JP3704044B2 - 電動デバイス用の電機子 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は電動デバイスに関し、特に電気モータ用の無鉄心電機子（ｉｒｏｎｌｅｓｓ ｃｏｒｅ ａｒｍａｔｕｒｅ）に関する。
【０００２】
発明の背景
電気モータの製造業者、特にＤＣモータの製造業者はこれまでワイヤ巻回もしくはプリント回路コイルの技術を使用し、磁束エアギャップ内を運動する無鉄心電機子を作製して来た。しかし、これらの設計態様には多くの問題が在る。無鉄心モータは通常、習用の鉄心設計態様よりも大きなギャップで作動する。尚、鉄心モータでは磁気透過可能材料から成るコアを通してワイヤが巻回されると共に鉄心はギャップを最小化すべく切断されるが、鉄心モータの電機子の質量は無鉄心モータよりも大きい。
【０００３】
前記のワイヤ巻回の場合、絶縁ワイヤは多層形状に巻回され、充填密度（ｐａｃｋｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙ）として知られる特定の導体／絶縁体積比（ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｏ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ ｒａｔｉｏ）を備えた電流搬送コイルを形成する。典型的な円形コイル・ワイヤでは、該コイル構造に特有な絶縁材料および空気間隙の故に最適な導体充填密度とはならない。もし電機子巻線（ａｒｍａｔｕｒｅ ｗｉｎｄｉｎｇ）に対して正方形もしくは矩形の導体が使用されたなら、磁気間隙内におけるコイルの充填密度と導体の合計体積との両者が増加される。コイル・ワイヤは通常は、絶縁層により囲繞されると共に外側には構造的安定性の為の接合層が在るという電気導体（銅もしくはアルミニウム）から成る。このタイプの先行技術の電機子ワイヤの殆どにおいて、導体充填密度は約６０％である。もし習用の電機子製造において正方形ワイヤが使用されたなら、導体充填密度は７０％〜８０％まで増加される。しかし製造業者等は、材料および作業のコストが低く且つ製造が容易であるが故に、円形ワイヤの使用を好む。故に、製造に関してはコスト効率的であると共に、磁気間隙内における大きな導体充填密度および大きな導体体積に帰着するという新規な電機子設計態様に対する要望が在る。一定の無鉄心電機子は製造の容易さ及び構造的一体性の為にワイヤを傾斜的（ａｎｇｕｌａｒ ｆａｓｈｉｏｎ）に巻回して導体間の接合を許容しているが、これは効率的でない、と言うのも、最大効率の為には電子流は磁束経路に対して９０°とされるべきだからである。傾斜的に巻回された電機子は、磁界に対する電流の角度の正弦（ｓｉｎｅ）まで減少されたトルクを呈する。ワイヤ巻回電機子の構造では、高ＲＰＭ用途の破壊的な遠心力に耐える適切な強度を備えた長寸で小径の電機子を生成することは困難である。
【０００４】
プリント回路製造技術により構築された電機子は、可撓プリント回路として形成された回転子巻線を含む。プリント回路とは、絶縁支持基部に対して導電材料が接着剤により貼着されると共に一側から食刻された回路である。しかし、この場合における導体の量は減少される、と言うのも、絶縁プリント回路トレース線が多層であると電機子壁部が更に厚寸となり且つ導体充填密度は低下するからである。このタイプの充填密度は、作製の間において導電性ループを支持すべく使用される可撓プリント回路の絶縁材料の体積の故に低くなる。一方、プリント回路トレース線を薄寸巻回として電機子壁部の厚みを減少すると、電機子壁部は脆弱となり、且つ、更に狭幅で薄寸とされた導体トレース線により電気抵抗は大きくなる。而して電気抵抗が大きいとモータ熱及びエネルギ消散が不当に大きくなり、Ｐ＝Ｉ２Ｒに等しい電力損失を引き起こす。逆に、プリント回路トレース線を更に広くするとトレース線の電気抵抗が減少してモータ性能は改善されるが、渦電流を許してしまい、これが再び実効電気抵抗を増大して全体的利得を減少する。プリント回路構造は、磁界内における導体の長さを増大すべく複数巻回のコイルを生成する為に多層が使用される、という間隙の大きなモータにおいて見られる。この結果、電機子構造は更に厚寸となり且つ磁気間隙は更に大きくなる。これらの可撓回路は多くの場合、巻線が固定して保持され且つ磁石が回転されるというブラシレス・モータにおいて使用される。巻線の数が多くなると、電機子のインダクタンスは大きくなり且つ電気抵抗も大きくなる。
【０００５】
先行技術においては、無鉄心電機子の性能を改善すべく種々の試みが為された。たとえばＦａｕｌｈａｂｅｒに対する米国特許第３９４４８５７号は、径方向に連続する多数の層から成る螺旋構造を形成すべく筒状形成（ｒｏｌｌ）された長寸絶縁細片を有する、電気力学的機械用の空心（ａｉｒ−ｃｏｒｅ）または無鉄心電機子を開示している。電機子巻線は少なくとも一個の電機子コイルを備えると共に、各コイルは電気的に相互接続された多数の構成コイルから成る。各コイルはまた、前記絶縁細片の両側にプリントされて電気的に相互接続された導体部分から形成される。残念乍らこの設定は、最適トルクを生成する上で巻線の形状を最適化するものでない。
【０００６】
Ｍａｒｇｒａｉｎに対する米国特許第３８０５１０４号は、一端にて端部ディスクにより支持された内部金属筒状支持体であって他端は開放され且つ剛性の為に漏斗状とされた内部金属筒状支持体上に載置された導体を備えた中空絶縁シリンダに関している。前記シリンダは、電気導体がプリントもしくは積層された絶縁体を有している。しかしこのタイプのデバイスは、導体充填密度の要因を低下させており、最適なトルクを生成しない。
