(57)【要約】  ブラシレスモータジェネレータの組立プロセスは、回転子部を介して円周方向に磁束を動かし、回転子部の間に形成される電機子エアギャップの端から端まで前後に磁束を動かす磁極を有する、２つの離隔した回転子部からなる回転子を組み立てることを含む。略非磁性電機子巻型を粘着性接着層で覆う工程と、電機子エアギャップ内に配置されるときに電気的に並列接続される一方で条長に沿って互いに電気絶縁される複数の個々に絶縁された導体撚線からなり、撚線が外側横巻線によって直径方向に結合されるワイヤを用いて、電機子巻線を略非磁性巻型上に巻線パターンで巻き付ける工程とにより空心電機子が形成される。電機子巻型の巻き付け工程は、ワイヤの複数の区画への粘着性接着層に対する連続的な加圧を含む。【選択図】図２
2019531046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子部を介して円周方向に磁束を動かし、前記回転子部の間に形成される電機子エアギャップの端から端まで前後に磁束を動かす磁極を有する、２つの離隔した前記回転子部からなる回転子を組み立てることと、
略非磁性電機子巻型を粘着性接着層で覆うことと、前記電機子エアギャップ内に配置されるときに電気的に並列接続される一方で条長に沿って互いに電気絶縁される複数の個々に絶縁された導体撚線からなり、前記撚線が外側横巻線によって直径方向に結合されるワイヤを用いて、電機子巻線を前記略非磁性巻型上に巻線パターンで巻き付けることとにより空心電機子を形成することであって、
前記巻き付けは、前記ワイヤの複数の区画への前記粘着性接着層に対する連続的な加圧を含み、前記巻き付けプロセスの間、前記粘着性接着層の粘着性により、磁性トルクを発生させるのに後で必要となる前記巻線パターンで前記ワイヤが前記略非磁性電機子巻型に保持されることと、
前記空心電機子を前記電機子エアギャップに挿入し、前記回転子とモータジェネレータの固定子との間で磁気誘導トルクが発生するように前記空心電機子を前記固定子に実装することと
を含むブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項２】
前記粘着性接着層はフィルム状接着剤を含む、請求項１に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項３】
前記フィルム状接着剤はＢ段階熱硬化性ポリマーフィルムを含む、請求項２に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項４】
前記ワイヤの前記複数の個々に絶縁された導体撚線は熱可塑性ポリマーコーティングの層を含み、前記ワイヤは前記巻線パターンで前記略非磁性電機子巻型に接着された後で前記撚線が加熱されて互いに接合される、請求項１に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項５】
前記巻線パターンを形成し、前記ワイヤに前記略非磁性電機子巻型上の前記粘着性接着層に対して圧力をかけるパラレルキネマティックロボットによって、前記巻線が前記略非磁性電機子巻型に付着される、請求項１に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項６】
前記圧力をかけながら前記ワイヤを前記粘着性接着層上に回転させる繰出しローラを用いて前記巻線パターンが形成される、請求項５に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項７】
前記モータジェネレータはラジアル電機子エアギャップを備え、前記略非磁性電機子巻型はチューブを備え、
前記プロセスは、前記巻線パターンの完成後に、前記ワイヤを前記粘着性接着層に対して半径方向に押しつぶす円周応力被印加層で前記巻線を包むことをさらに含み、
前記被印加層には、軸方向条長毎に、前記チューブの第１直径方向限界座屈荷重より小さい半径方向圧縮を前記略非磁性電機子巻型に及ぼす張力がかけられる、請求項１に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項８】
回転子部を介して円周方向に磁束を動かし、前記回転子部の間に形成される電機子エアギャップの端から端まで前後に磁束を動かす磁極を有する、２つの離隔した前記回転子部からなる回転子を組み立てることと、
略非磁性電機子巻型を粘着性接着層で覆う工程と、前記電機子エアギャップ内に配置されるときに電気的に並列接続される一方で条長に沿って互いに電気絶縁される複数の個々に絶縁された導体撚線からなるワイヤを用いて、電機子巻線を前記略非磁性巻型上に巻線パターンで巻き付ける工程とにより空心電機子を形成することであって、
