專利名稱：永久磁鐵式同步馬達的制作方法
技術領域：
本發明涉及在電梯卷揚機等的產業用機械等中使用的永久磁鐵式同步馬達。
背景技術：
永久磁鐵式同步馬達可以在許多不同的產業制品等中使用，對每一種制品都要求種種的特性和特征，但是其中一個是抑制轉矩脈動，特別是，在強烈要求低噪聲和低振動的制品中，必須將轉矩脈動抑制到極小的水平。例如，用于電梯卷揚機的馬達是其一個例子，但是特別是，在不用馬達轉矩的減速機構的直接驅動方式的電梯卷揚機的情形中，因為將馬達轉矩直接傳達到電梯轎箱，所以當在馬達轉矩中存在脈動時，電梯轎箱上下振動顯著地損害乘客的心情，因此，必須使該馬達的轉矩脈動特性極小。另一方面，在附有安裝了減速機的減速機構的電梯卷揚機中，因為使該減速機成為緩沖部件，所以由該減速機減少馬達的轉矩脈動，難以傳達到電梯轎箱。又，對于減速機來說，一般使用齒輪的齒輪減速機，該減速機自身的振動大。因此，因為馬達的轉矩脈動比該減速機自身的振動充分地小，所以馬達的轉矩脈動，實用上，很少成為問題。可是，作為電梯卷揚機，為了抑制電梯轎箱的振動(改善乘客的心情)，將不用減速機構的直接驅動方式的卷揚機和永久磁鐵式同步馬達組合起來的構成正在成為主流，但是在這種構成的情形中，馬達的轉矩脈動，與它的全部頻率成分有關，需要使它與時間平均轉矩的比例在百分之幾以下的極小水平。又，在直接驅動方式的電梯卷揚機用的馬達中，對于定額100 %轉矩，最大轉矩大致為200 300 %，關于從0 %的轉矩到最大轉矩的全負載區域，如上述那樣，必須將轉矩脈動的水平抑制到極小。此外，對定額轉矩的最大轉矩的大小與電梯的種類和用途相應是不同的，但是上述最大轉矩的數值是一般的數值。作為減少在表面磁鐵式同步馬達中發生的轉矩脈動的方法，至今，圖10所示的技術是眾所周知的。此外，圖10是表示在與將轉子配置在定子內側的內轉子型的表面磁鐵式同步馬達的旋轉軸(未圖示)垂直的面中看的剖面的一部分的剖面圖，1是永久磁鐵，Ia是外表面，2是轉子鐵心，3是轉子，4是定子鐵心，5是齒，6是間隙，7是變形部。在圖10 (a)，(b)中，在轉子3側，在轉子鐵心2的表面上，沿該表面的圓周方向，在旋轉軸方向(以下，稱為軸方向)上排列設置有多個細長的永久磁鐵1。又，在定子6側，設置有多個從定子鐵心4的內面，即轉子3側的面突出的齒5，在齒5之間的槽內，設置線圈 (未圖示)卷繞在齒5上。在轉子鐵心2的設置了永久磁鐵1的外周面和定子鐵心4的齒 5的前端面之間，設置有間隙7，通過在各個定子鐵心4的齒5中流過與3相當的相電流，在該轉子2和定子6之間的間隙7內產生旋轉磁場，通過該旋轉磁場和永久磁鐵1的電磁作用，對永久磁鐵1產生電磁力使轉子旋轉。在這種內轉子型的表面磁鐵式同步馬達中，至今，為了減少轉矩脈動，如圖10(a) 所示，使永久磁鐵1的定子6側的表面，S卩，外表面Ia成圓筒面狀，使永久磁鐵1的圓周方向的剖面成為拱形(以下，將這種剖面形狀的永久磁鐵稱為圓周方向的剖面為拱形的永久磁鐵)，如圖10(b)所示，在定子的齒5的側面形成變形部7。或者，在轉子3側形成變形部， 將圖10(a)所示的方法和圖10(b)所示的方法組合起來也是眾所周知的，也多用于動態驅動方式的電梯卷揚機用的表面磁鐵式同步馬達中。當馬達的間隙中的磁通量密度的分布接近正弦波狀時，轉矩脈動變小是已知的， 如圖10(a)所示，使永久磁鐵1的圓周方向的剖面為拱形就是以此為基礎的。又，如圖10(b) 所示，設置變形部6，在每個軸方向的馬達剖面上發生的轉矩脈動的周期中產生相位差(時間差)，因此，轉矩脈動成分相互抵消。另一方面，用兩面平坦平行的圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵(以下，稱為圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵)的表面磁鐵式同步馬達也是眾所周知的(例如，請參照專利文獻1，2)。作為這方面的一個例子的專利文獻1中記載的表面磁鐵式馬達，在直到設置在轉子中的永久磁鐵的表面的一部分覆蓋著模制樹脂，將永久磁鐵堅固地固定在轉子上，將轉子配置在定子的內側的內轉子型馬達的情形中，因為從圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵的圓周方向兩側的邊部到定子的間隔最狹窄，所以以不超出與這種兩側的邊部內切的包絡圓的外側(定子側)的方式，用模制樹脂覆蓋永久磁鐵的表面的圓周方向中央部。在將轉子配置在定子外側的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達的情形中，因為圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵的圓周方向中央部到定子的間隔最狹窄，所以以不超出與這種中央部外切的包絡圓的外側(定子側)的方式，用模制樹脂覆蓋永久磁鐵表面的圓周方向兩側的邊部。