(57)【要約】  電気機械が、固定子と共に記載されている。電気機械は、固定子であって、端面を有する円筒状の固定子コアと、端面に設けられたスロットであって、各スロットが固定子コアを通り抜けているスロットと、スロット内に配置された複数の導体バーと、導体バーのうちの少なくとも２つを電気的に接続する端面アセンブリとを含む固定子と、複数の磁極対を有する回転子と、導体バーに、又は導体バーから供給される励磁電流を調整するために、固定子に電気的に接続されたコントローラであって、励磁電流の周波数から独立して励磁電流の振幅を調整するコントローラと、を含む。この配設は、固定子構造を簡略化し、かつ電気機械の最適化を可能にする。
2019525713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械であって、
固定子と、
複数の磁極対を有する回転子と、
コントローラと
を含み、
前記固定子は、
端面を有する円筒状の固定子コアと、
前記端面に設けられて各スロットが前記固定子コアを通り抜ける複数のスロットと、
前記スロットの中に配置された複数の導体バーと、
前記導体バーの少なくとも２つを電気的に接続する端面アセンブリと
を含み、
前記コントローラは、前記導体バーに又は前記導体バーから供給される励磁電流を調整するべく前記固定子に電気的に接続され、
前記コントローラは、前記励磁電流の周波数から独立して前記励磁電流の振幅を調整する、機械。
【請求項２】
前記複数の導体バーは、前記スロットの容積の近似的に６０％〜９０％を満たす、請求項１に記載の機械。
【請求項３】
スロットごとに１つ又は２つの導体バーが設けられる、請求項１又は２に記載の機械。
【請求項４】
少なくとも２つの導体バーの端が、前記端面から外向きに突出し、
前記導体バーに電気的に接続された前記端面アセンブリが、前記導体バーの前記端を受容する、請求項１に記載の機械。
【請求項５】
前記励磁電流は複数の相を含み、
前記コントローラは、スロットの中に配置された各導体バーに同相の励磁電流を供給するように構成される、請求項１〜４のいずれかに記載の機械。
【請求項６】
複数のスロットが、１つ以上の電気スロットグルーピングを形成し、
各グルーピングが、他のグルーピングから独立して直列にコントローラに電気的に接続される、請求項１〜５のいずれかに記載の機械。
【請求項７】
各電気スロットグルーピングが、別々の電気相を有する励磁電流によって励起される、請求項６に記載の機械。
【請求項８】
前記コントローラは、
前記導体バーに励磁電流を供給する電源と、
前記電源とは動作的に独立した転流コントローラと
を含み、
前記転流コントローラは、いずれの所与の時間においても前記固定子の異なる導体バーへの前記励磁電流の供給のタイミング及び持続時間を制御するように動作する、請求項１〜７のいずれかに記載の機械。
【請求項９】
前記電源は、前記導体バーに供給される前記電流の前記振幅を制御するための電流供給コントローラを含む、請求項８に記載の機械。
【請求項１０】
前記電流供給コントローラは、前記モータの目標速度に依存して前記導体バーに供給される前記電流振幅を調整する調整電流供給フィードバックループを含む、請求項９に記載の機械。
【請求項１１】
前記励磁電流の供給のタイミング及び持続時間が、前記モータの角度位置に依存し、
前記励磁電流の振幅が、前記導体バーへの前記励磁電流の印加のタイミング及び持続時間から独立して可変である、に記載の機械。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の機械を含む、強制誘導システム。
【請求項１３】
各バーが、一様な中実バーである、請求項１〜１２のいずれかに記載の機械。
【請求項１４】
各バーが、積層された中実導体の硬質複合構造である、請求項１〜１３のいずれかに記載の機械。
【請求項１５】
前記導体バーは、前記端面アセンブリ内の切り欠き部分によって受容される、請求項１〜１４のいずれかに記載の機械。
【請求項１６】
前記端面アセンブリは、前記導体バーを電気的に接続するための１つ以上の端面導体を含む、請求項１〜１５のいずれかに記載の機械。
【請求項１７】
各端面導体が絶縁材料で被包された導電材料を含むことにより、各端面導体が電気的に絶縁される、請求項１６に記載の機械。
【請求項１８】
前記端面アセンブリは、共に挟まれた１つ以上の端面導体を含む、請求項１６又は１７に記載の機械。
【請求項１９】
各端面導体又は前記端面導体が、２つ以上の導体バーを単相電気信号に電気的に接続するように配設される、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の機械。
【請求項２０】
各端面導体又は前記端面導体が、不連続表面を形成するようにセグメント化される、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の機械。
【請求項２１】
前記不連続表面は、２つ以上の導体バーを電気的に接続するための１つ以上のバスバーを含む、請求項２０に記載の機械。
【請求項２２】
前記バスバーは、導体バーの前記端部を受容するための開口を含む、請求項２１に記載の機械。
【請求項２３】
前記端面導体は切り欠きを含み、
前記切り欠きは、導体バーをコントローラに直接電気的に接続するための領域を与える、請求項１６〜２２のいずれか１項に記載の機械。
【請求項２４】
２つ以上の端面導体が設けられ、
各端面導体が、絶縁層によって分離され、かつ電気的に絶縁される、請求項１６〜２３のいずれか１項に記載の機械。
【請求項２５】
前記端面アセンブリは、前記端面アセンブリを冷却するために熱板を受容するように構成される、請求項１〜２４のいずれかに記載の機械。
【請求項２６】
前記端面アセンブリは、熱板に当接するべく構成される、請求項２５に記載の機械。
【請求項２７】
前記端面アセンブリは、前記固定子から熱を放散するためのヒートシンクを含む、請求項１〜２６のいずれかに記載の機械。
【請求項２８】
前記端面アセンブリは、冷却システムから冷却流体を受容する複数の冷却チャネルを含む、請求項１〜２７のいずれかに記載の機械。
【請求項２９】
前記端面アセンブリは、前記固定子コアの前記端面と実質的に当接する、請求項１〜２８のいずれかに記載の機械。
【請求項３０】
前記端面アセンブリは回路基板を含む、請求項１〜２９のいずれかに記載の機械。
【請求項３１】
前記回路基板は絶縁基板を含む、請求項３０に記載の機械。
【請求項３２】
前記回路基板は１つ以上の電気経路を含み、
各電気経路が、２つ以上の導体バーを電気的に接続し、
任意選択で又は好ましくは、各経路が導体バーを電源の別々の相に電気的に接続する、請求項３０又は３１に記載の機械。
【請求項３３】
前記回路基板は、前記コネクタバーを励起する外部電気接続をさらに含む、請求項３０〜３２のいずれか１項に記載の機械。
【請求項３４】
各電気スロットグルーピングが、別々の端面アセンブリによって電気的に接続される、請求項６又は７に直接的又は間接的に従属する請求項のいずれかに記載の機械。
【請求項３５】
スロットが歯によって分離され、
前記導体バーは、前記歯によってスロット内に閉じ込められる、請求項１〜３４のいずれかに記載の機械。
【請求項３６】
各導電性バーが単一部品である、請求項１〜３５のいずれかに記載の機械。
【請求項３７】
前記励磁電流から生じる前記モータのための所望の逆ＥＭＦ電圧が、各スロット内のバーの構成及び数を変更することよりもむしろ、前記回転子上の磁極対の数及び前記固定子内のスロットの数を変更することによって構成される、請求項１〜３６のいずれかに記載の機械。
【請求項３８】
前記回転子の回転速度が５０，０００ｒｐｍ以上である、請求項１〜３７のいずれかに記載の機械。
