JP2016539616A

JP2016539616A - 流路障害を有する固定子積層体

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Publication number: JP2016539616A
Application number: JP2016536732A
Authority: JP
Inventors: トマスマーラー，
Original assignee: ヒルティアクチエンゲゼルシャフト
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-12-15
Also published as: EP3078097A2; WO2015082373A3; CN105794084A; EP2882077A1; US20160308407A1; WO2015082373A2

Abstract

電磁機械に使用するための固定子積層体であって、少なくとも１つの第１の金属薄板および１つの第２の金属薄板を備え、それぞれ中心点、内面、および外面を有する１つの環状素子および少なくとも１つの磁極素子を有し、この磁極素子はこの環状素子の内面に配置されており、かつ径方向でこの環状素子の中心点に向かって延伸しており、ここでこの磁極素子は第１の磁極端、第２の磁極端、上面、および第１の下面と第２の下面を備える磁極ティースを有する。この磁極ティースは、少なくとも１つの流れ障害素子を備える。【選択図】図１

Description

本発明は電磁機械に使用するための固定子積層体に関する。このため本発明による固定子積層体は、少なくとも１つの第１の金属薄板および１つの第２の金属薄板を備え、それぞれ中心点、内面、および外面を有する１つの環状素子および少なくとも１つの磁極素子を有し、この磁極素子はこの環状素子の内面に配置されており、かつ径方向でこの環状素子の中心点に向かって延伸しており、ここでこの磁極素子は第１の磁極端、第２の磁極端、上面、および第１の下面と第２の下面を備える磁極ティースを有する。
さらに本発明は、固定子積層体に使用される金属薄板に関する。

固定子積層体（しばしば金属板積層体とも称される）は、従来技術においては一般的に知られたものであり、電磁機械の固定子（または垂直部材（Staender）とも称される）の大部分を構成している。この電磁機械は、たとえば電動モータ、発電機、水力発電モータ、またはポンプであってよい。固定子はここでは電磁機械の固定された、動かない部分を意味し、逆に電磁機械の可動な部分である、いわゆる回転子または電機子（Laeufer）に対する相手部品を形成している。

この固定子の内面には、多くの場合鉄心を有するコイル（いわゆる電機子、Anker）から成る回転子が、固定子の磁極の間の磁界中で回転可能に支持されている。

この固定子は通常円筒形の固定子積層体から成っており、この固定子積層体は、複数の重なった、かつ互いに結合された金属薄板から形成されている。個々の金属薄板を金属板積層体に接合した後、この金属板積層体および特に個々の磁極素子の間の溝は合成樹脂の絶縁体層で覆われる。

このような従来技術の、複数の連続して重ねられた金属薄板から成る固定子積層体は、具体的には特許文献１に開示されている。この特許文献１には、１つの回転子と１つの固定子を有するリラクタンスモータが開示されている。この固定子には個々の独立した固定子磁極が形成されており、これらの固定子磁極は（コイル）巻線によって巻回されている。固定子に対するこの（コイル）巻線の電気的絶縁のために、これらの固定磁極およびこれらの固定子磁極の間の周囲方向に延伸している固定子壁部は合成樹脂成型部品で形成されたコイルボビン（すなわち絶縁素子）で覆われている。このコイルボビンは、（コイル）巻線に隣接する固定子領域の被覆のために盆状に形成されている。

このような従来技術の固定子積層体での問題は、短絡を防止するための合成樹脂絶縁体層がこの固定子コイルの内面で磁極素子とコイルとの間に理想的に塗布できないことであった。理想的とはここではこの合成樹脂絶縁体層が厚過ぎもせずまた薄過ぎもせず塗布されることを意味する。これは厚過ぎて塗布された合成樹脂は、固定子積層体の大きすぎる熱絶縁を意味し、また薄過ぎて塗布された合成樹脂は全く不十分な絶縁強度を有するからである。

