JP2704915B2

JP2704915B2 - 組立式巻線層を有する多相電気機械

Info

Publication number: JP2704915B2
Application number: JP5503176A
Authority: JP
Inventors: ヒル，ヴォルフガンク
Original assignee: ヒル，ヴォルフガンク
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1998-01-26
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: EP0597921A1; AU2348692A; JPH06506822A; EP0597921B1; WO1993003534A1; US5616977A; CA2114219C; DE4125044C2; DE4125044A1; CA2114219A1

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）この発明は、平面空気ギャップおよび軟磁性体を有す
る多相電気機械に関するものである。ここに軟磁性体と
は磁気的に軟性であること、つまり高透磁率の磁性体を
意味する。

（従来の技術）導体レーンがオフセットパターンに配列されている電
気機械の多相回転式界磁巻線では、異なる位相の導体レ
ーンが各極のピッチに対して最低１度は空気ギャップか
ら突き出た部分が交差するため、通常は巻線オーバーハ
ングに中空の空間が発生する。これが、スロットおよび
巻線オーバーハングの空間の不十分な活用および導体長
の増加の原因である。ある高度な効率のために、所定の
低い導体抵抗を維持する場合、機械の容積および重量を
更に増加することになる導体の断面を拡大することで、
導体長の増加に基づいた抵抗の増加を補償する必要があ
る。

US-PS 4 398 112では、ディスク状電機子およびリニ
アモーターのレイヤ状の導体が説明されている。ここで
は、薄鋼板から打ち抜き加工された導体レーンが巻線層
を表し、この巻線層がスロットの開口の平面からスロッ
トの深さの方向でスロットに挿入される。一定の導体高
の類似する巻線層を挿入することで、導体レーンを最も
経済的に薄鋼板から打ち抜くことができる。US-PSから
知られる巻線は、全ての導体レーンに対して大変短い長
さを示しているが、全ての導体レーンのスロット開口の
平面からの距離は異なるはずなので、２相機械のスロッ
トでの空間活用は50％に減り、３相機械では33.3％、等
と空間活用率が低下する。上記ののUS-PSでは、必要な
導体の容積は低いままであるが、磁束が通過する巻線構
造体の鉄容積が増加し、機械の寸法がより大きくなるに
つれ、ケースの容積および重量も増加する。

しかし、位相数に伴って、トルクの生成に積極的に貢
献する機械の部分が増加する。高度な効率と高度の出力
および出力密度を組み合わせる機械では、より多くの極
性ペア数および短い導体長の他に、より多数の位相での
よい空間活用が必要である。磁気の中核（ヨーク）並び
に励磁巻線または短絡ケージのケースの負担、または永
続的な励起機械にあっては機械の総容積の１部分として
の磁石がハウジングに占める割合は、スロットの深さが
増加するにつれて減少する。従って、大変に効率のよい
電気機械には高度な出力および出力密度のための深いス
ロットが必要である。

（発明が解決しようとする課題）従って、この発明は、複数の位相であってもスロット
および巻線オーバーハングでの利用可能な空間を良く活
用することができるように組立式巻線層を受けるための
最低１スロットを有する軟磁性体があり、導体レーンの
長さをスロットの深さに関わらず短くできるように、電
機子および固定子の面が対向している、多相電機機械の
開発を促進する目的に基づくものである。

（課題を解決するための手段）この発明に基づいて、スロット開口の平面から、突出
した部分で交差すると導体レーン部分のスロット深さへ
の方向にある導体レーンの断面を減少することで、オフ
セット導体レーン付きの多相機械のスロットにある空
間、特にディスク状電機子およびリニアモーターにおけ
る完全な空間の活用が達成される。ここで、異なる位相
のオフセットの導体レーンの配置をスロット開口の平面
に平行なレイヤにできる。巻線オーバーハングの空間の
高度な活用は、軟磁性体の外にある導体レーンの断面を
拡大することで達成される。

