JP5941478B2 - 低損失磁性材料を有する電動機又は発電機において用いられるステーター、及びステーターを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動機又は発電機において用いられるステーターと、ローターをそのようなステーターと組み合わせることによってそのようなステーターを用いる電動機又は発電機と、そのようなステーターを製造する方法とに関する。本発明は、半径方向エアギャップ型電動機又は発電機に特に有用であるが、軸方向エアギャップ型電動機又は発電機等のような他の構成に適用することができる。ステーターは、ローターを包囲することができるか、又はローターによって包囲されることができる。結果として得られる電動機又は発電機は、本発明の一実施の形態によるステーターを永久磁石ローター、誘導ローター、スイッチトリラクタンスローター、ＤＣブラシ付きローター等と組み合わせて用いて、任意のタイプの回転電気装置を形成することができる。本発明の或る特定の態様は、ステーターとしての使用のために示されるが、電動機又は発電機用のローターを作製するのに有用とすることができる。

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１０年１２月１３日に出願された米国仮出願第６１／４２２，４５８号、及び２０１１年３月３１日に出願された米国仮出願第６１／４６９，８９４号に基づく優先権を主張し、これらの米国仮出願の開示は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

電動機及び発電機は、ステーターとローターとを備える。ステーターは電機子とすることができ、ローターは電磁界とすることができる（又はその逆の場合もある）。１つの一般的な形態の電動機は、外側ステーターと、このステーターの内側にあるローターと（又はその逆の場合もある）を有する半径方向エアギャップ型電動機である。ステーターは通常、ヨーク及び歯をワンピースとして形成する鉄ベースのラミネーションから構成される。歯は、電磁束をより良好に蓄積及び集束するために、主歯体よりもステーターローターエアギャップのところにおいてより幅広である場合がある。その結果として、隣接した歯の間の間隔がエアギャップのところにおいて非常に狭い場合がある。

絶縁銅線等の導電体が、歯間にありかつ歯を取り囲むスロット内に設置される。１つの一般的な形態のステーターでは、導電体は、その導電体を歯間の間隔に挿通することによって設置される。エアギャップにおける歯間の幅狭な開口に起因して、スロット内への巻線の最終的な位置決めにおいて正確さを達成することが困難であり、その結果、非均一的な巻線層が生じる。これによって、巻線によって占められない、利用可能な巻線スペースが残され、これは潜在的性能を果たせない完成装置をもたらす。

非晶質鉄、ナノ結晶金属、及び最適化されたＳｉ−Ｆｅ合金等の低損失磁性材料は、電動機又は発電機のステーターにおいて使用するのに望ましい特性を有する。これは、良好な磁束担持能力及び優れた磁心損失特性を備える。そのような低損失磁性材料は通常、非常に脆弱である極薄リボンにおいて供給され、スタンピング、剪断、打抜き、機械加工、及び切削等の大量生産の加工をすることを困難にする。これらの特性は、電動機及び発電機における低損失磁性材料の使用を制限する。本発明は、電動機又は発電機用のステーターと、そのようなステーターを用いる電動機又は発電機と、そのような制限を克服するそのようなステーターを製造する方法とを提供する。

本発明の一態様による、電動機又は発電機用のステーター、及びそのようなステーターを製造する方法は、複数の歯を準備することと、歯をヨークに結合することとを含む。導電性巻線が歯のそれぞれの周りに施される。歯及び／又はヨークのそれぞれは、低損失磁性材料シートの積重ね体から作製される。

前記歯及び／又は前記ヨークのそれぞれを、低損失磁性材料シートの少なくとも１つ又は複数の折り重ねられた積重ね体から作製することができる。低損失磁性材料の各折り重ねられた積重ね体は、低損失磁性材料リボンの平坦にされた円環体から作成することができる。前記歯のそれぞれは、複数の低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体から作製することができる。前記ヨークは、それぞれが低損失磁性材料シートの少なくとも１つの積重ね体から作製される、複数のヨーク片で作製することができる。前記ヨーク片のそれぞれは、前記歯のうちの隣接した歯の間を延びることができる。前記ヨークの前記磁性材料シートは、前記歯の前記磁性材料シートと非同一面上にあることができる。前記歯及び前記ヨーク片は、該歯及び該ヨーク片において形成される相補的形状部によってともに保持することができる。歯は、それらの歯の磁極面の反対側に遠位端を有することができ、これらの遠位端は、電気巻線が歯から分離して形成されるとともに歯の遠位端を越えて施されることを可能にするようにその巻線を支持する歯の一部分以下の大きさである。

低損失磁性材料は、磁鉄、ナノ結晶金属、及び／又は最適化されたＳｉ−Ｆｅ合金等の非晶質金属とすることができる。金属シートは、約１００マイクロメートル以下の厚さを有することができ、約２０マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲内にあるものとすることができる。

磁性材料シートは、互いに対して非絶縁とすることができ、実質的な接着剤を用いずに貼り合わせることができる。代替的には、磁性材料シートは、少なくとも部分的に接着剤によって貼り合わせることができる。ヨークは、回りをローターが回転する、電動機／発電機の軸を規定することができ、磁性材料シートは、電動機／発電機の軸に対して垂直に向くことができる。

