特許 7527427 電気機械のためのステータアセンブリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-25

(45)【発行日】2024-08-02

(54)【発明の名称】電気機械のためのステータアセンブリ

(51)【国際特許分類】

   H02K 5/128 20060101AFI20240726BHJP

【ＦＩ】

H02K5/128

【請求項の数】 10

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023044046

(22)【出願日】2023-03-20

(65)【公開番号】P2023160738

(43)【公開日】2023-11-02

【審査請求日】2023-03-20

(31)【優先権主張番号】10 2022 109 794.3

(32)【優先日】2022-04-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】510238096

【氏名又は名称】ドクター エンジニール ハー ツェー エフ ポルシェ アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｄｒ． Ｉｎｇ． ｈ．ｃ． Ｆ． Ｐｏｒｓｃｈｅ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

【住所又は居所原語表記】Ｐｏｒｓｃｈｅｐｌａｔｚ １， Ｄ－７０４３５ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110003421

【氏名又は名称】弁理士法人フィールズ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】トビアス エンゲルハルト

(72)【発明者】

【氏名】ミヒャエル ラインライン

(72)【発明者】

【氏名】ダーヴィト バウアー

(72)【発明者】

【氏名】ヨハネス ヴェンデ

(72)【発明者】

【氏名】トーマス フーベルト

【審査官】島倉 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２１３４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１８３０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－１４４１２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０５７５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２３３０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ５／１２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気機械（１０）のためのステータアセンブリ（２０）であって、
前記ステータアセンブリ（２０）が、内側ロータ（１２）と協働するための外側ステータアセンブリとして構成され、積層コア（２２）と、巻線アセンブリ（２４）と、キャン（５０）と、を備え、
前記積層コア（２２）が、金属シート（２２０Ａ、２２０Ｂ）を備え、第１の軸方向端部（２１１）と第２の軸方向端部（２１２）との間に延在し、前記金属シート（２２０Ａ、２２０Ｂ）が、スロット（４０Ａ、４０Ｂ）を備え、前記スロット（４０Ａ、４０Ｂ）が、前記積層コア（２２）内にスロットポケット（３０）を形成し、前記巻線アセンブリ（２４）が、前記スロットポケット（３０）を通って延在し、
前記スロットポケット（３０）が、
前記第１の軸方向端部（２１１）に設けられる第１の軸方向領域（２２１）における第１の複数のスロット（４０Ａ）であって、もっぱら開放スロット（４０Ａ）を備える第１の複数のスロット（４０Ａ）を備え、
前記第２の軸方向端部（２１２）に設けられる第２の軸方向領域（２２２）における第２の複数のスロット（４０Ａ）であって、もっぱら開放スロット（４０Ａ）を備える第２の複数のスロット（４０Ａ）を備え、
前記第１の軸方向領域（２２１）と前記第２の軸方向領域（２２２）との間に位置する第３の軸方向領域（２２３）における第３の複数のスロット（４０Ｂ）であって、もっぱら閉鎖スロット（４０Ｂ）を備える第３の複数のスロット（４０Ｂ）を備え、
前記開放スロット（４０Ａ）を有する前記金属シート（２２０Ａ）が、その半径方向内側端部にステータ歯（２４３）を備え、前記ステータ歯（２４３）の間に前記開放スロット（４０Ａ）が形成され、
前記キャン（５０）が前記積層コア（２２）に接続され、前記積層コアの半径方向内側で前記ステータアセンブリを封止し、
前記スロットポケット（３０）を通して冷却剤（９０）の冷却剤流が可能にされ、
前記第１の軸方向領域（２２１）の第１の軸方向長さ（Ｌ１）、前記第２の軸方向領域（２２２）の第２の軸方向長さ（Ｌ２）、または前記第１の軸方向長さ（Ｌ１）及び前記第２の軸方向長さ（Ｌ２）は、前記第３の軸方向領域（２２３）の第３の軸方向長さ（Ｌ３）より短い、
ステータアセンブリ（２０）。

【請求項2】

前記ステータ歯（２４３）は、歯ネック（２２４）及び歯ヘッド（２２５）を備える、請求項１に記載のステータアセンブリ（２０）。

【請求項3】

前記ステータ歯（２４３）が、前記歯ネック（２２４）から前記歯ヘッド（２２５）への移行部において、少なくとも一部分において段々広がることを特徴とする、請求項２に記載のステータアセンブリ（２０）。

