JP6511444B2 - 電気的に駆動するコンプレッサー用コイル、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気的に駆動することができるコンプレッサーのコイルを製造する方法に関する。本発明は、特に内燃機関用のコンプレッサーの動力密度／効率度を向上させる方法に関する。

この種のコンプレッサーの従来のコイルスタックにおいて、作動中電流が流れる複数の線がコイルスタックの周りに配分される。

コイルは、特にコンプレッサーを駆動する電気機器の固定子に用いられる。このような類型の電動モータは３つ以上のコイルを有し、そのコイルは同一の構成となっており、エアギャップに沿って円形に配置されている。この場合、コイルの電気的接続部が隣り合うことによってコイルは簡単に互いに連結できるようになる。この場合、それぞれのコイルは、撚り合わせたり部分的に撚り合せた（又は全く撚り合せていないものを含む）電線を巻いて得られる。従来技術においてはコイルの通電導体は高動力密度／高効率度を発生させるため、互いに可能な限り密接に巻き付けるようにする。しかし、電気機器の動力密度／効率度をより一層向上させるためのポテンシャルはこの場合に用いられない。

そこで、本発明の目的は、電気的に駆動するコンプレッサーのコイルを生産する方法であって、向上した動力密度／向上した効率度を有するコイルを製造できる方法を提供することである。

このような目的は請求項１の特徴によって達成することができる。

よって、電気的に駆動することができるコンプレッサーのコイルを製造する方法が提案され、本方法は次のような工程を含む。

先ず、コイルの第１巻線が製造される。本発明の範囲内において、「巻線」はコンダクタからなるループを意味するものとして理解され、ここで、コンダクタは電線として設計された複合線上に配置することができる。このような方式で、簡単に巻かれた電線は、含まれたコンダクタの数に対応する数分だけの巻線を含む。この場合、「巻線」は「ターン」とも呼ばれるコンダクタループに相当する。次いで、コイルの第２巻線が製造される。２つの巻線は、例えば、適合したモルードに電気的コンダクタを挿入することによって製造される。第１巻線と第２巻線は外部からの力の作用によって圧縮される。このとき、第１巻線と第２巻線の電線の断面が変形する。換言すれば、第１巻線と第２巻線に圧力が加えられ、その結果としてコイル（素子）の外側寸法が縮小される。動力密度、すなわち、単位体積当たりに得られる電力はこのような方式で向上する。したがって、輸送手段においてこのような類型のコイルを用いると、公知の他のコイルに比べて空間を節約することができる。変形過程中、例えば、最初は円盤状であった電線の断面は楕円又はほぼ長方形状を有することになる。

従属請求項は、本発明において有益な効果をもたらす展開を含んでいる。

第１巻線と第２巻線はそれぞれ多重巻線と共に圧縮されることが好ましい。換言すれば、第１巻線を含む第１多重巻線は最初は共同で圧縮され、その後、第２ステップで、第２巻線が（まだ圧縮されていない）他の多重巻線と共に圧縮される。特に、この場合、コイル（素子）の体積は非常に縮小される。例えば、コイル体積の５％〜３０％、好ましくは１０％〜２０％が縮小される。電線の材料及び電線の絶縁材が電線及び／又は絶縁材の間に位置するエアポケットよりかなり少なく圧縮されることは言うまでもない。したがって、前述した百分率はコイル素子の外側寸法と関連している。

コイルの巻線は２つのツール部分の表面の間に配置されることが好ましい。ここでその表面は第１巻線と第２巻線が製造される間、円の一部の形状になっており、円の一部の形状になっている表面の設計は電気機器のエアギャップの設計に合わせられるが、これは後で巻線を再び調整することを避けるためである。ツール部分は円の一部の形状になっている表面の末端にほぼ直線状に延びている部分を有している。コイルは直線状に延びる表面とほぼ平行な方向に１つの、好ましくは２つのダイスによって延びる接線方向に少なくともいくつかの部分で圧縮される。この場合、接線方向はコイルから製造された電気機器の回転方向と一致する。また、コイルの巻線ヘッドは巻線の磁気的活性セクションとほぼ平行な方向、すなわち電気機器に対する軸方向に１つの、好ましくは２つのダイスによって少なくともいくつかの部分で圧縮される。このような方式で、巻線の挿入後の２つのツール部分、１つあるいは複数の接線ダイス、そして軸ダイスが相互移動するので複数の側面から圧縮を行うことができ、よって巻線に高い圧力が加えられる。

