(57)【要約】      （修正有）【課題】改善されたスロットライナを有する電気機械を提供する。【解決手段】電気機械は、ロータと、ステータ端部を越えて延在する電気絶縁体を含むスロットライナ１８を有するステータ１０と、スロットライナ端部のそれぞれに設けられた補強要素とを含み、補強ストリップが、対応するスロットライナ端部の断裂を低減する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（８）と、少なくとも１つの巻線スロット（１６）を有するコア（１２）を有するステータ（１０）であって、前記少なくとも１つの巻線スロット（１６）が、開放された上部を有し、両側の開放端で終端しているステータ（１０）と、
前記巻線スロット（１６）内に設けられ、かつ電気絶縁要素（２２）を有するスロットライナ（１８）であって、前記電気絶縁要素（２２）が、開放された上部を形作っていて、前記スロット開放端を越えて延在する両側の端部で終端しているスロットライナ（１８）と、
前記スロットライナ端部のそれぞれにおいて前記電気絶縁要素（２２）の外面にのみ設けられた補強ストリップ（２４）とを備え、前記補強ストリップ（２４）が、自動巻き付け工程中の、対応する前記スロットライナ端部の断裂を低減する電気機械（６）。
【請求項２】
前記補強ストリップ（２４）が、前記電気絶縁要素（２２）の外面に接合されている、請求項１に記載の電気機械（６）。
【請求項３】
前記補強ストリップ（２４）の全体が、対応する前記スロット端部を越えた位置にある、請求項１に記載の電気機械（６）。
【請求項４】
前記コア（１２）が、複数の前記巻線スロット（１６）を備え、前記スロットライナ（１８）が、前記複数の巻線スロット（１６）のそれぞれに設けられている、請求項１に記載の電気機械（６）。
【請求項５】
前記複数のスロットのうちの少なくとも２つにわたって巻き付けられた電気配線を備える少なくとも１つの巻線（２０）をさらに備える、請求項４に記載の電気機械（６）。
【請求項６】
前記電気絶縁要素（２２）の熱伝導性が、前記補強ストリップ（２４）よりも高い、請求項１に記載の電気機械（６）。
【請求項７】
ロータ（８）と、
少なくとも１つの巻線スロット（１６）を有するコア（１２）を有するステータ（１０）であって、前記少なくとも１つの巻線スロット（１６）が、開放された上部を有し、両側の開放端で終端しているステータ（１０）と、
前記巻線スロット（１６）内に設けられ、かつ電気絶縁要素（２２）を有するスロットライナ（１８）であって、前記電気絶縁要素（２２）が、開放された上部を形作っていて、前記スロット開放端を越えて延在する両側の端部で終端しているスロットライナ（１８）と、
補強ストリップ（２４）であって、前記スロットライナ端部のそれぞれに設けられ、対応する前記スロットライナ端部の周囲を内面から外面まで包みつつ、全体的に、対応する前記スロット端部を越えて位置する補強ストリップ（２４）と
を備え、前記補強ストリップ（２４）が、自動巻き付け工程中の、対応する前記スロットライナ端部の断裂を低減する電気機械（６）。
【請求項８】
前記補強ストリップ（２４）が、前記電気絶縁要素（２２）の外面に接合されている、請求項７に記載の電気機械（６）。
【請求項９】
前記コア（１２）が、複数の前記巻線スロット（１６）を備え、前記スロットライナ（１８）が、前記複数の巻線スロット（１６）のそれぞれに設けられている、請求項７に記載の電気機械（６）。
【請求項１０】
前記複数のスロットのうちの少なくとも２つにわたって巻き付けられた電気配線を備える少なくとも１つの巻線（２０）をさらに備える、請求項９に記載の電気機械（６）。
【請求項１１】
前記電気絶縁要素（２２）の熱伝導性が、前記補強ストリップ（２４）よりも高い、請求項７に記載の電気機械（６）。
【請求項１２】
ロータ（８）と、
少なくとも１つの巻線スロット（１６）を有するコア（１２）を有するステータ（１０）であって、前記少なくとも１つの巻線スロット（１６）が、開放された上部を有し、両側の開放端で終端しているステータ（１０）と、
前記巻線スロット（１６）内に設けられ、かつ電気絶縁要素（２２）を有するスロットライナ（１８）であって、前記電気絶縁要素（２２）が、開放された上部を形作っていて、前記スロット開放端を越えて延在する両側の端部で終端しているスロットライナ（１８）と、
前記スロットライナ端部のそれぞれに設けられた補強ストリップ（２４）と
を備え、前記電気絶縁要素（２２）が、少なくとも２９０ｍＷａｔｔ／ｍｅｔｅｒ−Ｋの熱伝導率を有し、前記補強ストリップ（２４）が、少なくとも９．０のエルメンドルフ引裂測定値を有する電気機械（６）。
【請求項１３】
前記補強ストリップ（２４）が、前記電気絶縁要素（２２）の外面にのみ設けられている、請求項１２に記載の電気機械（６）。
