JPH06506822A - 組立式巻線層を有する多相電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 立工　の　電５ 兄ノ１の」１木ＩケＪ１明 （技術分野） この発明は、平面空気ギャップおよび軟性磁気体の多相電気機械に関するもので ある。

（従来の技術） 導体レーンがオフセットパターンに配列されている電気機械の為に巻いている多 相回転式界磁では、異なる位相の導体レーンが各極のピッチに対して最低１度は 空気ギャップからの投影で交差するため、通常は巻線オーバーハングに中空の空 間が発生する。これが、スロットおよび巻線オーバーハングの空間の不十分な活 用および導体長の増加の原因である。ある高度な効率のために、所定の低い導体 抵抗を維持する場合、機械の容積および重量を更に増加することになる導体の断 面を拡大することで、導体長の増加に基づいた抵抗の増加を補償する必要がある 。

ＵＳ−ＰＳ　４３９８１１２では、ディスク状電機子およびリニアモーターのレ イヤ状の導体が説明されている。ここでは、薄鋼板から押し型された導体レーン が巻線層を表し、この巻線層がスロットの開口の平面からスロットの深さの方向 でスロットに挿入される。一定の導体高の類似する巻線層を挿入することで、導 体レーンを最も経済的に薄鋼板から押し型することができる。ｕｓ−ｐｓから知 られる巻線は、全ての導体レーンに対して大変短い長さを示しているが、全ての 導体レーンのスロット開口の平面からの距離は異なるはずなので、２相機械のス ロットでの空間活用は５０％に減り、３相機械では３３．３％、等と空間活用率 が低下する。既知のｕｓ−ｐｓでは、必要な導体の容積は低いままであるが、磁 気流が通過する巻線設計の鉄容積が増加し、機械の寸法がより大きくなるにつれ 、ケースの容積および重量も増加する。

しかし、位相数に伴って、トルクの生成に積極的に貢献する機械の部分が増加す る。高度な効率と高度の出力および出力密度を組み合わせる機械では、より多く の極性ペア数および短い導体長の他に、より多数の位相でのよい空間活用が必要 である。磁気の中核並びに励磁巻線または短絡ケージのケースの負担、または永 続的な励起機械での機械の総容積の１部分としての磁石は、スロットの深さが増 加するにつれて減少する。従って、大変に効率のよい電気機械には高度な出力お よび出力密度のための深いスロットが必要である。

（発明が解決しようとする課題） 従って、この発明は、複数の位相であってもスロットおよび巻線オーバーハング での利用可能な空間を良く活用することができるように組立式巻線層を受けるた めの最低ｌスロットの軟性磁気体があり、導体レーンの長さをスロットの深さに 関わらず短くできるように、電機子および固定子が互いに反対の平面にある、多 相電気機械の開発を促進する目的に基づくものである。

（課題を解決するための手段） この発明に基づいて、スロット開口の平面からの投影で交差するところのこれら の部分のスロット深さへの方向にある導体レーンの断面を減少することで、オフ セット導体レーン付きの多相機械のスロットにある空間、特にディスク状電機子 およびリニアモーターにおける完全な空間の活用が達成されるにれで、異なる位 相のオフセットの導体レーンの配置をスロット開口の平面に平行なレイヤにでき る。巻線オーバーハングの空間の高度な活用は、軟性の磁気体の外にある導体レ ーンの断面を拡大することで達成される。

導体の断面におけるこれらの変化は、導体長を短く保ち、巻線オーバーハング内 の導体の断面を拡大する。これにより、オーム損に対して、効率がよいかまたは 機械の重量が少ないかのいずれかの結果となる。詳しくは、完全な巻線は、スロ ットの潔さへの方向に重ねられた類似の巻線層の１組から構成される。各々の巻 線層は、異なる位相の組立式導体レーンから構成される。

