JPH08506237A - 電動機固定子のための熱保護装置およびその取り付け方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 温度センサ２６を装着する間に回転電気機械の固定子１０、１２、１４におけるエンドターン２０の導体３０の損傷が、温度センサ２６をエンドターン２０の隣接するコイル間のギャップ２２内に配置することにより避けられる。これにより、煙り、ガス、臭いが検出レベルとなる以前にロック状態の回転子の加熱に速く応答することができる回転電気機械を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 電動機固定子のための熱保護装置およびその取り付け方法 発明の分野 この発明は、電動機の固定子の構成に関し、特に、その熱保護の提供に関する 。また、この発明は、熱保護を含むための電動機用固定子の組み立て方法に関す るものである。発明の背景 電機巻線を有する多くの電気機器は高い信頼性が要求される。この要求は、モ ータや発電機のような回転電気機械を含む、電気機器の多くの異なるタイプに適 用できる一方、それは特に、フライトにおいて確かな動作が必要とされるだけで なく、配置換えや修理のためにコスト高となるために、飛行機に使用されるモー タや発電機に使用され得る。 このような信頼性が要求される場所において、過熱を原因とする損傷に対し電 気機器を保護するための手段の提供が望まれている。典型的には、このような保 護手段は、温度上昇を検出するために電気機器内に配置された温度感度装置を含 み、この温度感度装置に連結され、電気機器への電力を電気機器が悪影響を受け る前に遮断するように設けられた熱保護回路と協動する。 飛行機の通路区画内に設けられ、あるいはビルの居住空間内に設けられたモー タや発電機のような電気機器への応用がなされている。ここでは、過熱による損 傷から電気機器を保護することに加えて、検出され、飛行機の乗客、または乗組 員、もしくは居住空間における居住者に心配を起こさせる煙り、有毒ガス、また は臭い発生を防止する方法において、電気機器が保護されるということが要求さ れている。 このような煙り、ガス、臭いは、典型的には電気機器内において使用され、高 温に晒されて分解、酸化、ガス抜けされる絶縁物、注封成分、または潤滑油のよ うな材料の過熱によって発生される。不幸にも、最もよいそのような材料が目下 使用されたとしても、煙り、ガス、または臭いの検出レベルが生じられる温度は 、過熱原因による損傷のためにのみ考慮されている電気機器の保護についての最 大安全動作温度よりもかなり低いものである。 したがって、煙、ガス、または臭いの発生が許されない場所で使用するための 電気機器の設計においては、過熱から電気機器を保護するための手段が過熱状態 を検出でき、煙、ガス、または臭いの検出できる程度が生じられる最低の温度に 到達するのを防ぐに十分な速さで電気機器を休止させることが厳然として要求さ れる。 このような保護システムには、保護回路によって検出できる信号を生じるため に、熱的に動作されるヒューズまたはスイッチ、温度変化に応じて回路抵抗に変 化を生じさせるサーミスタのようなソリッドステートセンサを含む、いろいろな タイプの固定された温度感度装置が利用されてきた。温度感度装置のタイプと電 気機器内の位置の正確な選択が主として、与えられた電気機器と使用に対するデ ザイン要求によってのみ押し付けられる一方、最適保護を行い、最も速い応答時 間を達成するために、温度感度装置は理想的には、所謂、熱い場所（ホットスポ ット）が通常動作状態下においても最もよく起こりそうな電気機器内のあるポイ ントに配置されるべきということがよく知られている。 モータや発電機のような回転電気機械において、そのようなホットスポットは 、モータや発電機の固定子のエンドターンにおいて最も生じやすいことはよく知 られている。これは、回路短絡や回転子のロックのような電気的故障を原因とす る潜在的な過熱問題が、典型的に、電気機器内を流れる電流の急増が増大された 熱発生を生じさせ、回転子と同様に固定子に急激な温度上昇をもたらせるという ことから明らかになる。経験的に、例えば、固定子のエンドターンの温度は、そ のエンドターンが電気機器内の他の要素に比べて小さな体積を有し、且つ効果的 に冷却されないという事実により、電気機器の他の要素に比べより急速に増大す る。 