JP5542723B2 - セグメント化された固定子用端部キャップ - Google Patents

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Description

本明細書の開示の内容は、電磁機器(マシン)用の固定子(ステータ)アセンブリ(固定子組立体構造)に関する。特に、本明細書の開示の内容は、別々の(分離した)且つ個々に巻回された固定子セグメントと端部キャップとを有する“ルースな(ゆるい:loose)”セグメント化された固定子アセンブリに関する。一例では、ここで開示する“ルースな”セグメント化された固定子アセンブリは、冷凍(冷却)システム用コンプレッサ(圧縮機)の密閉型(hermetic:ハーメティック、気密)モータ(電動機)で使用することができる。
関連出願の参照
本出願は、関連する内容を開示する、代理人整理番号10800.0048.NPUS00(Express Mail No. EV 317623705 US)の米国特許出願、発明の名称“End Cap for Interconnecting Winding Coils of Segmented Stator to Reduce Phase-on-Phase Conditions and Associated Methods”(フェーズ・オン・フェーズ状態を減少させるためにセグメント化された固定子の巻線コイルを相互接続するための端部キャップ、およびそれに関連する方法)、代理人整理番号10800.0051.NPUS00(Express Mail No. EV 317623609 US)の米国意匠出願、意匠の名称“Lead End Cap for Segmented Stator”(セグメント化された固定子用のリード端部キャップ)、代理人整理番号10800.0050.NPUS00(Express Mail No. EV 317623714 US)の米国意匠出願、意匠の名称“Base End Cap for Segmented Stator”(セグメント化された固定子用のベース端部キャップ)、代理人整理番号10800.0047.NPUS00(Express Mail No. EV 317623688 US)の米国意匠出願、意匠の名称“Contoured Stator”(成形固定子)、と共に出願するものである。
冷凍(冷却)システムの密閉型コンプレッサ用モータのような電磁機器で使用されるセグメント化された固定子は当技術分野で周知である。セグメント化された固定子アセンブリは、典型的にはモータの固定子を形成する複数のセグメントを含んでいる。固定子は典型的にはシェル(shell:外殻、本体)内に収容されており、回転子(ロータ)と軸(シャフト)が固定子のボア(bore:穴、内径、腔中)内で回転するように配置されている。固定子の各セグメントは、ヨーク部分と歯(tooth)部分とを含んでいる。例えば誘導電動機(インダクションモータ)、ブラシレス永久磁石(BPM)モータ、スイッチド・リラクタンス(SR)モータ(switched reluctance motor)のような従来技術の電磁機器で知られているように、固定子の歯には複数相(位相)の複数の巻線コイルを形成するために磁気ワイヤ(magnet wire:マグネティック・ワイヤ)が巻回されている。
固定子のセグメント上にワイヤ(導線)を容易に配置することができるように、固定子のセグメントの端部上に端部キャップがぴったりと結合(嵌合、フィット)している。例えば、Peachee(ピーチー)他に付与された米国特許第6,584,813号、発明の名称“Washing machine including a segmented stator switched reluctance motor”(セグメント化された固定子スイッチド・リラクタンス・モータを具えた洗濯機)には、セグメント上の端部キャップを使用したセグメント化された固定子アセンブリが開示されている。ここで、この文献全体を参照により組み込む。さらに、Sheldon(シェルドン)に付与された米国特許第2,688,103号、Morrill(モリル)に付与された米国特許第2,894,157号、Yamazaki(ヤマザキ)に付与された米国特許第6,127,753号、Nishiyama(ニシヤマ)他に付与された米国特許第6,509,665号、およびHarter(ハーター)他の米国特許出願公開第2002/0084716号には、固定子用の端部キャップの種々の例が開示されている。従来技術による端部キャップは典型的にはセグメントに接着されており、巻線コイルは各セグメントの歯部分の周囲および端部キャップの部分上に巻回されている。従って、端部キャップに関する幾つかの問題は、例えば巻線コイルの好ましくない重なりまたは歯の部分の周囲の巻線コイルの不十分な密度のような、巻線コイル中の巻線の性能の低下を生じさせ得る。
セグメント化された固定子は、各相(位相)の巻線(phase windings)を形成するために各セグメント上に個々に巻回された全てのコイルを相互に接続するための種々の製造工程(ステップ)を必要とする。固定子の巻線コイルを相互に接続するために、この技術分野においては、固定子の種々の巻線コイルを相互に接続するためのプリント回路板(PCB)を使用することが知られている。プリント回路板は、概して円形で、固定子の各端部キャップ上の端子ピンに接続する複数の端子パッドを有する。
プリント回路板を使用する代わりに、反対電気的相(opposing electrical phase)(電圧)の種々の巻線コイルを接続するために相互接続ワイヤを使用することができる。Sheldon(シェルドン)に付与された米国特許第2,688,103号に開示されているように、相互接続ワイヤの端部を固定子の端部キャップ上の端子ピンに溶接または半田付けすることもできる。相互接続ワイヤを幾つかの異なる方法で固定子上に経路形成する(route、導く、案内する)ことができる。一つの例では、相互接続ワイヤはセグメントの外側部分の周囲に経路形成される。この技術分野では、固定子の外側部分上に相互接続ワイヤの経路を形成するために、固定子の外側の側部(outboard side)上にワイヤの経路形成用のフックを設けることが知られている。しかし、コンプレッサ用モータでは、固定子の外側部分上にワイヤの経路を形成することは、好ましくない。
別の例では、相互接続ワイヤを固定子の内側部分内で経路形成することができる。この技術分野では、固定子の内側部分上で相互接続ワイヤの経路を形成するためにワイヤを案内するためのステッチャ・リング(stitcher ring:結合(とじ合わせ)用リング)を使用することが知られている。相互接続ワイヤの経路を形成するために、例えばエマーソン エレクトリック カンパニー(Emerson Electric Co.)によって製造された部品番号280138のステッチャ・リングがモータにおいて使用される。ステッチャ・リングは回転子(ロータ)の軸が貫通する中心開口を有するディスク(円板)である。ステッチャ・リングは固定子のリード端(先頭端、導入端)上に位置しており、固定子のボア上に部分的に嵌合(フィット)している。ステッチャ・リングの一方の側部(側面)上に複数のフックが設けられており、これは巻線コイル間でワイヤの経路を形成するために使用される。別の例では、Kondo(コンドウ)他に付与された米国特許第5,900,687号に、種々の相(位相)のコイル間に導線(ワイヤ)を配列するための複数の溝を具えた端部プレートが開示されている。この端部プレートはボアの領域内の固定子の巻線コイルの上側部分上に固定されている。
固定子上で経路形成された相互接続ワイヤは互いに隣接して配置されているので、隣接する相互接続ワイヤ間の大きな電圧の差(differential)がモータにフェーズ・オン・フェーズ(phase-on-phase)状態を生じさせ得るし、ワイヤ上の絶縁性を早期に劣化させ得る。コンプレッサ用モータでは、モータが或る瞬間にその固定子を通して電圧1600Vおよび電流1200A以上の電流を流し得る磁化固定装置として使用されるので、隣接ワイヤ間の或る大きな電圧差が増幅され得る。さらに、コンプレッサ用モータはパルス幅変調(PWM)駆動で使用され得る。PWM駆動による波形は、その波形の前端縁(leading edge)および後端縁(trailing edge)で高い電圧のスパイクをもつことがあり、複数の相ワイヤ(phase wire)を分離する必要性が生じる。伝統的に、モータでは、別々の巻線コイルを形成するために磁気ワイヤ間にMYLAR(登録商標)またはNOMEX(登録商標)で作られた絶縁物が使用される。また、巻線コイルを相互接続する相互接続ワイヤ間に2次的絶縁物が使用されることも、この技術分野で知られている。残念ながら、このような2次的絶縁物はモータの製造コストを上昇させ、製造に要する時間を長くさせ得る。
幾つかのセグメント化された固定子アセンブリでは、セグメントをまとめて(一緒に)に保持するために前記セグメント上に連結構造(interlocking)またはヒンジ(蝶番)が使用される。例えばYamazaki(ヤマザキ)他に付与された米国特許第6,127,753号には、隣接セグメントをまとめて結合するヒンジ結合される端部を有するセグメントが開示されている。相互結合セグメントを有するセグメント化された固定子とは異なり、固定子用の幾つかの従来技術のセグメントは固定子の他のセグメントと直接相互結合されるように形成されていない。代わりに、そのようなセグメントは突条(隆起)付きおよびスロット付き端部を具えている。この端部は単に隣接するセグメント上に共に一緒に嵌合しているだけで、そのためセグメントは何らかの他の保持用構造体が存在しなければ共に物理的に保持されることはない。従って、固定子セグメントは“ルースな(loose:ゆるい)”セグメント化されたタイプ(形式)の固定子を形成されるのに使用される。このルースなセグメント化された固定子は、典型的には、セグメントが固定子の環状形状に形成されるときにこれらのセグメントを共に一緒にまとめて保持するために、例えば重い金属バンドのような2次的保持装置(secondary retention device)を必要とする。モータを製造するときまたは固定子を別個の部品として顧客に宛てて発送するときに、これらのセグメントを共に保持するために、その重い金属バンドがセグメントの外径の周囲に配置される。さらに、通常のセグメント化された固定子は、製造中の公差(許容誤差)に許容できない差を生ずるのを防止するためにセグメントを軸方向に整列させるための用意された(出来合いの)手段を具えていない。現在、“ルースな(loose:ゆるい)”セグメント化された固定子用の軸方向の整列の形態が存在するとは、この技術分野では考えられていない。
上述のように、セグメント化された固定子は冷凍(冷却)システムのコンプレッサ用の密閉型モータで使用される。そのコンプレッサは、そのコンプレッサの底にオイル溜(oil sump)として知られているオイル・ポンプを有する。典型的には、オイルは密閉型モータの軸を通してくみ上げられ、固定子および回転子を通過してコンプレッサの主軸受け(ベアリング)に供給される。オイルは、軸受けからモータのリード(先頭)端(lead-end)に放出され、オイル溜に排出して戻される。例えばセグメント化された固定子の外形(輪郭)のようなモータの外形(contours:輪郭)は、オイルがモータのリード端からオイル溜にどのようにして戻るか(方法)を決定することができる。さらに、オイルは、密閉型モータにおけるオイル溜から、典型的な端部キャップの空洞部および凹所に溜められ、それによってオイルがオイル溜に戻るのを防ぐことができる。もしモータが充分なドレイン(ドレン、排出)領域を持たなければ、例えば、オイルがモータのリード端(lead-end)上にせき止められるようになる。オイルをせき止めると、冷凍(冷却)システム中により高いオイル循環を生じさせ得るし、オイルのオイル・ポンプを空運転(starve:渇動、スターブ)させ得るし、コンプレッサの性能を妨げる(低下させる)。一方、モータがオイルを戻すための大き過ぎるドレイン領域をもっていると、固定子は、所望量よりも少ないバック・アイアン(back iron:バック鉄心)を有することになり得る。より少ないバック・アイアンを有する固定子は、より高い磁束飽和を有し得るし、性能が低下し得る。
コンプレッサにおける密閉型モータ用の典型的な固定子は、その固定子の外径上に画定(規定)された平坦な領域を有する。その固定子のこの平坦な領域は、モータのリード端からオイル溜へ通ずるオイルのドレイン領域を形成する。或る幾つかの固定子では、平坦な領域は非常に大きく作られていて、固定子を形成するのに使用される材料を効率的に使用することができる。しかし、その固定子中のこれらの大きな平坦な領域は、そのモータのシェルを変形させ得る。例えば、平坦な領域を用いて固定子を形成する薄層状組織(laminations)の連続工程によって、シェルの変形の問題を生じさせ得る。さらに、コンプレッサで使用されるときのスクロール・シヤー(剪断)パターン(scroll shear pattern)が、固定子の外側の平坦な領域の物理的な寸法に起因してシェルの変形の問題を生じさせ得る。従って、典型的には、固定子の平坦な領域の寸法と固定子を作るのに使用される材料の効率的使用との間で妥協(トレードオフ)が行われる。
