(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に電磁材料部分を有するシャフトで構成され、中心軸まわりに回転自在に配置されたロータと、
中心軸まわりに同軸に配置された複数の導電性のブレード、ブレードの一端に配置されて相互接続されることによりブレードを通して電流を流す平板状の相互接続構造、および、一体に積層された複数のバック・アイアン・ディスクにより構成されるステータ本体を有するステータとを備えた電気機械であって、
前記ブレードが、銅−モリブデン積層で形成されるとともに、その上で端部を除いて中心部分に沿って形成された絶縁部を有し、
前記相互接続構造がディスクとして形成され、そのディスクが、絶縁材料を使用して環状リングの基板として形成され、ディスクの内側周辺には内部に複数のスロットが形成され、ディスクにおける選択した位置に銅−モリブデン積層で形成された導電性パッドを有し、前記選択した位置で前記ブレードの端部が前記ディスクのスロットにはめ込まれてろう付けにより前記導電性パッドに接続され、
前記バック・アイアン・ディスクが、鉄材料から形成されるとともに、内径上に複数のスロットを有する環状リングとして形成され、前記ブレードの絶縁部が前記バック・アイアン・ディスクのスロットを貫通することにより前記バック・アイアン・ディスクに機械的に接触する電気機械。
【請求項２】
請求項１において、
前記ブレードが、一端に階段状構造を有して、電気回路への接続を可能にしている電気機械。
【請求項３】
請求項２において、
前記ブレードの少なくともいくつかが、前記相互接続構造を越えて突出しないように長さが制限されている電気機械。
【請求項４】
請求項１において、
前記相互接続構造が、その両面に前記導電性パッドを有する電気機械。
【請求項５】
請求項１において、
前記電気機械がモータである電気機械。
【請求項６】
請求項１において、
前記電気機械が発電機である電気機械。
【請求項７】
請求項５において、
前記相互接続構造が、３相、単巻モータを実現する電気機械。
【請求項８】
請求項１において、
前記相互接続構造が、前記ブレードの両端それぞれに配置された複数のディスクにより構成されている電気機械。
【請求項９】
請求項８において、
前記相互接続構造ディスクが、所定の端部において絶縁ディスクによって相互に分離されている電気機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は誘導型のモータまたは発電機のような電気機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータは、電圧または電流の形で供給される電気エネルギーを、回転運動のような明瞭に表れる形の機械エネルギーに変換する電気機械式装置である。モータの一般的な１つのタイプは、２つの主要エレメントであるステータとロータから構成される。ステータは一般に複数の巻線を有する巻線コイルを備えている。ロータは一般に永久磁石を備えている。ロータとステータは、固定されたステータに対しロータが自由に動けるように機械的に配置されている。この時、ロータとステータ間の電磁相互作用により、ステータ巻線の各極性変化に応じてロータが回転する。発電機のような別のタイプの電気機械も類似の形態で構成できる。
【０００３】
モータの１つのタイプでは、ステータを鉄材料から製作される複数のディスクを積層して形成し、円筒形ステータハウジングを形成する。コアディスクにはタブまたは歯を形成し、そのまわりに裸銅線のより線を巻いて巻線を形成する構造を実現している。ステータハウジングは同軸状に設けた空間を備えており、そこにロータアセンブリを挿入する。ロータアセンブリは、一般に、シャフトまわりに間隔を空けた複数の電磁石から製作される。一般に、磁石はシャフトに一体化されるか、または外側スリーブによりシャフトに保持されている。ロータアセンブリは、ステータハウジング内に低摩擦ベアリングにより機械的に回転可能に保持される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなモータは精密制御用途に広く産業界で受入れられてきた。これらのモータは、それらが意図する目的に十分かなう性能を発揮していると考えてよいであろう。しかし、それらに欠点がないわけではない。
【０００５】
製造面からは、ステータアセンブリ内に複数の巻線を備える必要性を無くすることが望ましい。
【０００６】
また、所定の寸法と重量でモータの発生動力またはトルク性能を増加できることも望ましい。
