JP2012520657A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転子（８；５０；７６）と固定子（９；２９；７７）を有する電気機械に関するものであり、回転子（８；５０；７６）および／または固定子（９；２９；７７）は、断面が実質的に矩形である少なくとも１つの積層薄板（２；１１；３２；７２）を有し、積層薄板（２；１１；３２；７２）は薄板ストライプ（１）を有し、該薄板ストライプ（１）はコイル状に巻回されている。

Description

本発明は、回転子と固定子を含むハウジングを有する電気機械に関するものであり、回転子および／または固定子は、横断面が実質的に矩形の少なくとも一つの積層板を有する。

電気機械の種々の構造形式において、磁束を低損失に導くために鉄心が使用される。この場合、中実材料からなる鉄心では、電気的交番磁界の影響下で誘導性に形成された渦電流が発生し、この渦電流は電気機械を加熱し、使用されない。渦電流を最小にするため、電気機械用の鉄心は好ましくは電気的に互いに絶縁された薄板または巻回された部分ベルトコアとして実施されている。ここで絶縁された薄板は個々のルーズな薄板として（層板とも称される）、または互いに結合された積層薄板として（固定子積層体とも称される）、電気機械の組立ての際に使用される。

エアギャップコイルを備えるブラシレス直流モータの開発により、ポールシューを備える積層薄板の基本形態が、積層されて中空シリンダ状の本体を形成するリング状積層薄板へと発展した。積層薄板のこの構造形式をたとえば電気機械に使用することは、特許文献１にすでに開示されている。

積層薄板を製造するためには、個々の薄板が薄板ストライプから打ち抜かれ、積層薄板に積層され、互いに結合される。薄板を互いに結合することは、焼付けラッカー、パケット梱包または溶接接合によって行うことができる。とりわけ積層されて中空シリンダとなる薄板の打ち抜きの際には、かなりの裁ち屑が発生する。積層薄板を製造するために、打ち抜くべき薄板部分の外径より幅が数ｍｍ大きな薄板ストライプから積層薄板の薄板部分が打ち抜かれる。はクバン部分の打ち抜きの際には、薄板部分の内側部分と薄板部分の外側部分、または薄板ストライプの残部が裁ち屑として発生する。したがって重量約１９０ｇ、外径６８ｍｍ、内径６４ｍｍの積層薄板を製造するためには、厚さが０．７ｍｍで約２．２ｋｇの薄板が必要である。これは９０％以上の裁ち屑に相当する。

裁ち屑を低減するために、トランスでは積層コアが使用される。そのために薄板テープが、矩形の横断面を有する心棒に巻き付けられ、接着される。続いて、巻き付けられ、接着された積層薄板が、中央で積層薄板の長手軸に平行に分割され、分離面が研磨される。半部分の中に巻回されたコイルが装填され、接着される。積層コアを心棒から分離するために積層コアを分割するため、両方の積層コア半部分を互いに接合する際に２つの細い空隙が発生し、この空隙が両方の積層コア半部分間の磁束に影響する。積層コアが二分割されているので、これはとりわけ回転する電気機械で使用するのには適しない。とりわけ積層コアは回転子で使用するのには適しない。なぜならここでは薄板が大きな遠心力に曝されるからである。固定子での使用に対しては、とりわけ空隙と、空隙を最小にするために必要な研磨工程が問題になる。したがって回転子および／または固定子を有する電気機械では、個々の薄板が打ち抜きによって薄板ストライプから作製された積層薄板がとりわけ使用される。

ＤＥ１０２００７０２９７３９Ａ１

したがって本発明の課題は、積層薄板の製造での裁ち屑が最小であり、簡単に製造して電気機械に取り付けることができ、電気機械の固定子としても回転子としても使用することのできる、電気機械用の積層薄板を提供することである。

この課題は、請求項１による電気機械によって解決される。好まし実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、電気機械の回転子および／または固定子用に断面が矩形の積層薄板を製造する際における、裁ち屑としての高い材料割合を、積層薄板が連続した薄板ストライプを有し、この薄板ストライプがコイル形に巻回され、中空シリンダ本体を形成することによって回避できることが認識された。このようにして使用される材料重量を、打抜き法を使用した場合に対して約一桁低減することができる。さらにコイル形に巻回された薄板ストライプは、回転子または固定子での取付けを容易にすることができる。

