DE112013004576T5

DE112013004576T5 - Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE112013004576T5
Application number: DE112013004576.1T
Authority: DE
Inventors: c/o Hitachi Ltd. Kajita Daiki; c/o Hitachi Ltd. Nakasu Nobuaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-06-25
Also published as: CN104704716B; JP2014079101A; WO2014057841A1; CN104704716A; JP5870003B2

Abstract

In einem Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor weisen Statorzähne, die den Stator bilden, jeweils einen Eisenkern (31), der durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet wird, eine Spule, die auf dem Umfang des Eisenkerns (31) angeordnet ist, und Isolatoren (32a, 32b) auf, die zwischen dem Eisenkern (31) und der Spule angeordnet sind. Die Isolatoren (32a, 32b) sind aus dehnbaren Elementen oder Elementen mit Biegeelastizität hergestellt. Die Isolatoren (32a, 32b) werden in einem gedehnten Zustand auf dem Umfang des Eisenkerns (31) angebracht. Die Isolatoren (32a, 32b) weisen eine Zugfestigkeit oder eine Biegefestigkeit auf, die hoch genug ist, um die Platten aus dem weichmagnetischen Material, die den Eisenkern (31) bilden, in Laminatdickenrichtung zusammenzudrücken. Daher ist es möglich, einen Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine, bei dem Statorzähne ohne Verwendung eines Formwerkzeugs in beliebiger Form gebildet werden können, und ein Verfahren zum Herstellen des Isolationsaufbaus für die rotierende elektrische Maschine bereitzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine und insbesondere auf einen Isolationsaufbau für einen Stator und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Eine rotierende elektrische Maschine wie ein Motor oder eine Lichtmaschine weist einen Rotor, einen Stator und ein Gehäuse auf, das den Rotor und den Stator umgibt. Der Stator der Elemente, die die rotierende elektrische Maschine bilden, weist mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Statorzähne auf, wobei die Statorzähne jeweils einen Eisenkern aus einem weichmagnetischen Material, eine um den Eisenkern gewickelte Spule und einen Isolator aufweisen, der den Eisenkern von der Spule isoliert. Wegen des großen Stroms, der in der Spule des Stators fließt, muss der Isolator Isolationseigenschaften aufweisen. Um die Leistung der rotierenden elektrischen Maschine aufrechtzuerhalten, muss der Isolator außerdem eine Festigkeit aufweisen, die hoch genug ist, um die Eisenkernform zu halten.
Ein Element, das durch Spritzgießen von Isolierpapier oder Isolationsharzmaterial erhalten wird, wird im Allgemeinen als Isolator verwendet. Der durch Spritzgießen erhaltene Isolator kann genau nach Wunsch entsprechend den Abmessungen des Eisenkerns geformt werden und ist daher vorteilhaft für das Wickeln der Spule und Befestigen des Stators.
Weil jedoch für das Spritzgießen ein Formwerkzeug unverzichtbar ist, muss die Form des Formwerkzeugs für das Spritzgießen bei einer Änderung der Form des Eisenkerns ebenfalls geändert werden, der Freiheitsgrad bei der Formänderung ist gering und die Produktionskosten steigen, was problematisch ist.
Patentliteratur 1 beschreibt ein Beispiel, bei dem eine Isolationsfolie durch Formpressen auf dem Umfang eines Eisenkerns gebildet wird, als eine Technik zur Lösung des vorstehend genannten Problems. Patentliteratur 1 bezieht sich auf einen Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine, bei dem eine Änderung der Form eines Isolators einfach ist. Bei dem Isolationsaufbau werden ein Spulenwicklungsteil und Flanschteile unter Verwendung der formgepressten Folie gebildet und miteinander kombiniert, wodurch die Isolation zwischen dem Eisenkern und einer Spule sichergestellt wird. Außerdem werden die Formen des Eisenkerns und der Folie durch die Flanschteile gehalten, die jeweils an Endteilen des Eisenkerns angeordnet sind.
Zitierliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2006-311706

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Der Isolationsaufbau nach der Patentliteratur 1 hat unter anderem das Ziel, den Spulenwicklungsteil möglichst dünn zu machen, unter der Voraussetzung, dass die Flanschteile vorhanden sind. Leider kann das Spulenwicklungsteil allein die Eisenkernform nicht halten, und dies wirkt sich erheblich auf die magnetische Leistung der Statorzähne aus. Daher sind die Flanschteile nötig, und es gibt eine Grenze für die Senkung der Produktionskosten, was problematisch ist.
Das heißt, der Eisenkern wird durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet, und jede Platte befindet sich aufgrund der Verformung, die bei einem Schneidverfahren oder dergleichen hervorgerufen wird, in einem Tellerfederzustand. Daher ist es nötig, die Platten in Laminatdickenrichtung zusammenzudrücken, um die Lücke zwischen den Platten zu verringern und einen Raumfaktor sicherzustellen, das heißt das Verhältnis des scheinbaren Volumens des Eisenkerns zum tatsächlichen Volumen der Platten aus weichmagnetischem Material.
Bei dem Isolationsaufbau nach Patentliteratur 1 sind die Abmessungen der Flanschteile so gestaltet, dass sie der Eisenkernform entsprechen, wodurch der Eisenkern durch die Flanschteile gehalten werden kann, während er in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird. Weil jedoch das Folienteil, das das Spulenwicklungsteil bildet, eine geringe Festigkeit aufweist, kann das Folienteil allein den zusammengedrückten Zustand des Eisenkerns nicht halten, und ein zentraler Abschnitt des Eisenkerns wird gedehnt.
In dem Eisenkern mit dem gedehnten zentralen Abschnitt nimmt die Belastung zu, die auf das Innere des weichmagnetischen Materials einwirkt. Daher nimmt zusammen mit einer Abnahme des Raumfaktors der Eisenverlust zu, und der Wirkungsgrad der rotierenden elektrischen Maschine nimmt ab.
Außerdem ist eine zu der Eisenkernform passende Pressvorrichtung nötig, um die Folie zusammenzudrücken und zu formen, weshalb die Produktionskosten steigen.
Die vorliegende Erfindung, die in Anbetracht der vorstehend genannten Umstände gemacht worden ist, hat das Ziel, einen Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine, bei dem Statorzähne mit einem hohen Raumfaktor ohne Verwendung eines Formwerkzeugs in einer beliebigen Form gebildet werden können, und ein Verfahren zum Herstellen des Isolationsaufbaus für die rotierende elektrische Maschine bereitzustellen.
Lösung für das Problem
Um das vorstehend genannte Ziel zu erreichen, ist ein Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine nach der vorliegenden Erfindung ein Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor. Statorzähne, die den Stator bilden, weisen jeweils einen Eisenkern, der durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet ist, eine Spule, die auf dem Umfang des Eisenkerns angeordnet ist, und einen Isolator auf, der zwischen dem Eisenkern und der Spule angeordnet ist. Der Isolator ist aus einem dehnbaren Element hergestellt. Der Isolator wird in einem gedehnten Zustand auf dem Umfang des Eisenkerns angebracht. Der Isolator weist eine Zugfestigkeit auf, die hoch genug ist, um die Platten aus dem weichmagnetischen Material, die den Eisenkern bilden, in Laminatdickenrichtung zusammenzudrücken.
Um das vorstehend genannte Ziel zu erreichen, ist ein weiterer Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine nach der vorliegenden Erfindung ein Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor. Statorzähne, die den Stator bilden, weisen jeweils einen Eisenkern, der durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet wird, und eine Spule auf, die auf dem Umfang des Eisenkerns angeordnet ist. Der Isolator ist aus einem elastischen Element mit einer Biegefestigkeit von 10 bis 2.000 MPa hergestellt. Der Isolator wird auf dem Umfang des Eisenkerns angebracht, während er in Breitenrichtung der Platten aus dem weichmagnetischen Material gedehnt wird. Der Isolator weist eine Biegefestigkeit auf, die hoch genug ist, um die Platten aus dem weichmagnetischen Material, die den Eisenkern bilden, in Laminatdickenrichtung zusammenzudrücken.
