JP2010517501A - 多相電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は多相電気機械、とりわけステータを備える多相発電機に関するものであり、このステータは周囲にスロットピッチを備えるコア体と、複数の巻線を備える巻線構成体とを有する。磁極ピッチにわたって伸長する溝群の各巻線（４５，４６，４７，４８，４９）と各溝（３５，３６，３７，３８，３９）は複数の相の１つに割り当てられており、前記巻線（４５，４６，４７，４８，４９）は、所属の溝（３５，３６，３７，３８，３９）に装填された巻線区間（５５）を有し、
当該巻線区間の間にはそれぞれ１つのワイヤヘッド接続部（５６）が形成されており、
異なる巻線（４５，４６，４７，４８，４９）のワイヤヘッド接続部（５６）は半径方向に層ごとに相互に配置されており、相数は５である。さらに本発明は、相応の多相電気機械の製造方法に関する。

Description

本発明は多相電気機械、とりわけステータを備える多相発電機に関するものであり、このステータは周囲にスロットピッチを備えるコア体と、相を形成する複数の巻線を備える巻線構成体とを有する。さらに本発明は、相応の多相電気機械の製造方法に関する。

冒頭に述べた形式の多相電気機械は例えば交流発電機として公知である。この交流発電機は、固定子積層シートとして構成されたコア体（固定子鉄心）を有し、このコア体の溝には３相、２×３相、または６相に対する巻線が装填されている。ここで巻線は相互にずらされて配置されている。三相発電機では、電磁力によって不所望の磁気ノイズが発生する。この磁気ノイズを低減するために特別の巻線構成体が設けられている。この巻線構成体は例えば電気的に別個の２つの部分系統からなる。各部分系統は３つの相からなり、これらは相互に電気的に１２０°だけずらされている。第１の部分系統の各相には、第２の部分系統の１つの相が電気的に３０°ずらされて配置されている。各部分系統の巻線は例えば星形または三角形に接続されている。１つの巻線の各接続点（電流出力端ないしは巻線端子）は整流器ブリッジと接続されている。全体で６つの整流器ブリッジが使用される。使用される巻線はあらかじめ製造された巻線であり、例えば６つの矩形周囲区間を備える星形巻線ユニットのオースフォーミングによって作製される。引き続きこの巻線ユニットは、固定子積層シートとして構成されたコア体に取り付けられる。２×３相のシステムではこの星形巻線ユニットが６つ取り付けられており、一方の三相システムの各相には、他方の三相システムの１つの相が電気的に３０°ずらされて配置されている。６相および２×３相の電気機械では相数が多いため、所属のロータの磁極数が同じであっても溝の数が、比較的相数の小さい電気機械の場合よりも多くなる。しかし溝の数が多いことは、ステータの直径に関連して使用される巻線ワイヤの直径を制限する。さらに相数の比較的多い電気機械はより精確に作製しなければならない。

本発明により構成された多相電気機械ではステータにおいて、磁極ピッチわたって伸長した各巻線および各溝が相の１つに割り当てられており、巻線は所属の溝にはめ込まれた巻線区間を有し、これらの巻線区間の間にはそれぞれ１つのワイヤヘッド接続部が形成されている。異なる巻線のワイヤヘッド接続部は半径方向に層ごとに相互に配置されており、相数は５である。この種の構成は、磁気ノイズも電流ノイズも低減されるので有利である。さらなる利点は、整流された発電機電圧のリプルが少なくなり、これにより電力および効率が改善されることである。さらなる利点は、構造の簡単な機械を使用することができることであり、安価な製造方法を使用することができ、それでもなお改善された実施品質が得られる。本発明の電気機械の巻線構成を構築するために、例えば予製作された巻線が使用される。この予製作された巻線は機械的に作製され、機械的にコア体（固定子鉄心）に取り付けられる。すなわちはめ込み、取り込み、ないしは差し込まれる。ここで巻線は半径方向かつ周方向に相互に積層配置されている。５相の電気機械は、２×３相システムの電気機械ないしは６相の電気機械に対して比較的大きなワイヤ直径が可能である。なぜなら、ステータ直径（固定子直径）が同じであっても溝の数が比較的少ないので、相応して極数および巻線回路が同じでも溝面積が比較的大きくなるからである。ワイヤ直径が比較的に大きいことにより、電気機械の頑強性および機械的荷重容量が向上する。その他に溝の数が比較的少ないことにより、製造公差限界も比較的大きくなる。同時に５相電気機械のノイズ特性は三相電気機械の場合よりも有利である。半径方向層とは、巻き枠内の巻線に対する半径方向の正確な位置であると理解すべきである。

とりわけ巻線のそれぞれのワイヤヘッド接続部は、ほぼ均一であり、各巻線に対して専用の半径方向層に配置されている。

有利には、溝数は位相数の倍数である。これによってより、高性能のフルピッチ巻線が可能である。

本発明の改善形態によれば、半径方向層の数は位相数または位相数の倍数である。位相数が５の場合、ワイヤヘッド接続部の半径方向層の数は同様に５である。したがって巻線構成体がとくに簡単に構築され、頑強となる。

とりわけ巻線は重ね巻きまたは波状巻線として構成されている。両方の巻線形式とも機械でコア体に取り付けることができる。

さらに各溝は、コイルに巻回される巻線ワイヤの直径の２倍よりも大きな最大溝幅を有する。このことにより溝絶縁部が同時に存在する場合、１つの溝に２つの巻線区間を同じ半径方向層で周方向に並置することができる。このことは分割巻線の使用性を最適化する。

