JP2013198398A - 中空円筒型空芯巻線 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機用の中空円筒型空芯巻線を改良することにある。
【解決手段】本発明は、電動機用の中空円筒型空芯巻線に関し、この巻線は、巻線の周囲にわたって分布される複数のシングルコイルを備え、各シングルコイルは、巻線の軸と直交する巻回軸の周りに螺旋状に巻回された複数のターンを備え、一連のシングルコイルは、屋根瓦状にオーバーラップする。本発明によれば、少なくとも２つの相巻線を備える巻線であって、相巻線のそれぞれが数個のシングルコイルからなる巻線が提供される。これらの相巻線は、中空円筒型巻線の円周方向において互いにオフセットされて、第１の相巻線のシングルコイルは、中空円筒型巻線の円周方向において第２の相巻線のシングルコイルの間に配置される。相巻線のそれぞれは、連続するワイヤから巻回される。
【選択図】図１

Description

本発明は、独立の請求項１の前文による電動機用の中空円筒型空芯巻線に関する。

従来、複数のシングルコイルを備える電動機用の中空円筒型空芯巻線であって、シングルコイルが中空円筒型巻線の円周にわたって配置され、互いに屋根瓦状にオーバーラップする空芯巻線が知られている。各シングルコイルは、ワイヤから巻回され、数個のターンを有する。中空円筒型空芯巻線の特徴として、巻線のコイルは、スロットが形成された鉄芯に巻回されるのではなく、自立型となるように設計される。このコイルは、しばしば焼付けエナメル線から巻回される。これにより、シングルコイルの個々のターンは、巻き上げ終えた後に焼成することで互いに固まるため、コイル及び巻線全体の安定性をもたらす。

このような中空円筒型空芯巻線は、小型の機械整流式電動機の回転子と、電子整流式電動機の固定子との双方において使用される。中空円筒型空芯巻線を備える機械整流式ＤＣ電動機は、ベルタイプの電機子電動機又は空芯電機子を備える電動機としても知られている。中空円筒型空芯固定子巻線を備える電子整流式電動機は、ノンスロット電動機又はＥＣ電動機とも呼ばれる。

このような電動機の利点には、高効率、戻り止めトルクからの自由度、及び線形制御特性がある。

特許文献１によれば、中空円筒型空芯巻線の製造方法が知られており、これはシングルコイルが巻線の円周にわたって配置され、屋根瓦状に互いにオーバーラップする。この方法は、シングルコイルのターンが互いに平行にオフセットされる巻線の製造に適しているに過ぎない。

特許文献２によれば、冒頭に記載したタイプの中空円筒型空芯巻線が知られている。この巻線において、各シングルコイルのターンは、中空円筒型巻線の軸と直交する巻回軸の周りに螺旋状に巻回される。ターンが互いに平行にオフセットされる特許文献１による巻線と比較して、この設計は、特に巻線スペースを最適に利用できるという利点がある。従って、螺旋状の巻線により電力密度の最適化が達成される。特許文献２により知られている中空円筒型巻線のシングルコイルの各々は、別個のワイヤから巻回される。各シングルコイルのワイヤ端部は、巻線の外に引き出され、別々に接触されなければならない。このシングルコイルは、所望の精度及び形状とするために、別々に製造されることが記載されている。接触を容易にするため、隣接するシングルコイルのワイヤ端部を捻り合わせることができる。

米国特許第５，２９４，８５５号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０５１０５９号公報

本発明の目的は、冒頭に記載したタイプの中空円筒型空芯巻線を改良して、接触を更に容易にし、シングルコイルの故障リスクを好ましくは低下させることにある。本発明の更なる目的は、冒頭に記載したタイプの中空円筒型空芯巻線であって、好ましくは簡素且つ迅速なマルチピン電動機の製造を可能にする空芯巻線を提供することにある。

