JP2005160297A - オールタネータ用ステータアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】 ステータ巻線、またはステータ全体のサイズを増加させることなく、ステータ巻線の冷却を改善するダイナモエレクトリックマシン用ステータを提供することである。
【解決手段】 ステータは、個々の導体のサイズ、より詳しく言えば断面積または体積を大幅に減少させながら、導体の合計数を増加させるような独特の構造である。更に、多重ファイラ構造を使用することにより、導体内のインダクタンス及び抵抗が高レベルになる可能性を回避しながら、カスケードされたステータエンドループと、ステータを取り囲むハウジングとの間の干渉を最小にしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステータ及びローターを有するダイナモエレクトリックマシン、特にオールタネータの効率を改善するように設計されたステータを有するオールタネータに関する。

本発明は、特に自動車（モータービークル）に使用する型のオールタネータを含むオールタネータのようなダイナモエレクトリックマシン（回転電気機械）に関する。これらのデバイスは、典型的には、自動車の内燃機関のクランクシャフトに接続された滑車上に巻かれている駆動ベルトによって機械的に駆動される。ベルトはオールタネータの滑車を駆動し、この滑車は内部ローターアセンブリを回転させて交流（ＡＣ）電力を発生させる。この交流電力は直流（ＤＣ）に整流され、自動車の電気母線及び蓄電池に供給される。

オールタネータは数十年にわたって自動車に使用されてきたが、今日の自動車の設計、コスト、及び性能に対する要望から、オールタネータの設計をより効率的にすることが益々強調されてきている。今日の自動車は、車載電気システム及びアクセサリの数が劇的に増加していることが特徴である。これらの電気デバイスは、室内及び室外灯、空調システムの他に、益々精緻になってきている伝達機構制御システム、自動車安定システム、トラクション制御システム、及びアンチロックブレーキシステムを含む。自動車のオーディオ及びテレマティックシステムが、自動車の電気システムにさらなる要求をもたらしている。電気支援パワーステアリング及び電気的な自動車ブレーキングシステムが広範に採用されるようになるにつれて、自動車のオールタネータの出力容量へのさらなる要求がもたらされよう。これらの要求が組合わされると、自動車の電気システムに対する要望は、オールタネータを駆動する、そしてさまざまな駆動条件を通して変化する機関の動作速度には関係なく広範に変化することになる。

自動車のオールタネータの電気出力を高めるという要望に加えて、ボンネット下の収容能力の限界に対するオールタネータのサイズと、自動車の燃費に関係するその質量とを最小にするという要望も含まれている。

電気出力を高めるという要望の他に、これらのデバイスの設計者は、機関駆動ベルトによる機械的パワーから電力的出力に変換する際の効率を高めるように努力している。この効率を高めることは自動車の総合熱効率を高めることになり、従って燃費向上に直接貢献することになる。最後に、大量生産される自動車用の全ての成分の場合と同様に、これらの成分の元の機器製造業者が競争的にオファーする場合、コストが１つのファクタであり続けている。

オールタネータの効率を高めるには、いろいろな設計アプローチを通して行うことができる。オールタネータは、回転する交番極性磁場を生成するために回転ローターアセンブリを使用する。この回転磁場は、ローターアセンブリを密に取り囲んでいる環状のステータアセンブリと交叉する。導電体巻線がステータアセンブリ内に埋め込まれている。当分野においては公知のように、導体の電気抵抗はその導体の温度に比例するので、導体を冷却することが望ましい。導体の抵抗は、オールタネータ出力及び効率に逆比例するから、オールタネータの出力及び効率を改善するためにはステータ巻線の冷却が重要なファクタである。

不幸にも、多くのステータコアアセンブリは、導体の冷却を促進するような巻線を使用していない。若干のオールタネータは、ステータコア内に形成された放射状に突き出たスロット内に巻かれている普通の円形断面導体を使用している。これらの円形断面導体は、スロット内の他の巻回に対してランダムな巻線パターンでネストされており、そのため、これらの巻回が互いに一塊りになり、導体間を冷却用空気が通過できるようにする開口は全く、または殆ど得られない。従って、この配列はステータ巻線の対流冷却を制限する。