Um das vorstehend genannte Ziel zu erreichen, ist ein Verfahren zum Herstellen eines Isolationsaufbaus für eine rotierende elektrische Maschine nach der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Isolationsaufbaus für eine rotierende elektrische Maschine mit Statorzähnen, wobei das Verfahren einen ersten Schritt zum Ergreifen eines Eisenkerns, der durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet wird, während der Eisenkern in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, einen zweiten Schritt zum Anordnen eines dehnbaren Isolators auf dem Umfang des Eisenkerns und einen dritten Schritt zum Befestigen des Isolators auf dem Umfang des Eisenkerns aufweist. Der zweite Schritt umfasst das Anordnen des Isolators in einem geteilten Zustand in mehreren Partien.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung ist der Umfang eines Eisenkerns von einem dehnbaren oder elastischen Isolator bedeckt. Daher können Statorzähne mit einem hohen Raumfaktor ohne Verwendung eines Formwerkzeugs in einer beliebigen Form gebildet werden, und ein Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine kann zu niedrigen Kosten erhalten werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Konfiguration einer rotierenden elektrischen Maschine vom Axialspalt-Typ nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Konfiguration eines Statorzahns der rotierenden elektrischen Maschine vom Axialspalt-Typ nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine erste Variante eines Eisenkerns und eines Isolators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine zweite Variante des Eisenkerns und des Isolators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine dritte Variante des Eisenkerns und des Isolators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine vierte Variante des Eisenkerns und des Isolators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt die Druckkraft des Isolators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine fünfte Variante des Eisenkerns und des Isolators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9A zeigt Konfigurationen des Eisenkerns und des Isolators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9B zeigt Konfigurationen des Eisenkerns und des Isolators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer rotierenden elektrischen Maschine in der ersten Variante nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer rotierenden elektrischen Maschine in der zweiten Variante nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer rotierenden elektrischen Maschine in der dritten Variante nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer rotierenden elektrischen Maschine in der vierten Variante nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer rotierenden elektrischen Maschine in der fünften Variante nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt eine erste Variante eines Eisenkerns und eines Isolators nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt die Druckkraft des Isolators nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17A zeigt eine zweite Variante des Eisenkerns und des Isolators nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17B zeigt eine zweite Variante des Eisenkerns und des Isolators nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
18 zeigt eine dritte Variante des Eisenkerns und des Isolators nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand einer rotierenden elektrischen Maschine vom Axialspalt-Typ als Beispiel beschrieben. Eine rotierende elektrische Maschine nach der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den Axialspalt-Typ beschränkt, solange die rotierende elektrische Maschine einen Isolator zwischen einem Eisenkern und einer Spule aufweist.
Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Die erste Ausführungsform eines Aufbaus von Statorzähnen mit einem Isolationsaufbau nach der vorliegenden Erfindung wird anhand von 1 bis 9B beschrieben.
1 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung eines Aufbaus einer rotierenden elektrischen Maschine vom Axialspalt-Typ mit einem Isolationsaufbau nach der vorliegenden Erfindung. Eine rotierende elektrische Maschine 10 vom Axialspalt-Typ weist einen Rotor 50, in dem mehrere Magnete 20 in Umfangsrichtung auf einem scheibenförmigen Element 21 angeordnet sind, einen Stator 60, in dem mehrere Statorzähne 30 in Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei die Statorzähne 30 jeweils einen Eisenkern 31, einen Isolator 32 und eine Spule 33 aufweisen, die mit dem Isolator 32 dazwischen um den Eisenkern 31 gewickelt ist, eine rotierende Welle 70 zum konzentrischen Anordnen des Rotors 50 und des Stators 60 und ein Gehäuse 80 auf, in dem sich diese Elemente befinden. Die Magnete 20 können durch Elektromagnete ersetzt werden.
Die Statorzähne 30 werden angeregt, indem das Fließen eines Stroms darin veranlasst wird, eine Anziehungskraft wird zwischen den Magneten 20 und den Statorzähnen 30 erzeugt und verschiedene Statorzähne 30 werden kontinuierlich angeregt, wodurch eine Drehbewegung zwischen dem Rotor 50 und dem Stator 60 hervorgerufen wird. Weil der Stator 60 mehrere Statorzähne 30 aufweist, ist jeder Statorzahn 30 einzeln mit dem blockartigen Eisenkern 31 versehen, und der Isolator 32 und die Spule 33 sind auf dem Umfang des jeweiligen Eisenkerns 31 angeordnet.
2 zeigt den Aufbau des Statorzahns nach der vorliegenden Ausführungsform. Der Statorzahn 30 weist den Eisenkern 31, den Isolator 32 und die Spule 33 auf. Der Isolator 32 ist auf dem Umfang des Eisenkerns 31 angeordnet, um die Isolierung zwischen dem Eisenkern 31 und der Spule 33 zu gewährleisten, und die Spule 33 ist um den Umfang des Isolators 32 gewickelt. Der Eisenkern 31 ist aus einem plattenartigen weichmagnetischen Material wie elektromagnetischen Stahlplatten, amorphem Metall oder Permendur aufgebaut. In dem Beispiel in 2 ist der Eisenkern 31 durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet, deren Breiten allmählich größer werden, so dass eine trapezförmige Stirnfläche gebildet wird, wenn der Eisenkern 31 von oben betrachtet wird.
In 2 gibt der Pfeil nach oben die Wellenlängsrichtung der rotierenden elektrischen Maschine an, und der Pfeil orthogonal dazu gibt die Laminatdickenrichtung der Platten aus weichmagnetischem Material an, die den Eisenkern 31 bilden. Dies gilt auch für 3 bis 6, 8, 9A und 9B, die weiter unten beschrieben werden.
Jede Platte befindet sich aufgrund der Verformung eines Schnittendes und einer Restspannung, die beim Schneiden einer dünnen Platte aus weichmagnetischem Material verursacht werden, in einem Tellerfederzustand. In dem Zustand, in dem diese Platten einfach übereinander gelegt werden, entsteht eine Lücke in Wellenlängsrichtung zwischen den Platten.
Dabei wird eine einzelne Spule oder eine litzenförmige Spule, die Kupfer oder Aluminium als Grundmaterial enthält und einen im Wesentlichen runden oder rechteckigen Querschnitt aufweist, als die Spule 33 verwendet. Wenn die Spule 33 mit dem Isolator 32 dazwischen um den Eisenkern 31 gewickelt wird, werden die Platten aus dem weichmagnetischen Material, die den Eisenkern 31 bilden, in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt und die zwischen den Platten entstehende Lücke wird in einem gepressten und zusammengezogenen Zustand gehalten, wodurch ein auslegungsgemäß angestrebter Raumfaktor erhalten werden muss.
3 zeigt eine erste Variante nach der ersten Ausführungsform, um dies zu erreichen, und ist ein Diagramm zur Beschreibung des Aufbaus des Eisenkerns und des Isolators, die den Statorzahn bilden.
Bei dieser Variante ist der Isolator 32 aus einem dehnbaren Isolierband hergestellt, das Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyimid oder synthetischen Kautschuk als Grundmaterial enthält und eine Zugfestigkeit von 10 bis 200 MPa aufweist.
