小型高出力オルタネータ
【課題】小型高出力永久磁石オルタネータの提供。
【解決手段】オルタネータ１０２のロータ２０８は、円筒形ケーシング２３４と、該円筒形ケーシング２３４上に配置された所定数の永久磁石２３６とを含み、該円筒形ケーシング２３４の軸を中心として回転するように構成されている。ステータ２１０は、コア２４４と、複数組の導電巻線２８０とを含む。前記導電巻線２８０の各組に対応して集電体１３８がそれぞれ設けられ、各組の個別導電巻線２８０は、その対応する集電体１３８に電気的に接続されている。各集電体１３８は、冷媒をステータの巻線に接触させるように導く冷媒流路に配置され、互いに電気的に絶縁されるとともに、互いに及び巻線から離間されている。連続したリング状及び複数の円弧状の集電体１３８が開示されている。
【解決手段】オルタネータ１０２のロータ２０８は、円筒形ケーシング２３４と、該円筒形ケーシング２３４上に配置された所定数の永久磁石２３６とを含み、該円筒形ケーシング２３４の軸を中心として回転するように構成されている。ステータ２１０は、コア２４４と、複数組の導電巻線２８０とを含む。前記導電巻線２８０の各組に対応して集電体１３８がそれぞれ設けられ、各組の個別導電巻線２８０は、その対応する集電体１３８に電気的に接続されている。各集電体１３８は、冷媒をステータの巻線に接触させるように導く冷媒流路に配置され、互いに電気的に絶縁されるとともに、互いに及び巻線から離間されている。連続したリング状及び複数の円弧状の集電体１３８が開示されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［相互関連出願］
本出願は、チャールズ・ワイ・ラフォンテーヌらの名義で２００６年２月２２日付で出願された米国仮特許出願第６０／７７５，９０４号の優先権を主張する。また、本出願は、米国仮特許出願第６０／６４９，７２０号の優先権を主張する２００６年２月２日付の米国特許出願第１１／３４７，７７７号の継続出願であり、その優先権を主張する。これら全ての先行出願の全体を、あらゆる目的のため、参照によって本明細書中に組み込むものである。
【０００２】
［技術分野］
本発明は、例えば、ブラシレス交流発電機のような、機械的なエネルギーと電気的なエネルギーとの変換を行う機器のための電圧及び電流制御システムに関し、特に、小型高出力永久磁石オルタネータ、例えば自動車用に適した小型高出力永久磁石オルタネータ用の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
オルタネータは通常、回転するシャフトに取り付けられ、静止したステータに対して同心円上に配置されるロータを備える。ロータは通常、ステータの内部に配置される。しかし、ステータがロータの内部に同心円状に配置されていても良い。回転部材は通常、モータやタービン等の外部エネルギー源によって、直接又はプーリベルト等の中間システムを介して駆動される。ステータ及びロータはそれぞれ、一連の極を有している。ロータとステータのいずれか一方が磁界を発生し、発生した磁界は、他方の構造体の極の巻線と相互作用する。磁界が巻線と交差すると電界が発生し、この電界は適当な負荷に供給される。誘導電界（これは一般に、電圧源として知られている）は通常、整流器を通され、場合によっては調整された後に、直流出力源として提供される。誘導電流は通常、整流器を通され、場合によっては調整された後に、直流出力源として提供される。場合によっては、調整された直流出力信号は、ＤＣ−ＡＣインバータを通され、交流出力として提供される。
【０００４】
従来、自動車用途に用いられるオルタネータは通常、エンジンの外側に取り付けられたハウジングと、ハウジングに収容された３相巻線を有するステータと、ステータ内部でハウジング内に回転可能に支持された、ベルト駆動クローポール型（例えばランデル型）ロータとを備える。しかしながら、従来型のオルタネータにおいて出力を増加させるためには、そのサイズを大幅に大きくしなければならない。従って、車輌内におけるスペースの制約により、このようなオルタネータを、空調設備や冷凍設備や通信機器への電力供給用途といった高出力（例えば５ＫＷ）用途に用いることは困難となりがちである。
【０００５】
更に、巻線を備えたクローポール型ロータは比較的重く（往々にしてオルタネータの総重量の４分の３程度を占める）、慣性が大きい。実際、この慣性は、エンジンが加速される際に常にエンジンに対する負荷となる。このことは、エンジン効率の低下につながりやすく、余分な燃料消費の原因となる。また、この慣性は、電気又はハイブリット車輌等の用途において問題となる可能性がある。ハイブリット車輌においては、速度が所定の閾値、例えば３０Ｋｐｈ（通常、ガソリンエンジンの最も効率の良いＲＰＭ領域に対応する）より上である場合には、ガソリンエンジンを車輌の推進用に用いる。同様に、所謂「マイルドハイブリッド」においては、運転者がアクセルペダルを押し下げた際の初期駆動推進力を提供するのにスタータ・ジェネレータが用いられており、車輌が運行時に停車する際に、燃料を節約し排気を削減するためにエンジンを停止させやすくなっている。通常、このようなマイルドハイブリッドシステムにおいては、高電圧（例えば４２ボルト）電気システムの使用が検討されている。このようなシステムにおけるオルタネータは、特に渋滞時において、連続する停車の合間にスタータ・ジェネレータを駆動して初期駆動推進力を提供するのに十分なレベルまでバッテリを充電可能であることが必要とされる。従って、比較的高出力で低慣性なオルタネータが必要とされている。
【０００６】
一般に、車輌内の制御・駆動システムや、空調およびその他の機器を作動させるために、更に多くの電力が必要とされている。このことは、特にレジャー車輌や、冷凍車輌等の産業輸送用車輌や、建設用車輌や、軍事用車輌において当てはまる。
【０００７】
例えば、自動車業界においては、機械式又は油圧式の制御・駆動システムではなく電気式のインテリジェント制御・駆動システムを使用し、車輌のエンジンに対する負荷を低減し燃費を向上しようという動きがある。このようなシステムは、例えば、ステアリングサーボ（通常、ステアリング補正が必要な場合にのみアクティブとなる）、ショックアブソーバ（フィードバックを利用し、ショックアブソーバの硬さを道路や速度状況に合わせ調整する）、及び空調装置（コンプレッサを、温度を一定に保つために必要な最低限の速度で動かす）と共に用いることができる。このような電気式制御・駆動システムが使用されることにより、車輌の電力システムに対しての要求が増大する傾向にある。
【０００８】
同様に、車載冷凍システムを電気的に駆動することも望まれている。例えば、冷凍システムを（車輌のエンジンのＲＰＭとは無関係に）速度可変で駆動すると効率を向上させることができる。更には、電気的に駆動されるシステムを用いた場合、種々の部品、例えば、コンプレッサ（エンジン上の）、凝縮器（大気に曝されるように配置される）、及び蒸発器（冷凍室内に配置される）を接続するホースを、家庭用冷蔵庫や空調装置で用いられているような電気的に駆動される密閉システムに置き換えることができる。従って、このような用途に用いられる車輌電力システムは、電気的に駆動される機器が必要とする電力を提供可能であることが望まれている。
【０００９】
更には、既存の車輌に後付けできる「取り外し交換型」の高出力オルタネータが特に必要とされている。通常、車輌のエンジン室内においては、オルタネータを収容するスペースは非常に限られている。取替え用オルタネータが空きスペース内にはまらなければ、取り付けは（仮にできたとしても）非常に複雑なものとなり、通常、ラジエタやバンパといった主要部品の取り外しと、追加のブラケット、ベルトおよび他の器具の設置が必要になる。従って、取替え用オルタネータが既存のスペース内にはまり、既存の機器に接続できることが望ましい。
【００１０】
永久磁石オルタネータは一般に公知である。このようなオルタネータにおいては、必要とされる磁界を発生するのに永久磁石が用いられる。永久磁石発電機は、従来の巻線界磁型発電機に比べ、大幅に軽量・小型である傾向にある。永久磁石オルタネータの例として、スコットらに１９９７年４月２９日付けで付与された米国特許第５，６２５，２７６号明細書、スコットらに１９９８年１月６日付けで付与された米国特許第５，７０５，９１７号明細書、スコットらに１９９９年３月２３日付けで付与された米国特許第５，８８６，５０４号明細書、スコットらに１９９９年７月２７日付けで付与された米国特許第５，９２９，６１１号明細書、スコットらに２０００年３月７日付けで付与された米国特許第６，０３４，５１１号明細書、及びスコットに２００２年８月２７日付けで付与された米国特許第６，４４１，５２２号明細書に記載のものが挙げられる。
【００１１】
特に軽量・小型の永久磁石オルタネータは、「外側」永久磁石ロータと「内側」ステータとを採用することで実現できる。ロータは、中空円筒形ケーシングを備え、その円筒形状の内面には高エネルギー永久磁石が配置されている。ステータはロータのケーシング内に同心円状に配置され、軟磁性コアと導電性巻線とを適切に備える。コアは略円筒形であり、その外周面は軸方向に刻みが入れられ、等間隔に並んだ所定数の歯とスロットを有している。導電性巻線（ワニス銅モータワイヤ等の適切に絶縁された導体から形成される）は、スロットから他のスロットへと、所定数の歯の周囲にコアの側面の外側に沿って巻回される。ここで、巻線における、コアの側面に沿った凹状スロットの外側に延在する部分を、エンドターンと呼ぶ。ステータを中心としたロータの回転により、ロータの磁石から発せられる磁束がステータの巻線と相互作用し、ステータの巻線に電流が誘導される。このようなオルタネータの例として、例えば上記の、スコットらに１９９８年１月６日付けで付与された米国特許第５，７０５，９１７号明細書や、スコットらに１９９９年７月２７日付けで付与された米国特許第５，９２，６１１号明細書に記載のものが挙げられる。
【００１２】
永久磁石発電機から供給される電力は、ロータの速度によって大きく変動する。多くの用途において、ロータ速度の変化は、例えば、自動車のエンジンスピードの変動や負荷特性の変化によってよく起こることである。従って、電子制御システムが一般的に用いられている。永久磁石オルタネータ及びその制御システムの例としては、上記のスコットらに１９９７年４月２９日付けで付与された米国特許第５，６２５，２７６号明細書に記載のものが挙げられる。他の制御システムの例としては、アンダーソンらに２０００年１月２５日付けで付与された米国特許第６，０１８，２００号明細書に記載のものが挙げられる。制御システムの他の例としては、同一権利者による同時係属出願である、「永久磁石オルタネータ用制御装置」と題され、２００４年６月６日に出願されたクアジらによる米国特許出願第１０／８６０，３９３号及び「交流発電機用制御装置」と題され、２００６年２月２日に出願されたフェーバーマンら（本発明者らを含む）による米国特許出願第１１／３４７，７７７号明細書に記載のものが挙げられる。上記同一権利者による出願を、その全文が本明細書に記載されたものとしてここに援用する。
【００１３】
広範囲のロータ速度への対応の必要性は、自動車用途において特に切実である。例えば、大型ディーゼルトラックエンジンは、通常、アイドル時の６００ＲＰＭから幹線道路上での速度における２６００ＲＰＭまでの回転数で動作するが、エンジンがトラックの減速のために用いられる場合に回転数は時として３０００ＲＰＭにもなる。従って、オルタネータシステムにおいて、ＲＰＭ変動比は５：１である。軽負荷ディーゼルエンジンはこれよりも若干広い範囲、例えば、６００〜４０００ＲＰＭの回転数で動作する。ガソリン車輌エンジンに用いられるオルタネータは、更に広いＲＰＭ範囲、例えば、６００〜６５００ＲＰＭに対応可能でなければならない。加えて、このオルタネータは、負荷の変動、即ち０負荷から負荷限度にも対応可能でなければならない。よって、ガソリン車輌エンジンと共に用いられる永久磁石オルタネータにおいては、出力電圧変動比は１２：１にもなる。従って、従来型の永久磁石オルタネータにおいて、一定の負荷の下でのアイドル時に（例えば１２ボルトの）動作電圧を提供する必要がある場合、この負荷におけるエンジンの最大ＲＰＭにおいては、この動作電圧の数倍、例えば１０倍の電圧、例えば１２０ボルトが提供されることになる。アイドル時の電圧が例えば、電気駆動空調装置又は通信機器用に１２０Ｖである場合、エンジンの最大ＲＰＭにおいて電圧は、例えば１２００ボルトにもなる。このような電圧レベルに対処するのは困難であり、実際のところ危険でもある。また、このような極端な電圧・電流変動に対しては、より高価な部品が必要となる。エンジンのＲＰＭが高い場合（例えば幹線道路上でのスピード）に発生する高い電圧・電流に対応した部品は、中程度の電圧に対応した部品と比べ非常に高価である。
【００１４】
従来の高電流自動車オルタネータにおけるステータは、効果的に直列に接続された断面積の大きい導電体で構成される。より詳細には、それぞれが各位相（Ａ、Ｂ及びＣ相）に対応した複数のコイルの組が従来用いられている。各位相コイルの組（Ａ、Ｂ及びＣ）は、その一端側において「Ｙ」又は「Δ」状に互いに接続（終端）されている。これらコイルの組の他端は、各位相が分離されるように位相毎に配置され、次いで終端されて集められ、オルタネータから延出され電圧制御装置に向けられる。出力終端においては、同一位相のコイルの端部が、絶縁モータリードワイヤにグループ化されて半田付けされる。更には、これらのモータリードワイヤを、各位相Ａ、Ｂ及びＣ用の３個の独立した導電体の末端となる更に大きなゲージモータリードワイヤにグループ化して半田付けしてもよい。これらのリードワイヤは、導電体をステータのエンドターンに結びつけることによりステータに固定される。導電体をエンドターンに結びつけることにより、オルタネータを通過する冷却流体に曝される銅の量が減少する。これにより事実上、導電体は断熱ブランケットとして機能し、エンドターン及びリードワイヤの冷却が妨げられる。この巻回方法においては、いくつかの更なる問題が存在しうる。例えば、極位相コイル毎の巻数が小さいため（場合によっては巻数が１）、位相極コイルの巻数を変えることによって設計出力電圧を細かく変えることは困難又は不可能である。また、導電体の断面積が大きいため、ステータの巻回が困難となる。また、コイル間に短絡が生じると、通常、ステータ全体が焼き切れてオルタネータが停止し、駆動システムに損傷を与えたり、車輌のエンジンが過負荷となったりする可能性がある。
