電気機械装置、ロボット及び移動体
【課題】渦電流損失を抑制して、電気機械装置の効率を向上させる。
【解決手段】電気機械装置１０であって、中心軸２３０と、中心軸２３０の外周に沿った第１の円筒面上に配置された永久磁石２００と、永久磁石２００の中心軸方向両端部に配置された第１、第２の磁石サイドヨーク２１５、２１６と、を有するローター２０と、永久磁石２００の外周に沿った第２の円筒面上に配置された電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、第１の磁石サイドヨーク２１５を挟んで永久磁石２００とは反対側に配置された磁気センサー３００と、を有するステーター１５と、を備え、第１、第２の磁石サイドヨーク２１５、２１６は、磁気センサー３００が配置されない側の第２の磁石サイドヨーク２１６の永久磁石２００と反対側の表面の磁束密度が、第１の磁石サイドヨーク２１５の永久磁石２００と反対側の表面の磁束密度よりも小さくなるように構成されている。
【解決手段】電気機械装置１０であって、中心軸２３０と、中心軸２３０の外周に沿った第１の円筒面上に配置された永久磁石２００と、永久磁石２００の中心軸方向両端部に配置された第１、第２の磁石サイドヨーク２１５、２１６と、を有するローター２０と、永久磁石２００の外周に沿った第２の円筒面上に配置された電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、第１の磁石サイドヨーク２１５を挟んで永久磁石２００とは反対側に配置された磁気センサー３００と、を有するステーター１５と、を備え、第１、第２の磁石サイドヨーク２１５、２１６は、磁気センサー３００が配置されない側の第２の磁石サイドヨーク２１６の永久磁石２００と反対側の表面の磁束密度が、第１の磁石サイドヨーク２１５の永久磁石２００と反対側の表面の磁束密度よりも小さくなるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械装置、ロボット及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
モーターのローター磁石の開放磁路側に磁性体を配置することにより、ローター磁石から漏れる磁束を磁性体に引き付け、ローター磁石の近傍に配置されている他の固定部材内に入り込む磁束を減少させて、他の固定部材での渦電流の発生を減少させる技術が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５９４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、モーター制御において、ローター磁石の位相を検知するための磁気センサーをローター磁石の近傍に配置し、磁気センサーの出力を用いてモーターの動作を制御する場合がある。かかる場合、磁性体から漏れる磁束を過度に減少させてしまうと、ローター磁石の位相を検知することが出来ず、モーターの制御ができなくなってしまう。従来の技術では、渦電流の発生と磁気センサーによる磁束の検知の両方を考慮した磁性体の構成については十分に検討されていなかった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、渦電流損失を抑制して、電気機械装置の効率を向上させ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］
電気機械装置であって、中心軸と、前記中心軸の外周に沿った第１の円筒面上に配置された永久磁石と、前記永久磁石の中心軸方向両端部に配置された第１、第２の磁石サイドヨークと、を有するローターと、前記永久磁石の外周に沿った第２の円筒面上に配置された電磁コイルと、前記第１の磁石サイドヨークを挟んで前記永久磁石とは反対側に配置された磁気センサーと、を有するステーターと、を備え、前記第１、第２の磁石サイドヨークは、前記磁気センサーが配置されない側の前記第２の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度が、前記第１の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度よりも小さくなるように構成されている、電気機械装置。
この適用例によれば、磁気センサーが配置されない側の第２の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度は、磁気センサーが配置される側の第１の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度よりも小さいので、磁気センサーにおける磁束密度をその検出に十分なレベルに維持しつつ、磁気センサーが配置されない側における渦電流損失を抑制して、電気機械装置の効率を向上させることができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置において、前記第１、第２の磁石サイドヨークは、前記第２の磁石サイドヨークの前記中心軸に沿った方向の厚さが、前記第１の磁石サイドヨークの前記中心軸に沿った方向の厚さよりも厚くなるように構成されている、電気機械装置。
この適用例によれば、第２の磁石サイドヨークの中心軸に沿った方向の厚さは、第１の磁石サイドヨークの中心軸に沿った方向の厚さよりも厚くなるように構成されているので、磁気センサーが配置されない側の第２の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度を、第１の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度よりも小さくできる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または２に記載の電気機械装置において、前記第２の磁石サイドヨークは、前記第１の磁石サイドヨークよりも、比透磁率の大きな材料で形成されている、電気機械装置。
この適用例によれば、第２の磁石サイドヨークは、第１の磁石サイドヨークよりも、比透磁率の大きな材料で形成されているので、磁気センサーが配置されない側の第２の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度を、第１の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度よりも小さくできる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一項に記載の電気機械装置において、前記第１の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度は１００ミリテスラ以上３００ミリテスラ以下であり、前記第２の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度は２０ミリテスラ未満である、電気機械装置。
