专利名称：永久磁铁式同步马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及在电梯卷扬机等的产业用机械等中使用的永久磁铁式同步马达。
背景技术：
永久磁铁式同步马达可以在许多不同的产业制品等中使用，对每一种制品都要求种种的特性和特征，但是其中一个是抑制转矩脉动，特别是，在强烈要求低噪声和低振动的制品中，必须将转矩脉动抑制到极小的水平。例如，用于电梯卷扬机的马达是其一个例子，但是特别是，在不用马达转矩的减速机构的直接驱动方式的电梯卷扬机的情形中，因为将马达转矩直接传达到电梯轿箱，所以当在马达转矩中存在脉动时，电梯轿箱上下振动显著地损害乘客的心情，因此，必须使该马达的转矩脉动特性极小。另一方面，在附有安装了减速机的减速机构的电梯卷扬机中，因为使该减速机成为缓冲部件，所以由该减速机减少马达的转矩脉动，难以传达到电梯轿箱。又，对于减速机来说，一般使用齿轮的齿轮减速机，该减速机自身的振动大。因此，因为马达的转矩脉动比该减速机自身的振动充分地小，所以马达的转矩脉动，实用上，很少成为问题。可是，作为电梯卷扬机，为了抑制电梯轿箱的振动(改善乘客的心情)，将不用减速机构的直接驱动方式的卷扬机和永久磁铁式同步马达组合起来的构成正在成为主流，但是在这种构成的情形中，马达的转矩脉动，与它的全部频率成分有关，需要使它与时间平均转矩的比例在百分之几以下的极小水平。又，在直接驱动方式的电梯卷扬机用的马达中，对于定额100 %转矩，最大转矩大致为200 300 %，关于从0 %的转矩到最大转矩的全负载区域，如上述那样，必须将转矩脉动的水平抑制到极小。此外，对定额转矩的最大转矩的大小与电梯的种类和用途相应是不同的，但是上述最大转矩的数值是一般的数值。作为减少在表面磁铁式同步马达中发生的转矩脉动的方法，至今，图10所示的技术是众所周知的。此外，图10是表示在与将转子配置在定子内侧的内转子型的表面磁铁式同步马达的旋转轴(未图示)垂直的面中看的剖面的一部分的剖面图，1是永久磁铁，Ia是外表面，2是转子铁心，3是转子，4是定子铁心，5是齿，6是间隙，7是变形部。在图10 (a)，(b)中，在转子3侧，在转子铁心2的表面上，沿该表面的圆周方向，在旋转轴方向(以下，称为轴方向)上排列设置有多个细长的永久磁铁1。又，在定子6侧，设置有多个从定子铁心4的内面，即转子3侧的面突出的齿5，在齿5之间的槽内，设置线圈 (未图示)卷绕在齿5上。在转子铁心2的设置了永久磁铁1的外周面和定子铁心4的齿 5的前端面之间，设置有间隙7，通过在各个定子铁心4的齿5中流过与3相当的相电流，在该转子2和定子6之间的间隙7内产生旋转磁场，通过该旋转磁场和永久磁铁1的电磁作用，对永久磁铁1产生电磁力使转子旋转。在这种内转子型的表面磁铁式同步马达中，至今，为了减少转矩脉动，如图10(a) 所示，使永久磁铁1的定子6侧的表面，S卩，外表面Ia成圆筒面状，使永久磁铁1的圆周方向的剖面成为拱形(以下，将这种剖面形状的永久磁铁称为圆周方向的剖面为拱形的永久磁铁)，如图10(b)所示，在定子的齿5的侧面形成变形部7。或者，在转子3侧形成变形部， 将图10(a)所示的方法和图10(b)所示的方法组合起来也是众所周知的，也多用于动态驱动方式的电梯卷扬机用的表面磁铁式同步马达中。当马达的间隙中的磁通量密度的分布接近正弦波状时，转矩脉动变小是已知的， 如图10(a)所示，使永久磁铁1的圆周方向的剖面为拱形就是以此为基础的。又，如图10(b) 所示，设置变形部6，在每个轴方向的马达剖面上发生的转矩脉动的周期中产生相位差(时间差)，因此，转矩脉动成分相互抵消。另一方面，用两面平坦平行的圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁(以下，称为圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁)的表面磁铁式同步马达也是众所周知的(例如，请参照专利文献1，2)。作为这方面的一个例子的专利文献1中记载的表面磁铁式马达，在直到设置在转子中的永久磁铁的表面的一部分覆盖着模制树脂，将永久磁铁坚固地固定在转子上，将转子配置在定子的内侧的内转子型马达的情形中，因为从圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁的圆周方向两侧的边部到定子的间隔最狭窄，所以以不超出与这种两侧的边部内切的包络圆的外侧(定子侧)的方式，用模制树脂覆盖永久磁铁的表面的圆周方向中央部。