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JP2004505595A - 回転電気マシーン及びその形成方法 - Google Patents

回転電気マシーン及びその形成方法 Download PDF

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JP2004505595A
JP2004505595A JP2002515690A JP2002515690A JP2004505595A JP 2004505595 A JP2004505595 A JP 2004505595A JP 2002515690 A JP2002515690 A JP 2002515690A JP 2002515690 A JP2002515690 A JP 2002515690A JP 2004505595 A JP2004505595 A JP 2004505595A
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stator
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strip
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JP2002515690A
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シェン、ジンシン
ポーテアス、トム
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ABB Research Ltd Sweden
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ABB Research Ltd Sweden
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/024Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with slots
    • H02K15/026Wound cores

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

【課題】
【解決手段】本発明は、内側に配置されているロータ(2)と、外側に配置されているステータ(3)とを有する回転電気マシーン(1)に関する。これら2つは、各々、1つのストリップ(5、6)を巻くことにより形成されている。各ストリップ(5、6)は、複数の分割部分(51、61)に分けられており、これら分割部分は、前記ロータ(2)あるいはステータ(3)の内側及び外側の曲率半径に適合されている。各分割部分(51、61)は、規定の個数のスロット(52、62)を有し、これらスロットは、巻くことにより前記ロータ(2)あるいはステータ(3)を形成したとき、一方が厳密に他方の後方にあるように配置されており、この結果、キャビティ(2H、3H)が、電気巻線を収容するように形成されている。

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項1及び6の導入部分に示されているような、回転電気マシーン(rotating electrical machine)及びその形成方法に関する。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、コンパクトな構造を有する回転電気マシーンを創作し、このような回転電気マシーンが、形成され得る方法を示すという目的に基づく。
【0003】
【課題を解決するための手段】
マシーンに関する目的は、請求項1の特徴により達成される。
また、方法に関する目的は、請求項6の特徴により達成される。
【0004】
本発明の方法により、回転電気マシーンは、従来の場合よりも少ない電気的なスチール(electrical steel)を使用して形成され得る。本発明のマシーンで、ロータとステータとは、各々、1つのストリップを巻くことにより形成されており、このストリップは、複数の分割部分に分けられており、これら分割部分は、特定の形態のスロットを有する。これら分割部分の接続領域は、前記ストリップが、さらに加えられる形成プロセス中、破損し得ないように、最小化されている。各分割部分の内側及び外側の曲率半径は、ステータあるいはロータの内側及び外側の曲率半径に適合されている。
本発明のさらに別の特徴が、従属クレームで開示されている。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下で、本発明は、図面を使用して詳細に説明される。