【０００７】
電動デバイスに対するローレンツの法則はＦ＝Ｉ×Ｌ×Ｂというものであり、式中、Ｆ＝力、Ｉ＝電流、Ｌ＝導体長さ、Ｂ＝磁束密度である。電気モータに適用された場合のローレンツの法則の理論は図１０ａ、図１０ｂおよび図１０ｃに明示されている。図１０ａは、今日において使用される習用のワイヤ巻回電機子で見られる状況を示している。ワイヤ状の巻回導体はワイヤ絶縁体を有すべきことから担体充填密度が減少して単位面積当たりの電流密度が減少することから、最大の力線を横切る様に電機子を均一に取付けることができない。これに加え、ワイヤ巻回電機子は所定角度にて巻回されるべきことから、電流と磁束との交差ベクトル間の角度は、最大の力を得る為に最も望まれる９０°よりも小さくなる。
【０００８】
図１０ｂは、本明細書中に開示される本発明の実施例により企図される金属細片担体を示している。図１０ｂにおける正方形断面に依れば、平坦側面とされた電流担体は、最大磁束が存在する間隙であって電流／導体と当該手段との間の間隙へと磁束を発散／終端するという手段に対し、更に接近され得る。習用のワイヤ巻回電機子の丸形断面では、電流担体と磁界担体との斯かる密接な接近はできない。これに加え、図１０ｂに示された如く正方形断面は矩形断面へと増大されて、相当に大きな電流密度を得ると共に、磁束密度が最大であるという相当に小さな磁束間隙内を流れ得ることになる。
【０００９】
図１０ｃに示された全体的な電流ループを取り入れると、導体の各アームにおける同一の力から帰着すると共に図１０ｂの平坦導体表面に課される倍加ローレンツ力は、増大された電流密度、増大された磁束密度、および、電流と磁束との間の最大９０°の角度により実質的に増大されることが極めて明らかとなる。これは、ローレンツ力の方程式における相当の要因である。習用のワイヤ巻回電機子は磁束密度に対して所定角度で配設されることから、電流（Ｉ）のベクトル／流れは磁束（Ｂ）に対して所定角度となり、結果的なローレンツ力（Ｆ）は必然的に小さくなる。
【００１０】
図１０ａ、図１０ｂおよび図１０ｃのベクトル図によれば、前記したタイプの電機子の力（故にトルク）は、前記方程式の各項を最適化もしくは増大することで増大され得ることが明確に示される。特に電流（Ｉ）の流れは、導体コイルの電気抵抗を減少することで最大化され得る。特定の電機子設計態様において、導体長さ（Ｌ）の増加は複数の導体ループから実現され得る。磁束密度（Ｂ）は磁気戻り構造と磁石との間における電機子回転用のエアギャップを最小化することで最大化され得るものであり、すなわち磁石に対して磁気戻り経路が近づくにつれ、磁束密度（Ｂ）は大きくなる。電機子の巻線において強い磁界内に載置された任意の所定電流に対し、トルクは増大される。故に、習用のモータの効率を改善するために電機子の製造業者もしくは設計者は、大きな磁束密度を生成すべく磁気間隙のサイズを減少する為に電機子壁部の厚みを減少すべく努力すべきだが、このことは、導体長さを犠牲にしたり導体抵抗を増大せずに達成されねばならない。電機子壁部を磁界の起点および戻り経路に密接に接近して位置すると、所定間隙幅に対する導体体積は大きくなって電気抵抗が小さくなり、結果的には前記間隙内における導体密度が大きくなる。
【００１１】
発明の概要
本発明のひとつの見地において、電動デバイス用の誘導コイルは、被包化材料により分離された一対の同心的導電薄寸金属巻線であって、各巻線は、空間により近傍の導電帯から分離された複数の軸線方向延在導電帯から成り、前記各巻線の一方の巻線の導電帯の各々は他方の巻線の各導電帯のひとつに連結される一対の同心的導電薄寸金属巻線、を含む。
【００１２】
本発明の別の見地において、一対の導電プレートから誘導コイルを作製する方法は、一連の導電帯および切欠を生成するパターンにより前記プレートの各々を切断する段階と、切断された前記各プレートを嵌合式の内側および外側管体へと筒状形成する段階と、前記内側管体を巻回被覆する段階と、巻回被覆された前記内側管体を前記外側管体内へと挿入する段階と、前記外側管体を巻回被覆する段階と、前記内側管体の前記各導電帯を前記外側管体の前記各導電帯に連結し、螺旋状誘導コイルを形成する段階と、を含む。
【００１３】
本発明の更に別の見地において、誘導コイルを作製する方法は、各々の導電帯が近傍の導電帯から空間により分離された複数の導電帯を生成するパターンにより一対の導電金属薄寸体を形成する段階と、形成された前記各導電薄寸体を内側および外側巻線へと成形する段階と、前記内側巻線を被覆する段階と、被覆された前記内側巻線を前記外側巻線内に位置決めする段階と、前記外側巻線を被覆する段階と、前記内側管体の前記導電帯の各々を前記外側管体の前記導電帯のひとつに連結する段階と、を含む。
【００１４】
本発明の更に別の見地において電動デバイス用の誘導コイルは、当該一対の巻線の各々が、交互的に軸線方向に延在する導電帯および空間から成る一対の同心的導電薄寸金属巻線であって、前記導電帯の各々は２７５７９０．４Ｐａ（４００００ｐｓｉ）より大きな引張強度を有し、前記各巻線の一方の巻線の導電帯の各々は他方の巻線の導電帯のひとつに連結される一対の同心的導電薄寸金属巻線、を含む。
【００１５】
本発明の更に別の見地において電動デバイス用の誘導コイルは、当該巻線の各々が、交互的に軸線方向に延在する導電帯および空間から成る一対の同心的導電薄寸金属巻線であって、前記導電帯の各々は２０６８４２．８Ｐａ（３００００ｐｓｉ）より大きな降伏強度を有し、前記各巻線の一方の巻線の導電帯の各々は他方の巻線の導電帯のひとつに連結される一対の同心的導電薄寸金属巻線、を含む。
