JP2018526956A

JP2018526956A - 電機およびその製造方法

Info

Publication number: JP2018526956A
Application number: JP2018511227A
Authority: JP
Inventors: ミュラー、イェルク; ロイベルト、シュテファニー; フォルクムート、ベンヤミン; ヴェーナー、アンドレアス
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2018-09-13
Also published as: CN108028569B; EP3329579A1; EP3139474A1; CN108028569A; US10277089B2; US20180316237A1; WO2017036745A1

Abstract

本発明は水平周方向（１４）に回転子（６）と固定子（２）を備え、回転子（６）と固定子（２）が電磁的に協働し、固定子（２）が巻線用にずれて配置された半径方向の多数のティースを有し、これらのティースが水平周方向（１４）に配置され、これらのティースがそれぞれティースキャップ（２０）とティース磁極（２１）に接続され、少なくとも１つのティースがウェブ（２２）間に固化、特に硬化可能な媒体を収容するため水平周方向（１４）に間隔を置いて天頂方向に半径方向に延びている２つのウェブ（２２）により形成される電気機械（１）に関する。さらに本発明はこのような電気機械の運転方法並びに製造方法に関する。【選択図】図４

Description

本発明は、回転子と水平周方向に固定子を備え、回転子と固定子が電磁的に協働し、固定子が巻線用にずれて配置された半径方向の多数のティースを有し、これらのティースが水平周方向に配置され、これらのティースがそれぞれティースキャップとティース磁極に接続される電気機械に関する。さらに本発明はこの種の電気機械の運転方法並びにこの種の電気機械の製造方法に関する。

電気機械の回転子はしばしばティースに巻線が施されるが、巻線は一つのティースの積層板の端面で互いに接続される。電気機械の負荷が大きくなればなるほど、ティースおよびティースの周りの巻線自体も加熱の度合いが高まる。これは特に高回転数の電気機械モータに対しても該当する。高回転数ではしばしば回転子のティースキャップが、特に遠心力を受けるティースの半径方向の支持のために必要とされる。これらのティースキャップは通常は高強度の鋼からなり、閉鎖型の構造として形成されている。軸線方向側ではティースキャップはシャフトの付け根部分に焼き嵌めされる。付け根は電気モータが高出力用に設計されている場合には、しばしば半径方向に延びる排気孔を有する。ティースキャップはこれに対し安定性の理由から閉鎖型に形成されている。その結果まさに巻線のキャップ範囲においてそこに生じた損失熱の放出が不十分になる。そのため極めて高い巻線温度の領域（いわゆる“ホットスポット”）が生じる。

それゆえティースは、なかんずくティースからの熱放出を改良するために、注型もしくは含侵される。ティースの注型および含侵により巻線の固定も行われる。したがって積層板の機械的固定およびコンパクト化と並んで巻線同士の電気的絶縁が達成される。注型樹脂もしくは含侵樹脂はしかし完全にはティースの周りに流れることはできない。これにより最適な熱放出、したがってモータの最適なパーフォーマンスを達成することはできない。

スロット内の巻線およびティースの含侵後にティースは樹脂で充填された中実のユニットを形成し、冷却空気はこの中に侵入できない。この種のティースにはそれゆえ定常的な熱源が生じ、ダイナモ電気機械の熱効率を制限する。

高い巻線温度はそれゆえ巻線絶縁の寿命を著しく損なう。その対抗策としてそれゆえ電気機械の出力を制限するかまたは電気機械を熱的に過剰設計することが行われる。

それゆえ本発明の第１の課題は、パーフォーマンスが改良された巻線付き固定子を有する電気機械を提供することにある。第２および第３の課題は電気機械の運転方法の提示ならびにそのための製造方法にある。

装置に関する課題は、水平周方向に回転子と固定子を備え、回転子と固定子が電磁的に協働し、固定子が巻線用にずれて配置された半径方向の多数のティースを有し、これらのティースが水平周方向に配置され、これらのティースがそれぞれティースキャップとティース磁極に接続され、少なくとも１つのティースが水平周方向に間隔を置いて天頂方向に半径方向に延びる２つのウェブにより形成され、ウェブ間に固化可能な、特に硬化可能な媒体を収容するようにされた電気機械において、ティースキャップが凹部を有し、ウェブがウェブ端部を有し、ウェブ端部が水平周方向に端部ギャップにより間隔を開けられ、水平周方向を横切る方向に延びている端部深さを有し、凹部が少なくとも端部ギャップおよび／または端部深さを有し、ティースキャップがウェブ側と反対側に頂部を有し、頂部がくぼみ、特に媒体を収容するためのくぼみを有し、およびくぼみが凹部と連通しているようにされた電気機械により解決される。