【００１５】
一般に知られている永久磁石オルタネータにおいては、所定数の歯の周囲にスロットを介して巻かれた所定数の独立した巻線の組が組み込まれており、各組により提供される出力はその他の組の状態によってそれほど影響されない。例えば、このようなオルタネータは、その制御装置とともに、スコットらに１９９９年５月４日付けで付与された米国特許第５，９００，７２２号明細書に記載されている。この米国特許第５，９００，７２２号明細書に記載されたオルタネータにおいては、巻線の組の数が極の数の整数分の１に等しくなっており、所望の出力を得るために、制御回路は個々の巻線の組への電流経路を選択的に完成させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、比較的容易に巻回可能であり、短絡の影響を最小限に抑え、更には同時に冷却を容易にする位相極コイルを用い、その巻数を変えることにより所望の出力電圧を得ることができる小型・高出力オルタネータに対する必要性は依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の種々の態様において、ステータの巻線は所定数の極位相コイルとして巻回され、極位相コイルの数は磁極の数と等しいのが好ましい。各極位相コイルは、オルタネータの必要出力を発生するのに十分な巻数で巻回され、更に各極位相コイルにおける出力電流の割合は、１／（磁極の数）に等しくなっている。個々の極位相コイルは並列に接続される。
【００１８】
本発明の他の態様において、各出力位相に対応する導電位相リングは、そのそれぞれに、その位相に対応するコイルが電気的に接続された状態でオルタネータ内に組み込まれ、冷却、グループ化及び出力位相の制御システムへの伝送を容易にしている。
【００１９】
本発明の他の態様において、導電位相リングは非導電支持構造体によって所定の位置に保持される。
【００２０】
本発明の他の態様において、導電位相リングは、導電位相リング及びエンドターンを通過する冷却流体、例えば空気に曝されることにより効率的な冷却効果が得られるように配置される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、機械的エネルギーと電気的エネルギーとの変換を行うシステムのブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の種々の態様に係るオルタネータの外観の側面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示すオルタネータのＡ−Ａに沿った断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａに示すオルタネータのＢ−Ｂに沿った簡略断面図であって、オルタネータ内における導電位相リングの相対配置を示す図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ａに示すオルタネータにおける端子の簡略断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、導電位相リングの他の実施形態を示す図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、図２Ａのオルタネータのステータコア及び導電位相リングの簡略斜視図であり、導電位相リングとそれに対応する巻線の組との接続を示す図である（巻線のエンドターンは省略）。
【図２Ｇ】図２Ｇは、本発明における位相リングを利用し、直流電圧を出力するように構成されたオルタネータの概略ブロック配線図である（図２Ａ〜２Ｇを、図２と総称する。）。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の種々の態様に係るオルタネータの他の実施形態の外観の側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示すオルタネータのＣ−Ｃに沿った断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａのオルタネータのステータコア及び分割導電位相リングの簡略斜視図であって、分割導電位相リングとそれに対応する巻線の組との接続を示す図である（巻線のエンドターンは省略）。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明における分割位相リングを利用し、直流電圧を出力するように構成されたオルタネータの概略ブロック配線図である（図３Ａ〜３Ｄを、図３と総称する。）。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の種々の態様に係るオルタネータの他の実施形態の外観の上面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示すオルタネータのＤ−Ｄに沿った断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図３Ａのオルタネータのステータコア及び多重分割導電位相リングの簡略斜視図であって、多重分割導電位相リングとそれに対応する巻線の組との接続を示す図である（巻線のエンドターンは省略）。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明における多重分割導電位相リングを利用し、直流電圧を出力するように構成されたオルタネータの概略ブロック配線図である（図４Ａ〜４Ｄを、図４と総称する。）。
【図５】図５は、本発明の各実施形態において用いられるステータにおける１つの３位相極グループ内の３個の巻線のそれぞれを示す概略ブロック配線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を添付図面に従い説明する。図面において、特に明記しない限り、同じ名称は同じ部材を示す。
【００２３】
図１を参照すると、本発明の種々の態様に係るオルタネータ１０２等の動力変換装置は、整流制御システム１００、例えばエンジンやタービン等の機械的エネルギー源（例えば駆動装置）１０４及びモータ等の負荷１０６と適宜協働し、必要に応じてバッテリやコンデンサ、フライホイール等のエネルギー貯蔵装置１０８とも協働する。
【００２４】
整流制御システムは、オルタネータ１０２からの交流信号を整流し、即ち、交流信号を直流信号に変換し、直流信号の電圧を所定のレベル、例えば２８Ｖに調整するのに適していればどのようなシステムでもよい。フェーバーマンら（本発明者らを含む）により、「交流発電機用制御装置」と題され、２００６年２月２日に出願された同一権利者の米国特許出願第１１／３４７，７７７号明細書に記載されるように、好ましい実施形態において、システム１００は、制御装置１１０及びスイッチングブリッジ１１２を備える。必要に応じて、インバータ（負荷１０６の構成要素に分類される場合がある）を設け、所定の一定周波数及び振幅（例えば６０Ｈｚ、１２０Ｖ）の交流信号を生じるようにすることもできる。
【００２５】
一般に、オルタネータ１０２は、エネルギー源１０４からの機械的な入力に応じて交流出力を生じる。オルタネータ１０２は多相（例えば３相、６相等）交流出力信号、例えば、位相Ａ（１１８）、位相Ｂ（１２０）及び位相Ｃ（１２２）を提供するのが好ましい。これらの出力信号は通常調整されておらず、駆動ＲＰＭ（ソース１０４）に応じて大きく変動する。
【００２６】
オルタネータ１０２からの交流位相信号は、好ましくは入力ヒューズ１２８を介してシステム１００に入力される。システム１００は、オルタネータ１０２からの交流信号を整流し、即ち、交流信号を直流信号に変換し、直流信号の電圧を所定のレベル、例えば２８Ｖに調整する。好ましい実施形態において、スイッチングブリッジ１１２は、制御装置１１０からの制御信号に応じて、前記交流信号の各種位相ごとにオルタネータ１０２から負荷１０６までの導通経路を選択的に提供する。スイッチングブリッジ１１２の例は、同一権利者による同時係属出願である２００６年２月２日に出願されたフェーバーマンら（本発明者らを含む）による米国特許出願第１１／３４７，７７７号明細書に示されている。制御装置１１０は、調整された出力信号を所定電圧で生成するために、スイッチングブリッジ１１２に対する制御信号を選択的に生成する。制御装置１１０は、入力１１４において内部から、あるいは入力１４０において外部から、調整された出力を適宜サンプルし、適正な出力を維持するために、ブリッジ１１２に対する信号を調整する。更には、出力電流を入力１１６において検出し、ブリッジ１１２に対する制御信号をさらに修正する。
【００２７】
調整された直流信号、すなわち電圧調整された出力（Voltage Regulated Output）（ＶＲＯ）は、適宜出力ヒューズ１３６を介して負荷１０６及びエネルギー貯蔵装置１０８に入力される。負荷１０６は、電力を使用する任意の装置であり、例として、ランプ、モータ、ヒータ、電子機器、およびインバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等の出力変換機が挙げられる。エネルギー貯蔵装置１０８は、制御システム１１０の出力をフィルタリング又は円滑化する（ただし、各種実施形態において、制御装置１１０自身が適当なフィルタリング機能を内蔵あるいは別途実現してもよい。）。
【００２８】
システム１００は、必要に応じて他の出力１５０及び１６０を提供することもできる。更には、システムの保護のために適切なクローバー回路１４２を設けることもできる。
【００２９】
オルタネータ１０２は、同一権利者による同時係属出願である「小型高出力オルタネータ」と題され２００４年７月１２日に出願されたチャールズ・Ｙ・ラフォンテーヌ及びハロルド・Ｃ・スコットによる米国特許出願第１０／８８９，９８０号明細書に記載されたタイプのオルタネータであることが一般に好ましい。しかしながら、オルタネータ１０２は、各極毎に巻線の組（各相に対応する少なくとも一つの巻線を含む）を有し、一つの位相に対応する巻線の全ては並列に接続されている。上記のラフォンテーヌらによる出願を、その全文が本明細書に記載されたものとしてここに援用する。
【００３０】
本発明の一態様によれば、同一位相に対応するコイル間の並列接続は、対応する導電位相リング１３８によってなされ、この接続は、導電位相リング１３８とオルタネータの出力端子２６２との間に配置された可融性リンク１２４を含む。各コイルの出力は、対応する導電位相リング１３８によって集められ、導電位相リング１３８は対応する出力端子１２６に接続されている。
【００３１】
オルタネータ１０２の極の総数が増えると、コイルの数も増える。従来のコイル集約方法においては、モータワイヤを従来の方式で絶縁されたモータリードワイヤに半田付する。オルタネータの定格出力を大きくした場合、モータリードワイヤの負荷容量もそれに応じて大きくする必要がある。リードモータワイヤの負荷の増加は通常、単ワイヤのゲージを大きくするか複数のワイヤを並列に使用することによってワイヤの累積ゲージを大きくすることにより達成される。この結果、モータリードワイヤの断面積が飛躍的に大きくなる。コイルの総数及びそれらのエンドターン、またリードワイヤ及びその絶縁を考慮すると、上述のようにして得られる、導電体とモータリードワイヤとが結合されたステータアセンブリはエンドターンを断熱し、冷却の観点からは好ましくない。また、得られたアセンブリにおいては、エンドターンの冷却を唯一可能としている冷媒流（例えば空気流）が制限され、冷却効果が更に減少する。
【００３２】
従って、比較的容易に巻回可能であり、短絡の影響を最小限に抑え、更には同時に冷却を容易にする位相極コイルを用い、その巻き数を変えることにより所望の出力電圧が得られる小型高出力オルタネータが必要とされている。本発明の種々の態様によれば、このような小型高出力オルタネータは、所定数の極位相コイル、好ましくは磁極の数と同数の極位相コイルを採用し、各極位相コイルを、オルタネータの所要出力を発生するのに十分な巻数で（比較的小径のワイヤを用いて）、且つ各極位相コイルにおける出力電流の割合が１／（磁極の数）に等しくなるように巻回し、好ましくは導電位相リング（集電体）１３８を使用して個々の極位相コイルを並列に接続することによって実現される。導電位相リング１３８を使用することにより、オルタネータ１０２の組み立てが大幅に簡略化されるばかりではなく、巻線の冷却が容易になる。
【００３３】
より詳細には、オルタネータ１０２は、好ましくはテーパ突出部２０４とねじ部２０６とを含むシャフト２０２と、ロータ２０８と、ステータ２１０と、前側エンドプレート２１２と、前側軸受２１４と、止めナット２１６と、後側エンドプレート２１８と、後側シャフト保持リング２２０と、後側軸受２２２と、後側止めナット２２４と、外側ケーシング２２６と、各連結棒（図示せず）とを備えるのが好ましい。ロータ２０８はシャフト２０２に取り付けられ、シャフトと共に回転する。ステータ２１０はロータ２０８内に近接して収容され、ロータ２０８から薄いエアギャップ２２８の分だけ離間している。前側エンドプレート２１２、前側軸受２１４、後側軸受２２２、後側エンドプレート２１８、外側ケーシング２２６及び連結棒は、協働して支持アセンブリとなり、シャフト２０２、ロータ２０８及びステータ２１０の位置関係を維持する。シャフト２０２は、前側エンドプレート２１２及び後側エンドプレート２１８にそれぞれ取り付けられた軸受２１４及び２２２によって支持される。軸受２１４及び２２２は、シャフト２０２を回転可能に保持するとともに、前側及び後側エンドプレートに対して同心且つ垂直になるように位置合わせする。ロータ２０８はシャフト２０２に取り付けられ回転するが、テーパシャフト部２０４を介して確実に位置を定められている。後側エンドプレート２１８は、ステータ２１０を、ロータ２０８内でシャフト２０２及びロータ１１２に対して適切な位置に配置されるように搭載し位置決めする。外側ケーシング２２６は、その軸（好ましくは円筒形）に対して垂直な端面を有し、前側エンドプレート２１２と後側エンドプレート２１８との間に配置される。連結棒は、エンドプレート２１８及び２１２を外側ケーシング２２６に対して押し付け、これにより各部材はまっすぐに適正位置に保持される。
