JP2010536312A - 特殊輪郭を有するコイル支持体 - Google Patents

Abstract

本発明は、巻き付け部材（２１）を有するコイル支持体（２０）に関し、コイル支持体の外周面は、実質的に直角の２つの角と鋭角の１つの角とにより画定された台形の断面を有しており、さらに、コイル支持体（２０）により形成可能なコイル装置に関し、コイル線材（１）は、巻き付け部材（２１）の鈍角のエッジから始まって、巻き付け部材の端面エッジに対して平行に、鈍角のエッジと隣接する端面に沿って、巻き付け部材の周囲を取り囲むように巻き付け部材の鋭角のエッジ（２５）まで案内され、かつ鋭角のエッジ（２５）から巻き付け部材のフロント面に沿って鈍角のエッジ（２４）に向けて、それも端面エッジに対して斜めに案内されており、コイル線材は、鈍角のエッジ（２４）で巻き付け移りに際して先行の巻き付けのコイル線材（１）の直接横で、しかも巻き付け移りに際して、先行の層の２つの巻条間の最も近くの溝内に位置決めされており、若しくはフランジと先行の層の巻条との間の最も近くの溝内に位置決めされている。

Description

本発明は、巻き付け部材を有するコイル支持体に関し、殊に電動モータの突極の形成のためのコイル支持体に関する。

ブラシレスの電動モータは、一般的に永久磁石で構成された回転子を有しており、回転子は、複数の固定子巻線から成る固定子内に回転可能に支承されている。各固定子巻線は、巻線ヘッドを介して複数相（一般的に三相）の固定子巻線列にまとめられ、電子整流器を用いて電子的に制御されるようになっている。ブラシレスの電動モータは、保守作業が少なく、かつ効率がブラシ整流子に比べて高くなっており、したがって特に電気機械式のブレーキ装置、例えば楔式ブレーキへの使用に適するものである。

小さい構成寸法で高いモータ出力を得るために、各固定し磁極の固定子巻線（ステータコイル）は高い巻線密度又は占有率で形成されねばならない。高い巻線密度においては、巻線間の空隙の占める容積又は断面積は最小になっており、換言すれば、巻線材料、一般的に銅の占める体積又は断面積は最大になっている。巻線材料の占める体積の、巻体の全体積に対する割合は、銅充填ファクターと称される。同一の巻体体積の場合に高い巻き数によって実現する高い銅充填ファクター、つまり、巻体の密な巻成又はパッケージによって、同一の線材直径及び同一のコイル電流において強い固定子磁場、ひいては高いモータトルクを得ることができる。

得られるモータトルクは、個々の固定子磁極の銅充填ファクターによってだけではなく、固定子装置全体の銅充填ファクターによって画定されるものである。したがって、隣接の固定子磁極の固定子巻線を互いに隙間なく密に配置することが必要であり、突極の互いに隣接する側面、つまり、固定子磁極（突極）に配置される固定子巻線の側面はできるだけ平らにされねばならない。固定子巻線の側面を平らにすることは、突極の角筒状の巻成によって達成され、この場合に突極、つまり巻線の角筒状の巻成に際して、後から形成される巻き層の線材は、前に形成された、つまりそれぞれ下側の巻き層の溝内を、つまり下側の巻き層の互いに隣接する２つの巻線巻条間の凹部内を案内される。このような構成により、巻体（コイル）は、断面で見て蜂の巣状、つまり六角形の巻成構造（パッケージ構造）を示し、最適な溝充填率、つまり最大の銅充填ファクターを達成し、かつ巻体の、線材直径の半分内での平らな外側の画定面を達成している。つまり、外側の画定面（側面及び端面）の起伏の深さ又は高さは実質的に線材直径の半分までである。