【０００７】
さらに、拡大した用途で、ロータの巻線が不足または摩耗する傾向にあると仮定すると、このようなモータの信頼性を改良できる。
【０００８】
【発明が解決するための手段】
本発明はブラシレスモータのような電気機械であり、その内部に、ステータ鉄心の軸まわりに配置された一連の導電性ブレード構造によりコイルが形成されている。ブレード間の電気的相互接続は、ブレード端に取付けられた一連のディスクにより提供される。ディスクはブレードを正しい回路配列で電気的に接続し、その機械の所望の数の巻数および相数を実現する。
【０００９】
モータに関連する相数および巻数は、相互接続ディスクの回路配置を変更することにより、変更できる。
【００１０】
好ましくは、ブレードおよび相互接続ディスクの導電性部分は、銅−モリブデン積層のような材料で形成する。
【００１１】
ブレードの外側層は、ステータアセンブリのバック・アイアン（back iron）構造に機械的に接触する部分を有して、固定した堅牢なステータ構造を実現できる。このような構成では、絶縁材料をブレードに沿って形成して、ブレードがバック・アイアン部分に短絡するのを防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の前記ならびにその他の目的、形態および利点は、添付図面を用いた以下の本発明の好ましい実施形態のさらに詳細な説明で明らかになるであろう。添付図面では、同一の符号は異なる図面においても同一部品を示す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を示すために強調されている。
【００１３】
図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明によるステータアセンブリ１２を使用するモータ１０の端面図と断面図であり、相互接続ブレード１４とディスク１６を使用してステータ巻線を形成している。
【００１４】
特に、モータ１０は、ステータアセンブリ１２とロータアセンブリ２０を備える。モータ１０は内部ロータタイプであり、ロータが中心軸Ａに沿って配置されステータ１２の内部で回転する。ロータ２０およびステータ１２アセンブリは、前部モータハウジング３０と後部モータハウジング３１によって所定位置に保持される。ハウジング３０，３１はアルミニウム、鋼または他の適切な金属で形成されており、前部ベアリング３２と後部ベアリング３３を介しロータアセンブリ２０を回転可能に保持する。
【００１５】
ロータアセンブリ２０は、外側スリーブ２１、内側ロータシャフト２２、棒磁石２３、保持リング２４、ワッシャ２５、トレランスリング２６、ピニオン２７から構成される。当技術分野では既知のロータアセンブリ２０は、外側ロータスリーブ２１を使用して、ロータの長手方向に沿って複数の棒磁石２３を保持する。保持リング２４とワッシャ２５は、ロータアセンブリ２０をベアリング３２，３３内の位置に維持する。トレランスリング２６は、後部ベアリング３３と後部モータハウジング３１の側壁間に挿入され、ベアリング３３のシールを容易にする。ピニオン２７はロータシャフト２２の前端に挿入されており、一般にモータ１０で駆動される装置に機械的に連結する。
【００１６】
本発明の特に重要な点は、ステータアセンブリ１２の構造である。ステータはステータ１２の長手方向に沿って突出する複数のブレード１４、バック・アイアン・ワッシャ１５、相互接続ディスク１６、絶縁ディスク１７から構成される。
【００１７】
図２（ａ），（ｂ）はステータアセンブリ１２を詳細に示す。ステータ１２は、一体に積層された複数のバック・アイアン・ワッシャ１５から形成されるフレームを含む。バック・アイアン・ワッシャ１５は、ニッケル−鉄合金または他の適切な鉄材料から形成される。積層することにより、ステータ１２中の渦電流が減少する。バック・アイアン・ワッシャ１５アセンブリのどちら側にも、絶縁ディスク１７により間隔を空けられた一連の相互接続ディスク１６がある。
【００１８】
図２（ｂ）は、特定の１つの相互接続ディスク１６Ａの平面図を示す。この図で明らかなように、相互接続ディスク１６Ａは、９６％アルミナを含むセラミックのような絶縁材料の環状リングで形成される。
【００１９】
ディスク１６Ａの内側周辺は、内部に複数のスロット１８を形成し、スロット中にブレード１４をはめ込む。図示した構成では、総数１８個のスロット１８が内側周辺まわりにある。
【００２０】