折り重ねられた積重ね体は、１８０度をなす湾曲部等の湾曲部を磁性材料シートに画定することできる。保持機構は、湾曲部において設けることができ、また歯をヨークに対して保持するのを助ける働きをすることができる。代替的には又は付加的には、保持形状部を湾曲部において形成することができる。低損失磁性シートの積重ね体は、例えば回転型工具を用いて機械加工することができる。磁極面を歯のそれぞれにおいて形成することができる。湾曲部を、磁極面が湾曲部と反対側にある状態で折り重ねられたシートにおいて形成することができる。

ヨークは、磁性シートを構成する材料とは異なる軟磁性材料から作製することができる。ヨークは、射出成形されたヨークとすることができる。ヨークは、例えば巻線を歯のそれぞれの周りに形成してから、歯に合わせて成形することができる。歯は、歯及び上記ヨークにおいて形成される相補的形状部によって保持することができる。ヨークは、複数のヨーク片から構成することができる。ヨーク片のそれぞれは、歯のうちの隣接した歯をつなぐことができる。歯のそれぞれは、複数のそのような折り重ねられた積重ね体から作製することができる。

該ステーターは前記歯のそれぞれの周りのボビンと、該ボビンに巻き付けられる針金コイルとを備えることができる。前記ボビンは、前記歯のうちの１つを収納するとともに該歯を隣接したヨーク片に結合する内部空間を画定することができる。各ボビンは、該ボビンのうちの隣接したボビン同士を結合させる相補的形状部を備えることができる。前記ボビンは、ボビン半体と、該ボビン半体同士を結合させる絶縁紙とによって画定されることができる。前記ボビン半体は形状が同一であるものとすることができる。

ヨークは、ローターと組合せることができ、それによって、電動機又は発電機が画定される。

本発明の一態様による、電動機又は発電機用のステーター、及びそのようなステーターを製造する方法であって、複数の歯を準備することと、歯をヨークに結合することとを含む。導電性巻線が歯のそれぞれの周りに施される。歯のそれぞれは、少なくとも一つの磁性シートの１つ又は複数の積重ね体を折り重ねることによって作製される。

本発明のこれらの目的、利点、及び特徴、並びに他の目的、利点、及び特徴は、添付の図面とともに以下の明細書を検討すると明らかになるであろう。

電動機又は発電機のローターの回転軸の方向に見た場合の本発明の一実施形態によるステーターの端面図である。 非晶質金属薄帯の円環体の上面図である。 図２の円環体の端面図である。 誇張された湾曲部を有する平坦にされた円環体の上面図である。 湾曲部において保持機構が示されている、図４の平坦にされた円環体の端面図である。 湾曲部において保持機構が示されている、図４の平坦にされた円環体の側面図である。 平坦にされた円環体の分割部分を示す上面図である。 図７の分割部分の端面図である。 図７の分割部分の側面図である。 保持部材が図示されていない、機械加工された歯を示す上面図である。 巻線を収容するように輪郭形成された逃げ（contoured relief）を有する、図１０の機械加工された歯の端面図である。 図１０の機械加工された歯の側面図である。 歯の更なる細部を示すために巻線が取り外されている、電動機又は発電機のローターの回転軸の方向に見た場合の本発明の別の実施形態によるステーターの一部分の端面図である。 図１３に示される歯の斜視図である。 図１４に示される歯の代替的な実施形態の斜視図である。 図１３に示されるヨーク片の端面図である。 図１６に示されるヨーク片の側面図である。 ヨーク片の代替的な実施形態の斜視図である。 本発明の別の実施形態によるステーターの一部分の斜視図である。 本発明の更に別の実施形態によるステーターの一部分の斜視図である。 図２０のＸＸＩによって示されるエリアの拡大斜視図である。 図２１の歯の斜視図である。 図２１のヨーク片の斜視図である。 本発明の更に別の実施形態によるステーターの一部分の斜視図である。 図２４の歯の拡大斜視図である。 本発明の更に別の実施形態によるステーターの斜視図である。 図２６のＸＸＶＩＩで示されるエリアの拡大図である。 図２６のＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＶＩＩＩ線に沿った断面図である。 コイルアセンブリの平面図である。 コイルアセンブリにおいて用いられるボビンの平面図である。 図２９の複数のコイルアセンブリを備えるステーターの一部分の斜視図である。 図３０のボビンの斜視図である。 図３０のＸＸＸＩＩＩ−ＸＸＸＩＩＩ線に沿った断面図である。 図３０のＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶ線に沿った断面図である。 図３０の方向ＸＸＸＶ−ＸＸＸＶからの図である。 ボビン半体の図３０の方向ＸＸＸＶ−ＸＸＸＶからの図である。 本発明の更に別の実施形態によるステーターの斜視図である。 図３７のＸＸＸＶＩＩＩで示されるエリアのより詳細な図である。 本発明の更に別の実施形態によるステーターの斜視図である。

ここで、図面と、図面に示される例示的な実施形態とを参照すると、電動機又は発電機用のステーター２０が、複数の歯２２と、歯２２を結合するヨーク２４と、各歯２２の周りの導電性巻線２６とを備える（図１〜図１２）。ヨーク２４は、歯２２を物理的に取り付けて歯間に磁束通路を提供する。ステーター２０は、回りをローター（図示されない）が回転する電動機／発電機の軸Ａを規定し、それによって、半径方向エアギャップ型電動機又は発電機が規定される。