この適用例によれば、磁気センサーによる磁束密度の検出精度を十分に高度に維持すると共に、第２の磁石サイドヨーク側において、渦電流損失を抑制して、電気機械装置の効率を向上させることができる。
【００１１】
［適用例５］
適用例１〜４のいずれか一項に記載の電気機械装置を備えるロボット。
【００１２】
［適用例６］
適用例１〜４のいずれか一項に記載の電気機械装置を備える移動体。
【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電気機械装置のほか、それを用いたロボット、移動体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】コアレスモーターの構成を示す説明図である。
【図２】コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ａ、１００Ｂとを円筒面に沿って展開しコイルバックヨーク１１５側から見たときの状態を示す説明図である。
【図３】磁気センサー側の磁石サイドヨーク２１５近傍を拡大して示す説明図である。
【図４】磁気センサー３００の出力信号の例を示す説明図である。
【図５】磁気センサー側と反対側の磁石サイドヨーク２１６近傍を拡大して示す説明図である。
【図６Ａ】鉄損失の測定方法の一例を示す説明図である。
【図６Ｂ】磁石サイドヨーク２１６の厚さと被測定モーターの鉄損失の関係を示す説明図である。
【図７】磁石サイドヨーク厚さと磁石サイドヨーク表面の磁束密度の関係を示す説明図である。
【図８】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９】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１０】本発明の変形例によるモーターを利用した双腕７軸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】
図１は、コアレスモーターの構成を示す説明図である。図１（Ａ）は、コアレスモーター１０を中心軸２３０に平行な面（図１（Ｂ）の１Ａ−１Ａ切断面）で切ったときの断面を模式的に示し、図１（Ｂ）は、コアレスモーターを中心軸２３０に垂直な面（図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ切断面）で切った断面を模式的に示している。
【００１６】
コアレスモーター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インナーローター型モーターである。ステーター１５は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、ケーシング１１０と、コイルバックヨーク１１５と、磁気センサー３００とを備えている。ローター２０は、中心軸２３０と、永久磁石２００と、磁石サイドヨーク２１５、２１６と、磁石バックヨーク２３６と、軸受け２４０と、波バネ座金２６０と、を備えている。
【００１７】
ローター２０は、中心に中心軸２３０を有しており、中心軸２３０の外周には、磁石バックヨーク２３６が配置されている。磁石バックヨーク２３６の外周には、６つの永久磁石２００が配置されている。６個の永久磁石２００は、中心軸２３０の中心から外部に向かう方向（放射方向）に磁化された永久磁石２００と、外部から中心軸２３０の中心に向かう方向（中心方向）に磁化された永久磁石２００とを含んでおり、磁化方向が中心方向である永久磁石２００と、磁化方向が放射方向である永久磁石２００は、円周方向に沿って交互に配置されている。図１（Ｂ）の永久磁石２００に付した「Ｎ」、「Ｓ」の符号は、永久磁石２００の外周側の磁極の極性を示している。
【００１８】
永久磁石２００の中心軸２３０に沿った方向の端部には、磁石サイドヨーク２１５、２１６が設けられている。磁石サイドヨーク２１５、２１６は、軟磁性体材料で形成された円盤状の部材である。磁石サイドヨーク２１５の外側には、磁気センサー３００がステーター１５上に設けられている。磁気センサー３００が配置される側の磁石サイドヨーク２１５を「第１の磁石サイドヨーク２１５」とも呼び、磁気センサー３００が配置される側と反対側の磁石サイドヨーク２１６を「第２の磁石サイドヨーク２１６」とも呼ぶ。磁石サイドヨーク２１５の中心軸２３０に沿った方向の厚さは、磁石サイドヨーク２１６の中心軸２３０に沿った方向の厚さよりも薄い。磁束は、空気中よりも軟磁性体材料の中を通りやすいので、永久磁石２００からでた磁束のうち、中心軸２３０方向に漏れ出た磁束は、磁石サイドヨーク２１５、２１６を通りやすい。
【００１９】
中心軸２３０は、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、貫通孔２３９を有している。中心軸２３０は、ケーシング１１０の軸受け２４０で支持されてケーシング１１０に取り付けられている。また、本実施例では、ケーシング１１０の内側に、波バネ座金２６０が設けられており、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は省略可能である。
【００２０】
ケーシング１１０は、筐体である。ケーシング１１０は、中心軸２３０方向の中央の円筒形部分１１０ａと、両端の板状部分１１０ｂとを備える。円筒形部分１１０ａは、アルミニウムなどの熱伝導性の良い材料で形成されている。板状部分１１０ｂは略正方形形状を有しており、４つの角に、コアレスモーター１０を他の装置に固定するためのネジ穴１１０ｃを有している。ケーシング１１０の円筒形部分１１０ａの内周側には、コイルバックヨーク１１５が設けられている。コイルバックヨーク１１５の中心軸２３０方向の長さは、永久磁石２００の中心軸２３０方向の長さとほぼ同じである。中央の円筒形部分１１０ａがアルミニウムなどの熱伝導性の良い材料で形成されているのは、コイルバックヨーク１１５に生じた熱を外部に容易に放出するためである。なお、コイルバックヨーク１１５に生じる熱の原因としては、ローター２０の永久磁石２００の回転にともなって生じる渦電流による損失（以下「渦電流損失」と呼ぶ。）があげられる。中心軸２３０からコイルバックヨーク１１５に向かって放射方向に放射線を引いたとき、放射線は、永久磁石２００をちょうど貫く。すなわち、中心軸２３０から見ると、コイルバックヨーク１１５と永久磁石２００は、重なって見える。
【００２１】
