JP3921185B2 - 電気機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特許請求項１の前提部に記載した電気機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気機械は一般的に知られている。それらの電気機械は位置固定式のステータを含んでいて、このステータは、ラッカー絶縁されている電気金属薄片から組み合わされていて且つ電気巻線を支持し、更にそれらの電気機械は、ステータに対して回転可能に備えられているロータを含んでいて、このロータは、内側ロータ（インナーロータ）の場合には半径方向でステータの内側に、外側ロータ（アウターロータ）の場合には半径方向でステータの外側に配設されている。外側ロータのモータタイプの場合、ステータ金属板スタックを例えばアルミニウム又はアルミニウム合金から成る金属ハブ上に備え、それによりこのステータ金属板スタックを電気機械の稼動時の反応モーメントに対して相対回転不能な状態で支持することが知られている。更にハブ内部には冷却路が形成されていて、これらの冷却路は冷却循環回路と流れ接続状態にあり、それにより稼動状態時に発生する損失熱が排出され得る。ステータ金属板スタックとハブとの間の効果的な熱伝達のためには、それらの相互の接触領域が特に重要な意味をもつ。この接触領域では金属板スタック及びハブにおいて対向して位置する表面が正確に適合するように形成されるべきである。電気機械のステータを製造する際、通常、先ずはハブが別個に鋳造され、引き続き、特にステータ金属板スタックに対する接触面が機械削りによって最終加工される。それに依存せず、金属薄片を積み重ねることにより、ステータ金属板スタックが製造される。引き続き、金属板スタックとハブの結合は焼きばめによって行われる。
【０００３】
説明したこの製造方法は、機能に関する要求を十分に満たし得るが、大きな短所として、作業に手間がかかり且つコストがかかるということが挙げられる。
【０００４】
内側ロータ式の電気モータでは、外側に配設されているモータケーシングの内側にステータ金属板スタックを配設することが通常であり、このモータケーシングは支持機能及び同時に冷却機能を担うものである。そのために、焼きばめに代わり、外側でステータ金属板スタックの周りをアルミニウム合金を用いて鋳造し、それにより製造プロセスを遥かに安くすることが既に知られている。冷却時においてアルミニウムの収縮は、ケーシングがステータ金属板スタックを固定するように面を介して包囲し、接触面を介して極めて良好な熱輸送が可能とされることをもたらす。鋳造プロセス以前にステータ穿孔部内に圧入される硬化鋼スリーブは、圧力鋳造型内の金属板スタックのセンタリングホルダとして用いられる。この硬化鋼スリーブは、アルミニウムケーシングが完全に冷却された後に初めて取り除かれ、それによりステータ金属板スタックの変形が確実に回避される。
【０００５】
また外側ロータモータでは、この場合に半径方向でステータ金属板スタックの内側に配設されているステータハブを、鋳造方法を使い、直接的に金属板スタックに形成するという試みがあるが、これは簡単には可能ではなく、その理由は、この際、半径方向で内側に位置するアルミニウム・ハブが、鋳造プロセスに引き続く冷却時に、目に見える収縮の影響下にあるためであり、この際、ハブは金属板スタックから少なくとも領域的に再び剥がされ得る。従って、要求を満たすものであるステータ金属板スタックに対するハブの適合固定結合が阻止されてしまう。出願人によって実施された鋳造の試行により、金属板スタックとアルミニウム・ハブとの間には中間空間が形成され、それにより十分な固定結合が形成され得ないということが示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の基礎を成す課題は、電気機械がステータ金属板スタックの中央穴内にこの中央穴内に鋳込まれているハブを有し、このハブがステータ金属板スタックと相対回転不能な状態で且つ広い面を介して結合されていて、それにより従来の技術の短所が克服される電気機械を創作することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、特許請求項１の特徴部に記載された構成要件によって解決される。ステータ金属板スタックの中央穴内にハブを鋳込む際、溶融金属により、金属板スタックに配設されている固定要素が少なくとも部分的に包囲される。冷却時にはハブが収縮し、この際、半径方向内側に指向されている引張応力は部分的に固定要素によって捕らえられて緩和される。この際、これらの固定要素により、ハブの一貫した半径方向の延びが中断され、この際、半径方向で、アンダーカットされている輪郭線の外側に配設されているハブの領域は、量的に比較的僅かな熱誘起収縮の影響下にあるだけである。従ってハブは冷却後でも金属板スタックのメインボディに対して面を介した広い面に渡る接触部を形成する。その結果、ハブと金属板スタックは互いに堅固に固定されている。