巻線２６は、特定数の磁極を有するローターと組み合わされると、端数個の毎極毎相スロット（ＳＰＰ）を有する電動機又は発電機を画定するように電気的に相互接続することができる。ヨーク２４は、歯２２間の磁束を保持して通す。歯は、巻線２６によって形成される磁束とローターによって生じる磁束とを通す。端数のＳＰＰ構成では、各歯は、その歯の付近の磁束と（方向的に又は大きさが）同相ではない磁束を保持して通す。したがって、ヨークは、整数のＳＰＰ構成の場合よりも少ない磁束を保持して通すことが必要とされている。したがって、例示的な実施形態において示されるヨークは、従来の電動機ヨークを構成する鉄ラミネーションを上回る材料コストの上昇の可能性を補償するように、端数のＳＰＰ構成においてサイズを比較的小さくして作製することができる。そのような従来のヨークはコストがより低い可能性があり得るが、全体的な電動機性能に対する不利益を有する場合がある。また、歯材料とヨーク材料との間の比較的高表面積の接続部の使用によって、磁束ギャップ磁気抵抗が低減する。

また、端数のＳＰＰ構成は、より多数の極数を有する電動機又は発電機のための同期駆動電流（synchronous drive current）のより高い周波数により適している。同期周波数は、ローターが永久磁石ローターであるか、ブラシ付きＤＣ若しくはブラシレスＤＣローターであるか、又は誘導ローターであるかにかかわらず、主電動機のトルク発生周波数である。この理由は、多数のスロットが通常は多極装置に対して用いられるためであり、そのため本明細書に開示されている技法を用いてステーターを製造可能であることが利用される。より高い同期周波数の電動機／発電機設計は、より高い電力密度をもたらし、また本明細書に示される技法によって、損失を管理することも可能にする。しかしながら、例示的な実施形態を比較的少数のスロットを有する設計とともに用いることもできることを理解すべきである。

歯２２は、低損失磁性材料シート２３の積重ね体から作られる。そのような構成のそのような材料は、従来のラミネーションよりも磁心損失が少ない。これによって、ステーター２０がより高い周波数の電動機及び発電機用途に特に適するようになる。例示的な実施形態では、低損失磁性材料シート２３は、約６．５％のシリコン含有量を有する金属、例えば、種々の供給源から利用可能であるナノ結晶金属又は非晶質鉄、例えば、日立金属社製のＭｅｔｇｌａｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｌｌｏｙ ２６０５ＳＡ１、アドバンスドテクノロジー＆マテリアルズ社製のＡｎｔａｉｍｏ、又は日立金属社製のＦｉｎｅｍｅｔから作製することができる。代替的には、シート２３は、ＪＦＥ社製のＳｕｐｅｒ Ｃｏｒｅ Ｓｉ−Ｆｅ ａｌｌｏｙから作製することができる。例示的な実施形態では、低損失材料磁性シート２３は、約１００マイクロメートル以下である厚さを有し、約２０マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲内にあるものとすることができる。

ヨーク２４は、歯２２を構成する材料とは異なる材料から作製される。ヨーク２４は、粉末状金属充填プラスチック材料としても知られているポリマー結合軟磁性材料から作製することができる。この材料は、磁鉄粉とポリマーとの混合物とすることができる。ヨーク２４は、例えば、マクファーソン他によって２０１０年９月３日に提出された「電動機又は発電機に用いられるステータ及びステータの製造方法」と題する、同一出願人による米国特許出願第６１／３７９，７９３号（この特許出願の開示は、その全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする）に開示されているように金型内に成形することができ、また同時に射出成形によって歯２２上にオーバーモールド成形することができる。

歯２２は、低損失材料磁性シート２３の少なくとも１つの折り重ねられた積重ね体２９から構成することができる。各折り重ねられた積重ね体２９は、プレス等を用いて平坦にされた円環体３１（図４〜図６）になるまで平坦にされた低損失磁性材料リボンの円環体２８（図２及び図３）から作製することができる。平坦にされた円環体３１は、図７〜図９において最もよく見てとれるような２つの分割部分３６に分割することができ、分割片は既知の技法を用いて焼鈍される。しかしながら、磁性材料リボンの１つの平坦にされた円環体から１つのみ又は３つ以上の歯を作製することが可能である。磁性シートは、互いに対して非絶縁とすることができる。このようにして、渦電流損失を低減するのに有用であるシート間の絶縁が、閉じ込められた空気によって提供される。別個の絶縁層が存在しないことによって、シートの積重ね体率が上昇し、このシートの積重ね体率は、さもなければ多数の比較的薄いシートによって大幅に下降する。例示的な実施形態では、８０％〜９０％の積重ね体率を達成することができる。また、低損失材料磁性シート２３の折重なりは、それらのシートを実質的な接着剤を用いずに貼り合わせることができるほどに十分な機械的接合をもたらす。しかしながら、シートは、所望の場合、少なくとも部分的に接着剤を用いて貼り合わせることができる。例示的な実施形態では、低損失材料磁性シート２３は、電動機／発電機の軸Ａに対して垂直に向いている。

