JP6506570B2 - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石回転電機に関する。

低速大トルク用永久磁石回転電機には多極の回転電機が使用される。特に外径が大きい多極の回転電機では、固定子鉄心の断面形状が径方向に短くなるため、電磁鋼板の歩留まりが悪くなる。電磁鋼板の歩留まりを改善する手段として、電磁鋼板をスロットピッチの倍数の区間だけ打ち抜いて積層した鉄心を全周に配置し、固定子の組み立て時に連結する方法がある（本方法を以下では分割鉄心方式と記す）。

特開２０１１−８７３６１号公報

多極の回転電機において分割鉄心方式は、固定子のコアバック部分を分断するため、固定子鉄心の剛性が損なわれて強度不足になる場合がある。また、鉄心の連結部には空気層が発生するため、鉄心の連結部付近のティースの磁束量が減少し、三相の磁束量が不平衡になることからトルク脈動の増加につながる。そこで、本発明の課題は固定子鉄心の剛性確保と低トルク脈動の両立である。

前記課題において低トルク脈動を実現する手段として特許文献１が開示されている。特許文献１は固定子の回転周方向の分割で磁束量が減少する影響を三相で均等になる分割数にすることでトルク脈動の増加を回避している。しかし、特許文献１では固定子鉄心の剛性を確保する対策が取られておらず、本課題の解決に至っていない。したがって、特許文献１の手段は固定子鉄心の剛性確保と低トルク脈動を両立させる点で工夫の余地がある。

上記課題を解決するための本発明の特徴は一例として以下の通りである。

フレームと、前記フレームに固定した固定子と、前記固定子の径方向にエアギャップを介して対向する回転子を有し、前記固定子は固定子鉄心とコイルを有し、前記回転子は回転子鉄心とマグネットを有し、前記固定子鉄心は外周側にリング状のコアバックを有し、前記コアバックから内周方向にティースを形成し、前記ティースにはコイルが集中的に巻かれているスロット数がＳの永久磁石回転電機において、
前記固定子鉄心が回転周方向にスロットピッチの３倍以上、Ｓ／２倍以下の区間だけ打ち抜いた電磁鋼板を任意の単位長だけ回転軸方向に積層した積層鉄心により全周を構成し、基本単位が、前記回転子のマグネットとの関係でＵ相のプラスとマイナス、Ｖ相のプラスとマイナス、Ｗ相のプラスとマイナスを組として２組からなり且つ互いの相は同じ極性で隣り合って形成され、前記基本単位を繰り返して前記固定子を形成するものであって、
前記積層鉄心を回転軸方向に積み、１段目の積層鉄心に対して２段目以降の積層鉄心を回転周方向にずらして回転軸方向に連結し、前記固定子鉄心を回転周方向に分割し、前記分割した鉄心が所定の本数のティースを有するものであり、前記分割で生じるティースの磁束量の減少の影響を下記条件を満たすことで三相に分散させる
前記基本単位の繰り返し数をＡ、前記固定子鉄心の回転周方向の分割数をＢ、前記分割した鉄心が有するティースの本数をＣ、前記固定子鉄心の回転軸方向の段数をＤ、前記固定子鉄心の回転軸方向一段当たりの回転周方向にずらす角度をＥ、とし、ｍ＝｛１、２、…｝、ｎ＝｛…、−１、０、１、…｝としたとき、
Ｃ＝１２Ａ／Ｂであり、
Ｃ＝６＋１２（ｍ−１）±２の場合は、
Ｄ＝２、４ Ｅ＝（２／Ｄ）（π／３）ｎ／Ａ
Ｃ＝６＋１２（ｍ−１）±３の場合は、
Ｄ＝３ Ｅ＝（３／Ｄ）（πｎ／２±π／６）／Ａ
ことを特徴とする。

本発明により、固定子鉄心の剛性確保と低トルク脈動を両立した永久磁石回転電機を提供できる。また、固定子鉄心の物性値や寸法のバラツキで発生するトルク脈動を低減し、騒音低減につながる。