本目的は、独立の請求項１の特徴により達成される。従って、本発明による解決手段は、少なくとも２つの相巻線を備える巻線であって、相巻線のそれぞれは、数個のシングルコイルからなり、更に相巻線は、中空円筒型巻線の円周方向において互いにオフセットされ、第１の相巻線のシングルコイルは中空円筒型巻線の円周方向において第２の相巻線のシングルコイルの間に配置され、相巻線のそれぞれは１つの連続するワイヤから巻回される、巻線にある。

本発明は、巻線の各コイルを個々に接触させる必要がないという利点がある。このため巻線の接触は、より容易で低コストになる。ワイヤ端部を互いに捻り合わせるシングルコイルを備える巻線と比較して、本発明による解決手段では、シングルコイルの故障リスクがはるかに低下する。これは、捻り合わせることによって、捻り合わせたワイヤ端部が互いに引き離されるリスク、又は、例えば腐食によりワイヤ端部の間の境界抵抗が次第に増大するリスクがあるためである。本発明による中空円筒型空芯巻線は、従って、複数のシングルコイルを備えるよく知られたマルチピン電動機の製造に特に適している。

相巻線の巻線端部は、星型又は三角形の配置で接続することができる。配線のため、プリント回路基板を設けることができる。本発明による巻線では、接触させる巻線端部の数が、巻線に含まれるシングルコイルの数に比べて少ない。このため、従来の設計と比べてプリント回路基板を極めて小さくすることができる。巻線端部の数が少ないことにより、プリント回路基板を完全になしで済ますこともできる。従って、本発明による巻線を用いることにより、当該巻線を装備する電動機の製造困難性及びコストの双方が低減される。プリント回路基板を用いない場合、巻線端部は互いに直接に接続することができ、及び／又は電動機の接続部に直接に接続することができる。好適には、この接続は半田付けにより行われる。

本発明の有利な実施態様は、従属項の主題である。

本発明の特に好適な実施態様において、連続するワイヤの接続区分は、中空円筒型巻線の軸に対して相巻線に係る一連のシングルコイルの間に延出させ、シングルコイルに対し半径方向にオフセットさせる。このようにして、中空円筒型巻線に係る個々の相巻線の１つを他の相巻線に差し込むことができる。従って、個々の相巻線をそれぞれ非常に精密に作製することができ、その後に巻線グループに加えることができる。特に好適には、これらの接続区分は、相巻線に係る一連のシングルコイルの間でシングルコイルによって形成される中空円筒型巻線内に半径方向に延出させる。従って、非常にコンパクトな巻線が実現される。

また好適には、ワイヤは、相巻線に係る２つの一連のシングルコイルの間に延出させ、かつ、中空円筒型巻線の軸端においてこれら２つのシングルコイルから、はじめは中空円筒型巻線の軸にそれぞれ向かって、その後は巻線の内側から半径方向に少しの距離をおいて２つのコイルの間に延出させる。このようにして、第１の相巻線を、第２の相巻線に係るコイルの間に差し込み易くする。従って、シングルコイルは、相巻線を互いに差し込む際にぶつかりあうことを容易に回避でき、容易に寄せ合わせることができる。シングルコイルから巻線の軸に向かってワイヤを直接延出させることは、必須ではない。好適には、しかしながら、ワイヤは、軸に向かって延びる部分において、少なくとも各シングルコイルの巻回軸に対して平行に延出させる。

更にとりわけ好適には、第２の相巻線に係る接続区分は、第１の相巻線に係る接続区分に対して、中空円筒型巻線の軸方向にオフセットさせる。このようにして、異なる相巻線のコイルを互いに完全に差し込むことができる。例えば、第２の相巻線におけるワイヤは、はじめは各コイルにおいて中空円筒型巻線の外にほんの少しだけ軸方向に引き出されており、第１の相巻線に係るコイルの間の接続区分は、中空円筒型巻線の軸端において直接延出させることができる。追加的に設けられる相巻線において、ワイヤは、接続区分の端部において、軸方向にいくらか更に長く引き出さなければならない。

