JP2004507197A - 高性能スロットレス電気モータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

集中巻（１８）を使用するスロットレスモータを製造する方法。集中巻（１８）は、完成した、多数の、重ならない個々のコイル（３２、３３、３４）から構成される巻線である。かかるコイル（３２、３３、３４）は、磁気活性領域において直線部を有する一般に同軸螺旋状のコイルである。

Description

【０００１】
関連出願
本出願は、２０００年８月１０日に出願された米国仮出願第６０／２２４，１４０号と、ジョン・フロレスタ等［０６１０−４０１２］による同日の「高性能スロットレスモータ」という名称の出願に関する。
【０００２】
発明の目的
本発明の目的は、スロットレス型永久磁石サーボモータのトルク／重量、トルク／大きさ、トルク／容量、効率、モータ定数Ｋｍ性能を改善することである。かかるモータは、「鉄心なし」、「歯なし」、「コアレス」又は「ワイドエアギャップ」モータと呼ばれる場合もある。別の目的は、牽引車を駆動するのに必要な高いトルクと高い動力を達成することである。更なる目的は、スロットレスモータを製造する改良された方法を提供することである。特に、本発明のモータは、相当に製造し易く、優れた性能特性を有し、高価な製造加工、巻線技術及び／又は複雑な生産方法の必要性を排除する。
【０００３】
発明の背景
永久磁石サーボモータを設計する際に、基本的なローレンツの関係に従って可能な最高のトルクと動力を達成するために、モータのエアギャップ内の磁束密度をできるだけ高く維持する試みが一般になされてきた。より高い磁束密度は、高レベルの磁束を生成可能な希土類永久磁石の近年の出現によって容易に強調されるようになってきた。より正確な加工方法とより厳しい公差がより小さいエアギャップを可能にすると製造技術においても改良がなされてきた。また、これらの改良は、エアギャップ内の磁束密度を増加することによって永久磁石モータ性能を改良しようとする伝統的手法を促進してきた。
【０００４】
スロットレスモータは、エアギャップが巻線を収納するのに大きくかつ十分でなければならない永久磁石モータの一種である。スロットレスモータにおいては、磁気エアギャップ全体は、磁石とコイルとの間の機械的なクリアランス及び巻線コイル（即ち、「銅」）の厚みから構成される。巻線の浸透性材料の欠如とその結果としての積層スロットの欠如は自動的に磁気エアギャップ全体を増加させ、それは、今度は、エアギャップ磁束密度を減少させる。鉄心レス設計に存在するトレードオフは、ゼロコギング及び実用的にはゼロ鉄心飽和を達成する。この種の永久磁石モータは、他の形式のモータと同様に、高性能を達成するためにはエアギャップを最小にするという一般的教示があった。
【０００５】
巻線内の鉄心の欠如は、従来のスロットモータの主要な限定の一つ、即ち、鉄心飽和を除去する。スロット構造においては、熱を減少してトルクを増加するために巻線内の銅の量を最大にするため、スロット歯は典型的にできるだけ狭く作られる。これらの狭い歯はコイル電流が増加されると磁気飽和し易く、性能を物理的に制限し易い。この制限は、モータ電流が定格値の２乃至３倍に増加すると典型的に発生する。スロットレスモータには、かかる飽和制限はなく、これによりモータ電流が、モータの熱制限と駆動増幅器によってのみ制限される定格値の５乃至１０倍まで増加可能となる。
【０００６】
これらの長所にも拘らず、過去のスロットレスモータは製造時の欠点を有していた。従来のモータのスロットは、製造時に巻線に便宜な「ホルダ」を与える。しかし、スロットレスモータにおいては、技術は自給式巻線を経済的に製造するように開発されなければならなかった。これを行うことの困難性は、煩雑で信頼性が低いことが分かっている又は広範囲の加工を要する多くの複雑な提案に結びついてきた。スロットレス巻線を製造する方法の幾つかの例は、クリスチャンセンの米国特許第３，９９５，３６４号、ナカムラの米国特許第４，１１０，９０１号、ミヤサカの米国特許第４，１２３，６７９号、フォールハーバーの米国特許第３，７９３，５４８号、ディミオの米国特許第４，２７１，３７０号、シュワルツの米国特許第４，６７９，３１３号及びレンダーの米国特許第４，５６３，８０８号に見られる。