電動モータの突極のために用いられる固定子巻線（ステータコイル）は、断面長方形の巻き付け部材（巻き付け体又は巻き付け枠）から成るコイル支持体に巻き付けられて成形されており、断面長方形の巻き付け部材の長さ（長辺）は幅（短辺）の複数倍である。このような寸法比（長さと幅との比）において前述の角筒状の巻成を保つために、巻成の際の巻き付け移り（又は巻条移り）及び層移りは、所定のフロント面（正面、若しくは狭幅面又は短辺の面）で行われねばならない。巻き付け移り（巻く付けジャンプ）若しくは層移りが巻き付け部材の側面（長辺の面）で行われてしまうと、該側面において巻体は、隆起部又は盛り上がり（ふくらみ）を生ぜしめ、したがって隣接の突極の巻体間の密接な組み付けに必要な平面性をもはや有さなくなる。

長方形の断面を有する長く幅の狭いコイル支持体における角筒状の巻体の自動的な巻成は不可能であり、それというのは、巻き付け移り及び層移りが確実に巻き付け部材の所定のフロント面で行われ得ないからである。したがって、幅の狭い固定子磁極のためのコイル支持体における巻成は現在手作業で行われている。自動車産業のコスト削減要求に適った大量生産は不可能である。

本発明の課題は、コイル支持体及びコイルを改善して、自動的に行われる巻き付けの際の巻き付け移り及び層移りを、巻き付け部材の所定のフロント面で確実に行うことができるようにすることである。

前記課題を解決するために、本発明の構成によれば、筒体から成る巻き付け部材の外周面は、実質的に直角の２つの角と鋭角の１つの角とにより画定された台形の断面を有している。

巻き付け部材の１つのエッジの鋭角に基づき、巻線の位置は各巻き付け移り及び層移りの前で固定され、その結果として、巻線の巻き付け移り及び層移りの位置がフロント面から側面へずれてしまうようなことは避けられるようになっている。さらにフロント面の、エッジの鋭角に基づき生じる傾斜により、該フロント面の幅は増大されている。このような構成により、巻線がフロント面に沿って鋭角なエッジから鈍角なエッジへ案内されつつ巻き移る又は巻き進むのに必要な巻線ずれ（巻き付け方向に対して垂直な方向での変位量）に基づき巻き付け部材の端面に対してなす角度（傾き角）も減少される。このような傾き角の減少に伴って、巻き付け引っ張り力に基づき巻線に作用する横力も減少する。

さらに本発明は、適切なコイル支持体を有するコイル装置に関し、この場合に本発明の構成によれば、コイル線材（巻線）は、前記巻き付け部材の鈍角のエッジ又は鋭角のエッジから始まって、前記巻き付け部材の端面のエッジに対して平行に、前記鈍角のエッジと隣接する前記端面に沿って、前記巻き付け部材の周囲を取り囲むように前記巻き付け部材の鋭角のエッジまで案内され、かつ前記鋭角のエッジから前記巻き付け部材のフロント面に沿って前記鈍角のエッジに向けて、それも前記端面エッジに対して斜めに案内されており、前記コイル線材は、前記鈍角のエッジで巻き付け移りに際して先行の巻き付けの前記コイル線材の直接横で、しかも巻き付け移りに際して、先行の層（下側の巻層）の２つの巻条間の最も近くの溝内に位置決めされており、若しくはフランジと先行の層の巻条との間の最も近くの溝内に位置決めされるようになっている。

本発明に基づくコイル装置は、外面が線材半径内で平滑であるコンパクトな構成形状を有しており、モータの固定子内に隙間なく並べて組み込まれるようになっている。

さらに本発明は、少なくとも１つの突極を有する電動モータに関し、この場合に電動モータは本発明に基づく前記コイル装置を含んでおり、さらに本発明は、電気機械式のブレーキ装置に関し、この場合にブレーキ装置は本発明に基づく前記電動モータを含んでいる。コイル装置の外面の平滑な画定により、組み付けの際の突極の損傷は生ぜず、電気機械式のブレーキの確実な機能に寄与する信頼性の高いモータを得ることができるようになっている。

本発明の実施態様によれば、巻き付け部材のエッジの鋭角の角は６５度であり、このような構成により、エッジにおける曲率半径を角に小さくすることなく、また、コイル支持体の構成長さを過度に長くすることなく、巻き付け及び層移りの前における確実な固定を達成できるようになっている。