【００１６】
本発明の更に別の見地において電動デバイス用の誘導コイルは、当該巻線の各々が、交互的に軸線方向に延在する導電帯および空間から成る一対の同心的導電薄寸金属巻線であって、前記導電帯の各々は２０％未満の伸び率を有し、前記各巻線の一方の巻線の導電帯の各々は他方の巻線の導電帯のひとつに連結される一対の同心的導電薄寸金属巻線、を含む。
【００１７】
本発明の更に別の見地において電動デバイス用の誘導コイルは、当該巻線の各々が、交互的に軸線方向に延在する導電帯および空間から成る一対の同心的導電薄寸金属巻線であって、前記導電帯の各々はＢｒｕｎｅｌｌ数７０より大きな硬度を有し、前記各巻線の一方の巻線の導電帯の各々は他方の巻線の導電帯のひとつに連結される一対の同心的導電薄寸金属巻線、を含む。
【００１８】
以下の詳細な説明においては本発明を実施する為に企図された最良形態を例示すべく発明の実施例のみが示されて記述されるが、当業者であればこられの説明から本発明の他の実施例が容易に明らかであることは理解されよう。理解される如く、本発明の精神および有効範囲から何ら逸脱することなく、本発明は他の異なる実施例も可能であり且つ幾つかの詳細は他の種々の点において改変され得る。故に、各図面および詳細な説明は限定的なものでなく完全に例示的と解釈されるべきである。
【００１９】
好適実施例の詳細な説明
本発明のこれらのおよび他の特徴、性質および利点は、以下の説明、添付の請求の範囲および添付図面を参照すればより良く理解されよう。
【００２０】
本発明の実施例は、ブラシを備えたＤＣモータ用の無鉄心電機子に関する。該電機子は、他のブラシ・モータと比較し、高温作動、高速および高トルクを許容する複合構造を有する。好適には前記電機子は、微細繊維およびポリアミドにより相互に分離された一連の略平行な導電帯を生成するパターンにより加工された精密加工矩形薄寸金属である。この手法に依れば、小さな直径／長さ比を有する長寸電機子の構造が許容される。加工され、常温圧延（ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ）され且つ焼き戻（ｔｅｍｐｅｒ）された導電金属薄寸体は筒状形成されることにより、一方の円筒体上の導電帯パターンの配向は電気回路半体（ｈａｌｆ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ）に対応し且つ他方の回路半体は他方の円筒体の導電帯パターンに対応するという円筒体を形成する。内側円筒体とも称される一方の円筒体は、（外側円筒体とも称される）大径円筒体の内側に嵌合すべく該他方の円筒体よりも僅かに小径を有する。前記内側円筒体の外側面は、絶縁、間隙および構造的安定性を提供する細線状のガラス繊維撚線もしくは他の非導電性長繊維（ｎｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｆｉｌａｍｅｎｔ）の十分な層により堅く巻回される。前記薄寸金属は構造的弾性（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｅｍｐｅｒ）を有しており、この焼き戻し特徴は電機子構造の全体強度に寄与する。焼き戻され、常温圧延された銅は、２７５７９０．４Ｐａ（４００００ｐｓｉ）よりも大きい引張強度と、２０６８４２．８Ｐａ（３００００ｐｓｉ）よりも大きい降伏強度と、２０％よりも小さい伸び率と、７０よりも大きいブルネル数（Ｂｒｕｎｅｌｌ ｎｕｍｂｅｒ）とを有している。以下の表は、焼き戻され、常温圧延された銅により提供される剛性および強度の増加を示している。

【００２１】
構造的銅は前記電機子に対して適切な剛性および長手支持を提供することから、習用のプリント回路盤タイプの電機子では必要とされる積層支持は不要となる。前記圧延によれば、冷間成形を介して付加的な加工硬化（ｗｏｒｋ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）が行われる。各導体は弧状体として形成されることにより、各導体の３次元形状を生成する。この故に、圧延プロセスにより強化された全ての導体は自己支持性とされ得る。
【００２２】
ガラス繊維が巻回された内側円筒体は、両端にて各円筒体の導電帯の終端点を同心的に且つ軸線方向に整列することにより、前記外側円筒体内に挿入される。前記外側円筒体構造の外側面もまた、数層のガラス繊維撚線により巻回されて交差織成を提供し、各層を強化する。次に、外側および内側円筒体の各導電帯は夫々の接続点にて半田付けされもしくは別様にして電気的に取付けられ、各導電層間に間隙を提供する露出繊維を備えた連続的導電コイルを形成する。このアセンブリが引き続き非導電性材料により被包化（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅ）されると最終結果は薄寸壁で筒状の自立導電コイルであり、該コイルは導体／非導電性材料の割合が高い堅固な電機子構造を生成する。この電機子は習用的に構築された無鉄心電機子よりも、相当に高い回転速度、高温かつトルクを実現し得る。
【００２３】