更に、第１の相巻線に係る一連のシングルコイルの間の接続区分及び第２の相巻線に係る一連のシングルコイルの間の接続区分は、中空円筒型巻線の異なる軸端に配置することができる。本実施形態においても、２つの異なる相巻線のコイルを互いにとりわけ容易に差し込むことができる。本実施形態は、２つの異なる相巻線のみを設ける場合に特に適している。

本発明の更にとりわけ好適な実施形態において、巻線は３つの相巻線を備えるようにする。本実施形態は、２つ以上の回転子極を備える電子整流式電動機に特に適している。例えば、回転子は４個以上３２個以下の回転子極を備えてもよい。

本発明の他の実施形態において、シングルコイルは、第１の領域と第２の領域を備え、第１の領域と第２の領域との間は、中空円筒型巻線の軸に対して半径方向にオフセットされ、隣接するシングルコイルの第１の領域にコイルの第２の領域が位置して屋根瓦状にオーバーラップする。このため、極めてコンパクトな設計が実現される。これら２つの領域は、好適には、中空円筒型巻線の軸周囲の円筒表面にそれぞれ位置させる。第２の領域の円筒表面は、より大きな径を有しており、このことは第１の領域の円筒表面よりも第２の領域の円筒表面のほうが中空円筒型巻線の軸からより長い距離に延出していることを意味する。シングルコイルの巻線は、半分が第１の円筒表面において、もう半分が第２の円筒表面において、互いに平行に延出する。オフセット個所で、円筒表面はそれぞれ上下する。

好適には、シングルコイルのターンは、オフセットの領域にバルジを有する。このバルジによって、オフセットの形成のためにワイヤの十分な長さが確保される。従って、巻回作業の後にオフセットを生成できるため、オフセットの領域でワイヤが傷ついたり、千切れたりする恐れがない。オフセットの領域におけるバルジは、好適にはヘアピン状又はループ状のバルジとすることができる。

本発明の他の好適な実施形態において、１つのシングルコイルに係るターンの基本的形状の投影は、巻回軸に垂直な平面において六角形又はひし形である。このようにして、利用可能な巻線スペースの最適な利用が達成される。他の基本的形状、特に特許文献２において知られる基本的形状も可能である。

本発明の他の好適な実施形態において、相巻線は、撚り線から巻回する。撚り線は、ワイヤが極めて柔軟であり、非常に小さい径であっても破壊することなく巻回することができる。その上、作成済みの相巻線を破壊することなく互いに差し込むことができる。撚り線により達成される柔軟性によって、相巻線を互いに差し込む際に場合によって必要となる、相巻線の微小な変形を許容することもできる。しかしながら、相巻線の作製には他のワイヤも使用可能である。特に好適には、断面が長方形のワイヤが採用される。それによって、スペースのより良い利用が達成される。ワイヤが焼付けエナメル線で設計される場合、巻線はその作製後に更に焼成することにより、巻線の安定性を向上させることができる。

本発明の他の実施形態において、相巻線の一連のコイルは、反対の方向に巻回する。それにより、いくつかの巻線の集まりによって、巻線により生成される磁界を有利に重畳させることができる。

本発明は、更に、回転子及び固定子を備える電動機を提供する。この電動機は電子整流式電動機として設計され、固定子は本発明による中空円筒型巻線を備える。本発明による中空円筒型巻線は、電子整流式電動機に特に適している。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照してより詳細に説明する。

本発明による中空円筒型空芯巻線の斜視図である。 図１における本発明による巻線の平面図である。 図１及び２における本発明による中空円筒型巻線に係る相巻線の斜視図である。 図３における相巻線の平面図である。 完成直前の図３及び４における相巻線の側面図である。 図５に示す相巻線に係るシングルコイルの概略図である。

以下の説明において、同一の部分は同一の参照番号により示される。図に対応する説明において明確に言及されない参照番号が図面に含まれている場合、前後の図の説明を参照する。

図１及び２は、本発明による中空円筒型空芯巻線１を異なる方向から見た図である。図１において、本発明による巻線１の軸４、上方軸端部１１、及び下方軸端部１２が示されている。本発明による巻線１は、基本的に複数のシングルコイル２．１，２．２及び２．３で構成される。これらのシングルコイルは、巻線１の円周にわたって配置され、一連のシングルコイルが互いに屋根瓦状にオーバーラップする。

