JP2006526375A - 一体のブレーキを有するモジュール式横方向磁束型モータ - Google Patents

Abstract

エレベータ機械（１２）が、共通シャフト（２１）上に連続して配置される略円筒形の形状である複数の同一の横方向磁束式回転子／固定子モジュール（２８〜３０）を有して、モジュール数を乗じたモジュールのトルク能力に等しいトルクをシャフトへ伝達する。ディスクブレーキ（４９）が、モータと一体化され、両面ブレーキディスク（４９）は、両面に摩擦パッド（９２、９３）を有し、制動力が、モータエンドプレート（１４）へ加えられ、かつブレーキディスクを通して、モータの一つの位相（３０）の固定子（６０）へ加えられる。製造工程（１１３）が、種々の構成（１２、１００、１１０）において、同一にサイズが決められたモジュール式構成部材から種々のサイズを有するモータを形成する。

Description

本発明は、エレベータのような用途の必要に適するために、回転子／固定子のモジュールを積重ねて、出力トルクを調整でき、かつ任意選択的に一体のブレーキを有する横方向磁束型モータに関する。

本発明の必要技術の一例として、エレベータ機械は、エレベータの部材コストの大部分を占める。エレベータ機械は、低い回転速度を必要とし、かつ数十年にわたる保守不要のサービスを提供しなければならない。低騒音、円滑な運転、低コストおよびコンパクトな駆動システムのために、できるならば歯車装置を避けるべきである。モータ選択における一つの重要な要因は、磁心鋼、導線および永久磁石を含む作動部材の単位質量または体積当たりのトルク出力の量である。エレベータ機械に必要な最大トルク量は、綱車直径およびローピング配置（１：１、２：１など）と共に、最大ケーブル質量不釣合量にプラスした定格負荷の一般に約半分である最大不均衡量により決められる。

従来の回転分野の電気機械は、一つの磁心構造部材中に組込まれる相巻線を有する。大きいトルク能力の場合、種々の相巻線を有する積重ねられた積層の長い磁心が必要となり、ついでその磁心は、種々の巻線取付け部材と他の製造装置を必要とする。従来のモータの固定子は、そのモータの有用な磁束生成部分を越えて延びる端部巻部を有する。これらのコイル延長部は、コンパクトなモータ／綱車の組合せを達成するのを、かつブレーキまたは他の補助構造部材をモータと一体化するのを難しくさせる。

製品ラインに必要なモータ機種数を減少するために、モータ機種を他のエレベータ機種と共用するエレベータ機種の一部が、それらのトルク要求量のために過大サイズにされる。共通部材を有しない多数のモータを有することは、部材、段取り、製造および倉庫予備部材のコストを増加する。

本発明の目的には、エレベータ用の改良されたモータと、低速で高トルクを発生するモータと、モジュール位相を単に加えることによりトルクを増加できるモータと、巻線の全面的な変更を必要とすることなくトルクを増加できるモータと、高い効率と良好な力率を有するモータと、高い体積トルク密度を有するモータと、コイル端部巻部を有することなく、かくして損失が低い比較的短い組立体を備えたモータと、単一の固定子巻線を有するモータと、同様に定格の永久磁石ブラシレスモータよりも、かなり少ない銅を使用し、かつ少ない製造労力で済むモータと、同一部材を使用するトルク定格において少ないステップが可能であるように、同一のモジュールで製造できるモータとを提供することが含まれる。

本発明によれば、エレベータ綱車を駆動するのに適切な電気モータが、駆動電流の位相当たり一つのモジュールの回転子／固定子のモジュールから構成され、これらのモータは、モータの適切なトルク定格を選択するために、位相当たり一つまたは複数のモジュールの同一の回転子／固定子のモジュールから製造される。

さらに本発明によれば、ブレーキを、同一のシャフト上に、かつ横方向磁束型モータの回転子／固定子のモジュールへ連続して一体に配設することができる。

本発明に従うモータは、従来のモータよりも単位体積当たり高いトルクを発生し、一定の固定子トルクおよび速度の場合に実質的に一定の効率を有し、改善された力率（端部巻部の漏れ磁束の欠如による）を有し、かつ極数と共に増加する力率を有することができる。本発明に従うモータは、定格運転速度で定格シャフトトルクの約５０％から約１２０％までの範囲において実質的に一定の効率を有する。本発明は、対応する永久磁石ブラシレスモータよりも、短い強磁性磁心とシャフトとを有し、かつ導体において３０％少ない銅および３０％少ない強磁性磁心体積を利用し、さらにコイル端部巻部を有しないので短く軽いモータを形成する。本発明は、極数に関係なく位相当たり単一の環状コイルだけを有するモータを提供する。