前記巻線パターンで動き、前記ワイヤを吐出し、前記ワイヤの複数の区画へ前記粘着性接着層に対して連続的に加圧するパラレルキネマティックロボットによって、前記巻線は前記略非磁性電機子巻型に付着され、前記巻き付けプロセスの間、前記粘着性接着層の粘着性により、磁性トルクを発生させるのに後で必要となる前記巻線パターンで前記ワイヤが前記略非磁性電機子巻型に保持されることと、
前記空心電機子を前記電機子エアギャップに挿入し、前記回転子とモータジェネレータの前記固定子との間で磁気誘導トルクが発生するように前記空心電機子を前記固定子に実装することと
を含むブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項９】
前記モータジェネレータはラジアル電機子エアギャップを備え、前記略非磁性電機子巻型はチューブを備え、
巻き付けヘッドを動かしてワイヤを吐出し、前記ワイヤに前記略非磁性電機子巻型上の前記粘着性接着層に対して圧力をかけるパラレルアームを前記パラレルキネマティックロボットが備え、
前記プロセスはさらに、別のモータ駆動軸によって前記略非磁性電機子巻型を支持して前記巻き付けヘッドに隣接して前記チューブの軸を中心に回転させ、前記チューブの周縁に前記巻線の前記巻線パターンが形成される、請求項８に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１０】
前記パラレルキネマティックロボットは、前記巻線を付着させる際に、ばね力圧力補償ヘッドを利用して、前記ワイヤに前記略非磁性電機子巻型上の前記粘着性接着層に対してかけられる前記圧力の変動を減少させる、請求項８に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１１】
前記パラレルキネマティックロボットは巻き付けヘッドを動かして、前記ワイヤを吐出し、前記ワイヤに前記略非磁性電機子巻型上の前記粘着性接着層に対して圧力をかけ、
前記圧力をかけながら前記ワイヤを前記粘着性接着層上に回転させる繰出しローラを用いて前記巻線パターンが形成される、請求項８に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１２】
前記パラレルキネマティックロボットに繰出す巻枠から前記ワイヤが吐出され、前記巻枠が回転することなく静止状態に維持されてワイヤを吐出し、前記巻枠から吐出された前記ワイヤにテンショナが張力を付加する、請求項８に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１３】
前記略非磁性電機子巻型は繊維強化ポリマーからなる、請求項８に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１４】
前記ワイヤの前記複数の個々に絶縁された導体撚線は熱可塑性ポリマーコーティングの層を含み、前記ワイヤは前記巻線パターンで前記略非磁性電機子巻型に接着された後で前記撚線が加熱されて互いに接合される、請求項８に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１５】
モータジェネレータの回転子を組み立てることと、
固定子部を粘着性接着層で覆う工程と、前記電機子エアギャップ内に配置されるときに電気的に並列接続される一方で条長に沿って互いに電気絶縁される複数の個々に絶縁された導体撚線からなるワイヤを用いて、電機子巻線を巻線パターンで巻き付ける工程とにより空心電機子を形成することであって、
前記巻き付ける工程は、前記ワイヤの複数の区画への前記粘着性接着層に対する連続的な加圧を含み、前記巻き付けプロセスの間、前記粘着性接着層の粘着性により、磁性トルクを発生させるのに後で必要となる前記巻線パターンで前記巻線を前記固定子部に保持することと、
前記回転子と前記固定子との間で磁気誘導トルクが発生するように前記回転子とともに前記固定子部を組み立てることと
を含むブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１６】
前記巻線パターンを形成し、前記ワイヤに前記固定子部上の前記粘着性接着層に対して圧力をかけるパラレルキネマティックロボットによって、前記巻線が前記固定子部に付着される、請求項１５に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１７】
前記粘着性接着層は感圧接着フィルムを含む、請求項１６に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１８】
