JP6694804B2 - 外転型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は外転型回転電機に関するものであり、特に、小型・軽量化が必要となるエレベータ用巻上機を構成するのに好適な回転電機に関するものである。

近年、エレベータ用巻上機の小型化のニーズにより、機構（シーブ、筐体）とブレーキ、回転電機が一体となった構造が主流となっている。

そのため、回転電機においても小型化（高トルク密度化）が求められる。回転電機の高トルク密度化の手段の一つとして、外転型回転電機がある。外転型回転電機は、回転子が、固定子の外周側に配置されており、回転子-固定子間間隙（ギャップ）の半径を大きくでき、また、回転子が外側にあるため１極分の周長が長くなり大きな磁石を配置できるという特徴があり、内転型回転電機に対し、高トルク密度化が可能となる。

しかし、回転電機の主な発熱源であるコイルが内径側に位置するため、コイルの配置スペースが小さくなることで放熱面積も小さくなり、回転電機の機内温度が高くなる。よって、小型・軽量の回転電機のためには、外転型回転電機の冷却性能向上が必要となる。

外転型回転電機の冷却性能向上策として、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、固定軸に軸受を介し回転自在に取り付けられた綱車と、この綱車と一体になって回転する回転子と、この回転子の内側に回転子と対向して設けられた固定子巻線および固定子鉄心からなる固定子とを備えたアウタロータ型の巻上機において、固定子の内周側に固定子で発生する熱を伝導して放熱させる複数の放熱フィンを設けて構成している。この構成により、回転子内径側の放熱面積を増加できるため、冷却性能を向上することができる。

特開２００５−１０４６２０号公報

特許文献１では、固定子の内径に放熱フィンを設けているが、固定子の内径側の空間は１方向を除き構造物で囲まれており、空気の循環が困難となる。そのため、放熱フィン周囲の空気温度が高くなり、期待通りのフィン性能が得られない可能性がある。また、特許文献１では、フレームに通風孔を開け、他励のファンを用いることで、フィンに風を当てる構造も記載してある。しかし、フレームに穴を開けると強度の低下やモータ内に粉塵や埃などのごみが入る可能性がある。さらに、他励のファンを用いるためには電源を用意する必要があり、構成が複雑化する。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、簡単な構成で、外転型回転電機の冷却性能を向上でき、軽量化や省スペース化が可能となる外転型回転電機またはエレベータ用巻上機を提供することにある。

本発明の一側面は、回転中心軸を中心に回転する回転軸と、回転軸に接続された回転子フレームと、回転子フレームに接続されて、回転中心軸を中心に回転する回転子と、回転子の内径側に、回転子と所定の空隙を介して配置される固定子と、固定子に接続された固定子フレームと、固定子フレームに接続され、固定子フレームの内径側に設けられた放熱フィンと、回転軸に接続され、放熱フィンの内径側に設けられた冷却ファンと、を備える外転型回転電機である。

上記課題を解決するための、本発明の他の一側面は、回転軸と、回転軸と回転子フレームを介して接続され、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により形成される回転子と、回転子の内径側に所定の空隙を介して配置される固定子コアに設けられた複数個のスロット内にコイルが施された固定子と、固定子に接続された固定子フレームとを備え、回転軸と固定子フレームが軸受けを介して接続された外転型回転電機であって、固定子フレームの内径にフィンを設け、フィンの内径側かつ固定子フレームの軸方向内側に回転軸と直結するファンを設けたことを特徴とする。

冷却性能を向上することで、小型・軽量な外転型回転電機、またはエレベータ用巻上機を提供することが可能となる。

本発明の外転型回転電機の実施例１に関するものであり、外転型回転電機の概要を示す軸方向断面図である。 冷却ファンと放熱フィンの例を示す斜視断面図である。 本発明の実施例２に関し、外転型回転電機の軸方向断面図である。 本発明の実施例３に関し、固定子フレーム、フィンの径方向模式図である。 本発明の実施例４に関し、固定子フレーム、フィンの径方向模式図である。 本発明の実施例４に関し、固定子フレーム、フィンの径方向模式図である。 本発明の実施例４に関し、固定子フレーム、フィンの径方向模式図である。 本発明の一実施例である外転型回転電機を採用したエレベータ用巻上機の軸方向断面図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の外転型回転電機及びエレベータ用巻上機を説明する。以下、各実施例では外転型回転電機の冷却性能を向上する構造に関する内容について説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同一符号を用いて説明し、重複する説明を省略することがある。また、基本的な構成が同一であるが、一部に変更を加えた構成部品は、同一符号に添え字を付して相違点のみ説明することがある。また、基本的な構成に着目して説明する場合には、添え字を省略して説明することがある。下記はあくまでも実施例であって本発明の実施態様が下記具体的態様に限定されることを意図する趣旨ではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

