コアレス電気機械装置、移動体、及びロボット
【課題】２相の電磁コイルの電気抵抗やインダクタンスを実質的に同一にして、コアレス電気機械装置の効率を良くする。
【解決手段】コアレス電気機械装置であって、第１の部材２０に配置された永久磁石２００と、第２の部材１５に配置された２相の空芯の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、第２の部材に配置されたコイルバックヨーク１１５とを備え、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有し、２相の電磁コイルの有効コイル領域は、同じ形状を有しており、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の円筒面に配置されており、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、円筒面の内側方向または外側方向に曲げられており、２相の電磁コイルは同じ電気抵抗値を有しており、コイルバックヨーク１１５は、有効コイル領域を覆い、コイルエンド領域を覆っていない。
【解決手段】コアレス電気機械装置であって、第１の部材２０に配置された永久磁石２００と、第２の部材１５に配置された２相の空芯の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、第２の部材に配置されたコイルバックヨーク１１５とを備え、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有し、２相の電磁コイルの有効コイル領域は、同じ形状を有しており、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の円筒面に配置されており、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、円筒面の内側方向または外側方向に曲げられており、２相の電磁コイルは同じ電気抵抗値を有しており、コイルバックヨーク１１５は、有効コイル領域を覆い、コイルエンド領域を覆っていない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアレスの電動モーターや発電機などの電気機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ティースにインナーコイルとアウターコイルを巻き、アウターコイルのコイルエンドを外側に折り曲げている電動モーターが知られている（例えば特許文献１）。この電動モーターは、ティースとコイル（電磁コイル）とで電磁石を形成し、電磁石と永久磁石との相互作用で回転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４６３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ティースを有しないコアレス電動モーターでは、電磁コイルは電磁石を形成せず、電磁コイルを流れる電流と永久磁石との間のローレンツ力、およびその反作用により回転する。かかるコアレス電動モーターでは、電磁コイルの電気抵抗やインダクタンスがローレンツ力に影響を与える。２相の電磁コイルを有するコアレス電動モーターの場合、各相の電磁コイルの電気抵抗やインダクタンスが同一となるような電磁コイルの配置が難く、コアレス電動モーター（電気機械装置）の効率を良くすることが難しい、という問題があった。
【０００５】
本願発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、２相の電磁コイルの電気抵抗やインダクタンスを、実質的に同一にして、コアレス電気機械装置の効率を良くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
相対的に移動可能な円筒形状の第１と第２の部材を有するコアレス電気機械装置であって、前記第１の部材に配置された永久磁石と、前記第２の部材に配置された２相の空芯の電磁コイルと、前記第２の部材に配置されたコイルバックヨークと、を備え、前記電磁コイルは、前記第１の部材を前記第２の部材に対して相対的に移動させる力を生じさせる有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有しており、前記２相の電磁コイルの前記有効コイル領域は、同じ形状を有しており、前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間の円筒領域に配置されており、前記２相の電磁コイルのうちの第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域は、前記円筒面の内側方向または外側方向に曲げられており、前記２相の電磁コイルは同じ電気抵抗値を有しており、前記コイルバックヨークは、前記有効コイル領域の外周領域を覆い、前記コイルエンド領域の外周領域を覆っていない、コアレス電気機械装置。
コイルバックヨークを有するコアレス電気機械装置の場合、電磁コイルのうちのコイルバックヨークと重なる部分が、電磁コイルのインダクタンスの値に大きく寄与する。したがって、この適用例によれば、２相の電磁コイルの電気抵抗、インダクタンスを実質的に同一にできるので、コアレス電気機械装置の効率を良くすることが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載のコアレス電気機械装置において、前記第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域が曲げられる前の形状と、前記２相の電磁コイル形状と、は同一形状を有し、前記第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域を、前記円筒面の内側方向または外側方向に曲げることにより形成されている、コアレス電気機械装置。
この適用例によれば、２相の電磁コイルは、コイルエンド領域が曲げられていない平らな状態では同一形状、すなわち、同一の電気抵抗、同一のインダクタンスであり、その一方の相の電磁コイルにつき、インダクタンスの値に影響を与えにくいコイルエンドの部分を曲げて形成されているので、２相の電磁コイルの電気抵抗、インダクタンスを実質的に同一にできる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または２に記載のコアレス電気機械装置において、前記２相の電磁コイルのうちの第２の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域は、前記第１の相の前記コイルエンド領域が曲げられた方向と反対方向に曲げられている、コアレス電気機械装置。
この適用例によれば、他方の電磁コイルも曲げられているので、２相の電磁コイルのインダクタンスの値のわずかな違いを緩和できる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つに記載のコアレス電気機械装置において、有効コイル領域を形成する前記２相の電磁コイルの間隔は、前記電磁コイルの前記有効コイル領域における前記電磁コイルの太さの２倍の大きさである、コアレス電気機械装置。
この適用例によれば、電磁コイルの占積率を上げることができるので、コアレス電気機械装置の効率を良くすることが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
適用例１〜４のいずれか一つに記載のコアレス電気機械装置を備える移動体。
【００１２】
［適用例６］
適用例１〜４のいずれか一つに記載のコアレス電気機械装置を備えるロボット。
【００１３】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、モーターや発電装置などのコアレス電気機械装置のほか、それを用いた移動体、ロボット等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施例を示す説明図である。
【図２】電磁コイルのコイルエンド領域近傍を拡大して示す説明図である。
【図３】電磁コイル１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。
【図４Ａ】平面上に電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを形成した状態を示す説明図である。
【図４Ｂ】電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを重ね合わせる前の状態を示す説明図である。
【図４Ｃ】電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを重ね合わせた状態を示す説明図である。
【図５】第２の実施例を示す説明図である。
【図６】第２の実施例の電磁コイル１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。
【図７】第３の実施例を示す説明図である。
【図８】第３の実施例の１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。
【図９】本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。
【図１０】本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。
【図１１】本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１の実施例］