従って、ステータ巻線の冷却を改善することによってオールターネータの効率を高め、同時にオールタネータまたはダイナモエレクトリックマシンのサイズ及びコストを不要に増加させることがないステータアセンブリに対する要望が存在している。本発明は、これらの要望を満たすことを課題としている。

本発明は、ステータ巻線、またはステータ全体のサイズを増加させることなく、ステータ巻線の冷却を改善するダイナモエレクトリックマシン用ステータを提供する。本ステータは独特の構造であり、導体のサイズ、特定的には個々の導体の断面積を大幅に減少させるにも拘わらず、導体の合計数を増加させる。更に、詳細を後述するように、導体内のインダクタンス及び抵抗のレベルが高くなる可能性を回避するために、多重ファイラ構造を使用する。

ステータは、全体が円筒形のステータコアを含む。ステータコアは、ステータ巻線を受入れるための円周方向に離間した複数のコアスロットを有している。ステータ巻線は、複数の導体を含む。各導体は、複数の直線セグメントと、これらの直線セグメントによって相互接続されている複数のエンドループセグメントとを有している。複数の導体は、少なくとも第１ファイラ及び第２ファイラに編成される。第１ファイラの導体は、第２ファイラの導体と電気的に並列接続されている。第１及び第２ファイラの直線セグメントは、ステータコア内の共通スロット内に配置される。更に、第１及び第２ファイラのエンドループセグメントは、円周方向には位置合わせされ、軸方向には互いに対向している。

より詳細な面によれば、複数の導体は、円周方向のピッチによって限定される相に構成することが好ましい。各相は、第１ファイラを形成する導体と、第２ファイラを形成する導体とを含む。ステータを独特の構造にすることによって、層の数を６より多くすることができる。多重ファイラ構造にすることによって、ステータ巻線の巻回の数を層の数より少なくすることができ、層数をファイラ数で除した値に等しくすることが好ましい。導体はカスケード構造、またはインタレース構造を有していることが好ましく、これをエンドループの相及び形状と組合わせると、導体は導体を冷却する空気流通路を作るような構造になる。空気流通路は、ステータ巻線の層間を伸びていることが好ましい。

以下に、添付図面を参照して本発明の幾つかの面を説明するが、この説明から本発明の原理が明白になるであろう。

図１は、本発明によるステータ２０の斜視図である。ステータ２０は、ステータコア２２及びステータ巻線２４を含む。巻線のサイズを増加させることなく巻線の冷却を改善するために、独特なステータ巻線２４が使用される。前述したように、オールタネータの出力及び効率を最大にするためには、巻線２４及びその各導体を効率的に冷却しなければならない。また、絶縁体を、従ってオールタネータを長寿命にするためには、導体上の絶縁体の温度を低くすることも望ましい。

各導体の温度は、導体の表面積に直接関係する。温度上昇を低下させるためには、導体の対流冷却を増加させるように導体の表面積を増加させることが望ましい。幅ｈ及び深さｂを有する典型的な矩形または方形導体の場合、断面の表面積は２ｂ＋２ｈに等しい。当業者ならば理解できるように、矩形または方形という用語には、導体の隅を丸めた形状も含まれる。しかしながら、もしこの導体の幅を半分に分割すれば、その断面の表面積は２×（２ｂ＋（２×1/2ｈ））、即ち４ｂ＋２ｈになる。元のワイヤーが方形（ｂ＝ｈ）であって、ｂまたはｈの何れかを半分に切断した場合には、表面積は50％増加する。従来の導体の幅及び深さの最大寸法は、一般的に２ｍｍ乃至４ｍｍの範囲内にある。本発明によれば幅及び深さの最大寸法は１ｍｍ乃至２ｍｍの範囲内にあり、２ｍｍよりも小さいことが尤も好ましい。従って、ステータ巻線２４は、より小さい平均断面積を有する導体を、より多く使用して構成され、これらはオールタネータの効率を改善する独特の手法でステータコア２２内に巻かれる。