図１に、本発明の外転型回転電機の実施例１の軸方向断面図を示す。なお、図１は断面図ではあるが、構成の理解を容易にするために、回転する構成部品に黒点を施し、回転しない（固定の）構成部品を白抜きで示している。

本実施例の外転型回転電機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６とコイル７により構成された固定子８と、回転中心軸１００を中心に回転する回転軸２４と、回転子４と回転軸２４とを接続する回転子フレーム９と、固定子８と回転軸２４を軸受け１０を介して接続し、回転子４と固定子８とを覆うように構成される固定子フレーム１１とを備える。

図１から明らかなように、本実施例では回転子４は回転中心軸１００を中心に回転する。本明細書では便宜上、回転中心軸１００の方向を「軸方向」といいい、軸方向に垂直の方向を「半径方向」、あるいは「径方向」ということにする。また、半径方向において、回転中心軸１００に近づく方向を「内径側」あるいは「内側」と、遠ざかる方向を「外径側」あるいは「外側」という。

ここで、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。これにより、コイル７の軸方向短部の長さが短くなり、外転型回転電機１の軸方向長さが短くなり、小型化が可能となる。また、軸受け１０は、固定子８の軸方向中心に対して変位した位置に配置され、固定子フレーム１１の内径側に空間を設けるように構成される。また、図１には、軸受け１０の他に、回転軸２４を支える補助軸受け１２を用いているが、補助軸受け１２は無くてもよい。あるいは、補助軸受け１２を軸受け１０より固定子８の軸方向中心側に配置しても良い。これらの構成部品の大きさや材質は、例えば特許文献１に記載される従来技術を踏襲してよい。例えば、回転子フレーム９や固定子フレーム１１は、鋳鉄で構成される。

本実施例では、固定子フレーム１１の内径に放熱フィン１３を設けて、さらにその内径側に、回転軸２４にファン中心軸２５で直結した冷却ファン１４を設けている。放熱フィン１３は、例えば板状の構造を有し、板の面は固定子フレーム１１の内壁に垂直に配置され、回転軸２４の長軸方向（すなわち軸方向）に板の長辺を有する。放熱フィン１３により、固定子フレーム１１の内径の表面積が増えるため、コイル７や固定子コア６などで発生した熱量を効率的に外転型回転電機１の外部に放出でき、冷却性能を向上できる。

さらに、放熱フィン１３の内径側に冷却ファン１４を配置したことにより、回転軸２４の回転に伴い、冷却ファン１４が空気を攪拌し、冷却風１５のように空気の流れができ、空気を循環させることができる。このため、放熱フィン１３の周囲の空気温度を低減でき、放熱フィン１３の放熱効率を向上できる。冷却ファン１４は、例えば板状の構造を有し、板の面は回転中心軸１００に対して放射状に配置され、回転軸２４の長軸方向（すなわち軸方向）に板の長辺を有する。図１に示すように、冷却ファン１４は回転子４とともに回転軸２４に固定されており、回転中心軸１００を中心に回転するために、冷却ファン１４のための専用の動力を必要としない。

ここで、冷却ファン１４は、風を半径方向に放出できるラジアルファンが望ましい。もし、風を軸方向に放出するアキシャルファンとすると、流路を形成するために固定子フレーム１１、または回転子フレーム９、または、その両方に通風孔を設ける必要があり、強度の低下や粉塵や埃等が前記外転型回転電機の内部に入るなどの問題が起こる可能性がある。回転軸２４に垂直方向に空気を放出することにより、放出された空気は固定子フレーム１１の内壁および放熱フィン１３に衝突し、固定子フレーム１１の内壁に沿った方向に移動することにより、効率的に換気が可能となる。また、冷却ファン１４とファン中心軸２５は、回転軸２４から取外せる構造とすることが望ましい。例えば、回転軸２４とファン中心軸２５は、ねじ構造等により結合することができる。これにより、外転型回転電機１を組み立てた後に、冷却ファン１４を取り付けることができるため、製作が容易となり、コスト低減につながる。