前記パラレルキネマティックロボットが動いて、前記巻線を蛇行巻線パターンで前記固定子部に付着させ、前記固定子部の周縁を複数回横切って単相の巻線が巻き付けられる、請求項１７に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項１９】
前記巻き付けプロセスの前記巻線パターンの完成後にさらに硬化されて前記ワイヤの前記固定子部への接合強度を高めるＢ段階熱硬化性ポリマーフィルムを前記粘着性接着層が含む、請求項１５に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【請求項２０】
前記パラレルキネマティックロボットは、前記巻線を付着させる際に、ばね力圧力補償ヘッドを利用して、前記ワイヤに前記固定子部上の前記粘着性接着層に対してかけられる前記圧力の変動を減少させる、請求項１５に記載のブラシレスモータジェネレータの組立プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うためのモータジェネレータに関し、特に高い電気―機械エネルギー変換効率およびパワー密度を生み出すモータジェネレータの新規の組立プロセスに関する。この独自のプロセスにより、これらの機械の製造は高度に自動化されつつ、さらに高率で行うことが可能になる。
【背景技術】
【０００２】
電気モータジェネレータは、電力と回転機械力との間の変換を行う。現在、モータは発電量の５０％以上を消費する。省エネルギーおよび環境汚染の減少のため、電気モータの効率を上げることが強く求められている。
【０００３】
抵抗損失および磁気誘導損失を削減することによって電気モータジェネレータの効率を上げることも場合によっては可能である。磁気損失はヒステリシス損と渦電流損とを含み、モータジェネレータの異なる部分で磁界が変化することに起因する。
【０００４】
磁気誘導損失の削減に対応可能な電気機械の種類の１つは空心構造である。空心モータジェネレータでは巻線を、従来の電気機械のように鉄固定子に切り込まれたスロットにではなく、磁気エアギャップ内に配置する。
【０００５】
空心モータジェネレータの１つの課題は電機子をできるだけ低コストの大量生産で作製することである。低コストで作製できなければ上首尾ではない。製造を自動化することがよりいっそう望ましい。しかし、これまでのモータジェネレータでさえ、作製には相当な手作業が行われる。今日に至るまで、空心モータジェネレータは相当、場合によってはこれまでの電気機械よりも多く手作業を要してきた。
【０００６】
できるだけ高いエネルギー変換効率の空心モータジェネレータを作製する新規のプロセスであり、非常に高率で作製可能であり、独自に自動化に適合できるプロセスを開発することが望ましい。そのような新規のプロセスにより、新規のエネルギー効率のよいモータジェネレータを普及させ、世界のエネルギー利用に相当な変化をもたらすことができる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、従来のモータジェネレータより高い効率およびパワー密度で動作できる空心モータジェネレータの高率自動化作製プロセスを提供する。特別な構造から、ヒステリシスと渦電流とを含む抵抗損失および磁気誘導損失を削減することにより高性能が実現されるため、円周方向に変動する磁束が強磁性固定子を通過しない。今日まで、そのような機械の製作は時間がかかり、大きな労働力を要するものであったため、そのような機械の採用は限られていた。本発明の新規のプロセスは、回転子部を介して円周方向に磁束を動かし、前記回転子部の間に形成される電機子エアギャップの端から端まで前後に磁束を動かす磁極を有する、２つの離隔した回転子部からなる回転子を組み立てることを含む。このプロセスは、略非磁性電機子巻型を粘着性接着層で覆うことと、電機子エアギャップ内に配置されるときに電気的に並列接続される一方で条長に沿って互いに電気絶縁される複数の個々に絶縁された導体撚線からなるワイヤを用いて、電機子巻線を略非磁性巻型上に巻線パターンで巻き付けることとにより空心電機子を形成することをさらに含む。ワイヤの撚線は、巻き付けプロセス中に保護されるように外側横巻線によって直径方向に保持されてもよい。上記巻き付けプロセスは、ワイヤの複数の区画への粘着性接着層に対する連続的な加圧を含み、巻き付けプロセスの間、粘着性接着層の粘着性により、磁性トルクを発生させるのに後で必要となる巻線パターンでワイヤを略非磁性電機子巻型に保持する。回転子と固定子との間で磁気誘導トルクが発生するように、巻き付け完了後、空心電機子は電機子エアギャップに挿入され、モータジェネレータの固定子に実装される。略非磁性巻型上の粘着性接着層へ（顕著な巻跡なしに）容易に接着されることを可能にする、独自の高いワイヤ可撓性の組み合わせにより、巻き付けプロセスが驚くほど効果的であることを見出した。電機子巻型は略非磁性であり、これは、ヒステリシスと渦電流とを含む磁気誘導損失という非効率といった不都合を構造的メリットや他のメリットが上回る場合は磁気材料を少量含み得ることを意味する。