コイルバックヨーク１１５の内周側には、コイルバックヨーク１１５の内周に沿って、二相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが配列されている。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを区別しない場合、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを合わせて「電磁コイル１００」とも呼ぶ。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ている。ここで有効コイル領域とは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに電流が流れたときに、ローター２０に対して回転方向のローレンツ力を与える領域であり、コイルエンド領域は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに電流が流れたときに、ローター２０に対して回転方向と異なる方向（主として回転方向に直行する方向）のローレンツ力を与える領域である。ただし、コイルエンド領域は、有効コイル領域を挟んで２つあり、それぞれのコイルエンド領域に生じるローレンツ力は、大きさが同じで、向きが反対であるので、互いに打ち消し合う。有効コイル領域においては、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを構成する導体配線は、中心軸２３０とほぼ平行な方向であり、コイルエンド領域では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを構成する導体配線は、ローター２０の回転方向と平行である。また、中心軸２３０からコイルバックヨーク１１５に向かって放射方向に放射線を引いたとき、放射線は、有効コイル領域を貫くが、コイルエンド領域は貫かない。すなわち、中心軸２３０から見ると、有効コイル領域は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５の両方と重なって見えるが、コイルエンド領域は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５のいずれとも重なって見えない。
【００２２】
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、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの各相に１つずつ配置されている。磁気センサー３００は、上述したように、磁石サイドヨーク２１５側に配置されており、磁石サイドヨーク２１６側には配置されていない。なお、図１（Ａ）では、一方の相の磁気センサー３００のみを表示している。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。ここで、磁気センサー３００は、コイルエンド領域から、中心軸２３０に垂線を降ろしたときの垂線上に配置されていてもよい。一般に、磁気センサー３００は、磁束密度の方向の感度特性に異方性を有している。コイルエンド領域から中心軸２３０に垂線を降ろしたときの垂線上の位置に磁気センサー３００が配置されていると、電磁コイル１００から放射される磁束の強さが電磁コイル１００に流れる電流の増減により変化しても、磁気センサー３００の出力信号は、磁気センサー３００の感度の異方性により、電流の増減による磁束の変化の影響を受けにくい。
【００２３】
図２は、コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ａ、１００Ｂとを円筒面に沿って展開し、コイルバックヨーク１１５側から見たときの状態を示す説明図である。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、それぞれ、角丸長方形形状に巻かれている。同相の電磁コイル同士、例えば電磁コイル１００Ａと１００Ａ、あるいは電磁コイル１００Ｂと１００Ｂは重なっていないが、異相の電磁コイル同士、例えば電磁コイル１００Ａと１００Ｂは一部重なっている。また、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。同様に、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いる。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（図２の手前方向）に曲げられており（図１（Ａ）参照）、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域と重ならない。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配置しつつ、互いに干渉し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、コアレスモーター１０（図１）の効率を向上させることができる。なお、図２では、図示の便宜上、隣り合う電磁コイル同士の間に隙間が描かれているが、Ｌ２≒２×φ１の関係にあれば、この隙間は、ほぼゼロとなる。
【００２４】
図３は、磁気センサー側の磁石サイドヨーク２１５近傍を拡大して示す説明図である。図４は、磁気センサー３００の出力信号の例を示す説明図である。本実施例では、磁石サイドヨーク２１５、２１６を構成する材料として、ＪＦＥスチール株式会社のＪＮＥＸコアの０．１ｍｍ厚の珪素鋼板材を用いている。ＪＮＥＸコアは、鋼板材の全域に６．５％の珪素（Ｓｉ）を含有している。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、磁石サイドヨーク２１５として用いる珪素鋼板の枚数が異なっている。例えば、図３（Ａ）に示す例は、珪素鋼板材の枚数が１枚であり、図３（Ｂ）に示す例は２枚であり、図３（Ｃ）に示す例は３枚である。なお、図４に示されるセンサー出力Ｑ（Ａ）〜Ｑ（Ｃ）は、それぞれ、図３（Ａ）〜（Ｃ）に対応している。上述したように、磁石サイドヨーク２１５は、永久磁石２００から中心軸２３０に沿った方向に漏れた磁束を減少させるが、ある程度の磁束は磁石サイドヨーク２１５から漏れる。ここで、磁気センサー３００は、永久磁石２００から見て、磁石サイドヨーク２１５のさらに中心軸２３０に沿った方向に離れた位置に配置されている。すなわち、磁気センサー３００は、磁石サイドヨーク２１５から漏れた磁束の密度を検出する。図４のセンサー出力Ｑ（Ａ）からＱ（Ｂ）、Ｑ（Ｃ）の順に示すように、磁石サイドヨーク２１５を形成する珪素鋼板材の枚数が増えると、磁気センサー３００の出力信号の波形は、だんだんとピーク高さが小さくなっている。すなわち、磁石サイドヨーク２１５を形成する珪素鋼板材の枚数が多いと（磁石サイドヨーク２１５の厚さが厚いと）、永久磁石２００の磁束について、磁石サイドヨーク２１５から漏れる磁束が少なくなる。その結果、磁気センサー３００が検知する磁束密度が小さくなり、出力信号の大きさが小さくなる。なお、出力信号の大きさが小さくなりすぎると、出力信号を用いてコアレスモーター１０を制御することが困難になるので、磁石サイドヨーク２１５の厚さを、磁気センサー３００が一定以上の出力信号を出力できる程度の厚さ以下に設定することが好ましい。一方、磁石サイドヨーク２１５の厚さを薄くすると、磁気センサー３００の出力信号の大きさは大きくなる、ここで、磁石サイドヨーク２１５の厚さをさらに薄く（例えば、０．０５ｍｍの珪素鋼板材１枚で形成する）すると、磁気センサー３００の出力信号の波形は飽和する。したがって、磁石サイドヨーク２１５の厚さを、磁気センサー３００の出力信号の波形が飽和しない程度の厚さ以上に設定することが好ましい。
