(57)【要約】【課題】電気機械用のロータ（１００）を提供する。【解決手段】本ロータ（１００）は、その一部分内に形成された少なくとも１つの曲線輪郭凹部（２０８）を有するキャビティと、キャビティの少なくとも１つの曲線輪郭凹部と鏡像をなすように構成されかつ該少なくとも１つの曲線輪郭凹部内に位置するように構成されて該キャビティ内にそれを位置決めするのを可能にした少なくとも１つの曲線輪郭突出部（２１４）を備えたウェッジ（２０４）とを含み、少なくとも１つの曲線輪郭凹部及び少なくとも１つの曲線輪郭突出部は、ロータ内の応力を最小化するのを可能にするような形状になっている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械用のロータ（１００）であって、
その一部分内に形成された少なくとも１つの曲線輪郭凹部（２０８）を有するキャビティと、
前記キャビティの少なくとも１つの曲線輪郭凹部と鏡像をなすように構成されかつ該少なくとも１つの曲線輪郭凹部内に位置するように構成されて該キャビティ内にそれを位置決めするのを可能にした少なくとも１つの曲線輪郭突出部（２１４）を備えたウェッジ（２０４）と、を含み、
前記少なくとも１つの曲線輪郭凹部及び少なくとも１つの曲線輪郭突出部が、該ロータ内の応力を最小化するのを可能にするような形状になっている、
ロータ（１００）。
【請求項２】
前記キャビティ（２０２）が、少なくとも１つの電気コイルを保持するように構成される、請求項１記載のロータ（１００）。
【請求項３】
前記ウェッジ（２０４）が、該ロータが回転する間に、前記少なくとも１つの電気コイルの遠心荷重を一様に分布させるのを可能にする、請求項２記載のロータ（１００）。
【請求項４】
前記ウェッジ（２０４）が、該ロータが回転する間に、前記少なくとも１つの電気コイルを前記キャビティ（２０２）内に保持するのを可能にする、請求項２記載のロータ（１００）。
【請求項５】
前記ウェッジ（２０４）が、少なくとも１つの冷却通路（２３０）をさらに含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロータ（１００）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの冷却通路（２３０）が、少なくとも１つの半径方向冷却通路（２３２）及び少なくとも１つの軸方向冷却通路（２３４）をさらに含む、請求項５記載のロータ（１００）。
【請求項７】
前記ウェッジ（２０４）が、該ロータの重量を低減するのを可能にする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のロータ（１００）。
【請求項８】
ロータ（１００）と、
前記ロータ内に形成されかつその中に少なくとも１つの電気コイルを保持するように構成されたキャビティ（２０２）と、
前記キャビティの一部分内に形成された少なくとも１つの曲線輪郭凹部（２０８）と、
前記キャビティの少なくとも１つの曲線輪郭凹部と鏡像をなすように構成されかつ該少なくとも１つの曲線輪郭凹部内に位置するように構成されて該キャビティ内にそれを位置決めするのを可能にした少なくとも１つの曲線輪郭突出部（２１４）を備えたウェッジ（２０４）と、を含み、
前記少なくとも１つの曲線輪郭凹部及び少なくとも１つの曲線輪郭突出部が、前記ロータ及びウェッジ内の応力を最小化するのを可能にするような形状になっている、
電気機械。
【請求項９】
前記ウェッジ（２０４）が、前記ロータ（１００）が回転する間に、前記少なくとも１つの電気コイルの遠心荷重を一様に分布させるのを可能にする、請求項８記載の電気機械。
【請求項１０】
前記ウェッジ（２０４）が、前記ロータ（１００）が回転する間に、前記少なくとも１つの電気コイルを前記キャビティ（２０２）内に保持するのを可能にする、請求項８記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には電気機械に関し、より具体的には、電気機械で使用することができるウェッジシステムを製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、公知の電気機械は、その中に保持した少なくとも１つの導電コイルを備えたロータを使用する。公知の導電コイルは一般的に、ロータ内に形成されたキャビティ内に保持される。ロータが回転する時、導電コイルは、機械を作動させる電流を導通する。少なくとも幾つかの公知のロータは、キャビティ内に配置されて導電コイルを所定の位置に保持するウェッジを含む。ウェッジはキャビティ内に設けられるので、ロータが回転すると、ウェッジは、コイル及びウェッジの慣性による遠心力を受ける。ウェッジはキャビティ内に保持されているので、ロータに対して遠心力が伝達される。長期間にわたって、ウェッジ及びロータは、機械の始動及び停止により周期的な荷重を受けることになる。このことは、ウェッジ及び／又はロータの疲労破損を引き起こし、それによって導電コイルがキャビティからずれた状態になる可能性がある。