【０００８】
本発明の有利な構成では、固定要素が直接的に金属薄板に実施されていることが考慮されている。それにより、例えば金属板スタックに圧入される別個の固定要素が排除され得て、製造が低価格で行われ得る。
【０００９】
フックとして形成されていて且つ金属薄板から突出する固定要素が有利であると示されている。この突出部により、元来の実施形態と比べ、金属薄板内の磁場の広がりに影響が及ぼされることはなく、その結果、この措置は、物理的な特性に対する短所を伴うことなく且つ追加的な製造手間をほぼ伴うことなく、原則的に全てのステータ金属板スタックにおいて実施可能である。
【００１０】
また、それに対して選択的に、固定要素を金属薄板における穴によって形成することも可能である。これについては、薄板において半径方向で最も内側の領域だけが該当しているので、この際にも電気機械の磁場の広がりにおける損失を予測しないで済む。
【００１１】
前記したそれらの実施形態は、金属板スタックとハブにおいて相対回転不能な状態の少なくとも１つの確実な半径方向の結合部を保証する。ハブの改善された軸方向の固定は、固定要素が軸方向の中間空間を有し、これらの中間空間内においてハブが鋳造時にこれらの中間空間に対応する構造体を形成する場合に達成され得る。この措置により、軸方向の面が追加的に形成され、これらの面は接触面を拡大させ、ハブとステータ金属板スタックとの間の熱伝達を更に改善する。
【００１２】
鋳物ハブの冷却時に発生する引張応力は、金属板スタックにおける望まれない楕円状の変形を導き得る。この作用は、同一の固定要素、又は、異なる固定要素から形成されているグループが、金属板スタックの周方向において均等に配分されていることによって十分なほどに抑制される。理想的な場合、作用する引張応力は、機械軸線が延びているステータの中心点で相殺される。
【００１３】
鋳造プロセスのためには、技術的長所として、ハブが金属板スタックの端面において肩部を有することが挙げられる。このようにして、溶融金属が鋳型から管理されずに流れ出してしまうことが確実に妨げられる。
【００１４】
前記の肩部と組み合わせ、金属薄板を半径方向外側の輪郭部において互いに溶接することは更に有利である。それにより、外側輪郭部における金属板スタックの軸方向の扇状の広がりが解消される。
【００１５】
本発明の特に有利な構成では、金属薄板を周方向において少なくとも２つのセグメントから形成することが考慮されている。電気機械のステータの製造は、より効果的な材料投入によって遥かに低価格で行われ得る。セグメントの組み立て後に内部空間内に鋳込まれるハブは、引張応力の作用によって金属板スタックを堅固に結び合わせる。従って、セグメントを結び合わせるための追加的な措置は不必要である。
【００１６】
特に堅固に結合されている金属板スタックは、軸方向で隣接されている層のセグメントが周方向においてずらされて配設されている場合に得られる。それにより、ハブの鋳込時におけるステータの望まれない変形が確実に回避され得る。
【００１７】
同様に長所と共に実現すべき他のバリエーションでは、軸方向で隣接されている層のセグメントが重なり合うように配設されている。金属板スタックの製造時、セグメントスタックとしてセグメントが積み重ねられ、これらのセグメントスタックは他のステップで側方から組み合わされ得る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき、例を用いて本発明を説明する。
【００１９】
図１には外側ロータ構造形式の電気機械１０が図示されている。例えば永久磁石励磁型同期機として形成され得るこの種の電気機械は、定置式のステータ１２と、軸線Ａを中心に回転するロータ１４とを有する。ロータ１４は、薄板を積み重ねた金属板スタック（積層鉄芯）１６を含んでいて、この金属板スタック１６は内周面において多数の永久磁石１８を有する。ステータ１２は、金属薄板１９から形成されている他の金属板スタック（他の積層鉄芯）２０を含んでいて、この金属板スタック２０は半径方向外側で所定数の巻付歯２２を支持し、これらの巻付歯２２は直接的に金属板スタック２０に形成されているか又は別個に製造されて後に金属板スタック２０に固定される。個々の金属薄板１９は、コーティングを用いて互いに電気的に絶縁されていて、打ち抜きスタッキングにより互いに結合されている。選択的に又は追加的にも、金属薄板１９は、ベイクドラッカーを用いて接着され得る、又は、それらの外側輪郭部において、好ましくは溝の底部又は内径部において実施されている軸方向の複数のレーザ溶接継目２３によって結び合わされ得る。これらの巻付歯２２間の溝内にはコイル２４の形式の電気巻線が配設されている。