JP4182129B2 - 電気機械のステータ - Google Patents

Description

本発明は、概ね電気機械に関し、特に電気機械のステータ及びステータのコア・バックに関する。

電気機械のステータは、一般に、ティース及びコア・バックを備える。ティースの機能は、ティースの周囲に配置されたコイルによりティース内に誘導された磁束を導くことである。すなわち、ティースによって、ティースを備えていないステータに比べ、ステータとロータの間の相互作用の効率が高められる。コア・バックは、磁気抵抗の低い磁束フィードバック・ループを形成するために、ティース同士を磁気的に接続するように構成される。即ち、これは、ロータと相互作用する磁束を生成する磁気回路を閉じるものであると考えることができる。

電気機械のステータ・コアは、一般に、例えば鉄などの固体軟磁性材料で作製されてきた。こうしたタイプのステータ・コアの１つの問題点は、ステータ・コア内に渦電流が誘導されることである。この渦電流の問題を低減するために、現在のステータ・コアは、電気的に絶縁された軟磁性材料の積層板、又は電気的に絶縁された鉄粉で作製されている。

本発明の目的は、改良されたステータ、特に、改良されたコア・バックを提供することである。

この目的は、請求項１に記載のステータ・コア、請求項９に記載のコア・バック、及び請求項１６に記載のステータ・コアの作製方法によって達成される。従属請求項には、本発明の好ましい実施例が開示される。

本発明の第１の態様によると、特に電気機械用のステータ・コアは、コア・バックと、コア・バックの円周上に配置され、そこから径方向に延びる複数のティースとを備える。コア・バックは、渦巻状に配置される、電気的に絶縁された軟磁性材料の少なくとも１枚のシートである。

更に、本発明の第２の態様によると、電気機械用のコア・バックは、渦巻状に配置される、電気的に絶縁された軟磁性材料の少なくとも１枚のシートである。

本発明の文脈において「渦巻」という語は、徐々に中心から遠ざかる又は中心に接近する、中心の周りの巻線を指すものと定義される。更に、本発明の文脈において「電気的に絶縁された軟磁性材料のシート」とは、渦電流の影響を低減するために表面が電気的に絶縁されたシートを意味する。このようなシートは、当分野の技術者に周知であり、電気機械において頻繁に使用される。

コア・バックを、渦巻状に配置される電気的に絶縁された軟磁性材料の少なくとも１枚のシートとして設計することによって、ステータ・コアの製造を容易にすることができる。このような配置では、従来設計のステータ・コアを製造する際よりも廃棄材料を減らすことができる。

第２の態様によると、コア・バックは、ティースを受けるように配置された開口を備えることができる。シートは細長いものでよく、上記開口は、このシートの細長い縁を切断しないように配置することができる。

以下の実施例では、第１又は第２の態様について述べる。

更に、コア・バックは、環状とすることができる。

一実施例によると、上記電気的に絶縁された軟磁性材料のシートは、細長く、ある長さ、幅、及び厚さを有する。電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの長さはほぼ周方向に延び、電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの幅はほぼ軸線方向に延び、電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの厚さはほぼ径方向に延びる。

別の実施例によると、上記コア・バックは、ティースを受けるための開口を備える。この特徴によって、ステータ・コアの組み立てをより容易にすることができる。更に、開口はティースが取り付けられたときそれを支持し、したがって、ティースの取り付けが安定し、強固なステータ・コアが得られる。また、より良好な磁束通路が得られる。

シートは細長いものでよく、シートの端部はそれぞれ開口を備えることができる。したがって、シートの一端部の開口をティースに配置し、シートの他端部の開口を同じティースに配置することによって、ティースの片側にあり、磁束通路として作用する電気的に絶縁された軟磁性材料の領域を、もう一方の側の領域とほぼ同じにすることができる。

シートは、接着、溶接、又ははんだ付けによって渦巻状に固定することができる。

シートは、シートの長さの一部に沿った開口を備えることができる。したがって開口は、コア・バックの厚さ全体を貫通して延びる必要はない。このことにより、コア・バックの製造を容易にすることができる。

ティースは、圧入、接着、溶接又ははんだ付けによって開口内に固定することができる。

シートは、実質的に３回巻きを形成するように配置することができる。

更に、本発明の第３の態様によると、電気機械用のステータ・コアを作製するための方法は、以下の行為を含む。
コア・バックを形成するために、電気的に絶縁された軟磁性材料のシートを渦巻状に巻くこと、及び
ティースが円周上に分散されコア・バックから径方向に延びるように、複数のティースをコア・バックに取り付けること。

