JP6841711B2 - 外転型回転電機及びこれを用いたエレベータ用巻上機 - Google Patents

Description

本発明は、外転型回転電機及びこれを用いたエレベータ用巻上機に関する。

近年、エレベータ用巻上機は、小型化のニーズにより、シーブや筐体等の機構をブレーキや回転電機と一体とする構造が主流になっている。このため、回転電機においても、高トルク密度化による小型化が求められている。

外転型回転電機は、固定子の外周側に回転子が配置されるため、内転型回転電機と比較して、回転子−固定子間の間隙（ギャップ）の半径を大きくすることが可能であり、また回転子の１極分の周長が長くなる分大きい磁石を配置できるため、高トルク密度化が可能な回転電機として、近年注目されている。

一方、外転型回転電機は、主な発熱源であるコイルが内径側に配置されるため、コイルの配置スペースが小さくなり、放熱面積が小さくなる分、機内温度が上昇し易い傾向がある。従って、外転型回転電機を小型化・軽量化するためには、冷却性能の向上が求められている。

特許文献１には、固定子鉄心が取り付けられた固定子保持部材の内周側に、固定子で発生する熱を伝導して放熱させる放熱フィンを複数個設けた、アウタロータ型の巻上機が開示されている。また、特許文献１には、鋼車のリブに通風孔を形成し、固定子保持部材と回転軸との間に形成した通風路に、送風ファンにより風の流れを起こして放熱フィンを冷却するようにした巻上機の例も開示されている。

特開２００５−１０４６２０号公報

特許文献１に記載の巻上機では、固定子保持部材や鋼車により窪み状に形成された空間に放熱フィンが設けられているため、放熱フィンの周辺の空気が循環し難く、放熱フィン周辺の温度が高くなり易い。このため、冷却フィンに期待される冷却性能を十分に得られない可能性がある。また、通風孔を設けた場合、巻上機全体の強度が低下したり、回転子や固定子の設置空間に粉塵や埃等の異物が侵入して、巻上機の稼働状態に悪影響が及んだりする可能性がある。

そこで、本発明の目的は、冷却性能に優れ、軽量化や省スペース化が可能な外転型回転電機及びこれを用いたエレベータ用巻上機を提供することにある。

本発明に係る外転型回転電機の好ましい実施形態としては、回転軸に回転子フレームを介して接続され、回転子コアと前記回転子コアの内径側に配置された永久磁石とを有して回転可能に設けられた回転子と、前記回転子の内径側に前記永久磁石と所定の空隙を介して対向配置された固定子コアと、前記固定子コアに形成された複数個のスロット内に配置されたコイルとを有する固定子と、前記固定子を保持し、一端側が外部に向けて開口し他端側が閉塞された空間を、前記固定子の内径側に形成する固定子フレームと、前記固定子フレームの前記空間において、前記固定子を外周で保持する前記固定子フレームの内周に設置された冷却フィンと、前記固定子フレームの前記空間をその径方向に仕切り、気体を連通させる連通部を有する仕切り部材と、前記空間の開口端側の端部において前記仕切り部材と接続し、前記空間内の気体を排出するダクトと、前記空間に向けて送風するファンと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係るエレベータ用巻上機の好ましい実施形態としては、巻き上げ用ロープが巻き掛けられるシーブと、前記シーブを回転駆動する回転電機と、を有するエレベータ用巻上機であって、前記回転電機として、上記した実施形態に係る外転型回転電機を備えたことを特徴とするエレベータ用巻上機。

本発明によれば、冷却性能に優れ、軽量化や省スペース化が可能な外転型回転電機及びこれを用いたエレベータ用巻上機を実現することができる。

実施例１に係る外転型回転電機の軸方向断面図である。 外転型回転電機１００の内部構造を示す斜視図である。 図１に示す外転型回転電機１００を、ダクト側から見た図である。 実施例１に係る外転型回転電機の軸方向断面図である。 実施例２に係る外転型回転電機の軸方向断面図である。 図５に示す外転型回転電機１００を、ダクト側から見た図である。 実施例３に係るエレベータ用巻上機の軸方向断面図である。

図１に、実施例１に係る外転型回転電機の断面図を示す。外転型回転電機１００は、回転中心に設けられ、補助軸受け１２により支持された回転軸２４と、回転軸２４の外側に同心状に、回転可能に設けられた回転子４とを有している。

