JP4673817B2 - ワイヤから作られた多層菱形シングルコイルを有する電動機 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤから作られた複数のシングルコイルから構成された空心巻線を有する電動機に関し、これらのシングルコイルは覆瓦状（瓦が重なり合うように）に互いに重なり合っている。

本発明は、特に、直流電動機の回転子及びＥＣ電動機のための固定子の両方に使用し得る空心巻線に関する。

殆どの電動機と同様に、本書に記載されている電動機も基本的に回転電動機又はリニアーモーターとして構成され得る。リニアーモーターの場合、シングル巻線は平らに又は瓦が重なり合うように並んで配置され、それらは、閉じて対称的中空シリンダを形成する代わりに、移動の方向に先端及び後端を有する。真っ直ぐな移動方向を有するリニアーモーターは、基本的に、回転型電動機の円筒投影（ａ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）に起因してなる。真っ直ぐな移動方向を有する動径座標は移動方向に垂直な直交座標上に投影され、接線座標又は角度座標は移動方向の直交座標上に投影され、軸座標は上で定義された２つのものに垂直な直交座標上に投影される。円筒座標という用語が以下においてこの投影における対応する直交座標を示すために類似して且つ同時に使用される。

従来技術のシングルコイルは、普通は、絶縁材の他に、ペースト化又はケーキングに配慮した層を有するワイヤから製造される。これにより、製造プロセスは、中間のシングルコイルの密着性を機械的に保証することを必要とせずに別々のステップで行われ得る。

電気機械のための円筒状巻線は例えば独国特許出願公開第１５３８８４３号（ＤＥ１５３８８４３Ａ１）などの従来技術から知られており、この場合、コイルはワイヤから製造されて菱形の形状を有するように引かれる。

電気機械のためのその様な円筒状巻線を製造する方法が独国特許出願公開第１８０１２６３号（ＤＥ１８０１２６３Ａ１）から知られている。

その様な巻線は、小型の永久励起直流電動機の回転子と電子的に整流される電動機の固定子との両方に使用されている。

その様な巻線を有する機械的に整流される直流電動機は、空心回転子を有する電動機、ベル形回転子つきの電動機又はドラッグカップ電動機（ｄｒａｇ−ｃｕｐ ｍｏｔｏｒ）とも称される。対応する電子的に整流される電動機は空心巻線を有する電動機又はスロットレス／キーレス電動機と呼ばれる。

これらの電動機は、効率が高く、ディテントトルクが無く、また制御特性（開ループ及び／又は閉ループ）が線形であるために、多くの場所で高く評価されて応用されている。

対応する構造を有するリニアーモーターも従来技術から知られている。シングルコイル・シリンダから構成された巻線を有する電動機も従来技術から知られている。

本発明の目的は、改良された電気的及び機械的対称性とより高い出力とを有する電動機を提供することである。更に、本発明の目的は、その様な電動機の製造時により高度の自動化を可能にすることである。

問題に対する１つの包括的な解決策は、複数の脚の半分が第１の面内に位置し、複数の脚の他の半分が第２の面内に位置するように、少なくとも、２つの対向する隅の領域にずれ部を形成するようにシングルコイルを予備成形することにある。

特定の実施態様において、このことは、シングルコイルが覆瓦状に互いの上に位置し得るように、シングルコイルの各脚を同じ軸方向高さにおいて他の夫々の脚とは半径方向において異なる面内に設置されることで理解され得る。その様な面は、随意に、湾曲させられて円筒の形状を有する。この面の変化部分は、以降、ずれ部と称される。

その覆瓦状構成を実現するために、巻線の軸方向端部の領域において少なくともシングルコイルの２つの対向する隅の領域にずれ部が必要である。巻線の軸方向端部のこの領域は、以降、中立帯と称される。

覆瓦状構成によって巻線スペースの最善の活用が達成される。これは最適な出力密度の状態で有利な効果をもたらす。本発明の解決策によって得られる他の利点は、より高度の対称性を達成し得るようにシングルコイル同士が互いに整列することである。直流電動機及び電気的に整流される電動機を用いることで改善された電気的対称性が得られ、従って、より滑らかでロスの少ない電動機動作が生じる。直流電動機を用いることによって、それにより達成される他の利点は、不釣合いの度合いの低い均一な回転子の回転である。更に、覆瓦状のデザインは、巻線の製造を自動化するための簡単な可能性を与える。電動機の有利な実施態様が従属請求項において更に説明される。

