JP2014501486A - コイルブロック、コイルブロック組立体およびこれを内蔵する電気機械 - Google Patents

Abstract

導電コイルを冷却するためのコイルブロック組立体を内蔵する電気機械を提供する。本発明の実施形態は一般に、電気機械に関し、より詳細には導電コイルを冷却するためのコイルブロック組立体を内蔵する電気機械に関する。一実施形態において本発明は、ステータティースと、ステータティースの周りに巻き付けられ複数のコイル巻線を形成する少なくとも１つの導電コイルとを含む少なくとも１つのティースコイルと、複数のコイル巻線の第１の巻線と第２の巻線の間にあるコイルブロック組立体であって、少なくとも２つのコイルブロックを含み、各々のコイルブロックが、本体と、本体の中に入る少なくとも１つの凹部を有する面とを含むコイルブロック組立体とを備える電気機械であって、コイルブロックが、面同士が対向するように配向されることで、各々のコイルブロックの少なくとも１つの凹部によって少なくとも１つの冷却チャネルが形成される電気機械を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルブロック、コイルブロック組立体およびこれを内蔵する電気機械に関する。

例えば風力発電機、走行モータ、スイッチドリラクタンスモータ、サーボモータ、スッテッパモータおよびリニアモータなどの多くの電気機械は、ステータティースの周りに巻き付けられた集中コイルを有する電機子または界磁巻線を含む。このようなティースおよびそのコイルは一般に、ティースコイルと呼ばれる。このようなティースコイルのコイルアーム（機械のスロット部分にあるコイル部分）は、比較的大きな幅を有しており、作動中これに伴って温度上昇を受けることが多い。従来の方法を利用したこのようなティースコイルの間接的な冷却は、コイル巻線が集中し、一定の範囲の温度上昇を受けやすいため困難である。

本発明の実施形態は一般に電気機械に関し、より詳細には導電コイルを冷却するためのコイルブロック組立体を内蔵する電気機械に関する。

米国特許出願公開第２００７／０１７６４９９号明細書

一実施形態において、本発明は、ステータティースおよびステータティースの周りに巻き付けられ複数のコイル巻線を形成する少なくとも１つの導電コイルを含む少なくとも１つのティースコイルと、複数のコイル巻線の第１の巻線と第２の巻線の間にあるコイルブロック組立体とを備え、コイルブロック組立体が少なくとも２つのコイルブロックを含み、各々のコイルブロックが、本体と、本体の中に入る少なくとも１つの凹部を有する面とを含み、コイルブロックが、面同士が対向するように配向されることで、各々のコイルブロックの少なくとも１つの凹部によって少なくとも１つの冷却チャネルが形成される電気機械を提供する。

別の実施形態において、本発明は、複数のティースコイルを備え、各々のティースコイルが、ステータティースおよびステータティースの周りに巻き付けられ複数のコイル巻線を形成する少なくとも１つの導電コイルを含む複数の１つのティースコイルと、第１のティースコイルの複数のコイル巻線の外側の巻線と第２のティースコイルの複数のコイル巻線の外側の巻線との間にあるコイルブロック組立体とを備え、コイルブロック組立体が複数のコイルブロックを含み、少なくとも２つのコイルブロックがそれぞれ、本体と、本体の中に入る少なくとも１つの凹部を有する第１の面とを含み、少なくとも２つのコイルブロックが、第１の面が対向するように配向されることで、少なくとも２つのコイルブロックのそれぞれの少なくとも１つの凹部を含む少なくとも１つの冷却チャネルを形成する電気機械を提供する。

さらに別の実施形態において、本発明は、第１の厚さを有する近位端と、第１の厚さより薄い第２の厚さを有する遠位端とを含む本体と、本体の中に入る少なくとも１つの凹部を有する第１の面と、第１の面にほぼ直交する第１の表面と、第１の表面および第１の面に対して角度を成す第２の表面と備え、これによりその第１の面が対向するように配向された１対のコイルブロックが、ほぼ台形の横断面を有し、１対のコイルブロックの各々の少なくとも１つの凹部で構成された少なくとも１つの冷却チャネルを形成するコイルブロックを提供する。

