(57)【要約】【課題】  高出力且つ高効率で、しかも組立及び製造が容易な回転電気機械用固定子組立体を提供する。【解決手段】  本発明による回転電気機械用固定子組立体は、表面に複数のコアスロットを有する固定子コアを含む。各コアスロットは、それらの間に複数の歯部材を形成する。複数の挿入部材が、各コアスロットを内張りするように、各コアスロットに固定して受容される。挿入部材は、一つのベース部材から延びる１対のレグ部材を有し、これらのレグ部材の間に開口が形成される。固定子巻き線は、挿入部材によって受容される複数の直線的巻き線セグメントを含む。固定子巻き線の直線的セグメント及び挿入部材は、互いに電気的に絶縁されている。延長レグ部材の少なくとも一方は、コアスロット内の直線的巻き線セグメントの一部の上で曲げられ、延長レグ部材の間の開口を狭める。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電気機械用固定子であって、
ほぼ円筒形状の固定子コアであって、その固定子コアはその表面で円周方向に間隔をあけて軸方向に延びる複数のコアスロットを有し、各コアスロットはそれぞれの半径深さを有してそれらの間に複数の歯部材を有し、上記コアスロットは上記固定子コアの第１および第２の端部の間に延びている上記固定子コアと、
上記コアスロットそれぞれを内張りすることによってコアスロットに固定受容される複数の挿入部材であって、ベースから延びる１対の延長レグ部材を有し、それらの間に一つの開口を形成し、透磁性材料から形成された挿入部材と、
この挿入部材によって受容される実質的に直線的な複数の巻き線セグメントを有する一つの固定子巻き線であって、上記実質的に直線的な複数の巻き線セグメントを有する一つの固定子巻き線と上記複数の挿入部材とが互いに電気的に絶縁されている上記固定子巻き線と、有し、
少なくとも一つの上記延長レグ部材は、上記延長レグ部材の間の上記開口を狭めるように、上記コアスロット内の上記実質的に直線的な巻き線セグメントの一部の上に曲げられていることを特徴とする固定子組立体。
【請求項２】
上記挿入部材がほぼＵ字形状である請求項１の固定子組立体。
【請求項３】
上記延長レグ部材の間の上記開口を狭めるように、上記延長レグ部材が、上記コアスロット内の上記直線的巻き線セグメントの一部の上で曲げられている、請求項１の固定子組立体。
【請求項４】
上記延長レグ部材の上記自由端の間の上記開口が、上記直線的巻き線セグメントの幅よりも小さな幅にまで狭められている請求項１の固定子組立体。
【請求項５】
上記固定子巻き線の上記セグメントと上記挿入部材が、上記挿入部材の内面の上の絶縁部材によって互いに電気的に絶縁されている請求項１の固定子組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電気機械(dyanamoelectric machines)のための固定子に関し、特に、コアスロット挿入部材を有する回転電気機械のための固定子組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流発電機即ちオルタネータ等の回転電気機械はよく知られている。従来の典型的なオルタネータは、オルタネータハウジング内に配置された固定子組立体と回転子組立体とを含んでいる。固定子組立体はハウジングに取り付けられ、一般に円筒形の固定子コアを有する。固定子コアはその内部に、軸方向に延びる複数のコアスロットを有する。コアスロットは、それらの間に複数の歯(teeth)を形成する。歯はヨーク部によってコアに接続されている。
【０００３】
回転子組立体は、ハウジング内で回転可能に取り付けられたほぼ円柱形のシャフトに取り付けられたモータロータを有する。固定子組立体は、その上に巻きつけられて巻き線を形成する複数の電線を含む。固定子巻き線は、スロット内に配置された直線部と、二つの隣接する直線部を接続する端部ループ部とからなり、固定子コアのスロット内で予め決められた複数の相（例えば３又は６相）の巻き線パタンを形成する。回転子組立体は、典型的には、荷電回転子コイルの周りに配置された磁石を有する熊手フィンガ(claw fingers)の一部として対向する極を含む。回転子コイルは磁場を作り出す。
