(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部と、第２の端部と、前記第１の端部から前記第２の端部まで延びる複数のスロットと、を有するステータコアと、
個別に絶縁された複数の導線を含む少なくとも１つの導電束と、
を備え、
前記少なくとも１つの導電束の少なくとも一部分が前記複数のスロットのうちの１つのスロットの第１の端部から第２の端部まで延び、さらに、前記少なくとも一部分内の個別に絶縁された複数の導線に沿った循環電流を抑えるように、前記少なくとも一部分が前記１つのスロット内で３６０°の複数倍だけ捻られ、
前記少なくとも一部分が前記導電束の複数の部分からなり、これらの各部分が前記複数のスロットのうちの１つのスロット内に挿入されて、複数のコイル区間を有するコイルを形成し、各コイル区間が少なくとも１つの折り返しを有し、
前記少なくとも１つの導電束が、個別に絶縁された導線からなる複数の別個の束を含み、前記少なくとも１つの導電束の前記一部分が前記３６０°の複数倍だけ捻られる前に、前記別個の束が個別に捻られることを特徴とするステータアセンブリ。
【請求項２】
前記複数の部分が１２個の異なるスロット内に配置された導電束の１２個の部分からなり、これらの各部分が前記１２個の各スロット内で３６０°の複数倍だけ捻られて６つのコイル区間を有するコイルを形成することを特徴とする請求項１に記載のステータアセンブリ。
【請求項３】
各コイル区間が、前記導電束の少なくとも１つの折り返しを含むことを特徴とする請求項２に記載のステータアセンブリ。
【請求項４】
各コイル区間が、前記導電束の２つ、３つまたは４つの折り返しを含むことを特徴とする請求項２に記載のステータアセンブリ。
【請求項５】
前記ステータコアが円筒形の形状であって、前記スロットが前記ステータコアの内周面に沿って、前記ステータコアの中心軸と平行に延びることを特徴とする請求項１に記載のステータアセンブリ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの導電束が複数の導電束からなり、各々の導電束が該ステータアセンブリによって発生する交流電流の１つの位相に対応することを特徴とする請求項１に記載のステータアセンブリ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの導電束が複数の導電束の対からなり、導電束の対の各々が、前記ステータアセンブリに関連した交流電流の１つの位相に対応し、さらに、導電束の対の各々が、並列に接続された少なくとも２つの導電束を含むことを特徴とする請求項１に記載のステータアセンブリ。
【請求項８】
前記個別に絶縁された複数の導線の各々がエナメル絶縁コーティングされていることを特徴とする請求項１に記載のステータアセンブリ。
【請求項９】
前記複数のスロットの各々が、前記ステータコアの外周面に近い第１のスロット部と、前記ステータコアの内周面に近い第２のスロット部と、を含み、前記少なくとも１つの導電束が第１の導電束および第２の導電束を含み、さらに、前記少なくとも１つのスロットが、前記第１のスロット部内に前記第１の導電束の一部分を保持するとともに、絶縁分離層によって前記第１のスロット部から分離された前記第２のスロット部内に前記第２の導電束の一部分を保持することを特徴とする請求項１に記載のステータアセンブリ。
【請求項１０】
前記ステータアセンブリが４００〜６９０ボルトの範囲の電圧を生成して１００〜６００キロワットの範囲の電力を発生させるように作動することができる電気機械に関連し、該電気機械は、１分間当たり２０，０００〜１００，０００回転するロータを有することを特徴とする請求項１に記載のステータアセンブリ。
【請求項１１】
請求項１に記載のステータアセンブリを生産する方法であって、
個別に絶縁された複数の導線からなる複数の別個の束を形成するステップと、
各別個の束を３６０°の複数倍だけ捻るステップと、
前記別個の束を用いて少なくとも１つの導電束を形成するステップと、
前記導電束の一部分内の個別に絶縁された複数の導線に沿った循環電流を抑えるように、前記導電束の一部分を３６０°の複数倍だけ捻るステップと、
前記ステータコアの第１の端部から前記ステータコアの第２の端部まで延びるステータコアスロット内に前記導電束の一部分を配置するステップと、
を含み、
前記一部分が前記導電束の複数の部分からなり、これらの各部分が前記複数のスロットのうちの１つのスロット内に挿入されて、複数のコイル区間を有するコイルを形成し、各コイル区間が少なくとも１つの折り返しを有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記ステータコアの第１の端部から前記ステータコアの第２の端部まで延びるステータコアスロット内に前記導電束の一部分を配置する前記ステップが、
（ａ）前記導電束の第１の部分が第１のステータコアスロット内で３６０°の複数倍だけ捻られるように前記導電束を捻り、
（ｂ）前記第１の部分を前記第１のステータコアスロット内に挿入し、