【請求項4】

前記キャン（５０）が、プラスチック、特に繊維強化プラスチックを含む、請求項１に記載のステータアセンブリ（２０）。

【請求項5】

ハウジング（９９）を備え、
前記ハウジング（９９）が、前記冷却剤（９０）のための入口（９１）及び出口（９２）を備え、前記ハウジング（９９）が、前記キャン（５０）を備え、
前記ハウジング（９９）が、冷却剤（９０）による前記ステータアセンブリ（２０）の冷却を可能にするために、前記入口（９１）と前記出口（９２）との間に流体密封されるように構成される、請求項１に記載のステータアセンブリ（２０）。

【請求項6】

前記スロットポケット（３０）が、前記スロットポケット（３０）を通して冷却剤（９０）の冷却剤流を可能にするために、前記入口（９１）及び前記出口（９２）に流体接続される、請求項５に記載のステータアセンブリ（２０）。

【請求項7】

－前記第１の軸方向領域（２２１）、
－前記第２の軸方向領域（２２２）、又は
－前記第１の軸方向領域（２２１）及び前記第２の軸方向領域（２２２）が、
少なくとも５ｍｍ、好ましくは少なくとも１０ｍｍ、更に好ましくは少なくとも１５ｍｍ、及び特に少なくとも２０ｍｍである、軸方向延長部を備える、請求項１に記載のステータアセンブリ（２０）。

【請求項8】

－前記第１の複数、
－前記第２の複数、又は
－前記第１の複数及び前記第２の複数が、
少なくとも２である、請求項１に記載のステータアセンブリ（２０）。

【請求項9】

前記第３の複数が、少なくとも４、好ましくは少なくとも８、更に好ましくは少なくとも１２、及び特に好ましくは少なくとも１５である、請求項１に記載のステータアセンブリ（２０）。

【請求項10】

請求項１に記載のステータアセンブリ（２０）と、ロータアセンブリ（１２）と、を備える、電気機械（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気機械のためのステータアセンブリ及びこのようなステータアセンブリを有する電気機械に関する。

【背景技術】

【0002】

独国特許出願公開第１０ ２０１７ ２０６ ５６７号明細書、米国特許第１０，７４９，３８６号明細書、独国特許出願公開第１０ ２０２１ １０４ ６５０号明細書、及び特開２００７－１５１２３２号公報は、スロットが、部分的に開放し、部分的に閉鎖している積層金属シートを有するステータコアを開示する。

【0003】

国際公開第２０１８／１８０３４５号は、ステータコアを開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】独国特許出願公開第１０ ２０１７ ２０６ ５６７号明細書

【文献】米国特許第１０，７４９，３８６号明細書

【文献】独国特許出願公開第１０ ２０２１ １０４ ６５０号明細書

【文献】特開２００７－１５１２３２号公報

【文献】国際公開第２０１８／１８０３４５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

したがって、本発明によって対処される課題は、新しいステータアセンブリ及び新しい電気機械を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この課題は、独立請求項の主題によって解決される。

【0007】

電気機械のためのステータアセンブリであって、ステータアセンブリが、内側ロータと協働する外側ステータアセンブリとして構成され、積層コアと、巻線アセンブリと、キャンと、を備え、積層コアは、金属シートを備え、第１の軸方向端部と第２の軸方向端部との間に延在し、金属シートは、スロットを備え、スロットは、積層コア内にスロットポケットを形成し、巻線アセンブリは、スロットポケットを通って延在し、
スロットポケットは、少なくとも部分的に、
－第１の軸方向端部に設けられる第１の軸方向領域における第１の複数のスロットであって、開放スロットとして構成される第１の複数のスロットを備え、
－第２の軸方向端部に設けられる第２の軸方向領域における第２の複数のスロットであって、開放スロットとして構成される第２の複数のスロットを備え、
－第１の軸方向領域と第２の軸方向領域との間に位置する、少なくとも１つの第３の軸方向領域における第３の複数のスロットであって、閉鎖スロットとして構成されている、第３の複数のスロットを備える。

【0008】

軸方向端部を備える軸方向領域では、スロットポケットのスロットは、開放されるように構成され、それによって渦電流損失が比較的顕著に低減される。軸方向端部領域の間には、閉鎖スロットを有する少なくとも１つの第３の軸方向領域があり、これは、ステータアセンブリの安定性に、特にキャンの安定性に有利である。これは非常に有利な組み合わせを提供する。この構成は、直接冷却された巻線アセンブリを有する電気車両における高性能電気機械に特に有利である。