【請求項３９】
前記コントローラは、前記モータの前記回転速度に等しい周波数で前記電流を調整する、請求項１〜３８のいずれかに記載の機械。
【請求項４０】
前記機械は、１０Ａ〜２００Ａの電流により１０Ｖ〜２００Ｖの電圧において動作する、請求項１〜３９のいずれかに記載の機械。
【請求項４１】
前記機械は、モータ、発電機、又はモータ発電機のいずれかである、請求項１〜４０のいずれかに記載の機械。
【請求項４２】
高速かつ低インダクタンスの電気機械用の固定子であって、
端面を有する円筒状の固定子コアと、
前記端面に設けられて各スロットが前記固定子コアを通り抜ける複数のスロットと、
各スロットの中に配置された複数の導体バーと、
端面アセンブリと
を含み、
前記端面アセンブリは、前記導体バーのうちの少なくとも２つを電気的に接続し、
スロット内に配置された前記複数の導体バーが、励磁電流の単一の電気相に電気的に接続され、
各バーの端部が、前記導体バーのすべての端部を受容する前記端面から外側に突出する、固定子。
【請求項４３】
各スロットにおける前記複数の導体バーは２つの導体バーである、請求項４２に記載の固定子。
【請求項４４】
前記端面アセンブリは回路基板を含む、請求項４２又は請求項４３に記載の固定子。
【請求項４５】
前記回路基板は１つ以上の電気経路を含み、
各電気経路が、２つ以上の導体バーを、電源によって供給される前記励磁電流の別々の相に電気的に接続する、請求項４４に記載の固定子。
【請求項４６】
電気機械用の固定子を製造する方法であって、
円筒状の固定子スタックを設けるステップであって、前記スタックは、中空のコアと、前記コアを通りかつ前記コアまわりに端面に設けられた複数のスロットとを有するステップと、
前記スタックを固定子組み立て工具に装着するステップであって、前記工具は、前記コア内に受容される突出部を有するステップと、
前記複数のスロット内に複数の導体バーを挿入するステップと、
端面アセンブリを前記端面上に定置するステップであって、前記端面アセンブリは、２つ以上の導体バーを電気的に接続するステップと
を含む、方法。
【請求項４７】
前記導体バーは、前記導体の端部分が前記端面から離れるように前記スロットを越えて突出するべく前記固定子スタックの長さよりも長い、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記端面は、前記端部分を受容するように成形された複数の開口を含み、
前記方法は、前記導体の前記端部分を前記開口に挿入するステップをさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記固定子組み立て工具は、チャネルを含む外側リムを含み、
前記外側リムは前記固定子スタックを受容し、
前記チャネルは前記導体バーを受容する、請求項４７又は４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記端面アセンブリの一部分をコントローラ用の接続部と位置合わせするステップをさらに含む、請求項４７〜４９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５１】
溶接、はんだ付け、圧入、又はインターロックなどによって、前記導体バーと前記端面アセンブリとの間に剛性接合を形成するステップをさらに含む、請求項４７〜５０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５２】
前記端面アセンブリが熱板に実質的に当接するように、前記固定子の前記端面アセンブリを前記熱板に接続するステップをさらに含む、請求項４７〜５１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５３】
前記端板アセンブリは複数の冷却チャネルを含み、
前記方法は、前記冷却チャネルを冷却システムに接続するステップをさらに含む、請求項４７〜５２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
高速低インダクタンス電気機械用の電気機械及び固定子について記載する。具体的には、複数の導体バーと、導体バーを電気的に接続する端面アセンブリとを有する電気機械及び固定子について記載する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気機械（本開示の文脈では、モータ、発電機、及びモータ発電機）は、典型的に、固定子の中空円筒状コアによって画定されるボア内に配設された回転子を特徴とする。固定子は、典型的に、コア内かつコアのまわりに同心状に配設された一定数のスロットを含む。複数の電線巻線は、電流の搬送に積極的に関わる一般に導体と呼ばれる導電性の電線長の束を形成する。その後、巻線はスロットの中に供給されて当該スロットのまわりに巻かれ、一定回数の巻線が形成される。各回は２つのワイヤ又は導体長を有する。相補的なスロット内に置かれて直列に接続された１回以上が、構築を単純化するべく使用可能なコイルを画定する。追加的に、各コイルは２つのコイル側面を含む。各側面が異なるスロットに置かれる。したがって、典型的にはコイルにより、複数のスロットを通って一定回数織り合わされた電気巻線が束ねられる。
【０００３】
スロット巻線パターン及び構成は、電気機械の電力及び制御要件が増大するにつれて、ますます複雑になり、入り組んで稠密になる。これは、典型的には形状が小さいゆえに製造が複雑になる小型モータで特に問題となる。この場合、コントローラを使用して固定子への又は固定子からの電流の供給又は付与が、電気機械の動作モードに応じて調整される。
【０００４】
現代の電気機械（本例ではモータを指す（ただし類似の観察が発電機にも当てはまる））は一般に、従来のパルス幅変調交流（ＡＣ）コントローラ又はブラシレス直流（ブラシレスＤＣ）コントローラによって駆動される。特定の振幅及び周波数の電流を与えることに関するコントローラの制限により電気機械設計が推進され、コントローラの改良、機械設計の改良などがもたらされた。これにより、コントローラが供給する、滑らかな波形を受け入れ（又は生成し）ようとするべく非常に複雑な巻線パターンを有する機械がもたらされた。
【０００５】
当技術分野で普及している複雑な巻線パターンに対する１つの反例が、特許文献１に示されている。この例においては、各固定子スロット内に４本の中実バーが使用されている。しかしながら、複雑な一連の接続端板（電気相あたり８個）を使用して、各スロット内のバーが複数の相に接続されるようにバーを電気相に接続している。はんだ付けが必要な場合、スロットあたりの端板又はバーの数が多すぎると問題が発生する。
【０００６】
この方法は、従来のように巻かれた固定子に巻回を追加することの相対的なコストと比較して、固定子に巻回（直列接続で所与の相が所与のスロットを通過する回数）を追加するコストを大幅に増加させ、スロットあたり４つの導体が大量生産のためのこの手法の実現可能性に関して深刻な懸念を提起することが理解され得る。したがって、この方法は、非常に少ない巻回の数を必要とする用途に適している。一般に、（巻回の数）×（モータ速度）＝（逆ＥＭＦ電圧）なので、このような用途は、低電圧電源を含むモータ（一般に低電力で低コストのモータ）、又は高速回転を含むモータのいずれかとなる。
【０００７】
特許文献２に概説されているような代替の手法は、モータ巻線への励磁電流の振幅のバリエーションを、励磁電流のタイミング及び持続時間から独立して促す点で、パルス幅変調複合モータ設計から離れている。このコントローラアーキテクチャ及び制御方法は、高い電気スイッチング周波数を有するモータ及び発電機に非常に適している。電気機械がこの制御方法に適しているのは、（最も注目に値する）次のものを含む一連の属性の一部又は全部を示す場合である。
