JP2009528811A - 電気機械における配置、及び配置に関するコイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

特に１層の集中巻コイル（１５）を担持する歯（１１、１２）付きのステータを有する電気機械、特にモータ、発電機、またはアクチュエータの配置。永久磁石ロータがステータ（１１、１２）に対して相対的に移動可能である。ステータの歯は、一般に長方形の開口を有するコイル（１５）を受け入れるように配置される。溝（１４、１６）を閉鎖する一般に全く同一のコイル（１５）を受け入れるようにステータ歯（１１、１２）が備えられる場合に長所が実現される。コイル（１５）を入れる平行な側面を有する溝（１４、１６）を備えるために、歯（１１、１２）は歯先に向かって長方形の歯と集束／発散する歯とが交互に繰り返されてもよい。集束する歯（２２）は好ましくは短縮された歯先（２３）を有する。溝は、好ましくは隣接する歯の間に半磁性溝ウェッジ（１７、１８）用のスペースをあけて備えられる。

Description

本発明は、請求項１の導入部に記述されるような電気機械の配置に関する。電気機械は、直線径路または弓形径路を移動するアーマチャを有する電動機または発電機またはアクチュエータであってもよい。このような機械は、実例に記述されるような様々な目的で種々の大きさで製造されてもよい。

電気機械は、伝統的に界磁巻線を有する同期機および非同期機に基づいている。過去１０年間に、永久磁石同期機（ＰＭＳＭ）の使用が増加している。こうした機械の研究開発が活発化するにつれて永久磁石のコストが低下している。現在、製紙業、ならびに沖合いおよび海洋構造物部門など、多くの分野でＰＭＳＭ機械が利用されている。ＰＭＳＭ機械は、電気機械を使用する他の領域においても多く見られるようになっている。

最初のＰＭＳＭ機械の一部は、非同期機の標準ステータと永久磁石のロータとの利用に基づくものであった。このようなステータは、Assessment of torque components in brushless permanent magnet machines through numerical analysis of the magnetic field, of lonel, D. M,: Popescu. M.; McGilp, M.I.; Miller T. J. E.; Dellinger, S. J.; Industry Applications, IEEE Transactions on Volume 41, Issue 5, Sept-Oct 2005, Page 1149-1158に示される。

このような機械のステータでは、伝統的に分布巻と部分的に閉鎖されたスロット（ｐａｒｔｌｙ ｃｌｏｓｅｄ ｓｌｏｔ）とが採用されている。開発は集中巻を採用する方向にある。集中巻を採用すると、分割（ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ）、極数の増加、低速化、直接牽引など、いくつかの新規で興味深い機械設計が提供される。このような巻線の機械は、設計が簡単であることに加え、分布巻の機械よりもコイル端が短い。コイル端は同じ軸方向長さを占有しないため、機械の小型化が可能になる。集中巻を有する多くの機械に共通なのは、部分的に閉鎖されたスロットが採用されることである。この溝設計の欠点は、フェッドイン巻線（ｆｅｄ−ｉｎ ｗｉｎｄｉｎｇ）とも呼ばれるワンアンドワン導体（ｏｎｅ ａｎｄ ｏｎｅ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）をスロットの中に供給する必要があることである。部分的に閉鎖されたスロットは、磁気抵抗とコギングトルクの差を減らすために採用されている。

長方形歯を有する開放溝は、既製の巻線を施すために使用されている。米国特許出願公開第２００５０３６５８０号および米国特許出願公開第２００２０４７４２５号には、各歯に最終巻線が施されるモータが記載される。この設計の欠点は、役に立たない空隙が各溝にあることである。さらに、ステータ薄板（ｓｔａｔｏｒ ｌａｍｉｎａｔｅ）と磁石では脈動磁界が発生する。

特開２００２−１１２４８４号において、歯の片側が台形で、他の側が長方形であるように巻線を形成することによって完全な溝が利用される。これは巻線の形状が複雑であるという欠点を有する。別の巻線設計は、欧州特許第１３７６８３０号明細書に記載されたように溝を完全に埋めている。巻線の断面は真っ直ぐな歯に対して対称である。この設計では、部分的に閉鎖された溝が使用される。巻線を歯に設置した後でステータヨークが取り付けられるので、予め完成された巻線が使用されうる。また、巻線の設計が特殊であることに加えて、このような機械の組立は複雑である。

