JP7094982B2 - 電気機械用キャリアのためのインサート - Google Patents

Description

電気機械用キャリア

積層体は、支柱から支柱への磁束経路の厚さを低減することによって渦電流生成を低減するために、典型的な固定子内で使用される。軸方向磁束のための積層構造又は同様の構造の電気機械固定子は、典型的には、形成及び組み立てが困難である。

高磁束密度及び高強度を低コストかつ高精度で達成するために、電動機械固定子のための固体材料及び好ましくはモノリシック材料を使用することが望ましいが、鋼又は鉄などの固体のモノリシック材料は、より薄い積層体のアセンブリから作製された固定子よりも高い渦電流を生成することになる。

集中した巻回構造では、各第２の支柱の周りにコイルが存在し得る。巻回されていない支柱は、針などの巻回機構に利用可能な空間を制限し得る。

電気モータのためのキャリアが提供され、キャリアは、複数の支柱を形成する１つ以上の層を有する。追加の層は、単一部品として形成された複数の支柱部分を有し、複数の支柱部分間の間隙を画定する。複数の支柱は、複数の支柱部分間の間隙に挿入されて、複数の支柱部分と組み合わせて、複数の支柱を広げる。

様々な実施形態において、以下の特徴のうちの任意の１つ以上が含まれてもよい：追加の層がＬ字型部分を含んでもよく、複数の支柱部分がＬ字型部分の直立部分として形成され、複数の支柱部分間の間隙がＬ字型部分によって画定される。１つ以上の層は、上記のようにそれら自体がキャリアを形成する複数の層であってもよい。１つ以上の層のうちの１つは、単一部品として形成された複数のベース支柱部分を有するベース層であってもよい。層は、離間してもよく、例えば、層の間に配置されたスペーサが存在してもよく、又は層は、組み立てられたときに隣接する層の間に空間を形成するように成形されてもよい。各層によって画定される間隙は、間隙に挿入された支柱と一致するように実質的にサイズ決めされてもよい。

ビレット、鋳造、粉末成形、又は射出成形された金属プロセスからの機械加工の１つ以上によって層を形成することによって、上記のようにキャリアを形成する方法が提供される。

複数の支柱を形成する１つ以上の層を提供することと、単一部品として追加の層を形成するように金属のシートを提供することと、金属シート内にフラップ及び対応する間隙を形成することと、複数の支柱部分を形成するように金属シート内のフラップを曲げることと、複数の支柱部分が支柱を広げるように、複数の支柱部分に隣接する間隙に支柱を挿入することと、によって、上記のようなキャリアを形成する方法が提供される。

１つ以上の層は、ベース層を形成するように金属のベースシートを提供することと、金属のベースシート内にフラップを形成することと、複数の支柱を形成するように金属のベースシート内のフラップを曲げることと、によって、単一部品として形成された複数の支柱を有するベース層であってもよい。

また、電気機械のためのキャリアが提供され、キャリアが、第１の層を有し、複数の第１の支柱が、第１の層から延在し、第１の層が、複数の第１の支柱に隣接する第１の層を通る間隙を画定し、１つ以上のインサートが、複数の第１の支柱と組み合わせて、複数の第１の支柱を広げるように、間隙を通じて挿入されるように構成されたインサート支柱を有する。

また、電気機械のためのキャリアが提供され、キャリアが、第１の層及び１つ以上のインサートを有し、複数の第１の支柱が、第１の層から延在し、第１の層が、複数の支柱の連続する支柱間の中間にある第１の層を通る間隙を画定し、１つ以上のインサートが、複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、間隙を通じて挿入されるように構成されたインサート支柱を有する。

また、電気機械のためのキャリアが提供され、キャリアが、第１の層と、１つ以上の第１のインサートと、１つ以上の第２のインサートと、第１の層から延在する複数の第１の支柱と、を備え、第１の層が、複数の第１の支柱に隣接する第１の層を通る第１の間隙を画定し、かつ複数の第１の支柱の連続する支柱間の中間にある第１の層を通る第２の間隙を画定し、１つ以上の第１のインサートが、複数の第１の支柱と組み合わせて、複数の第１の支柱を広げるように、第１の間隙を通じて挿入されるように構成された第１のインサート支柱を有し、１つ以上の第２のインサートが、１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、第２の間隙を通じて挿入されるように構成された第２のインサート支柱を有する。

様々な実施形態において、以下の特徴のうちの任意の１つ以上を含んでもよい：１つ以上の第２のインサートが複数の第２のインサートであってもよく、複数の第２のインサート支柱が、１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、第２の間隙の各々に挿入されるように構成されてもよい。１つ以上の第１のインサートは、第３の間隙を有する単一のインサートであってもよく、複数の第２のインサート支柱は、第２の間隙及び第３の間隙を通じて挿入されるように構成されてもよい。

第１の層を提供することであって、複数の第１の支柱が、第１の層から延在し、第１の層が、複数の支柱の連続する支柱間の中間にある第１の層を通る間隙を画定する、提供することと、複数の第１の支柱の各々の周りにそれぞれの導体コイルを提供することと、間隙を通じて挿入されるように構成されたインサート支柱を有する１つ以上のインサートを提供することと、複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、間隙を通じてインサート支柱を挿入することと、によって、電気機械のためのキャリアを組み立てる方法が提供される。それぞれの導体コイルは、任意の方法、例えば、針を用いて巻回することによって複数の第１の支柱の各々の周りに提供され得る。