【００２５】
なお、磁石サイドヨーク２１５から漏れた磁束は、磁気センサー３００を貫くだけでなく、軸受け２４０やケーシング１１０にも到達する。そして、軸受け２４０やケーシング１１０において渦電流損失を生じさせる。したがって、磁気センサー３００として出来る限り高感度タイプを選択し、磁石サイドヨーク２１５の厚さを厚くして、軸受け２４０やケーシング１１０に到達する磁束を少なくすることが好ましい。なお、磁石サイドヨーク２１５を構成する個々の珪素鋼板（磁性体板）の両面に絶縁膜を設けるように構成してもよい。こうすれば、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂで発生した磁束に起因する、磁石サイドヨーク２１５における渦電流損失をさらに軽減することができる。ただし、絶縁膜を設けなくても良い。
【００２６】
図５は、磁気センサー側と反対側の磁石サイドヨーク２１６近傍を拡大して示す説明図である。図５（Ａ）〜（Ｃ）は、磁石サイドヨーク２１６として用いる珪素鋼板の枚数が異なっている。例えば、図５（Ａ）に示す例は、珪素鋼板材の枚数が２枚（合計厚さ０．２ｍｍ）であり、図５（Ｂ）に示す例は４枚（合計厚さ０．４ｍｍ）であり、図５（Ｃ）に示す例は６枚（合計厚さ０．６ｍｍ）である。図３の説明で説明したように、磁石サイドヨーク２１６を形成する珪素鋼板材の枚数が多いと（磁石サイドヨーク２１６の厚さが厚いと）、永久磁石２００の磁束について、磁石サイドヨーク２１６から漏れる磁束が少なくなる。磁石サイドヨーク２１６から漏れた磁束は、軸受け２４０やケーシング１１０に到達し、軸受け２４０やケーシング１１０において生じる渦電流損失の原因となる。渦電流損失は、ヒステリシス損と合わせて鉄損失の主な要素である。本実施例では、磁石サイドヨーク２１６側には、磁気センサー３００が設けられていないので、磁石サイドヨーク２１６から漏れる磁束は、少なければ少ないほどよく、磁石サイドヨーク２１６は厚いほど好ましい。
【００２７】
図６Ａは、鉄損失の測定方法の一例を示す説明図である。ステップ１では、まず、標準モーター１０１０の損失特性を測定する。標準モーター１０１０の中心軸１２３０に、被測定モーター１０を接続するためのカップリング１５００を取り付ける。この状態で、あらかじめ定められた回転数Ｎで標準モーター１０１０を回転させて、標準モーター１０１０に加える電圧Ｅ１と電流Ｉ１を測定する。このときの回転状態は、いわゆる無負荷回転状態である。このときの標準モーター１０１０の第１の総損失Ｐ１ａｌｌは、Ｅ１×Ｉ１となる。また、第１の総損失Ｐ１ａｌｌは、機械損失Ｐ１ｍと銅損失Ｐ１ｃｕと鉄損失Ｐ１ｆｅの和である。ここで、標準モーター１０１０の電磁コイルの電気抵抗をＲ１とすると、銅損失Ｐ１ｃｕは、Ｉ１2×Ｒ１で表される。
【００２８】
ステップ２では、標準モーター１０１０に被測定モーター１０のローター１５のみを接続し、ステップ１と同一の回転数Ｎで標準モーター１０１０を回転させて、標準モーター１０１０に加える電圧Ｅ２と電流Ｉ２を測定する。このときの第２の総損失Ｐ２ａｌｌはＥ２×Ｉ２となる。なお、この第２の総損失Ｐ２ａｌｌは、第１の総損失Ｐ１ａｌｌに被測定モーター１０の機械損失Ｐ２ｍが加わったものである。すなわち、２の総損失Ｐ２ａｌｌと第１の総損失Ｐ１ａｌｌの差分（Ｐ２ａｌｌ−Ｐ１ａｌｌ）が、被測定モーター１０の機械損失Ｐ２ｍとなる。
【００２９】
ステップ３では、被測定モーター１０のみをステップ１，２と同じ回転数Ｎで回転させて、被測定モーター１０に加える電圧Ｅ３と電流Ｉ３を測定する。このときの被測定モーター１０の総損失Ｐ３ａｌｌは、Ｅ３×Ｉ３となる。また、総損失Ｐ３ａｌｌは、機械損失Ｐ３ｍと銅損失Ｐ３ｃｕと鉄損失Ｐ３ｆｅの和である。ここで、機械損失Ｐ３ｍは、ステップ２で測定した、機械損失Ｐ２ｍと同じ値である。また、銅損失Ｐ３ｃｕは、被測定モーター１０の電磁コイルの電気抵抗をＲ２とすると、Ｉ３2×Ｒ２で示すことが出来る。したがって、被測定モーターの鉄損失は、（Ｅ３×Ｉ３−Ｐ３ｍ−Ｉ３2×Ｒ２）で算出することができる。
【００３０】
図６Ｂは、磁石サイドヨーク２１６の厚さと被測定モーターの鉄損失の関係を示す説明図である。この鉄損失は、被測定モーター１０内のローター２０にある永久磁石２００の回転数（電気角ω）により、磁束は軸受け２４０とケーシング１１０間に渦電流損失として生じる。図６Ｂでは、磁石サイドヨーク２１６を形成する珪素鋼板の枚数を変えることにより磁石サイドヨーク２１６の厚さを、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍにしたものについて、鉄損失特性を示している。ここで１枚の珪素鋼板の厚みは０．１ｍｍである。グラフから明らかなように、珪素鋼板材の枚数を増やすと、被測定モーターの鉄損失が少なくなっている。そして、珪素鋼板材の枚数を２枚から４枚に増やしたときの鉄損失の減少量よりも、珪素鋼板材の枚数を６枚から８枚に増やしたときの鉄損失の減少量の方が大きくなっている。ただし、珪素鋼板材の枚数を８枚から１０枚に増やしても、鉄損失は大きく減少していない。この理由として、以下の理由が考えられる。鉄損失は、渦電流損失とヒステリシス損失とを含んでいる。鉄損失のうち、渦電流損失については、磁石サイドヨーク２１６の厚さを厚くすることにより、減らすことが可能であるが、ヒステリシス損失については、磁石サイドヨーク２１６の厚さを厚くしても減らすことが難しく、このヒステリシス損失が残っていると考えられる。以上の結果から、磁石サイドヨーク２１６の厚さを１ｍｍ程度にすることにより、鉄損失のうち、渦電流損失については、十分に少なくすることができる。
【００３１】
図７は、磁石サイドヨーク厚さと磁石サイドヨーク表面の磁束密度の関係を示す説明図である。ここで「磁石サイドヨーク表面の磁束密度」とは、磁石サイドヨークの永久磁石とは反対側の表面の磁束密度を意味する。磁石サイドヨーク表面の磁束密度を、０．０２テスラ（２０ミリテスラ）以下とすれば、軸受け２４０やケーシング１１０に到達する磁束を少なくし、軸受け２４０やケーシング１１０における渦電流損失の発生を抑制し、鉄損失を少なくすることが出来る。磁石サイドヨーク表面の磁束密度が０．０２テスラのときの磁石サイドヨーク２１６の厚さは、１．２ｍｍである。図６における磁石サイドヨーク２１６の厚さと、渦電流損失の傾向から、磁石サイドヨーク２１６の厚さは、１．２ｍｍであれば、渦電流損失は、ほとんど発生しないと考えられる。したがって、磁気センサーが設けられていない側の磁石サイドヨーク２１６の表面の磁束密度を０．０２テスラ（２０ミリテスラ）未満とすることにより、軸受け２４０やケーシング１１０に到達する磁束を少なくし、軸受け２４０やケーシング１１０における渦電流損失の発生を抑制し、鉄損失を少なくすることが出来る。
