JP6068625B2 - セグメント式ステータアセンブリ - Google Patents

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Description

本願は、2012年5月25日に出願された仮特許出願第61/651,650号の利益を主張するものであり、その内容を参照によって本願明細書に引用したものとする。
モータもしくは発電機のような電気装置は、筐体内に固定されたステータを有する。シャフトに取り付けられたロータは、ステータ内にステータと同軸上に位置決めされ、シャフトの長手方向軸を中心としてステータに対して回転可能である。ステータに対して取り付けられた巻線を電流が通過することにより、ロータおよびシャフトを回転させようとする磁場が発生する。集中巻線が個々のステータセグメントに形成されてもよく、この場合、個々のステータセグメントは略環状ステータアセンブリを形成するように互いに取り付けられる。
複数のセグメントで形成されたステータの斜視図である。 本明細書に記載されている例示的なセグメントの1つ、例えば、図1のステータのセグメントを形成するために並置の形態で組み合わせる前の2枚の同様のラミネーションの分解図である。 本明細書に記載されている例示的なセグメントの1つを形成するのに使用されるラミネーションの平面図である。 図3のラミネーションの側面図である。 図1のステータを形成するのに使用されるセグメントの斜視図である。 図1のステータセグメントの別の斜視図である。 図1のステータセグメントの別の斜視図である。 図1のステータセグメントの軸方向端面図である。 図1のステータセグメントの側面図である。 図1のステータアセンブリ用の継手の斜視図である。 図10の継手の別の斜視図である。 図10の継手の軸方向端面図である。 図10の継手の側面図である。 図10に示されているタイプの継手を使用して3つの隣接セグメントが結合されたステータアセンブリの一部の拡大部分斜視図である。 図10に示されているタイプの継手を使用して3つの隣接セグメントが結合されたステータアセンブリの一部の拡大部分斜視図である。 隣接ステータセグメント間のワイヤの巻回パターンを示すために、ワイヤが巻回され、継手が所定位置にある2つの隣接ステータセグメントの拡大側上面図である。 隣接セグメント間のワイヤの巻回パターンを示すために、ワイヤが巻回され、継手が隣接セグメント間の所定位置にあるステータの斜視図ある。 ステータを形成するのに使用できるステータセグメントの代替形態の斜視図である。 図18のステータセグメントの別の斜視図である。 図18のステータセグメントの別の斜視図である。 例えば、図18に示されている実施形態のセグメントのように接続するのに使用できる継手の代替形態の斜視図である。 図21の継手の別の斜視図である。 図21の継手の軸方向端面図である。 図21の継手の側面図である。 図21に示されているタイプの継手を使用して図18の実施形態の3つの隣接セグメントが結合されたステータアセンブリの一部の拡大斜視図である。 図21に示されているタイプの継手を使用して図18の実施形態の3つの隣接セグメントが結合されたステータアセンブリの一部の拡大軸方向端面図である。 図21に示されているタイプの継手を使用して図18の実施形態の3つの隣接セグメントが結合されたステータアセンブリの一部の拡大部分上面図である。 ステータセグメントの代替形態の斜視図である。 図28のステータセグメントの代替形態の斜視図である。 図28のステータセグメントの別の斜視図である。 例えば、図28に示されている実施形態のセグメントのように接続するのに使用できる継手の代替形態の斜視図である。 図31の継手の別の斜視図である。 図31の継手を使用して図28に示されている実施形態の3つの隣接セグメントが結合されたステータアセンブリの一部の拡大部分軸方向端面図である。 図33の反対側の拡大部分軸方向端面図である。 隣接セグメント間のワイヤの巻回パターンを示すために、ワイヤが巻回され、継手が外された隣接ステータセグメントの代替形態の斜視図ある。