第１の層を提供することであって、複数の第１の支柱が、第１の層から延在し、第１の層が、複数の第１の支柱に隣接する第１の層を通る第１の間隙を画定し、かつ複数の第１の支柱の連続する支柱間の中間にある第１の層を通る第２の間隙を画定する、提供することと、第１の間隙を通じて挿入されるように構成された第１のインサート支柱を有する１つ以上の第１のインサートを提供することと、複数の第１の支柱と組み合わせて、複数の第１の支柱を広げるように、第１の間隙を通じて第１のインサート支柱を挿入することと、１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、複数の第１の支柱の各々の周りにそれぞれの導体コイルを提供することと、１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、第２の間隙を通じて挿入されるように構成された第２のインサート支柱を有する１つ以上の第２のインサートを提供することと、１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、第２の間隙を通じて第２のインサート支柱を挿入することと、によって、電気機械のためのキャリアを組み立てる方法が提供される。

様々な実施形態において、以下の特徴のうちの任意の１つ以上を含んでもよい：１つ以上の第２のインサートが、複数の第２のインサートであってもよく、第２のインサート支柱を第２の間隙を通じて挿入する工程では、複数の第２のインサート支柱は、第２の間隙の各々に挿入されてもよい。１つ以上の第１のインサートは、第３の間隙を有する単一のインサートであってもよく、第２の間隙を通じて第２のインサート支柱を挿入する工程では、複数の第２のインサート支柱は、第２の間隙及び第３の間隙を通じて挿入されてもよい。それぞれの導体コイルは、１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、例えば、針を用いて巻回することによって、複数の第１の支柱の各々の周りに提供されてもよい。

デバイス及び方法のこれらの態様及び他の態様は、特許請求の範囲に記載されている。

次に例として、図を参照しながら実施形態を説明するが、図中の同様の参照文字は同様の要素を示している。

インサートを有する例示的な固定子の等角図である。

図１の固定子の分解等角図である。

半径方向内側及び外側ハウジング無しの、図１の組み立てられた固定子インサートアセンブリの拡大切り欠き図である。

図３の固定子インサートアセンブリの分解図である。

図３の組み立てられた二部固定子の拡大図である。

３層固定子の例示的な実施形態の等角図である。

図６の３層の固定子の分解図である。

図６の３層の固定子の切り欠き図である。

半径方向内側及び外側ハウジングを示す、図６の固定子の切り欠き図である。

コイルが追加された図６の固定子の切り欠き図である。

図６の固定子を含む電気モータの切り欠き図である。

図１１の電気モータの異なる切り欠き図である。

図１１の電気モータの等角図である。

図１１の電気モータの更なる切り欠き図である。

フラップとして形成された支柱部分を有する例示的な固定子の一部分の等角図である。

図１５の固定子の切り欠き図である。

図１５の固定子の分解図である。

図１５の固定子の部分的に折り畳まれた分解図である。

磁束経路を示す、図１５の固定子の層の等角図である。

図１５の固定子であるが、追加の支柱部分も有する切り欠き図である。

フラップ折り畳み移動を示す、図１５の固定子の層の等角図である。

図１５の固定子の等角図であり、またコイルを示す。

各第２の支柱に接続する部分を備えるインサートを有する固定子の等角図である。

コイルを示す、図２３の固定子のセクタの等角図である。

図２３の固定子の等角図である。

図２３の固定子の分解図である。

図２３のような固定子の分解図であるが、１つの大きいインサートの代わりにより小さいインサートを使用する。

図２３の固定子のセクタの等角図である。

図２３の固定子のセクタの上面図である。

各第２の支柱がインサートの一部である、固定子及びインサートの分解図である。

巻回機械が、インサートの一部ではないセクタの支柱に部分的に巻回された、図３０の固定子のセクタの等角図である。

インサートの一部ではない固定子の支柱が巻回されている、図３０の固定子のセクタの等角図である。

インサートが挿入された状態の、図３２に示されるセクタの等角図である。

インサートが挿入された状態の、図３０の固定子の等角図である。

図３４の固定子の上面図である。

図３０の固定子のセクタの付加的な等角図である。 図３０の固定子のセクタの付加的な等角図である。

図３０の固定子のセクタの上面図である。

マルチインサートシステムのための上部要素の等角図である。

図３９の上部要素及び第１のインサートの分解図である。

図４０の折り畳まれた上部要素及び第１のインサートに適用されている針巻回プロセスの等角図である。

針の巻回が完了した、図４０の折り畳まれた上部要素及び第１のインサートの等角図である。

図４０の折り畳まれた上部要素及び第１のインサートに挿入されているより小さいインサートの等角部分分解図である。

図４３の上部要素、第１のインサート、及びより小さいインサートの分解図である。

図４３の固定子の断面図である。

線形構造で示される、図４３のような固定子の分解概略図である。

図４６の分解図の折り畳まれたバージョンである。

コイルが示される、図４３の固定子のセクタの等角図である。

コイルが示される、図４３の固定子のセクタの等角図である。

図４３の固定子の等角図である。

図３９～図５０のセクタの第１のインサートの等角図である。

金属のシートを使用してキャリアを形成する方法を示すフロー図である。

図５２の方法の向上を示すフロー図である。

インサートを使用してより高い空間効率を可能にするための方法を示すフロー図である。

インサートを使用して、渦電流を低減し、より高い空間効率を有するキャリアを提供する方法を示すフロー図である。

本明細書に記載の実施形態には、「特許請求の範囲」で言及される内容から逸脱しない軽微な変更がなされてよい。

電気機械のための固体鉄又は鋼合金コア固定子は、高強度及び剛性の利点を有するが、より高い速度は、渦電流生成によって制限される。本明細書に示されるデバイスの実施形態は、支柱及び後鉄を固体モノリシック材料から作製することを可能にし、同時に渦電流を低減させる。この構成の他の利点としては、最終組み立て前の各固定子構成要素上の支柱区分間の間隙がより大きい結果として、より大きなカッターを使用する能力により、より速い機械加工の可能性が挙げられる。