それぞれの溝はその半径方向内側端部に１つの溝スリットを有する。この溝スリットの幅は巻線ワイヤの直径の２倍よりも小さい。最小の溝スリット幅により部分的にのみ開放されたこの溝によって、溝に取り付けられたワイヤはペアで並置された巻線の巻線区間に対して保持される。このときの溝スリット幅は十分に小さい。

さらに最大溝幅は、固定子積層シートとして構成されたコア体のヨーク高さよりも小さい。

本発明の改善形態では、最大溝幅と固定子積層シートのヨーク高さとの比は０．５から０．９の間の領域にある。したがって溝幅Ｏとヨーク高さＲとの関係には、０．５＜Ｏ／Ｒ＜０．９が成り立つ。

とりわけ各溝は溝深さを有する。ヨーク高さと溝深さとの比は０．３から０．５の間の領域である。したがってヨーク高さＲと溝深さＱとの関係には、０．３＜Ｒ／Ｑ＜０．６が成り立つ。
有利にはヨーク高さとステータ外寸との比は０．０１５より小さい。ヨーク高さとは、溝が半径方向で内側にある場合、コア体の外径と溝基面との間の半径方向の高さである。これにより本発明の改善形態ではさらに、巻線を装填した後に丸い形状に湾曲するよう設けられた偏平の固定子パケットに対して最適の撓み特性が得られる。
有利には、相数と乗算すると溝数になる極数のロータが設けられている。例えば５相のステータが１２極のロータに対して設計される場合、溝数は６０である。

さらに磁気的にアクティブな部材を有し、この部材の外径は磁気的にアクティブなこの部材の長さよりも大きい。ロータの磁気的にアクティブな部材の軸方向長さは、ロータの鉄心長である。鉄心長は、間にコアのある２つのポールホイール半分の軸方向の外側間隔から決まる。コアはリングコイルに含まれている。

有利には少なくとも１つの半径方向ファンが設けられている。この半径方向ファンはロータの軸方向端面に取り付けられており、もっぱら半径方向の空気流を形成する。この空気流は、２つのワイヤヘッドを形成する巻線のワイヤヘッド接続部の一部に向けられている。この空気流によってステータは、ワイヤヘッドの比較的大きな表面を介して冷却される。

ロータはかぎ爪型の磁極を有し、この磁極はポールホイールから軸方向に内側へ伸長している。かぎ爪状に形成されたポールフィンガ（クローフィンガ）は交互にＳ極およびＮ極としてかみ合い、ポールコアに存在するリングコイル状の励磁巻線を覆う。

本発明の改善形態では、それぞれ隣接し、相互にかみ合い、極性の異なる２つのクローフィンガが、それらのクローフィンガ先端に軸方向間隔を有する。このクローフィンガ先端の軸方向間隔は、軸方向のコア体長さの０．７倍から１．０倍である。

さらにクローフィンガは、周方向でその上昇エッジおよび／または下降エッジに面取部を有する。相応に選択された縁部での面取部により、電気機械の磁気ノイズをさらに低減することができる。

さらにロータのかぎ爪ポールは、２つのポ―ルホイール半分により構成されており、軸方向にポールホイール半分の間にコアを有する。実質的に台形状に構成されたかぎ爪は、固定子孔部に対向するポール面を有する。

本発明の改善形態によれば、クローフィンガの間に漂遊磁界を補償するための永久磁石が配置されている。この永久磁石は、磁極性が異なり、隣接する２つのポールフィンガ間の漂遊磁界を低減するために用いられる。または磁気回路の主磁束流を増大するために用いられる。

さらにコア体は軸方向のコア体長さを有し、永久磁石は均一の軸方向マグネット長を有する。ここで軸方向のマグネット長はコア体の長さの０．６から１．２倍である。

とりわけ整流器が、巻線の接続されたブリッジ回路に設けられている。巻線は種々異なるやり方で配線することができる。

さらにブリッジ回路は１０のダイオード素子を有する。発電機として構成された多相機械の場合、ブリッジ回路は、１０のダイオード素子を有する５相機械用の１０パルスブリッジ整流器である。

巻線構成体の巻線は、１０より少ない電気回路点でブリッジ回路と接続されている。２つの別個のシステムでの回路接続は２×３層の回路の場合と同じように省略される。

有利には巻線は１つの五角形星形構成体で回路接続されている。すなわち巻線は五角形星形（ジグザグ五角形）に相応して配置されている。ここで５相の場合には、５つの回路接続点が生じる。巻線が五角形星形に相応して接続されれば、直接相互に接続された巻線の位相角αは約３６°ないしは精確に３６°に相応する。

択一的に、巻線は相互に見合う星形構成で接続される。ここで各巻線は相互に見合う２つの巻線部分から構成される。 相互に見合う星形構成体は５つの回路接続点と、１つの共通のスター点を有する。スター点と直接接続された巻線部分は、相互に電気的に７２°ずらされて接続されている。各回路接続点とスター点との間では、直列に接続された２つの巻線部分がコア体に配置されている。位相のずらされた巻線部分は、周方向にずらして溝に装填することにより、相互に約３６°ないしは精確に３６°の位相角α'を有する。