【請求項１４】
前記補強ストリップ（２４）の全体が、対応する前記スロット端部を越えた位置にある、請求項１３に記載の電気機械（６）。
【請求項１５】
前記電気絶縁要素（２２）が、ユーピレックス−Ｓ材料またはポリイミド窒化ホウ素材料のうちの少なくとも一方をさらに含む、請求項１２に記載の電気機械（６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスロットライナを有する電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
スロットライナ材料は、ステータコアとステータ巻線との間の絶縁を行うために、発電機および／またはモータなどの電気機械のステータにおいて使用されている。発電機またはモータなどの回転電気機械において、スロットライナは、ステータコアのスロット内に配置されたステータ巻線をコアから分離する。動作時、スロットライナは、ステータ巻線をコアから電気的に絶縁する一方で、電流に起因してステータ巻線に発生した熱がステータ巻線からステータコアに移動することを可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７０１５３９６号明細書
【発明の概要】
【０００４】
一態様において、電気機械は、ロータと、少なくとも１つの巻線スロットを有するコアを有するステータであって、少なくとも１つの巻線スロットが、開放された上部を有し、両側の開放端で終端しているステータと、巻線スロット内に設けられ、かつ電気絶縁要素を有するスロットライナであって、電気絶縁要素が、開放された上部を形作っていて、スロット開放端を越えて延在する両側の端部で終端しているスロットライナと、スロットライナ端部のそれぞれにおいて電気絶縁要素の外面にのみ設けられた補強ストリップとを含み、補強ストリップは、自動巻き付け工程中の、対応するスロットライナ端部の断裂を低減する。
【０００５】
別の態様において、電気機械は、ロータと、少なくとも１つの巻線スロットを有するコアを有するステータであって、少なくとも１つの巻線スロットが、開放された上部を有し、両側の開放端で終端しているステータと、巻線スロット内に設けられ、かつ電気絶縁要素を有するスロットライナであって、電気絶縁要素が、開放された上部を形作っていて、スロット開放端を越えて延在する両側の端部で終端しているスロットライナと、補強ストリップであって、スロットライナ端部のそれぞれに設けられ、対応するスロットライナ端部の周囲を内面から外面まで包みつつ、全体的に、対応するスロット端部を越えて位置する補強ストリップとを含み、補強ストリップは、自動巻き付け工程中の、対応するスロットライナ端部の断裂を低減する。
【０００６】
別の態様において、電気機械は、ロータと、少なくとも１つの巻線スロットを有するコアを有するステータであって、少なくとも１つの巻線スロットが、開放された上部を有し、両側の開放端で終端しているステータと、巻線スロット内に設けられ、かつ電気絶縁要素を有するスロットライナであって、電気絶縁要素が、開放された上部を形作っていて、スロット開放端を越えて延在する両側の端部で終端しているスロットライナと、スロットライナ端部のそれぞれに設けられた補強ストリップとを含み、電気絶縁要素は、少なくとも２９０ｍＷａｔｔ／ｍｅｔｅｒ−Ｋの熱伝導率を有し、補強ストリップは、少なくとも９．０のエルメンドルフ引裂測定値を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】電気機械アセンブリの断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る電気機械のステータを示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る巻線スロットおよびスロットライナを示す、図２のＩＩＩ−ＩＩＩにおける部分断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るスロットライナの斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るスロットライナおよびステータ巻線が取り付けられたステータコアの部分を示す、図２のＶ−Ｖにおける部分断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るスロットライナの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、電気モータが駆動力の供給および／または電気の発電を行うか否かに関係なく、電気モータを使用する任意の環境において実施されてもよい。この説明のために、このような電気モータは、一般的に、電気機械、電気機械アセンブリ、または同様の用語によって言及される。このことは、１つ以上のステータ／ロータの組合せが機械に含まれ得ることを明らかにすることを意図されている。この説明は、主として発電を行う電気機械に関するが、駆動力を供給する電気機械ならびに／または駆動力および発電の双方を行う電気機械にも適用可能である。さらに、この説明は、主として航空機環境に関するが、本発明は、電気機械を使用する任意の環境に適用可能である。