【００３４】
自動車用オルタネータの典型的用途においては、プーリ２３０がシャフト２０２の端部に取り付けられる。エンジン（例えば、１０４、図２には示さず）の動力は、適切なベルトドライブ（図示せず）を介してプーリ２３０に、従ってシャフト２０２に伝達される。その結果、シャフト２０２は、ロータ２０８をステータ２１０を中心に回転させる。ロータ２０８は磁界を発生し、この磁界はステータ２１０の巻線と相互作用する。磁界が巻線と交差すると、電流が生じ、適切な負荷に供給される。
【００３５】
ロータ２０８は、エンドキャップ２３２と、円筒状ケーシング２３４と、ケーシング２３４の内部側壁にその極が互い違いになるように配置された所定数（例えば、１６対）の永久磁石２３６とを備えるのが好ましい。ロータエンドキャップ２３２は、適切に実質的に開口しており、周辺部２３８と、各クロスアーム（図示せず）と、シャフト２０２との接続を提供する中央ハブ２４０とを含む。冷媒（例えば空気）の各通路２４２がエンドキャップ２３４を貫通して設けられ、各通路２４２は、周辺部２３８と、隣接するクロスアーム（図示せず）と、中央ハブ２４０とによって画定されている。
【００３６】
好適には、ステータ２１０は、コア２４４と導電巻線（概略的に示す）２８０とを備える。好適には、コア２４４は、軟磁性材料、例えば、無方向性・低損失（鉛を含有しない）スチールからなる薄いシートの積層体を含み、これらのシートは所望の形状に切断され又は打ち抜かれ、位置を揃えて接合されている。コア２４４は通常、円筒形であり、その外周面は軸方向に刻み目が付けられている、即ち、所定数の歯とスロットを有する。好ましくは、コア２４４は、実質的に開口しており、中央開口部を有する。また、好適には、コア２４４は、後側エンドプレート２１８への取り付けを容易にするための軸方向貫通孔を有するクロスアームを含む。
【００３７】
好適には、前側エンドプレート２１２は略円筒形である。好適には、前側エンドプレート２１２は、前側軸受２１４を位置決めする同軸開口部を有し中央部に配置されたハブ２４６と、中心開口部から半径方向に所定の距離を隔てた位置において、互いに等しい角距離をおいて配置された、各連結棒（図示せず）を収容するための各ねじ穴（図示せず）を有する周辺部と、周辺部２４８をハブ２４６に連結し、冷媒（例えば空気）の各通路２５０を画定する（例えば４個の）クロスアーム（図示せず）とを含む。
【００３８】
後側エンドプレート２１８は、後側軸受２２２を保持して位置を定めるとともに、ステータコア２４４を搭載して位置を定める。好適には、後側エンドプレート２１８は、小径前方部２５４を有する段付き中央ハブ２５２と、ハブ２５２を貫通する中央開口部２５６とを含み、好ましくは前側エンドプレート２１２と同一の外径を有する略円筒形状であり、各クロスアーム（図示せず）によってハブ２５２に接続されている。好適には、後側エンドプレート２１８は、冷媒（例えば空気）の各通路２５８を含み、冷媒通路２５８は、隣接するクロスアーム（図示せず）と、外側部２６０と、ハブ２５２によって画定されている。
【００３９】
ステータ巻線２８０からの出力は、位相リング１３８によって集められ、対応する出力端子２６２に提供される。より詳細には、出力端子２６２（各位相毎に設けられる）は後側エンドプレート２１８に好適に設けられる。好適には、端子２６２は、可融性リンク１２４を介して、対応する導電位相リング（集電体）１３８に電気的に接続される。出力端子２６２及び可融性リンク１２４は、導電位相リング１３８の周囲に径方向に配置される。各位相リング１３８は、例えば導電体２７６を介して、対応する位相のコイルを集約する（例えば、それらコイルの各々に電気的に接続されている。）。個々の導電ケーブル（例えば図２Ｇの２９４）がそれぞれ端子２６２に取り付けられ、位相出力を制御装置１００に送る。
【００４０】
導電位相リング１３８は、適切な導電性材料、例えばメッキ銅で形成される。好適には、位相リング１３８は、冷却を促進するため非絶縁化又は（例えばワニスによって）最小限絶縁されており、一旦取り付けられ周囲から力や加速度を受けても互いにアイソレートされた状態が容易に維持されるよう、十分に硬く又は剛性を有している。導電位相リングは、棒状材料から作成することもでき、また適切な材料からなるシートを打ち抜いて作成することもできる。図２に示す実施形態においては、各導電位相リング１３８は連続体であり、例えば一片の棒状材料の両端部を半田付けやロウ付け等によって結合することにより、１つの連続した導電リングに形成されたものである。
【００４１】
連続した固形の位相リング１３８を使用することは、可融性リンク１２４への２つの電流経路が、位相リング１３８用の材料として、よりゲージの小さい（従ってより軽量でより安価な）材料の使用を可能にするという点で特に有利である。連続した固形の位相リング１３８を利用する場合、電流は、可融性リンク１２４を装着した位置とは１８０度反対側の位置において効果的に分けられる。位相リング上の可融性リンク１２４へ向う片半分側で導電体２７６によって生じた電流の全ては、効果的にその片半分側に留まり、他の片半分側において生じた電流は、その経路を辿り可融性リンク１２４へ至る。その結果、可融性リンク１２４へ経路が一つのみである導体と比べて、ゲージが約半分である位相リングが得られる。
【００４２】
各リング１３８は冷媒流路内に配置され、互いに、また後側エンドプレート２１８から電気的に絶縁され離間される。好適には、導電位相リング１３８は、耐衝撃性が高く化学的に安定な材料、例えばポリアミド−イミドで好ましく作られた非導電性の導電位相リング取付構造体２６４を用いてエンドプレート２１８に機械的に固定され、この結果、各位相出力に対し一個づつ設けられる各導電位相リングは、互いに、また後側エンドプレート２１８から物理的に離間されまた電気的に絶縁される。オルタネータ１０２によって生じる冷媒（例えば空気）流に対する暴露を可能な限り大きくするため、導電位相リング１３８は、冷媒（例えば空気）通路２５８内に配置される。空気流に対する暴露は、隣接する位相リングの直径を徐々に変えることによって更に大きくなる。例えば、位相Ａ（端子１１８）に対応する位相リング１３８は、エンドプレート２１８の内面に最も近接して配置されているが、その直径は相対的に大きい（エンドプレート２１８内の冷媒（例えば空気）通路２５８の外径に適度に近い）。位相Ｂ（端子１２０）に対応する位相リング１３８は、後方にずらして同軸上に適切に配置され、その直径はより小さくなっている（好適には、位相Ｂ用のリングの外径は、位相Ａ用のリングの内径よりも所定量だけ小さい）。同様に、位相Ｃ（端子１２２）に対応する位相リング１３８は、位相Ｂ用のリング１３８の後方にずらして同軸上に適切に配置され、その直径はさらに小さくなっている（好適には、位相Ｃ用のリングの外径は、位相Ｂ用のリングの内径よりも所定量だけ小さい）。この配列は位相リング取付構造体２６４によって実現され、この配列によって、各リングは、周囲導入口温度に可能なかぎり近い温度で冷却空気流に曝される。周囲導入口から最も離れたリングの直径が最大であることが好ましい。
【００４３】
図２Ｄを参照すると、好適には、出力端子アセンブリ１２６は、好ましくは高導電性耐腐食材料（例えばメッキ銅）からなるねじ切りされた導電性スタッド２６６と、出力端子をオルタネータの後側エンドプレート２１８から電気的に絶縁するための、好ましくは耐衝撃性が高く化学的に安定な材料（例えばポリアミド−イミド）からなる非導電性ブッシング２６８とを備える。好ましい実施形態におけるねじ切りされた導電性スタッド２６６は一体化された肩部２７０を有する。肩部２７０は、オルタネータの後側エンドプレート２１８の内側における座面として機能し、ナット２７２でエンドプレート２１８に締め付けることが可能となり、それによってアセンブリが後側エンドプレート２１８に取り付けられる。
【００４４】
可融性リンク１２４は、例えば、オルタネータ１０２、制御装置１００又はこれらの機器によって給電される電気システムを破壊すると予想される負荷が加えられた場合に溶融するように直径と長さを計算されたワイヤ（好ましくはメッキ銅）等の適切な材料によって作られる。好ましい実施形態において、可融性リンク１２４は、ねじ切りされた導電性スタッド２６６と導電位相リング１３８の両者に半田付け又はロウ付けされる。可融性リンクを固定するための他の方法としては、可融性リンク１２４の端部に適切なラグを取り付け、このラグを、ねじ切りされたナットを用いてスタッド２６６に機械的に固定する方法がある。
【００４５】
特に図２Ｂ及び２Ｃを参照すると、導電位相リング１３８は構造体２６４に固定されている。導電位相リング１３８は、冷媒経路内に配置されて、冷媒流（例えば空気流）２７４に曝され、これにより、導電体２７６（コイル巻線を位相リングに接続している）とともに導電位相リング１３８が冷却される。リング取付構造体２６４は、位相リング１３８とステータのエンドターン（図示せず）との間に空隙を形成するように配置される。この空隙により、ステータ後側のエンドターンが冷却流体に曝されるが、これは従来の巻回ステータにおいては成し得なかったことである。
【００４６】
冷媒（例えば冷却空気）は、オルタネータを通り抜け、ステータ２１０の巻線のエンドターン２８０に当たり、エンドターンを冷却する。次いで、空気流は分岐され、ステータのコア２４４を通り抜け空洞２７８に入り、その際ステータ２１０の遠位におけるエンドターンを冷却する。分岐された空気流の他方は、ロータケーシング２３４と外側ケーシング２２６との間を通り、ロータケーシング２３４及び磁石２３６を冷却する。分岐した空気流は、空気流路２５０において合流し、オルタネータから遠心ファン２８２へと流れ出る。
【００４７】
導電体２７６は、１つの３位相極グループを構成するＡ位相用部材１１８と、Ｂ位相用部材１２０と、Ｃ位相用部材１２２とを備え、後述するように、ステータ２１０から延出され、対応する導電位相リング１３８にそれぞれ半田付け又はロウ付けされる。好ましい実施形態において、導電体２７６は、空気流２７４に曝される。場合によっては、導電体２７６を薄肉電気絶縁材料、例えばノーメックスで覆い、接地するのを防ぐのが望ましい。
【００４８】
次に図２Ｅを参照すると、導電位相リング１３８を作成する他の方法としては、導電位相リングが、孔２８４を開け、その孔にねじを切るのに適した表面を有する長方形材料から形成されている。この実施形態において、可融性リンク１２４の端部は、例えばねじ式締め具２８８によって締められる適切なラグ２８６を用いて導電位相リング１３８に取り付けることができる。同様に、導電体２７６にも同様なラグを装着して、締め具２９０を用いて導電体２７６を導電位相リング１３８に固定することもできる。次いで、導電位相リング１３８は、２６４と同様な適切な構造体を用いて同様な方法によって後側エンドプレート２１８に固定される。あるいは、スロット２９２を等間隔で各位相リングに刻み入れることができ、ステータから延出される個々の導電体を半田付けすることができる。この組み立て方法の、前述した導電体２７６を位相リング１３８に固定する方法に対する主要な利点は、電気モータを製造する際に導電体を終端処理するのに用いられる既存の超音波半田付け装置を改変することにより組み立ての自動化を実現できることである。
【００４９】
ここで図２Ｆを参照すると、ステータ２１０は、分りやすくするためにコイルを省略して図示してあり、個々の導電体２７６も大幅に簡略化してある。この特定の実施形態においては、Ａ、Ｂ及びＣの３位相にそれぞれに対応した各位相リング１３８は、一片の絶縁されていない耐腐食性導電性材料、例えばメッキ銅を半田付け、ロウ付け又は加工することにより連続体として形成される。図示された端子１２６は、Ａ位相用１１８、Ｂ位相用１２０、及びＣ位相用１２２である。各極の組の出力は、位相リング１３８を介してオルタネータ内で集められ、３位相全てに相当する３個の導電体を介してオルタネータから出力され、制御装置１００に送られる。
【００５０】
ここで図２Ｇを参照すると、Ａ、Ｂ及びＣ位相用巻線１１８、１２０及び１２２からの導電体２７６のそれぞれは、対応する集電位相リング１３８において終端し、これら各集電位相リング１３８は導電体２９４を介して制御装置１００に接続される。制御装置１００の出力は、用途により定められた電圧、例えば、直流２８Ｖに電圧調整された出力（Voltage Regulated Output）すなわちＶＲＯとなる。
【００５１】
出力端子２６４と制御装置１００との間に結合された導電体２９４は、電流を適切に運ぶのに十分なゲージとされている。ワイヤ又はケーブルのゲージが大きくなるにつれ、その大ゲージワイヤの曲げ半径が大きくなるため、ケーブルを引き回すのが困難になる。その結果、多くの用途においては、ゲージの非常に大きなワイヤ又はケーブルを使用するのが困難である。後述するように、大型の導電体が適していない用途においては、位相リングを複数のセクションに分割することができ、各位相リングセクションには、そのセクションにおいて生じる少量の電流を運ぶのに適したサイズの導電体を割り当てることができる。
【００５２】
例えば、複数の組に分割された複数の位相リングを用いることで、電流に対する要求基準を軽減することができる。ここで図３Ａ〜３Ｄを参照すると、オルタネータ３０２においては、２組の位相リング３０６が、それらに対応する端子１２６及び可融性リンク１２４とともに配備されており、対応する制御装置３０８及び３１０と協働するようになっている。これらの位相リング３１０は、地点３１２及び３１４において電気的に分離されている。各組は、別途にＡ、Ｂ及びＣ位相成分を運び、各成分は対応する制御装置３０８又は３１０に導かれる。後側エンドプレート３０４は、第２の組の端子１２６を収容するように加工されているという点以外は、全ての点でエンドプレート２１８と同じである。
【００５３】
