JP2002051488A - 複合ブレード構造を用いた電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流モータまたは発電機のような電気機械に
おいて、ステータアセンブリ内に複数の巻線を備える必
要性を無くし、製造を容易にしたものを提供する。 【解決手段】 ステータが、ステータ鉄心の内側軸まわ
りに配置された一連の導電性ブレードを使用して形成さ
れる。導電性ブレード間の電気的相互接続は、ブレード
端に接続された一連のディスクにより提供される。好ま
しくは、上に導電性パッドを有する絶縁基板材料でディ
スクを形成して、ブレード間の回路の相互接続を可能に
する。所望の電流経路は、ブレードと導電性パッドをデ
ィスク上に所望の巻数と相数で適切に配置することによ
り供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は誘導型のモータまた
は発電機のような電気機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】モータは、電圧または電流の形で供給さ
れる電気エネルギーを、回転運動のような明瞭に表れる
形の機械エネルギーに変換する電気機械式装置である。
モータの一般的な１つのタイプは、２つの主要エレメン
トであるステータとロータから構成される。ステータは
一般に複数の巻線を有する巻線コイルを備えている。ロ
ータは一般に永久磁石を備えている。ロータとステータ
は、固定されたステータに対しロータが自由に動けるよ
うに機械的に配置されている。この時、ロータとステー
タ間の電磁相互作用により、ステータ巻線の各極性変化
に応じてロータが回転する。発電機のような別のタイプ
の電気機械も類似の形態で構成できる。

【０００３】モータの１つのタイプでは、ステータを鉄
材料から製作される複数のディスクを積層して形成し、
円筒形ステータハウジングを形成する。コアディスクに
はタブまたは歯を形成し、そのまわりに裸銅線のより線
を巻いて巻線を形成する構造を実現している。ステータ
ハウジングは同軸状に設けた空間を備えており、そこに
ロータアセンブリを挿入する。ロータアセンブリは、一
般に、シャフトまわりに間隔を空けた複数の電磁石から
製作される。一般に、磁石はシャフトに一体化される
か、または外側スリーブによりシャフトに保持されてい
る。ロータアセンブリは、ステータハウジング内に低摩
擦ベアリングにより機械的に回転可能に保持される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなモータは精
密制御用途に広く産業界で受入れられてきた。これらの
モータは、それらが意図する目的に十分かなう性能を発
揮していると考えてよいであろう。しかし、それらに欠
点がないわけではない。

【０００５】製造面からは、ステータアセンブリ内に複
数の巻線を備える必要性を無くすることが望ましい。

【０００６】また、所定の寸法と重量でモータの発生動
力またはトルク性能を増加できることも望ましい。

【０００７】さらに、拡大した用途で、ロータの巻線が
不足または摩耗する傾向にあると仮定すると、このよう
なモータの信頼性を改良できる。

【０００８】

【発明が解決するための手段】本発明はブラシレスモー
タのような電気機械であり、その内部に、ステータ鉄心
の軸まわりに配置された一連の導電性ブレード構造によ
りコイルが形成されている。ブレード間の電気的相互接
続は、ブレード端に取付けられた一連のディスクにより
提供される。ディスクはブレードを正しい回路配列で電
気的に接続し、その機械の所望の数の巻数および相数を
実現する。

【０００９】モータに関連する相数および巻数は、相互
接続ディスクの回路配置を変更することにより、変更で
きる。

【００１０】好ましくは、ブレードおよび相互接続ディ
スクの導電性部分は、銅−モリブデン積層のような材料
で形成する。

【００１１】ブレードの外側層は、ステータアセンブリ
のバック・アイアン（back iron）構造に機械的に接触
する部分を有して、固定した堅牢なステータ構造を実現
できる。このような構成では、絶縁材料をブレードに沿
って形成して、ブレードがバック・アイアン部分に短絡
するのを防止できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の前記ならびにその他の目
的、形態および利点は、添付図面を用いた以下の本発明
の好ましい実施形態のさらに詳細な説明で明らかになる
であろう。添付図面では、同一の符号は異なる図面にお
いても同一部品を示す。図面は必ずしも縮尺通りではな
く、本発明の原理を示すために強調されている。