同様の構成はまた、渦電流を低減するために、磁束増幅回転子（又はトラベラ）などの電気機械回転子にも使用することができることに留意されたい。

鉄又は電気鋼などの多くのタイプの材料が、使用されてもよい。

図１は、組み立てられた例示的な軸方向磁束固定子１０を示す。巻線、ベアリング、又は回転子は、図１に示されていない。例示的な固定子は、支柱１２を有し、各々が渦電流を低減させるために中央に分割１４を有する。多数の支柱１２が存在する。巻線配置に応じて、各支柱は、極に対応し得る。この構成では、より多い又はより少ない数の支柱及び極数が使用され得ることに留意すべきである。

図２は、図１の例示的なデバイスの分解図を示す。図２に見られるように、例示的な固定子１０は、２つの層、内側（上部）層１６、及び外側（底部、ベース）層１８から形成される。図１に示されるような各支柱１２の分割部１４は、各支柱を、内側層と接続され、内側層と一体として形成された内側層支柱部分２０と、外側層と接続され、外側層と一体に形成された外側層支柱２２と、に分割するように見ることができる。内側層１６は、内側層支柱部分２０に隣接する間隙２４を有し、そのため、外側層支柱２２が、支柱１２を形成するように、内側層支柱部分２０と組み合わせて、外側層支柱２２を広げるために間隙２４に挿入され得る。

全ての内側層支柱部分２０を含む内側層１６は、単一部品として形成され、全ての外側層支柱２２を含む外側層１８は、単一部品として形成される。示されるように、内側層支柱部分２０の各々に隣接する間隙２４は全て、対応する内側層支柱部分２０から同じ円周方向にあるが、それらはまた、外側層支柱２２が、対応する位置に調整される状態で、異なる方向にあってもよい。

図３は、組み立てられた固定子インサートアセンブリの拡大断面図を示す。固定子アセンブリは、図１～図２の実施形態におけるものと同様の支柱を形成する層を使用する。２つの部品構成は、ここで明確に視認可能である。横断面では、内側層１６の隣接部分と組み合わせて、内側層支柱部分２０は、間隙２４が全て、対応する内側層支柱部分２０の同じ周方向であるこの実施形態においてＬ字形状を形成する。間隙２４が、全て同じ周方向にはない場合、一部の内側層支柱部分２０は、Ｕ字形状に接続することができ、また、単一のストロークＩ形状を形成する他のものも存在し得る。ここで間隙２４は、挿入された外側層支柱２２で埋められる。

図４は、内側固定子層の支柱部分２０のそばにあるスロット２４を示す、図３の固定子インサートアセンブリの分解図であり、これは共に挿入される外側層上の支柱半体２２が、固体材料からの任意の支柱幾何学形状を形成することを可能にするが、各支柱の先端から隣接する支柱の先端までの任意の一固体部品における磁束経路の断面積がより薄い結果として、渦電流が低減される。

図５は、図３の実施形態の組み立てられた二部固定子の拡大図である。

図６は、支柱３２を有する３層固定子３０の例示的な実施形態を示し、固定子は、図１～図５に示される２層固定子１０と設計において類似している。３層以上もまた使用することができる。極数が小さいほど、３より大きい固定子層を使用することがより有利となる。層は、図６の例示的な固定子インサートの実施形態の分解図を示す、図７においてより良好に示される。図７に見ることができるように、固定子３０は、外側層３４と、第１の内側層３６と、第２の内側層３８と、を含む。外側層３４は、外側層支柱４０を有する。第１の内側層３６は、第１の内側層支柱部分４２と、外側層支柱４０を受容するための第１の間隙４４と、を有する。第２の内側層３８は、第２の内側層支柱部分４６と、外側層支柱４０及び第１の内側層支柱部分４２を受容するための第２の間隙４８と、を有する。第１の内側層支柱部分４２に隣接する第１の間隙４４は、内側層支柱部分４２と組み合わせて、外側層支柱４０を広げるように、外側層支柱４０を第１の間隙４４に挿入することを可能にする。これらの広げられた外側層支柱は、順に、支柱３２を形成するために外側層支柱を広げるように、第２の間隙４８に挿入することができる。連続的により広い支柱を追加層の間隙に挿入するこのプロセスは、任意の数の層に延在することができる。支柱部分の側面上のバンプ５０、並びに平坦面５４及び５６上のバンプ５２は、層の間の伝導を低減させるために層を分離するのに役立つ。

図８は、図７の組み立てられた例示的な実施形態の断面図である。ここで、積層体様構造体は、明確に視認可能である。最も外側の区分の磁束経路は支柱から支柱まで中断されないことに留意すべきである。中間及び内側固定子区分の磁束経路は、所与の製造プロセスのために実用的なものとして好ましくは小さい、構成要素間の継ぎ目を含む。これを達成するための１つの方法は、外側層の表面６０と第１の内側層の対応する表面６２との間に制御可能又は調節可能な間隙を有することである。同様に、制御可能な間隙は、第１の内側層の反対の表面６４と第２の内側層内部の対応する表面６６との間に実装されてもよい。この間隙は、（図７の内側表面６６、並びに平坦面５４及び５６上で視認可能であるように）表面６０、６２、６４、及び６６上のスペーサ、又はコーティング、又はバンプ、又は隆起部などの多数の方法によって提供されてもよく、これにより、内側層内の間隙の縁部６８及び６９における磁束経路の継ぎ目が最小限のエアギャップを有するように、表面間にわずかな間隙を提供する。バンプが使用される場合、図７に示されるように、個々の固定子片は、組み立て前に粉末コーティングされること、又は別様に電気的に絶縁されることを必要としない場合がある。表面６０、６２、６４、及び６６の間、並びに平坦面５４と５６の間の理想的な厚さは、渦電流の最大電圧及び層間の最終組み立て中に使用される埋め込み用樹脂の誘電特性によって判定される。部品は、埋め込み用樹脂を伴わずに組み立てられてもよく、その場合、層間の間隙もまた、冷却のための空気流のために使用されてもよい。