ここで図３Ｄを参照すると、各位相リング部３０６は、ステータ２１０からの対応する導電体２７６を受け入れる。位相リング部３０６は、端子１２６及び導電体３１６を介して制御装置３０８又は３１０に電気的に接続される。端子１２６が位相リング部３０６の中央部に接続されている場合、電流は、可融性リンク１２４が取り付けられている位置において効果的に分割される。位相リング部上の可融性リンク１２４へ向う片半分側で導電体２７６によって生じた電流の全ては、効果的にその片半分側に留まり、他の片半分側において生じた電流は、その経路を辿り可融性リンク１２４へ至る。その結果、可融性リンク１２４へ経路が一つのみである導体と比べて、ゲージが約半分である位相リング部が得られる。導電体３１６のゲージは、その用途に特有の要求に応じて大きさを調整できる。例えば直流２８Ｖで６００ａｍｐの出力を適切に伝導するのに必要な導電体のサイズを考えると、最新のエンジン室には提供できるスペースが殆どない。超高出力用途において、導電体３１６が運ぶ電流を半分にすることにより、ケーブルの引き回しが非常に容易になる。更には、制御装置においても、それに応じた利点が得られる。アンペア数が増加するにつれ、部品のサイズやコストも増加するが、この増加は線形ではない。従って、導電体が運ぶ電流と、更には制御部品を半分にすることにより、場所とコストの節約ができる。
【００５４】
電流に対する要求は、位相リングを複数の部分に分割することにより更に低減することができる。例えば、図４Ａ〜４Ｄを参照すると、位相リングを４つのセクション４０６に分割でき、これらは地点４１６、４１８、４２０及び４２２において電気的に分離されている。対応する一組の端子１１８、１２０及び１２２が各位相リングセグメント毎に設けられており、対応する制御装置４０８、４１０、４１２及び４１４に接続されている。位相リング部３０６の場合と同様に、端子１２６は位相リング部４０６の中央部に接続され、電流は、可融性リンク１２４が取り付けられている位置において効果的に分けられる。位相リング部上の可融性リンク１２４へ向う片半分側で導電体２７６によって生じた電流の全ては、効果的にその片半分側に留まり、他の片半分側において生じた電流は、その経路を辿り可融性リンク１２４へ至る。その結果、可融性リンク１２４へ経路が一つのみである導体と比べて、ゲージが約半分である位相リング部が得られる。制御装置４０８、４１０、４１２及び４１４の出力端子は、並列に接続され、出力ＶＲＯ＋及びＶＲＯ−が供給される。
【００５５】
前述のように、ステータのコア２１０は略円筒形であり、その外側周面は軸方向に刻みが入れられ、等間隔に並んだ所定数の歯とスロットを有している。導電巻線（ワニス銅モータワイヤ等の適切に絶縁された電気伝導体から形成される）は、スロットから他のスロットへと、所定数の歯の周囲にコアの側面の外側に沿って巻回される。次に図５を参照すると、ステータのコア２１０は、所定数、例えば３６個のスロット（図５においては概略的に表されており、参照符号１〜３６で示されている）を含む。各導電巻線は、ロータの各磁極に対応した、所定数の個別の位相コイル（位相Ａ、Ｂ及びＣ用）を含む。３相オルタネータの各極位相コイルは、位相Ａ用極コイル５１８と、位相Ｂ用極コイル５２０と、位相Ｃ用極コイル５２２とを備え、これらがまとまって１つの極位相コイルグループ５２６を形成する。オルタネータの極毎に、１つの極位相コイルグループ（例えば、１２極オルタネータにおいては１２組の極位相コイルグループ）が設けられ、「Ｙ」接続部５２４において協働する。１２極オルタネータの極位相コイル導電体５２６は、それぞれ対応する導電位相リング５０６、５０８及び５１０に取り付けられる。
【００５６】
例えば、一つの極位相コイル５２２（極グループ１の位相Ｃ用）はステータ２１０のスロット３６と３の周囲に巻回される。コイル５２２を構成する導電体５２６の巻数は、オルタネータの一位相分の定格出力電圧を生じるのに必要な巻数と等しくされている。個々の位相コイルが担う出力電流の割合は、１／（オルタネータの磁極の数）に等しくなる。従って、個々の極位相コイルは、比較的細いワイヤを用い比較的巻数を多くして形成される。
【００５７】
この構成により、オルタネータの製造時及びオルタネータの動作時の両者において多くの利点が得られる。
【００５８】
個々の極位相コイルは、比較的巻数を多くして形成されるため、巻数を変えることによって設計電圧の小幅な変更を実現できる。例えば、全ての極位相コイルが直列に接続され、従来の方法で巻回されたある特定の１２極オルタネータにおいては、１９４０ｒｍｐにおいて直流１４Ｖ（適切な整流後）、３００アンペアを得るためには、ワイヤゲージ６．２８５に等しい導電体の巻数１．０４１７が必要になると思われる。この巻数も、またそれと同等のワイヤゲージも、製造上実用的な数ではない。極位相コイルを並列に接続した本実施例のオルタネータを構成することにより、各極位相コイルの巻数は、１７ゲージワイヤを用いた場合１２．５となる。（なお、１／２巻は、極位相コイルの一端（開始端と呼ぶ）をステータ積層体の一方の側で終端させ、他端（終了端と呼ぶ）をステータ積層体の他の側で終端させることにより形成できる。この構成を図１８Ａに示す。）上記の例において、当初の設計巻数を変更し１．０８３３（繰り返すが、非実用的な数である）に増加させる場合、ｒｐｍは減少し１８９４となる。上記の他方の構成においては、各並列極位相コイルの巻数を増加させ１３にすることにより、上記変更を達成することができる。導電体の断面積が比較的小さいため、コイルの巻回はより容易になる。
【００５９】
極位相コイルの巻線間で短絡が起こると、オルタネータで生じる出力の大部分が短絡したコイルを流れる。コイルは、断面積の比較的小さな導電体を用い比較的巻数を多くして構成されているため、短絡した巻線は、非常に短時間で溶融し、短絡は解消される。開路した一個の極位相コイルによる出力の減少は、約１／（磁極の数＋位相の数）である。例えば、１２極３相オルタネータにおいて、極位相コイルの一つが短絡しその後短絡が自己解消した際の出力の減少は、約３％である。
【００６０】
例えば、極位相コイルの巻線間の短絡は、通常２秒より短い時間で解消される。オルタネータ駆動システムに対する損傷は無く、エンジンは余分な負荷無しに運転し続け、オルタネータは接続された負荷に対して出力を供給し続ける。導電位相リング１３８は、Ａリング５０６、Ｂリング５０８及びＣリング５１０として個別に識別されている。３個の極位相コイル導電体、すなわちＡ位相５１２、Ｂ位相５１４及びＣ位相５１６は、分りやすくするために概略的に描かれている。この図において、一組の極位相コイルグループを構成する３個の極位相コイルのそれぞれは、「Ｙ」接続部５２４において接続されている。前述したように、位相集電リングを用い、「Δ」接続を使用することも可能である。
【００６１】
位相コイル導電体は、冷却を妨げない効率的な方式で集められている。位相コイル導電体が位相コイルのエンドターンからステータ２１０の面に対し９０度の角度で延出している状態においては、エンドターンは最大限可能な量の空気流に曝され、その結果、エンドターンは、可能な限り最大限に冷却される。
【００６２】
本発明を様々な例示的実施形態とともに説明してきたが、本発明は、ここに示された特定の形態に限定されるものでなく、本発明の精神から逸脱することなく、本発明の他の実施形態を創出しうると考えられる。以下の特許請求の範囲に表される本発明に従って、部品、材料、値、構造、およびその他の設計・配置における態様を改変してもよい。
【技術分野】
【０００１】
［相互関連出願］
本出願は、チャールズ・ワイ・ラフォンテーヌらの名義で２００６年２月２２日付で出願された米国仮特許出願第６０／７７５，９０４号の優先権を主張する。また、本出願は、米国仮特許出願第６０／６４９，７２０号の優先権を主張する２００６年２月２日付の米国特許出願第１１／３４７，７７７号の継続出願であり、その優先権を主張する。これら全ての先行出願の全体を、あらゆる目的のため、参照によって本明細書中に組み込むものである。
【０００２】
［技術分野］
本発明は、例えば、ブラシレス交流発電機のような、機械的なエネルギーと電気的なエネルギーとの変換を行う機器のための電圧及び電流制御システムに関し、特に、小型高出力永久磁石オルタネータ、例えば自動車用に適した小型高出力永久磁石オルタネータ用の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
オルタネータは通常、回転するシャフトに取り付けられ、静止したステータに対して同心円上に配置されるロータを備える。ロータは通常、ステータの内部に配置される。しかし、ステータがロータの内部に同心円状に配置されていても良い。回転部材は通常、モータやタービン等の外部エネルギー源によって、直接又はプーリベルト等の中間システムを介して駆動される。ステータ及びロータはそれぞれ、一連の極を有している。ロータとステータのいずれか一方が磁界を発生し、発生した磁界は、他方の構造体の極の巻線と相互作用する。磁界が巻線と交差すると電界が発生し、この電界は適当な負荷に供給される。誘導電界（これは一般に、電圧源として知られている）は通常、整流器を通され、場合によっては調整された後に、直流出力源として提供される。誘導電流は通常、整流器を通され、場合によっては調整された後に、直流出力源として提供される。場合によっては、調整された直流出力信号は、ＤＣ−ＡＣインバータを通され、交流出力として提供される。
【０００４】
従来、自動車用途に用いられるオルタネータは通常、エンジンの外側に取り付けられたハウジングと、ハウジングに収容された３相巻線を有するステータと、ステータ内部でハウジング内に回転可能に支持された、ベルト駆動クローポール型（例えばランデル型）ロータとを備える。しかしながら、従来型のオルタネータにおいて出力を増加させるためには、そのサイズを大幅に大きくしなければならない。従って、車輌内におけるスペースの制約により、このようなオルタネータを、空調設備や冷凍設備や通信機器への電力供給用途といった高出力（例えば５ＫＷ）用途に用いることは困難となりがちである。
【０００５】
更に、巻線を備えたクローポール型ロータは比較的重く（往々にしてオルタネータの総重量の４分の３程度を占める）、慣性が大きい。実際、この慣性は、エンジンが加速される際に常にエンジンに対する負荷となる。このことは、エンジン効率の低下につながりやすく、余分な燃料消費の原因となる。また、この慣性は、電気又はハイブリット車輌等の用途において問題となる可能性がある。ハイブリット車輌においては、速度が所定の閾値、例えば３０Ｋｐｈ（通常、ガソリンエンジンの最も効率の良いＲＰＭ領域に対応する）より上である場合には、ガソリンエンジンを車輌の推進用に用いる。同様に、所謂「マイルドハイブリッド」においては、運転者がアクセルペダルを押し下げた際の初期駆動推進力を提供するのにスタータ・ジェネレータが用いられており、車輌が運行時に停車する際に、燃料を節約し排気を削減するためにエンジンを停止させやすくなっている。通常、このようなマイルドハイブリッドシステムにおいては、高電圧（例えば４２ボルト）電気システムの使用が検討されている。このようなシステムにおけるオルタネータは、特に渋滞時において、連続する停車の合間にスタータ・ジェネレータを駆動して初期駆動推進力を提供するのに十分なレベルまでバッテリを充電可能であることが必要とされる。従って、比較的高出力で低慣性なオルタネータが必要とされている。
【０００６】
一般に、車輌内の制御・駆動システムや、空調およびその他の機器を作動させるために、更に多くの電力が必要とされている。このことは、特にレジャー車輌や、冷凍車輌等の産業輸送用車輌や、建設用車輌や、軍事用車輌において当てはまる。
【０００７】
例えば、自動車業界においては、機械式又は油圧式の制御・駆動システムではなく電気式のインテリジェント制御・駆動システムを使用し、車輌のエンジンに対する負荷を低減し燃費を向上しようという動きがある。このようなシステムは、例えば、ステアリングサーボ（通常、ステアリング補正が必要な場合にのみアクティブとなる）、ショックアブソーバ（フィードバックを利用し、ショックアブソーバの硬さを道路や速度状況に合わせ調整する）、及び空調装置（コンプレッサを、温度を一定に保つために必要な最低限の速度で動かす）と共に用いることができる。このような電気式制御・駆動システムが使用されることにより、車輌の電力システムに対しての要求が増大する傾向にある。
【０００８】
同様に、車載冷凍システムを電気的に駆動することも望まれている。例えば、冷凍システムを（車輌のエンジンのＲＰＭとは無関係に）速度可変で駆動すると効率を向上させることができる。更には、電気的に駆動されるシステムを用いた場合、種々の部品、例えば、コンプレッサ（エンジン上の）、凝縮器（大気に曝されるように配置される）、及び蒸発器（冷凍室内に配置される）を接続するホースを、家庭用冷蔵庫や空調装置で用いられているような電気的に駆動される密閉システムに置き換えることができる。従って、このような用途に用いられる車輌電力システムは、電気的に駆動される機器が必要とする電力を提供可能であることが望まれている。
【０００９】
更には、既存の車輌に後付けできる「取り外し交換型」の高出力オルタネータが特に必要とされている。通常、車輌のエンジン室内においては、オルタネータを収容するスペースは非常に限られている。取替え用オルタネータが空きスペース内にはまらなければ、取り付けは（仮にできたとしても）非常に複雑なものとなり、通常、ラジエタやバンパといった主要部品の取り外しと、追加のブラケット、ベルトおよび他の器具の設置が必要になる。従って、取替え用オルタネータが既存のスペース内にはまり、既存の機器に接続できることが望ましい。
【００１０】
永久磁石オルタネータは一般に公知である。このようなオルタネータにおいては、必要とされる磁界を発生するのに永久磁石が用いられる。永久磁石発電機は、従来の巻線界磁型発電機に比べ、大幅に軽量・小型である傾向にある。永久磁石オルタネータの例として、スコットらに１９９７年４月２９日付けで付与された米国特許第５，６２５，２７６号明細書、スコットらに１９９８年１月６日付けで付与された米国特許第５，７０５，９１７号明細書、スコットらに１９９９年３月２３日付けで付与された米国特許第５，８８６，５０４号明細書、スコットらに１９９９年７月２７日付けで付与された米国特許第５，９２９，６１１号明細書、スコットらに２０００年３月７日付けで付与された米国特許第６，０３４，５１１号明細書、及びスコットに２００２年８月２７日付けで付与された米国特許第６，４４１，５２２号明細書に記載のものが挙げられる。