結果として、モータや発電機のような回転電気機械の固定子巻線のエンドター ンに一つもしくはそれ以上の熱的に動作されるスイッチの構成内に温度感度装置 を含むことが通常に行われている。これらのスイッチは典型的にある温度に到達 したときに開き、および閉じるように構成された小さなバイメタル要素を含んで いる。スイッチのこの開放、閉成はそれぞれ、電気回路を開放し、または閉成す る。この電気回路は回転電気機械が損傷を受け、または煙り等を発生する温度ま で過熱される前に、回転電気機械を停止する熱保護回路のような他の設備にも使 用される。機械を停止することに続いて、高温が徐々に治まり、最後にスイッチ がその最初の状態に戻り、電気回路を前の状態に戻す。これは、電気機器を自動 的に回復させて動作させる手段として使用できる。 この基本的なアプローチは、概念的にシンプルではあるけれども、実際には、 温度感度装置が、十分な保護と速い応答を達成できるように、固定子のエンドタ ーンに密接して接触するように備えられなければならないということにより困難 がある。 数年間において、電気機器の過熱による損傷に対する保護を提供するためのさ まざまな基本的なアプローチが、このような保護における応答性の改善のための 方法とともに、たとえば、米国特許、1947078、2471840、3131322、3200274、34 22313、4188553、4571518、そして4926077等によって示されるように、発展して きた。 種々の基本的なアプローチの中で、共通に利用される一つに、温度感度装置が 固定子の巻線を巻いている間にそのエンドターン内に直接配設されるということ がある。そしてそのエンドターンは次いで圧縮され、塑性的に変形されて温度感 度装置との接触が成される。このアプローチは、エンドターンと温度感度装置の 良い接触を合理的に得られるという反面、温度感度装置とエンドターンが固定子 の製造中に損傷を受けやすい。 他のアプローチにおいては、温度感度装置を支持するための、ヒートシンク、 絶縁体、シールドまたはポケット装置などの熱移送装置がエンドターンの巻線を 巻いている間、または巻いた後固定子内に挿入される。その温度感度装置は固定 子の巻線の完成後に挿入、または取り付けられる。このアプローチは、固定子の 組み立ての間に熱感度装置が損傷を受けることから保護できるが、一方、このよ うな設備の熱応答は、固定子の巻線のエンドターンに密接に温度感度装置を取り 付けた場合に比べてかなり遅くなる。これは巻線のエンドターンと温度感度装置 との間の熱伝導通路に熱伝導、又はポケット装置を追加した結果として熱抵抗が 増加するためである。さらに、このアプローチにおいては、十分な熱接触を確保 するために、エンドターンが熱移送またはポケット装置に関して圧縮され、ある いは塑性的に変形され、それにより、エンドターンを固定子の組み立ての間に損 傷させる恐れがある。 更に他のアプローチにおいては、取り付け器具は、エンドターンの間に押し込 まれ、温度感度装置を挿入するポケットを形成し、次いで温度感度装置が挿入さ れる。エンドターンは、温度感度装置の回りにおいて圧縮され、エンドターンと 温度感度装置の間で密接な熱接触ができるようその場に締結される。このアプロ ーチは多くの問題を有し、例えばセンサを挿入する過程において、エンドターン の絶縁が損傷を受ける。しかもうまく組立てるためにはかなりの熟練者でなけれ ばならない。更に経験的には、このようにして温度感度装置を挿入するためエン ドターンが塑性変形され、回転電気機械の動作において振動ストレスや内部応力 が加わった場合には、エンドターンが機械的損傷を受ける恐れがある。 上述した種々のアプローチにおける共通の欠点は、塑性変形を受けることによ り、温度センサの近傍のエンドターンの抵抗が変化することである。これはエン ドターン内の温度感度装置を挿入する間に、あるいは温度感度センサを挿入した 後、固定子のエンドターンを圧縮し、コンパクト化する際に、ワイヤが曲げられ たり引っ張りを受けることによる。この抵抗の増加は、結果的に塑性変形された ワイヤの領域における高温部をより成長させる。これはいつか又は温度感度装置 の近傍の絶縁装置、とりわけエンドターンがしっかりと包まれ、精密に巻かれて いるような場所、または高い電流密度となるような場所におけるワイヤの損傷を 引き起こす。 商業的、又は産業的に使用される回転電気機械のように大きな熱容積を有し、 比較的低電流密度で動作する電気機器においては、上述した種々のアプローチは 、検出できるレベルの煙、ガス、または臭いの発生を防止するに十分である。