各折り重ねられた積重ね体２９は、金属シートの永続的変形を受けるように十分に圧縮され、したがって、低損失材料磁性シート２３において湾曲部３２が画定される。保持ピン又は保持バー３４等の任意選択的な保持機構を、湾曲部３２に位置決めすることができる。種々の材料から作製することができるとともに種々の形状を有することができる保持機構３４は、変形されたシートの力によって適所に保持され、歯２２をヨーク２４に固定する働きをする。各折り重ねられた積重ね体２９は、歯２２の形状を向上させるために、折重ね後に機械加工を受けることができる。図１０〜図１２において見てとれるように、弓状のエアギャップ磁極面３８を、折り重ねられた積重ね体２９の端部に、例えば湾曲部３２の反対側に機械加工することができる。また、巻線ノッチ４０を各折り重ねられた積重ね体の両側に形成して巻線２６を収容することができる。エアギャップ磁極面３８及び巻線ノッチ４０は、非晶質金属シートの折り重ねられた積重ね体２９を歯２２の所望の形状に機械加工することによって形成することができる。積重ね体は、例えば、低損失材料磁性シート２３の平面に対して垂直である切削軸の回りで回転する回転型工具を用いて機械加工することができる。しかしながら、回転型工具を別の切削軸の回りで回転させてもよく、放電加工、レーザー又はウォータージェット等の他の形態の機械加工を用いてもよい。

ステーター１２０の代替的な実施形態は、歯１２２と、歯を結合するヨーク１２４と、各歯１２２の周りの電気巻線（図示されない）とを備える（図１３及び図１４）。例示的な実施形態では、歯１２２は非晶質金属シート１２３の積重ね体から作製され、歯１２２は、非晶質金属シートの少なくとも１つの積重ね体を、それらの金属シートの永続的変形を受けるほどに十分な圧縮によって折り重ねて、少なくとも１つの折り重ねられた積重ね体１２９を作製することによって形成される。歯１２２は、歯２２を形成するための前述された方法と同じ方法を用いるが、保持ピンを伴わずに作製することができる。しかしながら、歯１２２は、歯１２２及びヨーク１２４において形成される相補的な保持形状部４２によって保持される。例示的な実施形態では、保持形状部４２は、歯のノッチ５０に係合するヨークからの（又はその逆の場合もある）延在部４８を含む。しかしながら、他の形状部が当業者には明らかであろう。

ヨーク１２４は、金属シート１２３を構成する材料とは異なる軟磁性材料から作製される。ヨーク１２４は、それぞれが２つの隣接した歯１２２間をつなぐ複数のヨーク片４４から構成することができる。ヨーク片４４は、接着剤、又は締まり嵌め等を含む何らかの他の形態の接合によって歯２２に結合することができる。ヨーク片は、電気巻線が歯のそれぞれの周りに形成されてから歯に組み付けられてステーターを形成する。ヨーク片４４は、例えば粉末状金属充填プラスチック材料を用いて射出成形によって作製することができる。しかしながら、ヨーク片４４は、圧縮成形、押出、又は他の塑性加工技法によって作製することができる。例示的な実施形態では、各ヨーク片は、複数のヨーク片が軸Ａの方向に重なり合うとともに既知の接合技法を用いて結合することを可能にするタング５２及び溝５４を有する。しかしながら、各ヨークセクションは、単一の部材としてもよい。

各歯１２２は、図１４に示されるようにともに接合されている複数の折り重ねられた積重ね体１２９から作製することができる。ヨークセクション及び歯の双方が、それぞれ別個のヨーク片及び折り重ねられた積重ね体から作製される場合、これらの構成要素は、機械的強度を加えるために分離シーム（separation seam）が互いに一致しないように構成される。歯２２と同様に、歯１２２は、磁極面１３８、巻線ノッチ１４０、及びノッチ５０（図１４）を形成するために折重ね後に機械加工することができる。

代替的には、歯１２２と同様であるが、折重ね後に機械加工によって材料が多くは除去されない又は全く除去されない歯１２２’を用いることができる（図１５）。歯１２２’は、磁極面１３８’を形成する複数の折り重ねられた積重ね体１２９’から構成される。歯１２２’に対して、折重ね後に機械加工をほとんど又は全く行わないことによって、ステーターの形成に関与するステップの数が減少し、またより多くの磁性材料が用いられる。歯１２２’には、或る特定の電動機又は発電機の設計用途を見出すことができる。

代替的な設計のヨーク片１４４が、低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体から作製される（図１８）。この場合、平坦にされた円環体３１を形成するのに用いられた方法と同じ方法が、シートの折り重ねられた積重ね体の永続的変形を加えるのに十分な圧縮によってヨーク片を形成するのに用いられる。ヨーク片１４４は、折り重ねられたアール部１５６を両端に有することができ、歯２２の作製に用いられた分割部分３６のように複数の分割部分に分割されないものとすることができる。ステーター１２０”は、それぞれ１つずつしか図１９には示されていないが、同数のヨーク片１４４及び歯１２２”を組み合わせることから作製することができる。歯１２２”は折重ね後に機械加工を行われ巻線ノッチ１４０”が形成される。しかしながら、概ね平面状の境界面が、各歯１２２”と隣接したヨーク片１４４との間の保持形状部１４２”に設けられる。この平面状境界面によって、歯及びヨーク片の双方の折重ね後の機械加工の程度が減少する。従来の接着剤を用いて、歯１２２”とヨーク片１４４との間の境界面を結合することができる。