本発明の別の実施形態では、電気機械が固定子および／または回転子に、少なくとも１つの収容部を備える支持体を有する。ここで積層薄板の巻き付けられた薄板ストライプのバイアスは、積層薄板が遊びなしで固定子および／または回転子の支持体の収容部内に配置されるように調節されている。このことの利点は、積層薄板が支持体の完成寸法に自動的に適合されることである。

本発明の別の実施形態では、積層薄板の薄板ストライプが、焼付けラッカーまたは溶接接合によって軸方向に少なくとも部分的に結合されている。このようにして可動であり、フレキシブルな積層薄板を固体の構造物に溶融または溶接することができる。

本発明の別の実施形態では、積層薄板の薄板ストライプが軟磁性材料を有する。このようにして磁束を案内することができる。

以下、本発明を図面に基づき詳細に説明する。

互いに引き合って緊張した状態にある積層薄板の巻回された薄板ストライプの斜視図である。 弛緩した状態にある図１の積層薄板の巻回された薄板ストライプの斜視図である。 本発明の電気機械の第１実施形態における概略的立体図である。 本発明の電気機械の第２実施形態における概略的断面図である。 本発明の第３実施形態による電気機械の一部断面図である。

通例、電気機械用の積層薄板２は打ち抜きによって作製される。この場合、中空シリンダ形状を作製するには、切り屑となる材料の割合が高い。原材料を節約して作製することができるようにするため、薄板ストライプ１からなる本発明の積層薄板２は螺旋状に巻回される。

図１と２は、電気機械用の積層薄板２の巻回された薄板ストライプを斜視図に示す。ここで図１の積層薄板２は、互いに引き合って緊張した状態にある。図２には、弛緩した状態の積層薄板２が示されている。

積層薄板２は、エッジ巻き上げ法によって作製することができる。ここでは円形の断面を有する心棒を中心に、薄板ストライプ１のエッジが高く巻き上げられる。ここで巻回数は、積層薄板２で従来使用されている薄板層の数に相当する。心棒を除去した後、ワンピースの積層薄板２は中空シリンダ状の基本形状を有する。ワンピースに実施することにより、積層薄板２を半完成品として製造し、提供することができる。

積層薄板２に巻き付けるための薄板ストライプ１は、矩形の断面を有しており、薄板ストライプ１は鋭いエッジを有することも、エッジを丸めることもできる。薄板ストライプ１は軟磁性特性を有し、薄板ストライプ１はケイ素および／または鉄を含む材料を有する。薄板ストライプの材料はたとえば、冷間圧延され、最終熱処理状態で非方向性の電極薄板およびテープ用の規格ＤＩＮ ＥＮ １０１０６：１９９６−０２、または最終熱処理状態で方向性の電極薄板およびテープ用のＤＩＮ ＥＮ １０１０７：２００５−１０に開示された材料に相当する。積層薄板２の薄板ストライプ１は偏平ワイヤから作製することもでき、とりわけＤＩＮ１７４０５の材料ＲＳＩ２４が、偏平ワイヤから積層薄板２を作製するのに適している。ここで薄板ストライプ１は、侵食保護、絶縁性、熱流、耐熱性または溶接性に関して薄板ストライプ１を調整するために付加的な被覆部を有することができる。被覆材料として、たとえば人工樹脂のようなプラスチック、または焼付けラッカーならびに無機化合物が適する。当業者は、積層薄板２の薄板ストライプ１の使用目的に応じて塗布される層厚を選択する。このようにして、薄板ストライプ１の個々のワインディングを互いに絶縁することができ、渦電流は薄板ストライプ１の接触面を介して伝播することができない。

積層薄板２の取付けに関して、巻回された薄板ストライプ１が、積層薄板２の内径を拡大する手段を提供する。これは図１に示すように、一方の端部を他方の端部に対して、積層薄板２の長手軸を中心に捩ることによって行われる。これと同様に、積層薄板２の外径も縮小することができる。このことの利点は、薄板ストライプ２をプレバイアスして巻付け、収容部に取り込みことができることである。ここで収容部はシリンダ状の基本形状を有することができるが、樽状または回転対称に実施することもできる。積層薄板２の収容部内での座りは、積層薄板２の弛緩によって設定される。このとき積層薄板２は収容部の輪郭に当接する。収容部が積層薄板２を内側で回転対称の本体に取り込むために、同様に積層薄板２の外径を縮小することができる。このとき外径は弛緩によって拡張し、これにより積層薄板２の外面が収容部の内側輪郭に当接する。巻回された積層薄板２の薄板ストライプ１の内径または外径を適切に選択することにより、積層薄板２を遊びなしで収容部に取り込みことができる。このことの利点は、積層薄板２が収容部の完成公差に自動的に適合されることである。