記述される無鉄心電機子の実施例は、多くの用途を有すると共に種々のデバイスに一体化され得る。一例として前記自立導電コイルはディスク形状の整流子を備え得るが、該整流子はコイルの一端に取付けられる一連の径方向導電セグメントを有し、これはモータ・ブラシから電流を集めて該電流を誘導コイル（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｃｏｉｌ）へと分配する。前記コイルは更に、該コイルの内側に取付けられたフライホイルであって前記整流子および該コイルの内径側に接合されたディスク形状絶縁フライホイルを備え得る。好適には前記フライホイルは前記内側円筒体の内側に緊密に適合すべく設計された直径を有することから該フライホイルは各電気導体と接触して保持され、出力軸に対するトルク伝達を行う。前記電機子はまた、前記フライホイルの中心および前記整流子の中心から前記コイルの内側へと軸線方向に挿入された金属シャフトを有し、該シャフトの一部は前記コイルの少なくとも一端から突出し得る。前記シャフトは、前記フライホイルにより所定位置に摩擦的に保持され得る。組立てられた前記電機子は次にそのシャフトを介し、ブラシを有する任意のＤＣモータに取付けられ、動作時には薄寸の磁束エアギャップにおいて前記コイルが自身のシャフト上で回転する。
【００２４】
図１ａおよび図１ｂを参照すると本発明の好適実施例は１０および１２の如く、殆ど鏡像とされると共に導電的であり且つ精密加工された剥き出しの焼き戻し導電薄寸金属の対から構築された導電コイルを有するものとして示される。第１金属薄寸体１０は好適には焼き戻し銅等級１１０（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｃｏｐｐｅｒ ｇｒａｄｅ １１０）から成ると共に、長寸加工切欠１４により他から分離された一連の略平行な導電帯２２を生成するパターンにより精密加工される。同様に、第２金属薄寸体１２は好適には焼き戻し銅等級１１０から成ると共に、長寸加工切欠１６により他から分離された一連の略平行な導電帯１８を生成するパターンにより精密加工される。前記各加工切欠は同一であると共に引き続き密閉材料により充填されて、隣接帯状体間の電気接触を防止する。各切欠の好適な幅は、導体の厚みの約１〜１．５倍である。これと対照的に、プリント回路盤電機子の食刻は材料の一側から実施され、前記導体の２．５〜３．０倍の切欠幅に帰着する。記述された本発明の実施例に依る加工切欠の幅は、習用のプリント回路技術で遭遇するよりも狭幅であると共に、除去する材料を更に少なくすることで電流を最適化し且つ銅製薄寸金属上に精密加工され得る導電帯の個数の増加が企図されている。たとえば１２．７mm（（１／２）インチ）直径×５０．８mm（２インチ）長さの電機子に対し、各銅製金属薄寸体は好適には約０．１２／０．２４mm（０．００５／０．０１０インチ）の厚みを有する約５cm×７．５cm（２インチ×３インチ）であり且つ切欠の幅は約０．１２／０．３６mm（０．００５／０．０１５インチ）である。当業者であれば、前記導電金属薄寸体を製造すべく他の寸法および材料が使用され得ることを理解し得よう。
【００２５】
所望のパターンは、たとえば化学加工により金属薄寸体を精密切断するなどの種々の手法で達成され得る。代替的に所望パターンは、噴流水切断、レーザ切断、電子ビーム切断、精密打抜ち抜き又は他の任意の習用加工方法により加工され得る。化学加工によれば前記導体の両側を同時に食刻し得ることから、習用のプリント回路盤における単一側の食刻と比較すると除去される銅の量が５０％だけ減少される。
【００２６】
第１金属薄寸体１０は各縁部２６および２８に担体細片を有する。同様に、前記第２金属薄寸体も各縁部３０および３２に担体細片を有する。前記各担体細片は各導電帯を各端部にて支持すると共に、以下において説明される如く引き続いて除去される。第１金属薄寸体１０に対する導電パターンは、比較的に小寸の一連の孔３４、３６を含む。同様に、第２金属薄寸体１２に対する導電パターンもまた、比較的に小寸の一連の孔３８、４０を含む。各孔の好適な直径は約０．２５ｍｍである。各側における孔の好適な合計数は、導電帯の個数と等しい。このタイプの電機子コイルは、種々のＤＣモータの動作要件に依存する所定数の導電帯もしくは孔を有する薄寸金属片から構築され得ることは理解されよう。
【００２７】
図２に示された如く、記述実施例において第１金属薄寸体１０は薄寸壁円筒形状４２へと筒状形成される。図３に示された如く第２金属薄寸体１２もまた薄寸壁円筒形状４４へと筒状形成されるが、各導電帯および加工切欠のパターンは第１金属薄寸体１０の導電帯および切欠のパターンの略々鏡像を生成すべく特定的に配向される。第１円筒体４２の好適直径は約２ｃｍ（０．５１０インチ）であり且つ第２円筒体４４の好適直径は約約２ｃｍ（０．５２０インチ）である。第１円筒体４２は、導体コイルを形成すべく引き続き第２円筒体４４内に載置される為に、僅かに小径に形成される。この故に、以下においては第２円筒体４４は外側円筒体と称され且つ第１円筒体４２は内側円筒体と称される。当業者であれば、他のサイズの円筒体直径が利用され得ることを理解し得よう。
【００２８】
次に第１円筒体４２は円筒状シャフト上に載置されると共に、図４に示された如く好適には約０．００３ｍｍ（０．０００１５インチ）の厚みを有する工業用微細ガラス繊維撚線４６の４層乃至５層が、絶縁および複合強化と同時に第１円筒体４２の担体細片を隔離すべく外側面全体に巻回かつ交差織成される。内側円筒体４２の外側面に亙りガラス繊維撚線の多層を巻回したことから、前記筒状構造に対する構造的支持が提供される。ガラス繊維の織成はまた、内側円筒体４２と外側円筒体４４の間の物理的分離も提供する。前記ガラス繊維層の好適厚みは約０．００７ｍｍ（０．０００３０インチ）〜０．０１９ｍｍ（０．０００７５インチ）であることから極めて小寸ではあるが、相当の強度と十分な絶縁機能とを付加する。
【００２９】
