転シャフト10の軸方向に積層されている。これらの回転子鉄心7aと回転子鉄心7bには夫々磁極71aと磁極71bが形成される。また、回転子鉄心7aと回転子鉄心7bの軸方向の厚さは実質的に同じ厚さに決められている。また、重要なことは、永久磁石6は回転子鉄心7aと回転子鉄心7bに共通して用いられる構成となっている。
In FIG. 5, in one rotor 3, the
このように回転子3を構成することで、回転子3の軸方向両端において電気角(機械角と極対数の積)で30度、或いはコギングトルクの半周期に対応した電気角の位相差を回転方向に付けることができ、コギングトルクの脈動成分を効果的に打ち消すことができるようになる。 By configuring the rotor 3 in this manner, the electrical angle phase difference corresponding to the electrical angle (the product of the mechanical angle and the number of pole pairs) of 30 degrees or the half period of the cogging torque is obtained at both axial ends of the rotor 3. It can be applied in the rotational direction, and the pulsating component of the cogging torque can be effectively canceled out.
また、第1の回転子鉄心7aと第2の回転子鉄心7bは同じものを使用できる、すなわち、第1の回転子鉄心7aを裏返したものを第2の回転子鉄心7bとして用いることができるので、第1の回転子鉄心7aと第2の回転子鉄心7bを制作するための電磁鋼板の金型が一つで済むことで効率的である。更に、永久磁石6を軸方向に分割することなく、第1の回転子鉄心7aと第2の回転子鉄心7bで共用できるので部品点数が増えることなく、製造コストの上昇を抑えることができるようになる。
Further, the
尚、第1の回転子鉄心7aと第2の回転子鉄心7bは積層したものを示したが、積層しない塊状鉄心を用いることもできるものである。この場合の適用される回転電機は低速回転型で渦損が少ないものに適しているもので、塊状鉄心としては圧粉鉄心等を用いることができる。
In addition, although the
本実施例の効果を示すために、図5に示す構造の回転子3を有する永久磁石回転電機と図11に示す従来構造の回転子3を有する永久磁石回転電機のコギングトルクを比較した。ここで、図11に示すように回転子3は回転子鉄心7の磁極71の周方向に一対の突出部72を軸方向全体に形成したものである。
In order to show the effect of the present embodiment, the cogging torques of the permanent magnet rotating electric machine having the rotor 3 having the structure shown in FIG. 5 and the permanent magnet rotating electric machine having the rotor 3 having the conventional structure shown in FIG. 11 were compared. Here, as shown in FIG. 11, the rotor 3 has a pair of
図6は永久磁石回転電機のコギングトルクのシミュレーション結果を示すものであり、図7はコギングトルク波形をフーリエ級数展開した結果を示すものである。コギングトルクの計算には辺要素有限要素法による磁界解析を使用した。計算条件として、回転子3を外部から電気角360度(機械角11.2度)で回転したときのトルクを出力するようにした。計算対象の永久磁石回転電機は磁極数が64、突極数が48であることから、コギングトルクが誘起電圧の周期の1/6で発生する。 FIG. 6 shows the simulation result of the cogging torque of the permanent magnet rotating electric machine, and FIG. 7 shows the result of Fourier series expansion of the cogging torque waveform. The cogging torque was calculated by magnetic field analysis using the edge element finite element method. As a calculation condition, torque is output when the rotor 3 is rotated from the outside at an electrical angle of 360 degrees (mechanical angle of 11.2 degrees). Since the permanent magnet rotating electric machine to be calculated has 64 magnetic poles and 48 salient poles, cogging torque is generated at 1/6 of the period of the induced voltage.
図6の計算結果より、コギングトルクの周期が電気角60度であることから、本計算結果はおおよそ妥当であるといえる。本実施例のような構成を採用することで、従来の永久磁石回転電機に対して本実施例になる永久磁石回転電機ではコギングトルクが大きく低減していることがわかる。また、図7に示すように各次数の振幅を見ると、コギングトルクの基本波成分である6次成分をおよそ1/4まで低減できている。このことから、本実施例になる永久磁石回転電機の有用性が明らかである。 From the calculation result of FIG. 6, since the period of the cogging torque is an electrical angle of 60 degrees, it can be said that this calculation result is approximately appropriate. By adopting the configuration as in the present embodiment, it can be seen that the cogging torque is greatly reduced in the permanent magnet rotating electrical machine according to the present embodiment compared to the conventional permanent magnet rotating electrical machine. In addition, as shown in FIG. 7, when the amplitudes of the respective orders are viewed, the sixth-order component that is the fundamental wave component of the cogging torque can be reduced to about ¼. From this, the usefulness of the permanent magnet rotary electric machine which becomes a present Example is clear.
