JP5974401B2

JP5974401B2 - 電気機械用ステータ

Info

Publication number: JP5974401B2
Application number: JP2014535156A
Authority: JP
Inventors: マークエドワードリーバー; スティーブングリーサム; ケネスリー
Original assignee: ダイソンテクノロジーリミテッド
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: WO2013054067A3; JP2014528690A; US20140319955A1; WO2013054067A2; GB2495544B; GB2495544A; GB201117770D0

Description

本発明は、電気機械のためのステータ、及び、かかるステータを組込んだ電気機械に関する。

一般に、ステータのコイルは、ボビンに巻かれる。ボビンの寸法は、所定のワイヤ直径及び巻き部の数（巻き数）について、一般に、コイルの最初の巻き部及び最後の巻き部がボビンの一方の端部に配置されるように定められる。これにより、コイルを張力下に維持しながら、コイルの自由端が電気端子に接続されることを可能にする。

同じステータに対して異なるコイル形態を使用する必要がある場合がある。例えば、多くの国の商用電源の電圧及び／又は周波数が異なるので、ワイヤ径及び／又は巻き部の数が異なるコイルが必要とされる。各コイル形態のために、一般に、最初の巻き部及び最後の巻き部がボビンの一方の端部に配置される異なるボビンが必要とされる。

しかしながら、異なるボビンを準備することは、製造コストを増大させる。

本発明は、第１の側面において、ステータであって、ボビンに巻かれたコイルを有し、コイルは、複数の層をなして巻かれ、各層は、ボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を有し、最外層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きい、ステータを提供する。

従って、最外層は、下層よりも少ない巻き部しか有しない。最外層の巻き部は、ボビンの両端部の間に延び、コイルは、張力下に維持される。従って、同じボビンを用いて、張力のロスなしに異なるコイル形態を使用することができる。

用語「巻き部ピッチ」は、隣接した巻き部の間の中心間距離を意味すると理解すべきである。最外層は、その長さ方向にわたって、均一な巻き部ピッチを有していてもよいし、不均一な巻き部ピッチを有していてもよい。しかしながら、最外層の巻き部ピッチは、最外層の全長にわたって平均するとき、下層の巻き部ピッチよりも大きい。コイルの最初の巻き部の始まりと、コイルの最後の巻き部の終わりは、ボビンの同じ端部にあるのがよい。特に、最初の巻き部の始まりと、最後の巻き部の終わりは、ボビンの後部にあるのがよい。従って、コイルを回路基板等に接続するための電気端子は、ボビンの同じ端部に配置される。これにより、電気機械内におけるステータの組立てを簡易にする。さらに、ステータが追加のコイルを有する場合、必要であれば、２つのコイルの端部は、適宜接続されてもよい。

最外層のすぐ下の層は、下層よりも大きな巻き部ピッチを有する。特に、最外層及びそのすぐ下の層は、同じ巻き部ピッチを有するのがよい。その結果、コイルは、コイル形態と無関係に、コイルの最初の巻き部の始まりと最後の巻き部の終わりがボビンの同じ端部にあるように巻かれる。

最外層の巻き部、及び、そのすぐ下の層の巻き部は、交差パターンを形成するのがよい。その結果、最外層の巻き部は、そのすぐ下の層の巻き部を押さえる。従って、最外層の巻き部は、張力下に維持され、２つの層の巻き部はボビンの端部に移動しない。巻き部はボビンの上部及び底部で交差し、さらに巻き部は、ボビンの側部で互いに横に位置する。その結果、比較的高い充填率を実現することができる。

ステータは、Ｃ字形コアを有し、Ｃ字形コアは、背部と、背部の両端部から延びる一対のアームを有するのがよい。ボビンが、アームの一方に設けられ、ステータが、アームの他方に、更なるボビンを有していてもよい。更なるコイルは、更なるボビンに巻かれ、更なるコイルは、複数の層に巻かれ、各層は、更なるボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含む。最外層は、下層よりも大きな巻き部ピッチを有する。各コイルの最外層の巻き部は、ボビンの両端部の間に延びるので、ステータの各アームの間の磁束漏れを減少させる。