這樣一來，當用模制樹脂將永久磁鐵固定在轉子上時，用模制樹脂覆蓋永久磁鐵的部分增多，因此，能夠將永久磁鐵更堅固地固定在轉子上，但是這時，因為從上述包絡圓看不出模制樹脂，所以與這樣在永久磁鐵的表面上不覆蓋模制樹脂的情形比較，不需要增加永久磁鐵和定子之間的間隙量，因此，能夠減少齒槽轉矩(Cogging Torque)和轉矩脈動。作為另一個例子的上述專利文獻2中記載的技術是在外轉子型的馬達中減少馬達電源斷開狀態中的齒槽轉矩。齒槽轉矩是當永久磁鐵的邊部與定子側的齒間的槽開口部對置時，由根據從該永久磁鐵的圓周方向邊部向外的磁通量，在與轉子的旋轉方向相反方向中產生的轉矩生成的，上述專利文獻2中記載的技術是通過將永久磁鐵安裝在設置在轉子中的溝內，增加從永久磁鐵的圓周方向邊部傳到轉子的磁鐵，減少從該圓周方向邊部向著槽開口部的磁通量，因此，減少齒槽轉矩。專利文獻1 日本專利特開2004-322455號公報專利文獻2 日本專利特開2002-331986號公報

發明內容
作為用于減少表面磁鐵式同步馬達中的轉矩脈動的已有技術，如上述那樣，如圖 10(a)所示，使永久磁鐵的定子側的表面形狀為圓筒面狀，該永久磁鐵的圓周方向的剖面為拱形的技術的技術和如圖10(b)所示，將變形部設置在定子側或轉子側或它們雙方的技術是眾所周知的，一般使用這些技術，但是使前著的永久磁鐵的圓周方向的剖面為拱形，對于永久磁鐵的去磁耐力是不利的，又，設置后者的變形部存在著使有效磁通量降低那樣的問題，當要解除這種問題時，存在著導致磁鐵使用量(制作磁鐵所需的材料的使用量質量) 增加和馬達大型化那樣的問題。
下面，對它們進行說明。 永久磁鐵的去磁耐力由永久磁鐵自身的物理特性和厚度決定，但是如果磁鐵的物理特性相同，則由磁鐵的厚度決定，厚度越厚磁鐵的去磁耐力越大。用表示永久磁鐵1的圓周方向的剖面的圖11，當看上述圓周方向的形狀為拱形的永久磁鐵1的去磁耐力時，因為與圓周方向的中央部B比較，圓周方向的邊部A中的厚度薄，所以在該邊部A中的去磁耐力小。為了得到某種程度的去磁耐力，必須使磁鐵的厚度在某個程度以上(一般，由永久磁鐵的物理特性和定子給予永久磁鐵的逆磁場的大小，磁鐵的溫度等決定)，但是當圓周方向的剖面為拱形的永久磁鐵時，因為具有厚度薄的部分(邊部A)，所以對于去磁耐力是不利的，并且在厚度厚的部分的圓周方向的中央部B中，具有富裕的去磁耐力的情形是很多的。可是，在表面磁鐵式同步馬達中，當看永久磁鐵的厚度和輸出轉矩的關系時，雖然在磁鐵的厚度和輸出轉矩之間，正比例關系成立，但是輸出轉矩增加的比例，相對于磁鐵厚度增加的比例小。圖12是表示與內轉子型的M極的表面磁鐵式同步馬達中的磁鐵厚度和輸出轉矩的關系有關的磁場解析結果的圖，如圖所示，看到當磁鐵厚度增加時輸出轉矩也增加，但是輸出轉矩增加的比例，相對于磁鐵厚度增加的比例小。從而看到，在表面磁鐵式同步馬達中，當用稱為磁鐵的每單位質量的輸出轉矩的指標進行比較時，可以說磁鐵厚度小的馬達的效率比磁鐵厚度大的馬達高。即，只要去磁性能許可，減少磁鐵的厚度能夠減少磁鐵使用量得到高效率。圖11所示的圓周方向的剖面為拱形的永久磁鐵，具有在去磁性能方面富裕的厚度厚的部分，但是不能夠期待那種程度地由厚度增大引起的輸出轉矩的增加，反而存在著導致磁鐵使用量的增加的問題。作為解除它的方法，如圖13所示，考慮使永久磁鐵的圓周方向的剖面為圓弧狀，但是通過這樣做，當具有與圓周方向的剖面為拱形的磁鐵相同的抑制轉矩脈動的效果時，與這種圓周方向的剖面為拱形的磁鐵比較，可以減少磁鐵使用量。但是，形成這種圓筒形狀的永久磁鐵，與圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵比較，因為形狀特殊，所以在制作上要花費工夫，當將這種圓筒形狀的永久磁鐵用于多極的大型馬達時， 除了顯著損害磁鐵的正確作成外，不得不使定子鐵心的形狀也與永久磁鐵的形狀一致地復
ο圖14是比較圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵1A(實線)和圓周方向的剖面為拱形的永久IB(虛線)地進行表示的圖。在圖14中，使用箭頭X表示的圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵IA和圓周方向的剖面為拱形的永久IB的圓周方向的邊部Ib的厚度相等，圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵IA的厚度在整體上是均勻的，但是圓周方向的剖面為拱形的永久磁鐵1B，與其一方的定子(未圖示)對置的面，如虛線所示，在整個周邊方向的中央部Ic中從圓周方向的周邊部Ib向上隆起成圓弧狀。