撚り合わされたガラス繊維により巻回された内側円筒体４２は次に、外側円筒体４４内に挿入される（すなわち、内側円筒体４２および外側円筒体４４の長さは等しい）が、両円筒体は同心的かつ軸線的に整列されると共に内側円筒体４２の各端部における導体は外側円筒体４４の各端部における対応導体と確実に整合される様に挿入が行われる。
【００３０】
次の段階は、内側円筒体４２に対して行われたのと同様にして、外側円筒体４４の外側面に４層乃至５層の工業用ガラス繊維撚線を巻回して交差織成することである。このガラス繊維は、離間、強度および構造的支持の為に使用される。前記外側円筒体ガラス繊維層の好適厚みは、約０．００７ｍｍ（０．０００３０インチ）〜０．０１９ｍｍ（０．０００７５インチ）である。必要とされる電気絶縁および電機子構造強度は、作成されるＤＣモータの用途に依存する。０．０１９ｍｍ（０．０００７５インチ）の材料厚みならびに引き続く被包化材料（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）は、４５０００ＲＰＭを超える回転速度の遠心力に耐えるべく十分に強力であることが立証された。結果的な被包化材料は６００ボルト／０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）の誘電強度を有するが、これは０．００７ｍｍ（０．０００３インチ）厚みでは１８０ボルトの絶縁（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を与えるので、０〜６０ボルトでの動作に対しては十分である。
【００３１】
各導体の相互接続パッドの半田付けは好適には、摂氏２６５．５℃（華氏５１０°Ｆ）もの動作温度に耐え得る鉛−銀−スズ半田材料を使用する。この相互接続は半田付けの代わりに溶接とされ、基礎溶接材料としての銅との相互接続を生成して更に高い電機子温度を許容することも可能である。記述実施例の電機子コイルを備えたＤＣモータは、使用される半田および被包化材料の高温機能に依り更に大きな動作電流を許容することから、更なる高動作温度を許容する。各導体を接合する上では圧着、点溶接、音波溶接またはレーザ溶接などの代替的方法が使用され得る。もしこれらの溶接技術のいずれかが使用されるなら前記電機子の動作温度は約摂氏３１５．６℃（華氏６００°Ｆ）まで上昇するが、これは被包化材料の記述実施例の利用温度である。
【００３２】
前記半田付けされた接合部は、図５に示された連続的な誘導螺旋構造を形成すべく外側円筒体４４の各導電帯を内側円筒体４２の各導電帯に電気的に相互接続する。図５は、前記螺旋構造の一部が如何にして達成されるかを詳細に示している。たとえば内側円筒体用導電帯２３は一端（孔３３）にて外側円筒体４４の導電帯１９と電気的に接続されると共に他端（孔４１）にては外側円筒体用導電帯２１と電気的に接続される。内側円筒体４２の残りの導電帯も同様に外側円筒体４４の夫々の導電帯に相互接続され、各端部における相互接続の合計数は同一となる。本質的に、内側円筒体４２の各導電帯は前記電気回路の一方の半体を提供し、外側円筒体４４の各導電帯は前記電気回路の他方の半体を提供する。２個の半体を接合すると前記電気回路が完成する。この構成は典型的に重ね巻き（ｌａｐ ｗｉｎｄ）と称される。波状の巻回も達成され得る。先行技術の電機子は各端部にて更に厚寸となりワイヤ最小屈曲半径の問題を有するが、前記電機子の記述実施例は電機子壁部に沿った他の如何なる箇所よりも各端部が厚寸とならない様に構築され得る。これにより、最終的アセンブリにおける狭幅間隙を通して完成構造が挿入され得る。
【００３３】
図６は、材料の硬度に起因する整流子表面の摩耗を減少する図示パターンにより好適にはベリリウム／銅などの焼き戻し硬質銅合金（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｈａｒｄ ｃｏｐｐｅｒ ａｌｌｏｙ）などの金属薄寸体を精密加工して構築された整流子５０を示している。摺動接触におけるベリリウム／銅の摩耗速度は、更に長い電機子寿命に関して純粋な銅よりも良好である。整流子５０は、とりわけセグメント５４、５６などの１１個のセグメントを支持する担体リング５２を有する。前記各整流子セグメントは、外側円筒体４４の外側の対応半田付け箇所へと半田付けされる。整流子５０はＤＣモータのブラシから電流を収集すると共に、その各電流導通セグメントを介して前記円筒体アセンブリの前記螺旋コイル回路へと電力を提供（もしくは電流を分配）する。開口５７１における１１個のタブと、前記１１個のセグメントは、冷間成形工具を使用して整流表面に対して９０°で屈曲される。この段階により前記整流子は、図８の完成電機子への半田付け取付の準備ができる。整流子取付けが達成され得る前に、外側円筒体４４からの担体細片３０（図３）および前記内側円筒体からの担体細片２６が整流子５０の取付けに備えて冷間成形により除去される。電機子コイル６２に対して整流子５０を半田付けもしくは溶接した後、担体リング５２（図６）は冷間成形により整流子５０から除去される。必要な整流を提供する上では、習用の径方向整流方式が使用され得る。
【００３４】
図７は、（前記の円筒体アセンブリである）コイル４８、整流子５０およびディスク形状フライホイル５７から組立てられた本発明の好適実施例に係る無鉄心電機子を示している。フライホイル５７はシャフト５９および６１（図８）を嵌装する円形中央開口６０を備え得ると共に、好適には高強度のアルミニウムから作成される。フライホイル５７は、その外側面の全体に亙り一貫した電気絶縁層を生成すべく外側表面上は不動態被膜形成され得る。フライホイル５７は非導電性の不動態被覆により電流および電圧を絶縁すべきであるが、トルクを伝達すると共にシャフト５９および６１を確実に固定すべく大きな熱質量、熱伝達特性および剛性を有さねばならない。フライホイル５７の直径は、該フライホイルが引き続き内側円筒体４２の一端内に圧入されたときに内側円筒体４２の内側に該フライホイルが緊密に嵌合すべく、内側円筒体４２の直径に一致して嵌合する輪郭とされねばならない。前記フライホイルを製造する上では、セラミック、高強度ガラスなどの他の材料が採用され得る。
