JP2007524340A

JP2007524340A - 単一コイル及び整流子を備える電機子

Info

Publication number: JP2007524340A
Application number: JP2007500957A
Authority: JP
Inventors: グレゴリー，エス．グラハム，
Original assignee: シンギャップコーポレイション
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2007-08-23
Also published as: US20050184616A1; EP1719216A2; WO2005081989A2; CA2557133A1; US6958564B2; WO2005081989A3; EP1719216A4

Abstract

単一コイル及び電機子を有する電動機の電機子を開示する。電機子は絶縁体で分離され各々が複数のシートメタル導体を含む内側及び外側の巻線部を有するコイルと、各々が導体の一つと一体的に形成された複数のシートメタル整流子セグメントを有する整流子と、を備える。電機子の一実施形態では、整流子の外径はコイルの外径より小さい。同じ又は異なる電機子の実施形態では、整流子セグメントの幅は導体の幅より広い。電機子は１対の導電性シートから製造され、導電性シートのそれぞれに各々が第１及び第２の導体部を有する複数の導電性バンドを形成し、導電性シートを内側円筒及び外側円筒に成形し、内側円筒の導電性シートを外側円筒の導電性シートの内側に配置し、内側円筒の導電性シート及び外側円筒の導電性シートの第１の導体部からコイルを形成し、内側円筒の導電性シート及び外側円筒の導電性シートの第２の導体部から整流子を形成することで製作される。
【選択図】図３

Description

背景

分野
[0001]本開示は電動機に関するものであり、より詳細には、電動機の電機子に関するものである。

背景
[0002]ブラシモータ、特に、ブラシモータ電機子は、通常、整流子用及びコイル巻線用の別個のコンポーネントを使用して製作されている。これらのコンポーネントは、別々に組み立てられる必要があり、コイル巻線を整流子に電気的に接続するために接合技術を必要とする。はんだ付け、溶接、圧接、又は、種々のその他の製造技術がこれらのコンポーネントを電気的に接続するために、現在使用されている。

[0003]したがって、ブラシレスモータの技術においては、これまでに使用されていた従来型の電気的な接続をもたないコイル及び整流子配置が必要である。これらの電気的な接続が排除可能であるならば、モータ電機子のサイズを縮小し、電機子（したがって、モータ）の信頼性を改善し、製造のコストを削減することが可能であろう。

概要

[0004]本発明の一態様では、電動機の電機子が、絶縁体によって分離された内側巻線部と外側巻線部とを有するコイルを含む。巻線部のそれぞれは、複数のシートメタル導体と、各々が上記導体の一つと一体的に形成された複数のシートメタル整流子セグメントを有する整流子とを含む。整流子はコイルの外径より小さい外径を有する。

[0005]本発明の別の態様では、電動機の電機子が、絶縁体によって分離された内側巻線部と外側巻線部とを有するコイルを含む。巻線部のそれぞれは、複数のシートメタル導体と、複数のシートメタル整流子セグメントを有する整流子とを含んでおり、各整流子セグメントは、上記導体の一つと一体的に形成され、上記導体の幅より広い幅を有している。

[0006]本発明の更に別の態様では、１対の導電性シートから電機子を製造する方法が、導電性シートのそれぞれにおいて、各々が第１の導体部及び第２の導体部を備える複数の導体を形成するステップと、導電性シートを内側円筒及び外側円筒に成形するステップと、内側円筒の導電性シートを外側円筒の導電性シートの内側に配置するステップと、内側円筒の導電性シートの第１の導体部及び外側円筒の導電性シートの第１の導体部からコイルを形成するステップと、内側円筒の導電性シートの第２の導体部及び外側円筒の導電性シートの第２の導体部から、コイルの外径より小さい外径を有する整流子を形成するステップと、を含む。

