JP2005539477A - ステータ及び電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は電気機械のステータに関する。このステータは少なくとも１つのステータコアセグメント（１４）から成るリング状のステータコア（１３）を有しており、溶接継目（２０）が前記少なくとも１つのステータコアセグメント（１４）を接合している。このステータは、溶接継目深さ（Ｔ_Ｓ）がヨーク高（Ｈ_Ｊｏｃｈ）と公差（ΔＴ_Ｓ）の大きさに依存しており、関数Ｔ_Ｓ＝０．５ｍｍ＊（Ｈ_Ｊｏｃｈ／ｍｍ−１）±ΔＴ_Ｓにより記述可能であることを特徴とする。

Description

日本国公開公報第９−１０３０５２号から、請求項１の上位概念に従ったステータ及び電気機械がすでに公知である。このステータを製造するためには、まず個々の金属薄板を打ち抜き、所定数のこれらの金属薄板をコアの所望の軸方向幅まで互いを覆うように積層する。これらの積層された金属薄板がステータコアを形成する。ステータコアはその１つの側面にステータのための通常は互いに平行に並んだ歯とスロットを有している。予め巻かれたコアコイルが例えば平面状の形で存在しており、続いて例えば実質的に平らなコアのスロットに挿入される。コアとコアコイルとから成る組立部品は引き続いて、中空円筒形のステータができ上がるように湾曲される。コアとコアコイルとから成る組立部品を湾曲させた後、両端が溶接によって互いに接合される。両端の溶接接合は多重荷重接合である。この接合のための特別な実施に関して、従来技術からは何らの技術理論も知られていない。

発明の利点
主請求項に記載された特徴を備えた本発明によるステータの利点は、溶接継目深さを有効ヨーク高と溶接継目深さの公差とに依存して指定することによって、電気機械のステータに対する多様な影響パラメータを確実にかつ高い信頼性をもって統御することのできる規則が定められ、その結果、一方では溶接後に溶接継目が接合箇所で裂けることが防止され、他方では例えばステータの鉄心の電磁特性が接合箇所であまりに不利な影響を受けないことである。溶接継目深さＴ_Ｓを決める上記規則によれば、溶接継目深さきＴ_Ｓは、下記の関数によって、ヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈと公差ΔＴ_Ｓとに依存して定められる。
Ｔ_Ｓ＝０．５ｍｍ＊（Ｈ_Ｊｏｃｈ／ｍｍ−１）±ΔＴ_Ｓ
上記規則によって、溶接継目は一方では所定のヨーク高において溶接継目に生じる引張力を受け止めるのに十分な強度を獲得し、他方では溶接継目深さが過度に深くないので、ヨーク内に生じた構造の変化が溶接箇所の磁気特性に過度に否定的な影響を与えることがない。これらの影響には、例えば、一方では、発生する不所望な渦電流損失の大きさが含まれる。

量ΔＴ_Ｓが１．０ｍｍの大きさを有している場合、最小値に対して確実な溶接接合が得られ、他方で過度に奥行のある溶接継目が生じない。後者は最大値の場合に関係している。

値ΔＴ_Ｓが０．５ｍｍの大きさを有していれば、溶接継目の品質は特に確実に再現される。

溶接継目深さＴ_Ｓが、ヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈに依存する最小サイズＴ_Ｓｍｉｎを下回らなければ、様々なヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈに対して最低限度の溶接継目強度が得られる。ただし、上記の最小サイズＴ_Ｓｍｉｎはヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈに係数３／４０を乗じたものに比例している。

接合箇所におけるヨークの構造が、外側面で２つの部分歯が接合箇所に配置されるような構造であれば、一方では、溶接箇所がヨークから特に遠く離れているという肯定的な効果、他方では、すでに溶接プロセスの際にこの外側の歯から比較的大量の熱を放出することができるという肯定的な効果が得られる。それゆえ、熱の一部がヨークに達することはない。ヨークの電磁特性への影響は少なくなる。

溶接継目をヨークの半径方向の内側面に配置して、接合箇所が歯の頭部に配置されるようにした場合、これによりこれら半歯の振動は高い信頼性をもって防止される。

さらに、溶接継目をステータコアの軸方向の少なくとも１つの面に配置するようにしてもよい。これにより、この箇所の磁気雑音が低減される。

溶接継目がレーザ光線溶接継目であれば、溶接のこの実施態様によって、溶接継目を形成する方法の特に確実な実行が提供される。溶接パラメータは高い信頼性をもって設定され、溶接材の付加的な被覆は行われず、溶接熱は例えば硬化肉盛などの他の方法に比べて明らかに低くなる。さらに、ステータコアが０．１％より高い炭素含有率（質量含有率）を有していない材料から成るようにしてもよい。

