JP3840892B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石式回転電機に係り、特に突極集中巻線を有する固定子と、該固定子に回転ギャップをもって配置され、複数個の永久磁石が回転子鉄心内部に周方向に配置固定された、補助突極を有する回転子とを備え、回転子の極数がＰ（２の倍数）、固定子スロット数がＭ（３の倍数）である永久磁石式回転電機およびそれを用いたエレベータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
突極集中巻線を有するエレベータ用の永久磁石式回転電機においては、特開２０００−２０１４６２号公報に回転子極数ｍ＝１６（１＋Ｚ），固定子スロット数ｎ＝１８（１＋Ｚ）、（但しＺは１以上の整数）とする構成のモータが示されている。この技術は、磁石が回転子表面に配置された表面磁石型回転電機において、回転子極数と固定子スロット数の最小公倍数を大きくすることにより、コギングトルクを低減している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開２０００−２０１４６２号公報に記載されたものは、エレベータ用の突極集中巻線を有する表面磁石型回転電機において回転子極数ｍ＝１６(１＋Ｚ)，固定子スロット数ｎ＝１８（１＋Ｚ）、（但しＺは１以上の整数）の構成をとることにより、ｍとｎの最小公倍数を大きくして、コギングトルクを低減している。しかし、ｍとｎの最小公倍数のコギングトルク、例えば、Ｚ＝１の場合の回転子極数３２，固定子スロット数３６の回転電機において、１回転で２８８周期、１極当り９周期のコギングトルクに対しては、配慮がなされていない。
【０００４】
上記従来技術のように表面磁石型であれば、回転ギャップ面の磁束の変化が比較的少ないので、コギングトルクは比較的小さいが、永久磁石が回転子鉄心内部に周方向に配置固定された、所謂埋込磁石型回転電機においては、回転ギャップ面の磁束の変化が大きいのでコギングトルクが大きくなり、最小公倍数の周期のコギングトルクも大きくなりやすい。コギングトルクの大きな回転電機をエレベータに適用すると、ロープ，荷室間の機械共振系で脈動が増幅され、荷室搭乗者に不快な振動を与える。
【０００５】
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、低コギングトルクとした永久磁石式回転電機を提供することを目的とするものである。
【０００６】
また本発明の他の目的は、荷室搭乗者に不快な振動を与えない（ロープ，荷室間の機械共振系で低脈動とする）、低コギングトルクの永久磁石式回転電機を用いたエレベータを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、突極集中巻線を有する固定子と、この固定子に回転ギャップをもって配置され、かつ鉄心を形成するための多数の板を積層したものから構成された回転子鉄心を備えた回転子とを有し、回転子鉄心には、板の積厚方向に打ち抜かれた複数の収納穴が周方向に配置されており、複数の収納穴内の各々には永久磁石と非磁性部位とが周方向に配置されており、回転子鉄心の収納穴間の部位には補助突極が形成されており、永久磁石は板の積厚方向に２分割されており、複数の収納穴内の各々における永久磁石及び非磁性部位の配置は板の積厚方向において逆になっており、回転子の極数をＰ（２の倍数）、固定子のスロット数をＭ（３の倍数）としたときのＰとＭの最小公倍数を gcd （Ｐ，Ｍ） 、１極当りのコギングトルクの周期をｘとしたとき、ｘは、
ｘ＝ gcd （Ｐ，Ｍ）／Ｐ
であり、収納穴の周方向長さをｂ、非磁性部位の長さａとしたとき、ｂとａの比率は、
ｂ／ａ＝ｘ
である永久磁石回転電機を特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、上記永久磁石式回転電機を駆動モータとして用いたエレベータを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。先ず、本発明を回転子極数１０，固定子スロット数１２の突極集中巻線方式で出力３.７ｋＷ の永久磁石式回転電機に適用した第１実施例につき５極を示した図１を参照して説明する。図１において固定子１は、ほぼ環状をなすコアバック２と１２個のティース３にＵ相の固定子巻線Ｕ１、及びＶ相の固定子巻線Ｖ１、並びにＷ相の固定子巻線Ｗ１を夫々巻線して構成されている。固定子鉄心の内周部には、各スロットに対応して開口部４が形成されている。なお、巻線の際には、コアバック２とティース３が分割されていた方が巻線が容易であるが、分割されてあっても、非分割であっても構わない。
【００１０】