【０００８】
本発明の別の実施形態では、粘着性接着層はフィルム状接着剤を含むのが好ましい。フィルム状接着剤は、巻き付けプロセスの前に略非磁性巻型に塗布される。巻き付けプロセスの間、ワイヤを保持するのに十分な粘着性、およびモータジェネレータが動作する間、電磁トルクに抵抗するのに十分な強度を有していれば、多種多様なフィルム状接着剤が利用可能である。２種類のフィルム状接着剤として、硬化により強度を増すことができる構造用接着剤と、室温粘着性が非常に高い感圧接着剤とがある。ポッティングを利用した空心電機子の従来の製造とは異なり、成形が不要なため、よりいっそう高速な製造が可能になる。同様に、巻線をかたちづくるのに仮の金型一式は不要である。電機子エアギャップに後で直接挿入される略非磁性巻型上に巻線が直に形成される。モータジェネレータは積層鋼固定子が不要であり、巻線を鋼固定子に接合させる必要はない。
【０００９】
さらに別の実施形態では、フィルム状接着剤はＢ段階熱硬化性ポリマーフィルムを含む。通常このような構造用接着剤は室温粘着力が低いため、巻き付けプロセスがより難しくなる。しかし、粘着力を高めるために少し温度を上げて巻き付けを行うことができる。巻き付け完了後、ポリマーフィルムをさらに硬化して強度を増してもよい。トルクを発生させる磁束内を横切る部分である活性領域の略非磁性巻型に巻線が接着されるのが好ましい。巻線には、円周方向に横切り、トルクを発生させない座巻もさらに含まれる。したがって座巻は巻型に接着させる必要がなく、遊離していても支持されていなくてもよい。
【００１０】
またさらに別の実施形態では、当該プロセスは、熱可塑性ポリマーコーティングの層を有するワイヤの、複数の個々に絶縁された導体撚線をさらに含む。ワイヤが略非磁性電機子巻型に巻線パターンで接着された後、撚線が加熱されて互いに接合される。これには、空心電機子の構造の剛性を高め、活性領域部分を巻型から剥がれ落ちにくくし、座巻の設計剛性形状を保持して電機子を電機子エアギャップに挿入しやすくするといったいくつかのメリットがある。
【００１１】
電磁トルクを発生させるために可撓性の巻線ワイヤを所望の巻線パターンに配置して粘着性接着層に押し付けるのは、自動化プロセスによって行われるのが好ましい。本発明の別の実施形態では、巻線パターンを形成し、ワイヤに略非磁性電機子巻型上の前記粘着性接着層に対して圧力をかけるパラレルキネマティックロボットによって、巻線は略非磁性電機子巻型に付着される。デルタロボット等のパラレルキネマティックロボットには、シリアルロボットよりもいっそう高速で動くという利点がある。デルタロボットは、主要な機械軸が直列ではなく並列にロボット面板に作用するパラレルリンクロボットである。これにより、素早く正確な動きが可能になる。パラレルキネマティックロボットは現在、ピックアンドプレース材料運搬に用いられている。しかし本発明によれば、デルタロボットを用いて、ワイヤの巻線パターンを素早く正確に配置し、ワイヤを略非磁性巻型に接着させる。
【００１２】
別の実施形態では、圧力をかけながらワイヤを粘着性接着層上に回転させる繰出しローラを用いて巻線パターンが形成される。好ましくは、ローラを用いて、ワイヤを高速で繰出し、巻型へ粘着性フィルム状接着剤に対して圧力をかけることも可能である。巻線パターンを作るために巻線方向を変更および制御するように、ロボット面板の軸を中心に回転するのに繰出しローラを用いてもよい。
【００１３】
粘着性接着層に構造用接着剤が利用される場合、トルクを発生させるのに十分な結合がワイヤと巻型の間に生じるように当該構造用接着剤を後硬化させてもよい。しかし、粘着性が高く、後硬化が不要であるという理由から、かわりに感圧接着剤を利用するのが好ましい場合もある。感圧接着剤だけでは、モータジェネレータの動作に十分な重ね剪断強度がない。このことは、ラジアルギャップモータジェネレータにおいて、円周応力被印加層で巻線を包むことによって克服可能である。本発明のさらに別の実施形態では、モータジェネレータはラジアル電機子エアギャップを備え、略非磁性電機子巻型はチューブを備える。当該プロセスは、巻線パターンの完成後に、ワイヤを粘着性接着層に対して半径方向に押しつぶす円周応力被印加層で巻線を包むことをさらに含む。単純な形態では、当該層は動作中の動きに対する巻線の抵抗を高める単なるテープの層であってもよい。アクリルまたはシリコーン接着性ポリエステルテープはそのような利用可能なテープの１つである。強度を増すために繊維強化層をかわりに用いることも可能である。被印加層には、軸方向条長毎に、チューブの第１直径方向限界座屈荷重より小さい半径方向圧縮を略非磁性電機子巻型に及ぼす張力をかけるのが好ましい。これにより、被印加層を施しても空心電機子が卵型になることを防ぐ。