如上述那樣，永久磁鐵的去磁耐力大致由該磁鐵的厚度和物理特性決定，當以在周邊部Ib中得到預定的去磁耐力的方式，設定該周邊部Ib中的厚度時，因為在圓周方向的剖面為拱形的永久磁鐵IB中，其周邊方向中央部Ic的厚度比周邊部Ib的厚度厚，所以該周邊方向中央部Ic中的去磁耐力比周邊部Ib中的去磁耐力大，但是這只是在去磁耐力中存在這種程度的富裕而已，是無用的，實質上，能夠使圓周方向的剖面為拱形的磁鐵IB和圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵IA的去磁耐力大致相同。又，在圓周方向的剖面為拱形的永久磁鐵IB中即便增加在其周邊方向中央部Ic中的厚度，如圖12中說明了的那樣，也不能夠期待這種程度地增加由它產生的輸出轉矩，圓周方向的剖面為拱形的磁鐵IB 的磁鐵使用量(質量)必然增大。另一方面，圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵1A，因為不需要生成在去磁耐力方面也具有富裕的部分，所以無用的很少，與圓周方向的剖面為拱形的磁鐵IB比較能夠減少為了得到需要的輸出轉矩所需的磁鐵的大小，即磁鐵使用量。又，因為相對于圖13所示的圓周方向的剖面為圓弧狀的永久磁鐵，圓周方向的剖面為長方形狀和單純形狀，所以在磁鐵的制作性方面優越，并且定子鐵心的形狀也變得簡單了，在其制作性方面也很優越。這樣，圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵1A，與圓周方向的剖面為拱形的永久磁鐵IB和圓周方向的剖面為圓弧狀的永久磁鐵比較，在磁鐵使用量和制作性方面都很優越，但是當將它用于表面磁鐵式同步馬達中時，出現發生的轉矩脈動大的問題，需要抑制它。可是，這樣，使用圓周方向的剖面為長方形狀的永久磁鐵IA的表面磁鐵式同步馬達，例如，如上述專利文獻1，2中記載的那樣，是已經知道的。在上述專利文獻1中記載的表面磁鐵式馬達的情形中，當內轉子型時，從使永久磁鐵的定子側的表面，從在該表面的圓周方向兩側的邊部內切的包絡圓不超出外側的方式，用模制樹脂覆蓋，當外轉子型時，從使永久磁鐵的定子側的表面，從在該表面的圓周方向中央部外切的包絡圓不超出外側的方式，用模制樹脂覆蓋，形成與這樣地不用模制樹脂覆蓋永久磁鐵和定子側的表面之間的間隙的情形相同的大小，將永久磁鐵堅固地固定在轉子上，但是，在專利文獻1中記載著因此能夠充分地減少齒槽轉矩和轉矩脈動。但是，如上所述，即便用模制樹脂覆蓋永久磁鐵的表面，因為不改變在永久磁鐵和定子的表面之間的間隙的大小，所以能夠與這樣地不用模制樹脂覆蓋的情形相同程度地減少齒槽轉矩和轉矩脈動，因為用模制樹脂覆蓋永久磁鐵的表面，所以不能夠更多地減少齒槽轉矩和轉矩脈動。顯然，當內轉子型時，使永久磁鐵和定子之間的間隙，在永久磁鐵的圓周方向中央部大，在永久磁鐵的圓周方向兩側的邊部小，但是該狀態的間隙內的磁通量密度的分布，不是正弦波狀而接近矩形波，不能夠達到積極地減少轉矩脈動的目的。又，上述專利文獻2中記載的技術涉及通過將永久磁鐵嵌入地安裝在設置在轉子中的溝中，不通電時的轉矩變動，所謂的齒槽轉矩的減少，不能夠達到減少通電旋轉時的轉矩脈動的目的。例如，電梯卷揚機用的馬達，幾乎不會在不通電時使用，因此當然，必須抑制通電旋轉時的轉矩脈動。通過減少齒槽轉矩，雖然可以減少通電旋轉時的齒槽轉矩的頻率成分，但是不能夠減少除此以外的轉矩變動的頻率成分，特別是，作為在直接驅動的電梯卷
6揚機用的馬達中需要抑制的轉矩脈動特性，為了使通電旋轉時的轉矩脈動的各頻率成分分別在時間平均轉矩的百分比之幾以下的水平，需要抑制到很小的水平，但是在上述專利文獻2中記載的技術中，不能夠將轉矩脈動特性抑制到這樣小的水平，也不能夠進行這樣的抑制。本發明的目的是解除這種問題，提供用圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵，以其各頻率成分對時間平均轉矩為百分之幾以下的方式，能夠將通電旋轉時的轉矩脈動抑制到小的水平的外轉子型的永久磁鐵式同步馬達。為了達到上述目的，本發明的永久磁鐵式同步馬達，其具有定子，其在定子鐵心的齒間的槽內配置有定子線圈，該定子線圈卷繞于該齒；和轉子，其在轉子鐵心的該定子側的表面，在圓周方向上等間隔配置有多個永久磁鐵，其特征是，該永久磁鐵是圓周方向的剖面形狀為長方形的磁鐵，該定子側的表面突出于該轉子鐵心的該表面而配置在該轉子鐵心上；在該定子的外側配置該轉子，成為外轉子型馬達。又，本發明的特征是在上述轉子鐵心的上述表面上設置有溝，上述永久磁鐵嵌入貼附于該溝中。又，本發明的特征是上述定子的上述槽是完全開放于上述轉子和上述定子之間的間隙的開放槽。