上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態における固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図（固定子鉄心回転周方向１６分割） 図１の固定子の展開図 図１の固定子の拡大図 各ティースの磁束のベクトル図 分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向１６分割） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向１６分割、固定子鉄心回転軸方向３段） 図６のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向１６分割、固定子鉄心回転軸方向３段） 本発明の第１実施形態における固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図（固定子鉄心回転周方向１２分割） 分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向１２分割） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向１２分割、固定子鉄心回転軸方向２段） 図１０のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向１２分割、固定子鉄心回転軸方向２段） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向１２分割、固定子鉄心回転軸方向４段） 図１２のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向１２分割、固定子鉄心回転軸方向４段） 本発明の第１実施形態における固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図（固定子鉄心回転周方向８分割） 分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向８分割） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向８分割、固定子鉄心回転軸方向３段） 図１６のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向８分割、固定子鉄心回転軸方向３段） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向８分割、固定子鉄心回転軸方向６段） 図１８のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向８分割、固定子鉄心回転軸方向６段） 本発明の第１実施形態における固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図（固定子鉄心回転周方向６分割） 分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向６分割） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向６分割、固定子鉄心回転軸方向２段） 図２２のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向６分割、固定子鉄心回転軸方向２段） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向６分割、固定子鉄心回転軸方向４段） 図２４のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向６分割、固定子鉄心回転軸方向４段） 本発明の第１実施形態における固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図（固定子鉄心回転周方向４分割） 分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向４分割） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向４分割、固定子鉄心回転軸方向３段） 図２８のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向４分割、固定子鉄心回転軸方向３段） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向４分割、固定子鉄心回転軸方向６段） 図３０のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向４分割、固定子鉄心回転軸方向６段） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向４分割、固定子鉄心回転軸方向１２段、１〜６段目） 分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図（固定子鉄心回転周方向４分割、固定子鉄心回転軸方向１２段、７〜１２段目） 図３２のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向４分割、固定子鉄心回転軸方向１２段） 本発明の第２実施形態における固定子の概略構造を示す展開図 本発明の第３実施形態における固定子構造の鳥瞰図（固定子鉄心回転周方向４分割、固定子鉄心回転軸方向３段２連結） 本発明の永久磁石回転電機を備えたエレベータ装置の構成を示す径方向の断面図

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１〜３３を用いて、本発明による第１の実施形態の永久磁石回転電機の構造について説明する。本実施例では４０極４８スロット（１０極１２スロットの４回繰り返し）の永久磁石回転電機の例を述べる。

図１は本発明の第１実施形態における固定子鉄心を回転周方向に１６分割した固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図である。図２は図１の固定子の展開図である。図３は図１の固定子の拡大図である。図４は各ティースの磁束のベクトル図である。図５は分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図である。図６は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である。図７は図６のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。

図１において、永久磁石回転電機１は固定子２と回転子３を備える。前記固定子２は固定子鉄心２１とコイル２２を備える。前記固定子鉄心は、打ち抜き型等により回転周方向にスロットピッチの３倍の区間だけ打ち抜いた電磁鋼板を回転軸方向に積層してこれを全周に配置して構成する（固定子鉄心は回転周方向に１６分割されたことになる）。また、前記固定子鉄心は、外周部に設けられた固定子の磁路を構成するコアバック２３と、前記コアバックより固定子内周に向かって放射状に所定のスロットピッチ角で延設されるティース２４から構成する。隣り合った一対の前記ティース間と前記コアバックで構成される空間はスロット２５であり、前記コイルを収納する。各ティースには１極に１個のコイルを巻回する。一方、前記回転子３は、前記固定子の径方向にエアギャップ４を介して対向し、回転子鉄心３１と永久磁石３２を備える。前記回転子鉄心は鋳物による一体鉄心または打ち抜き型等により打ち抜いた電磁鋼板を回転軸方向に積層した積層鉄心で構成する。前記永久磁石３２の磁化は、径方向を向き、回転周方向に沿ってＮＳＮＳ・・・と交互になるように回転子の外周面に配置する。前記永久磁石は接着剤等によって前記回転子鉄心の外周面に固着する。

図２に示すように固定子鉄心のコアバック２３には分割による空気層が発生する。このため、分割位置と隣接するティースの磁束量が減少し、三相の磁束量が不平衡になることでトルク脈動が発生する。この影響は固定子鉄心の電磁鋼板をスロットピッチの３倍の区間で打ち抜いた場合にのみ発生し、電磁鋼板をスロットピッチの２倍以下の区間で打ち抜いた場合には分割による影響が全てのティースに一様の作用するため発生しない。

