JP2012135202A - スロットレス電気機械用の円筒形巻線を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットレス電気機械用の円筒形巻線を製造するための方法を提供する。
【解決手段】本発明は、ａ)三つの軸線X,Y,Zに従って移動可能な巻線ヘッド(211)によって、所定の巻線プログラムに従って、2セットのニードル(11)の周囲および第1の円筒形チューブ(6)の外面上に、ワイヤを連続的に巻き付けるステップであって、ニードルは軸方向に並置されかつ軸方向にかつ回転可能(R)に動作できる二つの同一の円筒体の円錐形端面上に配置され、円筒体は円筒形チューブ(6)内に部分的に配置されるステップと、ｂ)第1の円筒形チューブ(6)の360°周面の全周囲で全ての電気機械位相の巻線作業を実施した後、第2の円筒形チューブを、得られた巻線(41)の周囲に配置するステップと、ｃ)2セットのニードル(80)を取り外しかつ二つの円筒体を軸方向に離間するように移動させるステップとに基づいてスロットレス電気機械用の円筒形巻線を製造するための方法に関する。
【選択図】図５

Description

本発明は、スロットレス電気機械用の円筒形巻線を製造するための方法、当該方法を実施することを可能とする装置、および当該方法に基づいて製造された巻線に関する。

本発明の主たる対象は、電気機械円筒形巻線を自動的に製造するための方法である。ある種の巻線は、電気スチールのスタックのスロット内に配置されない。なぜなら、それは広く標準化されているからである。コイルのワイヤは互いに隣り合って一緒に配置され、この結果、歯の存在に起因した磁束の変調は存在しない。使用される技術は、スロットレス巻線として公知である。

標準的な巻線において、コイルは積層されたスタックのスロット内に配置されるという事実は、当該方法を、何らかのタイプのワイヤ直径を選択するために十分なほどフレキシブルなものではなくする。というのは、スロットは特殊な断面を有しており、しかも、それに対する入口は使用されるポンチのタイプによって制限されるからである。これは特許文献１において言及されており、この特許発明においては巻線システムはまた鉄を用いずに製造されるが、これに由来する特異な問題は、ワイヤは電気機械ローターの周囲のスペースの全てを満たすように配置されている、という事実である。

スロットを用いずに巻線を備えた電気機械を製造する際の困難の一つは、それを維持するための歯を伴わずにワイヤを保持するのは容易ではないので、この技術は頻繁には使用されない、というものである。

本発明は、電気機械が高性能動作を行うことを可能とする技術を用いることの利点を伴って、この種の巻線を形成することが可能であるシステムを提供する。それを変調させる歯が存在しないことに起因した磁束変調が存在しないので、この種の電気機械は脈動トルクが最小であり、コギングトルクが存在せず、それゆえ、これら電気機械のローターを配置するのは、いかなる角ポジションにおいても、より容易であり、ローター直径を、より大きくできるので、より大きなトルクを提供でき、なぜなら巻線は、外側に配置されるクラウン内に配置されるからである。磁石内の渦電流が回避され、それゆえ、より高いレベルの速度に到達でき、低いレベルの鉄飽和が積層スチール中に存在し、それゆえロスはより低く、よりパワフルであり、したがって効率はより高い。特許文献２あるいは特許文献３に記載されたような、ある特許は、この種の技術の大きな利点のいくつかを述べている。

特許文献４においてはまた、スロットレス巻線を製造するための工程技術が説明されている。だが、このシステムは、巻線を製造するのが、本発明に係る方法に基づく場合のように格段に容易ではない。

スペイン国特許第531635号明細書(ES531635) 欧州特許第0159069号明細書(EP0159069B1) 欧州特許第0123347号明細書(EP0123347) 欧州特許第0313514号明細書(EP0313514B1)

本発明に基づく方法は、請求項１の特徴部分によって特徴付けられる。

従属請求項によれば、巻線はモールディング素材の注入を伴うか、あるいはそれを伴わない、ステータの、あるいはローターの巻線であってもよい。

本発明はまた、上記方法を実施することを可能とする装置、ならびに本発明の方法に基づいて製造された巻線に関する。

本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照して説明する。

本発明の方法に基づいて製造された巻線を備えた電気機械の側面図である。 同心状に配置されたターンを備えたコイルの斜視図である。 巻線支持デバイスの主要素の側面図である。 動作ポジションでの図３の要素の側面図である。 本発明の方法を実施することを可能とする装置の概略図である。 巻線支持デバイスの斜視図である。 上記方法の最後のステップを大まかに示す図である。 上記方法の最後のステップを大まかに示す図である。 本方法に基づいて製造された巻線を備えた電気機械の軸方向断面を示す図である。 本方法に基づいて製造された巻線を備えた電気機械の軸方向断面を示す図である。 本発明に基づいて製造された巻線ダイヤグラムを慣例的に示す図である。 ローター用のモールド巻線の斜視図である。