こ れらの機器においては、通常の動作状態下における温度上昇の割合が遅く、比較 的遅い応答時間を有する電気機器の保護のための手段が利用できるからである。 不幸にも、上述した問題が解決できるような場合においても、宇宙空間で使用 される回転電気機械のように電気機器が極度に小型化され、軽量化（即ち小さな 熱容積を有し）され、高電流密度で動作されるような場合には先行技術はこれま で、回転子がロックされるというような異常が生じたときに、飛行機の来客や乗 組員によって検出できる煙や臭いの発生を防ぐに十分な速い応答性を有する熱保 護を行うのに失敗してきた。 固定子を有し、高電流密度で動作することができるコンパクトで軽量の回転電 気機械において必要なことは、飛行機の乗客によって検知できる煙や臭いの形成 を防ぐべく十分な速さで異常温度に応答できるよう熱的伝導性が高められるよう に固定子内に備えられた温度センサが、エンドターンの塑性変形を生じさせない ように固定子内に備えられることである。 発明の概要 本発明は、固定子が温度センサを有する回転電気機械のための新しい、改善さ れた固定子を提供することを目的とする。 本発明の方法の模倣的な実施例は、次のステップを含む方法において前述した 目的を達成する。 ａ）隣接するコイルが所定の巾を有する小さなギャップにより分離されるよう に回転電気機械の複数のコイルを巻回するステップ。 ｂ）隣接するコイルの少なくとも一対のコイルを塑性変形させることなく分離 するステップ。 ｃ）分離されたコイル間のギャップ間にステップｂ）で得られたギャップより わずかに大きな寸法をもつセンサを挿入するステップ。 ｄ）そして、コイルをもとの位置に弾力的に戻すステップ。 また、本発明の目的は温度センサを設備する回転電気機械における固定子の新 しい、改善された組立て方法を提供することにある。 本発明によれば、コイルの各導体は分離されることなく、そして各コイルはセ ンサを取り付けるギャップを開くだけの小さな力のみを受けることとなる。この 力は小さいので、コイルを形成する各導体に望ましくない損傷を与えることはな い。そして、塑性変形をしないので、コイルは元の位置に弾力的に戻ろうとし、 センサをコイルの導体と良好な熱的接触を維持して保持する。 好適実施例において、機器は複数の位相を有し、コイルは位相によってグルー プ化される。このセンサは同じ位相の隣接するコイル間に挿入される。 １つの実施例において、センサは温度感度の高い一側面と、温度感度の低い反 対側の側面を有し、温度感度の高い側面がグループ内の最大のコイルに向けられ て挿入される。 本発明は、また、センサが電気リードを備え、更にセンサ又はセンサが挿入さ れるギャップ内に電気リードを挿入するステップを備えることをも企図している 。 好ましくは、電気リードを挿入するステップは、そのリードが固定子の外周に 向かって伸びるように行われる。 より好ましい実施例において、本方法は三相機器の固定子の組立てを含み、そ して、各コイルのグループが各位相に応じた少なくとも３つのコイルを含む少な くとも２つのグループのコイルを備える固定子における巻回ステップを含んでい る。各位相のコイルは更に小グループに分かれて隣接している。これらコイルの 各小グループは小さなギャップによって分けられている。センサはこのようなギ ャップに挿入される。本方法は上述したとは別な方法によっても成される。 本発明の固定子は、開口を有する回転子を備えた固定子ボディを含む。複数の スロットが開口まわりのボディに設けられ、複数のコイルが固定子ボディ上に配 置される。各コイルはスロットの対応する１つを通って伸びる部分を有し、固定 子ボディの反対側端部のエンドターンに至る。このエンドターンは、小さなギャ ップにより生ずる隣接するコイルのエンドターンから離れることなく、らせん状 に外側へ向かう。センサは、少なくとも１つのギャップ内に配置され、センサの 電気リードがその１つのギャップ内に配置され、開口を有する回転子から離れる ように拡がる。 好適実施例において、１つのギャップを境界づけるエンドターンはその１つの ギャップにセンサを保持する。 好ましくは、前記固定子は多相回転電気機械のものであり、そのコイルは位相 により隣接してグループ化される。その１つのギャップは１つの位相のチューブ コイルのエンドターンの間に配置される。 １つの実施例において、センサは比較的感度の高い側面とそうでない他側面を 有するタイプのものである。