【0009】

好ましい実施形態によれば、第１の軸方向領域におけるスロットポケットは、もっぱら開放スロットを備える。

【0010】

好ましい実施形態によれば、第２の軸方向領域におけるスロットポケットは、もっぱら開放スロットを備える。

【0011】

好ましい実施形態によれば、第３の軸方向領域におけるスロットポケットは、もっぱら閉鎖スロットを備える。

【0012】

それによって、開放スロット及び閉鎖スロットの効果が強化される。

【0013】

好ましい実施形態によれば、開放スロットを有する金属シートは、その半径方向内側端部に歯ネック及び歯ヘッドを有するステータ歯を備え、ステータ歯の間に、開放スロットが形成される。これは、開放スロットの有利な構成である。

【0014】

好ましい実施形態によれば、ステータ歯は、歯ネックから歯ヘッドへの移行部において、少なくとも一部分において幅が広がることを特徴とする。このような幅が広がることは、磁束を改善し、半径方向内側にあるステータスロットを部分的に遮断する。

【0015】

好ましい実施形態によれば、キャンは、特に、接着剤接続によって、又は追加の接着剤によって、積層コアに接続される。この領域の安定性及び密封性は、この対策によって改善することができる。

【0016】

好ましい実施形態によれば、キャンは、プラスチック、特に繊維強化プラスチックを含む。一方で、プラスチックは、磁気非導電性又は導電性不良であり、他方で非常に安定させることができる。

【0017】

好ましい実施形態によれば、キャンは、積層コアの半径方向内側側面上のステータアセンブリを封止する。それによって、ロータに向かっての流体の漏れを防止することができる。

【0018】

好ましい実施形態によれば、ステータアセンブリは、ハウジングを備え、ハウジングは、冷却剤のための入口及び出口を備え、ハウジングは、キャンを備え、ハウジングは、冷却剤によるステータアセンブリの冷却を可能にするために、入口と出口との間に流体密封されるように構成されている。ハウジング用のキャンを利用することは、冷却剤がスロットポケットを通って流れることを有利に可能にする。

【0019】

好ましい実施形態によれば、スロットポケットは、スロットポケットを通して冷却剤が流れることを可能にするために、入口及び出口に流体接続される。このタイプの冷却は、非常に効果的である。これは、直接冷却と称される。

【0020】

好ましい実施形態によれば、
－第１の軸方向領域、
－第２の軸方向領域、又は
－第１の軸方向領域及び第２の軸方向領域は、
各々が、少なくとも５ｍｍ、好ましくは少なくとも１０ｍｍ、更に好ましくは少なくとも１５ｍｍ、及び特に好ましくは少なくとも２０ｍｍである軸方向延長部を備える。この軸方向延長は、渦電流の有利な低減を可能にする。

【0021】

好ましい実施形態によれば、
－第１の複数、
－第２の複数、又は
－第１の複数及び第２の複数は、
少なくとも２、好ましくは少なくとも５、更に好ましくは少なくとも７、及び特に好ましくは少なくとも９である。この数字は、より小型及び大型の積層コアに好適である。

【0022】

好ましい実施形態によれば、第３の複数体は、少なくとも４、好ましくは少なくとも８、更に好ましくは少なくとも１２、及び特に好ましくは少なくとも１５である。これにより、安定したステータアセンブリが可能となる。

【0023】

電気機械は、このようなステータアセンブリ及びロータアセンブリを備える。これにより、高性能のために構成され得る有利な電気機械がもたらされる。

【0024】

本発明の更なる詳細及び有利な更なる展開が、以下に説明され、図面に図示され、またいずれの様式においても本発明を限定するものとして解釈されるべきではない実施例、及び従属請求項から発生するであろう。言うまでもなく、上で言及される特徴及び以下でこれから考察される特徴は、本発明の範囲を離れることなく、それぞれ指定された組み合わせだけでなく、他の組み合わせでも、又はそれ自体でも使用することができる。ここで、

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】概略的な長手方向セクションで、積層コアを有する電気機械を示す。

【図2】図１の電気機械の、概略部分断面である。

【図3】積層コアの金属シートの第１の変形を伴う、図１の電気機械の概略上面図である。

【図4】積層コアの金属シートの第２の変形を伴う、図１の電気機械の概略上面図である。

【図5】積層コアの前部領域における磁束の倍略図である。

【0026】

同じ又は同じ効果を持つ部品は、以下では同じ参照番号で提供され、通常は１回のみ説明される。全ての図の説明は、不必要な繰り返しを避けるために互いに流用される。

【0027】

図１は、ステータアセンブリ２０及びロータアセンブリ１２を有する電気機械１０を示す。電気機械はまた、駆動機能を有する場合、電気モータと称され得る。ステータアセンブリ２０は、キャン５０を含むハウジング９９を有する。