説明のために、導体レーンは複数の部分に分けられる。その中で、軟性の磁気体 内にある部分は「バー」、巻線オーバーハングにある部分でスロット長の方向に ある物を「バー接続部分」、および巻線オーバーハングにある部分ではあるがス ロット幅の方向にある物を「連繋」と指定する。１個の導体レーンまたは同一の 位相の数個の導体レーンの順列接続は、電気機械の回線を表す。

望ましい具体例では、導体レーンの高さは、軟性の磁気体から巻線オーバーハン グへのその導体レーンの各２番目の通過点またはその直後に、スロットにおける 高さの約半分に一般には削減される。その結果の空間は、異なる位相に属するが 、同一の巻線層から導体レーンの連繋で配列される。巻線層の導体レーンの連繋 は、巻線オーバーハングでスロット長への方向に順番に配列される。

導体の高さの減少は、ある歯面の幅分をスロット幅への方向に、その断面を拡大 することで大部分補償される。同一レイヤの他の導体レーンと巻線オーバーハン グで交差しない導体レーンの部分は、そのレイヤの全ての高さを占めることがで き、従って、スロットにある部分と比較するとその２倍の断面になる。スロット 中の空間の１００％活用に加えて、巻線オーバーハング中の空間も、互いに重な っている２個の巻線層が１磁極ピツチで設定されていて連繋内の導体の断面がス ロットの深さへの方向に利用可能な空間に従って調節されている場合、はぼ１０ ０％の電流伝導で活用することができる。

この発明に従って、異なる位相の導体レーンがギャップの表面に等しい距離で配 列される。これらの導体レーンの数は、共に機械の位相数に対応する自給の巻線 層を形成する０巻線オーバーハングにおける交差の問題は、断面の変化により解 決される。ここでは、レイヤの交差する導体レーンの高さは、導体の高さの合計 がその導体１、・−ン、そのレイヤの残りの部分にある導体の高さに各々（こ対 応するように、削減される。従って、巻線層は、ギャップ表面に平行であるその 総表面において一定の高さであり、より大きな巻線を形成するために数個のレイ ヤを重ねても、空き空間は結果として起きない。

巻線オーバーハングにある接続経路は、連繋を軟性の磁気体にできるだけ近く配 列し、スロットの深さに関係なくすることで、大変短くされている。高電圧およ び高出力では、それぞれの導体し・−ン長を一定のままにして、スロットの深さ により、順列に切り替えられた導体１ノーン数、巻線層数を各々任意に増加する ことができる。望ましい具体例ではｌの位相の全ての導体レーンは類似であるの で、製造費用を低く保つことができる。

導体レーンの幅は、軟性の磁気体から巻線オーバーハングに通過する毎に、その 歯面の幅分が直ちに増加する。その結果、スロット幅への方向に隣接するスロッ トは、薄い断熱レイヤで隔てられるだけで、互いに接触することになる。

これにより、軟性磁気体の歯の前にある巻線オーバーハング内の空間が電流伝導 に活用され、バー接続部分内の導体断面が拡大され、導体の高さの減少が各々補 償される。

巻線オーバーハング内の導体レーンは、直ちに対応するバー、バー接続部分で、 各々にスロット幅への方向に導かれているため、短い長さを示している。スロッ トにおいてギャップ表面への同一の距離を示し、従って、巻線層を共に形成する 、異なる位相の導体レーンのみが、巻線オーバーハング内の空間の分配に相互に 影響を及ぼす。導体の長さおよび製造費用はスロットの深さとはほぼ関係ないが 、中核および磁石の容積と関連する損失および費用はスロットの深さの増加と共 に減少する。

対応するバーに各々隣接している２個のバー接続部分の長さの合計が全ての導体 レーンに等しい場合、次々に巻線層へ１個の導体レーンを組み立てることができ る。

これにより、他の組立に関係なく、導体レーンを最終的な形に形作り、断熱し、 試験することができるため、完全な巻線の作成が顕著に簡易化される。この具体 例は、非対称の巻線オーバーへング付きの巻線と、説明では呼ばれている。