【０００４】
蒸気タービン、ガスタービン又は自動車の内燃機関からの駆動ベルト等の原動力が回転子組立体を回転させるとき、回転子組立体の磁場は、固定子巻き線を通り、例えば、回転子の一つの極からコア歯へ流れる回転子極からの磁束、即ち、コアヨークを通って回転子の反対側の他の極へ流れる磁束によって、固定子巻き線内の交流電流を誘導する。こうして、交流電流がそのオルタネータから、電気装置で消費されるように配電系に送られる。又は、自動車のオルタネータの場合は整流器に送られ、そこから、自動車のバッテリの充電系に送られる。「熊手極」回転子について説明しているが、説明した固定子デザインを、永久磁石の非熊手極、永久磁石の熊手極、突磁場巻き(salient field wound)及び誘導タイプの回転子等の他のタイプの回転子に対ても適用できることを、当業者ならば理解できるであろう。
【０００５】
従来技術において、オルタネータの出力及び効率を上げるために、各コアスロット内に半径方向に１列に並べられた断面が長方形の複数の固定子巻き線導体を有するのが好ましいことが知られている。その長方形断面の幅は、絶縁材を含めて、コアスロットの幅に密に適合するのが好ましい。こうすることによって、比較的大きな導体幅になり、固定子巻き線の電気抵抗が低下するので、有利である。更に、固定子の内径における鋼の面積が比較的大きくなるように、コアの内径においてスロット開口が小さい固定子コアを提供することも知られている。鋼の面積が増すことによって空気ギャップ面積が増し、これによって、オルタネータ出力が増す。更に、空気ギャップが比較的小さいことによって、回転子極表面上の磁束の揺れが減り、これによって、渦電流損失が減り、それによって、オルタネータ効率が上昇する。しかし、コアスロット開口に半径方向に挿入される連続的長方形の導体を持つことによって、固定子巻き線の製造を容易にすることも好ましい。しかし、これらの好ましい特徴は設計上の非両立性の問題を起こす。コアスロットの幅に密に適合する導体を、比較的小さなコア開口を通じて半径方向内側の位置からコアスロット内に挿入することができないからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
幾つかの従来技術の固定子組立体は、スロット開口に入るのに充分な小さな連続的導体を利用するが、この導体は、スロット幅に密に適合していない。この設計の解決法によれば、オルタネータの出力及び効率が低くなる。
【０００７】
他の従来技術の固定子組立体は、各歯から半径方向に延びるウィング部を利用する。ウィング部はそれから、歯の間のギャップが狭まるように円周方向に曲げられる。しかし、ウィング部が裂け易いという欠点がある。それらはコア歯に取り付けられているからである。又、オルタネータの性能にとって重要な必要内径を制御することが困難である。
【０００８】
他の従来技術の固定子組立体は、ヘアピン導体を利用する。この場合は、Ｕ字形状の導体が、半径方向内側の位置からではなく、固定子コアの上部又は下部の軸端部からコアスロット内に配置される。これらのＵ字形状の導体は長方形であって、コアスロットの幅に密に適合することでは有利であるが、固定子巻き線の製造の困難性は更に増す。固定子巻き線を形成するためには、Ｕ字形状の導体の各対向端部を溶接する必要があるからである。
【０００９】
高出力且つ高効率で、しかも組立及び製造が容易な回転電気機械用固定子組立体を提供することが依然として望まれている。更に、コアスロットの幅に密に適合し、導体が半径方向内側位置から挿入されうるような導体を有する固定子巻き線を受容できる回転電気機械固定子のコアスロット用挿入部材でしかも比較的小さなコア開口のものを提供することも望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による回転電気機械は、ほぼ円筒形状の固定子を有する。この固定子は、その表面に、円周方向に間隔をあけて軸方向に延びる複数のコアスロットを有する。各コアスロットは対応する半径方向深さを有し、それらの間に複数の歯を形成する。コアスロットは、固定子コアの第１の端部と第２の端部の間に延びている。各コアスロットの内張りをするために複数の挿入部材が各コアスロットによって受け入れられて固定される。