【０００９】
さらに、この説明は、主として、発電が高出力密度、高効率、および高温電気機械のために設計される環境に関する。したがって、本明細書に記載した実施形態では、２４０℃を上回る発電の耐熱クラスなど、より高い定常動作温度が規定されている。３００℃の定常耐熱クラスが考えられているが、さらに、より高いおよび／またはより低い動作温度が考えられる。
【００１０】
図１に示されているように、本発明の実施形態は、ロータ８およびステータ１０を備える電気機械６である。図２では、ステータ１０が、より詳細に示されている。図示のように、ステータ１０は、略円筒形のコア１２、複数の歯１４、少なくとも１つの巻線スロット１６、および巻線スロット１６の少なくとも一部に設けられる少なくとも１つのスロットライナ１８を備える。コア１２の内周部の表面は、ロータ８の方を向いており、複数の歯１４を有する。複数の歯１４は、周方向に所定の間隔を置いて放射状に配置されている。コア１２は、複数の積層体から形成されてもよいが、代わりとなる、材料の成形または機械加工が考えられる。
【００１１】
コア１２は、互いに隣接する歯１４の間の空間によって形作られた少なくとも１つの巻線スロット１６をさらに備える。少なくとも１つの巻線スロット１６は、コア１２の円周の中心点の方を向いた開放された上部を有し、コア１２に沿って軸方向に離間された両側の開放端で終端している。例えば、巻線スロット１６の端部は、軸方向に関してコア１２と同じ長さで終端してもよい。スロットライナ１８は、巻線スロット１６の内周部に沿って配置されており、コア１２の円周の中心点の方を向いた開放された上部を形作っていて、巻線スロット１６の開放端を越えて延在する両側の端部で終端している。
【００１２】
図３は、本発明の一実施形態に係る、ステータ巻線２０を有する組み立てられたステータ１０の１つの巻線スロット１６の構造の断面図を示している。ステータ巻線２０は、導線（例示のためにわずかしか示されていない）を備え、これらの導線は、個々の組の巻線２０が隣の巻線スロット１６に設けられた他の組のステータ巻線２０から分離され得るように、巻線スロット１６内でコア１２の周囲に巻き付けられている。さらに図示されているように、スロットライナ１８が、複数の歯１４およびステータコア１２から複数のステータ巻線２０を絶縁している。一組のステータ巻線２０しか示されていないが、ロータ８の磁界の回転がステータ巻線２０内に対応する電圧を発生させる構造を形成するために、少なくとも一組のステータ巻線２０が、巻線スロット１６のうちの少なくとも２つにわたって巻き付けられることが考えられる。
【００１３】
次に図４を参照すると、スロットライナ１８は、絶縁層２２であって、電気的な絶縁を行うが、熱伝導性であり、スロットライナ１８の縦方向に沿って延在する絶縁層２２と、スロットライナ１８の端部のそれぞれに設けられた補強ストリップ２４とを備える。ユーピレックス−Ｓ（Ｕｐｉｌｅｘ−Ｓ）（登録商標）が、その絶縁耐力、比誘電率、および熱伝導率の高い特性に起因して、絶縁層２２の一例であってもよい。別の例では、絶縁層２２は、積層または接着によって形成された複数の層を備えてもよい。絶縁層の一例において、ユーピレックス−Ｓ（登録商標）は、レーザフラッシュ法によって測定した場合に２９０ｍＷａｔｔ／ｍｅｔｅｒ−Ｋの熱伝導率を有する。さらに、２５μｍ厚の場合、ユーピレックス−Ｓ（登録商標）の層は、５０Ｈｚの試験条件におけるＡＳＴＭ  Ｄ１４９試験方法によって測定した場合に、２００℃において６．８ｋＶの絶縁耐力を有し、１０ｋＨｚの試験条件におけるＡＳＴＭ  Ｄ１５０試験方法によって測定した場合に、２００℃において３．３の比誘電率を有する。７５μｍ厚の場合、ユーピレックス−Ｓ（登録商標）の層は、５０Ｈｚの試験条件におけるＡＳＴＭ  Ｄ１４９試験方法によって測定した場合に、２００℃において１１ｋＶの絶縁耐力を有し、１０ｋＨｚの試験条件におけるＡＳＴＭ  Ｄ１５０試験方法によって測定した場合に、３．２の比誘電率を有する。他の絶縁層２２および絶縁層２２の構造または構成が考えられる。別の代替的な絶縁層２２は、少なくとも１．０Ｗ／ｍｅｔｅｒ−Ｋの熱伝導率を有し得る、ポリイミド窒化ホウ素シート（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ  ｂｏｒｏｎ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｓｈｅｅｔ）であってもよい。