図１は、第１の実施例を示す説明図である。図１（Ａ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と平行な面で切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示し、図１（Ｂ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と垂直な切断線１Ｂ−１Ｂで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示している。電動モーター１０は、略円筒状のステーター１５が外側に配置され、略円筒状のローター２０が内側に配置されたラジアルギャップ構造のインナーローター型モーターである。ステーター１５は、ケーシング１１０の内周に沿って配置されたコイルバックヨーク１１５と、コイルバックヨーク１１５の内側に配列された複数の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、を有している。本実施例では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを区別しない場合には、単に電磁コイル１００と呼ぶ。コイルバックヨーク１１５は、磁性体材料で形成されており、略円筒形形状を有している。電磁コイル１００Ａと、１００Ｂとは、樹脂１３０によりモールドされて、同一の円筒面に配置されている。電磁コイル１００Ａと、１００Ｂの回転軸２３０に沿った方向の長さは、コイルバックヨーク１１５の回転軸２３０に沿った方向の長さよりも長くなっている。すなわち、図１（Ａ）において、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの左右方向の端部は、コイルバックヨーク１１５と重ならない。本実施例では、コイルバックヨーク１１５と重なっている領域を有効コイル領域と呼び、コイルバックヨーク１１５と重ならない領域をコイルエンド領域と呼ぶ。本実施例では、電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域とコイルエンド領域、および、電磁コイル１００Ａの有効コイル領域は、同一の円筒面にあるが、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、当該円筒面から外側に曲がっている。
【００１６】
ステーター１５には、さらに、ローター２０の位相を検出する位置センサーとしての磁気センサー３００が、配置されている。磁気センサー３００として、例えばホール素子を有するホールセンサーを用いることができる。磁気センサー３００は、略正弦波のセンサー信号を生成する。このセンサー信号は、電磁コイル１００を駆動するための駆動信号を生成するために用いられる。したがって、磁気センサー３００は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに対応して２つ設けられていることが好ましい。磁気センサー３００は、回路基板３１０の上に固定されており、回路基板３１０は、ケーシング１１０に固定されている。
【００１７】
ローター２０は、中心に回転軸２３０を有し、その外周に複数の永久磁石２００を有している。各永久磁石２００は、回転軸２３０の中心から外部に向かう径方向（放射方向）に沿って磁化されている。なお、図１（Ｂ）において永久磁石２００に付したＮ、Ｓの文字は、永久磁石２００の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂ側の極性を示している。永久磁石２００と電磁コイル１００とは、ローター２０とステーター１５の対向する円筒面に対向して配置されている。ここで、永久磁石２００の回転軸２３０に沿った方向の長さは、コイルバックヨーク１１５の回転軸２３０に沿った方向の長さと同じ長さである。すなわち、永久磁石２００と、コイルバックヨーク１１５にはさまれた領域と、電磁コイル１００Ａまたは１００Ｂとが重なる領域が有効コイル領域となる。回転軸２３０は、ケーシング１１０の軸受け２４０で支持されている。本実施例では、ケーシング１１０の内側に、波バネ座金２６０を備えている。この波バネ座金２６０は、永久磁石２００の位置決めを行っている。但し、波バネ座金２６０は別の構成部品で置き換えることも可能である。
【００１８】
図２は、電磁コイルのコイルエンド領域近傍を拡大して示す説明図である。図２（Ａ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と平行な面で切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示し、図２（Ｂ）は、回転軸２３０と垂直な切断線２Ｂ−２Ｂで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を、図２（Ｃ）は、回転軸２３０と垂直な切断線２Ｃ−２Ｃで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を、図２（Ｄ）は、回転軸２３０と垂直な切断線２Ｄ−２Ｄで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示している。図２（Ａ）、図２（Ｄ）には、コイルガイド２７０を記載している。ここで、切断線２Ｂ−２Ｂと、切断線２Ｃ−２Ｃは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのコイルエンド領域を切る切断線であり、切断線２Ｄ−２Ｄは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域を切る切断線である。コイルガイド２７０は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを配置する際に、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの位置決めを容易に行うために用いられる。
【００１９】
図２（Ｂ）示す断面では、電磁コイル１００Ａを形成する導線および電磁コイル１００Ｂを形成する導線いずれも、円筒面の円周に沿った方向となっている。また、この断面では、電磁コイル１００Ａが円筒面の外側方向に曲げられているので、電磁コイル１００Ａが外側の円周上にあり、電磁コイル１００Ｂが内側の円周上にある。電磁コイル１００Ａが円筒面の外側方向に曲げられているのは、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとがぶつかって設置できなくなるのを防止するためである。図２（Ｃ）示す断面では、電磁コイル１００Ａを形成する導線の配線方向が円筒面の円周に沿った方向となっているが、電磁コイル１００Ｂを形成する導線の配線方向は、図の表裏方向であり、回転軸２３０と平行な方向となっている。図２（Ｄ）に示す断面では、電磁コイル１００Ａを形成する導線及び電磁コイル１００Ｂを形成する導線の配線方向は、いずれも図の表裏方向であり、回転軸２３０と平行な方向となっている。
【００２０】
図３は、電磁コイル１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。電磁コイル１００Ａは、コイルバックヨーク１１５と重ならなくなったところＰ１から、外側に折れ曲がっている。この折れ曲がったところＰ１から、電磁コイル１００Ａの端Ｐ２までの長さは、（Ｌ１＋φ１）である。ここで。φ１は、電磁コイル１００Ａを形成する導体の集合の円筒面に沿った方向の太さである。また、電磁コイル１００Ｂについて、コイル１００Ａが折れ曲がったところＰ１から、電磁コイル１００Ｂの端Ｐ３までの長さは、（Ｌ１＋φ１）である。すなわち、折り曲げ前の電磁コイル１００Ａと１００Ｂとはローターの回転軸方向の長さが同じであり、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗は、同じ値である。
【００２１】
図４Ａは、平面上に電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを形成した状態を示す説明図である。図４Ａ（Ａ１）は電磁コイル１００Ａの平面図を示し、図４Ａ（Ｂ１）は電磁コイル１００Ｂの平面図を示している。電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂとは、同じ材質、同じ径の導体で形成されている。図４Ａ（Ａ２）は電磁コイル１００Ａの側面図を示し、図４Ａ（Ｂ１）は電磁コイル１００Ｂの側面図を示している。図４Ａ（Ａ１）と（Ｂ１）及び図４Ａ（Ａ２）と（Ｂ２）を比較すればわかるように、平面上に電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを形成した状態では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは同じ形状である。また、電磁コイル１００Ａの巻数と電磁コイル１００Ｂの巻数は同じ数である。したがって、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗は、同じ値である。また電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスは、同じ値である。また、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの導体の束の太さをφ１としたとき、有効コイル領域におけるコイル束の間隔をＬ２とすると、Ｌ２≒２×φ１の関係を有している。
【００２２】
図４Ｂは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを重ね合わせる前の状態を示す説明図である。図４Ｂ（Ａ１）は電磁コイル１００Ａを回転軸２３０の放射方向から見た図を示し、図４Ｂ（Ｂ１）は電磁コイル１００Ｂを回転軸２３０の放射方向から見た図を示している。図４Ｂ（Ａ２）は電磁コイル１００Ａを回転軸２３０と平行な方向から見た図を示し、図４Ｂ（Ｂ１）は電磁コイル１００Ｂを回転軸２３０と平行な方向から見た図を示している。図４（Ａ１）、（Ａ２）に示すように、電磁コイル１００Ａについては、全体が平面形状から円筒面に沿って曲げられているとともに、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は円筒面から外側方向に曲げられている。一方、図４（Ｂ１）、（Ｂ２）に示すように、電磁コイル１００Ｂについては、全体が平面形状から円筒面に沿って曲げられているが、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域は円筒面から外側方向に曲げられていない。なお、形状を変えても電気抵抗は変わらないので、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と電磁コイル１００Ｂの電気抵抗は同じ値である。一方、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂとは、有効コイル領域の形状は同じ形状であるが、コイルエンド領域の形状が異なる。すなわち、インダクタンスのうち、有効コイル領域に起因するインダクタンスは同じであるが、コイルエンド領域に起因するインダクタンスは、異なる。すなわち、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスとは、若干異なることになる。一般的には、コイルエンド領域を曲げると、電磁コイル１００Ａの磁束方向の面積ｓが小さくなるので、インダクタンスは小さくなる。たとえば、コイルのインダクタンスＬは、以下の式で示される。
【数１】
ここで、ｋは長岡係数であり、μは透磁率、ｎは電磁コイルの巻数、ｓは電磁コイルの断面積、ｌは電磁コイルの長さである。
【００２３】
