JP2013519353A - 複数歯を放射状にマウントしたステーター - Google Patents

Abstract

円周支持体と、コイル巻線を受け入れるように構成される複数の歯と、を具備し、円周支持体は複数の突出物をその支持体まわりの円周に配置し、各歯は連結手段を備える凹部を備え、連結手段は、円周支持体上に半径方向に搭載される突出物と係合するために凹部内で形成される、電気モーター用又は発電機用ステーター。
【選択図】図1

Description

本発明は、ステーター、特にインホイール電気モーター用又は発電機用ステーターに関する。

ステーターは、ローターが回転する電気モーター又は発電機の固定部として周知である。ステーターには、一般に磁気部品と他の構造部品が含まれる。電気モーターは、電気が流れているワイヤーは磁界存在時に力を受けるという原理に基いて機能する。典型的には、ローターは、一組の永久磁石を載せており、電流が流れるように配置された一組のコイルの周りを回転する構成である。その結果、ローターは、ステーターの周りを回動する。ローターに一組のコイルを載せて、ステーターに一組の永久磁石をマウントすることも可能であることは、いうまでもない。

ローター内にマウントする構成のステーターの一例が図1に示されている。図1には、材料(例：PM(粉末金属))の一体成形品で形成されるか、より一般的には、複数の同質積層板でできているステーターバックアイアンが示されている。環状支持体150(別名、バックアイアン又はバックリング)からの複数の突出物100は、「複数歯」として知られ、複数のコイル巻線を受け入れるのに用いられる。モーターの性能を上げるために、コイル巻線の断面を最適化して、抵抗を減らす効果を生じさせることで発熱を減らすことは好ましい。加えて、複数のコイル巻線をより近くに接近させることで、熱伝導率を向上させる効果が生じ、連続性能を向上させながらモーター効率を上げる効果が生じる。

しかしながら、図1に示されるような構成では、ステーター全体が単一の一体成形品として形成され、複数歯に対してワイヤーコイルを物理的に巻く空間が限られていることはいうまでもない。従って、かかる構成においては、隣接する歯のコイルとコイルとの間に隙間が存在することが一般的である。これは、流束密度を増加させるためにワイヤーコイルでこの空間を別途詰めることから非効率である。

加えて、ステーターとコイル巻線との間にコイル絶縁を設ける従来の方法は、その結果として、熱伝導率が低くなり電気モーターの性能を制限する可能性がある。

更に、大きな単一成形のステーターは、要求されるコイル巻上を行うために複雑な巻上機及び複雑な巻上工程が典型的には要求される。

従って、この状況は、改善させることが好ましい。

本発明の態様に従って、添付の特許請求の範囲によるステーターが提供される。

本発明は、ステーターバックアイアンにマウントされる前に、個々のステーター歯を個々に巻上げることができるという利点がある。これにより、隣接するステーター歯上のコイルとコイルとの間の空間を最小限にすることができる。

更に、ステーター歯上の連結機構を用いて、ステーター歯をステーターのバックリングに放射状にマウントすることによって、ステーターのバックリングは、追加のマウント部品を必要とせずにステーター歯をステーターバックアイアンにマウントして、歯とバックアイアンとを共に固定することができるという更なる利点がある。これによって、製造の複雑さと重量が低減される。

加えて、ステーターバックアイアンにマウント可能なステーター歯を有することによって、マウント工程前に絶縁層をステーター歯に被覆成形することができる。1つのステーター歯に被覆成形層を施すことで、絶縁層とステーター歯との間に空隙が形成されるリスクを最小限にすることができる。これによって、コイルとステーターとの間に絶縁層が提供されると共に、熱伝導率も向上する。

本発明は、添付の図面を参照しながら、一例として以下に記載されている。

図1は、一体型複数歯を備える一体成型品として形成されたステーターの従来例を図示している。 図2、2a、2bは、本発明の一実施形態によるステーター円周支持体を図示している。 図3は、本発明の一実施形態によるステーター歯を図示している。 図4は、本発明の一実施形態に従うステーターバックアイアンにマウントされた複数のステーター歯を図示している。 図5は、本発明の一実施形態によるステーター歯の被覆成形体を図示している。 図6は、本発明の一実施形態によるコイル巻線の被覆成形体を図示している。 図7a、7bは、銅製トラックグリッドを図示している。 図8は、本発明の一実施形態によるステーターを図示している。 図9は、本発明の一実施形態によるステーターを図示している。 図10は、本発明の一実施形態によるステーターの断面を図示している。 図11は、本発明の一実施形態によるステーターを図示している。