欧州特許第０６２７８０５号明細書の機械は小さい構成単位で組み立てられる。ステータはアレイ積層構成単位（ａｒｒａｙ ｌａｍｉｎａｔｅｄ ｕｎｉｔｓ）からなり、その各々は集中巻の２つのスロットを有する。この構想の欠点は多数の部品を組み立てる必要があることである。

すべてのＰＭ機械において、ロータとステータの誘導電流に起因する損失を抑制することが望ましい。ステータの損失は、伝統的に積層板を使用して抑制されている。その場合でも、磁気特性はスロットに起因して一様にならない。ステータのスロットはステータとロータの磁気結合を増すことになり、それによって、磁石、ロータヨーク、およびステータヨーク内の磁界強度を変動させる。このような変動を抑制する伝統的な手段は、ステータスロットを部分的に閉鎖することである。Ishak D., Zhu Z. Q., and Howe D: Comparison of PM Brushless Motors, Having either all Teeth or Alternate Teeth Wound IEEE Transactions on Energy Conversion, volume PP, Issue 99, 2005, Page(s): 1-1など、多くの出版物が種々の設計のステータ薄板によるこの条件の改良を扱っている。

他の従来技術では、分割磁石または変形磁石（ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ ｍａｇｎｅｔ）付きのロータを使用している。通常、極に付属する３分割の磁石が使用される。これらの磁石は、スキューロータの効果を得るためにより小さい角変位で接着して取り付けられる。これら両手段の欠点は機械の製造コストが複雑になり嵩むことである。

米国特許第６，６６１，１３７号（Ｌｅｒｏｙ−Ｓｏｍｅｒ ２００３）には、長方形歯を有するステータ薄板が記載される。これらの長方形歯では、同一のコイルを取り付けると、コイル間に空隙が残ることになる。
米国特許出願公開第２００５０３６５８０号 米国特許出願公開第２００２０４７４２５号 特開２００２−１１２４８４号 欧州特許第１３７６８３０号 欧州特許第０６２７８０５号 米国特許第６，６６１，１３７号

本発明の主目的は、ＰＭＳＭ技術に基づいて改良された簡単で低コストの電気機械を提供することである。この機械は、量産に適しており、小型で高効率でもあるべきである。この構想は、種々の電気機械および種々の目的の機械に適しているべきである。

本発明は請求項１に記載される。

平行四辺形スロットを有するステータ設計が採用され、既製の小型化されたコイルが直接取り付けられうる。溝は、機械的保護を有するスロットウェッジを用いて閉鎖される。巻線は、集中巻の部分的な１層巻線であってもよい。機械は１５０Ｈｚの動作周波数用に設計されてもよく、コイルは効率を高めるためにリッツ線（Ｌｉｔｚ−ｗｉｒｅ）（登録商標）が巻かれてもよい。

本発明は、外側ステータまたは内側ステータを有する回転機械に使用されうる。最小のコギングトルクと最適な誘導電圧波形が得られるよう平行歯と集束する歯（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ ｔｅｅｔｈ）が設計される。内側ステータでは、台形歯はスロットの内部において最も狭くなる。平行歯を有する内側ステータに比べると、本発明のこの実施形態では全く同一のコイルを使用することができ円錐コイルは不要となる。

本発明の好ましい特徴は請求項２に記述される。請求項３〜７にはさらなる特徴が記載される。

この構想の背景にある意図は、長方形コイルは空隙を残さずにステータ内に取り付けるように製造されて得ることである。これを最適に実現するために、ステータ設計は変更されなければならない。新規な構想において、ステータに形の異なる歯が使用されなければならない。新規な設計の歯は１つおきにそれぞれ長方形と円錐形となる。隣接する歯の幅は、電圧曲線とコギングトルクが最適になるように設計される。

この設計の長所は、主としてコイルの製造が比較的簡単なことである。すべてのコイルを等しくするためにすべての長方形歯は等しくなっている。コイルを巻く際にコイル金型が１つだけで済み、銅充填率が大きくなるようにコイルを予め構成して小型にすることができる。ステータの設計によって、機械が量産しやすくなる。

次のステップはコイルの取付けを容易にすることになる。溝の充填率は電気機械の設計において重要である。本発明を採用することによって、コイルは量産される可能性がある。

上記ステップの結果として、コイルの取付けが容易になる。溝の充填率は電気機械のすべての設計にとって重要である。本発明を採用することによって、取付け前のコイルを小型化することが容易である。一部の機械は基本周波数が高く設計される。このような機械は、銅損を減らすために、たとえば、「リッツ線（Ｌｉｔｚ−ｗｉｒｅ）」（登録商標）の特別な断面積の巻線を有してもよい。新規な構想では、平角線をそのまま使用することができる。本発明は、特に、大きい導体断面積を有する他の機械にも適しており、たとえば、断面形状化ワイヤー（ｐｒｏｆｉｌｅｄ ｗｉｒｅ）が使用されてもよい。

