JP7027187B2

JP7027187B2 - 外転型永久磁石回転電機

Info

Publication number: JP7027187B2
Application number: JP2018017962A
Authority: JP
Inventors: 雅寛堀; 努三好
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2038-02-05
Also published as: CN110120730A; CN110120730B; JP2019135890A

Description

本発明は、外転型回転電機に関するものであり、特に、外移転型永久磁石回転電機に関するものである。

外転型永久磁石回転電機は、コイルを取り付けた固定子の外周側に、永久磁石を取り付けた回転子を配置した構成である。外転型永久磁石回転電機は、内転型永久磁石回転電機に比べ、回転子－固定子間間隙（ギャップ）の半径が大きくなり、回転子が外側にあるため１極分の周長が長くなることから、ギャップから見て面積の大きな磁石を配置できるという特徴がある。これにより、高出力化でき、回転電機の小型化が可能となる。

しかしながら、ギャップに面して磁石を配置した表面磁石型は、磁石がギャップ近傍にあるため、ギャップの高調波磁束の影響を受けやすく、磁石の渦電流損が増加する課題がある。磁石の渦電流損により磁石温度が増加すると、磁石が熱減磁し、回転電機の性能が低下する可能性がある。

磁石の渦電流損低減に関して、例えば、特許文献１に記載された技術がある。特許文献１では、空隙を隔てて、固定子の内周側に配置した回転子の鉄心に、各磁極に対応する複数の永久磁石を周方向に配置した永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石を、磁気特性が異なる複数の同一形状になる磁石素片の集合体で構成したことを特徴としている。この構成により、磁石を分割することで、磁石の渦電流損を低減することができる。

特開２０１４－３３５８２号公報

特許文献１では、磁石を細分化しているため、磁石挿入や磁石接着の作業が増加するため、コストが増加する可能性がある。そこで、永久磁石を分割して配置するといった永久磁石の構成を変更することなく、コストを抑えることが望まれる。

本発明の目的は、コストを抑えて磁石に発生する損失を低減する外転型永久磁石回転電機を提供することにある。

本発明の好ましい一例は、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により形成される回転子と、前記回転子の内径側に間隙を介して配置される固定子コアと、前記固定子コアに設けられた複数個のスロット内に配置されたコイルとより形成される固定子とを有する外転型永久磁石回転電機であって、前記回転子コアは、前記永久磁石が配置された位置に空隙を有する外転型永久磁石回転電機である。

本発明によれば、コストを抑えて磁石に発生する損失を低減する外転型永久磁石回転電機を得ることができる。

実施例１の外転型永久磁石回転電機の径方向の構成を示す図である。実施例１の溝付近を拡大した径方向の構成を示す図である。実施例１の高調波磁束の流れの模擬図である。実施例１の溝による効果を示した図である。実施例１の半円形状溝付近を拡大した径方向の構成を示す図である。実施例１の三角溝付近を拡大した径方向の構成を示す図である。実施例１の溝の幅に対する損失を示した図である。実施例２の空隙付近を拡大した径方向の構成を示す図である。実施例２の空隙の位置に対する損失を示した図である。実施例３の外転型永久磁石回転電機を採用したエレベータ用巻上機の軸方向の構成を示す図である。

以下、図面に基づいて、外転型永久磁石回転電機の実施例を説明する。

図１に、転型永久磁石回転電機の実施例１を示す。図１は、永久磁石回転電機の径方向（回転子の直径を示す方向）の構成を示す図である。本実施例の外転型永久磁石回転電機１は、回転軸（図示せず）を中心に円環状に形成された回転子コア２と永久磁石３により構成された回転子４と、回転子４の内径側に所定の間隙を設けて配置され、固定子コア５とコイル６により構成された、円環状に形成された固定子７を備える。ここで、永久磁石３は、回転子コア２の表面に配置される表面磁石型とすることが望ましい。また、内径側とは、回転子などの直径上にあり回転子の回転軸方向への向きをいい、その反対方向を外径側と呼ぶ。