Ein Isolationsaufbau mit dem Isolierband wird erhalten, indem der Isolator 32 in einer oder mehr Wicklungen um den Umfang des Eisenkerns 31 gewickelt wird, der erfasst wird, während er in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, und indem Endteile des Isolators 32 durch Kleben, Verschmelzen oder Schweißen aneinander befestigt werden.
Weil das Isolierband, das den Isolator 32 bildet, eine Zugfestigkeit von 10 bis 200 MPa aufweist, wird sein Wicklungsanfangsstück an dem Eisenkern 31 befestigt, der in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, und in diesem Zustand wird das Isolierband mit einer Bandwickelvorrichtung um den gesamten Umfang des Eisenkerns 31 gewickelt, wobei eine vorbestimmte Spannung aufrechterhalten wird. Danach werden die beiden Endteile des Isolierbands befestigt. Folglich kann die Druckkraft in Laminatdickenrichtung, die auf den Eisenkern 31 ausgeübt wird, gehalten werden, und der Raumfaktor der Platten aus weichmagnetischem Material kann auf einem auslegungsgemäßen Sollwert gehalten werden.
Die Zugfestigkeit des Isolierbands und die Spannung, die beim Wickeln auf das Isolierband einwirkt, werden im Hinblick auf die Aufrechterhaltung einer Druckspannung gewählt, die nötig ist, um den auslegungsgemäßen Raumfaktor zu erhalten, und ein optimaler Wert wird daher entsprechend der Art der weichmagnetischen Materials, der Größe und der Dicke jeder Platte, der Laminatdicke der Platten und dergleichen gewählt.
Wenn das Isolierband zum Beispiel in zwei Wicklungen gewickelt wird, kann die Zugfestigkeit des Isolierbands selbst auf etwa die Hälfte der nötigen Druckspannung eingestellt werden.
Außerdem umfassen Beispiele für das Verfahren zum Befestigen des Isolators 32 ein Verfahren, bei dem ein Isolator mit einer Klebefläche verwendet wird und der Isolator mittels der Klebefläche befestigt wird, ein Schmelzverfahren, bei dem ein selbstvulkanisierender Isolator verwendet wird, und ein Schweißverfahren, bei dem Endflächen eines Isolators mit einem Laser oder dergleichen verschmolzen werden.
Bei der Variante in 3 wird zum Beispiel eine obere Hälfte, die gleich der oder kleiner als die Hälfte in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 ist, mit einem Greifwerkzeug erfasst, während dieser in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, wodurch die Lücke zwischen den Platten dem auslegungsgemäßen Raumfaktor entspricht, auch für die nicht erfasste untere Hälfte des Eisenkerns 31. In diesem Zustand wird ein Isolierband 32a um einen unteren Abschnitt gewickelt, der durch das Greifwerkzeug nicht beeinträchtigt wird. Weil das Isolierband 32a um den unteren Abschnitt gewickelt wird, wird der untere Abschnitt des Eisenkerns 31 in einem zusammengedrückten Zustand gehalten, auch nachdem der Griff gelöst worden ist. Daher wird in diesem Zustand ein Isolierband 32b um einen oberen Abschnitt des Eisenkerns 31 gewickelt.
Daher ist bei der ersten Variante der Isolator 32 mit den Isolierbändern 32a und 32b in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 in mehr als einen Teil unterteilt.
Wie als zweite Variante in 4 gezeigt, wird in dem Fall, wo beide Endteile in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 erfasst werden, während dieser in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, das Isolierband 32a um einen zentralen Abschnitt des Eisenkerns 31 gewickelt, der durch ein Greifelement nicht beeinträchtigt wird. Danach wird der Griff für beide Endteile gelöst, und die Isolierbänder 32b werden jeweils um beide Endteile in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 gewickelt. Damit ist der Isolator 32 in drei Teile unterteilt.
5 zeigt eine weitere Variante nach der vorliegenden Ausführungsform und ist ein Diagramm zur Beschreibung einer dritten Variante des Eisenkerns und des Isolators des Statorzahns.
Der Isolator 32 ist aus einem Isolierband hergestellt, das Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyimid oder synthetischen Kautschuk als Grundmaterial enthält und eine Zugfestigkeit von 10 bis 200 MPa aufweist. Ein Isolationsaufbau mit dem Isolierband wird wie folgt erhalten. Zu Beginn des Wickelns des Isolierbands wird der Eisenkern 31 mit einem Greifelement oder dergleichen an einer Position erfasst, die durch das Isolierband nicht beeinträchtigt wird, während er in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird. Danach wird das Isolierband als Isolator 32 spiralförmig um den Umfang des Eisenkerns 31 gewickelt, so dass Endflächen in seiner Breitenrichtung miteinander in Berührung kommen, während der durch das Greifelement zusammengedrückte Teil in Wellenlängsrichtung verschoben wird. Danach werden der Wicklungsanfang und das Wicklungsende des Isolators 32 durch Kleben, Verschmelzen oder Schweißen befestigt. Nach dieser Variante, im Gegensatz zu 3, kann der Isolator 32 auf dem Umfang des Eisenkerns 31 angeordnet werden, ohne unterteilt zu werden.
6 zeigt eine vierte Variante der vorliegenden Erfindung, bei der das Isolierband spiralförmig so gewickelt ist, dass sich beide Endteile in seiner Breitenrichtung teilweise überlappen.
Wenn der Isolator 32 ohne Überlappung in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 angeordnet ist, wie bei den in 3 und 5 gezeigten Varianten, wenn die Spule 33 in einer Lücke zwischen den Isolatoren 32 angeordnet ist, können der Eisenkern 31 und die Spule 33 miteinander in Berührung kommen, und die Sicherstellung der Isolierung zwischen ihnen kann eventuell nicht möglich sein, abhängig von dem Modell einer rotierenden elektrischen Maschine.
Um mit einem solchen Fall umzugehen, überlappen sich, wie in 6 gezeigt, beide Endteile in Breitenrichtung des Isolierbands teilweise. Folglich kann die Dicke des Isolierbands sichergestellt werden, und der Kontakt zwischen dem Eisenkern 31 und der Spule 33 kann verhindert werden.
7 zeigt die Druckkraft, die auf den Eisenkern durch den Isolator nach der ersten Ausführungsform ausgeübt wird.
Der Isolator 32, der das vorstehend genannte Grundmaterial enthält, weist gewünschte Dehneigenschaften und eine gewünschte Zugfestigkeit auf. Wenn der Isolator 32 um den Umfang des Eisenkerns 31 gewickelt wird, kann daher der Eisenkern 31 durch die Schrumpfkraft des Isolators 32 zusammengedrückt werden.
Das durch Kleben, Verschmelzen oder Schweißen befestigte Isolierband wird stabil an einer ausgewogenen Position zwischen der Dehnkraft in Laminatdickenrichtung des Eisenkerns 31 und der dagegen wirkenden Schrumpfkraft des Isolators 32, und das Isolierband kann die Eisenkernform halten, während die Platten aus dem weichmagnetischen Material, die den Eisenkern 31 bilden, in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt werden.
Das Verhältnis des scheinbaren Volumens zum tatsächlichen Volumen des Eisenkerns 31 in einem stabilen Zustand an der ausgewogenen Position entspricht dem Raumfaktor. Wenn der Eisenkern 31 stärker zusammengedrückt wird, nimmt das Verhältnis des tatsächlichen Volumens zum scheinbaren Volumen weiter zu, und der Raumfaktor erhöht sich entsprechend. In einem ausgewogenen Zustand an einer Position, an der der Eisenkern 31 ohne Lücke zusammengedrückt wird, beträgt der Raumfaktor 100%.
Die ausgewogene Position kann durch Ändern des Materials und der Dicke des Isolators 32, der Anzahl der Wicklungen und der Spannung eingestellt werden, die beim Wickeln auf das Isolierband ausgeübt wird.
