JP5975980B2 - 電動機、巻上機およびエレベータシステム - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、電動機の構造に関するものであり、とくに、永久磁石モータの構造に関する。

発明の背景

既設の空間をできるだけ有効に活用することは、広く目標とするところである。たとえば、空間条件を満たすために、エレベータの巻上機を可能な限りコンパクトにすることも一目標である。これを実現するために、巻上機の回転軸方向の寸法がなるべく薄くなるように設計すると、巻上機は、たとえばエレベータ昇降路の壁部分または他の同様の狭い空間に対して収まりがよくなる。これに対し、いくつかの方式では、巻上機の半径方向の寸法ができる限り小さくなるように巻上機を設計することで、巻上機がたとえばエレベータ昇降路の頂上部または底部に対して収まりがよくなることを企図してきた。

近代において、永久磁石モータが巻上機の電動機に用いられるようになった。永久磁石モータは、固定子歯の周囲に設けられた隣り合う２本のスロット内に巻回された固定子集中巻線を含んでいる。集中巻線では、従来のダイヤモンド巻線より巻線の突出部分が短くなり、その場合、巻上機のサイズも減少する。

しかし、集中巻線を使用することで問題が生じる。電動機のエアギャップ内で集中巻線の発生する磁束の密度分布は正弦波とは大きく異なり、その結果、多量の高調波が含まれる。一方、高調波は電動機内に振動と雑音を発生する。

本発明の目的は、永久磁石の配置および形状を改良することで磁界の高調波に起因する振動および騒音が低減した永久磁石モータを提示することである。この目的を達成するために、本発明は請求項１に係る電動機、請求項８に係る巻上機、および請求項10に係るエレベータシステムを開示する。本発明の好適な実施形態については、非独立請求項に記載する。

本発明に係る電動機は、スロットを備えた固定子を備え、スロットには集中巻線が装着されている。電動機は、回転動作方向に連続して配列されて環をなす複数の永久磁石を含んで回転する回転子を備えている。永久磁石の中心線の位置における永久磁石の幅L_Mと回転子の磁極の幅L_Pとの比L_M/L_Pは、少なくとも2/3、最大で4/5である。これは、電気角の度数では、永久磁石の中心線の位置における永久磁石の幅L_Mが電気角120度〜144度の範囲にあることを示している。用語、電気角の度数とは、回転子と固定子の間のエアギャップ内を循環する磁束の基本周波数の周期長によって決まる角度の値である。したがって、回転子の磁極の幅L_Pは、180度の電気角となる。用語、磁石の中心線とは、回転子の回転動作方向における環であって実質的に磁石の幾何中心点に位置するものである。すなわち、磁石の中心線に直角な方向の長さは、中心線の両側で同じとなる。

本発明に係る好適な実施形態では、回転子の永久磁石の少なくとも一辺は、その方向が固定子スロットとは異なる方向でありスロット勾配を有する。スロット勾配sと回転子の磁極の幅LPの比s/LPは、少なくとも5/36であり、最大で1/5である。電気角の度数では、これは、スロット勾配sが電気角25度〜36度の範囲にあることを示している。

上述のような回転子磁石の配列および個々の磁石の形状を利用することで、とくに次のようなタイプの電動機において、磁束の高調波がもたらす振動や騒音を低減することができる。すなわちこのタイプは、分割スロット集中巻線が電動機の固定子スロットに装着され、巻線の極および相qあたりスロット数が0.5より少なく、最適には0.3のものである。永久磁石の上述のスロット勾配は、好ましくは、回転子の永久磁石を実質的に矢印形状に形成することで実現できる。

本発明に係る電動機は好ましくは軸方向磁束モータであり、固定子と回転子の間のエアギャップが実質的に回転子の回転軸方向にある。軸方向磁束モータの回転子にある矢印形状の永久磁石の先端部は、好ましくは上述の永久磁石の中心線よりも回転子の回転軸から遠くに配置されている。永久磁石は、回転子の回転軸からの距離が増すほど永久磁石の幅が広くなるような形状でもよい。この場合、このような永久磁石の形状によって電動機のトルクが増す。これは、このようにすると電動機の磁束の大半が、電動機の回転子の回転軸から半径方向に遠い方に位置する部分を通るためである。また、本発明に係る電動機は放射状磁束モータでもよく、その場合、固定子と回転子の間のエアギャップは、実質的に電動機の半径方向にある。