【００３５】
再度述べると、前記電機子の記述実施例の組立ての順序は、先ずフライホイル５７をコイル４８（図７）の開放端部内に圧力嵌めすることである。次に、電気的に接合された円筒体アセンブリ４８の各相互接続部に亙り（上述したタイプの半田材料を使用して）整流子５０の各タブが半田付けされる。この場合、整流子セグメントの合計数は１１であり且つ半田付けされた孔の合計数は２２であることから、１個のセグメントは前記円筒体アセンブリ上の２個の半田付孔（すなわち電気的相互接続部）により使用される。この形式の整流子構造は比較的に多数の整流子セグメントの利用を許容することから、整流子の各切換え時におけるコイルの数は減少され、整流子の火花発生が少なくなる。
【００３６】
ファラデーの法則からは逆起電力（ｂａｃｋ ｅｍｆ）が導かれ、すなわち、導電ループが磁界内で運動するとき、そのループには電圧が誘起される。ＤＣモータにおいては、磁界の存在下で電機子巻線（もしくはコイル）が回転すると電機子コイル内には電圧が誘起される結果となる。この電圧は”逆起電力”と称されると共に、モータが作動する間は不都合である。比較的に多数個（１１個）の前記整流子セグメントを使用したことは、通常は２〜９個のセグメントである公知の整流子と比較して改良点である。本発明の好適実施例に依る前記円筒体アセンブリ上の半田付け箇所の個数は整流子セグメントの倍数であることは理解される。この場合、半田付孔の合計数すなわち２２は、整流子セグメントの合計数である１１の倍数（すなわち２×１１＝２２）である。本発明に依れば３倍、４倍などの他の倍数も生成され得る。整流子５０はまた、ブラシ／整流子のインタフェースにおける機械的摩滅に抗し乍らも高導電性を維持すべく純粋銅以外の導電材料からも作成され得る。
【００３７】
組立てられた前記各構成要素は完全に組立てられたモータ電機子を提供するが、金属および繊維を含むシャフトおよび被包化だけは欠いている。故に、組立てられた電機子は次に、付加的な構造的安定性を提供する非導電性被覆および接合材料による被包化に委ねられ、全ての構成要素は永続的に固定され且つ前記電機子の完全な電気絶縁が提供される。一例として前記電機子は、好適には２５％の固体／溶質（ポリイミド）および７５％の溶媒を含むポリイミド溶液内に浸漬され得る。ポリイミドは、その高耐熱性で知られており、且つ、極めて限られた酸素率（約３８％）で明らかな様に芳香族の非ハロゲン構造の故に非燃焼性でもある。炎に晒されたとき、ポリイミドの煙形成レベルおよび毒性気体形成レベルは極めて低く、該電機子に対する好適な接合物質となる。ポリイミドはまた、アルコール、ケトン、塩素化炭化水素などの有機溶媒に対して化学耐性を有しており、水分吸収も少ない。
【００３８】
浸漬された電機子は次に、遠心処理される。遠心力はポリイミドを前記繊維材料内に深く押し入れると共に、適切に空気を排除し且つ筒状構造の全ての表面、裂け目および亀裂を湿潤することにより、各構成要素の永続的かつ複合的な被包化および絶縁を許容する。
【００３９】
ポリイミドに浸漬された電機子は好適には約摂氏２３２．２℃（華氏４５０°Ｆ）で熱硬化されて溶媒を除去し、硬化ポリイミドによる電機子の被包化が得られる。硬化に対する制限は摂氏２６５．５℃（華氏５１０°Ｆ）の半田流れ温度であるが、非半田溶接技術を使用すればポリイミドの硬化は摂氏３６８．３℃（華氏６９５°Ｆ）とされ且つ摂氏３１５．５℃（華氏６００°Ｆ）の連続的な電機子動作温度が許容される。前記ポリイミド材料は堅固な材料状態へと硬化される。熱により溶媒が除去されるときの前記材料の収縮により、前記構造は緊密とされる。これにより、高い共鳴点（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、速度および捩れ剛性を達成し得る堅固な電機子が可能とされる。セラミック、ガラス、シリケート、シリコーンなどの他のポッティング材料および被包化材料が使用され得る。
【００４０】
図１１は、前記電機子壁部の断面を示している。前記電機子構造は、絶縁／繊維離間層に依る材料を殆ど有しておらず、壁厚全体の極めて僅かな割合である。前記電機子壁部の最終構造は、内から外に向かい：導体空隙を充填する被包化用ポリイミド材料８４を備えた銅金属薄寸体８０；繊維およびポリイミド８１；導体空隙を充填する被包化用ポリイミド材料８５を備えた銅製金属薄寸体８２；および、繊維およびポリイミド８３；から成る。前記シャフトレス電機子が熱硬化された後、該電機子は室温まで冷却され得る。シャフトを挿入すると最終製品は、摺動電気接触のためのブラシを有する任意のＤＣモータ用途で使用され得るという強力、強靭で完全に絶縁された電機子である。硬化された前記シャフトレス電機子は、その構成要素、すなわち銅、高品質半田材料、ガラス繊維およびポリイミドの組成の故に、水分吸収が極めて少ないことを銘記されたい。これにより、前記電機子の記述実施例は医療／歯科用のＤＣモータに対して良好な選択肢となる、と言うのも、加熱殺菌および圧熱滅菌を反復しても前記電機子の動作には影響が無いからである。更に、本発明の電機子を備えたＤＣモータの限界動作温度は約摂氏２３２．２℃（華氏４５０°Ｆ）であるが、これは約摂氏１６２．８℃（華氏３２５°Ｆ）の限界温度で作動し得る先行技術のＤＣモータと比較して相当の改善である。
