JP2000295807A - エアギャップ巻線およびエアギャップ巻線の製造方法 - Google Patents

エアギャップ巻線およびエアギャップ巻線の製造方法

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JP2000295807A
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air gap
gap
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mixture
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Peter Robert Evison
ロバート エビソン ピーター
Xuefeng Wu
ウー シューフン
Adam Alasdair Pride
アラスデア ブライド アダム
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Aisin Corp
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Aisin Seiki Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/46Fastening of windings on the stator or rotor structure

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エアギャップ巻線の磁束密度を増加させるこ
と。 【解決手段】 複数の撚線42を撚ってワイヤー50を
形成し、複数のワイヤー50を捩じって形成した巻線2
8に関し、撚線42と撚線42との間の隙間およびワイ
ヤー50とワイヤー50との間の隙間に磁性材料とバイ
ンダーとの混在を充填する構成により、磁気を撚線42
よりも磁性材料を介して流れるようにし磁束密度の向上
を図る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はエネルギー変換装
置に用いるエアギャップ巻線に関するもので、特に、例
えば永久磁石ローター、ソレノイドローター、インジェ
クションローター、ヒステリシスローター等のローター
を備えた装置に関するものである。このような装置にお
いて、ローターとステーターとの間に隙間を持たせて巻
線を巻くタイプはエアギャップ巻線およびヘリカル巻
線、ロンビック巻線、グラム巻線として知られている。
【0002】
【従来の技術】ステーターのスロットに巻線を施したエ
ネルギー変換装置として特開平3-70440号に開示
されたものがある。ティース部(歯部)を通過する際に
磁気抵抗を小さくするため、ステーターの透磁率が1以
上の材料で形成されることが望ましい。特開平3-70
440号においても、磁性材料(磁性粉)とバインダー
(つまり、鉄とナイロンの混材)によって巻線をモール
ドする技術を開示している。しかしながら、上記の磁性
粉とバインダーによるモールドは、巻線周りの磁気の流
れを促進するために、単に巻線全体をモールドしている
に過ぎないものである。特開平4-236142号、特
開平6-197484号及び特開平7-39098号にお
いても、磁性粉とバインダーにより巻線全体をモールド
する技術が開示されている。巻線の周りをモールドする
ことは、論理的に材料や量産コストを低減するのに有効
である。このことは、単純に1つの材料、すなわち鋼鉄
積層板を、他のもの、つまり鉄とナイロンの混材に置き
換えているが、双方の材料は巻線周りの流れを維持する
機能は同じである。
【0003】いくつかのアプリケーションのためにティ
ース部を除外したものが望まれ、ティースレスエアギャ
ップ巻線を生み出されている。この種のティースレスエ
アギャップは、例えば、次のもので用いられている。
【0004】・それぞれのティース部が磁気飽和状態に
よる高い磁気を含む高伝導装置、 ・スロットの開口部とティース部との間の抵抗の変化に
よって、トルクリップルを除去するためのサーボ機構の
小型モータ、及び/又は ・ティース部における鉄損が大きな問題となる高速回転
機。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ティースレス巻線は、
ローターとステータとの間に直接エアギャップを配置す
る。しかしながら、通常巻線として用いられる銅材は非
磁性であり、当該巻線は磁気抵抗を著しく増加させる。
必要とされる力を得るため、通常の永久磁石の励磁(つ
まり、残留磁束密度 Br = 1 Tesla)で、且つ太い巻
線(つまり、15mm)を必要とする装置において、抵
抗の増加は、磁束及びその特性の減少を引き起こす。更
に、一般周知の装置と同様に、巻線を通過する流れは、
導線内に渦損失を導く問題がある。
【0006】故に、本発明は、磁束密度を増やすことが
できるエアギャップ巻線及びエアギャップ巻線の製造方
法を提供することを、その技術的課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るため、請求項1の発明のエアギャップ巻線は、複数の
撚線を相互に撚ったワイヤーで形成された巻線を備え、
撚線と撚線との間の隙間及びワイヤーとワイヤーとの間
の隙間に、磁性材料とバインダーとの混材を充填するも
のである。このようなエアギャップ巻線が永久磁石励磁
と共にエネルギー変換装置内で用いられると、磁束の流
れは、例えば銅のような非磁性体で形成される巻線を形
成する撚線よりも混材を形成する磁性材料を介して流し
得る。
【0008】また、巻線が断面円筒形状のステータ内に
収容されたヘリカル巻線であるとよい。つまり、ステー
タが磁束の流れをサポートすることにより磁束密度を増
加し得る。
【0009】また、巻線の断面形状が多角形、あるいは
巻線の外周表面の径方向の曲率がハウジングの内壁の径
方向の曲率と異なる曲率とすると、磁性材料とバインダ
ーとの混材の壁を巻線の内外周に容易に形成し得る。
【0010】また、本発明のエアギャップ装置は、複数
の撚線を相互に撚ったワイヤーで形成された断面異形の
中空筒状の巻線を内外周に隙間を持って筒形状の型に挿
入する第1のステップと、巻線の内外周面と型との間の
隙間に、磁性材料とバインダーとの混材を射出成形する
第2のステップと、前記型から前記混材が充填された巻
線を取り出す第3のステップにより、非常に安価に製造
し得る。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の望ましい実施の形
態を図面を参照して説明する。
【0012】図1は、タービンハウジング11、ベアリ
ングハウジング12及び発電機ハウジング13の3つの
ハウジング部材からなるハウジングを有するタービン発
電機の断面を示す。タービンハウジング11はベアリン
グハウジング12の一端にボルト14によって固定さ
れ、発電機ハウジング13はベアリングハウジング12
の他端に環状ベルト15によって固定されている。ター
ビンローター16はタービンハウジング11の内部に配
置され、ボールベアリング17によって回転可能に支持
されたシャフト18の一端に取り付けられている。な
お、ボールベアリング17に代えて、エアーベアリング
