【手続補正書】
【提出日】平成18年2月7日(2006.2.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】巻き線を有する固定子を備えた電気機械
【特許請求の範囲】
【請求項１】 電気機械たとえばモーターまたは発電機であって、ハウジング（３）と該ハウジング内の回転子（１）を取り囲む固定子（２）とを有し、 該固定子が、管状心（８）と該心壁を包囲する巻き線（９）とを有し、 該固定子巻き線（９）が前記心（８）の軸に関して軸方向および半径方向に延びている、巻き線（９）を冷却するための手段を有する機械において、心（８）の内側においても外側においても、巻き線（９）が少なくとも９５％の部分において離して配置してあって、これらの巻き線の間にギャップ（１１）が形成されており、前記冷却手段がこれらのギャップ（１１）内の冷却媒体から成り、そのために、巻き線（９）が個別に絶縁された導体（１９）から成る線により形成され、前記導体が線またはより線であり、前記導体が巻き線（９）のへりの間でジグザグ形に延びており、前記へりが前記ギャップ（１１）内の冷却媒体と熱伝導接触をしている、ことを特徴とする電気機械。
【請求項２】 固定子（２）の巻き線（９）が完全に離して配置してあることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】前記ジグザグ形が、巻き線（５）の平均縦方向に対して、５°〜４５°好ましくは１０°〜３０°の角（α）をなしていることを特徴とする請求項２に記載の電気機械。
【請求項４】巻き線（９）が、絶縁された導体（１９）の平坦かつ幅広のパケットによって形成された線（１８）から成り、各導体（１９）が前記パケットの片側から他の側にジグザグに延びていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の電気機械。
【請求項５】巻き線（９）が、編み物または編み組の形でジグザグに延びている絶縁された導体（１９）のパケットの形の線（１８）から成ることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の電気機械。
【請求項６】 固定子（２）の巻き線（９）が一定の厚さを有する薄いディスクの形を有することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の電気機械。
【請求項７】 前記ディスクが回転子（１）の軸方向に引き延ばされた形であり、端が丸くなっていることを特徴とする請求項６に記載の電気機械。
【請求項８】 固定子（２）が、巻き線（９）を所定の位置に保持するための支持体（１０）を有することを特徴とする請求項１から７の中のいずれか１つに記載の電気機械。
【請求項９】 巻き線（９）が、一つの相に関する各極に対して通常備えられる巻き線のセグメントであることを特徴とする請求項１から８の中のいずれか１つに記載の電気機械。
【請求項１０】ハウジング（３）の全体が流体漏れがないようになっていて、流体漏れのないチャンバー（１２）を形成するようになっていることを特徴とする請求項１から９の中のいずれか１つに記載の電気機械。
【請求項１１】ハウジング（３）が、回転子を包囲する管（７）によって二つの独立空間に分離されており、該管（７）の外側の空間が、巻き線（９）を収容する、流体漏れのないチャンバー（１２）を形成することを特徴とする請求項１から９の中のいずれか１つに記載の電気機械。
【請求項１２】前記冷却媒体が冷却流体であり、チャンバー（１２）が該流体たとえば冷却油によって満たされていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の電気機械。
【請求項１３】前記冷却媒体が冷却流体であり、ハウジング（３）が、前記冷却流体のための少なくとも一つの入口（１４）と少なくとも一つの出口（１５）とを備えていて、該入口と出口がチャンバー（１２）と流体連絡するようになっており、冷却手段が、冷却媒体を強制的に、入口（１４）を通してハウジング（３）内に送り、巻き線（９）に沿って送り、また出口（１５）を通してハウジング（３）外に送る手段を有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の電気機械。
