外转型永磁铁旋转电机及使用其的电梯装置 【技术领域】
本发明涉及一种外转型永磁铁旋转电机及使用该外转型永磁铁旋转电机的电梯装置。
背景技术
作为用于电梯驱动的旋转电机要求小型轻量、高效率等特性而逐渐使用永磁铁旋转电机。特别是在最近成为主流的不使用齿轮等变速器的无齿轮的直接传动方式中，该倾向反映强烈，逐渐使用永磁铁旋转电机。
在上述直接传动的电梯用旋转电机中，要求尽可能减小使电梯的乘坐感觉变差的转矩脉动，有必要在达到约200％的超负荷条件为止将转矩脉动抑制在几％以下。
作为如上述的电梯驱动用旋转电机的构造，通常使用在外周配置定子，在其内周配置永磁铁转子的结构的所谓的内转型永磁铁旋转电机。对于与此相反，在内周配置定子，在其外周配置永磁铁转子的结构的所谓的外转型永磁铁旋转电机作为驱动电动机而利用的结构，也在专利文献1及2中揭示。
专利文献1：日本特开2000‑134893号公报；
专利文献2：日本特开2007‑159394号公报。
然而，专利文献2中所记载的结构由于永磁铁的外周部的形状为圆弧状，因此，首先，为加工成该磁铁形状必须进行利用研磨的加工，在制作方面可能会变得高价。
其次，该磁铁形状的精度难以确保，可能会由磁铁偏差引起转矩脉动、噪音的产生。
进而，在专利文献1或2的永磁铁的极数和定子凸极的配合方面，对于齿槽转矩或振动的问题还有改良的空间。
另外，在专利文献2中，在即使减小定子铁心的凸极宽度、输出转矩也能得到最大转矩的问题上有改良的空间。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种转矩脉动少、低噪音、小型轻量、高效率、低价格的外转型永磁铁旋转电机及使用该外转型永磁铁旋转电机的电梯装置。
本发明的一方面的特征在于，具有定子、转子铁心和永磁铁转子，其中，所述定子包括：环状的磁轭部；定子铁心，在其径向外周具有凸极；定子线圈，其配置于所述定子铁心所形成的开口槽部，且集中地卷绕于所述凸极上，所述转子铁心为环状且配置于定子的外周，所述永磁铁转子通过将6面为矩形状的长方体的永磁铁与所述定子隔着适当的空隙配置于转子铁心的内周面而构成，当将永磁铁的极数设为P，将定子的凸极数设为S，进而将P和S的最大公约数设为M、最小公倍数设为N时，最大公约数M为3以上，且最小公倍数N与最大公约数M之比N/M为13以上。
本发明优选的实施方式的特征在于，永磁铁的极数P比定子的凸极数S多。
并且，本发明优选的实施方式的特征在于，定子凸极的表面磁极宽度为定子凸极的间距的44％～54％。
进而，本发明优选的实施方式的特征在于，永磁铁的极弧度为永磁铁间距的0.7或0.87。
进而，本发明优选的实施方式的特征在于，在永磁铁和定子铁心之间具有层叠钢板。
进而，本发明优选的实施方式的特征在于，作为永磁铁安装面的转子内周面，每个永磁铁安装面在周向及轴向上均为平直面，在轴向上排列多个永磁铁并使其在周向上错开配置。
进而，在本发明优选的实施方式中，提供一种电梯装置，其具有卷扬机，所述卷扬机具有与如上所述特征的外转型永磁铁旋转电机的转子相连，且卷绕有吊索的绳轮。
发明效果
根据本发明优选的实施方式，能够提供一种转矩脉动少、低噪音、小型轻量、高效率、低价格的外转型永磁铁旋转电机及将其作为驱动源的电梯装置。
本发明的其他的目的和特征，在以下说明的实施方式中阐明。
【附图说明】
图1是本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的径向截面概要图。
图2是图1的主要部分放大图。
图3是将本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机以与轴平行的面剖开的概要图。