挿入部材は、一つのベース部材から延びる１対のレグ部材（延長レグ部材）を有し、これらのレグ部材の間に開口が形成される。挿入部材は透磁性材料から形成される。固定子巻き線は、複数の挿入部材によって受容される実質的に直線的な複数の電線セグメントを含み、少なくとも１列の導体群を形成する。固定子巻き線の複数の直線的セグメント及び複数の挿入部材は、互いに電気的に絶縁されている。少なくとも一つの延長レグ部材は、コアスロット内の直線的電線セグメントの一部の上で他のレグ部材に向かって曲がっていて、延長レグ部材間の開口が狭められてる。好ましくは、少なくとも一つの延長レグ部材が他のレグ部材に向かって曲げられる時に、開口が、固定子巻き線の直線的セグメントの幅よりも小さい距離に狭められる。
【００１１】
本発明による固定子巻き線の製造方法は、固定子巻き線用導体を提供し、固定子コアを提供し、各コアスロットに挿入部材を挿入し、固定子巻き線を挿入部材内に挿入し、コアスロット内の直線的電線セグメントの上で延長レグ部材の少なくとも一方を曲げて挿入部材の延長レグ部の間の開口を狭めることによって実現しうる。
【００１２】
本発明は、上記設計上の非両立性をうまく解決し、コアスロットの幅に密に適合する導体を持ち、導体が半径方向内側の位置からコアスロット内に挿入されて、しかも、導体の円周方向の幅よりも小さいコア開口を提供するような回転電気機械用固定子組立体が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による上述の利点及び他の利点は、図面を参照して以下に述べる好ましい実施形態の詳細な説明から、当業者にとって容易に明らかになる。
【００１４】
図１において、交流発電機即ちオルタネータ等の回転電気機械（図示せず）のためのほぼ円筒状の固定子コアの全体を符号１０で示している。固定子コア１０は、好ましくは、鋼、鉄合金、又は同様に透磁性の材料であって、その内周面１４に複数のコアスロット１２が形成されている。コアスロット１２は、断面がほぼ長方形であって、矢印１６に示す方向、即ち固定子コア１０の中心軸１７に平行な方向に、その第１の端部１８と第２の端部２０の間に延びている。他の例として、コアスロット１２は、長方形以外の形状でもよく、例えば、ほぼ正方形の断面形状であってもよい。コアスロット１２はほぼ長方形のボリュームを有し、それらの間に複数の歯１９を形成する。歯１９は、そのヨーク部２１で固定子コア１０に接続されている。軸方向上向きを、固定子コア１０の第１の端部１８に向かって動く方向と定義し、軸方向下向きを、固定子コア１０の第２の端部２０に向かって動く方向と定義する。好ましくは、コアスロット１２は、固定子コア１０の内周面１４の周りに等間隔に配置される。周方向時計回り方向は矢印２１で表し、周方向反時計回り方向は矢印２３で表す。コアスロット１２は、矢印２４で示す半径方向軸に沿って深さ２５を持っており、後述するテータ巻き線を受容できるようになっている。半径方向内向きは、固定子コア１０の中心軸１７に向かって動くものと定義し、半径方向外向きは、固定子コア１０の中心軸１７から離れる方に動くものと定義する。他の例として、コアスロット１２は、固定子コア１０の外周面に形成してもよい。
【００１５】
図２Ａ及び図２Ｂにおいて、本発明による挿入部材全体を符号３０で示している。挿入部材３０は、好ましくは、鋼、鉄合金、又は同様に透磁性の材料であって、第１の延長レグ即ち延長部材３２と、第２の延長レグ即ち延長部材３４とを有し、それぞれの端部が一つのベース部材３６に接続され、ほぼＵ字形状の挿入部材３０をなしている。第１の延長部材３２は自由端３８を有し、第２の延長部材３４は自由端４０を有する。図２Ａに最もよく示されているように、各自由端３８及び４０の外側端部は、ベース部材３６からほぼ等しい距離にある。
挿入部材３０は、自由端３８及び４０を半径方向内向きにして、固定子コア１０のコアスロット１２の一つによって固定されるように受け入れられる。好ましくは、挿入部材３０の延長部材３２及び３４は、締まり嵌めによってコアスロット１２に取り付けられる。
【００１６】