ツール部分の表面は、予め湾曲部を有していることが好ましい。該湾曲部は円の一部の形状になっており、例えば、１８０°、１２０°、又は９０°の角度分だけ延び、用いる多数のコイルによって、コンプレッサーの駆動のための電気機器の固定子と回転子との間のエアギャップにコイルの形状を合わせる。このような方式で、コイルのさらなる幾何学的調整を行うことなく高動力密度を有する狭いエアギャップを生成することができる。

コイルは全ての巻線の製造後（あるいはその後）磁気的活性セクションで圧縮されることが好ましい。ここで、コイルの巻線ヘッドも圧縮されることは言うまでもない。磁気的活性セクションにおける圧縮は、費用効率的かつ比較的低いレベルのエネルギー消費で行われる一方、巻線ヘッドでのさらなる圧縮は、体積の追加的な縮小と共に動力密度と効率性の向上をもたらす。

本発明のさらに他の実施形態によって、前述のような方法によって得ることができる、電気的に駆動するコンプレッサー用コイルが提案される。換言すれば、コイルは、コイルの製造中、圧縮によって変形する断面を有する少なくとも２つの巻線を有している。このような類型の圧縮は、例えば、絶縁材の表面、又は電線の表面、又は互いにぴったり合う表面部を有するコンダクタの表面によって完成品で確認することができる。この場合、例えば、円盤状になっている断面から外れているコンダクタは、該コンダクタと最も近い方向に縮小される表面湾曲部を有する。それぞれのコンダクタを含む隣接する電線も同一である。このような特徴とその特徴の組み合わせは本発明による上記製造方法による効果などと同じ結果に至る。

本発明のさらに他の実施形態によって、内燃機関のコンプレッサーの電気駆動機のための固定子が提案される。該固定子は上記発明によるコイルを有している。固定子は、工程中に許容されるべき動力の損失なしに、本発明による圧縮によってその体積が縮小されるように設計されている。

固定子は互いに異なる電気的位相に係る３つのコイルを含むことが好ましい。この場合、コイルは２つのコイルの隣接する電気的接続部によってデルタ回路に配置することができる。このとき、前記２つのコイルは該電気的接続部との接触のための外部の電気的接続を許容するようにそれぞれ互いに結合される。また、これは製造上の利点と共に体積のさらなる縮小というオプションを提供する。

固定子のコイルは硬化流体、特に、ストーブエナメル又は接着剤によって互いに固定されることが好ましい。この場合、その流体はストーブエナメル電線を用いてコイル内に流入することができ、熱の作用によって液化し得る。コイルには（圧縮ツール内）圧縮された位置で流体が染み込む。この場合、熱を加えることによってストーブエナメル電線が溶解し始めるためにコイルの連結部に電圧を加える。ストーブエナメルは圧縮ツールが開封される前に固化して、その結果としてコイルは圧縮された構成に固定される。

本発明の第４実施形態によって、電気的に駆動する内燃機関用のコンプレッサーが提供される。該コンプレッサーは前述したように固定子を有する電気駆動機を有する。内燃機関の例としては自動車に用いられるガソリン又はディーゼル機器がある。

本発明による上記全ての実施形態には鉄心のないコイルが用いられる。鉄心がなく鉄心内の再磁化過程が必要としないため、コンプレッサーの質量をより一層減少させることができ、効率の側面からも利点がある。しかし、磁束ガイドの増進のためにメタルジャケット（例えば、積層鉄心）が固定子巻線の周りに取り付けられてもよい。