米国特許第6,584,813号 米国特許第2,688,103号 米国特許第2,894,157号 米国特許第6,127,753号 米国特許第6,509,665号 米国特許出願公開第2002/0084716号 米国特許第5,900,687号
本明細書の開示内容は、上に述べたような1つ以上の問題を解決するか、または1以上の問題の影響を少なくとも軽減することを対象にするものである。
発明の概要
本発明の特徴によれば、電磁機器用の端部キャップは、固定子を有する。その固定子は複数の隣接するセグメントを有し、各セグメントはセグメント面を有する。その端部キャップは本体を有し、その本体は本体面を有する。その本体面は、その本体面とそのセグメント面が実質的に同じ平面上に位置するように、その複数の隣接するセグメントの中の1つのセグメントのセグメント面に接触状態で位置するよう構成されている。その本体面の一部は、隣接するセグメントの面が実質的に同じ平面上に位置するように、その隣接するセグメントをその固定子の中心軸に実質的に平行な方向に整列させるようその1つの隣接するセグメントの面に接触状態で配置可能である。その本体面の一部はその本体の第1の端部から伸びる指状部を含んでいる。その本体は、さらに、その指状部に隣接するその本体のその第1の端部上の雌形結合部と、その本体の第2の端部上の雄形結合部と、を具えている。隣接する端部キャップ上のその雄形結合部とその雌形結合部は、その隣接するセグメントを共に充分に保持するように互いに雌雄結合する。
実施形態において、電磁機器用の固定子は、複数の別々の個々に巻回された固定子セグメントを具え、これらのセグメントはそれらのセグメント上に配置された端部キャップ(end cap)を有する。1つの特徴(側面)では、それらの端部キャップは、締りばめ(interference fit)によって端部キャップをセグメント上に配置するための脚部(legs)を有する。別の特徴(側面)では、それらの端部キャップは、それらのセグメント上におけるワイヤの巻回を容易にするために傾斜した(角度が付けられた)表面(斜面)を有する。さらに別の特徴(側面)では、隣接するセグメントを共に(一緒に、まとめて、互いに)結合させるために互いに雌雄結合する雄形結合部および雌形結合部を有する。さらに別の特徴(側面)では、それらの端部キャップは、それらのセグメントを実質的に同じ平面上で整列させるための指状部(fingers)およびスロット(slots)を有する。さらに別の特徴(側面)では、それらの端部キャップは、それらのセグメントを電気的に相互接続するためにその固定子上に経路形成された相互接続ワイヤを分離するためのフック(hooks)、棚状部(shelves:書棚状部、書架状部)および側方棚部(ledges:レッジ、水平突起部、側方突起棚部)を有するワイヤ絶縁構成(分離機能)(isolation features)を有する。さらに別の特徴(側面)では、それらのセグメントは、オイルを排出させるためにそれぞれの外側端縁に貝殻状波形輪郭外形(scalloped contours:スカロップト・コントゥア)を含み、それらの端部キャップはオイルを排出(流出)するための流路(passages)を有する。
上記の概要は、本明細書の開示内容の可能性ある各実施形態または全ての特徴を要約することを意図したものではない。
上記の概要、好ましい実施形態、本明細書の開示のその他の内容は、図面を参照しつつ特定の以下の具体的な実施形態の詳細な説明を参照することにより最も良く理解することができよう。
本明細書に開示された端部キャップ(end cap)、セグメント、固定子、および関係する方法については、種々の変形および別の形態が可能であるが、その特定の実施形態が図面中に例として示されており、ここではそれらについて詳細に説明されている。図面およびここで記載された説明は、如何なる意味においても本発明の概念の範囲を制限することを意図するものではない。むしろ、図面および記載した説明は、米国特許法35USCセクション112によって要求される特定の実施形態を参照することによって当業者に発明の概念を説明するために提示したものである。
図1は、本明細書中で開示された或る教示内容による、殻(シェル)内に配置されたセグメント化された固定子アセンブリの一実施形態の平面図を示している。 図2Aおよび2Bは、開示されたセグメント化された固定子アセンブリの頂部および底部を示す斜視図である。 図3Aおよび3Bは、開示されたセグメント化された固定子アセンブリ用のラミネート化(薄板化)されたセグメントの平面図および斜視図である。 図4は、開示されたセグメント化された固定子アセンブリの一部の詳細な平面図である。 図5A〜5Dは、開示された固定子アセンブリの1セグメント上のリード端部キャップの実施形態を各方向から見た斜視図である。 図6A〜6Fは、開示された固定子アセンブリ用のリード端部キャップを分離(分解)した各部の図である。 (図6Aで説明) 図7A〜7Cは、隣接するリード端部キャップの端部を互いに結合させるための別の代替的実施形態を示す図である。 図8Aおよび8Bは、隣接するリード端部キャップの端部を互いに結合させるための他の代替的実施形態を示す図である。 図9A〜9Cは、開示された固定子アセンブリの1セグメント上のベース端部キャップの一実施形態を各方向から見た斜視図である。 図10A〜10Fは、開示された固定子アセンブリ用のベース端部キャップの分離(分解)した各部分を示す図である。 (図10Aで説明) 図11は、異なる積層体の高さを有する隣接セグメント上の開示されたリード端部キャップおよびベース端部キャップを示している。 図12A〜12Dは、開示された固定子アセンブリ上の相互接続ワイヤのステッチング・パターンの一典型例を示している。 (図12Aで説明) (図12Aで説明) (図12Aで説明) 図13は、開示された固定子アセンブリの一例における磁束密度パスを概略的に示している。 図14は、殻(シェル)の周辺(周囲)に関する、開示されたセグメントの平面図である。
A.固定子アセンブリ(Stator Assembly)
図1および図2Aおよび2Bを参照すると、本明細書の開示内容の或る教示による1つのセグメント化された固定子アセンブリ(組立体)10の一実施形態が示されている。図1はリード端部(lead-end:前端部、先頭端、導入端)から見たその開示された固定子アセンブリの平面図を示している。図2Aおよび2Bは、それぞれリード端およびベース端部(base-end:基端部)から見たその開示された固定子アセンブリ10の斜視図を示している。その開示された固定子アセンブリ10は“ルースな(loose:ゆるい)”セグメント化された固定子タイプのものである。その開示された固定子アセンブリ10は、例えば車載用または住宅用の冷凍(冷却)システム用の密閉型コンプレッサのような可変速度のモータのアプリケーション(適用例)において使用することができる。しかし、その開示内容の教示は、他のタイプの固定子と共に使用することができ、また他のモータのアプリケーションで使用することもできる。
そのセグメント化された固定子アセンブリ10は複数の各別の固定子セグメント20を具えている。セグメント20はリード端部キャップ(lead-end cap)50およびベース端部キャップ(base-end cap)150を有する。この例では、セグメント化された固定子アセンブリ10は巻線コイル92を形成するように個々にワイヤが巻回された9つのセグメント20を有するが、異なる数のセグメントおよび端部キャップを具えた別の代替的実施形態も考えられ、また可能である。セグメント化された固定子アセンブリ10は、典型的には、モータの殻(shell:シェル)(図示せず)内に収容されており、回転子およびシャフト(軸)(図示せず)は、固定子10のボア11内で回転できるように配置される。
B.セグメント(Segments)
図3Aおよび3Bを参照すると、本明細書に開示された固定子アセンブリ10のラミネートされた(薄層板状にされた)セグメント20の平面図および斜視図がそれぞれ示されている。各セグメント20の構成は通常のセグメント化された固定子で使用されるセグメントの構成と概して同様である。例えば、各セグメント20は実質的に同形の複数の薄層状板(ラミネーション:laminations)21で形成されている。薄層状板21は打ち抜きスチールで形成されており、セグメント20を形成するために共にいっしょに積層される。
各セグメント20はヨーク部分22と歯(トゥース)部分24とを具えている。ヨーク部分22は、後部溝または背部溝(rear channel)38を画定(形成)する外側の端縁(縁部)(outboard edge:外壁側または外面側の端縁)30を有する。後部溝38は、端部キャップ50および150を固定子セグメント20に結合するのを助けるために、以下でさらに詳しく説明するその端部キャップ50および150の一部を圧入ばめ(press-fit:圧力ばめ、プレスばめ、圧入)関係(relationship)の形態で受入れる。この実施形態では、各セグメント20は、ヨーク部分22に画定(形成)されたスロット(溝)付き端部(slotted end)32と突条(リッジ、隆起)付き端部(ridged end)34とを具備している。隣接するセグメント20のスロット付き端部32と突条付き端部34は、図1および図2A、2Bに最も良好に示されているように、セグメント20が固定子10の環状の形状に形成されるときに互いに嵌合する(interfit)。具体的には、隣接する固定子セグメント20を共に互いに結合させるとき、スロット付き端部32は突条付き端部34を受入れる。隣接する端部32と34は、隣接する固定子セグメント20が少なくとも一方向に相対的に動くのを防止する。隣接する固定子片を直接相互結合するように働く相互結合の蝶番(ヒンジ)またはパズル片(puzzle piece)を具えた従来技術による固定子アセンブリとは違って、この実施形態におけるスロット付き端部32と突条付き端部34は、或る他の保持構造(保持手段)が存在しなければ隣接する固定子セグメント20を物理的に共にまとめて(一緒に)保持することはできない。従って、この実施形態における固定子セグメント20は“ルース(ゆるい:loose)”セグメント化されたタイプの固定子を形成する。
この実施形態では、セグメント20の歯部分24は概して“T”字型の極(ポール)の端部(pole end)26を有する。極の端部26の内側面(inboard face:内壁側の面)(即ち、ヨーク部分22から離れて対面する極の端部26の面)は組立てられた固定子のボアを形成し、前記ボア内に回転子が回転するように配置される。この技術分野で周知のように、巻線コイルを形成するために固定子セグメント20の歯部分24の周囲にワイヤ(図示せず)が巻回される。極の端部26の外側面(outboard face:外壁側の面)(即ち、ヨーク部分22に対面する極の端部26の面)は、以下で詳しく説明するように、少なくとも部分的に巻線コイルを歯部分24上の所要の位置に配置し保持するのを助ける。
C.リード端部キャプ(Lead End Cap)
図1および図2Aおよび2Bに示されているように、組立てられたセグメント化固定子10の個々の固定子セグメント20はリード端部キャップ50およびベース端部キャップ150を有する。図5A〜5Dを参照すると、端部キャップ50、150を有する個々の固定子セグメント20は、開示された固定子アセンブリのリード端部キャップ50の関連する細部を明確にするために分離された幾つかの斜視図で示されている。リード端部キャップ50は固定子セグメント20のリード端部(即ち、モータの主軸受けまたは“頂部(top)”に向けて配置された固定子セグメント20の端部)上で使用されている。リード端部キャップ50は非導電性材料で形成されており、好ましくはデュポン(Dupont)社製のRYNITE(登録商標)FR530で作られる。
図6A〜6Fに分離された各種の図の形で示されたリード端部キャップ50は、本体部分(body portion)60、巻線部分(winding portion)74、および内側壁(壁部)(inboard wall)76を具えている。リード端部キャップ50は固定子セグメント20上に嵌合していて(fit)、端部キャップ50の実質的に平坦な表面52がセグメント20のリード端部に隣接して位置するようになっている。特に、本体部分60はセグメント20のヨーク部分22上に位置しており、巻線部分74はセグメント20の歯部分24上に位置しており、内側壁76はセグメント20の極の端部26上に位置している。図6Dおよび6Fの側面図に最も良好に示されているように、リード端部キャップ50の本体部分60および内側壁76は共に巻線部分(winding portion)74を充分に越えて伸びていて巻線ポケット(winding pocket:巻線収容凹所)70を形成しており、また本体部分60および内側壁76は共に歯部分の上で実質的に同じ高さを有する。図5A〜5Dに概略的に示されているように、巻線コイル92のワイヤは歯部分24の周りに巻線ポケット70内に巻回されていて、巻線コイル92の一部が本体部分60と内側壁76の間に部分的に配置され、また端部キャップ50の巻線部分74上に部分的に配置されるようになっている。