実際には、ブレード片１４は、２つのタイプ、階段状部分のあるブレード片１４−１およびストレートなブレード片１４−２として提供される。これらブレード片の大部分は、ストレートブレード１４−２である。しかし、図示した実施形態では、３つの階段状ブレード片１４−１を備えている。３つの階段状ブレード１４−１は、ステータアセンブリ１２の３相の巻線のそれぞれに対応する。前述のように、ブレード片１４は、銅−モリブデン積層のような適切な導電性材料から形成される。
【００２１】
ブレード片１４−１と１４−２は、ステータの一般的巻線に代わる電流導体として役立つ。複数の相互接続ディスク１６上で特定パターンに形成された導電性金属被膜層と連結して機能して、ブレード１４は電流の回路を提供し、それによりモータ１０のそれぞれの巻線相として機能する。
【００２２】
次に、図３の相互接続ディスク１６の分解図は、ブレード１４−１と１４−２を電気的に接続する方法を示す。（図３では、ブレード１４−１と１４−２は明瞭に示されていない。）一般に、所定のブレード１４は、ステータの一端から他端に電流を流し、相互接続ディスク１６は“巻数の終端”として作用し、1つのブレード１４から流入した電流を反転させる、これによりステータの逆方向に戻る。
【００２３】
各階段状ブレード片１４−１は、ステータアセンブリ１２から引出されたエンドタブ１９を備えており、このタブが必要な３相駆動信号の1つに相互接続されている。
【００２４】
図示した構成では、３つの相互接続ディスク１６Ａ、１６Ｂおよび１６Ｃは、ステータアセンブリ１２の後端に配置される。他の3つの相互接続ディスク１６Ｄ、１６Ｅおよび１６Ｆは、ステータアセンブリ１２の前端に置かれている。矢印の付いた線は、それぞれの相互接続ディスク１６とその上に形成された金属被膜層から出力する（およびそれを通過する）電流を示す。
【００２５】
例えば、巻線の１つの相の電流経路を考える。まず相互接続ディスク１６Ａを考えると、入力電流を供給する階段状ブレード片１４−１に関連するスロット１８−１が存在する。ブレード片１４−１は、他の５つのディスク１６Ｂ〜１６Ｆのそれぞれの中の対応する半径方向位置に配置されたスロット１８−１に挿入されている。
【００２６】
電流は、スロット１８−１内の階段状ブレード片１４−１からステータアセンブリ１２に流入する。スロット１８−１は、相互接続ディスク１６Ａの一部に形成されており、その部分はセラミックだけをもち、スロット周辺には導電性金属被膜はもたない。したがって、電流はブレード片１４−１に沿って次のディスク１６Ｂに流れ続ける。
【００２７】
ディスク１６Ｂには別のスロット１８−１があり、このスロット周辺には金属被膜をもたない。したがって、電流はブレード片１４−１に沿って次のディスク１６Ｃに流れ続ける、このディスク１６Ｃも、そのスロット１８−１近辺には金属被膜をもたない。
【００２８】
バック・アイアン・ワッシャ１５で形成されるステータ本体に沿って流れる電流は、スロット１８−１でディスク１６−Ｄに達する。この半径方向位置には、金属被膜パッド１９−１部分が存在する。したがって電流は金属被膜パッドに流入し、ディスク１６Ｄのスロット１８−４に伝達される。電流はブレード片１４−１の残りの長さ部分を下方に流れ続けるが、ディスク１６Ｅと１６Ｆの対応するスロット１８−１は、それぞれのディスクのセラミック部分内にあるため、電流はそれらを通過しては流れない。
【００２９】
このように、ブレード片１４−１中を流れる電流のすべては、結果的に、金属被膜パッド１９−１により方向転換されて、ディスク１６Ｄのスロット１８−４に現われる。図の矢印で示すように、次に電流は“上方向”に流れ、スロット１８−４でディスク１６Ｃに、また１８−４でディスク１６Ｂに戻る。これらディスク１６Ｃと１６Ｂの半径方向スロット１８−４も、周辺にセラミックだけをもつ。しかし、ディスク１６Ａのスロット１８−４に達すると、第２金属被膜パッド１９−２があるため、電流はスロット１８−７に達する。
【００３０】
ディスク１６Ａ〜１６Ｆのそれぞれに関連するスロット１８−４に挿入された第２ブレード片１４−４は、ステータ１２の前部から後部方向に電流を流す。
【００３１】
第２金属被膜パッド１９−２は、ステータ１２の前部方向に戻る電流方向にさらに別の変化を与える。この場合、電流は、ディスク１６Ｂと１６Ｃのスロット１８−７を通り、対応するブレード片１４−７を通過して流れて、金属被膜パッド１９−３で隣接のディスク１６のスロット１８−７に達する。パッド１９−３は電流を再度ステータ１２の前部方向に戻し、電流はディスク１６Ａのスロット１８−１０に達する。ここで、電流は再度方向を変えて、スロット１８−１３に挿入されたブレード１４−２を通り、ステータの前部方向に流れる。スロット１８−３でディスク１６Ｄに達すると、金属被膜パッド１９−５を通して最終方向変換がなされる。最終の電流は、スロット１８−１６を通り“上方向”に戻る。
