JP2021010284A - 外転型表面磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石破損や磁気抵抗の増加のデメリットを低減するとともに、トルクリプルを低減する外転型表面磁石回転電機を提供することにある。【解決手段】外転型表面磁石回転電機は、回転子コアと、回転子コアの内径側に配置された永久磁石とを有する回転子と、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、固定子コアに取り付けられたコイルとを有する固定子とを有し、回転子コアは、永久磁石を取付けた面の外径側に、１極あたり複数の空隙を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、外転型表面磁石回転電機に関する。

電気・機械エネルギー変換装置である回転電機は、さまざまな機器に内蔵されており、機器の小型化に伴い、回転電機の小型化も求められている。回転電機の小型化の手段の一つとして、外転型永久磁石回転電機が用いられている。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、径方向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。

外転型永久磁石回転電機は、磁石の外周側に回転子鉄芯があるため、遠心力に対する磁石の保持の問題が少ないため、表面磁石型が用いられることが多い。表面磁石型により、回転子コア内の磁束の短絡が少なくなるため、有効磁束を増加でき、高出力化できる。

回転電機の課題の一つとして、トルクリプル低減がある。トルクリプルはトルクの脈動のことである。トルクリプルは駆動装置の振動や騒音の原因となる。

トルクリプルの低減に関しては、特許文献１に記載された技術がある。回転電機のロータは、周方向に所定の間隔で形成された複数の磁石挿入孔を有する略円環状のロータコアと、磁石挿入孔に挿入される永久磁石とを備える。ロータコアは電磁鋼板を多数積層して形成され、ロータコアの磁石挿入孔よりも外周側には、永久磁石によって構成される各磁極部の略ｄ軸上に孔部を備えることを特徴としている。

また、トルクリプルの低減に関しては、特許文献２に記載された技術がある。円筒形状を有する多極着磁した磁石及び該磁石の径方向一方側の面に当接して設けられるバックヨークを有する磁石保持部と、前記磁石の他方側の面に相対向位置する磁界発生部とを具備し、前記磁石保持部及び前記磁界発生部の何れか一方が回転自在に設けられたスピンドルモータにおいて、前記バックヨークは前記磁石と当接する側の面に、前記磁石の隣り合う磁極の境界線に沿って凹部を設けることを特徴としている。

特開2018−137924 特開2001−57752

特許文献１では、磁石に対しギャップ側に空隙を設けることでトルクリプルを低減している。しかし、表面磁石型では、磁石がギャップに面しているため、適応が困難である。

特許文献２では、磁石端部の外形側に溝（非磁性部）を設けることでトルクリプルを低減している。しかし、非磁性部により磁気抵抗が増加するため、磁石端部の磁束を有効に利用できなくなる。また、磁石に何らかの理由で衝撃が加わった場合、磁石を保持する部材が少ないため、磁石が破損する可能性が高くなる。

本発明の目的は、磁石破損や磁気抵抗の増加のデメリットを低減するとともに、トルクリプルを低減する外転型表面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を有する回転子と、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、前記固定子コアに取り付けられたコイルとを有する固定子とを有し、前記回転子コアは、前記永久磁石を取付けた面の外径側に、１極あたり複数の空隙を有する外転型表面磁石回転電機である。

本発明によれば、磁石破損や磁気抵抗の増加のデメリットを低減するとともに、トルクリプルの低減が可能となる。

実施例１における外転型表面磁石回転電機の径方向断面を示す図。 実施例１における空隙を拡大した径方向断面を示す図。 実施例２における空隙を拡大した径方向断面を示す図。 実施例２における空隙数に対するトルクリプルを示した図。 実施例３における空隙を拡大した径方向断面を示す図。 実施例３における空隙位置に対するトルクリプルを示した図。 実施例４における軸方向の断面を示す図。 実施例５におけるエレベータ用巻上機の軸方向の断面を示す図。