巻き付け部材からの巻体巻線の滑り落ち（巻き付け方向に対して垂直な方向への巻線の滑りずれ）を防止するために、本発明の実施態様によれば、巻き付け部材の少なくとも一方の端面は、フランジによって画定されており、フランジは、巻き付け部材の断面を越えて突出し、つまり延びている。本発明の有利な実施態様によれば、巻き付け部材の両方の端面を、各１つのフランジによって画定してあり、フランジは、巻き付け部材の断面を越えて突出しており、このような構成により、巻き付け部材に堅く固定されるようになっている。

固定子磁極の鉄心への簡単な取り付けのために、コイル支持体は有利には１つの開口部を有しており、開口部は巻き付け部材を貫通して延びている。コイルの形又は幾何学形状を鉄心の形又は幾何学形状に依存することなく保つために、本発明の有利な実施態様によれば、開口部の断面の形又は幾何学形状は、巻き付け部材の外周面の形状と異なって形成されている。固定子磁極上へのコイル支持体の固定的な座着、つまり固着は、有利には開口部の断面が巻き付け部材の両方の端面間で一定でないことによって達成される。

本発明の別の実施態様によれば、巻き付け部材は鉄心（コア）を有しており、鉄心は、電気絶縁性の材料により取り囲まれ、つまり被覆されており、台形の断面を有する巻き付け部材の周面は、電気絶縁性の材料の外面によって画定されている。

ブレーキ装置は、自己倍力式の楔型ブレーキとして形成されていると有利であり、それというのは、制動すべき部分の運動エネルギーがブレーキ力の増大に活用され、ブレーキ装置を小さい電動モータで作動できるからである。

本発明は図示の実施形態に限定されるものではなく、任意に変更できるものであり、本発明に基づく各構成はそれぞれ単独に用いられ、或いは互いに種々に組み合わせて用いられるものである。次に本発明を図示の実施形態に基づき詳細に説明する。

突極のための従来のコイル支持体を示す図である。 角筒状の巻体の自動的な巻成に適したコイル支持体を示す図である。

図１には、固定子磁極用の従来のコイル支持体１０の断面及び正面を示してある。コイル線材１は、コイル支持体１０の長方形の巻き付け部材１１に巻き付けられるようになっている。巻き付け部材へのコイル線材の巻き付けを安定化するために、巻き付け部材の両方の端面には、それぞれ１つのフランジ１２，１３を設けてある。角筒状のコイルの成形（巻成）のために、コイル線材１は巻き付け方向（図面で逆時計回り）１５でフランジ内面に沿って巻き付け部材の３つの側面にわたって案内される。第４（図面で上側）の側面では、コイル線材（巻線）は、まずフランジ面から離れて移行エッジ１４に向けて案内され、かつそこから、前に巻かれた、つまり既に巻かれた線材部分の横に沿って案内され、相対するフランジ面に対する距離が、線材の引き続く巻き付けのためにもはやなくなり、その結果として巻き付け部材上に１つの完全なコイル層又は巻き付け層が形成されるまで、既に巻かれた下側の線材部分に接触しつつ巻き付け部材の全周にわたって案内される。

次のコイル層は、図１の下側の部分に描かれるフロント面（フロント面）から見て取れるように、前に成形された、つまり既に成形されたコイル層上に形成され、この場合にコイル線材１は第４の側面で、対向するフランジ面に向けて傾けられて、移行エッジ１４へ案内され、そこで既に成形されたコイル層（先行のコイル層）の、現在最も近いフランジ面に最も近い両方の線材部分間の溝内へ移される。巻き付けを１つのコイル層から次のコイル層へ移行する場合に、つまり層移りの場合に、線材は、直前に巻かれた線材部分（巻条）と隣接のフランジとの間の溝内を案内される。