図２は、図１の放熱フィン１３と冷却ファン１４を、図１の矢印２００方向から斜めに見た斜視図である。内部構成を示すために、ファン中心軸２５の軸中心で２分割した様子を示している。冷却ファン１４はラジアルファンとして構成され、ファン中心軸２５から放熱フィン１３の方向へ、空気を吹き付ける。

図３は第２の実施例を示す断面図である。実施例１では、放熱フィン１３を回転中心軸１００と略平行に取り付けることとしていた。しかし、図３に示すように、回転軸２４から軸方向に離れるほど半径が大きくなるように、斜めに配置した放熱フィン１３Ａを用いても良い。すなわち、開口３００側に近いほど、放熱フィン１３Ａと回転中心軸１００の距離が大きくなっている。これにより、放熱フィン１３Ａが冷却ファン１４から放出される風の流路ガイドとなるため、風が流れやすくなり、放熱フィン１３Ａの放熱効率を向上することができる。

図３の構成では、放熱フィン１３Ａを取り付ける固定子フレーム１１Ａは、開口３００側の径が大きなテーパー状になっている。このため、ラジアルファンである冷却ファン１４によって、固定子フレーム１１Ａの内壁に吹き付けられた空気の流れは、固定子フレーム１１Ａの開口５００側に導かれ、効率的な換気が可能な構造となっている。

図４に第３の実施例となるフレーム構造を示す。図１の回転中心軸１００を矢印２００側から見た状況に対応する図であり、固定子フレーム１１の一部と放熱フィン１３を示している。

図４に示すように、放熱フィンを固定子フレーム１１Ｂと一体形成した放熱フィン１３Ｂとしてもよい。例えば、放熱フィン１３Ｂは固定子フレーム１１Ｂの一部として、一体で鋳造され、固定子フレーム１１Ｂと放熱フィン１３Ｂは共に鋳鉄で構成される。これにより、固定子フレーム１１Ｂと放熱フィン１３Ｂとの間の熱抵抗が小さくなるため、冷却性能を向上できる。

なお、図４では、放熱フィン１３Ｂを鉛直上向きとし、平行な配置としているが、回転中心に向かう放射状に形成して内径に向かうほどフィン間隔が狭まるように形成しても良く、逆に内径に向かうほどフィン間隔が広がるように形成しても良い。またフィン数を等間隔に９個設けているが、フィン数に規定は無く、不等間隔に設けても良い。また、図４では９個のフィンを１箇所に設けているが、固定子フレーム１１の内周全体に任意の個数設けても良い。

図５に第４の実施例となるとなるフレーム構造を示す。実施例３では、フィンを一体成形した固定子フレーム１１Ｂを用いたが、図５のように、複数個のフィンをまとめたヒートシンク１３Ｃを固定子フレーム１１Ｃに取り付ける構成としても良い。これにより、固定子フレーム１１Ｃの製作が容易となり、コストを低減できる。すなわち、固定子フレーム１１Ｃを鋳造する場合には鋳型の構造が単純になり、製造が容易となる。

図６は他の例であるフレーム構造を示す。図６のように内径に平面を設けた固定子フレーム１１Ｄとしても良い。これにより、一般に市販されているヒートシンク１３Ｄを取り付けられるようになり、よりコスト低減が可能となる。

図７は、フレーム内径に平面を設ける他の方法を示す。図７のように内径に底が平らな溝を設けた回転子フレーム１３Ｅとしても良い。

図４〜図７では、ヒートシンク（フィン）数を１個としているが、図２のように２個以上としてもよく、ヒートシンク同士の間隔は等間隔でも、不等間隔でも良い。また、ヒートシンクを軸方向に複数個配置しても良い。