【０００３】
導電コイルがずれた状態になるのを防止するために、少なくとも幾つかの公知のウェッジは、コイルと比較して大きな重量を有する材料で製作される。しかしながら、付加重量は、機械の全体性能を低下させるおそれがある。さらに、少なくとも幾つかのロータは、キャビティ内に配置したより少ない数の及び／又はより小さい導電コイルを有するように設計されことになる。付加重量及び縮小したコイル寸法の組合せはまた、機械の性能の低下を引き起こすおそれがある。低下した性能を補うために、少なくとも幾つかの機械では、長さを増加させて製作して機械効率を維持している。その結果として、機械に関連する費用、製作時間及び／又は保守作業が、増大する可能性がある。それに加えて、機械の適用可能な用途もまた、機械の寸法により制限される可能性がある。
【特許文献１】米国特許第６，９３３，６４８号公報
【特許文献２】米国特許第６，７７４，５２２号公報
【特許文献３】米国特許第５，８６６，９６６号公報
【特許文献４】米国特許第４，９０１，５７２号公報
【特許文献５】米国特許第４，８６４，１７１号公報
【特許文献６】米国特許第４，７１６，６４８号公報
【特許文献７】米国特許第４，１６３，１６６号公報
【特許文献８】米国特許第３，７３９，２１２号公報
【特許文献９】米国特許第３，７３５，１６９号公報
【特許文献１０】米国特許第３，３９１，２９４号公報
【特許文献１１】米国特許第２，８１９，５１４号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様では、電気機械を組立てる方法を提供する。本方法は、その中に形成されたキャビティを有するロータを準備するステップを含む。キャビティの一部分内には、少なくとも１つの曲線輪郭凹部が形成される。ウェッジは、キャビティ内に挿入される。ウェッジは、キャビティの少なくとも１つの曲線輪郭凹部と鏡像をなすように構成された少なくとも１つの曲線輪郭突出部を含む。ウェッジは、少なくとも１つの曲線輪郭突出部が少なくとも１つの曲線輪郭凹部内に配置されて、キャビティ内に該ウェッジを位置決めするのを可能にするように、挿入される。少なくとも１つの曲線輪郭突出部及び少なくとも１つの曲線輪郭凹部は、ロータ及びウェッジ内の応力を最小化するのを可能にするような形状になっている。
【０００５】
別の態様では、電気機械用のロータを提供する。本ロータは、その一部分内に形成された少なくとも１つの曲線輪郭凹部を有するキャビティを含む。本ロータはまた、キャビティの少なくとも１つの曲線輪郭凹部と鏡像をなすように構成されかつ該少なくとも１つの曲線輪郭凹部内に位置するように構成されて該キャビティ内にそれを位置決めするのを可能にした少なくとも１つの曲線輪郭突出部を備えたウェッジを含む。少なくとも１つの曲線輪郭凹部及び少なくとも１つの曲線輪郭突出部は、ロータ内の応力を最小化するのを可能にするような形状になっている。
【０００６】
さらに別の態様では、電気機械を提供する。本電気機械は、ロータと、該ロータ内に形成されかつその中に少なくとも１つの電気コイルを保持するように構成されたキャビティとを含む。キャビティの一部分内には、少なくとも１つの曲線輪郭凹部が形成される。本電気機械はまた、キャビティの少なくとも１つの曲線輪郭凹部と鏡像をなすように構成されかつ該少なくとも１つの曲線輪郭凹部内に位置するように構成されて該キャビティ内にそれを位置決めするのを可能にした少なくとも１つの曲線輪郭突出部を備えたウェッジを含む。少なくとも１つの曲線輪郭凹部及び少なくとも１つの曲線輪郭突出部は、ロータ及びウェッジ内の応力を最小化するのを可能にするような形状になっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、電気機械内に電気コイルを保持するのを可能にするウェッジシステムを提供する。本システムは、機械のロータ内に形成されたキャビティと、キャビティ内に配置されてその中にコイルを保持するのを可能にするウェッジとを含む。この例示的な実施形態では、ウェッジは、ロータ回転時にコイルに生じる遠心荷重を一様に分布させ、ロータ回転時にキャビティ内にコイルを保持し、かつ／又はロータの総重量を減少させるのを可能にする。この例示的な実施形態では、ウェッジは、その中に形成された少なくとも１つの冷却通路を含む。