上記巻成により、極めてコンパクトな巻体断面構成が得られ、この場合に、１つのコイル層の各巻線部分は互いに平行に並んで位置しており、かつ１つのコイル層の巻線部分は、該巻線部分の３つの側面でもって、前に形成されたコイル層（先行のコイル層）の表面における凹部（又は溝）内を案内されており、溝（凹部）は、巻線の円形の断面形状に基づき、隣接する２つの巻線部分間に生じるものである。上下に位置する２つのコイル層の巻線は、図１の下側の部分のフロント面図に示してあるように、第４の側面で互いに交差しており、つまり、上下に位置する２つのコイル層の巻線の交差部位では、巻線は、下方の巻線の上側面と上方の巻線の下側面とで互いに接触している（図面では、配置を分かりやすくするために、後に巻かれる巻線、つまり上側のコイル層の巻線部分は破線で描かれている）。

巻き付け移り（又は巻条移り）並びに層移りのために、巻線部分又は巻条部分は第４の側面（長方形の第４の辺）で、図１に示してあるように、フランジ面に対して若しくは巻き付け部材の端面側のエッジ（縁部）に対して所定の角度を成して延びるようになっている。該角度は、側面が（線材の延びる方向で）短くなればなるほど、大きくなり、ひいては既に巻かれた線材部分の巻き移り部に対する傾き、若しくは所定の溝位置からの飛び出しも大きくなっている。

狭いコイル支持体の場合には、自動化された巻き付けに際して、しばしば制御不能な巻き付け移り若しくは層移りが発生ており、これによって長方形の巻き付けではなく、不正確な巻き付けが生じることになる。このように不正確な巻き付けでは、コイル線材の、縦側面（長い辺又は広幅）において必要なコンパクトな配置又は密接な配置を達成できないので、不正確に巻き付けられた、つまり大きな誤差を伴って成形された固定子コイルはモータの固定子内への組み込みに際して損傷を受けてしまうことになる。

狭いコイル支持体における自動的な巻き付けに際して制御不能な巻き付け移り若しくは層移りを避けるために、図２に示す巻き付け部材２１の両方の狭幅側の一方にあるフロント面（正面又は狭幅側面）は、巻き付け部材の広幅側（広幅側面）に対して傾斜して配置されている。この場合に巻き付け部材の断面は、台形の形状を有している。このような傾斜した配置により、フロント面の幅（長さ）は、巻き付け部材２１の幅よりも大きくなっており、その結果、傾斜されたフロント面における巻き付け移り若しくは層移りの際のコイル線材１の傾き若しくは移行ずれは減少されている。１つのコイル層から別のコイル層へ移る際のコイル線材の減少された傾きの場合には、巻き付けの際の引っ張りに基づき線材に作用する横力（引っ張り方向に対して横又は垂直な方向に作用する力成分）も同じく減少しているので、所定の位置からの巻線（巻線部分）のずれ若しくは飛び出しのおそれも低くなっている。

フロント面の傾斜配置により、エッジ角度２５は鋭角になっており、該エッジ角度の部位において、コイル線材１は、巻き付け引っ張り力により強く固定され、つまり鋭角なエッジ（角隅部又は縁部）におけるコイル線材の位置決めを改善している。鋭角なエッジを線材の巻き付け方向で見て、鈍角の移行エッジ２４の前に配置してある場合には、巻き付け移り若しくは巻き付け層移りの前における安定した出発位置又は基点位置を達成している。巻き付け層の多い場合に、鋭角のエッジ２５におけるコイル線材の固定は、殊に、既に形成された層の２つの線材部分間に画定された溝内への、巻き付け引っ張り力に基づく線材の改善された押し込みによって助成され、つまり強められる。このような作用効果により、コイル支持体２０における自動的な巻き付けに際しても正確な巻き付け移り若しくは層移り、ひいては巻き付け部材２１の外周面に沿った誤差のない長方形の巻き付けが、追加的な補助手段を必要とすることなしに達成されるようになっている。