導体の断面におけるこれらの変化は、導体長を短く保
ち、巻線オーバーハング内の導体の断面を拡大する。こ
れにより、オーム損に対して、効率がよいかまたは機械
の重量が少ないかのいずれかの結果となる。詳しくは、
完全な巻線は、スロットの深さへの方向に重ねられた類
似の巻線層の１組から構成される。各々の巻線層は、異
なる位相の組立式導体レーンから構成される。

説明のために、導体レーンは複数の部分に分けられ
る。その中で、軟磁性体内にある部分は「バー」、巻線
オーバーハングにある部分でスロット長の方向にある物
を「バー接続部分」、および巻線オーバーハングにある
部分ではあるがスロット幅の方向にある物を「連繋」と
指定する。１個の導体レーンまたは同一の位相の数個の
導体レーンの順列接続は、電気機械の回線を表す。

望ましい具体例では、導体レーンの高さは、軟磁性体
から巻線オーバーハングへのその導体レーンの各２番目
の通過点またはその直後に、平均してスロットにおける
高さの約半分に削減される。その結果できる空間には、
異なる位相が属するが、同一の巻線層から導体レーンの
連繋が配列される。巻線層の導体レーンの連繋は、巻線
オーバーハングでスロット長への方向に順番に配列され
る。

導体の高さの減少は、ある歯面の幅分だけスロット幅
への方向に、その断面を拡大することで大部分補償され
る。同一レイヤの他の導体レーンと巻線オーバーハング
で交差しない導体レーンの部分は、そのレイヤの全ての
高さを占めることができ、従って、スロットにある部分
と比較するとその２倍の断面になる。スロット中の空間
の100％活用に加えて、巻線オーバーハング中の空間
も、互いに重なっている２個の巻線層が１磁極ピッチで
設定されていて連繋内の導体の断面がスロットの深さへ
の方向に利用可能な空間に従って調節されている場合、
ほぼ100％の電流伝導で活用することができる。

この発明に従って、異なる位相の導体レーンがギャッ
プの表面に対して等しい距離で配列される。これらの導
体レーンの数は、共に機械の位相数に対応する自己保形
性の巻線層を形成する。巻線オーバーハングにおける交
差の問題は、断面の変化により解決される。ここでは、
レイヤの交差する導体レーンの高さは、導体の高さの合
計がその導体レーン、そのレイヤの残りの部分にある導
体の高さに各々に対応するように、削減される。従っ
て、巻線層は、ギャップ表面に平行であるその総表面に
おいて一定の高さであり、より大きな巻線を形成するた
めに数個のレイヤを重ねても、空き空間は結果として起
きない。

巻線オーバーハングにある接続経路は、連繋を軟磁性
体にできるだけ近く配列し、スロットの深さに関係なく
することで、大変短くされている。高電圧および高出力
では、それぞれの導体レーン長を一定のままにして、ス
ロットの深さにより、順列に切り替えられた導体レーン
数、巻線層数を各々任意に増加することができる。望ま
しい具体例では１の位相の全ての導体レーンは同一であ
るので、製造費用を低く保つことができる。

導体レーンの幅は、軟磁性体から巻線オーバーハング
に通過する毎に、その歯面の幅分が直ちに増加する。そ
の結果、スロット幅への方向に隣接するスロットは、薄
い絶縁レイヤで隔てられるだけで、互いに接触すること
になる。

これにより、軟磁性体の歯の前にある巻線オーバーハ
ング内の空間が電流伝導に活用され、バー接続部分内の
導体断面が拡大され、導体の高さの減少が各々補償され
る。

巻線オーバーハング内の導体レーンは、直ちに対応す
るバー、バー接続部分で、各々にスロット幅への方向に
導かれているため、短い長さを示している。スロットに
おいてギャップ表面への同一の距離を示し、従って、巻
線層を共に形成する、異なる位相の導体レーンのみが、
巻線オーバーハング内の空間の分配に相互に影響を及ぼ
す。導体の長さおよび製造費用はスロットの深さとはほ
ぼ関係ないが、中核および磁石の容積と関連する損失お
よび費用はスロットの深さの増加と共に減少する。