図４Ｃは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを重ね合わせた状態を示す説明図である。なお、図４Ｃでは、コイルバックヨーク１１５を記載している。電磁コイル１００Ａの有効コイル領域の２つの導体の束の間に、２つの電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域の導体の束が収まっている。また、電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域の２つの導体の束の間に、２つの電磁コイル１００Ａの有効コイル領域の導体の束が収まっており、電磁コイル１００Ａと１００Ｂは重なっていない。また、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、円筒面から外側に曲げられており、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域と半径方向にずれている。このように、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を外側に曲げることにより、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとを同じ円筒面上にぶつからないように配置することができる。本実施例では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの導体の束の太さφ１と、有効コイル領域におけるコイル束の間隔をＬ２との間にはＬ２≒２×φ１の関係を有している。すなわち、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが配置される円筒面は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの導体の束によりほぼ占められているので、電磁コイルの占積率を向上させ、電動モーター１０（図１）の効率を向上させることができる。
【００２４】
次に、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの、電気抵抗とインダクタンスについて説明する。図４Ｂで示した電磁コイル１００Ａと１００Ｂの形状は、図４Ｃで示した電磁コイル１００Ａと１００Ｂの形状と同じである。したがって、図４Ｂで説明したように、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と電磁コイル１００Ｂの電気抵抗は、同じ値である。コイルバックヨーク１１５がないときのインダクタンスについては、図４Ｂで説明したように、有効コイル領域に起因するインダクタンスは同じであるが、コイルエンド領域に起因するインダクタンスは、異なっており、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスとは、若干異なっている。しかし、本実施例にように、コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ａとが重なった状態では、電磁コイル１００Ａのインダクタンスは、コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ａとが重なった部分、すなわち有効コイル領域のインダクタンスが支配的となる。電磁コイル１００Ｂについても同様である。ここで、電磁コイル１００Ａの有効コイル領域と、電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域は、同じ形状であるので、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスとは、ほぼ同じ値となる。したがって、電磁コイル１００Ａと永久磁石２００との間のローレンツ力と、電磁コイル１００Ｂと永久磁石２００との間のローレンツ力とは同じ大きさとなるので、両者のバランスが取れる結果、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００２５】
以上、本実施例の電動モーター１０は、永久磁石２００と、２相のコアレス（空芯）の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、コイルバックヨーク１１５とを備えている。各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂはそれぞれ、有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有している。そして、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域は、同じ形状を有している。各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の円筒面に配置されている。電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、円筒面の外側方向に曲げられている。さらに、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは同じ電気抵抗値を有している。また、コイルバックヨーク１１５は、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域を覆い、コイルエンド領域を覆っていないことから、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのインダクタンスは実質的に同じ値である。したがって、電磁コイル１００Ａと永久磁石２００との間のローレンツ力と、電磁コイル１００Ｂと永久磁石２００との間のローレンツ力とは同じ大きさとなるので、両者のバランスが取れる結果、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００２６】
さらに、図４Ａ〜図４Ｃで説明したように、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、平面上で同一形状である電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを円筒面に沿って曲げ、Ａ相の電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を、円筒面の外側方向に曲げることにより形成されているので、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは同じ電気抵抗値にすることが容易である。
【００２７】
また、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが有する２つの有効コイル領域のコイルを形成する導体の束の間の間隔Ｌ２は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域における導体のコイルの束の太さφ１の２倍の大きさであるので、二相コイルを互いの間に効率よく配置することで電磁コイルの占積率を大きくでき、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００２８】
［第２の実施例］
図５は、第２の実施例を示す説明図である。図５（Ａ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と平行な面で切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示し、図５（Ｂ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と垂直な切断線５Ｂ−５Ｂで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示している。第１の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域が、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域が配置される円筒面の外側方向に曲げられているが、第２の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域が、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域が配置される円筒面の内側方向に曲げられている点が異なる。また、第２の実施例では、磁気センサー３００を備えていない代わりに、エンコーダー３２０を備えている。磁気センサー３００を備えないのは、以下の理由による。すなわち、第２の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域が円筒面の内側方向に曲げられているので、第１の実施例と同様に磁気センサー３００を配置すると、磁気センサー３００と、永久磁石２００との間に電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域が位置することになる。すなわち、磁気センサー３００と電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域とが、接近することになる。その結果、電磁コイル１００Ａに流れる電流により生じる磁束により、磁気センサー３００が受ける磁束密度が影響を受ける恐れがある。なお、本実施例では、磁気センサー３００を備えていない代わりに、永久磁石２００の機械角を検知するためのエンコーダー３２０を備えている。
【００２９】
図６は、第２の実施例の電磁コイル１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。電磁コイル１００Ａは、点Ｐ４から円筒面の内側方向に曲げられて、点Ｐ５まで伸びている。電磁コイル１００Ｂは、点Ｐ４で曲げられずに、円筒面にそって点Ｐ６まで伸びている。電磁コイル１００Ａにおける点Ｐ４から点Ｐ５までの長さＬ３と、電磁コイル１００Ｂにおける点Ｐ４から点Ｐ６までの長さＬ３は同じ長さである。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの点Ｐ４より、点Ｐ５及び点Ｐ６までの形状は、それぞれ同形である。したがって、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの電気抵抗の値は同じである。また、点Ｐ４は、コイルバックヨーク１１５と重なっていない。すなわち、電磁コイル１００Ａの曲げられていない部分は、有効コイル領域であり、電磁コイル１００Ａの有効コイル領域と電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域は、同形である。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域は、コイルバックヨーク１１５と重なっており、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスは、いずれも有効コイル領域におけるインダクタンスが支配的となるため、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのインダクタンスは実質的に同じ値である。