（１）低インダクタンス
（２）方形波信号と適合性がある巻線パターン
（３）方形波信号と適合性がある方法で磁化されレイアウトされる磁石
（４）信号の高い電気的スイッチング周波数
【０００８】
このようなコントローラと適合性がある機械を設計する際には、従来のパルス幅変調（ＰＷＭ）交流（ＡＣ）又はブラシレス直流（ブラシレスＤＣ）コントローラによって一般に駆動される機械にとっては、典型的に、妥協と見なされる設計決定がなされ得る。
【０００９】
以下の発明は、そのようなコントローラに理想的に適した改善された電気機械及び改善された固定子を提供することを目的とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２１１２７４８（Ａ１）号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１１／１６１４０８号
【発明の概要】
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、電機機械が提供され、電機機械は、固定子であって、端面を有する円筒状固定子コアと、端面上に設けられたスロットであって、各スロットが、固定子コアを通り抜けている、スロットと、スロット内に配置された複数の導体バーであって、各バーの端部が端面から外側に突出している、導体バーと、全ての導体バーの端部を受容する端面アセンブリであって、導体バーのうちの少なくとも２つを電気的に接続する端面アセンブリと、を含む、固定子と、複数の磁極対を有する回転子であって、固定子コア内に配された回転子と、導体バーに、又は導体バーから供給される励磁電流を調整するために、固定子に電気的に接続されたコントローラであって、励磁電流の周波数から独立して励磁電流の振幅を調整する、コントローラと、を含む。
【００１２】
高いスイッチング周波数が可能なコントローラによって許容される設計の自由度を考慮して、本発明は、上述のように本発明を高価にする手法である固定子内の巻回数を増加させることに頼るよりもむしろ、直列接続スロットの数を増加させ、モータ速度を上げることによって、より高いモータ電圧を提供することができる。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、高速低インダクタンス電気機械用の固定子が提供され、固定子は、端面を有する円筒状の固定子コアと、端面に設けられたスロットであって、各スロットが固定子コアを通り抜けているスロットと、スロット内に配置された複数の導体バーであって、各バーの端部が端面から外側に突出している導体バーと、全ての導体バーの端部を受容する端面アセンブリであって、導体バーのうちの少なくとも２つを電気的に接続する端面アセンブリとを含む。
【００１４】
電気機械に関して上記及び下記で記載される実施形態又は特徴は、固定子単独に適用可能であり得、逆もまた同様であることが理解され得る。
【００１５】
実施形態においては、励磁電流は、複数の相を含み得る。次に、コントローラは、スロット内に配置された各導体バーに同相の励磁電流を供給するように構成されてもよい。
【００１６】
任意選択的に又は好ましくは、固定子内の複数のスロットのうちの１つ以上は、１つ以上の電気スロットグルーピング又はグループを形成する。各グルーピングは、他のグルーピングから独立して、直列にコントローラに電気的に接続されてもよい。各電気スロットグルーピングは、別々の電気相を有する励磁電流によっても励起され得る。このようにして、スロット内の全てのバーを単一の電気相に接続することができる。
【００１７】
電気相は、デルタ又はＹ字形巻きパターンで（直接的又は間接的に）導体バーに接続することができる。
【００１８】
典型的に、実施形態においては、コントローラは、導体バーに励磁電流を供給するための電源と、電源とは動作的に独立しており、かつ任意の所与の時間に固定子の異なる導体バーへの励磁電流の供給のタイミング及び持続時間を制御するように動作する、転流コントローラとを含む。
【００１９】
電源は、導体バーに供給される電流の振幅を制御するための電流供給コントローラを含み得る。電流供給コントローラは、モータの目標速度に依存して導体バーに供給される、電流振幅を調整するための調整電流供給フィードバックループを含み得る。
【００２０】
したがって、励磁電流の供給のタイミング及び持続時間は、モータの角度位置に依存し、励磁電流の振幅は、導体バーへの励磁電流の印加のタイミング及び持続時間とは独立して可変であり得る。
【００２１】
導体バーを電気的に接続するために、端面アセンブリと一緒に、巻線で作られた標準的なコイルではなく導体バーを使用することにより、モータ内の巻回カウント（導電性銅線が巻線パターンによって巻き付けられてモータ軸磁石の磁界を通過する回数）を最小値（１パス）又は最小値近く（２パス又は３パス又は、いかなる場合でも所与の用途設計に対しては通常よりも少なく）に低減することが可能になる。
【００２２】
この幾何学形状の簡略化は、巻（銅）線を用いた、より慣習的な方法での製造と比較して、少ない巻回カウントの固定子の製造コストの低減の機会を可能にする。
【００２３】
固定子の巻回の数の減少は、モータ定数を減少させ、それは、電気機械がより多い巻回カウントを有する同じモータと比較して、所与の動作速度に対してより少ない逆ＥＭＦを生じ、かつより多くの電流を通すことを意味する。
【００２４】
本発明は、他の設計制約を満たすのに必要な以上に、機械内の磁極数及び機械の固定子内のスロット数を増加させることを可能にし、非常に少ない巻回の数で、純粋に機械内の電圧：電流比の制御を可能にする。高速機械に関しては、機械を通過する信号の電気周波数をさらに増加させるので、これは著しく異常であり、その周波数は高速機械では既に過度に高い。しかしながら、そのような固定子は、より慣習的なコントローラがそうであるのと同じ程度に、スイッチング周波数を増加させることによるストレスを受けないコントローラに適している。
【００２５】
実施形態においては、固定子の各バーは、スロットの容積の近似的に６０％〜９０％を個々に満たす。対照的に、典型的な固定子の典型的な値は４０％である。これは、巻線を使用しての大きな充填比に関連する典型的な不利益（スロット間の固定子端面まわりの複雑な巻線パターン／構成及び大量の巻線の重なり）なしに、スロットの全体の充填比をさらに大きくすることを可能にする。バーはいくつかの可能性のある別個のバーから作られてもよいが、電気的接続を受けるときに単一の導体として作用する１つ以上の導体を意味することがバーによって意図されていることが理解され得る。
【００２６】
実施形態においては、１つ又は２つの導体バーがスロットごとに設けられる。導体バーは、非平行導体バーと見なすことができる。
【００２７】
特に、従来の銅線手法の代わりに導体バー手法を採用することにより、固定子がスロット内で良好な充填比を達成することを可能にし、したがってより多数のスロットの中で必要な銅の量（及び電流と発生する電磁束の量）を分配することが可能になる。これにより、より多量のより小さなスロットが可能になり、このことが、（ａ）導体を取り囲む電磁場をより小径にし、より短い総距離により伝導することを可能にし、固定子内の「鉄」（磁束用の伝導媒体）を節約し、そのサイズとコストを削減し、かつ（ｂ）平均導体を回転子内の磁石の近く（固定子の内径の近く）にもたらすことによって、目標トルク密度及び効率レベルを達成することをはるかに容易にする。しかしながら、より多数のスロットは、機械の（機械的／実際の）回転速度に対して、コントローラに要求されるスイッチング周波数（機械の電気速度）を増加させる傾向がある。
【００２８】