対応するバーに各々隣接している２個のバー接続部分
の長さの合計が全ての導体レーンに等しい場合、次々に
巻線層へ１個の導体レーンを組み立てることができる。
これにより、他の組立に関係なく、導体レーンを最終的
な形に形作り、断熱し、試験することができるため、完
全な巻線の作成が顕著に簡易化される。この具体例は、
非対称の巻線オーバーハング付きの巻線と、説明では呼
ばれている。

個々の巻線オーバーハングにある軟磁性体からの連繋
の距離が各導体レーンと等しい場合の具体例は、対称の
巻線オーバーハング付きの巻線と、説明では呼ばれてい
る。また、組立式の形態の１ピースの導体レーンは１個
の巻線層に共に接続することができ、接着剤を使用しな
ければこのコンパクトな巻線層をいつでも取り外して別
々の導体レーンに戻すことができるところが、特徴であ
る。単一のピースとして導体レーンを製造することで、
その断面および長さについて、その導体レーンが確かに
最も低度の内部抵抗となるようにすることができる。こ
れは、望ましい効率および高い出力および出力密度を得
るための必須項目である。

この類似の巻線層の中の上部がギャップ表面に反映さ
れてその結果１磁極ピッチだけスロット幅への方向に移
動され下部のレイヤに繋がれて互いに重なり合う場合、
また、連繋の高さが新しく利用可能な空間に適応される
場合、これ以降２重巻線層と呼ばれる具体例が得られ
る。２重巻線層では、周囲のどの点においても、連繋が
２個のバー接続部分と高くても２重レイヤ高さを共有す
る。これで、全てのバー接続部分の断面を同等の寸法で
設計することができる。これは、巻線オーバーハングの
周囲上の浪費熱の生成から起きる局部差の発生を防止す
る。この設計は、巻線オーバーハング内の利用可能な空
間を完全に活用することにより、低抵抗という結果とな
り、機械の効率を高めるか、導体の断面の減少による重
量の低下につながることになる。巻線層中、巻線層間、
および巻線オーバーハング表面と冷却体の間にある空洞
の空間を避けることで、受動の熱散逸が改善される。

ディスク状電機子およびリニアモーターとしての構造
設計は、この発明の広範な応用を表している。達成可能
な高出力密度の基盤として、永続的な励起ディスク状電
機子が車両のホィールリムの取り付けの直接ドライブと
して特に適している。この場合、例えばカーブを運転し
ている際に起きる軸力等により起こされるローターの曲
げに対する需要を避けることになる軸の変位を許容しな
がら、ローターをホィールリムベースに接続することが
できる。巻線オーバーハングおよび中核に隣接する冷却
体をリムのサポート要素として、またローターディスク
をブレーキの構成部品として設計することができる。こ
れにより、強力な磁石の破損の危険性は顕著に減らさ
れ、ホィールリム全体の構成がより硬くなく、軽くな
る。

受動の冷却では不十分な場合、特殊な具体例に従っ
て、中核、磁石、および導体の容積を増やさずに、冷却
剤が循環する平らなラジエーター部分で、巻線層を置換
することができる。

