JP2018501765A - 電気機械の巻線 - Google Patents

Abstract

磁極ピッチτｐでインダクタを有する電気機械の巻線は、磁場の一部を遮断するターンの複数のグループを有し、各グループは、ターンの第１のサブグループと、τｐに等しい間隔を空けた同じ相のターンの第２のサブグループとを備え、第１のサブグループのターンは、電流が前記サブグループのすべてのターンで同じ方向に流れてもよいような方法で接続され、第２のサブグループのターンは、電流が前記サブグループのすべてのターンで同じ方向に流れてもよいような方法で接続され、第１のサブグループのターンは、第１のグループの前記電流の方向が第２のサブグループの電流の方向に対向するような方法で第２のサブグループのターンに接続される。【選択図】図３

Description

本発明は、電気機械の巻線に関する。

電気機械は多くの形態で存在する。これらの機械は、機械エネルギから電気エネルギを発生させる発電機、または、電気エネルギから機械エネルギを発生させるモータである可能性がある。回転機械は、固定子に対して軸のまわりを回転する回転子を有する。直線型機械は、静的要素と、静的要素に対して直線的に移動する可動要素とを有する。本発明は、磁場を発生させるインダクタと電流が流れることができる電機子巻線とを有する電気機械に関する。インダクタが回転電気機械の回転子であり、かつ永久磁石であるとき、電機子巻線で電流にアクセスするためのブラシは必要ない。回転電気機械は、略円筒形形状を有する巻線を有し主に半径方向を向く磁場を発生させるインダクタを備えてもよい。回転電気機械はまた、略円板形状を有する巻線を有し、主に軸方向を向く磁場を発生させるインダクタを備えてもよい。直線型電気機械は、主に移動の方向に垂直に向き、電機子巻線の方へ方向付けられる磁場を発生させるインダクタを備えてもよく、この巻線は略長方形の形状を有する。

スロットレス無ブラシＤＣモータ（ＢＬＤＣモータ）の巻線は、「Ｂ．Ｄｅｈｅｚ，Ｍ．Ｍａｒｋｏｖｉｃ，Ｙ．Ｐｅｒｒｉａｒｄ，“Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ａｎｄ ｆｌｅｘ−ＰＣＢ ｓｌｏｔｌｅｓｓ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ｉｎ ＢＬＤＣ ｍｏｔｏｒｓ”，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＩＣＥＭＳ），２０１２ １５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．１−６，２１−２４ Ｏｃｔ．２０１２」により知られている。この文献は、ＢＬＤＣモータの一般的な構造について記述している。古典的な銅導線の巻線と、単純な形状（３個の区間の、傾斜した（波）または菱形（重ね）の巻線）を有する可撓性ＰＣＢ巻線との比較がなされ、可撓性ＰＣＢ巻線が、古典的な銅巻線よりも電力密度が潜在的に３０％向上していることが示される。しかし、最適な性能が得られる設計を見出す試みはなされていない。

本発明の目的は、電気機械の効率を向上させる巻線、あるいは／および、トルク密度（回転機械）または力密度（直線型機械）を向上させる巻線を提供することである。効率は、吸収パワーに対する供給パワーの比として定義されてもよい。モータにおいて、供給パワーはモータシャフトで利用可能な機械的パワー（すなわち、リニアモータの力×速度）であり、吸収パワーは巻線によって吸収される電力である。発電機において、供給パワーは巻線で提供される電力であり、吸収パワーはシャフトに提供される機械的パワー（すなわち、直線型発電機の力×速度）である。損失は、主に巻線の電気抵抗に関係がある。したがって、本発明の目的は、これらの損失を最小化し、同時に、電気機械で使用されるときに所定の高出力を供給する巻線を提供することである。トルクまたは力密度は、それぞれ、電気機械およびその重量によって発生する、トルクまたは力の比として定義されてもよい。電気機械の重量は、電機子巻線で生じるジュール損失で主に決定される。電機子巻線に流れる所定の振幅の電流の場合、ジュール損失はそれらの電気抵抗に正比例し、一方、トルクまたは力は、これらの巻線によって遮断され、インダクタによって生成される磁束の振幅に正比例する。したがって、本発明の目的は、電気抵抗を最小化し、同時に、これらの巻線によって遮断され、インダクタによって生成される磁束の振幅を最大化する巻線を提供することである。

本発明は、独立請求項により定義される。従属請求項は、有利な実施形態を定義する。

本発明の第１の態様によると、磁場を生成する、長さに沿って一連のＮＳ磁極の少なくとも１個の対を提供するインダクタ構造と相互作用するために適合される電気機械の巻線を提供し、前記極は前記長さに沿った磁極ピッチ距離τ_ｐによって分離され、巻線は１個または複数の相を備え、相の数はｎである。巻線は、前記長さに沿ってインダクタ構造に対して移動するように適合される。巻線は導体の対の複数のグループを有し、導体の各対は磁場の一部を遮断するターンを形成する。グループはτ_ｐ／ｎ以下の前記長さ沿って広がりを有する１個の相のターンの第１のサブグループと、前記長さに沿って第１のサブグループからτ_ｐに等しい間隔を空けて、τ_ｐ／ｎ以下の前記長さに沿って広がりを有する同じ相のターンの第２のサブグループとを備える。第１のサブグループのターンは、電流が前記サブグループのすべてのターンで同じ方向に流れてもよいような方法で接続され、第２のサブグループのターンは、電流が前記サブグループのすべてのターンで同じ方向に流れてもよいような方法で接続され、第１のサブグループのターンは、第１のグループの前記電流の方向が第２のサブグループの電流の方向に対向するような方法で第２のサブグループのターンに接続される。第１のサブグループおよび第２のサブグループは、同数ｔのターンを有してもよい。