【００１３】図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明
によるステータアセンブリ１２を使用するモータ１０の
端面図と断面図であり、相互接続ブレード１４とディス
ク１６を使用してステータ巻線を形成している。

【００１４】特に、モータ１０は、ステータアセンブリ
１２とロータアセンブリ２０を備える。モータ１０は内
部ロータタイプであり、ロータが中心軸Ａに沿って配置
されステータ１２の内部で回転する。ロータ２０および
ステータ１２アセンブリは、前部モータハウジング３０
と後部モータハウジング３１によって所定位置に保持さ
れる。ハウジング３０，３１はアルミニウム、鋼または
他の適切な金属で形成されており、前部ベアリング３２
と後部ベアリング３３を介しロータアセンブリ２０を回
転可能に保持する。

【００１５】ロータアセンブリ２０は、外側スリーブ２
１、内側ロータシャフト２２、棒磁石２３、保持リング
２４、ワッシャ２５、トレランスリング２６、ピニオン
２７から構成される。当技術分野では既知のロータアセ
ンブリ２０は、外側ロータスリーブ２１を使用して、ロ
ータの長手方向に沿って複数の棒磁石２３を保持する。
保持リング２４とワッシャ２５は、ロータアセンブリ２
０をベアリング３２，３３内の位置に維持する。トレラ
ンスリング２６は、後部ベアリング３３と後部モータハ
ウジング３１の側壁間に挿入され、ベアリング３３のシ
ールを容易にする。ピニオン２７はロータシャフト２２
の前端に挿入されており、一般にモータ１０で駆動され
る装置に機械的に連結する。

【００１６】本発明の特に重要な点は、ステータアセン
ブリ１２の構造である。ステータはステータ１２の長手
方向に沿って突出する複数のブレード１４、バック・ア
イアン・ワッシャ１５、相互接続ディスク１６、絶縁デ
ィスク１７から構成される。

【００１７】図２（ａ），（ｂ）はステータアセンブリ
１２を詳細に示す。ステータ１２は、一体に積層された
複数のバック・アイアン・ワッシャ１５から形成される
フレームを含む。バック・アイアン・ワッシャ１５は、
ニッケル−鉄合金または他の適切な鉄材料から形成され
る。積層することにより、ステータ１２中の渦電流が減
少する。バック・アイアン・ワッシャ１５アセンブリの
どちら側にも、絶縁ディスク１７により間隔を空けられ
た一連の相互接続ディスク１６がある。

【００１８】図２（ｂ）は、特定の１つの相互接続ディ
スク１６Ａの平面図を示す。この図で明らかなように、
相互接続ディスク１６Ａは、９６％アルミナを含むセラ
ミックのような絶縁材料の環状リングで形成される。

【００１９】ディスク１６Ａの内側周辺は、内部に複数
のスロット１８を形成し、スロット中にブレード１４を
はめ込む。図示した構成では、総数１８個のスロット１
８が内側周辺まわりにある。

【００２０】実際には、ブレード片１４は、２つのタイ
プ、階段状部分のあるブレード片１４−１およびストレ
ートなブレード片１４−２として提供される。これらブ
レード片の大部分は、ストレートブレード１４−２であ
る。しかし、図示した実施形態では、３つの階段状ブレ
ード片１４−１を備えている。３つの階段状ブレード１
４−１は、ステータアセンブリ１２の３相の巻線のそれ
ぞれに対応する。前述のように、ブレード片１４は、銅
−モリブデン積層のような適切な導電性材料から形成さ
れる。

【００２１】ブレード片１４−１と１４−２は、ステー
タの一般的巻線に代わる電流導体として役立つ。複数の
相互接続ディスク１６上で特定パターンに形成された導
電性金属被膜層と連結して機能して、ブレード１４は電
流の回路を提供し、それによりモータ１０のそれぞれの
巻線相として機能する。