【請求項１４】エアギャップ巻きモーターであり、巻き線（９）の間のギャップ（１１）内の冷却媒体が気体または液体であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の電気機械。
【請求項１５】冷却媒体が固体の熱伝導性材料から成り、巻き線（９）が、この固体の熱伝導性材料たとえば固定子（２）の鉄と熱伝導接触をしていることを特徴とする請求項１から１１の中のいずれか１つに記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、電気機械たとえばモーターまたは発電機であって、 ハウジングと該ハウジング内の回転子を取り囲む固定子（ａ ｓｔａｔｏｒ）とを有し、該固定子が、管状心と該心壁を包囲する巻き線とを有し、 該固定子巻き線が前記心の軸に関して軸方向および半径方向に延びている、巻き線を冷却するための手段を有する電気機械に関する。
【０００２】
そのような機械の連続出力パワーは、主として固定子巻き線の冷却によって制限される。
【０００３】
これらの固定子巻き線は、通常、割合に厚い導線の束から成り、隣接する導線の数は、心の外側からも内側からも心に向かって増加する。
【０００４】
心の内側においては、隣接巻き線は実質的に互いに接触し、回転子と固定子心との間の空間は、巻き線と回転子との間の小さな環状エアギャップを除いて、実質的に完全に巻き線によって満たされている。
【０００５】
これは、固定子心の内側にある巻き線部分は、心と前記エアギャップとに向かってしか冷却できない、ということを意味する。
【０００６】
心における限られた熱伝導と心における追加損失とのため、通常、心によっては熱の限られた部分しか排出することができない。
【０００７】
大部分の熱はエアギャップを通じて排出しなければならないが、このやり方では、心の内側の巻き線部分の中心部は冷却しにくい。したがって、これらの巻き線の冷却は制限される。
【０００８】
冷却を良くするために、冷却手段を備えることが公知である。
【０００９】
冷却手段を備えたこの種の電気機械は、ＵＳ−Ａ−５，３０４，８８３号明細書に開示されている。固定子巻き線は二つの部分から成り、内側の第一の部分は、心壁と回転子との間のエアギャップ内に配置され、外側の第二の部分は、このギャップの外部に配置される。
【００１０】
外側の第二の部分の巻き線は、内側の第一の部分の巻き線に比して、大きな断面積したがってまた大きな熱容量（ｔｈｅｒｍａｌｍａｓｓ）を有し、第一の部分に対する脱熱器となり、第一の部分がより効率的に冷却されうるようにする。
【００１１】
固定子は、ハウジングをシールして環状固定子チャンバーを定める細長い孔シール（ｂｏｒｅｓｅａｌ）を有し、該ハウジングは、入口と出口とを備えていて、これらは前記チャンバーと流体連絡していて、巻き線の冷却のために冷却剤が前記チャンバーに流入・流出することを可能にする。
【００１２】
二つの部分を有する巻き線は、かなり複雑な構成である。それにもかかわらず、冷却は制限される。隣接巻き線が依然として実質的に互いに接触しており、したがって回転子と固定子心との間の空間が、外側部分が内側部分よりも少しだけ遠くまで半径方向に延び出しているために心の外側にある小さな空間を除いて実質的に完全にふさがれているからである。
【００１３】
本発明は、固定子巻き線の冷却の改良された電気機械を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明によれば、この目的は、 心の内側においても外側においても、巻き線が少なくとも９５％の部分において、好ましくは全体において、離して配置してあって、これらの巻き線の間にギャップが形成されており、前記冷却手段がこれらのギャップ内の冷却媒体から成り、そのために、巻き線は個別に絶縁された導体から成る線により形成され、これらの導体は線またはより線であり、前記導体は巻き線のへりの間でジグザグ形に延びており、前記へりが前記ギャップ内の冷却媒体と熱伝導接触をしている、という事実によって達成される。
【００１５】
これは、また、心の内側においても、巻き線の側面が、冷却媒体による熱の排出のための冷却領域を形成する、ということを意味する。冷却領域が大きくなるばかりでなく、心の内側と冷却領域とにある巻き線部分の中心部までの距離が割合に小さくなる。
【００１６】
また、管状固定子心の内側の部分も冷却され、したがって心の冷却も良くなり、したがってまた心による巻き線の冷却の可能性も大きくなる。