分割による磁束量の不平衡状態を可視化する手段としてベクトル図が有効である。図３に示すように任意のティースから反時計回りに順番に番号を付けていく。各ティースの磁束のベクトルは図４に示すように１２本のベクトルで表わすことができる。ここで、図中の各ベクトルに対応する相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の配置は巻線係数が最大となるようにした。このベクトル図を図１の永久磁石回転電機に適用し、分割位置と隣接するティースの番号に丸印を付ける。その結果、図５に示すようにＵ、Ｗ相の丸の数が８個であるのに対してＶ相が１６個であり、Ｖ相が分割の影響を強く受けている。したがって、磁束量の三相不平衡によりトルク脈動が発生する。

分割によるトルク脈動の発生を回避するには磁束量の三相不平衡を解消すればよい。そのためには固定子鉄心の分割で磁束量が減少する影響を三相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）で均等になるようにすればよい。図５の三相不平衡の場合、図６に示すように図５のベクトルに対して反時計回りに３０度回転させたもの、６０度回転させたものを考え、これらを重ね合わせることで分割による影響をＵ、Ｖ、Ｗ相に均等に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はいずれも３２個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図７に示すように積層鉄心を回転軸方向に３段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらし、３段目の積層鉄心２０３を２段目の積層鉄心２０２に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図７のスロットピッチ角が図５のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、分割によるトルク脈動の発生を回避でき、さらに、固定子コアバックの連結部が固定子全周に分散されるため固定子鉄心の剛性を高めることができる。したがって、固定子鉄心の剛性確保と低トルク脈動の両立が可能となる。上記では、積層鉄心のずらす角度をスロットピッチ角としたが、図５のベクトル図の形から、スロットピッチ角の３倍の倍数以外の角度であれば磁束量の三相不平衡を解消することができる。

図８は本発明の第１実施形態における固定子鉄心を回転周方向に１２分割した固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図である。図９は分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図である。図１０は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である（固定子鉄心回転軸方向２段）。図１１は図１０のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。図１２は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である（固定子鉄心回転軸方向４段）。図１３は図１２のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。

図８において、固定子鉄心２１は、打ち抜き型等により回転周方向にスロットピッチの４倍の区間だけ打ち抜いた電磁鋼板を回転軸方向に積層してこれを全周に配置して構成する（固定子鉄心は回転周方向に１２分割されたことになる）。

ベクトル図を図８の永久磁石回転電機に適用し、分割位置と隣接するティースの番号に丸印を付ける。その結果、図９に示すようにＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はいずれも８個であり磁束量の三相不平衡は生じない。したがって、分割によるトルク脈動は発生しない。この場合、磁束量の三相平衡のロバスト性の観点から分割の影響を受けるティースを全周にさらに分散させることを考える。図９の三相平衡の場合、図１０に示すように図９のベクトルに対して時計回りに６０度回転させたものを考え、これらを重ね合わせることで分割による影響を全周に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はいずれも１６個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図１１に示すように積層鉄心を回転軸方向に２段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角の２倍の角度（３６０／４８×２＝１５度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図１１のスロットピッチ角が図９のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、磁束量の三相平衡のロバスト性を向上でき、さらに、固定子コアバックの連結部が固定子全周に分散されるため固定子鉄心の剛性を高めることができる。

また、図１２に示すように図９のベクトルに対して時計回りに３０度回転させたもの、６０度回転させたもの、９０度回転させたものを考え、これらを重ね合わせることで分割による影響を前記２段の場合と比べてさらに全周に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はいずれも３２個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図１３に示すように積層鉄心を回転軸方向に４段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらし、３段目の積層鉄心２０３を２段目の積層鉄心２０２に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらし、４段目の積層鉄心２０４を３段目の積層鉄心２０３に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図１３のスロットピッチ角が図９のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、前記２段の場合と比べて磁束量の三相平衡のロバスト性をさらに向上でき、固定子鉄心の剛性をさらに高めることができる。

図１４は本発明の第１実施形態における固定子鉄心を回転周方向に８分割した固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図である。図１５は分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図である。図１６は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である（固定子鉄心回転軸方向３段）。図１７は図１６のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。図１８は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である（固定子鉄心回転軸方向６段）。図１９は図１８のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。