本発明の実施形態は、電気モーター用ステーターに関するものを以下で記載しているが、本発明は、ローターにコイルを搭載した電気モーターの場合のローター構成であっても同様に適用されることを理解するべきである。本発明は、発電機にも同様に適用される。本実施形態では、ステーター及びローターを具備する電気モーターであって、ステーター及びローターは円周支持体を備えるものについて記載しているが、本発明は種々の構成を備えるステーター及びローターを具備する電気モーター(例えば、線形電気モーター)であっても同様に適用できる。従って、ローターなる用語は、その部品の形状にかかわりなく電気モーターの動く部品を含むことを意図するため、線形電気モーターのフォーサをも含むことを意図する。

本発明の第一実施形態に従って、図2は、円周支持体200を図示している。半径方向に延在する複数の突出物210は、円周支持体200(即ち、ステーターバックリング)の外周上に配置されている(図2a及び2bにおいて更に詳細に図示される)。複数の突出物210は、ステーターバックアイアン200の外表面から外側へ離れるように延在する。

突出物210を備えるステーターバックアイアン200は、一体成形された一体型構造部品として形成される。例えば、ステーターバックアイアン200は、粉末金属から成形されるか、より一般的には、複数の同質積層板でできることが可能である。積層板は、鋼(例：電炉鋼)の板から典型的には製造されるが、適切な強さ及び電磁的性質をもつ任意の物質を使うことができる。積層板は、表面上に絶縁被覆を有し、且つ、複数歯スタックとステーターバックリング(即ち、円周支持体200)との間の曲線状インターフェース形状沿いにも絶縁被覆を有して、うず電流が積層板間に流れるのを妨いでもよい。

積層板は、任意の適切な手段によって生産できる。例えば、要求物質のシートから所望の形状に打ち抜き若しくは切断又はレーザーエッチングである。例えば、積層板は、0.3から0.4mmの間、好ましくは約0.35mmの厚さであってもよい。

ステーターバックアイアン200上に形成される突出物210の各々は、ステーター歯を受け入れる構成である。突出物の各々とそれぞれのステーター歯には、後述するように、係合手段が含まれ、それぞれのステーター歯をそれぞれの突出物210へ半径方向にマウントすることを可能にする。

本実施形態の目的では、ステーターバックアイアン200から半径方向へ離れるように延在している2つの弾性エレメント220は、ステーターバックアイアン200から最も遠くへ離れるように突出物210の各々の末端部上に形成される。2つの弾性エレメント220の間には隙間が形成される。2つの弾性エレメント220間の隙間には、突起の末端に放射状スロットが形成される。上記スロットは、ステーターバックアイアン200の外周面に対して実質的に直角である。放射状スロットは、後述するように、ステーター歯係合エレメントを受け入れる構成である。

弾性エレメント220の各々の末端部、即ちステーターバックアイアン200から最も離れている弾性エレメント220の部分は、後述するように、弾性エレメント220の内表面上に突起部230を備える。上記突起部230は、ステーターバックアイアンの円周方向へと互いに向かって延在し、ステーター歯係合エレメントを掛ける構成である。

好ましくは、突出物210の両サイドの根本に、溝240(即ち、凹部)が形成される。溝240は、ステーターバックアイアン200の円周面に対して実質的に直角方向にある突出物210の根本においてステーターバックアイアンに沿うように及んでいる。ステーターバックアイアンにおいて形成される各溝240は、後述するように、ステーター歯壁部分の末端部を受け入れる構成である。

図3には、図2に図示されたステーターバックアイアン200にマウントするためのステーター歯300が図示されている。ステーター歯300は、ステーター歯上部320を介して並んで接続する2つの壁部分310を備えている。ステーター歯300にマウントされたコイル巻線の保持を補助するために、ステーター歯の上部320は、歯壁部分310に対して横に延在する横延在ステーター頂部を形成する。

凹部がステーター歯の2つの歯壁部分310の間に形成されて、係合エレメント330が凹部に形成される。係合エレメント330は、後述するように、弾性エレメント220の突起と係合する構成である。

ステーター歯係合エレメント330は、ステーター頂部320の中心部から2つの歯壁部分210の間に形成される凹部中に下向きに延在している。係合エレメント330は、係合エレメント330の先端からステーター頂部320に向かって外向きにテーパーが付いている。係合エレメント330の上部は、ステーター頂部と隣接しており、狭窄部分を備える構成である。狭窄部分は、突出物210の弾性エレメント220の上側部分と連結する構成である。突出物210の2つの弾性エレメント220間に形成されるスロットの輪郭及び寸法は、ステーター歯300の凹部に形成される係合エレメント330の外側の輪郭及び寸法に実質的に対応する構成である。