图4是本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的表面磁极宽度所对应的转矩特性图。
图5是本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的永磁铁的极弧度所对应的转矩特性图。
图6是本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的扭斜结构例图。
图7表示本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的扭斜特性。
图8表示本发明的另一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的扭斜结构。
图9是本发明的另一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的主要部分放大图。
图10是将使用本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的电梯卷扬机以与轴平行的面剖开的概要图。
图中：1‑外转型永磁铁旋转电机；2‑定子；3‑转子；4‑定子铁心；41‑定子磁芯；42‑定子凸极；43‑槽；5‑定子线圈；6‑永磁铁；7‑转子铁心；71‑转子铁心磁铁安装面；72‑转子铁心极间部；73‑转子铁心的块状铁心部；74‑转子铁心的硅钢板部；8‑定子支承板；9‑绳轮；10‑转子支承部；11‑电梯卷扬机；12‑轴；13‑制动器；131‑制动器的移动部；132‑制动器的固定部。
【具体实施方式】
首先，利用图1～3说明本发明的一实施方式所涉及的电梯的卷扬机最适合的外转型永磁铁旋转电机。
图1是将本实施例的外转型永磁铁旋转电机在径向上剖开的概要图。
图2是图1的主要部分(AOB部)放大图，图3是将该旋转电机以与轴平行的平面剖开的概要图。
在图1～图3中，外转型永磁铁旋转电机1由定子2和转子3构成。定子2主要由定子铁心4和定子线圈5构成。定子铁心4通过将硅钢板根据模型进行冲裁等而层叠构成。在定子铁心4的内周，由定子磁芯41和定子凸极42构成，定子磁芯41构成定子磁路，定子凸极42由定子磁芯41向定子外周放射状地延伸。如图所示，由邻接的定子凸极42间和定子磁芯41构成的空间为槽43，为收纳定子线圈5的空间。在此，在各定子凸极42上，如图示在1极上卷绕一个定子线圈5。
另一方面，转子3由块状的转子铁心7和永磁铁6构成，转子铁心7配置于外周，且如图所示地配置在环上，永磁铁6配置于转子铁心7的内周面。
本实施例的永磁铁6的形状的特征在于，其为6面且为矩形的长方体。如图所示，该形状特征在于，永磁铁6的内周面、外周面均由平直面构成。因此，作为永磁铁的安装面的转子铁心7的内周面不仅相对于轴向且相对于周向为平直面。转子铁心7的内周面具有该平直的永磁铁的安装面71和位于永磁铁6的极间的部分的转子铁心极间部72。在此，转子铁心极间部72的形状相对于周向可以为直线也可以为弧状，但从磁铁保持、定位的角度考虑优选从转子铁心7向内周侧突起的形状。在此，永磁铁6通过粘着剂等固定粘着于定子铁心的磁铁安装面71。
在图1～3所示的本发明的一实施例中，永磁铁6的极数P为42，定子铁心的凸极数S为36。在该结构中，永磁铁6的极数P和定子铁心4的凸极数S的最大公约数M为6，最小公倍数N为252。最小公倍数N与最大公约数M之比N/M为252/6，等于42。
该最大公约数M＝6与图2中示出的60度内的结构，即永磁铁的极数P＝7、定子铁心4的凸极数S＝6重复6次的结构一致，且比值N/M＝42超过表示本发明的范围所示的13。