【００２２】次に、図３の相互接続ディスク１６の分解
図は、ブレード１４−１と１４−２を電気的に接続する
方法を示す。（図３では、ブレード１４−１と１４−２
は明瞭に示されていない。）一般に、所定のブレード１
４は、ステータの一端から他端に電流を流し、相互接続
ディスク１６は“巻数の終端”として作用し、1つのブ
レード１４から流入した電流を反転させる、これにより
ステータの逆方向に戻る。

【００２３】各階段状ブレード片１４−１は、ステータ
アセンブリ１２から引出されたエンドタブ１９を備えて
おり、このタブが必要な３相駆動信号の1つに相互接続
されている。

【００２４】図示した構成では、３つの相互接続ディス
ク１６Ａ、１６Ｂおよび１６Ｃは、ステータアセンブリ
１２の後端に配置される。他の3つの相互接続ディスク
１６Ｄ、１６Ｅおよび１６Ｆは、ステータアセンブリ１
２の前端に置かれている。矢印の付いた線は、それぞれ
の相互接続ディスク１６とその上に形成された金属被膜
層から出力する（およびそれを通過する）電流を示す。

【００２５】例えば、巻線の１つの相の電流経路を考え
る。まず相互接続ディスク１６Ａを考えると、入力電流
を供給する階段状ブレード片１４−１に関連するスロッ
ト１８−１が存在する。ブレード片１４−１は、他の５
つのディスク１６Ｂ〜１６Ｆのそれぞれの中の対応する
半径方向位置に配置されたスロット１８−１に挿入され
ている。

【００２６】電流は、スロット１８−１内の階段状ブレ
ード片１４−１からステータアセンブリ１２に流入す
る。スロット１８−１は、相互接続ディスク１６Ａの一
部に形成されており、その部分はセラミックだけをも
ち、スロット周辺には導電性金属被膜はもたない。した
がって、電流はブレード片１４−１に沿って次のディス
ク１６Ｂに流れ続ける。

【００２７】ディスク１６Ｂには別のスロット１８−１
があり、このスロット周辺には金属被膜をもたない。し
たがって、電流はブレード片１４−１に沿って次のディ
スク１６Ｃに流れ続ける、このディスク１６Ｃも、その
スロット１８−１近辺には金属被膜をもたない。

【００２８】バック・アイアン・ワッシャ１５で形成さ
れるステータ本体に沿って流れる電流は、スロット１８
−１でディスク１６−Ｄに達する。この半径方向位置に
は、金属被膜パッド１９−１部分が存在する。したがっ
て電流は金属被膜パッドに流入し、ディスク１６Ｄのス
ロット１８−４に伝達される。電流はブレード片１４−
１の残りの長さ部分を下方に流れ続けるが、ディスク１
６Ｅと１６Ｆの対応するスロット１８−１は、それぞれ
のディスクのセラミック部分内にあるため、電流はそれ
らを通過しては流れない。

【００２９】このように、ブレード片１４−１中を流れ
る電流のすべては、結果的に、金属被膜パッド１９−１
により方向転換されて、ディスク１６Ｄのスロット１８
−４に現われる。図の矢印で示すように、次に電流は
“上方向”に流れ、スロット１８−４でディスク１６Ｃ
に、また１８−４でディスク１６Ｂに戻る。これらディ
スク１６Ｃと１６Ｂの半径方向スロット１８−４も、周
辺にセラミックだけをもつ。しかし、ディスク１６Ａの
スロット１８−４に達すると、第２金属被膜パッド１９
−２があるため、電流はスロット１８−７に達する。

【００３０】ディスク１６Ａ〜１６Ｆのそれぞれに関連
するスロット１８−４に挿入された第２ブレード片１４
−４は、ステータ１２の前部から後部方向に電流を流
す。

【００３１】第２金属被膜パッド１９−２は、ステータ
１２の前部方向に戻る電流方向にさらに別の変化を与え
る。この場合、電流は、ディスク１６Ｂと１６Ｃのスロ
ット１８−７を通り、対応するブレード片１４−７を通
過して流れて、金属被膜パッド１９−３で隣接のディス
ク１６のスロット１８−７に達する。パッド１９−３は
電流を再度ステータ１２の前部方向に戻し、電流はディ
スク１６Ａのスロット１８−１０に達する。ここで、電
流は再度方向を変えて、スロット１８−１３に挿入され
たブレード１４−２を通り、ステータの前部方向に流れ
る。スロット１８−３でディスク１６Ｄに達すると、金
属被膜パッド１９−５を通して最終方向変換がなされ
る。最終の電流は、スロット１８−１６を通り“上方
向”に戻る。