本発明に係る電動機の回転子の一連の永久磁石の磁極は、好ましくは相互に逆方向を向いている。

本発明は、第２の態様として、上述のタイプの電動機を含む巻上機に関するものである。本巻上機では、電動機の固定子は好ましくは巻上機の固定構造体に配設され、電動機の回転子は好ましくは巻上機の回転構造体に配設されている。巻上機の回転構造体はトラクションシーブを備えている。本発明に係る電動機を使用することで、巻上機の振動および騒音を低減できる。

本発明は、第３の態様として、上述のタイプのいずれかの巻上機を備えてエレベータカーをエレベータ昇降路内で走行させるエレベータシステムに関するものである。本発明に係るエレベータシステムでは、巻上機は、小型で低レベル騒音であるため、好ましくはエレベータ昇降路に配設することができる。

本発明の好適な一実施形態において、回転子は巻上機の回転構造体の第１の側に配設され、トラクションシーブは巻上機の回転構造体の反対側に配設されている。トラクションシーブは、回転子と同じ要素に取り付けられている。トラクションシーブは、回転子と一体化して同じ要素としてもよい。巻上機は、トラクションシーブを装着および／または取り外しするための固定手段、たとえばボルトなども備えてよい。そうすれば、たとえば、トラクションシーブを摩耗や不具合で交換しなければならない場合に役立つ。トラクションシーブの交換は、たとえばトラクションシーブの表面部にある綱溝が摩耗した場合などに必要なことがある。溝の金属部分、または被覆溝のポリウレタン等の被膜は、とりわけロープの滑りによって損耗することがある。また、溝の幾何学的外形も摩耗に影響を及ぼす。

本発明の好適な一実施形態において、トラクションシーブは中空状である。そのため、巻上機の回転構造体は非常に強固できるとともに、構造体が軽量になり、また小スペースでも取り付けられる。巻上機のサイズは、たとえば機械ブレーキおよび／または巻上機の回転部の動きを測定するセンサを中空型トラクションシーブの内側に配設することでも、さらに縮小できる。機械ブレーキのブレーキ面も、中空型トラクションシーブの環状部の内側面に形成することが可能である。

巻上機の回転構造体は、好ましくは、磁束を少なくとも永久磁石の直近まで導く材料で形成されている。本発明の好適な一実施形態では、エアギャップ方向における永久磁石の厚みは実質的に一定である。しかし、このエアギャップ方向における永久磁石の厚みも変更可能であり、厚みを変化させることによって、磁気回路のエアギャップ内の磁束の密度分布をできるだけ正弦波状にすることができる。

上述の回転子の永久磁石は、固定用基部に取り付けるのが好ましく、渦電流を抑制するためには、固定用基部は、非導電性または低導電性の材料、たとえばガラス繊維複合材、ステンレス鋼、または同等のもので形成する。しかし、永久磁石は、たとえば巻上機の回転構造体に永久磁石埋込み用として機械加工された凹部に埋設固定してもよい。

本発明の好適な一実施形態において、巻上機の回転構造体は、軸受を介して巻上機の固定軸に支持されている。この軸も中空状に形成してもよく、その場合、巻上機は実質的に巻上機の剛性を損なうことなく軽量化できる。このような軸および／またはトラクションシーブの中空構造は、巻上機の製造に必要な原材料の量的減少をも意味する。巻上機の回転構造体の動作を測定するセンサを中空軸の内側に配置することも可能である。

たとえば、ドラムブレーキまたはディスクブレーキを本発明に係る巻上機の機械ブレーキとして用いてもよい。制動面は、好ましくは、巻上機の回転構造体の最外側リングの延長部として、リム状リング、たとえばディスクブレーキのブレーキ円盤またはドラムブレーキのブレーキリングの形をとる。

上述の発明の概要、ならびに後述する本発明の更なる特徴および利点は、以下のいくつかの実施形態に関する詳述によってより理解できるであろう。ただし、実施形態の細部は、本発明の適用範囲を限定するものでない。