又，本發明的特征是上述定子線圈是集中卷繞在上述齒上的集中線圈。又，本發明的特征是相對于上述轉子的極節距，上述永久磁鐵的圓周方向的開度角的比率為70% 90%。又，本發明的特征是上述齒的前端面是向上述轉子側突出的圓周方向上的圓弧狀的表面；上述齒的前端面的圓周方向的面形狀的曲率半徑艮，與上述定子鐵心的外半徑Rst 相比，為Rt < Rst的關系。進一步，其特征是，上述齒的上述曲率半徑相對于上述定子鐵心的外半徑Rst的比率為5%~ 40%。又，本發明的特征是其是馬達外徑的剖面寬度比軸長度大的薄型馬達。又，本發明的特征是轉子的磁極數為16以上。當根據本發明時，用圓周方向的剖面形狀為長方形的永久磁鐵，以其各頻率成分， 在全部分區域中，為對時間平均轉矩百分之幾以下的水平的方式，可以減少轉矩脈動，而且，能夠達到減少磁鐵質量(對1塊磁鐵的材料使用量)和提高制作性的目的。


圖1是表示根據本發明的永久磁鐵式同步馬達的第1實施方式的部分剖面圖。圖2是更詳細地表示圖1中的永久磁鐵的到旋轉鐵心的安裝狀態的部分剖面圖。圖3是表示用圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵1的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達的部分剖面圖。圖4是表示用圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵1的內轉子型的表面磁鐵式同步馬達的部分剖面圖。圖5是表示圖1所示的永久磁鐵1的開度角τ pm和轉矩脈動的關系的特性圖。圖6是表示半閉合槽的一般形狀的剖面圖。
圖7是表示圖1中Rt = Rst時的轉矩脈動的特性圖。圖8是表示圖1中的曲率半徑對圓C的半徑Rst的比率為4. 5 %時的轉矩脈動的特性圖。圖9是表示根據本發明的永久磁鐵式同步馬達的第2實施方式的部分剖面圖。圖10是表示在與已有的內轉子型的表面磁鐵式同步馬達的旋轉軸垂直的面中看的剖面的一部分的剖面圖。圖11是表示馬達的圓周方向的剖面為拱形的永久磁鐵的剖面圖。圖12是表示與內轉子型的M極的表面磁鐵式同步馬達中的磁鐵厚度和輸出轉矩的關系有關的磁場解析結果的圖。圖13是表示用圓周方向的剖面為圓弧狀的永久磁鐵的馬達的部分剖面圖。圖14是比較地表示圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵和圓周方向的剖面為拱狀的永久磁鐵的圖。
具體實施例方式下面，用

根據本發明的實施方式。圖1是表示根據本發明的永久磁鐵式同步馬達的第1實施方式的部分剖面圖，1是永久磁鐵，2是轉子鐵心，2a是磁鐵貼附面，3是轉子，4是基座鐵心，5是齒，6是定子，7是間隙，9是槽，10是定子線圈。在該圖中，該第1實施方式是將轉子3配置在定子8的外側的外轉子型的永久磁鐵式同步馬達，這里，設想成為轉矩脈動大的問題的直接驅動型電梯卷揚機用的驅動馬達， 但是不限定于此。轉子3，具有在其轉子鐵心2的內面(間隙7側的面)，即，磁鐵貼附面加上沿圓周方向排列地設置有多個永久磁鐵1的構成，這些永久磁鐵1的圓周方向的剖面為長方形。 這里，這些永久磁鐵1是S極和N極的永久磁鐵，在轉子鐵心2的內面上交替地排列著S極的永久磁鐵1和N極的永久磁鐵1，排列的S極的永久磁鐵1和N極的永久磁鐵1的個數相等，是馬達極數的一半。在轉子鐵心2的磁鐵貼附面加上，沿其圓周方向，等間距地設置有成為寬度與永久磁鐵的圓周方向的寬度相等的凹形狀的溝，并且這些各條溝，以其平面狀的底面的圓周方向中心點處的垂線向著該永久磁鐵式同步馬達的旋轉中心軸的方式形成，且其側壁成為對底面的垂直面不設置變形部，將永久磁鐵1嵌入并貼附在這種各條溝中。圖2是更詳細地表示永久磁鐵1的到旋轉鐵心2的安裝狀態的部分剖面圖。Ib是永久磁鐵1的圓周方向邊部，11是上述溝，12是來自永久磁鐵1的邊部的磁通量，在與圖1 對應的部分上附加相同的標號，省略對它們的重復說明。在該圖中，嵌入了永久磁鐵1的溝11具有防止該永久磁鐵1的的位置偏離的結構，但是進一步，也為了使來自永久磁鐵1的圓周方向邊部Ib的磁通量12泄漏到轉子鐵心 2，使間隙7中的磁通量密度的分布成為正弦波狀。由永久磁鐵1產生的磁通量，與間隙(空氣)比較更容易在轉子鐵心2那樣的磁性體中流動，磁通量具有在容易流動的方向中流動的傾向。因此，在轉子鐵心2中設置溝11，將永久磁鐵1嵌入并貼附在溝11中，該永久磁鐵1的圓周方向的邊部Ib接近由磁性體構成的轉子鐵心2的表面，從該邊部Ib流到轉子鐵心2的磁通量增加該份數，而從該邊部Ib流到定子6的磁通量減少該份數。因此，從永久磁鐵1的圓周方向中心部分通過間隙7流出的磁通量增多，從邊部Ib通過間隙7流出的磁通量減少，因此，永久磁鐵1和定子6之間的間隙7中的磁通量密度的分布成為正弦波狀。