セグメント式ステータアセンブリ50は、一般的には、モータシェル(図示せず)内に含まれ、ロータ(図示せず)とシャフト(図示せず)はステータの孔内で回転するように位置決めされる。セグメント式ステータアセンブリは、図5〜図9、図18〜図20、および図28〜図30に示されているような複数の別個のステータセグメントを含む。ステータセグメントは、図2〜図4に示されているような複数の同様のラミネーションを備える。ラミネーションは並置してスタッキングされてセグメントを形成する。図10〜図13、図21〜図24、および図31〜図32に示されている継手を使用して、隣接セグメントは、例えば、図1、図14〜図17、図25〜図27、および図33〜図34に示されているように、互いに結合されてセグメント式ステータアセンブリを形成することができる。隣接セグメントは、図1、図16、図17、および図35に示されてるようにワイヤが巻回される。
セグメントそれぞれは、軸方向両端面を有するラミネーションスタックを形成するように並置して配置された複数のラミネーション60を備える。ラミネーションスタックは、ほぼ同一の複数のラミネーションで形成される。図2〜図4を参照すると、スタック内のラミネーションそれぞれは、両端部64、66を有するヨーク部62と歯部68とを有し、歯部68はヨーク部に対して略直角に伸びる。歯部68は、通常、ヨーク部の両端部64、66の間に配置される。歯部68は、略「T」字形の磁極端部を有する。ラミネーションは、打ち抜き鋼板で形成され、セグメントを形成するように互いにスタッキングされる。スタックを形成するのに、それぞれのラミネーションは、ヨーク部62および歯部68内に形成された複数の協働タブ70およびデテント72を有することができる。隣接ラミネーションのタブ70およびデテント72は、ラミネーションがスタッキングされる時に互いに相互嵌合して、隣接ラミネーションが互いに対して動くのを抑制する。タブとデテントは、ラミネーションを形成する時に打ち抜き作業で同時に形成され、ラミネーションの裏面から打ち抜かれて伸びるヨーク部および/歯部の一部がタブ70を備え、ラミネーションの前面の凹部がデテント72を備えるようにしてもよい。図面ではインターロックするラミネーションが示されているが、ラミネーションはスタッキングされて、溶接もしくは接着剤を使用して一体化されるか、または後述されている絶縁材を使用してスタックの状態で保持されてもよい。
ラミネーションがスタッキングされた後、スタックは射出成形作業で処理されてもよい。射出成形作業では、セグメントにオーバーモールド絶縁材が取り付けられてもよい。オーバーモールド絶縁材は、ラミネーションスタックの少なくとも1つの軸方向面に取り付けられてもよい。セグメントは、スタックに形成された時の同様のラミネーションのような形状であれば、ヨーク部と歯部とを有すると考えられる。軸方向面のオーバーモールド絶縁材は、ラミネーションスタックの軸方向最外側のラミネーションのヨーク部および歯部の少なくとも一部を覆うことができる。実際に、オーバーモールド絶縁材は各セグメントのエンドキャップを形成することができる。
オーバーモールド絶縁材は、巻線の巻回作業を支援できるように、スタックの周囲に形成されるのが好ましい。例えば、磁極端部の外側面(すなわち、ヨーク部に対向する磁極端部の面)を形成するオーバーモールド絶縁材は、少なくとも部分的に、巻線コイルを歯部の所望の位置に位置決めして保持するのを助ける。参考までに、歯部の磁極端部の内側面(すなわち、ヨーク部とは反対側の磁極端部の面)は、組み立てられたステータの孔を形成し、その内部にロータが回転するように位置決めされる。セグメントについてさらに詳細に説明する。以下の説明は、単なる例であって、決して限定的な意味ではないことは理解されたい。したがって、セグメントは、後述される1つまたは複数の特徴を有することができる。さらに、異なる実施形態の間で対応する特徴を説明するのに、同じ参照番号を使用するものとする。
図5〜図9は、ステータアセンブリを形成するのに使用されるセグメント80の一実施形態例を示している。セグメントは、第1の軸方向端部82と第1の軸方向端部の反対側の第2の軸方向端部84とを有してもよい。オーバーモールド絶縁材は、スタックのヨーク部86および歯部88全体に配置されることにより、ラミネーションスタックの軸方向最外側のラミネーションのヨーク部および歯部(図2〜図4の「62」と「68」)を覆ってもよい。オーバーモールド絶縁材は、スタックの歯部の周囲およびヨーク部の底面に伸びてもよいが、ラミネーションのヨーク部の外径面の周囲および両端部に伸びる必要はない。オーバーモールド絶縁材は、巻線の巻回を助けるために磁極面90の軸方向および周方向に外側に伸びてもよい。