図２ａに示すように、ステータコア２２は、ステータ巻線２４を受入れるための複数のスロット２８を有する円筒形ボディ２６を含む。スロット２８は、円筒形ボディ２６の周囲に円周方向に等間隔に離間している。スロット２８は、第１の軸方向側３０から第２の軸方向側（図示してない）までボディ２６を通って伸びている。またスロット２８は、ステータコア２２の内側に向かって半径方向内側に開いている。この半径方向内向きの方向は、矢印１５で示されている。

ステータ巻線２４は、複数のスロット２８によってステータコア２２の周囲に巻かれている複数の導体３２からなる。各導体は、開始及び終了リードセグメント４２を含む。これらのリードは、環状（一般的な３相の場合には、Δ型として知られている）または星形（一般的な３相の場合には、Ｙ型として知られている）形態を形成するために、ステータ巻線２４を整流器に接続するために使用される。当業者ならば理解されるように、複数の相を、複数の環状または星形組合わせに相互接続することができる。

最初に個々の導体を説明し、次いで複数の導体３２の編成を分類して説明することにする。図３を参照する。個々の導体３２は、複数のセグメントを有する導体からなる。リードセグメント４２は、上述したように導体３２を電気的に接続するために使用される。残余の導体３２は、複数のエンドループセグメント４６と、それらを相互接続している複数の直線セグメント４４とからなる。直線セグメント４４は、コアスロット２８内に配置され、ステータコア２２を通って伸びる導体３２の部分である。図１に示すように、エンドループセグメント４６は、ステータコア２２の円筒形ボディ２６から軸方向外向きに伸びている。エンドループセグメント４６は、ステータ２０の軸方向の両側の間で交互している。

図４に示すように、各エンドループセグメント４６は、エンドループ４６の頂点において出会う第１脚４８及び第２脚５０からなる。第１脚４８は、ある角度でスロットから遠去かるように伸びている。これは、コアから軸方向には遠去かるように伸び、そして円周方向には時計方向に伸びていると言うことができる。第２脚５０は、ある角度でスロットから遠去かるように伸びている。これは、コアから軸方向には遠去かるように伸び、そして円周方向には反時計方向に伸びていると言うことができる。２つの脚は、エンドループ４６の頂点において出会い、それによって逆三角形を形成する。当業者ならば理解されるように、一方の脚４８または５０はコアから軸方向に遠去かるように伸びているだけであり、他方の脚がコアから軸方向に遠去かるように且つ円周方向に伸びている。

ループ４６の頂点において、半径方向延長部分５２が第１脚４８及び第２脚５０を終端し、それらを相互接続している。エンドループセグメント４６の第２脚５０は、第２半径方向延長部分５４を介して第２直線セグメント４４に相互接続されている。第１半径方向延長部分５２は、導体を半径方向外向きに（半径方向内向きの方向が矢印１５で示されている）ずらせ、一方第２半径方向延長部分５４は、導体を半径方向内向きにずらす。以上の説明から、導体の各直線セグメント４４がステータスロット２８内の同一半径方向位置に配置され、カスケードされた構造を形成していることが理解されよう。本発明は、第２半径方向延長部分５４を省いたインタレース構造を使用することも可能であり、その場合連続する直線セグメント４４がステータスロット２８内で交互する半径方向位置を取るようにすることが可能である。以上のように、カスケード構造及びインタレース構造は共に、ステータスロット２８内の等距離半径方向位置に配置された１組の直線セグメント４４を含むが、詳細を後述するようにカスケード構造だけが等距離半径方向位置に、即ち同一層内に配置された複数の連続直線セグメント４４を含む。