図１４において、前記固定子鉄心２１は、打ち抜き型等により回転周方向にスロットピッチの６倍の区間だけ打ち抜いた電磁鋼板を回転軸方向に積層してこれを全周に配置して構成する（固定子鉄心は回転周方向に８分割されたことになる）。

ベクトル図を図１４の永久磁石回転電機に適用し、分割位置と隣接するティースの番号に丸印を付ける。その結果、図１５に示すようにＵ、Ｗ相の丸の数が８個であるのに対してＶ相が０個であり、磁束量の三相不平衡によるトルク脈動が発生する。

図１５の三相不平衡の場合、図１６に示すように図１５のベクトルに対して反時計回りに６０度回転させたもの、１２０度回転させたものを考え、これらを重ね合わせることで分割による影響をＵ、Ｖ、Ｗ相に均等に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はいずれも１６個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図１７に示すように積層鉄心を回転軸方向に３段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角の２倍の角度（３６０／４８×２＝１５度）だけ反時計回りにずらし、３段目の積層鉄心２０３を２段目の積層鉄心２０２に対してスロットピッチ角の２倍の角度（３６０／４８×２＝１５度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図１７のスロットピッチ角が図１５のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、分割によるトルク脈動の発生を回避でき、さらに、固定子コアバックの連結部が固定子全周に分散されるため固定子鉄心の剛性を高めることができる。上記では、積層鉄心のずらす角度をスロットピッチ角の２倍の角度としたが、図１５のベクトル図の形から、スロットピッチ角の６倍の倍数以外の角度であれば磁束量の三相不平衡を解消することができる。

また、図１８に示すように図１５のベクトルに対して反時計回りに３０度回転させたもの、６０度回転させたもの、９０度回転させたもの、１２０度回転させたもの、１５０度回転させたものを考え、これらを重ね合わせることで分割による影響を前記３段の場合と比べてさらに全周に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はともに３２個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図１９に示すように積層鉄心を回転軸方向に６段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらし、３段目の積層鉄心２０３を２段目の積層鉄心２０２に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらし、４段目の積層鉄心２０４を３段目の積層鉄心２０３に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらし、５段目の積層鉄心２０５を４段目の積層鉄心２０４に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらし、６段目の積層鉄心２０６を５段目の積層鉄心２０５に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図１９のスロットピッチ角が図１５のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、前記３段の場合と比べて磁束量の三相平衡のロバスト性をさらに向上でき、固定子鉄心の剛性をさらに高めることができる。上記では、積層鉄心のずらす角度をスロットピッチ角としたが、図１５のベクトル図の形から、スロットピッチ角の３倍の倍数以外の角度であれば磁束量の三相不平衡を解消することができる。

図２０は本発明の第１実施形態における固定子鉄心を回転周方向に６分割した固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図である。図２１は分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図である。図２２は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である（固定子鉄心回転軸方向２段）。図２３は図２２のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。図２４は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である（固定子鉄心回転軸方向４段）。図２５は図２４のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。

図２０において、固定子鉄心２１は、打ち抜き型等により回転周方向にスロットピッチの８倍の区間だけ打ち抜いた電磁鋼板を回転軸方向に積層してこれを全周に配置して構成する（固定子鉄心は回転周方向に６分割されたことになる）。

ベクトル図を図２０の永久磁石回転電機に適用し、分割位置と隣接するティースの番号に丸印を付ける。その結果、図２１に示すようにＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はいずれも４個であり磁束量の三相不平衡は生じない。したがって、分割によるトルク脈動は発生しない。この場合、１２分割時と同様に磁束量の三相平衡のロバスト性の観点から分割の影響を受けるティースを全周にさらに分散させることを考える。図２１の三相平衡の場合、図２２に示すように図２１のベクトルに対して時計回りに６０度回転させたものを考え、これらを重ね合わせることで分割による影響を全周に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はいずれも８個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図２３に示すように積層鉄心を回転軸方向に２段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角の２倍の角度（３６０／４８×２＝１５度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図２３のスロットピッチ角が図２１のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、磁束量の三相平衡のロバスト性を向上でき、さらに、固定子コアバックの連結部が固定子全周に分散されるため固定子鉄心の剛性を高めることができる。また、図２４に示すように図２１のベクトルに対して時計回りに３０度回転させたもの、６０度回転させたもの、９０度回転させたものを考え、これらを重ね合わせることで分割による影響を前記２段の場合と比べてさらに全周に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はいずれも１６個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図２５に示すように積層鉄心を回転軸方向に４段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらし、３段目の積層鉄心２０３を２段目の積層鉄心２０２に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらし、４段目の積層鉄心２０４を３段目の積層鉄心２０３に対してスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図２５のスロットピッチ角が図２１のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、前記２段の場合と比べて磁束量の三相平衡のロバスト性をさらに向上でき、固定子鉄心の剛性をさらに高めることができる。