個の巻線オーバーハングにある軟性の磁気体からの連繋の距離が各導体レーンと 等しい場合の具体例は、対称の巻線オーバーハング付きの巻線と、説明では呼ば れている。また、組立式の形態の１ピースの導体レーンは１個の巻線層に共に接 続することができ、接着剤を使用しなければこのコンパクトな巻線層をいつでも 取り外して別々の導体レーンに戻すことができるところが、特徴である、単一の ピースとして導体レーンを製造することで、その断面および長さについて、その 導体レーンが確かに最も低度の内部抵抗となるようにすることができる。これは 、望ましい効率および高い出力および出力密度を得るための必須項目である。

個の類似の巻線層の中の上部がギャップ表面に反映されてその結果ｌ磁極ピッチ だけスロット幅への方向に移動され下部のレイヤに繋がれて互いに重なり合う場 合、また、連繋の高さが新しく利用可能な空間に適応される場合、これ以降２重 巻線層と呼ばれる具体例が得られる。２重巻線層では、周囲のどの点においても 、連繋が２個のバー接続部分と高くても２重レイヤ高さを共有する。これで、全 てのバー接続部分の断面を同等の寸法で設計することができる。これは、巻線オ ーバーハングの周囲上の浪費熱の生成から起きる局部差の発生を防止する。この 設計は、巻線オーバーハング内の利用可能な空間を完全に活用することにより、 低抵抗という結果となり、機械の効率を高めるか、導体の断面の減少による重量 の低下につながることになる。巻線層中、巻線層間、および巻線オーバーハング 表面と冷却体の間にある空洞の空間を避けることで、受動の熱散逸が改善される 。

ディスク状電機子およびリニアモーターとしての構造設計は、この発明の広範な 応用を表している。達成可能な高出力密度の基盤として、永続的な励起ディスク 状電機子が車両のホイールリムの取り付けの直接ドライブとして特に適している 。この場合、例えばカーブを運転している際に起きる軸力等により起こされるロ ーターの曲げに対する需要を避けることになる軸の変位を許容しながら、ロータ ーをホイールリムベースに接続することができる。巻線オーバーハングおよび中 核に隣接する冷却体をリムのサポート要素として、またローターディスクをブレ ーキの構成部品として設計することができる。これにより、強力な磁石の破損の 危険性は顕著に減らされ、ホイールリム全体の構成がより硬くなく、軽くなる。

受動の冷却では不十分な場合、特殊な具体例に従って、中核、磁石、および導体 の容積を増やさずに、冷却剤が循環する平らなラジェータ一部分で、巻線層を置 換することができる。

図は、この発明の実例を表している。

図１はこの発明に基づいて、ホイールリムへのディスク状電機子として作られた 電気機械を示す。

図２は図１の線ＩＩ　−ＩＩの断面を示す。

図３８は図１の線ＩＩＩ　−Ｉｌｌの断面で、非対称巻線オーバーハング付きの １２Ｍ１極、４位相の巻線の完全な巻線の上半分を示す。

図３ｂは図３ａの巻線層の下半分の断面を示す。

図４８は図３の導体レーンを示す。

図４ｂは対称巻線オーバーハング付きの１２磁極、４位相の巻線の完全な巻線層 の導体レーンを示す。

図５は非対称巻線オーバーハング付きの３位相の巻線層の３個の導体レーンの組 立のうちの切り抜きを示す。

図６は対称巻線オーバーハング付きの３位相の巻線層の３個の導体レーンの組立 のうちの切り抜きを示す。

図７は導体レーンの部分への組立のうちの６部分を示す。

図８は導体レーンの構図およびリニアモーターの４位相巻線の２重巻線層の連繋 での断面を示す。

（実施例の説明） 図１は、ホイールリムへ組み込まれた組立式巻線層のディスク状電機子の構造を 示している。ホイールリムは１、リムの頭部は１ａ、タイヤは２とラベルが付け られている。ディスク状電機子自体は、ローターディスク３およびそれに挿入さ れる永久磁石３ａおよび固定子の２個の半分である４および５から構成される。