複数のスロットの周りに導体バーを巻くのではなく端面アセンブリを使用して導体バーを電気的に接続することのさらなる利益は、巻線パターンを大幅に簡略化できることであり、この配設は方形波出力に適した台形波形を提供するモータ／発電機に適している。これにより、電力密度を増加させることができる。台形波形はトルクリップルの低減にも役立つ。この波形出力は、典型的には（電気角極角９０で）２４スロット、８極設計、すなわち極角／コイル角比＝１に由来する。
【００２９】
上記のように、方形波出力を使用して固定子を駆動することができる。この配設の１つの利点は、方形波出力がパルス幅変調と比較して低いスイッチング周波数を必要とすることである。これは、表皮深さがあまり問題にならないので、ひいては、スロット内のより厚い銅充填比（すなわちより厚い導体バー）を使用することが可能になる。
【００３０】
追加的に、パルス幅変調と比較して低いスイッチング周波数は、極数の増加を可能にし、これは、単一の平行磁化磁石セグメントがラジアル磁化磁石セグメントの理想的な場合により近くなることを可能にし、これにより、より複雑な部品を使用せずに、トルクリップルが減少し電力密度が増加する。極数が多いと電流リップルが小さくなるため、コンデンサのサイズを小さくすることができる。
【００３１】
実施形態においては、端面アセンブリは、導体バーの端部、特に端面アセンブリが電気的に接続される端部を受容する。導体バーの端部は、固定子コアを越えて延びている。導体バーの全ての端部を受容することによって、端面アセンブリは、コンパクトな構造を提供し、固定子コアの構造的剛性を増し、かつ導体バー（及びしたがってスロット）が、端面アセンブリ内の電気経路を使用して要望通りに電気的に励起されることを可能にする。
【００３２】
各導体は、例えば銅の単品で作られた一様な中実バーであってもよい。各バーは、積層された中実導体の硬質複合構築であり得る。（伝導を可能にするために端部をふさがれている）エナメルコーティングを使用することができる。一例においては、コーティングはカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）テープでコーティングすることができる。バーは標準的な銅のバーから刻印又は剪断することができる。
【００３３】
実施形態においては、導体バーは、端面アセンブリ内の切り欠き部分によって受容されてもよい。これにより、コンパクトな設計が確実にされ、固定子の全長が短くなる。
【００３４】
端面アセンブリは、導体バーを電気的に接続するための１つ以上の端面導体を含み得る。各端面導体は、各端面導体が電気的に絶縁されるように、絶縁材料で被包された導電材料を含むことができる。このようにして、端面導体は、所望の方法で選択された導体バーを電気的に接続する。例えば、各スロットが内部に導体バーを有する、１２スロット固定子のスロット１及び４内の導体は、そのような端面導体を使用して電気的に接続することができる。同様に、スロット２、７、１０及び１１内の導体は、電気的に接続することができる。電気的に接続されるとは、端面導体と外部電源との間に行われる電気的接続が、端面導体によって電気的に接続された全ての導体バーを励起することを意味することを意図している。
【００３５】
このように、電気巻線パターンは、モータ内の電気巻線の実際の巻線パターンではなく、端面アセンブリの端面導体によってなされた電気的接続によって決定される。これは、変更が容易である、つまり、「巻線パターン」（すなわち、どのスロットが電気的に接続されるか相補的であるかの配設）は、この場合には電気配線に非常に時間がかかる、固定子導体をほどいて取り除く、ことなく変更できる、という大きな利点を有する。
【００３６】
端面導体は挟まれていてもよい。この例においては、端面導体は、典型的にプレート構造であり、固定子コアの主軸方向に最小の空間を占めながら、いくつかの端面導体を互いに積み重ねることを可能にする。各端面導体は、絶縁材料で被包されているか又は絶縁スペーサで離間されているために一般に電気的に絶縁されているので、いくつかの端面導体を積み重ねることができ、各端面導体は、異なる導体バーを電気的に接続するように動作可能である。
【００３７】
例において、各端面導体は、２つ以上の導体バーを単相電気信号に電気的に接続するように配設されている。例えば、３相電源では、３つの端面導体を使用して、それらが接続されている導体バー（及びスロット）を選択的に励起することができる。モータの所望の構成及び使用される電源に応じて、他の数の導体バーを使用することができることが理解され得る。
【００３８】
端板導体は不連続表面を形成するようにセグメント化されてもよい。このようにして、いくつかの端面導体が一緒になって上記のプレート構造を形成することができる。これは、最大の容易さと最小の空間で導体バーとスロットとの間に電気的接続を作るための便利な方法を提供する。代替的に、又は追加的に、端板導体内のセグメントは、２つ以上の導体バーを電気的に接続するためのバスバーであると見なされ得る。
【００３９】
バスバー又は端面導体は、導体バーの端部を受容するための１つ以上の開口を含み得る。開口は、一般にコーティングされておらず、端面アセンブリと導体バーとの間に電気的接触を提供する。
【００４０】
端面導体内に切り欠きを設けてもよい。このような切り欠きは、相巻線を使用するなどして、コントローラ及び電源の導体への直接電気的接続のための領域を提供することができる。
【００４１】
端面導体によって中性点が提供され得る。このような中立点は、典型的に、モータが前方及び後方の両方向に同じ速度で回転することを可能にするためにブラッシングが設けられる場所である。
【００４２】
上記のように、２つ以上の端面導体が設けられ、各端面導体は絶縁層によって分離され電気的に絶縁され得る。
【００４３】
端面アセンブリは、端面アセンブリを冷却するために使用される外部熱板を受容するように構成され得る。端面アセンブリを熱板に当接させることを可能にすることによって熱接触を確実にすることができる。固定子コアと任意の熱板との間の距離を最小にする端面導体用の板構造が有用であることを理解することができる。同様に、端面アセンブリに平板構造を提供することは、より良好な熱接触を可能にする。
【００４４】
追加的又は代替的に、端面アセンブリは、固定子から熱を放散させるためのヒートシンクを含むことができる。
【００４５】
端面アセンブリは、冷却システムから冷却流体を受容するための複数の冷却チャネルを含むことができる。
【００４６】
相補的な代替又は追加の実施形態においては、端面アセンブリは回路基板を含み得る。回路基板は、スロット内の導体バー間の電気的接続を可能にする電気経路を提供するために使用され得る。回路基板用の絶縁基板を提供することは、隣接する経路又は基板が互いに電気的に絶縁されることを確実にする。上述のように、回路基板は１つ以上の電気経路を含み、各電気経路は、２つ以上の導体バーを電気的に接続する。各経路は、導体バーを電源の別々の相に電気的に接続することができる。回路基板は、コネクタバーを励起するための外部電気的接続をさらに含むことができる。
【００４７】
現代の回路基板製造においては、厚さ（１平方インチあたりの銅のオンス）が約４を超えて増加するにつれてコストが指数関数的に上昇する。６オンスが量産品の実用限界であるとしよう。回路基板内で互いに絶縁された合計１２層の導体を越えて移動すると、製造上の問題及び／又は過剰なコストも発生する。そのため、最大１２層で１層あたり６オンスという実用上の制限がある。スロットごとに１つの導体を有するモータを作成するには、回路基板に少なくとも２層が必要である。６層を使用して２巻回（スロットあたり２つの導体）で（スロットあたり１つの相を有する）３相モータを作成する場合、単巻回モータ用のエンドピースに１２×６オンス／２＝３６オンスの導電材料が必要であるが、２巻回モータでは、僅か１２×６オンス／６＝１２オンスの導電断面積となる。したがって、損失は２巻回モータの方が多くなる。したがって、３巻回モータは、エンドピースに回路基板を使用する製造方法では実用的ではない。