セグメントの第1の軸方向端部は、スタックのヨーク部を覆う絶縁材がスタックの歯部を覆う絶縁材と隣接する領域でスタックの第1の軸方向端部のほぼ中間部にある第1のポスト92および第2のポスト94で形成されてもよい。ポスト92、94は、セグメントの半径方向中心線で中心合わせされてもよい。それぞれのポストは、軸方向外側に伸び、スタックの歯部の外表面およびスタックのヨーク部の底面と一致するように寸法決めされた直径を有することにより、ポストの周囲に巻回されたワイヤがスタックの歯部の側面に沿って継ぎ目なく伸びるようにしてもよい。ポストを形成し、歯部の側面を覆うオーバーモールド絶縁材は、ポストから歯部の側面にかけて継ぎ目のない移行部を形成することができるように調節され寸法決めされてもよい。第2の軸方向面84では、オーバーモールド絶縁材はセグメントのエンドキャップを形成してもよい。
図18〜図20は、代替形態例のセグメント100を示している。代替形態では、ステータセグメントの第1の軸方向端部102は、セグメントの半径方向中心線からずれたポスト112、114を形成するオーバーモールド絶縁材を有する。図18〜図21の実施形態では、第1のポスト112は、スタックのヨーク部を覆う絶縁材がスタックの歯部を覆う絶縁材と隣接する領域でスタックの第1の軸方向端部の中間部にある歯部コーナーおよびヨーク部の底面に配置される。第2のポスト114は、スタックのヨーク部の反対側端部に隣接して配置される。図18〜図20の実施形態では、第2の軸方向端部104は、図5〜図9の実施形態と同様のセグメント用エンドキャップを形成するオーバーモールド絶縁材を有する。
図28〜図30は、別の代替形態例のセグメント160を示している。図28〜図30の実施形態では、ラミネーションスタックの軸方向面162のオーバーモールド絶縁材は、同様に、軸方向端部に、ラミネーションスタックの歯部の周囲にワイヤを巻回するためのポスト172、174を形成する。第1のポスト172および第2のポスト174は、スタックのヨーク部86がスタックの歯部88と隣接するラミネーションスタックの軸方向端部のほぼ中間部に位置する。それぞれのポスト172、174は、軸方向外側に伸び、ヨーク部に隣接して位置決めされて、ワイヤがポストの周囲にきつく巻回されてスタックの歯部の側面に沿って伸びるようにしてもよい。セグメントに出入りすることを巻線に案内するために、ヨーク部の両端のうちの一端に導管176が形成されてもよい。あるいは、各セグメントの両端のヨーク部のそれぞれの端部に導管が設けられてもよい。ポストおよび導管は、配置(すなわち、1つの導管または2つの導管)に応じて、スタックの周囲に巻回されるワイヤのためのワイヤ導出入経路を画定することができる。ワイヤ導出経路は、ワイヤを次に巻回されるラミネーションスタックへと案内する。ワイヤ導入経路は、ワイヤ導出経路と分けられてもよい。導管176は、導管を画定する内側タブ178および外側タブ180を有してもよい。内側タブ178(内径に最も近い)および外側タブ180(外径に最も近い)は、ワイヤを巻回しやすくするために変化する軸方向高さを有してもよい。例えば、内側タブは外側タブより大きい軸方向高さを有してもよい。タブは同じ高さにしてもよい。反対側の軸方向面164に、同様の配置のポストが設けられてもよい。セグメントの巻線について下記説明する。
個々のセグメントにワイヤが巻回された後、個々に巻回されたセグメントは略環状の形状に組み立てられてステータを形成する。セグメントは、個々に巻回されたステータセグメントを相互接続する、または実質的に一体化させる継手90を使用して結合される。継手は、手動もしくは自動でセグメントに取り付けられて、セグメントを結合する。