【０００７】
発明の要約
本発明の性能における驚くほどの改良は、エアギャップを増加してより高い銅容量をエアギャップの増加分に充填するために添加することにより、スロットレスモータによって達成される。固定された機械的なクリアランスの元では、磁気エアギャップ全体が増加可能であれば性能の増加は最適化され、銅充填が磁気エアギャップ全体の６０％、好ましくは、７０乃至９０％を超えるまで銅充填は増加する。
【０００８】
本発明の巻上方法は予め巻かれた集中巻を含む。「集中巻」という用語は、多数の重ならない個々のコイルから構成された巻線を意味する。各歯又は一群の歯は、従来のスロット機では、その周りに巻かれた個々のコイルを有し、その歯の回りに「集中」される。座巻損失を減少するのにスロットモータの集中巻を利用することは、米国特許第５，４４２，２５０号に記載されている。スロットがない場合には、モータ固定子を形成するために予め巻かれた個々のコイルをオープンキャビティに挿入することは比較的単純である。複雑な固定物、巻上機又は時間のかかる組み立て方法は不要となる。固定子歯がなければ、コイルは並行して最高銅容量を与えるように最大化が可能である。コイルをモータの外側で予め巻くことによって、完全な層巻きコイルが簡単に製造可能になり、固定子歯又はコイル挿入方法に対する心配がなく最適化され得る。
【０００９】
本発明の上述及び別の目的は、図面を含む以下の詳細な明細書から明らかになる。
【００１０】
発明の詳細な説明
本発明の、予め巻かれた集中巻を有する円筒モータの一般的な構造を図１に示す。
【００１１】
図１Ａ及び図１Ｂは、予め巻かれた集中巻の３つのコイルを示す。
【００１２】
モータは、回転子にバック鉄心を与える円筒鉄心スリーブ１６によって囲まれたスチールシャフト１２を有する。１２個の永久磁石（１２極対）がシャフト１２に搭載されて半径方向に延びており、ＮＳ極の交代を与えるように磁化されている。磁石は、好ましくは、２６ＭＧＯｅ（メガガウスエルステッド）を越えるエネルギー生産を有する高エネルギー生産磁石で、好ましくは、３０ＭＧＯｅを越えることができる。好ましい永久磁石は、商品名ＮＥＯＭＡＸ−３０Ｈとして日本の住友スペシャルマテリアル社から入手可能なネオジム、鉄及びボロンからなるものである。磁石は、モータ軸を囲むバック鉄心スリーブに配置される。より最近の磁石製品は、商品名クルマックス４０１４で入手可能である。
【００１３】
高速遠心力条件下で磁石を所定位置に保持するために、バンディングは固定子構造を囲むことができる。バンディングは、エポキシに浸漬された後で、幾つかのフープ層が続く一以上の螺旋層を有する固定子の周りに巻かれた高強度ケプラーフィラメントを使用して達成される。
【００１４】
固定子構造は、モータに外部バック鉄心を与える積層シリコンスチールの円筒状の外部シェル１６を有する。積層は、組み立て後に、アルミニウムアウター筐体内に入れられる。
【００１５】
予め巻かれたコイル３２、３３及び３４の３つは、図１に示すモータの集中巻のコイルである。上述したように、「集中巻」は、多数の重ならない個々のコイルから構成された巻線である。コイルは、エアギャップ内に並列して配置されているので、コイル配置には制約がない。各コイルは、幾つかの層厚を有し、磁気活性領域に配置された直線部を有する一般に螺旋構造を有する。隣接コイルは互いに隣接し、コイルが正しい位置に維持されることを補助する。完成したコイルは、高い銅充填を達成する、本質的に完全なコイルを与えるための形状加工を経る場合がある。互いにコイルを配置することはコイルを最大幅に設計することによって簡単に達成され、その結果、各コイルは次のコイルに隣接すると共に支持を与える。このようにして、銅容量は再び最大化され、ジグや固定物は不要となる。
