(57)【要約】      （修正有）【課題】損失がステータコアへと効率よく取り除かれることが可能であり、かつ、より均一な熱分布を有するコイル設計の提供【解決手段】電気機械用のコイル７０は、箔導体で巻回される。当該箔は、当該箔の厚さがフォーマから離れて伸びる状態で、最初にフォーマに巻回される。コイルは、続いて、曲げ治具に移され、コイル側部７２、７４がおよそ９０度向きを変えるように、コイルの側部が操作される。電気機械のステータへの組み付け後、コイルは、コイルにおける損失に対する優れた熱伝達を示し、巻線の保冷稼働または機械の評価向上が可能となる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
突出ポールを含むステータを有する電気機械用のコイルであって、
前記コイルは導体で巻回されて、電気機械の突出ポールを受け入れる空間を形成し、前記導体は幅と、厚さと、厚さに対する幅の、１０よりも大きいアスペクト比とを有し、前記導体の前記幅は、前記コイルの一の部位において前記空間から離れる方向に伸びる。
【請求項２】
前記導体の前記幅が、前記空間の２つの対向する側部のそれぞれにおける前記コイルの各々の部位において前記空間から離れる各々の方向に伸びる、請求項１に記載のコイル。
【請求項３】
前記各々の方向が、前記コイルの前記各々の部位間の前記空間を二等分する面に垂直である、請求項２に記載のコイル。
【請求項４】
突出ポールを含むステータを有する電気機械用のコイルであって、
前記コイルは、導体で巻回され、前記導体は、幅と、前記導体の長さに垂直な厚さと、厚さに対する幅の、１０よりも大きいアスペクト比とを有し、前記コイルは、各端において各々の端部により結合されるコイル側部を有するように形成され、前記側部は、前記端部に対してねじれている。
【請求項５】
前記側部が、前記端部に対して実質的に９０度にねじれている、請求項４に記載のコイル。
【請求項６】
突出ポールを含むステータと、前記突出ポールを囲む請求項１ないし５のいずれかに記載のコイルとを有する電気機械。
【請求項７】
電気機械であって、
ポール側面を有し、隣接するポールのポール側面は、それらの間のスロットの両側に配置される突出ポールを含むステータと、
幅と、その長さに垂直な厚さと、厚さに対する幅の、１０よりも大きいアスペクト比とを有する導体で突出ポールの周りに巻回されたコイルと、
を有し、
前記導体の前記幅は、前記突出ポールのポール側面の領域において前記ポール側面から離れる方向に伸びる。
【請求項８】
前記方向が前記ポール側面に実質的に垂直である、請求項７に記載の電気機械。
【請求項９】
幅と、その長さに垂直な厚さと、厚さに対する幅の、１０よりも大きいアスペクト比とを有する導体を用いる電気機械用のコイルを作製する方法であって、
各端において各々の端部により結合されるコイル側部を含み、導体の前記厚さがフォーマから離れて伸びるコイルを形成するように、前記導体を前記フォーマ上に巻回する工程と、
前記端部の一方から前記端部の他方に向かう方向に沿う軸を中心として、各コイル側部を曲げる工程と、
を備える。
【請求項１０】
前記曲げる動作が完了した時に、前記コイル側部が実質的に同一平面であるように、前記軸を中心として、一の角度に各コイル側部を曲げる工程を備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記軸を中心として、９０度よりも大きい角度に各コイル側部を曲げる工程を備える、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記アスペクト比が４０より大きい、請求項１ないし５のいずれかに記載のコイル。
【請求項１３】
前記アスペクト比が５０より大きい、請求項１ないし５のいずれかに記載のコイル。
【請求項１４】
前記アスペクト比が１００より大きい、請求項１ないし５のいずれかに記載のコイル。
【請求項１５】
前記機械がスイッチドリラクタンス機械である、請求項１ないし５、並びに、１２ないし１４のいずれかに記載のコイル。
【請求項１６】
前記アスペクト比が４０より大きい、請求項６ないし８のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１７】
前記アスペクト比が５０より大きい、請求項６ないし８のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１８】
前記アスペクト比が１００より大きい、請求項６ないし８のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１９】
前記機械がスイッチドリラクタンス機械である、請求項６ないし８、並びに、１６ないし１８のいずれかに記載の電気機械。
【請求項２０】
前記アスペクト比が４０より大きい、請求項９ないし１１のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記アスペクト比が５０より大きい、請求項９ないし１１のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記アスペクト比が１００より大きい、請求項９ないし１１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記機械がスイッチドリラクタンス機械である、請求項９ないし１１、並びに、２０ないし２２のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械、特に、コイルが隣接するコイルと重ならない機械における巻線を形成するために用いられるコイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械は、磁気回路において流れる磁束を利用してエネルギーをあるものから他のものに変換する。回転する電気機械は、モーターとして作動する場合に、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、発電機として作動する場合に、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。これらの機械の全ては、励磁または負荷電流を伝える電気巻線が必要である。これらの巻線は、典型的には、コイルの隣接ターン間の電気絶縁をもたらす絶縁性エナメルで被覆された導電線（例えば、銅またはアルミニウム）の１以上のコイルから成る。
【０００３】
既存の多様な機械のため、様々な種類の巻線が要求され、異なる形状のコイルの十分な製造のために異なる技術が要求される。生産量が大抵高いため、比較的小さい機械に対して、丸線が通常用いられ、要求されるコイルを生産するための自動化された方法が知られている。典型的には、これらのコイルは多数のターン、例えば１００ターン以上を有し、電線は、比較的細く、例えば直径０．５ｍｍ未満であり、したがって、コイルは、「ランダム」または「マッシュ」に巻回される、すなわち、いずれのターンの位置もコイル内において明確ではない。これらのコイルは、機械に直接巻回される、すなわち、「元の位置」巻きであることもある。
【０００４】
機械サイズが大きくなっている、または、供給電圧が下がっているため、必要なターン数が下がり、必要なより大きい電流を運ぶために、線断面は増大する必要がある。これは、できるだけ高い量の導体を所定の断面領域において与えるように、コイルにおける各ターンの位置が制御される「積層」巻きの採用をもたらす。図１は、そのようなコイル１０の断面を示し、個々のターン１２が、「六角形パッキング」形式で配列される。この構成は、典型的には１から５ｍｍの間の線径において採用される。
