JP2013504286A - 電気モータ用ステータブレード - Google Patents

Abstract

本発明は、中心穴（２０）と、穴（２０）の周りに離間して置かれた複数の溝（３０）と、２つの連続する溝（３０）間に形成された複数の歯（５０）とを備える、電気モータ用ステータブレード（１０）に言及する。溝の縁部（３０ｅと３０ａ、３０ｅと３０ｂ、３０ｂと３０ｄ、および３０ｃと３０ａ）の間に形成されたコーナ（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ）は、円形半径を有し、これらの縁部によって形成された角度は、鋭角である。歯（５０）は、２つの連続する溝の側縁部（３０ｂおよび３０ａ）によって形成された、互いに傾斜する２つの側縁部（５０ａ、５０ｂ）を呈している。

Description

本発明は、ステータブレードに関し、より詳細には、冷凍装置のコンプレッサに使用される種類の電気モータのステータ用ブレードに関する。

冷凍産業では、コンプレッサは、一般的に誘導モータによって駆動される。この種類の電気モータは、可動部、ロータ、および静止部、すなわちステータを備える。モータの作動では、ステータは、ロータ内に電流を誘導する磁場を発生させ、この誘導された電流と磁場の間の相互作用が、ロータを動かすトルクを発生させる。

当業者によって知られているように、ステータの中心部は、積層板（ステータのブレード）のスタックによって形成される。ブレードの各々は、ロータを収容するための中心穴と、穴の周囲に分散された、導電材料から作製されたコイルを形成するワイヤを受け入れる溝とを有する。これが、磁場を創出する役割を果たすコイルである。

エネルギー消費を低減する目的により、一部のシステムは、永久磁石をロータ内に備えた、ブラシレス種類の電気モータを使用する。磁石の使用は、ロータ内の損失を低減し、その結果、総消費量を低減するため、従来の誘電モータと比較して効率の向上を可能にする。この利点に加えて、この種類のモータは、システムのニーズに合わせて調整するためにスピードの変更を可能にする電気制御装置も有する。速度におけるこの変更は、冷凍システムの熱力学的効率を有意に向上させ、消費量をさらに低減する。

コンプレッサおよび冷凍システムの性能に関する一定の懸念事項により、電気モータの設計が冷凍産業の非常に重要な要因となっている。実際、電気モータの設計は、エネルギー消費および冷凍システム全体の効率に強い影響を与える。

故に、モータ構成要素の設計および材料の選択肢が、所望の性能パラメータにしたがって、効率性、トルクおよび消費される電力に焦点をあてて選択される。

これらに伴って、ステータのブレード用に選択された設計は、磁場の発生に直接的に強い影響を与え、モータによって達成される効率およびトルクに影響を及ぼす。磁場およびモータの効率に影響を及ぼす別の要因は、コイルをステータ内に締め付けるために使用される材料である。

この目的で最も使用される材料は、極めて導電性のものである銅である。しかしながら、特定の用途では、アルミニウムの使用が、効率を損失させることのない有意なコストの低減を呈することがある。

特許文献の米国特許第３，９４２，０５５号明細書は、コンプレッサで使用するための密封モータのステータについて記載しており、このブレードは、３つの異なるサイズを有する溝を含んで、巻線の３つの異なるタイプの組立てを可能にし、これらの巻線のうち１つは、アルミニウムから作製される。

特許文献の米国特許第６，７９１，２３１号明細書は、新しいステータブレードの設計を提案しており、ここでは、中心穴が広げられ、溝は、わずかにじょうご状の閉じられた端部を有する。この文献で説明されるブレードタイプは、家庭使用の換気装置に使用される種類の、２極モータに最適であり、その設計は、この用途に合わせて最適化されている。

米国特許第３，９４２，０５５号明細書 米国特許第６，７９１，２３１号明細書

ステータを、電気モータ用途に必要とされる性能に従って設計することが一般的な方法であるが、当技術分野においては、たとえば、冷凍産業において使用されるコンプレッサモータの場合と同様に、電気モータの性能に確実に強い影響を与えることができ、サイズ制限および低いエネルギー消費に対するニーズを有する製品に適用することを可能にする、より効率的な設計に関しては依然として疑問がある。

したがって、本発明の目的は、ステータの構造内にある程度の可撓性を可能にして、プレートの設計を変更することなく銅ワイヤまたはアルミニウムワイヤを使用することができるステータブレードを提供することである。

本発明の別の目的は、溝の内側により大きい自由空間をもたらして、より多い量の導電材料の使用を可能にするステータブレードを提供することである。

本発明のさらなる目的は、溝の内側により大きい空間をもたらして、コイリング針のより大きな変位を可能にし、より均一なコイルを生じさせるステータブレードを提供することである。