【００３２】
ディスク１６Ａの最終の金属被膜パッドは、“Ｙ”結線構成で接続される３相モータの共通接続点として機能する。パッド１９−６は、電気的にフローテイングにすることも、またケースアース位置まで引き出すことのどちらも可能である。
【００３３】
図３は、３相単巻モータを形成するディスク１６とブレード１４の配置を示すが、パッド１９の適切な配置により、他の相および複数巻きモータを形成できることは明らかである。
【００３４】
図４（ａ），（ｂ）は、バック・アイアン・ワッシャ１５の詳細図である。これらのワッシャは、“Carpenter 49”のようなニッケル−鉄合金または他の適切な鉄材料から形成される。“Carpenter 49”はペンシルバニア州のCarpenter Technology Corporation of Wyomissingから購入できる。バック・アイアン・ワッシャ１５は、スロット１８をディスク１６に形成したのと同様な方法で、環状リング材料として形成され、その内径上にスロット１８を有する。スロット１８は、ブレード１４を貫通させることができる。位置合わせスロット４０をバック・アイアン・ワッシャ１５の外周に形成して、組立てと積層を容易にできる。
【００３５】
図示した実施形態では、各単一バック・アイアン・ワッシャ１５は、約０．０１０インチ（約０．２５４ｍｍ）の厚さを有する。一般的構成では、バック・アイアン・ワッシャは約３インチ（約７６ｍｍ）の積層高さに製作される。このモータの外径は約１．２インチ（約３０．５ｍｍ）であり、約１．０１インチ(約２５．７ｍｍ)のスロット１８の外側端間の寸法はＤ１である。図示した構成のこのサイズのモータは、出力は約１．５馬力と予測される。
【００３６】
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、相互接続ディスク１６Ａの１つを詳細に示す。前述のように、ディスク１６Ａは、内周に形成された１８個のスロット１８を備える。ディスク１８は、適切に剛性があって熱的に安定な絶縁材料、例えば９６％アルミナを含むセラミックで形成される。
【００３７】
金属被膜層１９−２、１９−４および１９−６は、ディスク１６Ａの前面上に形成される。好ましい実施形態では、ディスク１６Ａの各面にそれぞれ金属被膜層１９がある。ディスク１６の両側に導電層１９をもつことは、本発明の実施には必ずしも必要ではない。しかし、これは、所定サイズのディスク１６Ａの２倍の電流処理性能を備えるものとして好まれる。
【００３８】
金属被膜領域１９は、銀メッキのような複数の方法で形成される。このような方法の適当なアートワーク形状を図６（ａ），（ｂ）に示す。
【００３９】
好ましい実施形態で、ディスク１６にろう付けした導電性材料で金属被膜パッド１９を形成してもよい。特に、パッド１９を導電性材料パッチ２９で形成することもできる。
【００４０】
図７に、パッド１９−４に関連する導電性パッチ２９を詳細に示す。導電性パッチ２９は所望の形状に形成して、２つの導電性スロット１８−４と１８−７間の相互接続に使用できる。導電性パッチ２９は、複合導電性材料、例えば銅−モリブデン積層で形成される。好ましい実施形態では、導電性パッチ２９は、２つの最外側層が銅になっている、銅とモリブデンの一連の交互層から構成される。積層は、重量比で約６０％の銅と４０％のモリブデンで構成される。図示した実施形態では、銅とモリブデンが同一厚さである層の厚さＤ２は、約０．００５インチ（約０．１３ｍｍ）である。
【００４１】
図８（ａ），（ｂ）は、絶縁ディスク１７の１つの詳細図である。絶縁ディスク１７は、相互接続ディスク１６の基板に使用されたものと同一材料から形成される。しかし、絶縁ディスク１７は、わずかに厚く、約０．１２インチ（約３．０ｍｍ）の厚さＤ３をもつ。これらには、ブレード１４に対応するスロット１８が形成されているが、金属被膜層は含まない。絶縁ディスク１７は、対応する相互接続ディスクの露出した金属被膜パッド１９を絶縁し、隣接する相互接続ディスク１６が相互に短絡するのを防止する。
【００４２】