溝設計の別の案では、ステータ内に台形断面の溝を備えていてもよい。側面（上部と下部）は長方形歯の設計を有する金型に直角にならないので、この場合のコイルの製造はもう少し複雑になる。この機械の取付けはそれでも簡単になる。台形溝は径の小さい粗溝の場合に適している可能性がある。この場合、長方形歯と円錐形歯の長さの差が重要になる。このような機械に長方形溝を採用することによって、溝は１対の溝の側部で深くなり、ステータヨークの厚さの増加を必要とする。

本発明を採用することによって、溝の中に空隙を有する米国特許出願第２００５０３５６８０号および米国特許出願第２００２０４７４２５号の機械に比べると、ステータ巻線とステータコアの間で良好な熱伝導が実現される。

欧州特許第０６２７８０５号に比べると、本発明は実質的に少数の部品によって安価な機械を提供することになる。

本発明では、リラクタンストルク（ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｍｅｎｔ）に起因するトルクリップル（ｍｏｍｅｎｔ ｒｉｐｐｌｅ）相殺するための歯と極の数の好ましい選択が可能になる。こうして、伝統的な機械におけるように溝を完全に閉鎖する必要がなくなる。同様に、電圧変動が最適になされ、ステータ設計と溝および極の選定によって信号の不要な高調波成分が最小になるようにすべきである。

本発明は特に１層巻線に適している。溝と極の数の特定の組合せで、部分的な１層巻線（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｏｎｅ−ｌａｙｅｒ ｗｉｎｄｉｎｇｓ）が実現される。部分的な巻線（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｗｉｎｄｉｎｇｓ）は機械設計の周知の従来技術であり、これは巻線のヘッドを減らして誘導電圧の余分な高調波成分を抑制することになる。溝と極数の種々の組合せによって種々のコギングトルクを生成してもよい。

電気機械の通常の故障は、たとえば、変圧器からの高いｄＶ／ｄｔの結果としての高電圧と絶縁損傷である。局所的な高電圧と故障絶縁を背景として、本発明に集中コイルを組み合わせると利益が得られる。ステータの各溝は１相のみを備えることになるため、絶縁電圧は相−接地間に限定される。同じ長所は巻線のヘッドにおいて実現され、すべてのコイルは隣接する溝から延びてコイルに重なりがない。また、本発明では、コイル端は低いオーバーヘッドを有しているので巻線のヘッドからステータコアまで距離が比較的遠く、これは絶縁破壊の危険性を緩和する常套手段である。さらに、開放溝によって、予め成形された溝絶縁物の取付けが容易になる。これは、ステータコアに対してコイルを遮蔽する場合にも当てはまる。

集中コイルの１層巻線では、電気的にも物理的にも巻線の分割が可能である。これによって、機械は障害に対する耐性を増し低減された出力でも運転されうる。 障害に対する耐性の程度は、一端が固定された相とケーブル（ｔｈｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｂｌｅｓ）の両方が影響を及ぼすのでコネクタ構成によって調整される。

巻線の分割によって個々のコイルまたはコイル群の個別調整が可能になり、これによってステータ内のロータの位置決めが可能になる。ステータ内のロータの位置を読み取ることが可能になり、巻線は位置センサとして使用される。

さらに、分割巻線では、輸送と取扱いが制限要因となる大型機械にとって重要なステータ全体の分割が可能になる。ステータの損傷時には、個々の部分を交換して障害による混乱を緩和することが可能となる。それゆえ、機械は局部修理が可能である。

本発明は、あらゆる種類の電気機械、非同期、標準同期、ＤＣ、ＢＬＤＣ、およびあらゆる種類のＰＭＳＭ機械のステータに適用される可能性がある。

本発明は、図面を参照してさらに詳しく説明される。

図１は、コイル１６を取り付けるスロット１４、１５を備える歯１１、１２、１３を有するステータ薄板１０の束を示す。１つおきの歯１２は平行であり、一様な開口と一様な巻線を有するコイル１６が取り付けられうる。この例のスロットは、図３を参照して説明されるように、スロットウェッジ１７、１８を用いて閉鎖される。