好ましい実施態様では、シングルコイルは、巻かれていない形では、１つの軸の周りに螺旋状に配置され、その軸は、巻かれた巻線においてワイヤが中立帯で実質的に接線方向に延びるように、半径方向に延びる。シングルコイルは、完成した巻線においてこの領域では重なり合わないので、この領域でのずれ部は任意の曲線形状をなすように形成され得る。

この実施態様は、巻かれていないコイルの状態では巻線軸に平行に設置され、巻かれた形の状態では回転軸に、又は、それぞれ運動の平面に、並んで垂直に位置するように数本のワイヤを並列に巻くための特に有利な方法を可能にする。完成した巻線においては、並列に巻かれた該ワイヤは電気的に並列に接続される。

他の有利な実施態様は、シングルコイルの巻線工程の前に複数の絶縁されたシングルワイヤを撚り合わせて撚り線を形成することにあり、該撚り線のシングルワイヤは完成した巻線において電気的に並列に接続される。もちろん、１コイルあたりに唯一のワイヤを使っても良い。

シングルコイルのずれを可能にするフィードとして付加的なワイヤ材料をシングルコイルに設けると特別に有利である。なぜならば、ずれ部を作るために付加的なワイヤ材料が必要であり、この領域における付加的なワイヤ材料はワイヤが過度に伸びるのを防止するからである。

ずれ部がコイルの内側形状のヘアピン型又はループ状のバルジとして形成され、シングルコイルの内側及び外側の両方が予め定められた形状を有するならば、その様なフィードを特に有利に実現することができる。なぜならば、これによって斜線全体の上に整った形の閉塞形状が得られ、スペースの最適な使用及びセルフアライメント（自己位置合わせ）という利点が達成される１つの方法だからである。

シングルコイルの他の有利な実施態様は、少なくとも、巻かれていない平らな状態のシングルコイルが、不均一な長さの脚を有する実質的に四角形の形状及び／又は凧型四角形の形状（ｋｉｔｅ−ｑｕａｄｒａｎｇｕｌａｒ ｓｈａｐｅ）（デルタ状）を有するという意味において非対称的である。巻かれていない平らな状態で凧形をなすデザインにより、全てのシングルコイルが互いに同じ高さで隣り合うように巻線を組み立てることができる。一方、もしシングルコイルが対称的に設計され、半径方向外側に位置する脚にギャップが与えられ、もし内側の脚が互いに接近して位置するならば、巻かれた巻線において外側の脚及び内側の脚の両方が互いに接近して位置するように脚の非対称性を設計することができ、両方の層において斜線全体の上に整った形の閉塞形状が得られ、スペースの最適使用及びセルフアライメントという利点が有利に改善される。壁が非常に薄い円筒については、内側層及び外側層の半径は殆ど違わず、理想的形状は対称的形状に近づく。湾曲していないリニアモーターについては理想的形状は対称的である。

他の好ましい実施態様では、シングルコイルに、理想的には軸に平行に伸び、余り傾斜していないセクションを特徴付ける個々の巻線が、理想的には軸方向中央の位置で理想的には隣接する斜めセクション同士の間に設けられ、前記セクションは理想的には六角形を形成する。従って、細長い巻線を有する電動機において、高出力密度という利点が達成され得る。中央セクションは、真っすぐであってよく、或いは僅かに斜角が付けられても良い。僅かに斜角をつけるデザインは、完全に真っすぐな実施態様と比べて有利な効果を巻線の安定性にもたらす。なぜならば、それによってこの部分でもコイルが千鳥状にされ或いは絡むからである。

シングルコイル同士の有利な伝導接続を達成するために、一変更態様では、特に直流電動機について、第１のシングルコイルの一先端部分を第２のシングルコイルの端部分に接続して回転子の接続リード線を形成すると有利である。対応する実施態様を、電子的に整流される電動機のために使用することもできる。

本発明は、装置請求項のうちの１つに係る巻線を含む電動機を製造する方法にも関する。ここで、製造における高度の自動化を達成し、巻線のより良い品質を可能にすることも本発明の目的である。

第１シングルコイルのワイヤ層の先端部分を隣接するシングルコイルの端部分と撚り合わせ／撚るならば、ほんの少しの出費で特別に良好な接触を達成することができ、この場合、第１シングルコイルのワイヤの先端部分は、第２シングルコイルの外側に沿って該第２シングルコイルのワイヤの端部分まで通される。