【００１４】
絶縁層２２の両側の端部において絶縁層２２の外面にのみ配置された補強ストリップ２４が示されている。補強ストリップ２４は、積層、接着、機械的結合（ファスナなど）によって、または、代わりの接合技術または接合材料（高温・高接合力のエポキシなど）によって絶縁層２２と結合される。補強ストリップ２４は、垂直力にさらされたときに引裂け、破壊、または断裂に耐える特性を有する要素または材料から構成される。補強ストリップ２４に適した材料の一例は、ノーメックス（Ｎｏｍｅｘ）（登録商標）紙タイプ４１０であってもよい。この例において、０．３８１ｍｍの公称厚さのノーメックス（登録商標）紙タイプ４１０は、紙の縦方向に関しては９．０のエルメンドルフ引裂測定値（Ｅｌｍｅｎｄｏｒｆ  Ｔｅａｒ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）を有し、紙の横方向に関しては１６．７のエルメンドルフ引裂測定値を有する。さらに、この例において、同じ公称厚さのノーメックス（登録商標）紙タイプ４１０は、摂氏１５０度において１４９ｍＷａｔｔ／ｍｅｔｅｒ−Ｋの熱伝導率を有し、したがって、絶縁層２２の熱伝導率は、補強ストリップ２４よりも高い。絶縁層２２の熱伝導率が補強ストリップ２４の熱伝導率以上である代替的な材料が考えられてもよい。
【００１５】
図５は、ステータ１０の軸と平行であり、かつステータ１０の軸を通過する平面における、電気機械６のステータ１０の断面図を示している。スロットライナ１８は、スロットライナ１８の少なくとも延長部２６が、コア１２の端部を越えて延在するようにコア１２の軸方向に延在している。ステータ巻線２０は、スロットライナ１８の延長部２６からさらに延在し、一組のステータ巻線２０の複数の導線がコア１２の部分の周囲に巻き付くように構成されている。図示のように、絶縁層２２は、コア１２の全長および延長部２６の全長（延長部２６の点線として示されている）にわたって延在している。さらに図示のように、補強ストリップ２４の全体は、対応する巻線スロット１６およびコア１２の両側の端部を越えた位置にのみある。言い換えれば、補強ストリップ２４は、スロットライナ１８の両側の延長部２６の長さ分だけ延在している。
【００１６】
ステータ１０のコア１２の周囲のステータ巻線２０のきつい巻き付き構造は、スロットライナ１８の端部にかかる曲げ荷重を発生させる。より具体的には、大きな応力が、延長部２６の両側の軸方向の端部に位置する、スロットライナ１８の角に発生する。補強ストリップ２４は、スロットライナ１８を補強し、支持することによって、コア１２の周囲に巻き付けられたステータ巻線２０によって発生する応力に耐え、これを分散する。例えば、自動巻き付け工程によって、スロットライナ１８の内面に沿ってステータ巻線２０（図示せず）を縦方向に巻き付けるとき、補強ストリップ２４は、絶縁層２２を支持して、ステータ１０のコア１２の外側に延在する絶縁層２２および／またはストリップ２４の引裂け、破壊、または断裂（ステータ巻線２０の張力によってスロットライナ１８に発生する応力に起因する）を防止する。あるいは、補強ストリップ２４は、スロットライナ、絶縁層２２、および／または補強ストリップ２４の引裂け、破壊、もしくは断裂の可能性を低減することができる。
【００１７】
電気機械６の動作中、ロータ８とステータ１０との相互作用は、ステータ巻線２０を通る電流フローを発生させ、次に、電流フローは、ステータ巻線２０に熱を発生させる。この熱は、上述したように高い熱伝導率を有する絶縁層２２を主に介してコア１２に伝達される。その他の熱は、熱伝導性が相対的に低い補強ストリップ２４を介してコア１２に伝達され得るが、ステータ巻線２０からコア１２への全体的な熱伝達は、補強ストリップ２４がコア１２の端部の外側に配置されているため、補強ストリップ２４によって阻害されない。このように、補強ストリップ２４は、主な目的としてステータ巻線２０の張力によってスロットライナ１８に発生する応力に起因する引裂け、破壊、または断裂を防止するために、コア１２の端部の軸方向外側に延在しているが、必ずしも、ステータ巻線２０とコア１２との間で高い熱伝達を行わない。一方、絶縁層２２は、主な目的としてステータ巻線２０とコア１２との間に熱伝導率の高いインターフェースを設けるために、コア１２の軸方向に沿って延在している。
