(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向磁束永久磁石機を冷却する方法であって、前記軸方向磁束永久磁石機は、それぞれのステータバー上に巻き付けられ、前記軸方向磁束永久磁石機の軸の周りに間隔をあけて円周方向に配設されたコイルのセットを封入するステータハウジングを備えるステータと、永久磁石のセットを有し、前記軸の周りで回転するように装着されたロータとを有し、前記ロータおよび前記ステータは、前記軸に沿って離間されて、前記ロータと前記ステータとの間に、前記軸方向磁束永久磁石機内の磁束が全体的に軸方向となるギャップを画定し、
前記方法は、
冷却剤を、前記コイル間に流れるように前記ステータハウジングを介して前記コイル周りに流すステップと、
隣接する前記コイル間のギャップを制御することによって、前記コイル間の前記冷却剤の流れを制御するステップとを含み、
隣接する前記コイル間の前記ギャップを制御するステップは、
前記コイルの各々に前記ステータバーを覆う巻線の単一層を設けるステップであって、巻線の前記層が、リボン形状のワイヤを備え、前記リボン形状のワイヤは、前記リボン形状のワイヤを通り抜ける厚さより大きい、前記リボン形状のワイヤの表面を横切る幅を有し、前記巻線は、前記リボン形状のワイヤの隣接するリボン表面が互いに当接するように前記ステータバーに沿って水平に積み重ねられ、前記リボン形状のワイヤの前記幅は、前記巻線が積み重ねられる方向に対して垂直に前記コイルを横切る距離を規定する、ステップと、
前記コイルを横切る前記距離を制御することによって、隣接する前記コイル間の前記ギャップを制御するステップと、
各端部にシューを持つ前記ステータバーを設けるステップであって、前記シューは、前記ステータバーから前記コイルの外側の端部に向かって垂直に突出するように構成される、ステップと、前記巻線を一方または両方の前記シューの手前で止めて、前記巻線と前記シューとの間に冷却剤チャネルを画定するステップであって、前記シューの突出長さは、前記リボン形状のワイヤの前記幅に等しく、前記シューは、前記冷却剤チャネルを流れる冷却剤により冷却される、ステップとを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
隣接する前記コイル間の前記ギャップを制御するステップは、前記リボン形状のワイヤの前記巻線の単一層を使用して前記ステータの前記コイルの外縁の場所における変動を制限することにより、前記ステータの前記コイルの平均ギャップからの割合変動を公差限界内に制御するステップを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ギャップの最小値は、２ｍｍ未満であり、前記公差限界は、前記ギャップの２０％である
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記コイルのサブセットと、前記ステータハウジングの径方向の内壁および外壁との間に複数の障壁またはブロックを設けて、前記冷却剤の流れを前記コイル間の前記ギャップを通るように強制するステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ステータの前記コイルの前記巻線を使用して、コイルの隣接する対間のギャップの変動を制御することにより、前記コイルの隣接する対間で同じ径方向における冷却剤の流れのバランスをとるステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記ステータの前記コイルの端部とそれぞれ１つの前記シューとの間の前記冷却剤チャネル内にスペーサを設けるステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ステータの前記コイルを圧縮状態にプレローディングして、前記コイルの前記巻き部を互いに向かうように促すステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
軸方向磁束永久磁石機を製造する方法であって、前記軸方向磁束永久磁石機は、それぞれのステータバー上に巻き付けられ、前記軸方向磁束永久磁石機の軸の周りに間隔をあけて円周方向に配設されたコイルのセットを封入するステータハウジングを備えるステータと、永久磁石のセットを有し、前記軸の周りで回転するように装着されたロータとを有し、前記ロータおよび前記ステータは、前記軸に沿って離間されて、前記ロータと前記ステータとの間に、前記軸方向磁束永久磁石機内の磁束が全体的に軸方向となるギャップを画定し、
前記方法は、
冷却剤を、前記コイル間に流れるように前記ステータハウジングを通り抜けて前記コイル周りに流すためのポートを設けるステップと、
前記コイルの各々に、前記ステータバーを覆う巻線の単一層を提供することによって、隣接する前記コイル間に冷却剤の流れのためのギャップを画定するステップであって、巻線の前記層は、リボン形状のワイヤを備え、前記リボン形状のワイヤは、前記リボン形状のワイヤを貫通する厚さよりも大きい、前記リボン形状のワイヤの表面を横切る幅を有し、前記巻線は、前記リボン形状のワイヤの隣接するリボン表面が互いに当接するように前記ステータバーに沿って水平に積み重ねられ、前記リボン形状のワイヤの前記幅は、前記巻線が積み重ねられる方向に対して垂直に前記コイルを横切る距離を規定する、ステップと