（ｃ）前記導電束の第２の部分が第２のステータコアスロット内で３６０°の複数倍だけ捻られるように前記導電束を捻り、
（ｄ）前記第２の部分を前記第２のステータコアスロット内に挿入すること、
を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
所望の回数の折り返しを有するコイルを形成するように、前記第１のステータコアスロット内で前記ステップ（ａ）および前記ステップ（ｂ）を、さらに、前記第２のステータコアスロット内で前記ステップ（ｃ）および前記ステップ（ｄ）を繰り返すことを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
所望の量のコイル区間を有するコイルを形成するように、異なるステータコアスロット内で前記ステップ（ａ）〜（ｄ）を繰り返すことを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、電気機械用ステータに関連し、詳しくは、電気機械のステータに用いられる巻線の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械や発電機は、回転ロータおよび静止ステータを含む。ステータは、典型的には、複数の巻線を含み、各々の巻線は、導線のバンドルに対応し得る。バンドル内の各々の導線が絶縁されていても、バンドルの導線間に望ましくない循環電流を発現させてしまうことがある。循環電流は、モータまたは発電機の作動周波数の二乗に比例する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
循環電流は、モータまたは発電機のロータが高速で回転しているときに特に問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ステータアセンブリが、ステータコアと少なくとも１つの導電バンドルとを含む。ステータコアは、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部から第２の端部まで延びる複数のスロットと、を有する。導電バンドルは、個別に絶縁された複数の導線を含む。少なくとも１つの導電バンドルの少なくとも一部分は、複数のスロットのうちの１つのスロットの第１の端部から第２の端部まで延びる。その少なくとも一部分における個別に絶縁された複数の導線に沿った循環電流を抑えるように、その少なくとも一部分がスロット内で所定の量だけ捻られている。
【０００５】
ステータアセンブリを形成する方法は、個別に絶縁された複数の導線を１つの導電バンドルにグループ分けするステップと、ステータコアの第１の端部からステータコアの第２の端部まで延びるステータコアスロット内に導電バンドルの一部分を配置するステップと、一部分の内部の個別に絶縁された複数の導線に沿った循環電流を抑えるように該一部分がステータコアスロット内で所定の量だけ捻られるように、バンドルを捻るステップと、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、所謂「二重星形（ｄｏｕｂｌｅ  ｓｔａｒ）」結線と呼ばれる複数のコイル１２，１４，１６，１８，２０，２２を含むステータ回路１０を概略的に示す。コイル１２とコイル１８が対として並列に接続され、コイル１４とコイル２０が対として並列に接続され、コイル１６とコイル２２が対として並列に接続されている。一例においては、これらの対の各々は、電気機械内の交流電流（「ＡＣ」）の１つの位相に対応する。
【０００７】
図２は、第１の端部３２および第２の端部３４を有する円筒形の形状のステータコア３０を概略的に示す。一例においては、第１の端部３２は、ステータコア３０の底端部に対応し、第２の端部３４は、ステータコア３０の上端部に対応する。中心軸３５は、ステータコア３０の中心に沿って軸方向に延びる。ステータコア３０は、内周面３８を画定する中央の開口を有する。ステータコア３０の内周面には、第１の端部３２から第２の端部３４まで中心軸３５と平行に延びる複数のスロット３６が形成されている。一例においては、各スロット３６は、第１のスロット部３７および第２のスロット部３９を有し（図４Ｂを参照）、第１のスロット部３７は、ステータコア３０の外周面４１近くにあり、第２のスロット部３９は、ステータコア３０の内周面３８近くにある。図２のステータコア３０は、３６個のスロット３６を含むが、他の数のスロットを使用してもよいし、各スロットの形状を変えてもよいことを理解されたい。図３に示されるように、個々のスロット３６にはＳ１〜Ｓ３６までの番号が付されている。
【０００８】
図３は、絶縁された複数の導線６２（図４Ａを参照）を含む導電バンドル６０（図４Ａ〜図４Ｃおよび図５）を使って、ステータコア３０にステータ回路１０を実装する巻線図４０の一例を概略的に示す。個別に絶縁された導線６２を使うことによって、さらに大きな導線が使用された場合（例えば、単一の大きな導線からバンドルが形成された場合）に発生し得る望ましくない渦流を抑えることができる。図３の例示的な巻線図４０においては、複数のスロット３６の第１のスロット部３７にコイル１２，１４，１６を配置し、複数のスロット３６の第２のスロット部３９にコイル１８，２０，２２を配置する。一例においては、複数の絶縁された導線６２の各々は、エナメル絶縁コーティングされている。一例においては、導電バンドル６０に含まれる絶縁された複数の導線６２の各々は、電気的に並列に接続されている。