図10〜図13は、継手200の一実施形態例を示している。継手200は、1つのセグメントのポストおよび隣接セグメントのポストに取り外し可能に取り付け可能であるブリッジ部202を備える。ブリッジ部202は、セグメントを環状ステータコアの形にするために、継手を隣接するセグメントのポストに取り外し可能に取り付けることができるスロット204および穴206を備えてもよい。ポストは、隣接するセグメントをまとめて必要な形状になるように他のステータセグメントと位置合わせして一体化させて、ロータ用の円形中央孔を有する円形ステータコアを形成するために、継手スロット204および継手穴206と協働する形状を有する。継手は、ブリッジ部202から突出する絶縁体部208を有し、絶縁体部208は、継手が隣接セグメントのポストに取り付けられた時に、隣接セグメントの巻線間に配置される。絶縁体部208は、隣接セグメントの巻線を絶縁するために、継手が隣接セグメントに取り外し可能に取り付けられた時に、隣接セグメント間に伸びる。
図10〜図13に示されている実施形態の継手では、リード線保持タブ210が設けられる。ステータの位相を接続するリード線は、最後の埋め込み作業およびステータの製造を容易にするために、リード線保持タブ210の下に配置されてもよい。さらに、図10〜図13の実施形態の継手では、巻線の巻回作業が完了した後にリード線接続を容易にするために、ブリッジ内にワイヤ導管212が設けられる。図16〜図17に関して後述するように、継手のブリッジのワイヤ導管は、巻回作業が完了し、リード線接続が行われた後に、すぐ隣りのセグメントのワイヤ導入点としての役割を果たすことができる。
図21〜図24は、代替形態例の継手300を示しており、この場合、図18〜図20の実施形態のセグメントのポスト112、114が配置される方法と同様に、絶縁体部308は継手の半径方向中心線からずれた状態でブリッジ部302から伸びる。実施形態を比較すると、図5〜図9の実施形態のセグメントのスタックの歯部の寸法は、図18〜図20の実施形態のセグメントの歯部の寸法よりも比較的広い。したがって、図5〜図9の実施形態のセグメントでは、ポスト92、94はスタックの歯部コーナーおよびスタックのヨーク部の底部に位置決めされて、第1のポスト92に接続される継手200は第2のポスト94に接続されている継手に干渉しないようにしてもよい。図18〜図20の実施形態のセグメントでは、スタックの歯部の幅は狭いので、スタックの歯部コーナーおよびスタックのヨーク部の底部にポストを配置すると、ポスト112、114が互いに接近した状態になり、第1のポストに接続された継手300が第2のポストに接続された継手に干渉する可能性が生じる。したがって、第2のポスト114はスタックのヨーク部の端部まで横に移動されることで、第1のポストに接続された継手が第2のポストに接続された継手に干渉しないようにすることができる。したがって、図21〜図24の実施形態の継手では、絶縁体部308はずれた状態でブリッジから伸びる。さらに、図21〜図24の実施形態の継手では、ブリッジ部は、図10〜図13の実施形態の継手に見られるような穴204およびスロット206ではなく、取付穴304、306を備える。さらにスロットが設けられてもよい。継手300はさらに、リード線保持タブ310およびワイヤ導管312を備える。
図31〜図32は、代替形態の継手40を示している。継手は、継手穴404および継手スロット406を有するブリッジ部402と、継手の半径方向中心線から伸びる絶縁部408とを有する。しかし、図31〜図32の実施形態の継手の場合、図10〜図13および図21〜図24の継手に示されているタイプのワイヤガイドが存在しない。図31〜図32の実施形態の継手はヨーク部の軸方向端部に形成されたワイヤガイド導管を使用してセグメントを接続するのに使用されるので、図31〜図32の継手の場合、図10〜図13または図21〜図24の実施形態の継手に示されているようなワイヤガイドもしくはリードワイヤ保持部を使用する必要がない。
図31〜図32の実施形態の継手400は、セグメントの軸方向の両端に配置されてもよい。この形態では、それぞれの継手の絶縁体部408は、一部がセグメントの軸方向長さに沿って伸びて、隣接セグメントの巻線を分離するために、絶縁体部の遠位端が接近する、重なる、もしくは当接するようにしてもよい。あるいは、継手400は、セグメントの一方の軸方向面に使用されて、セグメントの軸方向長さ全体に伸びる寸法の絶縁体部を有するようにしてもよく、その結果、セグメントの反対側の軸方向面で使用される継手は絶縁体部を有する必要がない。