各端部にシューを持つ前記ステータを設けるステップであって、前記シューは、前記ステータバーから前記コイルの外側の端部に向かって垂直に突出するように構成される、ステップと、前記巻線を一方または両方の前記シューの手前で止めて、前記巻き線と前記シューとの間に冷却剤チャネルを画定するステップであって、前記シューの突出長さは、前記リボン形状のワイヤの前記幅と等しく、前記シューは、前記冷却剤チャネルを流れる冷却剤により冷却される、ステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記コイル間のギャップを、前記リボン形状のワイヤの前記幅の公差を用いて公差限界内に制御することによって、前記軸方向磁束永久磁石機を設計するステップと、前記軸方向磁束永久磁石機を前記設計に合わせて製造するステップとを含む
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記コイル間の前記ギャップを制御するステップは、前記リボン形状のワイヤの前記巻線の単一層を使用して前記ステータの前記コイルの外縁の場所における変動を制限することにより、前記ステータの前記コイルの平均ギャップからの割合変動を前記公差限界内に制御することを含む
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記コイル間の前記ギャップの最小値は、２ｍｍ未満であり、前記公差限界は、前記ギャップの２０％である
ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記コイルを圧縮状態にプレローディングして、前記ステータの前記コイルの前記巻き部を互いに向かうように促すステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
ステータを有する軸方向磁束永久磁石機であって、
それぞれのステータバー上に巻き付けられ、前記軸方向磁束永久磁石機の軸の周りに間隔をあけて円周方向に配設されたコイルのセットを封入するステータハウジングと、永久磁石のセットを有し、前記軸の周りで回転するように装着されたロータとを備え、前記ロータおよび前記ステータは、前記軸に沿って離間されて、前記ロータと前記ステータとの間に、前記軸方向磁束永久磁石機内の磁束が全体的に軸方向となるギャップを画定し、
前記コイルの各々は、前記ステータバーを覆う巻線の単一層を有し、巻線の前記層は、リボン形状のワイヤを備え、前記リボン形状のワイヤは、前記リボン形状のワイヤを貫通する厚さよりも大きい、前記リボン形状のワイヤの表面を横切る幅を有し、前記巻線は、前記リボン形状のワイヤの隣接するリボン表面が互いに当接するように前記ステータバーに沿って水平に積み重ねられ、前記リボン形状のワイヤの前記幅は、前記巻線が積み重ねられる方向に対して垂直に前記コイルを横切る距離を規定し、前記ステータの隣接する前記コイルのそれぞれについて前記リボン形状のワイヤの前記幅は、前記ステータの隣接する前記コイル間で冷却剤の流れを制御して前記軸方向磁束永久磁石機を冷却するために前記ステータの隣接する前記コイル間のギャップを画定し、
前記ステータバーは各端部にシューを有し、前記シューは、前記ステータバーから前記コイルの外側の端部に向かって垂直に突出するように構成され、前記巻線は、一方または両方の前記シューの手前で止められて、前記巻線と前記シューとの間のギャップによって冷却剤チャネルを画定し、前記シューの突出長さは、前記リボン形状のワイヤの前記幅と等しく、前記シューは、前記冷却剤チャネルを流れる冷却剤により冷却される
ことを特徴とする軸方向磁束永久磁石機。
【請求項１４】
前記コイルは、圧縮状態にプレローディングされて前記コイルの前記巻き部を互いに向かって促す
ことを特徴とする請求項１３に記載の軸方向磁束永久磁石機。
【請求項１５】
前記コイルの端部とそれぞれの前記シューとの間にスペーサを備えて、前記冷却剤チャネルを画定する
ことを特徴とする請求項１３に記載の軸方向磁束永久磁石機。
【請求項１６】
冷却剤の流れを前記ステータの前記コイル間の前記ギャップを通るように強制するために、前記ステータの前記コイルのサブセットと、前記ステータハウジングの径方向の内壁および外壁との間に障壁またはブロックをさらに備える
ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の軸方向磁束永久磁石機。
【請求項１７】
前記ステータバーは、各端部にシューを有し、前記ステータバーの各端部の前記シューは、それぞれの対向する前記ステータハウジングと接触し、前記ステータハウジングは、冷却剤入口ポートおよび冷却剤出口ポートを備え、前記ステータの周りには、前記コイルを、複数のコイルおきに前記内壁に、および前記外壁に交互に連結する前記障壁または前記ブロックが設けられて、隣接するコイル間の第１の径方向の第１の複数の冷却剤流れチャネルおよび隣接するコイル間の第２の反対の径方向の第２の複数の冷却剤チャネルを画定し、前記ステータの前記コイルを横切る距離を規定するステップは、隣接する前記コイル間の同じ径方向の前記冷却剤流れチャネルの幅を制御して、前記チャネル内の同じ径方向における前記冷却剤の流れのバランスをとる
ことを特徴とする請求項１６に記載の軸方向磁束永久磁石機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸方向磁束永久磁石機を冷却するための改良された技法と、これらの技法を用いる機械とに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書では、軸方向磁束永久磁石機を取り上げる。大まかに言えば、これらは、軸の周りに配置されたディスク形状またはリング形状のロータおよびステータ構造を有する。通常、ステータは、各々が軸に対して平行であるコイルのセットを備え、ロータは、永久磁石のセットを有し、ステータコイルからの磁場によって駆動されて軸周りで回転することができるように軸受に装着される。図１Ａは、ステータＳの両側にロータＲ１、Ｒ２の対を備えた軸方向磁束機の一般的な構成を示すが、簡単な構造はロータのうちの１つを省くことができる。図から分かるように、ロータとステータとの間にはエアギャップＧが存在し、軸方向磁束機においては、エアギャップを通る磁束の方向は実質的に軸方向である。