さらなる利点は従属請求項から得られる。

本発明はさらに、多相電気機械、とりわけステータを有する前記の電気機械の製造方法に関する。このステータは、周囲にスロットピッチを備えるコア体を有する。相数は５であり、ステータを作製するために相数または相数の倍数に相応する数の巻線がシーケンシャルにコア体に取り付けられている。巻線は所属の溝に装填された巻線区間を有し、これらの巻線区間の間にはそれぞれ１つのワイヤヘッド接続部が形成されており、個々の巻線のワイヤヘッド接続部は半径方向に層ごとに相互に積層されている。続いてステータは機械本体に装着される。この種の方法では、巻線および／またはステータが、巻線の簡単で効率的に取り付けが可能であるように予製作される。磁気ノイズをできるだけ小さくするために相数は５であり、装填すべき巻線の数は５または５の倍数である。巻線の装填は順次連続して行われる。装填過程の数は、位相数またはその倍数に相当する。これにより順次連続する半径方向層が達成される。取り付けるべき個別の巻線の数は相数または相数の倍数に相当する。したがって半径方向層の数も同様に相数またはその倍数に相当する。本発明の有利な構成では、ワイヤヘッドで半径方向に直接隣接する巻線は、所定数のスロットピッチだけ、いわゆる溝ずれだけ相互にずらされてコア体に取り付けられている。

有利には、半径方向層の数は相数である。

さらに巻線は単純巻線である。単純巻線の場合、巻線区間に続くワイヤヘッド接続部は軸方向に溝から出た後、周方向に延在する。

溝ずれはとりわけ５*ｍ＋４溝であり、ｍは０を含む０より大きい整数であるこれによりワイヤヘッドの形状は均一であり、電流ノイズが低減される。

択一的に巻線は分割巻線である。分割巻線の場合、巻線区間に続くワイヤヘッド接続部は溝から軸方向に出た後、実質的に同じように分割され、両方の周方向に延在する。

このために有利には溝ずれは、５*ｍ＋１溝であり、ｍは０を含む０より大きい整数である
有利には巻線は、重ね巻きまたは波状巻線として構成されている。

本発明の有利な構成では、ステータの作製は次のステップを有する：
・巻線を、２つの固定子積層シート端部を有する平坦な固定子積層シートに層ごとに装填するステップ、
・固定子積層シートを装填された巻線とともに湾曲させるステップ、
・２つの固定子積層シート端部を材料結合し、ステータのシリンダ状コア体を形成するステップ。

巻線を平坦な固定子積層シートにシーケンシャルに装填することにより、取り付け過程が簡単になり、巻線を形成するワイヤの損傷が回避される。引き続き、固定子積層シートを装填された巻線とともに丸く折曲げることにより、ステータのコア体が形成される。このコア体はとりわけ高いシリンダの形状を有する。このようにして形成されたコア体は引き続き、機械本体に完全に予取り付けし、装着することができる。

さらにワイヤヘッド接続部はワイヤヘッドを形成する。このワイヤヘッドは、巻線を平坦な固定子積層シートに装填する前にプレスされ、このプレスによって所定の形状となる。このとき相互に積層されたすべての巻線の半径方向の全体高さは溝の深さにほぼ相当する。平坦な固定子積層シートに装填するために巻線が平坦に形成されれば、ワイヤヘッド接続部がワイヤヘッドを形成し、これらのワイヤヘッドにより少なくとも１つの巻線のワイヤヘッド接続部がプレスされる。このときワイヤヘッド接続部は半径方向に層ごとに配置される。

さらに巻線の巻線区間は、巻線を平坦な固定子積層シートに装填する前にプレスされ、このプレスによって所定の形状となり、この形状は溝の横断面に適合している。

さらに本発明の改善形態では択一的に、ステータの作製方法が次のステップを有する。
・巻線を、少なくとも１つの連続する巻線ワイヤから、実質的に平坦なリング状の巻線ユニットの形状に予作製するステップ、
・リング状の巻線ユニットを、巻線区間を備える星形の巻線ユニットに予作製し、前記巻線区間間にそれぞれ１つのワイヤヘッド接続を形成するステップ、
・ワイヤヘッド内で半径方向に直接隣接する巻線を、所定数のスロットピッチだけ相互にずらしてシリンダ状のコア体の溝に連続して取り付けるステップ、
星形巻線ユニットは直線の巻線区間を有し、これらの巻線区間はこの製造段階では半径方向に延在し、後で軸方向に溝に装填される。直線の巻線区間の間には、それぞれ周方向に延在する巻線部分があり、これらの巻線部分は後でワイヤヘッド接続部を形成する。所定数のスロットピッチはいわゆる溝ずれに相当する。

ここで有利には星形巻線ユニットは２つの半分に分割され、１つの磁極ピッチだけ相互に捻られている。この巻線ユニットは分割巻線のためのものである。分割巻線の場合、巻線区間に続くワイヤヘッド接続部は溝から軸方向に出た後、実質的に同じように分割され、両方の周方向に延在する。ここでは最初はリング状で、星形に変形された巻線ユニットが２つの半分に分割され、１つの磁極ピッチだけ相互にずらされる。これにより巻線ユニットはずらされた巻線に対して発生する。このように予製作された巻線は機械的に作製され、機械的にコア体に取り付けられる。このことはとりわけ実際的かつ効率的である。