この問題は具体的には、通常１つの磁極ティースの両端部で比較的多量の、あるいは厚い層の絶縁用合成樹脂が形成されることによる。これに相当する形態で特徴的な、この多量の絶縁用合成樹脂は、磁極ティースに巻回されたコイル巻線の支持部材あるいは保持部材として、このコイル巻線を確実に磁極ティースの位置に保持するために用いられる。これに対してこの磁極ティースの他の部位での合成樹脂絶縁体層、特に上記の固定子積層体の内面での合成樹脂絶縁体層は、固定子ティースの端部より薄くなっている。絶縁用合成樹脂の層は出来る限り薄いことが、この固定子積層体の内部からの望ましくない熱の排出のために有利である。この熱は巻線コイルによって生成される。ここでこの合成樹脂絶縁体層は、この固定子積層体の他の部位よりも倍も厚くなることが起こり得る。

実際の合成樹脂絶縁体層の塗布のためには、しばしばこの固定子積層体の一端に液状の絶縁合成樹脂がこの固定子積層体に流し込まれる。磁極ティースの端部には、たとえばこの磁極素子の脚部よりも多くの合成樹脂が塗布されなければならないこと、また上記のより多量の方の絶縁合成樹脂は、より少量の方の絶縁合成樹脂よりもゆっくりと流れることから、これら両者の異なる量がこの固定子積層体の反対側の端部に同時に到着しないことが起こる。これによってこの少量の方の絶縁合成樹脂は、この固定子積層体の端部で、上記のより多量な方の絶縁合成樹脂が同様にこの固定子積層体の端部に到着する前に既に冷却されて硬化することが起こる。これら両者の合成樹脂量の異なる温度およびこれによる異なる硬化の程度によって、これら両者が異なる量はこの固定子積層体に最終的に出会う部位で、この合成樹脂の絶縁の望ましくない接合線（Bindenaehten）となり得る。さらにより多量な方の合成樹脂のより遅い速度は、一般的にこの塗布処理全体を遅くする。

さらに、磁極脚部に巻回されたコイル巻線用の支持あるいは保持部材として用いられる、上記の多量な方の合成樹脂絶縁体は、このコイル巻線によって発生される望ましくない熱のこの固定子積層体内部からの理想的な排出に対して大きな問題となる。

本発明の課題は、上述の問題を解決することであり、特に上記の磁極素子あるいは上記の固定子積層体の内面での出来る限り理想的な絶縁を達成することである。さらに本発明の課題は、この固定子積層体における鉄の割合（すなわち電磁鋼板の形態の鉄）を出来る限り少なくすることである。換言すれば、この固定子積層体における鉄の割合が、丁度この固定子積層体における磁束の生成に必要な程度の大きさとなることが達成されることである。この鉄の割合の低減により、この固定子積層体は、全体としてより軽量となり、材料コストに関してより好ましく製造することができる。

上記の課題は、本発明によれば独立請求項１，７に記載の物により解決される。本発明による物のさらなる実施形態は従属する下位請求項に示される。

本発明の物によって電磁機械に使用するための固定子積層体が提供され、この固定子積層体は、少なくとも１つの第１の金属薄板および１つの第２の金属薄板を備え、それぞれ中心点、内面、および外面を有する１つの環状素子および少なくとも１つの磁極素子を有し、この磁極素子はこの環状素子の内面に配置されており、かつ径方向でこの環状素子の中心点に向かって延伸しており、ここでこの磁極素子は第１の磁極端、第２の磁極端、上面、および第１の下面と第２の下面を備える磁極ティースを有する。

さらに本発明は、本発明による固定子積層体に使用される金属薄板を提供する。

本発明によれば、磁極ティースは、少なくとも１つの流れ障害素子を備える。この流れ障害素子は、液体状態で塗布される合成樹脂絶縁体を低減し、これによって理想的な合成樹脂絶縁体層が実現される。この流れ障害素子が存在することによって生成される理想的な合成樹脂絶縁体は、特に、高い絶縁破壊耐性と共に均一な薄い壁厚を特徴とする。さらにこの合成樹脂絶縁体の均一な薄い壁厚によって、僅かな絶縁抵抗の非常に良好な熱伝導率を実現することができる。