図３は、第１実施形態による電気機械の概略的立体図である。空間的な半部分内に図示された電気機械は、ブラシレス直流機械として実施されており、外側回転子１０として固定子９を少なくとも部分的に含む回転子８を有する。回転子８は、回転軸７である図示しないシャフトを収容するための中央開口部１８を備えるカバー１３を有する。形成された外側回転子１０のトルクを伝達するために、固定開口部１９がカバーに設けられている。固定開口部１９は理想的には回転子軸７を中心に同心に配置されている。図示の実施形態では、３つの固定開口部１９が１２０゜の角度オフセットで回転軸７の周囲に設けられている。固定開口部は円錐形の補強部を側面に有し、補強部は回転子８のカバー１３の室内に突入している。

回転子８のカバー１３のシリンダ状内側輪郭の周面には内側に磁石１４が配置されている。たとえば回転子８の図示の実施形態では、１２個の磁石１４が回転軸７を中心に同心に配置されており、半分の図示であるのでそのうちの７つが少なくとも部分的に図示されている。磁石は通例、接着、クランプ、クリップ、オーバーモールド、またはそれらの組合せによって固定される。

固定子９は支持体として、第１の絶縁マスク１５と第２の絶縁マスク１７を有する。２つの絶縁マスク１５、１７は切欠部と隆起部を有する。隆起部と切欠部は、絶縁マスクの側面の経過にわたって規則的角度で交番しており、２つの絶縁マスク１５、１７のそれぞれ対向する側面に存在する。切欠部と隆起部は、第１の絶縁マスク１５のそれぞれ１つの隆起部が、第２の絶縁マスク１７の対向する切欠部に係合するように構成されている。切欠部と隆起部により、支持体を積層薄板１１の厚さにフレキシブルに適合することができる。図示されていないが、固定子９は図面の右側の内側で固定部材によって、たとえば車両に固定される。ここでは、実施形態で記載した電気機械の構造は、たとえばブロワーホイールが回転子８のカバー１３に直接固定されている送風機モータとしての実施に適する。

個別に打ち抜かれた複数の薄板からなる、通常使用される積層薄板を取り付けるために、第１の絶縁マスク１５が第２の絶縁マスク１７から分離され、積層薄板の個々の薄板が第１の絶縁マスク１５または第２の絶縁マスク１７の上に並べられる。積層薄板の薄板を絶縁マスク１５、１７の一方の上に整列すると、対向する絶縁マスクを他方の絶縁マスクの上に再び押し付けることができる。積層薄板の取付けの際の欠点は、薄板を絶縁マスク１５、１７の上に個別に並べなければならないことと、個々のリング形薄板を薄板ストライプから作製するための必要材料が大きいことである。

積層薄板１１は、図１と図２の積層薄板２と同じように、心棒に巻回された薄板ストライプからワンピースに作製されている。積層薄板１１は、個々の薄板からなる積層薄板と同じように、別個の絶縁マスク１５、１７の一方の上に差し込むことができる。しかし積層薄板１１の内径を、積層薄板１１の一方の端部を他方の端部に対して積層薄板１１の長手軸を中心に捩ることによって拡張し、積層薄板１１をプレバイアスすることもできる。これにより、積層薄板１１を絶縁マスク１５、１７の最大寸法にわたって移動ことができる。収容部１６の上に移動されると、積層薄板１１は弛緩によって、すなわち積層薄板１１の内径の低下によって収容部１６に嵌め込むことができる。

積層薄板１１がワンピースに実施されていることにより、積層薄板１１の外径が収縮するように積層薄板がバイアスされると積層薄板１１の長さが延長され、また内径が拡張されると長さが短縮される。両方の場合とも、積層薄板１１は、その材料の弾性範囲内の緊張であれば元の形状に戻り、遊びなしで収容部に適合する。このようにして積層薄板１１を、個々の薄板の場合よりも容易に絶縁マスク１５、１７の収容部１６に嵌め込むことができる。