回転子４は、回転子フレーム９を介して回転軸２４と接続されており、回転子コア２と、回転子コア２の内径側に配置された永久磁石３とを有している。回転子４の内径側には、固定子８が設けられている。固定子８は、永久磁石３と所定の空隙を介して対向配置された固定子コア６と、固定子コア６に形成された複数個のスロット内に配置されたコイル７とを有している。

コイル７は、集中巻により固定子コア６に取り付けられることが望ましい。コイル７を集中巻により取り付けることで、コイル７の軸方向短部の長さが短くなるため、外転型回転電機１００全体としての軸方向長さが短くなり、小型化が可能となる。

固定子８は、固定子フレーム１１に保持されており、固定子フレーム１１により、軸受け１０を介して回転軸２４と接続されている。回転軸２４の、補助軸受け１２による支持端の反対側の端部には、軸受け１０や回転電機の回転速度を計測するエンコーダ１７が設けられている。

固定子フレーム１１は、回転子４と固定子８とを覆うように設けられている。図１に示す外転型回転電機１００は、固定子フレーム１１、回転子フレーム９、回転軸２４等により形成される密閉空間内に、回転子４と固定子８とが収容された、全閉型に構成されている。全閉型構造とすることにより、回転子４と固定子８の配置空間に、外部の空気が取り込まれないため、ごみや埃、鉄粉等の異物がこれらの空間に侵入するのを防止することができ、メンテナンス性が向上するため好ましい。なお、固定子フレーム１１や回転子フレーム９等の隙間からのわずかな空気の出入りは、影響が少ないため問題ない。

外転型回転電機１００の稼働時には、固定子コア６のスロット内に配置されたコイル７に電流が流れると、固定子８、回転子４に生成された磁場により、回転子４（回転子コア２、永久磁石３）に回転力が付与される。回転子４（回転子コア２、永久磁石３）の回転に伴い、回転子フレーム９及び回転軸２４が回転する。

固定子フレーム１１は、一端側（以下、開放端３１側という）が外部に向けて開口し、他端側（以下、閉塞端３２側という）が閉塞された空間３０を、固定子８の内径側に形成している。空間３０の閉塞端３２側の位置は、軸受け１０により規定される。図１に示す例では、軸受け１０は、固定子８の軸方向中心よりも、空間３０の開口端３１側から離れた位置に配置されており、固定子フレーム１１の内径側には、所定の広さの空間３０が確保されている。

固定子フレーム１１により形成された空間３０には、固定子フレーム１１の外周と接触させて、冷却フィン１３が設置されており、冷却フィン１３よりも内径側には、空間３０を、その径方向に仕切る仕切り部材１４が設けられている。冷却フィン１３は、固定子フレーム１１に対して着脱自在に設けられている。

冷却フィン１３としては、所定の冷却性能が満たすものであればよく、フィンの形状や枚数は、特に限定は無い。例えば、フィン同士の間隔を不等間隔としてもよく、ピンフィンなどを用いても良い。

図２は、外転型回転電機１００の内部構造を示す斜視図である。図２は、内部構造を示すため、外転型回転電機１００を径方向に分割して示している。仕切り部材１４は、図２に示すように、円筒形状を有しており、後述するダクト１６に対して着脱自在に設置されている。仕切り部材１４は、空間３０の閉塞端３２側の端部に、仕切り部材１４により仕切られた空間の間で気体を連通させる孔部である、連通部１４１を有している。

仕切り部材１４には、空間３０の開口端３１側の端部にダクト１６が接続されている。図１に示す例では、ダクト１６は、仕切り部材１４により仕切られた空間のうち内径側の空間と連通するように、仕切り部材１４に接続されている。このため、空間３０は、ダクト１６の外径側において、外部に開口している。ダクト１６の排出口１６１は、外転型回転電機１００の設置面に対して鉛直上方に向けて開口するように設けられている。

空間３０の開口端３１側には、空間３０に向けて送風するファン１５が設けられている。図１に示す例では、ファン１５として、径方向外側に風を送り出すラジアルファンを設けた構成を示している。図１に示す例では、ファン１５が、ダクト１６に対して着脱自在に設けられている。

ラジアルファンは、風を軸方向に送り出すアキシャルファンと比較して、圧力損失に強いため、狭い空間でも風量を確保することが出来るため好ましい。ファン１５としては、ラジアルファンのうち、特にターボファンが望ましい。なお、ファン１５としては、ラジアルファンに限定されず、アキシャルファンを設けてもよい。