図５及び６において特に理解できるように、本発明による巻線１のシングルコイルは、図６に示す巻回軸５の周りに螺旋状に撚り線２２から巻回される。各シングルコイルの巻回軸５は、本発明による中空円筒型巻線１の軸４と直交する。

本発明による中空円筒型巻線のシングルコイルは、３つのいわゆる相巻線６，７及び８に組み合わされる。第１の相巻線６を図３に示す。図３に示されるように、３つの相巻線６，７及び８のそれぞれは、１つの連続する撚り線から巻回される。図３に示す第１の相巻線６のシングルコイル２．１は、連続する撚り線の接続区分９．１を介して、それぞれが互いに連結される。撚り線の両端部は、相巻線６に係る２つの巻線終端部２１．１を形成する。図１に示す他の２つの相巻線７及び８は、基本的に相巻線６と同様に設計される。しかしながら、３つの相巻線６，７及び８は、互いに対して中空円筒型巻線１の円周方向にオフセットされて、３つの相巻線に係るシングルコイルはそれぞれ交互に続く。図１において明確に理解されるように、第２の相巻線７に係るシングルコイル２．２は第１の相巻線６に係るシングルコイル２．１の後に続き、第３の相巻線８に係るシングルコイル２．３は第２の相巻線７に係るシングルコイル２．２の後に続く。このパターンは、３つの相巻線６，７及び８のそれぞれが８つのシングルコイルを備える場合、中空円筒型巻線１の円周にわたって８回繰り返される。

図２に示すように、３つの相巻線に係る終端部もまた、中空円筒型巻線１の円周方向において、それぞれ異なる位置に配置される。図２において、第２の相巻線７に係る終端部は参照番号２１．２により示され、第３の相巻線８に係る終端部は参照番号２１．３により示される。

３つの相巻線６，７及び８を、図１に示すように互いに差し込み可能とするために、相巻線のシングルコイル間における撚り線の接続区分は、適切に設計されなければならない。図１に示すように、３つの相巻線に係る全ての接続区分９．１，９．２及び９．３は、中空円筒型巻線１の上方軸端部１１に配置される。全ての接続区分は、しかしながら、中空円筒型巻線１の内径に対して半径方向内側にオフセットされる。このことは、例えば、第１の相巻線６の平面図である図４において明確に理解できる。中空円筒型巻線に係る内壁の半径は、本図において参照番号１５で示される。第１の相巻線６の接続区分９．１は、この内壁から少し離れて延出し、それ故に中空円筒型巻線の軸４に向かっていくらかオフセットされる。このオフセットを実現するために、撚り線は、各シングルコイル２．１の始端及び終端の双方において上方軸端部１１から、はじめはいくらかの長さだけ中空円筒型巻線の軸４に向かって延出させる。この長さによって、撚り線の接続区分９．１が半径方向にオフセットされることになり、これは図３及び４において参照番号１０で示される。

なお、撚り線の一部１０は、必ずしも軸４に向かって延出させる必要はない。しかしながら、撚り線は、この部分において少なくとも各シングルコイル２．１の巻回軸５に対して平行に延出させるのが有利である。このようにして、第１の相巻線６に２つの他の相巻線７及び８を差し込むための十分なスペースが確保されることになる。図４に示すように、第1の相巻線６の接続区分９．１は、中空円筒型巻線の内径１５よりも小さい半径２３を有する仮想の内部円筒に対し接線方向に延出させる。接続区分９．１の接線方向に代えて、半径２３を有する軌道に沿って接続区分９．１を延出させることも考えられる。