本発明装置により有利なことにウェブ間に媒体を簡単に装填することが達成される。特にティースキャップへの熱搬出は益々高められる。

方法に向けられた課題は、水平周方向に回転子と固定子を備え、回転子と固定子が電磁的に協働し、固定子がずれて配置された半径方向の多数のティースを有し、これらのティースが水平周方向に配置され、これらのティースがそれぞれティースキャップとティース磁極に接続され、これらのティースがコイルを形成するため少なくとも１つの電気導体を巻き付けられ、少なくとも１つのティースが水平周方向に間隔を置いて天頂方向に半径方向に延びる２つのウェブにより形成され、ティース磁極が切り欠きを有するとともにティースキャップが凹部を有し、ウェブと切り欠きと凹部により少なくともウェブ間に媒体を収容するための連通部分を形成し、収容された媒体により運転中に少なくとも導体の内側からもティースキャップからも熱を搬出するようにさせる電気機械の運転方法により解決される。

製造方法に向けられた課題は、水平周方向に回転子と固定子を備え、回転子と固定子が電磁的に協働し、固定子がずれて配置された半径方向の多数のティースを有し、これらのティースが水平周方向に配置され、これらのティースがそれぞれティースキャップとティース磁極に接続され、これらのティースがコイルを形成するため少なくとも１つの電気導体を巻き付けられ、少なくとも１つのティースが水平周方向に間隔を置いて天頂方向に半径方向に延びる２つのウェブにより形成され、ティース磁極が切り欠きを有するとともにティースキャップが凹部を有し、ウェブと切り欠きと凹部により連通部分を形成し、この連通部分により少なくともウェブ間に媒体、特に流体媒体を収容し、媒体は続いて固化、特に硬化し、収容された媒体により運転中に少なくとも導体の内側からもティースキャップからも熱の搬出が行われるようにした電気機械の製造方法により解決される。

電気機械もしくはモータのワイヤが巻き付けられるティースはいわば「中空」に形成され、媒体をワイヤの背後領域に流すことを可能にする。これによりワイヤは最適に媒体に結合され、ティースおよびティースキャップ単独よりも良好に放熱される。モータのパーフォーマンスはこれにより、モータが定格点を含めて全回転数範囲において発揮できる出力を高める。これにより巻線はより効果的に冷却され、これは同様に電気機械の出力の向上に役立つ。熱がティースキャップ内でおよびそこから良好に放出できるので、モータのパーフォーマンスの向上が定格点を含む全回転数範囲で可能となる。モータの出力要求が同じでもモータはより短く形成できることになる。

注型樹脂は付加的にウェブの端面と接触する。これによりモータの放熱は同様に向上する。

従属請求項には別の有利な対策が列挙されており、これらは任意に結合でき、さらなる利点を達成することができる。

媒体は少なくともティースキャップおよび少なくともティース磁極と熱の放出のために熱的に結合されると有利である。

別の実施例ではウェブと凹部の間に媒体を収容するための連通部分が形成される。

別の有利な実施形態では、ウェブはコイルを形成するために電気導体を巻き付けられ、ウェブと凹部との間の連通部分により媒体が少なくとも部分的に、しかし特に完全に凹部内にもウェブ間にも装填可能にされ、収容された媒体により運転中に少なくとも導体の内側からもティースキャップからも熱の搬出が行われるようにされる。これにより媒体の装填量が高められる。それゆえより多くの熱が増大した媒体量により搬出される。

有利な実施形態ではティース磁極は切り欠きを有し、ウェブと切り欠きの間に媒体を収容するための連通部分が生じるようにされる。この場合にもウェブはウェブ始端を有し、ウェブ始端は水平周方向に始端ギャップにより間隔を開けられ、水平周方向を横切る方向に延びている始端深さを有し、切り欠きが少なくとも始端ギャップおよび／または始端深さを有するようにされる。これによりウェブ間の媒体の装填が容易になる。

別の有利な例では、ウェブはコイルを形成するため電気導体で巻き付けられる。ウェブと凹部の間に連通部分があるので、媒体は少なくとも部分的に、しかし特に完全に凹部にもウェブ間にも装填可能であり、収容された媒体により運転中に少なくとも導体の内側からもティース磁極からも熱の搬出が行われるようにされる。これにより媒体の装填量が増大する。それゆえより多くの熱が増大された媒体量により搬出される。