本発明のこのようなおよび他の特徴は、本発明の種々の実施形態を描く添付の図面と併せて本発明の種々の態様の以下の詳細な記載から容易に理解されるであろう。

本発明の一実施形態によるコイルブロックの斜視図である。 本発明の実施形態によるコイルブロック組立体の側面かつ断面図である。 本発明の実施形態によるコイルブロック組立体の側面かつ断面図である。 本発明の実施形態によるコイルブロック組立体の側面かつ断面図である。 本発明の実施形態によるコイルブロック組立体の側面かつ断面図である。 本発明の実施形態によるティースコイルの頂部断面図かつ側部断面図である。 本発明の実施形態によるティースコイルの頂部断面図かつ側部断面図である。 本発明の実施形態によるティースコイルの頂部断面図かつ側部断面図である。 本発明の実施形態によるティースコイルの頂部断面図かつ側部断面図である。 本発明の一実施形態によるコイルブロックの斜視図である。 本発明の一実施形態によるコイルブロック組立体の頂部断面図である。 本発明の一実施形態によるティースコイルおよびコイルブロック組立体の頂面図である。

本発明の図面は縮尺通りではないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様を描くことのみを意図しているため、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。図面における同様の番号付けは、図面の中の同様の要素を表している。

ここで図面に注意を向けると、図１は、本発明の一実施形態によるコイルブロック１００の斜視図を示している。コイルブロック１００は、高さＨ、厚さＴおよび幅Ｗを有する本体１０、第１の面１４、第２の面１２、第１の表面１６および第２の表面１８を含む。図１に示される実施形態では、第１の面１４と、第２の面１２は互いにほぼ平行であり、第１の表面１６と、第２の表面１８のそれぞれに対してほぼ直交しているため、本体１０は、ほぼ矩形の断面を有する。

第１の面１４は、複数の凹部３０、３２、３４を含んでおり、これらは、第１の表面１６から第２の表面１８まで延在し、本体１０の中に延在している。本体１０の凹部３０、３２、３４に隣接する部分は、島２０、２２、２４、２６を形成しており、これらはほぼ第１の面１４の縁部まで延びているため、第１の面１４を画定するように続いている。以下でより詳細に記載されるように、本発明の一部の実施形態では、厚さＴは、幅Ｗより小さい。本発明の他の実施形態では、厚さＴは高さＨに沿って変動する。

図２は、１対のコイルブロック１００、２００を備えるコイルブロック組立体９００の側面図を示している。コイルブロック１００は並べて重ねられ、コイルブロック２００に対向するように配向される、すなわち凹部が反対方向に開放するように配向される。このような配置では、コイルブロック１００の凹部３０、３２、３４の、本体１０の中へと一番遠くまで延びる部分が、コイルブロック２００の凹部の同様の部分に触れることで、冷却チャネル１４０、１４２、１４４を形成し、これらのチャネルの中を空気流１５０、１５２、１５４が通過することができる。

図１および図２に示される実施形態では、凹部３０、３２、３４および島２２、２４は、ほぼ正弦波の形状を有する。当然のことながら、他の形状を使用することもでき、これには矩形、卵形、半円などが含まれる。採用される１つまたは複数の形状は、例えばコイルブロック１００、２００のサイズならびに冷却チャネル１４０、１４２、１４４の所望されるサイズおよび／または形状に左右される。同様に各々のコイルブロック１００、２００は、３つの凹部（コイルブロック１００における３０、３２、３４）を有するように図２に示されているが、これは必須ではない。利用される凹部の数は、例えばコイルブロックのサイズおよびコイルブロック組立体を通る空気流の所望される量に左右される。これに加えて、各々の凹部３０、３２、３４は、幅Ｗにほぼ平行な（すなわち厚さＴおよび高さＨにほぼ直角の）方向で本体１０の中に延在するように示されているが、これもまた必須ではない。本発明のいくつかの実施形態において、凹部は、幅Ｗ、厚さＴおよび／または高さＨに対してある角度で本体１０の中に延在する場合もある。