【０００８】
ウェッジシステムに関して本発明を説明しているが、本発明はウェッジシステムでの使用のみに限定されるものではないことを当業者は理解すべきであることに留意されたい。むしろ、本発明は、コイル及び／又はその他の材料を所望の位置に保持するように構成したあらゆるシステムで使用することができる。さらに、本明細書では、簡単にするために、本発明を電気機械に関してのみ説明している。しかしながら、当業者には分かるように、本発明は、電気機械に限定されるものではなく、むしろ本発明は、コイル及び／又はその他の材料を所望の位置に保持するあらゆる機械で使用することができる。
【０００９】
図１は、電気機械（図示せず）で使用することができる例示的なロータ１００の斜視図である。この例示的な実施形態では、ロータ１００は、その中に形成された複数のキャビティ１０２を含み、キャビティ１０２は、例えば銅導電体のような電気コイル（図１には図示せず）を保持するように構成される。この例示的な実施形態では、電気コイルは、ロータ１００が回転する時に、電界を形成するために使用される。具体的には、電気機械のステータ（図示せず）内でロータ１００を回転させることによって、コイルは、電気機械が電流を発生するのを可能にする。この例示的な実施形態では、キャビティ１０２は、ロータ１００の長さＬ１に沿ってほぼ軸方向に延びる。
【００１０】
図２は、ロータ１００（図１に示す）で使用することができる例示的なウェッジシステム２００の断面図である。この例示的な実施形態では、ウェッジシステム２００は、曲線輪郭キャビティ２０２及び曲線輪郭ウェッジ２０４を含む。各曲線輪郭キャビティ２０２は、円周方向に隣接するロータダブテール歯２０６間に形成され、かつロータ１００の長さＬ１に沿ってほぼ軸方向に延びる。各曲線輪郭キャビティ２０２は、該キャビティ２０２の壁２１０内に形成された少なくとも１つの凹部２０８を含む。具体的には、各キャビティ２０２は、一対の凹部２０８を含む。より具体的には、凹部２０８は、キャビティ２０２を形成した各壁２１０内に形成される。この例示的な実施形態では、各凹部２０８は、曲線輪郭又は湾曲端縁部２１２を含む。さらに、この例示的な実施形態では、各凹部２０８は、ロータ長さＬ１（図１に示す）に沿ってほぼ軸方向に延びる。
【００１１】
この例示的な実施形態では、ウェッジ２０４は、少なくとも１つの突出部２１４によって形成される。この例示的な実施形態では、突出部２１４は、曲線輪郭又は湾曲端縁部２１６によって形成される。具体的には、この例示的な実施形態では、端縁部２１６は、キャビティ２０２内の曲線輪郭凹部２０８の形状と実質的に鏡像をなす形状の曲線輪郭になっている。各突出部２１４はまた、キャビティ２０２内でウェッジ２０４を位置合わせしかつウェッジ２０４の配向を維持するのを可能にする密接嵌合で曲線輪郭凹部２０８内に受けられるような寸法及び形状になっている。この例示的な実施形態では、各ウェッジ２０４には、各凹部２０８内でロータ１００の長さＬ１にわたってキャビティ２０２を軸方向に貫通して各ウェッジ２０４を配置するのを可能にする一対の突出部２１４が形成される。具体的には、この例示的な実施形態では、各突出部２１４は、ロータ長さＬ１にわたって各凹部２０８を貫通して軸方向に延びる。ウェッジ２０４は、長さＬ１にわたって延びる単一の連続片或いは異なる又は同一の長さのセグメント片のいずれかである。
【００１２】