【００１７】
巻き線に直交する断面、および横断方向においては、ジグザグに延びる絶縁導体を有するただ一つの線が存在する。
【００１８】
公知の巻き線においては、巻き線の線の導体は、互いに平行に延びているか、または小さな束となるようによってあり、これらの束は互いに平行に延びている。これらの小さな束は、たとえば、よってあるかまたは編んである線を有するリッツ線から成ることができる。巻き線の線は、互いに平行に延びているいくつかのそのようなリッツ線から成る。
【００１９】
そのような公知の巻き線の場合、巻き線の方向に垂直な、巻き線の熱伝導は、銅の熱伝導に比して非常に小さい。したがって、しばしばこの巻き線には、熱伝導率を高めるために特殊な物質が含浸させてあるが、そのような場合でも、巻き線の横断方向の熱伝導率は割合に小さく、したがって巻き線の可能な冷却は制限される。
【００２０】
本発明によるジグザグ形により、熱は、線に沿って巻き線のへりに移動することができ、したがって一つの線から他の線に絶縁体を通ってジャンプする必要なしで冷却媒体に移動することができる。したがって、熱は、導体が平行である場合に比して、ずっと大きな程度で横方向に放散されうる。
【００２１】
ＤＥ−Ｃ−４９６，８８４号明細書には、導体が巻き線の一つのへりから他のへりに延びる巻き線の製造方法が開示されている。しかし、この文献には、そのような線を巻き線においてどのように使用するかについては開示されていない。線のへりが巻き線のへりでもあり、冷却媒体と熱伝導接触している、ということについては何も述べられていない。それどころか、冷却のために、巻き線の線を中空にし、したがって冷却空気のための導路となるようにすることができる、とされている。
【００２２】
中心角方向に間隔をとった巻き線を有する固定子が、先行技術として、ＵＳ−Ａ−４，１０３，１９７号明細書に開示されているが、この巻き線は冷却されない。
【００２３】
国際特許公開公報ＷＯ  ９４  ２２２０４  Ａ号には、長方形の銅線から形成され、間隔をあけて配置されているアーマチュア・コイルにより取り囲まれたリング状の心から成る固定子を備える電気機械を開示している。これらのコイルは、ローター軸のまわりに直角に配置された一般に長方形のトーラスの形状の積層心を横切って巻かれている。ローターは、巻き線を備えたリング状の心の一方の側または両側にある、ローター軸に直角なディスクから成るディスク装置である。該ディスクは該心と平行であり、積層心とアーマチュア・コイルに面して取り付けられている巻き線永久磁場棒に対向している。
【００２４】
本発明によれば、ジグザグ形は、巻き線の平均縦方向に対して、５°〜４５°の角、好ましくは１０°〜３０°の角をなすようにすることができる。
【００２５】
より具体的に言えば、巻き線の線は、絶縁導体の平坦かつ幅広のパケットによって形成される線から成ることができ、各導体は前記パケットの片側から他の側にジグザグに延びている。
【００２６】
好ましくは、前記の巻き線は、一つの相に関する各極に対して通常備えられる巻き線のセグメントである。
【００２７】
各極に対応する標準的な巻き線は、電気的に互いに接続されたいくつかの小さな巻き線に分けられる。巻き線の総数が多いほど、これらの巻き線の間のギャップの数が多く、強力な冷却が可能になる。
【００２８】
冷却媒体はギャップに接近しうる流体とすることができ、このとき、ハウジング全体を冷却流体のための、流体の漏れない一つのチャンバーとすることができ、またはハウジングを、回転子を包囲する管によって二つの空間に分割することができる。この管の外側の空間は、巻き線を収容する、流体の漏れないチャンバーを形成する。
【００２９】
このチャンバーは、冷却流体たとえば冷却油で満たすことができ、あるいは、ハウジングに、冷却流体のための、チャンバーと流体連絡した少なくとも一つの入口と少なくとも一つの出口とを備えることができ、冷却手段が、冷却媒体を、入口を通してハウジングの内部に入り、さらに、巻き線に沿って移動して、出口を通ってハウジングの外部に出ていくように、強制的に送るための手段を有する。
【００３０】
以下、本発明を、実施形態を用いて、添付の図面を参照しつつ、説明する。
【００３１】
図１に示す電気機械は電動機であり、事実上、回転子１、該回転子を包囲する固定子２、および該固定子を包囲するハウジング３から成る。
【００３２】