回転子表面の永久磁石の配置を示す。 本発明に係る軸方向磁束モータの回転軸方向から見た回転子を示す図である。 本発明に係る軸方向磁束モータの回転軸方向から見た固定子を示す図である。 本発明に係る軸方向磁束モータのエアギャップ方向から見た永久磁石を図である。 本発明に係る放射状磁束モータを回転軸方向から見た図である。 本発明に係る巻上機の回転軸から上の部分を半径方向に切り欠いた巻上機の部分断面図である。 本発明に係るエレベータシステムの構成図である。

発明の好適な実施形態の詳細な説明

図１は、本発明に係る永久磁石同期モータの回転子の表面において回転動作方向に環12をなして連続的に配された複数の永久磁石をエアギャップ方向から示している。図１では、明確にするために、回転動作方向の環12を直線状に伸ばして示し、こうすることで各永久磁石は、回転動作方向に環状に配列されたものが一直線上で連なっている。永久磁石は実質的に矢印の形をしている。回転子上の永久磁石3a、3bの寸法および配置は、永久磁石3a、3bの中心線12の位置における各磁石の幅LMと回転子の磁極の幅LPとの比LM/LPが、少なくとも2/3、最大で4/5となるように決める。電気角の度数では、これは、磁極の幅LPが電気角180度の場合、永久磁石の中心線12の位置における永久磁石の幅LMが電気角120度〜144度の範囲にあることを示している。また、モータは、固定子巻線を装着するスロットを備えた固定子(同図には示さず)を含む。固定子スロットは、回転動作方向の環12に対して直角に設けられている。永久磁石の先端部11で終端する各辺は、その永久磁石の反対側に位置する辺7と同様に、方向が固定子スロットとは異なる方向でありスロット勾配sを有する。そのスロット勾配sと回転子の磁極の幅LPの比s/LPは、少なくとも5/36であり、最大で1/5である。電気角の度数では、これは、スロット勾配sが電気角25度〜36度の範囲にあることを示している。分割スロット集中巻線が固定子スロットに装着され、巻線の極および相qあたりスロット数は0.5よりも少ない。極および相qあたりスロット数とは、モータの一相あたりでかつ一極あたりの固定子スロット数を表している。極および相あたりスロット数が0.5未満の場合、永久磁石が前述の形状および配置であれば、モータのエアギャップ内を循環する磁束の高調波を抑制することができる。この場合、モータの振動によって生じるトルクリップルも低減し、同時にモータの作動による騒音も低減する。

図２は、本発明に係る軸方向磁束モータの回転子2を回転軸方向から見た様子を示す。回転子2は、たとえば、図６の巻上機14の回転体16に形成して、永久磁石3a、3bを巻上機14の回転体16の表面において回転動作方向に連続して一定の間隔で環12状に固定することができる。永久磁石3a、3bは矢印形状をなし、また、すべての永久磁石が磁石の中央線の位置で同じ幅L_Mを有している。２つの相続く永久磁石3a、3bの磁極が互いに逆方向にあるため、相続く永久磁石によって発生する磁界の強度ベクトルは互いに逆方向となる。永久磁石のスロット勾配と同様に、永久磁石の大きさおよび位置は、図１に示す実施形態のとおりである。図６の巻上機の固定子4は、分割スロット集中巻線を備え、巻線の極および相あたりスロット数は0.5より少ない。固定子4は、巻上機の固定枠部15に配設されている。また、巻上機の回転体16はトラクションシーブ17を備え、トラクションシーブは牽引ロープ用のロープ溝を備えている。固定子および回転子は互いに対向して巻上機14に配設され、回転軸9の方向にあるエアギャップ8が固定子と回転子の間に残るようにする。モータの磁束が回転子2と固定子4の間で回転すると、磁束はエアギャップ8を通過する。