これに対して、回転子６は、回転軸１０に回転子鉄心７を嵌合固着し、この回転子鉄心の外周部周方向に形成された打抜の周方向長さｂの収納部に、Ｎ極とＳ極とが交互になるように着磁されてるネオジウム製の永久磁石８と周方向長さａの非磁性部位を各収納部に軸方向から挿入して組込むことによって構成され、固定子の内部にコアバック２の内周部と所定のギャップ５を有する状態で回転可能に配置されている。また、永久磁石間の部位は補助突極を構成している。なお、回転子鉄心７は収納部形成用の孔が形成された硅素鋼板を多数枚積層して構成されている。
【００１１】
永久磁石８の積厚方向の長さをＬとしたとき、永久磁石８はＬ／２の長さで２分割されており、永久磁石８と非磁性部位９の位置を図２に示すように逆にする。
【００１２】
更に、回転子極数１０，固定子スロット数１２の最小公倍数gcd(Ｐ，Ｍ）は６０なので、gcd(Ｐ,Ｍ）／Ｐ＝６０／１０＝ｘ＝６、１極(電気角１８０度）当り６周期のコギングトルクが発生する。このコギングトルクを低減するため、非磁性部位９の周方向長さａと打抜収納部の長さｂの比を１：６とする。
【００１３】
反時計回り方向に非磁性部位９を設けた磁界解析結果を図３に、時計回り方向に設けた磁界解析結果を図４に、夫々の形状でのコギングトルクを図５，図６に示す。図６と図６の波形はちょうど半周期ずれており、各々を打ち消すことができる。図７に本発明のコギングトルク波形を示す。本発明のコギングトルクのピークからピーク迄の大きさは０.７Ｎｍ であり、本発明の構成としない場合のコギングトルクに比べて大幅に低減できる（例えば図５，図６のコギングトルク５Ｎｍの１／７に低減できる。）。
【００１４】
以上により、磁石を長手方向に２分割し、スキューしたこととほぼ等価の効果が得られる。スキューの場合は回転子コア締結用に、長手方向に通しボルト等の穴が必要なため、回転子コアが２種類必要であるが、本発明では回転子コアの打抜型は１つで良い。
【００１５】
なお、上記で規定したａとｂの比は製作精度上ある程度の幅を持つ。回転子の打抜穴及び磁石の製作精度を考慮すると、機械角で±１度程度の幅となる。
【００１６】
更に、極数とスロット数が異なる場合の汎用性を確認するため、極数２０極でスロット数２４スロットの回転電機について同様の検討を行った。反時計回り方向に非磁性部位９を設けた磁場解析結果を図８に示す。この場合においてもａとｂの比は１：６なので、先の例と同様にコギングトルクを低減できる。
【００１７】
次に、極数が１６でスロット数が１８スロットの検討結果として、反時計回り方向に非磁性部位９を設けた磁場解析結果を図９に示す。この場合、最小公倍数gcd(Ｐ,Ｍ）は１４４なので、gcd(Ｐ,Ｍ）／Ｐ＝１４４／１６＝ｘ＝９、１極（電気角１８０度）当り９周期のコギングトルクが発生する。よって、非磁性部位９の周方向長さａと打抜収納部の長さｂの比を１：９とすることにより、先の例と同様にコギングトルクを低減できる。
【００１８】
また、極数が１６でスロット数が２４スロットの検討結果として、反時計回り方向に非磁性部位９を設けた磁場解析結果を図１０に示す。この場合、最小公倍数gcd(Ｐ,Ｍ）は４８なので、gcd(Ｐ,Ｍ）／Ｐ＝４８／１６＝ｘ＝３、１極（電気角１８０度）当り３周期のコギングトルクが発生する。よって、非磁性部位９の周方向長さａと打抜収納部の長さｂの比を１：３とすることにより、先の例と同様にコギングトルクを低減できる。
【００１９】
また、本発明のａとｂの比の磁石形状による影響を把握するため、磁石形状をアーク型とした場合でも、同様の検討を行った。極数が１６でスロット数が２４スロットの検討結果として、反時計回り方向に非磁性部位９を設けた磁場解析結果を図１１に、反時計回り方向に非磁性部位９を設けた場合のコギングトルク波形を図１２に、時計回りに非磁性部位９を設けた場合のコギングトルク波形を図１３に、本発明のコギングトルク波形を図１４に示す。本発明のコギングトルクのピークからピーク迄の大きさは０.０６Ｎｍ であり、磁石形状をアーク型とした場合でもコギングトルクを低減できる。
【００２０】
よって、本発明は磁石の形状が第１実施例で示した矩形に限らず、アーク型等色々な形状で成り立つ。また、永久磁石８はネオジウム磁石以外でも良く、永久磁石の個数（極数）とスロット数も突極集中巻線が成立する範囲で任意に設定できる。なお、コギングトルクの低減が必要なものは、エレベータ用や電気自動車用回転電機に適用可能で、回転電機の構造も、内転型，外転型に限らず、リニアモータなどにも応用できる。
【００２１】
さらに、本発明による永久磁石型回転電機は、エレベータの駆動モータとして用いた場合に有効である。所謂埋込磁石型回転電機においては、回転ギャップ面の磁束の変化が大きいのでコギングトルクが大きくなり、最小公倍数の周期のコギングトルクも大きくなりやすい。コギングトルクの大きな回転電機をエレベータに適用すると、ロープ，荷室間の機械共振系で脈動が増幅され、荷室搭乗者に不快な振動を与える。
【００２２】
従来技術においては、スキューによるコギングトルク低減、もしくは、モータのコギングトルクを低減するため、コギングトルクを打ち消すトルクを出力する制御を行っており、いずれも高コストの一因となっている。