図９（ａ），（ｂ）は、階段状ブレード片１４−１の詳細図である。階段状ブレード片１４−１は、ステータアセンブリ１２の一端から他端に電流を流す導電性ユニットである。階段状ブレード片１４−１は、導電性ブレード３４から構成される大きい部分を有する。導電性ブレード３４は、積層導電性材料、例えば前述の銅−モリブデン積層板から形成される。この場合、Ｄ４で表わす全体厚さの０．１０インチ（２．５４ｍｍ）は、銅とモリブデンの層を交互にした材料の約９層で形成できる。
【００４３】
ブレード片１４−１のタブと階段状部分は、延長部分として使用して、電気的相制御回路への接続を可能にする。
【００４４】
ブレード１４−１は、全体をこの導電性材料から形成できるが、好ましい実施形態では、両側に絶縁体３５を積層している。絶縁体３５は、ステータアセンブリ１２の不必要な部分、特にバック・アイアン・ディスク（back iron disk）１５にブレード１４−１が接触するのを防止する。このようにして、導電性材料３４の露出部は、ステータアセンブリ１２の前端と後端に隣接するブレード１４−１の端部だけになり、そこに相互接続ディスク１６のスリット１８が配置される。
【００４５】
図１０（ａ），（ｂ）は、直線状ブレード片１４−２の詳細図である。これらのブレード片１４−２は階段部分を必要としない。その理由は、それらがステータ１２の一方端にあるディスク１６間の接続だけを備え、駆動回路に接続を引出す必要がないためである。その他の点では、構造は階段状ブレード片１４−１と同一であり、外側絶縁セラミック層３５を有する導電性材料から構成される。外側層３５は、導電性部分３４にろう付けされた適切な絶縁セラミックから形成される。
【００４６】
発明者らは、ブレード１４に積層導電性材料を使用して、優れた性能を実現することを実際に見出した。ろう付けを用いて、導電性ブレード部分１４をディスク１６のセラミックモリブデン積層に接続できる。モリブデンと銅の膨張係数の類似性から、このろう付け処理は、他の材料で発生するような分離を積層に発生させない。
【００４７】
図１１（ａ），（ｂ）は、ブレード片１４−１と１４−２で使用される絶縁層３５の詳細図である。絶縁層３５は、適切なセラミック材料、例えば前述の９６％アルミナから形成できる。金属被膜層３８をブレード片の片面に形成して、絶縁層をブレード片１４に組み合わせる際のろう付け処理を容易にできる。
【００４８】
本発明を好ましい実施形態により、特に図示および説明してきたが、当業者には、特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部における各種変更が可能なことは理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明により構成されたブラシレス直流モータのような電気機械の端面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】（ａ）はステータアセンブリとロータのより詳細な断面図、（ｂ）は相互接続ディスクのうちの１つの平面図である。
【図３】単巻３相モータの相互接続ディスクの配置を示す分解図であり、ディスクとブレードがモータ巻線を形成する様子を示す。
【図４】（ａ）はステータ本体を形成するバック・アイアン・ワッシャの平面図、（ｂ）は断面図である。
【図５】（ａ）は相互接続ディスクのうちの特定の１つの正面面、（ｂ）は断面図、（ｃ）は背面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）とも、相互接続ディスクの金属被膜パターンを示す。
【図７】相互接続ディスクに取付けてブレード間の相互接続を可能にする導電性パッドのより詳細な図である。
【図８】（ａ）は絶縁ディスクの正面図、（ｂ）は断面図である。
【図９】（ａ）は、駆動回路に電気接続する階段状部分を有するブレードの第１タイプの正面図、（ｂ）は断面図である。
【図１０】（ａ）は、ステータの一端から他端に電流を流すことができるブレードの第２タイプの正面図、（ｂ）は断面図である。
【図１１】（ａ）は、好ましい実施形態のブレードにろう付けされている絶縁セラミック部分のより詳細な正面図、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１２…ステータ、１４…ブレード、１５…バック・アイアン・ディスク（バック・アイアン・ワッシャ）、１６…相互接続構造（相互接続ディスク）、１７…絶縁ディスク、１９…導電性パッド（金属被膜パッド）、２０…ロータ、Ａ…中心軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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