図３は、図６の巻上機14の固定子4の実現可能な一例を示すものである。図３の固定子4は12本のスロット数を有し、固定子巻線は三相である。これに対し、図２に係る回転子は10極を有する。これは、各永久磁石ごとに回転子に磁極が形成されているためである。したがって、図２に係る回転子と図３に係る固定子を使用すると、モータの極および相あたりスロット数として0.4という値が得られる。本発明の好適な実施形態では、極および相あたりスロット数は0.3である。この場合、モータは、36本の固定子スロットを備え、回転子の磁極数は40であるのが最も好ましい。永久磁石は40個、つまり磁極と同じ数だけある。

図２の回転子の永久磁石3a、3bは固定用基部に取り付けられ、固定用基部は次に、巻上機の回転体16の表面に取り付けられている。エアギャップ8の方向の永久磁石の厚みは、基本的に一定である。回転体16は、永久磁石3a、3bに近接して強磁性体で形成され、磁気回路を流れる磁束が強磁性体内を循環する。

本発明に係る永久磁石3a、3bの形状および配置によれば、モータのエアギャップ内を循環する磁束の高調波を低減させることで、モータのトルクリップルを低減できる。高調波は、たとえば多角形などの、矢印形状とは別の、もしくは矢印形状を変形させた形状でも低減できるであろう。ただし、そのような形状の磁石の中心線位置での幅とそのような形状のスロット勾配は、本発明で特定する限界値の範囲内であるものとする。永久磁石の実施可能な形状として四角形が挙げられ、四角形の少なくとも一辺の方向は、本発明で示すスロット勾配2の限界値の範囲内において固定子スロットとは異なる方向である。またその一方で、永久磁石の１つ以上の角に丸みをもたせてもよい。

図４は、そのような永久磁石の１つを示し、矢印形状を若干変形させた形状であり、たとえば上述したいずれの軸方向磁束モータにも適用できる。その場合、矢印形状の永久磁石の先端部11は、永久磁石3aの幾何学的中心点を通過し回転子の回転動作方向に環をなす中心線12よりも回転子の回転軸9から遠くに設けられている。中心線12とは、実質的に磁石の幾何学的中心点に位置する回転子の回転動作方向の環のことであり、換言すれば、中心線に対して直角な方向Aにおける磁石の長さが中心線12のどちら側でも同じであることを言う。また、回転子の回転軸9からの距離10が矢印10の方向に増すにつれ、永久磁石の幅lが広くなり、その場合、永久磁石によって生じる磁界の大半は、回転子の回転軸から遠くに位置する。このタイプの形状の永久磁石を使用することで、モータのトルク発生を向上できる。

図５は、本発明に係る放射状磁束モータを回転軸方向から見た様子を示す。永久磁石3a、3bは、回転子2の表面に配されている。永久磁石3a、3bは固定用基部に取り付けられて、回転子の表面において回転動作方向に連続して環状に配設されている。永久磁石3a、3bは、実質的に矢印形状である。回転子2における永久磁石3a、3bの寸法および配置は、永久磁石3a、3bの中心線12の位置における各磁石の幅LMと回転子の磁極の幅LPとの比LM/LPが、少なくとも2/3、最大で4/5となるように決める。これは、電気角の度数では、磁極の幅LPが電気角180度の場合、永久磁石の中心線12の位置における永久磁石の幅LMが電気角120度〜144度の範囲にあることを示している。モータは、固定子巻線6を装着するスロット5を備えた固定子4も含んでいる。固定子スロット5は、回転動作方向の環に対して直角に設けられている。図５の固定子は開放したスロット開口部を含んでいるが、モータは半開放型または閉鎖型スロット開口部を有していてもよい。永久磁石の先端部で終端する各辺は、その永久磁石の反対側に位置する辺と同様に、方向が固定子スロットとは異なる方向でありスロット勾配を有する。そのスロット勾配sと回転子の磁極の幅LPの比s/LPは、少なくとも5/36であり、最大で1/5である。電気角の度数では、これは、スロット勾配sが電気角25度〜36度の範囲にあることを示している。分割スロット集中巻線が固定子に装着され、巻線の極および相qあたりスロット数は0.5よりも少ない。極および相あたりスロット数が0.5未満の場合、永久磁石が前述の形状および配置であれば、放射状磁束モータのエアギャップ内を循環する磁束の高調波を抑制でき、この場合、振動によって生じるモータのトルクリップルも低減し、同時にモータの作動による騒音も低減する。