好ましくは、この高感度側はギャップを制限するエ ンドターンのより大きな１つのかたまりに面して配設される。 他の目的、効果が以下の記述と図面から明らかになる。 図面の説明 図１は本発明に従う回転電気機械の固定子の端面図である。 図２は図１の一部を拡大して示す破断図である。 図３は固定子の組立てのための本発明の方法ステップを示すブロックダイヤグ ラムである。 好適実施例の説明 図面を参照しつつ本発明に従って製作された固定子と、固定子の組立方法が以 下に説明される。図１に示されるように、固定子は複数のリング又はよく知られ た端と端が隣接する関係に配置される強磁性材料の層板から形成される。隣接さ れた層板１０の内周１２は回転子の開口を形成し、層板１０の外周１４は固定子 の磁石部分の外面と境界を有する。 図１に示される実施例において、固定子は３相電動機用のものである。こうし て、複数のグループのコイル（それぞれが１つ又は１つ以上の個々の導体で形成 される）が提供される。図１に示されるように位相ａ，ｂ，ｃの３相の各相のた めにコイルの４つの分離グループが備えられている。これらのグループは、回転 子の開口１２の回りに等角度で配置され、そして１２のグループの各グループ内 には同一位相を有する３つのコイルが設けられている。周知のように各グループ 内の各コイルは、直列に接続されている。 図２に示されるように、開口を有する回転子１０は、コイルが巻かれる一般的 にＴ形状の複数のスロット１６に囲まれている。各導体は１８で示され、それぞ れのスロット１６から現れてエンドターンを構成する。これらエンドターンは２ ０で示されている。図１と図２に示されるように、エンドターン２０は開口１２ を有する回転子から固定子の外周１４に向かって離れるように拡がっている。一 般に拡がり方向は、らせん状に外方へ向かう方向である。 図１に概略的に示し、更に写実的に図２に示されているように、小さなギャッ プ２２は隣接するコイルの隣接するエンドターン２０のそれぞれを分離する。 従来の位相分離器２４が１つの位相の第３番目のコイルと隣接する位相グルー プの第１番目のコイルとの間のギャップ２２内に配置される。 この発明によれば、少なくとも１つのギャップ２２内に温度センサ２６が配置 される。このセンサ２６は好ましくはテキサス・インストゥールメンツ社から商 標或いは商品名「タイニィースタッツ（Tiny Stats）」として販売されている絶 縁されたバイメタルスイッチである。このスイッチが（ ）に出願され（代理人 書類番号＃B04353−USA-AT5）、本願と同一の譲受人に譲渡された現在継続中の 「電気機器の熱保護」と称されたオーケイ（0key）等による出願に詳細が説明さ れているように絶縁されている。詳細は上記参考文献に組込まれている。 この種のセンサ２６はこの温度感度側３０に小さな突起２８を有する。言い換 えれば、この温度感度スイッチ２６の一方の側面３０は反対側の側面３２よりも 温度変化に対してより敏感である。センサ２６はまた電気リード３４を含み、こ れにより、センサ２６が所定のレベルを越える温度を感知すると電動機を遮断す るモータ又は発電機保護回路に接続される。図２に示されるようにこのリード３ ４は、スイッチ２６を収容するギャップ２２内に挿入され、固定子の外周に向け られる。言い換えれば開口１２を有する回転子から離れる方向に向けられる。 好適実施例において、センサ２６の突起２８から側面３２までの寸法は、セン サ２６が収容されるギャップ２２を形成する隣接するコイルの最も近接した導体 間の距離よりわずかに大きい。この実施例において、硬質プラスチック又は少な くともコーティングされた小さな器具をセンサ２６を収容するためのギャップ２ ２を形成する隣接コイル間に挿入することができる。この器具は常時これらのコ イルをわずかに分離するために用いられる。塑性変形を起こし、各コイルの各導 体に損傷を与えるような力が加わらないように注意が払われる。この導体の損傷 はコイルの機械的又は電気的故障を引き起こす。このステップは図３のボックス ４０に示される。このステップは前述した固定子の巻回のステップ４２に続いて 行われる。こうして望ましい分離が行われると、スイッチ２６がギャップ２２内 に挿入され、リード３４が同様にギャップ内に配設される。この挿入ステップは ４４で示される。この挿入が終わると隣接コイルに加えられていた力が除去され る。コイルは塑性変形を受けていないので、本来の弾性がステップ４６に示され ているようにコイルを元の位置に戻すように働く。