[0007]本発明の更に別の態様では、１対の導電性シートから電機子を製造する方法が、導電性シートのそれぞれにおいて、各々が第１の導体部及び第２の導体部を含む複数の導体を形成するステップと、導電性シートを内側円筒及び外側円筒に成形するステップと、内側円筒の導電性シートを外側円筒の導電性シートの内側に配置するステップと、内側円筒の導電性シートの第１の導体部及び外側円筒の導電性シートの第１の導体部からコイルを形成するステップと、内側円筒の導電性シートの第２の導体部及び外側円筒の導電性シートの第２の導体部から整流子を形成するステップと、を含み、整流子は、それぞれが第１の導体部の幅より広い幅を有する複数の整流子セグメントを含む。

[0008]本発明のその他の実施形態は、本発明の種々の実施形態が例示によって表され記載された詳細な説明から容易に明らかになることが理解される。当然ながら、本発明は、本発明の精神及び範囲からすべてが逸脱することなく、その他の実施形態及び異なる実施形態が可能であり、本発明のいくつかの詳細は種々のその他の点において変更可能である。したがって、図面及び詳細な説明は、本質的に例示のためであり、限定的ではないものとみなされるべきである。

[0009]本発明の態様は、例示を目的として、限定の目的ではなく、添付図面において説明される。当該添付図面では、同様の参照番号が類似した要素を参照する。

詳細な説明

[0017]添付図面と共に以下に説明する詳細な説明は、本発明の種々の実施形態の説明として意図されており、本発明が実施され得る唯一の実施形態を表すことを意図しない。本開示に記載された各実施形態は、単に本発明の実施例又は例示として与えられものであり、必ずしも他の実施形態より好ましい又は有利であるものと解釈されるべきでない。詳細な説明は、本発明の完全な理解を与える目的のために、特定の詳細を含む。しかし、本発明はこれらの特定の詳細がなくても実施されることが当業者には、明らかである。一部の事例では、本発明の概念を不明瞭にすることを避けるために、周知の構造及び装置がブロック図形式で示される。頭文字及びその他の記述的用語は、単に利便性と明瞭さのため使用され、本発明の範囲を制限することは意図していない。

[0018]本開示の全体に亘って記載された種々の実施形態は、ブラシ付きのＤＣモータの無鉄コア電機子を対象とする。電機子は、単一構造をもつコイル及び整流子を有する薄壁、管状、独立型のコンポーネントであってもよい。整流器の径を縮小して、ブラシが低い表面速度で動作することを可能にし、抗力及び熱の発生を低減してもよい。単一構造は、そうでなければ電機子を収容するのに必要とされるであろうモータ内の軸方向スペースを縮小してコイルと整流子を接合する必要性を取り除く。

[0019]ここで、図１Ａ及び１Ｂを参照する。電機子は、略鏡像であり、導電性を有し、精密加工されたベアシートメタルプレート１０及び１０’の薄片の対から構成され得る。プレート１０及び１０’は、強化銅グレード１１０、又は、任意のその他の適当な材料であってもよい。プレート１０及び１０’は、約０．００５インチ（０．１２ｍｍ）の厚さで、２インチ×３インチ（約５ｃｍ×７．５ｃｍ）であってもよい。その他の寸法及び材料が特定のアプリケーションに応じてプレート１０及び１０’を製造するため使用され得る。

[0020]各プレート１０及び１０’は、一連のほぼ平行な導体を生成するため処理される。電機子の少なくとも一つの実施の形態では、平行導体は、それらの間に導体の厚さの約１〜１．５倍のスペースをもって形成される。各導体は、山形パターンに形成されたコイル部１２及び１２’と、比較的真っ直ぐなパターンに形成された整流子部１４ａ、１４ｂ、１４’ａ及び１４’ｂと、を有することができる。整流子部の導体は、整流子セグメント１４ａ及び１４ａ’を、各整流子セグメント１４ａ及び１４ａ’の間のサポートストリップ１４ｂ及び１４ｂ’と共に含むことができる。所望のパターンは、化学的加工によってプレートを精密切断することにより達成される。所望のパターンは、ウォータージェット切断、レーザー切断、電子ビーム切断、打ち抜き、順送り型、又は、その他の従来型の加工方法のような代替的な技術によっても加工できる。

