(57)【要約】【課題】エネルギ変換装置の効率を向上可能なステータを提供する。【解決手段】ステータは、軸方向１０５の周囲に少なくとも１つの環状部分を有している支持構造体１０３と、支持構造体１０３に接続され、当該支持構造体１０３から放射状に延びている第１の突起１０７と、支持構造体１０３に接続され、当該支持構造体１０３から放射状に延びており、第１の突起１０７から円周方向において離間している第２の突起１１１と、第１の突起１０７と第２の突起１１１との間に異なる放射方向の位置に位置する複数の第１のラジアル層として配置されており、その断面の円周方向の長さが放射方向の外側に向かって増大しているように構成されている第１のワイヤ１１９と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギ変換装置用のステータであって、
軸方向（１０５）の周囲に少なくとも１つの環状部分を有している支持構造体（１０３）と、
前記支持構造体（１０３）に接続され、当該支持構造体（１０３）から放射状に延びている第１の突起（１０７）と、
前記支持構造体（１０３）に接続され、当該支持構造体（１０３）から放射状に延びており、前記第１の突起（１０７）から円周方向において離間している第２の突起（１１１）と、
前記第１の突起（１０７）と前記第２の突起（１１１）との間に異なる放射方向の位置に位置する複数の第１のラジアル層として配置されており、その断面の円周方向の長さが放射方向の外側に向かって増大しているように構成されている第１のワイヤ（１１９）と、
を備えていることを特徴とするステータ。
【請求項２】
前記第１の突起（１０７）と前記第２の突起（１１１）との間の異なる放射方向の位置に位置する複数の第２のラジアル層として配置されている第２のワイヤ（１２０）をさらに備えており、
放射方向の外側の第１のワイヤ（１１９）の一部は放射方向の外側の第２のラジアル層の前記第２のワイヤ（１２０）の一部と隣接しており、
前記第２のワイヤ（１２０）の断面の円周方向の長さは放射方向の外側に向かって増大している、
請求項１記載のステータ。
【請求項３】
前記第１のワイヤ（１１９）および／または前記第２のワイヤ（１２０）は、前記第１の突起（１０７）と前記第２の突起（１１１）との間の空間を、前記第１の突起（１０７）の放射方向のサイズ（ｈ）の少なくとも７０％、および、前記第２の突起（１１１）の放射方向のサイズ（ｈ）の少なくとも７０％にわたって満たしている、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記第１の突起（１０７）および前記第２の突起（１１１）は放射方向の外側に向かって突出している、請求項１乃至３のいずれか１項記載のステータ。
【請求項５】
前記第１のワイヤ（１１９）および／または前記第２のワイヤ（１２０）の断面積のサイズ（ｈ１＊ｗ１、ｈ２＊ｗ２）は、ワイヤの長手方向の長さ部分にわたって一定である、請求項１乃至４のいずれか１項記載のステータ。
【請求項６】
前記第１のワイヤ（１１９）および／または前記第２のワイヤ（１２０）の断面の幅のサイズ（ｗ１、ｗ２）はワイヤの長手方向の長さ部分にわたって変化している、請求項１乃至５のいずれか１項記載のステータ。
【請求項７】
前記第１のワイヤ（１１９）の少なくとも１つのセグメントおよび／または前記第２のワイヤ（１２０）少なくとも１つのセグメントは長方形状の断面形状を有している、請求項１乃至６のいずれか１項記載のステータ。
【請求項８】
前記第１のワイヤ（１１９）の少なくとも１つのセグメントおよび／または前記第２のワイヤ（１２０）は少なくとも１つのセグメントは台形状の断面形状を有している、請求項１乃至７のいずれか１項記載のステータ。
【請求項９】
前記第１の突起（１０７）と前記第２の突起（１１１）との間の前記第１のワイヤ（１１９）および前記第２のワイヤ（１２０）の円周方向の層の数は、放射方向の位置によらず一定である、請求項１乃至８のいずれか１項記載のステータ。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項記載のステータ（１００、３００）と、
磁石として作用する磁石要素を有しており、前記ステータに相対的に回転可能なロータと、
を備えている、エネルギ変換装置。
【請求項１１】
発電機としての請求項１０に記載のエネルギ変換装置と、
前記ロータに機械的に接続されているプロペラと、
を備えている、風力タービン。
【請求項１２】
エネルギ変換装置用のステータの製造方法であって、
軸方向（１０５）の周囲に少なくとも１つの環状部分を有している支持構造体（１０３）を形成するステップと、
前記支持構造体（１０３）に接続され、当該支持構造体（１０３）から放射状に延びている第１の突起（１０７）を形成するステップと、
前記支持構造体（１０３）に接続され、当該支持構造体（１０３）から放射状に延びている第２の突起（１１１）を、前記第１の突起（１０７）から円周方向において離間して形成するステップと、
前記第１のワイヤ（１１９）の複数の第１の層を形成するステップと、
前記第１の突起（１０７）と前記第２の突起（１１１）との間に複数の第１のラジアル層を配置するステップと、を備えており、
前記第１のワイヤ（１１９）の前記複数の第１の層を形成し、配置するステップは、前記第１のワイヤ（１１９）の断面の円周方向の長さが放射方向の外側に向かって増大するように行う、
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
第２のワイヤ（１２０）の複数の第２の層を形成するステップと、
前記第１の突起（１０７）と前記第２の突起（１１１）との間に複数の第２の層を配置するステップと、を備えており、
前記第１のワイヤ（１１９）の複数の第１の層および前記第２のワイヤ（１２０）の複数の第２の層を形成し、配置するステップは、放射方向の外側の第１のワイヤ（１１９）の一部が放射方向の外側の前記第２のワイヤ（１２０）の一部と隣接するように行う、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の第１の層および／または前記複数の第２の層を形成するステップは、所定の断面方向における断面積のサイズがワイヤの長手方向の長さ部分にわたって１０％超変化しているように、前記第１のワイヤ（１１９）および前記第２のワイヤ（１２０）の断面を形成するステップを含んでいる、