各ワイヤが投影の平面に垂直に伸びることによって夫々下端及び上端で平面を変えれば、同様に有利である。これはワイヤを一平面から他の平面へ高速に単純に変えることを可能にする。

巻かれたコイルにおいて外側に位置する脚を、巻かれたコイルにおいて内側に位置する脚より鋭角になるように屈曲させれば、更に他の有利な実施態様を実現することができる。

以下、図面によって本発明の実施態様の例を説明する。

図１は、本発明による電動機の完成した巻線１の側面図を示す。巻線１は中空円筒状のボディーを含む。巻線の中空円筒状ボディーは複数のシングルコイル２から構成される。シングルコイルは、これにより、覆瓦状に互いの上に交互に配置されている。図１においてシングルコイル２の一方の半分が見え、シングルコイル２の他方の半分は、隣接するシングルコイル２によって覆われている。従ってシングルコイル２の一方の半分は巻線１の外側に位置し、他方の半分は巻線１の内側に位置する。巻線１は対称の中心軸３を有し、それは同時に回転子の回転の軸であり且つ巻線１の長手方向軸である。巻線の内部構造の対称は理想的には回転対称である。シングルコイル２の一方の半分は、この対称軸までの距離が、シングルコイル２の他方の半分よりも短い。従って、シングルコイルは２つの異なる曲率半径を有する。半径方向に他のものの上に位置する３つのワイヤ４は、同心菱形並び配置のシングルコイル２を形成する。該３つのワイヤは、先端部分５と端部分６とを形成する。第１シングルコイル２の端部分６のシングルワイヤ４は、第２シングルコイル２の先端部分５のワイヤ４と撚り合わされて巻線の接続リード線７を形成する。接続リード線７は、ワイヤ４の先端部分５及び端部分６と比べて図１では良く見分けることができる。ワイヤの先端部分５と端部分６とは、図２においてより良く見分けることができる。

シングルコイル２が覆瓦状に互いに重なり合うこと、また、複数の脚の一方の半分が内側円筒１６内に位置して複数の脚の他方の半分がずれ部を形成することにより外側円筒１５内に位置することも分かる。脚の半分は第１の面１８内に位置し、脚の他方の半分は、ずれ部１７を形成することによって、第１の面１８に平行な面１９内に位置する。シングルコイル２の形状は、シングルコイル２の接線方向運動自由度が閉塞形状によって制限されるように、１つの巻線１の外側エッジが隣の巻線１の内側エッジに接触するようにシングルコイル２が少なくとも１つのセクションにおいて少なくとも１つの脚９，１０，１１，１２から形成されるようになっている。外側層の脚９及び１０の斜めになっている部分は、内側層の脚１１及び１２より大きい。

図２は、シングルコイル２を示す。シングルコイル２のこの実施態様では、先端部分５及び端部分６に向かい合う側にフィード８が設けられている。このフィード８は、へアピン型のバルジ（膨出部）として形成されている。

半径方向にずれが生じる各場所にフィードを挿入することは本発明に従っている。

図２に示されているように、シングルコイル２の対向隅、すなわち先端部分５と端部分６とが現れる部分、はフィード８を備えている。フィード８は、図６により詳しく記載されているずれ部を生じさせるために必要である。図２のシングルコイル２の２つの右側脚９，１０は、最早シングルコイル２の２つの左側脚１１，１２と同じ平面の中には位置しない。２つの右側脚は２つの左側脚より高い平面の中に位置する。しかし、これは他の仕方でも可能である。

巻かれたコイルにおいて外側に位置する脚９及び１０は、巻かれたコイルにおいて内側に位置する脚１１及び１２より鋭角になるように屈曲し、これにより凧型四角形の形状を生じさせる。これにより、シングル・セグメント２は該外側平面及び内側平面の両方が閉鎖する形状に隣接することができ、スペースを最適に埋めることができる。

全ての実施態様と同様に、この場合にも、閉鎖する形状と外側平面の最大充填とを放棄しても良い。図２において、実際には新しい層が設置される前に投影面に対して垂直に数個の巻線が連続的に配置されているが、ワイヤ４は螺旋状に巻かれた１つの線によって概略的に表されている。２つ以上のワイヤからシングルコイルを製造することも同様に可能であり、それらは完成した巻線では並列に接続されている。