積層薄板１１を支持体に嵌め込むと、固定子９を巻き付けることができる。積層薄板１１は、空隙巻線として実施された巻線１２の磁気的帰還路として用いられる。空隙巻線を備える電動機は、ポールシューを省略できるので、係止トルクが非常に小さいという利点を有する。巻線１２の図示の線路領域は、交流の通電によって磁石１４の設けられた回転子８を回転させる交番磁界が形成されるように接続配線されている。

積層薄板１１を嵌め込んだ後、積層薄板を支持体および場合により嵌め込まれた巻線１２とともに加熱し、フレキシブルに形成された積層薄板１１を焼付けラッカーを用いて、強固な構成部材に加熱処理することができる。同様に積層薄板を少なくとも部分的に、溶接接合を用いて固定することも考えられる。

図４は、固定子２９がハウジング４１内に配置され、内側回転子として配置された回転子５０を備える電気機械４０の縦断面図である。回転子は、少なくとも１つの永久磁石５４が配置された回転子軸５２を有する。回転子軸５２は、第１のベアリング６４と第２のベアリング６２によって支承されている。ベアリング６２、６４は、この実施形態ではローラベアリングとして実施されているが、滑りベアリングも考えられよう。電気機械４０の回転子５０の外周と、固定子２９のコイル本体２２の内側輪郭との間には空隙５６が形成されている。コイル本体２２の外周には絶縁部３０が取り付けられており、この絶縁部３０上に積層薄板３２が配置されている。ここで積層薄板３２は巻回された薄板ストライプからなり、軸方向に積層された薄板リングと置き換えられる。図示の積層薄板３２の作製は、図１と２に示した積層薄板２と同じように行われる。積層薄板２の個々の矩形の層は、薄板ストライプの巻回によって軸方向にずらされている。その結果、積層薄板４３の上端と下端の固定点の領域に、比較的小さな中空空間を形成することができる。ここで積層薄板３２はコイル本体２２の上にあり、コイル本体の巻線は適切に成形された多数のラッカー銅線からなる。

コイル本体２２は、図示で下端部に巻付け頭部２４の形で軸方向拡張部を有する。この巻付け頭部２４は、積層薄板３２の外径にほぼ対応する外径を有している。コイル本体２２の反対側の端部２６では、巻付け頭部２２が半径方向で内側に向かって成形されており、これにより巻付け頭部２４は厚くなった下方端部とともに永久磁石５４を回転子軸５２の上で釣鐘状に取り囲む。巻付け頭部２４にある電気端子６０を介して、コイル本体２２または図示しない巻線に通電することができる。

積層薄板３２とコイル本体２２の巻付け頭部２４との間には、固定リング２８が、本体および巻付け頭部２４の半径に適合するよう配置されている。ここで固定リング２８は絶縁体３０の上にある。積層薄板３２は、段３１と固定リング２８により、電気機械４０のハウジング４１内で位置が保持される。ここでコイル本体２２は、図示しない箇所でハウジング４１内に固定されている。電気機械４０は、回転子軸５２の一方の端部にフランジ６６を有する。このフランジは、電気機械の出力を図示しない別のユニットに伝達する。

図５は、本発明の第３実施形態による電気機械の横断面図である。電気機械は、回転子７６と固定子７７を有する。回転子７６は、本実施形態では内側回転子として構成されており、固定子７７は典型的なポールシュー構造を有する。回転子７６は、図示しない回転子軸上に配置された支持体７０を有する。支持体７０は、積層薄板７２によって半径方向に取り囲まれている。積層薄板７２は、図１および２の積層薄板２と同形式に、心棒に巻回された薄板ストライプ７２から作製されている。薄板ストライプとして偏平ワイヤも使用することができる。積層薄板７２は、積層薄板７２の一方の端部を、積層薄板７２の長手軸を中心に他方の端部に対して捩ることによって緊張させることができる。このとき積層薄板７２の内径が拡大する。プレバイアスして積層薄板７２を回転子７６の支持体７０上に取り付けることができ、積層薄板７２の弛緩によって支持体７０上の所定位置に固定される。このとき積層薄板７２は、支持体７０の円形の外輪郭に遊びなしで当接する。積層薄板７２を回転子７６上にある剛性の部材にするため、積層薄板７２における個別の溶接スポットにより、薄板ストライプの隣り合うターンを互いに結合することができる。しかし積層薄板７２の薄板ストライプに焼付けラッカーを施与し、組み立てた積層薄板７２を回転子７６とともに加熱し、これにより積層薄板７２の個々のターンを焼付けラッカーによって剛性の部材に加熱処理することも考えられる。