好適には、導体の前記対は、第１の層に配置される第１の導体と、第２の層に配置される第２の導体とを備える。

前記第１および第２の層は中間層によって分離されてもよい。中間層は有利なことには絶縁していてもよい。第１の導体の１個の端は、前記中間層の開口を介して、対応する第２の導体の端に接続される。

本発明の好ましい実施形態において、前記第１の層、前記中間層、および前記第２の層はＰＣＢの層である。

本発明の重ねバージョンにおいて、ターンの導体の前記対の各々はループを形成する。ターンの入口および出口端子は、互いにごく近接してもよい。巻線の導体は対称中心線を示してもよく、対称軸は、中間層の中央高における、中間層の長さに沿った線である。

１個のターンの第１の層の導体がその長さに沿って伸長し、かつ第２の層の、対応して伸長している導体に前記中間層を介して接続されることで２個の隣接するターン間の接続が形成され、２個の隣接するターンが長さ方向に間隔が空けられている。

本発明の第１の改良において、ターンの前記第１および第２のサブグループは各々ｔ個のターンを有し、第１の層の第１の導体は長さ方向に１からｔまで付番され、第２の層の第２の導体も長さ方向に１からｔまで付番され、ｉ＝１からｉ＝ｔ−１まで高さの降順に、第１の層の第１の導体ｉは長さ方向に沿って伸長する水平ショートカット接続を介して前記導体の上端で第２の層の第２の導体ｔ−ｉに接続され、ｉ＝１からｉ＝ｔまで高さの昇順に、第１の層の第１の導体ｉは長さ方向に沿って伸長する水平ショートカット接続を介して前記導体の下端で第２の層の第２の導体ｔ−ｉ＋１に接続されている。前記水平ショートカット接続は、前記第１および／または前記第２の層に配置されてもよい。

本発明の第２の改良において、ターンの前記第１および第２のサブグループは各々ｔ個のターンを有し、第１のサブグループの第１の導体は長さ方向に１からｔまで付番され、続く第２のサブグループの第２の導体も長さ方向に１からｔまで付番され、第１の層の第１の導体ｉは、重なりを有する第１の導体から始まるｉから最後の導体ｔまで、第２の層の第２の導体１に重なる前記導体の範囲について、垂直方向に伸長する垂直ショートカットによって置き換えられ、第２の層の第２の導体ｉは、第１の導体１から始まるｉから重なりを有する最後の導体まで、第１の層の導体ｔに重なる前記導体の範囲について、垂直方向に伸長する垂直ショートカットによって置き換えられる。これらの垂直ショートカット接続は、それぞれ第１および第２の層にのみある、第１のサブグループのショートカット番号ｔおよび第２のサブグループのショートカット番号１を除いて、前記第１および／または第２の層に配置されてもよい。

本発明の波バージョンにおいて、ターンの導体の前記対は各々、波を形成する。ターンの入口および出口端子は、互いの前記長さに沿って、２×τ_ｐに近い間隔を空けてもよい。導体は対称点を示してもよく、反射点は中間層の中央高にある。

複数のターンが直列に接続されてもよく、複数のターン列が長さ方向に間隔を空けて連続的に配置されてもよく、１列のうち１個のターンの第１の層の第１の導体がその長さに沿って伸長し、かつ第２の層の連続的な列の、対応して伸長している第２の導体に前記中間層を介して接続されることで２個の連続的な列間の接続が形成され、２個の連続的な列が長さ方向に間隔が空けられている。

本発明の好ましいバージョンにおいて、ターンの第１のサブグループの第１の導体が、前記長さの両端で、中央高で遮られ、かつ前記中間層を介して第２のサブグループの対応する第２の導体と接続されることで連続的な回路が形成される。

本発明の前記第１の改良において、複数のターン列が長さ方向に順次間隔を空けて配置され、前記複数の列はｔ個の列であり、隣接する導体は第１および第２の層の両方で１からｔまで付番され、ｉ＝１からｉ＝ｔまで高さの降順に、第１の層の第１の導体ｉは長さ方向に沿って伸長する水平ショートカット接続を介して上端で第２の層の第２の導体ｔ＋１−ｉに接続され、ｉ＝１からｉ＝ｔまで高さの昇順に、第２の層の第２の導体ｉは長さ方向に沿って伸長する水平ショートカット接続を介して下端で第１の層の第１の導体ｔ＋１−ｉに接続されるが、それは、ｉ＝１からｉ＝ｔ−１まで高さの降順に、第１の層の第１の導体ｉが長さ方向に沿って伸長する水平ショートカット接続を介して第２の層の第２の導体ｔ−ｉに接続される前記複数の列の１個を除き、第１および第２の層の導体ｔは端子に接続されている。