【００１１】
特に軽量・小型の永久磁石オルタネータは、「外側」永久磁石ロータと「内側」ステータとを採用することで実現できる。ロータは、中空円筒形ケーシングを備え、その円筒形状の内面には高エネルギー永久磁石が配置されている。ステータはロータのケーシング内に同心円状に配置され、軟磁性コアと導電性巻線とを適切に備える。コアは略円筒形であり、その外周面は軸方向に刻みが入れられ、等間隔に並んだ所定数の歯とスロットを有している。導電性巻線（ワニス銅モータワイヤ等の適切に絶縁された導体から形成される）は、スロットから他のスロットへと、所定数の歯の周囲にコアの側面の外側に沿って巻回される。ここで、巻線における、コアの側面に沿った凹状スロットの外側に延在する部分を、エンドターンと呼ぶ。ステータを中心としたロータの回転により、ロータの磁石から発せられる磁束がステータの巻線と相互作用し、ステータの巻線に電流が誘導される。このようなオルタネータの例として、例えば上記の、スコットらに１９９８年１月６日付けで付与された米国特許第５，７０５，９１７号明細書や、スコットらに１９９９年７月２７日付けで付与された米国特許第５，９２，６１１号明細書に記載のものが挙げられる。
【００１２】
永久磁石発電機から供給される電力は、ロータの速度によって大きく変動する。多くの用途において、ロータ速度の変化は、例えば、自動車のエンジンスピードの変動や負荷特性の変化によってよく起こることである。従って、電子制御システムが一般的に用いられている。永久磁石オルタネータ及びその制御システムの例としては、上記のスコットらに１９９７年４月２９日付けで付与された米国特許第５，６２５，２７６号明細書に記載のものが挙げられる。他の制御システムの例としては、アンダーソンらに２０００年１月２５日付けで付与された米国特許第６，０１８，２００号明細書に記載のものが挙げられる。制御システムの他の例としては、同一権利者による同時係属出願である、「永久磁石オルタネータ用制御装置」と題され、２００４年６月６日に出願されたクアジらによる米国特許出願第１０／８６０，３９３号及び「交流発電機用制御装置」と題され、２００６年２月２日に出願されたフェーバーマンら（本発明者らを含む）による米国特許出願第１１／３４７，７７７号明細書に記載のものが挙げられる。上記同一権利者による出願を、その全文が本明細書に記載されたものとしてここに援用する。
【００１３】
広範囲のロータ速度への対応の必要性は、自動車用途において特に切実である。例えば、大型ディーゼルトラックエンジンは、通常、アイドル時の６００ＲＰＭから幹線道路上での速度における２６００ＲＰＭまでの回転数で動作するが、エンジンがトラックの減速のために用いられる場合に回転数は時として３０００ＲＰＭにもなる。従って、オルタネータシステムにおいて、ＲＰＭ変動比は５：１である。軽負荷ディーゼルエンジンはこれよりも若干広い範囲、例えば、６００〜４０００ＲＰＭの回転数で動作する。ガソリン車輌エンジンに用いられるオルタネータは、更に広いＲＰＭ範囲、例えば、６００〜６５００ＲＰＭに対応可能でなければならない。加えて、このオルタネータは、負荷の変動、即ち０負荷から負荷限度にも対応可能でなければならない。よって、ガソリン車輌エンジンと共に用いられる永久磁石オルタネータにおいては、出力電圧変動比は１２：１にもなる。従って、従来型の永久磁石オルタネータにおいて、一定の負荷の下でのアイドル時に（例えば１２ボルトの）動作電圧を提供する必要がある場合、この負荷におけるエンジンの最大ＲＰＭにおいては、この動作電圧の数倍、例えば１０倍の電圧、例えば１２０ボルトが提供されることになる。アイドル時の電圧が例えば、電気駆動空調装置又は通信機器用に１２０Ｖである場合、エンジンの最大ＲＰＭにおいて電圧は、例えば１２００ボルトにもなる。このような電圧レベルに対処するのは困難であり、実際のところ危険でもある。また、このような極端な電圧・電流変動に対しては、より高価な部品が必要となる。エンジンのＲＰＭが高い場合（例えば幹線道路上でのスピード）に発生する高い電圧・電流に対応した部品は、中程度の電圧に対応した部品と比べ非常に高価である。
【００１４】
従来の高電流自動車オルタネータにおけるステータは、効果的に直列に接続された断面積の大きい導電体で構成される。より詳細には、それぞれが各位相（Ａ、Ｂ及びＣ相）に対応した複数のコイルの組が従来用いられている。各位相コイルの組（Ａ、Ｂ及びＣ）は、その一端側において「Ｙ」又は「Δ」状に互いに接続（終端）されている。これらコイルの組の他端は、各位相が分離されるように位相毎に配置され、次いで終端されて集められ、オルタネータから延出され電圧制御装置に向けられる。出力終端においては、同一位相のコイルの端部が、絶縁モータリードワイヤにグループ化されて半田付けされる。更には、これらのモータリードワイヤを、各位相Ａ、Ｂ及びＣ用の３個の独立した導電体の末端となる更に大きなゲージモータリードワイヤにグループ化して半田付けしてもよい。これらのリードワイヤは、導電体をステータのエンドターンに結びつけることによりステータに固定される。導電体をエンドターンに結びつけることにより、オルタネータを通過する冷却流体に曝される銅の量が減少する。これにより事実上、導電体は断熱ブランケットとして機能し、エンドターン及びリードワイヤの冷却が妨げられる。この巻回方法においては、いくつかの更なる問題が存在しうる。例えば、極位相コイル毎の巻数が小さいため（場合によっては巻数が１）、位相極コイルの巻数を変えることによって設計出力電圧を細かく変えることは困難又は不可能である。また、導電体の断面積が大きいため、ステータの巻回が困難となる。また、コイル間に短絡が生じると、通常、ステータ全体が焼き切れてオルタネータが停止し、駆動システムに損傷を与えたり、車輌のエンジンが過負荷となったりする可能性がある。
【００１５】
一般に知られている永久磁石オルタネータにおいては、所定数の歯の周囲にスロットを介して巻かれた所定数の独立した巻線の組が組み込まれており、各組により提供される出力はその他の組の状態によってそれほど影響されない。例えば、このようなオルタネータは、その制御装置とともに、スコットらに１９９９年５月４日付けで付与された米国特許第５，９００，７２２号明細書に記載されている。この米国特許第５，９００，７２２号明細書に記載されたオルタネータにおいては、巻線の組の数が極の数の整数分の１に等しくなっており、所望の出力を得るために、制御回路は個々の巻線の組への電流経路を選択的に完成させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、比較的容易に巻回可能であり、短絡の影響を最小限に抑え、更には同時に冷却を容易にする位相極コイルを用い、その巻数を変えることにより所望の出力電圧を得ることができる小型・高出力オルタネータに対する必要性は依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の種々の態様において、ステータの巻線は所定数の極位相コイルとして巻回され、極位相コイルの数は磁極の数と等しいのが好ましい。各極位相コイルは、オルタネータの必要出力を発生するのに十分な巻数で巻回され、更に各極位相コイルにおける出力電流の割合は、１／（磁極の数）に等しくなっている。個々の極位相コイルは並列に接続される。
【００１８】
本発明の他の態様において、各出力位相に対応する導電位相リングは、そのそれぞれに、その位相に対応するコイルが電気的に接続された状態でオルタネータ内に組み込まれ、冷却、グループ化及び出力位相の制御システムへの伝送を容易にしている。
【００１９】
本発明の他の態様において、導電位相リングは非導電支持構造体によって所定の位置に保持される。
【００２０】
本発明の他の態様において、導電位相リングは、導電位相リング及びエンドターンを通過する冷却流体、例えば空気に曝されることにより効率的な冷却効果が得られるように配置される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、機械的エネルギーと電気的エネルギーとの変換を行うシステムのブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の種々の態様に係るオルタネータの外観の側面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示すオルタネータのＡ−Ａに沿った断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａに示すオルタネータのＢ−Ｂに沿った簡略断面図であって、オルタネータ内における導電位相リングの相対配置を示す図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ａに示すオルタネータにおける端子の簡略断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、導電位相リングの他の実施形態を示す図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、図２Ａのオルタネータのステータコア及び導電位相リングの簡略斜視図であり、導電位相リングとそれに対応する巻線の組との接続を示す図である（巻線のエンドターンは省略）。
【図２Ｇ】図２Ｇは、本発明における位相リングを利用し、直流電圧を出力するように構成されたオルタネータの概略ブロック配線図である（図２Ａ〜２Ｇを、図２と総称する。）。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の種々の態様に係るオルタネータの他の実施形態の外観の側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示すオルタネータのＣ−Ｃに沿った断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａのオルタネータのステータコア及び分割導電位相リングの簡略斜視図であって、分割導電位相リングとそれに対応する巻線の組との接続を示す図である（巻線のエンドターンは省略）。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明における分割位相リングを利用し、直流電圧を出力するように構成されたオルタネータの概略ブロック配線図である（図３Ａ〜３Ｄを、図３と総称する。）。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の種々の態様に係るオルタネータの他の実施形態の外観の上面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示すオルタネータのＤ−Ｄに沿った断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図３Ａのオルタネータのステータコア及び多重分割導電位相リングの簡略斜視図であって、多重分割導電位相リングとそれに対応する巻線の組との接続を示す図である（巻線のエンドターンは省略）。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明における多重分割導電位相リングを利用し、直流電圧を出力するように構成されたオルタネータの概略ブロック配線図である（図４Ａ〜４Ｄを、図４と総称する。）。
【図５】図５は、本発明の各実施形態において用いられるステータにおける１つの３位相極グループ内の３個の巻線のそれぞれを示す概略ブロック配線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を添付図面に従い説明する。図面において、特に明記しない限り、同じ名称は同じ部材を示す。
【００２３】
図１を参照すると、本発明の種々の態様に係るオルタネータ１０２等の動力変換装置は、整流制御システム１００、例えばエンジンやタービン等の機械的エネルギー源（例えば駆動装置）１０４及びモータ等の負荷１０６と適宜協働し、必要に応じてバッテリやコンデンサ、フライホイール等のエネルギー貯蔵装置１０８とも協働する。
【００２４】
整流制御システムは、オルタネータ１０２からの交流信号を整流し、即ち、交流信号を直流信号に変換し、直流信号の電圧を所定のレベル、例えば２８Ｖに調整するのに適していればどのようなシステムでもよい。フェーバーマンら（本発明者らを含む）により、「交流発電機用制御装置」と題され、２００６年２月２日に出願された同一権利者の米国特許出願第１１／３４７，７７７号明細書に記載されるように、好ましい実施形態において、システム１００は、制御装置１１０及びスイッチングブリッジ１１２を備える。必要に応じて、インバータ（負荷１０６の構成要素に分類される場合がある）を設け、所定の一定周波数及び振幅（例えば６０Ｈｚ、１２０Ｖ）の交流信号を生じるようにすることもできる。
【００２５】
一般に、オルタネータ１０２は、エネルギー源１０４からの機械的な入力に応じて交流出力を生じる。オルタネータ１０２は多相（例えば３相、６相等）交流出力信号、例えば、位相Ａ（１１８）、位相Ｂ（１２０）及び位相Ｃ（１２２）を提供するのが好ましい。これらの出力信号は通常調整されておらず、駆動ＲＰＭ（ソース１０４）に応じて大きく変動する。
【００２６】
オルタネータ１０２からの交流位相信号は、好ましくは入力ヒューズ１２８を介してシステム１００に入力される。システム１００は、オルタネータ１０２からの交流信号を整流し、即ち、交流信号を直流信号に変換し、直流信号の電圧を所定のレベル、例えば２８Ｖに調整する。好ましい実施形態において、スイッチングブリッジ１１２は、制御装置１１０からの制御信号に応じて、前記交流信号の各種位相ごとにオルタネータ１０２から負荷１０６までの導通経路を選択的に提供する。スイッチングブリッジ１１２の例は、同一権利者による同時係属出願である２００６年２月２日に出願されたフェーバーマンら（本発明者らを含む）による米国特許出願第１１／３４７，７７７号明細書に示されている。制御装置１１０は、調整された出力信号を所定電圧で生成するために、スイッチングブリッジ１１２に対する制御信号を選択的に生成する。制御装置１１０は、入力１１４において内部から、あるいは入力１４０において外部から、調整された出力を適宜サンプルし、適正な出力を維持するために、ブリッジ１１２に対する信号を調整する。更には、出力電流を入力１１６において検出し、ブリッジ１１２に対する制御信号をさらに修正する。