図は、この発明の実例を表している。

図１はこの発明に基づいて、ホィールリムへのディス
ク状電機子としてつくられた電機機械を示す。

図２は図１の線II-IIの断面を示す。

図3aは図１の線III-IIIの断面で、非対称巻線オーバ
ーハング付きの12磁極、４位相の巻線の完全な巻線の上
半分を示す。

図3bは図3aの巻線層の下半分の断面を示す。

図4aは図３の導体レーンを示す。

図4bは対称巻線オーバーハング付きの12磁極、４位相
の巻線の完全な巻線層の導体レーンを示す。

図５は非対称巻線オーバーハング付きの３位相の巻線
層の３個の導体レーンの組立のうちの切り抜きを示す。

図６は対称巻線オーバーハング付きの３位相の巻線層
の３個の導体レーンの組立のうちの切り抜きを示す。

図７は導体レーンの部分への組立のうちの６部分を示
す。

図８は導体レーンの構図およびリニアモーターの４位
相巻線の２重巻線層の連繋での断面を示す。

（実施例の説明）図１は、ホィールリムへ組み込まれた組立式巻線層の
ディスク状電機子の構造を示している。ホィールリムは
１、リムの頭部は1a、タイヤは２とラベルが付けられて
いる。ディスク状電機子自体は、ローターディスク３お
よびそれに挿入される永久磁石3aおよび固定子の２個の
半分である４および５から構成される。

固定子の半分である４および５は、リム１、ベアリン
グ６によりリムベース1bに関して各々にサポートされ、
図１では中核4b,5bのみが表示されている軟磁性体およ
びここではこの発明を説明するために異なる設計で示さ
れている巻線4c,5cの各々からそれぞれ構成される。ロ
ーターディスク３の左には、非対称巻線オーバーハング
付き巻線4cが示され、その右には、２重巻線層および対
称巻線オーバーハング付き巻線5cが示されている。

ローターディスク３は、曲げの応力を避けるために軸
荷重下でリム１が移動することができるように、ピニオ
ンでリムベース1bに接続されている。例えば、ここで
は、ローターディスクの歯が噛み合うところの軸方向ス
ロット付きケージとして、リムベースを設計することが
できる。歯の軸方向の幅は、スロットの軸方向の幅より
小さい。

軟磁性体の中核4b,5b、および巻線4cおよび5cは、冷
却体８に埋め込まれている。冷却体８は、基本的にリム
ベース1bのサポートとして機能し、ハブ９に接続されて
いる。重量削減のため、ハブは空洞のシャフトとして設
計されており、回転軸７までの空間へ出力電子装置を設
置することができるようになる。冷却体の内部では、個
々の巻線層への電流供給のための導体が配置されてい
る。これにより、配電盤10および電力トランジスター11
から構成される整流装置を介して巻線層に電流が配送さ
れる。ディスクブレーキ組立12は、ローターディスク３
にディスクブレーキ組立のブレーキシューズ12aが作用
するような態様で、冷却体自体に取り付けることができ
る。

図２は、図１の線II-IIの断面を示している。磁極ピ
ッチ毎に４個のスロットがある電機子が示されている。
巻線層を構成するバーは13a-13d、それに従って隣接す
る磁極ピッチは13a′‐13d′とラベル付けられている。
図２に基づく図説では、ローターが磁石部分3a間の磁極
ギャップを示していることが判る。

図3aは、図１の線III-IIIに基づく断面を示してい
る。また、ここでの設計は、非対称巻線オーバーハング
付き４位相の巻線である。ここでも、スロットに挿入さ
れたバーは13a-13dで示され、これらはバー13a′‐13
d′に対して、それぞれのバー接続15a-15d及び15a′‐1
5d′、およびこれらを連結する連繋14a-14dにより接続
されている。ただし、連繋14aはバー接続部分15b-15dの
後ろにあるために見えなくなっている。図3aに示される
ようなこのようなユニットのレイヤの上半分の上からの
図は、巻線層4dから構成され、完全な巻線はこれらの巻
線層数個の軸線方向に重ねて得られる。

図3bは、図3aの巻線層4dと同じであるが、そのレイヤ
の下半分を通る断面を示している。ここでは、連繋14a
は見えるが、従ってバー接続部分15b-15dは見えない。
このレイヤの下半分のハッチング部分は、このレイヤの
上半分のハッチング部分と比較して、90°回転されてい
る。

図4aは、図３からの巻線層の導体レーンで、３個の磁
極ペアの４位相ディスク状電機子における非対称巻線オ
ーバーハング付き巻線を示している。軟磁性体の歯4a
は、同心のハッチングで象徴され、２個の巻線オーバー
ハング各々は４個の連繋領域の限界面を形成する４本の
同心の線19で示されている。