本発明を以下、複数の実施例で添付図面を参照して詳細に説明する。本発明は、実施例に限定されるものではない。

クローポール型発電機として構成された電気機械の断面図である。 分割波状巻線を備える電気機械用のステータの概略図である。 図２のステータの平面図である。 シングル波状巻線を備えるステータの平面図である。 五角形星形配置された５相ステータのブリッジ回路の回路図である。 相互星形配置された５相ステータの配線回路図である。 磁石を装備するためにスリットの拡大されたクローポール形ロータの斜視図である。 永久磁石を備える２つのクローフィンガの斜視図である。 溝を備えるコア体の領域の断面図である。 発電機電流を、溝幅とヨーク高さとの比に関してプロットした線図である。 発電機電流を、ヨーク高さと溝深さの比に関してプロットした線図である。 リング状巻線ユニットを示す概略図である。 星形巻線ユニットを示す概略図である。 始めはリング状巻線ユニットから分割巻線を作製するステップを示す図である。 正方形で平坦な固定子積層シートを示す（基本的）斜視図である。 平坦な固定子積層シートを丸く湾曲したシリンダ状コア体の（基本的）概略図である。 層ごとに配置されたワイヤヘッド接続部を備えるワイヤヘッドを示す図である。 コア体の巻線の種々実施例の（基本的）概略図である。 コア体の巻線の種々実施例の（基本的）概略図である。 コア体の巻線の種々実施例の（基本的）概略図である。 コア体の巻線の種々実施例の（基本的）概略図である。 コア体の巻線の種々実施例の（基本的）概略図である。 コア体の巻線の種々実施例の（基本的）概略図である。 コア体の巻線の種々実施例の（基本的）概略図である。 コア体の巻線の種々実施例の（基本的）概略図である。 コア体の巻線の種々実施例の（基本的）概略図である。

図１は、発電機１として構成された多相電気機械を示す。この多相電気機械は例えば自動車に使用される。電気機械２は、コア体４と巻線構成体５を備えるステータ３を有する。ステータ３は、２つの終端シールド、ベルトプーリ６に向いた側の駆動終端シールド７、およびスリップリング終端シールド８によって支持される。ステータ３は、軸９に配置されたロータ１０を半径方向に取り囲む。ロータ１０は２つのクローポールボードを有し、それらの外周には軸方向にそれぞれ伸長しており、実質的に台形に構成されたクローフィンガ１３，１４が配置されている。２つのクローポールボードはロータに次のように配置されている。すなわち２つのクローポールボードの、軸方向に伸長するクローフィンガが相互にかみ合い、ロータの周囲で互いにＮ極およびＳ極として交番するように配置されている。このようにして、反対方向に磁化され、周方向に対向するクローフィンガ間に、磁気的に必要なクローポールスペースが得られる。

周方向に対向するクローフィンガ１３，１４のクローフィンガ先端１５，１６は軸方向に間隔Ａを有する。ロータ１０は実質的にシリンダ状に構成されており、コア１７を有する。このコア１７は２つのクローポールボードを間隔を置いて保持し、リング状の励磁巻線１８により包囲されている。コア１７のクローポールボード１１，１２と励磁巻線１８は、ロータ１０の磁気的にアクティブな部分３０を形成する。この部分は長さＣを有する。ここでロータ１０は外径Ｂを有する。シャフト９は両側で、２つの終端シールド７，８のそれぞれ一方に配置された転がり軸受１９，２０に支承されている。スリップリング終端シールド８の後方には、終端シールドの外側で、この実施例では詳細に図示しない１０パルスブリッジ回路２１と、ロータ１０の電磁的励磁を制御する磁界制御器が配置されている。磁界制御器は励磁コイル１８と接続している。

１０パルスブリッジ回路と磁界制御器はともにスリップリング終端シールド内に配置することができる。１０パルスブリッジ回路２１はブリッジ整流器２２として構成されており、図５と６に回路図が示されている。ロータ１０の端面２３，２４には軸方向に、それぞれ１つのラジアルファン２５，２６が続いている。ラジアルファン２５，２６は電気機械２、とりわけステータ３を、そのワイヤヘッド２７，２８を介して冷却するのに用いられる。そのために新鮮空気が空気入口開口部２９を介して軸方向に吸引され、半径方向に偏向され、ワイヤヘッド２７，２８の少なくとも一部に向けられ、これを冷却する。とりわけ固定子積層シート３１として構成されたコア体４は軸方向のコア体長さＤを有する。ステータ３全体のステータ長Ｅは、コア体４のコア体長さＤより、軸方向のワイヤヘッド長さＦの２倍だけ長い。

発電機１として構成された電気機械２は次のように機能する。シャフト９が駆動部によりベルトプーリ６を介して回転駆動されると、ロータ１０が回転し、ステータ３の巻線構成体３２に、電流が励磁コイル１８を流れると、多相の交流電圧を励起する。この交流電圧は、ステータ３の巻線構成体３２が接続されているブリッジ整流器２２で整流される。択一的に巻線構成体３２を、図２０に相応して、ワイヤヘッドの上でまたはその近傍で接続することもできる。

図２は、コア体４を備えるステータ３を示す。コア体４は周囲にスロットピッチを有し、このスロットピッチは１２の溝群３から構成される。各溝群３４は磁極ピッチにわたって伸長し、５つの溝３５、３６、３７、３８，３９を有する。溝群３４の各溝３５〜３９は５相の１つに配属されている。したがって図２に示したステータ３では全体で、５相の場合に溝３５〜３９は６０となる。このステータ３は、１２の磁極を備えるロータ１９用に設計されている。図２のコア体４には、分割巻線４０，４１，４２，４３，４４として構成された巻線４５，４６，４７，４８，４９が取り付けられる。これらの巻線は波状巻線５０，５１，５２，５３，５４として構成されている。各波状巻線５０，５１，５２，５３，５４は同じように構成されているが、割り当てられた溝３５，３６，３７，３８，３９に関連付けられている。