原理的には、巻き付け移り若しくは層移りの前における線材１の固定は、エッジ２５をより鋭角にすることによりさらに改善される。さらに、フロント面の幅は、エッジの角度を小さくすることによってさらに増大され、ひいては、線材１は、より小さい傾きでフロント面にわたって案内され得る。もちろん、コイル支持体の長さは、巻き付け部材エッジの鋭角な構成におり増大されており、これに適合して形成される電動モータの構成寸法は増大されることになる。したがってフロント面の傾斜角度は、次のような程度又は尺度に限定されており、つまり鋭角なエッジ２５におけるコイル線材１の曲げ半径は、外側の巻き付け層においても十分に大きくなっていて（曲げ半径は線材直径と増加する層数との関数に基づき増大する）、線材の十分な位置固定を保証し、かつ、フロント面の幅の十分な大きさにより、巻き付けの際の引っ張りに基づき線材に作用する横力を十分に小さくして、既に形成された巻き付け層における線材部分のずれを避けることができるように規定してある。エッジの約６５度の角度により、自動的な巻き付けにとって巻き付け移り若しくは層移りの際のコイル線材１の十分な安定性を達成できることが、明らかになっている。固定子磁極の、上記構成に基づき必要な延長寸法は、殊に固定子磁極にとって一般的な長さと幅との４：１より高い比率の場合に、モータの構成寸法に影響をほとんど及ぼさない程度に小さいものである。

図２のコイル支持体２０の２つのフランジ２１，２２は、図１に示す従来のコイル支持体と同様に、巻き付け部材２１の断面を越えて突出し、つまり断面を越えて延びていて、すなわち巻き付け部材の断面（横断面）より広い面積を有していて、コイル支持体２１からのコイル若しくは巻条の滑り落ちを防止できるようになっている。固定子磁極を固定子の鉄心上に装着するために、コイル支持体２０は開口部２７を有しており、該開口部はフランジ２２，２３及び巻き付け部材２１を貫通して延びている。開口部の形状は固定子の鉄心（又はコア）に適合されていて、図面に示してあるように、巻き付け部材２１の外周面の輪郭と異なっていてよいものである。コイル支持体を固定子の鉄心上に不動に座着又は固着するために、開口部の断面は、巻き付け部材の端面間で一定ではなく、つまり例えば、圧着力又はプレス嵌め力の形成のための先細部を有し、つまり、開口部は鉄心上へのコイルの組み付けの方向でテーパーを有し、すなわち角錐面によって画成されている。

別の実施形態として、巻き付け部材２１はその内側に既に鉄心を備えていてよく、該鉄心は電気絶縁性の材料により被覆されている。電気絶縁性の材料は鉄心の、少なくとも線材１が巻き付けられる外側を覆うようになっている。

コイル支持体２０における巻き付けのために、巻体線材若しくはコイル線材１は、巻き付け方向２６で、巻き付け部材２１の端面側のエッジに沿って、つまり、該縁部に対して平行に、或いはフランジ２２に接触した状態で、鈍角の移行エッジ２４から出発して、図２の左側の側面に沿って案内され、図面で水平なフロント面及び第２の側面を介して巻き付け部材の鋭角のエッジに向けて案内され、かつ該エッジを取り囲むように案内される。鋭角のエッジから、線材１は傾斜のフロント面にわたって、そこの端面エッジに対して傾斜する所定の角度で鈍角なエッジに向けて案内されて、該鈍角なエッジに既に存在する線材部分又は線材始端部の横で該エッジを巻き付け、次いで、既に巻き付けられた線材部分又は巻条に対して平行にかつ該線材部分と接触した状態で次の巻条（巻き）として引き続き巻き付け部材の周りに案内され、つまり巻き付けられる。第３の巻き付け層への移行のために、線材１は、鈍角のエッジで、フランジ（コイル支持体フランジ）と第３の巻き付け層の成形の前に成形された先行の巻き付け層の巻条との間の最も近い溝内を案内されるようになっている。このことは、図２の下側の部分に描かれた正面図に示されている。