図９は、内側ハウジング７０及び外側ハウジング７２を備える、図８の３区分の固定子インサートの断面図を示し、これは、アルミニウム、マグネシウム、又は複合材などの多くの異なる材料から作製することができる。

図１０は、概略的な巻線７４を有する図９の固定子アセンブリを示す。

図１１～図１４は、回転子７６及び軸受７８を有する例示的なアセンブリにおける図１０の例示的なデバイスを示す。

固定子区分の製造は、ビレット、鋳造、粉末成形、若しくは射出成形された金属プロセス、又はこれらの組み合わせから機械加工することによって得ることができる。

固定子として示されているが、同じ構造を回転子として、又はリニアモータの移動、若しくは静止キャリアとして使用することができる。キャリアは、固定子若しくは回転子のため、又はそれらの線形等価物のための総称である。

図に示される実施形態における層のベース層３４は、支柱部分間に間隙を有しない。これは、支柱間の強度及び改善された磁束経路に有用であり得る。「ベース」という用語は、図示及び記載される他の層に対する位置を表す。他の構成要素が他の層に対するベース層の方向に更に存在しないことを示唆する必要はない。便宜上、この方向は「下方」と称され得、この方向における相対位置は「下回る」と称され得る。この方向は、概して、磁束がエアギャップにわたって接続するように促されるため、エアギャップから離れ、エアギャップ付近ではない磁束経路によって好ましくは接続されるので、モータのエアギャップから離れる方向である。例示的な実施形態では、ベース層は、２つの回転子の間に固定子が配設されたモータのための固定子を形成するように、両方の側面上に更なる層を有して、両方の側面上に支柱部分を有してもよい。この場合、ベース層は、各側面上の他の層の「下方」の中間部分を形成する。

追加の層が適用され、より多くの底向きの層をベース層として集合的に処理することができる。このようにして、十分な空間が利用可能な限り、任意の数の層が、適用されてもよい。図７～図１０において、追加の層は、連続層が支柱部分の連続配置を形成するように配置されるが、支柱部分は、異なって配置されてもよく、例えば、連続層が、より底向きの支柱部分の反対側に支柱部分を有することができる。

示される支柱部分は、非ベース層において、間隙がそれぞれの支柱部分の一方向にあることが示されるこれらの実施形態において、Ｌ字型部分の一部である。Ｌ字形状は、そのようなＬ字型部分の一部ではない支柱部分が有するよりも大きい強度を可能にする。Ｌ字型部分は、図７～図１０内の複数の追加の層と同じ方向に配置されて示されているが、それらはまた、方向が異なっている場合がある。Ｌ字型の部分が同じ方向を有する実施形態は、Ｌ字型部分の下部分が互いに静置されてもよく、更に、Ｌ字型部分の下部分が端部鉄部分と同一平面上にあるように、層の更なる端部鉄部分が互いに静置されてもよいという利点を有する。一実施形態では、全ての層ではないが、一部が、Ｌ字型部分の一部である支柱部分を有し得る。

単一部品として層の複数の支柱部分を形成することによって、渦電流を低減させるために、各支柱が複数の層を含むことを可能にしながら、より大きな強度が得られる。示される実施形態では、単一部品は、キャリアの周りに完全に延在するが、他の実施形態では、複数の単一部品が、各々キャリアの長さの一部分だけ延在し得る。

各層によって画定される間隙は、間隙内に挿入された支柱部分と一致するように実質的にサイズ決めされてもよい。このサイズ決定は、キャリアの強度及び支柱間の磁束移転を改善することができる。

半径方向に打ち抜かれ、曲げられた積層体支柱

層は、いくつかの実施形態では、金属シートから形成されてもよい。フラップは、例えば、打ち抜き又は切断によって金属シート内に形成されてもよく、フラップは、支柱部分を形成するように曲げられてもよい。支柱部分間の間隙は、フラップが形成された金属シートの領域であってもよい。

本明細書に開示されるデバイスの実施形態は、例えば、積層された電気鋼を使用する能力の結果として、高い強度及び剛性、並びに高速性能を提供する積層構造体のための単純かつ堅牢な製造方法を提供する。

図１５は、各々が積層された軟磁性材料から作製され得る、４つの別個に製作された層８２から作製された組み立てられた固定子インサート８０の例示的な実施形態を示す。７つよりも多い又は少ない積層体が、使用され得る。別個の層８２のアセンブリは、所望の電磁的及び構造的特性を有する固定子及び後鉄８６を、共にもたらす。個々の層を打ち抜く能力は、潜在的なコスト効果も同様に有する。

図１６は、固定子インサート８０の支柱８４及び後鉄８６を作り出すために互いに入れ子になる異なる層８２の断面を示す。

図１７は、図１６の例示的なアセンブリの分解図を示す。支柱部分８８は、最終支柱が略平坦な上面を有するために、最内層から最外層までの長さを増加させることができる。

図１８は、４つの層８２のうちの底部３つが組み立てられ、かつ上部層が組み立てられた位置に移動する（矢印９０によって示される動き）、図１７の例示的なアセンブリを示す。