固定子の半分である４および５は、リムｌ、ベアリング６によりリムベース１ｂ に関して各々にサポートされ、図１では中核４ｂ、　５ｂのみが表示されている 敵性の磁気体およびここではこの発明を説明するために異なる設計で示されてい る巻線４ｃ、　５ｃの各々からそれぞれ構成される。ローターディスク３の左に は、非対称巻線オーバーハング付き巻線４ｃが示され、その右には、２重巻線層 および対称巻線オーバーハング付き巻線５ｃが示されている。

ローターディスク３は、曲げの応力を避けるために軸荷重下でリムｌが移動する ことができるように、ビニオンでリムベースｌｂに接続されている。例えば、こ こでは、ローターディスクの歯が噛み合うところの軸の配置スロット付きケージ として、リムベースを設計することができる。歯の軸幅は、スロットの幅より小 さい。

軟性の磁気体の中核４ｂ、　５ｂ、および巻線４ｃおよび５ｃは、冷却体８に埋 め込まれている。冷却体８は、基本的にリムベースｌｂのサポートとして機能し 、ハブ９に接続されている。重量削減のため、ハブは空洞のシャフト・として設 計されており、回転軸７を上方向に通る空間へ出力電子を設置することができる ようになる。冷却体の内部では、個々の巻線層への電流供給のための導体が配置 されている。これにより、配電盤１０および電カドランシスター１１から構成さ れる装置 が配送される。ディスクブレーキ組立ｌ２は、ローターディスク３にあるディス クブレーキ組立のブレーキシユーズ１２ａで、冷却体自体に取り付けることがで きる。

図２は、図１の線ＩＩ　−　ＩＩの断面を示している．磁極ピッチ毎に４個のス ロットがある電機子が示されている。巻線層を構成するバーは１３ａ　−　１３ ｄ　、それに従って隣接する磁極ピッチは１３ａ’　−　１３ｄ’　とラベル付 けられている。図２に基づく図説では、ローターが磁石部分３８間の磁極ギャッ プを示していることが判る。

図３ａは、図１の線ＩＩＩ　−　ＩＩＩに基づく断面を示している。また、ここ での設計は、非対称巻線オーバーハング付き４位相の巻線である。ここでも、ス ロットに挿入されたバーは１３ａ　−１３ｄとラベル付けられ、これらはバー接 続１５ａ　−１５ｄそれぞれの１５ａ”　−１５ｄ’　、および連繋１４ａ　− １４ｄによりバー１３ａ’　−１３ｄ°　と接続されている。ただし、連繋＋４ ａはバー接続部分＋５ｂ　−＋５ｄの後ろにあるために見久なくなっている０図 ３８に示されるようなこのようなユニットのレイヤの上半分の上からの図は、巻 線層４ｄから構成され、完全な巻線はこれらの巻線層数個を軸上で重ねて得られ る。

図３ｂは、図３８の巻線層４ｄと同じであるが、そのレイヤの下半分の断面を示 している。ここでは、連繋１４ａは見えるが、従ってバー接続部分１５ｂ　−１ ５ｄは見えない、このレイヤの下半分のハツチング部分は、このレイヤの上半分 のハツチング部分と比較して、９０°回転されている。

図４８は、図３からの巻線層の導体レーンで、３個の磁極ベアの４位相ディスク 状電機子における非対称巻線オーバーハング付き巻線を示している。軟性の磁気 体の歯４ａは、同心のハツチングで象徴され、２個の巻線オーバーハングは４個 の連繋領域の限界をアウトラインして各々４本の同心の線１９で印付げられてい る。