在将转子配置在定子外侧的外转子型的表面磁铁式同步马达的情形中，因为圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁的圆周方向中央部到定子的间隔最狭窄，所以以不超出与这种中央部外切的包络圆的外侧(定子侧)的方式，用模制树脂覆盖永久磁铁表面的圆周方向两侧的边部。这样一来，当用模制树脂将永久磁铁固定在转子上时，用模制树脂覆盖永久磁铁的部分增多，因此，能够将永久磁铁更坚固地固定在转子上，但是这时，因为从上述包络圆看不出模制树脂，所以与这样在永久磁铁的表面上不覆盖模制树脂的情形比较，不需要增加永久磁铁和定子之间的间隙量，因此，能够减少齿槽转矩(Cogging Torque)和转矩脉动。作为另一个例子的上述专利文献2中记载的技术是在外转子型的马达中减少马达电源断开状态中的齿槽转矩。齿槽转矩是当永久磁铁的边部与定子侧的齿间的槽开口部对置时，由根据从该永久磁铁的圆周方向边部向外的磁通量，在与转子的旋转方向相反方向中产生的转矩生成的，上述专利文献2中记载的技术是通过将永久磁铁安装在设置在转子中的沟内，增加从永久磁铁的圆周方向边部传到转子的磁铁，减少从该圆周方向边部向着槽开口部的磁通量，因此，减少齿槽转矩。专利文献1 日本专利特开2004-322455号公报专利文献2 日本专利特开2002-331986号公报
发明内容
作为用于减少表面磁铁式同步马达中的转矩脉动的已有技术，如上述那样，如图 10(a)所示，使永久磁铁的定子侧的表面形状为圆筒面状，该永久磁铁的圆周方向的剖面为拱形的技术的技术和如图10(b)所示，将变形部设置在定子侧或转子侧或它们双方的技术是众所周知的，一般使用这些技术，但是使前着的永久磁铁的圆周方向的剖面为拱形，对于永久磁铁的去磁耐力是不利的，又，设置后者的变形部存在着使有效磁通量降低那样的问题，当要解除这种问题时，存在着导致磁铁使用量(制作磁铁所需的材料的使用量质量) 增加和马达大型化那样的问题。
下面，对它们进行说明。 永久磁铁的去磁耐力由永久磁铁自身的物理特性和厚度决定，但是如果磁铁的物理特性相同，则由磁铁的厚度决定，厚度越厚磁铁的去磁耐力越大。用表示永久磁铁1的圆周方向的剖面的图11，当看上述圆周方向的形状为拱形的永久磁铁1的去磁耐力时，因为与圆周方向的中央部B比较，圆周方向的边部A中的厚度薄，所以在该边部A中的去磁耐力小。为了得到某种程度的去磁耐力，必须使磁铁的厚度在某个程度以上(一般，由永久磁铁的物理特性和定子给予永久磁铁的逆磁场的大小，磁铁的温度等决定)，但是当圆周方向的剖面为拱形的永久磁铁时，因为具有厚度薄的部分(边部A)，所以对于去磁耐力是不利的，并且在厚度厚的部分的圆周方向的中央部B中，具有富裕的去磁耐力的情形是很多的。可是，在表面磁铁式同步马达中，当看永久磁铁的厚度和输出转矩的关系时，虽然在磁铁的厚度和输出转矩之间，正比例关系成立，但是输出转矩增加的比例，相对于磁铁厚度增加的比例小。图12是表示与内转子型的M极的表面磁铁式同步马达中的磁铁厚度和输出转矩的关系有关的磁场解析结果的图，如图所示，看到当磁铁厚度增加时输出转矩也增加，但是输出转矩增加的比例，相对于磁铁厚度增加的比例小。从而看到，在表面磁铁式同步马达中，当用称为磁铁的每单位质量的输出转矩的指标进行比较时，可以说磁铁厚度小的马达的效率比磁铁厚度大的马达高。即，只要去磁性能许可，减少磁铁的厚度能够减少磁铁使用量得到高效率。图11所示的圆周方向的剖面为拱形的永久磁铁，具有在去磁性能方面富裕的厚度厚的部分，但是不能够期待那种程度地由厚度增大引起的输出转矩的增加，反而存在着导致磁铁使用量的增加的问题。作为解除它的方法，如图13所示，考虑使永久磁铁的圆周方向的剖面为圆弧状，但是通过这样做，当具有与圆周方向的剖面为拱形的磁铁相同的抑制转矩脉动的效果时，与这种圆周方向的剖面为拱形的磁铁比较，可以减少磁铁使用量。但是，形成这种圆筒形状的永久磁铁，与圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁比较，因为形状特殊，所以在制作上要花费工夫，当将这种圆筒形状的永久磁铁用于多极的大型马达时， 除了显著损害磁铁的正确作成外，不得不使定子铁心的形状也与永久磁铁的形状一致地复