Die ausgeübte Druckkraft wird höher, wenn ein Material mit einer höheren Zugfestigkeit verwendet wird und eine stärkere Spannung ausgeübt wird. Außerdem ist die ausgeübte Druckkraft proportional zum Produkt der Dicke des Isolierbands und der Anzahl der Wicklungen, das heißt der Gesamtdicke des Isolators 32. Zum Beispiel wird angenommen, dass ein weichmagnetisches Material mit einer Dicke von 0,05 mm in einer Menge laminiert wird, die 45 mm entspricht, wodurch ein Eisenkern mit einer Mindestbreite von 10 mm, einer Höchstbreite von 20 mm und einer Wellenlänge von 100 mm erhalten wird. In diesem Fall, wenn der Eisenkern zu einer Laminatdicke von 50 mm entsprechend einem Raumfaktor von 90% zusammengedrückt wird, versucht der Eisenkern sich mit einer Kraft von ca. 100 MPa auszudehnen. Daher wird ein Isolierband, das Polyimid als Grundmaterial enthält und eine Dicke von 0,08 mm aufweist, in zwei Wicklungen gewickelt, wodurch eine Druckkraft von 100 MPa erzeugt wird. Folglich kann der Eisenkern mit einer Laminatdicke von 50 mm erhalten werden.
8 zeigt eine fünfte Variante nach der vorliegenden Ausführungsform und ist ein Diagramm zur Beschreibung eines Aufbaus des Statorzahns in dem Fall, dass ein dehnbarer Isolator mit hohlem Querschnitt verwendet wird.
Das heißt, der Isolator 32 ist nicht auf das Isolierband beschränkt, und ein beliebiger Isolator kann als der Isolator 32 verwendet werden, solange der verwendete Isolator dehnbar ist. Nach der vorliegenden Ausführungsform ist der dehnbare Isolator mit hohlem Querschnitt ein Isolator, der Polyethylen, Polyvinylchlorid oder synthetischen Kautschuk als Grundmaterial enthält und eine Zugfestigkeit von 10 bis 100 MPa aufweist. Der Isolator 32 ist zum Beispiel aus einem zylindrischen Isolator mit einem vorbestimmten Durchmesser aufgebaut. Der zylindrische Isolator wird am Umfang des Eisenkerns 31 angebracht, um dadurch die Druckkraft aufzunehmen, die in Laminatdickenrichtung auf den Eisenkern 31 ausgeübt wird, und den Raumfaktor der Platten aus weichmagnetischem Material auf einem auslegungsgemäßen Sollwert zu halten.
Im Einzelnen wird ein Statorzahn bei Verwendung eines zylindrischen Isolators mit hohlem Querschnitt, dessen Innenquerschnittsfläche kleiner ist als die Querschnittsfläche des Eisenkerns, in folgender Weise erhalten. Zum Beispiel wird ein oberer Teil des Eisenkerns 31 mit einem Greifwerkzeug erfasst, ähnlich wie bei der in 3 gezeigten ersten Variante nach der ersten Ausführungsform. In diesem Zustand wird ein unterer zylindrischer Isolator 32c, der mit einem Dehnwerkzeug entsprechend der äußeren Form des Eisenkerns 31 gedehnt wird, eingeführt und von unten auf dem Umfang des in Laminatdickenrichtung erfassten Eisenkerns 31 angeordnet. Danach wird der untere zylindrische Isolator 32c auf einem unteren Teil des Eisenkerns 31 angebracht, indem das Dehnwerkzeug gelöst wird. Nachdem der untere Teil des Eisenkerns 31 auf diese Weise befestigt ist, wird ein oberer zylindrischer Isolator 32d in derselben Weise angebracht, wodurch der Umfang des Eisenkerns 31 in Laminatdickenrichtung durch die elastische Kraft der zylindrischen Isolatoren 32c und 32d selbst zusammengedrückt werden kann.
Bei dieser Variante, ähnlich dem Fall bei der Verwendung des Isolierbands, müssen die zylindrischen Isolatoren 32c und 32d an dem Eisenkern 31 angebracht werden, dessen oberer oder unterer Teil mit dem Greifwerkzeug erfasst wird. Daher ist der Isolator 32 in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 in mehr als ein Teil unterteilt, um eine Beeinträchtigung durch das Greifwerkzeug zu vermeiden. Selbstverständlich kann der zylindrische Isolator wie bei der in 4 gezeigten zweiten Variante nach der ersten Ausführungsform in drei Teile unterteilt sein.
Der dehnbare Isolator 32 mit hohlem Querschnitt, der auf dem Umfang des Eisenkerns 31 angeordnet wird, wird stabil an einer ausgewogenen Position zwischen der Dehnkraft in Laminatdickenrichtung des Eisenkerns 31 und der Schrumpfkraft des Isolators 32, und der dehnbare Isolator 32 hält die Eisenkernform, während der Eisenkern 31 in Laminatdickenrichtung des weichmagnetischen Materials zusammengedrückt wird. Die ausgewogene Position kann durch Ändern des Materials und der Dicke des Isolators 32 eingestellt werden. Die ausgeübte Druckkraft wird höher, wenn ein Material mit einer höheren Zugfestigkeit verwendet wird, und ist proportional zur Dicke des Isolators 32. Daher werden das Material und die Dicke des Isolators ähnlich wie in 7 gewählt, wodurch die Druckkraft auf einen Wert eingestellt werden kann, der den auslegungsgemäß angestrebten Raumfaktor ermöglicht.
Zum Beispiel wird angenommen, dass ein weichmagnetisches Material mit einer Dicke von 0,05 mm in einer Menge laminiert wird, die 45 mm entspricht, wodurch ein Eisenkern mit einer Mindestbreite von 10 mm, einer Höchstbreite von 20 mm und einer Wellenlänge von 100 mm erhalten wird. In diesem Fall, wenn der Eisenkern zu einer Laminatdicke von 50 mm entsprechend einem Raumfaktor von 90% zusammengedrückt wird, versucht der Eisenkern sich mit einer Kraft von ca. 100 MPa auszudehnen. Daher wird ein dehnbarer Isolator mit hohlem Querschnitt, der synthetischen Kautschuk als Grundmaterial enthält und eine Dicke von 0,3 mm aufweist, in einer Lage angeordnet, wodurch eine Druckkraft von 100 MPa erzeugt wird. Folglich kann der Eisenkern mit einer Laminatdicke von 50 mm erhalten werden.
Ein wärmeschrumpfender Isolator kann als der zylindrische Isolator mit hohlem Querschnitt verwendet werden. Der wärmeschrumpfende Isolator mit hohlem Querschnitt ist zum Beispiel ein Isolator, der Polyolefin als Grundmaterial enthält und eine Zugfestigkeit von 10 bis 100 MPa aufweist.
Ein Statorzahn wird bei Verwendung eines wärmeschrumpfenden Isolators mit hohlem Querschnitt, dessen Innenquerschnittsfläche vor dem Wärmeschrumpfen größer ist als die Querschnittsfläche des Eisenkerns, in folgender Weise erhalten. Das heißt, der Isolator 32 wird auf dem Umfang des Eisenkerns 31 angeordnet, der in Laminatdickenrichtung erfasst wird, und der Isolator 32 wird mit einem Wärmeofen, einer Heizplatte oder dergleichen zusammen mit dem Eisenkern 31 erwärmt, um dadurch geschrumpft zu werden, wodurch der Eisenkern 31 zusammengedrückt wird. Der wärmeschrumpfende Isolator wird im Allgemeinen durch Erwärmen bei 50 bis 200 Grad Celsius auf 1/2 bis 1/8 geschrumpft. Ähnlich wie bei dem Fall der Verwendung des Isolierbands muss der Isolator 32 auf dem erfassten Eisenkern 31 angeordnet werden und ist daher in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 in mehr als ein Teil unterteilt.