ステーター歯300は、ステーターバックアイアン200と分離している。このため、ステーター歯300をステーターバックアイアン200にマウントする前から、ステーター歯300にコイル巻線を予め巻くことができる。これには、歯上にコイルを巻く方が、歯とステーター支持体が一体的であった場合よりも容易であるという利点がある。例えば、従来型の電気モーターの設計に関するスロット充填(即ち、ステーター歯間のスロットを満たす銅線の量)は、37%程度である。しかしながら、一体的な歯が備わる一体成型品のステーターに課せられる空間的制約を無くしてコイルの巻線をステーター歯に施すことを可能にすることで、スロット充填は、約54%又はそれ超えに増やすことができる。

ステーター歯300をステーターバックアイアン200にマウントするために、ステーター歯300は、ステーターバックアイアン200上に形成されるそれぞれの突出物210上へ半径方向に押圧される。ステーター歯300に充分な半径方向力を加えて、突出物210の2つの弾性エレメント220にステーター歯係合エレメント330を連結させる。

特に、ステーター歯300がステーターバックアイアン200にマウントされると、ステーター歯300は、突出物210上に位置することになる。その結果、ステーター歯係合エレメント330の先端は、突出物210の2つの弾性エレメント220の上部間に形成される隙間と係合する。

そして、ステーター歯300が突出物210に対して半径方向に押圧されて、係合エレメント330のテーパー部が弾性エレメント220の内表面に接線力を加える。これによって、2つの弾性エレメント220が強制的に離されて、係合エレメント330が2つの弾性エレメント220間を下方へと移動できる。

係合エレメント330の輪郭及び寸法は、2つの弾性エレメント220間に形成されるスロットのそれに適合する。ステーター歯300が突出物210へ充分に挿入された時点で、弾性エレメント220のばね力が弾性エレメント220の内側表面にある突起部230を係合エレメント330の狭窄部分に押し込む。それによって、ステーター歯300とステーターバックアイアンの突出物210が連結され、ステーターバックアイアン200からステーター歯300が抜けることを防止する。ステーター歯壁部分310の各々の末端部分は、突出物210の根本に形成されるそれぞれの凹部にセットすることよって、ステーター歯300に加えられる接線力が支持される。図4は、ステーターバックアイアン200上のそれぞれの突出物にマウントされている3つのステーター歯を図示している。図示の目的で、図示されたステーター機構の寸法が図4に示されているが、これらの寸法は、必要なモーター特性/性能に応じて変更できる。

好ましくは、ステーター歯300が突出物210にマウントされた場合に当接する、ステーター歯300及び/又は突出物210上の1又は複数の表面(例えば弾性エレメント220の1つ又は両方の外表面)に接着剤が施される。ステーター歯300及び/又は突出物210の1又は複数の表面に接着剤を施すことは、ステーターバックアイアン200に対するステーター歯300の微細な動きと、歯300の局部振動を最小限にするのを助ける。ステーター歯300とステーターバックアイアン200との間の熱伝導率を補助するために、好ましくは、熱伝導率が良好な接着剤が選択される。接着剤は、突出物210からステーター歯300を電気的に絶縁するのを補助することもできるため、ステーター歯300とステーターバックアイアン200との間のうず電流の最小化に役立つ。

図5には、更に好ましい機構が図示されている。コイル巻線とステーター歯300との間における電気的な隔離を補助するために、ステーター歯300は、被覆成形体を用いる絶縁材500によって内部に閉じ込められている(即ち、ステーター歯は、被覆成形される)。好ましくは、絶縁材500は、良好な熱伝導率、高温たわみ及び良好な絶縁耐力を有するプラスチック(例えば液晶ポリマー)である。好ましくは、良好な熱伝導特性がある被覆成形材料が選択される。これによって、コイル巻線とステーター歯300との間における熱伝導性が補助される。好ましくは、被覆成形工程には、ステーター歯上のコイル巻線の保持を補助する機構(例えば、被覆成形体の底に形成されるリッジ510)が含まれる。

ステーター歯300が被覆成形された時点で、コイル巻線はステーター歯に施される。

隣接するステーター歯300上にマウントされるコイル巻線を電気的に絶縁するのを助けるために、好ましくは、ステーター歯300を突出物210にマウントする前に、更なる被覆成形をコイル巻線に施す。