導体レーンは、２個のハッチング型で印付けられてい
る。その中では、左下から右上へのハッチングはレイヤ
の上半分20を指定し、右下から左上へのハッチングは下
半分21を指定している。従って、導体レーンのどの領域
でそのレイヤの完全な高さが得られ、どの領域でレイヤ
の下または上半分に凹所があるかが、ハッチングのタイ
プから解ることになる。

図に示された具体例にある１個の導体レーンは、機械
の周囲全体から１磁極ピッチ差し引いた周囲を取り囲ん
でいる。この開口は、ドライブへの電流供給17および誘
導18に使用されるか、機械中で直列に数レイヤが接続さ
れている場合には、スロットの深さへの方向にある隣接
の導体レーンへの移行に使用されるかのいずれかであ
る。電流供給部17および引出部18の接続間の巻線オーバ
ーハング空間は、他の導体レーンへの供給および引出し
の接続に活用される。

巻線オーバーハングの変動導体交差部分の原理は、勿
論、交差点、狭い部分の配列のそれぞれがこれまでに提
示した具体例から異なる、選択の導体レーン構成の実現
を可能にするものである。

その変形の例として、図4bは、３個の磁極ペアの４位
相ディスク状電機子における対称巻線オーバーハング付
き巻線からの１巻線層の導体レーンを示している。外側
の巻線オーバーハングにある連繋16は、図4aの連繋16a
とは対照的に、内側の巻線オーバーハング16b′,14cそ
れぞれの連繋として軟磁性体に対して同じ距離にあるこ
とを示している。ハッチングは、図4aにあるものと同じ
意味である。

図５は、非対称巻線オーバーハング付きの３位相の巻
線層からの３個の導体レーンの詳細を示している。１番
目の磁極ピッチのスロットの中央から始まり３番目の磁
極ピッチのスロットの中央で終ると仮定して、２磁極ピ
ッチを表す各導体レーン部分のみが切り抜かれている。
従って、ディスク状電機子用の丸い巻線層からの導体レ
ーンに属する単一ユニットとして切り抜かれたこの部分
ピースは、異なる長さの曲った連繋を示している。下部
の導体レーン22は左側の、その連繋25の領域に、このレ
イヤの上半分の凹部を有し、また右側のその拡張バー接
続部分30の領域に、このレイヤの上半分の凹部を有す
る。中央の導体レーン23を導体レーン22に配置すると、
連繋25,31の各々の凹部、およびバー接続26,30の各々
が、その双方のレーンが１個の平面に並ぶことができる
ように、互いに補い合う。導体レーン22および23の凹部
は、更に導体レーン24の挿入を許容し、この場合のバー
接続部分28は、連繋25および27の凹部に合わせてその高
さが削減され、また断面が削減された連繋33もバー接続
部分30と32の間を流れることになる。

図６の導体レーンは、両方の巻線オーバーハングで同
様に構成されたバー接続部分および連繋を示している。
ここでもまた、導体レーンは、導体レーン34の連繋37a,
37bの凹部の高さに削減された導体レーン35のバー接続
部分38a,38bを配置して、スロットの深さの方向に単に
滑り込ませることができる。導体レーン36のバー接続部
分40a,40bの凹部はそれぞれ、連繋37aおよび39a,37bお
よび39bの各々の凹部により形成された空間に適正にフ
ィットする。

凹部で削減された導体の高さのため、３個の部分ピー
スを全てまとめ合わせると、一定の高さの巻線層のセク
ターを得ることができる。

図７で特殊具体例の右下に示される供給部43および引
出部44の他に、各導体レーンは、巻線層中の長さおよび
位置に関わりなく、２個の異なる部分構造41および42を
含んでいる。これら部分構造は、４個の打ち抜きピー
ス、41aおよび41b、42aおよび42bのそれぞれから組み立
てられたものである。左下から右上に一連に切り抜かれ
た４個の部分41および42は、この順序で適切な型に入れ
られ、その後、１ピースの導体レーンに融合するまで圧
力下で加熱される。