図1で示されている回転電気マシーン1は、ロータ2とステータ3とを有する。垂直断面が示しているように、前記ロータ2は、前記ステータ3内に配置されている。前記ロータ2のディメンジョンは、小さなエアギャップ4が、前記ロータ2とステータ3との間に残されるように選択されている。前記回転電気マシーンのシャフト(図示されていない)が、前記ロータ2の長軸に沿ってガイドされる。前記ロータ2とステータ3とは、図2、3、6、7で図示され、これに関連して説明されるように、各々、特定の形状のストリップ5、6を巻くことにより形成されている。前記ステータ3の芯部3Kとヨーク3Jとが、1つのユニットを形成している。前記1つのストリップ5は、巻かれて前記ステータ3を形成するために使用され、このストリップの一例が、図2で部分的に示されている。前記ストリップ5は、複数の分割部分51に分けられており、これら分割部分51の内側及び外側の曲率半径は、前記ステータ3の内側及び外側の曲率半径に適合されている。前記複数の分割部分51は、全て同じサイズである。2つの隣り合う前記分割部分51の夫々は、側方の境界面の外側で適切に、ほぼ一点で互いに接続されている。各分割部分51は、複数のスロット52を有し、これらスロットの全ては、ここで示されている実施形態で、ほぼ長方形の断面であり、同じサイズである。また、この断面は、異なった形状であり得る。本発明は、ここで説明されている実施形態のみに限定されるものではない。実際上、本発明は、機能し得る全ての形状を含む。前記スロット52は、前記分割部分51の小さい方の曲率半径へと開口されている。隣り合う2つの前記スロット52の夫々は、図1ないし5で示されているように、T形の突出部53によって互いに分離されている。この突出部53の基端部は、前記ストリップ5の閉じられている領域に接続されており、この領域は、前記ステータ3のヨーク3Jを形成している。隣り合う2つの前記スロット52の夫々は、前記突出部53の横方向部材によって、外向きの方向において部分的に閉じられており、この横方向部材は、前記スロット52の長軸に対して、適切な角度でアラインメントされている。前記スロット52のディメンジョン及び配置と、前記分割部分51のディメンジョンとは、2つの前記分割部分51間の分割ライン54が、図3で示されているように、前記スロット52の中央を通るように、あるいは、図2で示されているストリップ5の変形例のように、前記突出部53の中央を通るように選択されている。前記分割ライン54の端部は、前記ストリップ5の内側に位置され、丸い凹部55へと通じており、巻くことによる前記ステータ3の形成中、この凹部55に、機械的な変形が集中し、この凹部55は、この変形を減衰させるように働く。
【0006】
図4は、薄いシートメタル材の形態のストリップタイプの構造材10を示しており、この構造材10は、電気的なシートメタルとして形成されている。この構造材10は、図4で示されているように、互いに対面するように配置された2つの前記ストリップ5と同じ幅である。ここで示されているようなパターンの2つのストリップ5は、この構造材10から切り取られる。材料を節約するために、前記構造材10は、このパターンよりも幾分狭い幅でもあり得る。例えば、前記分割部分51の外側の曲線部分51Rが、除去される。従って、前記ステータ3は、外側の表面で、平らな領域(ここでは図示されていない)を部分的に有するが、この領域は、何ら本質的な欠点を生じさせない。このパターンを選択する理由は、材料の量が最小化されることである。
【0007】
図5は、巻くことによる前記ステータ3の形成を示している。このために、前記ストリップの分割部分51が、その小さい方の曲率半径が、マンドレル16の長軸に対して適切な角度にある状態に、位置決めされるように、前記ストリップ5は、前記マンドレル16に巻かれる。前記マンドレル16の外径は、前記ステータ3の所望の内径に適合されている。前記ストリップ5は、前記ステータ3が、所望のディメンジョンとなるまで、巻かれる。そして、前記ストリップ5は、切断される。前記ストリップ5は、前記マンドレル16から自由にほどけないように、永続するように締められる。そして、巻かれた前記ストリップ5の複数の層は、まとめて押圧される。こうして、前記ステータ3は、完成される。前記ストリップ5の巻き付けの後、前記スロット52及び突出部53の均一な形態のため、各層の各スロット52の前方と後方とに、前記ストリップ5の先の層のスロット52と、各場合に、次の層のスロット52とが、夫々適合されるように位置決めされている。このようにして、貫通キャビティ3Hが、図1で示されているように、前記ステータ3に形成され、これらの長軸は、前記ステータ3の長軸と平行に延びており、また、これらの断面は、前記スロット52の断面に対応している。前記分割部分51は、その中間スペース57が、図2で示されているように、三角形で、2つの前記分割部分51の各間に形成され、前記ストリップ5の巻き付けの後、図5で示されているように、分割ライン54のみが残る程度まで閉じられるように、形成されている。図5は、最初に巻かれた第1の層の分割ライン54と、次に巻かれた第2の層の第1の分割ライン54とを示しており、第1の層が、見えるように示されている。この第1の分割ライン54は、第1の層の第1の分割ライン54から充分離隔して配置されており、これら2つの間の距離は、2つの前記スロットの中央間の距離に対応している。図6は、前記ステータ3の外側の表面の一部分を示している。前記ストリップ5の6つの層5A、5B、5C、5D、5E、5Fの分割ライン54の位置は、各々、参照符号Xを付されている。これにより、別の分割ラインのすぐ前後に位置付けられている分割ライン(ここでは図示されていない)は、存在していないことが明らかに見られ得る。これを達成するために、次の関係が、満たされなければならない。