【００３２】
また、磁気センサー３００が設けられた側の磁石サイドヨーク２１５については、図３、４に示す結果において、珪素鋼板材の枚数が１枚（０．１ｍｍ）のとき磁気センサーの出力波形がほぼ飽和していることから、磁石サイドヨーク２１５の厚さは、０．１ｍｍよりも厚い値であることが好ましい。このときの磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度は、０．３テスラ（３００ミリテスラ）以上である。また、磁石サイドヨーク２１５を増大させて、軸受け２４０やケーシング１１０における渦電流損失の発生を低減しようとすると、磁気センサー３００における磁束密度が過度に低下してしまい、磁気センサー３００の検出精度が悪化する。磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度が０．１テスラ（１００ミリテスラ）より小さくなると、磁気センサー３００の検出精度が悪化する。したがって、磁石サイドヨーク２１５の厚さは０．８ｍｍ以下であることが好ましい。なお、磁気センサー３００には、ホール素子からの信号の増幅回路と温度補償回路を備えたホールＩＣを用いることが好ましい。この増幅回路で増幅ゲインの高い高感度品を用いることで、磁石サイドヨーク２１５から受ける渦電流損失を最小として成るようにすること好ましい。
【００３３】
一般に、モーターでは、様々な強度に磁化された永久磁石を用いるので、磁石サイドヨークの好ましい厚みは、永久磁石の強度に応じて変化する。このような場合にも、第１の磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度を２０ミリテスラ未満とすることが好ましく、第２の磁石サイドヨーク２１６の表面の磁束密度を１００ミリテスラ以上３００ミリテスラ以下とすることが好ましい。
【００３４】
以上、本実施例によれば、磁気センサー３００が配置されない側の第２の磁石サイドヨーク２１６の表面の磁束密度を、磁気センサー３００が配置される側の第１の磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度よりも小さく設定しているので、第２の磁石サイドヨーク２１６からの磁束の漏れを少なくすることができる。その結果、磁気センサー３００が配置されない側のケーシング１１０や軸受け２４０における渦電流損失に起因する鉄損失を少なくし、コアレスモーター１０の効率を向上させることが出来る。
【００３５】
上記構成の実現のため、第２の磁石サイドヨーク２１６の中心軸２３０に沿った方向の厚さを、第１の磁石サイドヨーク２１５の中心軸２３０に沿った方向の厚さよりも厚くすることが好ましい。この代わりに、第２の磁石サイドヨーク２１６を、第１の磁石サイドヨーク２１５よりも、比透磁率の大きな材料で形成してもよい。比透磁率の大きな材料は磁束を外部に漏らしにくい。したがって、磁石サイドヨーク２１６に比透磁率の大きな材料を用いることは、磁石サイドヨーク２１６の厚さを厚くすることと同様の効果がある。
【００３６】
また、第１の磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度を１００ミリテスラ以上３００ミリテスラ以下とし、第２の磁石サイドヨーク２１６の表面の磁束密度は２０ミリテスラ未満とすることにより、第２の磁石サイドヨーク２１６側のケーシング１１０や軸受け２４０における渦電流損失、鉄損失を大きく減少することができる。また、第１の磁石サイドヨーク２１５を過度の厚くしていないため、第１のサイドヨークを通過した磁束を磁気センサー３００で検知し、磁気センサー３００の出力信号を、コアレスモーター１０の制御に用いることが出来る。
【００３７】
本実施例では、コアレスモーター１０を用いて説明してきたが、モーターは、コアレスモーターに限られず、コア付モーターであってもよい。
【００３８】
図８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、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することが可能である。
【００３９】
図９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、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することが可能である。
【００４０】
図１０は、本発明の変形例によるモーターを利用した双腕７軸ロボットの一例を示す説明図である。双腕７軸ロボット３４５０は、関節モーター３４６０と、把持部モーター３４７０と、アーム３４８０と、把持部３４９０と、を備える。関節モーター３４６０は、肩関節、肘関節、手首関節に相当する位置に配置されている。関節モーター３４６０は、アーム３４８０と把持部３４９０とを、３次元的に動作させるため、各関節につき２つのモーターを備えている。また、把持部モーター３４７０は、把持部３５９０を開閉し、把持部３４９０に物を掴ませる。双腕７軸ロボット３４５０において、関節モーター３４６０あるいは把持部モーター３４７０として、上述した各種のコアレスモーターを利用することが可能である。
【００４１】
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、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することができる。
【００４２】
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】
【００４３】
１０…コアレスモーター
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
１１０ａ…円筒形部分
１１５…コイルバックヨーク
２００…永久磁石
２１５、２１６…磁石サイドヨーク
２３０…中心軸
２３６…磁石バックヨーク
２３９…貫通孔
２４０…軸受け
２６０…波バネ座金
３００…磁気センサー
３１０…回路基板
１０１０…標準モーター
１２３０…中心軸
１５００…カップリング
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１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３４５０…双腕７軸ロボット
３４６０…関節モーター
３４７０…把持部モーター
３４８０…アーム
３４９０…把持部
３５００…鉄道車両
３５１０…電動モーター
３５２０…車輪
３５９０…把持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械装置、ロボット及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