図２６は本発明の第１実施形態における固定子鉄心を回転周方向に４分割した固定子と回転子の構成を示す回転軸方向の断面図である。図２７は分割の影響を受けるティースの磁束のベクトル図である。図２８は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である（固定子鉄心回転軸方向３段）。図２９は図２８のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。図３０は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である（固定子鉄心回転軸方向６段）。図３１は図３０のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。図３２は分割の影響を三相に分散させたときのティースの磁束のベクトル図である（固定子鉄心回転軸方向１２段）。図３３は図３２のベクトルを発生させる固定子構造の鳥瞰図である。

図２６において、固定子鉄心２１は、打ち抜き型等により回転周方向にスロットピッチの１２倍の区間だけ打ち抜いた電磁鋼板を回転軸方向に積層してこれを全周に配置して構成する（固定子鉄心は回転周方向に４分割されたことになる）。

ベクトル図を図２６の永久磁石回転電機に適用し、分割位置と隣接するティースの番号に丸印を付ける。その結果、図２７に示すようにＵ、Ｗ相の丸の数が４個であるのに対してＶ相が０個であり、磁束量の三相不平衡によるトルク脈動が発生する。

図２７の三相不平衡の場合、図２８に示すように図２７のベクトルに対して反時計回りに１２０度回転させたもの、２４０度回転させたものを考え、これらを重ね合わせることで分割による影響をＵ、Ｖ、Ｗ相に均等に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はいずれも８個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図２９に示すように積層鉄心を回転軸方向に３段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角の４倍の角度（３６０／４８×４＝３０度）だけ反時計回りにずらし、３段目の積層鉄心２０３を２段目の積層鉄心２０２に対してスロットピッチ角の４倍の角度（３６０／４８×４＝３０度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図２９のスロットピッチ角が図２７のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、分割によるトルク脈動の発生を回避でき、さらに、固定子コアバックの連結部が固定子全周に分散されるため固定子鉄心の剛性を高めることができる。上記では、積層鉄心のずらす角度をスロットピッチ角の４倍の角度としたが、図２７のベクトル図の形から、スロットピッチ角の４倍の倍数で且つ１２倍の倍数以外の角度であれば磁束量の三相不平衡を解消することができる。

また、図３０に示すように図２７のベクトルに対して反時計回りに６０度回転させたもの、１２０度回転させたもの、１８０度回転させたもの、２４０度回転させたもの、３００度回転させたものを考え、これらを重ね合わせることで分割により磁束量が低下する影響を前記３段の場合と比べてさらに全周に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はともに１６個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図３１に示すように積層鉄心を回転軸方向に６段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角の２倍の角度（３６０／４８×２＝１５度）だけ反時計回りにずらし、３段目の積層鉄心２０３を２段目の積層鉄心２０２に対してスロットピッチ角の２倍の角度（３６０／４８×２＝１５度）だけ反時計回りにずらし、４段目の積層鉄心２０４を３段目の積層鉄心２０３に対してスロットピッチ角の２倍の角度（３６０／４８×２＝１５度）だけ反時計回りにずらし、５段目の積層鉄心２０５を４段目の積層鉄心２０４に対してスロットピッチ角の２倍の角度（３６０／４８×２＝１５度）だけ反時計回りにずらし、６段目の積層鉄心２０６を５段目の積層鉄心２０５に対してスロットピッチ角の２倍の角度（３６０／４８×２＝１５度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図３１のスロットピッチ角が図２７のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、前記３段の場合と比べて磁束量の三相平衡のロバスト性をさらに向上でき、固定子鉄心の剛性をさらに高めることができる。上記では、積層鉄心のずらす角度をスロットピッチ角の２倍の角度としたが、図２７のベクトル図の形から、スロットピッチ角の２倍の倍数で且つ６倍の倍数以外の角度であれば磁束量の三相不平衡を解消することができる。また、図３２に示すように図２７のベクトルに加えて１１パターンのベクトルを考え、これらを重ね合わせることで分割による影響を前記６段の場合と比べてさらに全周に分散できる（分散後のＵ、Ｖ、Ｗ相の丸の数はともに３２個）。このようなベクトルを発生させる固定子構造は、図３３に示すように積層鉄心を回転軸方向に１２段積み、各段の積層鉄心を１段当たりスロットピッチ角（３６０／４８＝７．５度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している（図３３のスロットピッチ角が図２７のベクトル図の３０度に相当する）。このような構造にすることで、前記６段の場合と比べて磁束量の三相平衡のロバスト性をさらに向上でき、固定子鉄心の剛性をさらに高めることができる。上記では、積層鉄心のずらす角度をスロットピッチ角としたが、図２７のベクトル図の形から、スロットピッチ角の倍数で且つ３倍の倍数以外の角度であれば磁束量の三相不平衡を解消することができる。