また、本発明によるコイルは従来の車両搭載電気システムで作動するために１２Ｖ電気機器又は４８Ｖ電気機器の一部で規格化することができる。

特に、電気モータはコンプレッサーの駆動のために高い公称回転速度を要求するので少ないポールーペアを有している。前記少ないポールーペアの例は１、２、３、又は４である。

本発明のさらに他の実施形態によって、前述のように内燃機関とコンプレッサーを含む輸送手段が提案される。この場合、コンプレッサーは内燃機関の燃焼室に供給される前に新鮮な空気を圧縮するように設計できる。

本発明のより詳細な説明、効果、特徴は図面を伴う以下の実施形態の説明から明らかになる。
図１は、本発明による充填装置の第１実施形態の多少簡略化された概略図である。 図２は、本発明による充填装置が取り付けられた内燃機関の非常に簡略化された概略図である。 図３は、従来技術による全てが撚線である固定子巻線の概略図である。 図４は、本発明の実施形態による、巻線ヘッドのみが撚線である固定子巻線の電線の概略図である。 図５は、圧縮のために用いられるツールの実施形態の断面図である。 図６は、図５に示したツールの、開かれた後の状態を示す。 図７は、図５と６に示されたツールの透視図を示す。 図８は、発明による圧縮によって発生する断面での変化を示す基本図である。 図９は、磁気的活性セクションで圧縮されたコイルの透視図である。そして、 図１０は、本発明による製造方法の例示的な実施形態の方法工程を示すフローチャートである。

図１は電気的に駆動するコンプレッサー１を含む充填装置の実施形態を示す。コンプレッサー１はコンプレッサーホイール３が配置されているコンプレッサーハウジング２を有する。コンプレッサーホイール３は回転子軸５の一端部４に取り付けられている。

図１にも示すように、コンプレッサーハウジング２は、示された実施形態においてコンプレッサーハウジングカバーの形態になっているコンプレッサーハウジングの後面壁６を有する。コンプレッサーハウジングの後面壁６がコンプレッサーホイール３の後方に配置され、コンプレッサーハウジング２に固定されており、このような方式でコンプレッサーハウジングを閉鎖する。

この場合、コンプレッサーハウジングの後面壁６は好ましくは冷却水のための冷却ジャケット１０を含む。

コンプレッサー１はさらに電気モータ７を有する。電気モータ７は回転子軸５に連結されている軸８を含む。示された実施形態において、軸８と回転子軸５は図１に詳しく示したように一体の構成要素として設計される。この場合、軸８は回転子軸５よりも外径が小さく、その上に軸受１６が配置された軸スタブの形態になっている。回転子軸５の末端４も回転子軸５に比べて直径が小さく、第２軸受１７挟み込まれている。図１に示したように、軸受１７は固定子ハウジング１３の軸受の部分に反して支持されている。一方、軸受１６はコンプレッサーハウジングの後面壁６の凹部にその外側リングを介して支持されている。

磁石１１はさらに回転子軸５に取り付けられている。該磁石は外側で磁石を囲んでいる固定子巻線１２と相互作用をする。本発明による固定子巻線１２の構造は図３、４、８、９と関連してより詳しく記述される。固定子巻線１２は磁束ガイドを向上させるために鉄リング１８で囲まれている。液体を有している冷却ジャケット１０も固定子巻線１２から熱を吸い込むために取り付けられている。

図１によるコンプレッサー１の実施形態はさらに汚物防止カバー１４を有している。汚物防止カバー１４は、固定子ハウジング１３又はコンプレッサーハウジングの後面壁６に取り付けられており、その中には動力電子回路９又は電子印刷回路基板９の電子構成要素１５が配置されている。動力電子回路９は電子整流子の機能を満たすために必要な全ての構成要素を含む。該動力電子回路は特にトランジスタ又はいわゆるＭＯＳＦＥＴを含む制御回路である。動力電子回路９はさらにセンサー、特にホール（Ｈａｌｌ）センサーを含む。電子構成要素１５はその中でも特にコンデンサを含む。