本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面に図示されるように、その代表的な実施態様の下記の詳細な説明に照らして明らかになるであろう。

図１を参照すると、本発明の一体のブレーキを有するモータ１２には、左側エンドプレート１３と右側エンドプレート１４が設けられ、これらのプレートは、低トルク用途における径方向ネジ１６のような適切な締付具によりエンクロージャ１５へ固定される。大形モータにおいては、これらのエンドプレートを、厚いエンクロージャにネジ込まれる軸方向ボルトを使用して固定できる。モータは、たとえば、エレベータ綱車１７である被駆動部材を回転する。モータエンクロージャは、取付けベース１９を有する。エンクロージャ１５は、明確にするために図２においては省略される。

図２を参照すると、エンドプレート１３、１４は、それらの上に軸受を有するが、図２においては右側エンドプレート用の軸受４１だけが示される。ここでは示されないが、これらの軸受は、潤滑に役立ち、かつ汚れの侵入を防止するために、既知のようにカバーを有することができる。シャフト２１にはキー２４を受容するスロット２３が設けられ、そのキーは、複数の回転子／固定子モジュール２８〜３０と係合し、そのモジュールそれぞれは、トルクを回転子からシャフトへ伝達するために、その回転子に対応するスロット２２を有する。スペーサ３３（図８も参照）は、モジュール２８の回転子が軸受２０の外レースと係合するのを防止する。シャフト２１の切欠き３５内のバネクリップ３４は、モジュール３０の回転子と係合して、モジュール２８〜３０とシャフト２１との間の相対的軸方向移動を防止するので、モジュール２８〜３０を、スペーサ３３と接触しながら互いに連続するように保持する。同様に、シャフト２１の右方向移動を防止するために、切欠き３７内のバネクリップ３６（図８も参照）は、図８〜１０だけに示されるように、シャフトの右端部上の軸受４１の内レース４０と接触する。

ブレーキディスク４３が、ピン４６によりシャフト２１内の孔４４へ係合され、そのピン上でディスク４３が、細長いスロット４７を通して摺動できる。ブレーキ組立体４９には、ブレーキ離脱コイル用の環状溝５１を有する環状フレーム５０と、ブレーキ離脱コイルが消勢されるときにブレーキと係合するように、積重ねられた波形バネ５３が押付けられる平坦部５２とが備えられる。戻りバネ５６により、ブレーキディスクが中立位置になり、その位置において、ブレーキ離脱コイルが励磁されるときに、ディスクは右側エンドプレート１４と接触しないし、フレーム５０とも接触しない。これは、図９と１０に関して以下に詳細に説明される。

図３〜７を参照すると、それぞれの回転子／固定子モジュールは、環状コイル６４を内蔵する軟磁性環状部６３により分離される一対の軟磁性固定子プレート６０、６１を備える。固定子６０、６１は、反対極性の極を有し、図６に示されるように、固定子プレート６１上では北極である（同時に固定子プレート６０上では南極である）が、極性は、コイル６４内の電流と共に変わる。極６７は、エアギャップ６８により分離される。

それぞれの回転子／固定子モジュール２８〜３０の回転子は、シャフト２１用の孔７２を有する環状軟磁性ベース部分７１から構成される。ベース部分７１の表面では、ＮｄＦｅＢの材質とすることができる二列の硬質永久磁石７４〜７７が、非磁性スペーサ７８により分離される（しかし、二列の磁石７４〜７７間に空気が存在するであろう）。一方の列の磁石内の南極７４は、他方の列の磁石内の北極７６と軸方向に整合し、また同じ一方の列の磁石内の北極７５は、他方の列の磁石内の南極７７と軸方向に整合する。かくして、それぞれの極６７には、一対の磁石７４、７５がある。別の構成は、磁石の配置、サイズ、形状および整合性における変形態様を有することができる。必要条件は、交番磁界、複数の磁石、または多極セグメントを有することである。磁石７５〜７７は、隣接する磁石から離間されるのが図４と６に示されるが、接触することもできる。事実、それらの磁石は、磁性材料の中実リングから成るか、または適切な分極化を実現するように分極化されるベース７１の磁性材料の延長部から成ることができる。ベース部分７１には、図６に図示されるように、中に極性が生成され、これらの極性は、磁石７４〜７７それぞれのエアギャップ極性と反対のものであり、かつ磁界用の有効な復帰経路を形成する。