【0028】

ハウジング９９は、入口９１及び出口９２を有する。

【0029】

出口９２は、導管９３を介してポンプ９４に接続され、ポンプ９４は、導管９５を介して熱交換器９６に接続され、熱交換器９６は、冷却剤回路９８を可能にするために、導管９７を介して入口９１に接続される。冷却剤９０は、ハウジング９９内及び冷却剤回路９８全体に提供され、冷却剤は、好ましくは流体、特に液体及び／又はガスである。絶縁油などの薄い液体冷却剤９０は、良好に適しており、電気絶縁を更に改善し、誘電特性を有する。トランスオイルは、特に有利であり、比較的高温でも安定である。

【0030】

ステータアセンブリ２０は、積層コア２２及び巻線アセンブリ２４を含む。巻線アセンブリ２４は、積層コア２２の２つの軸方向端面上に、巻線ヘッド２５を含む。

【0031】

積層コア２２は、第１の軸方向端部２１１と第２の軸方向端部２１２との間に延在する。例示的な実施形態では、積層コア２２は、第１の軸方向領域２２１、第２の軸方向領域２２２、及び第３の軸方向領域２２３を備える。

【0032】

第１の軸方向領域２２１は、軸方向長さＬ１の上に延在し、第２の軸方向領域２２２は、軸方向長さＬ２の上に延在し、第３の軸方向領域２２３は、軸方向長さＬ３の上に延在する。

【0033】

例示的な実施形態では、ロータアセンブリ１２は、永久磁石１４を有するロータコア１３を備える。

【0034】

ステータアセンブリ２０は、回転軸１５を画定する。ロータアセンブリ１２は、回転軸１５を中心に回転し、内側ロータアセンブリとして構成される。したがって、ステータアセンブリ２０は、外側ステータアセンブリとして構成される。

【0035】

上面図では、図２は、ステータアセンブリ２０及びロータアセンブリ１２のセクションを示す。

【0036】

積層コア２２は、アンカースパイン又はヨークと呼ばれる磁気ヨーク２４２と、ステータ歯２４３とを有する。ステータ歯２４３は、スロットポケット３０を画定する。

【0037】

巻線アセンブリ２４は、スロットポケット３０を通って延在し、巻線ヘッド２５は、積層コア２２の軸方向端部に設けられる。例示的な実施形態では、ステータアセンブリ２０はまだ完全にはアセンブルされておらず、巻線アセンブリ２４又は巻線アセンブリ２４の巻線ワイヤ２３２は、スロットポケット３０の一部にのみ設けられる。

【0038】

ステータ歯２４３はそれぞれ、内向きに延在する歯ネック２２４を備え、歯ヘッド２２５は、ステータ歯２４３の半径方向内側端部に設けられる。

【0039】

キャン５０は、ステータ歯２４３に接続され、ステータ歯２４３の半径方向内側領域をロータアセンブリ１２に向かって封止する。

【0040】

例えば、キャン５０は、プラスチック成形部品として事前に作られ、次に接着剤を使用して積層コア２２に接着され得るか、又はライナーとも称される積層コア２２のラミネーションによって製造され得る。

【0041】

キャン５０は、積層コア２２とロータアセンブリ１２との間のエアギャップ５１内に位置し、好ましくは、磁気非導電性又は低導電性材料から形成される。エアギャップ５１は、積層コア２２とロータコアとの間の磁気非導電性又は低導電性領域として画定され、例えば、部分的にプラスチックで充填され得る。

【0042】

好ましくは、キャン５０は、プラスチック、特に繊維強化プラスチックから形成される。しかしながら、追加の材料が存在し得る。

【0043】

図３は、積層コア２２の金属シート２２０Ａを概略的に図示する。好ましくは、このような金属シートは、例えば電気シート金属、特にモータシート金属又はトランスシート金属などの軟磁性材料から製造される。金属シート２２０Ａ間の電気絶縁については、それらは、好ましくは、絶縁層、例えば、好ましくは薄いワニス層を含む。

【0044】

ステータ歯２４３は、歯ネック２２４及び歯ヘッド２２５を含む。例示的な実施形態では、ステータ歯２４３は、歯ネック２２４から歯ヘッド２２５へと移動するにつれて段々広くなる、すなわち、それらは円周方向により広くなる。代替的に、歯ヘッド２２５は、段々広くならないように形成されてもよい。

【0045】

隣接するステータ歯２４３の歯ヘッド２２５は互いに接続されておらず、したがって、ステータ歯２４３の間に形成されたスロット４０Ａはそれぞれスロット開口部２２７を有する。開放スロット４０Ａと云われ、又は幅の広い歯ヘッド２２５に対しては、半閉鎖スロット又はセミ閉鎖スロット４０Ａと云われるが、シート２２０Ａにおけるスロット開口部２２７のために、やはり開放スロット４０Ａである。