本発明の別の目的は、ブレード歯に沿って電磁流の密度のより均一な分布をもたらして、磁気飽和の望ましくない現象を回避し、モータの効率を向上させるステータブレードを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、鋼における損失と導電体における損失の間のバランスをとり、損失のより良好な分布、その結果としてモータのより良好な性能をもたらすステータブレードを提供することである。

本発明は、電気モータ用ステータブレードによって上記の目的を達成し、電気モータ用ステータブレードは：
中心穴と、
穴の周りに離間して置かれた複数の溝であって、溝および穴が、通路または首部を用いてつながっている、複数の溝と、
２つの連続する溝間に各々が形成された複数の歯とを備え、
中心穴の直径は、ブレードの総幅の約５０％であり、
溝の各々１つの面積の合計である総面積は、ブレード上に内接されたリングの総面積の５０％から６０％に相当し、内接円の外縁は、ブレードの縁部の１つに接触しており、内接円の内縁は、中心穴の縁部と一致し、
歯は、一定ではない幅を有し、中心穴近くの領域において広くなっている。

本発明のブレードの好ましい実施形態では、溝の各々は、５つの縁を有し、そのうち２つは、向かい合う側縁部であり、２つは、溝の基部にある縁部であり、１つは、放物状の縁部であり、基部の縁部は、首部から対応する向かい側の側縁部まで延び、向かい合う側縁部は、基部の縁部の１つから放物状の縁部まで延び、側縁部の各々と放物状の縁部の間に形成された角度は、８５°から８９°の間に含まれる鋭角である。

さらに好ましい実施形態では、溝の縁部の間に形成されたコーナは、約０．２５ｍｍに等しい最大半径を有し、溝の上部と中心穴の縁部の間の距離は、首部の基部とブレード上に内接された円の外縁部の間の距離の７８％から８２％の間に含まれ、溝の放物状の縁部と水平軸の間に形成された角度は、０°から５°の間に含まれる。

当技術分野で知られているステータブレードの平面図である。 当技術分野で知られているステータブレードの溝の１つの詳細図である。 当技術分野で知られているステータブレードの歯の１つに沿った電磁流の密度の分布を概略的に示す図である。 本発明によるステータブレードの平面図である。 本発明による溝の１つを示す詳細図である。 本発明によるステータブレードの歯の１つに沿った電磁流の密度の分布を概略的に示す図である。 ブレード上に内接されたリング面積が強調されている、本発明によるステータブレードの平面図である。 溝の側縁部と上縁部の間に形成された角度が、強調されている、本発明によるステータブレードの溝の１つを示す図である。 ブレード内の溝および内接されたリングの面積が、強調されている、本発明によるステータブレードの平面図である。 溝の上縁部と水平軸の間に形成された角度が、強調されている、本発明によるステータブレードの溝の１つを示す図である。

本発明は、次に、図に表された実行の例に基づいて詳細に説明される。

図１は、コンプレッサ用電気モータに特有であるステータブレード１を示している。ブレード１は、中心穴２と、穴２の周りに離間して置かれた複数の溝３とを備える。ブレードのこのタイプでは、中心穴の直径は、約５５ミリメートルである。

溝３および穴２は、通路または首部４を用いてつながっている。２つの連続する溝３の間には、歯５が形成され、歯５の内縁部は、中心穴２の縁部を形成する。

図２により良好に示されるように、溝３の各々は、水兵帽のように成形され、下側部分３は、放物状のドーム３ｂの形状を有する上縁部を有する逆台形３ａの形状である。台形およびドームの縁部の間（すなわち溝３の側縁部と上縁部の間）のつながりは、１．０ｍｍの半径を有する湾曲した縁部３ｃ、３ｄによって生じる。逆台形３ａの２つの側壁（壁３ｅおよび３ｆ）は、６０°の角度で互いに傾斜しており、放物状のドーム３ｂの上部と逆台形の基部の間の距離は、約１０．０ｍｍである。したがって、各々の溝３の総面積は、約８３ｍｍ^２である。

ステータが組み立てられるとき、溝３の内縁部は、ブレードを積み重ねた後に装着された概ね可撓性テープの形態の絶縁体のコーティングを受け入れる。

歯５は、２つの連続する溝の側縁部によって形成された２つの平行縁部５ａ、５ｂと、ブレードのパッケージとコイルヘッドの間の電気絶縁の役割を果たす絶縁カバーを締め付けるという機能の補助穴６とを有する。

ブレード１はまた、６つの締め付け穴も有し、４つの穴６ａは、ブレードのコーナの各々にあり、２つの穴６ｂは、ブレードの両側の２つの縁部の中間点にある。これらの穴の目的は、ステータの締め付けボルトを収容するためである。しかし、パッケージの半分が、高さの不均衡を補償するために製造プロセス中に旋削されるため、締め付けは、これらの穴の３つだけに生じ、このためステータの周囲に沿った６つの穴が必要とされる。