【００２７】
調整された直流信号、すなわち電圧調整された出力（Voltage Regulated Output）（ＶＲＯ）は、適宜出力ヒューズ１３６を介して負荷１０６及びエネルギー貯蔵装置１０８に入力される。負荷１０６は、電力を使用する任意の装置であり、例として、ランプ、モータ、ヒータ、電子機器、およびインバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等の出力変換機が挙げられる。エネルギー貯蔵装置１０８は、制御システム１１０の出力をフィルタリング又は円滑化する（ただし、各種実施形態において、制御装置１１０自身が適当なフィルタリング機能を内蔵あるいは別途実現してもよい。）。
【００２８】
システム１００は、必要に応じて他の出力１５０及び１６０を提供することもできる。更には、システムの保護のために適切なクローバー回路１４２を設けることもできる。
【００２９】
オルタネータ１０２は、同一権利者による同時係属出願である「小型高出力オルタネータ」と題され２００４年７月１２日に出願されたチャールズ・Ｙ・ラフォンテーヌ及びハロルド・Ｃ・スコットによる米国特許出願第１０／８８９，９８０号明細書に記載されたタイプのオルタネータであることが一般に好ましい。しかしながら、オルタネータ１０２は、各極毎に巻線の組（各相に対応する少なくとも一つの巻線を含む）を有し、一つの位相に対応する巻線の全ては並列に接続されている。上記のラフォンテーヌらによる出願を、その全文が本明細書に記載されたものとしてここに援用する。
【００３０】
本発明の一態様によれば、同一位相に対応するコイル間の並列接続は、対応する導電位相リング１３８によってなされ、この接続は、導電位相リング１３８とオルタネータの出力端子２６２との間に配置された可融性リンク１２４を含む。各コイルの出力は、対応する導電位相リング１３８によって集められ、導電位相リング１３８は対応する出力端子１２６に接続されている。
【００３１】
オルタネータ１０２の極の総数が増えると、コイルの数も増える。従来のコイル集約方法においては、モータワイヤを従来の方式で絶縁されたモータリードワイヤに半田付する。オルタネータの定格出力を大きくした場合、モータリードワイヤの負荷容量もそれに応じて大きくする必要がある。リードモータワイヤの負荷の増加は通常、単ワイヤのゲージを大きくするか複数のワイヤを並列に使用することによってワイヤの累積ゲージを大きくすることにより達成される。この結果、モータリードワイヤの断面積が飛躍的に大きくなる。コイルの総数及びそれらのエンドターン、またリードワイヤ及びその絶縁を考慮すると、上述のようにして得られる、導電体とモータリードワイヤとが結合されたステータアセンブリはエンドターンを断熱し、冷却の観点からは好ましくない。また、得られたアセンブリにおいては、エンドターンの冷却を唯一可能としている冷媒流（例えば空気流）が制限され、冷却効果が更に減少する。
【００３２】
従って、比較的容易に巻回可能であり、短絡の影響を最小限に抑え、更には同時に冷却を容易にする位相極コイルを用い、その巻き数を変えることにより所望の出力電圧が得られる小型高出力オルタネータが必要とされている。本発明の種々の態様によれば、このような小型高出力オルタネータは、所定数の極位相コイル、好ましくは磁極の数と同数の極位相コイルを採用し、各極位相コイルを、オルタネータの所要出力を発生するのに十分な巻数で（比較的小径のワイヤを用いて）、且つ各極位相コイルにおける出力電流の割合が１／（磁極の数）に等しくなるように巻回し、好ましくは導電位相リング（集電体）１３８を使用して個々の極位相コイルを並列に接続することによって実現される。導電位相リング１３８を使用することにより、オルタネータ１０２の組み立てが大幅に簡略化されるばかりではなく、巻線の冷却が容易になる。
【００３３】
より詳細には、オルタネータ１０２は、好ましくはテーパ突出部２０４とねじ部２０６とを含むシャフト２０２と、ロータ２０８と、ステータ２１０と、前側エンドプレート２１２と、前側軸受２１４と、止めナット２１６と、後側エンドプレート２１８と、後側シャフト保持リング２２０と、後側軸受２２２と、後側止めナット２２４と、外側ケーシング２２６と、各連結棒（図示せず）とを備えるのが好ましい。ロータ２０８はシャフト２０２に取り付けられ、シャフトと共に回転する。ステータ２１０はロータ２０８内に近接して収容され、ロータ２０８から薄いエアギャップ２２８の分だけ離間している。前側エンドプレート２１２、前側軸受２１４、後側軸受２２２、後側エンドプレート２１８、外側ケーシング２２６及び連結棒は、協働して支持アセンブリとなり、シャフト２０２、ロータ２０８及びステータ２１０の位置関係を維持する。シャフト２０２は、前側エンドプレート２１２及び後側エンドプレート２１８にそれぞれ取り付けられた軸受２１４及び２２２によって支持される。軸受２１４及び２２２は、シャフト２０２を回転可能に保持するとともに、前側及び後側エンドプレートに対して同心且つ垂直になるように位置合わせする。ロータ２０８はシャフト２０２に取り付けられ回転するが、テーパシャフト部２０４を介して確実に位置を定められている。後側エンドプレート２１８は、ステータ２１０を、ロータ２０８内でシャフト２０２及びロータ１１２に対して適切な位置に配置されるように搭載し位置決めする。外側ケーシング２２６は、その軸（好ましくは円筒形）に対して垂直な端面を有し、前側エンドプレート２１２と後側エンドプレート２１８との間に配置される。連結棒は、エンドプレート２１８及び２１２を外側ケーシング２２６に対して押し付け、これにより各部材はまっすぐに適正位置に保持される。
【００３４】
自動車用オルタネータの典型的用途においては、プーリ２３０がシャフト２０２の端部に取り付けられる。エンジン（例えば、１０４、図２には示さず）の動力は、適切なベルトドライブ（図示せず）を介してプーリ２３０に、従ってシャフト２０２に伝達される。その結果、シャフト２０２は、ロータ２０８をステータ２１０を中心に回転させる。ロータ２０８は磁界を発生し、この磁界はステータ２１０の巻線と相互作用する。磁界が巻線と交差すると、電流が生じ、適切な負荷に供給される。
【００３５】
ロータ２０８は、エンドキャップ２３２と、円筒状ケーシング２３４と、ケーシング２３４の内部側壁にその極が互い違いになるように配置された所定数（例えば、１６対）の永久磁石２３６とを備えるのが好ましい。ロータエンドキャップ２３２は、適切に実質的に開口しており、周辺部２３８と、各クロスアーム（図示せず）と、シャフト２０２との接続を提供する中央ハブ２４０とを含む。冷媒（例えば空気）の各通路２４２がエンドキャップ２３４を貫通して設けられ、各通路２４２は、周辺部２３８と、隣接するクロスアーム（図示せず）と、中央ハブ２４０とによって画定されている。
【００３６】
好適には、ステータ２１０は、コア２４４と導電巻線（概略的に示す）２８０とを備える。好適には、コア２４４は、軟磁性材料、例えば、無方向性・低損失（鉛を含有しない）スチールからなる薄いシートの積層体を含み、これらのシートは所望の形状に切断され又は打ち抜かれ、位置を揃えて接合されている。コア２４４は通常、円筒形であり、その外周面は軸方向に刻み目が付けられている、即ち、所定数の歯とスロットを有する。好ましくは、コア２４４は、実質的に開口しており、中央開口部を有する。また、好適には、コア２４４は、後側エンドプレート２１８への取り付けを容易にするための軸方向貫通孔を有するクロスアームを含む。
【００３７】
好適には、前側エンドプレート２１２は略円筒形である。好適には、前側エンドプレート２１２は、前側軸受２１４を位置決めする同軸開口部を有し中央部に配置されたハブ２４６と、中心開口部から半径方向に所定の距離を隔てた位置において、互いに等しい角距離をおいて配置された、各連結棒（図示せず）を収容するための各ねじ穴（図示せず）を有する周辺部と、周辺部２４８をハブ２４６に連結し、冷媒（例えば空気）の各通路２５０を画定する（例えば４個の）クロスアーム（図示せず）とを含む。
【００３８】
後側エンドプレート２１８は、後側軸受２２２を保持して位置を定めるとともに、ステータコア２４４を搭載して位置を定める。好適には、後側エンドプレート２１８は、小径前方部２５４を有する段付き中央ハブ２５２と、ハブ２５２を貫通する中央開口部２５６とを含み、好ましくは前側エンドプレート２１２と同一の外径を有する略円筒形状であり、各クロスアーム（図示せず）によってハブ２５２に接続されている。好適には、後側エンドプレート２１８は、冷媒（例えば空気）の各通路２５８を含み、冷媒通路２５８は、隣接するクロスアーム（図示せず）と、外側部２６０と、ハブ２５２によって画定されている。
【００３９】
ステータ巻線２８０からの出力は、位相リング１３８によって集められ、対応する出力端子２６２に提供される。より詳細には、出力端子２６２（各位相毎に設けられる）は後側エンドプレート２１８に好適に設けられる。好適には、端子２６２は、可融性リンク１２４を介して、対応する導電位相リング（集電体）１３８に電気的に接続される。出力端子２６２及び可融性リンク１２４は、導電位相リング１３８の周囲に径方向に配置される。各位相リング１３８は、例えば導電体２７６を介して、対応する位相のコイルを集約する（例えば、それらコイルの各々に電気的に接続されている。）。個々の導電ケーブル（例えば図２Ｇの２９４）がそれぞれ端子２６２に取り付けられ、位相出力を制御装置１００に送る。
【００４０】
導電位相リング１３８は、適切な導電性材料、例えばメッキ銅で形成される。好適には、位相リング１３８は、冷却を促進するため非絶縁化又は（例えばワニスによって）最小限絶縁されており、一旦取り付けられ周囲から力や加速度を受けても互いにアイソレートされた状態が容易に維持されるよう、十分に硬く又は剛性を有している。導電位相リングは、棒状材料から作成することもでき、また適切な材料からなるシートを打ち抜いて作成することもできる。図２に示す実施形態においては、各導電位相リング１３８は連続体であり、例えば一片の棒状材料の両端部を半田付けやロウ付け等によって結合することにより、１つの連続した導電リングに形成されたものである。
【００４１】
連続した固形の位相リング１３８を使用することは、可融性リンク１２４への２つの電流経路が、位相リング１３８用の材料として、よりゲージの小さい（従ってより軽量でより安価な）材料の使用を可能にするという点で特に有利である。連続した固形の位相リング１３８を利用する場合、電流は、可融性リンク１２４を装着した位置とは１８０度反対側の位置において効果的に分けられる。位相リング上の可融性リンク１２４へ向う片半分側で導電体２７６によって生じた電流の全ては、効果的にその片半分側に留まり、他の片半分側において生じた電流は、その経路を辿り可融性リンク１２４へ至る。その結果、可融性リンク１２４へ経路が一つのみである導体と比べて、ゲージが約半分である位相リングが得られる。
【００４２】
各リング１３８は冷媒流路内に配置され、互いに、また後側エンドプレート２１８から電気的に絶縁され離間される。好適には、導電位相リング１３８は、耐衝撃性が高く化学的に安定な材料、例えばポリアミド−イミドで好ましく作られた非導電性の導電位相リング取付構造体２６４を用いてエンドプレート２１８に機械的に固定され、この結果、各位相出力に対し一個づつ設けられる各導電位相リングは、互いに、また後側エンドプレート２１８から物理的に離間されまた電気的に絶縁される。オルタネータ１０２によって生じる冷媒（例えば空気）流に対する暴露を可能な限り大きくするため、導電位相リング１３８は、冷媒（例えば空気）通路２５８内に配置される。空気流に対する暴露は、隣接する位相リングの直径を徐々に変えることによって更に大きくなる。例えば、位相Ａ（端子１１８）に対応する位相リング１３８は、エンドプレート２１８の内面に最も近接して配置されているが、その直径は相対的に大きい（エンドプレート２１８内の冷媒（例えば空気）通路２５８の外径に適度に近い）。位相Ｂ（端子１２０）に対応する位相リング１３８は、後方にずらして同軸上に適切に配置され、その直径はより小さくなっている（好適には、位相Ｂ用のリングの外径は、位相Ａ用のリングの内径よりも所定量だけ小さい）。同様に、位相Ｃ（端子１２２）に対応する位相リング１３８は、位相Ｂ用のリング１３８の後方にずらして同軸上に適切に配置され、その直径はさらに小さくなっている（好適には、位相Ｃ用のリングの外径は、位相Ｂ用のリングの内径よりも所定量だけ小さい）。この配列は位相リング取付構造体２６４によって実現され、この配列によって、各リングは、周囲導入口温度に可能なかぎり近い温度で冷却空気流に曝される。周囲導入口から最も離れたリングの直径が最大であることが好ましい。
【００４３】
図２Ｄを参照すると、好適には、出力端子アセンブリ１２６は、好ましくは高導電性耐腐食材料（例えばメッキ銅）からなるねじ切りされた導電性スタッド２６６と、出力端子をオルタネータの後側エンドプレート２１８から電気的に絶縁するための、好ましくは耐衝撃性が高く化学的に安定な材料（例えばポリアミド−イミド）からなる非導電性ブッシング２６８とを備える。好ましい実施形態におけるねじ切りされた導電性スタッド２６６は一体化された肩部２７０を有する。肩部２７０は、オルタネータの後側エンドプレート２１８の内側における座面として機能し、ナット２７２でエンドプレート２１８に締め付けることが可能となり、それによってアセンブリが後側エンドプレート２１８に取り付けられる。
【００４４】
可融性リンク１２４は、例えば、オルタネータ１０２、制御装置１００又はこれらの機器によって給電される電気システムを破壊すると予想される負荷が加えられた場合に溶融するように直径と長さを計算されたワイヤ（好ましくはメッキ銅）等の適切な材料によって作られる。好ましい実施形態において、可融性リンク１２４は、ねじ切りされた導電性スタッド２６６と導電位相リング１３８の両者に半田付け又はロウ付けされる。可融性リンクを固定するための他の方法としては、可融性リンク１２４の端部に適切なラグを取り付け、このラグを、ねじ切りされたナットを用いてスタッド２６６に機械的に固定する方法がある。