[0021]プレート１０は、それぞれのエッジにキャリアストリップ１６ａ及び１６ｂを含み、プレート１０’はそれぞれのエッジにキャリアストリップ１６ａ’及び１６ｂ’を含むことができる。キャリアストリップは導体を支持するため使用される。所望のパターンは、プレート１０上のパッド１８ａ及び１８ｂと、プレート１０’上のパッド１８ａ’及び１８ｂ’のような一連の比較的小さなパッドを更に含むことができる。各パッドの径は約０．２５ｍｍであり、あるいは、任意のその他の適当なサイズであってもよい。パッドの総数は、導体の個数の２倍にほぼ等しい。このタイプの電機子は、個別のブラシレスモータアプリケーションに依存して増減する導体を有するプレート及びパッドから作られることが理解されよう。

[0022]プレート１０は、図２Ａの円筒体２０のような薄壁型中空円筒形状に巻かれる。プレート１０’もまた同様に図２Ｂの円筒体２０’のような薄壁型中空円筒形状に巻かれるが、その導体のパターンはプレート１０の導体のパターンのほぼ鏡像を作成するように特に方向が合わされる。円筒体２０の径は約０．５１０インチであり、円筒体２０’の径は約０．５２０インチであってもよい。円筒体２０は、電機子を形成するために円筒体２０’内で円筒体２０のその後の軸方向アラインメントを可能にするように、僅かに小さな径で形成される。この理由のため、円筒体２０’は以下で外側円筒体２０’と呼ばれ、円筒体２０は内側円筒体２０と呼ばれる。なお、その他のサイズの円筒径を利用してもよい。

[0023]次に、内側円筒体２０は回転軸上に設置され、図３に示された、一般に約０．０００１５インチの厚さを有する４〜５層の最高級の工業用グレードのガラスストランド２４が導体のコイル部の周りに、内側円筒体２０のパッドを避けつつ、堅く巻き付けられる。導体のコイル部の上の複層のガラスファイバーストランドの堅固な巻き付けは、一般に管状構造体に対する構造的サポートを提供する。ガラスファイバー層はまた、内側円筒体２０と外側円筒体２０’との間に、ある程度の物理的分離と付随的な電気的絶縁を提供することができる。ガラスファイバー層の厚さは約０．０００７５インチであってもよく、したがって、比較的小さいが、十分な強度を加えることができる。次に、覆われた内側円筒体２０は、外側円筒体２０’の奥まで挿入され、両方の円筒体の同軸の軸方向アラインメントと、内側円筒体２０上のそれぞれのパッドの外側円筒体２０’上の対応するパッドとのマッチングとを保証する。次のステップは、内側円筒体２０に関して行われたのと同様の方法で、工業用グレードのガラスファイバーストランドの層を外側円筒体２０’の導体のコイル部の上に堅く巻き付けることである。このガラスファイバー層は付加的な構造的サポートを提供することができる。外側円筒体のガラスファイバー層の厚さは約０．００１インチであってもよい。

[0024]内側円筒体及び外側円筒体の導体のコイル部は、それぞれのパッドではんだ付けされるか、又は、電気的に取り付けられることによって、連続的な誘導螺旋コイルを形成する。パッドは、例えば、華氏４５０度（「Ｆ」）と同じ高さの動作温度に耐えることができる鉛・銀・スズのはんだ材料を使用して、はんだフロー経路を提供することができる。パッドは、はんだ付けではなく溶接されて、ベース溶接材料としての銅との相互接続を作り、動作中の更に高い電機子温度を可能にしてもよい。圧接、スポット溶接、又は、レーザー溶接のようなパッドを相互接続する代替的な方法が使用され得る。溶接が使用される場合には、電機子動作温度は、後で塗布される封入材料の利用温度である華氏約６００度まで上昇することができる。マッチングされたパッド１８ａ、１８ａ’と１８ｂ、１８ｂ’は、それぞれ、はんだが選択されたボンディング材料でないならば、必要とされない。

