JP2008507947A - 順序を入れ替えた巻線層を有するモーターステーター - Google Patents

Abstract

多層巻線ステーターコア形状を有する電気モーター。複数の個々のワイヤストランドは、ポールペアの各ステーターポールに順次形成される。各巻線層は、同一の比較的細いワイヤゲージで作られる。第１の巻線層はポールに直接付けられ、次の各巻線層は、その前の最後の巻線層の上に形成される。ポールペアの一方のポールの各巻線層は、数が巻線層の数と等しい個々の直列コイル接続を得るように、ポールペアの他方のポールの巻線層と直列に接続される。巻線層が各ポールからの距離を増加させるとき、巻線層のインダクタンス特性及び抵抗特性は互いに異なるため、ポールペアの一つのポールからの巻線層は、他のポールペアのものと順序が異なるそれぞれの層に接続される。
【選択図】図３

Description

本発明は、モーターステーターに関し、より詳細には、ステーターコアのポールペアの多層巻線形態、及び、その巻線層を形成し且つ接続するための技術に関する。

改良された電子制御装置及び可搬式電源を有する車両用の効率的な電気モーター駆動装置の開発が、燃焼機関駆動装置に対する実現性のある代替物又は補助物として、高い注意を引いている。例えば、両方とも本発明と一緒に共通に譲渡されたマスロフ等に対する米国特許第６，５９２，７５６号、及びマスロフ等に対する米国特許第６，６１７，７４６号が、電気自動車推進に特に適した最小のパワー消費で高いトルク出力容量を示すモーター構造を記載する。電磁石は、ステーター環状リング内に形成された隔絶された透磁性構造体として使用される。電磁石グループの隔絶は、事実上、磁束損失、又は、他の電磁部材との有害な変圧器干渉効果（transformer interference effects）なしで、そのグループの磁気コアに磁束の個々の集中を可能にする。このセグメント電磁気構造により、作動上の利点が得られる。個々のポールペアの他のポールグループからの磁気的経路隔絶は、ポールペア巻線の電力印加がスイッチされるときに、隣接したポールグループのフラックス変圧器効果を除去する。

電気運転装置は、低電圧推進ユニットから高いトルクを要求する。低電圧制限は、バッテリーセルの数を最小にし、且つ、高電圧保護に必要とされる余分の絶縁体を除去することによって、スペースを維持する要求を満足させる。低電圧源から高いトルクを出すためには、モーターの巻線から高電流を引き出すことが必要である。巻線は、高い電流可能出力を出すために太くなくてはならない。ステーターの巻線を形成する太い単一ワイヤの使用は、典型的には、許容できない高周波表皮効果損失を招く。かかる損失を減らすために、細いワイヤの多ストランドを束に使用して、所要のコイル太さにすることが、通例であった。個々のストランドは、表皮効果損失を減じながら、電流負荷を分担することができる。かかるワイヤの束は、普通、「ワイヤ・イン・ハンド（wire in hand）」として知られている。

束ねられた多ストランドによるステーター巻線形成のための在来の自動化技術が、図１の概略図で示される。四つのワイヤ・イン・ハンドの工程が例示される。各ワイヤストランド１０は、個々のワイヤスプール１２によって供給される。すべてのストランドが、ワイヤバンドラー１４へ同時に送られ、ワイヤバンドラー１４は、ストランドを組み合わせて四つのワイヤ・イン・ハンドの単一の束１６にする。次いで、束は、ステーター組立体２０の各ステーターポール１８に巻かれる。人間のオペレータが、太いワイヤ束を、ゆっくりと回転するステーター組立体の周囲に案内する。幾つかの欠点が、この技術にはある。 各ストランドに一つのワイヤスプールが要求されるため、多数のストランドに適応しなければならない巻線装置が複雑になる。巻き付け機械から要求される高い張力を維持しながら、ステーター上で太いワイヤ束を曲げることは困難である。巻線によって占められたスロット体積の量の測定値である、「スロット充填ファクタ（slot fill factor）」は、太さが増加するため減少する。これらのファクタは、在来の巻線構造において束ねることができるストランドの数をひどく制限する。

かくして、均一なインダクタンス特性及び抵抗特性を有する最大スロット充填ファクタを提供することのできる太いステーター巻線の必要性が存在する。巻線の太さに固有な制限が無く、かつ、最小限の複雑さで適切な曲げを行うことができるような巻線を作る巻線技術が必要とされる。