導体レーンは、２個のハツチング型で印付けられている。その中では、左下から 右上へのハツチングはレイヤの」一部分２０を指定し、右下から左上へのハツチ ングは下半分２Ｉを指定している。従って、導体レーンのどの領域でそのレイヤ の完全な寓さが得られ、どの領域でレイヤの下または上半分に凹所があるかが、 ハツチングのタイプから解ることになる。

図に示された具体例にある１個の導体レーンは、機械の周囲全体から１磁極ピッ チ差し引いた周囲を取り囲んでいる。この開口は、ドライブへの電流供給１７お よび誘導１Ｂに使用されるか、機械で順列に数レイヤが接続されている場合には 、スロットの深さへの方向にある隣接の導体レーンへの移行に使用されるかのい ずれかである。

電流供給１７および誘導１８の接続間の巻線オーバーハング空間は、他の導体レ ーンへの供給および誘導の接続に活用される。

巻線オーバーハングの変動導体交差部分の原理は、勿論、交差点、狭い部分の配 列のそれぞれがこれまでに提示した具体例から異なる、選択の導体レーン構成の 実現を可能にするものである。

その変形の例として、図４ｂは、３個の磁極ベアの４位相ディスク状電機子にお ける非対称巻線オーバーハング付き巻線からの１巻線層の導体レーンを示してい る。外側の巻線オーバーハングにある連繋１６は、図４８の連繋１６ａと対照的 に、内側の巻線オーバーハング＋６ｂ’、　＋４ｃそれぞれの連繋として軟性の 磁気体に同じ距離を示している。ハツチングは、図４８にあるものと同じ意味で ある。

図５は、非対称巻線オーバーハング付きの３位相の巻線層からの３個の導体レー ンの詳細を示している。１番目の磁極ピッチのスロットの中央から始まり３番目 の磁極ピッチのスロットの中央で終ると仮定して、２磁極ピツチを表す各導体レ ーン部分のみが切り抜かれている。

従って、ディスク状電磯子用の丸い巻線層からの導体レーンに属する単一ユニッ トとして切り抜かれたこの部分ピースは、異なる長さの曲った連繋を示している 。下部の導体レーン２２は左側、その連繋２５の領域に、このレイヤの上半分の 凹部が右側に、その拡張バー接続部分３０の領域に、このレイヤの上半分の凹部 もまた示されている。中央の導体レーン２３を導体レーン２２に配置すると、連 ９Ｉ！２ｓ。３】の各々の凹部、およびバー接続２６．３０の各々が、その双方 のレーンが１個の平面に並ぶことができるように、互いに補償する。導体レーン ２２および２３の凹部は、更に導体レーン２４の挿入を許容し、この場合のバー 接続部分２８は、連繋２５および２７の凹部に合わせてその高さが削減され、ま た断面が削減された連繋３３もバー接続部分３０と３２の間を流れることになる 。

図６の導体レーンは、両方の巻線オーバーハングで同様に構成されたバー接続部 分および連繋を示している。

ここでもまた、導体レーンは、導体レーン３４の連繋３７ａ。

３７ｂの凹部の高さに削減された導体レーン３５のバー接続部分３８ａ、　３８ ｂを配置して、スロットの深さの方向に単に滑り込ませることができる。導体レ ーン３６のバー接続部分４０ａ、　４０ｂの凹部はそれぞれ、連繋３７ａおよび ３９ａ、３７ｂおよび３９ｂの各々の凹部により形成された空間に適正にフィツ トする。

凹部で削減された導体の高さのため、３個の部分ピースを全てまとめ合わせると 、一定の高さの巻線層のセクターを得ることができる。

図７で特殊具体例の右下に示される供給部４３および誘導部４４の他に、各導体 レーンは、巻線層中の長さおよび位置に関わりなく、２個の異なる部分構造４１ および４２から構成される。これら部分構造は、４個の押し型ピース、４１ａお よび４１ｂ　、　４２ａおよび４２ｂのそれぞれから組み立てられたものである 。左下から右上に一連に切り抜かれた４個の部分４１および４２は、この順序で 適切な型に入れられ、その後、１ピースの導体レーンに融合するまで圧力下で加 熱される。