因此，在本发明中，在具有6面均为矩形的长方体的永磁铁6，且将永磁铁6的极数P与定子的凸极数S的最大公约数设为M，最小公约数设为N时，采用使最大公约数M为3以上，且最小公倍数N与最大公约数M之比N/M为13以上的结构。
在专利文献2所述的第一例中公开了将永磁铁的极数P和定子铁心的凸极数S的比设为3∶2或3∶4。从而，如在本发明的一实施例中选择地，在定子铁心的凸极S＝36为固定时，在专利文献2中选择为永磁铁的极数P＝24或P＝48。这时，两者的最大公约数M均为12，最小公倍数N分别为72、144，最小公倍数N与最大公倍数M之比N/M分别为6或12，不会如本发明为13以上。
另一方面，在专利文献2中公开的另一实施例为下述组合：将永磁铁6的极数P和定子铁心的凸极S的关系设定为S＝6n、P＝6n±2(n为1以上的整数)的关系，对于上述组合进行讨论。这时，若将定子铁心4的凸极数S与本发明相同地设为36，则永磁铁6的极数为36±2，永磁铁6的极数为34或38。
因此，两者的最大公约数M均为2，最小共倍数N分别为612、684，最小公倍数N与最大公约数M之比分别为306、342。
这时，最小公倍数N与最大公约数M之比变大，但最大公约数M为2而较小，不能如本发明为3以上。
在永磁铁旋转电机中，当将永磁铁的极数设为P，将定子的凸极数设为S，进而将P和S的最大公约数设为M、最小公倍数设为N时，最大公约数M为规定旋转电机的振动模式(mode)的值。在外转型永磁铁旋转电机1的情况下，转子铁心7受电磁性应力而规定进行环状模式的振动时的模式数(周向的振动周期)，通过使其变大而减小振动，能够实现低振动的电动机。
在专利文献2中首次公开的最大公约数M＝2，为2次的振动模式，半周量的电磁力的积分作用于位于其中央位置的转子铁心，因此在转子铁心7上引起大的椭圆状的振动。
另一方面，最小公倍数N与最大公约数M之比N/M为旋转1周除以最大公约数M所得的范围的定子铁心4的凸极数与在此所占的永磁铁6的极数的最小公倍数。该比值为规定齿槽转矩的周期数的数值，其中齿槽转矩是根据上述范围的定子铁心4的凸极数S和永磁铁6的极数P而产生的。由于齿槽转矩随着齿槽转矩的周期数的增加而变小，因此可以通过增大最小公倍数N与最大公约数M之比而降低齿槽转矩。
在本发明的一实施方式中，具有定子和配置于其外周的环状的转子铁心，其中定子具有：环状磁轭部；在径向外周具有凸极的定子铁心；定子线圈，其配置于定子铁心的开口槽部，且集中地卷绕于所述凸极上。在该转子铁心的内周面具有永磁铁转子，该永磁铁转子通过将6面且为矩形状的长方体的永磁铁与所述定子隔着适当空隙地配置在转子铁心的内周面。并且，本实施方式的特征在于，当将永磁铁的极数设为P，将定子的凸极数设为S，进而将P和S的最大公约数设为M、最小公约数设为N时，采用使最大公约数M为3以上，且最小公倍数N与最大公约数M之比N/M为13以上的结构。
由此，能够提供一种外转型永磁铁旋转电机，其降低无负荷时的齿槽转矩及有负荷时的振动、噪音，并且廉价。
这样，无需采用专利文献2所公开的“S＝6n，P＝6n±2(n为1以上的整数)”的结构，齿槽转矩也能够足够小，并且，由此，通过采用增加振动模式数的结构，能够充分地降低振动噪音。