図１９は、支柱の各層に沿って、次いで（この例示的な実施形態における）ＩＤに向かう磁束経路を示す。支柱から支柱への磁束経路は、支柱の内径（ＩＤ）上の積層体材料を通る中断されていない経路を含む（支柱の外径（ＯＤ）上にあってもよい）。矢印９２は、支柱部分内の磁束を示し、矢印９４は、固定子インサートのＩＤに向かう磁束を示し、矢印９６は、間隙９８から半径方向内側に、支柱から支柱へ向かう磁束を示す。磁束はまた、１００で外径に通過し、外側端部鉄１０２において、間隙９８から半径方向外側に支柱から支柱に通過することもできる。

図２０は、支柱８４を通る断面の拡大図を示す。端部鉄部分を形成する、層８２の非屈曲部分は、間隙９８の背後に見ることができる。この実施形態では、４つの主層の折り曲げフラップによって形成された支柱部分８８を越えて、追加の支柱部分１０４が存在する。

図２１は、支柱部分８８及び対応する間隙９８を形成するための金属層８２内のフラップの曲げを示す。

図２２は、固定子支柱８４上に巻回されたコイル１０６の概略図を有する、図１５～図２１に示されるように形成された支柱８４を有する固定子の一部を示す。

鋼の連続的により長いポケットは、連続的により長い支柱を外側層に向かって形成するために、打ち抜き又は切断されてもよい。

プロセスは、支柱の輪郭が打ち抜かれ（又はレーザ切断などされ）、次いで支柱が９０度に曲げられる）、又は９０付近の他の角度もまた機能し得る）、単一又は複数の打ち抜き及び形成プロセスを用いて、各層上に各支柱を作製するために使用され得る。

キャリアを形成する方法が、図５２に示される。工程３００では、１つ以上の層が提供され、支柱を集合的に形成する。工程３０２では、追加の単一部品層を形成するために、金属のシートが提供される。工程３０４では、フラップ及び対応する間隙が、金属のシート内に形成される。工程３０６では、フラップは、複数の支柱部分を形成するように曲げられる。工程３０８では、ベース層の支柱が、間隙に挿入され、複数の支柱部分が、支柱に隣接し、支柱を広げる。工程３１０では、任意で、新しい組の１つ以上の層が集合的に支柱を形成する際に、工程３０２～３１０が、工程３００～３０８によって形成された１つ以上の層及び金属のシートの組み合わせを使用して、繰り返される。

図５２の方法の向上が、図５３に示される。図５３では、ベース層が、工程３２０において金属のシートを提供することと、工程３２２において金属シート内にフラップを形成することと、工程３２４において支柱を形成するためにフラップを曲げることと、によって形成される。工程３２６では、金属シートは、図５２の方法の工程３００のために提供された１つ以上の層である、一層である。

インサートを備える固体固定子を有する電気機械

本デバイスの実施形態は、磁束経路断面積の最小の低減を伴う支柱の最大接線厚を低減するために、インサートリングなどの１つ以上のインサートを使用する。結果として、強度及び高精度を提供するが、渦電流を低減するための任意の１つの固体部品における最大接線厚磁束経路を低減した、鋼又は鉄などの固体材料からの単純な構成体の固定子がもたらされる。

一実施形態では、固定子ディスク上の全ての支柱が２つの区分に分割される、軸磁束構造における非限定的な実施例として示されている。２つの支柱間の磁束経路が、２つ以上の構成要素から作製されるように、ラジアルラインに沿うこの例示的な実施形態では、そのような方法で、磁束経路の断面が低減され、特に支柱内の磁束経路の最大接線厚が低減されるようになっている。図２３は、インサートリングが設置された例示的な固定子を示す。支柱１１２の各々は、主固定子ディスク１１０の固体モノリシック部品である、支柱の一部分（この実施例では、支柱の半分であるが、支柱は、２つよりも多い区分に分割され得る）を有する。各支柱１１２は、支柱及び支柱から軸方向外向きの後鉄のほぼ半分を含む、除去された区分１１４を有する。この非限定的な例示的実施形態では、２つの直接隣接する支柱は、互いに面する２つの支柱の部分から除去された材料を有する。デバイスは、除去後の全ての支柱の同じ接線側で機能することになるが、本明細書に示されるような対の支柱の対の内向きの半分を除去することは、支柱の半分から隣接する支柱の半分までの中断されていない磁束経路を提供するという利点を有する。これにより、主固定子及び／又はインサートの電気絶縁が、磁束経路に影響を与えることなく、渦電流がこれらの構成要素間を交差するのを防ぐことを可能にする。各支柱の同じ接線方向に面する区分が除去される場合、磁束は、隣接する支柱の内向きに面する区分間を接続するために、構成要素間のエアギャップをジャンプさせることになる。これにより、電力及び効率が低減する。図２６に示されるように、隣接する支柱の対の内向きに面する区分は、主固定子構成要素１１０から除去され、欠落した支柱半体を有するモノリシックインサートリング１１６が、欠損区分を置換するために使用される。

多くのタイプの巻回構造が使用されてもよい。分配された巻回構造が使用される場合、一体型インサートリングが好ましい。集中した巻線が使用される場合、個々のインサートが、使用されてもよい。図２４は、例示的な集中巻線構造において、インサートリング１１６及び簡略化コイル１１８が各第２の支柱に設置された例示的な固定子区分を示す。図２５は、コイル１１８を伴わない図２４の実施形態を示す。図２６は、主固定子ディスク１１０及びインサートリング１１６を示す、同じ実施形態の分解図を示す。