【０００９】
図３を参照し、一例としてコイル１２を採り上げると、コイル１２は、ステータコア３０の第１の端部３２でスロットＳ１に入り、ステータコア３０の第２の端部３４でスロットＳ１から出て、ステータコア３０の第２の端部３４でスロットＳ１６に入り、ステータコア３０の第１の端部３２でスロットＳ１６から出て、続いて、ステータコアの第１の端部３２でスロットＳ２に入ることによって、コイル区間４２ａ内に第１の折り返しを形成する（図２を参照）。これらのステップは、コイル区間４２ａが複数の折り返しを含むように、繰り返すことができる。コイル区間４２ａが完成すると、コイル１２が所定の量のコイル区間を有するように、上記のプロセスを図３に示すように繰り返して複数のコイル区間４２ｂ〜４２ｆを形成させる。巻線図４０においては、コイル１２が６つのコイル区間（部分４２ａ〜４２ｆ）を含むが、他の量のコイル区間とすることもできることが理解されよう。他のコイル１４〜２２は、６つのコイル区間を有する様式と同様に形成される。しかし、上記に示したように、他の数のコイル区間を使用してもよい。一例においては、コイル形成の順序は、１２，２２，１４，１８，１６，２０である。しかし、コイル１２〜２２は、他の順序で形成することもできる。図３に示すように、コイル１２，１４，１６は、複数のスロット３６のうちの第１のスロット部３７に属し、コイル１８，２０，２２は、複数のスロット３６のうちの第２のスロット部３９に属する。
【００１０】
さらに、図３に示すように、スロットＳ１９〜Ｓ２１のようないくつかのスロットは、複数のコイルからなる部分を含む。単一のスロットに複数のコイルを収容するために、絶縁分離層６４を使用してもよい（図４Ａ〜図４Ｃを参照）。分離層６４は、ステータコア３０の第１の端部３２および第２の端部３４に沿ってコイルをさらに絶縁するために使用することもできる。一例においては、各コイル区間４２ａ〜４２ｆが１〜４回の折り返しを含み、各スロットが第１のスロット部３７および第２のスロット部３９に導電バンドル６０の一部分を有する結果、各スロット３６が２〜８回の折り返しを含む。
【００１１】
図６は、ステータコア３０に複数のコイル１２〜２２を形成する方法１００を概略的に示す。導電バンドル６０の一部分６１（図２）が、ステータコア３０の第１のスロット３６内に配置される（ステップ１０２）。次に、その一部分６１が第１のスロット内で所定の量だけ捻られるように、バンドル６０を捻る（ステップ１０４，図４Ｃ）。しかし、バンドル６０は、スロット３６に挿入する前に所定の量だけ捻ることができることを理解されたい。一例においては、所定の量は３６０°の複数倍である。他の所定の量を採用してもよい。導電バンドル６０の第２の部分６３（図２）を他のスロットに挿入し（ステップ１０６）、第２の部分６３が所定の量だけ捻られるようにバンドル６０を捻る（ステップ１０８）。続いて、所望の回数の折り返しを有するコイル区間を形成するために、ステップ１０２〜ステップ１０８を繰り返す（ステップ１１０）。続いて、所望の量のコイル区間を有するコイルを形成するために、ステップ１０２〜１１０を繰り返す（ステップ１１１）。続いて、ステータコア３０に所望の数のコイルを形成するために、ステップ１０２〜１１１を繰り返す（ステップ１１２）。
【００１２】
図４Ａ〜図４Ｃは、導電バンドル６０ａ，６０ｂを概略的に示し、これらの導電バンドル６０ａ，６０ｂの各々は、絶縁された導線６２からなる単一のバンドルに対応し、その結果、スロット３６ａの第１の部分３７がバンドル６０ａの単一の部分を含み、スロット３６ａの第２の部分３９がバンドル６０ｂの単一の部分を含む。図５Ａは、導電バンドル６０ｃの４つの部分と導電バンドル６０ｄの４つの部分を含むステータコアスロット３６ｂを示す。図５Ａの例においては、スロット３６ｂが各々のバンドル６０ｃ，６０ｄの４回の折り返しを収容することができるように、バンドル６０ｃ，６０ｄは、さらに少ない数の絶縁された導線６２を含む。他の回数の折り返しを採用してもよい。
【００１３】
図５Ｂは、２つの例示的なリッツ線（Ｌｉｔｚ  ｗｉｒｅ）導電バンドル６６ａ，６６ｂの一部分を含むステータコアスロット３６ｃを示す。各々のバンドル６６ａ，６６ｂは、絶縁された導線６２からなる複数の別個のバンドル６８を含む。上記のように、ステップ１０４において、導電バンドル６０の一部分６１が所定の量（第１の所定の量）だけ捻られる。図５Ｂの例においては、導電バンドル６６が第１の所定の量だけ捻られる前に、別個のバンドル６８の各々が第２の所定の量だけ捻られる。一例においては、第２の所定の量は、３６０°である。一例においては、第２の所定の量は、３６０°の複数倍である。一例においては、別個のバンドル６８の各々に含まれる絶縁された導線６２は、電気的に並列に接続されている。