【００１４】
本発明の他の実施形態では、ブラシレスモータジェネレータの組立プロセスは、回転子部を介して円周方向に磁束を動かし、回転子部の間に形成される電機子エアギャップの端から端まで前後に磁束を動かす磁極を有する、２つの離隔した回転子部からなる回転子を組み立てることを含む。このプロセスは、略非磁性電機子巻型を粘着性接着層で覆うことと、電機子エアギャップ内に配置されるときに電気的に並列接続される一方で条長に沿って互いに電気絶縁される複数の個々に絶縁された導体撚線からなるワイヤを用いて、電機子巻線を略非磁性巻型上に巻線パターンで巻き付けることとにより空心電機子を形成することをさらに含む。このワイヤ構造は、高速巻き付け用可撓性巻線ワイヤのメリットをもたらすと同時に、空心電機子で相当な渦電流損失が生じるのを防ぐ。巻線パターンで動き、ワイヤを吐出し、ワイヤの複数の区画へ粘着性接着層に対して連続的に加圧するパラレルキネマティックロボットによって、巻線が略非磁性電機子巻型に付着されるのが好ましく、巻き付けプロセスの間、粘着性接着層の粘着性により、磁性トルクを発生させるのに後で必要となる巻線パターンでワイヤを略非磁性電機子巻型に保持する。回転子と固定子との間で磁気誘導トルクが発生するように、空心電機子が電機子エアギャップに挿入され、モータジェネレータの固定子に実装される。
【００１５】
当該プロセスは、ラジアルギャップ空心モータジェネレータとアキシャルギャップ空心モータジェネレータ、両方の作製に利用可能である。ラジアルギャップモータジェネレータの製造では、電機子は別のロボット軸によって支持されるのが好ましい。本発明の当該実施形態では、モータジェネレータはラジアル電機子エアギャップを備え、略非磁性電機子巻型はチューブを備える。パラレルキネマティックロボットは、巻き付けヘッドを動かしてワイヤを吐出し、ワイヤに略非磁性電機子巻型上の粘着性接着層に対して圧力をかけるパラレルアームを含む。当該プロセスは、別のモータ駆動軸によって略非磁性電機子巻型を支持して巻き付けヘッドに隣接してチューブの軸を中心に回転させ、チューブの周縁に巻線の巻線パターンを形成できるようにすることをさらに含む。
【００１６】
シリアル型ロボットと比較して、パラレルキネマティックロボットは、速度をある程度の運動精度に替えてもよい。圧縮し過ぎず、巻型を損傷せずに、巻線と略非磁性巻型との間の接合圧力が必ず正確になるように、本発明の別の実施形態では、ばね力圧力補償ヘッドをパラレルロボット面板に付加することで加圧力の変動を削減する。これは、圧力が設定されたばねまたは空気圧シリンダであり得る。モータジェネレータの性能を最大にするため、電機子エアギャップを最小化し、磁束密度を上げるように、電機子巻型は薄型であることが好ましい。損失の増加やエアギャップ磁束場の歪みがないように、電機子巻型材料は略非磁性であることが好ましい。好ましい材料としては、ポリカーボネート等のプラスチックや剛性、強度および耐熱性が高いというメリットがあるガラス繊維複合材料があげられる。
【００１７】
モータジェネレータの作製のため、巻線ワイヤが比較的重い巻枠上に収められる場合がある。同様に、パラレルロボットによるワイヤの繰出し速度が活性領域および座巻を横切る際に大幅に変動する場合がある。その結果、巻枠の慣性によって張力の変動が非常に高まるとともに、オーバースプーリングになり得る。これを防ぎ、高速巻き付けを可能にするため、別の実施形態では、パラレルキネマティックロボットに繰出す巻枠からワイヤが吐出され、巻枠が回転せずにワイヤを吐出し、巻枠から吐出された後のワイヤにテンショナが張力を付加する。これを行う１つの方法として、巻線ワイヤ用センタープル巻枠を用いる。巻枠からの吐出後、固定バーまたはローラによって張力を印加することが可能である。
【００１８】
電磁トルクを発生させるための巻線パターンは従来のコイルを用いることが可能であるが、より好ましいパターンとさらに別の実施形態として、パラレルキネマティックロボットが動いて巻線を固定子部に蛇行巻線パターンで付着させ、単相の巻線が固定子部の周縁を複数回横切って巻き付けられる。この巻線パターンにより、所定の相のコイルを相互接続する必要がなく、異なる相の座巻の重なりを極力抑えた連続相巻線の高速巻き付けが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明とその多くの利点および特徴とは、以下の図面と併せて好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を読むことによって、よりよく理解されるであろう。