【００３０】
したがって、第２の実施例においても、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗の値を同じ値とし、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと、電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値を実質的に同じ値にすることができる。その結果、電磁コイル１００Ａと永久磁石２００との間のローレンツ力と、電磁コイル１００Ｂと永久磁石２００との間のローレンツ力とを同じ大きさとすることができるので、両者のバランスが取れる結果、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００３１】
[第３の実施例]
図７は、第３の実施例を示す説明図である。図７（Ａ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と平行な面で切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示し、図７（Ｂ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と垂直な切断線７Ｂ−７Ｂで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示している。第１、第２の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を円筒面の外側方向または内側方向に曲げ、電磁コイル１００Ｂについては、コイルエンド領域を円筒面の外側方向または内側方向に曲げていない。これに対し、第３の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を円筒面の外側方向に曲げ、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域を円筒面の内側方向に曲げている点が異なる。
【００３２】
図８は、第３の実施例の１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。電磁コイル１００Ａは、点Ｐ７から円筒面の外側方向に曲げられて、点Ｐ８まで伸びている。電磁コイル１００Ｂは、点Ｐ７から円筒面の内側方向に曲げられて、点Ｐ９まで伸びている。電磁コイル１００Ａにおける点Ｐ７から点Ｐ８までの長さＬ４と、電磁コイル１００Ｂにおける点Ｐ７から点Ｐ９までに長さＬ４は同じ長さである。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの点Ｐ７より図面左方向は、同形である。したがって、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの電気抵抗の値は同じである。
【００３３】
電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの厚さをＬ５とすると、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、外側方向にＬ５／２曲げられており、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域は、内側方向にＬ５／２曲げられている。なお、第１の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、外側方向にＬ５曲げられることになる。すなわち、第３の実施例における電磁コイル１００Ａの変形量は、第１の実施例における電磁コイル１００Ａの変形量の半分である。したがって、第３の実施例の電磁コイル１００Ａのインダクタンスの値は、第１の実施例の電磁コイル１００Ａのインダクタンスの値よりも、円筒形に変形させた図４Ｂに示すような電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値に近い。また、電磁コイル１００Ｂについても、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域が、内側方向にＬ５／２曲げられているので、第３の実施例の電磁コイル１００Ａのインダクタンスの値は、円筒形に変形させた図４Ｂに示すような電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値よりも、第１の実施例の電磁コイル１００Ａのインダクタンスの値に近づいている。したがって、第１の実施例に比べて、第３の実施例の方が、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値の差が小さい。
【００３４】
したがって、第３の実施例においても、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗の値を同じ値とし、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値を実質的に同じ値にすることができる。その結果、電磁コイル１００Ａと永久磁石２００との間のローレンツ力と、電磁コイル１００Ｂと永久磁石２００との間のローレンツ力とを同じ大きさとすることができるので、両者のバランスが取れる結果、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００３５】
なお、第３の実施例では、磁気センサー３００を備える構成であるが、電磁コイル１００Ａが円筒面の内側方向に曲げられているため、第２の実施例と同様に、磁気センサー３００を備えずに、エンコーダー３２０を備える構成であってもよい。
【００３６】
図９は、本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車３３００は、前輪にモーター３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モーター３３１０は、充電池３３３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモーター３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、モーターの駆動と回生とを制御する回路である。このモーター３３１０としては、上述した各種の電動モーター１０を利用することが可能である。
【００３７】
図１０は、本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モーター３４３０とを有している。このモーター３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモーター３４３０としては、上述した各種の電動モーター１０を利用することが可能である。
【００３８】
図１１は、本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、電動モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。この電動モーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、電動モーター３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。この電動モーター３５１０としては、上述した各種の電動モーター１０を利用することができる。
【００３９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４０】
１Ｂ−１Ｂ…切断線
２Ｂ−２Ｂ…切断線
２Ｃ−２Ｃ…切断線
２Ｄ−２Ｄ…切断線
１０…電動モーター
１５…ステーター
２０…ローター
１００、１００Ａ、１００Ｂ…電磁コイル
１１０…ケーシング
１１５…コイルバックヨーク
１３０…樹脂
２００…永久磁石
２３０…回転軸
２４０…軸受け
２６０…波バネ座金
２７０…コイルガイド
３００…磁気センサー
３１０…回路基板
３２０…エンコーダー
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第２のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３５００…鉄道車両
３５１０…電動モーター
３５２０…車輪
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアレスの電動モーターや発電機などの電気機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ティースにインナーコイルとアウターコイルを巻き、アウターコイルのコイルエンドを外側に折り曲げている電動モーターが知られている（例えば特許文献１）。この電動モーターは、ティースとコイル（電磁コイル）とで電磁石を形成し、電磁石と永久磁石との相互作用で回転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４６３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ティースを有しないコアレス電動モーターでは、電磁コイルは電磁石を形成せず、電磁コイルを流れる電流と永久磁石との間のローレンツ力、およびその反作用により回転する。かかるコアレス電動モーターでは、電磁コイルの電気抵抗やインダクタンスがローレンツ力に影響を与える。２相の電磁コイルを有するコアレス電動モーターの場合、各相の電磁コイルの電気抵抗やインダクタンスが同一となるような電磁コイルの配置が難く、コアレス電動モーター（電気機械装置）の効率を良くすることが難しい、という問題があった。
【０００５】
本願発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、２相の電磁コイルの電気抵抗やインダクタンスを、実質的に同一にして、コアレス電気機械装置の効率を良くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