同様に本発明の種々の実施形態によるコイルブロック組立体が、２つのコイルブロックを含むように示され記載されているが、これも必須ではない。例えば３つ以上のコイルブロックを本明細書に示されるように積み重ねることで、より深さのある冷却チャネルを使用してより厚みのあるコイルブロック組立体を形成することもできる。単に説明をより簡素かつ容易にするために、本発明の実施形態によるコイルブロック組立体は、２つのコイルブロックを含むように示され記載されている。同様に、本発明の実施形態によるコイルブロック組立体は、研磨機により作製される、あるいはそうでなければ単独のブロック材料から形成される。このような実施形態において、「コイルブロック」は、当業者によって理解されるように、異なるユニットまたは部品に似たブロックの一部を称する。

図３および図４は、コイルブロック１００の第１の面１４に沿ったコイルブロック組立体９００の側面図と、コイルブロック２００の第２の面１１２に沿ったコイルブロック組立体９００をそれぞれ示している。図３において、冷却チャネル１４０、１４２、１４４は、コイルブロック１００の凹部３０、３２、３４とコイルブロック２００の凹部１３０、１３２、１３４（ファントム画法によって示される）の中央部によって形成されている。図４は、コイルブロック２００の第１の面１１４に沿ったコイルブロック組立体９００を示しており、その結果コイルブロック１００の凹部３０、３２、３４は、その第２の面１２によって見えにくくなるためファントム画法で示されている。

コイルブロック１００、２００に使用するのに適した材料には、電気機械のコイル巻線内で遭遇する温度に耐えることが可能な非磁性、非金属材料が含まれる。このような材料には、これに限定するものではないがテクストライト（ｔｅｘｔｏｌｉｔｅ）、フッ素プラスチック、ナイロン、ガラスエポキシプラスチック、ガラスファイバプラスチック、積層ベークライト絶縁体（紙ベースの積層体）が含まれる。本発明の一部の実施形態では、コイルブロック１００、２００が併せて接合されてコイルブロック組立体９００を形成する。このような接合作業には、コイルブロック１００、２００の溶解作業および結合作業、その間に接着剤を塗布する作業、あるいは他の既知のまたは後に開発された接合方法や技術を含めることができる。利用される方法や技術は、少なくとも部分的にコイルブロック１００、２００が構成される材料に左右される。

図５は、コイルブロック組立体９００の側面図を示しており、コイルブロック１００をコイルブロック２００に対してずらすことによって冷却チャネル１４１、１４３、１４５のサイズおよび／または形状がどのように変動し得るかを図示することを目的としている。ここでコイルブロック１００、２００は、第２の面１２、１１２の一部が、対向するコイルブロックの第１の面１４、１１４を超えて位置決めされるようにずらされるため、図２に比べて冷却チャネル１４１、１４３、１４５のサイズが大きくなる。第２の面１２、１１２が、第１の面１４、１１４の間にある空間の中に横方向に位置決めされるようにコイルブロック１００、２００を反対方向にずらすことによって、図２に比べて冷却チャネル１４１、１４３、１４５のサイズが縮小される。

図６は、コイル巻線４００によって囲まれたステータティース３００を備えるティースコイル１０００の概略的な頂部断面図を示している。図６に示されるように、ステータティース３００は、矩形の断面であるが、これは必須ではない。コイル巻線４００は、内側の巻線４１０と、外側の巻線４２０を含んでおり、これらはステータティース３００の半径方向軸Ｒにほぼ平行して積み重ねられている。当業者によって理解されるように、内側の巻線４１０と外側の巻線４２０は、直列にあるいは並列に接続される。簡素化する目的で、これは図６には示されていない。