回到圖1，設置在定子6上的齒(突極)5，被絕緣材料(未圖示)覆蓋著，在齒5 間的槽9中，配置有定子線圈10。該定子線圈10是從覆蓋齒5的絕緣材料上集中地卷繞在齒5的側面上的集中線圈。這里，定子6，例如，形成30極36槽的構成。這里，在齒5以外的需要絕緣材料的部位，例如，與定子6的基座鐵心4的接觸部和槽中相鄰的定子線圈10 之間等中，用絕緣材料進行絕緣處理。此外，在定子6和轉子3中的任何一方中都不設置變形部(skew)。這里，比較使用圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵1的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達和內轉子型的表面磁鐵式同步馬達的特性。圖3是表示使用圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵1的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達的部分剖面圖，在與圖1對應的部分上附加相同的標號，省略對它們的重復說明。 此外，省略定子6側的詳細形狀。又，圖4是表示使用圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵1的內轉子型的表面磁鐵式同步馬達的部分剖面圖，在與圖1對應的部分上附加相同的標號，省略對它們的重復說明。此外，省略定子6側的詳細形狀。在圖3中，令永久磁鐵1的外表面Ia上從圓周方向中央部Ic到定子6的間隙7 尺寸為a，令永久磁鐵1的外表面Ia上從圓周方向邊部Ib到定子6的間隙7的尺寸為b， 則滿足a<b。在圖4中同樣，令永久磁鐵1的外表面Ia上從圓周方向中央部Ic到定子6的間隙7的尺寸為a'，令永久磁鐵1的外表面Ia上從圓周方向邊部Ib到定子6的間隙7的尺寸為b'，則滿足a' >b'。這里，當以a = b' , a' = b的方式構成圖3所示的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達和圖4所示的內轉子型的表面磁鐵式同步馬達時，成為a' >a, b' <b，但是兩者的間隙7的平均尺寸大致相等。但是，最有助于轉矩的間隙尺寸小的部分，在圖3所示的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達情況下，是永久磁鐵1的外表面Ia上圓周方向中央部lc，在圖 4所示的內轉子型的表面磁鐵式同步馬達情況下，是永久磁鐵1的外表面Ia上圓周方向兩側得的邊部lb。又，如圖2所示，永久磁鐵1的外表面Ia上來自圓周方向兩側的邊部Ib的磁通量，其一部分泄漏到定子鐵心2，泄漏到不同極性的相鄰的永久磁鐵1，減少了有效的磁通量，但是永久磁鐵1的外表面Ia上來自圓周方向中央部Ic的磁通量幾乎不泄漏，有效磁通量大。特別是，當圖3所示的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達的情況下，有效磁通量大的永久磁鐵1的外表面Ia上從圓周方向中央部Ic到定子6的間隙尺寸a，比內轉子型的表面磁鐵式同步馬達中永久磁鐵1的外表面Ia上從圓周方向中央部Ic到定子6的間隙尺寸 a'小。這樣，在永久磁鐵1的外表面Ia上的圓周方向兩側的邊部Ib上，圖3所示的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達與圖4所示的內轉子型的表面磁鐵式同步馬達比較，間隙尺寸大，但有效磁通量少，圖3所示的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達與圖4所示的內轉子型的表面磁鐵式同步馬達相比，在有效磁通量多的永久磁鐵1的外表面Ia上的圓周方向中央部 Ic處間隙尺寸小，所以磁鐵每單位質量的轉矩增大，在這方面，圖3所示的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達是有利的。從此，該第1實施方式是外轉子型的表面磁鐵式同步馬達。又，在圖3所示的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達中，在永久磁鐵1的外表面Ia 上的圓周方向中央部Ic處間隙尺寸a小，在永久磁鐵1的外表面Ia上的圓周方向兩側的邊部Ib處間隙尺寸b小，因此能夠得到與使永久磁鐵1的圓周方向的剖面為拱形時相同的效果，可以預料包含齒槽轉矩(Cogging Torque)的轉矩脈動的減少。