これらの巻線２４は個々の電気相線に割り当てられていて、この際、１つの共通の相線に割り当てられている巻線２４は互いに結び付けられていて、適切な電気接続部及び電気端子を介し、電気機械１０を制御するためのパワー電子装置２６と接続されている。巻線２４に電流が流されると、それにより電気機械１０の磁場及びその結果として駆動運動が生成される。ステータ１２は中央穴３４を有し、この中央穴３４内には、軽合金、例えばアルミニウム材料から成り且つこの中央穴３４内に鋳込まれているハブ３６が配設されていてステータ１２と相対回転不能な状態で結合されている。有利には圧力鋳造法で製造されるこのハブ３６は、軸方向でステータ金属板スタック２０の全長を超えて延びていて、端面において各々肩部３８、４０を有し、これらの肩部３８、４０はステータ金属板スタック２０をその半径方向で内側の領域で軸方向において囲んでいる。肩部３８、４０は、数ミリメートル、例えば２〜５ｍｍだけであり、金属板スタック２０の内側輪郭線を超えて半径方向外側へと突出している。この構成は、鋳造プロセス時におけるハブ３６の軸方向の輪郭線を正確に定義するため、及び、溶融されている鋳造材料が中央穴３４から流れ出ることを確実に回避するためには十分である。凝固の際、鋳物ハブ３６は軸方向においても半径方向においても収縮する。軸方向の収縮の結果として金属板スタック２０は半径方向で内側の領域において軸方向の圧力の影響下に置かれ、この圧力は、金属板スタック２０の軸方向で外側の領域において個々の薄板１９の軸方向の扇状の広がりを導き得る。この作用は特に既述のレーザ溶接継目２３によって回避され得る。ハブ３６の端部は、フランジ３９として形成されていて、非図示の位置固定式の構成部材、例えば、内燃機関のサポート、ケーシング、又は変速機ケーシングに、ステータ１２を固定するための穿孔部４１を有する。更にハブ３６は非図示の冷却路を有し、これらの冷却路は、冷却液で満たされていて、電気機械１０の冷却装置２８の構成部分である。電気機械１０の稼動時、熱として発生する出力損失は、先ず冷却液へと放出され、その後、冷却剤ポンプ３０を用いて熱交換器３２へと運ばれ、そこで冷却装置２８から引き離される。
【００２０】
次に、いかに、ステータ金属板スタック２０に対して鋳物ハブ３６の結合が実施されているかについて説明する。そのために図２には、中央穴３４ａを有する電気金属板から成る円環形状のステータ金属薄板１９ａの部分図が示されていて、この際、薄板１９ａは、外周部において、半径方向に突出する極或いは巻付歯２２ａを有し、内側輪郭部において、薄板本体から突出するフック形状の多数の固定要素４２、４２ａを有する。これらの固定要素４２、４２ａは、実質的に半径方向に延びている短い開始領域４３を用いて金属薄板１９ａと結合されていて、更に、実質的に周方向において延びている部分４４、４４ａを有する。電気機械の軸線をも表す、図面に対して垂直に立っている軸線Ａから見て、固定要素４２、４２ａは、金属薄板１９ａ、従ってステータ金属板スタック２０において、半径方向においてアンダーカットされている輪郭線を有し、この輪郭線は中間空間４６を取り囲んでいる。要素４２、４２ａは、部分４４、４４ａの延び方向に関して区別される。各々２つの固定要素４２、４２ａは、それらの部分４４、４４ａを用いて互いに位置決めされて配設されていて、固定ペア４８を形成する。図２において各巻付歯２２ａには各々１つの固定要素４２或いは４２ａが割り当てられていて、それらは巻付歯２２ａの対称線に対して僅かにずらされて配設されている。この際、巻付歯２２ａの巻付ピッチは合同の固定要素４２或いは４２ａのピッチの半分である。つまり、固定要素４２は各２番目の巻付歯２２ａにおいてのみ反復される。同一の固定要素４２或いは４２ａは金属板スタックの内周において均等に離間されている。従って、固定ペア４８も金属板スタック２０において均等に配分されている。
【００２１】
図２の図に対して選択的に図３では、金属薄板１９ｂの内周領域における穴によって実現されている固定要素５０、５０ａが示されている。この際、穴５２の半径方向の伸張は、磁力線の広がりが電気機械１０の稼動時に影響されない又は実質的には影響されないように選択されたものである。
【００２２】
図４は、明確化のために、金属板スタック２０ｃ内に鋳込まれたハブ３６ａを有する金属板スタック２０ｃの結合領域を部分的な半径方向切断図として示している。
【００２３】