相対的に移動可能な円筒形状の第１と第２の部材を有するコアレス電気機械装置であって、前記第１の部材に配置された永久磁石と、前記第２の部材に配置された２相の空芯の電磁コイルと、前記第２の部材に配置されたコイルバックヨークと、を備え、前記電磁コイルは、前記第１の部材を前記第２の部材に対して相対的に移動させる力を生じさせる有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有しており、前記２相の電磁コイルの前記有効コイル領域は、同じ形状を有しており、前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間の円筒領域に配置されており、前記２相の電磁コイルのうちの第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域は、前記円筒面の内側方向または外側方向に曲げられており、前記２相の電磁コイルは同じ電気抵抗値を有しており、前記コイルバックヨークは、前記有効コイル領域の外周領域を覆い、前記コイルエンド領域の外周領域を覆っていない、コアレス電気機械装置。
コイルバックヨークを有するコアレス電気機械装置の場合、電磁コイルのうちのコイルバックヨークと重なる部分が、電磁コイルのインダクタンスの値に大きく寄与する。したがって、この適用例によれば、２相の電磁コイルの電気抵抗、インダクタンスを実質的に同一にできるので、コアレス電気機械装置の効率を良くすることが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載のコアレス電気機械装置において、前記第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域が曲げられる前の形状と、前記２相の電磁コイル形状と、は同一形状を有し、前記第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域を、前記円筒面の内側方向または外側方向に曲げることにより形成されている、コアレス電気機械装置。
この適用例によれば、２相の電磁コイルは、コイルエンド領域が曲げられていない平らな状態では同一形状、すなわち、同一の電気抵抗、同一のインダクタンスであり、その一方の相の電磁コイルにつき、インダクタンスの値に影響を与えにくいコイルエンドの部分を曲げて形成されているので、２相の電磁コイルの電気抵抗、インダクタンスを実質的に同一にできる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または２に記載のコアレス電気機械装置において、前記２相の電磁コイルのうちの第２の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域は、前記第１の相の前記コイルエンド領域が曲げられた方向と反対方向に曲げられている、コアレス電気機械装置。
この適用例によれば、他方の電磁コイルも曲げられているので、２相の電磁コイルのインダクタンスの値のわずかな違いを緩和できる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つに記載のコアレス電気機械装置において、有効コイル領域を形成する前記２相の電磁コイルの間隔は、前記電磁コイルの前記有効コイル領域における前記電磁コイルの太さの２倍の大きさである、コアレス電気機械装置。
この適用例によれば、電磁コイルの占積率を上げることができるので、コアレス電気機械装置の効率を良くすることが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
適用例１〜４のいずれか一つに記載のコアレス電気機械装置を備える移動体。
【００１２】
［適用例６］
適用例１〜４のいずれか一つに記載のコアレス電気機械装置を備えるロボット。
【００１３】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、モーターや発電装置などのコアレス電気機械装置のほか、それを用いた移動体、ロボット等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施例を示す説明図である。
【図２】電磁コイルのコイルエンド領域近傍を拡大して示す説明図である。
【図３】電磁コイル１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。
【図４Ａ】平面上に電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを形成した状態を示す説明図である。
【図４Ｂ】電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを重ね合わせる前の状態を示す説明図である。
【図４Ｃ】電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを重ね合わせた状態を示す説明図である。
【図５】第２の実施例を示す説明図である。
【図６】第２の実施例の電磁コイル１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。
【図７】第３の実施例を示す説明図である。
【図８】第３の実施例の１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。
【図９】本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。
【図１０】本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。
【図１１】本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１の実施例］
図１は、第１の実施例を示す説明図である。図１（Ａ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と平行な面で切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示し、図１（Ｂ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と垂直な切断線１Ｂ−１Ｂで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示している。電動モーター１０は、略円筒状のステーター１５が外側に配置され、略円筒状のローター２０が内側に配置されたラジアルギャップ構造のインナーローター型モーターである。ステーター１５は、ケーシング１１０の内周に沿って配置されたコイルバックヨーク１１５と、コイルバックヨーク１１５の内側に配列された複数の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、を有している。本実施例では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを区別しない場合には、単に電磁コイル１００と呼ぶ。コイルバックヨーク１１５は、磁性体材料で形成されており、略円筒形形状を有している。電磁コイル１００Ａと、１００Ｂとは、樹脂１３０によりモールドされて、同一の円筒面に配置されている。電磁コイル１００Ａと、１００Ｂの回転軸２３０に沿った方向の長さは、コイルバックヨーク１１５の回転軸２３０に沿った方向の長さよりも長くなっている。すなわち、図１（Ａ）において、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの左右方向の端部は、コイルバックヨーク１１５と重ならない。本実施例では、コイルバックヨーク１１５と重なっている領域を有効コイル領域と呼び、コイルバックヨーク１１５と重ならない領域をコイルエンド領域と呼ぶ。本実施例では、電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域とコイルエンド領域、および、電磁コイル１００Ａの有効コイル領域は、同一の円筒面にあるが、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、当該円筒面から外側に曲がっている。
【００１６】
ステーター１５には、さらに、ローター２０の位相を検出する位置センサーとしての磁気センサー３００が、配置されている。磁気センサー３００として、例えばホール素子を有するホールセンサーを用いることができる。磁気センサー３００は、略正弦波のセンサー信号を生成する。このセンサー信号は、電磁コイル１００を駆動するための駆動信号を生成するために用いられる。したがって、磁気センサー３００は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに対応して２つ設けられていることが好ましい。磁気センサー３００は、回路基板３１０の上に固定されており、回路基板３１０は、ケーシング１１０に固定されている。
【００１７】
ローター２０は、中心に回転軸２３０を有し、その外周に複数の永久磁石２００を有している。各永久磁石２００は、回転軸２３０の中心から外部に向かう径方向（放射方向）に沿って磁化されている。なお、図１（Ｂ）において永久磁石２００に付したＮ、Ｓの文字は、永久磁石２００の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂ側の極性を示している。永久磁石２００と電磁コイル１００とは、ローター２０とステーター１５の対向する円筒面に対向して配置されている。ここで、永久磁石２００の回転軸２３０に沿った方向の長さは、コイルバックヨーク１１５の回転軸２３０に沿った方向の長さと同じ長さである。すなわち、永久磁石２００と、コイルバックヨーク１１５にはさまれた領域と、電磁コイル１００Ａまたは１００Ｂとが重なる領域が有効コイル領域となる。回転軸２３０は、ケーシング１１０の軸受け２４０で支持されている。本実施例では、ケーシング１１０の内側に、波バネ座金２６０を備えている。この波バネ座金２６０は、永久磁石２００の位置決めを行っている。但し、波バネ座金２６０は別の構成部品で置き換えることも可能である。
【００１８】