それぞれの実施形態において、ステータを組み立ておよび絶縁するのに複数の同様の継手が使用され、低減される。このことにより、絶縁および組み立てのばらつきが低減され、さらに、フレームの設置時に、リングを使用してステータを固定もしくは一体化する必要がなくなる。ブリッジ部に絶縁体部を設けることにより、ばらつきを低減する反復可能な方法で、適切な位置に絶縁体が配置される。絶縁体部は、ステータが円形に形成される前に、磁極間に配置されてもよい。さらに、ステータのワイヤは平坦な形で巻回されてもよく、および/またはそれぞれのステータセグメントは個々にワイヤが巻回されてもよい。セグメントにワイヤが巻回された後、ステータアセンブリは、必要に応じて、回転される。ステータの外径を完成させる前に、絶縁体が所定位置に配置されてもよい。
図16および図17は、図5〜図8に示されているセグメントおよび図10〜図13に示されている継手で使用されるワイヤパターンの一例を示してる。上述したように、セグメントは、継手が取り付けられていない状態でワイヤが巻回されてもよい。図16〜図17を参照すると、リード線は、右側のラミネーションスタックのヨーク部を横切って、右側のセグメントの右側のポストに隣接した2つのセグメントアセンブリに入る(図16)。巻回が完了した後、継手がポストに取り付けられ、ワイヤは継手のブリッジに形成されたワイヤガイド導管を通るために上方および右に曲げられる。ワイヤは、巻回時に、右側のセグメントの右側ポストに隣接して軸方向に案内され、その後、第1の軸方向端部から歯部の側面およびヨーク部の底面に隣接した第2の軸方向端部へと軸方向に案内される。ワイヤは、右側セグメントの巻回が完了するまで、歯部の周囲に右回りに巻回され(図16)、右側セグメントの巻回が完了した時点で、ワイヤは右側セグメントの第1のポストと第2のポストとの間に向かって右側セグメントの左側ポストの周囲に案内され、その後、ワイヤは左側のセグメントの周方向に案内される。
ワイヤは、その後、左側のセグメントの左側ポストに案内され、その後すぐに、第1の軸方向端部から歯部の側面およびヨーク部の底面に隣接したワイヤで第2の軸方向端部へと軸方向に案内される。ワイヤは、左側セグメントの巻回が完了するまで、左回りに巻回され(図16)、左側セグメントの巻回が完了するとすぐ、ワイヤは継手の半径方向内径面の左側セグメントから出る。
その後、セグメントは、継手を使用して、図1および図17に示されているような環状形状に形成されてもよい。その後、リード線がそれぞれのセグメントに接続されて、機械の位相および磁極数に応じてセグメントが一体化される。その後、巻線およびリード線を絶縁するために、それぞれの軸方向端部に埋め込み材料が配置されてもよい。図18〜図20および図25〜図27に示されているセグメントも同様の形でワイヤが巻回されてもよい。
図35は、図28〜図30に示されているセグメントの集中巻線を形成する別の例を示している。集中巻線を含むワイヤは、左側セグメントの左側の導管を通ってワイヤ導入経路から入る。その後、ワイヤは、内側タブとポストとの間の導管から、オーバーモールドされた左側セグメント御の歯部の側面に沿って案内される。ワイヤは、左側セグメントに集中巻線が形成されるまで連続して左側セグメントの周囲に巻回される。ワイヤ導出経路は、左側セグメントの右側のポストおよび導管を含む。ワイヤは、ポストと内側タブとの間に伸び、その後、右側の導管まで伸びる。隣接する右側セグメントへのワイヤ導入経路は、隣接する右側セグメントの左側の導管を含む。ワイヤは、右側セグメントのヨーク部を横切って伸び、右側導管の内側タブと隣接する右側セグメントのポストとの間に案内される。その後、ワイヤは、隣接する右側セグメントの歯部の側面に沿って進み、セグメントにワイヤが巻回される。セグメントにワイヤが巻回される時に、右側セグメントへのワイヤ導出経路は、右側セグメントの左側導管に隣接するヨーク部の底面を含む。ワイヤは、右側セグメントの左側導管に隣接するヨーク部の底面から軸方向外側に伸びる。その後、ワイヤは、絶縁スリーブが付けられ、導出されたワイヤに取り付けられた継手を介して、同じ位相の別のセグメントセットと接続されてもよい。左側および右側の導管とポストとを備えたシステムにより、セグメントのサイズ、所望の集中型ワイヤ巻回に必要な巻線の数に応じて、ワイヤの巻回のさまざまな代替形態が可能である。