(N+N)/Nseg=Zseg
seg=integer
1≦N<Zseg
C=(N×Nseg)/(N+N)≠integer
seg−C<1
ここで、Zsegは、前記分割部分毎のスロット52の個数であり、Nは、巻かれている前記ストリップ5の1つの層の全ての前記スロット52の個数であり、Nは、巻かれているある層の第1の前記分割ライン54と、その次の層の第1の分割ライン54との間の前記スロット52の個数であり、配置により決定され、Nsegは、巻かれて1つの層を形成するために必要な前記分割部分51の総数であり、Cは、1つの層の前記分割部分の厳密な個数である。例えば、層毎に24個のスロットと5つの分割部分とを有する前記ステータ3が、巻くことにより形成される必要がある場合、N=24、Nseg=5、N=1である。従って、Zseg=5、C=4.8である。
【0008】
図7及び8は、ストリップ6の一部分を示しており、このストリップ6は、巻かれて前記ロータ2を形成するために使用される。このストリップ6は、複数の分割部分61に分けられている。各分割部分61は、前記ロータ2の内側及び外側の曲率半径に適合されている。前記複数の分割部分61は、全て同じサイズである。図7及び8で示されているように、各分割部分61は、分割ラインが、2つのスロット62間の中央と、1つのスロット62の中央とのどちらを通っているかに応じて、2つあるいは3つのスロット62を有する。ここで示されている実施形態で、前記複数のスロット62は、長円形の形態で、全て同じサイズであり、外向きに閉じられ、突出部63により互いに分離されている。分割ラインが、2つの前記分割部分61間の中央を通っているように、これら分割部分61が形成されている場合、図8で示されているように、内側に位置している、前記分割ライン64の端部は、円形の凹部66へと通じており、この凹部66は、巻くことにより前記ロータ2を形成しているとき、機械的な変形を減衰させるように使用される。
【0009】
図9は、薄いシートメタル材の形態の構造材12を示しており、この構造材12は、電気的なシートメタルとして形成されている。ここで示されている実施形態で、この構造材12は、図7の前記ストリップ6の2倍の幅であり、2つの前記ストリップ6は、この図で、互いに対面するように配置されている。ここで示されているパターンに対応して、巻かれて前記ロータ2を形成するための2つの前記ストリップ6は、前記構造材12から同時に切り取られ得る。図4で示されているようなパターンの場合と同様に、このパターンを選択する理由は、材料の量が最小化されることである。
【0010】
図10は、巻くことによる前記ロータ2の形成を示している。このために、前記ストリップの分割部分61が、その小さい方の曲率半径が、マンドレル17の長軸に対して適切な角度にある状態に、位置決めされるように、前記ストリップ6は、前記マンドレル17に巻かれる。前記マンドレル17の外径は、前記ロータ2の所望の内径に適合される。前記ストリップ6は、前記ロータ2が、所望のディメンジョンとなるまで、巻かれる。そして、前記ストリップ6は、切断される。前記ストリップ6は、前記マンドレル17から自由にほどけないように、永続するように締められる。そして、前記ストリップ6の巻かれた複数の層は、まとめて押圧される。
【0011】
前記スロット62及び突出部63の均一な形態のため、前記ストリップ6の巻き付け中、前記ストリップ6の所定の層の先の層のスロット62と、次の層のスロット62との夫々は、その所定の層の各スロット62の前方と後方とに夫々適合されるように、位置決めされる。このようにして、貫通キャビティ2Hが、図1で示されているように、前記ロータ2に形成されており、これらの長軸は、前記ロータ2の長軸と平行に延びており、また、これらの断面は、前記スロット62の断面に対応している。加えて、前記ストリップ6は、2つの前記分割部分61間の分割ライン64の各々が、巻き付け中、互いに前後に配置されないように形成されている。図10は、破線で示されている、最初に巻かれた第1の層の分割ライン64と、次に巻かれた第2の層の第1の分割ライン64とを示している。第2の層の前記第1の分割ライン64は、第1の層の前記分割ライン64から充分離隔して配置されており、これら2つの間の距離は、2つの前記スロット62の中央間の距離に対応している。
【0012】
図11は、前記ロータ2の外側の表面の一部分を示している。前記ストリップ6の4つの層6A、6B、6C、6Dの分割ライン64の位置は、各々、参照符号Xを付されている。ここで再び、別の分割ラインのすぐ前後に位置付けられている分割ライン(図示されていない)は、存在しないことが見られ得る。これを達成するために、上述した等式(N+N)/Nseg=Zsegが、この場合にも満たされなければならない。前記スロット62の個数と前記分割部分61の個数とに関連している状況は、図5で説明されたものと同じである。