黒くマークされた波状巻線５４として構成された巻線４９の構造を例として示す。波状巻線５４では周期的に連続して、所属の溝３９に装填されたそれぞれアクティブな巻線区間５５（アクティブ導体）がワイヤヘッド接続部５６に続く。これにより波状の巻線５４が得られる。巻線区間５５が所属の溝３９に装填されると、ワイヤヘッド接続部５６は積層シートに続く端部領域５７，５８のそれぞれ１つを、次の溝群３４の相応の溝３９までブリッジ接続する。巻線区間５５とワイヤヘッド接続部５６が周期的に順次連続することにより波状巻線５４が形成される。ワイヤヘッド接続部５６は半径方向に層ごとに配置されており、したがって各ワイヤヘッド接続部５６と各巻線区間５５は、コア体４内にあるその所属の巻線４９に割り当てられた半径方向層Ｈ， Ｉ， Ｊ， Ｋ， Ｌに関連付けられる。ここで巻線４５，４６，４７，４８，４９の半径方向層Ｈ， Ｉ， Ｊ， Ｋ， Ｌとは、ワイヤヘッドにあるこの巻線のそれぞれの半径方向層であると理解すべきである。相応の巻線、例えば巻線４９は、相応に接続されていれば、この半径方向層Ｌに割り当てられている位相に相当する。各巻線４５，４６，４７，４８，４９のワイヤヘッド接続部５６は、コア体４の両端部領域５７，５８でワイヤヘッド２７，２８を形成する。

図３は、図２のステータ３の平面図である。

図４は、シングル波状巻線を備えるステータ３の平面図である。ステータ３のコア体４は、それぞれ５つの溝３５，３６，３７，３８，３９を備える１２の溝群３４を有する。溝はコア体４の内側５９から半径方向にコア体に入り込むよう伸長している。溝３５，３６，３７，３８，３９の間には、半径方向の内側５９に拡幅された歯面６６を備える歯６１，６２，６３，６４，６５がある。２つの隣接する歯６１，６２，６３，６４，６５の拡幅された歯面６６により、内側５９にそれぞれ１つの狭くなった溝スリット６７が発生している。その溝スリット幅Ｎは、溝３５，３６，３７，３８，３９の周方向の最大溝幅Ｏよりも小さい。相応の寸法が図４に示されている。図３と４はそれぞれ５つの波状巻線５０，５１，５２，５３，５４を示し、これらはワイヤヘッド接続部の５つの異なる半径方向層Ｈ， Ｉ， Ｊ， Ｋ， Ｌでコア体４に取り付けられている。図３に示された分割巻線では溝３５，３６，３７，３８，３９が格段に密に充填される。分割巻線４０，４１，４２，４３，４４のワイヤヘッド接続部５６は半径方向で層ごとに配置されている。このために、１つの分割巻線４０，４１，４２，４３，４４のそれぞれ２つの巻線区間５５が所属の溝３５，３６，３７，３８，３９の半径方向層の上にある。図４に示したシングル波状巻線５０，５１，５２，５３，５４を備えるステータ３では、個別の溝３５，３６，３７，３８，３９の充填度が比較的小さい。ここでも各巻線４０，４１，４２，４３，４４には、溝群３４の固定の溝３５，３６，３７，３８，３９と、ワイヤヘッド接続部の所属の半径方向層Ｈ， Ｉ， Ｊ， Ｋ， Ｌが割り当てられている。

図５は、巻線構成体５の五角形星形に相応する配線回路７０を示す。この配線回路は、ブリッジ整流器２２またはワイヤヘッド２７，２８の近傍に配置することができる。このために巻線４５と巻線４６は回路点７２で、第１のブリッジ分岐路７３の中間タップと接続されている。巻線４６は巻線４７および第４のブリッジ分岐路７５と回路点７４で接続されており、巻線４７は巻線４８および第２のブリッジ分岐路７７と回路点７６で接続されている。巻線４８は巻線４９および第５のブリッジ分岐路７９と回路点７８で接続されており、巻線４９は巻線４５および第３のブリッジ分岐路８１と回路点８０で接続されている。回路点７２，７４，７６，７８，８０で接続された巻線４５，４６，４７，４８，４９間の位相角αが、例として回路点７８と７４で示されている。位相角αは約３６°ないしは精確に３６°である。ブリッジ分岐路７３，７５，７７，７９，８１は、整流ダイオード８２として構成されたそれぞれ２つのダイオード８３を有する。

図６は、巻線構成体５の相互星形配線回路を示す。この配線回路は、ブリッジ整流器２２またはワイヤヘッドの近傍に配置することができる。巻線４５，４６，４７，４８，４９の相互に位相角α'だけ位相のずれたそれぞれ２つの部材８５，８６がそれぞれ回路点８７で直列に接続されている。このために２つの部材８５，８６は相互にずらされてコア体４に取り付けられており、これらはそれぞれ位相角α'を相互に有する。この位相角α'は約３６°ないしは精確に３６°である。巻線４５，４６，４７，４８，４９は一方では共通のスター点８８に、他方では回路点７２’、７４’、７６’、７８’、８０’と５相ブリッジ整流器２２のブリッジ分岐路７３，７５，７７，７９，８１に接続されている。

図７と図８は、図１に示された電気機械２のロータ１０の斜視図である。ロータ１０の外套面９０は、２×６のクローフィンガ１３，１４（クローフィンガ状ポール）により形成されている。クローフィンガは周囲に交互に配置されている。それぞれのクローフィンガ１３とクローフィンガ１４との間には中間空間９７があり、この中間空間はクローフィンガ１３，１４のエッジ９１によって制限されている。エッジ９１にはそれぞれ１つのポール溝９２，９３があり、これらのポール溝はクローフィンガ１３，１４の全長にわたって伸長している。各中間空間９７には永久磁石９４を装着することができ、永久磁石９４は保持要素９５によってクローフィンガ１３、１４の間に保持される。このために保持要素９５の耳型のエッジ９６が両側でポール溝９２，９３に係合している。ここで永久磁石９４は、逆方向に磁化されたクローフィンガ１３、１４の間の漂遊磁界を補償するために用いられる。漂遊磁界補償によって出力電力が高まる。磁気ノイズを低減するために、クローフィンガ１３，１４を上昇エッジおよび／または下降エッジの周方向で面取することができる。