図５〜図７のように、ヒートシンクや放熱フィン１３を固定子フレーム１１と別体で形成し、接合する実施例では、ヒートシンクや放熱フィン１３を固定子フレーム１１と別の素材で形成することができる。例えば、放熱フィン１３をアルミニウムや銅で構成することができる。また、放熱フィン１３を、一体鋳造では成型が困難な形状にすることもできる。ヒートシンクや放熱フィン１３は、熱伝導を良好にするために固定子フレーム１１に密着させることが望ましい。そのため、接合面は平滑に形成することが望ましい。接合方法としては、例えばねじ止め等により行うことができる。

図８に、本発明の外転型回転電機をエレベータ用巻上機に適応した実施例５を示す。

図８に示すように、図１に示した外転型回転電機１に、エレベータ巻上機用のロープ８０１（図はロープ断面を示している）を巻きつけるシーブ８０２と、回転を機械的に制動するブレーキ８０３が取り付けられる。ブレーキ８０３が備えるブレーキシューは、回転子フレーム９の一部を挟むことにより摩擦力により制動を行うことができる。

このような本実施例によれば、上述した冷却性能を向上させることで小型化した外転型回転電機１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。

１…回転電機、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、２４…回転軸、２５…ファン中心軸、１３…放熱フィン、１４…冷却ファン、１５…冷却風、１００…回転中心軸、８０１…ロープ、８０２…シーブ、８０３…ブレーキ。

Claims (8)

1. 回転中心軸を中心に回転する回転軸と、
   前記回転軸に接続された回転子フレームと、
   前記回転子フレームに接続されて、前記回転中心軸を中心に回転する回転子と、
   前記回転子の内径側に、前記回転子と所定の空隙を介して配置される固定子と、
   前記固定子に接続された固定子フレームと、
   前記固定子フレームに接続され、前記固定子フレームの内径側に設けられた放熱フィンと、
   前記回転軸に接続され、前記放熱フィンの内径側に設けられた、空気を径方向に放出するラジアルファンである冷却ファンと、
   を備え、
   前記固定子フレームは、前記回転中心軸を取り囲む略円筒形状の円筒部材を有し、前記回転軸と軸受けを介して接続しており、
   前記円筒部材は前記固定子フレームにおける前記放熱フィンが設けられる円筒状部分であり、
   かつ、前記円筒部材は前記回転軸と軸方向にずれた配置となっており、
   前記円筒部材の内側に、前記放熱フィンが設けられており、
   前記回転軸には、前記冷却ファンの回転の中心となるファン中心軸が取り付けられており、前記ファン中心軸は前記円筒部材の内径側に配置され、
   前記円筒部材は、前記軸受けに遠い方の一端が開放されて開口を形成し、少なくとも一部において前記開口側の径が大きくなるテーパー構造を持ち、
   前記放熱フィンは、前記テーパー構造の部分に設置され、前記開口に近い側で前記冷却ファンから遠ざかるように配置されていることを特徴とする外転型回転電機。
2. 請求項１に記載の外転型回転電機であって、
   前記固定子フレームと前記放熱フィンが一体形成されていることを特徴とする外転型回転電機。
3. 請求項１に記載の外転型回転電機であって、
   前記放熱フィンを複数個まとめて構成されたヒートシンクが、前記固定子フレームに取り付けられていることを特徴とする外転型回転電機。
4. 請求項３に記載の外転型回転電機であって、
   前記固定子フレームの内径に、前記ヒートシンクを取り付ける平面を設けたことを特徴とする外転型回転電機。
5. 請求項４に記載の外転型回転電機であって、
   前記固定子フレームの内径に、前記平面を底面とする溝を設けたことを特徴とする外転型回転電機。
6. 請求項１に記載の外転型回転電機であって、
   前記回転子フレームに接続されて、前記回転中心軸を中心に回転してロープを巻きつけるシーブを備えることを特徴とする外転型回転電機。
7. 請求項６に記載の外転型回転電機であって、
   前記回転子フレームを制動するブレーキを備えることを特徴とする外転型回転電機。
8. 請求項１に記載の外転型回転電機であって、
   前記回転子は、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、
   前記固定子は、前記回転子の内径側に所定の空隙を介して配置される固定子コアと、前記固定子コアに配置されたコイルとにより形成され、
   前記回転軸と固定子フレームが軸受けを介して接続されたことを特徴とする外転型回転電機。

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