歯１２２”及びヨーク片１４４の双方を低損失磁性材料シートの積重ね体から作製することによって、ステーター１２０”は、磁気損失が、磁束全体を維持すること及び境界面での電力損失を低減することによって減少するため、優れた磁束通路を提供する。図１９において明確に見てとることができるように、ヨーク片１４４のラミネーション面は、歯１２２”のラミネーション面と位置合わせする必要がない。実際に、ヨーク片１４４のラミネーション面及び歯１２２”のラミネーション面は、同一面上にないだけでなく、互いに対して垂直である。しかしながら、歯とヨーク片との間のラミネーション面の非同一面構成は、許容可能な性能を有し、製造がより費用効果的であることが理解される。また、巻線（図示されない）は、ヨーク片への組付け前に各歯に施すことができる。

更に別の実施形態では、ステーター２２０が、ウェッジ２４８等の整合延在部と、テーパー状スロット２５０等のノッチとによって構成される保持形状部２４２において嵌め合う、歯２２２及びヨーク片２４４から構成される（図２０〜図２３）。歯２２２及びヨーク片２４４は、低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体から作製され、歯１２２”及びヨーク片１４４と同じ様態で非同一面上のラミネートによって互いに向き合っている。歯２２２は、巻線ノッチ２４０を形成するために折重ね後に機械加工され、それによって、磁極面２３８と、反対側の遠位端２３９とが画定される。遠位端２３９は、ウェッジ２４８を形成するように機械加工される。ヨーク片２４４は、折り重ねられたアール部２５６間の縁部分がテーパー状スロット２５０を形成するように機械加工されている点を除いてヨーク片１４４と同様である。ウェッジ２４８及びテーパー状スロット２５０を逆の構成にすることができることを当業者は認識するであろう。また、他の保持形状部を用いることができる。ウェッジ２４８及びテーパー状スロット２５０の組合せは、セルフセンタリング境界面をもたらす。この境界面はまた、磁束全体を増大させるとともに電力損失を減少させるためにエアギャップ表面を増大させる。この境界面はまた、磁束が歯と隣接したヨーク片との間の境界面を横切る際にその磁束が低損失磁性材料のシートの平面内に留まることを可能にする。電気巻線領域の寸法決め、境界面の細部、並びに歯及びヨーク片の長さは、特定の用途、すなわち検討中の電動機又は発電機のサイズ及び速度に合わせて構成することができることが当業者には明らかであろうことを理解すべきである。

また更なる実施形態では、電動機又は発電機のステーター３２０が、歯３２２及びヨーク３２４から構成される（図２４及び図２５）。ヨーク３２４はヨーク片３４４から構成され、ヨーク片３４４は歯３２２とともに、低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体から作製され、歯１２２”及びヨーク片１４４と同じ様態で非同一面上ラミネートによって互いに向き合っている。ヨーク片に形成されるウェッジ３４８等の延在部と、歯３２２の各側に形成されるテーパー状スロット３５０等のノッチとを備える保持形状部３４２が、隣接した歯とヨーク片との間に形成される。歯３２２及びヨーク片３４４は、各歯３２２の遠位端３３９が、巻線３２６が形成される歯のエリアよりも幅広にならないことを可能にするように構成される。これは、電気巻線を設置するための単純なスライドオン技法を容易にする。これは、電気巻線が歯から分離して形成されるとともに遠位端３３９を越えて歯上に摺動することを可能にすることによって、この巻線の設置コストを更に低減させる。

また更なる実施形態では、電動機又は発電機のステーター４２０が、歯４２２及びヨーク４２４から構成される（図２６及び図３６）。ヨーク４２４はヨーク片４４４から構成され、ヨーク片４４４は歯４２２とともに、低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体から作製される。図２８において見てとれるように、歯４２２は、結合された低損失磁性材料シートの複数の折り重ねられた積重ね体４２９から作製され、歯１２２”及びヨーク片１４４と同じ様態で非同一面上ラミネートによって互いに向き合っている。ヨーク片に形成される傾斜面４４８等の延在部と、歯４２２の各側に形成されるテーパー状スロット４５０等のノッチとを備える保持形状部４４２が、隣接した歯とヨーク片との間に形成される。歯４２２及びヨーク片４４４は、各歯４２２の遠位端４３９が、巻線３２６が形成される歯のエリアよりも幅広にならないことを可能にするように構成される。これは、電気巻線を設置するための単純なスライドオン技法を容易にする。これは、電気巻線が歯から分離して形成されるとともに遠位端４３９を越えて歯上に摺動することを可能にすることによって、この巻線の設置コストを更に低減させ、電動機／発電機の電気効率を更に低減させる。