図１にはスロットレスステータ１を示しており、巻線４は、ガラス繊維素材などの非磁性素材からなる薄い円筒体６の３６０°全周面の周りに規則正しく配置されており、永久磁石３はローター２の周面上に配置されている。この例では、カーボンあるいはガラス繊維素材からなる第２の薄い円筒体５が、それらを半径方向に保持するために、永久磁石３の周囲に配置されている。

巻線を製造するための方法を説明する前に、図５に示す装置の主要素について言及する。当該装置の主デバイスは、巻線のコイル４１のターンと平行な軸線を中心としてデバイス１１を回転させることを可能とする手段を備えた巻線支持デバイス１１、および三つの軸線Ｘ,Ｙ,Ｚに従って巻線ヘッド２１１を駆動するよう設計されたデバイス２１である。巻線ヘッド駆動デバイスは大まかに示しているが、三つの軸線に従って巻線ヘッドを動作させることを可能とする、その他のデバイスが使用されてもよい。所定のプログラムに従って巻線ヘッド２１１および巻線支持デバイス１１を制御するよう設計された電子的手段(図示せず)もまた必要である。当該プログラムは、巻線コイルの種類(オーバーラップコイル、同心コイル、瓦状、波状など)、電気機械の位相および極の数に基づいて、デバイス１１および２１を駆動する。

デバイス１１は、矢印Ｒに従ってデバイス１１を駆動することを可能とする回転可能なデバイス上に設けられている。デバイス１１の主要素は、軸方向に移動可能な二つの同一の円筒体７,８、第１の円筒形チューブ６、そして第２の円筒形チューブ１０である(図３および図４)。各円筒体は円筒形部分７１,８１を備え、これはショルダー７２,８２まで延在しており、これに続いて円錐形部分７３,８３が存在している。円筒形部分に続いては、別な円筒形部分７４,８４が、あるいは円筒体７,８を取り付けることならびにそれを軸方向に駆動することを可能とする要素が存在してもよい。円錐形部分７４,８４はニードルを受けるよう設計された一組の穴を備え(図５、図６)、その周囲には、コイル４１のリターンループの端部が形成される。穴内でのニードルの配置は巻線コイルの種類に依存する。

第１の円筒形チューブ６は、円筒体７,８が互いに近接したとき、ショルダー７２,８２(図７)に対して当接状態となるよう設計されている。第２の円筒形チューブ１０(図３、図４)は、巻線ステップの終わりに、巻線を取り囲むように設計されている。

円筒形チューブ６,１０の機能および素材は、製造される巻線の種類に依存する。スロットが存在しないように巻線を製造するために、巻線作業の間、ワイヤを保持するためのサポートが必要である。第１の円筒形チューブ６が、このサポートである。

準備するための巻線がモールディング物質の注入を伴わないスロットレスステータ用である場合、円筒形チューブ６は、最小厚みを備えたガラス繊維円筒体であり、０.３ｍｍから０.７ｍｍの値が普通である。最小値が常に望ましく、それゆえ、巻線と交差するためのより大量の磁石を提供する必要がない。だが、それは固定値となることはできない。というのは、それはまた、十分な剛性を持つためのチューブの直径、巻線において使用されるワイヤの太さ、そして遂行ファクターに依存するからである。第１の円筒形チューブ６が電気機械内に留まるので、電気機械の作動中に生じ得る過剰ストレス、すなわち巻線によって生じる熱を抑止することが重要である。明らかに、巻線を支持する第１の円筒形チューブ６は、磁気回路における影響を回避するために、非磁性素材からなっている必要がある。第２の円筒形チューブ１０は、磁性スチール積層体あるいは磁性パウダーからなるスロットレスステータである。

準備する巻線が、巻線を剛体化するためにモールディング物質の注入を伴うスロットレスステータあるいはローター用である場合、第１および第２の円筒形チューブ６,９は型枠の二つの対応部分である。第１の円筒形チューブ６上での巻線作業の終わりに、第２の円筒形チューブ１０が巻線の周囲に配置され、そしてモールディング物質が注入される。冷却後、型枠は除去され、剛体化された円筒形巻線を得る。