Der wärmeschrumpfende Isolator mit hohlem Querschnitt, der auf dem Umfang des Eisenkerns 31 angeordnet wird, wird stabil an einer ausgewogenen Position zwischen der Dehnkraft in Laminatdickenrichtung des Eisenkerns 31 und der Schrumpfkraft des erwärmten Isolators 32, und der wärmeschrumpfende Isolator hält die Eisenkernform, während der Eisenkern 31 in Laminatdickenrichtung des weichmagnetischen Materials zusammengedrückt wird. Die ausgewogene Position kann durch Ändern des Materials und der Dicke des Isolators 32 eingestellt werden.
Die ausgeübte Druckkraft wird höher, wenn ein Material mit einer höheren Zugfestigkeit verwendet wird, und ist proportional zur Dicke des Isolators 32. Daher können das Material und die Dicke des Isolators ähnlich wie in 7 gewählt werden. Zum Beispiel wird angenommen, dass ein weichmagnetisches Material mit einer Dicke von 0,05 mm in einer Menge laminiert wird, die 45 mm entspricht, wodurch ein Eisenkern mit einer Mindestbreite von 10 mm, einer Höchstbreite von 20 mm und einer Wellenlänge von 100 mm erhalten wird. In diesem Fall, wenn der Eisenkern zu einer Laminatdicke von 50 mm entsprechend einem Raumfaktor von 90% zusammengedrückt wird, versucht der Eisenkern sich mit einer Kraft von ca. 100 MPa auszudehnen. Daher wird ein wärmeschrumpfender Isolator mit hohlem Querschnitt, der Polyolefin als Grundmaterial enthält und eine Dicke von 5 mm aufweist, in einer Lage angeordnet, wodurch eine Druckkraft von 100 MPa erzeugt wird. Folglich kann der Eisenkern mit einer Laminatdicke von 50 mm erhalten werden.
9A und 9B zeigen Diagramme zur Beschreibung eines Aufbaus eines Statorzahns in dem Fall, wo der Isolator 32 unter Verwendung eines dehnbaren Isoliermaterials mit einer Dicke, die gleich oder größer als 1/10 der Laminatdicke des Eisenkerns ist, einstückig geformt ist und wo der so gebildete Isolator 32 die in Laminatdickenrichtung auf den Eisenkern 31 ausgeübte Druckkraft hält.
Aussparungen 34 sind an Teilen des Isolators 32 vorgesehen, wodurch der Isolator 32 die Eisenkernform zusammendrücken und halten kann, ohne in Wellenlängsrichtung unterteilt zu sein.
Das heißt, die Aussparungen 34, durch die eine nagelartige Vorrichtung, die den Eisenkern 31 zusammendrückt und ergreift, gerade hindurch passt, sind an dem Isolator 32 vorgesehen. Die nagelartige Vorrichtung wird an dem Isolator 32 angebracht, während der Eisenkern 31 erfasst wird, wodurch der Isolator 32 die Eisenkernform hält, während der Eisenkern 31 in Laminatdickenrichtung des weichmagnetischen Materials zusammengedrückt wird. Danach wird die nagelartige Vorrichtung aus den Aussparungen 34 des Isolators herausgezogen. Als Ergebnis kann der Statorzahn, bei dem der Isolator 32 nicht unterteilt ist, erhalten werden.
Die Dicke der zum Greifen verwendeten nagelartigen Vorrichtung wird größer, wenn die Laminatdicke des Eisenkerns 31 größer wird, weil eine höhere Steifigkeit für die nagelartige Vorrichtung erforderlich ist. Um die Eisenkernform zu halten, muss die Dicke der nagelartigen Vorrichtung gleich oder größer als 1/20 der Laminatdicke sein. Daher muss die Dicke des Isolators 32 so eingestellt werden, dass die nagelartige Vorrichtung herausgezogen werden kann und dass die auf den Eisenkern 31 ausgeübte Druckkraft sichergestellt werden kann. Im Einzelnen muss die Dicke des Isolators 32 gleich oder größer als 1/10 der Laminatdicke des Eisenkerns sein, das heißt gleich der oder größer als die zweifache Dicke der nagelartigen Vorrichtung. Wie in 9A gezeigt, müssen die Aussparungen 34 auf beiden Seiten in Laminatdickenrichtung des Eisenkerns 31 angeordnet werden, um den Eisenkern 31 in Laminatdickenrichtung zusammenzudrücken und zu halten. Außerdem kann, wenn die Breite in der Richtung senkrecht zur Laminatdickenrichtung des Eisenkerns 31 groß ist, wie in 9B gezeigt, die Anzahl der Aussparungen 34 erhöht werden, um die Eisenkernform problemlos zu halten.
10 bis 14 beziehen sich jeweils auf ein Verfahren zum Herstellen des Statorzahns mit dem Isolationsaufbau nach der vorliegenden Ausführungsform, und für jede Variante wird ein Beispiel des Verfahrens beschrieben.
10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des Isolationsaufbaus nach der ersten Variante, die anhand von 3 beschrieben wird.
Zuerst wird ein Teil, der gleich der oder kleiner als die Hälfte in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 ist, mit dem Greifwerkzeug erfasst, während dieser in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, wobei der Eisenkern 31 durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet wird (S11).
Zweitens wird der dehnbare Isolator 32 um einen nicht erfassten Teil des Eisenkerns 31 auf einer Seite in Wellenlängsrichtung gewickelt, während Endteile davon gehalten werden und eine vorbestimmte Spannung darauf ausgeübt wird (S12).
Drittens werden die Endteile des dehnbaren Isolators 32 durch Kleben, Verschmelzen, Schweißen oder dergleichen aneinander befestigt (S13). Wenn die Anordnung des Isolators 32 auf dem Umfang des Eisenkerns 31 im dritten Schritt nicht abgeschlossen wird, werden die Schritte zum einmaligen Lösen des Griffs des Eisenkerns 31, Ergreifen eines Teils des Eisenkerns 31, für den die Anordnung des Isolators 32 abgeschlossen ist, und Wickeln des Isolators 32 um einen nicht erfassten Teil des Eisenkerns 31 wiederholt (S15).
Mit den vorstehend genannten Schritten kann der Isolationsaufbau mit dem dehnbaren Isolator 32 erhalten werden.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des Isolationsaufbaus nach der zweiten Variante, die anhand von 4 beschrieben wird.
Zuerst werden Endteile in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 erfasst, während dieser in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, wobei der Eisenkern 31 durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet wird (S21).
Zweitens wird der dehnbare Isolator 32 um einen nicht erfassten zentralen Abschnitt in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 gewickelt, während Endteile davon gehalten werden und eine vorbestimmte Spannung darauf ausgeübt wird (S22).
Drittens werden die Endteile des dehnbaren Isolators 32 durch Kleben, Verschmelzen, Schweißen oder dergleichen aneinander befestigt (S23). Wenn die Anordnung des Isolators 32 auf dem Umfang des Eisenkerns 31 im dritten Schritt nicht abgeschlossen wird, werden die Schritte zum einmaligen Lösen des Griffs des Eisenkerns 31, Ergreifen eines Teils des Eisenkerns 31, für den die Anordnung des Isolators 32 abgeschlossen ist, und Wickeln des Isolators 32 um einen nicht erfassten Teil des Eisenkerns 31 wiederholt (S25).
Mit den vorstehend genannten Schritten kann der Isolationsaufbau mit dem dehnbaren Isolator 32 erhalten werden.
12 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des Isolationsaufbaus nach der dritten Variante, die anhand von 5 beschrieben wird. Zuerst wird eine obere Hälfte in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 erfasst, während dieser in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, wobei der Eisenkern 31 durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet wird (S31).