【００３２】ディスク１６Ａの最終の金属被膜パッド
は、“Ｙ”結線構成で接続される３相モータの共通接続
点として機能する。パッド１９−６は、電気的にフロー
テイングにすることも、またケースアース位置まで引き
出すことのどちらも可能である。

【００３３】図３は、３相単巻モータを形成するディス
ク１６とブレード１４の配置を示すが、パッド１９の適
切な配置により、他の相および複数巻きモータを形成で
きることは明らかである。

【００３４】図４（ａ），（ｂ）は、バック・アイアン
・ワッシャ１５の詳細図である。これらのワッシャは、
“Carpenter 49”のようなニッケル−鉄合金または他の
適切な鉄材料から形成される。“Carpenter 49”はペン
シルバニア州のCarpenter Technology Corporation of
Wyomissingから購入できる。バック・アイアン・ワッシ
ャ１５は、スロット１８をディスク１６に形成したのと
同様な方法で、環状リング材料として形成され、その内
径上にスロット１８を有する。スロット１８は、ブレー
ド１４を貫通させることができる。位置合わせスロット
４０をバック・アイアン・ワッシャ１５の外周に形成し
て、組立てと積層を容易にできる。

【００３５】図示した実施形態では、各単一バック・ア
イアン・ワッシャ１５は、約０．０１０インチ（約０．
２５４ｍｍ）の厚さを有する。一般的構成では、バック
・アイアン・ワッシャは約３インチ（約７６ｍｍ）の積
層高さに製作される。このモータの外径は約１．２イン
チ（約３０．５ｍｍ）であり、約１．０１インチ(約２
５．７ｍｍ)のスロット１８の外側端間の寸法はＤ１で
ある。図示した構成のこのサイズのモータは、出力は約
１．５馬力と予測される。

【００３６】図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、相互接続
ディスク１６Ａの１つを詳細に示す。前述のように、デ
ィスク１６Ａは、内周に形成された１８個のスロット１
８を備える。ディスク１８は、適切に剛性があって熱的
に安定な絶縁材料、例えば９６％アルミナを含むセラミ
ックで形成される。

【００３７】金属被膜層１９−２、１９−４および１９
−６は、ディスク１６Ａの前面上に形成される。好まし
い実施形態では、ディスク１６Ａの各面にそれぞれ金属
被膜層１９がある。ディスク１６の両側に導電層１９を
もつことは、本発明の実施には必ずしも必要ではない。
しかし、これは、所定サイズのディスク１６Ａの２倍の
電流処理性能を備えるものとして好まれる。

【００３８】金属被膜領域１９は、銀メッキのような複
数の方法で形成される。このような方法の適当なアート
ワーク形状を図６（ａ），（ｂ）に示す。

【００３９】好ましい実施形態で、ディスク１６にろう
付けした導電性材料で金属被膜パッド１９を形成しても
よい。特に、パッド１９を導電性材料パッチ２９で形成
することもできる。

【００４０】図７に、パッド１９−４に関連する導電性
パッチ２９を詳細に示す。導電性パッチ２９は所望の形
状に形成して、２つの導電性スロット１８−４と１８−
７間の相互接続に使用できる。導電性パッチ２９は、複
合導電性材料、例えば銅−モリブデン積層で形成され
る。好ましい実施形態では、導電性パッチ２９は、２つ
の最外側層が銅になっている、銅とモリブデンの一連の
交互層から構成される。積層は、重量比で約６０％の銅
と４０％のモリブデンで構成される。図示した実施形態
では、銅とモリブデンが同一厚さである層の厚さＤ２
は、約０．００５インチ（約０．１３ｍｍ）である。