與此相對，因為在圖4 所示的內轉子型的表面磁鐵式同步馬達中，與拱形相反，在永久磁鐵1的外表面Ia上的圓周方向兩側的邊部Ib處突出，在永久磁鐵1的外表面Ia上的圓周方向中央部Ic處形成凹形狀，所以間隙7內的磁通量密度的分布成為矩形狀，相反地轉矩脈動增加。可是，在圖3所示的外轉子型的表面磁鐵式同步馬達中，當用于電梯卷揚機用的驅動馬達時，對它需要的轉矩脈動特性，即，對于0% 最大轉矩的全負載區域，為了得到使轉矩變動的各頻率成分在時間平均轉矩的百分之幾以下的極小的轉矩脈動特性，需要對轉子3的形狀和定子6的形狀進行優化。下面，說明這種優化，首先說明轉子3的形狀的優化。為了對全負載區域，如上所述地，使轉矩變動的各頻率成分小，必須使轉子3的形狀的優化，適當地設定永久磁鐵1的圓周方向的開度角與轉子3的極節距的比率。圖5是表示圖1所示的永久磁鐵1的開度角τ pm和轉矩脈動的關系的特性圖。圖 5(a)表示當該開度角τρω適當時的狀態，圖5(b)表示當該開度角τρω不適當時的狀態。具體地說，圖5(a)表示當永久磁鐵1的開度角τρω為轉子3的極節距％的82%時的狀態， 圖5(b)表示當永久磁鐵1的開度角τρω為轉子3的極節距％的65%時的狀態。這里，在圖1中，永久磁鐵1的開度角τ pm 以馬達的旋轉中心為原點，從該原點看，從永久磁鐵1 的圓周方向的寬度的一端到另一端的角度。這里，決定永久磁鐵1的圓周方向的寬度的“一端”、“另一端”的端部是與永久磁鐵的外表面Ia相反側的面上圓周方向上的端部Id。轉子3的極節距τ p 從上述原點看，從轉子3的每1極的寬度的一端到另一端的角度。例如，當轉子3的磁極數為30極時，轉子3的極節距τ ρ的機械角成為360° /30 = 12°。當根據永久磁鐵1的開度角τ pm和轉子3的極節距τ ρ進行上述定義時，例如，當令永久磁鐵1的開度角τρω為10°，轉子3的極節距％為12°時，永久磁鐵1的開度角 τρηι相對于轉子3的極節距τ 5的比率為10° Χ100/12。= 83.33%。又，圖11表示轉矩變動的1次 6次成分，但是這些成分是1次成分轉矩變動的頻率為同步頻率的6倍2次成分轉矩變動的頻率為同步頻率的12倍3次成分轉矩變動的頻率為同步頻率的18倍4次成分轉矩變動的頻率為同步頻率的M倍5次成分轉矩變動的頻率為同步頻率的30倍6次成分轉矩變動的頻率為同步頻率的36倍在沒有制作尺寸誤差的理想的永久磁鐵式同步馬達的情況下，1次成分是馬達通
10電時發生的轉矩脈動的基本成分，這里，2次成分是由轉子3和定子6的突極數的關系決定的齒槽轉矩的基本成分。又，同步頻率是由極數和旋轉速度求得的值，當令極數為P，旋轉速度為 N(r/min)時，同步頻率=(Ν/60) X (P/2) (Hz)。在圖5(a)，(b)中，橫軸為轉矩，縱軸為轉矩變動對時間平均轉矩的比率，但是在轉矩為0%時的轉矩脈動用百分率表示時，成為無限大，所以省略了。可是，為了能夠得到轉矩變動的各頻率成分為時間平均轉矩的百分之幾以下極小的轉矩脈動特性，充分減少轉矩脈動，不僅要使永久磁鐵1的開度角τ pm優化，也必須使定子6的形狀優化。圖5是表示當也使定子6的形狀優化時的轉矩脈動的特性，但是圖5(a)是如上述那樣，令永久磁鐵1的開度角τρω相對于轉子3的極節距τ 5的比率為82%，對永久磁鐵1 的開度角τρω優化的圖，圖5(b)是如上述那樣，令永久磁鐵1的開度角τρω相對于轉子3 的極節距τ ρ的比率為65%，而未對永久磁鐵1的開度角τρω優化的圖。在圖5(a)所示的轉矩脈動特性中，能夠將轉矩脈動的各頻率成分，在整個全負載區域(整個大致0% 最大轉矩的區域)上，抑制到相當小的水平，即便是大的水平也能夠在約0.8%以下。與此相對，也對定子6的形狀進行優化，但是在不對永久磁鐵1的開度角τρω優化的圖5(b)的情形中，與圖5(a)比較，整體地轉矩脈動大，特別是，在低負載區域(低轉矩脈動)上，2次成分非常大，相反地在高負載區域上，1次成分非常大。此外，由馬達的極數和槽數決定的齒槽轉矩的基本波，如上述那樣，包含在2次成分中。如上所述，也對定子6的形狀優化，但是在不對永久磁鐵1的開度角τρω優化的圖 5(b)的情形中，出現轉矩脈動特性表現明顯，具有這種惡化的轉矩脈動特性的表面磁鐵式同步馬達，作為電梯卷揚機用的驅動馬達是不適合的。為了得到對全負載區域的轉矩變動的各頻率相對于時間平均轉矩在百分之幾以下那樣的極小的轉矩脈動特性，在對定子6的形狀優化的狀態下，適宜使永久磁鐵1的開度角τρηι相對于轉子3的極節距為70% 90%。這里，說明定子6的形狀的優化。這里，在圖1中，著眼于收容定子線圈10的槽9的形狀，該槽9的形狀具有完全開放于間隙7側的開口部，將上述槽9稱為開放槽。與此相對，圖6是表示半閉合槽的一般形狀的剖面圖，9'是槽，13是突起部，在與前出附圖對應的部分上附加相同的標號，省略對它們的重復說明。在圖6中，以使槽9'的間隙側的開口部部分地關閉的方式，在齒5中在前端側部分設置有突起部13，這種槽9'為半閉合槽的一般形狀。