以下、図面に基づいて実施例を説明する。

図１に、本発明の外転型表面磁石回転電機の実施例１を示す。図１は、外転型表面磁石回転電機の径方向の断面図である。径方向は、図１の中心から外周方向をいう。本実施例の外転型表面磁石回転電機１は、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。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の軸方向端部の長さが短くなり、外転型表面磁石回転電機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の間隙側付近（ティース先端）の曲率半径は、固定子７の半径より小さな半径を持たせることが望ましい。これにより、周方向の磁気抵抗の変化率が低減でき、トルクリプルが低減できる。

ここで、回転子コア２の永久磁石３を取付けた取付け面の外径側に、空隙９を設けている。図２は、空隙９付近の拡大図を示す。空隙を設けることで、固定子側から見た磁気抵抗の変化が平準化され、磁束に重畳する高調波成分が低減し、トルクリプルを低減できる。図２では、空隙９は磁石当たり２つ配置している。

空隙９が１つの場合、最適なトルクリプル低減を得られる空隙位置にするために空隙が大きくなる可能性がある。空隙９は非磁性部であるため、磁石から見ると磁気抵抗となる。空隙が多くなると磁気抵抗も大きくなるため電気特性が低下する。一方、互いに接触しない空隙が２つ以上形成された場合は、空隙間は磁性体であり磁束が通ることができ、電気特性の低下を少なくできる。

また、凹みや溝ではなく空隙とすることで、磁石の配置部の形状は一定となるため、製造方法を変える必要がなく、また衝撃による磁石破損のリスクも従来通りであるため、簡単に本構造を適用することができる。

なお、図１は40極48スロットの外転型表面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、２つの空隙位置は、図２のように永久磁石３の中心軸に対し対称であることが望ましい。

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。空隙の形状に関して、図２では半円形状としたが、円形や三角形、台形等でも良く、形状を限定するものではない。加えて、空隙の大きさや形状は１つの磁極内で統一する必要はなく、また磁極ごとに空隙の大きさ形状、位置を変えてもよい。また、永久磁石３は、１極あたり１つ以上配置し、隣接する磁極の永久磁石と略一定の空間を持って周方向に配置されるようにしてよい。

実施例１によれば、永久磁石３を取付けた回転子コア２の取付け面の外径側であって回転子コア２内に、空隙９を配置しており、磁石を保持する部材に影響を与えず、磁石が破損する可能性が低減できる。さらに、磁気抵抗の増加のデメリットを低減しつつ、トルクリプルの低減が可能となる。

図３は、実施例２となる外転型表面磁石回転電機を示す図である。実施例１では１極当たりの空隙の数を２つとして検討していたが、空隙の数を２つ以上としてもよい。図４は、空隙数に対する６次トルクリプルを示す。６次トルクリプルは、基本波周波数の６の倍数の脈動である。

なお、前述したように空隙位置によりトルクリプル低減効果は異なる。そのため、最適化手法により同じ基準で空隙位置、大きさを規定した。図４から、空隙数を２から４にすることで、トルクリプルが下がり、トルクリプルの低減効果が大きく増加することがわかる。

しかし、空隙数を４から６としてもトルクリプル低減効果は変化が小さい。空隙を増加すると加工数が増加し、コストが増加する可能性があるため、妄りに増加することは不適切である。よって、空隙数は４とすることが好ましい。

実施例２によれば、１極当たりの空隙数を４とすることにより、トルクリプルを低減する効果を大きくすることができる。

図５は、実施例３の外転型表面磁石回転電機を示す図である。実施例２では６次のトルクリプルの低減効果を検討したが、回転電機の不整によるトルクリプル低減効果を検討する。

10極12スロットの外転型表面磁石回転電機の場合、回転電機の不整により２次、２．４次のトルクリプルが発生する。図５に示すように、永久磁石３の中央部と空隙までの最短距離をW1、永久磁石３の端部と空隙との最短距離をW2とする。

図６にW1＞W2とした場合のトルクリプルと、W1＜W2とした場合のトルクリプルの比較を示す。なお、空隙が複数ある場合は最も大きな空隙を対象とし、同サイズの空隙が複数ある場合は最も磁石中心に近い空隙を対象とする。