Zweitens wird der dehnbare Isolator 32 um einen nicht erfassten zentralen Abschnitt in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 gewickelt, während Endteile davon gehalten werden und eine vorbestimmte Spannung darauf ausgeübt wird (S32).
Drittens wird die erfasste Position des Eisenkerns 31 in einer Richtung entgegengesetzt zur Wicklungsanfangsseite des Isolators 32 verschoben, und der Isolator 32 wird um einen Teil gewickelt, der durch Verschieben des Griffs gelöst wird.
Wenn die Anordnung des Isolators 32 auf dem Umfang des Eisenkerns 31 im dritten Schritt nicht abgeschlossen wird, werden die Schritte zum einmaligen Lösen des Griffs des Eisenkerns 31, Ergreifen eines Teils des Eisenkerns 31, für den die Anordnung des Isolators 32 abgeschlossen ist, und Wickeln des Isolators 32 um einen nicht erfassten Teil des Eisenkerns 31 wiederholt (S35).
Viertens werden die Endteile des dehnbaren Isolators 32 durch Kleben, Verschmelzen, Schweißen oder dergleichen befestigt (S36).
Mit den vorstehend genannten Schritten kann der Isolationsaufbau mit dem dehnbaren Isolator 32 erhalten werden.
13 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des Isolationsaufbaus nach der vierten Variante mit dem dehnbaren Isolator mit hohlem Querschnitt, die anhand von 8 beschrieben wird. Zuerst wird ein Teil, der gleich der oder kleiner als die Hälfte in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 ist, erfasst, während dieser in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, wobei der Eisenkern 31 durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet wird (S41).
Zweitens wird der dehnbare Isolator 32 mit hohlem Querschnitt gedehnt und in einem nicht erfassten Teil des Eisenkerns 31 auf einer Seite in Wellenlängsrichtung angeordnet, so dass die eine Seite in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 abgedeckt wird (S42).
Drittens wird das Dehnen des dehnbaren Isolators 32 mit hohlem Querschnitt gelöst, und der nicht erfasste Teil des Eisenkerns 31 wird durch den Isolator 32 zusammengedrückt (S43). Wenn die Anordnung des Isolators 32 auf dem Umfang des Eisenkerns 31 im dritten Schritt nicht abgeschlossen wird, werden die Schritte zum einmaligen Lösen des Griffs des Eisenkerns 31, Ergreifen eines Teils des Eisenkerns 31, für den die Anordnung des Isolators 32 abgeschlossen ist, und Wickeln des Isolators 32 um einen nicht erfassten Teil des Eisenkerns 31 wiederholt (S45).
Mit den vorstehend genannten Schritten kann der Isolationsaufbau mit dem dehnbaren Isolator 32 mit hohlem Querschnitt erhalten werden.
14 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des Isolationsaufbaus nach der fünften Variante mit dem wärmeschrumpfenden Isolator mit hohlem Querschnitt, die anhand von 8 beschrieben wird.
Zuerst wird eine obere Hälfte in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 erfasst, während dieser in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, wobei der Eisenkern 31 durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet wird (S51).
Zweitens wird der wärmeschrumpfende Isolator 32 mit hohlem Querschnitt an einer nicht erfassten unteren Hälfte in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns 31 angeordnet (S52).
Drittens wird der wärmeschrumpfende Isolator 32 mit hohlem Querschnitt zusammen mit dem Eisenkern 31 erwärmt, um dadurch geschrumpft zu werden, und der nicht erfasste Teil des Eisenkerns 31 wird durch den Isolator 32 zusammengedrückt (S53).
Wenn die Anordnung des Isolators 32 auf dem Umfang des Eisenkerns 31 im dritten Schritt nicht abgeschlossen wird, werden die Schritte zum einmaligen Lösen des Griffs des Eisenkerns 31, Ergreifen eines Teils des Eisenkerns 31, für den die Anordnung des Isolators 32 abgeschlossen ist, und Anordnen des Isolators 32 an einem nicht erfassten Teil des Eisenkerns 31 wiederholt (S55).
Mit den vorstehend genannten Schritten kann der Isolationsaufbau mit dem wärmeschrumpfenden Isolator 32 mit hohlem Querschnitt erhalten werden.
Wie vorstehend beschrieben, wird nach der vorliegenden Erfindung der dehnbare Isolator 32 mit einer vorbestimmten Zugfestigkeit zwischen den Eisenkern 31 und der Spule 33 angeordnet, wodurch die Isolierung zwischen dem Eisenkern 31 und der Spule 33 sichergestellt werden kann. Darüber hinaus wird der Eisenkern 31 gehalten, während er zusammengedrückt wird, wodurch der auslegungsgemäß angestrebte Raumfaktor über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden kann. Daher kann der Isolationsaufbau, bei dem eine Änderung der Form leicht ist, zu niedrigen Kosten erhalten werden.
Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform eines Aufbaus von Statorzähnen mit einem Isolationsaufbau nach der vorliegenden Erfindung wird anhand von 15 bis 18 beschrieben.
15 zeigt eine erste Variante eines Eisenkerns und eines Isolationsaufbaus eines Statorzahns nach der zweiten Ausführungsform. Der Eisenkern 31 ist aus weichmagnetischem Material wie elektromagnetischen Stahlplatten, amorphem Metall oder Permendur aufgebaut. Der Eisenkern 31 wird durch Laminieren von Platten aus dem weichmagnetischen Material erhalten und befindet sich daher in einem Tellerfederzustand. Ein Isolator 36 weist einen Isolationsaufbau mit einer Biegefestigkeit von 10 bis 2.000 MPa auf und ist aus einem Kunstharzmaterial (wie etwa Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polybutylen, Polycarbonat, Epoxidharz, Urethan, Phenol, Polyimid und Flüssigkristallpolymere) oder einem Element aufgebaut, das durch Übereinanderlegen von Isolierpapier und einer Tellerfeder erhalten wird. Bei Verwendung der Tellerfeder ist die Tellerfeder aus einem Metallmaterial (wie etwa Federstahl, Edelstahl, Messing, Phosphorbronze und Berylliumkupfer), einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial oder dergleichen aufgebaut. Eine Platte des vorstehend genannten Kunstharzmaterials wird zum Beispiel erwärmt und geformt, wodurch der Isolator 36 so geformt wird, dass er eine innere Form aufweist, die der äußeren Form des Eisenkerns 31 entspricht. Ein Trennteil 91 ist an dem Isolator 36 entlang der Laminatdickenrichtung des Eisenkerns 31 vorgesehen. Daher wird der Isolator 36 auf dem Außenumfang des Eisenkerns 31 angeordnet, während das Trennteil 91 gedrückt und geöffnet wird, und der Isolator 36 wird daraufhin gelöst. Aufgrund der Biegespannung des Isolators 36 drücken folglich beide Seitenteile des Trennteils 91 die Platten, die den Eisenkern 31 bilden, in Laminatdickenrichtung und halten den Raumfaktor auf einem auslegungsgemäßen Sollwert.
16 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung der Druckkraft, die von dem Isolator auf den Eisenkern ausgeübt wird.
Zusammen mit einer Abnahme der Dicke der laminierten Platten aus magnetischem Material und einer Zunahme von deren Laminatdicke wird eine Lücke in Laminatdickenrichtung in dem Eisenkern 31 größer, und daher nimmt auch die Dehnkraft in Laminatdickenrichtung des zusammengedrückten Eisenkerns 31 zu.