本発明の前記第２の改良において、
複数のターン列が長さ方向に順次間隔を空けて配置され、前記複数の列はｔ個の列であり、隣接する導体は第１および第２の層の両方の長さに１からｔまで付番され、巻線は、本発明の波バージョンの巻線の修正から得ることができ、本修正は、
中間層の下部で伸長する第２のサブグループの第２の導体１の部分に、前記中間層を介して、前記中間層の中央高で、中間層の上部で伸長する第１のサブグループの第１の導体１の部分を、接続することと、
（ａ）第２のサブグループの第２の導体１との重なりの点までの、中間層の上部で伸長する、前記第１のサブグループの第１の導体２〜ｔ−１の部分を、
（ｂ）第１のサブグループの第１の導体１との重なりの点からの、中間層の下部で伸長する、第２のサブグループの第２の導体２〜ｔ−１の部分に、
（ｃ）第１および／または第２の層にある、垂直方向に伸長する垂直ショートカット接続を介して、
それぞれ向け直すことと、
（ａ）第２のサブグループの第２の導体１との重なりの点までの、中間層の上部の上で伸長する、前記第１のサブグループの第１の導体ｔの部分を、
（ｂ）第２のサブグループの第２の導体ｔとの重なりの点からの、中間層の下部で伸長する、第１のサブグループの第１の導体１の部分に、
（ｃ）第１の層にある、垂直方向に伸長する垂直ショートカット接続を介して、
向け直すことと、
第１の導体ｔに適用される垂直ショートカットである垂直軸のまわりの１８０°の回転の後に、同様の操作を実行することと
を含む。
巻線の波および重ねバージョンの両方に対する上記の接続および向け直しは、導体を流れる電流が接続または向け直される導体へ流れるようになっている。第２の改良による巻線が得られる、元の波巻きまたは重ね巻きの導体の未使用部分は、除去される。

好適には、本発明の第１および第２の改良による巻線、すなわち、垂直および／または水平ショートカットを有する巻線において、これらのショートカットは、明確に許可されない場合を除いて、第１および第２の層上で伸長してもよい。２個のショートカット導体を並列に有することは、巻線の全体的な抵抗を減少させ、したがって、効率が改善される。これらの場合、複数のビア孔は、第１および第２の層において前記対応する垂直および／または水平ショートカット接続を接続していてもよい。

好適には、１個または複数の巻線は、２個の重ね巻線の間に設置される絶縁層と重ね合わされる。

第２の態様によると、本発明は、電気機械でのこれらの巻線の使用に関する。細長い構成の巻線は、直線型電気機械で使用されてもよい。長さに垂直な方向に巻き上げられるとき、直線型電気機械は、円筒の内部の半径方向磁場を有する直線状の磁石に沿って進む円筒形巻線でもよい。円筒形構成において、巻線が長さ方向に巻き上げられるとき、巻線は、半径方向磁場を有する回転電気機械で使用されてもよい。平坦な構成において、円盤形状の形態に巻き上げられるとき、巻線は、軸方向磁場を有する回転電気機械で使用されてもよい。

本発明のこれらのおよびさらなる態様は、例によって、かつ添付図面を参照して、より詳細に説明される。

図１は、先行技術による重ね巻きの略図である。 図２は、先行技術による波巻きの略図である。 図３は、本発明の実施形態による重ね巻きの略図である。 図４は、本発明の実施形態による波巻きの略図である。 図５は、本発明の実施形態の第１の改良による重ね巻きの略図である。 図６は、本発明の実施形態の同じ第１の改良による波巻きの略図である。 図７は、本発明の実施形態の第２の改良による重ね巻きの略図である。 図８は、本発明の実施形態の同じ第２の改良による波巻きの略図である。 図９は、本発明の実施形態の第１および第２の改良を組み合わせた重ね巻きの略図である。 図１０は、本発明の実施形態の第１および第２の改良を組み合わせた波巻きの略図である。 図１１は、本発明の実施形態の第３の改良を有する波巻きの略図である。 図１２は、本発明の第１および第２の改良と組み合わせて本発明の実施形態の第３の改良を有する波巻きの略図である。 図１３は、軸方向磁場を有する回転電気機械で用いられる、本発明の実施形態の第１および第２の改良を組み合わせた重ね巻きの略図である。