【０００３】
軸方向磁束永久磁石機には、ロータのＮ極およびＳ極の配置に応じてさまざまな構成が存在する。図１Ｂは、トーラスＮＳ機、トーラスＮＮ機（ＮＮ極配置は磁束がヨークの厚み方向に流れることを必要とするため、トーラスＮＮ機は、より厚いヨークを有する）、ＹＡＳＡ（ヨークレスセグメント化アーマチュア（Yokeless and Segmented Armature））トポロジの基本的な構成を示す。ＹＡＳＡトポロジの図は、２つのコイルを貫通する断面を示し、クロスハッチングされた領域は、各コイルの周りの巻線を示す。理解され得るように、ステータヨークを省くことは、重量および鉄損における大きな節減をもたらすが、１つの欠点は、熱がステータコイルから逃げるルートの損失である。したがって、好ましくは、機械のための冷却剤が、ステータハウジング内で循環される。
【０００４】
本願出願人は、特許文献１において、クラムシェルタイプのステータハウジングをすでに説明している。有利には、ステータコイルが巻き付けられるステータバーのシューが、ハウジングの径方向壁内にオーバモールドされる。こうして、ハウジングは、構造強度および冷却剤チャンバの両方をもたらす。
【０００５】
最初に、本願出願人の特許文献１から得られる図１Ｃ、図２、および図３を参照すると、図１Ｃは、ヨークレスセグメント化アーマチュア機１０の概略図を示す。機械１０は、ステータ１２と、２つのロータ１４ａ、ｂとを備える。ステータ１２は、ロータ１４ａ、ｂの回転軸２０の周りに円周方向に離間された別個のステータバー１６の集合体である。各バー１６は、好ましくは、回転軸２０に対して平行に配設された固有の軸（図示せず）を有するが、必須ではない。各ステータバーの各端部には、コイルスタック２２を閉じ込める物理的目的に役立つシュー１８ａ、ｂが設けられ、このスタック２２は、好ましくは、高い曲線因子が達成され得るように正方形／矩形断面の絶縁ワイヤから成る。コイル２２は、電気回路（図示せず）に連結され、この電気回路は、モータの場合、コイル内に流れる電流によって生成された、結果として生じる磁場の磁極が、隣接するステータコイル２２内では反対となるようにコイルを励起する。
【０００６】
２つのロータ１４ａ、ｂは、ステータコイル２２を挟んで互いに面する永久磁石２４ａ、ｂを担持する（図示とは異なるが、ステータバーが傾けられ場合、磁石も同様になる）。２つのエアギャップ２６ａ、ｂが、それぞれのシューと磁石の対１８ａ／２４ａ間、１８ｂ／２４ｂ間に配設される。回転軸２０の周りに離間された偶数個のコイルおよび磁石が存在し、好ましくは、異なる数のコイルおよび磁石が存在し、それにより、コイルのすべてが、対応する磁石対と、同時にかつステータに対するロータの同じ回転位置で位置が合わないようにする。これは、コギングを低減するのに役立つ。
【０００７】
モータ内で、コイル２２は励起され、それにより、それらの磁極性が交互になることが、コイルを異なる時間においては異なる磁石対と整合させるのに役立ち、その結果、トルクがロータとステータとの間にかけられる。ロータ１４ａ、ｂは、一般的には、（たとえば、図示しないシャフトによって）一緒に連結され、ステータ１２に対して軸２０の周りで一緒に回転する。磁気回路３０は、２つの隣接するステータバー１６および２つの磁石対２４ａ、ｂによってもたらされ、各ロータのバックアイアン３２ａ、ｂは、それぞれのコイル２２から外方を向く各磁石２４ａ、ｂの裏側間の磁束をリンクする。ステータコイル１６は、ハウジング内に封入され、このハウジングは、エアギャップ２６ａ、ｂを通り抜けて延び、冷却媒体が供給されるチャンバを画定する。
【０００８】
図３に移ると、ステータコイルがプラスチック材料のクラムシェル４２ａ、ｂ間に位置するステータ１２ａが示される。これらのクラムシェルは、外部円筒状壁４４と、内部円筒状壁４６と、環状的に径方向に配設された壁４８とを有する。図３の従来技術の例では、径方向の壁４８は、内部ポケット５０を含んで、ステータバー１６のシュー１８ａ、ｂを受け入れ、ステータ１２ａの２つのクラムシェルハウジング４２ａ、ｂが一緒に組み付けられる際に、ステータコイル組立体１６、２２、１８ａ、ｂを位置付けるのに役立つ。ステータハウジング４２ａ、ｂは、コイル２２の内側の空間５２と、コイル２２の外側の周りの外部５４とを画定し、コイル間には空間５６が存在する。空間５２、５４、５６は、相互リンクされて冷却チャンバを画定する。図３には示さないが、組み立てられたとき、ステータハウジング４２ａ、ｂにはポートが設けられ、このポートは、油などの冷却媒体が空間５２、５４、５６内に圧送されてコイルの周りを循環しこれらを冷却することを可能にする。作動中、チャンバ内のコイル周りの空間は、好ましくは、冷却剤で実質的に完全に充填される。すなわち、好ましくは、チャンバは、冷却剤（油）で実質的に完全に一杯になる。
【０００９】
冷却を達成することは、軸方向磁束永久磁石機、たとえばモータにおいて主要な問題であり、その部分的な理由は、これらの機械が出力可能な非常に高い電力密度によるものである。実際、熱をモータから除去され得る速度は、少なくともモータを長期間にわたって連続的に稼働させる場合に達成され得るトルクに対する最も重要な限定因子となることが多い。
【００１０】
本願出願人は、特許文献２において、軸方向磁束モータの改良された冷却のためのいくつかの技法をすでに説明している。加えて、一般的な背景の従来技術は、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、および特許文献１６に見出すことができる。
【００１１】