図6Aに最も良好に示されているように、リード端部キャップ50の巻線部分74は、端部キャップ50をモールド(鋳造)するのに部分的に必要となる複数のリブを形成(画定)している。好ましくは、巻線部分74は、端部キャップ50に充分な強度を与えるために5つのリブを形成(画定)している。図6Aに示すように、そのリブはワイヤを巻回しようとする巻線ポケット70内の位置に形成されればよい。代替的な実施形態では、底面52(図6Bに示す)が複数のリブを形成(画定)してもよい。底面52にリブを形成すると、前記リブはセグメントの表面に対向して配置されるとき圧縮された状態になるので、端部キャップ50を強化するのに有益であり得る。さらに、巻線部分74の頂部の面上におけるその巻線部分74と内側壁76との結合部は強い応力点(stress point)となることがある。そのリブを巻線部分74の底面52に形成することによって、内側壁76に対する巻線部分74の潜在的に存在する“高応力”結合が一様になり、内側壁76を有する巻線部分74間の破損(breakage)の確率(chances:機会)を低減することができる。
1.保持の特徴的構成(Retaining Features)
図5A〜5Dに最も良好に示されているように、リード端部キャップ50は複数の脚部(legs)を用いて固定子セグメント20上に配置されている。この実施形態では、リード端部キャップ50は2つの歯側(歯部)脚部(tooth leg)82と本体側(本体部)脚部(body leg)88を具えている。歯側脚部82は内側壁76に取り付けられており、本体側脚部88は本体部分60の端部に取り付けられており、これらの脚部82および88はセグメント20上に嵌合するように端部キャップ50の平坦な表面52から伸びている。端部キャップ50がセグメント20上に配置されるとき、歯側脚部82は歯部分24のいずれかの側面(側部)に(いずれの側面にも)嵌合し、本体側脚部88はセグメント20の外側の端縁(縁部)(outboard edge)30上に形成された溝(チャネル)38に嵌合する。歯側脚部82の端縁(edge:縁部)は締りばめ(interference fit)で歯部分24のいずれかの側面(側部)に(いずれの側面にも)嵌合しており、歯側脚部82の外側面は極(ポール)の端部26の内側面に対向して配置されている。
3つの脚部82と88はセグメント20上に端部キャップ50を実質的に保持し、またセグメント20上に端部キャップ50を充分に整列させる(位置合わせする)。端部キャップ50を脚部82および88によってセグメント20上に充分に(実質的に)安定状態にすると、巻線処理工程またはその他の製造工程(ステップ)の期間中に端部キャップ50が動くのを防止する。例えば、脚部82および88は端部キャップ50の軸方向および接線方向の任意の動きを最小にすることができ、端部キャップ50をセグメント20に接着剤で固定する必要がなくなる。製造期間中に端部キャップが横方向に(側部から側部への方向に)またはボア内方向に移動するのを防止するために、従来技術で周知の端部キャップは、通常、セグメント上に接着剤で固定される。しかし、本明細書で開示した端部キャップ50では、歯側脚部82および本体側脚部は、接着する必要なしにセグメント20上の所定位置に端部キャップ50を充分に(実質的に)保持することができる。
2.アンダーカット領域(Undercut Areas)
リード端部キャップ50の脚部82および88はセグメント20と締りばめ(interference fit)を形成するそれぞれの端縁(縁部)を有するので、端部キャップ50がセグメント20上に配置されたときその各端縁(縁部)は固定子セグメント20の各端縁(縁部)に押し付けられた状態で(against:接触した状態で、抗して)通る(移動する)。その結果、セグメント20の各端縁(縁部)は、端部キャップ50がセグメント20上に配置されるときにプラスチック製の脚部82および88の材料を削る(こする)可能性があり、削られた(skived:薄くはぎ取られた)材料を、端部キャップ50の平坦な表面52に(against)押し付ける。表面52とセグメント20の間に集められたいずれかの削られた材料は、端部キャップ50がセグメント20のリード端部に対して適正に平坦に嵌合するのを妨げる可能性がある。従って、図6Bの底面図に最も良好に示されているように、本明細書に開示された端部キャップ50には、歯側脚部82に隣接し且つ本体側脚部88に隣接する平坦な表面上52にアンダーカット溝(チャネル)54が形成(画定)されている。これらのアンダーカット溝54は、端部キャップ50がそのセグメント上に嵌合するときに脚部82および88からの任意の削り取られた材料を収集して、それによって端部キャップ50の平坦な表面52がそのセグメントのリード端部に(接触状態で)ぴったりと嵌合することができる。
図6Bの底面図に示されているように、リード端部キャップ50の平坦な表面52には、セグメントの薄層状板(laminations)を積層するのに通常使用される連結用タブ(interlock tab)(図3Aに示されている要素37)を収容する(accommodate:に適合する)ディボット(divot:削られた窪み)57が形成(画定)されている。さらに、本体部分60の外側の端縁(縁部)はセグメント上の他の連結用タブ(図3Aに示す要素37)を収容する(に適合する)通路67を画定している。図6Bに最も良好に示されているように、リード端部キャップ50上の通路67は、端部キャップ50の外側の端縁(縁部)を有する本体部分60の空洞61と連通していて、通路67は後で詳細に説明するようにドレイン・ホールとして作用する。
3.ポケットの特徴的構成(Pocket Feature)
この実施形態では、図4に最も良好に詳しく示されているように、リード端部キャップ50は、それぞれ好ましくは、圧接式接続コネクタ(IDC:insulation displacement connector:絶縁体無剥離接続コネクタ)(図示せず)用の第1ポケット68+および第2のポケット68−を具えている。IDCポケット68+および68−は、それぞれ、内側スリット(inboard slit)69−Iおよび外側スリット(outboard slit)69−Oを有する。巻線コイル92を形成するために使用されるワイヤの先端部分(リーディング部分)93LはIDCポケット68+の1つに嵌入しており、巻線コイル92のワイヤ90の後端部分(トレイリング部分)93Tは他のIDCポケット68−に嵌入している。以下でさらに詳しく説明する典型例の相互結合方式(構造)では、同じ相(phase:位相)のセグメント20相互間の巻線コイルを相互結合するのに使用される相の相互結合ワイヤ94Aは端部キャップ50上の1つのIDCポケット68+に嵌入する。典型例の相互結合方式では、固定子の複数の巻線コイル92の共通端部を相互結合するのに使用される中立すなわち共通の相互接続ワイヤ96は他のIDC68−に嵌合する。従って、スリット69−I、69−Oは、固定子アセンブリ10の内側の側面(側部)(inboard side)と外側の側面(側部)(outboard side)の間のIDCポケット68+、68−中を通してワイヤ90、94、96を通す。
外側スリット69−Oによって、固定子アセンブリ10の外側の側面(側部)および前記固定子アセンブリ10が配置され得る任意の外殻(exterior shell)(図示せず)に対してワイヤが所定の関係に配置される。図6Aの上面図に最も良好に示されているように、支柱(ポスト)148が、外側スリット69−Oに隣接して本体部分60から伸びている。これらの支柱148は巻回処理期間中に使用され、最終的には後の組立て期間中に取除かれる。
IDCポケット68+、68−の内側スリット69−Iは、特に、巻線コイル92を形成するワイヤ90がセグメント20の歯部分24に対して或る所定の関係で配置されることを保証する。図6Aに最も最も良好に示されているように、IDCポケット68+の内側スリット69−Iは、セグメント20の歯部分に隣接して嵌合(嵌入)する巻線部分(図示せず)の端部と実質的に(充分に)整列している。端部キャップ50の本体部分中にスリット69−Oから巻線部分74の端縁(縁部)まで溝(groove)65が形成されていることが好ましい。図4に最も良好に示されているように、溝65は、巻線コイル92の先端部分93Lをセグメント20の歯部分に案内し且つ隠すために使用される。一方、図6Aに最も良好に示されているように、他のIDCポケット68−の内側スリット69−Iは巻線部分74の端縁(縁部)からより遠く離して配置されている。図4に最も良好に示されているように、他のIDCポケット68−の内側スリット69−Iは巻線コイル92の後端部分93Tを受入れる。
スリット69−I、69−Oに加えて、図4に最も良好に示されているように、リード端部キャップ50は本体部分60の内側の側面(側部)上に結合基準壁(connection reference wall)140を具えている。結合基準壁140はIDCポケット68+、68−から離れ配置されており、製造中に固定子10上にワイヤを配置するときにこのワイヤをスリット69−I、69−Oと整列させる(位置合わせする)のに使用される。壁140の端縁(縁部)142は内側スリット69−Iと実質的に整列しており、ワイヤを内側スリット69−Iに対して曲げるのに使用される。結合基準壁140は、また本体部分60を越えて伸びるチップ(tip:先端、尖端)即ち部分144を有する。チップ144は、IDCポケット68+、68−のスリット69−I、69−O内でワイヤを整列させるための基準(参照)点を形成している。例えば、壁140のチップ144は、ワイヤがスリット69−I、69−O内に挿入される(押し込まれる)前に巻線プローブまたはノズルがIDCポケット68+、68−より上のワイヤを曲げることができるように本体部分60を越えて充分に伸びている。壁140が延長したチップ144を有することによって、自動化された巻線処理と干渉する(を妨害する)可能性のある本体部分60より上に伸びるフックを必要でなくなる。
図4に最も良好に示されているように、リード端部キャップ50はまたIDCポケット68+、68−の各ポケットに隣接して整列スロット146を有する。整列スロット146は、IDCポケット68+、68−中にそれぞれIDC(図示せず)を埋め込む自動化装置を整列させる(位置合わせする)ための基準点を与えることによって固定子10の自動化された組み立て(アセンブリ)を容易にする。例えば、この一実施形態は、好ましくはタイコー(Tyco)製の圧接式接続コネクタ(IDC)を使用する。IDCはポケット68+、68−に嵌入する。好ましくは、IDCポケット68+、68−は、そのIDCの位置取り(positioning)を容易に行うためにそのポケット内に上向きの支柱(ポスト)を有する。IDCは、いったん設置された後、巻線コイル・ワイヤ(例えば92)とIDCポケット68+、68−中を通る相互接続ワイヤ(例えば94A、96)とを電気的に接続する。さらに、IDCは、モータに接続するためのワイヤ・リード用の端子を提供している。端部キャップ50は、また取り付け用(実装用)開孔66を有し、その開孔内にワイヤ・リードを保持するためのケーブル・タイ(tie)(ケーブル固定具)をスナップ式に取り付けることができる。
D.ベース端部キャップ(Base End Caps)
上述のように、固定子10の個々のセグメント20はベース端部キャップ150を有する。図9A〜9Cを参照すると、端部キャップ50、150を有する固定子セグメント20が、本明細書に開示された固定子アセンブリのベース端部キャップ150の関連する細部を明らかにする別々の複数の斜視図で示されている。ベース端部キャップ150は固定子セグメント20のベース端部上で使用される(即ち、固定子セグメントの端部はモータのオイル溜(oil sump)または“底:bottom”に向けて配置される。ベース端部キャップ150は前述のリード端部キャップと実質的に類似している。例えば、図10A〜10Fの別々の複数の図に示されたベース端部キャップ150は、本体部分160、巻線部分174、内側壁176、および実質的に平坦な表面152を有する。
ベース端部キャップ150は、リード端部キャップのリード端部上への嵌合と同様の形態で、固定子セグメント20のベース端部上に嵌合する。例えば、ベース端部キャップ150は、内側壁176に取り付けられて平坦な表面152から伸びる2つの歯側脚部182を有する。本明細書に開示された端部キャップ150は、また本体部分160に取り付けられて底面152から伸びる本体側脚部188を有する。ベース端部キャップ150の歯側脚部182は、セグメント20上に配置されるとき、歯部分のいずれか1つの側面(側部)に、締りばめ(interference fit)で極(ポール)の端部26に押し付けられた状態で(接触状態で)嵌合し、また本体側脚部188はセグメント20の外側端縁(縁部)30上に形成された溝38に嵌合する。脚部182および188はセグメント20上のベース端部キャップ150を確実に保持し、従って巻線処理工程またはその他の製造工程(ステップ)期間中に端部キャップ150が動かせないようにする。
上述のリード端部キャップと同様に、ベース端部キャップ150は、図10Aの平面図に最も良好に示されているように、ベース端部キャップ150をセグメント上に配置したときに脚部182および188からの削り取られた材料を集めるためにその脚部182および188に隣接して平坦な表面152にアンダーカット溝(チャネル)154を含んでいる。さらに、ベース端部キャップ150の平坦な表面152にはディボット(divot)が形成(画定)されており、本体部分60の端縁(縁部)にはセグメントの薄板(laminations)を積層するのに通常使用される連結用タブ(図3Aの要素37)を収容する(に適合する)凹所(ヌック:nook)167が形成されている。