[0025]はんだ付けされたジョイントは、内側円筒体２０の導体のコイル部すべてを外側円筒体２０’の対応するコイル部と電気的に相互接続して、図４に示されるような連続的な誘導螺旋構造体を形成する。図４は、コイルの螺旋構造体の部分がどのように達成されるかを詳細に例示する、電機子上のコイルの実施例を示す。例えば、内側円筒体２０の導体コイル部１２ａは、パッド１８ｃと１８ｃ’を互いにはんだ付けすることにより、別の場合には接合することにより、外側円筒体２０’の導体コイル部１２ａ’に電気的に接続される。導体コイル部１２ａの他端は、パッド１８ｄと１８ｄ’を互いにはんだ付けすることにより、別の場合には接合することにより、外側円筒体２０’の導体コイル部１２ｂ’に電気的に接続される。内側円筒体２０の残りの導体コイル部は、それぞれの端における相互接続の総数が同じとるよう、外側円筒体２０’の対応する導体コイル部と同様に相互接続される。本質的に、内側円筒体２０の導体コイル部１２は電気回路の半体（半分）を提供し、外側円筒体２０’の導体コイル部１２’は回路の他の半体を提供する。二つの半体を接合することにより電気回路を完成する。

[0026]コイルが形成されると、内側円筒体２０上のキャリアストリップ１６ａ及び１６ｂと外側円筒体２０’上のキャリアストリップ１６ａ’及び１６ｂ’は取り外される。キャリアストリップの取り外しは電機子の両方の円筒体におけるサポートストリップの取り外しを含むことができる。次に、内側導体２０の残りの整流子セグメントは、はんだ付け、圧接、又は、その他の手段によって外側円筒体２０’の残りの整流子セグメントと電気的に接続される。

[0027]次に、図５及び６を参照する。電機子２２は、円盤形状部２６と共に形成されたアルミニウム製フライホイール２４を更に含んでいてもよく、当該円盤形状部２６は、電気的絶縁性接着手段によって内側円筒体に接着される。円盤形状部２６から軸方向に延びる円筒状部２８は縮小した径をもつように設計される。フライホイール２４が電機子２２に挿入された後、整流子セグメントは、円筒状部２８の周りで内側に変形させられ、電気的絶縁性接着手段によって円筒状部に接着される。円筒状部２８の外面は、フライホイールの整流子の内面への接着を改善するためにスロット３０を形成されている。フライホイール２４は、軸方向に配置された出力ドライブシャフト３２を含み、当該出力ドライブシャフト３２は、フライホイール２４に堅固に取り付けられている。

[0028]出力ドライブシャフトの取り付け前に、電機子２２は封入コンパウンドに含浸され、更なる構造的安定性が加えられ、全てのコンポーネントが永久的に固定され、装置の完全な電気的絶縁が提供される。特に、電機子２２は、封入ポリイミド、例えば、２５％固体／溶質（ポリイミド）と７５％溶媒（ＮＭＰ）とにより構成されたポリイミドで含浸される。電機子２２は、すべての空隙をポリイミド溶液で置き換えるために、遠心分離、注入、浸漬、含浸、又は、封入される。遠心力は構造体から空気を押し出し、テレスコープ型の管状構造体のクレビス及びクラックの奥深くにポリイミドを押し込み、コンポーネントの永久的な接着と絶縁を可能にする。

[0029]ポリイミド含浸電機子２２は、例えば、華氏約５００度の温度で熱硬化されて、溶媒が取り除かれ、固められ且つ硬化されたポリイミド封入電機子がもたらされる。硬化温度に対する制限は、一般的に華氏約５５０度のはんだフロー温度であるが、非はんだ溶接技術の使用は、華氏６９５度でのポリイミド硬化と、華氏６００度の電機子動作温度を可能にする。セラミック、ガラス、ケイ酸塩、シリコンなどのようなその他の製陶材料を使用してもよい。電機子２２が熱硬化された後には、室温まで冷却することが可能になる。

[0030]電機子２２上の整流子セグメントは、ブラシがコイルに電流を分布させるための滑らかな円筒状回転面を与えるために使用される。サポートストリップが電機子２２から取り外されるとき、残りの整流子セグメントの個数はコイル導体の個数の半分である。この構成は、整流子がコイルより縮小された径を有する円筒状構造体を形成することを可能にする。コイルによって境界が定められた円筒空洞３４は、種々のモータ又は発電機アプリケーションの円筒状界磁固定子組立体（図示せず）を収容するようになっている。