ここでコイルを元の位置に有 するギャップ２２の寸法は、センサ２６の寸法に比べてわずかに小さくされてい る。このためコイルが元の位置に戻るとセンサ２６はコイル間に保持されること となる。そしてしっかりと抱締されるので良好な熱接触が達成されることとなる 。その後、コイルはステップ４８に示されるように普通の方法でワニスが含浸さ れる。 ケースによっては３つの異なる相のそれぞれの温度を検知するためにセンサを 挿入することが望まれる。ある例では他のいくつかのギャップにも追加のセンサ を挿入し、その結果、最初のセンサが故障した場合には、第２の冗長センサがい つでもモータ遮断回路に容易に結合される。 ケースによっては、普通のひも締めがセンサ２６に接触するコイルに応用され 得、コイルがセンサ２６の把持を緩めないよう、そしてコイルによってなされる センサと導体との良好な熱接触を失わないよう確実ならしめることができる。 以上の説明によれば、本発明に従うセンサを有する固定子は、センサが熱に対 し十分に速い応答を行うことができるので、検知できる臭いや煙やガスが発生さ れる前に回転電気機械を遮断することができる。本発明はエンドターンの導体を 損傷させる可能性を除去するような方法で回転電気機械の固定子のエンドターン 内に熱センサを設備でき、これにより結果としてホットスポットの形成を除去す ることができ、それによる問題を除去することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ライクト、ジョセフ・エフ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92670、プラセンシャ、ギラ・ウェイ 224 (72)発明者 カリグリット、フランシス・ティ アメリカ合衆国、イリノイ州 61101、ロ ックフォード、リハイトン・ダウンズ・ド ライブ 4187 (72)発明者 ガー、キース・イー アメリカ合衆国、イリノイ州 61108、ロ ックフォード、トゥラギ・トレイル 7315 (72)発明者 クラーク、ヴァレリー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91720、コロナ、フォールブルック・ドラ イブ 1158

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）隣接するコイルが小さなギャップで分離されるように複数のコイルを 回転電気機械に巻き付けるステップと、 ｂ）塑性的変形を生じさせことなく、少なくとも一対の隣接する上記コイルを 隔てるステップと、 ｃ）上記分離されたコイル間の上記ギャップ内に、ステップｃ）の前に、上記 ギャップよりわずかに寸法の大きいセンサを挿入するステップと、 ｄ）上記コイルをそれらのもとの位置に弾力的に戻させるステップと、 を含む回転電気機械の固定子の組立方法。 ２．請求項１の方法において、上記機器は多相機器であり、上記コイルは位相 によってグループ化され、上記センサは同一位相の隣接するコイル間に挿入され る回転電気機械の固定子の組立方法。 ３．請求項２の方法において、上記センサはその一端面が他端面より温度感度 が高く、上記一端面が最も大きいグループ内のコイルに向けられて挿入される回 転電気機械の固定子の組立方法。 ４．請求項１の方法において、上記センサは電気リードを含み、更に上記セン サが配置される上記ギャップ内に上記電気リードを挿入するステップを含む回転 電気機械の固定子の組立方法。 ５．請求項４の方法において、上記リードを挿入するステップは上記固定子の 外周に向かって拡がるように行われる回転電気機械の固定子の組立方法。 ６．ａ）少なくとも２つのグループのコイルを有し、各グループは３相の各相 の同一相を有する少なくとも３つのコイルを含み、各相のコイルは、互いに小さ なギャップによって分離された少なくとも１つのサブグループのコイルとして互 いに隣接するように固定子にコイルを巻くステップと、 ｂ）上記コイルを塑性変形させることなく、上記ギャップの各サイドに上記コ イルを分離するステップと、 ｃ）上記ギャップ内に温度センサをその最も感度の高い部分を上記１つのサブ グループ内のより数多く巻かれているコイルに向けて挿入するステップとを含む ３相回転電気機械の固定子の組立方法。 ７．請求項６の方法において、ステップｃ）は、分離されたコイルが上記セン サを保持するステップの後に行われる３相回転電気機械の固定子の組立方法。