３分割、２分割においても上記考え方で磁束量の三相不平衡を解消することができる。

また、前記固定子鉄心の回転周方向の分割部の空隙幅が各部でばらつくことが考えられる。この場合、分割によるティースの磁束量の減少量が各ティースで異なるため、磁束量の三相不平衡を完全に解消することはできないが、従来構造に比べて分割によるトルク脈動を低減する効果は得られる。

図３４を用いて、本発明による第２の実施形態の永久磁石回転電機の構造について説明する。

図３４は本発明の第２実施形態における固定子の概略構造を示す展開図である。

図３４において、固定子鉄心２１はコアバック２３とティース２４を径方向に分割し、前記コアバックを回転周方向に対して隣り合うティース間の略中央部で分割する。このような構造にすることで、コアバックの回転周方向の分割位置とティースの径方向の分割位置が重なることがなくなり、コアバックの回転周方向の分割位置に隣接するティースに磁束量が減少する影響を同程度に及ぼすことができ、磁束量の三相平衡のロバスト性を向上できる。さらに、電磁鋼板の材料歩留まり改善とコイル占積率の向上が可能になる。

図３５を用いて、本発明による第３の実施形態の永久磁石回転電機の構造について説明する。

図３５において、固定子鉄心は、打ち抜き型等により回転周方向にスロットピッチの１２倍の区間だけ打ち抜いた電磁鋼板を回転軸方向に積層してこれを全周に配置して構成する（固定子鉄心は回転周方向に４分割されたことになる）。前記積層鉄心を回転軸方向に３段積み、２段目の積層鉄心２０２を１段目の積層鉄心２０１に対してスロットピッチ角の４倍の角度（３６０／４８×４＝３０度）だけ反時計回りにずらし、３段目の積層鉄心２０３を２段目の積層鉄心２０２に対してスロットピッチ角の４倍の角度（３６０／４８×４＝３０度）だけ反時計回りにずらしてこれらを回転軸方向に連結している。さらに、前記積層鉄心２０１〜２０３を４〜６段目にも同様に配置し回転軸方向に連結する。このような構造にすることで、前記３段のみの場合と比べて磁束量の三相平衡のロバスト性をさらに向上でき、固定子鉄心の剛性をさらに高めることができる。また、前記固定子鉄心は、電磁鋼板一枚ごとにスロットピッチ角の倍数の角度だけ回転周方向にずらして回転軸方向に連結してもよい。このような構造にすることで、前記構造と比べて磁束量の三相平衡のロバスト性をさらに向上でき、固定子鉄心の剛性をさらに高めることができる。

図３６を用いて、本発明の永久磁石回転電機を備えたエレベータ装置の構成について説明する。

図３６は本発明の永久磁石回転電機を備えたエレベータ装置の構成を示す径方向の断面図である。

図３６において、固定子２はコアバック２３を介してフレーム５にボルト１２０で回転軸方向に固定し、回転子３は回転体２０１にボルトで回転軸方向に固定し、前記回転体はベアリング６を介して前記フレームに取り付ける。前記回転子には永久磁石回転電機の制御を行うためのエンコーダ７が回転軸方向に接続されている。前記回転体には外周側に配置されたブレーキ２０２のシューを受けるためのブレーキドラム２０３と、ロープに力を伝達するためのシーブ２０４から構成される。前記フレームは昇降路内のマシンベース、または建屋最上階の機械室のマシンベースに固定される。このような構造にすることで、エレベータの乗りかごの振動に起因するトルク脈動を低減でき、乗り心地を良くできる。