各図面は、原寸大および一定の縮尺の何れでも描かれていない。一般に、図面内で同一の構成要素を同じ参照番号で示している。

先行技術および本明細書で論じられる本発明のすべての例において、実線として表される第１の導体６１が、破線として表される第２の導体６２に接続されることで、ターンが形成される。導体６１、６２は、直線、折線、または曲線でもよい。ターンの導体６１、６２の対はループを形成してもよい。この場合、導体は、それらの中央点を通過する線に関して、対象中心線を示してもよく、図１、３、５、７、および９に示されるように、重ね巻きを形成してもよい。巻線の中央高の線は、巻線の左および右の端部の破線として図面に表される。あるいは、ターンの導体６１、６２の対は波を形成してもよい。この場合、導体は対称点を示してもよく、図２、４、６、８、１０、１１、および１２に示されるように、波巻きを形成してもよい。本発明の第１の実施形態において、導体は、当該技術分野において知られている多くの手段によって互いから絶縁されるワイヤまたはロッドでもよい。たとえば、導体は絶縁物質でコーティングされてもよい。また、導体は、絶縁していてもよい支持体のまわりに巻き付けてのよく、またはそれに包み込んでもよい。本発明の第２の実施形態において、第１の導体６１は１個の層にあり、第２の導体６２は第２の層にあり、好ましくは、絶縁層によって互いに分離される。これらの導体は、導電性材料のシートから切り取ることによって得られてもよい。切取りは、機械的切断、レーザ切断、または薬品侵食などの知られている技術によって実行されてもよい。次いで、第２の層の第２の導体６２への第１の層の第１の導体６１の接続は、導体が接触またははんだ付けされる絶縁層の開口によって得られてもよい。これらの導体はまた、プリント回路基板（ＰＣＢ）の両面に印刷されたトラックでもよい。次いで、ＰＣＢの第２の側部の第２の導体６２への、ＰＣＢの第１の側部の第１の導体６１の接続は、導電性材料を含有するビア孔４３、すなわち、ＰＣＢを通る孔によって実現されてもよい。用語「ビア孔」は、第２の導体６２への第１の導体６１の異なる接続手段を示すために、本明細書で使用される。ビア孔４３は、図では小さい円で表される。すべてのこれらの解決方法は、当該技術分野においてよく知られている。論じられるすべての例において、長さ方向は図の左から右の方向であり、高さ方向は図の底部から最上部への方向である。これはリニアモータまたは発電機の事例であるため、巻線は平坦な構造として表される。巻線はまた、半径方向の磁場を有する回転電気機械で用いるために、長さ方向に沿って１回以上円筒状に巻き上げられてもよい。巻線はまた、半径方向の磁場を有する直線チューブ状電気機械で用いるために、長さ方向に垂直な方向に沿って、１回以上円筒状に巻き上げられてもよい。巻線はまた、軸方向の磁場を有する電気機械で用いるために、円盤状に巻き上げられてもよい。次いで「長さ」は方位角距離として理解されるべきである。巻線が１回以上巻き上げられるとき、または、複数の巻線が重ね合わせられるとき、巻線ターン／ループ間の望ましくない短絡を避けるために、第４の絶縁かつ任意選択的に粘着性のシートを各巻線層の間に挿入してもよい。

図１は、先行技術による電気機械の重ね巻きの例の略図である。図の左および右のドットによって表される線に関して線対称である第１の導体６１は、図の底部でビア孔４３を介して第２の導体６２に接続されることでターンを形成する。複数のこのようなターン（本例では１０個のターン）が直列に接続されることで電流入口端子４４と電流出口端子４５とを有する、ターンのグループを形成する。連続的なターンは、互いに対して長さ方向に移動する。これは、第１および第２の導体をそれらの高さＬ１を越えて高さＬ２まで伸長し、高さＬ２でビア孔４３を介してターンを隣接するターンに接続することによって、得ることができる。図１は三相巻線を示し、第１の相は太線で描かれ、他の２個の相は細線で描かれている。磁場を提供するインダクタ構造は、棒として概略的に表され、２個のＮ極および２個のＳ極を示す。このインダクタ構造は明瞭にするために巻線の底部に表されているが、巻線に重なっているため、ターンは磁場を遮断する。電気機械は、巻線が磁石構造に対して長さ方向に移動できるように設計される。Ｎ極とＳ極との間の長さ方向の分離距離はτ_ｐである。図１から分かるように、従来の巻線の相の２個の連続するグループの間の距離は２τ_ｐであり、それにより、これらの２個のグループは、符号および振幅の両方において、同じ磁場を遮断する。長さ方向のグループの範囲は、２τ_ｐを相の数で割ったものである。この条件は、ターンの連続するグループの重なりを防ぐために必要とされる。１個のグループの電流出口端子４５を、同じ相の連続するグループの電流入口端子４４に接続することで、導体の電流を矢印で示す方向に流してもよい。図１の先行技術巻線は、国際公開第２０１４／２０７１７４号パンフレットの段落［００３０］および図７ａでさらに詳細に論じられる。

図２は、図１と同様の、先行技術による電気機械の巻線の例の略図であり、導体６１、６２が波ターンを形成する違いがある。導体６１、６２は直線として形成されるが、他の例で示されるように、折線または曲線として形成されてもよい。ここで、図１のように、２個のグループの間の距離は２τ_ｐであり、長さ方向のグループの範囲は２τ_ｐ／３である。

図３は、本発明の実施形態による重ね巻きの略図である。図１の巻線に対して、図３の巻線は、ターンのグループがターンの第１のサブグループ８１とターンの第２のサブグループ８２とに分割されているように、修正されている。第２のサブグループ８２は、第１のサブグループ８１から長さ方向に間隔τ_ｐを空けて設置される。長さ方向のサブグループの範囲は、τ_ｐを相の数で割ったもの、すなわち、図１の巻線のグループの範囲の半分である。この条件は、ターンの連続するサブグループの重なりを防ぐために必要とされる。第１のサブグループの電流入口／出口端子４４／４５と、第２のサブグループの電流入口／出口端子４４’／４５’は逆順であり、第１のサブグループの導体６１を流れる電流は、第２のサブグループの対応する導体６１’を反対方向に流れる。１個のサブグループの電流出口端子４５が同じ相の別の連続するサブグループの電流入口端子４４’に接続されるとき、この条件を満たすことができる。図３で分かるように、第１のサブグループがＮ極の磁場を遮断するとき、同じ相の続く第２のサブグループはＳ極の磁場を遮断する。本発明者らは、本発明によるこの巻線は、三相巻線について、同じ特性を有する図１の先行技術の対応する巻線に対して、トルクまたは力密度が約１５％向上していることを決定した。この向上は、相のターンが磁束を遮断して、起電力を生成し、その相広がりが先行技術の巻線に対して１／２に減少するという事実から生じる。したがって、ターンの数が乗じられて、以下の数式によって与えられる、１個のターンの起電力振幅に対する巻線の起電力振幅を関連付ける広がり因子は、三相巻線において、０．８２７から０．９５５へ増加する。
２ｓｉｎ（α／２）／α
ここで、αは最大位相差である。相広がりは電気角度を１２０から６０まで減少させる。