モーターのローター磁石の開放磁路側に磁性体を配置することにより、ローター磁石から漏れる磁束を磁性体に引き付け、ローター磁石の近傍に配置されている他の固定部材内に入り込む磁束を減少させて、他の固定部材での渦電流の発生を減少させる技術が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５９４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、モーター制御において、ローター磁石の位相を検知するための磁気センサーをローター磁石の近傍に配置し、磁気センサーの出力を用いてモーターの動作を制御する場合がある。かかる場合、磁性体から漏れる磁束を過度に減少させてしまうと、ローター磁石の位相を検知することが出来ず、モーターの制御ができなくなってしまう。従来の技術では、渦電流の発生と磁気センサーによる磁束の検知の両方を考慮した磁性体の構成については十分に検討されていなかった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、渦電流損失を抑制して、電気機械装置の効率を向上させ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］
電気機械装置であって、中心軸と、前記中心軸の外周に沿った第１の円筒面上に配置された永久磁石と、前記永久磁石の中心軸方向両端部に配置された第１、第２の磁石サイドヨークと、を有するローターと、前記永久磁石の外周に沿った第２の円筒面上に配置された電磁コイルと、前記第１の磁石サイドヨークを挟んで前記永久磁石とは反対側に配置された磁気センサーと、を有するステーターと、を備え、前記第１、第２の磁石サイドヨークは、前記磁気センサーが配置されない側の前記第２の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度が、前記第１の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度よりも小さくなるように構成されている、電気機械装置。
この適用例によれば、磁気センサーが配置されない側の第２の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度は、磁気センサーが配置される側の第１の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度よりも小さいので、磁気センサーにおける磁束密度をその検出に十分なレベルに維持しつつ、磁気センサーが配置されない側における渦電流損失を抑制して、電気機械装置の効率を向上させることができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置において、前記第１、第２の磁石サイドヨークは、前記第２の磁石サイドヨークの前記中心軸に沿った方向の厚さが、前記第１の磁石サイドヨークの前記中心軸に沿った方向の厚さよりも厚くなるように構成されている、電気機械装置。
この適用例によれば、第２の磁石サイドヨークの中心軸に沿った方向の厚さは、第１の磁石サイドヨークの中心軸に沿った方向の厚さよりも厚くなるように構成されているので、磁気センサーが配置されない側の第２の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度を、第１の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度よりも小さくできる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または２に記載の電気機械装置において、前記第２の磁石サイドヨークは、前記第１の磁石サイドヨークよりも、比透磁率の大きな材料で形成されている、電気機械装置。
この適用例によれば、第２の磁石サイドヨークは、第１の磁石サイドヨークよりも、比透磁率の大きな材料で形成されているので、磁気センサーが配置されない側の第２の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度を、第１の磁石サイドヨークの永久磁石との反対側の表面の磁束密度よりも小さくできる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一項に記載の電気機械装置において、前記第１の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度は１００ミリテスラ以上３００ミリテスラ以下であり、前記第２の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度は２０ミリテスラ未満である、電気機械装置。
この適用例によれば、磁気センサーによる磁束密度の検出精度を十分に高度に維持すると共に、第２の磁石サイドヨーク側において、渦電流損失を抑制して、電気機械装置の効率を向上させることができる。
【００１１】
［適用例５］
適用例１〜４のいずれか一項に記載の電気機械装置を備えるロボット。
【００１２】
［適用例６］
適用例１〜４のいずれか一項に記載の電気機械装置を備える移動体。
【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電気機械装置のほか、それを用いたロボット、移動体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】コアレスモーターの構成を示す説明図である。
【図２】コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ａ、１００Ｂとを円筒面に沿って展開しコイルバックヨーク１１５側から見たときの状態を示す説明図である。
【図３】磁気センサー側の磁石サイドヨーク２１５近傍を拡大して示す説明図である。
【図４】磁気センサー３００の出力信号の例を示す説明図である。
【図５】磁気センサー側と反対側の磁石サイドヨーク２１６近傍を拡大して示す説明図である。
【図６Ａ】鉄損失の測定方法の一例を示す説明図である。
【図６Ｂ】磁石サイドヨーク２１６の厚さと被測定モーターの鉄損失の関係を示す説明図である。
【図７】磁石サイドヨーク厚さと磁石サイドヨーク表面の磁束密度の関係を示す説明図である。
【図８】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９】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１０】本発明の変形例によるモーターを利用した双腕７軸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】