図１に示したように、動力電子回路９はコンプレッサーハウジングの後面壁６と電気モータ７又は汚物防止カバー１４の間に配置されており、これによって、動力電子回路９は、例えば、汚物防止カバー１４とコンプレッサーハウジングの後面壁６との間に固くクランプしていたり、又は２つの部分の一方に固く付着結合された状態で取り付けられている。

このような配置は動力電子回路９が冷却ジャケット１０に隣接して配置することによって、動力電子回路９に対する冷却ジャケットの冷却効果を非常に向上させるという利点がある。

熱伝導性ペーストは動力電子回路９と冷却ジャケット１０又はコンプレッサーハウジングの後面壁６の間に提供されている。ここでコンプレッサーハウジングの後面壁６には冷却ジャケット１０が配置されている。

コンプレッサーハウジングの後面壁６はさらに固定子ハウジング１３の末端壁によって形成されている。固定子ハウジング１３の末端壁には軸受１７が配置されている。本実施形態において、固定子ハウジング１３は同様に内部冷却配置を有しており、したがって冷却ジャケット１０を有している。本実施形態においても、動力電子回路９はコンプレッサーハウジングの後面壁６と電気モータ７又は固定子ハウジング１３の間に配置されており、これによって、コンパクトな構成と構成要素の冷却効果の向上という同一の利点を有する。

図２は、（ディーゼル又はガソリン）内燃機関の形態を有する燃焼機関２６を非常に簡略化した概略図である。内燃機関２６は充填装置２０のコンプレッサー１が配置されている吸気ライン２７を有している。ここでコンプレッサーは電気モータ７により駆動される。スロットル２９に続いて給気冷却器２８は吸気ライン２７のコンプレッサー１の下流に配置される。矢印ＣＡで示された圧縮空気はコンプレッサー１から吸気マニホールド３０に供給され、前記吸気マニホールドから燃焼機関２６のシリンダーに供給される。

排気ガスＥＧは排気ガスマニフォールド３１を通じて排気ガスライン３２に供給される。

図２に示された特に好ましい実施形態においても、内燃機関２６にはさらに排気ガス戻りライン３３が含まれている。排気ガス戻りライン３３には排気ガス冷却器３４とバルブ３５が配置されている。しかし、構成要素３４、３５と共に、排気ガス戻りラインは必須ではなく、単に特に好ましい実施形態を構成するものである。図２に示された配置の、示されていない変形例は構成要素、コンプレッサー１、電気モータ７、そしてより下流に位置する充填装置２０の配置によって異なる。例えば、上記構成要素を含むアセンブリはコンプレッサー１が吸気マニホールド３０の前方にあるスロットル２９とバルブ３５の後方に連結されるように変更してもよい。

図３は、固定子のコイルのためのライン２１の第１コンダクタ２２、第２コンダクタ２３を示す。電線のコンダクタ２２、２３は循環電流を避けるために互いに電気的に絶縁されてもよい。第１コンダクタ２２と第２コンダクタ２３は連続した磁気的活性セクションＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶとそれらのセクションとの間に位置する巻線ヘッド区域２５ａ、２５ｂで互いに撚り合せられる。換言すれば、コンダクタ２２、２３はそれぞれの磁気的活性セクションＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶで第１レベルの撚りを有し、これは巻線ヘッド区域２５ａ、２５ｂでの第２レベルの撚りと同一である。示された撚りはコンダクタ２２、２３の間の補充電流（「循環電流」）を防止することができるが、第一に、磁気的活性セクションＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶでさらなる体積が所要され、第二に、固定子巻線１２の成形とコイルのコンパクトな設計において障害になり得る、ライン２１の機械的強度が固定子巻線１２が成形される前に予め生じる。