本願出願人の過去の特許出願である特許文献２は、冷却剤、通常は油が、ステータハウジング内を循環するにつれて、隣接するステータコイル間のギャップを通るように強制される冷却技法を説明する。これは、冷却剤がリング周りに強制循環されるように、ポート間の直接経路をブロックするための内部障壁と共に、互いに近いまたは隣接する入口ポートおよび出口ポートを設けることによって、リング形状のハウジングにおいて達成される。加えて、障壁は、リング周りに間隔をあけて、コイルと、リング形状ハウジングの径方向の内壁および外壁との間に配設されて冷却剤のための蛇行経路を画定する。大まかに言えば、冷却剤は、障壁と接触するまでリングの外縁を進行し、接触したとき、冷却剤は、コイル間に入ってリングの内壁に向かうよう強制され、ここで、冷却剤は、さらなる障壁に接触するまで内壁に沿って進行し、ここでもコイル間に入って外壁に向かうよう外向きに強制される。しかし、より具体的には、ステータコイルと内側および外側のハウジング壁との間の障壁は、諸実施形態では、コイルごと交互に設けられるのではなく、その代わりに、内側の（および外側の）障壁は、ｎ個のコイルごとに設けられ、この場合、ｎ≧２である。その結果、諸実施形態では、コイル間の２つ以上の径方向の内向きの経路が、平行に設けられ、その後コイル間の２つ以上の径方向の外向きの経路が平行に続き、そのように続いていく。諸実施形態では、冷却油は、ステータハウジングの自由容積のすべて、すなわち、ステータの他の構成要素によって占有されない容積を実質的に充填し、好ましくは、空気を実質的に有しない（空気は排出され、またはチャンバが真空下で充填され得る）。
【００１２】
所与の容積のモータから利用可能な電力を最大限にするために、理論上、ステータのできる限り多くの容積が、ステータコイルによって占有されるべきである。しかし、高い電力出力作動を維持することができるようにするには、機械は、効果的な冷却も必要とし、この冷却剤は、ステータコイルの周り、特にステータコイル間を流れることができる必要がある。隣接するコイル間のギャップを小さく保ちながら、コイル間の適切な流れを確実にすることが一般的には望ましく、実際には、ステータ組立体内の公差スタッキングは、モータが長期間作動することができる最大電力に対して非常に驚くべき大きな影響を有する。ギャップが小さい場合、ギャップ幅における小さい絶対的変化は、幅において大きな割合の変化を引き起こすことがある。なぜなら、特に、流体力学的幅が、コイルの側部上の境界層に起因して、物理的幅より小さくなり得るためである。それにも関わらず、このデータにおいて磁性材料の量を最大限にしたいという望みとは別に、小さいギャップを用いることも望ましい。なぜなら、これらが、小さいギャップの比較的大きいレイノルズ数が理由で、乱流を促進する傾向があるためである。小さいギャップ幅における小さい変化は、ステータコイル間の冷却剤の流れに大きな影響を与えることがあり、これは、ひいては、異なるコイルが冷却される相対的な効率性に対するさらに大きい影響となり、これは、ひいては、機械全体としての安全作動の限界を決定し得る。これは、上記で説明したように、ステータコイルの隣接する対間に平行な冷却剤流路が存在する場合に特に問題である。この状況では、冷却剤は、最も広いチャネルを通って不均衡に流れ、最も不十分に冷却されたコイルは、機械の全体としての作動限界を規定する傾向がある。
【００１３】
したがって、一般的には、説明されたタイプの軸方向磁束永久磁石機の隣接するステータコイル間の冷却剤の流れをより正確に規定することができることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０２２９７４号パンフレット
【特許文献２】英国特許出願第２，４６８，０１８号明細書
【特許文献３】英国特許出願第２，４８２，９２８号明細書
【特許文献４】特開第２００９−１４２０９５号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１０／０１４１３７３号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１０／１８０９７７号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１０／０００６２４号明細書
【特許文献８】特開第２００６−２８８０２５号公報
【特許文献９】特開第２００２−１８４６３９号公報
【特許文献１０】英国特許出願第２，７４１，１３５号明細書
【特許文献１１】特開第２００９−２２５５０７号公報
【特許文献１２】米国特許第４，４４６，３９３号明細書
【特許文献１３】特開第２００６−０１４５３０号公報
【特許文献１４】特開第２０１１−０９１９２０号公報
【特許文献１５】米国特許第６，５５５，９４２号明細書
【特許文献１６】英国特許出願第１，５１９，８１３号明細書
【発明の概要】
【００１５】
したがって、本発明の第１の態様によれば、軸方向磁束永久磁石機を冷却する方法であって、この機械は、それぞれのステータバー上に巻き付けられ、機械の軸の周りに間隔をあけて円周方向に配設されたコイルのセットを封入するステータハウジングを備えるステータと、永久磁石のセットを有し、前記軸の周りで回転するように装着されたロータとを有し、前記ロータおよび前記ステータは、前記軸に沿って離間されて、それらの間に、機械内の磁束が全体的に軸方向となるギャップを画定し、本方法は、冷却剤を、前記コイル間に流れるように前記ステータハウジングを通り抜けて前記コイル周りに流すステップと、隣接する前記コイル間のギャップを制御することによって、前記コイル間の前記冷却剤の流れを制御するステップとを含み、前記ギャップの前記制御するステップは、前記コイルの各々に前記ステータバーを覆う巻線の単一層を設けるステップであって、巻線の前記層は、リボン形状のワイヤを備え、リボンの形状のワイヤは、リボンを通り抜ける厚さより大きい、リボンの表面を横切る幅を有し、前記巻線は、前記リボンの隣接するリボン表面が互いに当接するように前記ステータバーに沿って水平に積み重ねられ、前記リボンの前記幅は、前記巻線が積み重ねられる方向に対して垂直に前記コイルを横切る距離を規定する、ステップと、前記コイルを横切る前記距離を制御することによって、前記ギャップを制御するステップとを含む、方法が、提供される。