図１及び２において、第２の相巻線７に係る接続区分９．２は、中空円筒型巻線１の軸方向に、第１の相巻線６に係る接続区分９．１の上方に延出することが見てとれる。第３の相巻線８に係る接続区分９．３もまた、最終的に第２の相巻線７に係る接続区分９．２の上方に延出する。従って、２つの相巻線７及び８にとっては、撚り線は、中空円筒型巻線の軸４に向かって延出する前に、シングルコイルの始端及び終端において、軸方向にそれぞれ上方に異なる程度に引き出される。あるいは、第２及び第３の相巻線に係る接続区分９．２及び９．３の配置は、第１の相巻線６に係る接続区分９．１の配置に対応する。

図６は、本発明による中空円筒型巻線に係るシングルコイルの巻き方を示す概略図である。撚り線２２は、シングルコイル２．１の巻回軸５の周りに螺旋状に数個のターン３に巻回され、巻線の基本的形状はひし形である。図６に示すように、ターン３は、１つのターンが他のターンに隣接して平行に延出する。図３及び４は、各コイルが第１の領域１３及び第２の領域１４を備え、これらの２つの領域の間で中空円筒型巻線の軸４に対して半径方向にオフセットされている様子を示す。ここでシングルコイルのターン３は、それぞれ単純に半分が第１の領域１３、もう半分が第２の領域１４において延出している。第１の領域１３は、中空円筒型巻線の軸４の周りで図４において示す小さな半径１５を有する円筒表面内に位置するのに対し、第２の領域１４は、中空円筒型巻線の軸４の周りでいくらか大きい半径１６を有する円筒表面内に位置する。シングルコイルの本実施形態は、図１に示すように、屋根瓦状にオーバーラップさせることを可能にする。第１の相巻線６のシングルコイル２．１に係る第２の領域１４は、それ故、第２の相巻線７のコイル２．２に係る第１の領域１３上に位置する。第２の相巻線７に係るコイル２．２と第３の相巻線８に係るコイル２．３との間において同様の結果となる。

図５は、ほぼ完成状態の製品としての第１の相巻線６を示す。シングルコイル２．１は、一平面内に巻回されて、シングルコイルの巻線はそれぞれ平坦面に延出する。従って、シングルコイル２．１は、図３及び４に示すオフセット１７を有しておらず、左右の領域も曲げられていないため、巻線は１つの円筒表面上に位置している。図５は、更に、２つの一連のコイル２．１の巻回方向が反対の実施形態を示す。図の中央に示されるシングルコイルは、巻回方向１９が反時計回りであり、右隣に示されるシングルコイルは、反対に、時計回り２０に巻回される。反対方向の巻回は、特別な巻線の配置において有利である。シングルコイルは、しかしながら、全てが同じ巻回方向に巻回されてもよい。製造過程において撚り線を傷つけることなく図３及び４に示すオフセット１７を作り出すことを可能とするために、シングルコイルの巻線３は、オフセット領域内において、図６に示すヘアピンバルジ１８を有する。バルジ１８は、作成されるオフセット領域においてワイヤの十分な長さが確保されることを保証する。

１ 中空円筒型空芯巻線
２．１，２．２，２．３ シングルコイル
３ ターン
４ 中空円筒型空芯巻線の巻線軸
５ シングルコイルの巻回軸
６ 第１の相巻線
７ 第２の相巻線
８ 第３の相巻線
９．１，９．２，９．３ 接続区分
１１ 上方軸端部
１２ 下方軸端部
１３ 第１の領域
１４ 第２の領域
１７ オフセット
１８ バルジ
２１．１，２１．２，２１．３ 相巻線の終端部
２２ ワイヤ

Claims (12)