この実施例のような集中した巻線を使用する電気機械固定子内の磁束は、最も短い磁束経路に沿って支柱から隣接する支柱に接続するように設計することができる。２つの隣接する支柱の対向する表面が、本明細書に示されるものと同じモノリシック材料で作製される場合（一方向において、隣接する支柱の内向きに面する表面に、支柱の一方の側面上の主固定子を通じて、及び他方の接線方向において、隣接する支柱の内向きに面する表面に、支柱の他方の側面上のインサートを通じて）、次いで、支柱間の磁束経路内にエアギャップは作り出されず、磁束経路の最大厚さを低減させる結果として、著しい電力損失は起こらない。

図２７は、インサートリングの代わりに個々のインサート１２０を有する実施形態を示す。軸方向磁束固定子に関して示されるこの構造は、半径方向磁束固定子のために特に有用である。

図２８は、図２３～図２６の実施形態の付加的な等角図を示す。図２９は、同じ実施形態の上面図を示す。

巻線のための高い充填係数を可能にする

電気機械のための固定子

電気機械の固定子を巻回する針は、自動化を通じて製造時間及びコストを減少させることが望ましい。針の巻回は、針がスロット内で空間を占めるため、スロット内の導体コイルの充填係数が低減されるという欠点を典型的に有する。これは、針がスロット幅の高い割合を占めることができる高極数モータにおいて特に当てはまる。

デバイスの実施形態は、巻回プロセス中に固定子から全ての第２の支柱を除去し、巻回が完了した後に、各第２の支柱にリングを挿入することによって、高い充填係数を可能にする。

この方法はまた、他のコイルを作成すること、挿入すること、又は適用方法と共に使用することもできる。

図３０は、主固定子本体１３０と、主固定子本体に挿入するためのインサート１３６と、を示す分解図である。インサート１３６は、第２の支柱１３２及び関連付けられた後鉄１４０を含む。この実施形態では、インサートの一部ではない支柱１３８は、この実施形態では主固定子本体である上部分１３０の一部である。これらの支柱の間には、インサート上の支柱を収容するためのスロット１３４がある。限定されるものではないが、鋼、鉄、又は粉末状軟質磁性材料などの多くの異なる材料が、使用されてもよい。

図３１は、主固定子本体の支柱１３８の周りにコイル１４４を適用する、針巻回機械１４２を有する、図３１の主固定子本体の簡略図である。

図３２は、図３１の巻回プロセスが完全に適用されているが、他の支柱を有するインサートが挿入される前の、図３１の主固定子本体の図である。

図３３は、インサートリング１３６が挿入された状態の、図３０～図３３の主固定子本体の図である。なお、高い充填係数が達成されることに留意されたい。

図３４は、インサートが主固定子本体に挿入され、全ての支柱が存在する、主固定子本体とインサートとを含む固定子を示す。コイルは、示されていない。

図３５は、主固定子本体の上面図を示す。

図３６及び図３７は、等角図を示し、図３８は、図３４の固定子の一区分の上面図を示す。

図５４は、電気機械のためのキャリアを組み立てる方法を示す。工程３３０では、第１の層が提供され、複数の支柱が第１の層から延在し、第１の層は、複数の支柱の連続する支柱間の中間にある第１の層を通る間隙を画定する。工程３３２では、それぞれの導体コイルが、複数の第１の支柱の各々の周りに提供される。これは、例えば、針を用いた巻回によってもよいが、コイルを適用する任意の他の方法によっても可能である。工程３３４では、１つ以上のインサートが、間隙を通じて挿入されるように構成されたインサート支柱を有して、提供される。工程３３６では、インサート支柱は、支柱のアレイを形成するように、間隙を通じて挿入される。

マルチインサート実施形態

図３９～図５１は、渦電流低減の上で開示された特徴を組み合わせ、針巻回のための空間を提供する例示的なインサート配置を示す。

固定子は、全ての第２の歯の代わりに空の空洞を含む交互の歯の幾何学形状を有する主固定子本体２００で構成され、主固定子本体上の各歯は、半分に分割され、残りの半分は部分空洞である。交互の空洞及び部分的な歯の同様の歯の幾何学的形状を有する第２の構成要素２０２は、主固定子本体に挿入されて、主固定子本体内に残された部分空洞を充填し、交互の空洞のみを残して、針の巻回のために支柱間に充填するように、固定子針のための空間を与える。両方の構成要素の部分歯は、より容易な機械加工のために丸みを帯びた切削幾何学形状を有する。第１の構成要素が挿入された後、残りの空洞は、交互の固定子歯の周りで針の巻回が完了した後に、複数の別個のインサート２０４で充填される。インサート２０４は、共通の後鉄片によって接続された固定子歯の分割された半体で構成される。別個の分割された固定子歯は、固定子区分を通る細い磁束経路を可能にする。

図３９は、主固定子本体２００のセクタを示す。主固定子本体は、部分支柱２０６と、部分支柱に隣接する間隙２０８と、部分支柱間の他の間隙２１０と、を有する。図４０は、インサート２０２の対応するセクタを有する主固定子本体２００のセクタの分解図を示す。インサート２０２は、主固定子本体２００の部分支柱に隣接する間隙２０８に対応する部分支柱２１２と、主固定子本体２００の部分支柱２０６間の間隙２１０に対応する間隙２１４と、を有する。

第１のインサート２０２は、上部要素部分支柱２０６を結合するために上部要素２００（ここでは主固定子本体）に挿入され、インサート部分支柱２１２は、巻回のために組み合わされた支柱２１６を提供する。針２１８を使用する針の巻回は、まだ挿入されていない参照番号２０４によって示されるインサートに起因して利用可能な空間を使用して、図４１に示されるようにコイル２２０を形成するためにこれらの支柱２１６に適用される。図４２は、針の巻回が完了した状態の図４１に示されるセクタを示し、コイル２２０は、支柱２１６の周囲の定位置にある。