図２は、電磁コイルのコイルエンド領域近傍を拡大して示す説明図である。図２（Ａ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と平行な面で切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示し、図２（Ｂ）は、回転軸２３０と垂直な切断線２Ｂ−２Ｂで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を、図２（Ｃ）は、回転軸２３０と垂直な切断線２Ｃ−２Ｃで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を、図２（Ｄ）は、回転軸２３０と垂直な切断線２Ｄ−２Ｄで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示している。図２（Ａ）、図２（Ｄ）には、コイルガイド２７０を記載している。ここで、切断線２Ｂ−２Ｂと、切断線２Ｃ−２Ｃは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのコイルエンド領域を切る切断線であり、切断線２Ｄ−２Ｄは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域を切る切断線である。コイルガイド２７０は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを配置する際に、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの位置決めを容易に行うために用いられる。
【００１９】
図２（Ｂ）示す断面では、電磁コイル１００Ａを形成する導線および電磁コイル１００Ｂを形成する導線いずれも、円筒面の円周に沿った方向となっている。また、この断面では、電磁コイル１００Ａが円筒面の外側方向に曲げられているので、電磁コイル１００Ａが外側の円周上にあり、電磁コイル１００Ｂが内側の円周上にある。電磁コイル１００Ａが円筒面の外側方向に曲げられているのは、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとがぶつかって設置できなくなるのを防止するためである。図２（Ｃ）示す断面では、電磁コイル１００Ａを形成する導線の配線方向が円筒面の円周に沿った方向となっているが、電磁コイル１００Ｂを形成する導線の配線方向は、図の表裏方向であり、回転軸２３０と平行な方向となっている。図２（Ｄ）に示す断面では、電磁コイル１００Ａを形成する導線及び電磁コイル１００Ｂを形成する導線の配線方向は、いずれも図の表裏方向であり、回転軸２３０と平行な方向となっている。
【００２０】
図３は、電磁コイル１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。電磁コイル１００Ａは、コイルバックヨーク１１５と重ならなくなったところＰ１から、外側に折れ曲がっている。この折れ曲がったところＰ１から、電磁コイル１００Ａの端Ｐ２までの長さは、（Ｌ１＋φ１）である。ここで。φ１は、電磁コイル１００Ａを形成する導体の集合の円筒面に沿った方向の太さである。また、電磁コイル１００Ｂについて、コイル１００Ａが折れ曲がったところＰ１から、電磁コイル１００Ｂの端Ｐ３までの長さは、（Ｌ１＋φ１）である。すなわち、折り曲げ前の電磁コイル１００Ａと１００Ｂとはローターの回転軸方向の長さが同じであり、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗は、同じ値である。
【００２１】
図４Ａは、平面上に電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを形成した状態を示す説明図である。図４Ａ（Ａ１）は電磁コイル１００Ａの平面図を示し、図４Ａ（Ｂ１）は電磁コイル１００Ｂの平面図を示している。電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂとは、同じ材質、同じ径の導体で形成されている。図４Ａ（Ａ２）は電磁コイル１００Ａの側面図を示し、図４Ａ（Ｂ１）は電磁コイル１００Ｂの側面図を示している。図４Ａ（Ａ１）と（Ｂ１）及び図４Ａ（Ａ２）と（Ｂ２）を比較すればわかるように、平面上に電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを形成した状態では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは同じ形状である。また、電磁コイル１００Ａの巻数と電磁コイル１００Ｂの巻数は同じ数である。したがって、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗は、同じ値である。また電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスは、同じ値である。また、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの導体の束の太さをφ１としたとき、有効コイル領域におけるコイル束の間隔をＬ２とすると、Ｌ２≒２×φ１の関係を有している。
【００２２】
図４Ｂは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを重ね合わせる前の状態を示す説明図である。図４Ｂ（Ａ１）は電磁コイル１００Ａを回転軸２３０の放射方向から見た図を示し、図４Ｂ（Ｂ１）は電磁コイル１００Ｂを回転軸２３０の放射方向から見た図を示している。図４Ｂ（Ａ２）は電磁コイル１００Ａを回転軸２３０と平行な方向から見た図を示し、図４Ｂ（Ｂ１）は電磁コイル１００Ｂを回転軸２３０と平行な方向から見た図を示している。図４（Ａ１）、（Ａ２）に示すように、電磁コイル１００Ａについては、全体が平面形状から円筒面に沿って曲げられているとともに、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は円筒面から外側方向に曲げられている。一方、図４（Ｂ１）、（Ｂ２）に示すように、電磁コイル１００Ｂについては、全体が平面形状から円筒面に沿って曲げられているが、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域は円筒面から外側方向に曲げられていない。なお、形状を変えても電気抵抗は変わらないので、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と電磁コイル１００Ｂの電気抵抗は同じ値である。一方、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂとは、有効コイル領域の形状は同じ形状であるが、コイルエンド領域の形状が異なる。すなわち、インダクタンスのうち、有効コイル領域に起因するインダクタンスは同じであるが、コイルエンド領域に起因するインダクタンスは、異なる。すなわち、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスとは、若干異なることになる。一般的には、コイルエンド領域を曲げると、電磁コイル１００Ａの磁束方向の面積ｓが小さくなるので、インダクタンスは小さくなる。たとえば、コイルのインダクタンスＬは、以下の式で示される。
【数１】
ここで、ｋは長岡係数であり、μは透磁率、ｎは電磁コイルの巻数、ｓは電磁コイルの断面積、ｌは電磁コイルの長さである。
【００２３】
図４Ｃは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを重ね合わせた状態を示す説明図である。なお、図４Ｃでは、コイルバックヨーク１１５を記載している。電磁コイル１００Ａの有効コイル領域の２つの導体の束の間に、２つの電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域の導体の束が収まっている。また、電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域の２つの導体の束の間に、２つの電磁コイル１００Ａの有効コイル領域の導体の束が収まっており、電磁コイル１００Ａと１００Ｂは重なっていない。また、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、円筒面から外側に曲げられており、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域と半径方向にずれている。このように、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を外側に曲げることにより、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとを同じ円筒面上にぶつからないように配置することができる。本実施例では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの導体の束の太さφ１と、有効コイル領域におけるコイル束の間隔をＬ２との間にはＬ２≒２×φ１の関係を有している。すなわち、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが配置される円筒面は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの導体の束によりほぼ占められているので、電磁コイルの占積率を向上させ、電動モーター１０（図１）の効率を向上させることができる。
【００２４】
次に、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの、電気抵抗とインダクタンスについて説明する。図４Ｂで示した電磁コイル１００Ａと１００Ｂの形状は、図４Ｃで示した電磁コイル１００Ａと１００Ｂの形状と同じである。したがって、図４Ｂで説明したように、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と電磁コイル１００Ｂの電気抵抗は、同じ値である。コイルバックヨーク１１５がないときのインダクタンスについては、図４Ｂで説明したように、有効コイル領域に起因するインダクタンスは同じであるが、コイルエンド領域に起因するインダクタンスは、異なっており、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスとは、若干異なっている。しかし、本実施例にように、コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ａとが重なった状態では、電磁コイル１００Ａのインダクタンスは、コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ａとが重なった部分、すなわち有効コイル領域のインダクタンスが支配的となる。電磁コイル１００Ｂについても同様である。ここで、電磁コイル１００Ａの有効コイル領域と、電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域は、同じ形状であるので、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスとは、ほぼ同じ値となる。したがって、電磁コイル１００Ａと永久磁石２００との間のローレンツ力と、電磁コイル１００Ｂと永久磁石２００との間のローレンツ力とは同じ大きさとなるので、両者のバランスが取れる結果、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００２５】