【０００５】
しかしながら、コイルにおいて一般的に非常に少ないターンを必要とする、より大きい機械に対して、利用可能な空間の最善の使用は、矩形断面線の使用を必要とする。所定の空間において電線を非常に高密度とすることが可能であるが、そのような電線は巻くことが非常に困難であり、通常、労働集約プロセスを含む。密集した形式とするために、矩形帯状の電線２２で巻回されたコイル２０の断面が、図２に示されている。
【０００６】
コイルの必要とする外形は、電気機械の種類に大きく依存する。起磁力（ｍｍｆ）の回転波を採用する機械では、「分布」巻きが典型的に採用され、ここでは、ステータにおいて各コイルが数個のスロットを渡り、これにより、１以上の隣接するコイルと重なる。コイル端部巻線または張り出し（ステータコアの有効長の外側のコイルの部位として定義される）に適合するために、図３に示すようにダイヤモンド形状がよく用いられる。そのようなコイルおよびそれらの生産方法は、多くのテキスト、例えば、「The Performance and Design of Alternating Current Machines」（M G Say, Third Edition published by Pitman in 1958）にて議論されている。
【０００７】
他の種類の機械では、コイルは単一のティースまたはポールのみに渡る。これらの機械は、突出ステータポールを典型的に有し、平行な側面を有するポールをよく有し、したがって、フォーマにコイルを巻回し、続いて、ポールとコイルとの間に適切な絶縁系を設けてコイルをポールにマウントすることは従来のものである。そのようなコイルは、例えば、ＤＣ機械の界磁巻線や、スイッチドリラクタンス機械において見られる。これらの機械のコイルは、典型的には「狭い」外形を有することにより特徴付けられる、すなわち、それが組み付けられるポールに直角なコイルの幅が、コイルに適合するスロットの方向においてコイルの全長の一部、典型的には、０．１から０．６である。図３は、コイルの磁気的な「有効」長、すなわち、ステータポールまたはティース間におけるコイル長さの範囲を示す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図４は、スイッチドリラクタンス機械用の典型的なステータの断面を示す。ステータコア４０は、典型的に、所望の外形のラミネーションの積層により組み立てられる。コアは、ステータポール４２が放射状に内側に伸びる環状外側部４１、しばしば「バックアイアン」と呼ばれる、を有する。ポールは、相巻線を形成するように対角に向かい合う対において典型的に接続されるコイル４６を支える。ポール数および位相数は、機械の仕様に最も合うように設計者が選択するパラメータである。
【０００９】
ポール間に形成されるスロットは、何らかの絶縁材と共に並ぶ。一般に、絶縁材料のシートにより形成されるスロットライナ４５が用いられる。コイルは、典型的にはフォーマに巻回され、それからステータに移され、スロットライナ上に置かれる。１つのポールを囲むコイルは、２つの「コイル側部」４３，４４と、ステータの軸端部でコイル側部を結合する２つのコイル端部巻線（本断面図において図示省略）とを有すると記載されることがある。ライナは、しばしば、同じスロットにおける隣接コイルのコイル側部に折り返され、「スロットウエッジ」または「トップスティック」として知られることもある閉塞片４７により固定される。
【００１０】
図４に示す種類の構成により、ポール側面に対して直角なコイルの寸法を、それらの最内端におけるポール側面間の隙間の半分に制限することが普通である。これは、コイルが全てステータに嵌まることが可能となることを確かにするが、完成したステータにおいてボイド４８が存在するという結果となる。このボイドは、コイル間の電気的絶縁（および、相巻線）に役立つが、コイルから熱を除去するための低い熱インピーダンスを与えないため、一般的に、熱的な不利点がある。冷却流体がコイル自身を横断することによりコイルが直接的に冷却されるのでなければ、コイルにおいて発生する損失は、コイルが触れる面を超えてポール側面またはバックアイアンに取り出されなければならない。これらの面から最も遠いコイルのターンは、それらとステータコアとの間において比較的高い熱インピーダンスを有することとなる。熱は、ステータに到達する前に、多くの絶縁材の層（電線自身の周りと、スロットライナの双方）を通過する必要があるからである。その結果、コイルの最外の角部は、典型的にコイルの他の部分よりもずっと熱くなり、これは、しばしば設計の制限的な特徴となる。
【００１１】
これにより、損失がステータコアへと効率よく取り除かれることが可能であり、かつ、より均一な熱分布を有するコイル設計の必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、添付の独立請求項において定義される。好適な特徴は、従属請求項に記載される。
【００１３】
本発明の態様は、添付の独立請求項において説明される。
【００１４】
いくつかの実施形態では、突出ポールを含むステータを有する電気機械用のコイルは、導体で巻回されて、電気機械の突出ポールを受け入れる空間を形成する。導体は幅と、厚さと、厚さに対する幅の、１０よりも大きいアスペクト比とを有する。導体の幅は、コイルの一の部位において当該空間から離れる方向に伸びる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、導体の幅が、当該空間の２つの対向する側部のそれぞれにおけるコイルの各々の部位において当該空間から離れる各々の方向に伸びる。当該各々の方向が、コイルの各々の部位間の当該空間を二等分する面に垂直であってよい。
【００１６】
いくつかの実施形態では、突出ポールを含むステータを有する電気機械用のコイルは、導体で巻回され、導体は、幅と、導体の長さに垂直な厚さと、厚さに対する幅の、１０よりも大きいアスペクト比とを有する。コイルは、各端において各々の端部により結合されるコイル側部を有するように形成される。コイル側部は、当該端部に対してねじれている。コイル側部が、当該端部に対して実質的に９０度にねじれていてもよい。
【００１７】
いくつかの実施形態では、突出ポールを含むステータを有する電気機械が提供される。突出ポールは、ポール側面を有し、隣接するポールのポール側面は、それらの間のスロットの両側に配置されている。電気機械は、幅と、その長さに垂直な厚さとを有する導体で突出ポールの周りに巻回されたコイルを有する。厚さに対する幅のアスペクト比は、１０よりも大きい。導体の幅は、突出ポールのポール側面の領域において当該ポール側面から離れる方向に伸びる。当該方向が当該ポール側面に実質的に垂直であってもよい。
【００１８】
有利なことに、平らな、リボン状の導体（それは、厚さに対する幅の、ある値よりも大きい、例えば、１０よりも大きいアスペクト比を有する）から作製されるコイルを提供することにより、電線絶縁に代表される熱伝導障壁が幅の方向において取り除かれ、これにより、ステータとコイルの他のどこかで生じた熱との間で、コイルを形成する導体の幅を介して効率的な熱交換が起こり得る。さらに、その幅がポール側面から離れる方向、例えば、ポール側面に垂直な方向に伸びるように導体の向きを合わせることにより、コイルの自由面とポールの端との間の距離が増加し、その結果、ポール面の端におけるフリンジング磁束による渦電流の発生が低くなる。これにより、この配置は、熱冷却効率と、得られる磁気回路の効率とを組み合わせる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、上述の導体を用いる電気機械用のコイルを作製する方法が提供される。当該方法は、導体の厚さがフォーマから離れて伸びるコイルを形成するように、導体をフォーマ上に巻回する工程を備える。コイルは、各端において各々の端部により結合されるコイル側部を含む。当該方法は、端部の一方から端部の他方に向かう方向に沿う軸を中心として、コイル側部を曲げる工程を備える。いくつかの実施形態では、当該方法は、動作が完了した時に、コイル側部が実質的に同一平面であるように、当該軸を中心として、一の角度にコイル側部を曲げる工程を備える。当該方法は、当該軸を中心として、９０度よりも大きい角度にコイル側部を曲げる工程を備えてもよい。