請求項１２または１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の層および／または前記第２の層を形成するステップは、
前記第１のワイヤ（１１９）および／または前記第２のワイヤ（１２０）を補助構造体の周囲に複数回、前記第１のワイヤ（１１９）および／または前記第２のワイヤ（１２０）のセグメントが互いの上に積層されるように曲げるステップと、
次いで、前記第１のワイヤ（１１９）および／または前記第２のワイヤ（１２０）を前記補助構造体の周囲の異なる位置に複数回、前記第１のワイヤ（１１９）および／または前記第２のワイヤ（１２０）のセグメントが互いの上に積層されるように曲げるステップと、を含んでいる、
請求項１２乃至１４のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギ変換装置用のステータ、該ステータを備えたエネルギ変換装置および該エネルギ変換装置を備えた風力タービンならびにエネルギ変換装置用のステータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術において機械エネルギたとえば回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機が公知である。発電機では、導体を取り囲む領域において磁束が変化するとき電圧が導体の２点間に誘導されることを示すファラデイの法則が用いられる。このため、従来の発電機はステータに属するコイルと、機械エネルギ源により回転されるロータに属する可動な磁石とを備えている。コイルに相対的に磁石が回転する際、コイルに電圧が誘導されて電気エネルギとして送出することのできる電流が発生する。発電機のステータ部は、リング状構造を有し、当該構造からは複数の突出コアまたは突起が放射状に突出している。たとえばこれらの突出コアまたは突起のそれぞれにコイルが組み付けられる。突出コアに組み付けられたたとえばこれらすべてのコイルを構成するワイヤは、回路の出力側から電気エネルギを送出すべく、適切な回路に接続されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の発電機および一般的なエネルギ変換器は十分な効率を有するものではなかった。
【０００４】
また、エネルギ変換装置の効率を向上するためにエネルギ変換装置に使用可能なステータが求められていた。さらに、向上された効率を有するエネルギ変換装置が必要とされていた。本発明は、上記従来技術における課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の一実施形態では、エネルギ変換装置用のステータが提供され、該ステータは、軸方向の周囲に少なくとも１つの環状部分を有している支持構造体と、支持構造体に接続され、当該支持構造体から放射状に延びている第１の突起と、支持構造体に接続され、当該支持構造体から放射状に延びており、第１の突起から円周方向において離間している第２の突起と、第１の突起と第２の突起との間に異なる放射方向の位置に位置する複数の第１のラジアル層として配置されており、その断面積の円周方向の長さが放射方向の外側に向かって増大しているように構成されている第１のワイヤと、を備えている。
【０００６】
ステータはたとえば電気モータまたは発電機に適している。支持構造体は、ステータが発電機または電気モータにおいて作動しているときに第１のコイルと第２のコイルとにより誘導される電流により発生する熱に耐えることができるかぎり、いかなる材料から構成されていてもよい。たとえば支持構造体はリング状部分からなる少なくとも１つのセグメントを備えており、特に環状の少なくとも１つのセグメントを備えている。複数の、たとえば４個、６個または８個のセグメントが対で接続された環状構造を構成していてもよい。
【０００７】
支持構造体に接続されている第１の突起および支持構造体に接続されている第２の突起は支持構造体と一体的に形成されていてもよく、あるいは、接続手段たとえばボルト、ネジおよび／または接着剤などで支持構造体に接続されている個別の要素であってもよい。第１の突起および第２の突起はまた支持構造体に溶接されていてもよい。第１の突起および第２の突起はいずれも支持構造体から放射状に延びており、すなわち、特に支持構造体の対称軸である軸方向に対して垂直に延びている。第１の突起および／または第２の突起はたとえば支持構造体から放射方向の内側にまたは放射方向の外側に向かって延びている。たとえば第１の突起および第２の突起は支持構造体から５ｃｍ〜１０ｃｍ延びており、すなわち５ｃｍ〜１０ｃｍの放射方向の長さまたはサイズを有している。また、第１の突起および第２の突起の軸方向の長さまたはサイズはたとえば３ｃｍ〜１０ｃｍである。また、第１の突起および第２の突起の円周方向の長さまたはサイズはたとえば３ｃｍ〜１５ｃｍである。
【０００８】
ステータは３個以上の突起たとえば６０個〜１４０個の突起を有している。また、ステータは各突起に接続されている同数のまたは異なる数のコイルを備えており、いずれの場合もコイルはたとえば１個または複数の突起の周囲に配置されている。
【０００９】
第１のワイヤは第１の突起または第２の突起の周囲に少なくとも部分的に巻回されまたは曲げられている。第１のワイヤはたとえば１つまたは複数の突起を囲む第１のコイルから形成されている。第１の突起と第２の突起との間の空間はたとえば複数の第１のラジアル層が挿入されるスロットを形成している。たとえば第１のラジアル層は隣接する突起間に配置されているワイヤが１つのコイルにのみ属する、いわゆる「１つのスロット当たり１つのコイル」構造のスロット内を実質的に完全に満たす。これに対して、いわゆる「１つのスロット当たり２つのコイル」構造では、２つのワイヤが隣接する突起間に配置され２つのワイヤは２つのコイルに属している。この場合、ただ２つのワイヤがともに第１の突起と第２の突起との間のスロット内を（放射方向および／または円周方向において）実質的に完全に満たしている。
【００１０】
たとえば第１のワイヤ（および以下で詳述する第２のワイヤ）は銅などの導電材料からなるコアと、コアを被覆する絶縁層とから構成されている。ワイヤの導電性のコア材料を被覆する絶縁層を設けることにより、第１のコイルを形成している第１のワイヤの隣接する巻線を互いに絶縁可能である。また、第２のワイヤ（以下で詳述する）の導電性のコア材料を被覆する絶縁層により、第２のコイルを形成している第２のワイヤの複数の巻線は互いに絶縁可能である。
【００１１】