導体３２は、幾つかの異なる手法で構成され、編成されている。第１に、導体は、それらの直線セグメント４４が位置する１つの、または複数の層によって特徴付けることができる。図１及び２ｂを参照する。前述したようにステータコア２２のボディ２６は、導体３２の直線セグメント４４を受入れるスロット２８を有している。導体３２は、それらが位置する層（スロット２８内における導体の直線セグメント４４の半径方向位置）によって特徴付けることができる。図２ｂに鎖線で示すように、スロット２８は導体３２を、第１層３４、第２層３６、第３層３８、及び第４層４０として受入れる。また図２ｂに示してあるように、導体３２は、スロット２８内で半径方向の１つの行に整列されており、何等かの絶縁体を含めた導体３２の幅はスロット２８の幅に密にフィットさせることができる。従って、各スロット２８内の半径方向位置を対応させて結合すると、層３４−４０が限定されることが理解できよう。換言すれば、導体３２が半径方向内側の位置に充填されて行くにつれて、半径方向最外側の位置にある全ての相の導体３２の直線セグメントが第１層３４を限定する、等々である。導体３２の直線セグメントは、ステータコアの周囲を実質的に１巡りする度に共通層内に配置されることが好ましい。更に導体３２は、それが実質的に１巡りしてくると、層３４内に位置している複数の連続直線セグメントを含むことができ、実質的に別の１巡りをすると別の層（例えば、層３８）内に存在する複数の連続直線セグメントを含むことができる等々というように連続であることができる。

半径方向延長部分５２は各エンドループ４６のピークにおいて隣接する層のエンドループ４６を（より特定的には、第２脚５０を）暫定的に位置決めし、一方第２半径方向延長部分は導体を他の直線セグメント４４及び第１脚４８が占める元の層に戻すようにずらしていることが理解されよう。当業者ならば理解されるように、多重巻回の巻線（即ち、２巻回、またはそれ以上）においては、各導体は多重層内に位置する、即ち第１巻回中の第１層、第２巻回中の第２層等の直線セグメントを有している。

第２に、以下に図４を参照して説明するように、各導体３２の構造がステータ巻線２４を相に編成することを可能にしている。第１及び第２半径方向延長部分５２、５４によって、複数の導体３２を多相カスケード構造に位置決めすることができる。図４においては第１導体３２¹、第２導体３２²、及び第３導体３２³が３相を限定している。図４、図６、及び図７には３相が示されているが、当業者ならば理解できるように、如何なる数の相をも使用することができる。各導体３２¹、３２²、３２³は同一であるが、それらは円周方向のピッチ、即ち矢印１６で示されている距離だけ離間している。従って、第１導体３２¹だけに詳細な参照番号を付してあるが、他の導体３２²及び３２³も実質的に同一である。また、エンドループセグメント４６付近に位置している第１及び第２半径方向延長部分５２、５４が、３つのエンドループセグメント４６が重なり合うことを可能にしており、同時に各直線セグメント４４を層３４で示す単一の層内に維持できるようにしていることも理解されよう。当分野においては公知のように、自動車に電流を供給するために、３つの各相は電気的に環状（Δ）接続または星形（Y）接続に接続される。導体３２の構造及びそれらを相にしたことによって、導体間に、より特定的にはエンドループセグメント４６間に、空気の流路を得るための固定された空間が得られる。ステータ巻線２４のこの構造をカスケード構造と称する。しかしながら、複数の導体３２は、直線セグメント４４を交互する層内に配置して織り混ざったパターンを限定するようなインタレース構造に形成することもできる。

最後に、ステータ巻線２４を形成する複数の導体は、ファイラに編成される。本発明によれば、バイファイラ、トライファイラ等のような多重ファイラ構造が使用される。本明細書において使用している多重ファイラ構造とは、電気的に並列接続されている１組の導体と定義されるものである。図５に、バイファイラ構造を示す。第１導体３２ａ及び第２導体３２ｂが示されており、これらは電気的に並列に接続（図示してない）されている。２つの導体３２ａ、３２ｂは、直線セグメント４４ａ、４４ｂが共通スロット２８内に位置する（即ち、円周方向に整列した位置にある）ようにステータコア２２内に配置されている。更に、ファイラのエンドループ４６ａ、４６ｂは、他のファイラに対して軸方向に対向するように配置されている。即ち、第１ファイラのエンドループ４６ａは、第２ファイラのエンドループ４６ｂに対して軸方向に直接向かい合うように配置されている。このようにすると各導体３２ａ、３２ｂ内に誘起される電流の正確な周波数及び位相が加え合わされるように整列し、従ってそれらが電気的に並列に接続されても互いに打ち消し合わなくなる。導体３２ａの直線セグメント４４ａが全て層３６内に位置し、一方他の導体３２ｂの直線セグメント４４ｂが全て層３４内に位置することも理解されよう。