【0046】

例示的な実施形態では、巻線アセンブリ２４のスロット絶縁部２３１及び銅導体２３２がスロット４０Ａに設けられる。

【0047】

スロット４０Ａの領域における巻線アセンブリ２４の冷却は、ジュール熱及び鉄損失によって熱が生成されるため、有益である。

【0048】

スロット４０Ａの領域内が冷却剤９０により冷却されると、冷却剤９０がキャン５０に到達することができる。冷却剤９０が加圧されると、冷却剤９０はキャン５０に圧力を生じさせる。これは、キャン５０に損傷をもたらし得るか、又は分離をもたらし得る。

【0049】

金属シート２２０Ａの利点は、スロット開口部２２７を設けることによって、この領域における電流の流れが防止されるか、又は少なくとも弱くなることである。結果として、ステータ金属シート２２０Ａに生じ得る渦電流２５１は、比較的小さい領域に、又はむしろ局所的に形成される。

【0050】

ステータ金属シート２２０Ａは、典型的には、個々の金属シート２２０Ａの間に絶縁を生じさせる絶縁層を有する。絶縁層は、金属シート２２０Ａにわたる大面積の渦電流の形成を防止するか、又は少なくとも妨げる。

【0051】

図４は、基本的に、図３の金属シート２２０Ａと同じ様に構成される金属シート２２０Ｂを示す。したがって、同じ材料、同じシート厚、及び同じ絶縁が使用され得る。

【0052】

ここで、図３の金属シート２２０Ａとの差異について考察する。金属シート２２０Ｂは、閉鎖スロット４０Ｂとして構成されたスロット４０Ｂを含む。したがって、スロット４０Ｂはスロット開口部を有さず、金属シート２２０Ｂはスロット４０Ｂを全ての側面（半径方向内側、半径方向外側、及び円周方向）で封入する。

【0053】

金属シート２２０Ｂは、金属シート２２０Ｂの領域内のスロット４０Ｂの冷却剤９０がキャン５０に直接接触しないという利点を有し、金属シート２２０Ｂはスロット４０Ｂの領域においてより安定しており、それによって変形のリスクを低減する。これにより、積層コア全体の安定性（図１と比較して）、及びそれゆえにキャン５０の安定性も増加する。しかしながら、冷却剤９０は、金属シート２２０Ｂの間の領域のキャンに依然として影響を与え得るが、そこは有効表面であり、それゆえキャン５０上の機械的負荷はより少ない。

【0054】

金属シート２２０Ｂの１つの欠点は、局所渦電流２５１に加えて、更により大きな面積の渦電流２５２が発生する場合があることであるが、その理由は、電気渦電流が金属シート２２０Ｂの半径方向内側領域にわたって、したがって１つ以上のスロット４０Ｂの周りにも流れる場合があるからである。

【0055】

図５は、積層コア２２及びロータコア１３のロータ積層コア並びにそれらの間のエアギャップ５１を概略的に示す。軸方向端部２１１（及び同様に２１２）では、磁束２６０は、高い磁束密度で軸方向及び弓状に出ることができる。これは、フリンジ効果又はフラックスフリンジとも称される。これはますます、金属シートの層状に閉じる渦電流につながる。この理由から、図１の軸方向端部領域２２１、２２２において、図３の金属シート２２０Ａを使用することは、それらが、渦電流を最適化しており、それによって渦電流損失の比較的強い低減が可能であることから、特に有利である。

【0056】

対照的に、図１の積層コア２２の中央領域２２３では、キャン５０及びステータアセンブリ２０全体の安定した構成を達成するために、図４の金属シート２２０Ｂの閉鎖スロット４０Ｂを使用することが特に有利である。

【0057】

結果として、スロットポケット３０（図２参照）が、全て又は少なくとも部分的に有利であるのは、
－第１の軸方向端部２１１に設けられる第１の軸方向領域２２１における第１の複数のスロット４０Ａであって、開放スロット４０Ａとして構成される第１の複数のスロット４０Ａを備え、
－第２の軸方向端部２１２に設けられる第２の軸方向領域２２２における第２の複数のスロット４０Ａであって、開放スロット４０Ａとして構成される第２の複数のスロット４０Ａを備え、
－第１の軸方向領域２２１と第２の軸方向領域２２２との間に位置する少なくとも１つの第３の軸方向領域２２３における第３の複数のスロット４０Ｂであって、閉鎖スロット４０Ｂとして構成される第３の複数のスロット４０Ｂを備えることである。

【0058】

当然ながら、多様な変形及び改変が、本出願の範囲内で可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】