図４は、本発明の実施形態による波巻きの略図である。図３の巻線に対する図１の巻線の修正が、図２の巻線に同様に適用されている。効率についての同じ向上が得られる。

図５は、本発明の実施形態の第１の改良による重ね巻きの略図である。サブグループのターンを相互接続する方法が、図３のサブグループのターンを相互接続する方法に対して改良されている。図５を参照すると、第１のサブグループの３が付番された第１の導体６１は、水平ショートカット接続４６を介して、同じサブグループの２が付番された第２の導体に接続されている。相抵抗を減少させるために、この水平ショートカット接続は、第１の層および第２の層で並列に作られてもよい。同様のショートカット接続は、巻線の最上部および底部の両方で、サブグループのすべてのターンに対して作られる。当業者には公知のように、相対移動に垂直な電流の成分（すなわち、円筒形電気機械の軸電流）だけがモータにトルクまたは力を発生させる。したがって、表層の第１の導体６１と第２の層の第２の導体６２とが重なる、図３の巻線の底部および最上部の略三角形の領域において、結果的に生じるトルクはゼロである。このことが、電気機械がモータである場合に図５に示される改良されたターン間接続形態がトルクまたは力に損失が生じることなく、一方で、相抵抗を減少させる理由を説明している。幾何形状および電流が同じであれば、図５の巻線は図３の巻線と同じトルクまたは力を生じる。図３の巻線と比較して、図５の巻線はトラックが短いため、相抵抗Ｒ_ｐｈが減少する。同じ理由により、電気機械が発電機である場合、図３および図５の巻線により生じるｅｍｆは均等である。

図６は、本発明の実施形態の同じ第１の改良による波巻きの略図である。改良は、図５の巻線を得るために図３の巻線に行われる修正に対応するが、図４の巻線に適用される。水平ショートカット接続４６は導体の全長を減少させるが、電気機械のトルクまたは力を減少させることはない。出願人は、従来の設計に関して、結果的に生じるトルクまたは力密度が水平ショートカットのない巻線に対して１０％を超えて向上することを観察した。

図７は、本発明の実施形態の第２の改良による重ね巻きの略図である。改良点は、それらの高さの中央領域における導体６１、６２の形状の修正である。図７を参照すると、一例として、第１のサブグループ８１の３が付番された第１の導体６１は、第２のサブグループ８２の１が付番された導体６２との重なりの点から始まる垂直ショートカット接続４７により、ショートカットする。第２のサブグループ８２の第２の導体６２はまた、上記の第１のサブグループの最後の導体６１との重なりの点からの垂直ショートカット接続４７’によりショートカットする（示される例における導体２）。第１のサブグループの最後の垂直ショートカットおよび第２のサブグループの最初の垂直ショートカットを除いて、これらのショートカットは第１および第２の層で並列に伸長してもよく、それにより相抵抗はさらに減少する。第１のサブグループの最後のショートカットおよび第２のサブグループの最初の垂直ショートカットは重なり、異なる回路の一部であり、並列に組み合わせなくてもよいが、それぞれ第１および第２の層のままでなければならない。水平ショートカットおよび図５に対して説明された理由と同様の理由のために、図７の巻線は、垂直ショートカットのない図３の対応する巻線と同じトルクまたは力を生成する。図７の導体形状のために、結果的に生じるトルクまたは力効率が垂直ショートカットのない図３の巻線に対して１％を超えて向上することが決定している。

図８は、本発明の実施形態の同じ第２の改良による波巻きの略図である。改良は、図７の巻線を得るために図３の巻線に行われる修正に対応するが、図４の巻線に適用される。垂直ショートカット接続４７は巻線の全体的な長さおよび抵抗を減少させるが、電気機械のトルクまたは力を減少させることはない。

図９および１０はそれぞれ、本発明の実施形態の第１および第２の改良を組み合わせた、重ね巻きおよび波巻きの略図であり、ここで、導体は３個の直線区間を有する。この例は、本発明およびその改良が、導体が直線、折線、または曲線である巻線に同様に適用されることを示す。