[0031]本発明の特定の実施形態が例示され記載されているが、種々のその他の変更及び変形が本発明の精神及び範囲を逸脱することなく行われ得ることが当業者に明らかである。例えば、代替的な実施形態におけるブラシレスモータは、シャフトが機械的手段によって回転させられるときに発電するように構成される。したがって、本発明は、本明細書に示された実施形態に限定されることが意図されていなく、本明細書に開示された原理及び新規性のある点と合致した最も広い範囲が認められるべきである。

電機子で使用する精密切断された１対の銅プレートの平面図である。電機子で使用する精密切断された１対の銅プレートの平面図である。電機子で使用する中空円筒体の形に巻かれた図１Ａの銅プレートの正面斜視図である。電機子で使用する中空円筒体の形に巻かれた図１Ｂの銅プレートの正面斜視図である。電機子を形成するため図３の円筒体内に挿入された図２の円筒体の正面斜視図である。電機子の連続的な円筒状導電性コイルを形成するための導電性ループの相互接続を示す概略図である。電機子の縦断面図である。切断線６−６による図５の電機子の横断面図である。

Claims

絶縁体によって分離されており、各々が複数のシートメタル導体を含んでいる内側巻線部及び外側巻線部を有するコイルと、
それぞれが前記導体のうちの一つと一体的に形成された複数のシートメタル整流子セグメントを有し、前記コイルの外径より小さい外径を有する整流子と、
を備える、電動機の電機子。
前記整流子セグメントは、少なくとも第１の層と第２の層とを備え、前記整流子セグメントの第１の層と前記外側巻線部の前記導体が第１のシートメタルから形成され、前記整流セグメントの第２の層と前記内側巻線部の前記導体が第２のシートメタルから形成される、請求項１に記載の電機子。
前記整流子セグメントのそれぞれは、それに対応する導体の幅より広い幅を有する、請求項１に記載の電機子。
前記整流子セグメントの個数は、前記外側巻線部の導体の個数より少ない、請求項１に記載の電機子。
前記コイルを支持する第１の部分と前記整流子を支持する第２の部分とを有するフライホイールを更に備え、前記第１の部分が前記第２の部分の外径より大きい外径を有する、請求項１に記載の電機子。
前記フライホイールを通り軸方向に延びるシャフトを更に備える、請求項５に記載の電機子。
前記絶縁体は、前記内側巻線部の周りに巻き付けられた第１の非導電性フィラメントを備え、
前記電機子は、前記外側巻線部の周りに巻き付けられた第２の非導電性フィラメントと前記整流子及びコイルを封入するするポリイミドと、を更に備え、
前記第１のフィラメントと前記第２のフィラメントにポリイミドが含浸されている、
請求項１に記載の電機子。
絶縁体によって分離されており、各々が複数のシートメタル導体を含んでいる内側巻線部及び外側巻線部を有するコイルと、
複数のシートメタル整流子セグメントを有する整流子と、
を備え、
前記整流子セグメントのそれぞれが、前記導体のうちの一つと一体的に形成され、それに対応する導体の幅より広い幅を有する、
電動機の電機子。
前記整流子セグメントが少なくとも第１の層と第２の層とを備え、前記整流子セグメントの第１の層と前記外側巻線部の前記導体が第１のシートメタルから形成され、前記整流セグメントの第２の層と前記内側巻線部の前記導体が第２のシートメタルから形成される、請求項８に記載の電機子。
前記整流子は、前記コイルの外径より小さい外径を有する、請求項８に記載の電機子。
前記整流子を支持する第１の部分と前記コイルを支持する第２の部分とを有するフライホイールを更に備え、前記第１の部分が前記第２の部分の外径より小さい外径を有する、請求項１０に記載の電機子。
前記フライホイールを通り軸方向に延びるシャフトを更に備える、請求項１２に記載の電機子。
前記整流子セグメントの個数は、前記外側巻線部の導体の個数より少ない、請求項８に記載の電機子。