本発明は、少なくとも一部が、ワイヤストランドの複数の個々の層をポールペアの各ステーターポールに順次形成することによって、上述の要求を満たす。ステーターに、単一の太いワイヤ、又は多数の束ねたワイヤを巻く先行技術と違って、本発明は多数の巻線層を形成し、各巻線層は、同じ比較的細いワイヤゲージで作られる。巻線層は、ポールペアの各ポールに個々に形成される。第１の巻線層はポールに直接付けられ、次の各巻線層は、前の最後の巻線層の上に形成される。ポールペアの一つのポールの各巻線層は、ポールペアの他のポールの巻線層と直列に接続されて、数が巻線層の数と等しい個々の直列コイル接続を得る。巻線層の各ポールからの距離が増加するとき、巻線層のインダクタンス特性及び抵抗特性が互いに異なるので、ポールペアの一つのポールからの巻線層は、順序が、他のポールペアの巻線層と異なる、それぞれの巻線層に接続される。好ましくは、一つのポールで形成された第１の巻線層が、他のポールの最後の巻線層に接続される等、巻線層間の接続の置き換えが行われる。ポールペアごとに全ての直列接続は、並列に接続される。比較的小さいワイヤゲージのワイヤを用いて巻線の形成を容易にしながら、巻線は、複数の巻線層回路が高い電流負荷を分担する点で、太い巻線の特性を有する。細いワイヤによる層形成は、大きなスロット充填ファクタを提供する。

本発明は、複数のポールペアセグメントを有するモーターに有利であり、各ポールペアセグメントは、前述のように接続された多数の巻線層を有する。互いに分離されかつ互いに強磁性的に隔離された、かかるポールペアセグメントは、高トルク及び高効率作動の利点を提供する。

本発明の更なる利点は、以下の詳細な説明から当業者に容易に明らかになるであろう、そこでは、本発明の好ましい実施形態は、単に、本発明を実施することの考えられるベストモードの説明によって、図示され且つ説明されているにすぎない。したがって、図面及び説明は、全くの例示とみなされるべきであって、限定とみなされるべきではない。

本発明は、添付の図面において、限定としてではなく、例示として図示され、同じ参照番号は同じ要素を参照する。

図２ａ〜図２ｄは、ポールペアセグメントのステーターポール２２上の四つの巻線層の形成を示す。層の数は、電流負荷要件、特定のワイヤゲージ、コイルの巻数、及びポールの形状を含む種々の要因に依存して調節することができるので、四つの層の選択は、本発明を単に代表するに過ぎない。図２ａでは、巻線層２４が、ポール２２に形成される。巻線を形成するワイヤは、比較的低ワイヤゲージのものであり、図示しないワイヤスプールから供給される。ワイヤの曲げが困難でないため、在来の設計の比較的低張力のコイル巻線機を利用することができる。図２ｂでは、第２巻線層２６が、第１巻線層２４の上に形成される。同じスプールからのワイヤが、同じコイル巻線機によって使用される。同じワイヤ供給源の単一ストランドを使用して両方の巻線層を形成すると、高いスロット充填ファクタ（slot fill factor）を達成することができる。同じやり方で、巻線層２８及び３０が、図２２ｃ及び２２ｄに代表的にそれぞれ図示されているように、その前の巻線層の上に形成される。各巻線層が、同じスプール供給源から、即ち、前述のコイル巻線機から単一ストランドとしてつけられるので、形成することができる巻線層の数に制限はない。

図３の簡単化した概略図は、ポールペアセグメントの、図２ａ〜図２ｄに関連して説明したようなポール２２、及び他のポール２２ａを示す。巻線層２４ａ、２６ａ、２８ａ及び３０ａは、巻線層２４、２６、２８及び３０の形成について説明したのと同じ方法で、ポール２２ａに形成される。好ましい実施形態では、巻線層の各々は、同一の巻数を有する。 巻線層の平均巻線長さは、一番下の層から一番上の層まで増すので、巻線層の抵抗及びインダクタンスも一番下の層から一番上の層まで増す。巻線層のランダムな直列又は並列接続により起こることがある層間電流を回避するために、ポール２２の巻線層とポール２２ａの巻線層は、層の置き換えで、互いに直列に接続される。すなわち、ポール２２の巻線層２４はポール２２ａの巻線層３０ａに接続され、ポール２２の巻線層２６はポール２２ａの巻線層２８ａに接続され、ポール２２の巻線層２８はポール２２ａの巻線層２６ａに接続され、ポール２２の巻線層３０はポール２２ａの巻線層２４ａに接続される。その接続は、点線ブロック３２内に示した内層端子になされる。各ポールからの層を含む四つの直列回路は、巻線層の置き換えの結果、巻線層の抵抗特性及びインダクタンス特性に関して釣り合う。直列回路は、それらの外端子で並列に接続される。