【図１】本発明に係るラジアルギャップ空心モータジェネレータの断面図である。
【図１Ａ】図１のモータジェネレータ回転子の端面の断面図である。
【図２】本発明に係る図１のラジアルギャップ空心モータジェネレータで用いる電機子を作製するための電機子製造プロセスの透視図である。
【図２Ａ】図２のラジアルギャップ空心電機子の好ましい巻線パターンの概略図である。
【図３】図２の作製プロセスで用いる空心電機子巻上機の立面図である。
【図４】本発明に係るアキシャルギャップ空心モータジェネレータの断面図である。
【図５】本発明に係る図４のアキシャルギャップ空心モータジェネレータで用いる電機子を作製するための電機子製造プロセスの透視図である。
【図６】本発明に係る電機子製造プロセスにおいて用いる粘着性接着層の異なる種類同士の比較チャートである。
【図７】本発明に係る空心モータジェネレータで用いるワイヤの断面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面を参照すると、同様の参照符号は同一または対応する部分を示しており、図１は回転子３１と固定子３２とからなる空心モータジェネレータ３０を示す。回転子３１は、ハブ３５に取り付けられる、２つの同心の離隔した鉄回転子シリンダ３３、３４で構成される。ハブ３５は、軸受３７、３８で回転のため軸支された中央軸３６によって支持される。軸受３７、３８は、外側筐体チューブ４１によって接続される筐体端板３９、４０に装着される。回転子チューブ３３、３４には、円周方向の、交互に極性が入れ替わる永久磁石アレイ４２、４３が取り付けられ、回転子チューブ３３、３４と回転子チューブ間に設けられた電機子エアギャップ４４との間で磁束を前後に動かす。電機子エアギャップ４４内には、固定された筐体端板３９に取り付けられる空心電機子４５が配置される。空心電機子４５は、電機子エアギャップ４４内に延在し、多相巻線有効長４７を支持するために用いられる非磁性巻型チューブ４６で構成される。巻線４７、４８、４９は、電機子エアギャップ４４内に配置されるときに電気的に並列接続される一方で条長に沿って互いに電気絶縁される複数の撚線からなるワイヤで巻き付けられる。  図７で示されるように、撚線はまとめられ、外側横巻線３２４によって絶縁損傷を防ぐのが好ましい。巻き付けプロセスにおいて感圧接着剤５０を使用することにより、巻線有効長４７は巻型４６に接着される。感圧接着剤５０は、巻き付け前に巻型４６に接着されるＢ段階熱硬化性フィルム状接着剤を含むのが好ましく、巻き付け中に巻線有効長４７の巻型４６への接着力が増すように温められるのが好ましい。巻線４７、４８、４９には、１層で複数の相を有して軸線方向に掛かり、電機子エアギャップ４４内に配置され、磁気アレイ４２、４３から磁束を受け取る有効長４７が含まれる。巻線４７、４８、４９には、円周方向に掛かり、複数の相と重なり、電機子エアギャップ４４の外に配置される座巻４８、４９も含まれる。ガラス繊維／エポキシの外側張力被印加オーバーラップ５１を使って巻線有効長４７を包んでもよく、オーバーラップ５１が巻線有効長４７を圧縮して電機子エアギャップの必要な厚さを減少させるのが好ましい。巻き付け後、フィルム状接着剤５０の硬化、オーバーラップ５１、またはその両方によって巻線有効長４７を巻型に永久的に固定するのが好ましい。
【００２１】
図１のラジアルギャップ空心モータジェネレータの回転子の端面の概略図が図１Ａに示される。回転子３１は、鋼鉄で作られ、６０、６１で示されるように回転子部を介して円周方向に磁束を動かし、６２で示されるように電機子エアギャップ４４の端から端まで半径方向に磁束を動かす磁石４２、４３を有する、２つの離隔した回転子部３３、３４から構成される。
【００２２】
本発明に係る図１の空心モータジェネレータにおいて用いる電機子を作製する装置が図２に示される。当該プロセスでは、図３でより詳細に示されるデルタロボット７１等のパラレルリンクロボットを使用し、主要な機械軸が直列ではなく並列にロボット面板に作用することを含む。これにより、素早く正確な動きが可能になるため、そのようなデルタロボットは現在のところ、指示を履行するためのピックアンドプレース動作に主に用いられる。図２に示されるようにデルタロボットは独自に用いられて、特別に構成されたワイヤを配置し、ワイヤを送り出し、ワイヤに電機子固定子４５に対して独自に圧力をかけ、後で電磁トルクが発生するように、固定子は感圧接着剤に圧力をかけて一時的に巻線をある形状に維持する。複数の相の巻線が固定子に巻き付けられ、巻き付けプロセスの間、感圧接着剤が巻線の有効長部分を所定の位置で一時的に保持する。座巻は回転子とともに電磁トルクを発生させることはなく、磁気エアギャップの外に配置され、必ず重なっている。