【００４８】
例では、複数のスロットが、１つ以上の電気スロットグルーピングを形成することができ、各グルーピングが、他のグルーピングから独立して、直列にコントローラに電気的に接続されている。各電気スロットグルーピングは、次に、別々の電気的相を有する電流によって励起され得る。したがって、各電気スロットのグルーピングは、別々の端板によって電気的に接続されてもよいことが理解され得る。
【００４９】
電気機械は、典型的に、固定子内のいくつかのスロットを通って電流を流し、モータの周りに（半径方向に）いくつかの異なる磁石によって生成された電界がある状態で電流を定置する。これらの異なるスロットは、典型的に（常にではないが）並列に配設されている。これらを直列に配設することによって、機械を横切る総電圧が増加し、機械を通過する総電流が減少し、このことが、より効率的なモータを提供する。
【００５０】
一般的に上記したように、モータの導体の端部巻線は、通常、固定子の端部の周りで１つのスロットから別のスロットへ電流を運ぶ銅線の束であり、回路基板、又は絶縁銅板など端面アセンブリのようなより単純な形状で置き換えることができる。これは、巻回の数が少なく、固定子を通って移動する電子のほとんどが、（異なる電圧で、異なる導体を必要とする）直列ではなく、（同じ電圧で、同じ導体を共有可能である）並列である場合に特に有用である。
【００５１】
スロットは、固定子コア内の歯によって分離されてもよい。歯は、スロット内に導体バーを閉じ込めることができる。
【００５２】
各導体バーは、導電材料の単一部品であり得る。代替的に、各導体バーは、巻き付けられた束の配線であってもよいが、この場合、スロットからスロットへと延びるワイヤの数は、標準のモータ巻線と比較して大幅に減少又は排除される。
【００５３】
本発明の他の態様によれば、上記の態様とは別に、又は上記の態様の組み合わせで記載される、任意の例又は実施形態による固定子と、複数の磁極対を有する回転子であって、固定子コア内に配された回転子と、導体バーに又は導体バーから供給される電流を調整するために前記固定子に電気的に接続されたコントローラと、を含む、電気機械が提供される。
【００５４】
コントローラは、電流の周波数から独立して電流の振幅を調整することができる。これにより、コントローラは方形波入力に適したモータをより簡単に駆動することができ、モータに必要なスイッチング周波数を低くすることができる。これは、上記の態様の記載された固定子には十分適合する。
【００５５】
例においては、電流から生じる逆ＥＭＦ電圧は、各スロット内の導体の構成及び数を変更することに優先して、回転子上の極の数及び固定子内のスロットの数を変更することによって構成され得る。これはモータ設計には異常なことで、通常はスロット数を増加させることに優先して、電気的な巻線パターンを変えることを目的としている。別の例においては、回転子の回転速度は５０，０００ｒｐｍ以上であり得る。コントローラは、モータの回転速度に等しい周波数で電流を調整することができる。機械はまた、１０Ａ〜２００Ａの電流で、１０Ｖ〜２００Ｖの電圧において動作してもよい。
【００５６】
機械は、モータ、発電機又はモータ発電機のいずれかでもよい。
【００５７】
本発明の第３の態様においては、第２の態様の任意の一部の機械を含む、強制誘導システムが提供される。
【００５８】
本発明の第４の態様によれば、電気機械のための固定子を製造する方法が提供され、本方法は、円筒状の固定子スタックを設けるステップであって、スタックが、中空のコアと、コアを通って、かつコアを周って、端面上に設けられた複数のスロットと、を有する、ステップと、スタックを固定子組み立て工具に装着するステップであって、工具が、コア内に受容される突出部を有する、ステップと、複数のスロット内に複数の導体バーを挿入するステップと、端面アセンブリを端面上に定置するステップであって、端面アセンブリが、２つ以上の導体バーを電気的に接続する、ステップと、を含む。
【００５９】
端面アセンブリは、端面アセンブリを端面に押圧又は溶接することによって形成することができる。
【００６０】
例において、導体バーは、導体の端部分が端面から離れたスロットを越えて突出するように、固定子スタックの長さより長くてもよい。
【００６１】
端面が、端部分を受容するように成形された複数の開口を含み、本方法は、導体の端部分を開口に挿入するステップをさらに含む。
【００６２】
固定子組み立て工具が、チャネルを含む外側リムを含み、外側リムが、固定子スタックを受容し、チャネルが、導体バーを受容する。
【００６３】
端面アセンブリの一部分をコントローラ用の接続部と位置合わせすることも製造のステップであり得る。
【００６４】
上記のように、溶接、はんだ付け、圧入、又はインターロックなどによって、導体バーと端面アセンブリとの間に剛性接合を実行することができる。これは、各スロットの周り、及び導体ごとに従来複数のワイヤが巻回されるのと比較すると、コンパクトな設計につながる。
【００６５】
本方法は、端面アセンブリが熱板に実質的に当接するように、固定子の端面アセンブリを熱板に接続するステップをさらに含み得る。追加的又は代替的に、端板アセンブリが、複数の冷却チャネルを含み、それにより本方法は冷却チャネルを冷却システムに接続するステップをさらに含み得る。
【００６６】
この方法は、コイル巻線挿入機及びコイル形成機の必要性を打ち消すことによって製造コストの削減を可能にする。追加的に、この方法は、スロット内の配線ではなく、個々の構成要素からの、すなわち端面アセンブリを使用することによる端部巻線の築き上げを可能にする。これは、例えばいくつかの別々の端面アセンブリの端部巻線副アセンブリを別々に製造して固定子コアに押し付けることができるというさらなる効果を有する。
【００６７】
本発明のこれら、及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
実施形態は、図面を参照して、単なる例として説明される。
【００６９】
【図１】本発明の実施形態による、複数のスロットを有する固定子コアを示す図である。
【図２】図１のスロット内に配置されるように構成された固定子導体を示す図である。
【図３ａ】図２の固定子導体の端部分を受容するための端板アセンブリを示す図である。
【図３ｂ】図３ａの端板アセンブリの側面図を示す図である。
【図３ｃ】本発明の実施形態による図３ａの代替端板アセンブリを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による概略相巻線図を示す図である。
【図５】図１の固定子コア、図２の導体バー、図３の端板、及び端板組み立て機の分解図を示す図である。
【図６−１】図６ａ〜６ｃは固定子を組み立てるステップを示す図である。
【図６−２】図６ｄ〜６ｇは固定子を組み立てるステップを示す図である。
【図７】本発明の機械と共に使用されその一部を形成する制御回路の機能ブロック回路図である。
【図８】図７の回路の詳細を示すブロック図である。
【００７０】
図は概略的であり、一定の縮尺で描かれていないことに留意されたい。これらの図の部品の相対寸法及び比率は、図面の明瞭さ及び便利さのために、誇張され又は縮小されたサイズで示されている。改変された異なる実施形態において、対応する又は類似の特徴を指すために同じ参照符号が一般に使用される。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