ο图14是比较圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁1A(实线)和圆周方向的剖面为拱形的永久IB(虚线)地进行表示的图。在图14中，使用箭头X表示的圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁IA和圆周方向的剖面为拱形的永久IB的圆周方向的边部Ib的厚度相等，圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁IA的厚度在整体上是均勻的，但是圆周方向的剖面为拱形的永久磁铁1B，与其一方的定子(未图示)对置的面，如虚线所示，在整个周边方向的中央部Ic中从圆周方向的周边部Ib向上隆起成圆弧状。如上述那样，永久磁铁的去磁耐力大致由该磁铁的厚度和物理特性决定，当以在周边部Ib中得到预定的去磁耐力的方式，设定该周边部Ib中的厚度时，因为在圆周方向的剖面为拱形的永久磁铁IB中，其周边方向中央部Ic的厚度比周边部Ib的厚度厚，所以该周边方向中央部Ic中的去磁耐力比周边部Ib中的去磁耐力大，但是这只是在去磁耐力中存在这种程度的富裕而已，是无用的，实质上，能够使圆周方向的剖面为拱形的磁铁IB和圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁IA的去磁耐力大致相同。又，在圆周方向的剖面为拱形的永久磁铁IB中即便增加在其周边方向中央部Ic中的厚度，如图12中说明了的那样，也不能够期待这种程度地增加由它产生的输出转矩，圆周方向的剖面为拱形的磁铁IB 的磁铁使用量(质量)必然增大。另一方面，圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁1A，因为不需要生成在去磁耐力方面也具有富裕的部分，所以无用的很少，与圆周方向的剖面为拱形的磁铁IB比较能够减少为了得到需要的输出转矩所需的磁铁的大小，即磁铁使用量。又，因为相对于图13所示的圆周方向的剖面为圆弧状的永久磁铁，圆周方向的剖面为长方形状和单纯形状，所以在磁铁的制作性方面优越，并且定子铁心的形状也变得简单了，在其制作性方面也很优越。这样，圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁1A，与圆周方向的剖面为拱形的永久磁铁IB和圆周方向的剖面为圆弧状的永久磁铁比较，在磁铁使用量和制作性方面都很优越，但是当将它用于表面磁铁式同步马达中时，出现发生的转矩脉动大的问题，需要抑制它。可是，这样，使用圆周方向的剖面为长方形状的永久磁铁IA的表面磁铁式同步马达，例如，如上述专利文献1，2中记载的那样，是已经知道的。在上述专利文献1中记载的表面磁铁式马达的情形中，当内转子型时，从使永久磁铁的定子侧的表面，从在该表面的圆周方向两侧的边部内切的包络圆不超出外侧的方式，用模制树脂覆盖，当外转子型时，从使永久磁铁的定子侧的表面，从在该表面的圆周方向中央部外切的包络圆不超出外侧的方式，用模制树脂覆盖，形成与这样地不用模制树脂覆盖永久磁铁和定子侧的表面之间的间隙的情形相同的大小，将永久磁铁坚固地固定在转子上，但是，在专利文献1中记载着因此能够充分地减少齿槽转矩和转矩脉动。但是，如上所述，即便用模制树脂覆盖永久磁铁的表面，因为不改变在永久磁铁和定子的表面之间的间隙的大小，所以能够与这样地不用模制树脂覆盖的情形相同程度地减少齿槽转矩和转矩脉动，因为用模制树脂覆盖永久磁铁的表面，所以不能够更多地减少齿槽转矩和转矩脉动。显然，当内转子型时，使永久磁铁和定子之间的间隙，在永久磁铁的圆周方向中央部大，在永久磁铁的圆周方向两侧的边部小，但是该状态的间隙内的磁通量密度的分布，不是正弦波状而接近矩形波，不能够达到积极地减少转矩脉动的目的。又，上述专利文献2中记载的技术涉及通过将永久磁铁嵌入地安装在设置在转子中的沟中，不通电时的转矩变动，所谓的齿槽转矩的减少，不能够达到减少通电旋转时的转矩脉动的目的。例如，电梯卷扬机用的马达，几乎不会在不通电时使用，因此当然，必须抑制通电旋转时的转矩脉动。通过减少齿槽转矩，虽然可以减少通电旋转时的齿槽转矩的频率成分，但是不能够减少除此以外的转矩变动的频率成分，特别是，作为在直接驱动的电梯卷
6扬机用的马达中需要抑制的转矩脉动特性，为了使通电旋转时的转矩脉动的各频率成分分别在时间平均转矩的百分比之几以下的水平，需要抑制到很小的水平，但是在上述专利文献2中记载的技术中，不能够将转矩脉动特性抑制到这样小的水平，也不能够进行这样的抑制。本发明的目的是解除这种问题，提供用圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁，以其各频率成分对时间平均转矩为百分之几以下的方式，能够将通电旋转时的转矩脉动抑制到小的水平的外转子型的永久磁铁式同步马达。为了达到上述目的，本发明的永久磁铁式同步马达，其具有定子，其在定子铁心的齿间的槽内配置有定子线圈，该定子线圈卷绕于该齿；和转子，其在转子铁心的该定子侧的表面，在圆周方向上等间隔配置有多个永久磁铁，其特征是，该永久磁铁是圆周方向的剖面形状为长方形的磁铁，该定子侧的表面突出于该转子铁心的该表面而配置在该转子铁心上；在该定子的外侧配置该转子，成为外转子型马达。