これにより、永久磁石３を回転子コア２の表面に配置することにより回転子内で磁石磁束が短絡する漏れ磁束を低減でき、有効磁束が増加するため、高出力化できる。また、コイル６は、集中巻により固定子コア５に取り付けられることが望ましい。これにより、コイル６の軸方向短部の長さが短くなり、外転型永久磁石回転電機１の軸方向長さが短くなり、小型化できる。

さらに、固定子コア５のコイル６が配置される部分（スロット8）はオープンスロットとすることが望ましい。これにより、コイル６の挿入が容易となり、組み立て性が向上する。さらに、固定子コア５の間隙付近（ティース先端）は、固定子７から回転子４の方向に突き出た形状である。ティース先端は、固定子コア５の半径より小さな曲率半径を持たせることが望ましい。これにより、周方向（回転子コア２または固定子コア５の円周方向を示す）の磁気抵抗の変化率が低減でき、トルク脈動が低減できる。

ここで、回転子コア２の永久磁石３の幅方向（回転子コア２内側の周方向）中央に対応する位置に、永久磁石３の方に開口部を有する開空間部としての溝９を設けている。図２に、空隙の一例としての溝９の付近の拡大図を示す。図３を用いて溝９による効果を説明する。図３の矢印は、磁束の高調波成分を示している。通常は、固定子７から永久磁石３に対し、垂直に磁束の高調波成分が鎖交するが、溝９を設けることで、溝９が磁気抵抗となり、溝９に対して左右に分かれて磁石に磁束の高調波成分が鎖交する。

これにより、磁束の高調波の磁石幅方向（回転子コア２の周方向）の成分がキャンセルされ、永久磁石３に鎖交する高調波成分が低減し、渦電流を低減できる。さらに、溝９が磁気抵抗となるため、インダクタンスが低下することで、駆動時のモータ電源電圧を低減できる。通常、永久磁石回転電機は、インバータにより駆動するため、駆動時の電圧に上限があり、設計制約となる。

そのため、駆動時のモータ電源電圧を低減することで、設計自由度が増加し、モータを高性能化できる可能性がある。加えて、溝９により、回転子４と固定子７との間の間隙の周方向の磁気抵抗の変化率が低減でき、トルク脈動を低減できる。

次に、溝９の形状を比較する。図４に、溝形状として、台形、長方形、逆台形とした場合における回転電機の損失合計（銅損＋鉄損＋磁石渦電流損）と駆動時の電圧の比較を示す。図４から、溝９は、台形とした場合が、最も損失低減効果と電圧低減効果が大きくなる。よって、溝９は、台形形状とすることが望ましい。また、台形形状に近い、図５の半円形状の溝１０や、図６の三角形状の溝１１でも有効な効果が得られる。

続いて、溝９の大きさを比較する。図７に永久磁石３と溝９の幅の割合に対する損失合計を示す。図７から、溝幅/磁石幅=0.25[p.u.]付近で最も損失合計が小さくなる。また、溝幅/磁石幅＞0.40[p.u.]となると、溝９がない場合より、損失合計が明らかに大きくなる。よって、溝幅/磁石幅≦0.40[p.u.]とすることが望ましい。さらに、溝幅/磁石幅は、0.10[p.u]以上とすることが望ましい。

なお、図１は、40極48スロットの外転型永久磁石回転電機を示したが、この形状に限定するものではなく、他のスロットコンビネーションでも同様の効果を得られる。また、外転型回転電機が両回転する場合には、溝形状は、中心軸に対し対称であることが望ましい。

図８に、実施例２の外転型永久磁石回転電機１を示す。実施例１では、回転子コア２に溝９を設けたが、図８ように、永久磁石３の付近に空隙の一例として、回転子コア２内に閉じた空間部１２を設けた形状としてもよい。溝９を設けた場合、回転子コア２と永久磁石３と接触面積が低下するため、永久磁石３の固定が困難になる可能性がある。