【００２０】
上記実施形態のいずれにおいても、導体のアスペクト比は、４０より大きい、５０より大きい、または、１００より大きくてもよい。電気機械は、スイッチドリラクタンス機械であってもよい。
【００２１】
本発明は、多くの形で実施することができ、以下、添付図面を参照しながらそのいくつかを例に挙げて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、丸線で作製される密集したコイルの断面を示す。
【図２】図２は、角線で作製される密集したコイルの断面を示す。
【図３】図３は、分布巻きのための典型的なダイヤモンド形状のコイルを示す。
【図４】図４は、スイッチドリラクタンス機械用の典型的なステータの部分断面を示す。
【図５】図５は、１つのポールの箔巻きコイルを含むステータの拡大された部分を示す。
【図６】図６は、箔巻きコイルを示す。
【図７】図７ａおよび図７ｂは、一の実施形態に係るコイルの両側から見た様子を示す。
【図８】図８ａ、図８ｂおよび図８ｃは、図７のコイルのコイル側部の曲げに適した曲げ治具を示す。
【図９】図９は、本発明の一の局面に係る箔巻きコイルを含むステータの拡大された部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
電気機械の巻線からの損失の発散は、クーラント（例えば、コイルの外面のそばを吹き抜けるエア）または冷却面（例えば、ポール側面またはバックアイアン）への熱経路の存在に依存する。図４は、低電圧スイッチドリラクタンス機械用の典型的な巻線を示し、最外のターン４９からステータコアへの熱経路が比較的長いことがわかる。機械が全体的に囲まれる（すなわち、損失がステータコアおよびフレームを介して取り出される）場合、ステータから最も遠いコイルのこれらの部分は、ステータに近いターンに比べて、極めて熱くなることが普通である。銅の熱伝導率は、３９８Ｗ／ｍＫであるが、計算は、銅線および必要な絶縁材の双方から構成される当該経路の熱伝導率が０．９３Ｗ／ｍＫであることを示している。
【００２４】
銅の低い熱インピーダンスを生かす１つの方法は、箔でコイルを巻回し、ステータの拡大された部分を示す図５に示すように、ポールに取り付けることである。この文脈において、「箔」は、その幅の厚さに対する比（アスペクト比と呼ばれる。）が１０を超える導体であるとされる。４０または５０のアスペクト比が、産業上の用途においてよく用いられる。その形状のため、本素材は、「リボン導体」として知られることもある。この特殊なコイルは、銅箔５２で巻回され、コイルの個々のターンを互いに絶縁するために箔の一方の面に付着された絶縁材５３の薄いシートを有する。絶縁材は、公知の種類のいずれか、例えば、名称Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）の下でデュポンにより販売されている合成ポリイミド膜であってもよい。箔の縁においてコイルのターン間の短絡を避けるように、箔の幅よりも絶縁材を僅かに広くすることが従来行われている。スロット絶縁材は、本図を明確にするために、省略されている。
【００２５】
本種類のコイルは、いくつかの利点があり、特に巻回の速度では、箔コイルは１層当たり１ターンであるため、コイルを非常に簡素なフォーマに高速に巻回することができ、下層のターンに対して各ターンが正しく位置していることを確保する必要もない。図６は、このような手法で作製されたコイルを示す。図６では、箔絶縁材は省略されている。箔導体６０は、示された形状が作製されるように軸６８に対して回転するフォーマの周りに連続的な螺旋状に巻回される。従来の手法では、コイルは、端部巻線６６，６７により接続される２つのコイル側部６４，６５を有する。コイルの端６２，６３は、コイルが通常通り相巻線を形成して接続可能なように、公知の手法で従来の導出線に終端させることができる。これらのコイルは、比較的少ないターン数を有するため、定電圧で供給される機械において特に魅力的である。代替の作製方法は、コイルを円形のフォーマに巻回して環状のコイルを作製し、それから、コイル側部を内側にプレスすることと、端部巻線を外側に引っ張ることとを同時に行うことで、当該コイルを図６に示す「レーストラック」形状に成形することである。
【００２６】
疑義を避けるため、図６を参照して上述したコイルでは、導体の長さが、コイルのターンを形成するために巻回される。コイルの単一のターンが、コイルの各層に存在する。参照面ＸＸは、コイルの軸６８を通過し、コイルの長さと同じ方向に広がる。コイル側部の領域では、導体の幅は、通常ＸＸに平行な面に位置し、導体の厚さは、ＸＸに直角に伸びる。言い換えると、コイルは巻回されるため、各ターンはコイルの厚さを増加させ、一方、コイルの幅は導体の幅（さらに、何らかの絶縁材が存在する）で決定される。
【００２７】
しかしながら、この種のコイルでは、ポールの側面に関するコイルのターンの向きは、損失の増大の問題を引き起こし得る。ロータポールがステータポールと位置が合うように移動するため、機械のエアギャップに最も近いコイルの部分が、導体においてフリンジング磁束により渦電流が生じやすいことを図５の検査は示す。スイッチドリラクタンス機械において、フリンジング磁束の存在は、詳しく文書化されており、例えば、「Analytical Estimation of the Minimum and Maximum Inductances of a Double-Salient Motor」（Corda, J & Stephenson, JM, Proceedings International Conference on Stepping Motors & Systems, Leeds, Sept 1979, pp 50-59）を参照のこと、また、参照によりここに組み込まれる。磁束により発生する渦電流は、箔の比較的大きな面内を循環し、導体における余分な損失を引き起こす。このため、磁束の変化率が非常に低い低速機械を除き、この種のコイル構成は、通常は好まれない。
【００２８】
この問題に対する魅力的な解決法は、箔を９０度向きを変え、箔がポール側面に垂直に位置するように、コイルを「縁で」巻くことである。しかしながら、箔の大きなアスペクト比のため、比較的きつい曲げで丸めることにより、箔は歪み、または、裂けるため、コイルの端を取り巻く箔を形成することは不可能である。また、巻回の速度は、非常に遅くなり、元の利点は、失われる。
【００２９】
図７ａおよび図７ｂは、一の実施形態に係るコイルの２つの図であり、コイルの両側から見た図である。箔コイル７０は、コイル６０と同様にしてフォーマに巻回され、巻回の容易性および速度の利点がある。しかしながら、ポールの周りに配置される前に、コイルの側部７２，７４は、それらをクランプして９０度向きを変えることにより、端部巻線に対して操作されている。端部巻線における各層は、コイル側部の９０度に亘る変化に対処して新たな位置となるため、端部巻線の形状は、よりずっと複雑となる。形状の理解を補助するため、図７ｂは、コイル側部および端部巻線において箔の方向の表示を含む。