ステータは、少なくとも第１の突起と、円周方向において第１の突起から離間されている第２の突起とを備えている。円周方向とはたとえば軸方向に垂直な方向であり、他の全ての放射方向に垂直な方向である。放射方向に延びる要素はたとえば軸方向に垂直である任意の放射方向に延びている要素を特定している。
【００１２】
特に第１のワイヤの断面の円周方向の長さは１つの第１のラジアル層から放射方向の外側に位置する他の第１のラジアル層へと放射方向の外側に向かって増大している。したがって、たとえば第１のワイヤの断面の円周方向の長さは連続的に（または単調に）放射方向の外側に向かって増大している。
【００１３】
実施形態では、「台形状のスロット、長方形状の突起」のステータ（すなわち放射方向に延びている１つまたは複数の突起を有し、突起の間に台形状のスロットが形成されている長方形状のステータ）に関する「スロット充填率」が増大するという問題を解決することができる。したがって、スロット充填率は、ワイヤを構成する導電材料（たとえば銅）で満たされ、このため空気（自由空間）、および／または、１つまたは複数のコイルに属するワイヤ巻線の周囲の絶縁材料を含んでいないスロットの断面積の割合であってよい。
【００１４】
ステータ構成の別のコンセプトはたとえば「長方形状のスロット、台形状の歯」の構成であるが、この構成のスロットは均一な断面形状を有するワイヤで満たされる場合があるので、本発明が主として対象とするものではない場合がある。
【００１５】
実施形態はたとえば１層または２層構成の双方に関し、すなわち、１層構成は各スロットが１つのコイルのみからなるワイヤ巻線を収容するものであり、２層構成は各スロットが２つのコイルからなるワイヤ巻線を収容する。
【００１６】
実施形態はたとえば並列のコイル構成および直列のコイル構成の双方に関し、すなわち、ワイヤ巻線はたとえば直列に接続されてマルチターンコイルを形成し、または、ワイヤ巻線はたとえば並列に接続されて「並列接続された多重シングルターン巻線」を形成している。
【００１７】
実施形態では、互いの上のワイヤ巻線の数（すなわち放射方向のワイヤのラジアル層の数）はたとえば１０個〜２０個の範囲にある。上述したように、これらの巻線はたとえば並列または直列に接続される。他の実施形態では、より小さいまたはより大きい数のラジアル層が設けられている。
【００１８】
一実施形態では、円周方向（放射方向に垂直な方向）のワイヤ巻線層の数はたとえば１個または２個である。他の実施形態では、より小さいまたはより大きい数の円周方向の層が設けられている。
【００１９】
一実施形態では、ステータは第１の突起と第２の突起との間の異なる放射方向の位置に位置する複数の第２のラジアル層として配置されている第２のワイヤをさらに備えており、放射方向の外側の第１のワイヤの一部は放射方向の外側の第２のラジアル層の第２のワイヤの一部と隣接しており、第２のワイヤの断面の円周方向の長さは放射方向の外側に向かって増大している。これにより、「１つのスロット当たり２つのコイル」の構成が提供される。この構成では、２つのワイヤが第１の突起と第２の突起との間に配置されており、２つのワイヤは２つの異なるコイルに属している。この場合、第１のコイルおよび第２のコイルはともに実質的に完全に（または突起の放射方向の少なくとも９０％にわたって）、第１の突起と第２の突起との間のスロットを（放射方向および円周方向の双方において）満たすことができる。
【００２０】
上述したように、たとえば第１のワイヤは第１のコイルを形成し、第２のワイヤは第２のコイルを形成している。ステータの、軸方向に垂直な部分を形成している断面において、第１のコイルと第２のコイルはたとえば放射方向および円周方向に延在している。これにより、第１のコイルはたとえば放射方向の内側の部分と、第１のコイルの放射方向の内側の部分よりも放射方向の外側の部分（特に放射方向の最も外側の部分を表す）とを構成している。同様に、第２のコイルはたとえば放射方向の内側の部分と、放射方向の内側の部分よりも放射方向のより外側に配置されている放射方向の外側部分とを構成している。特に第１のコイルの放射方向の外側の部分はたとえば放射方向の最も外側に配置されている第１のワイヤのセグメントにより形成され、これらのセグメントの放射方向のさらに外側には、第１のワイヤの他のセグメントは存在していない。さらに、第２のコイルの外側の部分はたとえば放射方向の最も外側に位置する第２のワイヤのセグメントにより形成され、これらのセグメントの放射方向のさらに外側には第２のワイヤの他のセグメントは配置されていない。
【００２１】
第１のコイルの放射方向の外側にある第１のワイヤの部分は、たとえば第２のコイルの放射方向の外側にある第２のワイヤの部分と隣接しており、第１のワイヤの当該部分と第２のワイヤの当該部分との間には他の構造（そして空き空間も）は存在していない。特に第１のコイルの放射方向の外側の部分にある第１のワイヤの部分と、第２のコイルの放射方向の外側にある第２のワイヤの部分との距離はたとえば、第１のコイルの第１のワイヤの隣接する部分間の平均距離の５倍、３倍、２倍または１．５倍、あるいは、第２のコイルの第２のワイヤの隣接する部分間の平均距離の５倍、３倍、２倍または１．５倍である。
【００２２】
したがって、第１のコイルはたとえば第２のコイルの直近に隣接しており、第１のコイルと第２のコイルとの間には空隙は実質的に形成されていない。よって、第１の突起と第２の突起との間の空き（大気）空間または空隙の形成は防がれるが、この空隙は第１のコイルの第１のワイヤおよび第２のコイルの第２のワイヤのセグメントにより満たされていることにより、ステータがたとば発電機に用いられたとき、電流が誘導可能となる。したがって、実施形態に係るステータを用いる発電機の効率が向上する。特にたとえば第１のコイルおよび第２のコイルの放射方向の外側の部分にある第１のワイヤのセグメントおよび第２のワイヤのセグメントをそれぞれ設けることにより、発電機の効率が向上する。これは、第１のワイヤおよび第２のワイヤのこれらの部分がステータの周囲を回転する磁石により近く、コイルの放射方向の外側の端部から放射方向の外側に配置されており、第１のコイルおよび第２のコイルに誘導される電流の量は回転する磁石に対する距離が減少するにつれ増大するからである。
【００２３】
一実施形態では、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤは、第１の突起と第２の突起との間の空間を、第１の突起の放射方向のサイズの少なくとも７０％、および、第２の突起の放射方向のサイズの少なくとも７０％にわたって、特に第１の突起および第２の突起との間の円周方向の長さ部分の実質的に全体にわたって満たしているように構成されている。