【００４５】
特に図２Ｂ及び２Ｃを参照すると、導電位相リング１３８は構造体２６４に固定されている。導電位相リング１３８は、冷媒経路内に配置されて、冷媒流（例えば空気流）２７４に曝され、これにより、導電体２７６（コイル巻線を位相リングに接続している）とともに導電位相リング１３８が冷却される。リング取付構造体２６４は、位相リング１３８とステータのエンドターン（図示せず）との間に空隙を形成するように配置される。この空隙により、ステータ後側のエンドターンが冷却流体に曝されるが、これは従来の巻回ステータにおいては成し得なかったことである。
【００４６】
冷媒（例えば冷却空気）は、オルタネータを通り抜け、ステータ２１０の巻線のエンドターン２８０に当たり、エンドターンを冷却する。次いで、空気流は分岐され、ステータのコア２４４を通り抜け空洞２７８に入り、その際ステータ２１０の遠位におけるエンドターンを冷却する。分岐された空気流の他方は、ロータケーシング２３４と外側ケーシング２２６との間を通り、ロータケーシング２３４及び磁石２３６を冷却する。分岐した空気流は、空気流路２５０において合流し、オルタネータから遠心ファン２８２へと流れ出る。
【００４７】
導電体２７６は、１つの３位相極グループを構成するＡ位相用部材１１８と、Ｂ位相用部材１２０と、Ｃ位相用部材１２２とを備え、後述するように、ステータ２１０から延出され、対応する導電位相リング１３８にそれぞれ半田付け又はロウ付けされる。好ましい実施形態において、導電体２７６は、空気流２７４に曝される。場合によっては、導電体２７６を薄肉電気絶縁材料、例えばノーメックスで覆い、接地するのを防ぐのが望ましい。
【００４８】
次に図２Ｅを参照すると、導電位相リング１３８を作成する他の方法としては、導電位相リングが、孔２８４を開け、その孔にねじを切るのに適した表面を有する長方形材料から形成されている。この実施形態において、可融性リンク１２４の端部は、例えばねじ式締め具２８８によって締められる適切なラグ２８６を用いて導電位相リング１３８に取り付けることができる。同様に、導電体２７６にも同様なラグを装着して、締め具２９０を用いて導電体２７６を導電位相リング１３８に固定することもできる。次いで、導電位相リング１３８は、２６４と同様な適切な構造体を用いて同様な方法によって後側エンドプレート２１８に固定される。あるいは、スロット２９２を等間隔で各位相リングに刻み入れることができ、ステータから延出される個々の導電体を半田付けすることができる。この組み立て方法の、前述した導電体２７６を位相リング１３８に固定する方法に対する主要な利点は、電気モータを製造する際に導電体を終端処理するのに用いられる既存の超音波半田付け装置を改変することにより組み立ての自動化を実現できることである。
【００４９】
ここで図２Ｆを参照すると、ステータ２１０は、分りやすくするためにコイルを省略して図示してあり、個々の導電体２７６も大幅に簡略化してある。この特定の実施形態においては、Ａ、Ｂ及びＣの３位相にそれぞれに対応した各位相リング１３８は、一片の絶縁されていない耐腐食性導電性材料、例えばメッキ銅を半田付け、ロウ付け又は加工することにより連続体として形成される。図示された端子１２６は、Ａ位相用１１８、Ｂ位相用１２０、及びＣ位相用１２２である。各極の組の出力は、位相リング１３８を介してオルタネータ内で集められ、３位相全てに相当する３個の導電体を介してオルタネータから出力され、制御装置１００に送られる。
【００５０】
ここで図２Ｇを参照すると、Ａ、Ｂ及びＣ位相用巻線１１８、１２０及び１２２からの導電体２７６のそれぞれは、対応する集電位相リング１３８において終端し、これら各集電位相リング１３８は導電体２９４を介して制御装置１００に接続される。制御装置１００の出力は、用途により定められた電圧、例えば、直流２８Ｖに電圧調整された出力（Voltage Regulated Output）すなわちＶＲＯとなる。
【００５１】
出力端子２６４と制御装置１００との間に結合された導電体２９４は、電流を適切に運ぶのに十分なゲージとされている。ワイヤ又はケーブルのゲージが大きくなるにつれ、その大ゲージワイヤの曲げ半径が大きくなるため、ケーブルを引き回すのが困難になる。その結果、多くの用途においては、ゲージの非常に大きなワイヤ又はケーブルを使用するのが困難である。後述するように、大型の導電体が適していない用途においては、位相リングを複数のセクションに分割することができ、各位相リングセクションには、そのセクションにおいて生じる少量の電流を運ぶのに適したサイズの導電体を割り当てることができる。
【００５２】
例えば、複数の組に分割された複数の位相リングを用いることで、電流に対する要求基準を軽減することができる。ここで図３Ａ〜３Ｄを参照すると、オルタネータ３０２においては、２組の位相リング３０６が、それらに対応する端子１２６及び可融性リンク１２４とともに配備されており、対応する制御装置３０８及び３１０と協働するようになっている。これらの位相リング３１０は、地点３１２及び３１４において電気的に分離されている。各組は、別途にＡ、Ｂ及びＣ位相成分を運び、各成分は対応する制御装置３０８又は３１０に導かれる。後側エンドプレート３０４は、第２の組の端子１２６を収容するように加工されているという点以外は、全ての点でエンドプレート２１８と同じである。
【００５３】
ここで図３Ｄを参照すると、各位相リング部３０６は、ステータ２１０からの対応する導電体２７６を受け入れる。位相リング部３０６は、端子１２６及び導電体３１６を介して制御装置３０８又は３１０に電気的に接続される。端子１２６が位相リング部３０６の中央部に接続されている場合、電流は、可融性リンク１２４が取り付けられている位置において効果的に分割される。位相リング部上の可融性リンク１２４へ向う片半分側で導電体２７６によって生じた電流の全ては、効果的にその片半分側に留まり、他の片半分側において生じた電流は、その経路を辿り可融性リンク１２４へ至る。その結果、可融性リンク１２４へ経路が一つのみである導体と比べて、ゲージが約半分である位相リング部が得られる。導電体３１６のゲージは、その用途に特有の要求に応じて大きさを調整できる。例えば直流２８Ｖで６００ａｍｐの出力を適切に伝導するのに必要な導電体のサイズを考えると、最新のエンジン室には提供できるスペースが殆どない。超高出力用途において、導電体３１６が運ぶ電流を半分にすることにより、ケーブルの引き回しが非常に容易になる。更には、制御装置においても、それに応じた利点が得られる。アンペア数が増加するにつれ、部品のサイズやコストも増加するが、この増加は線形ではない。従って、導電体が運ぶ電流と、更には制御部品を半分にすることにより、場所とコストの節約ができる。
【００５４】
電流に対する要求は、位相リングを複数の部分に分割することにより更に低減することができる。例えば、図４Ａ〜４Ｄを参照すると、位相リングを４つのセクション４０６に分割でき、これらは地点４１６、４１８、４２０及び４２２において電気的に分離されている。対応する一組の端子１１８、１２０及び１２２が各位相リングセグメント毎に設けられており、対応する制御装置４０８、４１０、４１２及び４１４に接続されている。位相リング部３０６の場合と同様に、端子１２６は位相リング部４０６の中央部に接続され、電流は、可融性リンク１２４が取り付けられている位置において効果的に分けられる。位相リング部上の可融性リンク１２４へ向う片半分側で導電体２７６によって生じた電流の全ては、効果的にその片半分側に留まり、他の片半分側において生じた電流は、その経路を辿り可融性リンク１２４へ至る。その結果、可融性リンク１２４へ経路が一つのみである導体と比べて、ゲージが約半分である位相リング部が得られる。制御装置４０８、４１０、４１２及び４１４の出力端子は、並列に接続され、出力ＶＲＯ＋及びＶＲＯ−が供給される。
【００５５】
前述のように、ステータのコア２１０は略円筒形であり、その外側周面は軸方向に刻みが入れられ、等間隔に並んだ所定数の歯とスロットを有している。導電巻線（ワニス銅モータワイヤ等の適切に絶縁された電気伝導体から形成される）は、スロットから他のスロットへと、所定数の歯の周囲にコアの側面の外側に沿って巻回される。次に図５を参照すると、ステータのコア２１０は、所定数、例えば３６個のスロット（図５においては概略的に表されており、参照符号１〜３６で示されている）を含む。各導電巻線は、ロータの各磁極に対応した、所定数の個別の位相コイル（位相Ａ、Ｂ及びＣ用）を含む。３相オルタネータの各極位相コイルは、位相Ａ用極コイル５１８と、位相Ｂ用極コイル５２０と、位相Ｃ用極コイル５２２とを備え、これらがまとまって１つの極位相コイルグループ５２６を形成する。オルタネータの極毎に、１つの極位相コイルグループ（例えば、１２極オルタネータにおいては１２組の極位相コイルグループ）が設けられ、「Ｙ」接続部５２４において協働する。１２極オルタネータの極位相コイル導電体５２６は、それぞれ対応する導電位相リング５０６、５０８及び５１０に取り付けられる。
【００５６】
例えば、一つの極位相コイル５２２（極グループ１の位相Ｃ用）はステータ２１０のスロット３６と３の周囲に巻回される。コイル５２２を構成する導電体５２６の巻数は、オルタネータの一位相分の定格出力電圧を生じるのに必要な巻数と等しくされている。個々の位相コイルが担う出力電流の割合は、１／（オルタネータの磁極の数）に等しくなる。従って、個々の極位相コイルは、比較的細いワイヤを用い比較的巻数を多くして形成される。
【００５７】
この構成により、オルタネータの製造時及びオルタネータの動作時の両者において多くの利点が得られる。
【００５８】
個々の極位相コイルは、比較的巻数を多くして形成されるため、巻数を変えることによって設計電圧の小幅な変更を実現できる。例えば、全ての極位相コイルが直列に接続され、従来の方法で巻回されたある特定の１２極オルタネータにおいては、１９４０ｒｍｐにおいて直流１４Ｖ（適切な整流後）、３００アンペアを得るためには、ワイヤゲージ６．２８５に等しい導電体の巻数１．０４１７が必要になると思われる。この巻数も、またそれと同等のワイヤゲージも、製造上実用的な数ではない。極位相コイルを並列に接続した本実施例のオルタネータを構成することにより、各極位相コイルの巻数は、１７ゲージワイヤを用いた場合１２．５となる。（なお、１／２巻は、極位相コイルの一端（開始端と呼ぶ）をステータ積層体の一方の側で終端させ、他端（終了端と呼ぶ）をステータ積層体の他の側で終端させることにより形成できる。この構成を図１８Ａに示す。）上記の例において、当初の設計巻数を変更し１．０８３３（繰り返すが、非実用的な数である）に増加させる場合、ｒｐｍは減少し１８９４となる。上記の他方の構成においては、各並列極位相コイルの巻数を増加させ１３にすることにより、上記変更を達成することができる。導電体の断面積が比較的小さいため、コイルの巻回はより容易になる。
【００５９】
極位相コイルの巻線間で短絡が起こると、オルタネータで生じる出力の大部分が短絡したコイルを流れる。コイルは、断面積の比較的小さな導電体を用い比較的巻数を多くして構成されているため、短絡した巻線は、非常に短時間で溶融し、短絡は解消される。開路した一個の極位相コイルによる出力の減少は、約１／（磁極の数＋位相の数）である。例えば、１２極３相オルタネータにおいて、極位相コイルの一つが短絡しその後短絡が自己解消した際の出力の減少は、約３％である。
【００６０】
例えば、極位相コイルの巻線間の短絡は、通常２秒より短い時間で解消される。オルタネータ駆動システムに対する損傷は無く、エンジンは余分な負荷無しに運転し続け、オルタネータは接続された負荷に対して出力を供給し続ける。導電位相リング１３８は、Ａリング５０６、Ｂリング５０８及びＣリング５１０として個別に識別されている。３個の極位相コイル導電体、すなわちＡ位相５１２、Ｂ位相５１４及びＣ位相５１６は、分りやすくするために概略的に描かれている。この図において、一組の極位相コイルグループを構成する３個の極位相コイルのそれぞれは、「Ｙ」接続部５２４において接続されている。前述したように、位相集電リングを用い、「Δ」接続を使用することも可能である。
【００６１】
位相コイル導電体は、冷却を妨げない効率的な方式で集められている。位相コイル導電体が位相コイルのエンドターンからステータ２１０の面に対し９０度の角度で延出している状態においては、エンドターンは最大限可能な量の空気流に曝され、その結果、エンドターンは、可能な限り最大限に冷却される。
【００６２】
本発明を様々な例示的実施形態とともに説明してきたが、本発明は、ここに示された特定の形態に限定されるものでなく、本発明の精神から逸脱することなく、本発明の他の実施形態を創出しうると考えられる。以下の特許請求の範囲に表される本発明に従って、部品、材料、値、構造、およびその他の設計・配置における態様を改変してもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形ケーシングと該ケーシング上に配置された所定数の永久磁石とを備え、ケーシングの軸を中心として回転するように構成されたロータと、
コアと、複数組の導電巻線とを備えたステータであって、導電巻線の各組は、所定数の個別導電巻線を含み、ある電気的位相に対応しているステータと、
導電巻線の各組に対応してそれぞれ設けられた集電導電体であって、各組の個別導電巻線の各々が、その対応する集電導電体に並列に電気的に接続されている集電導電体と、
冷媒をステータの巻線に接触させるように導く冷媒流路と、を備えた小型高出力動力変換装置であって、
前記各集電導電体は、前記冷媒流路内に配置され、互いに電気的に絶縁されるとともに、互いに及び巻線から離間され、
前記集電導電体の各々が連続した導電リングを備え、
冷却を促進するために、前記各導電リングは直径が異なり、
前記各導電リングが同心円状に配置され、互いに軸方向にずらされていることを特徴とする小型高出力動力変換装置。
【請求項２】