又，本发明的特征是在上述转子铁心的上述表面上设置有沟，上述永久磁铁嵌入贴附于该沟中。又，本发明的特征是上述定子的上述槽是完全开放于上述转子和上述定子之间的间隙的开放槽。又，本发明的特征是上述定子线圈是集中卷绕在上述齿上的集中线圈。又，本发明的特征是相对于上述转子的极节距，上述永久磁铁的圆周方向的开度角的比率为70% 90%。又，本发明的特征是上述齿的前端面是向上述转子侧突出的圆周方向上的圆弧状的表面；上述齿的前端面的圆周方向的面形状的曲率半径艮，与上述定子铁心的外半径Rst 相比，为Rt < Rst的关系。进一步，其特征是，上述齿的上述曲率半径相对于上述定子铁心的外半径Rst的比率为5%~ 40%。又，本发明的特征是其是马达外径的剖面宽度比轴长度大的薄型马达。又，本发明的特征是转子的磁极数为16以上。当根据本发明时，用圆周方向的剖面形状为长方形的永久磁铁，以其各频率成分， 在全部分区域中，为对时间平均转矩百分之几以下的水平的方式，可以减少转矩脉动，而且，能够达到减少磁铁质量(对1块磁铁的材料使用量)和提高制作性的目的。
图1是表示根据本发明的永久磁铁式同步马达的第1实施方式的部分剖面图。图2是更详细地表示图1中的永久磁铁的到旋转铁心的安装状态的部分剖面图。图3是表示用圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁1的外转子型的表面磁铁式同步马达的部分剖面图。图4是表示用圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁1的内转子型的表面磁铁式同步马达的部分剖面图。图5是表示图1所示的永久磁铁1的开度角τ pm和转矩脉动的关系的特性图。图6是表示半闭合槽的一般形状的剖面图。
图7是表示图1中Rt = Rst时的转矩脉动的特性图。图8是表示图1中的曲率半径对圆C的半径Rst的比率为4. 5 %时的转矩脉动的特性图。图9是表示根据本发明的永久磁铁式同步马达的第2实施方式的部分剖面图。图10是表示在与已有的内转子型的表面磁铁式同步马达的旋转轴垂直的面中看的剖面的一部分的剖面图。图11是表示马达的圆周方向的剖面为拱形的永久磁铁的剖面图。图12是表示与内转子型的M极的表面磁铁式同步马达中的磁铁厚度和输出转矩的关系有关的磁场解析结果的图。图13是表示用圆周方向的剖面为圆弧状的永久磁铁的马达的部分剖面图。图14是比较地表示圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁和圆周方向的剖面为拱状的永久磁铁的图。
具体实施例方式下面，用
根据本发明的实施方式。图1是表示根据本发明的永久磁铁式同步马达的第1实施方式的部分剖面图，1是永久磁铁，2是转子铁心，2a是磁铁贴附面，3是转子，4是基座铁心，5是齿，6是定子，7是间隙，9是槽，10是定子线圈。在该图中，该第1实施方式是将转子3配置在定子8的外侧的外转子型的永久磁铁式同步马达，这里，设想成为转矩脉动大的问题的直接驱动型电梯卷扬机用的驱动马达， 但是不限定于此。转子3，具有在其转子铁心2的内面(间隙7侧的面)，即，磁铁贴附面加上沿圆周方向排列地设置有多个永久磁铁1的构成，这些永久磁铁1的圆周方向的剖面为长方形。 这里，这些永久磁铁1是S极和N极的永久磁铁，在转子铁心2的内面上交替地排列着S极的永久磁铁1和N极的永久磁铁1，排列的S极的永久磁铁1和N极的永久磁铁1的个数相等，是马达极数的一半。在转子铁心2的磁铁贴附面加上，沿其圆周方向，等间距地设置有成为宽度与永久磁铁的圆周方向的宽度相等的凹形状的沟，并且这些各条沟，以其平面状的底面的圆周方向中心点处的垂线向着该永久磁铁式同步马达的旋转中心轴的方式形成，且其侧壁成为对底面的垂直面不设置变形部，将永久磁铁1嵌入并贴附在这种各条沟中。图2是更详细地表示永久磁铁1的到旋转铁心2的安装状态的部分剖面图。Ib是永久磁铁1的圆周方向边部，11是上述沟，12是来自永久磁铁1的边部的磁通量，在与图1 对应的部分上附加相同的标号，省略对它们的重复说明。在该图中，嵌入了永久磁铁1的沟11具有防止该永久磁铁1的的位置偏离的结构，但是进一步，也为了使来自永久磁铁1的圆周方向边部Ib的磁通量12泄漏到转子铁心 2，使间隙7中的磁通量密度的分布成为正弦波状。由永久磁铁1产生的磁通量，与间隙(空气)比较更容易在转子铁心2那样的磁性体中流动，磁通量具有在容易流动的方向中流动的倾向。