上記の流れ障害素子は、どのような実施形態においても電磁的に反応せず、これより磁極素子での磁束には悪影響がない。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、上記の流れ障害素子は、第１の磁極ティース端部および／または第２の磁極ティース端部に配設されている。それぞれ１つの流れ障害素子をこの第１および／または第２の磁極ティース端部に設置することにより、液状の絶縁体材料の流れ速度が理想的に低減され、また同時に磁極脚部に巻回されたコイル巻線用に適合した支持あるいは保持部材が提供される。ここでこの流れ障害素子は、磁極ティースの下面および／または磁極ティース端部（複数）に設置されてよい。

磁極から突出した少なくとも１つの第１の隆起部および／または１つの第２の隆起部の形態とした、流れ障害素子の任意の追加的な形成によって、上記の液状の絶縁体材料の速度が効果的に低減され、また上記の磁極脚部に巻回されたコイル巻線を保持することができる。ここでこの隆起部は長手方向のバーまたは畝の形態で形成されていてよい。代替としてこの隆起部は他の適合したどのような形態であってよい。

もう１つの有利な実施形態においては、適宜上記の第１の隆起部が上記の第２の隆起部より大きくなっていてよい。この第１および第２の隆起部の異なった大きさの形態によって、上記の流れ障害素子の磁極ティースの外形への出来る限り理想的な合わせ込みを行うことができる。

この液状の絶縁体材料に対し出来る限り乱れた流れを生成するために、もう１つの実施形態によれば、第１の金属薄板の流れ障害素子が、磁極での第１の位置にあり、かつ第２の金属薄板の流れ障害素子が、この磁極での第２の位置にあると有利である。さらに、この磁極でのこの第１の金属薄板の流れ障害素子の第１の位置が、この磁極での第２の金属薄板の流れ障害素子に対してずれて配置されることも可能である。このようにこれらの流れ障害素子の、個々の金属薄板への異なる配置によって、ギザギザの、真っ直ぐでない流通路が生成し、これによって上記の液状の絶縁体材料がゆっくりと通流する。既に上述したように、本発明の課題は、特に固定子積層体における鉄の割合（すなわち電磁鋼板の形態の鉄）を出来る限り小さくすることであり、すなわち丁度この固定子積層体における磁束の生成に必要な程度の大きさの割合とすることである。上記の（合成樹脂の形態の）絶縁体材料を用い、これが磁極（すなわち当該固定子の内面）に塗布されることによって、ここでもこの固定子積層体に必要な空間距離および縁面距離を得ることができる。しかしながらこの絶縁体材料は、必ず均一に磁極上に（すなわちこの固定子積層体の内面に）塗布されなくともよく、この絶縁体材料の不均一な（不均質な）壁厚が生成されてもよい。この絶縁体材料の不均一な（不均質な）壁厚の効果を補償するために、複数の（上述の）流れ障害素子の他の流れ障害素子に対するずれた配置が適しており、これによって個々の金属薄板上でギザギザの流れ通路が生成され、これによって真っ直ぐでない流れ通路が生成される。

さらなる利点が以下の図の記載から明らかになる。これらの図には本発明の１つの実施形態例が示されている。本願の図、明細書、および特許請求の範囲は多くの特徴が組み合わされたものを含んでいる。当業者は、これらの特徴を適宜個別に扱い、また有意義なさらなる組み合わせにまとめるであろう。

第１の実施形態による、複数の個別の連続して重ねられた、互いに結合された金属薄板からなる本発明による固定子積層体の斜視図である。第１の実施形態による、複数の磁極素子および複数の流れ障害素子を有する金属薄板の前面図である。図２における部分図に対応した、第１の実施形態による流れ障害素子の詳細図である。第１の実施形態による磁極ティースの下面での流れ障害素子のさらなる詳細図である。第２の実施形態による、複数の個別の連続して重ねられた、結合された金属薄板からなる本発明による固定子積層体の斜視図である。第２の実施形態による、複数の磁極素子および複数の流れ障害素子を有する金属薄板から成る固定子積層体の前面図である。第２の実施形態による固定子積層体の長手方向の切欠き図である。第２の実施形態による磁極ティースの下面での流れ障害素子のさらなる詳細図である。固定子積層体の内面に絶縁体層を有する、この固定子積層体の斜視図である。固定子積層体の内面に絶縁体層を有する、この固定子積層体の前面図である。固定子積層体の内面に個別の１つの絶縁体層を有する、この固定子積層体の斜視図である。絶縁体層の個別の１つの部品の斜視図である。