コイル支持体２０は、１つのコイル装置の形成にとって電動モータ内の磁極歯部又は突極として用いるために特に適しているものである。前述の方法に基づき自動的に製造されるコイル装置において長方形又は四角形のコンパクトなコイル構造を達成することができるので、固定子内に組み込む際のコイル装置の損傷のおそれはなくなっている。つまり、適切に製造された固定子コイルは、高い銅充填ファクター（占有率）を有する信頼性のある電動モータの製造を可能にしている。このような電動モータは、自己増力形電気機械式のブレーキ装置への使用に、殊に自己増力式又は自己倍力式の楔型ブレーキへの使用に適している。

１ コイル線材、 １０ コイル支持体、 １１ 巻き付け部材、 １２ 第１のフランジ、 １３ 第２のフランジ、 １４ 移行エッジ、 １５ 巻く付け方向、 ２０ コイル支持体、 ２２ 第１のフランジ、 ２３ 第２のフランジ、 ２４ 移行エッジ、 ２５ 鋭角のエッジ、 ２６ 巻き付け方向、 ２７ 開口部

Claims (12)

1. 巻き付け部材（２１）を有するコイル支持体（２０）において、前記巻き付け部材の外周面は、実質的に直角の２つの角と鋭角の１つの角とにより画定された台形の断面を有していることを特徴とする、特殊輪郭を有するコイル支持体。
2. 前記鋭角の角は６５度である請求項１に記載のコイル支持体。
3. 前記巻き付け部材（２１）の両方の端面のうちの少なくとも１つの端面は、１つのフランジ（２２，２３）によって画定されおり、該フランジは前記巻き付け部材の断面を越えて突出している請求項１又は２に記載のコイル支持体。
4. 前記巻き付け部材（２１）の両方の端面は、各フランジ（２２，２３）によって画定されており、該フランジは前記巻き付け部材の断面を越えて突出している請求項３に記載のコイル支持体。
5. 前記コイル支持体（２０）は開口部（２６）を有しており、該開口部は前記巻き付け部材（２１）を貫通して延びている請求項１から４のいずれか１項に記載のコイル支持体。
6. 前記開口部（２６）の断面形状は、前記巻き付け部材（２１）の外周面の断面形状と異なっている請求項５に記載のコイル支持体。
7. 前記開口部（２６）の断面形状は、前記巻き付け部材（２１）の端面間で一定になっていない請求項５又は６に記載のコイル支持体。
8. 前記巻き付け部材はコアを含んでおり、該コアは、電気絶縁性の材料によって取り囲まれており、このような構成により、断面台形の巻き付け部材の外周面は前記電気絶縁性の材料の外面によって画定されている請求項１から４のいずれか１項に記載のコイル支持体。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のコイル支持体（２０）を有するコイル装置において、コイル線材（１）は、前記巻き付け部材（２１）の鈍角のエッジから始まって、前記巻き付け部材の端面のエッジに対して平行に、前記鈍角のエッジと隣接する前記端面に沿って、前記巻き付け部材の周囲を取り囲むように前記巻き付け部材の鋭角のエッジ（２５）まで案内され、かつ前記鋭角のエッジ（２５）から前記巻き付け部材のフロント面に沿って前記鈍角のエッジ（２４）に向けて、それも前記端面エッジに対して斜めに案内されており、前記コイル線材は、前記鈍角のエッジ（２４）で巻き付け移りに際して先行の巻き付けの前記コイル線材（１）の直接横で、しかも巻き付け移りに際して、先行の層の２つの巻条間の最も近くの溝内に位置決めされており、若しくはフランジと先行の層の巻条との間の最も近くの溝内に位置決めされていることを特徴とする、コイル支持体を有するコイル装置。
10. 少なくとも１つの突極を有する電動モータにおいて、該電動モータは請求項９に記載のコイル装置を含んでいることを特徴とする電動モータ。
11. 電気機械式のブレーキ装置において、該ブレーキ装置は請求項１０に記載の電動モータを含んでいることを特徴とするブレーキ装置。
12. 前記ブレーキ装置は、自己増力式の楔型ブレーキとして形成されている請求項１１に記載のブレーキ装置。

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