図４は、代替の構成の固定子巻線１２を示す。本図において、ライン２１のコンダクタ２２、２３は図３に示されたように巻線ヘッド区域２５ａ、２５ｂで互いに撚り合せられることが示されている。一方、コンダクタ２２、２３は磁気的活性セクションＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶでは撚り合わせず互いに平行になっている。この過程で、コンダクタは連続した磁気的活性セクションＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶそれぞれにおいて、互いに対する順序が変化する。第１コンダクタ２２は、第１磁気的活性セクションＩでは（図面では）左側、そして円周方向Ｕにおいて前方に配置されている。第１コンダクタは、第２磁気的活性セクションＩＩでは円周方向Ｕにおいて第２コンダクタ２３の後方に配置されている。コンダクタ２２、２３の順序は円周方向Ｕにおいて継続して変化する。磁気的活性セクションＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶでコンダクタ２２、２３が撚り合わせしない設計により、固定子のコンパクトな設計が可能となり、本発明による方法の適用はコンダクタ２２、２３の電気的絶縁の損傷の危険を減少させる。

図５は、本発明による製造方法の実施形態のツールの側面断面図である。コイル１２の電線１０１、１０２、１０３は固定子巻線として下部ツール部分１０５内に挿入される。電線１０１、１０２、１０３は上部ツール部分１０４により垂直方向に圧縮される。上部ツール部分１０４はガイド１１３により下部ツール部分１０５にガイドされる。換言すれば、電線１０１、１０２、１０３はほぼ平行な表面１０６、１０７の間にクランプしている。第１ダイス１０８と第２ダイス１０９は２つの矢印Ｐ_ａ、Ｐ_ｂ方向にツール部分１０４、１０５の間に押し込まれ電線１０１、１０２、１０３を圧縮する。このとき、電線の断面は図８に示されたように変形する。

図６で、上部ツール部分１０４は、圧縮が完了した後にコイル１２を除去できるようにするため、ガイド１１３に沿って上昇される。

図７は、図５と図６に示された製造装置の透視図を示す。図７で上部ツール部分１０４は開口を含む。第１ダイス１０８と第２ダイス１０９が該開口を通じて図５に示された表面１０６と１０７との間のギャップに浸透する。巻線ヘッドの圧縮のために、軸方向で上部ツール部分１０４と下部ツール部分１０５との間に押し込まれる第３ダイス１３４がさらに示されている。

図８ａは、２つの電線１０１、１０２とほぼ円盤状になっている断面を有する銅芯１１１、１２１を示す。電線１０１、１０２はほぼリング状になっている断面を有する絶縁材１３３で囲まれている。矢印Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４は電線１０１、１０２の発明による圧縮過程中の力の作用を示す。

図８ｂは、図８ａに示された圧縮過程の結果を示す。銅芯１１１’、１２１’はほぼ長方形の断面形状を有することになる。電線１０１、１０２の絶縁材１３３’も、長方形状に合わせられた。電線１０１、１０２の外側寸法の、図８ａに示された体積Ｖは図８ｂに示された体積Ｖ’に縮小された。これ以上エアポケットがほぼ存在しないことによって、動力密度が向上する。

図９は、本発明によって製造されるコイル１２の代替の実施形態の透視図である。コイル１２は磁気的活性セクションＩ、ＩＩに圧縮された電線１０１、１０２、１０３を有している。一方、巻線ヘッド２５ａ、２５ｂはほぼ（圧縮されていない）本来の構成を有している。図９はさらに本発明による圧縮過程による体積の縮小に対するポテンシャルも示す。

図１０は、本発明による製造方法の実施形態の工程を示すフローチャートである。コイル１２の第１巻線はステップＳ１００で製造される。コイル１２の第２巻線はステップＳ２００で製造される。そして、第１巻線と第２巻線の（例えば軸方向、接線方向、径方向の）圧縮はステップＳ３００で行われる。ステップＳ４００で圧縮されたコイルは本発明による固定子の組み立て用ツールに配置される。換言すれば、本発明によって製造された複数のコイルが固定子の成形用ツールに取り付けられる。そして、ステップＳ５００で、固定子は挿入されたコイル１２によって製造される。このとき、コイルは再度圧縮されてストーブエナメルによって互いに固定される。各コイル（他のコイルと独立して）の圧縮物もこのような方式で固定される。