因此，在转子铁心2中设置沟11，将永久磁铁1嵌入并贴附在沟11中，该永久磁铁1的圆周方向的边部Ib接近由磁性体构成的转子铁心2的表面，从该边部Ib流到转子铁心2的磁通量增加该份数，而从该边部Ib流到定子6的磁通量减少该份数。因此，从永久磁铁1的圆周方向中心部分通过间隙7流出的磁通量增多，从边部Ib通过间隙7流出的磁通量减少，因此，永久磁铁1和定子6之间的间隙7中的磁通量密度的分布成为正弦波状。回到图1，设置在定子6上的齿(突极)5，被绝缘材料(未图示)覆盖着，在齿5 间的槽9中，配置有定子线圈10。该定子线圈10是从覆盖齿5的绝缘材料上集中地卷绕在齿5的侧面上的集中线圈。这里，定子6，例如，形成30极36槽的构成。这里，在齿5以外的需要绝缘材料的部位，例如，与定子6的基座铁心4的接触部和槽中相邻的定子线圈10 之间等中，用绝缘材料进行绝缘处理。此外，在定子6和转子3中的任何一方中都不设置变形部(skew)。这里，比较使用圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁1的外转子型的表面磁铁式同步马达和内转子型的表面磁铁式同步马达的特性。图3是表示使用圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁1的外转子型的表面磁铁式同步马达的部分剖面图，在与图1对应的部分上附加相同的标号，省略对它们的重复说明。 此外，省略定子6侧的详细形状。又，图4是表示使用圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁1的内转子型的表面磁铁式同步马达的部分剖面图，在与图1对应的部分上附加相同的标号，省略对它们的重复说明。此外，省略定子6侧的详细形状。在图3中，令永久磁铁1的外表面Ia上从圆周方向中央部Ic到定子6的间隙7 尺寸为a，令永久磁铁1的外表面Ia上从圆周方向边部Ib到定子6的间隙7的尺寸为b， 则满足a<b。在图4中同样，令永久磁铁1的外表面Ia上从圆周方向中央部Ic到定子6的间隙7的尺寸为a'，令永久磁铁1的外表面Ia上从圆周方向边部Ib到定子6的间隙7的尺寸为b'，则满足a' >b'。这里，当以a = b' , a' = b的方式构成图3所示的外转子型的表面磁铁式同步马达和图4所示的内转子型的表面磁铁式同步马达时，成为a' >a, b' <b，但是两者的间隙7的平均尺寸大致相等。但是，最有助于转矩的间隙尺寸小的部分，在图3所示的外转子型的表面磁铁式同步马达情况下，是永久磁铁1的外表面Ia上圆周方向中央部lc，在图 4所示的内转子型的表面磁铁式同步马达情况下，是永久磁铁1的外表面Ia上圆周方向两侧得的边部lb。又，如图2所示，永久磁铁1的外表面Ia上来自圆周方向两侧的边部Ib的磁通量，其一部分泄漏到定子铁心2，泄漏到不同极性的相邻的永久磁铁1，减少了有效的磁通量，但是永久磁铁1的外表面Ia上来自圆周方向中央部Ic的磁通量几乎不泄漏，有效磁通量大。特别是，当图3所示的外转子型的表面磁铁式同步马达的情况下，有效磁通量大的永久磁铁1的外表面Ia上从圆周方向中央部Ic到定子6的间隙尺寸a，比内转子型的表面磁铁式同步马达中永久磁铁1的外表面Ia上从圆周方向中央部Ic到定子6的间隙尺寸 a'小。这样，在永久磁铁1的外表面Ia上的圆周方向两侧的边部Ib上，图3所示的外转子型的表面磁铁式同步马达与图4所示的内转子型的表面磁铁式同步马达比较，间隙尺寸大，但有效磁通量少，图3所示的外转子型的表面磁铁式同步马达与图4所示的内转子型的表面磁铁式同步马达相比，在有效磁通量多的永久磁铁1的外表面Ia上的圆周方向中央部 Ic处间隙尺寸小，所以磁铁每单位质量的转矩增大，在这方面，图3所示的外转子型的表面磁铁式同步马达是有利的。从此，该第1实施方式是外转子型的表面磁铁式同步马达。又，在图3所示的外转子型的表面磁铁式同步马达中，在永久磁铁1的外表面Ia 上的圆周方向中央部Ic处间隙尺寸a小，在永久磁铁1的外表面Ia上的圆周方向两侧的边部Ib处间隙尺寸b小，因此能够得到与使永久磁铁1的圆周方向的剖面为拱形时相同的效果，可以预料包含齿槽转矩(Cogging Torque)的转矩脉动的减少。与此相对，因为在图4 所示的内转子型的表面磁铁式同步马达中，与拱形相反，在永久磁铁1的外表面Ia上的圆周方向两侧的边部Ib处突出，在永久磁铁1的外表面Ia上的圆周方向中央部Ic处形成凹形状，所以间隙7内的磁通量密度的分布成为矩形状，相反地转矩脉动增加。可是，在图3所示的外转子型的表面磁铁式同步马达中，当用于电梯卷扬机用的驱动马达时，对它需要的转矩脉动特性，即，对于0% 最大转矩的全负载区域，为了得到使转矩变动的各频率成分在时间平均转矩的百分之几以下的极小的转矩脉动特性，需要对转子3的形状和定子6的形状进行优化。