永久磁石なしの回転子を使用することもできる。この場合、マグネットを固定するための相応の手段、例えばポール溝９２、９３を省略することができる。

図９は、溝３５，３６，３７，３８，３９を備えるコア体４の領域の断面図であり、これらの溝は巻線ワイヤ６０からなる巻線区間５５がはめ込まれている。図９は、溝スリット幅Ｎ、溝３５，３６，３７，３８，３９の最大溝幅Ｏおよび溝深さＱ、ヨーク高さＲ、コア体４および巻線ワイヤ６０の巻線ワイヤ直径Ｐの寸法関係を示す。ヨーク高さＲは、コア体４の溝の底部とコア体４の対向する外径との半径方向間隔である。

図１０は、整流された発電機電流をアンペアで、最大溝幅Ｏとヨーク高さＲとの比に関してプロットした線図である。ここでは発電機電流特性曲線１１が、領域０．５＜Ｏ／Ｒ＜０．９では、９０Ａまでの高いレベルで平坦な経過を示している。

図１１は、整流された発電機電流をアンペアで、ヨーク高さＲと溝深さＱとの比に関してプロットした線図である。ここで特性曲線１２は、領域０．３＜Ｒ／Ｑ＜０．５では約８５Ａのほぼ一定の経過を示している。

図１２は、近似的にリング状の有利にはほぼ平坦な巻線ユニット１００を示す。この巻線ユニット１００は、図１３に示した星形巻線ユニットを作製するための前段階である。星形巻線ユニット１０５は直線の巻線区間５５'を有し、これらの巻線区間はこの製造段階では半径方向に延在し、後で軸方向に溝に装填される。直線の巻線区間５５'の間には、それぞれ周方向に延在する巻線部分５６'があり、これらの巻線部分は後でワイヤヘッド接続部５６を形成する。

図１４はリング状巻線ユニット１００からなる分割波状巻線の製造を、３つのステップ（図１４ａから１４ｃ）で示す。前段階（図１４ａ）でリング状巻線ユニット１００が作製され、その第１の半分１０１は第１の方向（矢印１０２）に、第２の半分は反対の方向（矢印１０４）に巻回されている。この前段階から、図１４ｂに示される星状巻線ユニット１０５が作製される。星形巻線ユニット１０５は２つの半分１０１'、１０３'に分割される。これらの半分は、リング状巻線ユニット１００の半分１０１，１０３から形成される。引き続き半分１０１'、１０３'はポール分割のために周方向に相互に捻られる（矢印１０６）。これにより分割巻線１０７のための巻線ユニットが得られ、これは図１４ｃに示されている。

図１５は、平坦な固定子積層シート１０８の例を示し、この固定子積層シートは２つの固定子積層シート端部１０９，１１０を有する。固定子積層シート１０８を湾曲させ、引き続き両方の固定子積層シート端部１０９，１１０を接続することにより、図１６に示すコア体４と突き合わせ個所１２０が得られる。本発明の方法では湾曲の前に、巻線４５，４６，４７，４８，４９が固定子積層シート１０８に取り付けられる。これらの巻線は図１６には図示されていない。

図１７の３つの図面はすべて、１つの相のワイヤヘッド接続部５６を示す。矢印１１１は軸方向を指し、矢印１１２は周方向、矢印１１３は半径方向を指す。

図１７ａは、ポール分割のために、巻線ヘッドと溝に装填された巻線の巻線区間を示す。巻線の巻線区間からワイヤヘッド接続部への移行部が、内径側からの平面図で示されている。図１７ｂは、溝内の巻線区間からワイヤヘッド領域にあるワイヤヘッド接続部への移行部を縦断面図に示す。このワイヤヘッド接続部は半径方向で最外側の層にある。

図１７ｃは、溝内の巻線区間からワイヤヘッド領域にあるワイヤヘッド接続部への移行部を縦断面図に示す。このワイヤヘッド接続部は半径方向で２番目に外側の層にある。

図１８から２６は、本発明の種々の実施形態と巻回スキームを示す。図１８は、シングル波状巻線を備えるステータを示し、１つの層のワイヤヘッド接続部がマークされている。

図１９は、シングル波状巻線のワイヤヘッドの平面図であり、１つの層のワイヤヘッド接続部がマークされている。

図２０は、１つの平面に巻回されたステータを内径側から見た平面図であり、６つの極と３０の溝３５，３６，３７，３８，３９を備えている。ここで各相はシングル波状巻線５０，５１，５２，５３，５４からなり、図５の整流器での五角形星形構成に配線接続するために相応の端子７２，７４，７６，７８，８０を備えている。

図２１は、１つの平面に巻回されたステータを内径側から見た平面図であり、６つの極と、分割波状巻線を備える３０の溝３５，３６，３７，３８，３９と、図５の整流器において五角形星形構成に配線接続するための相応の端子７２，７４，７６，７８，８０を備えている。

図２２は、ステータに対する巻回スキームを示す。このステータは、６つの極と、シングル波状巻線を備える３０の溝３５，３６，３７，３８，３９と、相応する図５の整流器において五角形星形構成に配線接続するための相応の端子７２，７４，７６，７８，８０を備えている。

図２３は、ステータに対する巻回スキームを示す。このステータは、６つの極と、分割波状巻線を備える３０の溝３５，３６，３７，３８，３９と、相応する図５の整流器において五角形星形構成に配線接続するための相応の端子７２，７４，７６，７８，８０を備えている。