図１は、従来の固定子スタック又はコア１００を示す。上記コアは、一般に、電気機械の回転子（図示せず）を受容するためのボア１０２と端面１０４とを有する中空円筒状のコアとして定義される。コアの端面１０４内には一定数のスロット１１０が配設されている。スロット１１０は、ボア１０２まわりに円周方向に配設され、コアの長さに亘って延びるコア内に形成された溝と見なすことができる。歯１１２は隣接するスロット間に同様に形成される。スロットは、コア１０２に対して開口してもよく、又は固定子コア内に被包されてもよい。
【００７２】
固定子コアは、一般に、電磁鋼などの接着積層体から作られる。コアはスタンピング及び接着することができる。これらは製造工程に帰する。スタンピングは、剪断作用によって固体の金属シートからコアの積層部分を切り出す方法である。接着は、典型的に、積層部分を互いにくっつけて「スタック」（コア）を作製することを含む。
【００７３】
従来の固定子の配設においては、固定子導体、ほとんど普遍的には束の電気巻線であって、より典型的には銅線の束が、スロットを通って歯の周りに複数回巻かれて、スロットの一部分を満たす。巻線による各ラップアラウンド（ｗｒａｐ  ａｒｏｕｎｄ）は一巻回と見なすことができる。言い換えれば、導体は典型的に、固定子の周りに何回も巻かれる。スロット内の巻線の巻回の数及び巻線の数又は厚さが大きいほど、スロットの充填比は高くなる。
【００７４】
より高い充填比は、巻線に供給される所与の電流に対して固定子のより大きな電力応答を提供するが、ヒステリシス、抵抗損失及び他の影響を考慮に入れなければならないことを理解することができる。追加的に、従来の電気機械配設においては、エンジンの円滑な応答を提供することを意図して、転流コントローラによって制御され、巻線の一部分のみが常に励起されている。そのようなモータを駆動するためにパルス幅変調がしばしば使用される。
【００７５】
図２は、本発明で使用される固定子導体２００を示す。銅巻線の代わりに、各固定子導体２００は、単一の一様なバーであって、互いに電気的に絶縁された積層部品の中実材料、又は複合体から形成された、導体バーからなる。銅は、その導電性及び熱伝導性のために好ましい材料である。
【００７６】
導体バー２００は、概して細長い形状であり、固定子コアの１つのスロット１１０を実質的に埋めるように形作られている。２つ以上のバーが単一のスロット内に定置されてもよく、各バーがスロットの体積の約２５％以上を占めるようにしてもよいことが理解され得る。典型的に、バーを使用したスロットの銅の総フィルファクタは、ワイヤを使用した場合の４０％に対して８０％である。
【００７７】
エナメルコーティングは、バーを保護し、各バーを電気的に絶縁するために使用される。エナメルそれ自体はめったに使用されず、エナメル加工は、コーティングワイヤを記載するために一般的に呼ばれる用語であって、ポリマーが一般的に使用される。カプトンテープは、代替オプションである。上記導体は、標準的な銅のバーから打ち抜かれるか又は剪断されてもよい。これは、バーを銅線と比較して、製造するのに比較的安価にする。導体バーは、積層された中実導体の複合構築であり得る。
【００７８】
バーは、スロット内に嵌合するように形作られているが、端部部分又は一部分２１０は、電気的接続を提供しかつ導通を可能にするために端面１０４から離れ固定子コアを越えて突出するように構成される。端部分２１０は概してエナメル加工がない。
【００７９】
固定子コア及び導体バーに加えて、図３ａ及び図３ｂに示すように端面アセンブリ３００が設けられる。図示される端面アセンブリ３００は、２層の端面アセンブリであるが、追加の層を設けることができる。端面アセンブリ３００は、各層３１０、３２０が別々の端板を提供する端板アセンブリと見なすことができる。絶縁層３３０、３３２は端板３１０、３２０を分離するために使用されるが、各端板はそれに加えて又はその代わりのいずれかで絶縁材で被包されてもよい。
【００８０】
図示される端板３１０、３２０は、固定子コアの端表面形状と実質的に一致するディスク状の形状を有する円筒状の板構造である。端板は、コア及び導体バー２００の端部構造にキャッピングを提供する。
【００８１】
端面アセンブリ３００は、電気的に相補的なスロット内に配置されている２つ以上の導体バー２００を電気的に接続する。これは、端面アセンブリ３００がスロット間で導体バーを電気的に接続するように作用し、その結果、導体の１つに供給される電流が端面アセンブリを介して他の電気的に接続された導体バーにも供給されることを意味する。したがって、各端板は、電源の特定の相（したがって特定の相電流）と電気的に関連付けられるように構成することができる。代替的又は追加的に、変動する電流振幅が各端板に供給されてもよい。
【００８２】
図３ａに示されるように、端面アセンブリは、導体バー２００の端部分を受容するためのいくつかの切り欠き部分３４０を有する。切り欠き部分は、アセンブリの外部表面内のスロット又はチャネルとして示されている。
【００８３】
示された例においては、各端板は、導体バー２００が端板３１０、３２０の両方によって受容されることを可能にするように、切り欠き部分と位置合わせした状態で挟まれる。
【００８４】
端板は、典型的に、絶縁材料から作製される（又はそれによってコーティングされる）。セラミックが使用され得る。導体バー間の導電性は、バスバー（後述）などの導電経路、又は電気回路及び回路などの電気経路によってもたらされる。
【００８５】
バスバーの場合、これらは、同じ効果を達成するために、特定のスロット内の特定の導体バーのみに接触するように成形、絶縁、又は取り付けることができる。バスバーは、固定子スロット内の導体の特定の部品又は一部分のみに選択的に溶接、はんだ付け、機械的プレス、又は他の方法で接続することができる。１つのはんだ付け材料を使用して（例えばオーブン内で）１組のはんだ付け接続を行うことができ、より低い融点を有する異なるはんだ付け温度を使用して異なる組のはんだ付け接続を行うことができるように、異なるはんだ付け温度ではんだ付け材料を得ることができ、その結果、第２のはんだ付け工程が第１のはんだ付け工程を妨げる必要がない。このようにして、複雑な接続パターンを小さな空間内に構築することができる。
【００８６】
代替的又は相補的な例として、（１つ以上の層の）回路基板は、１つのスロット内の１つ以上の導体から異なるスロット内の１つ以上の導体に電流を伝達する導電経路（「トラック」）を提供することができる。この場合、回路基板は、先に記載した方法で導体バー２００を電気的に接続する一連の電気経路又は配線を含む絶縁基板を含む。電気回路基板を使用すると、固定子及び関連システムの全体サイズを縮小するのに役立ち得る。
【００８７】
端板３１０、３２０は、導体バー２００を電気信号の単相に電気的に接続するように配設されている。電気信号は、典型的に、三相電気信号である。
【００８８】
図示される例においては、各端板は、いくつかのバスバー３５０、３６０を含む。バスバーは、スロットとバスバーとの間に形成された導電経路を介して、導体バー２００間に電気経路を提供するように作用する。バスバーは、端板３１０、３２０と同様のスロット又は切り欠き部分を有するように構成され、バスバーは、端板に不連続なセグメント化面を提供する。このようにして、バスバーは、端板を介して、シャフト上の磁石の分布に一致し、電気機械がトルクを発生することを可能にする適切な順序で、導体バーを励起するように作用することが理解され得る。
【００８９】