以上、本実施例の電動モーター１０は、永久磁石２００と、２相のコアレス（空芯）の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、コイルバックヨーク１１５とを備えている。各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂはそれぞれ、有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有している。そして、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域は、同じ形状を有している。各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の円筒面に配置されている。電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、円筒面の外側方向に曲げられている。さらに、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは同じ電気抵抗値を有している。また、コイルバックヨーク１１５は、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域を覆い、コイルエンド領域を覆っていないことから、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのインダクタンスは実質的に同じ値である。したがって、電磁コイル１００Ａと永久磁石２００との間のローレンツ力と、電磁コイル１００Ｂと永久磁石２００との間のローレンツ力とは同じ大きさとなるので、両者のバランスが取れる結果、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００２６】
さらに、図４Ａ〜図４Ｃで説明したように、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、平面上で同一形状である電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを円筒面に沿って曲げ、Ａ相の電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を、円筒面の外側方向に曲げることにより形成されているので、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは同じ電気抵抗値にすることが容易である。
【００２７】
また、各相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが有する２つの有効コイル領域のコイルを形成する導体の束の間の間隔Ｌ２は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域における導体のコイルの束の太さφ１の２倍の大きさであるので、二相コイルを互いの間に効率よく配置することで電磁コイルの占積率を大きくでき、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００２８】
［第２の実施例］
図５は、第２の実施例を示す説明図である。図５（Ａ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と平行な面で切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示し、図５（Ｂ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と垂直な切断線５Ｂ−５Ｂで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示している。第１の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域が、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域が配置される円筒面の外側方向に曲げられているが、第２の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域が、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域が配置される円筒面の内側方向に曲げられている点が異なる。また、第２の実施例では、磁気センサー３００を備えていない代わりに、エンコーダー３２０を備えている。磁気センサー３００を備えないのは、以下の理由による。すなわち、第２の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域が円筒面の内側方向に曲げられているので、第１の実施例と同様に磁気センサー３００を配置すると、磁気センサー３００と、永久磁石２００との間に電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域が位置することになる。すなわち、磁気センサー３００と電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域とが、接近することになる。その結果、電磁コイル１００Ａに流れる電流により生じる磁束により、磁気センサー３００が受ける磁束密度が影響を受ける恐れがある。なお、本実施例では、磁気センサー３００を備えていない代わりに、永久磁石２００の機械角を検知するためのエンコーダー３２０を備えている。
【００２９】
図６は、第２の実施例の電磁コイル１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。電磁コイル１００Ａは、点Ｐ４から円筒面の内側方向に曲げられて、点Ｐ５まで伸びている。電磁コイル１００Ｂは、点Ｐ４で曲げられずに、円筒面にそって点Ｐ６まで伸びている。電磁コイル１００Ａにおける点Ｐ４から点Ｐ５までの長さＬ３と、電磁コイル１００Ｂにおける点Ｐ４から点Ｐ６までの長さＬ３は同じ長さである。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの点Ｐ４より、点Ｐ５及び点Ｐ６までの形状は、それぞれ同形である。したがって、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの電気抵抗の値は同じである。また、点Ｐ４は、コイルバックヨーク１１５と重なっていない。すなわち、電磁コイル１００Ａの曲げられていない部分は、有効コイル領域であり、電磁コイル１００Ａの有効コイル領域と電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域は、同形である。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域は、コイルバックヨーク１１５と重なっており、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスは、いずれも有効コイル領域におけるインダクタンスが支配的となるため、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのインダクタンスは実質的に同じ値である。
【００３０】
したがって、第２の実施例においても、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗の値を同じ値とし、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと、電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値を実質的に同じ値にすることができる。その結果、電磁コイル１００Ａと永久磁石２００との間のローレンツ力と、電磁コイル１００Ｂと永久磁石２００との間のローレンツ力とを同じ大きさとすることができるので、両者のバランスが取れる結果、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００３１】
[第３の実施例]
図７は、第３の実施例を示す説明図である。図７（Ａ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と平行な面で切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示し、図７（Ｂ）は、電動モーター１０を回転軸２３０と垂直な切断線７Ｂ−７Ｂで切ったときの断面を断面と垂直な方向から見たときの図を模式的に示している。第１、第２の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を円筒面の外側方向または内側方向に曲げ、電磁コイル１００Ｂについては、コイルエンド領域を円筒面の外側方向または内側方向に曲げていない。これに対し、第３の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を円筒面の外側方向に曲げ、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域を円筒面の内側方向に曲げている点が異なる。
【００３２】
図８は、第３の実施例の１００Ａと１００Ｂのコイル形状の相違を拡大して示す説明図である。電磁コイル１００Ａは、点Ｐ７から円筒面の外側方向に曲げられて、点Ｐ８まで伸びている。電磁コイル１００Ｂは、点Ｐ７から円筒面の内側方向に曲げられて、点Ｐ９まで伸びている。電磁コイル１００Ａにおける点Ｐ７から点Ｐ８までの長さＬ４と、電磁コイル１００Ｂにおける点Ｐ７から点Ｐ９までに長さＬ４は同じ長さである。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの点Ｐ７より図面左方向は、同形である。したがって、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの電気抵抗の値は同じである。
【００３３】