【００２４】
同様に、第１のコイルおよび第２のコイルはたとえば、第１の突起と第２の突起との間の空間が第１の突起の放射方向のサイズ（ｈ）の少なくとも７０％にわたって、第２の突起の放射方向のサイズ（ｈ）の少なくとも７０％にわたって、特に第１の突起および第２の突起との間の円周方向の長さ部分の実質的に全体にわたって満たしているように構成されている。
【００２５】
第１の突起および第２の突起の放射方向のサイズは、第１の突起および第２の突起が支持構造体から放射状に伸びている、放射方向における第１の突起および第２の突起の長さとして求めることができる。特に第１の突起および第２の突起はたとえば支持構造体から離れている、放射方向の内側の末端（特に第１の突起および第２の突起が支持構造体に接続されている部分）および放射方向の外側の末端（特に放射方向の内側の末端よりも支持構造体からより離れている（または最も離れている）部分）を構成しており、これらの末端の間で各突起の長さを求めることができる。
【００２６】
第１の突起および第２の突起はたとえば異なる断面形状たとえば長方形状または正方形状を有する異なる形状たとえば円筒形状、立方形状を有している。さらに、第１の突起および第２の突起は少なくとも部分的にコイルを組み付け可能である限り、台形状を有していてもよい。特にたとえば第１の突起の放射方向のサイズの少なくとも９０％にわたりかつ第２の突起の放射方向のサイズの少なくとも９０％にわたる第１の突起と第２の突起との間の円周方向の空間は、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤのセグメントにより満たされている。
【００２７】
一実施形態では、第１のコイルおよび／または第２のコイルは円周方向および放射方向に拡がっており、第１のコイルおよび／または第２のコイルの円周方向のサイズは放射方向の外側に向かって増大している。有利なことに、これにより第１の突起と第２の突起との間の空隙はたとえば、特に第１のコイルと第２のコイルとが互いに隣接する（たとえばコイルを構成するワイヤ部分が互いに隣接しまたは互いに接触しさえする）ように、特に放射方向の外側の部分における第１のコイルおよび第２のコイルの円周方向のサイズを最大化することによって満たされる。これにより、ステータが発電機に用いられるとき、第１のコイルおよび第２のコイルに誘導される電流の量が増大し、発電機の効率を向上させる。
【００２８】
一実施形態において、第１の突起および第２の突起は放射方向の外側に向かって突出している。所定直径のステータに関して、第１の突起および第２の突起が放射方向の外側に向かって突起している場合、第１の突起および第２の突起が放射方向の内側に向かって突出している場合と比較して発電機の効率は強められる。さらに、第１のコイルおよび第２のコイルをそれぞれ第１の突起および第２の突起により容易に組み付けることができるため、この構成によりステータの組み立ては容易となる。
【００２９】
一実施形態では、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの断面積のサイズは、ワイヤの長手方向の長さ部分にわたって一定である。第１のワイヤおよび第２のワイヤの製造プロセスにおける変動および不正確性のため、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの断面積は完全に一定ではないものの、たとえば１０％、５％、２％または１％を超えないわずかな割合で変化する。第１のワイヤおよび第２のワイヤの断面積のサイズは、第１のコイルおよび第２のコイルに組み立てられていない、第１のコイルおよび第２のコイルが第１の突起および第２の突起にそれぞれ組み付けられる前の第１のワイヤおよび第２のワイヤについて求めることができる。したがって、第１のワイヤおよび第２のワイヤの断面積は第１のワイヤおよび第２のワイヤの製造直後、ステータの組み立て前に求めることができる。第１のワイヤおよび第２のワイヤの断面積は長手方向の長さ部分に対して垂直な方向のワイヤの断面積のサイズを測定することにより求めることができる。
【００３０】
第１のワイヤおよび第２のワイヤの断面積のサイズを一定とすることにより、第１のワイヤおよび第２のワイヤの長さ当たりの電気抵抗を少なくともほぼ一定とすることができる。したがって、第１のコイルおよび第２のコイルに電流が誘導されたときの、第１のワイヤおよび第２のワイヤの異なるセグメントの不均一な加熱は防止される。これにより、最大作動電流は、第１のワイヤまたは第２のワイヤの最小サイズの断面積を有する（そしてすなわち最大の抵抗値を有して最大の熱放散をもたらす）特定のセグメントにより制限されない。
【００３１】
一実施形態では、所定の断面方向における第１のワイヤおよび／または前記第２のワイヤの断面積のサイズは、ワイヤの長手方向の長さにわたって（各ワイヤの平均断面積に比して）１０％超、特に２０％超、特に４０％超、特に６０％超、特に１００％、特に１５０％超変化している。所定の断面方向とはたとえば各ワイヤの長手方向の長さ部分に垂直な断面により定められる平面内の方向である。所定の断面方向とはたとえば第１のワイヤおよび第２のワイヤの高さを表し、または、第１のワイヤおよび第２のワイヤの幅を表す。特に所定の断面方向とは第１のワイヤおよび第２のワイヤの長手方向の長さ部分にそれぞれ垂直である。
【００３２】
したがってたとえば第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの断面形状は異なっている。また一実施形態では断面積のサイズは一定に維持される。それぞれの長手方向の長さ部分にわたって断面形状が変化する第１のワイヤおよび／または第２のワイヤを用いることにより、有利なことに第１の突起と第２の突起との間の空間または空隙を満たすことが容易となる。
【００３３】
一実施形態では、第１のワイヤの少なくとも１つのセグメントおよび／または第２のワイヤの少なくとも１つのセグメントは長方形状の断面形状を有している。特に長方形状の断面形状は少なくともほぼ長方形状の形状を表す。特にほぼ長方形の断面形状は鋭い角または面取りされた角を有していてもよい。断面形状の少なくとも部分的に、（少なくともほぼ）直線的な部分が設けられ、当該直線的な部分が特に曲線的な部分に接続されていてもよい。
【００３４】
