JP5193239B2 - 回転電機及びそれを用いたエレベータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特に固定子で発生する熱を低減させる構成を有する回転電機及びそれを用いたエレベータ装置に関する。

特に、永久磁石回転電機では、固定子コイルで発生する熱によるコイルの絶縁劣化が問題となるが、回転電機の発熱を低減するための方法としては、例えば特許文献１に開示されるように回転電機の発熱を、ファンによって冷却させることが広く行なわれている。

特開２００９−５５３３号公報

回転電機を冷却する手段として、ファンを利用することは、非常に効果的であり、一般に広く実施されている。しかし、空気の流路を確保するためのスペースを設ける必要があるため、空気流路を確保するのが困難な用途の回転電機には採用できない手法である。

典型的な事例として、薄型化が望まれている機械室レスのエレベータ用回転電機には、ファン適用は困難である。また、外転型の回転電機では、固定子コイルが内側に配置されるため、空気の流路確保がさらに困難となる。

そこで、ファンに依存せずにコイルの温度を高くしない方法として、発熱を抑える技術が求められている。つまり、発熱後にファンを用いて冷却するのではなく、発熱量自体を低減する技術が求められている。

以下、典型的な回転電機と、発熱の問題について詳細に説明する。

まず、一般に使用されている永久磁石回転電機の基本構成について、図３の径方向横断面図と、図２の固定子の構成を示す斜視図を用いて説明する。

永久磁石回転電機１は、回転磁界を発生する固定子２と、固定子２との磁気的作用により回転すると共に、固定子２の外周側に空隙を介して回転可能なように、固定子２に対向配置された回転子３とを備えている。図３の構成を外転型の永久磁石回転電機という。

一方、内転型の永久磁石回転電機は、外転型と同様に固定子と回転子を備えているが、固定子と回転子の対向配置が逆になっており、回転子が固定子の内周側に空隙を介して回転可能なように、固定子に対向配置されている。図３では外転型の永久磁石回転電機を示しているが、内転型の永久磁石回転電機でも発熱の問題は同様に理解できる。

固定子２は、固定子側の磁路を構成する固定子鉄心４と、通電により磁束を発生させる固定子巻線５とを備えている。

固定子鉄心４は、円筒状のヨーク部４１（又はコアバック部という）と、ヨーク部４１の外周表面から径方向外側に突出し、かつヨーク部４１の外周面に沿って軸方向に延びた複数の固定子突極４２（又はティース部という）と、固定子突極４２の先端の周方向突起４３とを備えている。この結果、隣接する固定子突極４２間にはスロット４４が構成され、スロット４４の空間を利用して固定子突極４２に巻線５が巻かれる。なお、固定子突極４２はヨーク部４１の外周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。又、固定子鉄心４は、板状の磁性部材を軸方向に打ち抜いて形成した複数の板状の成型部材を軸方向に積層し形成される。

図２は、固定子突極４２に巻線５を巻いたときの構成を立体的に拡大した斜視図である。この図に示すとおり、固定子突極４２には、絶縁部材（図示省略した巻線ボビン）を介して固定子巻線５の対応する相巻線が集中的に巻かれている。この集中巻は、固定子突極４２のコア片の４つの側面に対して巻線導体を複数巻回する巻線方式である。相巻線の２つの直線部を接続するコイルエンド部は、固定子鉄心４の軸方向両端から軸方向外側に突出している。なお、固定子巻線５の各相巻線は、Ｙ字状に結線するスター結線、またはΔ状に結線するデルタ結線方式のどちらを採用してもよい。