図７を参照すると、矢印７９により図示される磁束経路は、電流で逆方向にされる。環状部６３に圧入されるピン８１（図４）は、固定子プレート６０、６１内の孔８２と係合して、モジュールの整合を維持する。

図９と１０を参照すると、ディスクブレーキ４９のフレーム５０には、一対の整合孔８３（図１０）が設けられ、その孔内で整合ピン８４が摺動自在であり、ピン８４は、回転子／固定子モジュール３０の固定子６０の孔内に圧入される。これにより、フレームがモータの固定部分へキー止めされて、ブレーキがかけられたときに、ディスクブレーキ組立体５０が、ブレーキディスク４３の力に抗して回転するのを防止する。代わりに、フレームを、エンクロージャ１５のようなモータの任意の適切な固定部分へキー止めすることができる。一対のブレーキコイル８６、８７が、溝５１内にかつその溝に隣接して配設される。それぞれのコイルは、ブレーキを離脱するように十分な強度を有し、二つのコイルの両方が、重複的安全性のために設けられる。肩部９０（図９）が、ブレーキが離脱されるときにピン４６と係合するので、戻りバネ５６は、ブレーキディスク４３をエンドプレート１４から離すように動かす一方、肩部９０（図９）に作用するピン４６は、バネ５６が、ブレーキディスク４３をディスクブレーキ組立体５０上で引きずりさせるのを防止する。

波形バネ５３は、所望のブレーキトルクを発生するのに必要と決められるようなサイズと数のものにできる。それらのバネは、たとえば、ウェブサイトwww.smalley.com/springに示され、かつ米国イリノイ州レークズリク（Ｌａｋｅ Ｚｕｒｉｃｈ）にあるスモーリー・スチール・リング社（Ｓｍａｌｌｅｙ Ｓｔｅｅｌ Ｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ）により提供されるような波頂形（ｃｒｅｓｔ−ｔｏ−ｃｒｅｓｔ）バネから成ることができる。

図１０に示されるように、ブレーキディスク上のブレーキ摩擦パッド９２が、励磁されないコイル８６、８７でバネ５３によりブレーキが作動されるとき、モータのエンドプレート１４と係合する。同様に、ブレーキ摩擦パッド９３がフレーム５０と係合し、ついでそのフレームは、ブレーキが図１０に示されるように係合されるときに、ピン８４により固定子６０へ固着される。かくして、ブレーキはモータ組立体と一体となり、スペース、質量および部材数を減少するので、一層効果的かつ経済的なユニットを形成する。

ここにおいて図１〜７に関して説明された回転子／固定子装置を使用する代わりに、本発明を、横方向磁束型永久磁石機械を利用して実現でき、その機械は、トルコのイスタンブールにおける１９９８年ＩＣＥＭ‘９８の第２巻第１１１０〜１１２２頁に記載されるハリス（Ｈａｒｒｉｓ，Ｍ．Ｒ．）による「ＶＲＰＭ（横方向磁束）機械の磁束集中構成と表面磁石構成との比較（Comparison of Flux-Concentrated and Surface Magnet Configurations of the VRPM (Transverse-Flux） Machine)」において、およびそこに引用される文献において開示されるもののような種々の構成を採用している。唯一の重要な必要条件は、トルク方向が磁束線に直交することである。

同一の回転子／固定子モジュールを利用する種々の構成用にモータを適切にサイズ決めするために、本発明のモジュール式構造を利用できる仕方が、図８、１１および１２に図示される。それぞれのモジュールは一つの位相を構成する。図１〜１０のモータは、三つのモジュール２８〜３０を有し、および、たとえば、周知の型式の可変電圧、可変周波数電力変換器（ｖａｒｉａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ， ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（ＶＶＶＦ駆動器）により生成される四相ＡＣ電力により作動されるであろう。それぞれのモジュールが５トンモータを形成するに足るトルクを与えたと仮定すると、図１〜１０のモータは、２０トン機械を構成するであろう。

図１１には、図１〜１０で説明されたように、三相の１５トン機械１００が図示される。ＶＶＶＦ駆動器１０２は、位相関連個別の駆動電流を関連ライン１０４、１０５、１０６を通して対応するモジュール２８〜３０へ供給する。代わりに、完全なモジュール化のために、それぞれモジュールは、それ自体の個別の駆動器を有することができる。