媒体が固化可能な、特に硬化可能な流体であると有利である。また媒体は固化可能な、特に硬化可能な合成材料とすることができる。特に個数が多い場合にはこれは費用的な利点をもたらす。別の実施形態では天頂方向に半径方向に延びるウェブは同じ長さにされる。

有利な実施形態では、天頂方向に半径方向に延びるウェブは平行側縁または台形に配置される。これは巻線に応じて変化させることができる。

電気機械が永久磁石励磁型同期モータとして構成されると有利である。

本発明の特徴、特性および利点は添付の図面を参照した以下の記載から明らかにされる。

図１は従来技術によるダイナモ電気機械の基本的能動部分の縦断面図である。図２は従来技術による固定子の積層板の巻線系を外した横断面図である。図３は本発明によるウェブの一例の側方図である。図４は媒体の流れ方向を示す本発明によるウェブを示す。図５は本発明の別の実施例を示す。図６は組み立てられてはいるが巻線は施されていない状態の本発明を示す。

本発明を詳細に有利な実施例により図示および記述するが、本発明は開示された例により限定されるものではない。この実施例の変形は以下の特許請求の範囲に定めた本発明の保護範囲を逸脱することなく当業者により導出することができる。

図１は電気機械、ここではダイナモ電気機械のような回転機１を示し、この回転機は固定子板３で軸線方向に積層された固定子２を有する。空隙１２を介して固定子２の巻線系が回転子６と協働してこの回転機が回転するようになっている。

回転子６はこの例では永久磁石励磁型同期機であり、表面型磁石１３を有する。本発明思想は当然ながら埋込型磁石を有する回転子６にも適用可能である。

この種のダイナモ電気機械的回転機１は同様に発電機としても使用可能である。

同様に本発明思想は、外側に回転子を有する電気機械にも適用可能である。

図２は固定子スロット９内に軸線８を有する固定子積層板３（図１）の横断面図を示し、この軸線を中心に回転子６（図１）と固定接続されたシャフト５が回転する。固定子スロット９に向かって水平周方向１４に天頂方向に向かって半径方向に従来技術によるティース１０が延びており、これらのティースは溝１１により互いに間隔を開けられている。これらのティースはダイナモ電気機械１の効率を制限する。なぜなら樹脂を含侵した巻線系、特にティースに局所的に過熱部分、いわゆるホットスポットが生じ、電気機械１の運転中に機械の熱効率の上限を制限するからである。

ダイナモ電気機械の巻線系の絶縁を保護するために、ダイナモ電気機械は冷却される。この冷却により電気機械に生じる損失熱が放出される。ダイナモ電気機械からの熱の放出の効率が良ければ良いほど、電気機械は同じ出力でより小さく構成できる。モータはなかんずく巻線ヘッドからの熱放出を改良するために注型もしくは含侵される。注型樹脂もしくは含侵樹脂または他の媒体で合成材料と呼ばれるものはしかし完全にはティースキャップ２０を囲むことはできない。これによりモータの最適な熱放出、したがって最適なパーフォーマンスは達成できない。

本発明によれば、図３に示すように、少なくとも１つのティースが水平周方向１４（図２）にギャップ２３（図４）をもって間隔を置いて天頂方向に向かって半径方向に延びている２つのウェブ２２により形成され、固化性の、特に硬化性の媒体をウェブ２２間で収容するように構成される。すなわちティースは必要な空隙を作るために２つのウェブ２２から成る。ティースはそれぞれティースキャップ２０とティース磁極２１に接続される。

図４はティースキャップ２０の背面図である。残りは中空に形成される。同様にティースキャップ２０は凹部２４を、ティース磁極２１は切り欠き２５を有する。またウェブ２２はウェブ端部２６とウェブ基部２７を有し、ウェブ端部２６およびウェブ基部２７はここでは同様にギャップ２３で間隔を開けられている。またウェブ端部２６およびウェブ基部２７は深さ２８を有する。ウェブ２２間の凹部２４と切り欠き２５は一連の同じ大きさの接続であり、媒体すなわち注型樹脂の流れ方向に媒体もしくは含侵樹脂もしくは合成材料を収容する。凹部２４および切り欠き２５により媒体は２つの方向からウェブ２２間の中間室にもたらされる。装填された媒体により導体、ティースキャップ２０およびティース磁極２１からの熱放出が改良される。