【００２３】
図２に示されるように、電機子製造プロセス７０はデルタロボット７１を用いて、特別な複数の個々に絶縁された撚線導体ワイヤ７４を巻枠７２から空心電機子４５へ巻き付ける。巻枠としては、従来の回転アウタープルタイプもあり得るが、高速巻き付けプロセスにおける回転巻枠の慣性および張力制御の変動の影響を排除するには、センタープル等の非回転型であるほうがより好ましい。ワイヤ７４を送り出し、有効長巻線４７を電機子巻型４６上の感圧接着剤５０に対して押し付ける繰出しヘッド７３をデルタロボットが有する。巻型４６のそれぞれの端において、繰出しヘッド７３は座巻４８、４９を形成する。巻線４７、４８、４９は蛇行パターンで巻き付けられ、電機子４５の周縁への複数回の巻き付けにより各相が構成されるのが好ましい。この巻線パターンのメリットは、巻線の長さおよび抵抗が最小限に抑えられるうえ、必要な電気接続の数も最小限に抑えられることである。別の好ましい実施形態においては、各相が連続的に巻き付けられ、その後、切断されて個々の相の巻線が作製される。１相完成すると、繰出し７３は次の相の巻き付けを始める前に余分にワイヤの輪を送り出すことができ、巻き付けプロセスが完了してからこの輪を切断して、リードを有する個々の相を得ることができる。巻き付けプロセスには、電機子巻型４６を保持し、正確に、繰出しの動きに合わせて回転して巻線パターンを作るチャック７６付きの主軸台７５も含まれる。巻枠７２と繰出し７３との間におけるワイヤ７４のねじれを最小限に抑えるため、主軸台７５の巻き方向を連続する相の巻き付けの間で交互にするのが望ましい。巻き付け完了後、接着剤を硬化させるか、巻線を包むか、またはそれ以外の方法で巻線を永久的に固定するのが好ましい。十分な接着力と硬化を不要とする温度性能とを有する感圧接着剤を用いることも可能である。しかし、一般に架橋熱硬化性接着剤は強度と温度性能が最も高い。
【００２４】
本発明に係る図２のラジアルギャップ空心電機子の好ましい巻線パターンの概略図が図２Ａに示される。空心電機子はガラス繊維強化ポリマーチューブ４６からなる。巻線は、トルクを発生させるために磁束内に配置される有効長部分４７と、巻型の端の座巻４９および座巻４９とを含む。巻線ワイヤ７４は、感圧接着剤フィルムの粘着力を利用して蛇行路で巻型４６の周縁に接着される。典型的な構造では、巻線３相を巻き付けるのが最も一般的である。
【００２５】
本発明に係る図２の作製プロセスで用いる空心電機子を製造するための装置７１の概略図が図３に示される。製造機械７１は、支持板８０に取り付けられ、並列アーム８４、８５を用いることによりデカルト座標で面板８６を一緒に動かす３軸モータ８１、８２、８３を有するデルタロボットを備える。シリアルリンク型ロボットとは対照的なパラレルリンクを用いることにより、最大で毎秒１０メートルの電機子巻き付け速度が可能である。  巻線送出方向を制御することができる補助繰出し方向軸装置８７が面板８６に取り付けられてもよい。繰出し方向軸装置８７には、感圧接着剤に巻線を接着させる際に繰出し７３の圧力を巻線により均一にかけることを可能にする圧力制御ヘッド８８も取り付けることができる。感圧ヘッド８８は、有効長部分４７を電機子巻型４６に接着させる際にワイヤと電機子巻型との間の圧力を調整するばね、空気圧シリンダまたはその他の機構であり得る。
【００２６】
巻線ワイヤ７４は滑車輪９２、９３を介してデルタロボット７１の中心に引き込まれ、面板８６に対して垂直に進む。面板８６の穴、繰出し方向軸装置８７および圧力制御ヘッド８８により、ワイヤが繰出し７３に直接送られる。滑車輪８９、９０はワイヤ７４を電機子４５へ送り出し、巻線方向を制御し、ワイヤに圧力をかけて有効長部分４７を電機子巻型４６上の感圧接着剤５０に接着させる。巻枠からワイヤ７４を引き出し、ワイヤを繰出し７３の外へ押し出すために、ピンチローラ９１等のワイヤ送出システムが含まれ得る。ワイヤ送出システム９１は、巻線の座巻４８、４９で必要となるルーピングを可能にする。
【００２７】
図４に示されるように、アキシャルギャップ空心モータジェネレータ２３０の電機子２４５は平坦な円盤として構成される。アキシャルギャップモータジェネレータ２３０は回転子２３１と固定子２３２とからなる。回転子２３１は中央ハブ２３５によって接続される２つの離隔した鋼円盤２３３、２３４から形成される。回転子２３１は、筐体端板２３９、２４０に支持される軸受２３７、２３８によって回転のため軸支される。外側筐体チューブ２４１は筐体端板２３９、２４０を接続し、加えて、実装接続板２４６を介して電機子エアギャップ２４４内で空心電機子２４５を支持する。空心電機子２４５は、有効長部分２４７、内側座巻部分２４８、外側座巻部分２４９を備える。２つの回転子円盤上には、回転子部２３３、２３４を介して円周方向に磁束を動かし、電機子エアギャップ２４４の端から端まで磁束を動かす永久磁石２４２、２４３が配置される。鋼鉄から構成されない回転子円盤２３３、２３４を利用することも可能であり、磁石２４２、２４３はハルバッハ配列を利用して回転子上で磁束を円周方向に導く。