E.巻線処理工程(Winding Procedure)
本明細書に開示された固定子10の組み立て期間中、セグメント20は、例えば図3Aおよび3Bに示すように、この技術分野で周知のプロセスで積層された複数の薄板で形成される。次いで、リード端部キャップ50およびベース端部キャップ150は別々のセグメント20上に配置される。次に、MYLAR(登録商標)または他の同様な材料(図示せず)のストリップ(細片:strip)が、この技術分野で周知のようにセグメント20の歯部分24の各側面に取り付けられる。それらのストリップは、典型的には、取り付けるための接着性の裏打ち(backing:裏張り)を有し、歯部分24に巻回されるワイヤを保護し、絶縁する。次に、例えば図5Cおよび5Dに概略的に示されている巻線コイル92がセグメント20上に形成される。巻線コイル92はフライ(fly)またはニードル巻回(needle winding)のようなこの技術分野で周知の技法を用いて形成される。この実施形態では、好ましくは、スピンドル(spindle)およびボビン(bobbin)を有する巻回技術を使用して、巻線コイル92がそれぞれの別々の固定子セグメント20の周りに個々に巻回される。
この実施形態において、“ルースな”セグメント化された固定子の利点の1つは、別々の固定子20を自由に取り扱い、ワイヤを巻回するために個々に回転させて巻線コイルを形成することができることである。従って、別々の固定子セグメント20のスロット領域へのアクセスによって巻線処理の精度を高め、スロットをより高密度で満たすことができる。さらに、別々のセグメント20へのアクセスによって、セグメント20にワイヤを高速で巻回することができる。
簡単に説明すると、取り付けられた(貼り付けられた)絶縁ストリップおよび端部キャップ50、150を有するセグメント20を、そのセグメント20の端部32および34にラッチするアーバ・マシーン(arbor machine)に配置することによってスピンドル/ボビン巻回技法が開始される。ワイヤの先端部分はリード端部キャップ50の外側の側面(側部)にある突出した支柱(ポスト)148の周り(位置)で曲げられて、そのワイヤが端部キャップ50の固定された位置に配置される。次いで、そのワイヤはIDCポケット68+のスリット69内に挿入される。アーバ・マシーンはセグメント20を回転させ、可動ワイヤ・ノズルがセグメント20にワイヤを供給する。セグメント20が回転させられている間、ワイヤはセグメント20の歯部分24および端部キャップ50、150の巻線部分74、174の周りに巻回されて、巻線コイルが形成される。
コイル92が完成すると、ワイヤはリード端部キャップ50上の中立(neutral)IDC68−のスリット69を経由して端部キャップ50の外側の側面(側部)に向けて繰り出され、そこでワイヤは切断される。切断後にワイヤがポケット68−から出るのを防止するために、好ましくは、ワイヤは外側スリット69−Oから或る角度に折り曲げられる。この分野の専門家には明らかなように、セグメント20の歯部分24の周りに所与の方向にコイルを巻くことによって、この巻線がその所与の方向に付勢(電気エネルギが供給)されたときに或る極性の電磁石を実現される。このような巻線処理工程が、固定子のそれぞれの(種々の)セグメント20について個々に繰り返される。
図5Cおよび5Dに概略的に示すように、巻線コイル92のワイヤは、前記巻線コイル92の各一部分が端部キャップ50、150の本体部分60、160と内側壁76、176の間にも部分的に配置されるようにそれぞれ巻回される。また、巻線コイル92のワイヤは、コイル92の各一部分がセグメント20の脚部82、182とヨークの部分22の間にも部分的に配置されるようにそれぞれ巻回される。リード端部キャップ50とベース端部キャップ150上の両側(反対側)の脚部82および182の末端部(distal ends)は、図5Cおよび5Dに最も良好に示されているように、極(ポール)の端部26の金属が実質的に露出することがないように互いに実質的に出会う(meet:接触する)ことが好ましい。従って、脚部82および182は、セグメント20の極(ポール)の端部26を形成する金属と巻線コイル92との間に充分な(実質的な)絶縁性を与える。
巻線処理工程期間における巻線処理を容易にするために、図6Dおよび6Fの側面図に最も良好に示されているように、リード端部キャップ50は、セグメントに配置されたときの端部キャップ50およびセグメントの歯部分(図示せず)の周りに実質的に一定のスロット寸法を与える巻線ポケット70を有する。リード端部キャップ50上の本体部分60は、そのセグメントの歯部分に嵌合する巻線部分74に実質的に垂直な内側の側面(側部)を有する。内側の壁76は、巻線部分74に実質的に垂直でありかつ本体部分60の内側の側面(側部)の反対側に位置する、外側の側面(側部)を有する。
端部キャップ50の傾斜付きの(角度付きの)表面75は、巻線部分74から外側壁76の内側の側面(側部)までの間で(に向けて)傾斜している。その傾斜付きの表面75は、本体部分60と内側壁76の間のスロット領域中に巻線コイル(図示せず)のワイヤを配置するように構成されている。さらに、歯側脚部82の各々は、この脚部82の外側の側部(側面)上に、傾斜付きの面(表面)85を有する。傾斜付きの表面85はセグメントの歯部分(図示せず)の側面から傾斜している。この傾斜付きの表面85は、同様に、例えば図5Cおよび5Dに示されているように、セグメントの極(ポール)の端部26とヨーク部分22の間のスロット領域に巻線コイルのワイヤを配置するように構成されている。
端部キャップ50の巻線ポケット70は、軸方向および円周方向の双方について実質的に同じ断面のスロット領域を持つように外形(輪郭)が形成されている。図6Dに示されているように、内側の壁76の近傍の傾斜付きの表面75は角度α1を規定(形成)している。図6Bに示されているように、各脚部82上の傾斜付きの表面85は角度α2を規定(形成)している。角度α1は好ましくは角度α2と実質的に等しい。さらに、これらの傾斜付きの表面75および85は、これらが互いに出会う(交わる)場所で滑らかに遷移(transition:変化)することが好ましく、それによってそれら傾斜付きの表面相互間の遷移もまたセグメントの歯部分に対して角度α1およびα2と同じ角度を規定(形成)する。一実施形態では、α1およびα2は約110度である。
例えば、図3Aおよび3Bに示されているように、歯部分24の側面(側部)は好ましくはセグメント20のリード端部およびベース端部に対して実質的に垂直である。上述のように、リード端部キャップ50の底面52はセグメントのリード端部に対して(against:接触して)平行に配置されており、巻線部分74(72)の各端縁(縁部)はセグメントの歯部分の各端縁(縁部)と整列している。理由は、端部キャップ50のワイヤ・ポケット70が軸方向および円周方向の双方について実質的に同じ断面のスロット領域を持つように外形(輪郭)形成されているからである。従って、セグメント20が巻線処理工程期間において回転されるときに、ワイヤは実質的に一定のスロット寸法(dimension)が与えられる。その結果、セグメント上の巻線コイルの巻回をより速く、よりしっかりと(tighter:きつく)、さらにより整合して(consistently:一貫性があるように、均一に)形成することができる。さらに、巻線コイルを形成するワイヤは、巻線処理工程期間においてワイヤが層状(多層)に巻かれるに従って、ワイヤ・ポケット70内の所定位置に適正に嵌まり込むことができ、巻線処理工程期間において“ワイヤの崩れまたは失敗(wire collapse)”およびコイル中のワイヤのクロスオーバを低減またはなくすことができ、それによってより高密度の巻線コイルが実現される。
巻線処理期間中のワイヤの巻回を容易にするために、図10Dおよび10Fの側面図に最も良好に示されているように、セグメントに配置されたときの端部キャップ150およびセグメントの歯部分(図示せず)の周りに実質的に一定のスロット寸法を与える巻線ポケット170を有する。巻線ポケット170はリード端部キャップについて上述した構成と実質的に同じである。例えば、ベース端部キャップ150上の本体部分160は、セグメントの歯部分に嵌合する巻線部分174に対して実質的に垂直な内側の側面(側部)を有する。内側の壁176は、巻線部分174に実質的に垂直でありかつ本体部分160の内側の側面(側部)とは反対側に位置する、外側の側面(側部)を有する。端部キャップ150の傾斜付きの(角度付きの)表面175は、巻線コイルのワイヤを配置するために、巻線部分174から外側壁176の内側の側面(側部)までの間で(に向けて)傾斜している。さらに、歯側脚部182の各々は巻線コイルのワイヤを配置するために、脚部182の外側の側面(側部)上に傾斜付きの表面185を有する。上述のリード端部キャップと同様に、傾斜付きの表面175および185はワイヤを配置するために同様に構成されており、各表面175および185は歯部分に対して実質的に等しい角度を規定(形成)している。
F.固定子の機械的アセンブリ(Mechanical Assembly of Stator)
ここで詳細に説明された開示内容の或る教示に従って各セグメント20に個々に巻回した後、個々に巻回されたセグメント20は概して環状構造に組立てられて固定子が形成される。本明細書の背景技術の項で説明したように、幾つかのセグメント化された固定子アセンブリはそれらのセグメントを一緒に(共に、まとめて)保持するためにそれらのセグメント上に相互結合構造または蝶番(ヒンジ)を使用する。別のタイプのセグメント化固定子アセンブリ(組立体)については、本願と共に係属中の2003年4月30日付け米国特許出願第10/427,450号、発明の名称“Segmented Stator With Improved Handling And Winding Characteristics And Method Of Winding The Same”(改善された取扱いおよび巻線特性を有するセグメント化固定子、およびそれの巻線方法)に、それらのセグメントを一緒に保持するためにそれらのセグメント上に柔軟な緊束構造(flexible containment structure)を使用したセグメント化固定子アセンブリが開示されている。ここで、この文献全体を参照により組み込む。これに対して、この実施形態の固定子セグメント20は、閉じた磁気回路を形成するように、好ましくは互いに物理的に接触して配置された突条端部34とスロット端部32を有し、固定セグメント20相互間に直接のセグメント−セグメント・アッタチメント(セグメント−セグメント間の結合手段)は存在しない。
1.端部キャップ間の結合(Coupling between End Caps)
本明細書の背景技術の項に記載されているように、“ルースな”セグメント化固定子(例えば、蝶番によって相互に結合されていない複数のセグメントを有する固定子)は、特に組み立て処理工程期間において、それらのセグメントを一緒にまとめて保持するためにそれらのセグメントの外側を取り巻いて配置される典型的には金属製の重い帯(バンド)を必要とする。しかし、この実施形態では、本明細書に開示された端部キャップ50および150の各端部62/64および162/164が、個々に巻線が巻回された固定子セグメント20を共に互いに連結または実質的に保持するために、共に互いに結合させる。開示された端部キャップ50および150の各端部62/64および162/164は、手作業でまたは自動的に相互結合させることができる。図5A〜5Dに最も良好に示されているように、リード端部キャップ50において、端部キャップの本体部分60の一方の端部62は好ましくは雄形結合部62を含み、他端64は好ましくは雌形結合部64を含んでいる。雄形結合部62および雌形結合部64は好ましくは端部キャップ50の本体部分60中に組み込まれた構造である。雄形結合部62は、好ましくはセグメント20のヨーク部分22のスロット付き端部32に隣接した本体部分60の端部から伸びている。また、雌形結合部64は、好ましくはヨーク部分22の突条端部34(32)に隣接して配置された本体部分60の端部に形成されている。
例えば、図4に最も良好に示されているように、これらの雄形結合部62および雌形結合部64は、隣接する端部キャップ50間で共に互いに雌雄結合(mate:雌雄係合)して、各セグメント20を共に一緒に実質的に保持する。この実施形態では、雄形結合部62および雌形結合部64はスナップ形式(機能)である。雄形結合部62は変形可能で二股の爪(bifurcate catches)を含み、雌形結合部64は溝付きのスロットを含んでいる。二股爪62の端部上の歯を雌形結合部64中に圧入する(押し入れる)と、その二股爪62の端部上の各歯は雌形結合部64の各溝内に係合する。その雄形結合部62および雌形結合部64によって、製造期間中または組立てられた固定子の輸送期間中に複数のセグメントを一緒にまとめて独立して保持するための別個の重い金属バンドまたはその他の特別な固定具は不要になる。