複数のコイルブロック組立体９００、９０２、９０４が、内側の巻線４１０と外側の巻線４２０の間に位置決めされ、その間に空間５００を形成している。図７は、ティースコイル１０００の図６の線Ａに沿った側部断面図を示しており、説明する目的で外側の巻線４２０の一部が部分的に切り開かれている。空気流１５０、１５２、１５４が、空間５００（図６）を通り、コイルブロック組立体９００、９０２の冷却チャネル１４０、１４２、１４４（図２）を通って循環する。

図８は、コイルブロック組立体９００、９０２の中を通る空気流１５０、１５２、１５４の部分的な頂部断面図を示している。ここに見ることができるように、空間５００を通って循環する空気流１５０、１５２、１５４は、コイルブロック組立体９００に直面し、凹部（図２の３０、３２、３４）内へと進み、冷却チャネル１４０、１４２、１４４を通りコイルブロック２００の凹部から外に出る。空気流１５０／１５２／１５４はこの後、コイルブロック９０２に直面するまで空間５００内を進み続け、コイルブロック９００と同じようにその中を進む。

本発明の実施形態によるコイルブロック組立体は、他の構成で使用される場合もある。例えば図９は、本発明の別の実施形態によるティースコイル２０００の一部の部分的な頂部断面図を示している。ここでコイル巻線４１２、４２２は軸方向に積み重ねられ、すなわちステータティース３００の半径方向軸Ｒにほぼ直交して積み重ねられる。すなわち図９に示されるように、コイル巻線４１２、４２２は、このページに出入りするように積み重ねられる。図示する目的で、上部コイル巻線４２２は、一部が切り開かれて示されている。

図６および図７に示される実施形態と同様に、図９においてコイルブロック組立体９００、９０２を下部コイル巻線４１２と上部コイル巻線４２２の間に位置決めすることで、その間に空隙（図９には示されていない）を形成する。空気流１５０、１５２、１５４は、図８に示されるパターンと同様に、この空隙およびコイルブロック組立体９００、９０２を通って循環する。

先行する図面におけるコイルブロック組立体９００、９０２、９０４は、１対のコイルブロック１００、２００を備えており、それぞれがほぼ同一の形状および構造を有するように示されてきたが、これは必須ではない。例えば矩形以外の断面形状を有するコイルブロック組立体ならびに／あるいは異なる形状および／または構造を有するコイルブロックを備えるコイルブロック組立体を利用することが望ましい場合もある。

例えば図１０は、本発明の別の実施形態によるコイルブロック１０１の斜視図を示している。ここでコイルブロック１０１の厚さは、その幅Ｗに沿って第１の面１５における第１の厚さＴ₁から第２の面１３（ファントム画法で示される）における第２の厚さＴ₂まで変動し、第１の厚さＴ₁は、第２の厚さＴ₂より大きくなる。

図１１は、１対の対向するコイルブロック１０１、２０１を備えるコイルブロック組立体９１０の頂部断面図を示している。コイルブロック１０１は、図１０のものとして示されている。コイルブロック２０１は、第１の面１１５と比べて第２の面１１３において厚さが厚くなっている。図１１に示されるように併せて配置されると、コイルブロック１０１、２０１によってコイルブロック組立体９１０の台形の断面が実現する。上記に記載した本発明の他の実施形態でのように、コイルブロック１０１、２０１における凹部３１、１３１が、冷却チャネル１４７を形成する。空気流１５１が、コイルブロック１０１の凹部３１を通ってブロック組立体９１０に進入しこれを冷却し、冷却チャネル１４７へと進み、コイルブロック２０１の凹部１３１を通ってコイルブロック組立体９１０から外に出る。