【００１６】
エッジ巻きコイルをリボン形状のワイヤの巻線の単一層と共に使用する実施形態では、通常、銅は、ステータバーとステータコイルの外縁との間の境界面の数を低減しながら、適切な通電能力をもたらす。円形または正方形断面ワイヤの複数の巻き部では、ステータバーとコイルの縁との間に複数の境界面が存在し、これらを横切る公差スタッキングの結果、ステータコイルを横切る合計距離に変動を生じさせ、隣接するコイル間のギャップにかなりの変動を引き起こす。これとは対照的に、巻線の単一層のみを備えるエッジ巻きコイルを使用することにより、ステータコイルを横切る距離、故にコイル間のギャップをより一層正確に制御することが可能になり、こうして、ステータコイル間の冷却剤の流れのより一層の正確な制御を可能にする。
【００１７】
諸実施形態では、ギャップは、リボン形状のワイヤの巻線の単一層を使用してステータのコイルの外縁の場所における変動を抑えることにより、コイル間の平均ギャップ幅からの公差限界パーセンテージ変動以内になるように制御される。たとえば、諸実施形態では、隣接するコイル間の最小ギャップは、２ｍｍ未満、たとえば、１ｍｍから２ｍｍの範囲内となり得、これは、＋／−２０％または＋／−１０％の公差限界以内になるように制御され得る。
【００１８】
一部の好ましい実施形態では、冷却剤は、特に、コイルとハウジングの内壁および外壁との間に間隔をあけて位置するブロックまたは障壁によって、コイル間のギャップを通り抜けてステータハウジングの内壁と外壁との間を前後に流れるように制約される。より具体的には、諸実施形態では、冷却剤の流れは、１つの径方向、たとえば内向きの２つ以上の径方向の冷却剤流路（コイル間）の後に、反対の径方向、たとえば外向きの２つ以上の平行な経路が続くように構成される（ここでは、「平行」は、詳細には幾何学的平行性よりも流れの性質を指す）。そのような配置は、たとえば、ブロックまたは障壁を、コイルとそれぞれの内側および外側の径方向壁との間に、ｎ個のコイルおきに交互に設けることによって達成されてもよく、この場合、そのような配置ではｎ≧２である。そのような配置では、コイルの隣接する対間で冷却剤の流れのバランスをとり、またはこれを平衡化することが特に重要になり、エッジ巻きコイルを使用することにより、ステータ組立体内の公差のより一層正確な制御がもたらされ、それによって、改良された流れのバランス性／平衡性を達成することが可能になる。
【００１９】
好ましい実施形態では、ステータコイルは、磁極シューを両端部に備えた、コイルが巻き付けられる磁極片またはステータバーを備えて磁場を広げ、ここで、これはエアギャップを横切ってロータに至り、増大された領域は、ギャップの全体的な磁気抵抗を低減する。渦電流を低減するために、ステータバーおよび／またはシューは、積層されてもよく、または軟質の磁性複合材料（ＳＭＣ）、つまり電気絶縁材でコーティングされ、所望の形状に成形された軟質鉄粒子から形成されてもよい。それにもかかわらず、渦電流は大きく低減され得るが、驚くべきことに、特に磁極シュー内のヒステリシス損失が、ステータコイルの全体的な加熱の大きな原因となる。したがって、ステータコイルシューの冷却を改良できることが望ましく、諸実施形態では、これは、一方または両方のシューの手前でステータバー上の巻線を止めて、コイルの端部とそれぞれのシューとの間に冷却チャネルを画定することによって達成され得る。これは、たとえば、コイルとそれぞれのシューとの間のスペーサによって、またコイルにボビンを提供するだけで達成されてもよく、このボビンは、このとき、コイルを１または複数のシューから離してステータバー上に装着することができる。しかし、スペーサまたはボビンを使用することは必須ではない。特に、エッジ巻きコイルが、（わずかに）圧縮状態にプレローディングされて、外部からかけられる力の不在下で、コイルの巻き部を互いに向かって促す場合、有利になり得る。このようにして、コイルは、それ自体、単一の疑似中実ユニットとしてそれ自体一緒に保持され、ステータコイルの製作を容易にし、より具体的には、ステータコイルの端部と磁極シューとの間にギャップを設けることを容易にする。しかし、当業者は、このタイプのプレローディングされたコイルが、そのようなシュー冷却構成が用いられない場合であっても、ステータの製造において有用であることを理解するであろう。さらに、一般に、エッジ巻きコイルの長さは、リボンを横切る幅よりあまり良好には公差付けされず、このタイプのプレローディングは、これがギャップ画定するコイル幅よりあまり重要ではなくても、コイル長さの公差を改良するのに役立ち得る。
【００２０】
関連する態様では、本発明は、軸方向磁束永久磁石機を製造する方法であって、機械が、それぞれのステータバー上に巻き付けられ、機械の軸の周りに間隔をあけて円周方向に配設されたコイルのセットを封入するステータハウジングを備えるステータと、永久磁石のセットを有し、前記軸の周りで回転するように装着されたロータとを有し、前記ロータおよび前記ステータは、前記軸に沿って離間されて、それらの間に、機械内の磁束が全体的に軸方向となるギャップを画定し、方法は、冷却剤を、前記コイル間を流れるように前記ステータハウジングを通り抜けて前記コイル周りに流すためのポートを提供するステップと、前記コイルの各々に、前記ステータバーを覆う巻線の単一の層を設けることによって、隣接する前記コイル間に冷却剤の流れのためのギャップを画定するステップであって、巻線の前記層は、リボン形状のワイヤを備え、このリボン形状のワイヤは、リボンを貫通する厚さよりも大きい、リボンの表面を横切る幅を有し、前記巻線は、前記リボンの隣接するリボン表面が互いに当接するように前記ステータバーに沿って水平に積み重ねられ、前記リボンの前記幅は、前記巻線が積み重ねられる方向に対して垂直に前記コイルを横切る距離を規定する、ステップとを含む、方法を提供する。