以上に説明した本実施例においては、図5に示すように回転子鉄心7aと第2の回転子鉄心7bの永久磁石6を共用できるので、部品点数の増加を抑制でき、製造コストの低減を図ることができる。
In the present embodiment described above, since the
また、図2に示すように回転子鉄心7の磁極71にベベリング77を施すことで、エアギャップ8中の磁束密度の空間高調波成分を低減でき、トルク脈動の低減を図ることができる。
Further, as shown in FIG. 2, by applying
また、図3に示すように、回転子7の磁極71に形成し突出部72と永久磁石6を接触させることで、回転時に遠心力によって永久磁石6が飛散するのを防ぐこともできるため、永久磁石6と回転子鉄心7を固着する接着剤の削減を図ることができる。
Also, as shown in FIG. 3, by forming the
また、図5の第1の回転子鉄心7aと第2の回転子鉄心7bを塊状鉄心にすることで、コアのかしめ作業を省略でき、製造コストの削減を図ることができる。
Further, by making the
本実施例を総括すると、回転子鉄心7は突出部72と平面部73を有する電磁鋼板を積層して構成して同じ形状の回転鉄心7a、7bを夫々反対にして使用すれば良いので、製造コストの上昇を抑えることが可能である。
To summarize this embodiment, the
また、突出部72と平面部73を有する電磁鋼板を反対に取り付け、これらを2層の回転鉄心7a、7bとすることで、回転子3の軸方向両端において電気角で30度、或いはコギングトルクの半周期に対応した電気角の位相差を回転方向に付けることができ、コギングトルクの脈動成分を効果的に打ち消すことができるようになる。
Further, by attaching the electromagnetic steel plates having the projecting
このように、本実施例によれば製造コストの上昇を抑えながら高トルク密度と低トルク脈動を実現する構造を備えた永久磁石回転電機を提供することができるようになる。 Thus, according to the present embodiment, it is possible to provide a permanent magnet rotating electrical machine having a structure that realizes high torque density and low torque pulsation while suppressing an increase in manufacturing cost.
次に本発明の第2の実施形態になる永久磁石回転電機の構成について図8に基づき説明する。図8において、回転子鉄心7は、第1の回転子鉄心7a、第2の回転子鉄心7b、第3の回転子鉄心7c、及び第4の回転子鉄心7dよりなり、これらは夫々4層に重ねられている。
Next, the configuration of the permanent magnet rotating electric machine according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 8, the
そして図8において、最下側の回転子鉄心7aの突出部72aと最上側の回転子鉄心7dの突出部72dは回転子3の回転方向と一致する方向に突出しており、その間に位置する回転子鉄心7bの突出部72bと回転子鉄心7cの突出部72cは回転子3の回転方向と逆の方向に突出している。
In FIG. 8, the
このような構成によって、回転子3の回転トルクを大きくすることができると共に、回転子7の磁極71の形状が連結面に対して左右対称になるように連結することで、回転子3に作用するスラスト力を低減できるようになる。これによって製造時の負担を緩和することができる。尚、このような構成の回転子3の連結方法として、回転子鉄心にボルト穴を空けてボルトで軸方向に締結する方法や、回転子鉄心7に形成したダブテール(蟻接ぎ)で、その内周側の非磁性体リング9と固定して締結する方法がある。いずれの固定方法を採用するかは永久磁石回転電機の仕様によって適切に選択されれば良いものである。
With such a configuration, the rotational torque of the rotor 3 can be increased, and the
次に本発明の第3の実施形態になる永久磁石回転電機の構成について図9に基づき説明するが、この実施例は回転子鉄心7の固定方法や、非磁性体リング9、固定鉄心4の固定方法等を提案するものである。
Next, the configuration of the permanent magnet rotating electric machine according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9. In this embodiment, the fixing method of the
図9において、回転子鉄心7は非磁性体リング9の外周側のダブテールスロット91に回転子鉄心7のダブテール76を軸方向に嵌め込み、非磁性体リング9に固定した。これにより、回転子磁極71に作用するトルクを非磁性体リング9に効率的に伝達することができるようになる。更に、ダブテール76を介して回転子鉄心7を非磁性体リング9に固定することで回転子鉄心7の外径側の真円度を向上できるので製造誤差で発生するコギングトルクを小さくできる効果も期待できる。
In FIG. 9, the
また、非磁性体リング9にはボルト93を嵌めるためのボルト穴92を設けている。これにより、非磁性体リング9に伝わった回転トルクをボルト93によって外部に伝えることができる。同様に、固定子鉄心4にも反作用トルクが発生するため、固定子鉄心4をボルト45で外部に固定するためのボルト穴44を設けている。これによって固定子鉄心4が反作用トルクによって移動するのを有効に抑えることができるようになる。尚、全てのボルト穴44、92にボルト45、93を嵌める必要はなく、ボルト45、93の機械強度が維持できる範囲でボルト本数を決めれば良いものである。
Further, the
次に本発明の第4の実施形態になる永久磁石回転電機を用いたエレベーター駆動巻上機の構成について図10に基づき説明する。 Next, the structure of the elevator drive hoisting machine using the permanent magnet rotating electric machine which becomes the 4th Embodiment of this invention is demonstrated based on FIG.