Das heißt, der Isolator 36, der durch Laminieren der Platten aus dem vorstehend genannten Material gebildet wird, weist Elastizität auf und versucht, sich in Laminatdickenrichtung auszudehnen. Daher wird das Trennteil 91 so geformt, dass es nach innen gebogen ist, so dass die innere Form des Isolators 36 kleiner ist als die äußere Form des Eisenkerns 31. Wenn der Eisenkern 31 im Inneren des Isolators 36 angeordnet wird, verformt sich daher ein Teil um das Trennteil 91 herum elastisch in Laminatdickenrichtung des Eisenkerns 31.
Der Isolator 36 wird stabil an einer ausgewogenen Position zwischen der Dehnkraft in Laminatdickenrichtung des Eisenkerns 31 und der Rückstellkraft um das Trennteil 91 des Isolators herum, und der Isolator 36 kann die Eisenkernform halten, während der Eisenkern 31 in Laminatdickenrichtung des weichmagnetischen Materials zusammengedrückt wird.
Da die auf den Eisenkern 31 ausgeübte Druckkraft in einem stabilen Zustand an der ausgewogenen Position höher wird, kommen die Platten in engeren Kontakt miteinander, das Verhältnis des tatsächlichen Volumens zum scheinbaren Volumen nimmt weiter zu und der Raumfaktor erhöht sich entsprechend. In einem ausgewogenen Zustand an einer Position, an der der Eisenkern 31 ohne Lücke zusammengedrückt wird, beträgt der Raumfaktor 100%.
Die ausgewogene Position kann durch Ändern des Materials und der Dicke des Isolators 36 sowie des Verformungsbetrags beim Biegen des Trennteils 91 in Laminatdickenrichtung eingestellt werden.
Die ausgeübte Druckkraft wird höher, wenn ein Material mit einer höheren Biegefestigkeit verwendet wird. Die ausgeübte Druckkraft ist proportional zum Produkt des Verformungsbetrags des Trennteils und des Kubus der Dicke. Zum Beispiel wird angenommen, dass ein weichmagnetisches Material mit einer Dicke von 0,05 mm in einer Menge laminiert wird, die 45 mm entspricht, wodurch ein Eisenkern mit einer Mindestbreite von 10 mm, einer Höchstbreite von 20 mm und einer Wellenlänge von 100 mm erhalten wird. In diesem Fall, wenn der Eisenkern zu einer Laminatdicke von 50 mm entsprechend einem Raumfaktor von 90% zusammengedrückt wird, versucht der Eisenkern sich mit einer Kraft von ca. 100 MPa auszudehnen. Daher wird auf einer Seite des Trennteils des Isolators ein Druck von 50 MPa erzeugt. Der Isolator ist aus einem Phenolharz mit einer Dicke von 2 mm gebildet, sein Trennteil wird um 8 mm nach innen verformt und der Eisenkern wird im Inneren des so gebildeten Isolators angeordnet, wodurch eine Druckkraft von 50 MPa erzeugt wird. Folglich kann der Eisenkern mit einer Laminatdicke von 50 mm erhalten werden.
17A und 17B zeigen Diagramme zur Beschreibung einer zweiten Variante des Eisenkerns und des Isolationsaufbaus für den Statorzahn nach der zweiten Ausführungsform. Der Isolator 36 weist einen Isolationsaufbau mit einer Biegefestigkeit von 10 bis 2.000 MPa auf und ist aus einem Kunstharzmaterial (wie etwa Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polybutylen, Polycarbonat, Epoxidharz, Urethan, Phenol, Polyimid und Flüssigkristallpolymere) oder einem Element aufgebaut, das durch Übereinanderlegen von Isolierpapier und einer Tellerfeder erhalten wird. Die Tellerfeder ist aus einem Metallmaterial (wie etwa Federstahl, Edelstahl, Messing, Phosphorbronze und Berylliumkupfer), einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial oder dergleichen aufgebaut.
Wie in 17A gezeigt, weist der Isolator 36 einen unbeweglichen Teil 36a, einen beweglichen Teil 36b, der teilweise mit einer konvexen Form bedeckt ist, und einen beweglichen Teil 36c auf, der teilweise mit einer konkaven Form bedeckt ist. Die beweglichen Teile 36b und 36c sind in Laminatdickenrichtung des Eisenkerns 31 vorgesehen und jeweils mit halbkugelförmigen konvexen Passteilen 92a und halbkugelförmigen konkaven Passteilen 92b versehen.
Das Innere des unbeweglichen Teils 36a in einem geöffneten Zustand wird mit den Platten gefüllt, die in einem laminierten Zustand den Eisenkern bilden. Danach werden das bewegliche Teil 36b und das bewegliche Teil 36c geschlossen, so dass sie gegeneinander gedrückt werden, und mit den Passteilen befestigt.
Der Isolator 36 ist so geformt, dass seine innere Form in diesem Zustand der äußeren Form des Eisenkerns 31 entspricht. Der Eisenkern 31 wird im Inneren des Isolators 36 und auf dem unbeweglichen Teil 36a angeordnet und wird daher durch Befestigen des beweglichen Teils 36b und des beweglichen Teils 36c des Isolators zusammengedrückt. In dem Zustand, in dem das bewegliche Teil 36b und das bewegliche Teil 36c des Isolators durch die Passteile 92a und 92b befestigt werden und in dem der Eisenkern 31 so daran gehindert wird, sich in Laminatdickenrichtung auszudehnen, wird der Eisenkern 31 in Laminatdickenrichtung des weichmagnetischen Materials zusammengedrückt, und die Eisenkernform wird gehalten.
Zusammen mit einer Abnahme der Dicke des weichmagnetischen Materials, das den Eisenkern 31 bildet, und einer Zunahme von dessen Laminatdicke wird die Lücke in Laminatdickenrichtung in dem Eisenkern 31 größer, und daher nimmt auch die Dehnkraft in Laminatdickenrichtung des zusammengedrückten Eisenkerns 31 zu.
Um hiermit umzugehen, werden die Durchmesser der Passteile 92a und 92b erhöht, wodurch die Befestigung des beweglichen Teils 36b und des beweglichen Teils 36c gestärkt werden kann. Außerdem wird, wie in 17B gezeigt, die Anzahl der konvexen Formen, die an dem beweglichen Teil 36b vorgesehen sind, und die Anzahl der konkaven Formen, die an dem beweglichen Teil 36c vorgesehen sind, erhöht, wodurch die Befestigung des beweglichen Teils 36b und des beweglichen Teils 36c gleichermaßen gestärkt werden kann.
18 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung einer dritten Variante des Eisenkerns und des Isolationsaufbaus des Statorzahns nach der zweiten Ausführungsform.
Die Passteile können durch Durchgangslöcher und ein Stabelement ersetzt werden. Der Eisenkern 31 wird im Inneren des Isolators 36 und auf dem unbeweglichen Teil 36a angeordnet und durch Befestigen des beweglichen Teils 36b und des beweglichen Teils 36c des Isolators zusammengedrückt. In dem Zustand, in dem das bewegliche Teil 36b und das bewegliche Teil 36c des Isolators durch Einstecken eines Stabelements 94 in Durchgangslöcher 93 an dem beweglichen Teil 36b und dem beweglichen Teil 36c befestigt werden und in dem der Eisenkern 31 so daran gehindert wird, sich in Laminatdickenrichtung auszudehnen, wird der Eisenkern 31 in Laminatdickenrichtung des weichmagnetischen Materials zusammengedrückt, und die Eisenkernform wird gehalten.
Nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der elastische Isolator 36 zwischen dem Eisenkern 31 und der Spule 33 angeordnet, wodurch die Isolierung zwischen dem Eisenkern 31 und der Spule 33 sichergestellt werden kann, und der Eisenkern 31 kann gehalten werden, während er zusammengedrückt wird. Daher kann der Isolationsaufbau, bei dem eine Änderung der Form leicht ist, zu niedrigen Kosten erhalten werden.