【００２１】
本発明のさらなる関連する態様では、本発明は、ステータを有する軸方向磁束永久磁石機であって、それぞれのステータバー上に巻き付けられ、機械の軸の周りに間隔をあけて円周方向に配設されたコイルのセットを封入するステータハウジングと、永久磁石のセットを有し、前記軸の周りで回転するように装着されたロータとを有し、前記ロータおよび前記ステータは、前記軸に沿って離間されて、それらの間に、機械内の磁束が全体的に軸方向となるギャップを画定し、前記コイルの各々は、前記ステータバーを覆う巻線の単一層を有し、巻線の前記層は、リボン形状のワイヤを備え、このリボン形状のワイヤは、リボンを貫通する厚さよりも大きい、リボンの表面を横切る幅を有し、前記巻線は、前記リボンの隣接するリボン表面が互いに当接するように前記ステータバーに沿って水平に積み重ねられ、前記リボンの前記幅は、前記巻線が積み重ねられる方向に対して垂直に前記コイルを横切る距離を規定する、軸方向磁束永久磁石機を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明のこれらおよび他の態様が、ここで、添付の図を参照して、あくまでも例として、さらに説明される。
【図１Ａ】２ロータ軸方向磁束機の一般的な構成を示す図である。
【図１Ｂ】軸方向磁束永久磁石機の例示的なトポロジを示す図である。
【図１Ｃ】ヨークレスセグメント化アーマチュア（ＹＡＳＡ）機の概略側面図である。
【図２】図１ＣのＹＡＳＡ機の斜視図である。
【図３】従来技術による、ＹＡＳＡ機用ステータおよびステータハウジングの分解斜視図である。
【図４Ａ】ステータハウジング内の冷却剤の流れのための代替的な配置を示す、軸方向磁束モータのステータを貫通する断面図である。
【図４Ｂ】ステータハウジング内の冷却剤の流れのための代替的な配置を示す、軸方向磁束モータのステータを貫通する断面図である。
【図５Ａ】従来の巻き付けステータコイルを示す図である。
【図５Ｂ】エッジ巻きコイルを用いる軸方向磁束モータのステータコイルを示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｂの配置に使用するのに適切なエッジ巻きコイルの巻線の組の斜視図である。
【図６】隣接するエッジ巻きコイルの外面によるギャップを貫通する冷却剤チャネルの画定を示す、隣接するステータコイル間のギャップの側面図である。
【図７Ａ】巻線の端部と磁極シューとの間にギャップを備えたステータコイルの例であって、単一のコイルを示す図である。
【図７Ｂ】巻線の端部と磁極シューとの間にギャップを備えたステータコイルの例であって、隣接するコイル間のＩ字形状の冷却剤流路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
ここで、特許文献２から得られる図４Ａおよび４Ｂを参照すると、これらは、軸方向磁束モータの例となる冷却構成を示している。したがって、図４Ａは、内側１０２ａおよび外側１０２ｂの径方向壁を有するハウジング１０２を備える軸方向磁束モータステータ１００の内部を示し、ハウジングは、複数のステータコイル１２２を封入する。コイルは、各々がステータバーコア１２６の周りに巻線１２４を備えて断面図で示されている。図４Ａの図示する例では、ハウジングは、複数のボス１０８を有して、少なくともステータおよびロータを各々が備える複数のモータを一緒にボルト止めして共通の駆動出力部に電力をもたらすことを可能にする。
【００２４】
入口ポート１５４は、冷却剤のための入口１５６をもたらし、入口は２つの部分１５６ａ、ｂになるように分岐し、これらの部分を通って冷却剤がハウジング内のチャンバ１５２に入る。冷却剤は、出口ポート１６０（図には示さず）の出口１６０ａ、ｂを介してチャンバ１５２を退出する。障壁１５８が、入口と出口との間に設けられ、図示する例では、冷却剤は、チャンバの内側の壁および外側の壁に隣接して対向する方向に循環し、こうして、コイル間のギャップ１５５も流れ抜ける。図から分かるように、諸実施形態では、コイルは、全体的にくさび形状であり、コイルの外側巻き部によって画定された、隣接するコイルの外面１５７間に冷却剤通路を残している。図示するように、ステータバー周りのワイヤの巻き部は、フレア型の通路を画定する傾向があり、コイル間の流れは、コイルの隣接する対間のギャップ１５５の最も狭い部分によって規制される傾向がある。
【００２５】
図４Ｂを参照すると、これは、軸方向磁束モータステータ１００’の代替バージョンの簡易化された概略図を示す。図４Ｂの配置では、複数のブロックまたは障壁１５８ａ、ｂが設けられ、障壁１５８ａは、コイルをステータハウジングチャンバの内壁に連結し、障壁１５８ｂは、ステータコイルをハウジングの外壁に連結する。図４Ｂから分かるように、外壁に対する障壁１５８ｂは、冷却剤を、内側壁に向かって隣接するコイル間に強制し、逆もまた同様である。
【００２６】