【００１４】
図７は、図６の方法に関する効率の向上を示す。図７は、方法１００を用いて形成された第１の導電バンドル７２（図４Ｃを参照）と、捻られていない第２の導電バンドル７４（図４Ａを参照）と、捻られていない導電バンドルではあるが捻られた別個のバンドルを含む第３の導電バンドル７６（図５を参照）と、を比較する表７０を含む。図７に見られるように、循環電流損失係数（ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒｙ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｌｏｓｓ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）７８の平均は、方法１００を用いて形成されたバンドル７２について最も小さい。循環損失係数は、以下の数式によって求められる。
【００１５】
【数１】
0005226464.tif 000002
【００１６】
比較の点に関して、損失係数が１．０（このとき、Ｐcc＝Ｐed）であることは、循環損失が零であることに対応する。しかし、Ｐcc＞Ｐedである場合には、損失係数が１．０よりも大きく、循環損失が零ではないことを示す。
【００１７】
図８は、複数の周波数における電流の様々な位相についての循環損失係数を示す。位相Ｕ９０は、並列に接続されたコイル１２およびコイル１８に対応し、位相Ｖ９２は、並列に接続されたコイル１４およびコイル２０に対応し、位相Ｗ９４は、並列に接続されたコイル１６およびコイル２２に対応する。この例においては、各位相が２つのコイルに対応し、各コイルは、１００個の導体つまりストランドを並列に有する。図８は、すべての位相９０〜９４についての循環損失係数９６の平均をさらに含む。図８に示すように、循環損失係数は、周波数の増加とともに増加する傾向がある。
【００１８】
図９は、ステータコア３０の一適用例としての圧縮機用電気モータ（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｍｏｔｏｒ）８０を概略的に示す。一例においては、モータ８０は、２０，０００〜１００，０００ｒｐｍ，１００〜６００ｋＷおよび４００〜６９０Ｖの範囲で作動される。モータ８０は、中実なスチールロータ８２と、これとエアギャップ８４によって分離されたステータコア８３と、を含む。一例においては、ステータコア８３は、０．２〜０．３５ｍｍ（０．０７９〜０．００１４インチ）の厚さの薄板の積層によって少なくとも部分的に形成された複数のスロットを含む。一例においては、エアギャップ８４は、１〜４ｍｍ（０．０４〜０．１６インチ）の厚さである。これらのコイルは、上記に考察した種々のコイルとすることができ、図４Ａ〜図４Ｃおよび図５に示すような導電バンドル６０，６６に対応することができる。ハウジング８８は、ロータ８２、ステータコア８３および巻線８６を収容する。モータ８０を発電機として作動させる構成とすることもでき、それによって電気機械と見なし得ることを理解されたい。
【００１９】
本発明の好ましい実施例を開示したが、当業者でれば、本発明の範囲を逸脱することなく、いくつかの修正が可能であることを理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ステータ回路を示す図。
【図２】ステータコアを示す図。
【図３】図１のステータ回路を実装する巻線図を示す図。
【図４Ａ】２つの導電バンドルの一部分を含むステータコアスロットの第１の外観図。
【図４Ｂ】ステータコアスロットおよび図４Ａの導電バンドルの断面を示す図。
【図４Ｃ】所定の量だけ捻られた図４の導電バンドルを部分的に示す図。
【図５Ａ】４つの部分を含む２つの導電バンドルからなるステータコアスロットを示す図。
【図５Ｂ】２つの例示的なリッツ線導電バンドルの一部を含むステータコアスロットを示す図。
【図６】図２のステータコア内に複数のコイルを挿入することによってステータアセンブリを形成する方法を示すフローチャート。
【図７】図６の方法に関連した効率の向上を示す図。
【図８】複数の周波数における電流の様々な位相での循環損失係数を示す図。
【図９】圧縮機電気モータを示す図。
【図１】
0005226464.tif 000003
【図２】
0005226464.tif 000004
【図３】
0005226464.tif 000005
【図４Ａ】
0005226464.tif 000006
【図４Ｂ】
0005226464.tif 000007
【図４Ｃ】
0005226464.tif 000008
【図５Ａ】
0005226464.tif 000009
【図５Ｂ】
0005226464.tif 000010
【図６】
0005226464.tif 000011
【図７】
0005226464.tif 000012
【図８】
0005226464.tif 000013
【図９】
0005226464.tif 000014