この従来技術のブレード設計は、永久磁石を備えたブラシレス種類の電気モータのステータに幅広く使用されているが、いくつかの欠点を有する：
溝３の形状およびサイズは、銅ワイヤコイルを形成するように適切に設計されているが、これらは、たとえば、アルミニウムワイヤなどの別のタイプのワイヤを使用することを選択したときは不適切になり、それというのも銅の性能に等しい性能を得るためには、導電体の横断方向の面積において少なくとも６０％の増大（したがって、溝面積におけるこれと等しい大きさの増大）が必要とされるためであり、
溝の内縁部上の丸み付けられたコーナは、溝絶縁体の十分な固定を可能にせず、内縁部と絶縁体の間の空き空間を創出する。このスペースは、流路面積（ブレードの本体）としても、溝面積（導電体のための空間）としても使用されないため、モータの最大効率を限定し、そのパワー範囲を低減し、流れ密度の増大を引き起こし、
歯５の形状は、補助穴６に隣接する領域における電磁流の蓄積を促し、このため磁気飽和およびその後の効率の低下を引き起こすことがある。こうした意味で、図３は、従来技術のブレード内に形成された磁気飽和領域の概略図を示している。

図４から図１０は、本発明によるブレード１０を示している。本発明のブレード１０は、最適な設計を有しており、この設計により、銅ワイヤコイルを使用する際に従来技術のステータに見られる性能より優れた性能を呈し、それと同時にアルミニウムワイヤによるコイリングに適するステータの構造が可能になる。

当業者によって知られているように、アルミニウムは、単位重量あたり、銅よりも安価な材料である。しかしながら、アルミニウムを使用するモータの性能が、銅導電体を備えたモータの性能に匹敵することができるように、先に述べられたように、導電体の横方向面積において少なくとも６０％の増大が存在しなければならない。

故に、本発明のブレードは、溝の面積における増大を呈し、コイリング針の通過および挿入を容易にするように構成された形状およびサイズを備えた溝を有する。

ブレード１０は、中心穴２０と、穴２０の周りに離間して置かれた複数の溝３０とを備える（本発明の好ましい構成では、中心穴２０の周りに均一に離間して置かれた６つの溝が存在する）。中心穴の直径は、ブレードの総幅の約５０％である。溝３０および穴２０は、通路または首部４０を用いてつながっている。２つの連続する溝３０の間には、歯５０が形成され、一方で、歯５０の内縁部は、中心穴２０の縁部を形成する。

図７および図９により良好に示されるように、ブレード内に内接されたリング面積Ｃを強調することができ、このリングの外縁部は、ブレードの縁部の２つと接触しており、内縁部は、中心穴２０の縁部と一致する。好ましくは、溝３０の総面積Ｒは、ブレード内に内接されたリングの総面積Ｃの５０％から６０％の間に含まれるべきであり、その結果、導電体内およびブレード材料中のジュール損失のバランスをとる可能性を保証し、それによってモータの性能を向上させる。

溝の面積におけるこの増大は、銅の使用およびアルミニウムの使用に適しているため、本発明のブレードに対してコイルを形成する材料に関する可撓性を与える。銅を使用することを選択する場合、従来技術のブレード１を備えたステータを使用するモータと比較して、モータの効率が大幅に上昇する可能性がある。アルミニウムを使用することを選択する場合、銅導電体を備えた従来技術のモータと比較して、モータの総コストの大幅な低減が得られる。

図５、図８、および図１０は、溝３０の各々のジオメトリをより詳細に示している。

溝３０の各々の１つは、５つの縁部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅを有しており、そのうち２つは、向かい合う側縁部３０ａおよび３０ｂであり、２つは、傾斜する端縁部３０ｃおよび３０ｄであり、１つは、放物状の縁部３０ｅである。傾斜する端縁部３０ｃまたは３０ｄの各々は、首部４０から対応する向かい合う縁部３０ａまたは３０ｂまで延び、向かい合う側縁部の各々は、端縁３０ｃまたは３０ｄの１つから放物状の縁部３０ｅまで延びる。

図７により良好に見られ得るように、２つの向かい合う側縁部３０ａおよび３０ｂは、６０°から７０°の間に含まれる角度で互いに傾斜しており、放物状の縁部３０ｅの上部と穴２０の縁部の間の距離７３（図７を参照）は、穴２０の縁部（首部４０の内端部）と内接円Ｃにおける外縁部の間の距離７２の７８％から８２％の間に含まれなければならない。