在本发明优选的实施方式中，定子铁心4的凸极不采用如专利文献1的在外周端向周向扩大的结构，而采用开口型的槽结构。作为电梯的卷扬机，要求在达到200％左右的负荷为止将转矩脉动抑制为很小。并且，为进行电梯装置的保持试验，通过定期试验等来确认能够产生进而更大的转矩。如专利文献1所示，在凸极的外周侧具有向周向扩大的爪部的、通常的半封闭型槽结构中，对于与定子线圈5链接的磁通量，能够利用爪部的集磁力，使永磁铁6的磁通增加。因此，在所述超负荷条件下，能够利用爪部的集磁力增大转矩。但是，相反，由于在定子线圈5中流动的大的电流而产生的磁场，爪部产生部分性磁饱和，因此导致转矩变动变大。这对于电梯装置成为破坏乘坐感觉的主要原因。
通常，通过与永磁铁6的磁通量链接而产生定子线圈5的感应电压为不包括高次谐波的正弦波状，通过对其施加正弦波形的电流可以使3相合成的转矩成为脉动少的固定的驱动转矩。若采用半封闭型的槽形状，则在大电流时由于该磁场的影响，感应电压变形，可能使感应电压的高次谐波变大，由此，转矩脉动变大。
另一方面，若采用如本发明优选的实施方式的开口槽，则即使在超负荷条件下，由于没有产生局部性磁饱和的爪部，与转矩略微降低相反，即使在超过200％的大负荷条件下也能够使转矩脉动减小。
在该开口槽结构中，极数的选择对转矩有很大影响。
例如，将定子铁心4的凸极数S和永磁铁6的极数P如图1、图2所示地选择36和42的情况与定子铁心4的凸极数S不变而永磁铁6的极数P设为30的情况比较。通常，在半闭合的槽形状中，极数P＝42为多数的情况下，一个定子线圈5所卷绕的定子铁心凸极的表面的区域占电角210度。因此，包括磁通密度的负区域，定子铁心凸极表面的平均磁通密度减少，虽然频率与永磁铁6的极数P＝30比较增加，但成为产生感应电压没有变化，相同电流下的转矩也基本没有变化的结果。
在本发明所涉及的优选的实施方式的开口槽构造中，可以使一个定子线圈5所卷绕的定子铁心凸极的表面的区域的电角为180度以下，由此，能够除去包括磁通密度的负部分在内的低的部分。由此，定子铁心凸极表面的平均磁通密度增加，与P＝30比较增加。在验算例中，相对于P＝30极，通过选择P＝42极而提高10％的转矩。
极数的增加意味着频率的增加，由于电感引起电压下降变大，功率因数变差，需要使进行驱动的逆变器容量增加，这成为一缺点。但是，作为电梯装置，为了保持试验，必须通过定期试验等来确认能够产生进而更大的转矩的情况。
在这种情况下，通过将上述的转矩增加变大，使永磁铁的极数P比定子的凸极数S多，从而能够将永磁体旋转电机1的体积减小，或能够将旋转电机的温度上升降低，在这一点成为能够弥补上述缺点的优点。
返回图1，对永磁铁旋转电机1的定子铁心4的凸极付以如图示的记号。表示卷绕分别由U、V、W相构成的定子线圈5的凸极。例如，U1+表示在U相所属的线圈向+向卷绕的第一个凸极。另外，在图2中，对定子线圈5付以如图示的记号。例如U1++表示向定子铁心4的凸极U1+卷绕，进而，末尾的+表示从纸面上的背面向表面卷绕，一则表示与其相反。在图1中，表示将定子铁心4的凸极P为12极，永磁铁6的极数P为14极作为基本单位结构的3倍结构，在图2中表示上述基本单位的1/2。
作为其他的定子铁心凸极数S和永磁铁的极数P的配合，可以考虑以定子铁心4的凸极S为9极、永磁铁6的极数P为8极或10极为基本单位，重复其三倍以上。因此，可以举出以定子铁心4的凸极S为27极，永磁铁6的极数P为24极或30极为基本单位的例子。
通常在将永磁铁的极数设为P，定子的凸极数设为S，进而P和S的最大公约数设为M、最小公倍数设为N时，通常使最大公约数M为3以上，且最小公倍数N与最大公约数M之比N/M为13以上，因此可以发挥本发明的效果。
以上，以3相结构进行了说明，但并不局限于此，将3相结构的线圈分别按电角错开30度的结构也可以，另外还可以采用多相结构。
本发明的外转型永磁铁旋转电机1通过逆变器来驱动。