図１２は、電気機械における隣接するティースコイル１０００、１００１の部分的な頂部断面図を示しており、ここでは例えば図１１におけるものなどのコイルブロック組立体９１０を利用することができる。外側の巻線４２０、４２１が、隣接するティースコイル１０００、１００１の間にスロット６００を画定する。外側の巻線４２０、４２１がほぼ平行なスロット６００の一部において、図２から５に示されるものなどのほぼ矩形のコイルブロック組立体が使用することができ、その一方で他の場所でのその実用性は低下する。図１２では、ほぼ台形の断面を有するコイルブロック組立体９１０が、平行ではない外側の巻線４２０、４２１の一部の間に配置されている。そういうものなので、スロット６００を通る空気流（図示せず）は、スロット６００を出る前にコイルブロック組立体９１０を通過する。

他の形状を有するコイルブロック組立体が有効であり得る状況や場所は、当業者には明らかであり、これは本発明の範囲内にある。同様に、上記に示されるコイルブロックおよびコイルブロック組立体、ならびにそれらが利用される文脈は、単なる例示の目的で図示され提供されており、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。

本明細書で使用される専門用語は、単に特定の実施形態を記載する目的であり、本開示を限定することは意図していない。本明細書で使用されるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、その文脈がはっきりとそうでないことを指摘しない限り、複数の形態も同様に含めることが意図されている。用語「備える」および／または「備えている」は、本明細書で使用される場合、提示した特徴、整数、ステップ、作用、要素および／または構成要素が存在することを特定するものであるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、作用、要素、構成要素および／またはその集合があることやそれらが追加されることを除外するものではないことも理解されるであろう。

本書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の関連する、または組み込まれた方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの文言と相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの文言とわずかなしか相違しない等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。

１０ 本体
１４、１５、１１４、１１５ 第１の面
１２、１３、１１２、１１３ 第２の面
１６ 第１の表面
１８ 第２の表面
２０、２２、２４、２６ 島
３０、３１、３２、３４、１３１ 凹部
１００、１０１、２００、２０１ コイルブロック
１４０、１４２、１４４ 冷却チャネル
１４１、１４３、１４５、１４７ 冷却チャネル
１５０、１５１、１５２、１５４ 空気流
３００ ステータティース
４００、４１２、４２２ コイル巻線
４１０、４１２、４２２ 内側の巻線
４２０、４２１ 外側の巻線
４２２ 上部コイル巻線
５００ 空間
６００ スロット
９００、９０２、９０４、９１０ コイルブロック組立体
１０００、１００１ ティースコイル

Claims (20)