各導電リングに対応してそれぞれ設けられた出力端子アセンブリであって、該リングと一点で電気的に接続された出力端子アセンブリを更に含み、この端子アセンブリの接続点とは異なる位置において該リングに接続された前記個別導電巻線から供給される電流が、出力端子アセンブリの接続点と該リング上において該接続点から約１８０度の位置の点とによって描かれる２つの経路のうちの一つを通るようになっていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項３】
前記端子アセンブリが、導電スタッドと、該スタッドとそれに対応する導電リングとの間に電気的に接続された可融性リンクとを含むことを特徴とする請求項２の装置。
【請求項４】
前記導電リングを所定配置に維持するよう、前記導電リングと協働する非導電性取付構造体を更に含むことを特徴とする請求項１の装置。
【請求項５】
前記リングが、両端が互いに連結された棒状材料で形成されていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項６】
前記リングが、導電性材料からなるシートを打ち抜いて形成されていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項７】
前記リングが矩形材料で形成されていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項８】
前記集電導電体を所定配置に維持するよう、前記集電導電体と協働する非導電性取付構造体を更に含むことを特徴とする請求項１の装置。
【請求項９】
冷却を促進するため、前記集電導電体が絶縁されていないことを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１０】
前記リングを周囲導入口温度で冷却流体に曝すため、前記取付構造体が、前記リングの組を軸方向に同心円状に支持することを特徴とする請求項４の装置。
【請求項１１】
前記リングが、通常運転時における加速時にそれらの形状を維持できる程度に比較的硬質であることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１２】
前記集電導電体のそれぞれが、電気的位相毎に、所定数の導電円弧部からなる組を備え、その所定数の導電円弧部は互いに電気的に絶縁されサイズが同一であることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１３】
各導電円弧部に対応して設けられ、該導電円弧部に一点で電気的に接続された出力端子アセンブリを更に含むことを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１４】
前記出力端子アセンブリが、導電スタッドと、該スタッドとそれに対応する導電円弧部との間に電気的に接続された可融性リンクとを含むことを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項１５】
冷却を促進するために、前記導電円弧部の各組は直径が異なることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１６】
前記導電円弧部の各組が、同心円状に配置され、互いに軸方向にずらされていることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１７】
前記円弧部を所定配置に維持するよう、前記円弧部の組と協働する非導電性取付構造体を更に含むことを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１８】
前記円弧部を周囲導入口温度で冷却流体に曝すため、前記取付構造体が、前記円弧部の組を軸方向に同心円状に支持することを特徴とする請求項１７の装置。
【請求項１９】
前記円弧部に接続された前記一点が、前記円弧部のほぼ中央点であることを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項２０】
前記円弧部が棒状材料で形成されていることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２１】
前記導電円弧部が矩形材料で形成され、前記個別巻線を収容するように構成された各切込み部を含むことを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２２】
前記集電導電円弧部が、通常運転時における加速時にそれらの形状を維持できる程度に比較的硬質であること特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２３】
前記ロータにおける各磁極に対応した個別位相コイルが、導電円弧部の組のそれぞれに均等に配分されていることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２４】
前記集電導電体のそれぞれが、電気的位相毎に、２個の導電円弧部からなる組を含み、該２個の導電円弧部は互いに電気的に絶縁されサイズが同一であることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２５】
前記集電導電体のそれぞれが、電気的位相毎に、４個の導電円弧部からなる組を含み、該４個の導電円弧部は互いに電気的に絶縁されサイズが同一であることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２６】
冷媒流路が、前記ステータのコアを通る流路と、前記ロータを通る流路とを含むことを特徴とする請求項１の装置。
【請求項２７】
前記個別導電巻線が、個別巻線の短絡条件下においては、該個別導電巻線が溶融し短絡を解消する程度に比較的小さい直径を有することを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１】
円筒形ケーシングと該ケーシング上に配置された所定数の永久磁石とを備え、ケーシングの軸を中心として回転するように構成されたロータと、
コアと、複数組の導電巻線とを備えたステータであって、導電巻線の各組は、所定数の個別導電巻線を含み、ある電気的位相に対応しているステータと、
導電巻線の各組に対応してそれぞれ設けられた集電導電体であって、各組の個別導電巻線の各々が、その対応する集電導電体に並列に電気的に接続されている集電導電体と、
冷媒をステータの巻線に接触させるように導く冷媒流路と、を備えた小型高出力動力変換装置であって、
前記各集電導電体は、前記冷媒流路内に配置され、互いに電気的に絶縁されるとともに、互いに及び巻線から離間され、
前記集電導電体の各々が連続した導電リングを備え、
冷却を促進するために、前記各導電リングは直径が異なり、
前記各導電リングが同心円状に配置され、互いに軸方向にずらされていることを特徴とする小型高出力動力変換装置。
【請求項２】
各導電リングに対応してそれぞれ設けられた出力端子アセンブリであって、該リングと一点で電気的に接続された出力端子アセンブリを更に含み、この端子アセンブリの接続点とは異なる位置において該リングに接続された前記個別導電巻線から供給される電流が、出力端子アセンブリの接続点と該リング上において該接続点から約１８０度の位置の点とによって描かれる２つの経路のうちの一つを通るようになっていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項３】
前記端子アセンブリが、導電スタッドと、該スタッドとそれに対応する導電リングとの間に電気的に接続された可融性リンクとを含むことを特徴とする請求項２の装置。
【請求項４】
前記導電リングを所定配置に維持するよう、前記導電リングと協働する非導電性取付構造体を更に含むことを特徴とする請求項１の装置。
【請求項５】
前記リングが、両端が互いに連結された棒状材料で形成されていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項６】
前記リングが、導電性材料からなるシートを打ち抜いて形成されていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項７】
前記リングが矩形材料で形成されていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項８】
前記集電導電体を所定配置に維持するよう、前記集電導電体と協働する非導電性取付構造体を更に含むことを特徴とする請求項１の装置。
【請求項９】
冷却を促進するため、前記集電導電体が絶縁されていないことを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１０】
前記リングを周囲導入口温度で冷却流体に曝すため、前記取付構造体が、前記リングの組を軸方向に同心円状に支持することを特徴とする請求項４の装置。
【請求項１１】
前記リングが、通常運転時における加速時にそれらの形状を維持できる程度に比較的硬質であることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１２】
前記集電導電体のそれぞれが、電気的位相毎に、所定数の導電円弧部からなる組を備え、その所定数の導電円弧部は互いに電気的に絶縁されサイズが同一であることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１３】
各導電円弧部に対応して設けられ、該導電円弧部に一点で電気的に接続された出力端子アセンブリを更に含むことを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１４】
前記出力端子アセンブリが、導電スタッドと、該スタッドとそれに対応する導電円弧部との間に電気的に接続された可融性リンクとを含むことを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項１５】
冷却を促進するために、前記導電円弧部の各組は直径が異なることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１６】
前記導電円弧部の各組が、同心円状に配置され、互いに軸方向にずらされていることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１７】
前記円弧部を所定配置に維持するよう、前記円弧部の組と協働する非導電性取付構造体を更に含むことを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１８】
前記円弧部を周囲導入口温度で冷却流体に曝すため、前記取付構造体が、前記円弧部の組を軸方向に同心円状に支持することを特徴とする請求項１７の装置。
【請求項１９】
前記円弧部に接続された前記一点が、前記円弧部のほぼ中央点であることを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項２０】
前記円弧部が棒状材料で形成されていることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２１】
前記導電円弧部が矩形材料で形成され、前記個別巻線を収容するように構成された各切込み部を含むことを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２２】
前記集電導電円弧部が、通常運転時における加速時にそれらの形状を維持できる程度に比較的硬質であること特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２３】
前記ロータにおける各磁極に対応した個別位相コイルが、導電円弧部の組のそれぞれに均等に配分されていることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２４】
前記集電導電体のそれぞれが、電気的位相毎に、２個の導電円弧部からなる組を含み、該２個の導電円弧部は互いに電気的に絶縁されサイズが同一であることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２５】
前記集電導電体のそれぞれが、電気的位相毎に、４個の導電円弧部からなる組を含み、該４個の導電円弧部は互いに電気的に絶縁されサイズが同一であることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項２６】
冷媒流路が、前記ステータのコアを通る流路と、前記ロータを通る流路とを含むことを特徴とする請求項１の装置。
【請求項２７】
前記個別導電巻線が、個別巻線の短絡条件下においては、該個別導電巻線が溶融し短絡を解消する程度に比較的小さい直径を有することを特徴とする請求項１の装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図２Ｇ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図２Ｇ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２１３３２１（Ｐ２０１２−２１３３２１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４４３１０（Ｐ２０１２−１４４３１０）
【出願日】平成２４年６月２７日（２０１２．６．２７）
【分割の表示】特願２００８−５５６４２５（Ｐ２００８−５５６４２５）の分割
【原出願日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【出願人】（５０５４４６８７３）マグネティック アプリケーションズ インコーポレイテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月２７日（２０１２．６．２７）
【分割の表示】特願２００８−５５６４２５（Ｐ２００８−５５６４２５）の分割
【原出願日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【出願人】（５０５４４６８７３）マグネティック アプリケーションズ インコーポレイテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
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