【００４１】
図８および図９は、ＤＣモータに対して本発明の好適実施例に従い完全に組立てられた自立無鉄心電機子６２を示している。電機子６２は軸線方向に挿入されたシャフト５８を含むが、該シャフト５８はモータへの取付けの為に各端部で外方突出する部分５９および６１を備えている。シャフト５８が取付けられ得る前に、内側円筒体４２からの担体細片２８および外側円筒体４４からの担体細片３２（夫々図２および図３）が冷間成形により切り取られる。この様に担体細片を除去することで個々の螺旋セグメントの分離が完成することから、前記電機子の回りにおける連続的コイル・ループが形成される。シャフト５８は、好適には硬化ステンレス鋼から形成されると共に、既に取付けられたフライホイル５７の開口６０を貫通し且つ既に取付けられた整流子５０の開口５７１を貫通して内側円筒体４２の内側の軸線方向へと圧力嵌めされる。シャフト５８の好適寸法は、３．１７５ｍｍ（（１／８）インチ）直径×６３．５ｍｍ（２（１／２）インチ）長である。シャフト５８を製造する上では他の材料および寸法が使用され得る。
【００４２】
図９は、フライホイル５７により所定位置に保持された開口６０の内側におけるシャフト５８の摩擦結合を示す電機子６２の断面図である。
【００４３】
被包化用ポリイミド材料の良好な透過特性と前記電機子の記述実施例の極めて薄寸のコイル壁部とに依り、磁気戻り経路と磁石との間の間隙は最小化されることから、前記回転子が運動する薄寸エアギャップ内の磁束密度は最適化され、同様のサイズの公知電機子よりも大きなモータ・トルクを生成する。また、記述されたコイル組立てプロセスを使用すれば、組立ての不規則性に依る性能変動は最小限に減少される。前記電機子は４５０００ＲＰＭ以下の動作では動的バランスが不要であることから、組立て変量は重要ではない。更に、前記組立ての精密さによれば、前記電機子壁部および各間隙壁部は運動壁部と非運動壁部（エアギャップと、電機子の各表面）の間における０．０５／０．１２ｍｍ（０．００２／０．００５インチ）の間隔を以て極めて近接して位置され得ることから、エアギャップに対する全体的な導体充填密度は増加される。前記電機子の記述実施例の設計態様で使用された材料は全てが極めて高い耐温度性を示すことから、種々の高温条件下で作動し得る安定な電機子に帰着する。更に、競合する電機子製造コストと比較して前記電機子は極めて製造コスト効率的である。
【００４４】
本発明の電機子の記述実施例は、ドリル（歯科、医療、商用）、趣味工芸品、自動車、航空宇宙関連、写真複写機、プリンタ、ロボット技術、ディスク駆動および運動制御デバイス、ならびに他の公知のデバイスなどの種々の用途で使用され得ることは理解される。たとえば上述の電機子はまた、ブラシレスＤＣモータでも採用され得る。斯かる用途において、ブラシレス・モータ設計態様の電機子は、回転要素となる磁石／シャフト・アセンブリを駆動すべく回転せずに自立する薄寸壁の螺旋状誘導コイルのみを有する。ブラシレス・モータの設計態様においては同様の原理が当てはまり、その場合に磁束エアギャップおよび導体（銅）密度の改善により更に良好なモータ性能が提供される。
【００４５】
本発明の好適実施例が記述されたが、添付の請求の範囲の有効範囲を制限するものと解釈してはならない。当業者であれば、記述実施例に対して種々の改変が為され得ることを理解し得よう。更に、本明細書中における発明自体が当業者に対し、他の課題に対する解決策および他の用途に対する適合を示唆している。故に、現在の実施例は全ての点において例示的であり限定的では無いと考慮されることが望まれ、発明の有効範囲を表す上では前記の説明では無く添付の請求の範囲が参照される。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 本発明の実施例に従い精密加工された一対の銅製金属薄寸体の平面図である。
【図１ｂ】 本発明の実施例に従い精密加工された一対の銅製金属薄寸体の平面図である。
【図２】 本発明の実施例に従い円筒体へと筒状形成された図１ａの精密加工薄寸金属片の斜視図である。
【図３】 本発明の実施例に従い図２の円筒体の略々鏡像である円筒体へと筒状形成された図１ａの精密加工薄寸金属の斜視図である。
【図４】 本発明の実施例に従い円筒状導電コイルを形成すべく図３の円筒体内に挿入された図２の円筒体の斜視図である。
【図４ａ】 コイル・アセンブリ全体に対する内部／外部複合強化を提供すべく巻回および交差織成されたスペーサ層の詳細を示す図４の一部の拡大図である。
【図５】 本発明の実施例に従い連続的導電コイルを形成すべき導電ループの電気的相互接続の概略図である。
【図６】 本発明の実施例に従う整流子の平面図である。
【図７】 本発明の実施例に従い組立てられつつある無鉄心電機子の分解斜視図である。
【図８】 本発明の実施例に従い駆動軸およびフライホイルが挿入され且つ整流子は導電コイルに対して電気的に接続されて組立てられた無鉄心電機子の斜視図である。
【図９】 図８の９−９線に沿った断面図である。
【図１０ａ】 通常のワイヤ巻回電機子におけるローレンツ力の理論説明図である。
【図１０ｂ】 本発明の実施例に従うローレンツ力の理論説明図である。
【図１０ｃ】 典型的な電気モータの電機子にローレンツ力を適用した概略図である。
【図１１】 前記電機子の断面の概略図である。

Claims (26)

1. 電動デバイス用の誘電コイルにおいて、