端板３００の代替的な構築を図３ｃに示す。端板３７０は、バスバーを使用しない切り欠き領域３８０が設けられるという点でアセンブリ３００とは異なる。代わりに、３８０の切り欠き領域は、直接的に又は端板アセンブリを介してのいずれかで、導体バーに電流を供給、調整及び／又は収集するためのコントローラへの接続点を提供する。
【００９０】
中立点も図３ｃの３８５に示されている。図示される構成においては、中立点（モータの前進速度と後退速度が同じになるように固定子を励起するためにブラッシングを定置することができる点）は、３つの導電バーにまたがるバスバーにある。
【００９１】
さらなる絶縁層、並びにさらなる導体及び絶縁層（又は回路基板上の追加のトラック）を端部巻線に追加して、直列に接続されたスロットごとに（典型的に、固定子内での追加の「巻回」と呼ばれる）複数の導体を可能にすることができることが理解され得る。しかしながら、直列導体（「巻回」）の数は制限され、典型的に、スロットあたり１つの導体のみであり、４つを超えることはめったにない。
【００９２】
図４は、固定子内の電気経路の定型化された図を示す。図示される例においては、２４スロット固定子に三相電源が設けられている。電源が供給され、コントローラを使用して転流される。
【００９３】
図示される例においては、各スロットは、単相電源又は電流と電気的に関連している。例えば、スロット１、４、７、１０、１３、１６、１９、及び２２は、相１に電気的に接続され、スロット２、５、８、１１、１４、１７、２０、２３は、相２と、かつスロット３、６、９、１２、１５、１８、２１、２４は、相３と接続される。他の構成が、当然ながら可能である。しかしながら、巻回の数（すなわち、導体バーとスロットとの間の重なり）は最小にされるべきである。図示される例においては、スロットごとに単一の導体が設けられ、単一の巻回が示されている（すなわち、各スロットは単相電流に電気的に接続されている）。
【００９４】
図４に見られるように、スロットは、電気経路が各相補的電気スロットから直接その間を通るように直列に配設される。これにより、スロット内の全ての電子が同じベクトル電流で（つまり同じ方向に）移動することを確実にする。
【００９５】
この巻線方法におけるスロットあたりの並列導体の数に対する実際上の制限は、この方法が台形の電流波形、特に、スロットの数が磁極の数で割り切れ、かつ固定子の各スロットが固定子巻線の１つの相だけの導体を含む極端な場合に適していることを意味する。回転子を高速にするためには、そのような信号を処理することができるコントローラが必要であり使用される。そのような信号は、実質的に方形波である（典型的に、コントローラの「６段ブリッジ」転流と呼ばれる）。電流の周波数とは独立して電流の振幅を供給することが可能であるコントローラ（すなわち、振幅の別々の制御を伴う単純な６段ブリッジ）が理想的に適している。
【００９６】
スロットの充填率が高いため（従来の固定子の４０％と比較して、典型的に８０％）、モータの効率が改善される。より高い効率に向かう傾向がある要因としては、電気の周りの鉄を通る電磁束に対するより短い伝導経路長がある。追加的に、電流に対するモータの応答も改善される。固定子の巻回の数のこの減少は、モータ定数を減少させ、それは、電気機械がより多い巻回カウントを有する同じモータと比較して、所与の動作速度に対してより少ない逆ＥＭＦを生じ、かつより多くの電流を通すことを意味する。
【００９７】
それにもかかわらず、少ない巻回カウントのモータに限定されるモータ設計者は、図４に示されるように固定子スロットを直列に配設することによって、電気機械における電圧対電流の比に関していくらかの制御を取り戻すことができる。電気機械は典型的に、固定子内のいくつかのスロットを通って電流を流し、モータの周りに（半径方向に）いくつかの異なる磁石によって生成された電界がある状態で電流を定置する。上記のように、これらの異なるスロットは、典型的に（常にではないが）並列に配設されている。これらを直列に配設することによって、機械を横切る総電圧が増加し、機械を通過する総電流が減少する。しかしながら、本発明においては、モータ設計者は、他の設計上の制約を満足するのに必要以上に、機械内の磁極数及び機械の固定子内のスロット数を増加させることを可能にし、純粋に機械内の電圧：非常に低い巻回の数の機械での電流比の制御を可能にする。これは、モータの充填比が高いこと、及び高いスイッチング周波数を許容する好適なコントローラ、典型的に、６段ブリッジを介して方形波出力を生じるコントローラ、又は高いスイッチング周波数を許容する（又は可能な）同様のコントローラを使用することによって可能になる。
【００９８】
高速機械に関しては、機械を通過する信号の電気周波数をさらに増加させるので、これは著しく異常であり、その周波数は高速機械では既に過度に高い。上記のように、この異常なステップは、より慣習的なコントローラがそうであるのと同じ程度にスイッチング周波数を増加させることによる、ストレスを受けないコントローラによって探索することができる。
【００９９】
図５は、固定子コア１００、導体バー２００の両方及び端面アセンブリ３００の分解図、並びに固定子組み立て工具５１０を使用して固定子を構成する方法を示す。図から分かるように、固定子コア１００内のスロットの数に等しい複数の導体バー２００が設けられている。
【０１００】
方法の詳細は、図６ａ〜図６ｇを参照して以下に記載される。図６ａは、固定子組み立て工具５１０、固定子コア１００、導体バー２００、及び端板３００を断面図で示す。第１のステップにおいて、これらの構成要素が提供される。次いで、固定子コアを、固定子組み立て工具５１０に取り付ける。組み立て工具５１０は、実質的に円筒状の中空固定子コア１００のボア１０２内に嵌合するように成形された中央突出部５１２を含む。組み立て工具はさらに、そこから突出部５１２が突出する基部５１４と、外側突出部すなわちリム５１６と、を有する。基部５１２は、突出部の周囲の外部表面から延在する肩部又はフランジ５１４を提供し、固定子組み立て工具に対する導体バーの相対位置を調整及び制御するためのストッパとして作用して、各固定子導体をスロット内に滑り込ませるとき、所定量のコーティングされていない導体が露出されることを確実にする。
【０１０１】
連結されると、スロットを通って、導体バー２００を所定位置に滑り込ませる。外側突出部すなわちリム５１４は、固定子１００と組み立て工具５１０との間の相対位置を制御して、リム５１６、突出部５１２及び基部５１４の間に導体２００のための十分な空間を残すように作用する。
【０１０２】
次のステップにおいて、端板３００は、導体２００及び固定子コア１００と自由に係合する。端板３００は、最初に位置合わせされ、次に任意の妥当な手段によって固定子コアに押圧又は固定される。次に、図６ｅ及び図６ｆに示すように、固定子組み立て工具を取り外して、反対側の組み立てに使用することができる。最終的に組み立てられた固定子が図６ｇに示されている。端板３００は、典型的に単一部品として取り付けられるが、端板の設計に応じて部分的に取り付けられてもよい。
【０１０３】
上記の固定子と共に使用するための好ましいコントローラを図７に示す。このコントローラ８０の主な特徴は、転流とは別に電力に対処することである。この制御手法は、モータ８４に流れる総電流ｉ１  ８２の制御と、モータ８４の相コネクタにおけるその電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ  ８６ａ〜ｃの転流との間の論理的分離によって達成される。この場合のモータ８４は、上記の固定子配設、すなわちスロット内にバー導体を有する。コントローラは、固定子の端板アセンブリに電気的に接続されている。特に、コントローラは、単相を有する励磁電流で各端板アセンブリを励起するように電気的に接続されている。総電流８２は、総電流８２を調整する２つの比例積分（ＰＩ）フィードバック制御ループ８８、９０を有する。