通常，3相的变换器具有电流检测器、转子的磁极位置检测器，根据转子3的位置使正弦波状的电流通电，且由逆变器驱动，该变换器具有通过对逆变器的转矩指令改变该电流大小的控制功能。根据需要，在高速旋转时使电流的相位前进，从而能够进行磁场减弱控制。
在作为本发明对象的外转型永磁铁旋转电机中，定子铁心4的定子凸极的永磁铁面的周向宽度(表面磁极宽度)对转矩产生很大影响。
因此，将图2所示的定子凸极42的表面磁极宽度设为θa，定子凸极42间的间距设为θs，对它们之比θa/θs给转矩特性带来的影响进行了计算。计算条件为：当使定子凸极42的表面磁极宽度θa变化时，假设槽内的磁动力与表面磁极宽度θa变化所对应的槽43的面积增减多少成比例地增减。由此，假设槽内的电流密度一定。以计算条件为永磁铁的极数P为30，定子的凸极数S为36，永磁铁的极宽与永磁铁间距之比大约为80％左右的条件根据有限元法进行了磁场计算。
在此，转矩和转矩脉动为评价的对象。对其产生影响的因素有定子凸极42的表面磁极宽度θa。还有一个为通过将定子凸极42的永磁铁面的两端面的半径与定子凸极42的永磁铁面的中心面的半径相比仅减小T1，则能够使定子凸极42的永磁铁面变圆而降低转矩脉动，从而将该T1作为参数进行计算。
其结果如图4所示。
图4表示根据上述的计算条件，使脉动转矩一定时的定子凸极42的表面磁极宽度θa与定子凸极间距θs之比所对应的输出转矩的值。通过使定子凸极42的表面磁极宽度θa为定子凸极42间的间距θs的大约1/2，由于脉动转矩一定，可以观察到能够将输出转矩最大化的结果。并且，若将定子凸极42的表面磁极宽度θa和定子凸极42间的间距θs所对应的比设定在44～54％的范围内，则能够将转矩下降相对于最大转矩抑制在5％以内。
接下来，在图5中表示本发明的外转型永磁铁旋转电机的永磁铁的极弧度所对应的特性。图中表示平均的输出转矩和转矩脉动。图中进而一起表示在转矩脉动中，表示转矩脉动的峰值的tpp，转矩脉动的电角的第六次分量t6，及其第十二次分量t12。第六次分量t6相对较小，由第十二次分量t12决定脉动转矩的峰值。并且，通过将能够减小该第十二次分量t12的永磁铁的极间距所占的极宽度(极弧度)设定为0.7或0.87，可以观察到脉动转矩的减小。
通过采用本结构能够得到转矩脉动小的外转型永磁铁旋转电机1。并且，永磁铁的极间距所占的极宽在相对于0.7或0.87的±2％的范围，即0.68～0.72或0.85～0.89的范围内，转矩脉动足够小，可以称为在本发明的范围内。
另外，在此若永磁铁的极间距所占的极宽选择为0.7，则根据附图永磁铁的使用量所对应的转矩的产生量的比变大，若永磁铁的极间距所占的极宽选择为0.87，则能够使产生转矩的绝对值变大。
图6为本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的扭斜(Skew)结构例图。如上所示，为同时达成高转矩化、低转矩脉动化，扭斜是不可缺的。图6(a)表示将永磁铁6配置于转子铁心磁铁安装面71的中心部的示例。图6(b)表示将永磁铁6配置于转子铁心磁铁安装面71的右侧的示例。图6(c)表示将永磁铁6配置于转子铁心磁铁安装面71的左侧的示例。
在此，θd表示相对于图6(a)的将永磁铁6配置于转子铁心磁铁安装面71的中心部的情况，图6(b)、图6(c)中所示的永磁铁6的配置的移动量。
通过在轴向改变以上的图6(a)、(b)及(c)的配置，能够进行扭斜。
图7表示本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的扭斜特性。在此，tpp2表示在轴向上将永磁铁二分割，如图6(b)、图6(c)配置时的转矩脉动。另外，tpp3表示在轴向上将永磁铁三分割，各永磁铁如图6(a)、(b)、(c)地错开配置时的转矩脉动。