上部要素２００が、本実施形態では主固定子本体として説明及び示されているが、上部要素２００又は第１のインサート２０２のいずれかが、固定子の径方向内側又は外側部分に接続することができ、そのため、いずれか又は組み合わせが主固定子本体として機能することができる。

巻回が完了すると、参照番号２０４によって示されるより小さいインサートが、上部要素２００及びインサート２０２内の間隙２１０及び２１４を通じて追加、かつ挿入されてもよい。第１のインサート２０２は、固定子の円形の実施形態（例えば、図３６～図４５及び図４８～図５１に示されるような軸方向の磁束）のとき、リングインサートであってもよい。図４３は、間隙２１０及び２１４に挿入されているより小さいインサート２０４を示す。

図４４は、上部から下部への構成要素挿入の順序を示す、図３９～図５１の実施形態の分解図である。

図４５は、構成要素の積み重ね配向を示すために、固定子の中心からオフセットされた断面図である。

図４６及び図４７は、積み重ねを明確にするための例示的な線形モデルの断面図である。それらは、簡略化のために線形化された配置を使用して、模式的な形態における配置を示す。図４７は、図４６に示される分解配置の折り畳みを示す。

図４８は、導体を含まない、完全な固定子の４５度のセクタを示す。本明細書で「導体」とは、電気機械として使用されるときに駆動又は意図された駆動電流を搬送する導体を指し、示された構成要素が導電性ではないことを意味しないことに留意されたい。

図４９は、コイル２２０を含む、完全な固定子の４５度のセクタを示す。

図５０は、導体を含まない、完全な固定子を示す。

図５１は、本実施形態におけるリングインサートである、完全な第１のインサート２０２を示す。

上記に開示された他のインサートがまた、図３９～図５１のこの実施形態について説明された構成要素の代わりに使用されてもよい。

図５５は、電気機械のためのキャリアを組み立てる方法を示す。工程３５０では、第１の層が、第１の層から延在する複数の第１の支柱を有して提供され、第１の層は、複数の第１の支柱に隣接した第１の間隙を画定し、かつ複数の支柱の連続する支柱間の中間にある第１の層を通る第２の間隙を画定する。工程３５２では、１つ以上のインサートが、第１の間隙を通じて挿入されるように構成された第１のインサート支柱を有して提供される。工程３５４では、第１のインサート支柱が、複数の第１の支柱と組み合わせて、複数の第１の支柱を広げるように、第１の間隙を通じて挿入される。工程３５６では、それぞれの導体コイルが、１つ以上の第１のインサート支柱によって広げられる際に、複数の第１支柱の各々の周りに提供される。それぞれの導体コイルは、例えば、針を用いて巻回することによって形成されてもよいが、コイルを形成する任意の他の方法によって形成されてもよい。工程３５８では、１つ以上の第２のインサートが、第２の間隙を通じて挿入されるように構成された第２インサート支柱を有して提供される。工程３６０では、第２のインサート支柱が、１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように第２の間隙を通じて挿入される。１つ以上の第２のインサートは、例えば、複数の第２のインサートであってもよく、第２のインサート支柱を第２の間隙を通じて挿入する工程では、複数の第２のインサート支柱は、第２の間隙の各々に挿入されてもよい。１つ以上の第１のインサートは、例えば、第３の間隙を有する単一のインサートであってもよく、第２の間隙を通じて第２のインサート支柱を挿入する工程では、複数の第２のインサート支柱は、第２の間隙及び第３の間隙を通じて挿入されてもよい。

「特許請求の範囲」では、用語「含む、備える（comprising）」は、その包含的意味で使用されており、他の要素の存在を除外するものではない。請求特徴の前の不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、複数の特徴の存在を除外するものではない。本明細書に記載されている個々の特徴のそれぞれは、１つ以上の実施形態で使用されてもよく、本明細書に記載されているという理由だけで、「特許請求の範囲」に定義される全ての実施形態に必須であると解釈されるべきではない。

Claims (21)