【００１８】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る代替的なスロットライナ１１８を示している。第２の実施形態は、第１の実施形態と同様であり、したがって、同様の部品については、１００を加えた同様の参照符号によって識別する。また、第１の実施形態の同様の部品に関する説明は、別様に述べられない限り、第２の実施形態にも当てはまることを理解されたい。第１の実施形態と第２の実施形態との間の差異は、スロットライナ１１８の両側の端部に設けられた補強ストリップ１２４が、第１の実施形態の場合のように絶縁層２２の外面にのみ設けられているのではなく、対応する絶縁層２２の周囲を内面から外面まで包んでいることである。
【００１９】
上記の図面に示されているもの以外にも、多くの他の可能な実施形態および構造が、本開示に基づいて考えられる。例えば、本発明の一実施形態では、補強ストリップ２４が絶縁層２２の内面にのみ設けられたスロットライナ１８が考えられる。さらに、様々な構成部品の設計および配置は、多くの異なるインライン構造が実現され得るように再考されてもよい。
【００２０】
本明細書で開示した実施形態は、改善されたスロットライナを有する電気機械を提供する。上記の実施形態で実現され得る１つの利点は、上述した実施形態が、従来のスロットライナ構造に勝る優れた熱的および電気的な機能を有することである。提案した構造により、上述した絶縁層材料の高い熱伝導率に起因して、ステータ巻線とステータコアとの間の高い熱伝導率を達成することができる。さらに、絶縁層の高い比誘電率および絶縁耐力は、電気機械によってより高い電流および電圧が発生する場合であっても、ステータ巻線とステータコアとの間の電気的短絡の可能性を低減または排除する。本明細書に記載した実施形態のより高い熱伝導率、より高い比誘電率、およびより高い絶縁耐力の組合せは、より高い耐熱クラスの用途（２４０℃より高い耐熱クラスなど）で使用することができるスロットライナをもたらす。したがって、上述した実施形態の別の利点は、説明したスロットライナを有する電気機械が、従来の電気機械と比較して、より多くの電力を発生させるためにより高い温度で駆動され得ることである。
【００２１】
さらに、電気機械システムを設計するとき、対応すべき重要な要素は信頼性である。上記の実施形態で実現され得る別の利点は、絶縁層のみの強度と比較して増加した、補強ストリップを加えた絶縁層の強度に起因して、スロットライナの軸方向の端部の破壊、断裂、または引裂けが起こりにくいことである。これにより、全体的なシステムの信頼性が、本質的に向上する。絶縁層により電気機械の発電を改善すること、および、補強ストリップによりスロットライナの引裂けまたは破壊の可能性を低減することによって、上記の実施形態において、電気機械の性能および信頼性が改善されることが説明された。
【００２２】
これまでに説明されていない範囲に関して、様々な実施形態の様々な特徴および構造を、必要に応じて互いに組み合わせて使用してもよい。ある特徴は、どの実施形態においても示されていないかもしれないが、このことは、この特徴が存在し得ないと解釈されることを意図したものではなく、説明を簡潔にするためのものである。したがって、様々な実施形態の様々な特徴は、必要に応じて新しい実施形態を形成するために、新しい実施形態が明確に説明されるか否かに関係なく、混合および適合されてもよい。本明細書に記載した特徴のすべての組合せまたは順列は、本開示によって包含されている。例示的な実施形態の間の主な差異は、スロットライナに関し、これらの特徴は、上述した実施形態の修正および他の実施形態の形成を行うために任意の適切な方法で組み合わされてもよい。
【００２３】
この記載された説明では、最良の態様を含めて本発明を開示するために、さらには、当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて本発明を実施することを可能にするために、例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、また、当業者に想到される他の例を含んでもよい。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文言と実質的な差異のない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００２４】
６  電気機械
８  ロータ
１０  ステータ
１２  コア
１４  歯
１６  巻線スロット
１８  スロットライナ
２０  ステータ巻線
２２  絶縁層
２４  補強ストリップ
２６  延長部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2015033323.tif 000005
【図４】
2015033323.tif 000006
【図５】
2015033323.tif 000007
【図６】
2015033323.tif 000008
【外国語明細書】
2015033323000001.pdf