次に図２Ｂには、第１の延長部材３２の自由端３８と第２の延長部材３４の自由端４０が設置された状態を示している。自由端３８は第２の延長部材３４に向けて曲げられ、自由端４０は第１の延長部材３２に向けて曲げられる。その結果、自由端３８と４０は互いにほぼ平行であり、延長部材３２及び３４に対してほぼ垂直である。設置ポジションでは、自由端３８及び４０の間にギャップ４１が形成される。
【００１７】
図３Ａ及び図３Ｂにおいて、本発明による挿入部材の他の実施形態の全体を符号４２で示す。挿入部材４２は、第１の延長レグ即ち延長部材４４と、第２の延長レグ即ち延長部材４６とを有し、それぞれの端部が一つのベース部材４８に接続され、ほぼＵ字形状の挿入部材４２をなしている。第１の延長部材４４は自由端５０を有し、第２の延長部材４６は自由端５２を有する。図３Ａに最もよく示されているように、第１の延長部材４４の長さは第２の延長部材４６の長さよりも長く、従って、自由端５０は、ベース部材４８から、自由端５２を越えて予め定めた距離だけ更に延びている。
挿入部材４２は、自由端５０及び５２を半径方向内向きにして、固定子コア１０のコアスロット１２の一つによって固定されるように受け入れられる。好ましくは、挿入部材４２の延長部材４４及び４６は、締まり嵌めによってコアスロット１２に取り付けられる。これにより、後述するように、固定子巻き線の導体の安定した挿入ポイントが提供される。
【００１８】
図３Ｂは、第１の延長部材４４の自由端５０が設置ポジションにある様子を示している。自由端５０は第２の延長部材４６に向かって曲がり、それにより、自由端５０の外側端部５４及び自由端５２は、ベース部材４８からほぼ等しい距離にある。設置ポジションで、自由端５０及び５２の間にはギャップ５６が形成される。
【００１９】
次に、図４Ａ乃至図４Ｄを参照して、固定子組立体を組み立てる方法をより詳細に示す。図４Ａには、複数のコアスロット１２が形成された固定子コア１０の一部が示されている。これらコアスロット１２の間には複数の歯が形成される。
図４Ｂで、対応するそれぞれのコアスロット１２に、挿入部材３０が挿入されている。好ましくは、挿入部材３０の延長部材３２及び３４は、締まり嵌めによってコアスロット１２に取り付けられる。しかし、延長部材３２及び３４は、接着剤又は溶接によって、延長部材３２及び３４の各外表面とコアスロット１２の間の位置６１に保持することもできる。
【００２０】
他の例として、延長部材３２及び３４をコアスロット１０内に、金属ステーキング(staking)（図示せず）によって、延長部材３２及び３４と固定子コア１０の間にインターロックする構造（図示せず）によって、又は他の機械的手段によって保持することもできる。挿入部材３０の第１の延長部材３２及び第２の延長部材３４は、コアスロット１２内に挿入されたときに、それらの間に開口５７を形成する。
【００２１】
図４Ｃで、複数の導体５８を有する固定子巻き線は各開口５７に挿入されている。固定子巻き線の導体５８は、断面がほぼ長方形であって、各スロット毎に半径方向に１列に並んでいて、開口５７の幅に密に適合している。
【００２２】
予め定めた数の層（例えば図４Ｃ及び図４Ｄの例では４層）の導体５８が挿入された後に、各挿入部材３０の自由端３８及び４０は、図２Ｂの設置ポジションにまで曲げられ、相互の間にギャップ４１を形成し、開口５７内に導体５８を包み込む。他の導体形状、例えば断面が円形の導体を採用することも可能である。自由端３８及び４０が隣接する歯１９に取り付けられていないので、図２Ｂ及び図４Ｄに示すように曲げられる時に裂ける傾向を回避することができ、固定子コア１０の内径に形成するのが容易である。固定子コア１０、挿入部材３０及び固定子巻き線導体５８が組み立てられた時、これらは一つの固定子組立体６０を形成する。
【００２３】
固定子組立体６０の組立が完了した後に、各相の固定子巻き線導体５８を互いに絶縁するために、固定子巻き線導体５８にその場所でワニス（図示せず）を塗る。他の方法として、挿入部材３０の自由端３８及び４０の上に曲げることによって固定子巻き線導体５８をその場に保持することもでき、その場合はワニスを省略することもできる。
【００２４】