モータ内でワイヤが巻き付けられるティースは、ワイヤの背後部分に媒体が流れるように“中空”に形成される。これによりワイヤは最適に媒体に接続され、ティースキャップ２０またはティース（図２）単独よりも良好に加熱される。これによりティースキャップ２０のホットスポットからの熱放出が著しく改良される。その結果定格点を含む全回転数範囲でのモータのパーフォーマンスの向上が達成される。なぜならティースキャップ２０または導体における熱が良好に放出されるからである。モータに要求される出力が同じ場合にはモータはより短く形成できる。

注型樹脂もしくは含侵樹脂もしくは合成材料は付加的に固定子積層板の端面と接触する（図１）。これによりモータの放熱は同様に改良される。モータのパーフォーマンスはこれにより定格点を含めた全回転数範囲で出力を高める。本発明は固定子巻線の均一にして完全な充填を可能する。

本発明によりしたがって後から穿孔することなく固定子２（図１）を完全に注型もしくは含侵することを可能にする。このほかに注型樹脂もしくは含侵樹脂もしくは合成材料が固定子巻線および中空室を確実に充填し回転子に向いた滑らかな表面を形成する利点が生じる。この利点は、高い回転数では場合により機械的応力が高くなりすぎるジオメトリ的な突出部分が存在しないということにある。

図５は本発明の別の実施例を示す。頂部３０はくぼみ３１、特に媒体を収容するためのくぼみを有する。ティースキャップ２０はいわばティースキャップ２０の頂部３０上に媒体用の付加的な流れチャネルを持つことになる。ここにも媒体は装填可能であり、ホットスポット箇所の熱放出を高める。

図６は組み立てられてはいるが巻き付けがなされてない本発明の状態を示す。図から明らかなように端面上にウェブ２２が示されており、それゆえ媒体に対しこの範囲ではアクセスできる。注型樹脂はそれゆえ“積層板”の端面、ここではウェブ２２に付加的に接触する。これによりモータの放熱が同様に高められる。

１電気機械
２固定子
３積層板
４巻線ヘッド
５シャフト
６回転子
８軸線
９固定子スロット
１０ティース
１１溝
１２空隙
１３表面型磁石
２０ティースキャップ
２１ティース磁極
２２ウェブ
２３ギャップ
２４凹部
２５切り欠き
２６ウェブ端部
２７ウェブ始端
２８深さ
２９流れ方向
３０頂部
３１くぼみ