図７はエレベータシステムの概略図である。エレベータカー18およびカウンタウェイト20は、エレベータの巻上機14のトラクションシーブ17を介して走行するエレベータ用ロープによってエレベータ昇降路19内で懸架されている。エレベータの巻上機14によって巻上ロープを通じてエレベータカーに力作用が加わることで、エレベータカーが動く。エレベータの巻上機14への電力供給は、給電線とエレベータの巻上機14の間に接続された周波数変換器(図示せず)によって行われる。周波数変換器およびエレベータの巻上機14は、エレベータ昇降路内において、エレベータカー18の走行経路の外側にあるエレベータ昇降路19の壁に対して配設されている。エレベータの巻上機14は、図６に示したタイプのものである。分割スロット集中巻線を使用した結果、それに応じてエレベータの巻上機14は、回転軸9の方向の寸法が従来型の巻上機より薄くできる。図７を見ると分かるように、より平たいエレベータの巻上機14によって、エレベータの巻上機14の回転軸9の方向におけるエレベータカー18の幅は厚くでき、その場合、同じエレベータ昇降路でも従来よりスペースのあるエレベータカー18を取り付けることができる。同様に、本発明に係る巻上機14の回転子磁石のこのような配置および形状によって、モータのトルクリップルが低減し、巻上機は極めて低騒音になる。

本発明に係る電動機1および巻上機14は、たとえば様々な運搬システムおよび昇降システムでの使用に適している。乗用エレベータや貨物用エレベータのシステムの他に、電動機1および巻上機14は、たとえば鉱山用エレベータ、ドラム駆動式エレベータ、およびクレーンにおいても使用可能である。また他方において、本発明に係る電動機は、たとえばエスカレータシステムや動く歩道システムでの使用にも適している。

本発明は、上述の実施形態への適用に限定されるものでなく、本願請求項に規定した発明概念の範囲内で様々に変更可能である。

Claims (11)

1. 集中巻線が装着されたスロットを含む固定子と、
   回転動作方向に連続的に配されて環をなす永久磁石を含んで回転する回転子とを含む電動機において、
   前記永久磁石の中心線の位置における該磁石の幅と前記回転子の磁極の幅の比は、少なくとも2/3であり、最大で4/5であり、
   前記回転子にある少なくとも１つの永久磁石の少なくとも一辺は、その方向が前記固定子のスロットとは異なる方向でありスロット勾配を有し、該スロット勾配と前記回転子の磁極の幅の比は、少なくとも5/36であり、最大で1/5であり、
   前記集中巻線の極および相あたりのスロット数は0.5より少なく、
   前記固定子と前記回転子の間のエアギャップは、実質的に前記回転子の回転軸方向にあることを特徴とする電動機。
2. 請求項１に記載の電動機において、前記集中巻線は分割スロット集中巻線であることを特徴とする電動機。
3. 請求項２に記載の電動機において、前記永久磁石の幅は、前記回転子の回転軸からの距離が増すにつれ、広くなることを特徴とする電動機。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電動機において、前記回転子の永久磁石は実質的に矢印形状であることを特徴とする電動機。
5. 請求項４に記載の電動機において、前記回転子の前記矢印形状の永久磁石の先端部は、該永久磁石の中心線よりも前記回転子の回転軸から遠くに配置されていることを特徴とする電動機。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の電動機において、前記連続する永久磁石の磁極は互いに逆方向にあることを特徴とする電動機。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の電動機において、前記永久磁石のエアギャップの方向の厚みは実質的に一定であることを特徴とする電動機。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の電動機を含むことを特徴とする巻上機。
9. 請求項８に記載の巻上機において、前記電動機の固定子は該巻上機の固定構造体に配設され、
   前記電動機の回転子は、該巻上機の回転構造体に配設され、
   該巻上機の回転構造体はトラクションシーブを含むことを特徴とする巻上機。
10. 請求項８または９に記載の巻上機を含み、エレベータカーをエレベータ昇降路内で走行させることを特徴とするエレベータシステム。
11. 請求項10に記載のエレベータシステムにおいて、前記巻上機は前記エレベータ昇降路内に配設されていることを特徴とするエレベータシステム。

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