図５は、固定子組立体６０の一部を拡大して示す。絶縁部材６２が、挿入部材３０の延長部材３２及び３４とベース部３６の内面に取り付けられている。挿入部材６２は電気絶縁材料で構成されているのが好ましく、例えば、紙／ポリエステル層又は類似のタイプの電気絶縁性材料であるが、これに限定されるものではない。絶縁部材６２は、オルタネータの運転中に、導体５８を挿入部材３０及び固定子コア１０から絶縁する機能を有する。好ましくは、挿入部材３０をコアスロット１２内に挿入する前に、絶縁部材６２を各挿入部材３０に施す。他の例として、挿入部材３０がコアスロット１２内に挿入された後に、絶縁部材６２を各挿入部材３０に施してもよい。絶縁部材６２は、固定子組立体６０が完全に組み立てられた後に、固定子導体５８に施されるワニスと共に、付加的絶縁機能を提供する。他の例として、絶縁部材６２は、静電的に付着されたコーティング又は他のコーティング処理、例えば塗布によって付着したものでもよい。
【００２５】
挿入部材３０の外側端部６４は、自由端３８および４０が設置ポジションに曲げられた後に、ベース部材３６から、固定子コア１０の歯１９の外側端部とほぼ等しい距離にある。それにより、挿入部材３０は、コアスロット１２の半径方向深さ２５を越えることがない。歯１９の外側端部の面積と、挿入部材３０の外側端部６４の面積とを合わせると、より大きな鋼の面積ができ、これにより、各コアスロット１２の磁束路内で付加的磁気材料を提供することによって、歯１９がコアヨーク２１と回転子極（図示せず）との間の磁束を伝える助けとなる。
挿入部材３０はほとんどゼロスクラップの磁気材料のシートから形成されるので、部材３０は、より低い損失でより高価な磁性材料で形成してもよい。より低い損失の材料は、好ましくは、渦電流損失及び／又は材料内のヒステリシス損失に対するより大きな抵抗を持つ。
【００２６】
更に、挿入部材３０を通る磁束の通路が、自由端３８を通り、レグ部材３２を下降し、ベース部材３６を経て、他のレグ部材３４を上昇し、最終的に他の自由端４０へ出て、常に、形成された挿入部材３０の原材料に対して一方向に流れるので、更に損失を下げるために、挿入部材３０をグレーン配向された材料で作ることも可能である。固定子コア１０の内径でのギャップ４１を小さくすれば、実効的空気ギャップ面積が小さくなり、それにより、オルタネータ出力が増大する。
【００２７】
挿入部材３０の自由端３８及び４０は接触させない。何故なら、接触により、磁束の一部（図示せず）がその存在しないギャップを通って流れ、それにより、歯１９及びコアヨーク２１を通らないことになり、その磁束は、導体５８の周りを回らない（好ましくない）ことになり、オルタネータの運転中に導体５８内で電圧又は電流を誘導しないからである。
空気ギャップをより小さくすることにより、回転子極表面上の磁束の揺れも減り、それにより、渦電流損失が減り、従って、オルタネータの効率が上昇する。
【００２８】
特許法の規定に従って、本発明の好ましい実施形態を代表すると思われるものを説明した。しかし、本発明は、その概念又は範囲を越えることなしに、具体的に図示して説明したもの以外の形態でも実施できることに留意すべきである。更に、本発明を一般的にオルタネータの関係で説明したが、当業者であれば、挿入部材３０及び４２を、各種の回転電気機械の運転のために利用できメリットがあることを認識できる。回転電気機械には、例えば、オルタネータ、モータ、及び複合スタータ・モータが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る固定子コアの斜視図である。
【図２】本発明に係る挿入部材の平面図である。
【図３】本発明に係る挿入部材の他の実施形態の平面図である。
【図４Ａ】図２に示す挿入部材を図１に示す固定子コアの一部とともに示す部分的平面図である。
【図４Ｂ】図２に示す挿入部材を図１に示す固定子コアの一部とともに示す部分的平面図である。
【図４Ｃ】図２に示す挿入部材を図１に示す固定子コアの一部とともに示す部分的平面図である。
【図４Ｄ】図２に示す挿入部材を図１に示す固定子コアの一部とともに示す部分的平面図である。
【図５】挿入部材を組み立てた状態の部分的平面図であって、絶縁部材を詳細に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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