図６に、層にされ、相にされた多重ファイラの構造を示す。図６に示すステータ巻線２４の部分は、バイファイラ構造を有している。即ち、各相（１、２、及び３）毎に２つのファイラ（ａ及びｂ）が存在している。導体は、各導体３２ａ¹、３２ａ²、３２ａ³、３２ｂ¹、３２ｂ²、３２ｂ³間の円周方向ピッチによって表される相にされている。各相内の対応ファイラが、共通スロット２８内に位置する直線セグメント４４を有していることは理解されよう。詳述すれば、直線セグメント４４ａ¹及び直線セグメント３２ｂ¹は、同一スロット２８内に位置するであろう。同様に、直線セグメント４４ａ²は、直線セグメント３２ｂ²と共に共通スロット２８内に位置するであろう。最後に、直線セグメント直線４４ａ³及び４４ｂ³に関しても同一であるということができる。要するに、図６に示すステータ巻線２４の部分は、３つの相と、バイファイラ構造とを有しているのである。

導体３２ａ¹、３２ａ²、３２ａ³、３２ｂ¹、３２ｂ²、３２ｂ³が、エンドループを通り、エンドループの相の間と、エンドループの層の間とを通って伸びる空気流路を作っていることが理解されよう。これは、断面積を減少させ、導体３２の数を増加させたことによって得られた表面積の増加と相俟って、ステータ巻線２４の冷却を大幅に改善する。更に、各導体３２の構造は、上述した逆三角形によって形成されている。逆三角形は、相にしたことと、カスケードまたはインタレース設計と共に、導体間に、詳述すればエンドループセグメント４６間に空気流路を作る固定された空間を作る構造を形成している。

完成したステータ巻線２４を図７に示す。しかしながら、図７は説明の目的からある線に沿って切断され、直線部材として示されている。ステータ巻線２４は、前述したようにバイファイラ構造を有しており、第１ファイラを形成している導体３２ａ¹、３２ａ²、３２ａ³と、第２ファイラを限定している導体３２ｂ¹、３２ｂ²、３２ｂ³とによって示されている。番号６０で示されている切断端に達したこれらの各導体は、反対側の切断端６２からリード４２へ戻る導体に連続している。各導体３２が１巡りした（即ち、ステータコア２２の周囲を１回廻ってくる）箇所において、次の巻回即ち１巡りを形成させるために、導体３２は導体３２を２つの層分だけずらす別の半径方向延長部分（図示してない）を含む。例えば、第１導体３２ａ¹は、その１回目の巻回を通して第２層３６内に位置する直線セグメントを含んでいる。次いで、導体３２ａ¹は第４層４０へずれて第２巻回を完了する。次に、図示のように、導体３２ａ¹は終端用リード４２へ達して終了する。

以上のように、図７に示すステータ巻線２４は、２巻回、３相のバイファイラ構造になっている。更に、ステータ巻線２４は６導体を含み、これらは４層内に配置されている。現在のスロット充填率が高いステータ設計は、典型的に４電気的巻回と４層とを有する導体を使用している。しかしながら、本発明によれば、ステータ２０は、４電気的巻回と８層とを有するステータ巻線２４を用いて形成することができる。層の数は、６より大きいことが好ましい。重要なことに、そして本発明によれば、多重ファイラ構造にしたことによって、巻線のインピーダンス及び抵抗を増加させる電気的巻回の数を増加させることなく、小さい導体によって同一の巻線空間を、より大きい導体によって充填しているかの如くに充填することが可能になる。即ち、電気的に並列接続されている２つの導体はより大きい導体と同一の体積を占めるが、各導体３２の巻線及びステータ巻線２４の構造が作る固定された空間を通して対流冷却用のより大きい表面積を得ることができる。