炭素含有率は溶接継目の低温脆性に影響し、ひいては例えば振動負荷の下での耐久性に影響する。

図面
図面には、本発明によるステータ及び電気機械の実施例が示されている。

図１は、第１の実施例によるステータを示しており、
図２は、接合されたステータコアにおける溶接継目の２つの実施例の正面図を示しており、
図３は、異なるパラメータに対する溶接継目深さＴ_Ｓの関数が示されたグラフを示しており、
図４及び図５は、接合されたステータコアにおける溶接継目の別の２つの実施例の正面図を示しており、
図６は、特別な形態のヨークにおけるヨーク高の求め方を示している。

説明
図１には、電気機械のステータ１０が示されている。ステータ１０はステータコアセグメント１４から成るリング状のステータコア１３を有している。ステータコア１３はこのケースでは１つのステータコアセグメント１４から成っており、ステータスコアセグメント１４は多数の個々のステータ薄板１５から形成されている。ステータコア１３は、従来技術の場合と同様に、半径方向内側を向いたスロット１８を有しており、スロット１８にはステータコイル１７が挿入されている。このステータ１０は以下に説明するように製造される。一般にストリップの形状をした個々のステータ薄板１５が製造される。ステータ薄板１５はアーチ形又は真っ直ぐであってもよい。個々のステータ薄板１５は、貫通スロット１８を備えた面が形成されるように束ねられ、後でスロット１８にステータコイル１７が挿入される。ステータコイル１７の挿入後には、ステータコア１３とステータコイル１７とから成る組立部品が出来上がり、この組立部品はそのあと中空円筒が形成されるように湾曲させられる。スロット１８はこの中空円筒内で終わっている。この状態を固定するために、湾曲させた後に向き合うステータコア１３の少なくとも２つの端部が溶接継目２０によって固定される。さもなければ、ステータ１０は接合箇所で開いてしまう。ハウジングの円筒孔内への作付けはほとんど行われない。

図２には、接合箇所２２が示されている。接合箇所２２の両側には、端部２３ごとに少なくとも１つのステータコアセグメント１４が見られる。両方の端部２３は、それぞれ一方の部分歯２４が他方の部分歯２４に接するように形成されている。２つの部分歯２４は単一の歯のように共に機能する。接合箇所２２には、溶接継目２０が断面で見られる。溶接継目２０は半径方向に、すなわち、接合箇所又は部分歯２４が互いに接している平面に沿って、溶接継目深さＴ_Ｓを有している。ヨーク２６、すなわち、２つの歯の間の、例えば部分歯２４と部分歯２５との間のステータコア１３の又はステータコアセグメント１４の一部は、ヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈを有している。

溶接継目深さＴ_Ｓに関して、ヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈに依存して次の関数が成り立たなければならない：
Ｔ_Ｓ＝０．５ｍｍ＊（Ｈ_Ｊｏｃｈ／ｍｍ−１）±ΔＴ_Ｓ
これにより、溶接継目深さＴ_Ｓはヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈと公差ΔＴ_Ｓとに依存する。したがって、溶接継目深さＴ_Ｓを決定する関数は、ヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈに依存する基礎関数ｆ_Ｂ
ｆ_Ｂ＝０．５ｍｍ＊（Ｈ_Ｊｏｃｈ／ｍｍ−１）
と付加的な公差ΔＴ_Ｓとから成る。変数Ｈ_ＪｏｃｈとΔＴ_Ｓはミリメートル（ｍｍ）で指定されなければならず、（Ｈ_Ｊｏｃｈ／ｍｍ−１）は無次元である。第１近似として、ΔＴ_Ｓは１．０ｍｍの大きさを有する量ΔＴ_Ｓ１に相当するものとする。第２近似として、ΔＴ_Ｓは０．５ｍｍの大きさを有する量ΔＴ_Ｓ２に相当するものとする。

図３には、異なるパラメータに対して、すなわち、ヨーク高と公差ΔＴ_Ｓとに依存して、Ｔ_Ｓの関数が示されている。さらに、図３には、ヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈに依存する最小溶接継目深さＴ_Ｓｍｉｎの関数も示されている。この関数は
Ｔ_Ｓｍｉｎ＝３／４０＊Ｈ_Ｊｏｃｈ
で記述される。