下面，说明这种优化，首先说明转子3的形状的优化。为了对全负载区域，如上所述地，使转矩变动的各频率成分小，必须使转子3的形状的优化，适当地设定永久磁铁1的圆周方向的开度角与转子3的极节距的比率。图5是表示图1所示的永久磁铁1的开度角τ pm和转矩脉动的关系的特性图。图 5(a)表示当该开度角τρω适当时的状态，图5(b)表示当该开度角τρω不适当时的状态。具体地说，图5(a)表示当永久磁铁1的开度角τρω为转子3的极节距％的82%时的状态， 图5(b)表示当永久磁铁1的开度角τρω为转子3的极节距％的65%时的状态。这里，在图1中，永久磁铁1的开度角τ pm 以马达的旋转中心为原点，从该原点看，从永久磁铁1 的圆周方向的宽度的一端到另一端的角度。这里，决定永久磁铁1的圆周方向的宽度的“一端”、“另一端”的端部是与永久磁铁的外表面Ia相反侧的面上圆周方向上的端部Id。转子3的极节距τ p 从上述原点看，从转子3的每1极的宽度的一端到另一端的角度。例如，当转子3的磁极数为30极时，转子3的极节距τ ρ的机械角成为360° /30 = 12°。当根据永久磁铁1的开度角τ pm和转子3的极节距τ ρ进行上述定义时，例如，当令永久磁铁1的开度角τρω为10°，转子3的极节距％为12°时，永久磁铁1的开度角 τρηι相对于转子3的极节距τ 5的比率为10° Χ100/12。= 83.33%。又，图11表示转矩变动的1次 6次成分，但是这些成分是1次成分转矩变动的频率为同步频率的6倍2次成分转矩变动的频率为同步频率的12倍3次成分转矩变动的频率为同步频率的18倍4次成分转矩变动的频率为同步频率的M倍5次成分转矩变动的频率为同步频率的30倍6次成分转矩变动的频率为同步频率的36倍在没有制作尺寸误差的理想的永久磁铁式同步马达的情况下，1次成分是马达通
10电时发生的转矩脉动的基本成分，这里，2次成分是由转子3和定子6的突极数的关系决定的齿槽转矩的基本成分。又，同步频率是由极数和旋转速度求得的值，当令极数为P，旋转速度为 N(r/min)时，同步频率=(Ν/60) X (P/2) (Hz)。在图5(a)，(b)中，横轴为转矩，纵轴为转矩变动对时间平均转矩的比率，但是在转矩为0%时的转矩脉动用百分率表示时，成为无限大，所以省略了。可是，为了能够得到转矩变动的各频率成分为时间平均转矩的百分之几以下极小的转矩脉动特性，充分减少转矩脉动，不仅要使永久磁铁1的开度角τ pm优化，也必须使定子6的形状优化。图5是表示当也使定子6的形状优化时的转矩脉动的特性，但是图5(a)是如上述那样，令永久磁铁1的开度角τρω相对于转子3的极节距τ 5的比率为82%，对永久磁铁1 的开度角τρω优化的图，图5(b)是如上述那样，令永久磁铁1的开度角τρω相对于转子3 的极节距τ ρ的比率为65%，而未对永久磁铁1的开度角τρω优化的图。在图5(a)所示的转矩脉动特性中，能够将转矩脉动的各频率成分，在整个全负载区域(整个大致0% 最大转矩的区域)上，抑制到相当小的水平，即便是大的水平也能够在约0.8%以下。与此相对，也对定子6的形状进行优化，但是在不对永久磁铁1的开度角τρω优化的图5(b)的情形中，与图5(a)比较，整体地转矩脉动大，特别是，在低负载区域(低转矩脉动)上，2次成分非常大，相反地在高负载区域上，1次成分非常大。此外，由马达的极数和槽数决定的齿槽转矩的基本波，如上述那样，包含在2次成分中。如上所述，也对定子6的形状优化，但是在不对永久磁铁1的开度角τρω优化的图 5(b)的情形中，出现转矩脉动特性表现明显，具有这种恶化的转矩脉动特性的表面磁铁式同步马达，作为电梯卷扬机用的驱动马达是不适合的。为了得到对全负载区域的转矩变动的各频率相对于时间平均转矩在百分之几以下那样的极小的转矩脉动特性，在对定子6的形状优化的状态下，适宜使永久磁铁1的开度角τρηι相对于转子3的极节距为70% 90%。这里，说明定子6的形状的优化。这里，在图1中，着眼于收容定子线圈10的槽9的形状，该槽9的形状具有完全开放于间隙7侧的开口部，将上述槽9称为开放槽。与此相对，图6是表示半闭合槽的一般形状的剖面图，9'是槽，13是突起部，在与前出附图对应的部分上附加相同的标号，省略对它们的重复说明。在图6中，以使槽9'的间隙侧的开口部部分地关闭的方式，在齿5中在前端侧部分设置有突起部13，这种槽9'为半闭合槽的一般形状。在这种半闭合槽9'的情况下，由于齿5的前端部的突起部13，在其周边部分中具有磁通量密度变得极端高的倾向，容易引起磁饱和。