得られる別の長所は、導体３２をバイファイラ構造にすることによって半径方向の深さまたは幅が対応するモノファイラ導体のそれよりも小さくなり、従って曲げ易くなるので、ステータコア２２のスロット２８内へ挿入し易くなることである。また曲げ易いので、導体３２とコア２２との間に位置決めする紙絶縁体に加わる力が最小になり、0.0045インチより薄いような薄目の絶縁紙を使用できるようになる。これは、コストを引き下げるだけではなく、スロット充填率をも改善する。最後に、最外側層３４内の各導体３２のエンドループ４６の部分に近い半径方向延長部分５２によって限定される半径方向キックバックが、ほぼ１ワイヤーの半径方向幅分だけ最外側層３４の直線部分の半径方向位置を越えて半径方向に伸びる。バイファイラ構造の場合、ワイヤーの半径方向の幅がより小さいので、半径方向延長部分５２が半径方向にキックアウトすることはない。これにより、ステータ巻線２４のエンドループ４６間の潜在的な干渉が、ステータを取り囲んでいるハウジングと間で干渉し合うことが最小になる。また、ハウジングをステータ巻線２４に緊密にフィットさせること、従って直径のサイズをより小さくすることが可能になり、（出力÷オールタネータボリューム）として定義されるオールタネータの電力密度が改善される。

本発明のいろいろな実施の形態の以上の説明は、単なる例示のためになされたに過ぎない。本発明は、説明したこれらの実施の形態に精密に限定されるものではないことを理解されたい。以上の教示から、多くの変更または変形を考案することが可能であろう。図示し、説明した実施の形態は本発明の原理とその実際的な応用を最良に示しており、当業者ならば、本発明をさまざまな実施の形態に利用すること、及び企図している特定の応用に適するように種々に変更することが可能であろう。これらの変更及び変形は全て、本発明の範囲内にあることを意図するものである。

本発明によるステータの実施の形態の斜視図である。 図１に示すステータコアの斜視図である。 図２Ａに示すコアの断面図である。 ステータ巻線を形成している個々の導体の斜視図である。 相に分離された３つの導体の斜視図である。 バイファイラ関係を形成している２つの導体の斜視図である。 ３相及び２ファイラに分離されている６つの導体の斜視図である。 図６に部分的に示すステータ巻線の完全な状態を示す斜視図である。

符号の説明

２０ ステータ
２２ ステータコア
２４ ステータ巻線
２６ ステータボディ
２８ スロット
３０ コアの第１の軸方向側
３２ 導体
３４−４０ 導体の層
４２ リードセグメント
４４ 直線セグメント
４６ エンドループセグメント
４８、５０ 脚
５２、５４ 半径方向延長部分
５０、６２ 巻回の仮想切断端

Claims (5)

1. ダイナモエレクトリックマシン用ステータであって、
   複数の円周方向に離間したスロットを有する全体的に円筒形のステータコアと、
   複数のエンドループセグメントを相互接続している複数の直線セグメントを有する複数の導体を含むステータ巻線と、
   を含み、
   上記複数の導体は少なくとも第１ファイラ及び第２ファイラに編成され、上記第１及び第２ファイラの対応導体は電気的に並列に接続され、
   上記複数の導体は円周方向のピッチによって限定される複数の相に編成され、上記各相は上記第１ファイラ内の導体及び上記第２ファイラ内の導体を有し、
   上記複数の導体は複数の層に編成され、上記各層は上記導体の直線セグメントによって充填される上記スロット内の１組の半径方向等距離位置を表し、
   上記第１及び第２ファイラのエンドループセグメントは、円周方向には整列され、軸方向には互いに対向し、
   上記第１及び第２ファイラの上記対応導体の直線セグメントは、上記ステータコアの共通スロット内に位置し、
   １つの相の上記直線セグメントは、隣接相の隣接直線セグメントと同一層内に位置している、
   ことを特徴とするステータ。
2. 上記複数の導体は、上記複数の導体間に空気流路を作るような構造であることを特徴とする請求項１に記載のステータ。
3. 上記複数の導体は、ある共通層内に位置する１つの導体の複数の連続直線セグメントによって限定されるカスケーディング構造に配列されていることを特徴とする請求項１に記載のステータ。
4. 上記複数の導体は、交互の層内に位置する１つの導体の複数の連続直線セグメントによって限定されるインタレース構造に配列されていることを特徴とする請求項１に記載のステータ。
5. 上記複数の導体は各々矩形の断面形状を有し、幅と深さとの間の最大寸法は２ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のステータ。

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