図１２においてエレベータ機械１１０は、共通のシャフト２１上で作動する六つのモジュール２８〜３０、２８ａ〜３０ａを備えることができ、それらのモジュールを、六つの異なる位相のＡＣ電力で個別に駆動できるか、またはモジュール２８〜３０および２８ａ〜３０ａを、同一の三相のＡＣ電力で並列に駆動できるであろう。しかしながら、六相電力は、既知のように、より平滑な運転と低い損失を実現するであろう。

同様に、モジュール当たり多かれ少なかれトルクを発生できるモジュールを、二相電力により駆動される一対のモジュールのような小さいモジュールで、または三相または六相またはそれ以上の位相の電力で駆動される六位相以上の位相で配置できるであろう。三相駆動器は、たとえば、３Ｎ個の固定子モジュール（ここで、Ｎは、１〜４、または何らかの他の正の小さい整数にできる）から構成されるモータを駆動でき、そこにおいて、同様なモジュールが三相駆動器からの電力を共有する。

モータがエレベータの綱車へ装着できるような本発明に従うモータの外観斜視図。 本発明に従う三相モータおよび一体のブレーキの分解斜視図。 組立てられた回転子／固定子モジュールの斜視図。 図３のモジュールの分解斜視図。 図３の５−５線で切られた断面立面図。 回転子／固定子モジュールの回転子と固定子との間の取合面の部分透視図。 図５の断面の部分拡大立面図。 図１〜７に図示されるモータおよび一体ブレーキの断面立面図。 ブレーキを離脱した、図８に示される一体ブレーキの部分拡大図。 ブレーキを係合した、図８の一体ブレーキの分解図。 本発明のモジュール化を図示する単純化された側面断面図。 本発明のモジュール化を図示する単純化された側面断面図。 モジュール式モータの製造方法の総体的な作業線図。

Claims (9)