这成为该突起部13附近的磁路剖面比其它部位小的主要原因，但是因为马达的每单位体积的输出转矩越大的马达，即越是积极地进行了小型化的马达，越尽可能地缩小磁路剖面，所以显著地出现磁通量密度变得极端地高而发生磁饱和这一特性。电梯卷扬机用的驱动马达，小型化也成为1个重要课题，容易出现这种特性。这种马达，因为转矩脉动大小容易受到磁饱和水平的影响，所以如电梯卷扬机用的驱动马达那样，当需要抑制不仅对特定的负载区域而且对全负载区域的转矩脉动CN 102545512 A时，抑制转矩脉动和小型化难以兼顾。又，当在转子和定子中不设置对抑制转矩脉动具有很大效果的变形部(skew)时，抑制转矩脉动和小型化越加难以兼顾。因此，在该第1实施方式中，为了抑制对全负载区域的转矩脉动，作为定子6的形状，如图1所示，使槽9成为开放槽。通过这样做，因为在齿5的前端部中没有磁路剖面小的突起部，所以不存在磁通量密度极端高的部分。从而，与图6所示的半闭合槽的情形比较容易抑制和控制对全负载区域的转矩脉动。又，在该第1实施方式中，在图1中，使齿5的前端面沿圆周方向转子3侧突出的圆弧状。这里，设想最突出到各齿5的前端面的转子3侧的圆周方向的中心部分内切的将马达的旋转中心(原点)作为中心的圆(定子铁心的周面)C，令该圆C的半径(定子铁心的外径(半径))为Rst。又，当令齿5的前端面的圆周方向的圆弧的曲率半径为艮时，满足 Rt < Rsto因此，齿5的前端面不从圆C向转子3侧凸出。这样，在该第1实施方式中，作为定子6侧的1个形状，通过使< Rst，能够达到减少转矩脉动的目的。图7是表示当= Rst时的转矩脉动的特性图，在与图5对应的部分上附加相同的标号，省略对它们的重复说明。在图7中，这时，齿5的前端面与圆C 一致。这里，与图5(a)的情形相同使转子3 的形状优化，但是在图5(a)中，也使齿5的前端面的圆周方向的圆弧的曲率半径为Rt相对于圆C的半径Iist优化，使转子3的形状，或者使定子6的形状优化。当比较图7所示的特性图和图5(a)所示的特性图时，转矩脉动的大小整体地增大，特别是，在低负载区域上，2次成分极端增大。由于2次成分包含齿槽转矩的基本频率， 因此通过使艮< I^st，转子3旋转时的磁场变化变得平滑，出现了减少齿槽转矩的效果，也可以减少1次成分那样的转矩脉动。这里，为了对齿5的前端面的圆周方向的圆弧的曲率半径艮优化，曲率半径Rt相对于圆C的半径Rst的比率的上限为40%。当超过该上限值时，难以在全负载区域上抑制转矩脉动，特别是，如图7所示，低负载时的转矩脉动上升。图8是表示曲率半径相对于圆C的半径Rst的比率为4. 5 %，其它条件与图7的情形相同时的转矩脉动的特性图，在与图5对应的部分上附加相同的标号，省略对它们的重复说明。当率半径Rt相对于圆C的半径Rst的比率小时，与图7所示的特性比较，低负载时的转矩脉动变小，减少了全负载区域上的转矩脉动，但是当该比率过小时，如图8所示，高负载时的转矩脉动的1次成分急剧上升。当不对转子3的形状优化时，该倾向更显著地出现，作为电梯卷扬机用的驱动马达，成为不合适的特性。为了从图8所示的特性减少高负载时的转矩脉动，只要使曲率半径相对于圆C 的半径Rst的比率高即可，通过使该比率的下限值为5%之低，高负载时的转矩脉动不上升， 在整个全负载区域上，能够以转矩变动的各频率成分在时间平均转矩的百分之几以下的方式，得到减少了转矩脉动的特性。如以上那样，该第1实施方式，是外转子型的表面磁铁式同步马达，在转子3侧，在转子铁心2上设置没有变形部(skew)的沟11(图幻，在该沟11中嵌入并固定圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁1，并且作为转子3的形状，通过使永久磁铁1的开度角τρω相对于转子3的极节距τ p为70% 90%，而对转子3的形状优化，在定子6侧，令槽9为开放槽，并且作为定子6的形状，使齿5的前端面成为向转子3侧突出的圆周方向的圆弧状，令该前端面的曲率半径Rst相对于定子6的外半径的比率为5 40%，而对定子6的形状优化。如以上所述，可以实现转矩脉动小的表面磁铁式同步马达，但是当用于直接驱动型的电梯卷扬机用的驱动马达时，需要使马达形状扁平(薄型)，又，由于是扁平的，因此需要使马达成为转子的磁极数多的多极马达。将电梯卷扬机设置在机械室或电梯升降路径内，但是一般，设置电梯卷扬机的空间中的占地面积(剖面积)小，多是高度方向的容许空间比占地面积大的情况。因而，电梯卷扬机的外观形状具有剖面积(占地面积)小，高度方向大的倾向。其目的是，设置电梯设备的场所是建筑物内的空区域，通过使空区域不是沿横方向而向高度方向，从而扩大建筑物的居住面积和商业面积。关于电梯卷扬机用的马达也需要这样。