図３に示す回転子３は、回転側の磁路を構成する回転子鉄心７と、回転磁極を構成する永久磁石６と、回転軸を構成するシャフト８とを備えている。

回転子鉄心７は、板状の磁性部材を軸方向に打ち抜いて形成した複数の板状の成型部材を軸方向に積層したもの、あるいは鋳鉄であり、シャフト８とは固定子２の軸方向の側面側を介して結合される。永久磁石６は、回転子鉄心７の内周面に沿って軸方向に延び、かつ径方向にＮ極とＳ極の磁極が形成された蒲鉾状のものであり、回転子鉄心７の内周面に沿って周方向に等間隔で配置される。周方向に隣接する永久磁石６の極性は互いに逆極性になっている。永久磁石６には、永久磁石回転電機の小型化、高効率化に寄与する希土類系磁石を用いている。

以上の図２の回転電機において、固定子の回転軸方向の厚さをＬｃ、固定子ティースの周方向の幅をＷｔ、固定子外径をφＤと定義する。

以上が、本発明の適用される一般的な永久磁石回転電機１の主な構成である。次に、本発明において課題とする発熱について検討すると、発熱の要因は巻線の銅損（電気抵抗）と、固定子鉄損（ヒステリシス損＋渦電流）に起因している。

このうち鉄損を求めることは、磁場解析が複雑なこともあり、鉄損抑制については電磁鋼板の積層構造に委ね、従来は主に銅損による発熱抑制を対策してきた。銅損は、固定子ティースの周方向の幅Ｗｔをできるだけ小さく（固定子側の極数を増やす）することで低減出来る。つまり、固定子巻線の占有面積をできるだけ確保し、巻線径をできるだけ大きくして巻線抵抗ひいては銅損を小さくしていた。この結果、固定子の回転軸方向の厚さＬｃに対する固定子ティースの周方向の幅Ｗｔの比率（Ｗｔ/Ｌｃ）は、０．２５以下、具体的には０．２強程度とされていた。

これに対し、薄型化が望まれている機械室レスのエレベータ用回転電機の観点から、鉄損を検討してみると、まず、薄型とは固定子の回転軸方向の厚さＬｃに対する固定子外径をφＤの比率（φＤ/Ｌｃ）に関与し、通常は８乃至１５の範囲である。このときの回転電機の容量を４０数キロワット、回転数１００ｒｐｍ、極数６０とすると、回転電機の基本周波数は、極数/２＊回転数となり、基本周波数が大きくなるほど鉄損（ヒステリシス損＋渦電流損）が大きくなるという関係にある。

薄型エレベータにおける上記の銅損（電気抵抗）と、固定子鉄損（ヒステリシス損＋渦電流）の関係からは、銅損対策として固定子ティースの周方向の幅Ｗｔをできるだけ小さく（固定子側の極数を増やす）するほど、回転電機の基本周波数が大きくなり鉄損（ヒステリシス損＋渦電流損）が増えるという互いに矛盾した関係にあることがわかる。このことは、特に薄型エレベータでは、銅損対策を行なうのみでは対応ができず、鉄損の観点からも発熱抑制を検討すべき必要性に迫られていることを意味する。

以上のことから、本発明においては発熱量自体を低減することができる構造の回転電機及びそれを用いたエレベータ装置を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、固定子鉄心と該固定子鉄心に巻回されＦ種絶縁された固定子巻線をもつ固定子と、永久磁石をもつ回転子で構成される回転電機において、
固定子鉄心を構成する磁性部材の寸法が、固定子の回転軸方向の厚さをＬｃ、固定子ティースの周方向の幅をＷｔとしたとき
０．２５≦Ｗｔ／Ｌｃ≦１．０となる構造を有する。

また、固定子外径をφＤとし、固定子の回転軸方向の厚さをＬｃとした場合、
８≦φＤ／Ｌｃ≦１５とするのがよい。

また、回転子が固定子より外径側に配置するのがよい。

また、永久磁石の極数が１８極乃至６０極であるのがよい。

更に本発明においては、固定子鉄心と該固定子鉄心に巻回されＦ種絶縁された固定子巻線をもつ固定子と、永久磁石をもつ回転子で構成される回転電機を使用するエレベータ装置において、
固定子鉄心を構成する磁性部材の寸法が、固定子の回転軸方向の厚さをＬｃ、固定子ティースの周方向の幅をＷｔとしたとき
０．２５≦Ｗｔ／Ｌｃ≦１．０
となる構造を有する。