【００３０】
図８ａ、図８ｂおよび図８ｃは、コイル側部を操作する一の方法を提供する曲げ治具の概略図を示す。図８ａは、コイル側部７２，７４がスロット８２，８４内に収容された状態で、治具８０に取り付けられたコイル７０を示す。治具の他のバージョンでは、治具内にコイルを収容するために最初はスロットが広く、それから、可動部材が滑って嵌まり、コイル側部７２，７４をしっかりとクランプすることによりスロットが狭められるように、スロットは調整可能である。プレート８６，８７は、治具の上部に固定され、図８ｂに示すように、コイルの上面を保持する。スロット８２，８４を含む治具の２つの部分８３，８５は、ある軸を中心として回転可能なアーム８８，８９で支えられる。これらのアームが適切な角度に回転し、コイル側部を所望の面にねじる。銅導体は、通常ある程度のヒステリシスを示すため、治具から取り外された際に要求される位置となるように、典型的には、９０度よりも大きくコイル側部をねじる必要がある。図８ｃは、コイル側部が９０度にねじられている位置における治具を示している。
【００３１】
コイル製造の当業者は、示された曲げ治具８０がおおむね概略であり、実際の治具が異なるように見えるが、コイル側部の所望の操作を実現することを十分理解するであろう。
【００３２】
図９は、スイッチドリラクタンス機械のステータ９２のポール９０に組み付けられたコイル７０の断面図を示す。本図では、明確にするために隙間が強調されているが、実際には、コイルは密集しており、典型的には、組立後にポリエステルまたは樹脂ワニスが含浸され、箔周りの全ての隙間を埋める。コイル側部において箔の幅の方向は、ポール側面に対して９０度または９０度近くであり、箔の厚さは、ポール側面に平行である。典型的には、コイルは、ステータの各ポールに組み付けられ、所望数の相巻線を形成するように接続される。
【００３３】
この配置は、いくつかの利点がある。図９の検査は、コイルのいずれかの部分からポール側面への熱経路は、大部分は箔導体の幅を横切ることを示す。この経路は、非常に低い熱インピーダンスを有し、そのため熱の取り出しが良好である。さらに、箔コイルにより実現される、線巻回コイルに比べて非常に密なパッキングのため、導体の所定の断面積に対してコイルが小さい。これにより、より小型のコイルがエアギャップからより遠くに位置して、渦電流損失をさらに低減することができる。
【００３４】
図７および図８は、最終的なコイル形状を作製するために、時計回りに回転された一のコイル側部と、反時計回りに回転された他のコイル側部とを示す。完成品のコイルを作製するために、両コイル側部を同じ方向に回転することも同様に可能である。この配置では、端部巻線が、図７に示すものとは僅かに異なる外形を有する一方、コイル側部では、結末は同じである、すなわち、完成品のコイルにおけるコイル側部は、ステータポール用に設けられた空間に直角に箔導体の幅を有する。
【００３５】
本発明から逸脱することなく、特にコイルの形状の詳細や曲げ治具において、開示された配置を変更することが可能であることを当業者は十分理解するであろう。例えば、改善された熱伝導および低減された渦電流の同様の利点は、コイル側部の他の方向付けにより、例えば、箔導体の幅がポール側面に対して９０度または９０度近くには伸びておらず、０度以外の他の角度、例えば４５度の角度、または、４５度と９０度との間の角度に伸びている状態で、実現されてもよい。導体箔の縁が、ポール側面に接触、または、近接している限り、熱経路は、導体の幅を横路って大部分は維持されており、さらに、エアギャップにおける磁束に対するコイルの面の低減された近接により、図５および図６の配置に比べてフリンジング磁束による渦電流が低減されることが判る。
【００３６】
したがって、いくつかの実施形態に関する上記説明はあくまで例示であり、本発明を限定する趣旨のものではない。軽微な修正を、上述のコイルデザインおよび作製方法に対して行うことができることは、当業者にとって自明である。本発明は、以下の請求項の範囲によってのみ限定されるものである。
【図１】
2016178854.tif 000003
【図２】
2016178854.tif 000004
【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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【外国語明細書】
Title of Invention
Coil, Electrical Machine and Method of Making a Coil
Technical Field
This invention relates to the coils used to form windings in electrical machines, particularly those machines in which a coil does not overlap an adjacent coil.
Background Art
Electrical machines make use of flux flowing in a magnetic circuit to convert energy from one form to another.   Rotating electrical machines convert electrical energy to mechanical energy when acting as a motor, and mechanical energy to electrical energy when acting as a generator.    All of these machines require electrical windings which carry either excitation or load current.    These windings are typically composed of one or more coils of conducting wire (eg copper or aluminium) which is coated with insulating enamel to provide electrical insulation between adjacent turns of the coil.
Because of the wide variety of machines in existence, many different types of windings are required and different techniques are required for the satisfactory manufacture of the differing shapes of coils.     For relatively small machines, round wire is normally used and, because production volumes are often high, automated methods are known for producing the required coils.   Typically these coils have large numbers of turns, eg 100 turns or more, and the wire is relatively fine, eg, less than 0.5mm in diameter, so the coils are “random” or “mush” wound, ie the position of any one turn is not defined within the coil.   Sometimes these coils are wound directly into the machine, i.e., “in situ” winding.