複数のティースをコア・バックに取り付ける行為は、ティースをコア・バックの開口内に配置することを含むことができる。

コア・バックにティースを取り付ける行為は、圧入、接着、溶接、又ははんだ付けを含むことができる。

本方法では、接着、溶接、又ははんだ付けによって、シートを上記渦巻形状に固定することができる。

本発明のさらなる適用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。ただし、詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の好ましい実施例を示すが、例示として提供するものにすぎないことを理解されたい。本発明の精神及び範囲内の様々な変更及び修正が、この詳細な説明から当分野の技術者に明らかになるであろう。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して行う本発明の好ましい実施例についての以下の詳細な説明から明らかになる。

図１に、ロータ１２、ステータ１４を備えた電気機械１０を示す。

ロータ１２は、従来のロータとすることができる。したがって、ロータは、従来の永久磁石ロータ、従来の同期ロータ、従来の非同期ロータ、従来のスイッチト・リラクタンス・ロータ（ＳＲロータ）などとすることができるが、本発明によるステータ１４の構造と同様の構成のロータとすることもできる。図１にはロータの巻線は示されていないことを留意されたい。

図１〜図３に、本発明の一実施例を概略的に示す。本実施例のステータは、コア・バック２０、２個のティース２２ａ、２２ｂ、及び２個のコイル２４ａ、２４ｂを備える。

ティース２２ａ、２２ｂは、コア・バック２０に取り付けられた別々の構成要素である。本実施例では、ティース２２ａ、２２ｂは、コア・バック２０内に配置された開口２６内にティース２２ａ、２２ｂを配置することによって、コア・バック２０に取り付けられる。ティースは、次いで開口２６内に圧入され、コア・バックに、接着、溶接、又ははんだ付けされる。

コイル２４ａ、２４ｂは、単一の巻線、すなわち１本のワイヤを巻いてコイルとし電力供給装置に接続したもの（図示せず）でも、あるいは分布巻線、すなわち、各ステータコイルが、電力供給装置の別々の出力部に接続されたワイヤを備え、それによって、電気特性が異なる電流を流すことができるものでもよい。電気モータ分野の技術者であれば、利用可能な多くの異なるタイプの電力供給装置を知っている。電気モータ分野の技術者であればまた、単一の巻線、又は分布巻線をそのような電力供給装置に接続する方法も知っている。更に、ティース２２ａ、２２ｂは別々の構成要素であるので、コイルをティース２２ａ又は２２ｂの周囲に配置する前にあらかじめ巻くことができる。したがって、コイルをボビンに巻くこともできる。

本実施例のコア・バック２０は、渦巻状に巻かれた、電気的に絶縁された軟磁性材料の単一のシート２８である。電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８の表面は、軟磁性の１つの層から別の層へと流れる渦電流と呼ばれる電流を誘導する磁束の作用を最小限に抑えるために、好ましくは、絶縁材料によって被覆されている。図１、図２、図４及び図５では、渦巻状に形成された、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８を、コア・バック２０の形成を容易に理解できるように概略的に示してある。したがって、シート２８の一巻きと、別の巻きの間の隙間Ｌｇは誇張してある。緊密さに関して完璧なコア・バック２０内には隙間Ｌｇは存在せず、２つの隣接する巻きが互いに密接に接触して構成される。ただし実際には、隣接する巻きの間に小さな隙間が存在することがある。

次に図４〜図７を参照すると、本実施例によるコア・バック２０が、電気的に絶縁された軟磁性材料の単一のシート２８で作製されている。電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８は、電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの両面に位置する、第１の表面３０と第２の表面３２とを備える。第１の表面及び第２の表面の面積はそれぞれ、電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの長手方向の縁部表面３４、３６の面積よりも大きい。これら２つの面３４、３６もまた、互いに対向して位置している。電気的に絶縁された軟磁性材料の上記シート２８は更に、２つの端部３７及び３８を備え、各端部は、端面４０及び４２を備える。各端面の面積は、第１及び第２の表面３０及び３２の面積よりも小さい。