【０１０４】
内側ループ８８は電流振幅を直接制御し、外側ループ９０はモータ８４のトルク要求（速度／目標速度不整合）に応じて電流を調節する。内側ループ８８は、総電流８２の振幅を供給するデューティサイクル９２と、現在の総電流８２を外側ループ９０によって要求される電流と比較する（振幅）調整器９４と、を含む。外側ループ９０によって要求された総電流８２が、現在供給されている総電流よりも大きい場合、電流は、デューティサイクル９２によって所望の電流と一致するように調節される。内側ループ８８は、電流振幅を調整するための調整フィードバックループであると考えることができることが理解できる。
【０１０５】
外側ループ９０はまた、速度目標９６をモータ８４の現在の速度と比較し、速度目標９６まで加速するのに必要な総電流８２を決定する（速度）調整器９４を含む。現在の要件がコントローラ８０及びモータ８４の能力の範囲内であることを確実にするために飽和チェック１００が設けられる。モータの速度は、モータから得られたＥＭＦ信号Ｖｗ、Ｖｖ、Ｖｕ１０４を逆解析し、それらを変換してモータ速度９８及びモータ（及び磁石）の角度位置を決定するＦＮ変換器１０２によって提供される。総電流８２を調整するために使用される構成要素（内側及び外側フィードバック制御ループ８８、９０）は、モータ８４の導体に電流振幅を提供するための電流供給フィードバックループと見なすことができる。
【０１０６】
モータ８４は非常に低い内部インダクタンス用に最適設計されており、したがって電流８２が短時間で厳密に制御されない限り損傷に対して非常に敏感であるため、この２層手法は過電流状態を防ぐために実装される。速度９６を制御するために、制御システム８０は、モータ逆ＥＭＦ１０４の周波数を測定して、モータ速度９８を得る。電流指令９０を内側ループ８８に設定することによって、制御システムはトルクを制御することができる。モータ８４が加速する必要がある場合、コントローラ９０は、トルクを増大させるために、電流指令を増大させる。総電流８２の転流は別々に実装され、モータ８４の右側に示されている。転流パターン１１０は、相コネクタ上に表示された逆ＥＭＦ１０４を追跡することによって、測定されたモータ位置に受動的に応答する。
【０１０７】
好ましい実施形態は、逆ＥＭＦを測定するために相間電圧を使用する。これは普通、モータの典型的な特性に基づいて、最適な電流転流タイミングに対して９０度相が進む（下記参照）。したがって、好ましい実施形態は、測定された相間電圧に９０度の相シフトを生じさせるローパスフィルタ１１２を実装する。このローパスフィルタ１１２は、逆ＥＭＦ信号１０４からエラーを追加的に除去し、同時に相角を調節して、タイミングが現在の転流制御信号としての使用に適しているようにする。転流パターン１１０が決定されると、それはＩＧＢＴモジュール１１４に提供される。次に、総電流８４は、必要な転流パターン１１０においてＩＧＢＴモジュール１１４によって調整されて、必要な電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ  ８６ａ〜ｃをモータ８４に引き渡すことができる。構成要素１１０、１１２及び１１４のこの組み合わせは、モータバー導体に供給される励磁電流のタイミング及び持続時間を制御するための転流フィードバックループとして作用する。
【０１０８】
図８は、デューティサイクル９２及びＩＧＢＴモジュール１１４を強調している。デューティサイクル９２は「ＤＣ／ＤＣ電流源」部として作用し、制御された総計アンペア数８２のほぼ連続的な電流を作成する。デューティサイクルは２つのＩＧＢＴ１２０、１２２を有し、ＩＧＢＴをオン及びオフに切り替えることによって、総電流８２を調整することができる。デューティサイクル９２は、ＩＧＢＴモジュール１１４に接続されており、ＩＧＢＴモジュール１１４は、６本足インバータとして三相信号に対して作用する。モータの高い基本周波数のために、このＩＧＢＴモジュール１１４は転流を制御するだけであり、（より慣習的な制御レイアウトではしなければならないように）電力を制御するために総電流の流れを中断する必要は決してない。「インバータ」部は、入力としてデジタルコントローラ（図示せず）からの転流信号と、デューティサイクル９２によって生じた総電流８２とを受け取る。
【０１０９】
出力として、ＩＧＢＴモジュール１１４は、ＰＭモータを駆動するための方形波電流信号を生じる。ＩＧＢＴモジュール１１４の機能は、単純なスイッチングパターンを使用して、総電流８２がデューティサイクル９２からモータ８４に直接利用可能であるものは何でも引き渡すことである。電流８６ａ〜８６ｃの各相に対して、２つのＩＧＢＴが設けられている。電流ｉｕ  ８６ａに対する転流パターンは、必要な転流パターン１１０への総電流８２の供給をオンオフするＩＧＢＴ  １１６ａ、１１６ｂによって提供される。同様のＩＧＢＴ１１８ａ、１１８ｂ、１２０ａ、１２０ｂは、電流ｉｖ  ８６ｂ、ｉｗ  ８６ｃの各追加相に対して同じ機能を実行する。したがって、各相によって供給される電流は、正、負、又はゼロのいずれかである。
【０１１０】
任意の先の図に関して上記で説明したような固定子を含む電気機械が想定され得ることを理解することができる。電気機械は、モータ、発電機、モータ発電機、又は強制誘導システムなどの別のシステムの一部であり得る。電気機械は典型的に、複数の磁極対を有する回転子を有する。回転子は、用途及び想定される電気機械に応じて、固定子コア内に配してもよく、又は反転させてもよい。固定子に電気的に接続された、上記のようなコントローラを設けることもできる。
【０１１１】
本明細書に記載の構築方法は、固定子の構築を非常に簡略化して、典型的に、ロボット構築、並びに設計及び構築に多大な時間を必要とする詳細なモータ巻線パターンの必要性を否定する。
【０１１２】
本開示を読むことから、他の変異及び改変が当業者には明らかであろう。そのような変異及び改変は、電気機械の分野で既に知られており、本明細書で既に記載されている特徴の代わりに、又はそれに加えて使用され得る、同等の及び他の特徴を含み得る。
【０１１３】
添付の特許請求の範囲は特徴の特定の組み合わせを対象としているが、本発明の開示の範囲はまた、本明細書に明示的又は暗黙的のいずれかで開示されている任意の新規な特徴、又は特徴の任意の新規な組み合わせ、又はそれらの任意の一般化も含み、それがいずれの特許請求項で現在特許請求されているのと同じ発明に関連するかどうか、かつそれが本発明と同じ技術的問題のいくつか又は全てを軽減するかどうかに関係しないことが理解されるべきである。
【０１１４】
別々の実施形態の文脈で記載されている特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよい。逆に、簡潔にするために単一の実施形態の文脈で記載されている様々な特徴は、別々に又は任意の好適なサブコンビネーションで提供することもできる。出願人は、本出願又はそれから派生する任意のさらなる出願の審査中に、そのような特徴及び／又はそのような特徴の組み合わせに対して新しい特許請求の範囲が考案され得ることをここに通知する。
【０１１５】
完全を期すために、「含む」という用語は他の要素又は工程を排除しないこと、「一つの」という用語は複数を排除することはなく、特許請求の範囲における参照符号は請求項の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図６ｇ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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