エレベーター駆動巻上機100においては、筐体本体101の中心部に固定主軸が形成され、この固定主軸の自由端側に綱車102がベアリング105によって回転可能に支持されている。また、筐体本体101の外周側に位置する円環状の収納凹部には電動機部を構成する固定子鉄心4及び固定子巻線5等の電機部品が収納されている。この固定子鉄心4はボルト45によって筺体本体101に固定されている。
In the elevator drive hoist 100, a fixed main shaft is formed at the center of the casing
更に、上述したように固定主軸の自由端側にはベアリング105を介して綱車102と一体に形成された綱車ハウジング103が回転可能に支持され、この綱車ハウジング103は綱車102や電動機部を構成する回転子鉄心7等の電機部分と一体的に構成されている。回転子鉄心7に固定された非磁性体リング9はボルト93によって綱車ハウジング103に固定され、更に非磁性体リング9は回転シャフト10に圧入されている。
Further, as described above, the
そして、上述したように、固定子鉄心4に所定のギャップを介して回転子鉄心7が対向配置されておりしており、この回転子鉄心7の内周面には複数の永久磁石6が固定されている。ここで、綱車ハウジング103の外周はブレーキドラム104が一体的に形成されており、このブレーキドラム104はブレーキ装置106によって制動される構成となっている。また筺体本体101には回転シャフト10の回転を検出するエンコーダ107が備えられている。
As described above, the
そして、この回転子3に回転力が発生すると綱車ハウジング103を介して綱車102に伝達され、綱車102に巻き掛けられた複数本の主索を駆動して乗りかごを上下に昇降することになる。尚、図10ではブレーキ装置104の詳細を示していないが、乗りかごを昇降運行させるときは図示していない制御装置からの信号によってブレーキライニングをレーキドラム104から離間して制動動作を解除し、乗りかごを停止してその位置を維持するときは制御装置からの信号によってブレーキライニングをブレーキドラム104に押圧してブレーキドラム104に制動力を与えて制動動作を行うものである。尚、本実施例では常温でおよそ0.45T程度のフェライト磁石を使用する構成としている。
Then, when a rotational force is generated in the rotor 3, it is transmitted to the
このように構成されたエレベーター駆動巻上機においては、特に実施例1で説明した永久磁石回転電機が使用されることよって、回転子鉄心7は突出部72と平面部73を有する電磁鋼板を積層して構成して同じ形状の回転鉄心7a、7bを夫々反対にして使用すれば良いので、製造コストの上昇を抑えることが可能であることと、突出部72と平面部73を有する電磁鋼板を反対に取り付け、これらを2層の回転鉄心7a、7bとすることで、回転子3の軸方向両端において電気角で30度、或いはコギングトルクの半周期に対応した電気角の位相差を回転方向に付けることができ、コギングトルクの脈動成分を効果的に打ち消すことができることから、製造コストの上昇を抑えながら円滑な昇降動作を行うエレベーター駆動巻上機とすることができる。
In the elevator-driven hoisting machine configured as described above, the permanent magnet rotating electric machine described in the first embodiment is used, so that the
以上述べたように、本発明によれば製造コストの上昇を抑えながらトルク脈動を低減する構造を備えた永久磁石回転電機を提供することができ、更に、これによって製造コストの上昇を抑えながら円滑な昇降動作を行うことができるエレベーター駆動巻上機を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a permanent magnet rotating electric machine having a structure for reducing torque pulsation while suppressing an increase in manufacturing cost, and further, thereby smoothing while suppressing an increase in manufacturing cost. It is possible to provide an elevator drive hoist capable of performing a simple lifting operation.