図１〜３を用いてファン１５を稼働したときの、空間３０内の冷却風の流通を説明する。図３に、図１に示す外転型回転電機１００を、矢印２５ａ方向から見た正面図を示す。外転型回転電機１００は、図１に示すように、仕切り部材１４により、冷却風の入気側空間２５となる外径側の空間と、冷却風の排気側空間２６となる内径側の空間とに区分けされている。

ラジアルファンであるファン１５が稼働すると、ファン１５の径方向外側に送り出された冷却風が、入気側空間２５の開口部２５１（以下、入気口２５１という）から、図１中矢印２５ａで示すように、入気側空間２５内に取り込まれる。冷却風の入気側空間２５内に取り込まれた冷却風は、図３に示すように、冷却フィン１３との間の隙間を通り、図１中矢印２５ａで示すように、閉塞端３２側まで移動した後、連通部１４１を通過して、排気側空間２６に移動する。排気側空間２６に移動した冷却風は、空間３０の開口端３１側に移動し、図１中矢印２６ａで示すように、排気側空間２６の開口部２６１（以下、排気口２６１という）からダクト１６に流入し、再び入気口２５１に戻ることがないように、入気口２５１から離れた位置まで誘導され、排出口１６１から排出される。

このときの空気の動きを、図２の斜視図に模式的に示す。図２に示すように、入気口２５１から流入した冷却風は、連通部１４１を通過して、内径側の空間に流入し、ダクト１６により、外転型回転電機１００の設置面に対して鉛直上方に向けて排出される。

実施例１に係る外転型回転電機１００によれば、上記したように、冷却フィン１３の周辺の空気を、空間３０内において循環させることができるため、冷却フィン１３周辺の温度上昇を抑制することができる。このため、冷却フィン１３により、放熱面積が増大する効果を得ることができ、固定子８から発生する熱を効率的に、外転型回転電機１００の外部に放出することができる。

また、ファン１５により生じさせた冷却風が、入気側空間２５や排気側空間２６から冷却フィン１３に当たって連続的に冷却されるため、冷却フィン１３の熱伝達率が増加し、冷却性能が向上する。

また、ファン１５からの冷却風により、回転軸２４に設置された軸受け１０やエンコーダ１７の温度も低減することができるため、温度上昇に伴う、軸受け１０の破損やエンコーダ１７の故障を防止することができる。

図１に示す外転型回転電機１００は、仕切り部材１４により仕切られた空間のうち内径側の空間と連通するように、ダクト１６を接続し、仕切り部材１４により仕切られた空間のうち外径側の空間を、外部に開放しているため、外径側の空間が、冷却風の入気側空間２５となり、内径側の空間が、冷却風の排気側空間２６となっている。このため、冷却風が、その上流側において冷却フィン１３に当たるように、空間３０内を循環させることができるため、優れた冷却効率を得ることができる。

なお、ダクト１６の接続形態は、図１〜３に示す形態には限られず、仕切り部材１４により仕切られた空間のうち外径側の空間と連通するように、ダクト１６を仕切り部材１４と接続し、ダクト１６の内径側の空間を、外部に開口するようにしてもよい。

また、実施例１に係る外転型回転電機１００は、ダクト１６の排出口１６１を、外転型回転電機１００の設置面に対して鉛直上方に向けて設置しているため、空間３０を通過して温度上昇した風を、効率的に外部に排出することができる。なお、ダクト１６は、空間３０内の気体を外部に排出できるものであればよく、排出口１６１が鉛直下方に向けて開口されていてもよく、排出口１６１が水平方向に向けて開口されていてもよい。

なお、ダクト１６は、仕切り部材１４と別体で作製したものを、仕切り部材１４の端部に対して着脱自在に設置するようにしてもよく、仕切り部材１４と別体で作製したものを、溶接等により接続して設置してもよい。また、ダクト１６は、仕切り部材１４の端部と連続させて一体に形成してもよい。

上記した外転型回転電機１００では、冷却フィン１３を、固定子フレーム１１に対して着脱自在に設置し、仕切り部材１４及びファン１５を、ダクト１６に対して着脱自在に設けた例を示したが、冷却フィン１３を、固定子フレーム１１や他の部材と一体に設けてもよく、仕切り部材１４及びファン１５を、ダクト１６や他の部材と一体に設けてもよい。