図２４は、ステータのためのシングル重ね巻きに対する巻回スキームを示す。このステータは、１２つの極と、６０の溝３５，３６，３７，３８，３９と、相応する図５の整流器において五角形星形構成に配線接続するための相応の端子７２，７４，７６，７８，８０を備えている。

図２５は、内径側から見た、１つの平面にシングル重ね巻きで巻回されたステータの一部であり、半径方向で最内側の相がマークされている。ワイヤヘッド接続部５６の間には、それぞれ１つのループ接続部１１４が配置されている。

最後に図２６は、内径側から見た、１つの平面に分割重ね巻きで巻回されたステータの一部であり、半径方向で最内側の相がマークされている。

Claims (38)

1. ステータ（３）を備える多相電気機械であって、
   前記ステータは、周方向にスロットピッチを備えるコア体（４）と、相を形成する複数の巻線（４５，４６，４７，４８，４９）を備える巻線構成体（５）とを有し、
   磁極ピッチにわたって伸長する溝群の各巻線（４５，４６，４７，４８，４９）と各溝（３５，３６，３７，３８，３９）は複数の相の１つに割り当てられており、
   前記巻線（４５，４６，４７，４８，４９）は、所属の溝（３５，３６，３７，３８，３９）に装填された巻線区間（５５）を有し、
   当該巻線区間の間にはそれぞれ１つのワイヤヘッド接続部（５６）が形成されており、
   異なる巻線（４５．４６．４７．４８．４９）のワイヤヘッド接続部（５６）は半径方向に層ごとに相互に配置されており、相数は５である、ことを特徴とする多相電気機械。
2. 請求項１記載の多相電気機械において、
   １つの巻線（４５，４６，４７，４８，４９）のそれぞれのワイヤヘッド接続部（５６）は均一の半径方向相（Ｈ， Ｉ， Ｊ， Ｋ， Ｌ）に配置されている、ことを特徴とする多相電気機械。
3. 請求項１または２記載の多相電気機械において、
   溝（３５，３６，３７，３８）の数は相数の倍数である、ことを特徴とする多相電気機械。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
   半径方向層（Ｈ， Ｉ， Ｊ， Ｋ， Ｌ）の数は、相数または相数の倍数である、ことを特徴とする多相電気機械。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
   巻線（４０，４１，４２，４３，４４）は、シングル巻線または分割巻線（４５，４６，４７，４８，４９）である、ことを特徴とする多相電気機械。
6. 請求項１から５までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
   巻線（４０，４１，４２，４３，４４）は、重ね巻きまたは波状巻線（５０，５１，５２，５３，５４）として構成されている、ことを特徴とする多相電気機械。
7. 請求項１から６までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
   各溝（３５，３６，３７，３８，３９）は最大溝幅（Ｏ）を有し、
   該最大溝幅は、巻線（４５，４６，４７，４８，４９）が巻回される巻線ワイヤ（６０）の直径（Ｐ）の２倍よりも大きい、ことを特徴とする多相電気機械。
8. 請求項１から７までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
   各溝（３５，３６，３７，３８，３９）はその半径方向内側端部に１つの溝スリット（６７）を有し、
   該溝スリットの幅（Ｎ）は巻線ワイヤ（６０）の直径（Ｐ）の２倍よりも小さい、ことを特徴とする多相電気機械。
9. 請求項１から８までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
   最大溝幅（Ｏ）は、固定子積層シートとして構成されたコア体（４）のヨーク高さ（Ｒ）よりも小さい、ことを特徴とする多相電気機械。
10. 請求項１から９までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    最大溝幅（Ｏ）と固定子積層シートのヨーク高さ（Ｒ）との比は、０．５から０．９の間の領域にある、ことを特徴とする多相電気機械。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    各溝は溝深さ（Ｑ）を有し、
    ヨーク高さ（Ｒ）と溝深さ（Ｑ）との比は、０．３から０．５の間の領域にある、ことを特徴とする多相電気機械。
12. 請求項１から１１までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    相数と乗算すると溝（３５，３６，３７，３８，３９）の数になる極数を有するロータが設けられている、ことを特徴とする多相電気機械。
13. 請求項１から１２までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    前記ロータは磁気的にアクティブな部材（３０）を有し、
    該部材（３０）の外径（Ｂ）は前記磁気的にアクティブな部材（３０）の長さ（Ｌ）よりも大きい、ことを特徴とする多相電気機械。
14. 請求項１から１３までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    前記ロータ（１０）はかぎ爪構造の２つのポ―ルホイール半分により構成されており、かつ軸方向に前記ポールホイール半分の間にコアを有し、
    実質的に台形状に構成されたクローポールは、固定子孔部に対向するポール面を有する、ことを特徴とする多相電気機械。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    クローフィンガ（１３，１４）の間には、漂遊磁界を補償するための永久磁石（９４）が配置されている、ことを特徴とする多相電気機械。
16. 請求項１から１５までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    前記コア体（４）は軸方向のコア体長（Ｄ）を有し、
    前記永久磁石（９４）は均一の軸方向マグネット長（Ｍ）を有し、
    前記軸方向のマグネット長（Ｍ）は、軸方向のコア体長（Ｄ）の０．６倍から１．２倍である、ことを特徴とする多相電気機械。
17. 請求項１から１６までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    整流器が、巻線（４５，４６，４７，４８，４９）の接続されたブリッジ回路に設けられている、ことを特徴とする多相電気機械。