図６に示されたように、W1＜W2の場合のほうが回転電機の不整によるトルクリプルを低減する効果が大きいことがわかる。よって、回転電機の不整によるトルクリプルを低減するには、W1＜W2とすることが好ましい。

実施例３によれば、永久磁石と空隙との位置関係を調節することにより、トルクリプルを低減する効果を大きくすることができる。

図７は、実施例４の外転型表面磁石回転電機を示す図である。図７は、軸方向の断面図であり、径方向1/2分記載している。なお、図７におけるハッチング部は回転する構造物であることを示している。回転子４は回転子フレーム１０に配置され、固定子７は固定子フレーム１１に配置される。

回転子フレーム１０はシャフト１２に接続され、軸受け１３を介して固定子フレーム１１と接続される。軸方向は、シャフト１２の長手方向である。ここで、シャフトを保持するため、補助軸受け１４を設けてもよい。

実施例１〜３にて示した空隙にヒートパイプ等の高熱伝導部材１５を配置し、高熱伝導部材１５の回転子４の外部に延伸している。永久磁石は使用温度が制限されており、高温になると不可逆減磁により性能が劣化する。また、永久磁石の温度は一定ではなく軸方向に分布を持つ。

よって、永久磁石の温度の最も高い部分のみが不可逆減磁する可能性があるため、磁石温度は均一であることが望ましい。

そこで、実施例４によれば、空隙に高熱伝導部材１５を設けることで、永久磁石の軸方向の熱抵抗が下がり、磁石温度を均一化させることができる。

また、高熱伝導部材１５の端部にフィン等をつけることで、放熱面積が増加し、さらに回転による周速により熱伝達率が向上し、効果的に磁石温度を低減することが可能となる。

なお、図７ではシャフトが回転する構造を示したが、回転子フレーム１０とシャフト１２の間に軸受けを接続したシャフトが回転しない構造でも同等の効果が得られる。

図８は、実施例４の外転型表面磁石回転電機をエレベータ用巻上機に適応した実施例６を示す図である。なお、図８は、径方向断面の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８に示すように、かごにつながるロープ１６を巻き上げる動力として外転型表面磁石回転電機１を備え、エレベータ巻上機用ロープ１６を巻きつけるシーブ１７と、回転を機械的にとめるブレーキ１８が取り付けられる。

実施例５によれば外転型表面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…外転型表面磁石回転電機、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…空隙、１０…回転子フレーム、１１…固定子フレーム、１２…シャフト、１３…軸受け、１４…補助軸受け、１５…高熱伝導部材、１６…ロープ、１７…シーブ、１８…ブレーキ

Claims (12)

1. 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する回転子と、
   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、前記固定子コアに取り付けられたコイルとを有する固定子とを有し、
   前記回転子コアは、前記永久磁石を取付けた面の外径側に、１極あたり複数の空隙を有することを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
2. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
   前記永久磁石は、１極あたり１つ以上配置され、隣接する磁極の前記永久磁石と略一定の空間を持って周方向に配置されることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
3. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
   前記空隙がそれぞれ接していないことを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
4. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
   １極当たりの前記空隙が前記永久磁石の中心に対して対称に配置されていることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
5. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
   前記空隙に、非磁性体が充填されていることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
6. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
   １極当たりの前記空隙の数が４つであることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
7. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
   前記永久磁石の中央と前記空隙との距離をW1、前記永久磁石の端部と前記空隙との距離をW2とした場合に、W1<W2となることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
8. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
   前記空隙にヒートパイプ等の高熱伝導部材を配置したことを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
9. かごにつながるロープを巻き上げる動力として請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機を備えることを特徴とするエレベータ用巻上機。
10. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
    前記空隙は、半円、円形、もしくは台形の形状を有することを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
11. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
    前記固定子コアの前記間隙側の曲率半径は、前記固定子の半径より小さいことを特徴とする外転型表面磁石回転電機。
12. 請求項１に記載の外転型表面磁石回転電機において、
    前記固定子コアのスロットに前記コイルが配置されたことを特徴とする外転型表面磁石回転電機。

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