本発明の第２の改良による波巻きの概念（すなわち、垂直ショートカットを有すること）は、図１０の巻線を得るために図４の巻線に実行される修正を説明し、巻線の中央高でダイヤモンド（菱形）形の領域に設置される、垂直ショートカットの改良にのみ焦点を合わせることによって説明される。第１のサブグループの第１の導体６１（実線）は、左から右に順次付番されて、６１／１〜６１／ｔを示す（図１０においては、ｔは５である）。同様に、第２のサブグループの第２の導体６２’（破線で表される）は、６２’／１から６２’／ｔまで付番される。第１の修正（ａ）において、第１の導体６１／１は巻線の中央高で遮られ、巻線の下部で、導体６２’／１の部分にビア孔を介して接続される。導体６１／１および６２’／１の残りの部品は以下で論じられる。第２の修正（ｂ）において、導体６１／２〜６１／ｔ−１の上部は、それらが第２のグループの第２の導体６２’／１に重なる点まで保持される。重なりのその点から、それらは遮られて、導体６２’／２〜６２’／ｔ−１が導体６１／１に重なる点まで、垂直ショートカット４７によって下方へ延びる。重なりのその第２の点から、垂直ショートカットは、下方へ伸長する導体６２／’２〜６２’／ｔ−１の部分にそれぞれ接続される。第３の修正（ｃ）において、導体６１／ｔの上部は、それが第２のグループの第２の導体６２’／１に重なる点まで保持される。重なりのその点から、それは遮られて、導体６２’／ｔが導体６１／１に重なる点まで、垂直ショートカット４７によって下方へ延びる。重なりのその第２の点から、垂直ショートカットは、下方へ伸長する第１のグループの第１の導体６１／１の部分に接続される。元の無修飾の巻線の導体の未使用部分は除去される。垂直ショートカット２〜ｔ−１は、中間層の両側で並列に伸長してもよく、それによって、巻線の抵抗を減少させる。最後の垂直ショートカットｔは、一方側でのみ伸長してもよい。修正（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、図１０のダイヤモンド領域の左側に対処する。同様の修正は、図１０のダイヤモンド領域の右側に対して実行されるが、巻線はダイヤモンドの垂直方向の対角線のまわりを１８０°回転し、同じ接続および向け直しが、前の導体の位置を現在占める導体で実行される。同じ操作は、巻線に生じるすべてのダイヤモンド上で実行されてもよい。たとえば、巻線の上部の第１のサブグループの導体６１／１〜６１／ｔ−１における、下方へ流れる電流は、自然方向さらに下方へ流れ、導体６２’／１〜６２’／ｔ−１においては、図４の巻線と同様に同じモータまたは発電機効果を発生するが、抵抗は減少し、したがって、効率が向上することが図から分かる。本議論において、「重なること」は、「同じ位置であるが中間層の異なる側にあること」を意味するように理解されるべきである。

図３〜１０に関して論じられたすべての例は、巻線の左および右の端部での接続について論ずることなく説明されている。図３、５、７、および９の重ね巻きに関して、状況は単純である。サブグループの各々がコイルを形成し、各々が１個の電流入口端子４４および電流出口端子４５を有し、これらは外部手段に接続されてもよく、または、各々が電流入口端子および電流出口端子を有する多数の相を形成するように相互接続されてもよい。巻線は、任意の長さでもよく、ターンの複数のグループを有し、同じ相の対応するグループおよびサブグループが重なるような方法で、２個の層の間の絶縁層とともに、円筒状に巻き上げられてもよい。ＰＣＢ巻線の場合、ＰＣＢの上面高さでのサブグループ間の相互接続を含む導体のすべてが、任意の追加の配線を必要とすることなく、単一のＰＣＢで製造されてもよい。

図４の波巻きにおいて、右側端部の第２の導体６２は、巻線の左側端部の対応する第１の導体６１に接続されてもよい。これは、ＰＣＢの最上部において、外部配線または追加のトラックで実行されてもよい。図１１および１２は、これらの外部配線または追加のトラックの必要がない本発明の第３の改良の例を示す。図１１を参照すると、巻線の右側端部における、第１の層のターンの第１のサブグループ８１の導体６１は、中間層の中央高で遮られ、他の層の第２のサブグループ８２の導体６２の対応する下半分に、ビア孔４３を有する前記中間層を介して接続される。これは、このサブグループのすべての導体について実行され、巻線の左側で同じように実行される。これにより、各相が電流入口端子４４および電流出口端子４５を有する閉路を有することになる。結果的に生じる巻線は、任意の追加の配線または接続を必要とすることなく、単一のＰＣＢとして生成することができる。図１１は、各相および各サブグループに３個のターンを有する巻線を示すが、意図される電気機械の必要性に従って、任意の数のターンを有する巻線が生成されてもよい。図１２は、水平および垂直両方のショートカットを有する巻線において導体の同じ端部巻付けを有する巻線の例を示す。図１２の巻線は、本発明のすべての改良を組み合わせている。

図１３は、軸方向磁場を有する回転電気機械で用いられる、本発明の実施形態の第１および第２の改良を組み合わせた重ね巻きの略図である。この巻線は、軸に沿って、すなわち図に垂直に向けられる磁場を発生させる、２個のＮ極および２個のＳ極を有するインダクタと相互作用するように適合される。極は互いから９０度で分配される。巻線は、互いから９０度の角距離で、２個の第１のサブグループ８１および２個の第２のサブグループ８２を有する。

本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、実施形態は本発明を例示するものであって限定的に解釈してはならない。より一般的には、本発明が上で個別に図示および／または記述した内容に限定されないことは当業者には理解されよう。

請求項内の参照番号はそれらの保護範囲を限定しない。動詞「〜を含む（ｔｏ ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「〜を包含する（ｔｏ ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「〜からなる（ｔｏ ｂｅ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ）」、または他の任意の変型は、各々の活用形とともに、明示されていない要素の存在を排除しない。要素に先行する冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、または「その（ｔｈｅ）」は、そのような要素が複数存在することを排除しない。

本発明はまた、以下のように記載することができる。本発明は、磁場を生成する、長さに沿って一連のＮＳ磁極の少なくとも１個の対を提供するインダクタ構造と相互作用するために適合される電気機械の巻線を提供し、前記極は前記長さに沿った磁極ピッチ距離τ_ｐによって分離される。巻線は、１個または複数の相を備えてもよく、前記長さに沿ってインダクタ構造に対して移動するために適合されてもよく、導体の対の複数のグループを有し、導体の各対は前記磁場の一部を遮断するターンを形成する。本発明によると、１個の相のターンの第１のサブグループは、τ_ｐ／ｎ以下の長さに沿って広がりを有し、同じ相のターンの第２のサブグループは、前記長さに沿ってτ_ｐに等しい間隔を空けて、τ_ｐ／ｎ以下の長さに沿って広がりを有し、第１のサブグループのターンは、電流が前記サブグループのすべてのターンで同じ方向に流れてもよいような方法で接続され、第２のサブグループのターンは、電流が前記サブグループのすべてのターンで同じ方向に流れてもよいような方法で接続され、第１のサブグループのターンは、第１のグループの前記電流の方向が第２のサブグループの電流の方向に対向するような方法で第２のサブグループのターンに接続される。第１のサブグループおよび第２のサブグループは、同数ｔのターンを有してもよい。