【００４１】図８（ａ），（ｂ）は、絶縁ディスク１７
の１つの詳細図である。絶縁ディスク１７は、相互接続
ディスク１６の基板に使用されたものと同一材料から形
成される。しかし、絶縁ディスク１７は、わずかに厚
く、約０．１２インチ（約３．０ｍｍ）の厚さＤ３をも
つ。これらには、ブレード１４に対応するスロット１８
が形成されているが、金属被膜層は含まない。絶縁ディ
スク１７は、対応する相互接続ディスクの露出した金属
被膜パッド１９を絶縁し、隣接する相互接続ディスク１
６が相互に短絡するのを防止する。

【００４２】図９（ａ），（ｂ）は、階段状ブレード片
１４−１の詳細図である。階段状ブレード片１４−１
は、ステータアセンブリ１２の一端から他端に電流を流
す導電性ユニットである。階段状ブレード片１４−１
は、導電性ブレード３４から構成される大きい部分を有
する。導電性ブレード３４は、積層導電性材料、例えば
前述の銅−モリブデン積層板から形成される。この場
合、Ｄ４で表わす全体厚さの０．１０インチ（２．５４
ｍｍ）は、銅とモリブデンの層を交互にした材料の約９
層で形成できる。

【００４３】ブレード片１４−１のタブと階段状部分
は、延長部分として使用して、電気的相制御回路への接
続を可能にする。

【００４４】ブレード１４−１は、全体をこの導電性材
料から形成できるが、好ましい実施形態では、両側に絶
縁体３５を積層している。絶縁体３５は、ステータアセ
ンブリ１２の不必要な部分、特にバック・アイアン・デ
ィスク（back iron disk）１５にブレード１４−１が接
触するのを防止する。このようにして、導電性材料３４
の露出部は、ステータアセンブリ１２の前端と後端に隣
接するブレード１４−１の端部だけになり、そこに相互
接続ディスク１６のスリット１８が配置される。

【００４５】図１０（ａ），（ｂ）は、直線状ブレード
片１４−２の詳細図である。これらのブレード片１４−
２は階段部分を必要としない。その理由は、それらがス
テータ１２の一方端にあるディスク１６間の接続だけを
備え、駆動回路に接続を引出す必要がないためである。
その他の点では、構造は階段状ブレード片１４−１と同
一であり、外側絶縁セラミック層３５を有する導電性材
料から構成される。外側層３５は、導電性部分３４にろ
う付けされた適切な絶縁セラミックから形成される。

【００４６】発明者らは、ブレード１４に積層導電性材
料を使用して、優れた性能を実現することを実際に見出
した。ろう付けを用いて、導電性ブレード部分１４をデ
ィスク１６のセラミックモリブデン積層に接続できる。
モリブデンと銅の膨張係数の類似性から、このろう付け
処理は、他の材料で発生するような分離を積層に発生さ
せない。

【００４７】図１１（ａ），（ｂ）は、ブレード片１４
−１と１４−２で使用される絶縁層３５の詳細図であ
る。絶縁層３５は、適切なセラミック材料、例えば前述
の９６％アルミナから形成できる。金属被膜層３８をブ
レード片の片面に形成して、絶縁層をブレード片１４に
組み合わせる際のろう付け処理を容易にできる。

【００４８】本発明を好ましい実施形態により、特に図
示および説明してきたが、当業者には、特許請求の範囲
に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態
および細部における各種変更が可能なことは理解される
ところである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明により構成されたブラシレス
直流モータのような電気機械の端面図、（ｂ）は断面図
である。