18. 請求項１から１７までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    前記ブリッジ回路は１０のダイオード素子を有する、ことを特徴とする多相電気機械。
19. 請求項１から１８までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    前記巻線（４５，４６，４７，４８，４９）は五角形星形構成体（７１）に接続されている、ことを特徴とする多相電気機械。
20. 請求項１から１９までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    前記巻線（４５，４６，４７，４８，４９）は相互に見合う星形構成体（８４）に接続されており、
    各巻線（４５，４６，４７，４８，４９）は、相互に見合う２つの巻線部分（８５，８６）からなる、ことを特徴とする多相電気機械。
21. 請求項１から２０までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    周囲側で対向する、逆方向に磁化されたそれぞれ２つのクローフィンガ（１３，１４）は、それらクローフィンガ先端（１５，１６）の軸方向間隔（Ａ）を有し、
    前記クローフィンガ先端（１５，１６）の軸方向間隔（Ａ）は、軸方向コア体長（Ｄ）の０．７倍から１．０倍である、ことを特徴とする多相電気機械。
22. 請求項１から２１までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    前記クローフィンガ（１３，１４）は、周方向でその上昇エッジ（９８'）および／または下降エッジ（９８）に面取部を有する、ことを特徴とする多相電気機械。
23. 請求項１から２２までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    ヨーク高さ（Ｒ）とステータ外寸との比は０．０１５より小さい、ことを特徴とする多相電気機械。
24. 請求項１から２３までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    少なくとも１つの半径方向ファン（２５，２６）が設けられており、
    該半径方向ファンはロータの軸方向端面に取り付けられており、
    該半径方向ファン（２５，２６）は、もっぱら半径方向の空気流を形成し、
    該空気流は、２つのワイヤヘッド（２７，２８）を形成する巻線（４５，４６，４７，４８，４９）のワイヤヘッド接続部（５６）の一部に向けられている、ことを特徴とする多相電気機械。
25. 請求項１から２４までのいずれか一項記載の多相電気機械において、
    巻線は相互に接続されており、配線回路はワイヤヘッドの近傍または整流器内に配置されている、ことを特徴とする多相電気機械。
26. 請求項２４記載の多相電気機械において、
    巻線は回路点で相互に接続されており、
    接続すべき少なくとも２つの巻線は隣接する溝から出ている、ことを特徴とする多相電気機械。
27. 請求項１から２６までのいずれか一項記載の、ステータを備える多相電気機械の製造方法であって、
    前記ステータは、周方向にスロットピッチを備えるコア体と、相を形成する複数の巻線を備える巻線構成体とを有し、
    相数は５であり、ステータを作製するために相数または相数の倍数に相応する数の巻線がシーケンシャルにコア体に取り付けられ、
    巻線は所属の溝に装填された巻線区間を有し、これらの巻線区間の間にはそれぞれ１つのワイヤヘッド接続部が形成されており、個々の巻線のワイヤヘッド接続部は半径方向に層ごとに相互に積層されている、ことを特徴とする製造方法。
28. 請求項２７記載の方法において、
    半径方向層の数は相数に相当する、ことを特徴とする方法。
29. 請求項２７または２８記載の方法において、
    巻線は単純巻線である、ことを特徴とする方法。
30. 請求項２７から２９までのいずれか一項記載の方法において、
    溝ずれは５*ｍ＋４溝であり、ｍは０を含む０より大きい整数である、ことを特徴とする方法。
31. 請求項２７から３０までのいずれか一項記載の方法において、
    巻線は分割巻線である、ことを特徴とする方法。
32. 請求項２７から３１までのいずれか一項記載の方法において、
    溝ずれは５*ｍ＋１溝であり、ｍは０を含む０より大きい整数である、ことを特徴とする方法。
33. 請求項２７から３２までのいずれか一項記載の方法において、
    巻線は、重ね巻きまたは波状巻線として構成されている、ことを特徴とする方法。
34. 請求項２７から３３までのいずれか一項記載の方法において、
    ステータを次のステップにより作製する：
    ・巻線を、２つの固定子積層シート端部を有する平坦な固定子積層シートに層ごとに装填するステップ、
    ・固定子積層シートを装填された巻線とともに湾曲させるステップ、
    ・２つの固定子積層シート端部を材料結合し、ステータのシリンダ状コア体を形成するステップ、
    ことを特徴とする方法。
35. 請求項２７から３４までのいずれか一項記載の方法において、
    ワイヤヘッド接続部はワイヤヘッドを形成し、
    該ワイヤヘッドは、巻線を平坦な固定子積層シートに装填する前にプレスされ、このプレスによって所定の形状となり、
    このとき相互に積層されたすべての巻線の全体高さは溝の深さにほぼ相当する、ことを特徴とする方法。
36. 請求項２７から３５までのいずれか一項記載の方法において、
    巻線の巻線区間は、巻線を平坦な固定子積層シートに装填する前にプレスされ、このプレスによって所定の形状となり、この形状は溝の横断面に適合している、ことを特徴とする方法。
37. 請求項２７から３６までのいずれか一項記載の方法において、
    ステータを次のステップにより作製する：
    ・巻線を、少なくとも１つの連続する巻線ワイヤから、実質的に平坦なリング状の巻線ユニットの形状に予作製するステップ、
    ・リング状の巻線ユニットを、巻線区間を備える星形の巻線ユニットに予作製し、前記巻線区間間にそれぞれ１つのワイヤヘッド接続を形成するステップ、
    ・ワイヤヘッド内で半径方向に直接隣接する巻線を、所定数のスロットピッチだけ相互にずらしてシリンダ状のコア体の溝に連続して取り付けるステップ、
    ことを特徴とする方法。
38. 請求項２７から３７までのいずれか一項記載の方法において、
    星形巻線ユニットは２つの半分に分割され、１つの磁極ピッチだけ相互に捻られており、
    巻線ユニットは分割巻線に対するものである、ことを特徴とする方法。

Images