【００２３】
本発明を用いることにより、スキューによる電動機の高コストもしくは振動低減制御による高コストとすることなく、回転電機のコギングトルクを低減でき、荷室搭乗者に不快な振動を与えない快適なエレベータを得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の永久磁石式回転電機によれば、コギングトルク低減を可能とした永久磁石式回転電機を提供することができる。
【００２５】
また荷室搭乗者に不快な振動を与えない（ロープ，荷室間の機械共振系で低脈動とする）、より快適なエレベータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す図。
【図２】本発明の磁石と非磁性部位の積厚方向の配置を示す図。
【図３】図１の非磁性部位が反時計回り方向にある場合の磁場解析を示す図。
【図４】図１の非磁性部位が時計回り方向にある場合の磁場解析を示す図。
【図５】図３のコギングトルク波形を示す図。
【図６】図４のコギングトルク波形を示す図。
【図７】本発明のコギングトルク波形を示す図。
【図８】本発明を極数２０，スロット数２４の回転電機に適用し、非磁性部位が反時計回り方向にある場合の磁場解析を示す図。
【図９】本発明を極数１６，スロット数１８の回転電機に適用し、非磁性部位が反時計回り方向にある場合の磁場解析を示す図。
【図１０】本発明を極数１６，スロット数２４の回転電機に適用し、非磁性部位が反時計回り方向にある場合の磁場解析を示す図。
【図１１】本発明を極数１６，スロット数２４，磁石形状アーク型の回転電機に適用し、非磁性部位が反時計回り方向にある場合の磁場解析を示す図。
【図１２】図１１のコギングトルク波形を示す図。
【図１３】図１１の非磁性部位が時計回り方向にある場合のコギングトルク波形を示す図。
【図１４】本発明を極数１６，スロット数２４，磁石形状アーク型の回転電機に適用した場合のコギングトルク波形を示す図。
【符号の説明】
１…固定子、２…コアバック、３…ティース、４…固定子開口部、５…ギャップ部、６…回転子、７…回転子鉄心、８…永久磁石、９…非磁性部位、１０…回転軸、１１…補助突極。

Claims (7)

1. 突極集中巻線を有する固定子と、
   該固定子に回転ギャップをもって配置され、かつ鉄心を形成するための多数の板を積層したものから構成された回転子鉄心を備えた回転子とを有し、
   前記回転子鉄心には、前記板の積厚方向に打ち抜かれた複数の収納穴が周方向に配置されており、
   前記複数の収納穴内の各々には永久磁石と非磁性部位とが周方向に配置されており、
   前記回転子鉄心の前記収納穴間の部位には補助突極が形成されており、
   前記永久磁石は前記板の積厚方向に２分割されており、
   前記複数の収納穴内の各々における前記永久磁石及び前記非磁性部位の配置は前記板の積厚方向において逆になっており、
   前記回転子の極数をＰ（２の倍数）、前記固定子のスロット数をＭ（３の倍数）としたときの前記Ｐと前記Ｍの最小公倍数をgcd（Ｐ，Ｍ） 、１極当りのコギングトルクの周期をｘとしたとき、前記ｘは、
   ｘ＝gcd（Ｐ，Ｍ）／Ｐ
   であり、
   前記収納穴の周方向長さをｂ、前記非磁性部位の長さａとしたとき、前記ｂと前記ａの比率は、
   ｂ／ａ＝ｘ
   であることを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
   前記Ｐと前記Ｍの比を１０：１２とし、
   前記ｂと前記ａの比率を
   ｂ／ａ＝６
   としたことを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
   前記Ｐと前記Ｍの比を８：９とし、
   前記ｂと前記ａの比率を、
   ｂ／ａ＝９
   としたことを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
   前記Ｐと前記Ｍの比を２：３とし、
   前記ｂと前記ａの比率を、
   ｂ／ａ＝３
   としたことを特徴とする永久磁石回転電機。
5. 請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
   前記収納穴及び前記永久磁石の断面形状が長方形であることを特徴とする永久磁石回転電機。
6. 請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
   前記収納穴及び前記永久磁石の断面形状がアーク型であることを特徴とする永久磁石回転電機。
7. 請求項１乃至５のいずれかに記載の永久磁石回転電機を駆動用モータとして用いたことを特徴とするエレベータ。

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