図１〜４は、本発明による、第１の実施形態の固定子積層体１を示す。ここで図１は、特に、本発明による、第１の実施形態による固定子積層体１の斜視図を示す。固定子積層体１は、多数の連続して重ねられた金属薄板１０を含む。

図１および２に示すように、各々の金属薄板１０もまた前面１２、背面（不図示）、中心点、磁極素子１６、内面１７、および外面１８を有する円環状の環状素子１４を含む。

固定子積層体１の構築のために、個々の金属板部材１０が連続して重ねられて互いに結合される。こうしてこの固定子積層体１は、第１の固定子端２、第２の固定子端３、内面４、外面５、および中央開口部６を有する柱状形態を備える。この中央開口部６には、（不図示の）回転子が挿入され、回転可能に支持される。

この環状素子１４の内面１２には、個々の磁極素子１６が配置されている。各々の磁極素子１６は、第１の第１の磁極脚部端部２２および第２の磁極脚部端部２４を有する長方形の磁極脚部２０を含む。第１の磁極脚部端部２２は、環状素子１４の内面１２としっかり結合しており、特に、コイル線から成る不図示のコイル巻線を受け入れるために用いられる。第２の磁極脚部端部２４には磁極ティース３０がある。この磁極ティース３０は緩やかに曲げられた鎌形状を備え、第１の磁極ティース端部３２、第２の磁極ティース端部３３、連続した上面３４、第１の下面３５、および第２の下面３６を含む。第１の磁極ティース端部３２および第２の磁極ティース端部３３は、反対側にあり、この磁極ティース３０に第１の側部外面３７および第２の側部外面３８を備える。

磁極脚部２０は、第２の磁極脚部端部２４および磁極ティース３０により径方向でこの円環状の環状素子１４の中心点に向かって延伸している。

代替の（不図示の）実施形態によれば、固定子積層体１は、多数の固定子積層体セグメントを含んでよい。ここでそれぞれの固定子積層体セグメントは、少なくとも１つの磁極素子（図７参照）を含む。これらの固定子積層体セグメントは、（図示しない）結合素子を利用して、この固定子積層体の柱状形状が生成されるように互いに結合される。この結合素子は、差込結合、スライド結合、スナップ結合または接着結合であってよい。

同様に図１〜４に示すように、本発明による固定子積層体１の第１の実施形態によれば、各々の磁極ティース３０の第１の下面３５および第２の下面３６に流れ障害素子４０が配置されている。ここでこの流れ障害素子４０は、第１の丸められた隆起部４２および第２の丸められた隆起部４４の形態で形成されている。第１の隆起部４２および第２の隆起部４４は、それぞれ円環状の環状素子１４の内面１７の方向に延伸している。第１の隆起部４２は、第２の隆起部４４より少し小さく形成されている。さらに第１の隆起部４２は、第２の隆起部４４より磁極脚部２０の近くにある。第１の隆起部４２と第２の隆起部４４との間には丸められた陥凹部４６が窪みの形態で設けられている。これらの第１および第２の隆起部４２，４４、およびこの丸められた陥凹部４６によって、磁極ティース３０の第１の下面３５および第２の下面３６に、この固定子積層体１の方向Ｒで長手方向に連続した通路４８、および周方向Ｎで波形状の表面４９が生成される（図４参照）。

図５〜１２は、本発明による、第２の実施形態の固定子積層体１を示す。ここで図５は、特に、本発明による、第２の実施形態による固定子積層体１の斜視図を示す。図７に示すように、固定子積層体１は、多数の連続して重ねられた金属薄板１０を含む。ここでこれらの金属薄板１０は、異なる厚さを備えてよく、すなわちこの固定子積層体１は、それぞれ厚い第１の金属薄板１０ａおよび薄い第２の金属薄板１０ｂが交互になったものから成っていてよい。さらにこの第２の実施形態による金属薄板１０の形態は、上記の第１の実施形態による金属薄板１０の形態にほぼ対応している。