より詳細には、ブロック／障壁の対が、コイル１２２ａをハウジングの内壁および外壁の両方に連結して入口１５６と出口１６０との間に障壁をもたらすようにして設けられる。ブロック／障壁１５８ｂは、コイル１２２ｂ、ｃの外側に最初は１５８ｂ１および最後は１５８ｂ２にして、機械の周りに周期的に配設され、少なくとも１つのさらなるブロック／障壁１５８ａが、コイル１２２ｄと内側ハウジング壁との間に設けられる。この配置により、流れは入口１５６に入り、機械の外側を周り始めるが、ブロック／障壁１５８ｂ１によってチャンバ１５２の内側に、介在するコイル１２２ｄの異なるもの間に移行するように向けられる。ここから、流れは、機械の周りの循環を続けるが、ブロック１５８ａによってチャンバの外側に戻るように強制移行される。さらに、機械の周りでは、ブロック１５８ｂ２が、内側に戻る移行を強いて、最終的には、出口１６０を通って機械を退出するために、別のブロック１５８ａが、最終的に外側に戻る移行を強制する。図４Ｂに示すように、４つの移行が存在するが、任意の偶数の数の移行、または入口および出口が、一方が機器の外側および他方が内側に配置される場合は奇数の移行が可能である。
【００２７】
図４Ｂに示す実施形態では、隣接するステータコイル間の平行な複数の冷却剤の流れが存在し、図示する例では、コイル間の外側から内側の冷却剤の３つの平行な流れ、次いで、内側から外側への３つの冷却剤の流れなどが存在することが理解されよう。
【００２８】
赤外線画像、モデリングなどを含む実験研究は、このタイプの冷却は非常に効果的であるが、特に、実際に望まれるように、隣接するコイル間のギャップが小さいとき、実施の上で問題が存在することを示している。ステータ内の公差が、（理論上、隣接するコイルの各対に対して同じである）コイル間のギャップの実際のサイズに変動を引き起こし得る。特に、ギャップが小さい場合、これは、ギャップ最小次元にかなりの変動割合を引き起こし得る。これは、ひいては、ステータコイルの冷却剤の効果性に影響を与え、その上、その影響は、コイルの外面上の冷却の境界層の効果のために、予想よりも大きい程度になる。その結果、ステータ組立体内の公差によるギャップの相違が驚くほど小さいものであっても、コイル間の冷却剤の流れにかなりの相違を、故に、異なるコイルが冷却される程度にかなりの相違を生じさせ得る。さらに、モータに関する作動上の制約または損傷限界は、「最弱なリンク」、すなわち最も効果的に冷却されないコイルによって決定される。その結果、ステータ組立体内の公差は、特に隣接するステータコイル間のギャップが小さいところでは、モータからの全体的な安全電力出力／トルクに不均衡な効果を与え得る。
【００２９】
ここで、図５Ａを参照すると、これは、それぞれのシュー５０４ａ、ｂが各端部に設けられたステータバー５０２を備えるステータコイル５００を貫通する断面図を示し、これらのシューは、ステータバーの寸法を超えて延びて増大された領域の磁路をもたらす。複数のワイヤの巻き部５０６が、ステータバー５０２の周りに巻き付けられ、コイルは、前部と後部のハウジング壁５０６ａ、ｂ（図３では壁４８）間に位置する。
【００３０】
図４Ａ内のギャップ１５５の最小幅は、ステータバー５０２、およびステータバーを覆って巻き付けられるコイルの外側面５１０を画定するコイルの寸法によって決定されることが、理解され得る。さまざまな要因が、面５１０間のステータコイルを横切る距離における変動に寄与する可能性があり、これらは、ワイヤの導電性金属部の公差およびワイヤを覆う絶縁コーティングの公差を含み、通常、絶縁コーティングは、たとえば、ポリイミドの層の後にポリアミドの層が続くなど、複数の層が存在し得る。図５Ａに示す例では、ステータバーコア上に巻線の３つの層が存在し、したがって、ワイヤの公差には３がかけられ、コーティング厚さのものには６がかけられる（ワイヤ厚さの１側部あたり２つのコーティング幅）。加えて、ワイヤ自体は、弾力度（完全に軟質の場合、これは巻く間伸長する）を有し、したがって、巻き部は、ステータバーコア上に、特にコーナ周りには平坦に位置しない（図４Ａの上部からの図を参照）。これらのすべての寄与は、合計されてコイルの外側面５１０間のステータコイルを横切る距離にかなりの変動を与え、この変動は、数百マイクロメートルに達し得る。図４Ａの、隣接するコイル間のギャップ１５５、特に最小ギャップは、面５１０間のステータコイルを横切る距離によって決定される。通常、ただし、必ずしもではないが、コイル間のギャップは、円周方向にコイルを横切る最大距離によって規制される（図４Ａを参照）。いかなる特定の機械の目標ギャップも、たとえば油処理量（諸実施形態では、１分間あたり６リットル程度）、磁極片（ステータバー）のサイズ、作動温度、冷却剤の流れにおいて達成することが望まれる乱流の度合いなどを含むいくつかの要因によって規制される。しかし、大まかに言えば、モータ内の鉄量を最大限にすることが望ましく、したがってギャップを０．２５ｍｍから３ｍｍ範囲内、より頻繁には０．５ｍｍから２ｍｍの範囲内、たとえば約１．５ｍｍにすることが好ましい。この結果、１つの実施形態において、１分あたり６リットルの冷却剤の流れに対して、恐らく０．０５〜０．２バールの圧力差が生じる。特に、磁極片をハウジングの端壁５０６上に置くことに関連付けられた公差など、考慮に入れるべきさらなる変動が存在するため、そのような狭いギャップでは、恐らく２００μｍの公差が、コイル間の冷却剤の流れに対してかなりの影響を与える可能性があることが理解され得る。たとえば、１つのギャップが１ｍｍであり、隣接するギャップが０．７５ｍｍである場合、図４Ｂのように、特に冷却剤がとることができる平行な流路が存在するところでは、１つのコイルまたはコイルの一部は、別のものよりほとんど効果なく冷却され得る。
【００３１】