第２の側面において、本発明は、ロータと、前記パラグラフに記載のステータとを有する電気機械を提供する。

第３の側面において、本発明は、電気機械であって、ロータと、ステータとを有し、ステータは、ロータの周りに配置された複数のステータ要素を含み、ステータ要素の各々は、コアと、ボビンと、コイルを含み、コイルは、ボビンに複数の層をなして巻かれ、層の各々は、ボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含み、最外層は下層よりも大きな巻き部ピッチを有する、電気機械を提供する。

コイルの最外層の巻き部は、ボビンの両端部の間に延びるので、各ステータ要素のコイルは、張力下に維持される。さらに、各ステータ要素の間の磁束漏れを減少させる。

各ステータ要素は、更なるボビン及び更なるコイルを備え、更なるコイルは複数の層をなして前記更なるボビンに巻かれ、各層は、更なるボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含み、最外層は、下層よりも大きい巻き部ピッチを有する。各ステータ要素のコアの周りに更なるコイルを設けることで、磁束漏れを更に減少させる。

コアはＣ字形であるのがよく、背部と、背部の両端部から延びる一対のアームを有する。ボビンは、アームの一方に設けられ、更なるボビンは、アームの他方に設けられる。各ボビンがコアのアーム上に設けられることにより、各アームの間の磁束漏れを減少させる。

本発明を容易に理解できるように、添付図面を参照して、本発明の実施形態を例示的に以下に説明する。

図３の線Ｙ−Ｙにおける本発明による電気機械の平面断面図である。電気機械の平面図である。図２の線Ｘ−Ｘにおける本発明による電気機械の側面断面図である。本発明と異なるステータの一部分の平面断面図である。本発明と異なる別のステータの一部分の平面断面図である。

図１〜図３の電気機械１は、ロータ２と、ステータ３を有する。ロータ２は、シャフト５に支持された４極の永久磁石４を有する。ステータ３は、ロータ２の両側に配置された２つのステータ要素６、７を有する。

各ステータ要素６、７は、コア８と、ボビン要素９と、一対のコイル１０、１１を有する。

コア８は、略Ｃ字形であり、背部１２と、背部１２の両端部から延びる２つのアーム１３、１４を有する。各アーム１３、１４は、ロータ２に向かって延び且つ自由端部を有し、自由端部は、極面１５、１６を構成する。

ボビン要素９は、ブリッジ壁１９によって連結された２つのボビン１７、１８を有する。各ボビン１７、１８は、中空管２０と、前フランジ２１と、後フランジ２２を有し、各フランジ２１、２２は、中空管２０の端部から外方に延びる。各ボビン１７、１８の中空管２０は、コア８のアーム１３、１４を包囲する。この場合、前フランジ２１は、極面１５、１６に近い方であり、後フランジ２２は、極面１５、１６から遠い方である。ブリッジ壁１９は、２つのボビン１７、１８の後フランジ２２の間に延び、これらを連結する。

各コイル１０、１１は、それぞれのボビン１７、１８に巻かれたワイヤを含む。単一のワイヤが、ステータ要素６、７の両方のコイル１０、１１に用いられるのがよい。変形例として、別個のワイヤが、各コイル１０、１１に用いられてもよい。各コイル１０、１１は、複数の層２３を含み、各層２３は、複数の巻き部を有し、複数の巻き部は、フランジ２１、２２で境界が定められたボビン１７、１８の両端部の間を延びる。コイル１０、１１の最外層２３ｃ及び最外層のすぐ下の層２３ｂ以外の、コイル１０、１１の各下層２３ａは、同じ巻き部ピッチを有する。従って、下層２３ａは、同じ又はほぼ同じ巻き部の数（巻き数）を有する。実際の巻き部の数は、隣接した層の間でわずかに異なり、これは、巻き部が互いに上に位置する仕方による。