完備したステータ金属板スタック２０を形成するためには、先ず、図５で斜視図として描かれているように、図２で示された複数の金属薄板１９ａ、例えば５枚の金属薄板１９ａが、第１グループＧ１として合同の状態で積み重ねられ、この際、同時に複数の固定要素４２、４２ａもまとめられる。同様に同数の金属薄板から成る第２グループＧ２が前記の第１の金属板スタックの巻付歯２２ｂ及び溝に対して合同の状態で積み重ねられるが、第２グループＧ２は１つの極ピッチ分回転されて配設されているので、固定要素によって形成されている構造体は、第１金属板スタックＧ１の同様の構造体と重なり合うものではない。このようにして固定要素４２、４２ａはステータ金属板スタック２０において軸方向の中間空間５４を形成し、これらの中間空間５４内で、鋳込時には非図示のハブがそれに対応する構造体を形成し得て、それによりハブは軸方向でステータ金属板スタック２０において固定される。部分４４、４４ａと金属板スタックの本体との間のアンダーカットされている領域は同様に鋳物材料によって満たされ、この際、金属板スタック２０の固定要素４２、４２ａは、鋳物ハブによって少なくとも部分的に包囲され、それにより相対回転不能な状態であり且つ面を介した互いの所望の結合を確立させる。
【００２４】
円環形状の閉じた薄板に代わり、ステータ金属板スタック２０は個別セグメントを積み重ねることからも生成され、それらの個別セグメントのうち少なくとも２つは閉じた円環を形成する。そのために図６には、全部で６分割された金属薄板の、６０°に渡って延びている個別セグメント５６が示されていて、この個別セグメント５６には、周方向において、結合要素として、一方の端部には半円形状の穴５８が、他方の端部にはこの穴５８に対応する半円形状の突起６０が同一の部分円上に形成されていて、これらは、複数の個別セグメント５６を組み合わせる際に形状拘束的に互いに嵌り合って結合構造体を形成する。半径方向で内側の領域における固定要素の構成は既に図２に示されたものに対応する。
【００２５】
セグメント化された薄板の他の例が図７に示されていて、そこでは端部側の結合要素が図６の例と比べて修正されている。この際、個別セグメント５６ａは、一方の端部では互いに相補的な各々２つの結合要素６２、６４を有し、これらの結合要素６２、６４は部分円ＴＫ１上或いはＴＫ２上に配設されている。要素６２は円形状の突起として形成されていて、要素６４はその突起に対応する円形状の穴として形成されていて、この穴は延長部６６から打ち抜き成形されたものである。セグメント５６ａにおいて反対側の端部には、同じ部分円ＴＫ１及びＴＫ２上に同様に２つの結合要素６２、６４が設けられていて、これらの結合要素６２、６４は、各々２つの個別セグメント５６ａの結合時に要素６２が形状拘束的に要素６４に嵌り込むように配設されている。
【００２６】
図６及び図７から、閉じた薄板が少なくとも２つのセグメントから構成されることが見て取れる。また、電気機械のサイズに応じ、例えば、５個、６個、７個、又は１２個、又は一般的には各任意数の個別セグメントも円環形状の薄板へと組み合わされ得る。
【００２７】
組み合わされた個別セグメント５６ｂからステータ金属板スタック２０を生成する際、これらの個別セグメント５６ｂは、最も簡単な場合、図８ａで部分的な側面図として示されているように軸方向で合同の状態で配設され得て、又は、それに対して選択的に、図８ｂで示されているように金属板スタック２０において軸方向で隣接されている層のセグメント５６ｃが周方向において互いにずらされて配設され得る。この場合、各々２つの個別セグメントの結合領域は軸方向で隣接されている層によってブリッジされ、個別セグメントの形状拘束的な結合だけでも既に金属板スタックの比較的良好な結び合わせが得られる。当然のことであるが、先ず複数のセグメントが第１グループとして合同な状態で積み重ねられ、第２グループとして周方向において例えば少なくとも１つの巻付歯ピッチ分ずらされて積み重ねられることも可能である。個別セグメントから構成されている金属板スタック内へのステータの鋳込時には、冷却時に開始する収縮の結果、半径方向内側に指向される引張応力が生成され、この引張応力は金属板スタックを追加的な措置を伴うことなく確実に結びつかせる。
【図面の簡単な説明】
【図１】外側ロータ構造形式の電気機械を示す図である。
【図２】固定要素を有するステータ金属薄板を示す図である。
【図３】他の形式で構成された固定要素を有するステータ金属薄板を示す図である。
【図４】ステータ金属板スタックとこのステータ金属板スタック内に鋳込まれたハブとの間の結合領域における半径方向部分断面を示す図である。
【図５】金属板スタックの斜視図を示す図であり、この際、固定要素は追加的に軸方向でグループ化されている。
【図６】複数部材形式の金属薄板の個別セグメントを示す図である。
【図７】複数部材形式の金属薄板の他の形式の個別セグメントを示す図である。
【図８】個別セグメントから積み重ねられたステータ金属板スタックにおける積み重ねの順番を示す図である。
【符号の説明】
１０ 電気機械
１２ ステータ
１４ ロータ
１６ 薄板を積み重ねたロータ金属板スタック
１８ 永久磁石
１９ ステータ・金属薄板
１９ａ ステータ・金属薄板
１９ｂ ステータ・金属薄板