図7Aおよび7Bに示されている代替実施形態では、隣接する端部キャップ50、50’の端部62’および64は別個のC字形クランプ(コ字状クランプ)100を用いて互いに結合することができる。隣接する端部キャップ50、50’の端部62’、64はそれぞれポケット102を形成(画定)している。例えば、ステンレス鋼で形成され得る別のC字形クランプは、これら(端部キャップ)を共に互いに結合させるために隣接する端部キャップ50、50’のポケット内に嵌合(嵌入)することができる。ポケット102は、それぞれ、端部キャップ50、50’の空洞61の内壁に形成された保持リブ(rib:突起部)103を含んでいる。保持リブ103はC字形クランプ100と係合することができ、そのC字形クランプを所定位置に保持することができる。保持リブ103とは対照的に、図7C(7B)に示すように、ポケット102はそれぞれ端部キャップ50、50’の空洞61の内壁上に形成された保持スロット103’を含むこともできる。C字形クランプ100’は、そのC字形クランプ100’を所定位置に保持するために保持スロット103’内に嵌合し得るかぎ形(フック)端部を有する。スロット103’は、薄板を積層して形成されたセグメント(laminated segment)20、20’および端部キャップ50、50’の公差(許容誤差)の差異があるのでその隣接する端部キャップ50、50’間で調整することができるようにその端部キャップ50、50’の高さに沿って長く伸びていてもよい。
図8Aおよび8Bに示されている別の代替実施形態では、隣接する端部キャップ50、50’の端部62’、64は別のコッタ・ピン(cotter pin:割りピン、止めピン)104を用いて互いに結合することができる。隣接する端部キャップ50’の一端62’は、その端部キャップ50’の側面(側部)から伸び且つ保持用開孔108を有するステム(stem:茎、細長い部分)107を含むことができる。隣接する端部キャップ50の他端部64に、コッタ・ピン104が挿入される開孔105が形成(規定)されている。1つの端部キャップ50’上のステム107は、隣接する端部キャップ50の側壁に形成された開孔106内に嵌合することができる。次いで、コッタ・ピン104は端部キャップ50の開孔105を通して嵌合することができ、コッタ・ピンの端部はステム107中の開孔108内に接続(嵌入)することができる。このようにして、コッタ・ピン104およびステム107は、隣接する端部キャップ50、50’を共に(まとめて)実質的に保持することができる。さらに、ステム107が挿入される側壁中の開孔106は、隣接する端部キャップ50、50’間の調整を可能にするために端部キャップ50、50’の高さに沿って伸びた細長い形状にすることができる。
2.整列の特徴的構成(Alignment Features)
図9A〜9Cに最も良好に示されているように、ベース端部キャップ150は、同様に、隣接するセグメント20をまとめて保持するように係合する端部162および164を有する。この実施形態における端部162および164は、上述のリード端部キャップの端部の実施形態と実質的に同様である。係合用端部162および164に加えて、ベース端部キャップ150は、隣接する複数のセグメント20を整列させるための特徴的構成(機能)を有する。この整列の特徴的構成(配列の特徴的構成:alignment feature)は、本体部分160の一端部に整列用(位置合わせ)スロット192を含み、他端に整列用指状部(finger:フィンガ)194を含んでいる。
好ましくは、指状部194は雌形結合部164を有する本体部分の端部から伸びている。指状部194は隣接するベース端部キャップ150のスロット192に挿入するように本体部分60から伸びている。図10Cに最も良好に示されているように、整列用指状部194は、端部キャップ150の実質的に平坦な表面152と実質的に同じ平面上にある側面(側部)195を有する。ベース端部キャップ150がセグメント上に配置されると、指状部194の側面(側部)195はセグメントのベース端部と実質的に同じ平面上に位置する。好ましくは、スロット192は、雄形結合部162を有する本体部分160と同じ側(側部)に形成されている。図10Aに最も良好に示されているように、整列用スロット192は、隣接するベース端部キャップ150の指状部194を挿入するために端部キャップ150の端部に向けて開口している。さらに、整列用スロット192は、ベース端部キャップ150の平坦な表面152に向いた開いた(開放状態の)側部(側面)193を有する。ベース端部キャップ150がセグメント上に配置されると、スロット192の開いた側部(側面)193はセグメントのベース端部を露出させる(expose)。
図11を参照すると、リード端部キャップ50とベース端部キャップ150が、組立てられた固定子における隣接するセグメント20上で互いに結合された状態で示されている。固定子のそれぞれの(様々な)セグメント20上の端部キャップ50、150は異なる公差(許容誤差)値を有し得る。さらに、それぞれのセグメントの積層体の高さは、1つの積層体当りプラス(+)またはマイナス(−)2枚の薄層板の厚さだけは変動(変化)し得る。これはセグメント20を形成するのに用いられる複数の薄層板の変動(ばらつき、偏差)によって生じ得る。公差(許容誤差)および積層体の高さの差(相違)は、固定子を組立てるためにそれぞれのセグメント20を共に合体させて組立てられるときに、軸方向A(例えば、組立てられた固定子の中心軸に概して並行な方向)に不均一または凹凸(unevenness)を生じさせ得る。説明のために、図11中の隣接するセグメント20は、異なる積層体の高さSH1およびSH2を有するものとして示されている。
本明細書に開示された端部キャップ50および150は公差(許容誤差)および積層体の高さの差の問題を解消する特徴的構成(features)を有する。隣接するセグメント20のベース端部キャップ150が結合されると、一方の端部キャップ150上の指状部194は隣接する端部キャップ上のスロット192内に嵌合する。指状部194の端部はスロット192内に挿入されるので、指状部194の端部は図示のように好ましくは45度に面取りされている(chamfered)。指状部194の端部がスロット192内に配置されると、指状部194の側面(側部)195は、スロット192の開いた(開放状態の)側部(側面)(参照番号なし)によって露出状態にある隣接セグメント20の実質的に平坦な底面(底表面)28に接触状態で(対向して)位置する。その結果、その隣接する両セグメント20のそれぞれの実質的に平坦な底面28は実質的に同じ平面Pに位置する。
さらに、雄形および雌形結合部62、64および162、164は、端部キャップ50および150が互いに結合したときに軸方向Aに互いに(相対的に)調整可能である。特に図5A〜5Dまたは9A〜9Cに最も良好に示されているように、雄形および雌形結合部62、64および162、164は、実質的に端部キャップ50および150の高さに沿って形成されており、また雌形結合部64および164は軸方向には制限がない(open ended:自由である)。従って、雄形および雌形結合部62、64および162、164は、組立てられたときの固定子のそれぞれのセグメント20と端部キャップ50、150の間の公差(許容誤差)および積層体の高さの差に対して適応(対応)できるように、いったん結合すると軸方向に互いに(相対的に)調整することができる。
さらに、図11および図6B〜6Fに示されているように、リード端部キャップ50上の雄形および雌形結合部62および64は、好ましくはリード端部キャップ50の底部の実質的に平坦な表面までは伸びていない。このようにして、参照番号63で概略的に示されたアンダーカットが、結合部62および64の下に形成される。図11に示されているように隣接するセグメント20とリード端部キャップ50が互いに結合することによって、これらのアンダーカット63は、隣接セグメント20間の公差(許容誤差)または積層体の高さの任意の差に対するスペース(空間)を与える。従って、或る1つのセグメント20が、隣接するセグメント20の積層体高さSHより高い積層体高さSHを有すると、隣接する端部キャップ50の結合部62または64はより高く積層されたセグメント20の頂部に接触しない。その代わり、アンダーカット63はより高く積層されたセグメント20の任意の過大な積層体の高さに適応(対応)するように調整する。
開示された端部キャップ50および150のこれらの特徴的構成(機能)によって、セグメント化された固定子に関連する或る問題の影響を低減することができる。1つの典型例の問題として、セグメント化された固定子における不均一性または凹凸によって、製造期間において殻(シェル)が固定子上に押圧(プレス)されたときに問題が生じ得る。殻が最初に或るセグメント20に当たると、それによってセグメント20が互いに引離される可能性、または殻が固定子上に不適切に強く押し付けられる可能性がある。ベース端部キャップ150上の整列用スロット192および指状部194は、殻を固定子上に押し当てる(押し付ける)ときに、組立てられた固定子に対して、固定子を保持するための実質的な水平の(同じ高さの)基準(ベース)を与える。セグメント化された固定子に関連する別の典型例の問題は、固定子、モータおよびコンプレッサの種々の構成要素(コンポーネント)の公差(許容誤差)値が、製造期間中に累積され得ることである。セグメント20のベース端部キャップ150および底面28を整列用スロット192および指状部194と整列させることによって、公差(許容誤差)に対する基準(参照)点を与える。このようにして、製造業者は、固定子、モータおよびコンプレッサを組立てるときの公差(許容誤差)値の累積に対処(適応)しまたはその累積を制御することができる。
さらに、セグメント20のベース端部キャップ150および底面28によって、以下で説明するように、モータが相互接続ワイヤでステッチされる(stitch:結合される、縫合される)ときに問題を生じさせ得るセグメント化固定子中の不均一性(凹凸)を低減することができる。本明細書の背景技術の項で示唆したように、セグメント化固定子10の何らかの不均一性は、固定子10がステッチ(結合)されるときに問題を生じさせる。各セグメント20間を相互接続させるように固定子が配置されるとき、自動化されたステッチ(結合)装置は個々の各薄層板セグメント20上に力を加え得る。もしセグメント20の1つが下側支持基準面(datum)から“上(up)”にある(例えば、1つのセグメント20の底面が他のセグメント20の共通の面Pより上にある)とすると、ステッチ(結合)操作(処理)による力がセグメント20を移動させ、場合によっては誤ステッチ(mis-stitch)またはスクラップ部品(scrap part:廃棄部品、不要部品)を生じさせ得るであろう。ステッチ(結合)操作期間において、図11を参照して説明したようにセグメント20を実質的に一平面P上に配置し、その平面Pまたはこれに平行な平面から固定子10を支持することによって、これらの製造上の問題の中の何らかの(任意の)問題を実質的に解消することができる。この理由から、整列用スロットおよび指状部192および194によって形成される個々のセグメント20間のその共通の基準面(consistent datum)は有益である。
G.ワイヤの絶縁(Wire Isolation)
本明細書の背景技術の項で述べたように、3つのタイプのモータの全て、即ちインダクション(誘導)モータ、BPMモータまたはSRモータは、電気的に反対位相の隣接ワイヤがこの隣接ワイヤ間に大きい電圧差を生じさせる所謂フェーズ・オン・フェーズ(phase-on-phase)の問題を有し得る。このようなフェーズ・オン・フェーズの問題が大きくなり得るのは、モータが或る所与の瞬間に固定子を通して大きな電圧および電流が通る(加わり流れる)磁化装置として使用されるときである。さらに、駆動装置(図示せず)が、固定子10の巻線コイルの付勢(電気的エネルギ供給)を制御するように動作する。一実施形態では、パルス幅変調(PWM)駆動装置が、上述の固定子アセンブリ10と共に使用できる。しかし、巻線コイルの付勢を制御するために他の通常の技術を使用することもできる。上述のように、フェーズ・オン・フェーズの問題は、モータを駆動するのにPWM駆動装置を使用するときに、大きくなり得る。その理由は、PWM駆動装置からの波形が波形の先端縁(leading edge)および後端縁(trailing edge)に高電圧のスパイクをもつことがあり、それによって位相間を分離させる必要性が生じるからである。
この実施形態では、隣接する巻線コイル92間に通常の絶縁が用いられることが好ましい。しかし、前述のように、従来技術による解決法は隣接巻線コイル間に絶縁体を使用するのみならず、フェーズ・オン・フェーズ問題の影響を潜在的に低減するために隣接の相互接続ワイヤ間に例えばMYLAR(登録商標)またはNOMEX(登録商標)シートおよびチューブのような追加的な絶縁体をも使用している。残念なことに、このような追加の絶縁体を使用すると、モータの製造コストが上がりその製造に要する時間が長くなる。また、前述のように、従来技術の解決法は、種々の相の巻線コイルを相互接続するために単に固定子の外側上にワイヤを経路形成(案内)してもよい。さらに、従来技術による解決法は単にワイヤを曲げるために端部キャップ上の支柱(ポスト)を使用し、またはコイル間でワイヤを経路形成(案内)するために種々のフックを有するリングを使用している。このような従来技術による解決法は、異なる相のワイヤが互いに並んで、さらに接触して通過することが可能性になり、そのため好ましくないフェーズ・オン・フェーズの問題を生じさせる可能性がある。