最外層のすぐ下の層２３ｂを、以下、簡単のために、隣接層２３ｂという。最外層２３ｃ及び隣接層２３ｂの巻き部ピッチは、下層２３ａの巻き部ピッチよりも大きい。さらに、最外層２３ｃと隣接層２３ｂは、同じ巻き部ピッチを有し、かくして、同じ又はほぼ同じ巻き部の数を有する。分かりやすくするために、図１〜図３において、下層２３ａの巻き部は、陰影なしであり、隣接層２３ｂの巻き部は、全体に陰影が付され、最外層２３の巻き部は、部分的に陰影が付されている。

最外層２３ｃの巻き部及び隣接層２３ｂの巻き部は一緒に、交差パターンを形成する。特に、図２に示すように、最外層２３ｃの巻き部は、ボビン１７、１８の上部及び底部において隣接層２３ｂの巻き部の上を横切る。従って、図３に示すように、最外層２３ｃの巻き部及び隣接層２３ｂの巻き部は、ボビン１７、１８の２つの側部に沿って互いに横に位置する。

最外層２３ｃ及び隣接層２３ｂが比較的大きい巻き部ピッチを採用することによって、同じボビン１７、１８において、各コイル１０、１１の異なる形態（例えば、ワイヤ直径及び巻き部の数）を使用することができる。コイル１０、１１の各層２３がボビン１７、１８の長さ方向に延びているので、コイル１０、１１の最初の巻き部の始まり及びコイル１０、１１の最後の巻き部が終わりは、ボビン１７、１８の端部にある。その結果、各コイル１０、１１は、採用される形態と関係なしに、張力下に維持される。

交差パターンを形成するとき、最外層２３ｃの巻き部は、隣接層２３ｂの巻き部を押さえるように作用する。このとき、最外層２３ｃの巻き部は、最外層２３ｃの巻き部及び隣接層２３ｂの巻き部をボビン１７、１８の後部に移動させることなしに、張力下に維持される。

最外層２３ｃの巻き部及び隣接層２３ｂの巻き部は、ボビン１７、１８の側部で互いに横に位置する。その結果、２つの層２３ｂ、２３ｃの巻き部は、図１に示すようにボビン１７、１８の側面に沿って同一平面に位置する。結果的に、各ステータ要素６、７に対して比較的高い充填率を実現することができる。

各コイル１０、１１の巻き部の総数は、ステータ３の電磁気要件によって決まる。図１〜図３に示す特定の実施形態では、各コイル１０、１１は、７０の巻き部を有する。しかしながら、コイル１０、１１の所定のワイヤ直径のために、ボビン１７、１８は、その長さ方向に最大１６の巻き部しか収容することができない。前述のように、最外層２３ｃ及び隣接層２３ｂの巻き部の数は、下層２３ａの巻き部の数よりも少ない。第１から第４の層２３ａ（つまり下層）の各々の巻き部の数は１６であり、第５層２３ｂ（つまり隣接層）の巻き部の数は３であり、第６層２３ｃ（つまり最外層）の巻き部の数は３である。

７０の巻き部を各ボビン１７、１８に巻く他の方法が存在する。例えば、図４は、第１〜第４の層３３ａの各々の巻き部の数は１６であり、第５層３３ｃ（つまり最外層）の巻き部の数は６であるステータ３０を示す。矢印は、各層３３をボビン３２上に巻く方向を示す。この構成の問題点は、コイル３３の最後の巻き部が、ボビン３２の長さに沿う途中で終わることである。従って、コイル３３を形成するワイヤを、ボビン３２の後部に戻らなければならない。その結果、最外層３３の巻き部は、張力下に維持されず、ボビン３２の後部に広がって移動する場合がある。このことは、ステータ３０の電磁気性能に悪影響を及ぼすであろう。図５は、この問題を解決した別のステータ４０を示す。第１〜第４の層４３ａの各々の巻き部の数は１６であり、第５層４３ｂ（つまり隣接層）の巻き部の数は３であり、第６層４３ｃ（つまり最外層）の巻き部の数は３である。この場合、コイル４３の最後の巻き部がボビン４２の後部に位置するので、巻き部は張力下に維持される。しかしながら、図１〜図３に示すステータ３に比べると、図５のステータ４０は、以下に説明するように大きなインダクタンスを有する。