上述の内容から、本発明の複数の利点が達成され、実現されることがわかる。実際の応用について最善の形で説明することにより当業者がさまざまな実施形態で、意図される特定の用途に適したようにさまざまな修正を加えて本明細書内の原理を最善の形で利用することができるように、実施形態を選択して説明してきた。本発明の範囲から逸脱せずに、本明細書内に図示され記載されている構造および方法にさまざまな修正が加えられ得るので、上述の説明の中に含まれる、または添付図面に示されている全ての内容は、限定的ではなく単なる例として解釈されることが意図される。したがって、本発明の範囲は、上述の実施例のうちのいずれかによって制限されるべきではなく、添付されている以下の請求項およびその均等物によってのみ定義されるべきである。

Claims (15)

  1. ステータ用コアを形成するために継手を使用して接続される複数のセグメントを有する電気機械用ステータであって、セグメントそれぞれは並置して配置されて軸方向両端面を有するラミネーションスタックを形成する複数のラミネーションを備え、ラミネーションスタックはラミネーションスタックの軸方向面と当接するエンドキャップを有し、エンドキャップはエンドキャップから軸方向外側に伸びる第1および第2のポストを有し、ポストの少なくとも一方はスタックの周囲に巻回されるワイヤのワイヤ経路を画定し、継手それぞれはブリッジ部を備え、ブリッジ部は、継手がステータアセンブリのセグメントのエンドキャップのポストおよび隣接セグメントのエンドキャップのポストに取り外し可能に取り付けられるようにポストを受承できる寸法の開口部を有し、継手はブリッジ部から突出する絶縁体部を有し、絶縁体部は継手が隣接セグメントに取り外し可能に取り付けられた時に隣接セグメント間に伸びる、ステータ。
  2. エンドキャップが、ラミネーションスタックの周囲にオーバーモールドされる絶縁材を含む、請求項1に記載のステータ。
  3. 絶縁材が、ラミネーションスタックの大部分を覆う、請求項1に記載のステータ。
  4. ラミネーションスタックの軸方向反対面に配置される第2のエンドキャップをさらに備える、請求項1に記載のステータ。
  5. 第1および第2のエンドキャップが、ラミネーションスタックの周囲にオーバーモールドされる絶縁材を含む、請求項4に記載のステータ。
  6. 第2のエンドキャップが、反対面のエンドキャップと同じように配置された第1および第2のポストを有する、請求項5に記載のステータ。
  7. 第2の継手をさらに備え、第2の継手がセグメントの第2のエンドキャップのポストおよび隣接セグメントの第2のエンドキャップのポストに取り外し可能に取り付けられるように、第2の継手は第2のエンドキャップのポストを受承する寸法の開口部を有するブリッジ部を含む、請求項6に記載のステータ。
  8. 継手ブリッジ部の絶縁体部が、隣接するセグメントの軸方向長さに沿って伸びる、請求項1に記載のステータ。
  9. 継手の開口部の1つが、スロットを備える、請求項1に記載のステータ。
  10. ポストと継手開口部が、スタックのラミネーションの歯部がステータの中心軸と半径方向に位置合わせされるようにステータに対してセグメントを配向することができる協働形状を有する、請求項1に記載のステータ。
  11. 継手ブリッジ部が、ポストの少なくとも1つと共に、スタックの周囲に巻回されるワイヤのワイヤ経路を画定する導管を有する、請求項1に記載のステータ。
  12. 継手ブリッジ部の導管が、継手ブリッジ部の中央に形成される、請求項11に記載のステータ。
  13. 継手ブリッジ部の導管が、継手ブリッジ部に形成された溝を備える、請求項11に記載のステータ。
  14. 継手絶縁体部が、継手ブリッジ部の中央から突出する、請求項1に記載のステータ。
  15. 継手ブリッジ部が、ブリッジ部から半径方向に伸びるワイヤ保持タブを有する、請求項1に記載のステータ。
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