積層薄板７２上には複数の永久磁石７１が配置されており、これらはセグメントごとにたとえばその下側が支持体７０に、たとえば接着によって固定されている。永久磁石７１を作製するために、たとえば鉄、ニッケルまたはコバルトを含み、添加剤が施与された合金が使用される。材料はたとえば焼成され、引き続き外部磁界によって磁化される。永久磁石７１の下方に配置された積層薄板７２により、永久磁石７１の磁気的フィードバックが保証される。永久磁石７１は、たとえば実質的に矩形の断面を有し、上側と下側はリング形に鋳造されており、リングの中心は長手軸または回転子７６の回転子軸５２上にある。永久磁石７１は回転子７６の下方に、永久磁石の表面が回転軸を中心にする同心円上で個々の規則的な区間を覆うように配置されている。

もちろん当業者であれば、本発明が図示の実施例に限定されるものではないことは自明である。巻回された薄板ストライプから作製された積層薄板は、これまでディスク状の中空シリンダ薄板または積層薄板が使用されていた電気機械に使用することができ、これにより磁束を電気機械内で導くことができる。

Claims (10)

1. 回転子（８；５０；７６）と固定子（９；２９；７７）を有する電気機械であって、
   回転子（８；５０；７６）および／または固定子（９；２９；７７）は、断面が実質的に矩形である少なくとも１つの積層薄板（２；１１；３２；７２）を有する電気機械において、
   積層薄板（２；１１；３２；７２）は薄板ストライプ（１）を有し、該薄板ストライプ（１）はコイル状に巻回されている、ことを特徴とする電気機械。
2. 薄板ストライプ（１）は偏平ワイヤからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
3. 積層薄板（２；１１；３２；７２）はワンピースに作製されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械。
4. 固定子（９；２９；７７）および／または回転子（８；５０；７６）は、少なくとも１つの収容部（１６）を備える支持体（１５；１７；７０）を有し、
   積層薄板（２；１１；３２；７２）の巻回された薄板ストライプのプレバイアスが、積層薄板（２；１１；３２；７２）が固定子（９；２９；７７）および／または回転子（８；５０；７６）の支持体（１５；１７；７０）の収容部（１６）内に遊びなしで配置されるように調節されている、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の電気機械。
5. 積層薄板（２；１１；３２；７２）の薄板ストライプ（１）は、軸方向に少なくとも部分的に焼付けラッカーまたは溶接接合によって結合されている、ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の電気機械。
6. 薄板ストライプ（１）は軟磁性材料を含む、ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の電気機械。
7. 電気機械の回転子（８；５０；７６）および／または固定子（９；２９；７７）のための積層薄板（２；１１；３２；７２）の製造方法において、
   ・薄板ストライプ（１）を巻回する工程と、
   ・積層薄板（２；１１；３２；７２）の巻回された薄板ストライプ（１）を、該薄板ストライプ（１）の一方の端部を積層薄板（２；１１；３２；７２）の長手軸を中心にして他方の端部に対して捩ることによりプレバイアスする工程と、
   ・積層薄板（２；１１；３２；７２）のプレバイアスされた薄板ストライプ（１）を電気機械に取り付ける工程と、
   ・積層薄板（２；１１；３２；７２）の巻回された薄板ストライプ（１）を弛緩し、これにより積層薄板（２；１１；３２；７２）が電気機械の収容部（１６）に当接するようにする工程と、
   を備えることを特徴とする製造方法。
8. 積層薄板（２；１１；３２；７２）を電気機械に取り付けた後に、電気機械を少なくとも部分的に加熱し、積層薄板（２；１１；３２；７２）の隣り合う領域を互いに接着する、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 積層薄板（２；１１；３２；７２）の薄板ストライプ（１）を少なくとも部分的に溶接する、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 薄板ストライプ（１）は軟磁性特性を有する、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。

Images