電気機械１の作動中、磁束は、２つのステータ要素６、７の間、並びに、各ステータ要素６、７の２つのアーム１３、１４の間から漏れる。この磁束漏れにより、ステータ３のインダクタンスを増大させる。各コイル１０、１１は、磁束漏れのバリヤとして作用する。その結果、コイル１０、１１が巻かれるコア８の領域では、磁束漏れが減少する。更に、コア８の特定の部分の巻き部の数が増えると、コア８のこの部分からの磁束漏れが低下する。

図５に示すステータ４０では、最外層４３ｃ及び隣接層４３ｂの巻き部は、ボビン４２の長さの５分の１だけ延びる。更に、２つの層４３ｂ、４３ｃの巻き部は、ボビン４２の後部に位置する。その結果、最外層及び隣接層４３ｂ、４３ｃで覆われていない、コア４１の各アームの前部からの磁束漏れが増加する。従って、２つのステータ要素の間、及び各ステータ要素の各アームの間で大きな磁束漏れが生じる。対照的に、図１〜図３に示すステータ３では、最外層２３ｃの巻き部及び隣接層２３ｂの巻き部は各ボビン１７、１８の全長にわたって延びる。従って、各コア８の各アーム１３、１４の間の磁束漏れは減少する。更に、巻き部がボビン１７、１８の前端部に存在するので、２つのステータ要素６、７の間の磁束漏れは減少する。従って、図１〜図３のステータ３は、各コイル１０、１１の巻き部が張力下に確実に維持され、且つ、インダクタンスが減少するという利点がある。

図１〜図３のステータ３では、最外層２３ｃ及び隣接層２３ｂの各々は、下層２３ａよりも大きい巻き部ピッチを有する。しかしながら、所要の巻き部の数に応じて、隣接層２３ｂは、下層２３ａと同じ巻き部ピッチを有していてもよい。例えば、各コイル１０、１１の巻き部の数が８５の場合、第１〜第５の層２３ａ、２３ｂの各々の巻き部の数は１６であり、最外層２３の巻き部の数は５である。もしくは、第１〜第４の層２３ａの各々の巻き部の数は１６であり、隣接層２３ｂの巻き部の数は１１であり、最外層２３ｃの巻き部の数は１０である。従って、隣接層２３ｂが最外層２３ｃと同じ巻き部ピッチであること又は巻き部の数を有することは必須ではない。

最外層２３ｃ及び隣接層２３ｂの各々は、均一な巻き部ピッチを有し、このことは、巻き部ピッチが層の長さ方向に変化しないことを意味する。しかしながら、最外層２３ｃ及び／又は隣接層２３ｂは、不均一な巻き部ピッチを有していてもよい。詳細には、巻き部ピッチは、ボビン１７、１８の前端部で小さくすることができる。その結果、ボビン１７、１８の前端部には、より多くの巻き部が位置し、かくして、ステータ要素６、７の間の磁束漏れを更に減少させることができる。巻き部ピッチは不均一であってもよいが、最外層２３ｃ及び／又は隣接層２３ｂの全長にわたる平均巻き部ピッチは、下層２３ａの巻き部ピッチよりも小さい。

図１〜図３に示すステータ３では、ボビン１７、１８の同じ側で各コイル１０、１１の最初の巻き部が始まり、各コイル１０、１１の最後の巻き部が終わる。各ステータ要素６、７のコイル１０、１１に別個のワイヤを用いる場合、一方のワイヤの自由端は、単相巻線を形成するために、他方のワイヤの自由端と適宜接続すれる。さらに、コイル１０、１１を回路基板等に接続するための電気端子（図示せず）は、ボビン１７、１８の同じ端部に配置されるのがよい。例えば、ボビン１７、１８の各フランジ２１、２２は、電気端子を配置するための凹部を含んでいてもよい。これにより、電気機械１内のステータ３の組立が簡素化される。図１〜図３に示す実施形態では、コイル１０、１１は、ボビン１７、１８上で図４及び５に示す方向と同じ方向に巻かれている。その結果、各ボビン１７、１８の後部で、各コイル１０、１１の最初の巻き部が始まり、最後の巻き部が終わる。これにより、電気端子を一般により大きな空間が存在するボビン１７、１８の後部に配置できるという利点がもたらされる。しかしながら、場合によっては、コイル１０、１１は、ボビン１７、１８の前部で最初の巻き部が始まり最後の巻き部が終わるようにボビン１７、１８の周りに巻かれてもよい。