や他の種類のベアリングを採用することも可能である。
ボールベアリング17とタービンローター16の背面側
との間には断熱材19が配置されている。ハウジング1
1には、排気導入口20、排出口21、導入口20と排
出口21との間に位置するスクロール22が一体で形成
されている。ベアリングハウジング12には、タービン
ハウジング11、ベアリングハウジング12を冷却する
と共に、排気熱がボールベアリング17及び発電機24
への伝達することを防止する冷却水路23が形成されて
いる。また、ベアリングハウジング12には、ボールベ
アリング17へオイルを供給すると共に、上記排気熱が
ボールベアリング17及び発電機24へ伝達することを
防止するオイル通路25が形成されている。オイルはオ
イルカバー29によりローター26への飛散を防止でき
る。発電機24は、シャフト18の他端に固定されたロ
ーター26、ステーター27及び巻線28を備えてい
る。図1の左端に示した電線31の一端は巻線28に接
続されている。また、発電機ハウジング13の外周には
放熱用の冷却フィン30が設けられている。
【0013】巻線28は、銅などの通電性のある材料で
構成された複数の撚線(ストランド)42を相互に撚っ
てワイヤー50を構成し、複数のワイヤー50を束ねて
形状を整えることで形成される。図2に示すように、磁
気浸透材料(磁性材)40とバインダー41との混合物
(混材)は、撚線42の間に加圧浸透させられる。バイ
ンダー41は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエ
ステル樹脂又はナイロンやポリプロピレン等のプラスチ
ックが用いられ、磁気浸透材料40には鉄、ニッケル、
コバルト又はシリコン-鉄やフェライトなどの合金が用
いられる。磁気浸透材料40はバインダー41によって
覆われ、バインダー41は磁束への損失を低減する。磁
気は、巻線28内の撚線42よりも磁気浸透材料40内
を流れるので、次の利点がある。
【0014】・巻線28の径方向の磁気抵抗を減少させ
ることができる、 ・巻線28の周りに環状に形成される磁気が増え、巻線
28の電圧および力を増加させることができる、 ・磁束の損失を減らすことができる、そして ・巻線28の熱伝導性が増え、巻線28からステーター
27への熱伝達が改善される。
【0015】図1に示した巻線28はヘリカル巻線であ
る。ヘリカル巻線28において、それぞれの捩れはステ
ーター27に沿って螺旋形状になっている。それぞれの
捩れは、一般にリッツワイヤー50と言われる形状とな
っている。つまり、それぞれのワイヤー50は、多数
(概して、7本から28本の撚線)の撚線42を撚っ
て、ヘリカル巻線28内に最低限の電流通路を形成す
る。ヘリカル巻線28内の各々一塊のワイヤー50間の
隙間43と、ワイヤー50内のそれぞれの撚線42間の
隙間44は、磁気浸透材料40が介在するように混合材
料29によって充填されている。この巻型は、渦を巻く
流れを最小限とし、アンバランスな電圧誘導と、それに
伴う還流を最低限にする。典型的なヘリカル巻線28
は、2層で2ポール、3層であるが、他の組み合わせも
可能である。ヘリカル巻線28を用いることのメリット
は、ティース部における鉄損の防止、軸方向長さの短縮
及び低リアクタンス等が挙げられる。
【0016】この発明によるエアギャップ装置の磁束密
度は、図4から図6に示すように、増加している。図4
は一般的な巻線による磁束のシミュレーション結果を示
し、図5はこの発明を用いたヘリカル巻線による磁束の
シミュレーション結果を示している。図6は、図4と図
5の巻線の比較による磁束密度の増加を示している。
【0017】図1に示した実施例はタービン発電機であ
るが、この発明のエアギャップ巻線は、例えばエンジン
のハイブリッドチャージャーなどの他の装置に適用する
こともできる。ハイブリッドチャージャーはエンジンの
作動状態に応じて、次の3通りの作動ができる。
【0018】・電気モータ/発電機(エアギャップ装
置)が停止しているときに、ターボチャージャーとして
の作動ができる。
【0019】・電気モータとタービンインペラとの双方
が、圧縮空気をエンジンに供給するためのコンプレッサ
ーインペラを駆動する。
【0020】・ターボチャージャーによる加給が全く必
要ない場合、または加給が少ししか必要でない場合、車
両用のバッテリーを充電するためタービンインペラが電
気モータ/発電機を発電機として駆動する。従って、排
気ガス中のエネルギーの大部分を回生できる。
【0021】図3に示すとおり、ステーター27とエア
ギャップ巻線28は、次のステップによって単一ユニッ
トとして生産できる。
【0022】ステップ1 リング形状のステーター(外側部材)27、断面略四角
形のヘリカル巻線28及び円筒形状の内側部材32を同
軸方向に組み立てる、そしてステーター27の両端を図
示しないエンドカバーで閉鎖する。図示しないエンドカ
バーを貫通する複数のインジェクションゲート33が形
成される。ヘリカル巻線28の断面が略四角形であるこ
とから、ヘリカル巻線28の内側には円筒形状の内側部
材32の外周面との間に4個の空間(内側空間)34が
形成され、ヘリカル巻線28の外側にはステーター27
の外周面との間に4個の空間(外側空間)35が形成さ
れる。ヘリカル巻線28の断面形状は、四角形に限定さ
れることなく、他の形状(例えば、楕円形、三角形、正
方形、五角形)も用いることができる。それぞれのイン
ジェクションゲート33は、内側空間34又は外側空間
35の長手方向に沿って配置している。
【0023】ステップ2 磁気浸透材料40とバインダー41との混合材料29
は、インジェクションゲート33を介して内側空間34
及び外側空間35に押し出される。混合材料29は、内
側空間34から外側に、また外側空間35から内側に流
れヘリカル巻線28の隙間43および隙間44を充填す
る。図3に矢印で示すように、混合材料29による圧力
がヘリカル巻線28の内側と外側からに加えられても、
ヘリカル巻線28の断面形状が好ましくない形状に変形
することはない。
【0024】ステップ3 ステップ2によるインジェクションが終了後、図示しな
いカバーと円筒形状の内側部材32が取り除かれる。こ
れによって、ステーター27とヘリカル巻線28は一体
となったエアギャップ巻線が完成する。このエアギャッ
プ巻線は、ワイヤー50と、図3に符号51から58で
示したワイヤー50の内側及び外側に形成される混合材
料29で充填された部分とを備える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエアギャップ巻線を用いたタービン発
電機の断面図である。
【図2】図1に示したエアギャップ巻線の断面図であ
る。
【図3】本発明のエアギャップ巻線の製造時の断面図で
ある。
【図4】一般周知のエアギャップ巻線による磁束のシミ
ュレーション結果を示したグラフである。
【図5】本発明のエアギャップ巻線による磁束のシミュ
レーション結果を示したグラフである。
【図6】図4と図5のシミュレーション結果の比較によ
る磁束密度の増加を示している。
【符号の説明】
27 ステータ(外側部材、型) 28 巻線 32 内側部材(型) 40 磁性材料 41 バインダー 42 撚線 50 ワイヤー