以上の実施例では内転型の永久磁石回転電機について述べたが、外転型の永久磁石回転電機においても同様の効果を得ることができる。

以上は本発明の永久磁石回転電機とこれを備えたエレベータ装置について示したが、本発明は、高トルクと低トルク脈動が要求されるサーボプレス用永久磁石回転電機への利用が可能である。

１：永久磁石回転電機
２：固定子
３：回転子
４：エアギャップ
５：フレーム
６：ベアリング
７：エンコーダ
２１：固定子鉄心
２２：コイル
２３：コアバック
２４：ティース
２５：スロット
２０１：固定子鉄心１段目
２０２：固定子鉄心２段目
２０３：固定子鉄心３段目
２０４：固定子鉄心４段目
２０５：固定子鉄心５段目
２０６：固定子鉄心６段目
２０７：固定子鉄心７段目
２０８：固定子鉄心８段目
２０９：固定子鉄心９段目
２１０：固定子鉄心１０段目
２１１：固定子鉄心１１段目
２１２：固定子鉄心１２段目
３１：回転子鉄心
３２：永久磁石
１２０：ボルト
２０１：回転体
２０２：ブレーキ
２０３：ブレーキドラム
２０４：シーブ

Claims (4)

1. フレームと、前記フレームに固定した固定子と、前記固定子の径方向にエアギャップを介して対向する回転子を有し、前記固定子は固定子鉄心とコイルを有し、前記回転子は回転子鉄心とマグネットを有し、前記固定子鉄心は外周側にリング状のコアバックを有し、前記コアバックから内周方向にティースを形成し、前記ティースにはコイルが集中的に巻かれているスロット数がＳの永久磁石回転電機において、
   前記固定子鉄心が回転周方向にスロットピッチの３倍以上、Ｓ／２倍以下の区間だけ打ち抜いた電磁鋼板を任意の単位長だけ回転軸方向に積層した積層鉄心により全周を構成し、基本単位が、前記回転子のマグネットとの関係でＵ相のプラスとマイナス、Ｖ相のプラスとマイナス、Ｗ相のプラスとマイナスを組として２組からなり且つ互いの相は同じ極性で隣り合って形成され、前記基本単位を繰り返して前記固定子を形成するものであって、
   前記積層鉄心を回転軸方向に積み、１段目の積層鉄心に対して２段目以降の積層鉄心を回転周方向にずらして回転軸方向に連結し、前記固定子鉄心を回転周方向に分割し、前記分割した鉄心が所定の本数のティースを有するものであり、前記分割で生じるティースの磁束量の減少の影響を下記条件を満たすことで三相に分散させる
   前記基本単位の繰り返し数をＡ、前記固定子鉄心の回転周方向の分割数をＢ、前記分割した鉄心が有するティースの本数をＣ、前記固定子鉄心の回転軸方向の段数をＤ、前記固定子鉄心の回転軸方向一段当たりの回転周方向にずらす角度をＥ、とし、ｍ＝｛１、２、…｝、ｎ＝｛…、−１、０、１、…｝としたとき、
   Ｃ＝１２Ａ／Ｂであり、
   Ｃ＝６＋１２（ｍ−１）±２の場合は、
   Ｄ＝２、４ Ｅ＝（２／Ｄ）（π／３）ｎ／Ａ
   Ｃ＝６＋１２（ｍ−１）±３の場合は、
   Ｄ＝３ Ｅ＝（３／Ｄ）（πｎ／２±π／６）／Ａ
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１記載の永久磁石回転電機において、
   前記ＤとＥは固定子鉄心の回転周方向の分割で生じるティースの磁束量の減少の影響を三相で略均等に分散させる値であることを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 請求項１〜２記載の永久磁石回転電機において、
   前記固定子鉄心はコアバックとティースを径方向に分割し、前記コアバックを回転周方向に対して隣り合うティース間の略中央部で分割することを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 請求項１〜３いずれか１項に記載の永久磁石回転電機を備えたエレベータ装置。

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