図6にて図示したように、好ましくは、コイル巻線に施された被覆成形体600には、マウント位置610が備わる。マウント位置は、ステーター歯300がステーターバックアイアン200にマウントされた時点で銅製トラックグリッドを被覆成形体600へマウント可能にする。銅製トラックグリッドの目的は、電源基板に位相進みの経路制御を提供することである。電源基板は、巻線に対する電流を制御する構成である。銅製トラックグリッドは、電源基板を銅製トラックグリッドに容易に溶接できるか、又ははんだ付けできる構成でもある。これによって、電源基板は、ステーターへ容易にマウントできる。

図7a及び7bは、銅製トラックグリッド700を図示している。図7aは、ステーターへマウントされる側の銅製トラックグリッド700に注目している銅製トラックグリッド700の斜視図を示している。図7bは、銅製トラックグリッド700がステーターにマウントされている場合はステーターとは離れている側の銅製トラックグリッド700に注目している銅製トラックグリッド700の斜視図を示している。

銅製トラックグリッド700は、9つのステーター歯300にマウントするための9つのマウント位置710を含み、銅製トラックグリッドマウント位置710は、それぞれのマウント位置610に固定される構成である。マウント位置610は、ステーター歯コイル巻線に施された被覆成形体上に形成される。

被覆成形体600がコイル巻線に施された時点で、ステーター歯300は、上記の通り、ステーターバックアイアン200にマウントされる。図8は、組み立て後のステーターを図示する。被覆成形されたステーター歯300がステーターバックアイアン200にマウントされている。コイル巻線の末端800は、被覆成形体600の上部から延びて、銅製トラックグリッド700との接続を可能にする。

ステーター歯300がステーターバックアイアン200にマウントされた時点で、銅製トラックグリッド700は、マウント位置610にマウントされる。図9にて図示したように、マウント位置610は、コイル巻線上に設置された被覆成形体上に形成される。本実施形態の目的では、銅製トラックグリッド700及び被覆成形体の固定位置610は、押し込み式である。このため、銅製トラックグリッド700をステーター歯の被覆成形体600に押し込むことができる。図10は、被覆成形されたステーター歯がステーターバックアイアンにマウントされ、銅製トラックグリッドがステーター歯にマウントされた状態のステーター断面図が図示されている。

図11に図示した通り、制御盤1000及び配電盤900は、インバーターとして作動し、銅製トラックグリッドに隣接してマウントされる。銅製トラックグリッド上のコネクターは、配電盤レセプタクル又は接続孔に、溶接されるか、又ははんだ付けされる。このように、銅製トラックグリッドは、インバーターをステーターにマウントするためのマウント用リングとして作用する。制御盤1000及び配電盤900は、コイル巻線の電流の流れを制御する構成である。単一の制御盤及び配電盤が全てのモーターコイル巻線又はコイル巻線のサブセットの電流の流れを制御する構成とすることができる。単一の制御盤及び配電盤がコイル巻線のサブセットの電流を制御する構成の場合、好ましくは、電気モーターは、コイル巻線の種々のサブセットにおける電流の流れを制御する複数の制御盤及び配電盤を備える。

本実施形態において、配電盤900は銅製トラックグリッド700に溶接されるか、又ははんだ付けされ、制御盤1000は配電盤900上に配置されて、ねじスペーサーを用いて配電盤900に装着する。しかしながら、代わり実施形態で、制御盤及び配電盤は、単一基板として組み合わせることができる。

好ましくは、電気モーターの冷却を補助するために、ヒートシンク1100がステーターにマウントされる。

本実施形態の目的のために、完全に組み立てられたステーターには、72のステーター歯が含まれるが、任意の歯数を使用することができ、好ましくは、その数は50から100である。

本発明は、図に示して実質的に記載されている通り、ローターがステーターを囲みその周りを回転する構成に関するものである一方で、放射状に外側へ向くよりはむしろステーター中心へ放射状に内側へ突出している巻線歯を備えるローターを囲むステーターについては、本発明の範囲内であることは言うまでない。

また、本発明は、電気モーター用ステーターに関して記載されているが、本発明は発電機のエレメントに対して同様に適用できる。

本発明を具体的に表現しているステーターは、任意のサイズにすることができるが、好ましいサイズは、電気モーター又は発電機の所望のサイズによる。例えば、直径18"の電気モーターに関しては、ステーターの外側半径は、約191mm(即ち、ステーター直径は、382mm)であってもよい。直径20"のモーターに関しては、ステーターの外径は、約424mmであってもよく、直径14"のモーターに関しては、外径は、約339mmであってもよい。

上記実施形態に従って構成されるステーターから、電気自動車用電気モーターにおける格別な有用性が明らかである。特に、本発明の実施形態は、道路を進む電気自動車、より詳しくは1又は複数のインホイール電気モーターを備える電気自動車に組み込んでもよい。