電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの厚さをＬ５とすると、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、外側方向にＬ５／２曲げられており、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域は、内側方向にＬ５／２曲げられている。なお、第１の実施例では、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域は、外側方向にＬ５曲げられることになる。すなわち、第３の実施例における電磁コイル１００Ａの変形量は、第１の実施例における電磁コイル１００Ａの変形量の半分である。したがって、第３の実施例の電磁コイル１００Ａのインダクタンスの値は、第１の実施例の電磁コイル１００Ａのインダクタンスの値よりも、円筒形に変形させた図４Ｂに示すような電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値に近い。また、電磁コイル１００Ｂについても、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域が、内側方向にＬ５／２曲げられているので、第３の実施例の電磁コイル１００Ａのインダクタンスの値は、円筒形に変形させた図４Ｂに示すような電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値よりも、第１の実施例の電磁コイル１００Ａのインダクタンスの値に近づいている。したがって、第１の実施例に比べて、第３の実施例の方が、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値の差が小さい。
【００３４】
したがって、第３の実施例においても、電磁コイル１００Ａの電気抵抗と、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗の値を同じ値とし、電磁コイル１００Ａのインダクタンスと電磁コイル１００Ｂのインダクタンスの値を実質的に同じ値にすることができる。その結果、電磁コイル１００Ａと永久磁石２００との間のローレンツ力と、電磁コイル１００Ｂと永久磁石２００との間のローレンツ力とを同じ大きさとすることができるので、両者のバランスが取れる結果、電動モーター１０の効率を向上させることができる。
【００３５】
なお、第３の実施例では、磁気センサー３００を備える構成であるが、電磁コイル１００Ａが円筒面の内側方向に曲げられているため、第２の実施例と同様に、磁気センサー３００を備えずに、エンコーダー３２０を備える構成であってもよい。
【００３６】
図９は、本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車３３００は、前輪にモーター３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モーター３３１０は、充電池３３３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモーター３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、モーターの駆動と回生とを制御する回路である。このモーター３３１０としては、上述した各種の電動モーター１０を利用することが可能である。
【００３７】
図１０は、本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モーター３４３０とを有している。このモーター３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモーター３４３０としては、上述した各種の電動モーター１０を利用することが可能である。
【００３８】
図１１は、本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、電動モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。この電動モーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、電動モーター３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。この電動モーター３５１０としては、上述した各種の電動モーター１０を利用することができる。
【００３９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４０】
１Ｂ−１Ｂ…切断線
２Ｂ−２Ｂ…切断線
２Ｃ−２Ｃ…切断線
２Ｄ−２Ｄ…切断線
１０…電動モーター
１５…ステーター
２０…ローター
１００、１００Ａ、１００Ｂ…電磁コイル
１１０…ケーシング
１１５…コイルバックヨーク
１３０…樹脂
２００…永久磁石
２３０…回転軸
２４０…軸受け
２６０…波バネ座金
２７０…コイルガイド
３００…磁気センサー
３１０…回路基板
３２０…エンコーダー
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第２のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３５００…鉄道車両
３５１０…電動モーター
３５２０…車輪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に移動可能な円筒形状の第１と第２の部材を有するコアレス電気機械装置であって、
前記第１の部材に配置された永久磁石と、
前記第２の部材に配置された２相の空芯の電磁コイルと、
前記第２の部材に配置されたコイルバックヨークと、
を備え、
前記電磁コイルは、前記第１の部材を前記第２の部材に対して相対的に移動させる力を生じさせる有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有しており、
前記２相の電磁コイルの前記有効コイル領域は、同じ形状を有しており、前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間の円筒領域に配置されており、
前記２相の電磁コイルのうちの第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域は、前記円筒面の内側方向または外側方向に曲げられており、
前記２相の電磁コイルは同じ電気抵抗値を有しており、
前記コイルバックヨークは、前記有効コイル領域の外周領域を覆い、前記コイルエンド領域の外周領域を覆っていない、コアレス電気機械装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコアレス電気機械装置において、
前記第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域が曲げられる前の形状と、前記２相の電磁コイル形状と、は同一形状を有し、前記第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域を、前記円筒面の内側方向または外側方向に曲げることにより形成されている、コアレス電気機械装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のコアレス電気機械装置において、
前記２相の電磁コイルのうちの第２の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域は、前記第１の相の前記コイルエンド領域が曲げられた方向と反対方向に曲げられている、コアレス電気機械装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置において、
前記有効コイル領域を形成する前記２相の電磁コイルの間隔は、前記電磁コイルの前記有効コイル領域における前記電磁コイルの太さの２倍の大きさである、コアレス電気機械装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置を備える移動体。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置を備えるロボット。
【請求項１】
相対的に移動可能な円筒形状の第１と第２の部材を有するコアレス電気機械装置であって、
前記第１の部材に配置された永久磁石と、
前記第２の部材に配置された２相の空芯の電磁コイルと、
前記第２の部材に配置されたコイルバックヨークと、
を備え、
前記電磁コイルは、前記第１の部材を前記第２の部材に対して相対的に移動させる力を生じさせる有効コイル領域と、コイルエンド領域とを有しており、
前記２相の電磁コイルの前記有効コイル領域は、同じ形状を有しており、前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間の円筒領域に配置されており、
前記２相の電磁コイルのうちの第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域は、前記円筒面の内側方向または外側方向に曲げられており、
前記２相の電磁コイルは同じ電気抵抗値を有しており、
前記コイルバックヨークは、前記有効コイル領域の外周領域を覆い、前記コイルエンド領域の外周領域を覆っていない、コアレス電気機械装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコアレス電気機械装置において、
前記第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域が曲げられる前の形状と、前記２相の電磁コイル形状と、は同一形状を有し、前記第１の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域を、前記円筒面の内側方向または外側方向に曲げることにより形成されている、コアレス電気機械装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のコアレス電気機械装置において、
前記２相の電磁コイルのうちの第２の相の電磁コイルの前記コイルエンド領域は、前記第１の相の前記コイルエンド領域が曲げられた方向と反対方向に曲げられている、コアレス電気機械装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置において、
前記有効コイル領域を形成する前記２相の電磁コイルの間隔は、前記電磁コイルの前記有効コイル領域における前記電磁コイルの太さの２倍の大きさである、コアレス電気機械装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置を備える移動体。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置を備えるロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２４４６４３（Ｐ２０１２−２４４６４３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０８９５８（Ｐ２０１１−１０８９５８）
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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