また、固定子外径をφＤとし、固定子の回転軸方向の厚さをＬｃとした場合、
８≦φＤ／Ｌｃ≦１５とするのがよい。

また、回転子が固定子より外径側に配置するのがよい。

また、永久磁石の極数が１８極乃至６０極であるのがよい。

本発明によれば、温度の上昇を抑えることができ、モータの小型化および安価なコイル線材の適用によるコスト低減を実現した永久磁石回転電機を提供できる。

本発明の根拠となる温度上昇値特性を示す図 固定子の構成を示す斜視図。 永久磁石回転電機の構成を示す径方向横断面図。 永久磁石回転電機の構成を示す横断面図。 エレベータの巻上機の構成を示す縦断面図。

本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。

本発明においては、特に薄型エレベータでは、銅損対策を行なうのみでは対応ができず、鉄損の観点からも発熱抑制を検討すべき必要性に迫られていることから、発熱を総合的に検討した。この結果が図１のグラフに表示されている。

図１は、横軸に銅損に関与する指標である、固定子の回転軸方向の厚さＬｃに対する固定子ティースの周方向の幅Ｗｔの比率（Ｗｔ/Ｌｃ）を用いている。ちなみに、従来は銅損を低減させるには０．２強以下とするのが良策であった。図１の縦軸には、温度上昇値を、Ｆ種絶縁（１５５度）を単位として表示している。つまり、直線ＡがＦ種絶縁の許容温度１５５度を意味しており、この温度以下であればＦ種絶縁で対応可能である。本グラフは雰囲気温度２０℃で最大トルクが発生した条件で計算したものである。また、１８極以上の多極型 および ８≦φＤ／Ｌｃ≦１５ のモータで計算している。

このグラフ上には、複数の曲線が表示されているが、これらは薄型に関与する指標である、固定子の回転軸方向の厚さＬｃに対する固定子外径をφＤの比率（φＤ/Ｌｃ）と、鉄損に影響する極数をパラメータとしている。これらグラフは、ある範囲を境にしてその両側で温度上昇が高くなるという傾向を示している。なお、各曲線のパラメータは以下の通りである。
Ｂ：φＤ/Ｌｃ＝１５ 極数＝１８
Ｃ：φＤ/Ｌｃ＝１５ 極数＝６０
Ｄ：φＤ/Ｌｃ＝８ 極数＝１８
Ｅ：φＤ/Ｌｃ＝８ 極数＝６０
ここでは、固定子鉄心による銅損・鉄損による温度上昇を計算した。計算条件として、永久磁石数とティースの数の比率を一定にした。また、どの条件も同程度のトルクが出力されるとし、それに伴い固定子コイルに供給するアンペアターンも一定とした。

この結果、０．２５≦Ｗｔ／Ｌｃ≦１．０の範囲であれば、温度上昇を低く抑えられることが分かるが、この理由を以下に述べる。アスペクト比 Ｗｔ／Ｌｃが小さくなると、極数が増加し、それに伴い鉄損が増大する。また、アスペクト比Ｗｔ／Ｌｃが大きくなると、１つあたりのコイルに供給するアンペアターンが増大するため、銅損が増大する。しかし、適当なアスペクト比 Ｗｔ／Ｌｃで設計した場合、鉄損＋銅損を最小に抑えることができるため、温度上昇値を抑えることが可能になることが判明した。

これらの知見に基づき、本発明においては、固定子鉄心を構成する磁性部材の寸法のうち、固定子の回転軸方向の厚さをＬｃ、固定子ティースの周方向の幅をＷｔとしたとき
０．２５≦Ｗｔ/Ｌｃ≦１．０
となる構造を特徴とする固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線をもつ固定子と永久磁石をもつ回転子で構成される永久磁石回転電機としたものである。