1. 電動機用の中空円筒型空芯巻線（１）であって、該巻線（１）の円周にわたって分布するように配置される複数のシングルコイル（２．１，２．２，２．３）を備え、各シングルコイル（２．１，２．２，２．３）は、前記巻線（１）の軸（４）と直交する巻回軸（５）の周りに螺旋状に巻回された複数のターン（３）を備え、且つ一連の前記シングルコイル（２．１，２．２，２．３）は屋根瓦状にオーバーラップする中空円筒型空芯巻線（１）において、
   前記巻線（１）は、少なくとも２つの相巻線（６，７，８）を備え、
   前記各相巻線（６，７，８）は、数個の前記シングルコイル（２．１，２．２，２．３）からなり、
   前記相巻線（６，７，８）は、更に、前記中空円筒型巻線（１）の前記円周方向において互いにオフセットされて、第１の相巻線（６，７，８）の前記シングルコイル（２．１，２．２，２．３）は、前記中空円筒型巻線（１）の円周方向において、第２の相巻線（６，７，８）の前記シングルコイル（２．１，２．２，２．３）の間に配置され、且つ
   前記各相巻線（６，７，８）は、１つの連続するワイヤ（２２）から巻回される、
   ことを特徴とする中空円筒型空芯巻線（１）。
2. 請求項１に記載の巻線（１）において、前記連続するワイヤ（２２）の接続区分（９．１，９．２，９．３）が、前記中空円筒型巻線（１）の前記軸（４）に対して相巻線（６，７，８）に係る一連のシングルコイル（２．１，２．２，２．３）の間に延出し、前記シングルコイル（２．１，２．２，２．３）に対し半径方向にオフセットする、
   ことを特徴とする巻線（１）。
3. 請求項２に記載の巻線（１）において、前記ワイヤ（２２）は、シングルコイル（２．１，２．２，２．３）の双方から前記中空円筒型巻線（１）の軸端において、はじめは前記中空円筒型巻線（１）の前記軸（４）にそれぞれ向かって、その後は前記中空円筒型巻線（１）の内側から半径方向に距離をおいて、前記相巻線（６，７，８）に係る２つの一連のシングルコイル（２．１，２．２，２．３）の間に延出する、
   ことを特徴とする巻線（１）。
4. 請求項２又は３に記載の巻線（１）において、前記第２の相巻線（７）に係る前記接続区分（９．２）は、前記第１の相巻線（６，７，８）に係る前記接続区分（９．１）に対して、前記中空円筒型巻線（１）の前記軸（４）の方向にオフセットされる、
   ことを特徴とする巻線（１）。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の巻線（１）において、前記第１の相巻線（６）に係る一連のシングルコイル（２．１）の間の前記接続区分（９．１）及び前記第２の相巻線（７）に係る一連のシングルコイル（２．２）の間の前記接続区分（９．２）は、前記中空円筒型巻線（１）の異なる軸端（１１，１２）に配置される、
   ことを特徴とする巻線（１）。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の巻線（１）において、前記巻線（１）は、３つの相巻線（６，７，８）を備える、
   ことを特徴とする巻線（１）。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の巻線（１）において、前記シングルコイル（２．１，２．２，２．３）は、第１の領域（１３）及び第２の領域（１４）を備えており、前記第１の領域（１３）と前記第２の領域（１４）との間には、前記中空円筒型巻線（１）の前記軸（４）に対して半径方向のオフセット（１７）が与えられ、前記シングルコイル（２．１，２．２，２．３）に係る前記第２の領域（１４）が前記中空円筒型巻線（１）の隣接するシングルコイル（２．１，２．２，２．３）に係る前記第１の領域（１３）に位置して屋根瓦状にオーバーラップする、
   ことを特徴とする巻線（１）。
8. 請求項７に記載の巻線（１）において、シングルコイル（２．１，２．２，２．３）の前記ターン（３）は、前記オフセット（１７）の領域にバルジ（１８）を有する、
   ことを特徴とする巻線（１）。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の巻線（１）において、シングルコイル（２．１，２．２，２．３）に係る前記ターン（３）の基本的形状の投影が、前記巻回軸（５）に垂直な平面において六角形又はひし形である、
   ことを特徴とする巻線（１）。
10. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の巻線（１）において、前記相巻線（６，７，８）は撚り線（２２）から巻回される、
    ことを特徴とする巻線（１）。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の巻線（１）において、相巻線（６，７，８）に係る一連のシングルコイルは、逆方向に巻回される、
    ことを特徴とする巻線（１）。
12. 回転子及び固定子を備える電動機において、該電動機は電子整流式電動機として設計され、前記固定子は、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の中空円筒型巻線（１）を備える、
    ことを特徴とする電動機。