ハウジング３はほぼ円筒形を成し、端が閉じており、回転子１は軸５に取りつけられた回転子本体４を有する。軸５は、ジャーナルが軸受け６によって前記閉じた端において支えられている。
【００３３】
回転子１は管状分離壁７によって包囲されており、壁７は回転子１を固定子２から分離し、該固定子のための、流体の漏れないチャンバー１２を形成している。
【００３４】
固定子２は、管状心８を有し、いくつかの固定子巻き線９を備えている。これらの巻き線９は、互いに電気的に絶縁されており、心８の壁を包囲し、したがって心８はこれらの巻き線の中心を通っている。また、巻き線９は心８の縦軸に関して軸方向および半径方向に延びており、該軸は回転子１の回転軸に一致している。
【００３５】
図２〜４に詳細を示すように、これらの巻き線９は薄いディスク形を有し、これらのディスクは図に示す実施形態では一定の厚さを有する。
【００３６】
これらのディスクは星の放射線のように放射状に延びており、回転子１の軸の方向に引き延ばされており、端が丸くなっている。
【００３７】
巻き線９を形成する各ディスクは、心８のための軸方向スロットを備えている。固定子チャンバー１２の内側では、各ディスクの部分が回転子１と心８との間のエアギャップ内に配置されるが、心８の外側では、各ディスクの部分が心８とハウジング３との間のエアギャップ１３内に配置される。
【００３８】
巻き線９は、心８を包囲する線またはより線の束から成るか、または単一の線たとえばリッツ線から成るようにすることができる。
【００３９】
巻き線９は、いくつかの個別に絶縁された導体１９から成る線１８から成るようにすることもできるが、これらの導体は、ジグザグに延びて、各導体が巻き線９の外側表面またはへりに規則的に到達するようにする。導体１９は図８と図９に示すように単一の線とすることもできるが、より線または束とすることもできる。
【００４０】
ジグザグ形は、巻き線９と線１８の平均縦方向に対して、５°〜４５°好ましくは１０°〜３０°の角αをなす。
【００４１】
導体１９は、図８と図１０に示すように、大体長方形の断面の平坦かつ幅広のパケット内に収容されるようにすることができ、このとき、各導体１９は、パケットの片側から他の側に、たとえば編み物の形で、到達する。
【００４２】
絶縁導体１９のパケットは、図２と図３に示すように、たとえば、電気絶縁材料から成る外被１８Ａによって包囲することができる。
【００４３】
実際には、線１８は平坦化リッツ線と考えることができる。
【００４４】
試験によれば、導体１９が巻き線の一つのへりから他のへりまでジグザグ形になっている、本発明による巻き線の線１８を有する巻き線９の熱伝導率は、平行な標準リッツ線から成る巻き線の熱伝導率の１０倍よりも大きい。
【００４５】
もう一つの実施形態においては、導体１９は外被１９Ａによって一体保持されないが、編み組または編み物を形成することによって、パケット内に一体保持することができる。この場合、外被は使用しないようにできる。それにより、さらに熱放散を促進することができるであろう。図１０はそのような実施形態を示す。
【００４６】
巻き線９におけるこのもしくはこれらの線またはより線のそれぞれの層は、絶縁ワニスによって一体保持することができる。
【００４７】
一つの極端な実施形態の場合、前記ディスクは一体導体特に銅リングとすることができる。
【００４８】
巻き線９は支持体１０によって所定の位置に保持することができる。これらの支持体は、心８に固定された絶縁部品とすることができる。図３には、そのような支持体１０のうち二つだけを模式的に示すが、そのような支持体１０が、巻き線９を形成するディスクの隣り合う二つの間に存在することは明らかであろう。
【００４９】
重要なことは、心８の内側においても、二つの隣接ディスク状巻き線９の間に、ギャップ１１が存在する、ということである。このギャップは、少なくとも主要な半径方向距離にわたり、より具体的に言うと、ディスクの半径方向寸法の少なくとも９５％、好ましくは図２〜４および図７に示すように前記寸法の全体にわたるものである。
【００５０】
固定子チャンバー１２、したがってまたディスク状巻き線９の間の空間またはギャップ１１は、冷却媒体で満たされる。
【００５１】
この冷却媒体は、好ましくは、液体たとえば変圧器油である。この液体は静止している。
【００５２】