但し、冷却フィン１３、仕切り部材１４、ファン１５を、外転型回転電機１００の各部材に対して着脱自在に設けることで、外転型回転電機１００の本体を裾付けした後に、冷却フィン１３や仕切り部材１４やファン１５を、それぞれ取り付けられるため、外転型回転電機１００の製作が容易となり、コスト低減が可能となる。また、外転型回転電機１００の設置前においては、本体が省スペース化されるため、運搬が容易となる。なお、冷却フィン１３、仕切り部材１４及びファン１５の全てを、外転型回転電機１００の各部材に対して着脱自在としてもよく、これらのうちのいずれかを、外転型回転電機１００の各部材に対して着脱自在としてもよい。

なお、図１に示す例では、回転軸２４を、補助軸受け１２により支持する構成を示したが、補助軸受け１２は、必ずしも設けなくてもよい。また、補助軸受け１２を、軸受け１０よりも、固定子８の軸方向中心側の位置に配置しても良い。

ファン１５の駆動方法としては、別電源により駆動する他励方式でもよく、回転軸２４にファン１５を直結させる自励方式でもよい。ただし、自励方式の場合、回転軸２４の回転速度が遅いと、ファン１５により十分な風量を得られず、十分な冷却性能を得られない可能性がある。また、例えばエンコーダ１７が回転軸２４に取り付けられている場合、空間的な制約により、ファン１５を回転軸２４に取り付けられない可能性がある。従って、上記の可能性がある場合には、ファン１５を他励方式とすることが望ましい。

なお、図１に示す例では、ファン１５としてラジアルファンを用いているため、ファン１５を、空間３０の排気口２６１近傍に設置した構成を示したが、ファン１５の設置位置は、必ずしも排気口２６１近傍には限定されない。例えば、ファン１５としてアキシャルファンを用いた場合には、ファン１５を入気口２５１近傍に設置してもよい。

また、図１に示す例では、仕切り部材１４における、空間３０の閉塞端３２側の端部に穿孔した孔部により、連通部１４１を形成した構成を示したが、連通部１４１の形態は、これには限定されない。例えば、仕切り部材１４の端部に切り欠き部を形成し、切り欠き部以外の仕切り部材１４の端部を、閉塞端３２側において固定子フレーム１１に接触させて、仕切り部材を空間３０に設置し、切り欠き部を連通部１４１としてもよい。

また、図２に示す例では、連通部１４１を構成する孔部を、空間３０の閉塞端３２側の仕切り部材１４端部に設けた構成を示したが、連通部１４１の設置位置は、これには限定されない。例えば、仕切り部材１４における、軸方向の中心位置と、閉塞端３２との間の位置に、孔部を形成してもよい。

また、図４にように、軸受け１０やエンコーダ１７のサイズが大きく、軸方向において、軸受け１０やエンコーダ１７が占める長さが、固定子フレーム１１の長さを超えた場合、ファン１５を、軸受け１０やエンコーダ１７と軸方向に重なるように設置しても良い。これにより、外転型回転電機１００の軸方向長さが必要以上に増加することを防ぐことが出来る。

次に、図５及び図６を用いて実施例２に係る外転型回転電機の構成を説明する。実施例２に係る外転型回転電機２００は、ダクト１６の排出口１６１近傍の位置に、固定子フレーム１１の外周に接触させて、冷却フィン１８を設けている。なお、実施例２に係る外転型回転電機２００は、上記した点以外は実施例１に係る外転型回転電機１００と同様の構成であるため、共通する部分の説明は省略する。

実施例２に係る外転型回転電機２００は、冷却フィン１３と併せて冷却フィン１８により、放熱面積が増大する効果を得ることができる。このため、固定子８から発生する熱を、より効率的に回転電機２００の外部に放出することができる。

冷却フィン１８は、ダクト１６の排出口１６１から排出された冷却風により冷却される。ファン１５として例えばラジアルファンを用いた場合、ファン１５により高速の冷却風が発生するため、排出口１６１から排出される冷却風も、高い風速を保っている。このため、仮に排出口１６１から排出される冷却風が、回転電機２００の損失により温度上昇していても、冷却フィン１８の冷却効果を得ることができる。