この発明のもう１つの具体例は、巻線オーバーハング
空間の均一な100％活用を可能にする、２重巻線層であ
る。

図8aは、４位相リニアモーターの２重巻線層における
導体レーンの構図の１の部分を示している。その中で、
この部分は巻線オーバーハング内で４磁極ピッチから構
成される。この仮定断面図では、２個の補足するレイヤ
の全ての導体レーンの位置が示されているが、図説のた
め、バー接続部分の拡張部分は省略され、実際に存在す
るべきでない連繋間の間隔が示されている。上部レイヤ
45の導体はより濃くハッチング付けされ、図３と同様
に、左下から右上へのハッチングにより示されるよう
に、バー13a-13d、バー接続部分15a-15d、および連繋14
a-14sに分けられている。下部レイヤ46の導体位置のハ
ッチングは90°回転されている。従って、左上から右下
へのハッチングである。更に、図8a）では、図8b、8c、
8d、および8eで示されるＢ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄおよび
Ｅ−Ｅの断面の位置が明確化されている。これらの断面
図は、４位相２重巻線層の巻線オーバーハングにおける
全ての連繋レイヤの実際の縦方向の図面を表している。
ハッチングのタイプは、図8aに使用されたものと同じで
ある。連繋の高さは、部分的に、特に外側の巻線オーバ
ーハングの領域では、スロットにおける２重導体の高さ
に相応するが、２重レイヤは類似する形状りのままであ
る。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】長さ、幅、深さのある複数のスロットとギ
ャップに向いた平面状表面とを有する軟磁性体（4a）、
及びこのギャップに向いた前記平面状表面に平行に且つ
前記スロットを通るように配置されている複数の巻線層
（4d）とよりなり、前記巻線層（4d）は、異なる位相の
最低２個の導体レーン（22〜24、34〜36）から構成さ
れ、前記導体レーンは、前記軟磁性体（4a）の外側のス
ロット軸線両側において導体断面が、前記スロット内に
ある部分よりも断面が前記スロットの深さ方向に減少し
且つ隣接の導体レーンとオーバーラップしている部分
（25〜33、37a〜40b）を有し、これらオーバーラップし
ている部分の導体レーンは互いに対面する側からスロッ
トの深さ方向に厚さが減少されており、且つほぼ四角形
の断面を有している、組立式巻線層を有する多相電気機
械。
【請求項２】巻線層（4d）の導体レーン（23、35）は、
軟磁性体の外側にあってスロット長の方向へ走っている
と共にスロットの深さ方向に減少した断面を有する部分
（26、32、38a、38b）を備え、前記深さ方向に減少した
断面は同一の巻線層の他の導体レーン（22、24、34）の
連繋（25、33、37a、37b）が配置される空所を形成して
いる、請求項１の組立式巻線層を有する多相電気機械。
【請求項３】巻線層（4d）の導体レーン（23、24、36）
は、軟磁性体の外側にあってスロット長の方向へ走って
いると共にスロットの深さ方向に減少した断面を有する
部分（26、28、32、40a、40b）を備え、軟磁性体内にあ
る部分（13a〜13d）よりも断面積が拡大されている、請
求項１の組立式巻線層を有する多相電気機械。
【請求項４】異なる巻線層の導体レーンがスロット内に
おいてスロットの深さ方向に相互に重ねられており、前
記導体レーン（22〜24、34〜36）は軟磁性体の外側にお
いてスロット幅の方向に走っている部分（25、27、37
a、39a）を有し、異なる位相の導体レーンの前記の部分
はスロット長方向に相互に前後にずらして配列されると
ともに、ギャップに面した表面に対して同一の距離にあ
る、請求項１の組立式巻線層を有する多相電気機械。