本実施例では、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８は、上記シートの第２の表面３２が、複数の巻きにわたり、電気的に絶縁された軟磁性材料の同一のシート２８の第１の表面３０に面する配置されるようにシート２８を曲げることにより、渦巻状を形成するように構成される。本実施例では、シートは、コア・バックを外側から内側へ考慮するか又は内側から外側へ考慮するかにより、半径が増大又は減少していく３回巻を形成するように、構成される。ただし、巻き数はより多くてもよく、場合によってはより少なくてもよい。本実施例では、コア・バック２０は、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８の３枚分の厚さにほぼ相当する、径方向の厚さＬ_ｔｃを有する。各シートは、厚さＬ_ｔｓを有する。ただし厚さＬ_ｔｃは、渦巻状に構成される、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８の巻きを追加することにより大きくすることができ、したがって、巻きを減らすことにより、これを小さくすることができる。ただし、本発明の範囲は、上記で例示した厚さＬ_ｔｃを有するコア・バック２０に限定されるものではない。

図６〜図７に、一実施例による、巻線状のコア・バック２０を形成するために曲げられる前の、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８が示してある。このシート２８は、ブランクとも呼ばれる。本実施例による、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８は、長さＬ_ｌ、幅Ｌ_ｗ、厚さＬ_ｔｓの細長いシートである。更に、本実施例によると、上記シート２８は、開口２６ａ〜２６ｃを備える。シート２８を曲げてコア・バック２０となる巻線形状が形成されたとき、この開口内にティース２２ａ、２２ｂを配置する。隣接する２つの開口２６ａ〜２６ｃ間の間隔、例えば図７のＤ_ａｂは、ステータのティースの数、コア・バック２０の半径、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８の厚さ、及び／又は電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８の２つの端部のうち一方からの距離に応じて変化する。渦巻形状を形成する際に開口がコア・バックの幾何中心から遠くに配置されるほど、この隣接する２つの開口間の間隔Ｄ_ａｂは増大する。

本実施例によると、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８は、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８によって完全に囲まれない開口４２ａ、４２ｂを、上記シート２８の各端部に備える。これら開口４２ａ、４２ｂは、磁束通路として作用する、電気的に絶縁された軟磁性材料のシートのティースの片側での領域が反対側での領域と実質的に等しくなるように、ティースのところに配置される。すなわち、ティースの片側に、ｘ枚の電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８の層が配置される場合、もう片方の側にも、ｘ枚の層が配置されなければならない。

ここで、本発明によるステータ・コアを作製する１つの方法を、図８を参照しながら説明する。開口２６を、電気的に絶縁された軟磁性材料の細長いシート２８’内に形成する。次いで、この細長いシート２８’を巻いて、渦巻形状のコア・バック２０を形成する。シートを巻く際に、ステータ・コアのティース２２ａ、２２ｂを内部に配置することのできる開口を画定するように、複数の開口２６を位置合せする。図８では、２つの開口がコア・バック内に画定される。したがって、電気的に絶縁された軟磁性材料のシート２８’内の開口２６を、１つおきに互いに位置合せする。

ステータ・コアのティース２２ａ、２２ｂにコイル２４ａ、２４ｂを設け、コア・バック２０に取り付ける。本実施例では、ティース２２ａ、２２ｂを、コア・バック２０内の別々の開口内に挿入することによって、コア・バック２０に取り付ける。ティースは、圧入、接着、溶接、はんだ付けなどによって開口内に固定される。

圧入の例として、ティースより小さい外周を有する開口にティースを押し込む場合があげられる。圧入の別の例は、シート内の、ティースを容易に受けることができる寸法の開口２６を位置決めしながら、シートを渦巻状に巻くことによるものである。位置合せされた開口によって形成されるコア・バックの開口内にティースを配置すると、シート内の開口を位置合せされた状態に維持するために渦巻に加えられている力が緩められ、シートが平らな形状、すなわち渦巻でない形状に戻ろうとするため、ティースは定位置に固定されることになる。シート内のこの力が小さすぎる場合、ティースを定位置に固定する所望の把持力を開口内に生み出す外部からの力を、代わりに渦巻に加えることができる。開口内に所望の把持力がもたらされると、渦巻を固定することができる。