特别是，作为直接驱动型的电梯卷扬机用的驱动马达的外观形状，多是轴长度比外径宽度小的扁平形状的情况。这是因为，马达的轴长度大的电梯卷扬机需要以轴长大的量增大占地面积，但是相反地，马达的轴长度小的电梯卷扬机能够缩小需要的占地面积。但是，当使马达的轴长度小时，马达产生的转矩因该减小量而减小。与此相对，由于马达需要的转矩不变，所以为了内插使马达的轴长小的份数，需要扩大马达的外径。因此，作为电梯卷扬机用的驱动马达多为扁平形状。根据上述说明，直接驱动型的电梯卷扬机用的驱动马达一般是大口径的扁平马达 (大口径的薄型马达)，以往，马达外径多为400mm以上，大的马达外径也超过1500mm。马达的轴长是各种各样的，但是大致在外径的一半以下，也有使用轴长为外径的1/10的超薄型的马达。通常，转子的磁极数与马达外径成比例增加，但是电梯卷扬机用的驱动马达，如上所述，因为外径大，所以可以使用16极，M极，30极，40极，60极等的多极马达，实际上，最小极数是16极。上述第1实施方式也能够成为这种大口径的薄型马达，因此，可以是直接驱动型的电梯卷扬机用的驱动马达。图9是表示根据本发明的永久磁铁式同步马达的第2实施方式的部分剖面图，14 是间隙，对与上述附图对应的部分上附加相同的标号，省略对它们的重复说明。在该图中，该第2实施方式，在转子3上的嵌入有永久磁铁1的沟11的圆周方向两侧的边部(即，在与永久磁铁1的外表面Ia相反侧的面侧中上的圆周方向两侧的边部所面对的部分)上设置空隙14。通过在将永久磁铁1嵌入沟11的部分的边部上设置空隙14，增加该部分的磁阻， 因此，减少该边部的有效磁通量，如图10所示的以往的表面磁铁式同步马达那样，能够得到与用圆周方向的剖面为拱形的永久磁铁相同的效果，减少转矩脉动。此外，在该第2实施方式中，作为定子6，例如，能够形成图6所示的以往那样的构造，但是也可以形成图1所示的构造。又，在图1中，在沟11(图2)内，也可以设置与该第 2实施方式同样的空隙14。
又，该第2实施方式也可以是这种大口径的薄型马达，因此，可以作为直接驱动型的电梯卷扬机用的驱动马达。如上述说明，在上述各实施方式中，通过用圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁 1，与用上述拱形的永久磁铁的情形比较，除了能够削减磁铁的质量，制作性优异外，也可以有效地减少转矩脉动特性，实现转矩特性良好的表面磁铁式同步马达，例如，最适于电梯卷扬机用的驱动马达等。
权利要求
1.一种永久磁铁式同步马达，其具有定子，其在定子铁心的齿间的槽内配置有定子线圈，该定子线圈卷绕于该齿；和转子，其在转子铁心的该定子侧的表面，在圆周方向上等间隔配置有多个永久磁铁，其特征在于该永久磁铁是圆周方向的剖面形状为长方形的磁铁，该定子侧的表面突出于该转子铁心的该表面而配置在该转子铁心上；在该定子的外侧配置该转子，成为外转子型马达， 在该转子铁心中，在该永久磁铁的边部设置有空隙。
2.如权利要求1所述的永久磁铁式同步马达，其特征在于 所述永久磁铁式同步马达为轴长比外径小的扁平形状。
3.如权利要求2所述的永久磁铁式同步马达，其特征在于 所述外径为400mm以上。
4.如权利要求3所述的永久磁铁式同步马达，其特征在于 所述轴长为外径的一半以下。
5.如权利要求4所述的永久磁铁式同步马达，其特征在于 所述轴长为外径的1/10。
6.如权利要求1所述的永久磁铁式同步马达，其特征在于相对于所述转子的极节距，所述永久磁铁的圆周方向的开度角的比率为70% 90%。
7.如权利要求1 6中任一项所述的永久磁铁式同步马达，其特征在于 所述永久磁铁式同步马达是电梯卷扬机用驱动马达。
全文摘要
本发明涉及永久磁铁式同步马达。作为外转子型马达，在转子铁心(2a)上形成沟，并将永久磁铁(1)嵌入贴附在该沟中。使永久磁铁(1)的开度角(τpm)为转子(3)的极节距(τp)的70％～90％。在定子(6)侧，使槽(9)为开口部为向转子(3)与定子(6)之间的间隙(7)完全开放的开放槽，使齿(5)的前端面成为向转子(3)侧突出的圆周方向的圆弧状，令该前端面的曲率半径(Rst)相对于定子(6)的外半径(Rt)的比率为5～40％。因此，用圆周方向的剖面为长方形的永久磁铁，能够以其各频率成分在对时间平均转矩的百分之几以下的方式，将通电旋转时的转矩脉动抑制到小的水平。
文档编号H02K21/14GK102545512SQ20121000631
公开日2012年7月4日 申请日期2009年1月24日 优先权日2008年6月20日
发明者二瓶秀树, 北村正司, 北村英树, 尾方尚文, 山崎政英, 田岛文男 申请人:株式会社日立制作所