As the machine size increases or the supply voltage falls, the number of turns required falls and the wire cross-section has to increase to carry the larger currents required.  This leads to the adoption of a “layered” winding, where the position of each turn in the coil is controlled to give the highest possible amount of conductor in a given cross-sectional area.    Figure 1 shows a cross section of such a coil 10 where the individual turns 12 are arranged in a “hexagonal packing” format.    This construction is typically adopted for wire diameters between 1 and 5mm.
However, for larger machines, which generally require yet fewer turns in the coil, the best use of the available space requires the use of rectangular section wire.   Such wire, while capable of yielding very high density of wire in a given space, is much more difficult to wind and normally involves a labour intensive process.  A cross-section of a coil 20 wound with rectangular strip wire 22 to give a close-packed format is shown in Figure 2.
The required profile of the coil is very dependent on the type of electrical machine.   In machines which employ a rotating wave of magneto-motive force (mmf), a “distributed” winding is typically employed, in which each coil spans several slots in the stator and therefore overlaps one or more adjacent coils.   In order to accommodate the coil end winding or overhang (defined as the portion of the coil outside the active length of the stator core), a diamond shape is often used, as illustrated in Figure 3.   Such coils and their methods of production are discussed in many textbooks, eg “The Performance and Design of Alternating Current Machines”, M G Say, Third Edition published by Pitman in 1958.
In other types of machines, a coil only spans a single tooth or pole.   These machines typically have salient stator poles and often have parallel sided poles, so it is conventional to wind the coils on a former and subsequently mount the coil on the pole with a suitable insulation system between the pole and the coil.    Such coils are found, for example, in the field windings of DC machines and in switched reluctance machines.   The coils for these machines are typically characterised by having a “narrow” profile, i.e. the width of the coil at right angles to the pole on which it is assembled is a fraction of the overall length of the coil in the direction of the slot accommodating the coil, typically 0.1 to 0.6. Figure 3 illustrates the magnetically “active” length of the coil, i.e., the extent of the coil length in between stator poles or teeth.
Summary of Invention
Technical Problem
Figure 4 shows a cross-section of a typical stator for a switched reluctance machine.  The stator core 40 is typically built up by stacking laminations of the desired profile.   The core has an annular outer part 41, often called “the back-iron”, from which stator poles 42 extend radially inwards.   The poles carry coils 46 which are typically connected in diametrically opposite pairs to form phase windings.   The number of poles and the number of phases are parameters which the designer selects to best meet the specification for the machine.