【0013】
また、前記ロータ2の形成中、前記複数のスロット62を互いに分離している前記突出部63の長軸が、前記ステータ3の複数のスロット52を互いに分離している前記突出部53の長軸に対して、所定の角度θだけ傾けられることが確実にされることが必要である。このため、前記ストリップ6を充分に巻いた後、図12に示されているように、前記ロータ2の芯部は、前記ストリップ6が、巻き付け中、巻かれていた方向と実際上同じ方向に、前記ロータ2の長軸に対してこの角度θだけねじられる。この傾きを達成するために、前記分割部分61の内側及び外側の曲率半径は、僅かに修正されなければならない。前記ロータ2の厳密な円筒形の外形は、前記ロータ2の外面の適切な機械仕上げによってのみ達成される。
【0014】
前記突出部63の長軸の所望の傾きは、前記突出部63の各々を実際上θから僅かに増大させることによって(by slightly increasing each protrusion 63 and,in fact,by θ)も達成され得る。ここで、θ=360°/Nであり、Nは、前記ロータ2のスロット62の個数である。各スロット62及び各突出部63の傾きの角度は、Δθだけ増大される必要があり、ここでθr’=θ+Δθ、Δθ=θ/M/Nである。Mは、巻かれて前記ロータ2を形成しているストリップ6の層の個数であり、θは、前記ロータ2が、全長に渡ってねじられる必要がある角度である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の回転電気マシーンを垂直断面で示している。
【図2】図2は、ストリップの一部分を示しており、ステータは、このストリップを巻くことにより形成される。
【図3】図3は、巻かれてステータを形成するための別のストリップの一部分を示している。
【図4】図4は、図2に示されているようなストリップ形状の構造材による形成を示している。
【図5】図5は、巻くことによるステータの形成を示している。
【図6】図6は、ステータの外側の境界面の図である。
【図7】図7は、巻かれてロータを形成するためのストリップの一部分を示している。
【図8】図8は、巻かれてロータを形成するための別のストリップの一部分を示している。
【図9】図9は、図7に示されているようなストリップ形状の構造材による形成を示している。
【図10】図10は、巻くことによるロータの形成を示している。
【図11】図11は、ロータの外側の境界面の図である。
【図12】図12は、複数のスロット間の突出部をアラインメントさせるように、ロータの芯部をねじることを示している。

Claims (13)

  1. ロータ(2)とステータ(3)とを具備する回転電気マシーンにおいて、前記ロータ(2)とステータ(3)とは、各々、一体的に形成され、1つのストリップ(5、6)を巻くことにより形成されていることを特徴とするマシーン。
  2. 前記ステータ(3)は、前記1つのストリップ(5)を巻くことにより形成されており、このステータ(3)のヨーク(3J)とコア部(3K)とが、1つのユニットとして形成されており、また、前記ステータ(3)は、電気巻線を収容する内側に向かう側面に複数のスロット(52)を有し、連続した2つのスロット(52)の夫々は、突出部(53)により互いに分離され、等しい離隔距離を有し、この突出部(53)の基端部は、環状の前記ヨーク(3J)に接続され、外向きの前記スロット(52)を部分的に規定することを特徴とする請求項1のマシーン。
  3. 前記ストリップ(5)は、規定の個数の分割部分(51)に分けられており、各分割部分(51)の内側及び外側の曲率半径は、前記ステータ(3)の内側及び外側の曲率半径に夫々適合されており、また、各分割部分(51)は、規定の個数の前記スロット(52)を有し、隣接した2つの前記分割部分(51)の夫々のみが、側方の境界面の外側のエッジ部で互いに接続されており、そして、2つの前記分割部分(51)間の分割ライン(54)が、前記突出部(53)の中央、あるいは、前記スロット(52)の中央を通っており、凹部(55)が、各分割ライン(54)の内側に位置されている端部に与えられており、そしてまた、隣り合った2つの前記スロット(52)の夫々は、等しい離隔距離を有することを特徴とする請求項1又は2のマシーン。
  4. 巻かれて前記ロータ(2)を形成するための前記ストリップ(6)は、規定の個数の分割部分(61)に分けられており、この分割部分(61)の内側及び外側の曲率半径は、前記ロータ(2)の内側及び外側の曲率半径に夫々適合されており、また、規定の個数のスロット(62)が、各分割部分(61)に形成されており、そして、隣接した2つの前記分割部分(61)の夫々のみが、側方の境界面の外側のエッジ部で互いに接続されており、そしてまた、隣り合った2つの前記分割部分(61)間の分割ライン(64)が、前記スロット(62)の中央、あるいは、隣り合った2つの前記スロット(62)間の中央を通っていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1のマシーン。