ステーター４２０が一連のコイルアセンブリ４６０から構成され、各コイルアセンブリ４６０は、１つの歯４２２が挿入されるボビン４６２と、ボビンに巻き付けられる針金コイル４８０とから構成される。ボビン４６２は、歯４２２のうちの１つを収納する歯収納空間４７４と、歯を隣接したヨーク片４４４に結合する隣接空間４７６とを画定する。各ボビン４６２は、頂部セクション４６８及び底部セクション４７０を含み、これらの頂部セクション４６８及び底部セクション４７０は、図３１において最もよく見てとれるように、隣接したコイルのボビンのそれぞれの頂部セクション及び底部セクションと結合される。この結合を助けるために、隣接したボビンを例えば接着剤等によって結合するための相補的形状部４８２が、頂部セクション４６８及び底部セクション４７０の両側に画定される。これは、ステーター４２０に構造統合性をもたらすだけでなく、歯４２２及びヨーク片４４４を並置状態に維持するとともに、各歯の磁極面４３８の適切な位置を維持する働きもする。

図２９において最もよく見てとることができるように、頂部セクション４７０は底部セクション４７０よりも幅広であり、したがって、錐体形Ｃを規定する。巻線４２６は、隣接したコイルアセンブリの巻線を妨げることなく錐体形Ｃの外側限界にまで形成することができる。このようにして、それぞれの電動機又は発電機の発電効率を高めるために、隣接した歯の巻線に当接して上に延びることができる、整頓され高密度に詰められた巻線を、各歯の周りに形成することができる。

各ボビン４６２は、図３２において最もよく見てとれるように、ボビン半体４６４と、ボビン半体４６４を結合する、当該分野で既知であるタイプのマイラーシート等の絶縁紙シート４６６とによって画定される。各ボビン半体４６４は、支柱４７２によって結合される頂部セクション４６８ａと底部セクション４７０ａとを含む。絶縁紙シート４６６は支柱４７２同士を離間させ、支柱４７２は絶縁紙シート４６６同士を離間させ、それによって歯収納空間４７４が画定される。絶縁紙シート４６６は特に剛性ではないが、巻線４２６は、歯収納空間４７４の寸法を維持するように歯収納空間４７４内のスペーサーによってボビン上に形成することができる。巻線が形成されると、歯収納空間４７４内への歯４２２の挿入によって、ボビン２６２の構成要素が適切な位置合わせ状態で維持される。さらに、ボビン半体４６４をともに結合するための絶縁紙シート４６６の使用は、巻線４２６と歯４２２との間の間隔を最小限に抑え、それによって、結果として得られる電動機又は発電機の発電効率を更により高めるという利点を有する。例示的な実施形態では、ボビン半体４６４は形状が同一であるが、互いに面するように回転する。これらのボビン半体４６４は、同様に、歯に対する適切な位置にヨーク境界面空間４７８を画定するように形成される。また、図３１において最もよく示されるように、スリット４８４を頂部セクション４６８に形成して、巻線４２６を形成する絶縁電線の端を固定することができる。

更に別の実施形態では、ステーター５２０が、前述された方法で構成される複数の歯５２２と、前述された方法で隣接した歯を結合するヨーク片５４４からなるヨーク５２４とから構成される。しかしながら、ヨーク片５４４は、形状が非平面形、例えば弦すなわち弓状であり、それによって、ヨーク５２４は形状が円形である。非直線形のヨーク片の利点は、より多数の電動機が、コイル巻線等のトルク生成材料によって充填することができる有用な体積の形態になることである。

また更なる実施形態では、電動機又は発電機のステーター６２０が、歯６２２及びヨーク６２４から構成される（図３９）。ステーター６２０は、ステーター６２０によって生じる磁界に応じてステーター６２０の周りで回転する、外方に位置決めされたローター（図示されない）とともに用いられる固定ステーターの例である。そのように外方に位置決めされたローターは、そのローターの内面に取り付けられる永久磁石を有する鉄皮の形態とすることができ、また、当該分野で既知であるように電動コンベヤー及びベルト駆動ローラー等のために用いることができる。歯６２２は、低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体から構成されるが、ヨーク６２４は、前述のような射出成形された軟磁性材料、又はより従来的な軟磁性材料の積層された積重ね体から作製することができる。代替的には、ヨーク６２４は、非磁性材料から作製することができ、また、ステーターに機械的強度を提供するためにのみ用いることができる。歯６２２の内端６３９は、例えば相補的形状部６４６によって互いに磁気的に結合される。歯６２２の遠位端は磁極面６３８を形成する。巻線（図示されない）が、各歯６２２の周りに、例えば、前述のボビンと同様のボビンの周りに形成される。他の例が、本明細書において説明されている種々の実施形態の知識を得た当業者には明らかであろう。

前述の説明は、本発明の幾つかの実施形態を記載しているが、これらの実施形態に対する変形及び変更を、添付の特許請求の範囲で規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行うことができることを当業者は理解するであろう。本発明は、本明細書において記載される本発明の種々の実施形態又は態様の全ての組合せを包含する。本発明の任意の実施形態及び全ての実施形態は、本発明の更なる実施形態を記載するために任意の他の実施形態とともに考慮することができることが理解される。さらに、更なる実施形態を記載するために、実施形態の任意の要素を、実施形態のうちのいずれかの実施形態の任意の他の要素及び全ての他の要素と組み合わせることができる。

Claims (47)