尚、本実施例では永久磁石回転電機とこれを用いたエレベーター駆動巻上機について示したが、この他にサーボ系や電動パワー・ステアリングなどの高トルク密度と低トルク脈動が要求される永久磁石回転電機への応用が可能であることを付記する。 In this embodiment, a permanent magnet rotating electric machine and an elevator drive hoist using the same are shown, but in addition to this, a permanent magnet that requires high torque density and low torque pulsation such as a servo system and electric power steering. Note that it can be applied to rotating electrical machines.
1…永久磁石回転電機、2…固定子、3…回転子、4…固定子鉄心、41…固定子コアバック、42…固定子突極、43…スロット、44…ボルト穴、45…ボルト、5…固定子巻線、6…永久磁石、7…回転子鉄心、9…非磁性体リング、10…シャフト、71…回転子磁極、72a、72b、72c、72d…突出部、73…平面部、74…磁石挿入スペース、75…非磁性体スペーサ、76…ダブテール、77…べべリング、91…ダブテールスロット、92…ボルト穴、93…ボルト、100…エレベーター駆動巻上機、101…筺体本体、102…綱車、103…綱車ハウジング、104…ブレーキドラム、105…ベアリング、106…ブレーキ装置、107…エンコーダ。G…エアギャップ。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記永久磁石の外周端よりも前記単位回転子鉄心が飛び出す飛び出し部分を前記単位回転子鉄心に設け、前記飛び出し部分の一方の面には前記永久磁石が接触している面と同一の面として外周側に延びる平面部が形成され、前記飛び出し部分の他方の面には前記永久磁石が接触している面に対して前記永久磁石の外周部の一部を覆うように周方向に延びて突出する突出部が形成されていることを特徴とする永久磁石回転電機。 A stator composed of a stator iron core formed by laminating electromagnetic steel plates having a plurality of salient poles projecting toward the radially inner periphery, and a stator winding wound around the salient poles, A rotor composed of a plurality of unit rotor cores laminated with magnetic steel plates, arranged on the inner peripheral side of the stator via an air gap, and a plurality of permanent magnets arranged so as to sandwich the unit rotor core. And in a permanent magnet rotating electrical machine comprising a rotating shaft fixed to the rotor,
The unit rotor core is provided with a protruding portion where the unit rotor core protrudes from the outer peripheral end of the permanent magnet, and one surface of the protruding portion is the same as the surface in contact with the permanent magnet. A flat portion extending to the side is formed, and the other surface of the protruding portion extends and protrudes in the circumferential direction so as to cover a part of the outer peripheral portion of the permanent magnet with respect to the surface in contact with the permanent magnet A permanent magnet rotating electrical machine, wherein a protrusion is formed.
前記永久磁石はフェライト磁石であることを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to claim 1,
The permanent magnet rotating electric machine, wherein the permanent magnet is a ferrite magnet.
前記回転子は、少なくとも前記回転シャフトの軸方向に2層に分離され、一方の回転子を構成する前記単位回転子鉄心の前記突出部と、他方の回転子を構成する前記単位回転子鉄心の前記突出部の突出方向は前記回転子の周方向で逆方向に突出されていることを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to claim 1 or 2,
The rotor is separated into at least two layers in the axial direction of the rotary shaft, the projecting portion of the unit rotor core constituting one rotor, and the unit rotor core constituting the other rotor. The permanent magnet rotating electrical machine according to claim 1, wherein a protruding direction of the protruding portion protrudes in a reverse direction in a circumferential direction of the rotor.
前記一方の回転子を構成する前記単位回転子鉄心と、前記他方の回転子を構成する前記単位回転子鉄心とに組み合わされる前記永久磁石は共通して使用されることを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to claim 3,
The permanent magnet rotation combined with the unit rotor core constituting the one rotor and the unit rotor core constituting the other rotor is commonly used. Electric.
前記一方の回転子を構成する前記単位回転子鉄心と、前記他方の回転子を構成する前記単位回転子鉄心は同じ形状であり、前記一方の回転子に使用される前記単位回転子鉄心に対して、前記他方の回転子に使用される前記単位回転子鉄心は裏返して使用されることを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to claim 3,
The unit rotor core constituting the one rotor and the unit rotor core constituting the other rotor have the same shape, and the unit rotor core used for the one rotor The unit rotor core used for the other rotor is turned over and used.