【００１６】
コイル３２、３３及び３４は、巻線４０を形成する９つのコイルのうちの３つである。コイルは、完成後に、円筒状のバック鉄心シェル内に搭載される。固定子構造はスロットレスであるので、巻線は、固定子の永久磁石と外部バック鉄心シェルとの間の磁気エアギャップ内に配置される。固定子には歯がないので、内部円筒面全体は巻線の銅によって利用可能となる。必要があれば、モータ内で生成されるトルク力に抗して巻線により良好な接着を与えるために小さい切欠きがランダムに積層の内周に配置される。
【００１７】
スロットの欠如と歯の断面に対する心配がない場合、磁極を回転することに対して実質的にいかなるコイルの結合も使用可能である。しかし、本発明の三相ブラシレスモータにおいて、ある組み合わせは、他の結合よりもより最適な性能を生成する。本発明の目的は低価格で高性能のモータを製造することであるので、これらの結合も本発明の不可欠な要素である。
【００１８】
モータ定数Ｋｍはモータ性能全体の良い尺度である。Ｋｍは、モータが所与の損失量に対していかなる量のトルクを生産可能であるかを示している。理想的なモータは、小さな損失量で大変高い出力トルクを有する。モータＫｍを改善すれば、モータのトルク／重量、トルク／容量及び効率性能も改善することになる。Ｋｍは、Ｋｍ＝出力トルク／（Ｉ^２Ｒ動力損失）^１／２で定義される。一般に、より高いＫｍを有するモータは、より低いＫｍを有するモータよりも優れている。本発明の改良の一つは、コイルと磁極の組み合わせを最適化することによってＫｍを最大化することである。コイルに対する磁極の比が４：３である場合に、Ｋｍが三相ブラシレスモータに対して最適化されていることが以下のチャート（表１）において理解することができる。
【表１】

【００１９】
第１の例示的な実施形態のモータ（図１）は、１２の極と三相巻線であるので、巻線には２４（２４）の半装荷コイルを含む。巻線は９つのコイル（１８の半装荷コイル）を含む。コイルに対する極の比は最適の４：３比である。コイルは、完成後に、シャフトを囲むバック鉄心内に配置される。必要があれば、内部テフロンスリーブが、組み立て中に巻線の内径を定義するのに使用可能である。
【００２０】
所定位置に配置されると、バック鉄心と固定子シェルの筐体に接着された剛性巻線構造を与えるために、巻線には適当な樹脂材料が注入される。しかし、巻線は、ある実施形態においては、適当な樹脂材料で巻線に注入する前に支持が除去可能であるように十分剛性でもよい。
【００２１】
樹脂材料は、本発明のモータに対して注意深く選択されなければならない。樹脂は、トルクを生成する巻線の能力に移動のいかなる自由度も反作用を及ぼすので、巻線を剛性にするために、良好な曲げ強さ（即ち、圧縮強さ、引張り強さ、引っ張りせん断）を有する。モータは、１５０℃で連続動作するように設計されており、２００℃以上のピーク温度に耐えられなければならない。従って、樹脂の熱膨張は、周りの材料の熱膨張以上である。モータの速度は、一般に、巻線からの放熱能力に依存するので、樹脂は、６（ＢＴＵ（ｉｎ）／（時）（ｆｔ^２）（Ｆ）の範囲で良好な熱伝導性も与えなければならない。これは、本発明に由来する小型モータ設計には特に当てはまる。熱導電性を高めるために、セラミックの充填材が、好ましくは、樹脂に配合される。しかし、セラミック充填材は、渦電流及び鉄損を回避するために、非導電性でかつ非磁性でなければならない。更に、樹脂は、巻線を適当に注入するために、未硬化状態で５０，０００ｃｐｓ未満の低粘性を有しなければならない。
【００２２】
適当な熱伝導性樹脂は、レックスノード・ケミカル・プロダクツ社から入手可能なノードバク７４５１−０１４８／７４５０−００２７エポキシである。適当な樹脂は、米国特許第４，９５４，７３９号にも特定されている。別の適当な熱伝導性樹脂は、ダブリュー・アール・グレース＆カンパニーの一部門であるエマルソン＆カニングから入手可能なシトキャスト２７６２エポキシ樹脂である。