轴向二分割的特征在于，在θd的小范围内能够得到极小的转矩脉动，另一方面，轴向三分割的特征在于，能够使转矩脉动的最小值比二分割结构更小。其原理是，轴向二分割对应于电角十二次分量变小，与此相对，轴向三分割能够使电角十二次分量和六次分量同时变小地工作。由以上的结构能够容易地得到扭斜的效果。
图8表示本发明的另一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的扭斜结构。
在图8的外转型永磁铁旋转电机1中，表示在轴向没有进行磁铁分割的结构。通过使转子铁心磁铁安装面71的周向宽度比永磁铁6的宽度大，将永磁铁6如图示地倾斜配置，从而能够得到连续的扭斜。并且，永磁铁6由于不必在轴向上进行分割，因此制作、涂装、操作等容易，能够降低成本。
并且，在所述图7中，将在图8所示的外转型永磁铁旋转电机1的扭斜情况下的转矩脉动的计算值作为tcont一起表示。除低成本化之外，示出了作为扭斜的效果能够比所述二分割、三分割的扭斜更大并能够降低转矩脉动的结果。
图9为本发明的另一实施方式所涉及的外转型永磁铁旋转电机的主要部分放大图。
在此，特征在于将转子铁心7的中心分成由硅钢板构成的硅钢板部74和由块状铁心构成的块状铁心部73。所述转子铁心7的转子铁心磁铁安装面71的机械加工消耗制作时间。因此，可能会导致高价。另外，如图1所示，若块状铁心73与定子铁心4直接对置，则由定子线圈5产生的磁场使块状铁心中产生涡电流，由此可能导致永磁铁旋转电机的效率降低。
根据本实施例的结构，通过如图示设置硅钢板部74，能够简单地制作转子铁心磁铁安装面71的形状。并且，可能使转子铁心7内的涡电流产生的脉动磁通通过层叠硅钢板内，能够将涡流损耗的产生抑制到最小。对于集中绕组永磁铁旋转电机的永磁铁内的涡电流，可以通过已经进行的永磁铁的分割抑制为较小。通过螺栓等能够容易地将转子铁心7的硅钢板部74固定到轴向或径向的块状铁心部73上。
接下来，利用图10对适用以上说明的本发明的实施例所涉及的永磁铁旋转电机1的电梯卷扬机的结构进行说明。
图10为将使用本发明的一实施例所涉及的外转型永磁铁旋转电机的电梯卷扬机以与轴平行的面剖开的概要图。为外转型永磁铁旋转电机1和绳轮9成为一体的结构。电梯卷扬机11具有：产生动力的外转型永磁铁旋转电机1和将所述外转型永磁铁旋转电机1产生的动力传递到吊索(未图示)的绳轮9。另外，具有：对转子3的外周施加制动力的制动器13，支承具有旋转体的轴12的转子支承部10，支承它们的定子支承板8。在此，制动器13由制动器的移动部131和制动器的固定部132构成，制动器的移动部131与转子3的外周相接且产生制动力，制动器的固定部132使移动部131能够移动地进行支承。
通过以上的结构，能够实现小型化、低振动的电梯卷扬机11。
通过将本发明的一实施方式所涉及的永磁铁旋转电机1适用于电梯卷扬机11上，从额定转矩时到最大转矩的广泛的区域内能够实现低转矩脉动，有助于传递到电梯轿厢上的振动及电梯机构的噪音的降低。进而，通过使转子3扭斜，能够实现更低转矩脉动化、提高转矩。进而，通过将定子凸极的表面磁极宽度θa设定在定子凸极间距θs的50％左右(44％～54％)，从而实现高转矩化。由此，能够提供一种振动少、价格低、小型化的电梯卷扬机。
工业上的可利用性
此外，以上示出了本发明的永磁铁旋转电机适用于电梯卷扬机的情况的结构，但本发明不局限于以上结构。例如，在电动车辆，特别是如轮内马达一样搭载于车轮中的外转型永磁铁旋转电机中也能够发挥同样的效果，由此，能够提供低噪音、低振动且乘坐感觉良好、耗油量少的电动车辆。