一実施形態では、第１のワイヤの少なくとも１つのセグメントおよび／または第２のワイヤの少なくとも１つのセグメントは台形状の断面形状を有している。特に台形状の断面形状は少なくともほぼ台形状の断面形状を表す。特に台形状の断面形状は鋭い角または面取りされた角を有してもよい。特にかかる断面形状を有する第１のワイヤおよび第２のワイヤは容易に製造可能であり、第１の突起と第２の突起との間の空間を満たすことが容易となる。
【００３５】
一実施形態では、第１のコイルおよび／または第２のコイルはそれぞれ第１のワイヤおよび第２のワイヤの複数の巻線（特に円周方向に離間している）により形成される。複数の巻線は放射方向の異なる位置に位置している。第１の放射方向の位置に位置する巻線の第１の数は、第１の放射方向の位置とは異なる第２の放射方向の位置に位置する巻線の第２の数と同じである。
【００３６】
特定の放射方向の位置にある巻線（すなわち円周方向の巻線）の数は一実施例ではたとえば１個〜６個である。特定の放射方向の位置にある第１のワイヤおよび／または第２のワイヤのセグメントは同じ断面形状を有する。第１のワイヤまたは第２のワイヤの巻線を同数、異なる位置に設けることにより、ステータを発電機に用いたとき、誘導結合および電流の誘導が向上される。
【００３７】
一実施形態では、隣接する突起間の自由空間を満たすのは、円周方向に別の巻線を追加するだけでは不可能である。というのは、ワイヤ巻線の断面の円周方向のサイズ（または断面の幅）が、突起間の満たされるべき残りの（すなわちワイヤ巻線により占められていない）自由空間の円周方向のサイズよりも大きい場合があるからである。したがって、断面形状が変化しているワイヤを用いる必要がある。
【００３８】
一実施形態では、第１のワイヤ（および／または以下に示す第２のワイヤ）の断面の円周方向の最小の長さ（または断面の幅）は、各突起の放射方向の内側の端部において得られる、第１の突起の面と第２の突起の対向面との間の円周方向の距離の、たとえば０．４倍超、０．４５倍超、０．８倍超、０．９倍超または０．９５倍超である。
【００３９】
一実施形態では、第１のワイヤ（および／または以下に示す第２のワイヤ）の断面の円周方向の最大の長さ（または断面の幅）は、突起の放射方向の外側の端部において得られる、第１の突起の面と第２の突起の対向面との間の円周方向の距離の、たとえば０．４倍超、０．４５倍超、０．８倍超、０．９倍超または０．９５倍超である。
【００４０】
一実施形態では、エネルギ変換装置が提供され、該エネルギ変換装置は、上記の実施形態に係るステータと、磁石として作用する磁石要素を有しており、前記ステータに相対的に回転可能なロータとを備えている。これにより、実施形態に係る電気モータまたは特に発電機が提供される。隣接する突起間の空隙が満たされている、互いに隣接しているコイルを有する向上された構成により、コイルに誘導される電流は発電機の効率をより向上させる。
【００４１】
一実施形態では、風力タービンが提供され、該風力タービンは、発電機としての上述の実施形態にかかるエネルギ変換装置と、ロータに機械的に接続されているプロペラを備えている。効率が向上された発電機の使用により、風力タービンの発電効率も向上可能である。
【００４２】
装置タイプの請求項に関して記載された実施形態に係る上記特徴は、以下に記載する方法タイプの請求項に関する他の実施形態にも適用可能である。
【００４３】
一実施形態では、エネルギ変換装置用のステータの製造方法が提供され、該方法は、軸方向の周囲に少なくとも１つの環状部分を有している支持構造体を形成するステップと、支持構造体に接続され、当該支持構造体から放射状に延びている第１の突起を形成するステップと、支持構造体に接続され、当該支持構造体から放射状に延びている第２の突起を、第１の突起から円周方向において離間して形成するステップと、第１のワイヤの複数の第１の層を形成するステップと、第１の突起と第２の突起との間に複数の第１のラジアル層を配置するステップと、を備えており、第１のワイヤの複数の第１の層を形成し、配置するステップは、第１のワイヤの断面の円周方向の長さが放射方向の外側に向かって増大するように行う。
【００４４】
一実施形態では、上記方法はさらに、第２のワイヤの複数の第２の層を形成するステップと、放射方向の外側の第１のラジアル層における第１のワイヤの部分が放射方向の外側の第２のラジアル層の外側における第２のワイヤの部分と隣接するように、第１の突起と第２の突起との間に複数の第２の層を配置するステップと、を備えている。
【００４５】
一実施形態では、上記方法はさらに複数の他の突起を形成するステップと、複数の他のコイルを形成するステップと、他のコイルを他の突起に組み付けるステップとを含んでおり、隣接する各コイル対に関して、コイル対のうちの第１のコイルの放射方向の外側の部分にある第１のワイヤの部分が、コイル対のうちの第２のコイルの放射方向の外側の部分にある第２のワイヤの部分と隣接している。これにより、従来のステータにおいて隣接する突起間に形成される空隙は隣接するコイルに属するワイヤセグメントにより満たされ、本実施形態に係るステータがかかる機械の動作に用いられたとき、エネルギ変換装置たとえば発電機の効率を向上させることができる。
【００４６】
一実施形態では、複数の第１の層および／または第２の層を形成するステップは、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの断面を、所定の断面方向における断面積のサイズがワイヤの長手方向の長さ部分にわたって１０％超変化しているように形成するステップを含んでいる。
【００４７】
また、第１のコイルおよび／または第２のコイルを形成するステップは、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの断面を、所定の断面方向における断面積のサイズがワイヤの長手方向にわたって１０％超変化するように形成するステップを含んでいる。これにより、特に異なる方向に配向された対向するバレルまたはローラの１つまたは複数の対を用いるロールプロセスまたは圧延プロセスを用いることができ、これらのプロセスは、圧力をかける際に第１のワイヤおよび／または第２のワイヤを変形し、および／または、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの断面を適切に形成するよう引っ張るよう構成されている。特に第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの断面積のサイズは、たとえばワイヤの長手方向の長さ部分にわたって少なくともほぼ一定に維持されている。