図３は、公知のウェッジと、ウェッジシステム２００（図２に示す）を使用して該公知のウェッジ内の応力が最小化される複数の個所２１８との断面図である。さらに、図４は、公知のキャビティ壁と、ウェッジシステム２００（図２に示す）を使用して該公知のキャビティ壁内の応力が最小化される複数の個所２２０との断面図である。電気機械の運転時に、凹部２０８及び突出部２１４は協働して、キャビティ壁２１０及びウェッジ２０４内の応力を低下させるのを可能にする。具体的には、それぞれ凹部２０８及び突出部２１４の曲線輪郭端縁部２１２及び２１６は、ロータ１００の回転時に遠心荷重により生じる可能性がある応力を低下させるのを可能にするような形状になっている。より具体的には、ウェッジ２０４の形状は、ロータ１００が回転する間に電気コイルの遠心荷重を一様に分布させるのを可能にし、かつウェッジ２０４がキャビティ２０２内にコイルを保持することを保証するのを可能にする。この例示的な実施形態では、一様な荷重分布により、公知の電気機械のロータキャビティ内において、キャビティ２０２がより大きい電気コイル及び／又はより多いコイルを保持することが可能になる。従って、一様な荷重分布は、電気機械の出力定格を増大させるのを可能にする。さらに、一様な荷重分布は、ウェッジ２０４及びロータ１００の両方の耐用寿命及びサイクル寿命を延長するのを可能にする。
【００１３】
さらに、この例示的な実施形態では、曲線輪郭端縁部２１２及び２１６間の低下した応力集中により、ロータ１００及びウェッジ２０４の両方を、ロータ及びウェッジで通常使用されているものよりも軽量の材料で製作することが可能になる。従って、電気機械は、公知の電気機械よりも軽量のかつ／又は廉価な材料で製作することができ、従って公知の電気機械よりも高い性能で運転することができる。加えて、端縁部２１２及び２１６の最適曲線輪郭により、ウェッジ２０４をキャビティ２０２内に摺動挿入することが可能になり、従ってウェッジ２０４のより容易な取外し及び組立てが可能になる。従って、ウェッジ２０４は、ロータ１００を製作し、保守作業しまた／又は補修することに関連する費用を削減するのを可能にする。
【００１４】
図５は、ウェッジ２０４の概略図である。具体的には、図２は、曲線輪郭突出部２１４とウェッジ２０４内に形成された複数の冷却通路２３０との様々な実施形態を示し、また図５は、曲線輪郭端縁部２１６の様々な実施形態を示す。図示した各実施形態は、それぞれ突出部２１４及び凹部２０８（図２に示す）の曲線輪郭端縁部２１６及び２１２（図２に示す）における異なる応力量に対応する。具体的には、曲線輪郭端縁部２１６の形状は、電気機械の使用目的に基づいて決定される。
【００１５】
この例示的な実施形態では、複数の冷却通路２３０は、少なくとも１つの半径方向冷却通路２３２及び少なくとも１つの軸方向冷却通路２３４を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、各半径方向冷却通路２３２は、ウェッジ２０４の半径方向内表面２３６から該ウェッジ２０４の半径方向外表面２３８まで延びる。さらに、各軸方向冷却通路２３４は、ウェッジ２０４の第１の軸方向端部２４０から該ウェッジ２０４の第２の軸方向端部２４２まで延びる。より具体的には、この例示的な実施形態では、各軸方向冷却通路２３４は、ロータ１００（図１に示す）の全長Ｌ１（図１に示す）にわたって延びる。冷却通路２３０の数及び配向は、電気機械の使用目的に基づいて可変的に選択される。さらに、この例示的な実施形態では、冷却通路２３０の少なくとも２つは、相互連結孔２４４において交差して、様々な冷却通路２３０間で冷却流体を循環させるのを可能にする。相互連結孔２４４の寸法及び位置は、ウェッジ２０４及び／又はキャビティ２０２（図２に示す）内において冷却効果を最大化するのを可能にするように最適化される。
【００１６】
電気機械の運転時に、冷却流体は、キャビティ２０２（図２に示す）内に配置された少なくとも１つのコイルに該冷却流体を供給する冷却通路２３０を通って流れる。この冷却流体により、ウェッジ２０４及びロータ１００内を理想的な温度に維持することが可能になる。従って、これら冷却通路２３０により、電気機械の運転時にコイル、ウェッジ２０４及び／又はロータ１００（図１に示す）が過熱するのを防止することが可能になる。
【００１７】