図５Ｂは、ステータバー５０２を覆って単一層のリボン形状ワイヤ５２４の複数のエッジ巻き巻線５２２を備えたステータコイル５２０の実施形態を示す。図５Ｃは、明確にするために、鉄部分なしで、巻線５２２の単一層を斜視図で示している。ステータコイルの面５３０を横切る（最大円周）距離が、ワイヤリボン５２４の幅ｗによって規定されることが理解され得る。図５Ａの配置と比較することにより、面５３０間の距離は、ワイヤの金属に対して３つではなく１つの寸法ｗのみによって、およびコーティングの、６つではなく２つの層の厚さによって決定される。さらに、正方形のまたは曲線状のワイヤのための製造プロセスは、ワイヤ直径の不正確な定義を結果として生じさせる傾向がある。それとは対照的に、特別な製造技法が、図５Ｃに示すものなどのエッジ巻きコイルを製作するために必要であり、そのプロセスの性質は、より正確な公差付け、たとえば数１０マイクロメートルを結果として生じさせる傾向がある。範囲１〜２ｍｍにおける（最小）ギャップの割合数値では、ギャップの割合とする公差は、約５０％から約１０％まで低減され得る。
【００３２】
図６は、巻線の外側面５３０間のギャップ１５５を側部から示す、図５Ｂに示すタイプのステータコイル５２０の対の図を示す。
【００３３】
驚くべきことに、説明されたようなエッジ巻きコイルの使用は、数１０キロワット多い電力を送出することができるモータをもたらす。
【００３４】
図７Ａおよび図７Ｂは、図５Ｂのコイル５２０に類似するが、巻線５４２が、ステータバーの両端部においてシュー５０４の手前で止まる、ステータコイル５４０を示す。これは、巻線５４２の端部と各シュー５０４ａ、ｂとの間にチャネル５４６を残す。諸実施形態では、スペーサ５４４が、巻線５４２を、シュー間の所定位置に保持するために使用されてもよいが、これは任意選択である。一部の代替的な構成では、ボビン（図示せず）が、巻線を保持するために使用されてもよく、または巻線は、接着剤などによって所定位置に保持されてもよい。
【００３５】
図７Ｂは、結果として生じる、隣接コイル間のＩ字形のチャネル断面５４８を示す。これは、ヒステリシスによって加熱されるシュー５０４ａ、ｂの効率的な冷却をもたらすことを助ける。
【００３６】
説明されたタイプの軸方向磁束モータを設計する際、さまざまな手法がとられ得る。たとえば、設計手順は、目標トルクを規定することによって開始してもよく、これは、ひいてはロータ上の磁石およびステータ上の磁極の数、ステータコイルを流れる電流、およびロータ（複数可）の回転軸から離れたコイルの径方向距離を特定することにつながる。このようにして、磁極の数、ステータの物理的サイズおよびコイル電流が、より具体的には電流密度が、規定される。
【００３７】
これは、次いで、ステータバーの断面積／寸法における選択をもたらすことができる（各バーは、事実上ソレノイドである）。これは、ひいては、用いられる巻き部の数の選択をもたらし、これは、ワイヤ抵抗を介して使用されるワイヤの断面積に関付けられる。通常、ワイヤ厚さ、より具体的には、図５Ｃのリボン５２４の幅ｗを最大限にすることが望ましく、この幅ｗは、コイルが互いに干渉せず、またコイル間に冷却剤が流れるのに十分なギャップを残すものである。大まかに言えば、寸法ｗが大きいほど、電流密度、故に出力トルクは大きくなる。油ギャップは、モータの作用温度によって決まり、この作用温度は、ひいては、とりわけ、その構築に使用される材料によって決まり、油ギャップはまた、冷却剤の流量、冷却剤の設計温度差、流れの性質（円滑または乱流）、および他の要因によっても影響される。当業者は、考慮すべき相互作用要因が数多く存在し、一般に、反復設計手順が、ワイヤリボン５２４の幅ｗなどの任意の特定のパラメータを決定するために用いられ得ることを理解するであろう。そうではあるが、大きな寸法ｗは、抵抗を低減し、所与の電流密度に対する通電能力を増大させるが、これは、必要とされる冷却量に対してバランスがとられなければならないことが理解され得る。
【００３８】
エッジ巻きコイルを使用して、コイル間のギャップをより正確に制御することができ、それによって、より効率的な冷却技法の使用を容易にし、特に「最弱リンク」効果を大きく低減する。とりわけ、良好な公差を有する巻線の単一層のみを使用することにより、ステータコイル間に正確なギャップを維持することができ、それによって、流れを均等化してステータ内のホットスポットを最小限に抑えることを助ける。さらに、隣接するコイル間のギャップが低減され得るため、銅充填が増大され、損失を低減することができる。またさらに、コイル間のギャップをさらに低減することにより、より高い冷却剤流量をコイル間に作り出すことを可能にし、こうして伝熱を増大させる。諸実施形態において、特にすでに説明したようなブロック／障壁を有するものでは、冷却剤流体は、コイルを過ぎて１ｍｍくらいの大きさしかないギャップを通り抜けるよう強制され得る。全体として、電力出力における非常に大きな増加が、得られ得る。
【００３９】
言うまでもなく、数多くの他の効果的な代替策が、当業者に想定されるであろう。たとえば、油が冷却剤として説明されているが、たとえば２相冷却システム用の冷却剤などの代替の冷却剤が用いられてもよい。本発明は、説明する実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に収まる、当業者にとって明らかな変形例を包含することが理解されよう。
【図１Ａ】
0006783660.tif 000002
【図１Ｂ】
0006783660.tif 000003
【図１Ｃ】
0006783660.tif 000004
【図２】
0006783660.tif 000005
【図３】
0006783660.tif 000006
【図４Ａ】
0006783660.tif 000007
【図４Ｂ】
0006783660.tif 000008
【図５Ａ】
0006783660.tif 000009
【図５Ｂ】
0006783660.tif 000010
【図５Ｃ】
0006783660.tif 000011
【図６】
0006783660.tif 000012
【図７Ａ】
0006783660.tif 000013
【図７Ｂ】
0006783660.tif 000014