図３は、円筒状巻線における同心形２ａをなすシングルコイルの、及び分散形２ｂをなすシングルコイルの外形の軸方向図を概略的に示す。ワイヤ４及び接続リード線７は示されていない。１つの脚１０が外側円筒１５の中を伸び、１つの脚１１が内側円筒１６の中を伸びていること、すなわち半径方向オフセット１７がこれらの脚の間に設けられていること、が良く分かる。夫々の他方の脚は、軸方向において前の脚の後に位置するので、この透視図では見えない。

図４は、ワイヤの先端部分５と端部分６とを各々伴なって覆瓦状に互いに重ねられた２つの同心シングルコイルの略図を示す。この配置においてはシングルコイルの端部分が隣のシングルコイルの先端部分の直ぐ隣に存在するようになることが分かる。この位置で、その２つの部分を互いに撚り合わせることができ、これにより巻線１の接続リード線７が形成される。

図５は、巻かれていない平らな状態にある２つの更なる実施態様のシングルコイルの外形を示す。先端部分５と端部分６とが示されているが、図においてワイヤは省略されている。より小さな程度に斜角が付けられているセクション１３が脚９及び１０の間に位置し、同様にセクション１４が脚１１及び１２の間に位置する。セクション１３及び１４は、左側の図に示されているように僅かに斜角が付けられても良いし、右側の図に示されているように真っすぐであってもよい。僅かに斜角が付けられたデザインは、コイルがこの部分でも千鳥状にされ／絡むので、完全に真っすぐな実施態様と比べて巻線の安定性に有利な影響を与える。外形は、代表的なフィード８を含む同心実施態様を示している。しかし、同様に、より小さな程度に傾けられた中間セクション１３及び１４を有するデザインは、これらの中間セクション無しで図３に示されているように分散巻線形状にも応用され得る。

図６は、６つのシングルコイル２の重なり合った瓦状の層配置の略図を示している。示されている図は、リニアーモーターのための構成に対応する。それは、巻かれていない平らな状態の円筒状巻線と見なされても良い。この図で隠れている部分は、各々、破線状に描かれている。ワイヤと、巻線端部とはこの図には示されていない。

シングルコイル２は、ここでは、各々、閉塞状に並んで配置されている。各巻線パケットは、一方の側（ここでは右側）では次の巻線パケットの上に置かれなければならず、他方の側（ここでは左側）では次の巻線パケットの下に置かれなければならない。

更に、これらの巻線パケットはなるべく密にパックされなければならない。これは、各部分的巻線において垂直ずれ部を、具体的には２つ、頂部と底部とに、必要とし、一半が後方に突き出し、一半が後方にずれたままであることを可能にする。該垂直ずれ部は、巻線の規則性を犠牲にして作用するべきでない一定のワイヤ長さを必要とする。

隣り合う巻線パケットが互いに密にパックされ得るように、巻線の、電動機にとって“アクティブな”、すなわち電流が流れる、部分におけるワイヤのルーティングは規則的で平行に保たれる。中立帯に存するフィードは、垂直ずれ部のために必要なワイヤ長さを提供する。中立帯のこのフィードは、２つの部分的な巻線半分の垂直ずれ部を損傷無しで可能にする。この場合、垂直にオフセットする方向への曲げ込みによって夫々の部分的巻線半分は再現可能な程度に緊縮される。この垂直にずれる方向への曲げこみの後に、得られた部分的巻線が最適の形状寸法を保つように、ワインジング工程でこの程度が考慮されなければならない。

本発明の結果として、高い充填密度を有する巻線を有する電動機を製造することができ、これにより良好な程度の自動化が実現可能である。ごみは減り、不釣合い量は減少する。これら全てにより低コストと並んで技術的利点が達成可能である。

シングルコイルが同心形状になっている、本発明の巻線の側面図を示す。 巻かれていない平らな状態にあるシングルコイルの実施態様の略詳細図を示す。 一実施形態におけるずれ部の像の軸方向図を示す。 ワイヤの先端部分及び端部分を有して重なり合う瓦状に層をなして配列され た２つのシングルコイルの略詳細部分図を示し、ここでシングルコイルの１つの端部分は他のシングルコイルの先端部分と撚り合わされている。 １つは余り斜角が付けられておらず、１つは真っすぐなセクションを有する、巻かれていない平らな状態にあるシングルコイルの２つの更なる実施態様の２つの略図を示す。 数個のシングルコイルの層の重なり合う瓦状配列の略図を示す。