図２は、外側ステータ（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｔａｔｏｒ）を予め構成するステータ積層２０の他の実施形態を示す。この電気機械のロータは、従来技術による設計を有してもよく、図示されていない。ステータ積層２０は、平行な歯２１と、歯先２３を有する外側に集束する台形歯２２とを交互に有する。したがって、従来技術による長方形コイルを挿入する複数対の平行スロット２４が設けられる。隣接する歯の幅は、電圧曲線とコギングトルクを最適にするように決定されるべきである。この例において、歯は一様な歯先幅で示される。しかし、これは異なっていてもよく、たとえば、０．９〜１．１対１の関係を有してもよい。歯２２の集束は極数とスロット幅によって決定される。コイル２５は歯２１に配置される。

コイルを担持する歯の側面に垂直でないスロットフロア（ｓｌｏｔ ｆｌｏｏｒ）でスロット充填をさらに最適化するために、コイル断面を平行四辺形とすることも可能である。

図３は、２つのスロット３４、３５を規定する歯３１、３２、３３を有するステータ積層３０の断面を示す。各歯先３６において、突出部はスロットウェッジ３９の斜側端部と嵌合するＶ字溝３７、３８を有する。スロットウェッジ３９を横方向に挿入した後、これは固定されてスロットからコイル（図示せず）に加わる力を阻止することになる。スロットウェッジは、鉄粉、グラスファイバ、および接着剤とすることができる。側部は他の形状の溝を有してもよい。

スロットウェッジを使用することは、本発明の特に有益な特徴である。スロットウェッジの材料は透磁率に関して選択されるべきで、結合されるウェッジの設計は一様な磁気抵抗を備えるべきである。通常、透磁率は真空中の透磁率の５〜１０倍であり、通常の積層の場合に比べて１／１００〜１／１０００と低い。スロットウェッジは単純な長方形でもよく、状況に応じて適合されうる。種々の材料における種々の磁気飽和点のようなメカニズムを利用することは、最適化の重要な部分である。

スロットウェッジの材料と設計は、渦電流による不当な損失を回避するために検討されるべきである。さもなければ、ウェッジの近くに重大なホットスポットが生じることがある。

変動磁束による損失

鉄の中：

Ｐ_Fe〜ｋ₁Ｂ²ｆ＋ｋ₂Ｂ²ｆ²＋ｋ₃Ｂ^3/2ｆ^3/2は、鉄損を磁束密度（Ｂ）と周波数（ｆ）の関数として表わす式の例である。定数ｋ₁、ｋ₂、ｋ₃は、材料の特性と薄板の設計によって決定される。この式は正弦波磁束における薄板の損失を表わす。言及された磁束密度は、開放溝と永久磁石とに起因する磁束の変動に関係している可能性がある。半磁性溝ウェッジ（ｓｅｍｉ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｒｏｏｖｅ ｗｅｄｇｅ）の導入によって、磁束変動と損失の実質的減少は磁束密度の変化の２乗に逆比例する。

磁石の中：

式Ｐ_PM〜ｋ₄Ｂ²は、永久磁石の一般的な損失を磁束密度（Ｂ）の関数として表す。この損失は、伝導率、厚さ、幅、磁束密度、および周波数の関数である。開放溝を有するＰＭＳＭ機械において、磁石の磁束は磁石の中で変動することになり、渦電流損が磁石内で発生することになる。

言及された磁束密度は、開放溝と永久磁石との採用に起因する磁束の変動に関係している可能性がある。半磁性溝ウェッジの導入によって、損失は磁束密度の変化の２乗に逆比例するので磁束変動の実質的減少が実現される。

また、機械の磁束密度は、この機械のコギングトルク（ｃｏｇｇｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ）に関係している可能性がある。集中巻の採用とともに半磁性溝ウェッジの導入によって、損失は微々たる大きさまで減少する。従来技術による機械は実質的なコギングトルクを有する。

ウェッジの配置と取付けでは、電圧の波形とコギングトルクを考慮する必要がある。空隙との近さに応じて、コギングトルクと高調波の抑制に対するウェッジの寄与は異なる。ウェッジが摩擦を頼りに取り付けられる場合、各ウェッジに対して空隙との近さを確認するべきである。機械的結合が必要かどうかは銅からウェッジ表面への圧力排出（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｘｃｒｅｔｅ）に依存しており、内側ステータリングなどが配置される場合にウェッジは空隙側からも圧力を受ける可能性がある。機械的強度の増強を実現するための解決法としては、より丈夫な材料の半磁性材料を取り入れてもよいが、２つの溝ウェッジ、つまり、機械的強度に関して１つと磁気抵抗の変動の平滑化に関して１つの溝ウェッジを配置してもよい。