1. 電気モータのためのキャリアであって、
   複数の支柱を形成する１つ以上の層と、
   単一部品として形成された複数の支柱部分を有する追加の層であって、前記複数の支柱部分間の間隙を画定する、追加の層と、を備え、
   前記複数の支柱が、前記複数の支柱部分と組み合わせて、前記複数の支柱を広げるように、前記複数の支柱部分間の前記間隙に挿入される、キャリア。
2. 前記追加の層が、Ｌ字型部分を含み、前記複数の支柱部分が、前記Ｌ字型部分の直立部分として形成され、前記複数の支柱部分間の前記間隙が、前記Ｌ字型部分によって画定されている、請求項１に記載のキャリア。
3. 前記１つ以上の層が、請求項１又は請求項２によって定義されるようなキャリアを形成する複数の層である、請求項１又は２に記載のキャリア。
4. 前記１つ以上の層のうちの１つが、単一部品として形成された複数のベース支柱部分を有するベース層である、請求項１～３のいずれか一項に記載のキャリア。
5. 前記層の間に配置されたスペーサを更に備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のキャリア。
6. 前記層が、組み立てられたとき、隣接する層の間に空間を形成するように成形されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のキャリア。
7. 各層によって画定された前記間隙が、前記間隙に挿入された前記支柱と一致するように実質的にサイズ決定されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のキャリア。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載のキャリアを形成する方法であって、前記方法が、ビレット、鋳造、粉末成形、又は射出成形された金属プロセスからの機械加工のうちの１つ以上によって前記層を形成することを含む、方法。
9. キャリアを形成する方法であって、
   複数の支柱を形成する１つ以上の層を提供する工程と、
   単一部品として追加の層を形成するように金属のシートを提供する工程と、
   前記金属のシート内にフラップ及び対応する間隙を形成する工程と、
   複数の支柱部分を形成するように、前記金属のシート内の前記フラップを曲げる工程と、
   前記複数の支柱部分が前記支柱を広げるように、前記支柱を、前記複数の支柱部分に隣接する前記間隙に挿入する工程と、を含む、方法。
10. 前記１つ以上の層が、単一部品として形成された複数の支柱を有するベース層であり、前記方法が、
    前記ベース層を形成するように、金属のベースシートを提供する工程と、
    前記金属のベースシート内にフラップを形成する工程と、
    前記複数の支柱を形成するように、前記金属のベースシート内の前記フラップを曲げる工程と、を更に含む、請求項９に記載の方法。
11. 電気機械のためのキャリアであって、
    第１の層であって、複数の第１の支柱が前記第１の層から延在し、前記第１の層が、前記複数の第１の支柱に隣接する前記第１の層を通る間隙を画定する、第１の層と、
    前記複数の第１の支柱と組み合わせて、前記複数の第１の支柱を広げるように、前記間隙を通じて挿入されるように構成されているインサート支柱を有する１つ以上のインサートと、を備える、キャリア。
12. 電気機械のためのキャリアであって、
    第１の層であって、複数の第１の支柱が前記第１の層から延在し、前記第１の層が、前記複数の支柱の連続する支柱間の中間にある前記第１の層を通る間隙を画定する、第１の層と、
    前記複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、前記間隙を通じて挿入されるように構成されているインサート支柱を有する１つ以上のインサートと、を備える、キャリア。
13. 電気機械のためのキャリアであって、
    第１の層であって、複数の第１の支柱が前記第１の層から延在し、前記第１の層が、前記複数の第１の支柱に隣接する前記第１の層を通る第１の間隙を画定し、かつ前記複数の第１の支柱の連続する支柱間の中間にある前記第１の層を通る第２の間隙を画定する、第１の層と、
    前記複数の第１の支柱と組み合わせて、前記複数の第１の支柱を広げるように、前記第１の間隙を通じて挿入されるように構成されている第１のインサート支柱を有する１つ以上の第１のインサートと、
    前記１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、前記複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、前記第２の間隙を通じて挿入されるように構成されている第２のインサート支柱を有する１つ以上の第２のインサートと、を備える、キャリア。
14. 前記１つ以上の第２のインサートが、複数の第２のインサートであり、複数の第２のインサート支柱が、前記１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、前記複数の第１の支柱と組み合わせて、前記支柱のアレイを形成するように、前記第２の間隙の各々に挿入されるように構成されている、請求項１３に記載のキャリア。
15. 前記１つ以上の第１のインサートが、第３の間隙を有する単一のインサートであり、前記複数の第２のインサート支柱が、前記第２の間隙及び第３の間隙を通じて挿入されるように構成されている、請求項１３又は１４に記載のキャリア。
16. 電気機械のためのキャリアを組み立てる方法であって、
    第１の層を提供する工程であって、複数の第１の支柱が、前記第１の層から延在し、前記第１の層が、前記複数の支柱の連続する支柱間の中間にある前記第１の層を通る間隙を画定する、提供する工程と、
    前記複数の第１の支柱の各々の周りにそれぞれの導体コイルを提供する工程と、
    前記間隙を通じて挿入されるように構成されているインサート支柱を有する１つ以上のインサートを提供する工程と、
    前記複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、前記間隙を通じて前記インサート支柱を挿入する工程と、を含む、方法。
17. 前記それぞれの導体コイルが、針を用いて巻回することによって、前記複数の第１の支柱の各々の周りに提供される、請求項１６に記載の方法。
18. 電気機械のためのキャリアを組み立てる方法であって、
    第１の層を提供する工程であって、複数の第１の支柱が、前記第１の層から延在し、前記第１の層が、前記複数の第１の支柱に隣接する前記第１の層を通る第１の間隙を画定し、かつ前記複数の第１の支柱の連続する支柱間の中間にある前記第１の層を通る第２の間隙を画定する、提供する工程と、
    前記第１の間隙を通じて挿入されるように構成されている第１のインサート支柱を有する１つ以上の第１のインサートを提供する工程と、
    前記複数の第１の支柱と組み合わせて、前記複数の第１の支柱を広げるように、前記第１の間隙を通じて前記第１のインサート支柱を挿入する工程と、
    前記１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、前記複数の第１の支柱の各々の周りにそれぞれの導体コイルを提供する工程と、
    前記１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、前記複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、前記第２の間隙を通じて挿入されるように構成されている第２のインサート支柱を有する１つ以上の第２のインサートを提供する工程と、
    前記１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、前記複数の第１の支柱と組み合わせて、支柱のアレイを形成するように、前記第２の間隙を通じて前記第２のインサート支柱を挿入する工程と、を含む、方法。
19. 前記１つ以上の第２のインサートが、複数の第２のインサートであり、前記第２のインサート支柱を前記第２の間隙を通じて挿入する前記工程において、複数の第２のインサート支柱が、前記第２の間隙の各々に挿入される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記１つ以上の第１のインサートが、第３の間隙を有する単一のインサートであり、前記第２のインサート支柱を前記第２の間隙を通じて挿入する前記工程において、前記複数の第２のインサート支柱が、前記第２の間隙及び第３の間隙を通じて挿入される、請求項１８又は１９に記載の方法。
21. 前記それぞれの導体コイルが、針を用いて巻回することによって、前記１つ以上の第１のインサートによって広げられる際に、前記複数の第１の支柱の各々の周りに提供される、請求項１８～２０のいずれか一項に記載の方法。

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