【００４８】
一実施形態では、第１の層および／または第２の層を形成するステップは、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤを補助構造体の周囲に複数回、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの１つのセグメントが互いの上に積層されるように曲げるステップと、次いで、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤを補助構造体の周囲の異なる位置に複数回、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの複数のセグメントが互いの上に積層されるように曲げるステップと、を含んでいる。
【００４９】
また、第１のコイルおよび／または第２のコイルを形成するステップは、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤを補助構造体の周囲に複数回、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤのセグメントが互いの上に積層されるように曲げるステップと、次いで、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤを補助構造体の周囲の異なる位置に複数回、第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの複数のセグメントが互いの上に積層されるように曲げるステップと、を含んでいる。
【００５０】
これにより、第１のワイヤおよび第２のワイヤはたとえば、互いの上に積層されている特定の位置において補助構造体の周囲に曲げられている第１のワイヤおよび／または第２のワイヤの部分の長さの合計に相応する長手方向の長さ部分にわたる一定の断面形状を有する。これにより、所定の断面方向における長さが長手方向の長さ部分にわたって段階的に増減するワイヤを用いることが可能となる。よって、特定の断面形状を有する第１のワイヤおよび／または第２のワイヤのセグメントはたとえば他の巻線プロセスと比較してより大きい長手方向の長さを有している。したがって、第１のワイヤおよび第２のワイヤの製造を簡略化できる。
【００５１】
本発明の複数の実施形態を種々の対象を参照して説明したことに留意されたい。とりわけこれらの実施形態では、方法カテゴリーの請求項に関連して説明しているものと、装置カテゴリーの請求項に関連して説明しているものとがある。しかし当業者であれば、上記および下記の記載から、それ以上特記しなくても、別のカテゴリーの対象に属する特徴のすべての任意の組み合わせの他に、異なる対象に関する特徴のすべての任意の組み合わせも本願の開示内容と見なされ、とりわけ方法カテゴリーの請求項の特徴と装置カテゴリーの請求項の特徴との組み合わせも本願の開示内容と見なされることを理解することができる。
【００５２】
本発明の上述の態様またさらなる態様は、実施例を参照して説明する以下の記載より明らかになる。本発明を以下では実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】一実施形態に係るステータの断面図を概略図である。
【図２Ａ】一実施形態に係るワイヤの長手方向の断面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ａに示されるワイヤの横方向の断面図である。
【図２Ｃ】図２に示されるワイヤの他の長手方向における横方向の断面図である。
【図３】一実施形態に係るステータの部分の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
図面中の記載は概略的なものである。異なる図面中、同様または同一の要素には同一の参照符号あるいは対応する参照符号と最初の桁のみが異なる参照符号が用いられる。
【００５５】
図１は一実施形態にかかるステータの断面図を示す。ステータ１００はリング形状を有する支持構造体１０３を有している。当該リング形状は環状に構成され、図１の紙面に垂直な軸方向１０５に延びる対称軸（図１中、図示せず）を有している。図１中、ステータ１００の部分断面透視図は、軸方向に垂直な方向の断面に相応する。
【００５６】
ステータ１００は支持構造体１０３に接続されており、支持構造体１０３から放射状に延びている。「放射状（方向）に延びている」とは、第１の突起１０７が軸方向１０５に垂直な放射方向１０９に延びていることを意味する。ここで、放射方向１０９とは、環状の支持構造体１０３の対称軸（図示せず）から生じ、対称軸に垂直でありしたがって同様に軸方向に垂直な方向に延びている方向である。ステータ１００は支持構造体１０３に同様に接続されており、支持構造体１０３から放射方向１０９の外側に延びる第２の突起１１１を備えている。特に、第２の突起１１１は放射方向とは異なる放射方向１２３に沿って延びている。
【００５７】
図１の断面図に示されるように、第１の突起１０７および第２の突起１１１は幅ｗ（円周方向における長さ）と高さｈ（それぞれの放射方向１０９、１２３における長さ）とを有する長方形状を有している。実施例では、高さｈと幅ｗと比は約２であるが、たとえばこの比は５〜０．５の範囲にある。第１の突起１０７および第２の突起１１１はいずれも（図示しない）深さｄ（図平面に垂直な軸方向に延びている）を有し、たとえば幅ｗと同様の範囲の値を有する。特に実施例では、第１の突起１０７および第２の突起１１１の高さｈはたとえば５ｃｍ〜１５ｃｍであり、幅ｗおよび深さｄはたとえばいずれも３ｃｍ〜８ｃｍの値である。他のサイズも可能であり、意図されるケースによる。
【００５８】