【図２】（ａ）はステータアセンブリとロータのより詳
細な断面図、（ｂ）は相互接続ディスクのうちの１つの
平面図である。

【図３】単巻３相モータの相互接続ディスクの配置を示
す分解図であり、ディスクとブレードがモータ巻線を形
成する様子を示す。

【図４】（ａ）はステータ本体を形成するバック・アイ
アン・ワッシャの平面図、（ｂ）は断面図である。

【図５】（ａ）は相互接続ディスクのうちの特定の１つ
の正面面、（ｂ）は断面図、（ｃ）は背面図である。

【図６】（ａ），（ｂ）とも、相互接続ディスクの金属
被膜パターンを示す。

【図７】相互接続ディスクに取付けてブレード間の相互
接続を可能にする導電性パッドのより詳細な図である。

【図８】（ａ）は絶縁ディスクの正面図、（ｂ）は断面
図である。

【図９】（ａ）は、駆動回路に電気接続する階段状部分
を有するブレードの第１タイプの正面図、（ｂ）は断面
図である。

【図１０】（ａ）は、ステータの一端から他端に電流を
流すことができるブレードの第２タイプの正面図、
（ｂ）は断面図である。

【図１１】（ａ）は、好ましい実施形態のブレードにろ
う付けされている絶縁セラミック部分のより詳細な正面
図、（ｂ）は断面図である。

【符号の説明】

１２…ステータ、１４…ブレード、１５…バック・アイ
アン・ディスク（バック・アイアン・ワッシャ）、１６
…相互接続構造（相互接続ディスク）、１７…絶縁ディ
スク、１９…導電性パッド（金属被膜パッド）、２０…
ロータ、Ａ…中心軸。

フロントページの続き (72)発明者 ロバート・エム・ジョーンズ アメリカ合衆国，マサチューセッツ州 02766，ノース ワシントン ストリート 23 Ｆターム(参考） 5H603 AA09 BB01 BB02 BB06 BB07 BB09 BB10 BB12 CA01 CA05 CB01 CB13 CB18 CC04 CC17 CD22 CE02 CE05 CE16 EE01 FA01 FA11 5H604 AA08 BB01 BB03 BB10 BB14 BB17 CC01 CC05 CC14 DA01 QB04 QB14

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に電磁材料部分を有するシャフトで
   構成され、中心軸まわりに回転自在に配置されたロータ
   と、 中心軸まわりに同軸に配置された複数の導電性のブレー
   ド、および、ブレードの一端に配置され、相互接続され
   ることによりブレードを通して電流を流す平板状の相互
   接続構造を有するステータとを備えた電気機械。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記相互接続構造がディスクとして形成されている電気
   機械。
3. 【請求項３】 請求項２おいて、 前記ディスクが、絶縁材料を使用して基板として形成さ
   れ、ディスクにおける選択した位置に形成された導電性
   パッドを有し、前記選択した位置で前記ブレードが相互
   接続構造に接触している電気機械。
4. 【請求項４】 請求項１において、 前記ブレードが、一端に階段状構造を有して、電気回路
   への接続を可能にしている電気機械。
5. 【請求項５】 請求項４において、 前記ブレードの少なくともいくつかが、前記相互接続構
   造を越えて突出しないように長さが制限されている電気
   機械。
6. 【請求項６】 請求項１において、 前記ブレードが銅−モリブデン積層で形成されている電
   気機械。
7. 【請求項７】 請求項１において、 前記相互接続構造が、銅−モリブデン積層で形成される
   導電性部分を有する電気機械。
8. 【請求項８】 請求項１において、 前記ブレードが、その上で中心部分に沿って形成された
   絶縁部を有する電気機械。
9. 【請求項９】 請求項１において、 前記相互接続構造が、その両面に形成された金属被膜を
   有する電気機械。
10. 【請求項１０】請求項１において、 前記電気機械がモータである電気機械。
11. 【請求項１１】 請求項１において、 前記電気機械が発電機である電気機械。
12. 【請求項１２】 請求項１０において、 前記相互接続構造が、３相、単巻モータを実現する電気
    機械。
13. 【請求項１３】 請求項１において、 さらに、一体に積層された複数のバック・アイアン・デ
    ィスクにより構成されるステータ本体を備えている電気
    機械。
14. 【請求項１４】 請求項２において、 前記相互接続構造が、前記ブレードの両端それぞれに配
    置された複数のディスクにより構成されている電気機
    械。
15. 【請求項１５】 請求項１４において、 前記相互接続構造ディスクが、所定の端部において絶縁
    ディスクによって相互に分離されている電気機械。