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の撚線を相互に撚ったワイヤーで形
    成された巻線を備え、撚線と撚線との間の隙間及びワイ
    ヤーとワイヤーとの間の隙間に、磁性材料とバインダー
    との混材を充填したことを特徴とするエアギャップ巻
    線。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記巻線が断面円筒形状のステータ内に収容されたヘリ
    カル巻線であることを特徴とするエアギャップ巻線。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2において、 前記巻線の断面形状が多角形であることを特徴とするエ
    アギャップ巻線。
  4. 【請求項4】 請求項1又は2において、 前記巻線の外周表面の径方向の曲率が前記ハウジングの
    内壁の径方向の曲率と異なる曲率となっていることを特
    徴とするエアギャップ巻線。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至4において、 前記磁性材料に鉄、ニッケル、コバルト、シリコンと鉄
    の合金又はフェライトを用いたことを特徴とするエアギ
    ャップ巻線。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至4において、 前記バインダーにエポシキ樹脂、フェノール樹脂、ポリ
    エステル樹脂、ナイロン又はポリプロピレンを用いたこ
    とを特徴とするエアギャップ巻線。
  7. 【請求項7】 複数の撚線を相互に撚ったワイヤーで形
    成された断面異形の中空筒状の巻線を内外周に隙間を持
    って筒形状の型に挿入する第1のステップと、前記巻線
    の内外周面と前記型との間の隙間に、磁性材料とバイン
    ダーとの混材を射出成形する第2のステップと、前記型
    から前記混材が充填された巻線を取り出す第3のステッ
    プにより製造されるエアギャップ巻線。
JP2000082480A 1999-03-26 2000-03-23 エアギャップ巻線およびエアギャップ巻線の製造方法 Pending JP2000295807A (ja)

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