Claims (13)

1. ワイヤ（４）から作られた複数のシングルコイル（２）から構成された円筒形状の空心巻線（１）を有する電動機であって、該シングルコイル（２）が互いに覆瓦状に重なり合い、前記シングルコイル（２）は、複数の脚の半分が第１の円筒面（１６）内に位置し前記複数の脚の他の半分が第２の円筒面（１５）内に位置するように、少なくとも、２つの対向する隅領域にずれ部（１７）を形成するように予備成形され、
   それぞれの前記シングルコイル（２）を構成する前記ワイヤ（４）は、前記シングルコイル（２）が前記円筒形状に巻かれていない形においては、当該シングルコイル(２)の中心軸である１つの軸の周りに同心状で、かつ当該１つの軸に直交する径方向の長さが除々に拡径する螺旋状に配置され、
   前記シングルコイル（２）は、最終巻線形状の前記円筒形状において、前記軸が前記円筒形状の周面に垂直な方向に延在するように形成され、
   前記シングルコイル（２）の前記ずれ部（１７）は、前記ワイヤ（４）が中立帯で実質的に前記円筒形状の前記周面の接線方向に延びるように、前記ワイヤ（４）を前記中立帯で前記円筒形状の半径方向に曲げて、前記２つの円筒面（１５，１６）の間での前記半径方向のずれが生じるように形成され、
   前記シングルコイル（２）は前記ずれ部（１７）の領域にフィード（８）としての付加的なワイヤ材料（４）を備えており、前記フィード（８）は前記シングルコイル（２）の内側形状がヘアピン型又はループ状となる膨出部を形成することを特徴とする、電動機。
2. 前記シングルコイル（２）は、覆瓦状に重なり合う巻線を形成し、前記電動機の回転軸の周りに曲げられ、協働して中空円筒の形状を形成することを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記シングルコイル（２）は、覆瓦状に重なり合う巻線を形成し、前記電動機の回転軸の周りに曲げられ、協働して中空円筒の形状を形成し、前記巻かれたコイル（２）において外側に位置する脚（９，１０）は、前記巻かれたコイル（２）において内側に位置する脚（１１，１２）より鋭角になるように屈曲されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。
4. 前記シングルコイル（２）の内側及び外側の両方が予め定められた形状を有することを特徴とする請求項１記載の電動機。
5. 前記シングルコイル（２）は、前記軸の周りにおいて複数のセクションを有する個々の巻線を備えており、前記セクションは六角形を形成することを特徴とする、請求項１記載の電動機。
6. 前記シングルコイル（２）の巻線工程の前に、撚り線を形成するように複数の絶縁されているシングルワイヤが撚り合わされることにより、前記ワイヤ（４）が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の電動機。
7. 前記シングルコイル（２）は、前記シングルコイル（２）を形成する単層又は多層のワイヤ（４）の先端部分（５）及び端部分（６）を含み、この先端部分及び端部分（５，６）が前記シングルコイル（２）の隅のうちの１つの領域で外方に突き出していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項記載の電動機。
8. 接続リード線（７）を形成するように第１のシングルコイル（２）の１つの先端部分（５）が第２のシングルコイル（２）の端部分（６）と接続されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項記載の電動機。
9. 前記巻線（１）は複数の前記シングルコイル（２）で製造される、請求項１〜８のいずれか一項記載の電動機。
10. 請求項１〜９のいずれか一項記載の電動機を製造する方法。
11. 第１のシングルコイル（２）のワイヤ層の先端部分（５）は隣のシングルコイル（２）の端部分（６）と撚り合わされ、第１のシングルコイル（２）のワイヤ（４）の前記先端部分（５）は、第２のシングルコイル（２）の外側に沿って前記第２のシングルコイル（２）の前記ワイヤ（４）の前記端部分（６）まで通されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記各ワイヤ（４）が前記円筒形状の半径方向に伸びることによって下端及び上端で面（１５，１６）を変えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記巻かれたコイル（２）において外側に位置する脚（９，１０）は、前記巻かれたコイル（２）において内側に位置する脚（１１，１２）より鋭角になるように屈曲されていることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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