在這種半閉合槽9'的情況下，由于齒5的前端部的突起部13，在其周邊部分中具有磁通量密度變得極端高的傾向，容易引起磁飽和。這成為該突起部13附近的磁路剖面比其它部位小的主要原因，但是因為馬達的每單位體積的輸出轉矩越大的馬達，即越是積極地進行了小型化的馬達，越盡可能地縮小磁路剖面，所以顯著地出現磁通量密度變得極端地高而發生磁飽和這一特性。電梯卷揚機用的驅動馬達，小型化也成為1個重要課題，容易出現這種特性。這種馬達，因為轉矩脈動大小容易受到磁飽和水平的影響，所以如電梯卷揚機用的驅動馬達那樣，當需要抑制不僅對特定的負載區域而且對全負載區域的轉矩脈動CN 102545512 A時，抑制轉矩脈動和小型化難以兼顧。又，當在轉子和定子中不設置對抑制轉矩脈動具有很大效果的變形部(skew)時，抑制轉矩脈動和小型化越加難以兼顧。因此，在該第1實施方式中，為了抑制對全負載區域的轉矩脈動，作為定子6的形狀，如圖1所示，使槽9成為開放槽。通過這樣做，因為在齒5的前端部中沒有磁路剖面小的突起部，所以不存在磁通量密度極端高的部分。從而，與圖6所示的半閉合槽的情形比較容易抑制和控制對全負載區域的轉矩脈動。又，在該第1實施方式中，在圖1中，使齒5的前端面沿圓周方向轉子3側突出的圓弧狀。這里，設想最突出到各齒5的前端面的轉子3側的圓周方向的中心部分內切的將馬達的旋轉中心(原點)作為中心的圓(定子鐵心的周面)C，令該圓C的半徑(定子鐵心的外徑(半徑))為Rst。又，當令齒5的前端面的圓周方向的圓弧的曲率半徑為艮時，滿足 Rt < Rsto因此，齒5的前端面不從圓C向轉子3側凸出。這樣，在該第1實施方式中，作為定子6側的1個形狀，通過使< Rst，能夠達到減少轉矩脈動的目的。圖7是表示當= Rst時的轉矩脈動的特性圖，在與圖5對應的部分上附加相同的標號，省略對它們的重復說明。在圖7中，這時，齒5的前端面與圓C 一致。這里，與圖5(a)的情形相同使轉子3 的形狀優化，但是在圖5(a)中，也使齒5的前端面的圓周方向的圓弧的曲率半徑為Rt相對于圓C的半徑Iist優化，使轉子3的形狀，或者使定子6的形狀優化。當比較圖7所示的特性圖和圖5(a)所示的特性圖時，轉矩脈動的大小整體地增大，特別是，在低負載區域上，2次成分極端增大。由于2次成分包含齒槽轉矩的基本頻率， 因此通過使艮< I^st，轉子3旋轉時的磁場變化變得平滑，出現了減少齒槽轉矩的效果，也可以減少1次成分那樣的轉矩脈動。這里，為了對齒5的前端面的圓周方向的圓弧的曲率半徑艮優化，曲率半徑Rt相對于圓C的半徑Rst的比率的上限為40%。當超過該上限值時，難以在全負載區域上抑制轉矩脈動，特別是，如圖7所示，低負載時的轉矩脈動上升。圖8是表示曲率半徑相對于圓C的半徑Rst的比率為4. 5 %，其它條件與圖7的情形相同時的轉矩脈動的特性圖，在與圖5對應的部分上附加相同的標號，省略對它們的重復說明。當率半徑Rt相對于圓C的半徑Rst的比率小時，與圖7所示的特性比較，低負載時的轉矩脈動變小，減少了全負載區域上的轉矩脈動，但是當該比率過小時，如圖8所示，高負載時的轉矩脈動的1次成分急劇上升。當不對轉子3的形狀優化時，該傾向更顯著地出現，作為電梯卷揚機用的驅動馬達，成為不合適的特性。為了從圖8所示的特性減少高負載時的轉矩脈動，只要使曲率半徑相對于圓C 的半徑Rst的比率高即可，通過使該比率的下限值為5%之低，高負載時的轉矩脈動不上升， 在整個全負載區域上，能夠以轉矩變動的各頻率成分在時間平均轉矩的百分之幾以下的方式，得到減少了轉矩脈動的特性。如以上那樣，該第1實施方式，是外轉子型的表面磁鐵式同步馬達，在轉子3側，在轉子鐵心2上設置沒有變形部(skew)的溝11(圖幻，在該溝11中嵌入并固定圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵1，并且作為轉子3的形狀，通過使永久磁鐵1的開度角τρω相對于轉子3的極節距τ p為70% 90%，而對轉子3的形狀優化，在定子6側，令槽9為開放槽，并且作為定子6的形狀，使齒5的前端面成為向轉子3側突出的圓周方向的圓弧狀，令該前端面的曲率半徑Rst相對于定子6的外半徑的比率為5 40%，而對定子6的形狀優化。如以上所述，可以實現轉矩脈動小的表面磁鐵式同步馬達，但是當用于直接驅動型的電梯卷揚機用的驅動馬達時，需要使馬達形狀扁平(薄型)，又，由于是扁平的，因此需要使馬達成為轉子的磁極數多的多極馬達。將電梯卷揚機設置在機械室或電梯升降路徑內，但是一般，設置電梯卷揚機的空間中的占地面積(剖面積)小，多是高度方向的容許空間比占地面積大的情況。因而，電梯卷揚機的外觀形狀具有剖面積(占地面積)小，高度方向大的傾向。