【００２３】
巻線が固定子の円筒状の外部シェルの所定位置にあると、エポキシは加圧により一端の巻線キャビティに強制注入され、巻線を介して他端に印加された真空によって引き出される。エポキシが硬化すると巻線は剛性になる。端面は、（図示しない）モータの端部ベルとの良好な熱接触のために平坦面を与えるように加工可能である。しかし、殆どの場合に、樹脂と筐体との良好な熱接触は適当な放熱を与える。
【００２４】
固定子にはスロットも歯もないので、コイルと直接に接触する、曲がった冷却管３８（図１）の利用によりコイルの内部冷却のオプションが与えられ得る。従来のスロットモータに対して多くの冷却設計が考えられてきた。しかし、これらの方法は典型的に固定子外部に冷却「ジャケット」、ファン又はヒートシンクを使用してきた。銅コイルの熱時定数は固定子バック鉄心よりもずっと速いので、かかる外部冷却の効率は限定される。冷却がコイルで直接に発生するので、本発明の冷却はずっと改良されている。
【００２５】
冷却管は、コイル間で得られる空間に依存するいかなる径を有してもよい。コイル幅は、増加された冷却利点が銅容量の損失を相殺する場合に、冷却管にコイル間で得られる空間を増加させるために減少可能である。典型的な冷却管の径は３乃至６ｍｍの範囲である。管はコギングを回避するために非磁性でなければならない。銅、アルミニウム又はプラスチックのいずれも適している。
【００２６】
更なる実施形態では、同一の製造容易性と高性能構造が、図２に示すように、埋設された磁石回転子設計の利用により、更に強化可能である。スロットモータにおいて、モータのエアギャップ内の磁場を強くするために磁束焦点を生成するか、モータリラクタンストルク成分を増加するために、埋設された磁石回転子設計は既知である（例えば、フォルクロドの米国特許第４，１２７，７８６号を参照のこと）。また、埋設された磁石は、回転子鉄心に埋め込まれているために、遠心力から自動的に制約を受ける。
【００２７】
埋設された磁石の実施形態においては、バック鉄心３０とコイル４０とを有する固定子構造は本質的に図１と同様である。磁石４２は埋め込まれており、回転子面上には搭載されない。その結果、モータリラクタンストルクを増加するために、磁束路が回転子鉄心を通過する。スロットレスモータにおいては、埋設された磁石設計の主要な長所は、モータのエアギャップ内の磁場を強化することであり、更なる磁性材料を添加せずにモータ出力トルクを増加させることである。
【００２８】
また、埋設された磁石を有する回転子の代わりとして、表面磁石が図３に示すいわゆるハルバッハ配列で配置可能である。ハルバッハ配列は、モータのエアギャップにおける磁場を強化するものとして知られている。ハルバッハ配列においては、磁石は回転子鉄心に搭載された面である。磁石２０は、磁束が磁石２０と磁気エアギャップを介して回転子鉄心から半径方向外側に流れるように磁極化されている。磁石２２は、磁束が半径方向内側に流れるように磁化されている。磁石２１は、磁石２０から磁石２２に向かって表面磁束を形成し、磁石２３は磁石２０から磁石２２に表面流れを形成する。本発明による構成を組み合わせると、ハルバッハ配列回転子は、典型的に更なる１０乃至３０％の改善の範囲内で、トルク出力を増加させることができる。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態を図示及び説明したが、これは開示を限定する意図ではなく、添付の特許請求の範囲又はその均等物に定義されているように、本発明の要旨及び範囲に該当する全ての変形、代替的な方法及び装置を包含する趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、予め巻かれた集中巻を利用する本発明に従って製造された円筒モータの断面図である。図１Ａは、図１のモータを製造する際に使用される、予め巻かれた巻線の集中コイルを示す。図１Ｂは、冷却管が付加された予め巻かれた巻線の集中コイルを示す