なお、一般に、回転電機は上部側が高温となり易いため、ダクト１６の排出口１６１及び冷却フィン１８は、外転型回転電機２００の上部に設置することが良い。

次に、図７を用いて、実施例１に係る外転型回転電機を適用した実施例３に係るエレベータ用巻上機の構成を説明する。図７に示すように、エレベータ用巻上機３００は、エレベータ巻上機用ロープ２１を巻きつけるシーブ２２と、回転を機械的に止めるブレーキ２３とが、外転型回転電機１００に取り付けられている。シーブ２２は、外転型回転電機１００により回転駆動されて回転し、エレベータ巻上機用ロープ２１を巻上げる。ブレーキ２３は、外転型回転電機１００により駆動されて、シーブ２２の回転を機械的に止める。

なお、実施例３に係るエレベータ用巻上機３００は、外転型回転電機として、実施例１に係る外転型回転電機１００に代えて、実施例２に係る外転型回転電機２００を適用してもよい。

以上説明した実施例に係るエレベータ用巻上機３００によれば、上記したように、冷却性能の向上により、小型化が可能な外転型回転電機を用いているため、エレベータ用巻上機の軽量化が可能となり、設置にかかるコストを低減することができる。

１００、２００…外転型回転電機、３００…エレベータ用巻上機、２…回転子コア、３…永久磁石、４…回転子、６…固定子コア、７…コイル、８…固定子、９…回転子フレーム、１０…軸受け、１１…固定子フレーム、１２…補助軸受け、１３…冷却フィン、１４…仕切り部材、１４１…連通部、１５…ファン、１６…ダクト、１６１…排出口、１７…エンコーダ、１８…冷却フィン、２１…エレベータ巻上機用ロープ、２２…シーブ、２３…ブレーキ、２４…回転軸、２５…冷却風の入気側空間、２５１…入気口、２６…冷却風の排気側空間、２６１…排気口、３０…空間、３１…開放端、３２…閉塞端

Claims (12)

1. 回転軸に回転子フレームを介して接続され、回転子コアと前記回転子コアの内径側に配置された永久磁石とを有して回転可能に設けられた回転子と、
   前記回転子の内径側に前記永久磁石と所定の空隙を介して対向配置された固定子コアと、前記固定子コアに形成された複数個のスロット内に配置されたコイルとを有する固定子と、
   前記固定子を保持し、一端側が外部に向けて開口し他端側が閉塞された空間を、前記固定子の内径側に形成する固定子フレームと、
   前記固定子フレームの前記空間において、前記固定子を外周で保持する前記固定子フレームの内周に設置された冷却フィンと、
   前記固定子フレームの前記空間をその径方向に仕切り、気体を連通させる連通部を有する仕切り部材と、
   前記空間の開口端側の端部において前記仕切り部材と接続し、前記空間内の気体を排出するダクトと、
   前記空間に向けて送風するファンと、を有することを特徴とする外転型回転電機。
2. 前記連通部は、前記空間の閉塞端側の前記仕切り部材端部に設けられていることを特徴
   とする請求項１に記載の外転型回転電機。
3. 前記連通部は、前記仕切り部材に穿孔された孔部であることを特徴とする請求項１に記載の外転型回転電機。
4. 前記ダクトは、前記仕切り部材により仕切られた空間のうち内径側の空間と連通するように前記仕切り部材と接続し、
   前記空間は、前記ダクトの外径側において外部に開口していることを特徴とする請求項１に記載の外転型回転電機。
5. 前記ダクトは、前記外転型回転電機の設置面に対して鉛直上方に向けて開口する排出口を有することを特徴とする請求項１に記載の外転型回転電機。
6. 前記ダクトの排出口の近傍に、前記固定子を外周で保持する前記固定子フレームの内周に接触させて冷却フィンを設けたことを特徴とする請求項５に記載の外転型回転電機。
7. 前記回転子及び前記固定子は、少なくとも前記固定子フレームにより構成される密閉空間内に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の外転型回転電機。
8. 前記ファンは、径方向外側に風を送り出すラジアルファンであることを特徴とする請求項１に記載の外転型回転電機。
9. 前記ファンは、前記ダクトに対して着脱自在に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の外転型回転電機。
10. 前記仕切り部材は、前記ダクトに対して着脱自在に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の外転型回転電機。
11. 前記冷却フィンは、前記固定子フレームに対して着脱自在に設けられていることを特徴
    とする請求項１に記載の外転型回転電機。
12. 巻き上げ用ロープが巻き掛けられるシーブと、
    前記シーブを回転駆動する回転電機と、を有するエレベータ用巻上機であって、
    前記回転電機として、前記請求項１〜１１のいずれか一項に記載の外転型回転電機を備えたことを特徴とするエレベータ用巻上機。

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