図３のステーター電磁石ポールペア形態は、好ましくは、上述のマスロフ等の特許に示されたような、空隙の周りに分配された複数のステーラーセグメントの一つである。各セグメントは、多相モーター制御システムの一つの相に対応し、各電磁石ポールペアは、個別制御の電源から給電される。変形例として、多相制御システムの各相は、複数の電磁石に給電する。

認識されるように、束ねた巻線の制限を回避しながら、大変簡単化された巻線技術を提供している。釣り合った巻線接続の多数のワイヤストランドは、かなりの相互巻線電流なしに、電流負荷を分担する。好ましい図示した実施形態は、セグメント電磁石構造の適用のために構想された。しかしながら、同じ層巻線及び接続技術は、連続の突起したポールステーターコアに適用されるとき、同じ利点を提供することが考えられる。

この開示では、本発明の好ましい実施形態だけが図示され、説明されたが、本発明の変形例の幾つかの例がある。本発明は、種々の他の組合せ及び環境で使用することができ、ここに示したような本発明の概念の範囲内で変形又は変更をすることができる、ことが理解されるべきである。例えば、単一の太いワイヤ又は束ねたワイヤの代わりに、細いワイヤゲージの多数の層を、溝付きステーターコアに巻線を形成するのに有利に適用することができる。前述のように、本発明はまた、四つ以外の数のポール巻線層にも適用することができ、種々の負荷要件及びワイヤゲージが適用され得る。本発明は更に認識されるべきである。各巻線層のコイル巻数は、等しくなるように上述されたが、同じポールの巻線層の中で、又は、ポールペアの両方のポールの巻線層の間で、巻線層が異なる数を有するように調整することができる。

束ねられた多数の縒り合わされたステーター巻線構造のための在来の自動技術の概略図である。 ２ａ〜２ｄは、本発明による複数の巻線層の構造の概略図である。 図２ａ〜図２ｄに示したように形成された巻線層の相互接続の概略図である。

Claims (10)

1. 少なくとも一つのポールペアを有する電気機械のステーターコアに巻く方法であって、
   ポールペアセグメントの各ポールに、巻いたワイヤストランドの所定数の個々の層を順次形成するステップと、
   ポールペアの第１のポールの前記層の各々を、数が前記所定数と等しい、ポールペアの個々の直列のコイル接続を得るように、ポールペアの第２のポールの層と直列に接続するステップと、を有し、各直列コイル接続の層が形成される順序は、互いに異なる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記機械ステーターは、互いに分離されかつ強磁性的に隔離される複数のポールペアセグメントを有し、
   前記形成ステップ及び接続ステップは、複数のポールペアセグメントの各々に適用される、請求項１記載の方法。
3. 前記形成ステップは、ポールに第１の層を直接取り付けるステップと、次の各層を、その前の最後の層の上に形成するステップと、を有し、
   前記接続ステップは、層の接続の置き換えを得るために、ポールペアの各ポールに形成された第１の層を、他のポールに形成された最後の層に接合するステップを有する、
   請求項１記載の方法。
4. ポールペアの全ての直列接続を並列に接続する追加ステップを有する、
   請求項３記載の方法。
5. 一対のポールを有するコアと、
   前記コアの各ポールに巻かれた複数のコイル層と、を有し、
   前記コイル層は、ポールを中心に適所で互いに順次に重なり、
   第１の前記ポールのコイル層は、ポールを中心とする対応する層の位置に対して逆順に、第２の前記ポールのコイル巻線に接続される
   ことを特徴とする機械ステーター。
6. 各ポール上の層数は同じであり、接続された層は、数が層数と等しい個々の直列回路を形成する、
   請求項５記載の機械ステーター。
7. 両方のポールの複数の巻線層の各々は、同じコイル巻数を有する、
   請求項６記載の機械ステーター。
8. 直列回路の各々は、各ポールからの層からなり、直列回路は並列に接続される、
   請求項６記載の機械ステーター。
9. 複数のポールペアを有し、各ポールペアは、請求項５に記載されたように形成され且つ接続された複数のコイル層を有する、請求項５記載の機械ステーター。
10. 複数のポールペアの各々は、他のポールペアの各々から強磁性的に隔離される強磁性コアセグメントを有する、請求項９記載の機械ステーター。

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