【図２】埋設された磁石を有する円筒モータの実施形態の断面図である。
【図３】ハルバッハ配列の回転子磁石を示す。

Claims (15)

1. 少なくとも一の永久磁石と巻線と、エアギャップと、バック鉄心とを有し、前記磁石、巻線、エアギャップ及びバック鉄心を通じて磁路を完成する高性能スロットレス電気モータを製造する方法であって、
   （１）　前記巻線に対して複数の一般に同軸螺旋状のコイルを形成するステップと、
   （２）　重ならずに集中された方法で前記バック鉄心に前記コイルを配置するステップと、
   （３）　前記バック鉄心の所定位置に前記巻線を固定する樹脂を前記巻線に注入するステップとを有する方法。
2. 前記樹脂は良好な電気絶縁特性と良好な熱伝導性を与えるように選択される請求項１記載の方法。
3. 前記バック鉄心に対する前記巻線の回転を防止する固定凹部に樹脂は流れ込む請求項２記載の方法。
4. 前記巻線から熱を除去する冷却剤の通路を更に与える請求項１記載の方法。
5. 前記永久磁石を搭載する面を更に有する請求項１記載の方法。
6. 前記永久磁石は埋め込まれている請求項１記載の方法。
7. 前記永久磁石はハルバッハ配列で配置されている請求項１記載の方法。
8. 少なくとも一の永久磁石と巻線と、エアギャップと、バック鉄心とを有し、前記磁石、巻線、エアギャップ及びバック鉄心を通じて磁路を完成する高性能スロットレス電気モータを製造する方法であって、
   （１）　前記巻線に磁気活性領域において直線部を有する複数の一般に同軸螺旋状のコイルを形成するステップと、
   （２）　最大銅充填に対する理想的な配置を改善するために前記形成されたコイルを加熱及び加圧するステップと、
   （３）　重ならずに集中された方式で前記バック鉄心内に前記コイルを配置するステップと、
   （４）　前記バック鉄心の所定位置にあるときに前記巻線に樹脂を注入するステップとを有する方法。
9. 前記銅充填は少なくとも７０％である請求項８記載の方法。
10. 前記エアギャップの前記銅充填は７０乃至９０％である請求項８記載の方法。
11. 少なくとも一の永久磁石と巻線と、エアギャップと、バック鉄心とを有し、前記磁石、巻線、エアギャップ及びバック鉄心を通じての磁路を完成する高性能スロットレス電気モータを製造する方法であって、
    （１）　前記巻線に複数の一般に同軸螺旋状のコイルを形成するステップと、
    （２）　前記エアギャップに７０乃至９０％の銅充填を達成するために重ならずに集中された方式で前記エアギャップ内に前記コイルを配置するステップと、
    （３）　前記バック鉄心の所定位置にあるときに樹脂を前記巻線に注入するステップと、
    （４）　最大銅充填に理想的な配置を得るために前記形成されたコイルを加圧するステップとを有する方法。
12. 前記銅充填は少なくとも７０％である請求項１１記載の光方法。
13. 前記コイルは、前記エアギャップ内で７０乃至９０％の銅充填を達成するために、重ならずに集中された方式で前記エアギャップ内に配置される請求項１２記載の方法。
14. 高性能スロットレス電気モータを製造する方法であって、
    （１）　集中され、重ならないコイルの巻線を形成するステップと、
    （２）　前記コイルを並行して重ねずに配置しながら、前記巻線を前記モータの前記バック鉄心内に配置するステップと、
    （３）　良好な電気絶縁性と良好な熱伝導性とを有する樹脂を前記巻線に注入するステップとを有する方法。
15. （１）少なくとも一の永久磁石と、
    （２）　バック鉄心と、
    （３）　集中され、重ならないコイルからなる銅巻線と、
    （４）　エアギャップと、
    （５）　前記バック鉄心、前記永久磁石、前記銅巻線及び前記エアギャップを通じた磁路とを有し
    （６）　前記巻線には樹脂が詰め込まれているスロットレス電気モータ。

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