Claims (20)

1. 磁場を生成する、長さに沿って一連のＮＳ磁極の少なくとも１個の対を提供するインダクタ構造と相互作用するために適合される電気機械の巻線であって、前記極が前記長さに沿った磁極ピッチ距離τ_ｐによって分離され、
   前記巻線が１個または複数の相を備え、前記相の数がｎであり、前記巻線が前記長さに沿って前記インダクタ構造に対して移動するように適合され、
   前記巻線が導体（６１、６２；６１’、６２’）の対の複数のグループを有し、導体の各対は前記磁場の一部を遮断するターンを形成し、
   グループが、
   τ_ｐ／ｎ以下の前記長さに沿って広がりを有する１個の相のターン（６１、６２）の第１のサブグループと、
   前記長さに沿って第１のサブグループからτ_ｐに等しい間隔を空けて、τ_ｐ／ｎ以下の前記長さに沿って広がりを有する同じ相のターン（６１’、６２’）の第２のサブグループと
   を備え、
   前記第１のサブグループのターンが、電流が前記サブグループのすべてのターンで同じ方向に流れてもよいような方法で接続され、
   前記第２のサブグループのターンが、電流が前記サブグループのすべてのターンで同じ方向に流れてもよいような方法で接続され、
   前記第１のサブグループのターンが、前記第１のグループの前記電流の前記方向が前記第２のサブグループの前記電流の前記方向に対向するような方法で前記第２のサブグループのターンに接続される、
   巻線。
2. 請求項１に記載の巻線において、
   前記第１のサブグループおよび前記第２のサブグループが同数ｔのターンを有する
   ことを特徴とする巻線。
3. 請求項１または２に記載の巻線において、
   導体の前記対が、第１の層に配置される第１の導体（６１）と、第２の層に配置される第２の導体（６２）とを備える
   ことを特徴とする巻線。
4. 請求項３に記載の巻線において、
   前記第１および第２の層が中間層によって分離され、前記中間層が前記長さに垂直な高さを有し、第１の導体（６１）の１個の端が、前記中間層の開口を介して、対応する第２の導体（６２）の端に接続される
   ことを特徴とする巻線。
5. 請求項４に記載の巻線において、
   前記第１の層、前記中間層、および前記第２の層がＰＣＢの層である
   ことを特徴とする巻線。
6. 請求項４または５に記載の巻線（４０）において、
   ターンの前記対導体（６１、６２；６１’、６２’）の各々がループを形成する
   ことを特徴とする巻線。
7. 請求項６に記載の巻線において、
   １個のターンの前記第１の層の導体（６１、６１’）がその長さに沿って伸長し、かつ前記第２の層の、対応して伸長している導体（６２、６２’）に前記中間層を介して接続されることで２個の隣接するターン間の接続が形成され、前記２個の隣接するターンが前記長さ方向に間隔が空けられている
   ことを特徴とする巻線。
8. 請求項６または７に記載の巻線において、
   ターンの前記第１および第２のサブグループが各々ｔ個のターンを有し、前記第１の層の第１の導体（６１、６１’）が前記長さ方向に１からｔまで付番され、前記第２の層の第２の導体（６２、６２’）も前記長さ方向に１からｔまで付番され、ｉ＝１からｉ＝ｔ−１まで高さの降順に、前記第１の層の第１の導体ｉが前記長さ方向に沿って伸長する水平ショートカット接続（４６）を介して前記導体の前記上端で前記第２の層の第２の導体ｔ−ｉに接続され、
   ｉ＝１からｉ＝ｔまで高さの昇順に、前記第１の層の第１の導体（６１）ｉが前記中間層の前記長さ方向に沿って伸長する水平ショートカット接続（４６’）を介して前記中間層の前記下端で前記第２の層の第２の導体（６２）ｔ−ｉ＋１に接続され、前記水平ショートカット接続（４６、４６’）が前記第１および／または前記第２の層にある
   ことを特徴とする巻線。
9. 請求項６乃至８の何れか一項に記載の巻線において、
   ターンの前記第１および第２のサブグループが各々ｔ個のターンを有し、
   第１のサブグループの第１の導体（６１）が前記長さ方向に１からｔまで付番され、続く第２のサブグループの第２の導体（６２）も前記長さ方向に１からｔまで付番され、
   前記第１の層の第１の導体（６１）ｉが、重なりを有する前記第１の導体から始まるｉから最後の導体ｔまで、前記第２の層の第２の導体（６２）１に重なる前記導体の範囲について、垂直方向に伸長する垂直ショートカット（４７）によって置き換えられ、
   前記第２の層の第２の導体（６２）ｉが、前記第１の導体１から始まるｉから重なりを有する前記最後の導体まで、前記第１の層の導体ｔに重なる前記導体の範囲について、垂直方向に伸長する垂直ショートカット４７’によって置き換えられ、
   前記垂直ショートカット接続（４７、４７’）が、それぞれ第１および第２の層にある、第１のサブグループのショートカット番号ｔおよび第２のサブグループのショートカット番号１を除いて、前記第１および／または第２の層にある
   ことを特徴とする巻線。
10. 請求項４または５に記載の巻線において、
    ターンを形成する導体（６１、６２；６１’、６２’）の前記対が各々、波を形成する
    ことを特徴とする巻線。
11. 請求項１０に記載の巻線において、