準備する巻線がモールディング物質の注入を伴わないスロットレスローター用である場合、両円筒形チューブ６,１０は、ローター巻線を支持する薄い非磁性素材チューブである。この場合、巻線のワニスは、遠心力によるチューブの移動を回避するために結合物質と同様の役割を果たす。両円筒形チューブ６,１０は電気機械内に留まる。モールディング物質によってモールドされるか、あるいはされないローター巻線のために、整流リングがこの方法の最後に付加される。モールドローター巻線に関して、整流リングが、モールディング作業の前に巻線に接続される。

モールディング物質は、コイルの変形を伴わずに、ワイヤークーパーの高い温度に耐えるように選択する必要がある。

ここで、図３ないし図８を参照して、スロットレスステータの巻線に関する方法について説明する。この説明および図５、図６は、そのコイルのターンが同心状に配置される(図２参照)巻線の製造に関する。それ以外の種類の巻線が本発明に基づいて製造されてもよく、主要な差異は、ニードル８０の設定、および巻線ヘッド２１１の動作および巻線支持デバイス１１の回転動作を制御する電子制御手段プログラムである。

最初に、第１の円筒形チューブ６(これは薄いガラス繊維チューブである)が、円筒体７,８間のスペース内に配置される。円筒体７,８は、そのショルダー７２,８２が第１の円筒形チューブ６の端部に当接するまで移動させられる(図４)。ニードル８０が円錐形部分７３,８３上に配置される。巻き取りヘッドが巻き取り処理を開始し、そして、図１１から分かるように、第１の電気位相のコイル４１を連続的に(直列に)形成し、その後、第２の電気位相などとなる。巻線のタイプ、すなわちＷＹＥ(スター)接続あるいはトライアングルに依存して、コイルは直列あるいは並列にすることができ、かつ、コイル間の接続は変更される。プログラムは、それらを低減するために、それを制御し、それゆえ、たとえば、それがトライアングル接続される場合、コイルは直列となることができ、そして、ワイヤは巻線作業の終了まで切断されず(図１１参照)、それゆえ、コイルの接続部の数は最小値まで低減され、出力ケーブルのみをハンダ付けすればよい。

図示した実施例では、コイルのワイヤを同心状に配置し、それゆえ、使用スペースが最適化される。というのは、太さあるいはワイヤを損傷させる問題を引き起こし得るワイヤの交差が生じないからである。図２においては、コイルのワイヤがどのように配置されるかが示されている。これは、巻線ヘッド２１１を、三つの次元内で正確にワイヤを配置するのに十分なほど鋭敏なものとする。こうした理由から、デバイス２１は、コイル４１が配置されている場所で、ワイヤを正確に配置するために、かつ、巻線支持デバイス１１をモニターするために、三つの軸線Ｘ,ＹおよびＺ(図５)に従って作動できる。本装置は全ての種類の巻線を、オーバーラップ型、集中型、多位相、そして瓦状あるいは波状毛羽タイプでさえ、巻き上げることができる。

巻き取り作業が完了した後、第２の円筒形チューブ１０(これはスリットレスステータである)が、形成された巻線の周囲に配置される(図７)。ニードル８０が取り外され、これには矢印Ｆ２,Ｆ３に従って両円筒体７,８が続く(図８)。ニードルを伴わずに円筒形チューブ７,８を移動させるとき、コイルの円錐形部分は、図８に示す四つの矢印にしたがって半径方向に押圧される。円筒形７,８の取り外し後、コイル４１の端部は、第１の円筒形チューブ６の幾何学的軸線に向かって曲がった、その初期のポジションに向かって弾性的に復帰する。このように第１の円筒形チューブ６が保持され、そして、同時に、第２の円筒形チューブ１０から巻線が落下するのを阻止する。ガラス繊維チューブ６は、電気機械内に留まる。全ては圧力によって保持される。

巻線の同心状ターンは隆起端部の形成を回避する。なぜなら、それらはリターンループの交点ではないからである。それゆえ、巻線の厚みは全体にわたって均一である。本発明は、図９に示すような隆起した端部を備えた、あるいは図１０に示すような全体にわたって均一な厚みの巻線の製造を可能とする。第２の例では、ステータはより長く、かつ、機械の性能は改善される。同一出願人の欧州特許出願第10195053.3号において説明されるように、コイルのターンが同心状でない場合でさえ、全体を通じて一定厚みの巻線を製造することができる。