Claims

水平周方向（１４）に回転子（６）と固定子（２）を備え、
前記回転子（６）と前記固定子（２）が電磁的に協働し、
前記固定子（２）が巻線用にずれて配置された半径方向の複数の歯を有し、
前記ティースが水平周方向（１４）に配置され、
前記ティースがそれぞれティースキャップ（２０）とティース磁極（２１）に接続され、
前記ティースの少なくとも１つが水平周方向（１４）に間隔を置いて天頂方向に向かって半径方向に延びる２つのウェブ（２２）により形成され、前記ウェブ（２２）間に固化可能な、特に化可能な媒体を収容するようにされた、電気機械（１）において、
前記ティースキャップ（２０）が凹部（２４）を有し、
前記ウェブ（２２）がウェブ端部（２６）を有し、前記ウェブ端部（２６）が水平周方向（１４）に端部ギャップにより間隔を開けられ、水平周方向（１４）を横切る方向に延びている端部深さを有し、前記凹部（２４）が端部ギャップおよび端部深さを有し、
前記ティースキャップ（２０）がウェブ側と反対側に頂部（３０）を有し、前記頂部（３０）がくぼみ（３１）、特に媒体を収容するためのくぼみ（３１）を有し、さらに
前記くぼみ（３１）が前記凹部（２４）と連通している
ことを特徴とする電気機械（１）。
前記媒体が、少なくとも前記ティースキャップ（２０）および少なくとも前記ティース磁極（２１）と熱的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
前記ウェブ（２２）と前記凹部（２４）との間に前記媒体を収容するための連通部分があることを特徴とする請求項１または２記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
前記ウェブ（２２）がコイルを形成するための電気導体により巻かれ、前記ウェブ（２２）と前記凹部（２４）との間の連通部分により媒体が少なくとも部分的に、しかし特に完全に前記凹部（２４）の中にも前記ウェブ（２２）間にも装填可能にされ、収容された媒体により運転中に少なくとも導体の内側からおよび前記ティースキャップ（２０）から熱の搬出が行われることを特徴とする請求項３記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
前記ティース磁極（２１）が切り欠き（２５）を有し、前記ウェブ（２２）と前記切り欠き（２５）の間が媒体を収容するための連通部分となることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
前記ウェブ（２２）がウェブ始端（２７）を有し、前記ウェブ始端（２７）が水平周方向に始端ギャップにより間隔を開けられるとともに水平周方向（１４）を横切る方向に延びている始端深さを有し、前記切り欠き（２５）が前記始端ギャップおよび前記始端深さの少なくとも一方を有することを特徴とする請求項５記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
前記ウェブ（２２）がコイルを形成するための電気導体により巻かれ、前記ウェブ（２２）と前記切り欠き（２５）との間の連通部分が形成され、媒体が少なくとも部分的に、しかし特に完全に前記切り欠き（２５）の中にも前記ウェブ（２２）間にも装填可能にされ、収容された媒体により運転中に少なくとも前記導体の内側からおよび前記ティース磁極から熱の搬出が行われることを特徴とする請求項５または６記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
前記媒体が固化可能な、特に硬化可能な流体であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
前記媒体が固化可能な、特に硬化可能な合成材料であることを特徴とする請求項８記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
天頂方向に半径方向に延びている前記ウェブ（２２）が同じ長さであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
天頂方向に半径方向に延びている前記ウェブ（２２）が平行側面または台形に配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
電気機械（１）が永久磁石励磁型同期モータとして形成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）。
水平周方向（１４）に回転子（６）と固定子（２）を備え、前記回転子（６）と前記固定子（２）が電磁的に協働し、前記固定子（２）がずれて配置された半径方向の複数のティースを有し、前記ティースが水平周方向（１４）に配置され、前記ティースがそれぞれティースキャップ（２０）とティース磁極（２１）に接続され、前記ティースがコイルを形成するために少なくとも１つの電気導体により巻き付かれるようにされた電気機械（１）の運転方法において、
前記ティースの少なくとも１つが水平周方向（１４）に間隔を置いて天頂方向に半径方向に延びている２つのウェブ（２２）により形成され、前記ティースキャップ（２０）が凹部（２４）を有し、前記ウェブ（２２）と前記凹部（２４）により少なくとも前記ウェブ（２２）間に媒体を収容するための連通部分を形成し、収容された媒体により運転中に少なくとも導体の内側からも前記ティースキャップ（２０）からも熱を搬出することを特徴とする電気機械の運転方法。
前記ティースキャップ（２０）が凹部（２４）を、前記ティース磁極（２１）が切り欠き（２５）を有し、前記ウェブ（２２）、前記切り欠き（２５）および前記凹部（２５）により少なくとも前記ウェブ（２２）間に媒体を収容するための連通部分を形成することを特徴とする請求項１３記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）の運転方法。
前記ティースキャップ（２０）がウェブ側と反対側に頂部（３０）を有し、前記頂部（３０）に特に前記媒体を収容するためのくぼみ（３１）が施されることを特徴とする請求項１３または１４記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）の運転方法。
前記媒体が少なくとも部分的に前記切り欠き（２５）および前記凹部（２４）の少なくとも一方に装填されることを特徴とする請求項１３、１４または１５記載の回転子（６）と固定子（２）を有する電気機械（１）の運転方法。
水平周方向（１４）に回転子（６）と固定子（２）を備え、前記回転子（６）と前記固定子（２）が電磁的に協働し、前記固定子（２）がずれて配置された半径方向の複数のティースを有し、前記ティースが水平周方向（１４）に配置され、前記ティースがそれぞれティースキャップ（２０）とティース磁極（２１）に接続され、前記ティースがコイルを形成するために少なくとも１つの電気導体により巻き付かれるようにされた電気機械（１）の製造方法において、
前記ティースの少なくとも１つが水平周方向（１４）に間隔を置いて天頂方向に半径方向に延びている２つのウェブ（２２）により形成され、前記ティース磁極（２１）が切り欠き（２５）を有し、前記ティースキャップ（２０）が凹部（２４）を有し、前記ウェブ（２２）、前記切り欠き（２５）および前記凹部（２４）により連通部分を形成し、前記連通部分により少なくともウェブ（２２）間に媒体、特に流体媒体を収容し、媒体は続いて固化、特に硬化し、収容された媒体により運転中に少なくとも導体の内側からも前記ティースキャップ（２０）からも熱の搬出が行われるようにした電気機械（１）の製造方法。