    複数のターンが直列に接続され、複数のターン列が前記長さ方向に順次間隔を空けて配置され、対応している伸長を有して、１列のうち１個のターンの前記第１の層の第１の導体（６１）がその長さに沿って伸長し、かつ前記第２の層の連続的な列の、対応して伸長している第２の導体（６２）に前記中間層を介して接続されることで２個の連続的な列間の接続が形成され、前記２個の連続的な列が前記長さ方向に間隔が空けられている
    ことを特徴とする巻線。
12. 請求項１０または１１に記載の巻線において、
    ターン（６１）の前記第１のサブグループの第１の導体が、前記長さの両端で、中央高で遮られ、かつ前記中間層を介して前記第２のサブグループの対応する第２の導体（６２’）と接続されることで連続的な回路が形成される
    ことを特徴とする巻線。
13. 請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の巻線において、
    複数のターン列が前記長さ方向に順次間隔を空けて配置され、前記複数の列がｔ個の列であり、隣接する導体が前記第１および第２の層の両方で１からｔまで付番され、高さの降順に、前記第１の層の第１の導体（６１）１〜ｔが前記長さ方向に沿って伸長するｔ水平ショートカット接続（４６）を介して前記上端で前記第２の層の第２の導体（６２）ｔ〜１それぞれに接続され、高さの昇順に、前記第２の層の第２の導体（６２）１〜ｔが前記長さ方向に沿って伸長する水平ショートカット接続（４６’）を介して前記下端で前記第１の層の第１の導体（６１）ｔ〜１に接続されるが、
    それは、高さの降順に、前記第１の層の第１の導体（６１）１〜ｔ−１が前記長さ方向に沿って伸長するｔ−１水平ショートカット接続（４６）を介して前記上端で前記第２の層のそれぞれ第２の導体（６２）ｔ−１〜１に接続される前記複数の列の１個を除き、
    前記第１および第２の層の導体ｔが端子に接続されている
    ことを特徴とする巻線。
14. 複数のターン列が前記長さ方向に順次間隔を空けて配置され、前記複数の列はｔ個の列であり、隣接する導体が前記第１および第２の層の両方の前記長さ方向に１からｔまで付番され、請求項１０乃至１３の何れか一項に記載の巻線の修正によって得られる巻線であって、前記修正が、
    中間層の上部で伸長する第１のサブグループの第１の導体６１／１の部分を、前記中間層を介して、前記中間層の中央高で、中間層の下部で伸長する第２のサブグループの第２の導体６２’／１の部分に接続することと、
    それぞれ向け直すことであって、
    （ａ）第２のサブグループの第２の導体６２’／１との重なりの点までの、中間層の上部で伸長する、前記第１のサブグループの第１の導体６１／２〜６１／ｔ−１の部分を、
    （ｂ）第１のサブグループの第１の導体６１／１との重なりの点からの、中間層の下部で伸長する、第２のサブグループの第２の導体６２’／２〜６２’／ｔ−１の部分に、
    （ｃ）第１および／または第２の層にある、垂直方向に伸長する垂直ショートカット接続（４７）を介して、
    それぞれ向け直すことと、
    向け直すことであって、
    （ａ）第２のサブグループの第２の導体６２’／１との重なりの点までの、中間層の上部で伸長する、前記第１のサブグループの第１の導体６１／ｔの部分を、
    （ｂ）第２のサブグループの第２の導体６２’／ｔとの重なりの点からの、中間層の下部で伸長する、第１のサブグループの第１の導体６１／１の部分に、
    （ｃ）導体２〜ｔ−１については第１および／または第２の層にあり、導体ｔについては第１の層にのみある、垂直方向に伸長する垂直ショートカット接続（４７）を介して、
    向け直すことと、
    第１の導体ｔに適用される前記垂直ショートカットである垂直軸のまわりの１８０°の回転の後に、同じ操作を実行することと
    を含む、
    ことを特徴とする巻線。
15. 請求項８、９、１３、１４の何れか一項に記載の巻線において、
    複数のビア孔（４３）が、前記中間層の前記第１および第２の層において前記対応する垂直および／または水平ショートカット接続（４６ ４６’、４７、４７’）を接続している
    ことを特徴とする巻線。
16. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の巻線の使用において、
    前記巻線が、直線型電気機械において、細長い構成である
    ことを特徴とする使用。
17. 請求項１６に記載の使用において、
    前記巻線が、前記長さに垂直な方向に巻き上げられる
    ことを特徴とする使用。
18. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の巻線の使用において、
    回転電気機械の円筒形構成において、前記巻線が前記長さ方向に巻き上げられる
    ことを特徴とする使用。
19. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の巻線の使用において、
    軸方向磁場を有している回転電気機械の平坦な構成において、前記巻線が円盤形状の形態に巻き上げられる
    ことを特徴とする使用。
20. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の巻線の使用において、
    １個または複数の巻線が、２個の重ね巻線の間に設置される絶縁層と重ね合わされる
    ことを特徴とする使用。

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