コイルが一対一で注入されかつさらに適切な接続をなす巻線は、本発明とは比較できない。

モールド巻線を製造するための方法は、以下の差異と共に先に説明したとおりである。第１および第２の円筒形チューブ６,１０は型枠の対応部分である。巻き取りの完了後、第２の円筒形チューブ１０は巻線の周囲に配置され、かつ、第１の円筒形チューブ６ａと共に、その中にモールディング物質が注入される型枠を形成する。型枠を冷却した後、二つの円筒形チューブは取り除かれ、モールド巻線が得られる。モールド巻線がローターのそれである場合、モールディング物質の注入前に、接続リングを付加し、関連するコイルに接続する必要がある(図１２参照)。

巻線がローター用の非モールド巻線である場合、第１の円筒形チューブ６は、巻線を支持するための薄いガラス繊維チューブであり、かつ、巻き取りの最後に、やはりガラス繊維の第２の円筒形チューブ１０が巻線の周囲に配置される。両チューブは巻線を支持し、かつ、それらはローターの周囲に留まる。接続リングを、やはり、関連するコイルに付加し、かつ、接続する必要がある。

１ スロットレスステータ
２ ローター
３ 永久磁石
４ 巻線
５ 円筒体
６ 円筒形チューブ
７,８ 円筒体
１０ 円筒形チューブ
１１ 巻線支持デバイス
２１ デバイス
４１ コイル
７１,８１ 円筒形部分
７２,８２ ショルダー
７３,８３ 円錐形部分
７４,８４ 円筒形部分
８０ ニードル
２１１ 巻線ヘッド

Claims (8)

1. スロットレス電気機械用の円筒形巻線を製造するための方法であって、以下のステップ、すなわち、
   ａ)三つの軸線Ｘ,Ｙ,Ｚに従って移動可能な巻線ヘッドによって、所定の巻線プログラムに従って、２セットのニードルの周囲および第１の円筒形チューブの外面上に、ワイヤを連続的に巻き付けるステップであって、前記ニードルは、軸方向に並置されかつ軸方向にかつ回転可能に動作できる二つの同一の円筒体の円錐形端面上に配置され、前記円筒体は前記円筒形チューブ内に部分的に配置されるステップと、
   ｂ)前記第１の円筒形チューブの３６０°周面の全周囲で全ての電気機械位相の巻線作業を実施した後、第２の円筒形チューブを、得られた巻線の周囲に配置するステップと、
   ｃ)前記２セットのニードルを取り外し、かつ、前記二つの円筒体を軸方向に離間するように移動させるステップと、
   を具備することを特徴とする方法。
2. 前記第１および第２の円筒形チューブは型枠の二つの対応部分であり、前記第２の円筒形部分が、得られた巻線の周囲に配置された後、形成された型枠にはモールディング物質が充填され、冷却後、前記型枠が取り外されて、剛性のある円筒形巻線を得ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記巻線はステータ巻線であり、前記巻線を支持する前記第１の円筒形チューブはガラス繊維などの非磁性素材からなり、かつ、前記第２の円筒形チューブは、スチール層のスタックなどの磁性素材あるいは磁性パウダーからなるスロットレスステータであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記巻線はローター巻線であり、前記巻線を支持する前記第１および第２の円筒形チューブはガラス繊維などの非磁性素材からなり、かつ、前記方法の最後において、整流リングが前記巻線に結合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記巻線はローター巻線であり、かつ、前記方法の最後において、整流リングが前記巻線に結合されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. 前記巻線の各コイルを形成する前記ワイヤは、前記コイルの前記ターンの戻りループにおける前記ワイヤの交差を回避するために、かつ、全体的に同じ厚みを有する巻線を得ることを可能とするように、同心状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 請求項１に記載の方法を実施するための装置であって、
   三つの異なる軸線Ｘ,Ｙ,Ｚに従って移動するよう設計された巻線ヘッドを備えたデバイスと、
   前記巻線のターンと平行な軸線を中心として回転可能な巻線支持デバイスであって、軸方向に移動するよう設計された二つの軸方向に並置された、その遠隔端部に設けられた円筒体を具備してなり、この円筒体は、そこから円錐形部分が延在するショルダーを備え、前記円錐形部分は一組のピンを保持するように設計された手段を備える巻線支持デバイスと、
   両方の円筒体が閉じられたとき前記ショルダー間に当接状態で存在するよう設計された第１の円筒形チューブと、
   軸方向に移動可能であり、かつ、前記円筒形巻線の周囲に存在するよう設計された第２の円筒体と、
   前記巻線ヘッドおよび前記巻線支持デバイスの回転動作を制御するよう設計された電子制御手段と、
   を具備してなることを特徴とする装置。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の方法に基づいて製造された電気機械のための円筒形巻線。