1. １つの回転軸を有する電動機又は発電機用のステーターであって、該ステーターは、
   複数の低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体から作製される複数の歯と、
   複数のヨーク片を含むとともに、前記歯のうちの隣接した歯の間をつなぐ前記ヨーク片のそれぞれが低損失磁性材料シートの少なくとも１つの前記積重ね体を含む、前記歯同士を結合するヨークと、
   前記歯のそれぞれの周りの導電性巻線と、
   を備え、前記歯及び前記ヨークから選択される少なくとも一方が、低損失磁性材料シートの少なくとも１つの折り重ねられた積重ね体を備え、前記低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体が平坦であることによって、前記低損失磁性材料シートを貼り合わせるための前記低損失磁性材料シート間の機械的結合を提供し、
   前記歯の前記低損失磁性材料シートは電動機又は発電機の前記回転軸に対して垂直に向いているとともに、前記ヨーク片の前記低損失磁性材料シートは前記歯の前記低損失磁性材料シートに対して垂直に向いている、電動機又は発電機用のステーター。
2. 低損失磁性材料シートの少なくとも１つの折り重ねられた積重ね体は、低損失磁性材料リボンの平坦である円環体から作製される、請求項１に記載のステーター。
3. 前記歯及び前記ヨーク片は、該歯及び該ヨーク片において形成される相補的形状部によってともに保持される、請求項１〜２のいずれか一項に記載のステーター。
4. 前記低損失磁性材料シートは、少なくとも約６．０％のシリコン含有量を含む、請求項１に記載のステーター。
5. 前記低損失磁性材料シートは、非晶質金属、ナノ結晶金属、及び最適化されたＳｉ−Ｆｅ合金から選択される少なくとも１つを含む、請求項１に記載のステーター。
6. 前記低損失磁性材料シートは、約１００マイクロメートル以下である厚さを有する、請求項１に記載のステーター。
7. 前記低損失磁性材料シートは、約２０マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲内である厚さを有する、請求項６に記載のステーター。
8. 前記低損失磁性材料シートは互いに対して非絶縁である、請求項１に記載のステーター。
9. 前記低損失磁性材料シートは、実質的な接着剤なしに互いに貼り合わせられた、請求項１に記載のステーター。
10. 前記低損失磁性材料シートは、少なくとも部分的に接着剤によって貼り合わせられた、請求項１に記載のステーター。
11. 前記ヨークは概して、回りをローターが回転する電動機／発電機の軸を規定し、前記歯の前記低損失磁性材料シートは前記軸に対して垂直に向いている、請求項１に記載のステーター。
12. 前記低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体には、前記低損失磁性材料シート内に湾曲部が画定される、請求項１に記載のステーター。
13. 前記湾曲部における保持機構と前記湾曲部における保持形状部とから選択される少なくとも一方を備える、請求項１２に記載のステーター。
14. 前記歯のそれぞれの歯の前記湾曲部の反対側に形成されるエアギャップ磁極面と、前記エアギャップ磁極面と前記湾曲部との間の巻線ノッチとを備え、前記エアギャップ磁極面が前記巻線ノッチを横切る方向に伸びる、請求項１２又は１３に記載のステーター。
15. 前記ヨークは、前記低損失磁性材料シートを含む前記材料とは異なる軟磁性材料から作製される、請求項１に記載のステーター。
16. 前記ヨークは、前記歯と一体であるか、又は該歯に取り付けられている、請求項１５に記載のステーター。
17. 前記ヨークは、前記巻線が前記歯のそれぞれの周りに形成されてから前記歯に結合される、請求項１に記載のステーター。
18. 電動機又は発電機用のステーターであって、該ステーターは、
    複数の歯及び前記歯のそれぞれの周りのボビンと、
    前記歯同士を結合するヨークと、
    前記歯のそれぞれのボビンの周りの導電性巻線と、
    を備え、前記歯及び前記ヨークから選択される少なくとも一方が、低損失磁性材料シートの少なくとも１つの折り重ねられた積重ね体を備え、前記低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体が平坦であることによって、前記低損失磁性材料シートを貼り合わせるための前記低損失磁性材料シート間の機械的結合を提供し、
    各前記ボビンは、前記歯のうちの１つを収納する内部空間を画定するとともに該歯を隣接したヨーク片に結合する形状部を画定し、前記ステーターに構造統合性をもたらすために隣接した前記ボビン同士を結合させる、電動機又は発電機用のステーター。
19. 各前記ボビンは、該ボビンのうちの隣接したボビン同士を結合させる相補的形状部を備える、請求項１８に記載のステーター。
20. 各前記ボビンは、形状が同一であるボビン半体と、該ボビン半体同士を結合させる絶縁紙とによって画定される、請求項１８又は１９に記載のステーター。
21. ローターとの組合せによって、電動機又は発電機が画定される、請求項１又は１８に記載のステーター。
22. １つの回転軸を有する電動機又は発電機用のステーターを作製する方法であって、該方法は、
    複数の前記低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体を形成することを含む複数の歯を形成することと、
    複数のヨーク片から形成することを含むとともに、前記歯のうちの隣接した歯をつなぐ前記ヨーク片のそれぞれが前記低損失磁性材料シートの少なくとも１つの積重ね体を含むヨークを形成するとともに、前記歯を前記ヨークに結合することと、
    前記歯のそれぞれの周りに導電性巻線を並置することと
    を含み、