Claims

ステータであって、
ボビンに巻かれたコイルを有し、前記コイルは、複数の層をなして巻かれ、前記層の各々は、前記ボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含み、最外層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きく、前記最外層のすぐ下の層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きい、ステータ。
ステータであって、
ボビンに巻かれたコイルを有し、前記コイルは、複数の層をなして巻かれ、前記層の各々は、前記ボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含み、最外層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きく、前記最外層及び前記最外層のすぐ下の層は、同じ巻き部ピッチを有する、ステータ。
ステータであって、
ボビンに巻かれたコイルを有し、前記コイルは、複数の層をなして巻かれ、前記層の各々は、前記ボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含み、最外層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きく、前記最外層の巻き部及び前記最外層のすぐ下の層の巻き部は、交差パターンを形成する、ステータ。
前記巻き部は、前記ボビンの上部と底部のところで交差し、前記ボビンの側部のところで互いに横に位置する、請求項３に記載のステータ。
前記コイルの最初の巻き部の始まり及び前記コイルの最後の巻き部の終わりは、前記ボビンの同じ端部にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載のステータ。
前記ステータは、Ｃ字形コアを含み、前記Ｃ字形コアは、背部と、前記背部の両端部から延びる一対のアームと、を有し、前記ボビンは、前記一対のアームの一方に設けられ、前記ステータは、前記一対のアームの他方に設けられる更なるボビンを有し、更なるコイルが、前記更なるボビンに複数の層をなして巻かれ、前記層の各々は、前記更なるボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を有し、前記最外層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載のステータ。
ロータと、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のステータと、を有する電気機械。
電気機械であって、
ロータと、ステータと、を有し、
前記ステータは、前記ロータの周りに配置された複数のステータ要素を有し、前記ステータ要素の各々は、コアと、ボビンと、コイルと、を有し、前記コイルは、前記ボビンに複数の層をなして巻かれ、前記層の各々は、前記ボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含み、最外層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きく、前記最外層のすぐ下の層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きい、電気機械。
電気機械であって、
ロータと、ステータと、を有し、
前記ステータは、前記ロータの周りに配置された複数のステータ要素を有し、前記ステータ要素の各々は、コアと、ボビンと、コイルと、を有し、前記コイルは、前記ボビンに複数の層をなして巻かれ、前記層の各々は、前記ボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含み、最外層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きく、前記最外層及び前記最外層のすぐ下の層は、同じ巻き部ピッチを有する、電気機械。
電気機械であって、
ロータと、ステータと、を有し、
前記ステータは、前記ロータの周りに配置された複数のステータ要素を有し、前記ステータ要素の各々は、コアと、ボビンと、コイルと、を有し、前記コイルは、前記ボビンに複数の層をなして巻かれ、前記層の各々は、前記ボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含み、最外層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きく、前記最外層の巻き部及び前記最外層のすぐ下の層の巻き部は、交差パターンを形成する、電気機械。
前記ステータ要素の各々は、更なるボビンと、更なるコイルを有し、前記更なるコイルは、前記更なるボビンに複数の層をなして巻かれ、前記層の各々は、前記更なるボビンの両端部の間に延びる複数の巻き部を含み、前記最外層の巻き部ピッチは、下層の巻き部ピッチよりも大きい、請求項８〜１０の何れか１項に記載の電気機械。
前記コアはＣ字形であり、背部と、前記背部の両端部から延びる一対のアームを有し、前記ボビンは、前記一対のアームの一方に設けられ、前記更なるボビンは、前記一対のアームの他方に設けられる、請求項１１に記載の電気機械。