【００２８】
本発明に係る図４のアキシャルギャップ空心モータジェネレータで用いる電機子を作製するための電機子製造プロセスの概略図が図５に示される。製造プロセス２００は、パラレルキネマティックロボット７１を用いて巻線ワイヤ７４を空心電機子２４５上に巻き付ける。電機子巻型２０１は、Ｂ段階エポキシフィルム状接着剤２０２を表層とする平板状のガラス繊維強化エポキシからなる。巻き付け中にフィルム状接着剤２０１の粘着力を増すために、周囲温度を上げてもよい。パラレルキネマティックロボット７１は、所望のパターンで動き、巻線ワイヤ７４に粘着性接着層２０２と略非磁性巻型２０１に対して圧力をかけることにより、巻線パターン２０３を形成する繰出しローラ９０付きの繰出しヘッド７３を有する。空心電機子２４５の巻き付け完了後、過硬化により巻線ワイヤ７４と巻型２０１との間の重ね剪断強度を増すのが好ましい。
【００２９】
ポリマー接着剤は様々な種類が入手可能である。本発明によれば、粘着性接着層の使用には、モータジェネレータの動作状態における重ね剪断強度、および巻線製造プロセスにおける周囲温度または巻き付け温度での粘着力という２つの重要な必要条件がある。本発明に係る電機子製造プロセスにおいて用いる粘着性接着層の異なる種類同士の比較チャートが図６に示される。Ｂ段階エポキシフィルム３０２等の構造用接着剤は、アクリルテープ３０３等の感圧接着剤に比べて高い重ね剪断強度を示す。しかし、動作強度と巻き付けプロセスの容易さとの間には相反関係がある。Ｂ段階エポキシフィルム３０５は、周囲温度での粘着力３０４がアクリルテープ３０６よりもかなり低いため、巻線を略非磁性巻型に接着させるのがよりいっそう難しいことを示す。粘着力が低いことは、巻き付けプロセスにおける温度を上昇させることにより克服できる。同様に、重ね剪断強度が低いことは、張力被印加オーバーラップ層を足すことにより克服できる。感圧接着剤の１つの利点は硬化を必要としないことである。ハイブリッドであり、好適に使用することもできる新規のポリマー接着剤配合物が現在は利用可能である。
【００３０】
本発明に係る空心モータジェネレータで用いるワイヤの断面の概略図が図７に示される。ワイヤ３２０は、前記電機子エアギャップ内に配置されるときに電気的に並列接続される一方で条長３２３に沿って互いに電気絶縁される複数の個々に絶縁された導体撚線３２２からなる。この構造では、絶縁体３２３を用いることにより、数百もの小さな撚線３２２が電機子エアギャップ内で変化する磁界にさらされるときに、互いに電気的に絶縁される。磁束の外の接続によりワイヤ３２０の撚線が電気的に並列である一方、電機子エアギャップにおいて撚線が大きな渦電流損を発生させるのを防ぐというメリットがある。実際の撚線３２２の撚線絶縁体３２３の損傷を防ぐため、外側横巻線３２４を用いてワイヤ束３２０を保持するのが好ましい。横巻線は、マイラーテープ、ナイロン糸および他の構造を含み得る。外側横巻線３２４の別のメリットは、パラレルキネマティックロボットによる高速巻き付けプロセスが容易になることである。撚線絶縁体３２３の表面に熱可塑性コーティング３２１の層を施すのがさらに望ましい場合もある。コーティング３２１を用いることにより、撚線３２２を加熱で接合させることができ、巻型に巻線パターンが完成した後の巻型付き可撓性巻線の剛性を高めることができる。
【００３１】
説明された好ましい実施形態の数多くの改良例、変形例があり得ること、および当業者が本発明の開示からこれらを想起するであろうことは明らかである。したがって、これらの改良例、変形例およびその均等物が、特許請求の範囲で規定する本発明の趣旨および範囲に含まれるものとする。
【図１】
2019531046.tif 000003
【図１Ａ】
2019531046.tif 000004
【図２】
2019531046.tif 000005
【図２Ａ】
2019531046.tif 000006
【図３】
2019531046.tif 000007
【図４】
2019531046.tif 000008
【図５】
2019531046.tif 000009
【図６】
2019531046.tif 000010
【図７】
2019531046.tif 000011
【国際調査報告】
2019531046.tif 000012