    低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体を形成するために前記低損失磁性材料シートの少なくとも一つの積重ね体を折り重ねることによって、前記歯及び前記ヨークから選択される少なくとも一方を形成することと、前記低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体が平坦にされることによって、前記低損失磁性材料シートを貼り合わせるための前記低損失磁性材料シート間の機械的結合を提供することとを含み、
    前記歯の前記低損失磁性材料シートを電動機又は発電機の前記回転軸に対して垂直に向かせることを含むとともに、前記ヨーク片の前記低損失磁性材料シートを前記歯の前記低損失磁性材料シートに対して垂直に向かせることを含む、
    電動機又は発電機用のステーターを作製する方法。
23. 前記低損失磁性材料の積重ね体を折り重ねることは、低損失磁性材料リボンを円環体内に巻き付けるとともに該円環体の両側が接触するまで該円環体を変形させることを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記変形された円環体を少なくとも２つの歯に分離することを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記歯及び前記ヨーク片を、該歯及び該ヨーク片において形成される相補的形状部によってともに保持することを含む、請求項２２に記載の方法。
26. 前記低損失磁性材料は、少なくとも約６．０％のシリコン含有量を含む、請求項２２に記載の方法。
27. 前記低損失磁性材料シートは、非晶質金属、ナノ結晶金属、及び最適化されたＳｉ−Ｆｅ合金から選択される少なくとも１つを含む、請求項２２に記載の方法。
28. 前記低損失磁性材料シートは、約１００マイクロメートル以下である厚さを有する、請求項２２に記載の方法。
29. 前記低損失磁性材料シートは、約２０マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲内である厚さを有する、請求項２８に記載の方法。
30. 前記低損失磁性材料シートを絶縁コーティングによって絶縁せずに前記積重ね体を折り重ねることを含む、請求項２２に記載の方法。
31. 前記低損失磁性材料シートを、実質的な接着剤なしに互いに貼り合わせて保持することを含む、請求項２２に記載の方法。
32. 前記低損失磁性材料シートを、少なくとも部分的に接着剤によって貼り合わせて保持することを含む、請求項２２に記載の方法。
33. 前記ヨークは概して、回りをローターが回転する電動機／発電機の軸を規定し、前記歯の前記低損失磁性材料シートを前記電動機／発電機の軸に対して垂直に向けることを更に含む、請求項２２に記載の方法。
34. 前記積重ね体を折り重ねることは、湾曲部を前記低損失磁性材料シート内に形成することを含む、請求項２２に記載の方法。
35. 前記湾曲部において保持機構を位置づけることと前記湾曲部において保持形状部を形成することとから選択される少なくとも一方を含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記歯のそれぞれの歯の前記湾曲部の反対側に形成されるエアギャップ磁極面と、前記エアギャップ磁極面と前記湾曲部との間の巻線ノッチとを形成することを含み、前記エアギャップ磁極面が前記巻線ノッチを横切る方向に伸びる、請求項３４又は３５に記載の方法。
37. 前記低損失磁性材料シートの積重ね体を機械加工することを含む、請求項２２に記載の方法。
38. 回転型工具、放電加工、レーザー、及びウォータージェットから選択される少なくとも１つを用いて、前記低損失磁性材料シートの積重ね体を機械加工することを含む、請求項３７に記載の方法。
39. 前記低損失磁性材料シートを含む前記材料とは異なる軟磁性材料から前記ヨークを形成することを含む、請求項２２に記載の方法。
40. 前記ヨークを射出成形によって形成することを含む、請求項３９に記載の方法。
41. 前記ヨークを前記歯に合わせて成形することによって、又は射出成形によってヨーク片を形成するとともに該ヨーク片を前記歯に取り付けることによって、前記歯を前記ヨークに結合することを含む、請求項３９に記載の方法。
42. 前記歯のそれぞれの周りに前記導電性巻線を並置してから前記ヨークを前記歯に結合することを含む、請求項２２に記載の方法。
43. 電動機又は発電機用のステーターを作製する方法であって、該方法は、
    複数の歯を形成することと、
    複数のボビンの周りにコイルを巻き付けるとともに前記歯のうちの１つを前記各ボビンに挿入することと、
    ヨークを形成するとともに、前記歯を該ヨークに結合することと
    を含み、
    低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体を形成するために前記低損失磁性材料シートの少なくとも一つの積重ね体を折り重ねることによって、前記歯及び前記ヨークから選択される少なくとも一方を形成することと、前記低損失磁性材料シートの折り重ねられた積重ね体が平坦にされることによって、前記低損失磁性材料シートを貼り合わせるための前記低損失磁性材料シート間の機械的結合を提供することとを含み、
    各前記ボビンは、前記歯のうちの１つを収納するとともに該歯を隣接したヨーク片に結合する内部空間を画定し、前記ステーターに構造統合性をもたらすために隣接した前記ボビン同士を結合させることを含む電動機又は発電機用のステーターを作製する方法。
44. 各前記ボビンは相補的形状部を備え、前記ボビン同士を結合させることは、前記相補的形状部を用いて前記ボビンのうちの隣接したボビン同士を結合させることを含む、請求項４３に記載の方法。
45. 前記ボビンは、ボビン半体と、該ボビン半体同士を結合させる絶縁紙とによって画定される、請求項４３又は４４に記載の方法。
46. 前記ボビン半体は形状が同一である、請求項４５に記載の方法。
47. ローターと前記ステーターとを組み合わせて、それによって、電動機又は発電機を作製する、請求項２２又は４３に記載の方法。

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