The slots which are formed between the poles are lined with insulation of some sort.  Commonly a slot liner 45 made from a sheet of insulating material is used.  The coils are typically wound on a former then transferred to the stator and placed over the slot liners.   The coil surrounding one pole is sometimes described as having two “coil sides” 43, 44 and two coil end windings (not shown in this cross-section) which join the coil sides together at the axial ends of the stator. The liners are often folded over the coil sides of adjacent coils in the same slot and secured in place by closing pieces 47, sometimes known as “slot wedges” or “top sticks”.
With the type of construction shown in Figure 4, it is usual to restrict the dimension of the coil at right angles to the pole side to half the gap between the pole sides at their innermost ends.  This ensures that the coils will all be able to fit into the stator, but results in the void 48 being present in the completed stator.   While this void is good for electrical isolation between the coils (and hence phase windings), it generally is a thermal disadvantage since it does not offer a low thermal impedance to remove heat from the coils.  Unless the coils are to be directly cooled by cooling fluid being passed across the coils themselves, the losses generated in the coils must be extracted to the pole side or the back-iron across the surfaces where the coil touches.  It follows that the turns of the coil which are at the furthest from these surfaces have a relatively high thermal impedance between them and the stator core,  since the heat has to pass across many layers of insulation (both around the wires themselves and the slot liner) before reaching the stator.  As a result, the outermost corner of the coil will typically run much hotter than the rest of the coil, and this is often a limiting feature of the design.
There is therefore a need for a coil design which allows losses to be efficiently removed to the stator core and which has a more uniform heat distribution.
Solution to Problem
The present invention is defined in the accompanying independent claims. Preferred features are recited in the dependent claims.
Aspects of the invention are set out in the accompanying independent claims.
In some embodiments, a coil for an electrical machine having a stator with salient poles is wound from a conductor to form a space for accepting a salient pole of the electrical machine.  The conductor has a width and a thickness and an aspect ratio of width to thickness greater than 10.  The width of the conductor extends in a direction away from the space in a portion of the coil.
In some embodiments, the width of the conductor extends in a respective direction away from the space in a respective portion of the coil on each of two opposed sides of the space.  The respective directions may be perpendicular to a plane bisecting the space between the respective portions of the coil.
In some embodiments, a coil for an electrical machine having a stator with salient poles is wound from a conductor having a width and thickness perpendicular to a length of the conductor and an aspect ratio of width to thickness greater than 10.  The coil is formed to have coil sides joined by a respective end portion at each end.  The coil sides are twisted relative to the end portion.  The coil side may be twisted through substantially 90o relative to the end portions.
In some embodiments, there is provided an electrical machine having a stator with salient poles.  The salient poles have pole sides with the pole sides of adjacent poles being disposed on either side of a slot therebetween.  The electrical machine has a coil wound around a salient pole from a conductor having a width and thickness perpendicular to a length of the conductor.  An aspect ratio of width to thickness is greater than 10.  The width of the conductor extends in the direction away from pole sides of the salient pole in the region of the pole sides.  The direction may be substantially perpendicular to the pole sides.
Advantageously, by providing a coil made from a flat, ribbon-like conductor (that is with an aspect ratio of width to thickness that is greater than a certain value, for example greater than 10), heat transmission barriers represented by wire insulation are removed in the direction of the width and therefore efficient heat exchange can happen between the stator and the heat generated elsewhere in the coil, through the width of the conductor forming the coil.  Additionally, by orientating the conductor such that its width extends in the direction away from the pole sides, for example in a direction perpendicular to the pole sides, the distance between a free face of the coil and an end of the pole is increased, thereby reducing the occurrence of eddy currents due to fringing fluxes at the ends of the pole faces.  This arrangement therefore combines thermal cooling efficiency with efficiency of the resulting magnetic circuit.
In some embodiments, there is provided a method of making a coil for an electrical machine using a conductor as described above.  The method comprises winding the conductor on a former to form a coil with the thickness of the conductor extending away from the former.  The coil has coil sides joined by a respective end portion at each end.  The method comprises bending the coil sides about an axis along a direction from one of the end portions to the other one of the end portions.  In some embodiments, the method comprises bending the coil side about the axis through an angle such that the coil sides are substantially co-planer when the operation is completed.  The method may comprise bending the coil sides about the axis through an angle greater than 90o.
In any of the above embodiments, the aspect ratio of the conductor may be greater than 40, greater than 50 or greater than 100.  The electrical machine may be a switched reluctance machine.
The invention can be put into practice in a number of ways, some of which will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings in which:
Brief Description of Drawings
Figure 1 shows a cross section of a close-packed coil made from round wire;
Figure 2 shows a cross section of a close-packed coil made from rectangular wire;
Figure 3 shows a typical-diamond shaped coil for a distributed winding;
Figure 4 shows a partial cross-section of a typical stator for a switched reluctance machine;
Figure 5 shows an enlarged portion of a stator with a foil-wound coil on one pole;
Figure 6 shows a foil-wound coil;
Figures 7a and 7b show views from opposite sides of a coil according to an embodiment;
Figures 8a, 8b and 8c show a bending tool suitable for bending the coil sides of the coil of Figure 7; and
Figure 9 shows an enlarged portion of a stator with a foil-wound coil according to one aspect of the invention.
Description of Embodiments
The dissipation of losses from the winding of an electrical machine relies on the existence of a thermal path to a coolant (e.g., air being blown past the outer surface of the coils) or to a cooler surface (e.g., the pole side or back-iron).  Figure 4 shows a typical winding for a low-voltage switched reluctance machine and it will be seen that the thermal path from the outermost turn 49 to the stator core is relatively long.   If the machine is totally enclosed (i.e., the losses are extracted through the stator core and the frame), then it is common for these parts of the coil farthest from the stator to run significantly hotter than the turns closer to the stator.  Calculations show that while the thermal conductivity of copper is 398W/mK, the thermal conductivity of the path made up from both copper wire and the necessary insulation is 0.93W/mK.