本発明は、種々の目的の電気機械、特に回転機械に利用されうる。本発明は、たとえば、船舶、乗用車、および特定車両などの陸上用および海上用の推進システムに使用されうる。海上では、本発明は制御システムおよびウインチに使用されうる。本発明は、水力および風力発電設備用、ならびにその他のタービンで使用されうる。また、本発明は様々な工業用途に使用されてもよい。

１層集中巻の採用は、機械に冗長性を組み入れる様々な機会を提供する。開放溝の採用は、簡単で安価な製造および取付けを提供する。半磁性の溝ウェッジの採用は、機械の損失を実質的に減少させる。

本発明によって、機械の効率、信頼性、およびコストを最適にすることができる。開放溝と従来技術による溝ウェッジを有する機械では、ロータ位置によって磁気抵抗が異なる結果、鉄および磁石内に脈動磁界が発生することになる。磁気抵抗の変動はステータの不連続な構成によるものである。従来技術による機械において、部分的に閉鎖された溝はこの効果を制限するために使用されている。本発明では、様々な磁気特性を有する溝ウェッジが歯に関連する溝の磁気特性間の差を一様にするために使用される。この溝ウェッジは半磁性と呼ばれる。この溝ウェッジは、１を超える透磁率を有する材料が部分的に完備していることを特徴とする。

半磁性の溝ウェッジが結合された開放溝は、電圧波形とコギングを最適にするのに特に適していると同時に取付けが実質的にさほど複雑でない。溝ウェッジの材料は、通常、磁気抵抗の望ましい均一化のために透磁率とウェッジ設計を併せ持つように選定されるべきである。ウェッジが開放溝に対して比較的高い透磁率を必要とする場合は、別のウェッジ設計が採用されてもよい。

本発明では、リラクタンストルクに起因するトルクリップルを相殺するために歯および極数の好ましい選択を利用する。したがって、従来技術による機械に関して溝を極限まで閉鎖する必要がなくなる。それに対応して、電圧波形は最適化され、ステータ設計と溝および極の数の選定では出力の不要な高調波成分を最小化する要望を検討すべきである。

本発明は種々のロータと結合されうる。ＰＭモータの場合、方形波または正弦波の逆起電圧を有する機械が提供されうる。この機械はブラシレスＤＣ機械および永久磁石同期機と呼ばれる。このような機械の磁石は表面に取り付けられる場合もあるが、覆い隠される場合もある。ロータヨークは積層構造であってもよく、一体構造であってもよい。効率に対する要求が高い機械では、損失を減少させるために磁石は積層構造とされる。

本発明の第１の実施形態の外側ステータの切断面を示す。 本発明の実施形態による外側ステータのステータ積層を示す。 スロットウェッジを有する２つの歯先の端面図を示す。

Claims (8)

1. 特に１層の集中巻コイル（１５）を担持する歯（１１、１２）付きのステータ、および前記ステータ（１１、１２）に対して相対的に移動される可動、特に回転式の、永久磁石ロータまたはアーマチャを有する電気機械、特にモータ、発電機、またはアクチュエータの配置であって、前記ステータの歯は一般に長方形の開口を有するコイル（１５）を受け入れるように配置され、前記ステータ歯（１１、１２）は溝（１４、１６）を閉鎖する一般に全く同一のコイル（１５）を受け入れるように備えられることを特徴とする、配置。
2. 前記溝（１４、１６）を備えるために、前記歯（１１、１２）は歯先に向かって長方形の歯と集束／発散する歯とが交互に繰り返されることを特徴とする、請求項１に記載の配置。
3. 前記集束する歯（２２）は短縮された歯先（２３）を有することを特徴とする、外側ステータに関する、請求項２に記載の配置。
4. 前記歯（１１、１２）は実質的に等しい歯先幅を有することを特徴とする、請求項３に記載の配置。
5. 前記溝は隣接する歯の間に半磁性の溝ウェッジ（３９）用のスペースをあけて備えられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の配置。
6. １．０以上の透磁率を有する前記溝ウェッジ（３９）が前記歯（３１、３２）の間に配置されることを特徴とする、請求項５に記載の配置。
7. 前記溝は前記溝ウェッジ（３９）を案内するために側壁内に溝（３７、３８）を有することを特徴とする、請求項６に記載の配置。
8. 前記コイルは前記溝の形状に対応する形状に加圧成形されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の配置。

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