図１は、コアレスモーターの構成を示す説明図である。図１（Ａ）は、コアレスモーター１０を中心軸２３０に平行な面（図１（Ｂ）の１Ａ−１Ａ切断面）で切ったときの断面を模式的に示し、図１（Ｂ）は、コアレスモーターを中心軸２３０に垂直な面（図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ切断面）で切った断面を模式的に示している。
【００１６】
コアレスモーター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インナーローター型モーターである。ステーター１５は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、ケーシング１１０と、コイルバックヨーク１１５と、磁気センサー３００とを備えている。ローター２０は、中心軸２３０と、永久磁石２００と、磁石サイドヨーク２１５、２１６と、磁石バックヨーク２３６と、軸受け２４０と、波バネ座金２６０と、を備えている。
【００１７】
ローター２０は、中心に中心軸２３０を有しており、中心軸２３０の外周には、磁石バックヨーク２３６が配置されている。磁石バックヨーク２３６の外周には、６つの永久磁石２００が配置されている。６個の永久磁石２００は、中心軸２３０の中心から外部に向かう方向（放射方向）に磁化された永久磁石２００と、外部から中心軸２３０の中心に向かう方向（中心方向）に磁化された永久磁石２００とを含んでおり、磁化方向が中心方向である永久磁石２００と、磁化方向が放射方向である永久磁石２００は、円周方向に沿って交互に配置されている。図１（Ｂ）の永久磁石２００に付した「Ｎ」、「Ｓ」の符号は、永久磁石２００の外周側の磁極の極性を示している。
【００１８】
永久磁石２００の中心軸２３０に沿った方向の端部には、磁石サイドヨーク２１５、２１６が設けられている。磁石サイドヨーク２１５、２１６は、軟磁性体材料で形成された円盤状の部材である。磁石サイドヨーク２１５の外側には、磁気センサー３００がステーター１５上に設けられている。磁気センサー３００が配置される側の磁石サイドヨーク２１５を「第１の磁石サイドヨーク２１５」とも呼び、磁気センサー３００が配置される側と反対側の磁石サイドヨーク２１６を「第２の磁石サイドヨーク２１６」とも呼ぶ。磁石サイドヨーク２１５の中心軸２３０に沿った方向の厚さは、磁石サイドヨーク２１６の中心軸２３０に沿った方向の厚さよりも薄い。磁束は、空気中よりも軟磁性体材料の中を通りやすいので、永久磁石２００からでた磁束のうち、中心軸２３０方向に漏れ出た磁束は、磁石サイドヨーク２１５、２１６を通りやすい。
【００１９】
中心軸２３０は、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、貫通孔２３９を有している。中心軸２３０は、ケーシング１１０の軸受け２４０で支持されてケーシング１１０に取り付けられている。また、本実施例では、ケーシング１１０の内側に、波バネ座金２６０が設けられており、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は省略可能である。
【００２０】
ケーシング１１０は、筐体である。ケーシング１１０は、中心軸２３０方向の中央の円筒形部分１１０ａと、両端の板状部分１１０ｂとを備える。円筒形部分１１０ａは、アルミニウムなどの熱伝導性の良い材料で形成されている。板状部分１１０ｂは略正方形形状を有しており、４つの角に、コアレスモーター１０を他の装置に固定するためのネジ穴１１０ｃを有している。ケーシング１１０の円筒形部分１１０ａの内周側には、コイルバックヨーク１１５が設けられている。コイルバックヨーク１１５の中心軸２３０方向の長さは、永久磁石２００の中心軸２３０方向の長さとほぼ同じである。中央の円筒形部分１１０ａがアルミニウムなどの熱伝導性の良い材料で形成されているのは、コイルバックヨーク１１５に生じた熱を外部に容易に放出するためである。なお、コイルバックヨーク１１５に生じる熱の原因としては、ローター２０の永久磁石２００の回転にともなって生じる渦電流による損失（以下「渦電流損失」と呼ぶ。）があげられる。中心軸２３０からコイルバックヨーク１１５に向かって放射方向に放射線を引いたとき、放射線は、永久磁石２００をちょうど貫く。すなわち、中心軸２３０から見ると、コイルバックヨーク１１５と永久磁石２００は、重なって見える。
【００２１】
コイルバックヨーク１１５の内周側には、コイルバックヨーク１１５の内周に沿って、二相の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが配列されている。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを区別しない場合、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを合わせて「電磁コイル１００」とも呼ぶ。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ている。ここで有効コイル領域とは、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに電流が流れたときに、ローター２０に対して回転方向のローレンツ力を与える領域であり、コイルエンド領域は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに電流が流れたときに、ローター２０に対して回転方向と異なる方向（主として回転方向に直行する方向）のローレンツ力を与える領域である。ただし、コイルエンド領域は、有効コイル領域を挟んで２つあり、それぞれのコイルエンド領域に生じるローレンツ力は、大きさが同じで、向きが反対であるので、互いに打ち消し合う。有効コイル領域においては、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを構成する導体配線は、中心軸２３０とほぼ平行な方向であり、コイルエンド領域では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを構成する導体配線は、ローター２０の回転方向と平行である。また、中心軸２３０からコイルバックヨーク１１５に向かって放射方向に放射線を引いたとき、放射線は、有効コイル領域を貫くが、コイルエンド領域は貫かない。すなわち、中心軸２３０から見ると、有効コイル領域は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５の両方と重なって見えるが、コイルエンド領域は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５のいずれとも重なって見えない。
【００２２】