別の実施例によれば、溶接継目２０はヨークの外側面３０で２つの部分歯３１から形成された歯に形成されている。図４を参照せよ。また別の実施例では、溶接継目２０はステータコアセグメント１４の少なくとも１つの端部２３の半径方向の内側面に配置されている。図２も参照せよ。

さらに、磁気雑音を低減するために、ステータ１０の又はステータコア１３の軸方向の面に溶接継目２０を配置してもよい。軸方向の正面におけるこの溶接継目２０は付加的に取り付けてもよい。図５を参照せよ。

接合箇所２２に溝３５が形成されている場合には、有効ヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈは、今まで説明してきたようなヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈと同じ意味ではない。この場合には、射影されたヨーク高Ｈ_{ＪｏｃｈＰ}が有効ヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈとして求められなければならない。これは必要とされる溶接継目深さＴ_Ｓを冒頭に示した数式に従って計算するための基礎となる。このために、２つの歯２５の間の実際のヨーク高から溝３５の半径方向の広さが差し引かれる。図６を参照せよ。この場合、射影されたヨーク高Ｈ_{ＪｏｃｈＰ}の値が係数Ｈ_Ｊｏｃｈに代入される。

溶接継目２０が過度に低温脆弱なため耐荷重性が低くならないように、ステータコア１３又はステータ薄板１５は、炭素含有率（質量含有率）が０．１％より高い鉄を含有した材料から成っているようにしてよい。接合箇所２２の溶接プロセス以前に、ステータコア１３にステータコイル１７を備え付け、一緒に湾曲させるようにしてもよい。

さらに、溶接継目２０がヨーク２６の円周方向において１０ｋＮから４４ｋＮの間の引張り強さを有するようにしてよい。さらに、溶接継目は深さが０．９ｍｍから２．２ｍｍの間である場合には２０ｋＮから３６ｋＮの間の引張り強さを有していなければならない。深さが１．１ｍｍから１．８ｍｍの間である場合には、引張り強さは２２ｋＮから３２ｋＮの間になければならない。

第１の実施例によるステータを示す。 接合されたステータコアにおける溶接継目の２つの実施例の正面図を示す。 異なるパラメータに対する溶接継目深さＴ_Ｓの関数が示されたグラフを示す。 接合されたステータコアにおける溶接継目の別の実施例の正面図を示す。 接合されたステータコアにおける溶接継目の別の実施例の正面図を示す。 特別な形態のヨークにおけるヨーク高の求め方を示す。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのステータコアセグメントから成るリング状のステータコア（１３）を有する電気機械のステータであって、溶接継目（２０）が前記少なくとも１つのステータコアセグメント（１４）を接合している形式のものにおいて、
   溶接継目深さ（Ｔ_Ｓ）がヨーク高（Ｈ_Ｊｏｃｈ）と公差（ΔＴ_Ｓ）の大きさに依存しており、関数
   Ｔ_Ｓ＝０．５ｍｍ＊（Ｈ_Ｊｏｃｈ／ｍｍ−１）±ΔＴ_Ｓ
   により記述可能であることを特徴とする、電気機械のステータ。
2. ΔＴ_Ｓが、１．０ｍｍの大きさを有する量ΔＴ_Ｓ１に相当する、請求項１記載のステータ。
3. ΔＴ_Ｓが、０．５ｍｍの大きさを有する量ΔＴ_Ｓ２に相当する、請求項１記載のステータ。
4. 溶接継目深さＴ_Ｓはヨーク高Ｈ_Ｊｏｃｈに依存する最小サイズＴ_Ｓｍｉｎを下回らず、該最小サイズＴ_Ｓｍｉｎは関数
   Ｔ_Ｓｍｉｎ＝３／４０＊Ｈ_Ｊｏｃｈ
   により記述可能である、請求項１から３のいずれか１項記載のステータ。
5. 溶接継目（２０）がヨーク（２６）の半径方向の外側面（３０）に配置されている、請求項１から４のいずれか１項記載のステータ。
6. 溶接継目（２０）が、ステータコア（１３）の外側面（３０）にある２つの部分歯（２４）から形成された１つの歯に配置されている、請求項１から５のいずれか１項記載のステータ。
7. 溶接継目（２０）がステータコア（１３）の軸方向の少なくとも１つの面に配置されている、請求項１から６のいずれか１項記載のステータ。
8. 溶接継目（２０）がレーザ光線溶接継目である、請求項１から７のいずれか１項記載のステータ。
9. ステータコイル（１７）を備えている、請求項１から８のいずれか１項記載のステータ。
10. 請求項１から９のいずれか１項記載のステータを備えた電気機械、特に発電機。

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