1. 一系列のモジュール式横方向磁束型回転電気機械であって、それぞれの電気機械（１２）が、
   回転自在のシャフト（２１）と、
   前記シャフト上に配設される複数の同一の略円筒形横方向磁束式回転子／固定子モジュール（２８〜３０）であって、前記モジュールの回転子と固定子との間（６８）の磁束線（７９）は、前記トルクと直交し、少なくとも一つの前記モジュールは、それに隣接する少なくとも一つの他の前記モジュールと連続し、前記モジュールのそれぞれは、実質的に同一の定格トルクを前記シャフトへ与えることができ、それにより前記モータの定格トルクは、前記モジュールそれぞれの定格トルクに前記モジュールの数を乗じたものに等しくなる、モジュールと、
   前記シャフトで回転できるように配設される回転自在に駆動される部材（１７）と、
   複数のエンドプレート（１３、１４）であって、エンドプレートの一つが、前記モジュール（２８、３０）のうちのいずれかのそれぞれの側面に設けられ、その側面は前記モジュールのうちの他のモジュールと連続しない、エンドプレートと、
   を備える、一系列の電気機械において、
   前記電気機械のそれぞれは、少なくとも一つのブレーキ（４９）を備え、このブレーキは、前記モジュールと適合自在に形成され、かつ前記モジュールのうちの他のモジュールと連続しない前記側面の一つと、前記エンドプレート（１４）の対応する一つとの間に配設され、
   少なくとも一つの前記電気機械は、少なくとも一つの他の前記電気機械とは異なる前記モジュールの数を有し、
   前記シャフトの長さは、少なくとも前記数の前記モジュール、前記ブレーキおよび前記被駆動部材を納めるように選択される、
   ことを特徴とする一系列の電気機械。
2. 一系列のモジュール式横方向磁束型回転電気機械であって、それぞれの電気機械（１２）が、
   回転自在のシャフト（２１）と、
   前記シャフト上に配設される複数の同一の略円筒形横方向磁束式回転子／固定子モジュール（２８〜３０）であって、前記モジュールの回転子と固定子との間（６８）の磁束線（７９）は、前記トルクと直交し、少なくとも一つの前記モジュールは、それに隣接する少なくとも一つの他の前記モジュールと連続し、前記モジュールのそれぞれは、実質的に同一の定格トルクを前記シャフトへ与えることができ、それにより前記モータの定格トルクは、前記モジュールそれぞれの定格トルクに前記モジュールの数を乗じたものに等しくなる、モジュールと、
   前記シャフトで回転できるように配設される回転自在に駆動される部材（１７）と、
   を備える、一系列の電気機械において、
   少なくとも一つの前記電気機械は、少なくとも一つの他の前記電気機械とは異なる前記モジュールの数を有し、
   前記シャフトの長さは、少なくとも前記数の前記モジュールおよび前記被駆動部材を納めるように選択され、前記モジュールは、前記被駆動部材の一つまたは複数の側面に取付けられる、
   ことを特徴とする一系列の電気機械。
3. 少なくとも一つの前記電気機械は、前記被駆動部材の一方の側面にのみ配設される前記モジュールの全てを有することを特徴とする請求項２記載の一系列の電気機械。
4. 少なくとも一つの前記電気機械は、前記被駆動要素のそれぞれの側面に配設される少なくとも一つのモジュールを有することを特徴とする請求項２記載の一系列の電気機械。
5. 回転自在のシャフト（２１）と、
   前記シャフト上に配設される複数の同一の略円筒形横方向磁束式回転子／固定子モジュール（２８〜３０）であって、前記モジュールの回転子と固定子との間（６８）の磁束線（７９）は、前記トルクと直交し、少なくとも一つの前記モジュールは、それに隣接する少なくとも一つの他の前記モジュールと連続し、前記モジュールのそれぞれは、実質的に同一の定格トルクを前記シャフトへ与えることができ、それにより前記モータの定格トルクは、前記モジュールそれぞれの定格トルクに前記モジュールの数を乗じたものに等しくなる、モジュールと、
   前記シャフトで回転できるように配設される回転自在に駆動される部材（１７）と、
   複数のエンドプレート（１３、１４）であって、エンドプレートの一つが、前記モジュール（２８、３０）のうちのいずれかのそれぞれの側面に設けられ、その側面は前記モジュールのうちの他のモジュールと連続しない、エンドプレートと、
   を備える、モジュール式回転横方向磁束型電気機械（１２）において、改良により、
   前記モジュールと一体に形成され、かつ前記モジュールのうちの他のモジュールと連続しない前記側面の一つと、前記エンドプレート（１４）の対応する一つとの間に配設されるブレーキ（４９）を備えることを特徴とする電気機械。
6. 前記ブレーキは、
   励磁されると前記ブレーキを離脱する一つまたは複数のコイル（８６、８７）と、
   ブレーキディスク（４３）の各主要表面に摩擦ブレーキパッド（９２、９３）を有し、前記シャフトで回転するように配設され、かつ前記シャフト上で軸方向に摺動自在（４６、４７）であるブレーキディスク（４３）と、
   前記一つまたは複数のコイル用の環状溝を有し、かつ回転しないが軸方向に摺動（８３）するように、前記電気機械の固定部分（６０）へキー止め（８４）されるフレーム（５０）と、
   励磁されている前記一つまたは複数のコイルが無い場合に前記フレームを前記エンドプレートへ押付け、それにより、前記パッドの一方が前記エンドプレートと係合し、かつ前記パッドの他方が前記フレームと係合するので、制動トルクを発生する少なくとも一つのバネと、
   を備えることを特徴とする請求項５記載の電気機械。
7. 一系列のモジュール式回転電気機械（１２）を提供する方法であって、
   （ａ） トルク増加分を選択し、
   （ｂ） 前記増加分に等しいトルクを発生し、かつ前記モジュールの回転子と固定子との間（６８）の磁束線（７９）が前記モジュールの軸に直交するように、円筒形の横方向磁束式回転子／固定子モジュール（３８、４０）を設計し、
   （ｃ） 製造されるそれぞれの電気機械について、
   （ｉ） 前記電気機械と駆動される部材（１７）とに要求されるトルクへ達するか、または前記増加分未満だけ、そのトルクを超えるのに必要な数Ｎ個のモジュールを取付けるためにシャフト（２１）を選択し、
   （ｉｉ） 駆動される前記部材を前記シャフト上に取付け、前記被駆動部材の一つまたは複数の側面へ取付けられる前記モジュールを前記シャフト上に連続して取付ける、
   各ステップを含み、
   （ｄ） 少なくとも一つの前記電気機械は、少なくとも一つの他の前記電気機械のモジュール数とは異なるモジュール数を有する、
   ことを特徴とする方法。
8. 前記モジュールの直径以下の直径の略円筒形の形状を有するブレーキモジュール（４９）を設計し、
   前記ブレーキ部材を前記シャフト上に前記モジュール（３０）の一つと連続して取付ける、
   ことをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記方法は、前記モジュール用の駆動電流の位相数Ｐ（ここで、Ｐ＝ＮＸであり、Ｘは小さい整数で正の整数である）を選択することをさらに含み、
   前記ステップ（ｉｉ）は、前記位相数に対して適切な相互配向で前記モジュールを取付けることを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。

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