図８に示すように、本発明によるよる固定子積層体１の第２の実施形態によれば、同様に各々の磁極ティース３０の第１の下面３５および第２の下面３６に流れ障害素子１４０が配置されている。

ここで第２の実施形態による流れ障害素子１４０は、実質的に、磁極ティース３０の下面３５，３５に、丸められた角を有する長方形の第１の隆起部１４２および丸められた角を有する長方形の第２の隆起部１４４の形態で形成されている。第１の隆起部１４２および第２の隆起部１４４は、それぞれ円環状の環状素子１４の内面１７の方向に延伸している。

上記の第１の実施形態に対して、この第２の実施形態では、第１の隆起部１４２および第２の隆起部１４４がそれぞれの磁極ティース３０の下面３５，３６からの高さが同じになっている。第１の隆起部１４２と第２の隆起部１４４との間には丸められた陥凹部１４６が窪みの形態で設けられている。しかしながら第１の隆起部１４２の位置および第２の隆起部１４４は、個々の金属薄板１０の磁極ティース３０の下面３５，３６で同一でなく、むしろ互いにずれて配置されている。すなわち１つの流れ障害素子１４０の第１の隆起部１４２は厚い第１の金属薄板１０ａでは、薄い第２の金属薄板１０ｂでの流れ障害素子１４０の第１の隆起部１４２から別の位置にある（図７、および８参照）。

さらに１つの流れ障害素子１４０の第２の隆起部１４４は厚い第１の金属薄板１０ａでは、薄い第２の金属薄板１０ｂでの流れ障害素子１４０の第１の隆起部１４２から別の位置にある（図７、および８参照）。これにより厚い第１の金属薄板１０ａでの１つの流れ障害素子１４０の第２の隆起部１４２は、Ｒ方向で、薄い金属薄板１０ｂでの流れ障害素子１４０の第１の隆起部１４２と第２の隆起部１４４との間にある。

個々の金属薄板１０ａ，１０ｂのそれぞれの磁極ティース３０での、この第１の隆起部１４２および第２の隆起部１４４のずれた配置は、（上記の第１の実施形態と違い）全く真っ直ぐな溝あるいは通路でなく、むしろ方向Ｒで磁極ティース３０の下面３５，３６に沿った、個々の互いにずれて配設された凹部１４６となっている。

固定子積層体１の内面４への絶縁体層５０の取り付けのために、図９〜１１に示すように、液状の合成樹脂絶縁体材料が固定子端部２から方向Ｒに固定子端部３まで流れる。この液状の絶縁用合成樹脂の塗布での目的は、均等な、すなわち接合線（Bindenaehte）が無くまた固定子積層体１の内面４の全ての場所で同じ厚さの絶縁体層５０とすることである。すなわちこの絶縁体層５０は厚過ぎてはならず、また薄過ぎてもならない。ここで絶縁体層５０が厚過ぎると、この固定子積層体１の内部の（不図示）コイル巻線によって発生される熱の、この固定子積層体１の外面５への排出が悪くなる。これに対し薄過ぎる絶縁体層５０は、機械的な作用に対し充分な絶縁破壊耐性を提供しない。

特に図４に示すように、また上述したように、第１の実施形態による複数の流れ障害素子４０は小さな複数の通路あるいは複数の溝４８のみを磁極ティース３０に生成し、これによって液状の絶縁体材料が第１の固定子端部２から第２の固定子端部３まで通流しなければならない。これらの小さな溝４８によって、この液状の絶縁体材料の流れ速度が低減され、固定子積層体１の内面４での絶縁体材料は、磁極ティース３０の下面３５，３６での絶縁材料と（ほぼ）同じ流れ速度となる。以上により固定子積層体１の内面４および磁極ティース３０での絶縁体材料の流れが（ほぼ）同じ速さで流れ、これによって第２の固定子端部３に（ほぼ）同時に到着する。固定子積層体１の内面４での第１の絶縁体材料流と磁極ティース３０での第２の絶縁体材料流との、この（ほぼ）同時の出会いによって、これら２つの流れの温度は（ほぼ）同じとなり、これによってこれら２つの流れの出会いの場所での望ましくない結合線を防止することができ、固定子積層体１の内面４での連続した均等な、あるいは平坦な絶縁体層を実現することができる。