コア・バックが、ティースを内部に固定する開口を備えていない場合、ティースは、はんだ付け、溶接、接着などによってコア・バックに固定することができる。

シート２８”は、シート２８”の端部３６、３８を渦巻の隣接する層に接着、溶接、はんだ付けなどすることによって、渦巻形状の位置に固定することができる。

本発明の別の実施例によると、ステータは、２つより多くのティースを備える。このような実施例では、開口の数、及び／又は渦巻の層の数を変える必要がある。

更に別の実施例によると、コア・バックは、電気的に絶縁された軟磁性材料のシートを複数備える。

ステータをロータと共に配置してモータを形成したときの、ステータの一実施例の概略斜視図である。 図１のステータの概略正面図である。 図１のステータの概略側面図である。 図１のコア・バックの概略正面図である。 図４のコア・バックのＡ−Ａ断面の斜視図である。 本発明の一実施例による電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの一部分を示す概略図である。 図４のコア・バックを作製するために使用することができる電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの概略図である。 図２のステータを作製する方法を示す説明図である。

Claims (15)

1. コア・バックと、
   前記コア・バックの周方向に配置されそこから径方向に延びる複数のティースとを備え、
   前記コア・バックが、渦巻状に配置された、電気的に絶縁された軟磁性材料の少なくとも１枚のシートであり、
   前記コア・バックが前記ティースと関連した開口を有し、前記ティースの一部が前記開口に挿入されており、
   前記シートの両端が該シートによって完全に囲まれない開口を有し、該開口が同一ティースの両側に配置されている、電気機械用のステータ・コア。
2. 前記コア・バックが環状である、請求項１に記載のステータ・コア。
3. 前記電気的に絶縁された軟磁性材料のシートが細長く、ある長さ、幅、厚さを有し、前記電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの前記長さがほぼ周方向に延び、前記電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの前記幅がほぼ軸線方向に延び、前記電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの前記厚さがほぼ径方向に延びる、請求項１又は２に記載のステータ・コア。
4. 前記シートが、接着、溶接、またははんだ付けによって前記渦巻形状に固定される、請求項１から３のいずれか一項に記載のステータ・コア。
5. 前記ティースが、圧入、接着、溶接、またははんだ付けによって前記開口内に固定される、請求項１又は４に記載のステータ・コア。
6. 前記シートが、３回巻きを形成するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のステータ・コア。
7. コア・バックが、渦巻形状に構成された、電気的に絶縁された軟磁性材料の少なくとも１枚のシートであり、
   前記コア・バックがティースと関連した開口を有し、前記ティースの一部が前記開口に挿入されており、
   前記シートの両端が該シートによって完全に囲まれない開口を有し、該開口が同一ティースの両側に配置されている、電気機械用のコア・バック。
8. コア・バックが環状である、請求項７に記載のコア・バック。
9. 前記電気的に絶縁された軟磁性材料のシートが細長く、ある長さ、幅、厚さを有し、前記電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの前記長さがほぼ周方向に延び、前記電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの前記幅がほぼ軸線方向に延び、前記電気的に絶縁された軟磁性材料のシートの前記厚さがほぼ径方向に延びる、請求項８に記載のコア・バック。
10. 前記シートが細長く、前記開口が前記シートの細長い縁部を切断しないように配置されている、請求項８又は９に記載のコア・バック。
11. 前記シートが、接着、溶接、又ははんだ付けによって渦巻形状に固定される、請求項７から１０のいずれか一項に記載のコア・バック。
12. 前記シートが、３回巻きを形成するように構成される、請求項７から１１のいずれか一項に記載のコア・バック。
13. 電気機械用のステータ・コアを作製する方法であって、
    コア・バックを形成するために、電気的に絶縁された軟磁性材料のシートであって、ティースと関連した開口を有し、両端には該シートによって完全に囲まれない開口を有したシートを巻線状に巻く行為と、
    複数のティースを、前記ティースが周方向に分離され前記コア・バックから径方向に延びるように、前記コア・バックに取り付ける行為とを含み、
    前記複数のティースを前記コア・バックに取り付ける行為が、前記ティースの一部を前記開口に挿入することと、前記両端のシートによって完全に囲まれない開口を同一ティースの両側に配置することを含む方法。
14. 前記ティースを前記コア・バックに取り付ける行為が、圧入、接着、溶接、またははんだ付けを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記シートを、接着、溶接、またははんだ付けによって渦巻形状に固定する行為を更に含む、請求項１３又は１４に記載の方法。

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