１つの実施形態では、電気機械を組立てる方法を提供する。本方法は、その中に形成されたキャビティを有するロータを準備するステップを含む。キャビティの一部分内には、少なくとも１つの曲線輪郭凹部が形成される。ウェッジは、キャビティ内に挿入される。ウェッジは、キャビティの曲線輪郭凹部と鏡像をなすように構成された少なくとも１つの曲線輪郭突出部を含む。ウェッジは、曲線輪郭突出部が曲線輪郭凹部内に配置されて、キャビティ内に該ウェッジを位置決めするのを可能にするように、挿入される。曲線輪郭突出部及び曲線輪郭凹部は、ロータ及びウェッジ内の応力を最小化するのを可能にするような形状になっている。この例示的な実施形態では、キャビティは、少なくとも１つの電気コイルを保持するように構成される。ウェッジは、ロータが回転する間に電気コイルの遠心荷重を一様に分布させるのを可能にする。ウェッジはまた、ロータが回転する間にキャビティ内に電気コイルを保持するのを可能にする。さらに、１つの実施形態では、ウェッジは、ロータの重量を減少させるのを可能にする。さらに、１つの実施形態では、ウェッジは、その中に形成された少なくとも１つの冷却通路を含む。例示的な実施形態では、この少なくとも１つの冷却通路は、少なくとも１つの半径方向冷却通路及び少なくとも１つの軸方向冷却通路を含む。
【００１８】
上記のシステム及び方法は、遠心荷重担持能力を最大化するのを可能にし、また電気機械内でのロータ及びウェッジ材料のより効率的な使用を可能にする。具体的には、本明細書に記載したウェッジシステムは、ロータ回転によって生じた遠心荷重を曲線輪郭キャビティ壁及びウェッジ突出部を通して実質的に一様に伝達するのを可能にする。ウェッジシステムはまた、ウェッジ及びロータ間の接触量を最適化して、該ロータ及びウェッジ間の応力集中を低下させることが可能になるようにするのを可能にする。従って、上記のシステム及び方法は、電気機械のコイルが、回転するロータによって生じた遠心荷重を受けた時に、該コイルを所定の位置に保持するのを可能にする。さらに、キャビティ壁及び突出部の曲線輪郭端縁部はまた、ウェッジシステムの組立て及び分解を改善するのを可能にする。さらに、ウェッジの相互連結軸方向及び半径方向冷却通路は、ロータ、ウェッジ及び／又はコイルの冷却を改善するのを可能にする。
【００１９】
本明細書で使用する場合、数詞のない表現の要素又はステップは、複数の要素又はステップを除外することを明記していない限り、それら複数の要素又はステップを除外するものではないと理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載の特徴を同様に組み込んだ付加的な実施形態の存在を除外するものとして解釈することを意図していない。
【００２０】
以上、電気機械で使用することができるウェッジシステムを製作するためのシステム及び方法の例示的な実施形態を詳細に説明している。図示したシステム及び方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、本システムの構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。さらに、本方法で説明したステップは、本明細書に記載したその他のステップから独立してかつ別個に利用することができる。
【００２１】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】電気機械で使用することができる例示的なロータの斜視図。
【図２】図１に示すロータで使用することができる例示的なウェッジシステム２００の断面図。
【図３】図２に示すウェッジシステムを使用して例示的な公知のウェッジ内の応力を低下させることができる複数の部位を例示している、該公知のウェッジの断面図。
【図４】図２に示すウェッジシステムを使用して例示的な公知のキャビティ壁内の応力を低下させることができる複数の部位を例示している、該公知のキャビティ壁の断面図。
【図５】図２に示すウェッジシステム内で使用するウェッジの概略図。
【符号の説明】
【００２３】
１００  ロータ
１０２  キャビティ
２００  ウェッジシステム
２０２  キャビティ
２０４  ウェッジ
２０６  ロータダブテール歯
２０８  凹部
２１０  キャビティ壁
２１２  曲線輪郭又は湾曲端縁部
２１４  曲線輪郭突出部
２１６  曲線輪郭又は湾曲端縁部
２１８  個所
２２０  個所
２３０  冷却通路
２３２  半径方向冷却通路
２３４  軸方向冷却通路
２３６  半径方向内表面
２３８  半径方向外表面
２４０  第１の軸方向端部
２４２  第２の軸方向端部
２４４  相互連結孔
【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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