前記絶縁体は、前記内側巻線部の周りに巻き付けられた第１の非導電性フィラメントを備え、
前記電機子は、前記外側巻線部の周りに巻き付けられた第２の非導電性フィラメントと、前記整流子及びコイルを封入するポリイミドと、を更に備え、
前記第１のフィラメントと前記第２のフィラメントにポリイミドが含浸されている、
請求項８に記載の電機子。
１対の導電性シートから電機子を製造する方法であって、
前記導電性シートのそれぞれに、各々が第１の導体部及び第２の導体部を備える複数の導体を形成するステップと、
前記導電性シートを内側円筒及び外側円筒に成形するステップと、
前記内側円筒の導電性シートを前記外側円筒の導電性シートの内側に配置するステップと、
前記内側円筒の導電性シートの前記第１の導体部及び前記外側円筒の導電性シートの前記第１の導体部からコイルを形成するステップと、
前記内側円筒の導電性シートの前記第２の導体部及び前記外側円筒の導電性シートの前記第２の導体部から、前記コイルの外径より小さい外径を有する整流子を形成するステップと、
を備える方法。
前記整流子を形成するステップが、前記電機子から一以上の前記第２の導体部を取り除く工程を含む、請求項１５に記載の方法。
残存している前記第２の導体部のそれぞれが、対応する前記第１の導体部の幅より広い幅を有する整流子セグメントを構成する、請求項１６に記載の方法。
フライホイールを前記電機子に挿入するステップを更に備え、
前記フライホイールは、前記コイルを支持するように構成された第１の部分及び前記整流子を支持するように構成された第２の部分を有し、前記第１の部分が前記第２の部分の外径より大きい外径を有する、請求項１５に記載の方法。
前記フライホイールを通るシャフトを挿入するステップを更に備える、請求項１８に記載の方法。
前記内側円筒の導電性シートの前記第１の導体部に非導電性フィラメントを巻き付けるステップと、前記外側円筒の導電性シートの前記第１の導体部に非導電性フィラメントを巻き付けるステップと、前記電機子を封入し前記非導電性フィラメントを含浸させるために、ポリイミドを前記電機子に塗布するステップと、を更に備える、請求項１７に記載の方法。
１対の導電性シートから電機子を製造する方法であって、
前記導電性シートのそれぞれに、各々が第１の導体部及び第２の導体部を含む複数の導体を形成するステップと、
前記導電性シートを内側円筒及び外側円筒に成形するステップと、
前記内側円筒の導電性シートを前記外側円筒の導電性シートの内側に配置するステップと、
前記内側円筒の導電性シートの前記第１の導体部及び前記外側円筒の導電性シートの前記第１の導体部からコイルを形成するステップと、
前記内側円筒の導電性シートの前記第２の導体部及び前記外側円筒の導電性シートの前記第２の導体部から整流子を形成するステップであって、前記整流子は、各々が対応する前記第１の導体部の幅より広い幅を有する複数の整流子セグメントを含む、該ステップと、
を備える方法。
前記整流子を形成するステップは、前記電機子から一以上の前記第２の導体部を取り除く工程を含む、請求項２１に記載の方法。
前記整流子の外径は、前記コイルの外径より小さい、請求項２１に記載の方法。
フライホイールを前記電機子に挿入するステップを更に備え、
前記フライホイールは、前記コイルを支持するように構成された第１の部分及び前記整流子を支持するように構成された第２の部分を有し、前記第１の部分が前記第２の部分の外径より大きい外径を有する、請求項２１に記載の方法。
前記フライホイールを通るシャフトを挿入するステップを更に備える、請求項２４に記載の方法。
前記内側円筒の導電性シートの前記第１の導体部に非導電性フィラメントを巻き付けるステップと、前記外側円筒の導電性シートの前記第１の導体部に非導電性フィラメントを巻き付けるステップと、前記電機子を封入し前記非導電性フィラメントを含浸させるために、ポリイミドを前記電機子に塗布するステップと、を更に備える、請求項２１に記載の方法。