1.リード端部キャップ上の経路形成の特徴的構成(Routing Features on Lead End Caps)
この実施形態では、リード端部キャップ50は、相互接続ワイヤを経路形成(案内)し分離するための複数のワイヤ分離(絶縁)の特徴的構成(wire isolation feature)を含んでいる。従来技術とは異なり、このワイヤ分離の特徴的構成は、任意の所与の相の複数の相互接続ワイヤがそれと異なる相の別のワイヤと接触するかまたは異なる相の別のワイヤに実質的に(充分)接近して配置されるのを防止することによって、追加的な絶縁物を使用することなく、隣接する相互接続ワイヤ間の上述のようなフェーズ・オン・フェーズの問題を実質的に解消または低減させることを意図したものである。一例として、ワイヤ絶縁の特徴的構成は、隣接する相互接続ワイヤ間に最小約0.762mm(0.030インチ)(1本のワイヤの直径)の空気間隙(エア・クリアランス:air clearance)を作り出す。さらに、本明細書で開示された端部キャップ50上のワイヤ分離の特徴的構成は自動化ステッチング(stitching)用に設計されている。図5A〜6Fに示されているように、リード端部キャップ50のこの実施形態では、ワイヤ分離の特徴的構成は、内側ルータ(inboard router)またはフック110、外側ルータ(outboard router)またはフック120、および開示された端部キャップ50上に配置された別の内側ルータまたはウォール・シェルフ(壁の棚状部:wall shelf)を含んでいる。
a.内側フック(Inboard Hook)
例えば、図5Bに最も良好に示されているように、内側フック110はリード端部キャップ50の内側の壁74(76)上に配置されており、内側の壁74の一方の側端縁(縁部)から伸びている。内側フック110は、上側の(high)側方の棚部(ledge:レッジ、突起部、突起棚部)112、下側(low)の側方の棚部(ledge)114およびキャッチ(catch:つめ、留め金)116を有する。上側の棚部112はワイヤを固定子のセグメント20から遠く離れた距離(位置)で経路形成(案内)し、下側の棚部114はワイヤを固定子のセグメント20に近い距離で経路形成(案内)する。従って、内側フック110上の上側の棚部112および下側の棚部114によって、固定子の或る部分から別の部分に経路形成(案内)される相互接続ワイヤを互いに分離することができる。キャッチ116によって相それぞれの互接続ワイヤは棚部112、114上に配置され、キャッチ116を用いてそれらの相互接続ワイヤが曲げられる。
b.外側フック(Outboard Hook)
例えば、図5Cに示されているように、外側フック120は、複数のIDCポケット68+の中の1つに隣接するリード端部キャップ50の本体部分60の上に配置されている。外側フック120は、本体部分60を越えて伸びており、上側の側方の棚部122と下側の側方の棚部124を有する。上側の棚部122は相互接続ワイヤを固定子のセグメント20から遠く離れた距離(位置)で経路形成(案内)し、下側の棚部124は相互接続ワイヤを固定子のセグメント20に近い距離(位置)で経路形成(案内)する。従って、外側フック120上の上側の棚部122および下側の棚部124は、固定子の或る部分から別の部分に経路形成(案内)されるそれぞれの相互接続ワイヤを互いに分離する。上側の棚部122には、好ましくはワイヤをこの上側の棚部122上に配置するためのノッチ(切り込み)126が形成(規定)されている。上述のように、端部キャップ50は、好ましくは成型(モールド)処理期間において側部(側面)引張り手段(side pulls)の必要なしに、好ましくは射出(injection)成型されて、端部キャップ50の表面は、引離される2つのダイによって形成されるようにする。本体部分60に隣接した位置を通る下側の棚部124を形成するために、窓125(図6Aおよび6Bに示されている)が、この下側の棚部124上に隣接して本体部分60中に形成されている。窓125は本体の空洞61と連通しており、端部キャップ50を、側部(側面)引離し手段を用いずに成型することができ、それによって製造に関連する時間およびコストを低減することができる。
c.ウォール・シェルフ(Wall Shelf)
例えば、図5A(6A)に示されているように、ウォール・シェルフ(壁の棚:Wall Shelf)130は内側壁76の外側の側面(側部)上に配置されている。この実施形態では、内側壁76は既存の端部キャップ上で見られるものよりも相対的に高く、相互接続ワイヤが回転中の回転子(図示せず)と干渉(接触)するのを防止するように意図されている。さらに、その高い内側壁76は、相互接続ワイヤが互いに接触しないようにこれらの相互接続ワイヤを案内するのを助ける。ウォール・シェルフ130は、内側壁76を通って固定子の1つの部分から別の部分へと経路形成される相互接続ワイヤを分離するための上側の側方の棚部(レッジ)132および下側の側方の棚部134を含んでいる。上側の棚部132は相互接続ワイヤを固定子のセグメント20から遠く離れた距離(位置)で経路形成(案内)し、下側の棚部134は相互接続ワイヤを固定子のセグメント20に近い距離(位置)で経路形成(案内)する。上側の棚部132は好ましくは内側壁76の側面(側部)の端縁(縁部)上の内側フック110に隣接して配置されており、下側の棚部134は好ましくは内側壁76の反対側の側面(側部)の端縁(縁部)に隣接して配置されている。モータの各相を巻回する間、相互接続ワイヤを内側壁76上のウォール・シェルフ130上に置くことができ、それによって、ワイヤをしっかり(きつく)と固定している(締め付ける)間に(ときに)相互接続ワイヤが回転子と干渉(接触)するのを防止することができる。
2.典型例のステッチング(Stitching)動作
互いに結合された個々に巻回されたセグメント20を用いることによって、セグメント20を共にまとめて保持するための殻(シェル)または金属バンドを必要とすることなく、組立てた固定子を製造処理工程期間中に進ませる(処理する)ことができる。図1に示されているように、通常のプラスチック製のケーブル・タイ(ケーブル製のひも、バンド、綱、拘束手段)12を、さらに後の製造工程期間において固定子アセンブリを一時的に保持するために、固定子アセンブリ10の周りに配置することができる。
さらに次の工程において、モータの所望の相配列(相アレンジメント:phase arrangement)を形成するために複数のセグメントの種々の巻線コイルが相互接続される。セグメント固定子の巻線コイルを接続するための多くの技法が知られており、この技術分野で使用されている。しかし、この一実施形態では、ステッチング処理(stitching process)を用いて、個々の巻線コイルを電気的に接続して、所望の相パターンを形成する。このステッチング処理は、この技術分野で公知の技法によって手動でまたは自動的に行うことができる。好ましくは、開示された固定子10に対するステッチイイング処理は、自動化されたステッチング装置によって実行されて、巻線コイルを相互接続するように固定子上に相互接続ワイヤが配置される。自動化ステッチング装置およびステッチング技法の詳細は、本願と共に係属中の2002年7月11日付け米国特許出願第10/193,515号、発明の名称“Improved Interconnection Method for Segmented Stator Electric Machines”(セグメント化された固定子電気機器用の改善された相互接続法)に開示されている。ここで、この文献全体を参照により組み込む。
簡単に説明すると、自動化ステッチング装置は、個々の固定子セグメントに巻回するのに用いられる通常の巻線装置に類似したものである。その理由は、相互接続ワイヤを経路形成するための機構がセグメントの周りにワイヤを巻回するのにいられる機構と実質的に類似しているからである。自動化ステッチング装置は好ましくはコンピュータで数値制御された(CNC)機械(マシン)である。自動化ステッチング装置は、例えば、ワイヤを供給するためのワイヤ・ノズル、ワイヤを配置するための静止または可動スピンドル、および固定子を支持するための回転または静止マウント(台)を有することができる。ニードル(針)および/または固定子は、固定子上の端部キャップから端部キャップへと相互接続ワイヤを配置するようにプログラム可能な形態で移動させられる。例えば、自動化ステッチング装置は、制御器およびモータを有する構成によって移動させることができ、一方、固定子は静止状態に保持されている。これとは対照的に、自動化ステッチング装置を静止させることができ、一方、固定子を制御器とモータを有する構成によって配置(位置決め)されている。代替構成として、自動化ステッチング装置と固定子の双方を制御器とモータを有する構成によって移動させることもできる。
フェーズ・オン・フェーズの問題を解決(回避)するために、リード端部キャップ50上の内側フック110、外側フック120およびウォール・シェルフ130が、モータの種々の相の部分を接続するために自動化されたステッチング動作で使用される。自動化されたステッチング動作では、それぞれの端部キャップ50間に相互接続ワイヤを配置するために直径4mmのワイヤ・ノズルが使用される。ノズルが固定子10の要素(コンポーネント)に対して移動するようにそのワイヤ・ノズルは内部ゆとり(clearances:隙間、間隔)のための余分な間隙を必要とするので、リード端部キャップ50の特徴的構成は、このようなワイヤ・ノズルが通過するための少なくとも4mmのゆとりを与えることが好ましい。
図12A〜12Dには、本明細書に開示された固定子アセンブリ10に関するステッチング動作の好ましい工程が概略的に示されている。図12Aに示されているように、開示された固定子アセンブリ10のこの例は、時計方向に連続的に番号が付された9つの固定子セグメントを有する。固定子10の各セグメント20は、セグメント20上の巻線コイルの相を識別する符号(ラベル)で識別される。図を明確にするために、図12A〜12Dでは巻線コイルは示されていない。この実施形態では、9つのセグメントを有するので、各相巻線A、B、Cは、固定子10の周りに交互に配置された3つの固定子セグメント20の歯部分の周りに巻回された巻線コイルを含んでいる。図12A〜12Dにおけるセグメント数および相数は、単なる典型例であって、この開示の教示内容から逸脱することなくその他の構成を用いることもできる。
a.相Cの相互接続(Phase-C Interconnect)
最初にセグメント20が図12Aに示すように環状の固定子10になるように形成されたときは、相(位相)A、B、Cの巻線コイル(図示せず)は互いに電気的に接続されていない。固定子アセンブリ10用の巻線コイルを接続する最初(第1)のステッチング処理工程は、相Cの巻線コイルを逆方向(図示の例では反時計方向)に接続することを含んでいる。後の図面では、図を判り易くするために各工程間のステッチ(結合、縫い合わせ、編み合わせ)されたいかなる相互接続ワイヤも示されていない。さらに、最終的に除去されるステッチング操作で使用されるワイヤのいずれの余剰(過剰)部分も同様に図を判り易くするために示されていない。この最初のステッチング処理工程で、相Cの相互接続ワイヤ94Cの部分は、セグメントS−3用の端部キャップ上のポケットIDC+を通して配置される。上述のように、セグメントS−3用の巻線コイル92の先端部分はポケットIDC+を通して既に経路形成(案内)されていて、位相Cの相互接続ワイヤと巻線コイル用のワイヤとを、後の組み立て段階の期間中にポケットIDC+内に配置されるIDC(図示せず)によって電気的に接続することができる。
次に、相互接続ワイヤ94Cは、セグメントS−3上のポケットIDC+から反時計方向にセグメントS−3上の下側の外側棚部124に至り(向かい)、セグメントS−2上の外側壁を通ってセグメントS−1上の下側の内側棚部114に至り、さらにセグメントS−9上の下側の内側棚部114に至る。相Cを有するセグメントS−9において、相互接続ワイヤ94Cは、接続基準(参照)壁(connection reference wall)の端縁(縁部)142を回って経路形成(案内)され、ポケットIDC+中のスリットを通って配置される。次に、ワイヤ94Cは、セグメントS−9上の下側の外側棚部124に経路形成(案内)され、セグメントS−8上の外側の壁を通過し、セグメントS−7上の下側の内側棚部114に至り、さらにセグメントS−6上の下側の内側棚部114に至る。相Cを有するセグメントS−6において、ワイヤ94Cは、接続基準(参照)壁の端縁(縁部)142を回って経路形成(案内)され、ポケットIDC+中のスリットを通って配置される。このようにして、相Cの相互接続ワイヤ94Cは、相CのセグメントS−3、S−9、S−6における全てのポケットIDC+を相互接続する。最終的に、相Cの相互接続ワイヤ94Cは、セグメントS−3およびS−6上のポケットIDC+の外側スリットにおける端部キャップ50の外側の側面(側部)において切断され、ステッチング処理工程は次のステップに引き継がれる。
b.相Bの相互接続(Phase-B Interconnect)