上記発明の説明に加えて、本発明のさらなる開示のために図１〜図１０の発明の図式的な例示が明確な参照となる。

１ コンプレッサー
２ コンプレッサーハウジング
３ コンプレッサーホイール
４ 末端
５ 回転子軸
６ コンプレッサーハウジングの後面壁
７ 電気モータ、特にブラシのないＤＣモータ
８ 軸
９ 動力電子回路／電子印刷回路基板
１０ 冷却ジャケット
１１ 磁石
１２ 固定子巻線、コイル
１３ 固定子ハウジング
１４ 汚物防止カバー
１５ 電子構成要素
１６、１７ 軸受
１８ 鉄リン
１９ ギャップ
２０ 充填装置
２１ ライン
２２〜２４ コンダクタ
２５ａ、２５ｂ 巻線ヘッド区域
２６ 内燃機関
２７ 吸気ライン
２８ 給気冷却器
２９ スロットル
３０ 吸気マニホールド
３１ 排気ガスマニフォールド
３２ 排気ガスライン
３３ 排気ガス戻りライン
３４ 排気ガス冷却器
３５ バルブ
３６ コンプレッサーホイールの後面側
１０１、１０２、１０３ 電線
１０４、１０５ ツール部分
１０６、１０７ ツール部分の表面
１０８、１０９ ダイス
１１１ 銅芯
１１３ ガイド
１２１ 銅芯
１３３ 絶縁材
１３４ ダイス
Ｓ１００〜Ｓ５００ 方法工程
Ｖ 体積
Ｉ〜ＩＶ 磁気的活性セクション

Claims (9)

1. 電気的に駆動するコンプレッサー（１）のコイル（１２）を製造する方法において、
   コイル（１２）の第１巻線（１０１）を製造する工程（１００）、
   前記コイル（１２）の、前記第１の巻線（１０１）とは別の第２巻線（１０２）を製造する工程（２００）、及び
   外部からの力の作用によって前記第１巻線（１０１）と前記第２巻線（１０２）とを圧縮する工程（３００）を含み、
   前記工程（３００）で第１巻線（１０１）と第２巻線（１０２）の電線の断面（１１１、１１２、１１１’、１１２’）が変形する方法であって、
   前記第１巻線（１０１）と前記第２巻線（１０２）は、２つのツール部分（１０４、１０５）のほぼ平行な表面（１０６、１０７）の間に配置され、２つのツール部分（１０４、１０５）の表面（１０６、１０７）に平行な方向（Ｐ _ａ 、Ｐ _ｂ ）に１つの、好ましくは２つのダイス（１０８、１０９）により圧縮される、方法。
2. 第１ステップで、前記第１巻線（１０１）は第１多重巻線と共に圧縮され、第２ステップで、前記第２巻線（１０２）は第２多重巻線と共に圧縮され、
   特に前記コイル（１２）の体積が５％〜３０％、好ましくは１０％〜２０％ほど縮小される請求項１に記載の方法。
3. 前記ツール部分（１０４、１０５）の表面（１０６、１０７）は、コンプレッサー（１）の駆動のための電気機器（７）の固定子と回転子との間のエアギャップにコイル（１２）の形状を合わせる湾曲部を有する請求項１に記載の方法。
4. 前記コイルは、コイルの全ての巻線（１０１、１０２）の製造後、磁気的活性セクションで圧縮され、特にコイルの巻線ヘッド（２５ａ、２５ｂ）も圧縮される請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 電気的に駆動するコンプレッサー（１）のコイルであって、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の方法によって得られるコイル。
6. コンプレッサー（１）の電気駆動機のための固定子であって、請求項５に記載のコイルを含む固定子。
7. ２つのコイルの隣接する電気的接続部によってデルタ回路に配置される３つのコイルを含み、前記２つのコイルは該電気的接続部との接触のための外部の電気的接続を許容するようにそれぞれ互いに結合されている請求項６に記載の固定子。
8. 前記固定子のコイルは硬化流体、特にストーブエナメル又は接着剤によって互いに固定される請求項６又は請求項７に記載の固定子。
9. 内燃機関用のコンプレッサー（１）であって、電気的に駆動され、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の固定子を有する電気駆動機を含むコンプレッサー。