  5. 前記複数のスロット(62)は、全ての側面で閉じられ、あるいは、外向きの小さな開口を有し、突出部(63)によって互いに分離されており、また、連続した2つの前記スロット(62)の夫々は、等しい離隔距離を有し、前記スロット(62)の長軸は、前記ステータ(3)の全長につき、前記ステータ(3)のスロット(52)の長軸に対し所定の角度θだけ傾いていることを特徴とする請求項4のマシーン。
  6. ロータ(2)とステータ(3)とを有する回転電気マシーンの形成、特に、請求項1のマシーンの形成のための方法において、前記ステータ(3)と前記ロータ(2)とは、各々、一体的に形成され、複数の分割部分(51、61)に分けられているストリップ(5、6)を巻くことにより形成されることを特徴とする方法。
  7. 前記ステータ(3)のヨーク(3J)と芯部(3K)とが、1つのユニットを形成し、このユニットは、前記1つのストリップ(5)を巻くことにより形成され、また、前記ストリップ(5)は、規定の個数の前記分割部分(51)に分けられており、これら分割部分(51)の内側及び外側の曲率半径は、前記ステータ(3)の内側及び外側の曲率半径に夫々適合されており、そして、前記分割部分(51)は、内向きに開口している規定の個数のスロット(52)を有し、2つのスロット(52)の夫々は、突出部(53)により互いに分離されており、そしてまた、巻くことによる前記ステータ(3)の形成中、前記スロット(52)は、各層において、先の層のスロット(52)の前方に、これと適合するように配置され、キャビティ(3H)を形成することを特徴とする請求項6の方法。
  8. 前記ロータ(2)は、前記1つのストリップ(6)を巻くことにより形成され、このストリップ(6)は、規定の個数の分割部分(61)に分けられており、この分割部分(61)の内側及び外側の曲率半径は、前記ロータ(2)の内側及び外側の曲率半径に夫々適合されており、各分割部分(61)は、規定の個数の閉じられているスロット(62)を有し、また、隣接した2つの前記分割部分(61)の夫々のみが、側方の境界面の外側のエッジ部で互いに接続されており、そして、隣り合った2つの前記分割部分(61)間の分割ライン(64)が、前記スロット(62)を、あるいは、隣り合った2つの前記スロット(62)間の中央を通っていることを特徴とする請求項6の方法。
  9. 巻くことにより前記ロータ(2)及びステータ(3)を形成したとき、次の等式
    (N+N)/Nseg=Zseg、ここで、Zsegは、前記分割部分(51、61)毎のスロット(52、62)の個数、Nは、巻かれている1つの層の全ての前記スロット(52、62)の個数、Nsegは、巻かれている1つの層の前記分割部分(51、61)の個数、Nは、最初に巻かれた層の第1の分割ライン(54、64)と、次の層の第1の分割ライン(54、64)との間に配置されている前記スロット(52、62)の個数、
    が、満たされており、加えて、以下の状況
    seg=integer、1≦N<Zseg、C=(N×Nseg)/(N+N)≠integer、Nseg−C<1、
    が、満たされている場合、複数の前記分割部分(51、61)間の前記分割ライン(54、64)の夫々は、前記ストリップ(5、6)の巻かれている1つの層から次の層へと互いにずらされていることを特徴とする請求項6ないし8のいずれか1の方法。
  10. 充分巻くことにより形成された前記ロータ(2)の芯部は、前記ロータ(2)の全長について所定の角度θだけねじられ、この結果、前記ロータ(2)の複数のスロット(62)を互いに分離している突出部(63)が、前記ステータ(3)の複数のスロット(52)を互いに分離している前記突出部(53)に対して、アラインメントされることを特徴とする請求項6ないし9のいずれか1の方法。
  11. 充分巻くことにより形成された前記ロータ(2)の芯部は、前記ロータ(2)の複数のスロット(62)を互いに分離している突出部(63)の各々が、小さい距離θから増大されており、また、各スロット(62)及び各突出部(63)の傾きの角度が、Δθだけ増大されていることにより、長軸方向に所定の角度だけ傾けられており、この結果、前記突出部(63)は、前記ステータ(3)の複数のスロット(52)を互いに分離している前記突出部(53)に対して、アラインメントされており、ここで、θr’=θ+Δθ、Δθ=θ/M/Nであり、Mは、巻かれて前記ロータ(2)を形成しているストリップ(6)の層の個数、Nは、前記ロータ(2)のスロット(62)の個数であることを特徴とする請求項6ないし9のいずれか1の方法。
  12. 巻かれて前記ステータ(3)を特定のパターンに形成するための2つの前記ストリップ(5)が、各場合に、比較的幅の狭い1つのストリップ(10)、あるいは、2倍の幅の1つのストリップから切り取られることを特徴とする請求項6ないし11のいずれか1の方法。
  13. 巻かれて前記ロータ(2)を特定のパターンに形成するための2つの前記ストリップ(6)が、各場合に、2倍の幅の1つのストリップ(12)から切り取られることを特徴とする請求項6ないし11のいずれか1の方法。
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