図12Bに示されているように、後続のステッチング処理工程は、相Bを反対方向(例えば、図示の例では反時計方向)に接続することを含んでいる。このステッチング処理工程において、相Bの相互接続ワイヤ94Bの部分は、セグメントS−2用の端部キャップ上のポケットIDC+を通って配置される。次に、ワイヤ94Bは、セグメントS−2上の下側の外側棚部124に向けて反時計方向に経路形成(案内)され、セグメントS−1上の内側壁を通過し、セグメントS−9上の上側の内側棚部112に至り、さらにセグメントS−8上の上側の内側棚部112に至る。相Bを有するセグメントS−8において、ワイヤ94Bは、接続基準(参照)壁の端縁(縁部)142を回って経路形成(案内)され、ポケットIDC+中のスリットを通って配置される。次に、ワイヤは、セグメントS−8上の下側の外側棚部124に経路形成(案内)され、セグメントS−7上の外側壁を通過し、セグメントS−6上の上側の内側棚部112に至り、さらにセグメントS−5上の下側の内側棚部114に至る。また、相Bを有するS−5において、ワイヤ94Bは、接続基準(参照)壁の端縁(縁部)142を回って経路形成(案内)され、ポケットIDC+中のスリットを通って配置される。このようにして、相Bの相互接続ワイヤ94Bは、相BのセグメントS−2、S−8、S−5における全てのポケットIDC+を相互接続する。最終的に、相互接続ワイヤ94Bは、セグメントS−2およびS−5上のポケットIDC+の外側スリットで終端する。
c.相Aの相互接続(Phase-A Interconnect)
図12Cに示されているように、処理工程の次のステップは、相Aを反対方向(例えば、図示の例では反時計方向)に接続することを含んでいる。このステッチング処理工程において、相Aの相互接続ワイヤ94Aの部分は、セグメントS−7用の端部キャップ上のポケットIDC+を通して配置される。相互接続ワイヤ94Aは、ポケットIDC+からセグメントS−6上の内側壁を通って反時計方向に経路形成(案内)され、セグメントS−5上の上側の内側棚部112に至り、さらにセグメントS−4上の上側の内側棚部112に至る。相Aを有するS−4において、ワイヤ94Aは、接続基準(参照)壁の端縁(縁部)142を回って経路形成(案内)され、ポケットIDC+中のスリットを通って配置される。ワイヤは、ポケットIDC+からセグメントS−4上の下側の外側棚部124に経路形成(案内)され、セグメントS−3上の内側壁を通過してセグメントS−2上の上側の内側棚部112に至り、さらにセグメントS−1上の上側の内側棚部112に至る。また、相Aを有するセグメントS−1において、ワイヤ94Aは、接続基準(参照)壁の端縁(縁部)142を回って経路形成(案内)され、ポケットIDC+中のスリットを通って配置される。このようにして、相Aの相互接続ワイヤ94Aは、相AのセグメントS−1、S−4、S−7における全てのポケットIDC+を相互接続する。最終的に、相互接続ワイヤ94Aは、セグメントS−1およびS−7上のポケットIDC+の外側スリットで終端する。
d.共通の相互接続(Common Interconnect)
図12Dに示されているように、中立または共通の相互接続ワイヤ96は順方向に接続される。このステッチング処理工程では、共通の相互接続ワイヤ96の部分は、S−1と符号が付されたセグメント用の端部キャップ上の共通のポケットIDC+内に配置される。上述のように、セグメントS−1の巻線コイル用のワイヤの後端部分もまたポケットIDC−を通って配置されていて、相互接続ワイヤ96および巻線コイルのワイヤは、後の組み立て段階の期間中にポケットIDC−中に配置されるIDC(図示せず)によって電気的に接続できる。ワイヤ96は、ポケットIDC−から時計方向にセグメントS−2上の接続基準(参照)壁の端縁(縁部)142を回って経路形成(案内)され、セグメントS−2上のポケットIDC−内に配置され、セグメントS−3上の上側の外側棚部122に至る。次に、共通相互接続ワイヤ96について同様の経路形成工程がセグメントS−3〜S−9の各々について繰り返される。これによって、共通の相互接続ワイヤ96は、セグメントS−1〜S−9における全ての中立ポケットIDC−を相互接続する。最終的に、相互接続ワイヤ96は、セグメントS−1およびS−9上の中立ポケットIDC−の外側スリットで終端する。
図12A〜12Dには、巻線コイルを所望の相配列(phase arrangement)に接続するための相および共通相互接続ワイヤの好ましいステッチング・パターンが単なる典型例として示されている。この開示内容の教示から逸脱することなくその他のステッチング・パターンを使用することもできる。一例では、上述の複数の相用のステッチング・パターンの中の1つ以上のものを、固定子10の周りに反対方向に実行してもよい。例えば、別のステッチング・パターンは、図12Aの相Cの複数の巻線コイルを前進方向(例えば、時計方向)に接続する第1の接続と、図12Bの相Bの複数の巻線コイルを後退方向(例えば、反時計方向)に接続する第2の接続と、図12Cの相Aの複数の巻線コイルを前進方向に接続する第3の接続と、図12Dの全ての巻線コイルの中立端部を後退方向に接続する最後の接続とを含んでいてもよい。さらに、この開示内容および先に開示した上述の典型例のステッチング・パターンによって、この分野の専門家は、典型例の実施形態のものよりも多いまたは少ないセグメントおよび/または多いまたは少ない相を有する固定子用のそのようなパターンを開発することができる。
e.複数のIDCの配置およびその他の組み立てステップ(Positioning of IDCs and Assembly Steps)
上述のように相互接続ワイヤをステッチした後、IDCはIDCポケットIDC+、IDC−内に配置され、ポケットIDC+、IDC−を通して配置されたワイヤ上に押し付けられる。この技術分野で周知のように、IDCは、IDCポケット中に配置された複数のワイヤを電気的に接続し、相に対するワイヤ・リード線の端子端部に接続するための端子接続部を形成している。好ましくはタイコー(Tyco)製の圧接式接続コネクタ(IDC)が、本明細書に開示された固定子アセンブリ10および端部キャップ50と共に使用される。固定子10の外側の側面(側部)上の支柱(ポスト)148と同様に相互接続ワイヤの余剰部分は切断され、固定子10は殻(シェル)内に配置されてもよい。
最終の組み立て工程には、電源(電力)リード線を固定子アセンブリに接続することが含まれている。例えば、3相機器の場合、例えばセグメントS−1、S−2およびS−3の端部キャップ上のIDCポケットのようなリード端部キャップ50上の複数のIDCポケットIDC+中の3つのIDCポケットに、約6.35mm(1/4インチ)のIDCが挿入できる。次に、3本の電源(電力)リード線の端部の端子コネクタはこれらの約6.35mm(1/4インチ)のIDCに接続できる。最後に、電源(電力)リード線は、リード端部キャップ50内の開孔(図12Dの66)に挿入される端部を有するポークイン・タイ・ラップ(押し込み形連結用被い:poke-in tie wrap)を用いて固定子アセンブリに取り付けられる。
H.スカロップト固定子(Scalloped Stator)
上述の特徴的構成に加えて、本明細書で開示されたセグメント化固定子10は、固定子10の外形(contour:輪郭)、オイル冷却(cooling)およびドレイン(draining:排出)、材料効率、および殻(シェル)中の固定子10の均一な適合性(嵌合性)に関する追加的な特徴的構成を含んでいる。本明細書の背景技術の項で述べたように、コンプレッサで使用される密閉型モータは、オイル溜(oil sump)として知られているコンプレッサの底部に設けられたオイル・ポンプを有する。典型的には、オイルは、回転子のシャフト(軸)中の空洞を通って吸引(ポンプアップ)され、モータを通過して主軸受け(ベアリング)に流れる。主軸受けを潤滑した後、オイルは、モータのリード端部または“上側部(topside)”上に放出されて排出されてオイル溜に戻される。
巻線コイル92および回転する回転子によって、戻りオイルが固定子10のボア11を通って戻るのが防止される。従って、固定子10の外側の外形(輪郭)は、オイルがモータのリード端からオイル溜にどのようにして戻すかという点について重要な役割を果たす。例えば、モータ中に充分なドレイン領域がなければ、オイルはモータの上側部でせき止められる可能性があり、冷凍(冷却)システム中でより高いオイルの循環を生じさせ、ポンプへのオイルが不足し、さらにそのシステム中のガスよりもむしろオイルの圧縮に起因してコンプレッサの性能を低下させる。一方、固定子中に過大なドレイン領域が存在する場合には、固定子は所要量よりも少ない固定子バック・アイアン(back iron:背部鉄心)で形成されることがあり、これによって固定子のコアにおいてより高い磁束飽和を生じさせる可能性があり、モータの性能を低下させ得る。
図13を参照すると、磁束密度のパス(経路)が、この開示内容の教示による開示されたセグメント化固定子10の典型例の実施形態について概略的に図示されている。この例では、開示された固定子10は9つのセグメント20を含んでいる。それらのセグメント20は、図13に概略的に示されているように、共に互いに電気的に結合されて固定子10の環状形状になっており且つ殻(シェル)S内に収容されている。それらのセグメント20は、その歯部分24の周りに巻回され、例えばプラスチック・ストリップ(細長い片)のような絶縁材料によって分離された巻線コイル(図示せず)を有する。セグメント20の極(ポール)端26はボア11を画定(形成)しており、回転子14は固定子10に対して回転するようにボア11内に配置されている。この実施形態では、回転子14は複数の内部永久磁石16を有し、2002年8月28日付け米国特許出願第10/229,506号、発明の名称“Permanent Magnet Machine”(永久磁石機器)に開示された固定子と同様のものとすることができる。ここで、この文献全体を参照により組み込む。
この実施形態における固定子アセンブリ10の各セグメント20はオイル・ドレイン(留出、排出)用の機能(特徴的構成)を含んでいる。従来技術において典型的に行われているような、固定子の外側における平坦な部分またはカット部分(cutaway)を用いるものとは対照的に、各セグメント20は、そのセグメントの外側の端縁(縁部)30に形成されたスカロップ状(貝殻状)波形の外形(輪郭)36を画定(形成)している。その結果、複数のセグメント20で形成された開示された固定子10は、その固定子10の外側の周りに対称に配列されたこのような複数のスカロップ状外形(輪郭)36を有する。固定子10のセグメント20内のスカロップ状外形(輪郭)36は、オイルをモータに通して排出するために固定子10および殻(シェル)Sの周囲(周面)の周りに対称なドレイン領域を形成している。また、この対称なドレイン領域は、モータを均一に冷却する別の利益をもたらし得る。
図14を参照すると、これには開示された固定子アセンブリのセグメント20の実施形態がシェルSの周囲に関連させて平面図の形で示されている。シェルSの外周は大きな半径R1によって画定されており、セグメント20の極の端部(pole end)2bはより小さな同心の半径R2によって画定されている。セグメント20の歯部分24は幅Wを有する。スカロップ状外形(輪郭)36は第3の半径R3によってセグメント20の外側端30中に形成されていることが好ましい。セグメント20は、棚部(突起部)が形成された端部34およびスロット付き端部32を除いて中心線Cを中心として対称であることが好ましい。
1.接触領域(コンタクト・エリア)
固定子10とシェルSの周囲(周辺、周面)の間の接触領域(コンタクト・エリア、接触面積)の量は、開示されたセグメント20のスカロップ状外形(輪郭)36の設計における1つの関心事項である。例えば、図13において、複数のセグメント20の外側の端縁(縁部)30と固定子10を所定の場所に保持する殻(シェル)Sとの間には、少なくとも最小の接触領域(コンタクト・エリア)を必要とする。固定子10を所定位置に保持するためには、典型的には、殻Sの全周の約18〜25%の接触領域とすることが望ましい。図14に示されているように、開示されたセグメント20の外側の端縁(縁部)30は、接触領域(コンタクト・エリア)A+Aで殻Sの周囲に接触している。従って、スカロップ状外形(輪郭)36は、好ましくはセグメント20に形成されていて、殻Sの外側の端縁(縁部)30と殻Sの周囲の間の接触領域A+Aは、セグメント20の全角範囲の約18〜25%である。このようにして、複数のセグメント20で形成された図13の固定子10は、外側の端縁(縁部)30と殻Sの間に所望の接触領域(コンタクト・エリア)を持つことができ、また、図14に示すようにスカロップ状外形(輪郭)36の半径Rをその外形(輪郭)36によって与えられるドレイン領域Aを最大化するように選択することもできる。
2.殻(シェル)の変形(Shell Deformation)