Vorstehend ist die vorliegende Erfindung gezielt anhand der Ausführungsformen beschrieben worden, und verschiedene Arten von im Einzelnen beschriebenen Erfindungen können in Kombination miteinander verwendet werden. Obwohl die vorstehende Beschreibung unter Verwendung der rotierenden elektrischen Maschine vom Axialspalt-Typ als Beispiel gegeben worden ist, kann außerdem die Form des Isolators frei gewählt werden, solange die Eisenkernform eine säulenartige Form ist. Auf diese Weise kann die vorliegende Erfindung auch im Falle einer rotierenden elektrischen Maschine vom Radialspalt-Typ ähnliche Wirkungen erzeugen.
Das heißt, in der rotierenden elektrischen Maschine vom Radialspalt-Typ werden Platten aus weichmagnetischem Material, die einen Eisenkern bilden, in Wellenlängsrichtung laminiert. Dadurch wird eine Variante erhalten, bei der der Eisenkern, der versucht, sich in Wellenlängsrichtung zu dehnen, durch einen Isolator zusammengedrückt wird, wodurch der Raumfaktor auf einem auslegungsgemäßen Sollwert gehalten werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der Erfindung beschränkt, und selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung innerhalb eines Bereichs, der nicht von ihrem Gedanken abweicht, für rotierende elektrische Maschinen mit Statorzähnen, bei denen jeweils ein Isolator zwischen einem Eisenkern und einer Spule angeordnet ist, geändert werden.
Bezugszeichenliste

10: Rotierende elektrische Maschine vom Axialspalt-Typ
20: Magnet
21: Scheibenförmiges Element
30: Statorzahn
50: Rotor
60: Stator
70: Rotierende Welle
80: Gehäuse
31: Eisenkern des Statorzahns
32: Isolator des Statorzahns
33: Spule des Statorzahns
34: Aussparung des Isolators des Statorzahns
36: Isolator des Statorzahns
36a: Unbeweglicher Teil des Isolators des Statorzahns
36b: Beweglicher Teil des Isolators des Statorzahns
36c: Beweglicher Teil des Isolators des Statorzahns
91: Trennteil des Isolators des Statorzahns
92: Passteil des Isolators des Statorzahns
93: Durchgangsloch des Isolators des Statorzahns
94: Stabelement

Claims

Isolationsaufbau für eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei Statorzähne, die den Stator bilden, jeweils einen Eisenkern, der durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet ist, eine Spule, die auf dem Umfang des Eisenkerns angeordnet ist, und einen Isolator aufweisen, der zwischen dem Eisenkern und der Spule angeordnet ist, wobei der Isolator aus einem dehnbaren Element hergestellt ist, der Isolator in einem gedehnten Zustand auf dem Umfang des Eisenkerns angebracht ist und der Isolator eine Zugfestigkeit aufweist, die hoch genug ist, um die Platten aus dem weichmagnetischen Material, die den Eisenkern bilden, in Laminatdickenrichtung zusammenzudrücken.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Isolator aus einem Isolierband mit einer Zugfestigkeit von 10 bis 200 MPa hergestellt ist und der Isolator zum Wickeln in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns in mehr als einen Teil unterteilt ist.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Isolator aus einem Isolierband mit einer Zugfestigkeit von 10 bis 200 MPa hergestellt ist und der Isolator spiralförmig um den Umfang des Eisenkerns gewickelt ist.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Isolator aus einem dehnbaren Element mit einem hohlen Querschnitt und einer Zugfestigkeit von 10 bis 100 MPa hergestellt ist und der Isolator zum Anbringen in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns in mehr als einen Teil unterteilt ist.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Isolator aus einem wärmeschrumpfenden Element mit hohlem Querschnitt und einer Zugfestigkeit von 10 bis 100 MPa hergestellt ist und der Isolator zum Anbringen durch Erwärmen und Schrumpfen in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns in mehr als einen Teil unterteilt ist.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Isolator so angeordnet ist, dass er teilweise in Wellenlängsrichtung des Eisenkerns überlappt.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei der Isolator aus einem dehnbaren Element mit hohlem Querschnitt und einer Zugfestigkeit von 10 bis 100 MPa hergestellt ist und der Isolator mit mindestens einer Aussparung in Laminatdickenrichtung des Eisenkerns versehen ist.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Isolator aus einem elastischen Element mit einer Biegefestigkeit von 10 bis 2.000 MPa hergestellt ist, der Isolator auf dem Umfang des Eisenkerns angebracht wird, während er in Breitenrichtung der Platten aus dem weichmagnetischen Material gedehnt wird, und der Isolator eine Biegefestigkeit aufweist, die hoch genug ist, um die Platten aus dem weichmagnetischen Material, die den Eisenkern bilden, in Laminatdickenrichtung zusammenzudrücken.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei der Isolator in Laminatdickenrichtung des weichmagnetischen Materials, das den Eisenkern bildet, teilweise getrennt ist.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei der Isolator aus einem Element hergestellt ist, das mit einem Abdeckteil versehen ist, das sich in Laminatdickenrichtung des weichmagnetischen Materials, das den Eisenkern bildet, öffnen und schließen lässt, das Abdeckteil mindestens ein Paar aus einem konvexen Teil und einem konkaven Teil aufweist und das Abdeckteil mit einem halbkugelförmigen konvexen Teil und einem halbkugelförmigen konkaven Teil befestigt wird, die jeweils an dem konvexen Teil bzw. dem konkaven Teil vorgesehen sind.
Isolationsaufbau für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei der Isolator aus einem Element hergestellt ist, das mit einem Abdeckteil versehen ist, das sich in Laminatdickenrichtung des weichmagnetischen Materials, das den Eisenkern bildet, öffnen und schließen lässt, das Abdeckteil mindestens ein Paar aus einem konvexen Teil und einem konkaven Teil aufweist, und das Abdeckteil durch Einstecken eines stabförmigen Elements in Durchgangslöcher an dem konvexen Teil und dem konkaven Teil befestigt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Isolationsaufbaus für eine rotierende elektrische Maschine mit Statorzähnen, das Verfahren aufweisend: einen ersten Schritt zum Greifen eines Eisenkerns, der durch Laminieren von Platten aus weichmagnetischem Material gebildet wird, während der Eisenkern in Laminatdickenrichtung zusammengedrückt wird, einen zweiten Schritt zum Anordnen eines dehnbaren Isolators auf dem Umfang des Eisenkerns und einen dritten Schritt zum Befestigen des Isolators auf dem Umfang des Eisenkerns, wobei der zweite Schritt das Anordnen des Isolators in einem geteilten Zustand in mehreren Partien umfasst.
Verfahren zum Herstellen des Isolationsaufbaus für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 12, wobei der zweite Schritt das Wickeln eines Isolierbands um den Eisenkern umfasst.
Verfahren zum Herstellen des Isolationsaufbaus für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 12, wobei der zweite Schritt das Anordnen eines Isolators mit hohlem Querschnitt auf dem Umfang des Eisenkerns umfasst, während der Isolator in radialer Richtung gedehnt wird.
Verfahren zum Herstellen des Isolationsaufbaus für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 14, wobei der zweite Schritt das Anordnen eines wärmeschrumpfenden Isolators mit hohlem Querschnitt auf dem Umfang des Eisenkerns und das anschließende Erwärmen des wärmeschrumpfenden Isolators zusammen mit dem Eisenkern umfasst.
Verfahren zum Herstellen des Isolationsaufbaus für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 12, wobei der zweite Schritt das spiralförmige Anordnen des Isolators umfasst, während der Griff des Eisenkerns verschoben wird.