この発明のもう１つの具体例は、巻線オーバーハング空間の均一な１００％活用 を可能にする、２重巻線屡である。

図８ａは、４位相リニアモーターの２重巻線層における導体レーンの構図の１の 部分を示している。その中で、この部分は巻線オーバーハング内で４ｆｔｉ極ピ ツチから構成される。この仮定断面図では、２個の補足するレイヤの全ての導体 レーンの位置が示されているが、図説のため、バー接続部分の拡張は省略され、 実際に存在するべきでない連繋間の間隔が示されている。上部レイヤ４５の導体 はより濃くハツチング付けされ、図３と同様に、左下から右上へのハツチングに より示されるように、バー１３ａ　−１３ｄ　、バー接続部分１５ａ　−１５ｄ 　、および連繋１４ａ−１４ｓに分けられている。下部レイヤ４６の導体位置の ハツチングは９０°回転されている。従って、左上から右下へのハツチングであ る。更に、図８ａ）では、図８ｂ、８Ｃ１８ｄ、および８ｅで示されるＢ−Ｂ％ Ｃ−Ｃ，Ｄ−ＤおよびＥ−Ｅの断面の位置が明確化されている。これらの断面図 は、４位相２重巻線層の巻線オーバーハングにおける全ての連繋レイヤの実際の 縦方向の図面を表している。

ハツチングのタイプは、図８ａに使用されたものと同じである。連繋の高さは、 部分的に、特に外側の巻線オーバーハングの領域では、スロットにおける２重導 体の高さに相応するが、２重レイヤは類似する形状のままである。

Ｆｉｇ、１ Ｆｉ　、、　：ｊ さ Ｆｉｇ、　８ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）下記を包括する組立式巻線層の多相電気機械：スロットがある軟性の磁気体 およびギャップヘの水平面、このギャップの表面と平行に配列されている巻線層 、前述の巻線層（４ｄ）は異なる位相の最低２個の導体レーン（２２−２４，３ ４−３６）から構成され、前述の導体レーンは軟性の磁気体（４ａ）の外側の両 側に導体断面の変化があるもの（２５−３３，３７ａ−４０ｂ）。 ２）請求項１で述べられた下記を包括する組立式巻線層の多相電気機械： 巻線層（４ｄ）の導体レーン（２３，３５の各々）、前述の導体レーンにはある 部分（２６，３２，各々３８ａ，８ｂ）があり、ＡＯ述のある部分はスロット長 の方向へ走っているが、軟性の磁気体の外側にあり、スロットの深さへの方向に 減少した断面があり、前述の断面の減少は同一の巻線層の他の導体レーン（２２ ，２４，各々３４）の連繋（２５，３３，各々３７ａ，３７ｂ）が配列される空 間を作成すること。 ３）請求項１で述べられた下記を包括する組立式巻線層の多相電気機械： 巻線層（４ｄ）の導体レーン（２３，２４，３６の各々）、前述の導体レーンに はある部分（２６，２８，３２，各々０ａ，４０ｂ）があり、前述のある部分は スロット長の方向へ走っているが、軟性の磁気体の外側にあり、軟性の磁気体の ある部分（１３ａ−ｄ）について拡大されていること。 ４）請求項１で述べられた組立式巻線層の多相電気機械、その中では異なる巻線 層の導体レーンがスロットの深さへの方向でスロットに相互に上に重ねられてお り、下記を包括する： 巻線層（４ｄ）、その中では導体レーン（２２，２３，各々３４，３５）のある 部分（２５，２７，各々３７ａ，３９ａ）がスロット幅への方向に走り、異なる 位相の導体レーンの前述のある部分が相互に後ろ側にスロット長への方向に配列 され、ギャップ表面の平面へ同一の距離であること。