図13を参照すると、固定子10による殻(シェル)Sの潜在的な変形は、セグメント20上のスカロップ状外形(輪郭)36の設計における別の関心事項である。スカロップ状外形(輪郭)36は固定子10の周囲の周りに対称(点対称)なので、そのセグメント20のスカロップ状外形(輪郭)36は、固定子10と殻Sの間に最高の優れた適合性(嵌合性)を与えることができる。さらに、固定子10の周囲の周りに対称なスカロップ状外形(輪郭)36は、潜在的な変形が生じた場合に殻Sを均等に変形させることができる。本明細書の背景技術の項に記載されているように、従来技術では固定子の外側の端縁(縁部)の周囲に平坦な部分を使用している。従来技術とは異なり、固定子10上に対称に配列されたスカロップ状外形(輪郭)36は、殻Sと干渉(接触)し得る固定子10の平坦部の長さを減少させ、殻の不所望な変形を低減することができる。図14に示されているように、セグメント20中のスカロップ状外形(輪郭)36は、その外形(輪郭)36の両端部に、殻Sと接触する外側の端縁(縁部)30と合流(に接続)する滑らかな曲線の半径(スイープ半径)Rを有することが好ましい。滑らかな曲線の半径(スイープ角)Rは、セグメント20の外側の端縁(縁部)30上の鋭い(とがった)端縁(縁部)を取除き、殻Sの変形を潜在的に低減させることができる。
3.磁束密度(Flux Density)
図13に示されている回転子14と固定子10の間の典型例の配列では、セグメントS−2、S−5およびS−8は集中した磁束路を有する。セグメント20中の磁束の飽和を防止するために固定子10上に充分な量のバック・アイアン(back iron)を維持することは、固定子10のスカロップト(貝殻状)外形(輪郭)36の設計におけるさらに別の関心事項である。上述のように、従来技術による解決法では、モータの所望の性能を得るのに必要な固定子上のバック・アイアンの量を減らし得る。スカロップト外形(輪郭)36を有するこの実施形態は、より多くのオイル・ドレイン領域を与えて殻(シェル)の変形を充分に(実質的に)低減するだけでなく、開示されたスカロップト外形(輪郭)36はセグメント20のバック・アイアンを実質的に好ましいレベルに維持する。
図14では、セグメント20は、そのセグメント20を対称に分割する中心線Cを有するものとして示されている。歯部分24の内側の隅部(コーナ)31からセグメント20の中心線Cまでの第1の線Pが示されており、この第1の線Pは中心線Cに対して実質的に垂直である。内側の隅部31からセグメント20の端部30までの第2の線Pが示されており、この第2の線Pは中心線Cと実質的に平行である。図14には、第1および第2の線P、Pを通る磁束路がセグメント20の歯部分24と端部32の間の隅部31を回って通るように、磁束路が概略的に示されている。第1の線Pは、歯部分20の幅Wの半分(1/2)で表わされる断面領域を画定(規定)している。
飽和に関する問題を解消するために、第2の線Pは、第1の線Pによって画定された断面領域(面積)に少なくとも等しい断面領域(面積)を画定していることが好ましい。また図14には、セグメント20の隅部31から中心線Cおよびスカロップト外形(輪郭)36にまで伸びる任意の線UおよびU’を通る磁束路も示されている。飽和の問題を解消するために、これらの任意の線UおよびU’は好ましくは第1の線P1によって画定された断面領域(面積)に少なくとも等しい断面領域(面積)を画定している。このようにして、隅部31とスカロップト外形(輪郭)36の間のセグメント20の部分が、セグメント20の歯部分24と端部32および34との間を通る磁束に対して充分な量のバック・アイアンを持つように、セグメント20中にスカロップト外形(輪郭)36が形成される。
1.リード端部キャップ中のドレイン・ホール(Drain Holes in Lead End Caps)
再び図6A〜6Fを参照すると、この実施形態におけるリード端部キャップ50はオイルの冷却およびドレイン用の特徴的構成をも含んでいる。図6Bに最も良好に示されているように、リード端部キャップ50上の本体部分60には成型(モールド)用の空洞61が形成(画定)されている。その理由は、端部キャップ50がプラスチックで射出成型されるからである。また、本体部分60には、ケーブル・タイ(ケーブル連結:cable tie)(図示せず)用の取り付け用の開孔66が形成(画定)されている。完成した固定子アセンブリ上のリード端部キャップ50上の全ての取付け用開孔66が、取付けられたケーブル・タイを有するものではない。例えば、典型例の3相モータでは、3つのケーブル・タイのみが取付け用開孔66に結合されている。従って、多数の開いた取付け用開孔66が、端部キャップ50上の空洞61を露出させる。密閉型コンプレッサ・アプリケーションにおけるモータはオイルに浸漬された環境にあるので、ケーブル・タイが存在しないときは、オイルは取付け用開孔66を通って端部キャップ50の空洞61内を通って流れることができる。また、図6Aおよび6Bに最も良好に示されているように、オイルは、例えば整列用開孔146または窓125のような端部キャップ50中の他の開孔を通って流れることもできる。その結果、オイルは、端部キャップ50の空洞61内に集まる可能性があり、また固定子のリード端部に溜まる(蓄積される)可能性もあり、好ましくない。
オイルが集まるのを防止するために、開示された端部キャップ50は、その端部キャップ50の底の端縁(縁部)に沿ってドレイン・ホール(ドレイン孔)67を有する。端部キャップ50の頂部における露出した取付け用開孔66またはその他の孔から空洞61に吸引されたオイルは、ドレイン・ホール67を通って端部キャップ50の底部に排出(流出)することができる。ドレイン・ホール67は、固定子セグメント20のリード端部上および端部キャップ50の頂部上のオイルの(任意の)溜りを実質的に除去することができる。ドレイン・ホール67は、オイルを固定子10のボアを通って下方向に流動させるのではなく、幾らかのオイルを端部キャップ50を通して流すことによって、コンプレッサ・システムを通って循環させるオイルの量を減少させることができる。オイルが固定子のボアを通って流れると、回転子の回転運動によってオイルを強制的にコンプレッサの上端部に戻し、次いでそこでオイルはガスの流れによって捕捉されて集められ、冷凍(冷却)システムを通って循環する。ドレイン・ホール67は、オイルをコンプレッサのオイル溜に戻すための小さな経路を提供するが、固定子アセンブリ10の端部キャップ50上のドレイン・ホール67は、もしこのドレイン・ホール67が設けられていなければ約29.6〜59.2g(約1〜2オンス)のオイルが端部キャップ50に貯留されるのを防止することができるということが分かった。さらに、ドレイン・ホール67は、オイルの排出(ドレイン)を容易にすることによってセグメント上の巻線コイルの冷却を助けることができると思われる。さらに、端部キャップ50の底部の端縁(縁部)のドレイン・ホール67は、セグメント上の相互連結タブ(図3Aの要素37)に対する緩衝域(relief area:リリーフ・エリア)としても有益に作用する。
本明細書および添付の請求の範囲中で使用されている、例えば上部(頂部)(top)、底(bottom)、上(above)、下(below)、内側(inboard)、外側(outboard)、リード端部(lead-end:前端部)、ベース端部(base-end:基端部)等の用語は、単に上述の端部キャップおよび固定子アセンブリ上の構成要素の相対的な位置関係を明確に示すためにのみ使用されたものである。このような相対的な位置関係を表わす用語は、構成要素(component)の方向を限定するものではなく、またモータ中の上述の端部キャップおよび固定子の全体の方向および作用を制限するものではない。
好ましい実施形態およびその他の実施形態についての上述の説明は、出願人によって着想された発明の概念の範囲または利用可能性を制限または限定することを意図するものではない。ここに含まれる発明の概念の開示の代償として、出願人は請求の範囲に含まれる全ての特許権を取得することを希望する。従って、請求の範囲は、その請求の範囲内にあるいはそれと均等な範囲に全ての変形例および変更例を完全に含むことを意図している。

Claims (10)

  1. 固定子を有する電磁機器用の端部キャップであって、
    前記固定子は複数の隣接するセグメントを有し、各セグメントはセグメント面を有し、
    前記端部キャップは本体を有し、前記本体は本体面を有し、
    前記本体面は、前記本体面と前記セグメント面が実質的に同じ平面上に位置するように、前記複数の隣接するセグメントの中の1つのセグメントのセグメント面に接触状態で位置するよう構成されたものであり、
    前記本体面の一部は、隣接するセグメントの面が実質的に同じ平面上に位置するように、前記隣接するセグメントを前記固定子の中心軸に実質的に平行な方向に整列させるようその1つの隣接するセグメントの面に接触状態で配置可能なものであり、
    前記本体面の一部は前記本体の第1の端部から伸びる指状部を含み、
    前記本体は、さらに、前記指状部に隣接する前記本体の前記第1の端部上の雌形結合部と、前記本体の第2の端部上の雄形結合部と、を具え、
    隣接する端部キャップ上の前記雄形結合部と前記雌形結合部は、前記隣接するセグメントを共に充分に保持するように互いに雌雄結合するものである、
    端部キャップ。
  2. 前記雄形部材は、前記第1の端部から伸びる二股の爪を含み、同様の隣接する端部キャップの前記雌形部材にスナップ式に嵌合するよう構成されているものである、請求項に記載の端部キャップ。
  3. 前記雌形部材は前記第2の端部に定められたスナップ式のスロットを含むものである、請求項1に記載の端部キャップ。
  4. さらに、前記隣接するセグメントの中の1つのセグメントに接触状態で配置可能な複数の脚部と、
    前記端部キャップが前記隣接するセグメントの中の1つのセグメント上に配置されたときに前記複数の脚部の中の1つの脚部から潜在的に削りとられ得る材料の一部を受け入れるために、前記複数の脚部の中の前記1つの脚部に隣接した少なくとも1つの凹所領域を定める1つの表面と、
    を具える、請求項1に記載の端部キャップ。
  5. 前記本体は、第1および第2の端部と、前記第1および第2の端部上にそれぞれ第1および第2のスナップ式結合部とを含み、
    前記第1および第2のスナップ式結合部は、隣接する端部キャップを共に充分に連結して保持するように、その隣接する端部キャップ上の端部にスナップ式で結合するよう構成されているものである、請求項に記載の端部キャップ。
  6. 各セグメントがセグメント面を有する固定子の複数の隣接するセグメントと、複数の端部キャップと、を具える電磁機器用の固定子であって、
    各端部キャップは、本体面を有する本体を具え、前記本体面は、前記本体面および前記セグメント面が実質的に同じ平面上に位置するように前記複数の隣接するセグメントの中の1つのセグメントのセグメント面に接触状態で配置されており、
    前記本体面の一部は、隣接するセグメントの面が実質的に同じ平面上に位置するように、前記隣接するセグメントを前記固定子の中心軸と概して平行な方向に整列させるようその1つの隣接するセグメントの面に接触状態で配置されるものであり、
    各本体は、第1および第2の端部と、前記第1および第2の端部上にそれぞれ第1および第2のスナップ式結合部とを含み、
    前記第1および第2のスナップ式結合部は、前記隣接するセグメントを共に充分に連結して保持するように、隣接する端部キャップ上の端部にスナップ式で結合するよう構成されているものである、
    電磁機器用の固定子。
  7. 各端部キャップが、さらに、前記隣接するセグメントの中の1つのセグメントに接触状態で配置される複数の脚部と、前記端部キャップが前記隣接するセグメントの中の1つのセグメント上に配置されたときに前記複数の脚部の中の1つの脚部から潜在的に削り取られ得る材料の一部を受入れるために、前記複数の脚部の中の前記1つ脚部に隣接した少なくとも1つの凹所領域を定める表面と、を含むものである、請求項に記載の固定子。
  8. 電磁機器の固定子を組立てる方法であって、
    前記固定子は、複数のセグメント、複数の端部キャップ、およびワイヤを含み、各セグメントは、両側の面、ヨーク部分、歯部分および極端部を有し、
    a)前記端部キャップを前記セグメントの両側の面上に配置して、前記端部キャップが前記ヨーク部分を実質的にカバーするようにするステップと、
    b)前記端部キャップを締りばめ嵌合によって前記歯部分上に係合させることによって前記端部キャップを前記セグメント上に充分に保持するステップと、
    c)前記セグメントおよび前記端部キャップ上にワイヤを巻回するステップと、
    d)前記セグメントを前記固定子の形に形成するステップであって、隣接する前記セグメントの中の少なくとも1つのセグメントの両側の面の一方と接触状態で前記端部キャップの各端部キャップの面の一部を配置することによって、隣接する前記セグメントの各セグメントの両側の面の一方を実質的に同じ平面上に実質的に整列させることを含むステップと、
    を含む、方法。
  9. 各端部キャップは、複数の脚部と、前記複数の脚部の中の1つの脚部に隣接した1つの凹所領域を定める表面とを含み、
    前記ステップa)は、前記端部キャップが前記複数のセグメントの中の1つセグメント上に配置されたときに前記1つの脚部から削り取られた材料の一部を前記凹所領域に受入れることを含むものである、請求項に記載の方法。
  10. 各端部キャップは、両側の端部と、前記両側の端部上にスナップ式結合部とを有する本体部分を含み、
    前記ステップd)は、隣接する前記端部キャップの端部を共にスナップ式に結合することによって、隣接する前記セグメントの端部を共に充分に連結して保持することを含むものである、請求項またはに記載の方法。
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