もう一つの実施形態の場合、冷却媒体が循環し、ハウジング３には、図５に示すように、対向側面のそれぞれに、固定子チャンバー１２と流体連絡する、一つ以上の入口１４と一つ以上の出口１５とが備えられる。ファンまたはポンプのような手段（図示せず）が、冷却液体を、強制的に、入口から通し、巻き線９に沿って送り、出口から送り出すために備えられる。この冷却媒体は、巻き線９に沿って強制的に送られる気体たとえば空気とすることができ、その場合、管状壁７は必要でなく、図５の実施形態の場合、この壁７は存在しない。
【００５３】
さらにもう一つの実施形態の場合、冷却媒体は、固体、たとえば図１１に示すような、固定子２の部分によって構成されるもの、である。
【００５４】
線１８を構成するパケットは、固定子２の一つの部分から他の部分に延びている。線１８は、固定子２に形成される導路２０内に配置されていると考えることができ、線１８のへりが導路２０の壁に接触している。
【００５５】
導路２０の壁と巻き線９との間には、薄い電気絶縁体を配置することもできる。その場合、この絶縁体は薄くて、導体１９から、固定子１の熱伝導性材料、大抵の場合鉄、から成る、導路２０の壁への熱伝導が妨げられないようなものであるようにする。
【００５６】
熱ペースト（ｔｈｅｒｍａｌ ｐａｓｔｅ）を使用して、固定子２の鉄またはその他の低温壁に接触する巻き線９の冷却が促進されるようにすることができる。
【００５７】
すべての前記の実施形態において、星形に配置されたディスク状巻き線９は、すぐれた冷却結果を与える。特に、巻き線のへりにおいては、熱を、従来の設計のものに比して、より効率的に放散させることができる。
【００５８】
いくつかのディスク状巻き線９を形成する導体または線は、図６と図７に示すように、互いに電気的に接続することができる。ディスクを巻き線によって形成する場合、同一の線が、巻き線を形成し、また一つのディスク９から他のディスクに延びて、いくつかのディスク９のための巻き線を形成することができる。
【００５９】
図６は、Ｙ結線の三相二極モーターにおける巻き線の電気的接続を示す。Ｒ、Ｓ、Ｔは、相を示し、ｒ、ｒ*、ｓ、ｓ*、ｔ、ｔ*は、六つの半扇形（ｈａｌｆ−ｓｅｃｔｏｒ）にわたって延びている、普通に使用される巻き線を示す。
【００６０】
図６と図７からわかるように、一つの相に関する各極に対する六つの標準“巻き線”ｒ、ｒ*、ｓ、ｓ*、ｔ、およびｔ*のそれぞれは、いくつかの巻き線９に分けられている。ここに示す例では四つの巻き線９に分けられ、これらの巻き線は、導体１６によって互いに直列に電気接続されている。
【００６１】
冷却媒体が存在する場合、心８の両側において、冷却媒体と巻き線９との間に長い接触距離があり、また冷却媒体と心８の内側面との接触もある。
【００６２】
心８の内側面上でも、巻き線９の側面は、液体または気体の、静止または流動冷却媒体と接触する冷却領域を形成する。
【００６３】
標準巻き線ｒ、ｒ*、ｓ、ｓ*、ｔ、およびｔ*をいくつかの巻き線９に分けることにより、冷却媒体との接触面が大きくなり、冷却が相当に改善される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】
本発明による、固定子と巻き線とを備えた電動機の軸を含む断面である。
【図２】
図１の電動機の、巻き線を有する固定子の上面図である。
【図３】
図２の、巻き線を有する固定子の端面図である。
【図４】
図２と３の、巻き線を有する固定子の斜視図である。
【図５】
電動機のもう一つの実施形態に関する、図１と同様の、軸を含む断面である。
【図６】
本発明による、三相モーターの固定子巻き線の可能な電気的接続を示す。
【図７】
図３と同様の図であるが、巻き線に対する電気的接続を示す。
【図８】
図５の線VIII−VIIIに沿う断面を、大きな尺度で示す。
【図９】
図８の線IX−IXに沿う断面を、さらに大きな尺度で示す。
【図１０】
図９と同様の断面図であるが、別の実施形態に関するものである。
【図１１】
図８と同様の断面図であるが、別の実施形態に関するものである。
【符号の説明】
【００６５】
１ 回転子 
２ 固定子 
３ ハウジング 
４ 回転子本体 
５ 軸 
６ 軸受け 
７ 管状分離壁 
８ 管状心 
９ 巻き線 
１０ 支持体 
１１ ギャップ 
１２ 固定子チャンバー 
１３ エアギャップ 
１４ 入口 
１５ 出口 
１６ 導体 
１８ 線 
１８Ａ 外被 
１９ 導体 
１９Ａ 外被 
２０ 導路 
α ジグザグの角 
ｒ、ｒ*、ｓ、ｓ*、ｔ、ｔ* 巻き線