One way of exploiting the lower thermal impedance of copper is to wind the coils from foil and place them on the poles as shown in Figure 5, which shows an enlarged portion of a stator.  In this context, “foil” is considered to be a conductor whose width to thickness ratio (often called the aspect ratio) exceeds 10.   Aspect ratios of 40 or 50 are frequently used in industrial applications.   Because of its shape, this material is sometimes known as “ribbon conductor”.  This particular coil has been wound from copper foil 52 which has a thin sheet of insulation 53 attached to one side of the foil to insulate the individual turns of the coil from each other.   The insulation may be one of several known types, e.g. a synthetic polyimide film sold By DuPont under the name Kapton(R).   It is conventional to make the insulation slightly wider than the width of the foil, so as to avoid any short circuits between turns of the coil at the edges of the foil.  The slot insulation has been omitted from this figure for clarity.
This type of coil has some advantages, particularly in the speed of winding, since the foil coil is one turn per layer, allowing the coil to be wound on a very simple former at high speed without the need to ensure that each turn sits correctly with respect to those on the layer below.  Figure 6 shows a coil produced in this way.   The foil insulation has been omitted from Figure 6.  The foil conductor 60 is wound in a continuous spiral around a former rotating about an axis 68 to produce the shape shown.  In the conventional way, the coil has two coil sides 64, 65 which are connected by the end windings 66, 67.  The ends of the coil 62, 63 can be terminated in known ways to conventional lead-out wires so that the coils can be connected to form phase windings in the usual way.   These coils are particularly attractive for machines supplied at low voltage since they have a relatively small number of turns.  An alternative method of production is to wind the coil on a circular former to produce an annular coil then form the coil into the “racetrack” shape shown in Figure 6 by simultaneously pressing the coil sides inwards and pulling the end windings outwards.
For the avoidance of doubt, in a coil as described above with reference to Figure 6, a length of conductor is wound to form the turns of the coil. Only one turn of the coil is present in each layer of the coil. A reference plane XX passes through the axis 68 of the coil and extends in the same direction as the length of the coil. In the areas of the coil sides, the width of the conductor generally lies in planes parallel to XX and the thickness of the conductor extends at right angles to XX.  In other words, as the coil is wound, each turn adds to the thickness of the coil, while the width of the coil is determined by the width of the conductor (plus any insulation present).
However, in this type of coil, the orientation of the turns of the coil with respect to the sides of the pole can cause a problem with increased losses.  Inspection of Figure 5 shows that the parts of the coil nearest to the airgap of the machine will be prone to eddy currents being generated in the conductor by fringing flux as the rotor pole moves into alignment with the stator pole.   The presence of the fringing flux is well documented for switched reluctance machines, see, for example, “Analytical  Estimation of the Minimum and Maximum  Inductances of  a Double-Salient Motor”, Corda, J & Stephenson, JM, Proceedings  International Conference on Stepping Motors & Systems, Leeds, Sept 1979, pp 50-59,  incorporated herein by reference. The eddy currents generated by the flux circulate in the relatively large plane of the foil and cause extra losses in the conductor.   For this reason, this type of coil construction is not generally favoured except for low-speed machines where the rate of change of flux is very low.
An attractive solution to this problem would be to turn the foil through 90o and wind the coil “on edge” so that the foil would sit perpendicular to the pole side.  However because of the large aspect ratio of the foil, it is impossible to form the foil round the ends of the coil as the foil would buckle or tear as it was forced round the relatively tight bend.  In addition, the speed of winding would be very slow, so the original advantage would be lost.
Figures 7a and 7b show two views of a coil according to one embodiment, the views being from opposite sides of the coil.   The foil coil 70 has been wound on a former in a similar way to coil 60 to take advantage of the ease and speed of winding.   However, before being placed around the pole, the sides of the coil 72, 74 have been manipulated relative to the end windings by clamping them and turning them through 90o.  The end winding shape is now much more complex than before, since each layer in the end winding has taken up a new position to cope with the transition of the coil sides through 90o.  To aid understanding of the shape, Figure 7b includes an indication of the direction of the foil in the coil sides and end windings.
Figures 8a, 8b and 8c show a schematic view of a bending tool which provides one method of manipulating the coil sides.   Figure 8a shows the coil 70 placed in the tool 80, with the coil sides 72, 74 received in slots 82, 84.   In another version of the tool, the slots are adjustable such that the slot is initially wide to receive the coil in the tool and then the slot is narrowed by a moveable member sliding into place and tightly clamping the coil sides 72, 74.  Plates 86, 87 are secured to the top of the tool to hold the upper surface of the coil, as shown in Figure 8b.  The two parts of the tool 83, 85 which contain the slots 82, 84 are carried on arms 88, 89 which are able to rotate about an axis.  These arms are rotated through a suitable angle to twist the coil sides into the desired plane.   Since the copper conductors generally exhibit some hysteresis,  it would typically be necessary to twist the coil sides through more than 90o so that they adopt the required position when released from the tool.  Figure 8c shows the tool in the position where the coil sides have been twisted through 90o.   Those skilled in the art of coil production will appreciate that the bending tool 80 shown is largely schematic and that a practical tool would look different but would still achieve the desired manipulation of the coil sides.
Figure 9 shows a cross-sectional view of the coil 70 assembled to a pole 90 of the stator 92 of a switched reluctance machine.  For clarity, clearances have been exaggerated in this figure but in practice the coil would be close-packed and typically would be impregnated after assembly with a polyester or resin varnish to fill all the gaps around the foil.   The direction of the width of the foil in the coil sides is at, or closely at, 90o to the pole side and the thickness of the foil is parallel to the pole side.   Typically, coils would be assembled to each pole in the stator and connected to form the required number of phase windings.