また、溝９により、永久磁石３のパーミアンスが低下し、磁石の減磁耐力が低下する可能性がある。閉じた空間部１２を設けた場合は、これら固定の強さやパーミアンスについての問題は少なくなる。しかし、溝９に比べ、閉じた空間部１２の方が、製作が困難になる可能性がある。しかし、鋼板である回転子コア２を、打ち抜きにより成型する場合では、問題にならない。打ち抜いた回転子コア２を複数重ねて回転子コア２を作成する。

閉じた空間部１２の位置を比較する。図９に、空隙位置に対する損失合計を示す。空隙位置は、永久磁石３の回転子コア２側の面から閉じた空間部１２の内径側の面までの距離をいう。図９から、空隙位置1.0[mm]～1.5[mm]付近にて損失が最も小さくなる。また、空隙位置が、3.0[mm]より大きくなると空隙が無い場合より損失合計が大きくなる可能性がある。よって、空隙位置は3.0[mm]以下とすることが望ましい。なお、閉じた空間部１２の形状や大きさ等は、溝９と同様とすることが望ましい。さらに、空隙には空気が充填されている必要はなく、樹脂等の非磁性体でもよい。また、溝の形状のように、閉じた空間部１２の形状を、台形、長方形、逆台形、半円形としてもよい。

図１０は、外転型回転電機をエレベータ用巻上機に、実施例の外転型永久磁石回転電機を適用した実施例３の構成例を示す。なお、図１０は、軸方向断面の1/2分のみ記載しており、回転部にはハッチングしている。図１０の下部に示した回転軸１６と回転子コア２と永久磁石３とは接続されており、回転軸が回転することで、回転子コア２と永久磁石３から構成された回転子４が固定子７に対して所定の間隙を隔てて回転する。図１０では溝９などの空隙は、省略した。

図１０に示すように、エレベータ用巻上機は、外転型永久磁石回転電機１にエレベータ用巻上機のロープ１３を巻きつけるシーブ１４と、回転を機械的にとめるブレーキ１５が取り付けられ、かごに繋がるロープを巻き上げる。

このような本実施例によれば、上述した損失低下により冷却性能を向上させることで小型化した外転型永久磁石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。また、外転型永久磁石回転電機のトルク脈動を低減しているため、エレベータの乗り心地を改善できる。

１…外転型永久磁石回転電機、２…回転子コア、３…永久磁石、４…回転子、５…固定子コア、６…コイル、７…固定子、８…スロット、９…溝、１２…閉じた空間部、１３…ロープ、１４…シーブ、１５…ブレーキ。

Claims

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により形成される回転子と、
前記回転子の内径側に間隙を介して配置される固定子コアと、前記固定子コアに設けられた複数個のスロット内に配置されたコイルとより形成される固定子とを有する外転型永久磁石回転電機であって、
前記回転子コア内に閉じた空間部を有し、
前記永久磁石の前記回転子コア側の面から前記閉じた空間部の内径側の面までの距離である空隙の位置は１．０ｍｍから１．５ｍｍであることを特徴とする外転型永久磁石回転電機。
請求項１に記載の外転型永久磁石回転電機において、前記閉じた空間部は、前記回転子コアの内径側が長辺、外径側が短辺となる略台形であることを特徴とする外転型永久磁石回転電機。
請求項１に記載の外転型永久磁石回転電機において、前記閉じた空間部は、長方形であることを特徴とする外転型永久磁石回転電機。
請求項１に記載の外転型永久磁石回転電機において、前記閉じた空間部が、前記固定子の方向に底辺を備えた半円形状であることを特徴とする外転型永久磁石回転電機。
請求項１に記載の外転型永久磁石回転電機において、前記閉じた空間部が、非磁性体で充填されていることを特徴とする外転型永久磁石回転電機。
請求項１に記載の外転型永久磁石回転電機において、前記永久磁石は、前記回転子コアの前記間隙に面する位置に配置されたことを特徴とする外転型永久磁石回転電機。
請求項１に記載の外転型永久磁石回転電機において、前記回転子は、回転軸と接続し、
前記外転型永久磁石回転電機は、エレベータのかごに繋がるロープを、巻きつける回転力を発生させることを特徴とする外転型永久磁石回転電機。