第１の実施形態とは対照的に、第２の実施形態においては、ずれて配置された複数の流れ障害素子１４０によって小さな通路あるいは溝は磁極ティース３０の下面３５，３６には全く生成されず、むしろ（既に上述したように）互いにずれて配設された複数の凹部１４６が磁極ティース３０の下面３５，３６に沿って方向Ｒに形成されている。固定子積層体１の内面４での絶縁体層５０の塗布の際には、上記の液状の絶縁体材料は、第１の固定子端部２から第２の固定子端部３まで流れる。ずれて配置された複数の凹部１４６を用いて、磁極ティース３０の下面３５，３６に沿った液上の絶縁体材料の流れ速度が効果的に低減される。これはこの液状の絶縁体材料が、平坦な表面に沿って流れることができず、むしろ交互にこの流れ障害素子の個々の隆起部１４２，１４４および凹部１４６を介して移動しなければならないからである。以上により同様に、固定子積層体１の内面４および磁極ティース３０の端部での絶縁体材料の流れが（ほぼ）同じ速さで流れ、これによって第２の固定子端部３に（ほぼ）同時に到着する。固定子積層体１の内面４での第１の絶縁材料流と磁極ティース３０での第２の絶縁材料流との、この（ほぼ）同時の出会いによって、これら２つの流れの温度は（ほぼ）同じとなり、これによってこれら２つの流れの出会いの場所での望ましくない結合線を防止することができ、固定子積層体１の内面４での連続した均等な、あるいは平坦な絶縁体層５０を実現することができる。

さらに流れ障害素子４０，１４０によって、この絶縁体層５０を、最適な厚さで（すなわち薄過ぎでも厚過ぎでもなく）、磁極ティース３０に塗布することができ、この際、磁極脚部２０に巻回されたコイル巻線用の支持あるいは保持部材を省くこと無く、または磁束密度の増加無しに行うことができる。この磁束密度の増加は磁極素子１６での磁気飽和をもたらし得るものである。最適な量あるいは厚さの絶縁体層５０が、個々の隆起部として形成された流れ障害素子４０，１４０へのその塗布の際に残り、これらの個々の流れ障害素子４０，１４０の間を（ゆっくりと）流れる。個々の流れ障害素子４０，１４０の間の距離が、最大でも塗布される絶縁体層５０の厚さにしか相当しないことから、この絶縁体層５０は、個々の流れ障害素子４０，１４０の間でも、また磁極端部３２，３３を含む全体で、最適な厚さ、すなわち薄過ぎでも厚過ぎでもなく塗布することができる。

Claims

少なくとも１つの第１の金属薄板および１つの第２の金属薄板を有する、電磁機械に用いられる固定子積層体であって、各々の金属薄板は、中心点、内面、および外面を有する環状素子と、当該環状素子の前記内面に配置され、当該環状素子の径方向で当該環状素子の前記中心点に向かって延伸している、少なくとも１つの磁極素子を備え、当該磁極素子は、第１の磁極ティース端部と、第２の磁極ティース端部と、上面と、第１の下面および第２の下面とを備え、
前記磁極ティースは、少なくとも１つの流れ障害素子を備えることを特徴とする固定子積層体。
前記流れ障害素子は、前記第１の磁極ティース端部および／または前記第２の磁極ティース端部に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載の固定子積層体。
前記流れ障害素子は、前記磁極から突出した少なくとも１つの第１の隆起部および１つの第２の隆起部の形態で形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の固定子積層体。
前記第１の隆起部は、前記第２の隆起部より大きいことを特徴とする、請求項３に記載の固定子積層体。
前記第１の金属薄板の流れ障害素子が、前記磁極での第１の位置にあり、かつ前記第２の金属薄板の流れ障害壁素子が、前記磁極での第２の位置にあることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固定子積層体。
前記磁極での前記第１の金属薄板の流れ障害素子の前記第１の位置が、前記磁極での前記第２の金属薄板の流れ障害素子に対してずれて配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の固定子積層体。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固定子積層体における金属薄板の使用。