２０ 金属板スタック
２０ａ 金属板スタック
２０ｂ 金属板スタック
２０ｃ 金属板スタック
２２ 巻付歯
２２ａ 巻付歯
２２ｂ 巻付歯
２３ レーザ溶接継目
２４ 巻線
２６ パワー電子装置
２８ 冷却装置
３０ 冷却剤ポンプ
３２ 熱交換器
３４ 中央穴
３４ａ 中央穴
３６ ハブ
３６ａ ハブ
３８ 肩部
４０ 肩部
３９ フランジ
４１ 穿孔部
４２ 固定要素
４２ａ 固定要素
４３ 固定要素において実質的に半径方向に延びている部分
４４ 固定要素において実質的に周方向において延びている部分
４４ａ 固定要素において実質的に周方向において延びている部分
４６ 中間空間
４８ 固定ペア
５０ 固定要素
５０ａ 固定要素
５２ 穴
５４ 軸方向の中間空間
５６ 個別セグメント
５６ａ 個別セグメント
５６ｂ 個別セグメント
５６ｃ 個別セグメント
５８ 半円形状の穴
６０ 半円形状の突起
６２ 結合要素
６４ 結合要素
６６ 延長部
Ｇ１ 同一の状態で積み重ねられた金属薄板のグループ
Ｇ２ 同一の状態で積み重ねられた金属薄板のグループ

Claims (10)

1. 金属薄板を層状に配設することから形成されていて円柱状の中央穴（３４）を有する金属板スタック（２０、２０ａ、２０ｂ）と、その中央穴（３４）の内部に配設されていて金属板スタック（２０、２０ａ、２０ｂ）と相対回転不能な状態で結合されているハブ（３６、３６ａ）とを有するステータを含んでいる電気機械であって、金属板スタック（２０、２０ａ、２０ｂ）が、中央穴（３４）の領域に、半径方向にてアンダーカットされている輪郭線を有する固定要素（４２、４２ａ）を備えていて、ハブ（３６、３６ａ）が鋳物部材として実施されていて、更には金属板スタック（２０、２０ａ、２０ｂ）の固定要素（４２、４２ａ）が鋳物部材（３６、３６ａ）によって少なくとも部分的に包囲されている、前記電気機械において、
   固定要素（４２、４２ａ、５０、５０ａ）がステータ（１２）において軸方向の中間空間（５４）を有し、これらの中間空間（５４）内においてハブ（３６、３６ａ）がこれらの中間空間（５４）に対応する構造体を形成することを特徴とする電気機械。
2. 固定要素（４２、４２ａ）が金属薄板（１９、１９ａ、１９ｂ）に実施されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
3. 固定要素（４２、４２ａ）がフックとして形成されていて且つ金属薄板（１９、１９ａ、１９ｂ）から突出していることを特徴とする、請求項２に記載の電気機械。
4. 固定要素（５０、５０ａ）が金属薄板（１９、１９ａ、１９ｂ）における穴によって形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の電気機械。
5. 同一の固定要素（４２、４２ａ、５０、５０ａ）がステータ金属板スタック（２０、２０ａ、２０ｂ）において周方向で均等に配分されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械。
6. ハブ（３６）が金属板スタック（２０）の端面において各々１つの肩部（３８、４０）を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
7. 金属薄板（１９）がステータ金属スタック（２０）の半径方向で外側の輪郭部において溶接継目（２３）によって互いに溶接されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
8. 金属薄板（１９、１９ａ、１９ｂ）が周方向において少なくとも２つのセグメント（５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ）から形成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気機械。
9. 軸方向で隣接されている層のセグメント（５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ）が周方向においてずらされて配設されていて、更には各々２つの個別セグメント（５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ）の結合領域が、軸方向で隣接されている層によってブリッジされることを特徴とする、請求項８に記載の電気機械。
10. 軸方向で隣接されている層のセグメント（５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ）が周方向において互いにずらされているのではなく合同な状態で配設されていることを特徴とする、請求項８に記載の電気機械。

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