Claims (17)

1. 支持体と、
   コイル巻線を受け入れる構成の複数の歯と、を具備し、
   前記支持体は、その支持体まわりに配置される複数の突出物を備え、
   各歯は、連結手段を備える凹部を具備し、
   前記連結手段は、前記支持体上の突出物と係合するために前記凹部内で形成されて、前記支持体の表面に対して垂直方向且つ前記突出物が前記支持体の表面から離れて延在する方向にある前記突出物へ各歯をマウントできるようにし、
   前記複数の突出物の各々は、弾性的に変形可能であり、各歯の前記凹部内の前記連結手段と係合する構成である、電気モーター用又は発電機用のステーター又はローター。
2. 円周支持体と、
   コイル巻線を受け入れる構成の複数歯と、を具備し、
   前記円周支持体は、その円周支持体まわりに配置される複数の突出物を具備し、
   各歯は、連結手段を備える凹部を具備し、
   前記連結手段は、前記円周支持体上の突出物と係合するために前記凹部内で形成されて、半径方向にある前記突出物へ各歯をマウントできるようにし、
   前記複数の突出物の各々は、弾性的に変形可能であり、各歯の前記凹部内における前記連結手段と係合する構成である、電気モーター用又は発電機用のステーター又はローター。
3. 前記複数の突出物は、前記円周支持体から離れるように半径方向に延在する、請求項2に記載のステーター又はローター。
4. 弾性的に変形可能な突出物には、各歯の前記凹部内の前記連結手段と係合するように構成される2つの弾性的に変形可能なエレメントが含まれる、請求項2又は3に記載のステーター又はローター。
5. 前記2つの弾性的に変形可能なエレメントは、前記突出物の各々の末端部上に形成される、請求項4に記載のステーター又はローター。
6. 前記2つの弾性的に変形可能なエレメントは、互いの方向へ延在する、内表面上の突起部を含み、
   前記突起部は、ステーター歯係合エレメントを掛ける構成である、請求項4又は5に記載のステーター又はローター。
7. 前記円周支持体は、一連の積層板で形成される、請求項2から6のいずれかに記載のステーター又はローター。
8. 前記複数歯の各々は、一連の積層板で形成される、請求項2から7のいずれかに記載のステーター又はローター。
9. 接着剤が、前記連結手段と突出物との間に配置される、請求項2から8のいずれかに記載のステーター又はローター。
10. 前記複数歯は、コイル巻線を受け入れる前に被覆成形される、請求項2から9のいずれかに記載のステーター又はローター。
11. 前記円周支持体は、突出物の少なくとも一つのサイドに凹部を備え、
    歯のサイドエレメントは、前記凹部にマウントされて歯の接線移動が防止される、請求項2から10のいずれかに記載のステーター又はローター。
12. 前記複数の突出物及び複数の歯は、前記円周支持体から前記円周支持体の中央点を離れる半径方向へ延在する、請求項2から11のいずれかに記載のステーター又はローター。
13. 前記複数の突出物及び複数の歯は、前記円周支持体から前記円周支持体の中央点に半径方向へ向かって延在する、請求項3から11のいずれかに記載のステーター又はローター。
14. 前記円周支持体にマウントされ、前記複数の歯に設置されたコイル巻線に接続するように構成されたマウント用リングを更に具備する、請求項2から13のいずれかに記載のステーター又はローター。
15. 前記マウント用リングにマウントされるように構成されたインバーターを更に具備し、
    前記マウント用リングは、前記インバーターと歯上に設置された少なくとも一つのコイル巻線との間での電気的接続の確立が可能である、請求項14に記載のステーター又はローター。
16. 請求項1から15のいずれかに記載のステーター又はローターを備える電気モーター。
17. ステーター又はローターを製造する方法であって、前記方法は、
    複数の歯と、複数の突出物を円周に備える円周支持体とを提供することと、
    前記複数の歯の各々のまわりにコイル巻線を設置することと、
    前記円周支持体上に形成されたそれぞれの前記突出物に前記複数の歯の各々を半径方向に押し込むこと、を含み、
    各歯は、連結手段を備える凹部を具備し、
    前記連結手段は、前記凹部内に形成され、
    前記複数の突出物の各々は、弾性的に変形可能であり、各歯の前記凹部内における前記連結手段と係合するように構成され、
    各歯の前記凹部内に形成された前記連結手段がそれぞれの前記突出物と係合して、前記円周支持体に対する歯の半径方向への移動を防止する、方法。