図８により良好に描かれているように、壁３０ａと３０ｅの間および３０ｂと３０ｅの間に形成された角度は、鋭角であり（＜９０°）、それによって溝絶縁体の締め付けを容易にし、歯内の流れ密度を低減するように歯５０の開口角度８０を形成する。好ましくは、角度８０は、８５°から８９°の間である。追加的に、好ましい実施形態では、壁３０ｅと３０ａ、３０ｅと３０ｂ、３０ｂと３０ｄ、および３０ａと３０ｃの間に形成されたコーナ３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄは、０．５０ｍｍの最大円形半径を有さなければならない。

本発明のブレード１０の溝３０内に鋭角を形成して、ステータの形成中、絶縁体を溝の内壁上により良好に固定することを可能にする利点は、導電材料の最大容量を得ることに非常に関連しており、絶縁体を溝の内縁部により良好に接着させることを保証することにより、溝の内側により大きな自由空間が得られ、前記空間は、コイリング中、導電材料によって占有される。

歯５０は、２つの連続する溝の側縁部によって形成された、互いに傾斜する（平行ではない）２つの側縁部５０ａ、５０ｂを有する。したがって、本発明では、歯５０は、一定ではない幅を有し、中心穴２０近くの領域においてより広くなっている。

追加的に、歯５０は、絶縁カバー（ブレードのコイルヘッドとパッケージの間の絶縁）を締め付ける機能の補助穴６０を含むことができる。

図６の概略図に示されるように、歯５０の２つの側縁部５０ａ、５０ｂの間の傾斜は、穴６０に隣接する領域内の流れの蓄積を回避するために導入されたものであり、歯全体５０に沿ってほぼ均一な流れ密度を得ることを可能する。

本発明のブレードはまた、ブレードの各々のコーナ内に４つの締め付け穴６０ａも有する。これらの穴の目的は、ステータをコンプレッサブロックに締め付けることである。

図１０の概略図に示されるように、縁部３０ｅと水平軸の間に形成された角度１００は、コイリング針の変位を容易にし、一様に分散されたコイルを生じさせるために、０°から５°の間であるべきである。

上記の図に基づいて与えられた説明は、本発明のブレードの可能性のある実施形態を参照するものにすぎず、本発明の目的の真の範囲は、添付の特許請求の範囲において定義されることが理解されよう。

Claims (5)

1. 電気モータ用ステータブレード（１０）であって、
   中心穴２０と、
   穴（２０）の周りに離間して置かれた複数の溝（３０）であって、溝（３０）および穴（２０）が、通路または首部（４０）を用いてつながっている、複数の溝（３０）と、
   ２つの連続する溝（３０）間に各々が形成された複数の歯（５０）とを備え、
   中心穴（２０）の直径が、ブレードの総幅の約５０％であり、
   溝（３０）の各々の面積の合計である総面積（Ｒｔ）が、ブレード（１０）上に内接されたリングの総面積（Ｃ）の５０％から６０％に相当し、内接リングの外縁部は、ブレード（１０）の縁部の１つに接触し、内接リングの内縁部は、中心穴（２０）の縁部と一致しており、
   歯（５０）が、一定ではない幅を有し、中心穴（２０）近くの領域においてより広くなっていることを特徴とする、ステータブレード（１０）。
2. 溝（３０）の各々が、５つの縁部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ）を有しており、そのうち２つは、向かい合う側縁部（３０ａおよび３０ｂ）であり、２つは溝の基部にある縁部（３０ｃおよび３０ｄ）、１つは放物状の縁部（３０ｅ）であり、
   溝の基部の縁部の各々１つ（３０ｃまたは３０ｄ）が、首部（４０）から対応する向かい合う縁部（３０ａまたは３０ｂ）まで延び、
   向かい合う側縁部（３０ａまたは３０ｂ）の各々１つが、基部の縁部（３０ｃまたは３０ｄ）の１つから放物状の縁部（３０ｅ）まで延び、
   側縁部（３０ａ、３０ｂ）の各々１つと放物状の縁部（３０ｅ）の間に形成された角度（８０）が、８５°から８９°の間に含まれる鋭角であることを特徴とする、請求項１に記載のステータブレード（１０）。
3. 溝の縁部（３０ｅと３０ａ、３０ｅと３０ｂ、３０ｂと３０ｄ、および３０ｃと３０ａ）の間に形成されたコーナ（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ）が、約０．５０ｍｍに等しい最大半径を有することを特徴とする、請求項２に記載のブレード。
4. 溝（３０）の上部と中心穴（２０）の縁部の間の距離（７３）が、首部４０の基部とブレード（１０）上に内接された円Ｃの外縁部の間の距離（７２）の７８％から８２％の間に含まれることを特徴とする、請求項２または３に記載のブレード。
5. 溝（３０）の放物状の縁部（３０ｅ）と水平軸の間に形成された角度（１００）が、０°から５°の間に含まれることを特徴とする、請求項２から４のいずれかに記載のブレード。

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