   連続的非導電性繊維撚線によって離間された一対の薄寸金属からなる同心の内方および外方巻線部分を具備し、前記連続的非導電性繊維撚線は前記内方巻線部分の周囲部周りに複数回にわたって延びていて絶縁層を形成しており、前記巻線部分のそれぞれは軸線方向に延びる複数の導電帯を具備し、一方の巻線部分の前記導電帯は他方の巻線部分の導電帯に連結されており、前記誘電コイルは前記巻線部分と前記絶縁層とを充填する材料により被包されている、電動デバイス用の誘電コイル。
2. さらに、前記外方巻線部分の周囲部周りに複数回にわたって延びる第二の連続的非導電性繊維撚線を具備する請求項１に記載の電動デバイス用の誘電コイル。
3. 前記第二の連続的非導電性繊維撚線が前記外方巻線部分の周囲部周りの外方層を形成しており、前記コイルを被包する材料が外方層を充填している請求項２に記載の誘電コイル。
4. 前記連続的非導電性繊維撚線が、前記内方巻線部分の一端から該内方巻線部分の他端まで該内方巻線部分の周囲部周りに延びている請求項１に記載の誘電コイル。
5. さらに、第二の非導電性繊維撚線を具備し、該第二の非導電性繊維撚線は前記内方巻線部分の一端から該内方巻線部分の他端まで前記絶縁層の周囲部周りに複数回にわたって延びていて、第二の絶縁層を前記内方巻線部分と前記外方巻線部分との間に形成する請求項４に記載の誘電コイル。
6. 前記コイルを被包する前記材料が前記第二の絶縁層を充填する請求項５に記載の誘電コイル。
7. 前記導電帯を分離する各空間は、前記導電帯のそれぞれの厚さの１．５倍よりも小さいようにした請求項１に記載の誘電コイル。
8. 前記連続的非導電性繊維撚線がガラスを含む請求項１に記載の誘電コイル。
9. 前記被包用材料がポリイミドを含む請求項１に記載の誘電コイル。
10. 前記巻線部分のそれぞれが正確に機械加工されて圧延された銅である請求項１に記載の誘電コイル。
11. 前記導電帯のそれぞれが２７５７９０．４ｋＰａ（４００００ｐｓｉ）よりも大きい引張強度を有しており、２０６８４２．８０ｋＰａ（３００００ｐｓｉ）よりも大きい降伏強度を有しており、２０％よりも小さい伸び率を有しており、ブルネル数が７０より大きい硬度を有するようにした請求項１に記載の誘電コイル。
12. さらに、前記誘電コイルの内方部分に連結されていて電気的に絶縁された絶縁部分を備えた金属製フライホイルを具備する請求項１に記載の誘電コイル。
13. 前記電気的に絶縁された絶縁部分が前記フライホイルの陽極処理済外面を含み、該陽極処理済外面が前記誘電コイルの前記内方部分に接触している請求項１２に記載の誘電コイル。
14. 内方巻線部分および外方巻線部分を含む誘電コイルを製造する製造方法において、
    繊維撚線を前記内方巻線部分の外面周りに巻回し、
    前記外方巻線部分を前記内方巻線部分周りに位置決めし、
    前記内方巻線部分を前記外方巻線部分に電気的に接続して電気回路を形成する、製造方法。
15. さらに、前記外方巻線部分が前記内方巻線部分周りに位置決めされるように被包用材料を前記誘電コイルに付加し、前記被包用材料は前記内方巻線部分と前記外方巻線部分との間に前記繊維撚線によって形成された層を充填している請求項１４に記載の製造方法。
16. さらに、前記被包用材料を前記誘電コイルに付加する前に第二の繊維撚線を前記外方巻線部分の外面周りに巻回し、前記被包用材料は前記外方巻線部分周り に前記第二の繊維撚線によって形成された層を充填している請求項１５に記載の製造方法。
17. さらに、第二の繊維撚線を前記外方巻線部分の外面周りに巻回する請求項１４に記載の製造方法。
18. さらに、一つまたは複数の薄寸金属を切断することにより前記内方巻線部分および前記外方巻線部分を形成する請求項１４に記載の製造方法。
19. 前記一つまたは複数の薄寸金属は、該一つまたは複数の薄寸金属を両側から食刻することにより切断される請求項１８に記載の製造方法。
20. さらに、熱伝導性フライホイルを電気的に絶縁し、前記フライホイルを前記誘電コイルに組み付ける請求項１４に記載の製造方法。
21. 内方巻線部分および外方巻線部分を含む誘電コイルを製造する製造方法において、
    前記内方巻線部分周りに前記外方巻線部分を位置決めし、
    前記外方巻線部分が前記内方巻線部分周りに位置決めされるように被包用材料を前記誘電コイルに付加し、前記被包用材料は前記外方巻線部分と前記内方巻線部分との間の隙間に進入するようになり、
    さらに、
    前記内方巻線部分を前記外方巻線部分に対して電気的に結合して電気回路を形成する製造方法。
22. さらに、前記被包用材料を前記誘電コイルに付加する前に繊維撚線を前記内方巻線部分の外面周りに巻回し、前記被包用材料は前記内方巻線部分と前記外方巻線部分との間に前記繊維撚線によって形成された層を充填している請求項２１に記載の製造方法。
23. さらに、前記被包用材料を前記誘電コイルに付加する前に第二の繊維撚線を前記外方巻線部分の外面周りに巻回し、前記被包用材料は前記外方巻線部分周りに前記第二の繊維撚線によって形成された層を充填する請求項２２に記載の製造方法。
24. さらに、一つまたは複数の薄寸金属を切断することによって前記内方巻線部分および前記外方巻線部分のそれぞれを形成する請求項２１に記載の製造方法。
25. 前記一つまたは複数の薄寸金属は、該一つまたは複数の薄寸金属を両側から食刻することにより切断される請求項２４に記載の製造方法。
26. さらに、熱伝導性フライホイルを電気的に絶縁し、前記フライホイルを前記誘電コイルに組み付ける請求項２１に記載の製造方法。

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