次に、上記の本発明を、図１の永久磁石回転電機の構成で、かつコイルを外径側と内径側に分けて巻回した場合について図４を用いて説明する。

図４にこのときの永久磁石回転電機の構成を示す横断面図を示す。回転子３の永久磁石６の数および固定子２のスロット４４の数の組み合わせが、２０対１２となっている場合の実施例である。この組み合わせ構成によれば、コイルを３相で構成した場合は、図に示すとおり、U相、−V相、W相、−U相、V相、−W相、U相、−V相、W相、−U相、V相、−W相と並ぶ相構成となる。

本実施例では、スロット４４の上層部５ａおよび下層部５ｂに分けて巻線導体を複数巻回する。例えば上層部の巻線を固定子突極４２ａに巻き、下層部の巻線を固定子突極４２ｂに巻くというように、上層部と下層部で巻線を巻く固定子突極４２が異なる。これにより、永久磁石回転電機１の固定子鉄心４において、固定子突極４２が長い場合、それによりスロット４４の底へのコイルの押入が困難となる問題に対し、コイルの押入が容易になり、巻線の占積率を向上できる。

又、永久磁石６の形状として、矩形磁石を用いると、トルク脈動は上昇するが、磁石の加工が容易となり、コスト低下に寄与する。

以上説明した本本発明の永久磁石回転電機１をエレベータの巻上機に適用した場合の巻上機９の構成について、図５を用いて説明する。

図５は永久磁石回転電機１とシーブ１０が一体となった巻上機９である。巻上機９は、動力を生み出す永久磁石回転電機１と、永久磁石回転電機１が生み出す動力をロープに伝えるシーブ１０と、回転子３に制動力を与えるブレーキ１１と、シャフト８を支えるベアリング１３と、これらを支えるハウジング１２を備えている。

本発明の永久磁石回転電機１を適用することで、熱の発生を抑えた構成が可能となり、エレベータ機構の高効率化に寄与する。

本発明によれば、発熱を低減できるので空気流路の確保が困難な回転電機に適用すると好適であり、特にエレベータ用の巻上機での利用拡大が期待できる。

１ 永久磁石回転電機
２ 固定子
３ 回転子
４ 固定子鉄心
５ 固定子巻線
５ａ 上層コイル
５ｂ 下層コイル
６ 永久磁石
７ 回転子鉄心
８ シャフト
９ 巻上機
１０ シーブ
１１ ブレーキ
１２ ハウジング
１３ ベアリング
４１ ヨーク（コアバック）
４２、４２ａ、４２ｂ 固定子突極（ティース）
４４ 固定子スロット

Claims (6)

1. 固定子鉄心と該固定子鉄心に巻回されＦ種絶縁された固定子巻線をもつ固定子と、永久
   磁石をもつ回転子で構成される回転電機を使用するエレベータ装置において、
   永久磁石数：スロット数＝２０：１２とするとともに、
   固定子鉄心を構成する磁性部材の寸法が、固定子の回転軸方向の厚さをＬｃ、固定子ティ
   ースの周方向の幅をＷｔとしたとき
   ０．２５≦Ｗｔ／Ｌｃ≦１．０
   となる構造を有することを特徴とするエレベータ装置。
2. 前記固定子外径をφＤとし、固定子の回転軸方向の厚さをＬｃとした場合、
   ８≦φＤ／Ｌｃ≦１５
   かつ、回転電機の容量が４０数キロワットであることを特徴とする請求項１に記載のエレベータ装置。
3. 前記回転子が前記固定子より外径側に配置することを特徴とする請求項１に記載のエレ
   ベータ装置。
4. 前記永久磁石の極数が１８極乃至６０極であることを特徴とする請求項１に記載のエレ
   ベータ装置。
5. 前記回転子が前記固定子より外径側に配置することを特徴とする請求項２に記載のエレ
   ベータ装置。
6. 前記永久磁石の極数が１８極乃至６０極であることを特徴とする請求項２に記載のエレ
   ベータ装置。

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