This arrangement has several benefits.  Inspection of Figure 9 shows that the thermal path from any part of the coil to the pole side is predominantly across the width of the foil conductor.  This path has a very low thermal impedance, so the heat extraction is good.   Further, because of the very tight packing achieved by the foil coil compared to a wire-wound coil, the coil is smaller for a given cross sectional area of conductor.   This allows a more compact coil to sit further from the airgap and further reduces eddy current losses.
Figures 7 and 8 show one coil side being rotated clockwise and the other coil side rotated anti-clockwise to produce the final coil shape.   It is equally possible to rotate both coil sides in the same direction to produce the finished coil.   While with this arrangement the end windings would have a slighly different profile to those shown in Figure 7,  the end result is the same for the coil sides,  i.e. the coil sides in the finished coil have the width of the foil conductor at right angles to the space provided for the stator pole.
The skilled person will appreciate that variation of the disclosed arrangements are possible without departing from the invention, particularly in the details of the shape of the coil and the bending tool. For example, similar benefits of improved heat conduction and reduced eddy currents may be achieved by other orientations of the coil sides, for example with the width of the foil conductor not extending at or close to 90o to the pole side but at another angle other than 0o, for example an angle of 45o or between 45o and 90o. It will be seen that as long as an edge of the conductor foil is kept in contact with or close to the pole side, the thermal path may remain predominantly across the width of the conductor, while eddy currents due to fringing flux may be reduced as compared to the arrangement of Figures 5 and 6, due to a reduced proximity of the face of the coil to the flux in the airgap.
Accordingly, the above description of several embodiments is made by way of example and not for the purposes of limitation.  It will be clear to the skilled person that minor modifications can be made to the coil design and method of production described above.    The present invention is intended to be limited only by the scope of the following claims.
1. A coil for an electrical machine having a stator with salient poles, the coil being wound from a conductor to form a space for accepting a salient pole of an electrical machine, the conductor having a width and a thickness and an aspect ratio of width to thickness greater than 10 wherein the width of the conductor extends in a direction away from the space in a portion of the coil.
2. A coil as claimed in claim 1, wherein the width of the conductor extends in a respective direction away from the space in a respective portion of the coil on each of two on opposed sides of the space.
3. A  coil as claimed in claim 2, wherein the respective directions are perpendicular to a plane bisecting the space between the respective portions of the coil.
4. A coil for an electrical machine having a stator with salient poles, the coil being wound from a conductor having a width and a thickness perpendicular to a length of the conductor and an aspect ratio of width to thickness greater than 10, the coil being formed to have coil sides joined by a respective end portion at each end, wherein the sides are twisted relative to the end portions.
5. A coil as claimed in claim 4, wherein the sides are twisted through substantially 90 degrees relative to the end portions.
6. An electrical machine having a stator with a salient pole and a coil as claimed in any one of claims 1 to 5 around the salient pole.
7. An electrical machine having a stator with salient poles, the salient poles having pole sides, the pole sides of adjacent poles being disposed on either side of a slot therebetween, and a coil wound around a salient pole from a conductor having a width and a thickness perpendicular to a length of the conductor and an aspect ratio of width to thickness greater than 10, wherein the width of the conductor extends in a direction away from pole sides of the salient pole in the region of the pole sides.
8. An electrical machine as claimed in claim 7, wherein the direction is substantially perpendicular to the poles sides.
9. A method of making a coil for an electrical machine using a conductor having a width and a thickness perpendicular to a length of the conductor and an aspect ratio of width to thickness greater than 10, the method comprising:
winding the conductor on a former to form a coil with the thickness of the conductor extending away from the former, the coil having coil sides joined by a respective end portion at each end;
and
bending each coil side about an axis along a direction from one of the end portions to the other one of the end portions.
10. A method as claimed in claim 9, the method comprising bending each coil side about the axis through an angle such that the coil sides are substantially co-planar when the bending operation is completed.
11. A method as claimed in claim 9 or 10, the method comprising bending each coil side about the axis through an angle greater than 90 degrees.
12. A coil as claimed in any one of claims 1 to 5 wherein the aspect ratio is greater than 40.
13. A coil as claimed in any one of claims 1 to 5 wherein the aspect ratio is greater than 50.
14. A coil as claimed in any one of claims 1 to 5 wherein the aspect ratio is greater than 100.
15. A coil as claimed in any one of claims 1 to 5 and 12 to 14, wherein the machine is a switched reluctance machine. 
16. An electrical machine as claimed in any one of claims 6 to 8 wherein the aspect ratio is greater than 40.
17. An electrical machine as claimed in any one of claims 6 to 8 wherein the aspect ratio is greater than 50.
18. An electrical machine as claimed in any one of claims 6 to 8 wherein the aspect ratio is greater than 100.
19. An electrical machine as claimed in any one of claims 6 to 8 and 16 to 18, wherein the machine is a switched reluctance machine. 
20. A method as claimed in any one of claims 9 to 11 wherein the aspect ratio is greater than 40.
21. A method as claimed in any one of claims 9 to 11 wherein the aspect ratio is greater than 50.
22. A method as claimed in any one of claims 9 to 11 wherein the aspect ratio is greater than 100.
23. A method as claimed in any one of claims 9 to 11 and 20 to 22, wherein the machine is a switched reluctance machine. 
1.  Abstract
A coil for an electrical machine is wound from a foil conductor.  The foil is initially wound on a former with the thickness of the foil extending away from the former.  The coil is subsequently transferred to a bending tool and the sides of the coil are manipulated so as to turn the coil sides through approximately 90 degrees. After assembly to the stator of the electrical machine, the coil exhibits excellent heat transfer for the losses in the coil, enabling cool running of the winding or increased rating for the machine.
2.  Representative Drawing
Figure 7
【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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