前記単位回転子鉄心に形成した突出部の突出量は、前記突出部が延びる前記永久磁石の周方向長さの半分以下であることを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to any one of claims 1 to 5,
The permanent magnet rotating electrical machine according to claim 1, wherein a protrusion amount of the protrusion formed on the unit rotor core is not more than half of a circumferential length of the permanent magnet from which the protrusion extends.
前記単位回転鉄心の突出量は、前記単位回転子鉄心の周方向の中点と前記回転シャフトの中心を結ぶ基準線A−Aから見て磁極ピッチ角の半分の角度を角度aとし、前記基準線A−Aから見て前記突出部の先端の開き角を角度bとし、前記基準線A−Aから見て前記突出部72の根元(前記永久磁石との接触面)の開き角を角度cとした場合、b/a≒0.75とc/b≒0.71の条件を満足することを特徴とする永久磁石回転電機。 The permanent magnet rotating electric machine according to claim 6,
The amount of protrusion of the unit rotor core is an angle a that is a half of the magnetic pole pitch angle when viewed from a reference line A-A connecting a center point in the circumferential direction of the unit rotor core and the center of the rotary shaft. The opening angle of the tip of the protruding portion when viewed from the line AA is an angle b, and the opening angle of the base of the protruding portion 72 (the contact surface with the permanent magnet) is the angle c when viewed from the reference line AA. In this case, the permanent magnet rotating electrical machine satisfies the conditions of b / a≈0.75 and c / b≈0.71.
前記突出部は前記永久磁石と接触していることを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to claim 3,
The permanent magnet rotating electric machine, wherein the protrusion is in contact with the permanent magnet.
前記突出部の先端側の上面角部はベべリング(面取り)が施されて丸みが形成されていることを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to claim 3,
A permanent magnet rotating electrical machine characterized in that an upper surface corner portion on the tip end side of the protruding portion is beveled (chamfered) to be rounded.
前記回転子は、前記回転シャフトの軸方向に4層に分離され、最外端に位置する2つの回転子を構成する前記単位回転子鉄心の前記突出部と、前記最外端に位置する2つの回転子に挟まれた2つの回転子を構成する前記単位回転子鉄心の前記突出部の突出方向は前記回転子の周方向で逆方向に突出されていることを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to claim 3,
The rotor is divided into four layers in the axial direction of the rotary shaft, and the projecting portion of the unit rotor core constituting the two rotors located at the outermost ends, and 2 located at the outermost ends. A permanent magnet rotating electrical machine characterized in that a protruding direction of the protruding portion of the unit rotor core constituting two rotors sandwiched between two rotors protrudes in the opposite direction in the circumferential direction of the rotor .
電磁鋼板が積層された前記単位回転子鉄心の代わりに、塊状単位回転鉄心を用いることを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to claim 3,
A permanent magnet rotating electrical machine characterized by using a bulk unit rotating core instead of the unit rotor core on which electromagnetic steel plates are laminated.
前記回転子鉄心と前記回転シャフトの間には非磁性体リングが固定されており、前記非磁性体リングにダブテールスロット形成する共に、前記ダブテールスロットに前記単位回転子鉄心に形成したダブテールを嵌め込んで前記単位回転子鉄心を非磁性体リングに固定することを特徴とする永久磁石回転電機。 In the permanent magnet rotating electric machine according to claim 3,
A non-magnetic ring is fixed between the rotor core and the rotary shaft. A dovetail slot is formed in the non-magnetic ring, and a dovetail formed in the unit rotor core is fitted in the dovetail slot. A permanent magnet rotating electrical machine, wherein the unit rotor core is fixed to a non-magnetic ring.
前記電動機部を請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の永久磁石回転電機で構成したことを特徴とするエレベーター駆動巻上機。 A housing main body containing a stator and a stator winding, a fixed main shaft fixed on one side to the main body and the other as a free end, and rotatable on a free end side of the fixed main shaft via a bearing In an elevator drive hoisting machine comprising a sheave attached to which a main rope is wound, and a rotor that is formed integrally with the sheave and forms a motor part in cooperation with the stator,
An elevator-driven hoisting machine comprising the permanent magnet rotating electric machine according to any one of claims 1 to 12, wherein the electric motor section is formed.
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