第１の突起１０７には第１のコイル１１５が組み付けられており、第２の突起１１１には第２のコイル１１７が組み付けられている。第１のコイル１１５および第２のコイル１１７はしたがってそれぞれ第１の突起１０７および第２の突起１１１によりその放射方向の長さ部分全体にわたって少なくとも部分的に包囲されている。第１のコイル１１５は第１の突起１０７と第２の突起１１１との間に配置されている第１のワイヤ１１９を構成し、第２のコイル１１７は第１の突起１０７と第２の突起１１１との間に配置されている第２のワイヤ１２０を構成しており、これによって複数のラジアル層１２１＿１、１２１＿２、…、１２１＿ｎが形成されている（図１中では、別のコイル１１６の例で示している）。なお、ｎは整数であり、たとえば２以上１５以下である。したがって、ラジアル層１２１＿１は第１のコイル１１５および第２のコイル１１７の放射方向での内側部分として配置されており、最後のラジアル層１２１＿ｎは第１のコイル１１５および第２のコイル１１７の放射方向での外側部分としてそれぞれ配置されている。第１のコイル１１５および第２のコイル１１７も同様にそれぞれ１つまたは複数の突起を包囲するものであってよい。
【００５９】
図１の断面図において、第１のコイル１１５および第２のコイル１１７はくさび形状を有し、その円周方向１１３における長さまたはサイズは放射方向の外側に向かうにつれ増大している。図１に示す実施例は、第１のコイル１１５の放射方向の内側のラジアル層１２１＿１の円周方向の長さｃ＿１および第１のコイル１１５の放射方向の外側のラジアル層１２１＿ｎの円周方向の長さｃ＿ｎを示す。放射方向の最も内側のラジアル層の円周方向の長さは、放射方向の最も外側のラジアル層の円周方向の長さよりも小さいことは明らかである。ラジアル層１２１＿２、…、１２１＿（ｎ−１）の円周方向の長さはたとえばｃ＿１とｃ＿ｎの間にある。
【００６０】
図１の例に示すステータ１００において、第１のコイル１１５および第２のコイル１１７の、放射方向の外側方向における円周方向の長さの変化は、第１のコイル１１５を形成している第１のワイヤ１１９と、第２のコイル１１７を形成している第２のワイヤ１２０とにより実現される。第１のワイヤ１１９および第２のワイヤ１２０は、第１のワイヤ１１９および第２のワイヤ１２０のそれぞれ長手方向にわたって変化する断面形状を有している。第１のワイヤ１１９の断面の円周方向の長さ（円周方向１１３における長さまたはサイズ）は、放射方向内側のラジアル層１２１＿１における値ｗ２から、放射方向外側のラジアル層１２１＿ｎにおける値ｗ１まで増大する（ここで、ｗ１はｗ２よりも大きい）ことは明らかである。特にこの第１のワイヤ１１９の断面の円周方向の長さは放射方向の位置に応じて連続してまたは比例して増大する。
【００６１】
図２Ａに、第１のワイヤ１１９の長手方向の断面図の例を概略的に示す。第２のワイヤ１２０は第１のワイヤ１１９と同じかまたは異なる幾何学的特徴を有する。図２Ａ中、ワイヤの長手方向がｚ方向である。第１のワイヤ１１９は長手方向の一部にわたってセグメント１２４を有し、さらに長手方向の別の部分にわたってセグメント１２５を有している。図２Ａに示されているように、セグメント１２４における第１のワイヤ１１９の高さｈ１は他のセグメント１２５における第１のワイヤ１１９の高さｈ２より小さい。特に、高さｈ２は高さｈ１よりも約２５％大きい。他の実施形態では高さｈ１と高さｈ２との比は、たとえば５から１の間にある。
【００６２】
図２Ｂはセグメント１２４における第１のワイヤ１１９の、第１のワイヤ１１９の長手方向の長さ部分のｚ方向に垂直な横断面図を示す。図２Ｃはセグメント１２５における第１のワイヤ１１９の横断面図を示す。図２Ｂおよび２Ｃから明らかなように、セグメント１２４における第１のワイヤ１１９の幅はセグメント１２５における幅とは異なっている（図２Ｃの断面図に示されている）。セグメント１２４における第１のワイヤ１１９の幅はｗ１であり、セグメント１２５における第１のワイヤ１１９の幅はｗ２であり、ｗ２はｗ１より小さい。また、セグメント１２４において、第１のワイヤ１１９の高さはセグメント１２５におけるものよりも小さいが、セグメント１２４における幅はセグメント１２５におけるものより大きい。
【００６３】
特に、幅ｗ１と高さｈ１との積は幅ｗ２とｈ２との積に等しい。したがって、第１のワイヤ１１９の断面積（すなわちｗ１＊ｈ１）のサイズはセグメント１２５の断面積（すなわちｗ２＊ｈ２）と等しい。第１のワイヤ１１９はたとえばその長手方向の長さ部分にわたって一定の断面積を有する。有利には、特に図１に示されるステータ１００においてコイルを形成しているためにかかるワイヤ１１９を用いるとき、放射方向の最も外側のラジアル層１２１＿ｎから放射方向の外側を回転する磁石の回転により電流が誘導される場合、第１のワイヤ１１９は長手方向の単位長さ当たり一定の抵抗値を示す。したがって、第１のコイル１１５および第２のコイル１１７に含まれている第１のワイヤ１１９の不均一な加熱は防止される。
【００６４】
図１および図２Ａ〜２Ｃに少なくとも概略的に示す第１のワイヤ１１９（および／または第２のワイヤ１２０）は、その長手方向の長さ部分にわたって高さおよび幅が変化している長方形状を有する。特に断面において長方形状は面取りされた端部または角を有してもよく、面取りは異なる面取り半径で行われてもよい。さらに、第１のワイヤ１１９は金属たとえば銅製の導電性内部コアを備えており、第１のコイル１１５および第２のコイル１１７において第１のワイヤ１１９および第２のワイヤ１２０の個別の巻線がそれぞれ互いに電気的に絶縁されるように、金属が絶縁層で被覆されていてもよい。
【００６５】
再び図１を参照して、第１の突起１０７と第２の突起１１１との間の空間は、第１のコイル１１５を形成している第１のワイヤ１１９と第２のコイル１１７を形成している第２のワイヤ１２０とにより実質的に完全に満たされていることは明らかである。特にラジアル層１２１＿１、１２１＿２、…、１２１＿ｎは、第１のコイル１１５の放射方向の長さｈ＿１１５と第２のコイル１１７の放射方向の長さｈ＿１１７まで設けられており、これらの長さは第１の突起１０７および第２の突起１１１の高さｈに等しい。
【００６６】
特に、第１のコイル１１５は、第１の突起１０７と第２の突起１１１との間の半ばに位置し、放射方向を含んでいる境界１２７で第２のコイル１１７と隣接する。特に第１のコイル１１５はその放射方向の長さｈ＿１１５の全体にわたって第２のコイル１１７と隣接しているため、第１のコイル１１５と第２のコイル１１７との間には実質的に空隙は形成されない。したがって、第１のコイル１１５を形成している第１のワイヤ１１９の円周方向の最も外側の（境界１２７に近い）セグメントは、第２のコイル１１７を形成している第２のワイヤ１２０の円周方向の最も外側のセグメントの直近で隣接する。ここで、第１のコイル１１５を形成している第１のワイヤ１１９の円周方向の最も外側のセグメントは参照符号１２８により示し、第２のコイル１１７を形成している第２のワイヤ１２０の円周方向の最も外側のセグメントは参照符号１２９により示す。図１よりさらに明らかなように、特定のラジアル層１２１＿１、１２１＿２、…、１２１＿ｎとして互いの上に積層されている第１のワイヤ１１９の円周方向のセグメントの数（実施例では４個）は、１つのラジアル層と他のラジアル層とで変わらない。１つのラジアル層における第１のワイヤ１１９のセグメントの数は放射方向の異なる位置では変わらないものの、ラジアル層の円周方向の長さは第１のワイヤ１１９の断面形状の変化により放射方向の外側に向かって増大している。特に、放射方向の最も内側のラジアル層１２１＿１におけるワイヤの高さは、放射方向の最も外側のラジアル層１２１＿ｎにおけるワイヤの高さよりも大きく、一方で幅は全体として他のように変化する。