1. ステータティース、および
   前記ステータティースの周りに巻き付けられ、複数のコイル巻線を形成する少なくとも１つの導電コイル
   を含む少なくとも１つのティースコイルと、
   前記複数のコイル巻線の第１の巻線と第２の巻線の間にあるコイルブロック組立体と
   を備え、前記コイルブロック組立体が、
   少なくとも２つのコイルブロックを含み、各々のコイルブロックが、本体と、前記本体の中に入る少なくとも１つの凹部を有する面とを含み、前記コイルブロックが、面同士が対向するように配向されることで、各々のコイルブロックの前記少なくとも１つの凹部によって少なくとも１つの冷却チャネルが形成される電気機械。
2. 前記少なくとも２つのコイルブロックがそれぞれ、前記本体の中に入る複数の凹部を有する面を含み、前記コイルブロック組立体が、前記複数の凹部によって形成される複数の冷却チャネルを含む、請求項１記載の電気機械。
3. 前記複数の凹部が、前記面に沿ってほぼ正弦波の形状を形成する、請求項１記載の電気機械。
4. 前記少なくとも２つのコイルブロックのそれぞれの前記本体が、高さと、前記高さにほぼ直交する幅と、前記高さと前記幅の両方にほぼ直交する少なくとも１つの厚さとを含む、請求項１記載の電気機械。
5. 前記少なくとも１つの厚さが前記幅より小さい、請求項４記載の電気機械。
6. 前記少なくとも２つのコイルブロックのそれぞれの前記本体が、ほぼ矩形の断面形状を有する、請求項４記載の電気機械。
7. 前記少なくとも１つの凹部が、前記幅にほぼ平行な方向で前記本体の中に延在する、請求項４記載の電気機械。
8. 前記少なくとも２つのコイルブロックがそれぞれ、少なくとも１つの非磁性、非金属材料で基本的に構成される、請求項１記載の電気機械。
9. 前記非磁性、非金属材料が、テクストライト（ｔｅｘｔｏｌｉｔｅ）、フッ素プラスチック、ナイロン、ガラスエポキシプラスチック、ガラスファイバプラスチック、積層ベークライト絶縁体から成る群から選択される、請求項８記載の電気機械。
10. 前記少なくとも２つのコイルブロックが併せて接合される、請求項８記載の電気機械。
11. 前記第１の巻線と前記第２の巻線が、前記ステータティースの半径方向軸にほぼ平行に積み重ねられる、請求項１記載の電気機械。
12. 前記第１の巻線と前記第２の巻線が、前記ステータティースの半径方向軸にほぼ直交して積み重ねられる、請求項１記載の電気機械。
13. 各々のティースコイルが、
    ステータティース、および
    前記ステータティースの周りに巻き付けられ、複数のコイル巻線を形成する少なくとも１つの導電コイル
    を含む複数のティースコイルと、
    第１のティースコイルの前記複数のコイル巻線の外側の巻線と第２のティースコイルの前記複数のコイル巻線の外側の巻線との間にあるコイルブロック組立体とを備え、前記コイルブロック組立体が複数のコイルブロックを含み、少なくとも２つのコイルブロックがそれぞれ、
    本体と、
    前記本体の中に入る少なくとも１つの凹部を有する第１の面とを含み、
    前記少なくとも２つのコイルブロックが、第１の面が対向するように配向されることで、少なくとも２つのコイルブロックのそれぞれの前記少なくとも１つの凹部を含む少なくとも１つの冷却チャネルを形成する電気機械。
14. 前記少なくとも２つのコイルブロックのそれぞれの前記本体が、前記本体の近位端における第１の厚さと、前記第１の厚さより薄い前記本体の遠位端における第２の厚さとを含む、請求項１３記載の電気機械。
15. 前記コイルブロック組立体が、ほぼ台形形状の断面を有する、請求項１４記載の電気機械。
16. 前記少なくとも２つのコイルブロックのそれぞれが、少なくとも１つの非磁性、非金属材料で基本的に構成される、請求項１３記載の電気機械。
17. 前記非磁性、非金属材料がテクストライト（ｔｅｘｔｏｌｉｔｅ）、フッ素プラスチック、ナイロン、ガラスエポキシプラスチック、ガラスファイバプラスチック、積層ベークライト絶縁体から成る群から選択される、請求項１６記載の電気機械。
18. 第１の厚さを有する近位端と、前記第１の厚さより薄い第２の厚さを有する遠位端とを含む本体と、
    前記本体の中に入る少なくとも１つの凹部を有する第１の面と、
    前記第１の面にほぼ直交する第１の表面と、
    前記第１の表面および前記第１の面に対して角度を成す第２の表面とを備えるコイルブロックであって、
    これによりその第１の面が対向するように配向された１対のコイルブロックが、ほぼ台形の横断面を有し、前記１対のコイルブロックの各々の前記少なくとも１つの凹部で構成された少なくとも１つの冷却チャネルを形成するコイルブロック。
19. テクストライト（ｔｅｘｔｏｌｉｔｅ）、フッ素プラスチック、ナイロン、ガラスエポキシプラスチック、ガラスファイバプラスチック、積層ベークライト絶縁体から成る群から選択される少なくとも１つの非磁性、非金属材料から本質的に成る、請求項１８記載のコイルブロック。
20. 前記少なくとも１つの凹部が、前記第１の表面にほぼ平行な方向で前記本体の中に延在する、請求項１８記載のコイルブロック。