其目的是，設置電梯設備的場所是建筑物內的空區域，通過使空區域不是沿橫方向而向高度方向，從而擴大建筑物的居住面積和商業面積。關于電梯卷揚機用的馬達也需要這樣。特別是，作為直接驅動型的電梯卷揚機用的驅動馬達的外觀形狀，多是軸長度比外徑寬度小的扁平形狀的情況。這是因為，馬達的軸長度大的電梯卷揚機需要以軸長大的量增大占地面積，但是相反地，馬達的軸長度小的電梯卷揚機能夠縮小需要的占地面積。但是，當使馬達的軸長度小時，馬達產生的轉矩因該減小量而減小。與此相對，由于馬達需要的轉矩不變，所以為了內插使馬達的軸長小的份數，需要擴大馬達的外徑。因此，作為電梯卷揚機用的驅動馬達多為扁平形狀。根據上述說明，直接驅動型的電梯卷揚機用的驅動馬達一般是大口徑的扁平馬達 (大口徑的薄型馬達)，以往，馬達外徑多為400mm以上，大的馬達外徑也超過1500mm。馬達的軸長是各種各樣的，但是大致在外徑的一半以下，也有使用軸長為外徑的1/10的超薄型的馬達。通常，轉子的磁極數與馬達外徑成比例增加，但是電梯卷揚機用的驅動馬達，如上所述，因為外徑大，所以可以使用16極，M極，30極，40極，60極等的多極馬達，實際上，最小極數是16極。上述第1實施方式也能夠成為這種大口徑的薄型馬達，因此，可以是直接驅動型的電梯卷揚機用的驅動馬達。圖9是表示根據本發明的永久磁鐵式同步馬達的第2實施方式的部分剖面圖，14 是間隙，對與上述附圖對應的部分上附加相同的標號，省略對它們的重復說明。在該圖中，該第2實施方式，在轉子3上的嵌入有永久磁鐵1的溝11的圓周方向兩側的邊部(即，在與永久磁鐵1的外表面Ia相反側的面側中上的圓周方向兩側的邊部所面對的部分)上設置空隙14。通過在將永久磁鐵1嵌入溝11的部分的邊部上設置空隙14，增加該部分的磁阻， 因此，減少該邊部的有效磁通量，如圖10所示的以往的表面磁鐵式同步馬達那樣，能夠得到與用圓周方向的剖面為拱形的永久磁鐵相同的效果，減少轉矩脈動。此外，在該第2實施方式中，作為定子6，例如，能夠形成圖6所示的以往那樣的構造，但是也可以形成圖1所示的構造。又，在圖1中，在溝11(圖2)內，也可以設置與該第 2實施方式同樣的空隙14。
又，該第2實施方式也可以是這種大口徑的薄型馬達，因此，可以作為直接驅動型的電梯卷揚機用的驅動馬達。如上述說明，在上述各實施方式中，通過用圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵 1，與用上述拱形的永久磁鐵的情形比較，除了能夠削減磁鐵的質量，制作性優異外，也可以有效地減少轉矩脈動特性，實現轉矩特性良好的表面磁鐵式同步馬達，例如，最適于電梯卷揚機用的驅動馬達等。
權利要求
1.一種永久磁鐵式同步馬達，其具有定子，其在定子鐵心的齒間的槽內配置有定子線圈，該定子線圈卷繞于該齒；和轉子，其在轉子鐵心的該定子側的表面，在圓周方向上等間隔配置有多個永久磁鐵，其特征在于該永久磁鐵是圓周方向的剖面形狀為長方形的磁鐵，該定子側的表面突出于該轉子鐵心的該表面而配置在該轉子鐵心上；在該定子的外側配置該轉子，成為外轉子型馬達， 在該轉子鐵心中，在該永久磁鐵的邊部設置有空隙。
2.如權利要求1所述的永久磁鐵式同步馬達，其特征在于 所述永久磁鐵式同步馬達為軸長比外徑小的扁平形狀。
3.如權利要求2所述的永久磁鐵式同步馬達，其特征在于 所述外徑為400mm以上。
4.如權利要求3所述的永久磁鐵式同步馬達，其特征在于 所述軸長為外徑的一半以下。
5.如權利要求4所述的永久磁鐵式同步馬達，其特征在于 所述軸長為外徑的1/10。
6.如權利要求1所述的永久磁鐵式同步馬達，其特征在于相對于所述轉子的極節距，所述永久磁鐵的圓周方向的開度角的比率為70% 90%。
7.如權利要求1 6中任一項所述的永久磁鐵式同步馬達，其特征在于 所述永久磁鐵式同步馬達是電梯卷揚機用驅動馬達。
全文摘要
本發明涉及永久磁鐵式同步馬達。作為外轉子型馬達，在轉子鐵心(2a)上形成溝，并將永久磁鐵(1)嵌入貼附在該溝中。使永久磁鐵(1)的開度角(τpm)為轉子(3)的極節距(τp)的70％～90％。在定子(6)側，使槽(9)為開口部為向轉子(3)與定子(6)之間的間隙(7)完全開放的開放槽，使齒(5)的前端面成為向轉子(3)側突出的圓周方向的圓弧狀，令該前端面的曲率半徑(Rst)相對于定子(6)的外半徑(Rt)的比率為5～40％。因此，用圓周方向的剖面為長方形的永久磁鐵，能夠以其各頻率成分在對時間平均轉矩的百分之幾以下的方式，將通電旋轉時的轉矩脈動抑制到小的水平。
文檔編號H02K21/14GK102545512SQ20121000631
公開日2012年7月4日 申請日期2009年1月24日 優先權日2008年6月20日
發明者二瓶秀樹, 北村正司, 北村英樹, 尾方尚文, 山崎政英, 田島文男 申請人:株式會社日立制作所