【００６７】
第１のコイル１１５の円周方向および放射方向の最も外側の部分である第１のワイヤ１１９のセグメントと、第２のコイル１１７の円周方向および放射方向の最も外側の部分である第２のワイヤ１２０のセグメントとの間の距離ｄ＿ｘは、第１のコイル１１５または第２のコイル１１７の隣接するワイヤセグメントの平均距離ｄ＿ｉの３倍、特に２倍、特に１．５倍より小さい。
【００６８】
図３は、別の実施形態に係るステータ３００の軸方向に垂直な方向の断面図を概略的に示す。ステータ３００は支持構造体３０３と、支持構造体３０３から突出している複数の突起（図中、１つの突起３０７のみ示している）を備えている。突起３０７は支持構造体３０３に取り付けられ、放射方向の外側に延びている。コイル３１５は突起３０７に組み付けられている。コイル３１５はその長手方向にわたって変化している断面形状を有するワイヤ３１９により形成されている。特に、ワイヤ３１９はその放射方向の内側の層において高さｈ３、幅ｗ３、放射方向の外側の層で高さｈ４、幅ｗ４を有する台形形状を有している。明らかなように、高さｈ３は高さｈ４より大きく、幅ｗ３は幅ｗ４よりも小さい。特に断面積のサイズはたとえばワイヤ３１９の長手方向にわたって一定である。図３では放射方向に離間したワイヤ３１９の放射方向の７個のセグメントを構成する円周方向の層を１つだけ示しているが、他の実施形態では図１に示すのと同様にワイヤ３１９の円周方向に複数の層を有していてもよい。
【００６９】
ワイヤ３１９の高さおよび幅が変化している断面の台形形状により、コイル３１５の円周方向の端部は境界３２７に隣接している。図３中に図示しない別のコイル３１５はこの境界３２７と他の側で隣接し、隣接する突起３０７の間の空間は隣接するコイル３１５の隣接するワイヤ３１９セグメントにより実質的に完全に満たされている。
【００７０】
図１は「１スロット当たり２つのコイル」の構成を示しているが、以下のように修正することも可能である。
【００７１】
一実施形態では、隣接する突起の間に配置されているワイヤが１つのコイルのみに属している、「１スロット当たり１つのコイル」の構成が提供される。この場合、図１中の第１のワイヤ１１９および第２のワイヤ１２０は単一のコイルに属する単一のワイヤをともに形成している。特に、単一のコイルは図１に示されるように８つの円周方向の層の代わりに、たとえば単一の円周方向の層により形成されている。これにより、ただ１つのワイヤが第１の突起１０７と第２の突起１１１との間に配置されている。ここで、この単一のワイヤの断面の円周方向の長さは放射方向の外側に向かって増大し、隣接する突起間の空間を実質的に完全に満たしている。たとえば図１の図平面の背後の領域においてワイヤは他のコイル（図示せず）に属している他のワイヤと交差している。「１スロット当たり２つのコイル」の構成を参照して記載されるすべての特徴は「１スロット当たり１つのコイル」の構成にも適用可能である。
【００７２】
図１および図３に示すステータは電気エネルギを発生する発電機のステータとして有利に用いることができる。この場合たとえば、突起から放射方向に配置され、支持構造体の対称軸の周囲を回転する永久磁石などの磁石は、磁束の変化によりコイルに電流を誘導できる。隣接している突起の間の空隙が満たされていることにより、コイルの領域は隣接しているコイルの間に空隙が残存する場合に比べて増大（特に最大化）するので、発電機のより高い効率が得られる。
【００７３】
このような発電機は特に、磁石を備えたロータが複数の風力ブレードを有しているプロペラに機械的に接続される風力タービンに用いることができる。
【００７４】
本発明の実施形態は、図１または３に示されるようなステータを製造する方法を提供する。したがって、ステータに用いられるコイルは補助構造体を用いて形成可能である。よって、ワイヤは補助構造体の周囲で曲げられてワイヤのセグメントは互いの上に積層される。このようなワイヤセグメントの積層はたとえば図１に示されるような放射方向の最も内側（または、代わりに最も外側）のラジアル層１２１＿１に対応する。有利なことに、このラジアル層１２１＿１は同じ高さおよび同じ幅を有する少なくともほぼ同じ断面形状を有するセグメントを備えていてもよい。次のステップにおいて、ワイヤセグメントの他の積層体を、異なる位置において補助構造体の回りでワイヤを複数回曲げることにより形成してもよい。よって、図１に示されるようなラジアル層１２１＿２は、実質的に同じ断面形状、同じ高さおよび同じ幅を有するワイヤセグメントを備えて形成されていてもよい。さらに、ワイヤセグメントのさらに複数の積層を形成するプロセスを、ワイヤセグメントの最後の積層が図１に示される放射方向の最も外側のラジアル層１２１＿ｎに対応して形成されるまで続けてもよい。最後に、このように形成されたコイルをステータの突起の１つに組み付けることができる。
【００７５】
「備える」、「有する」との語は他の要素を除外するものではなく、「１つの」との語は複数を除外するものではないことに留意されたい。異なる実施形態に関連して説明された要素も、組み合わせることができる。特許請求の範囲における参照符号は請求項に係る発明の範囲を限定するものと理解すべきではないことにも留意されたい。
【符号の説明】
【００７６】
１０３  支持構造体、  １０７  第１の突起、  １１１  第２の突起、  １１９  第１のワイヤ、  １２０  第２のワイヤ、  １００  ステータ
【図１】
2011182637.tif 000003
【図２Ａ】
2011182637.tif 000004
【図２Ｂ】
2011182637.tif 000005
【図２Ｃ】
2011182637.tif 000006
【図３】
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