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、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの各相に１つずつ配置されている。磁気センサー３００は、上述したように、磁石サイドヨーク２１５側に配置されており、磁石サイドヨーク２１６側には配置されていない。なお、図１（Ａ）では、一方の相の磁気センサー３００のみを表示している。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。ここで、磁気センサー３００は、コイルエンド領域から、中心軸２３０に垂線を降ろしたときの垂線上に配置されていてもよい。一般に、磁気センサー３００は、磁束密度の方向の感度特性に異方性を有している。コイルエンド領域から中心軸２３０に垂線を降ろしたときの垂線上の位置に磁気センサー３００が配置されていると、電磁コイル１００から放射される磁束の強さが電磁コイル１００に流れる電流の増減により変化しても、磁気センサー３００の出力信号は、磁気センサー３００の感度の異方性により、電流の増減による磁束の変化の影響を受けにくい。
【００２３】
図２は、コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ａ、１００Ｂとを円筒面に沿って展開し、コイルバックヨーク１１５側から見たときの状態を示す説明図である。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、それぞれ、角丸長方形形状に巻かれている。同相の電磁コイル同士、例えば電磁コイル１００Ａと１００Ａ、あるいは電磁コイル１００Ｂと１００Ｂは重なっていないが、異相の電磁コイル同士、例えば電磁コイル１００Ａと１００Ｂは一部重なっている。また、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。同様に、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いる。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（図２の手前方向）に曲げられており（図１（Ａ）参照）、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域と重ならない。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配置しつつ、互いに干渉し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、コアレスモーター１０（図１）の効率を向上させることができる。なお、図２では、図示の便宜上、隣り合う電磁コイル同士の間に隙間が描かれているが、Ｌ２≒２×φ１の関係にあれば、この隙間は、ほぼゼロとなる。
【００２４】
図３は、磁気センサー側の磁石サイドヨーク２１５近傍を拡大して示す説明図である。図４は、磁気センサー３００の出力信号の例を示す説明図である。本実施例では、磁石サイドヨーク２１５、２１６を構成する材料として、ＪＦＥスチール株式会社のＪＮＥＸコアの０．１ｍｍ厚の珪素鋼板材を用いている。ＪＮＥＸコアは、鋼板材の全域に６．５％の珪素（Ｓｉ）を含有している。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、磁石サイドヨーク２１５として用いる珪素鋼板の枚数が異なっている。例えば、図３（Ａ）に示す例は、珪素鋼板材の枚数が１枚であり、図３（Ｂ）に示す例は２枚であり、図３（Ｃ）に示す例は３枚である。なお、図４に示されるセンサー出力Ｑ（Ａ）〜Ｑ（Ｃ）は、それぞれ、図３（Ａ）〜（Ｃ）に対応している。上述したように、磁石サイドヨーク２１５は、永久磁石２００から中心軸２３０に沿った方向に漏れた磁束を減少させるが、ある程度の磁束は磁石サイドヨーク２１５から漏れる。ここで、磁気センサー３００は、永久磁石２００から見て、磁石サイドヨーク２１５のさらに中心軸２３０に沿った方向に離れた位置に配置されている。すなわち、磁気センサー３００は、磁石サイドヨーク２１５から漏れた磁束の密度を検出する。図４のセンサー出力Ｑ（Ａ）からＱ（Ｂ）、Ｑ（Ｃ）の順に示すように、磁石サイドヨーク２１５を形成する珪素鋼板材の枚数が増えると、磁気センサー３００の出力信号の波形は、だんだんとピーク高さが小さくなっている。すなわち、磁石サイドヨーク２１５を形成する珪素鋼板材の枚数が多いと（磁石サイドヨーク２１５の厚さが厚いと）、永久磁石２００の磁束について、磁石サイドヨーク２１５から漏れる磁束が少なくなる。その結果、磁気センサー３００が検知する磁束密度が小さくなり、出力信号の大きさが小さくなる。なお、出力信号の大きさが小さくなりすぎると、出力信号を用いてコアレスモーター１０を制御することが困難になるので、磁石サイドヨーク２１５の厚さを、磁気センサー３００が一定以上の出力信号を出力できる程度の厚さ以下に設定することが好ましい。一方、磁石サイドヨーク２１５の厚さを薄くすると、磁気センサー３００の出力信号の大きさは大きくなる、ここで、磁石サイドヨーク２１５の厚さをさらに薄く（例えば、０．０５ｍｍの珪素鋼板材１枚で形成する）すると、磁気センサー３００の出力信号の波形は飽和する。したがって、磁石サイドヨーク２１５の厚さを、磁気センサー３００の出力信号の波形が飽和しない程度の厚さ以上に設定することが好ましい。
【００２５】
なお、磁石サイドヨーク２１５から漏れた磁束は、磁気センサー３００を貫くだけでなく、軸受け２４０やケーシング１１０にも到達する。そして、軸受け２４０やケーシング１１０において渦電流損失を生じさせる。したがって、磁気センサー３００として出来る限り高感度タイプを選択し、磁石サイドヨーク２１５の厚さを厚くして、軸受け２４０やケーシング１１０に到達する磁束を少なくすることが好ましい。なお、磁石サイドヨーク２１５を構成する個々の珪素鋼板（磁性体板）の両面に絶縁膜を設けるように構成してもよい。こうすれば、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂで発生した磁束に起因する、磁石サイドヨーク２１５における渦電流損失をさらに軽減することができる。ただし、絶縁膜を設けなくても良い。
【００２６】
図５は、磁気センサー側と反対側の磁石サイドヨーク２１６近傍を拡大して示す説明図である。図５（Ａ）〜（Ｃ）は、磁石サイドヨーク２１６として用いる珪素鋼板の枚数が異なっている。例えば、図５（Ａ）に示す例は、珪素鋼板材の枚数が２枚（合計厚さ０．２ｍｍ）であり、図５（Ｂ）に示す例は４枚（合計厚さ０．４ｍｍ）であり、図５（Ｃ）に示す例は６枚（合計厚さ０．６ｍｍ）である。図３の説明で説明したように、磁石サイドヨーク２１６を形成する珪素鋼板材の枚数が多いと（磁石サイドヨーク２１６の厚さが厚いと）、永久磁石２００の磁束について、磁石サイドヨーク２１６から漏れる磁束が少なくなる。磁石サイドヨーク２１６から漏れた磁束は、軸受け２４０やケーシング１１０に到達し、軸受け２４０やケーシング１１０において生じる渦電流損失の原因となる。渦電流損失は、ヒステリシス損と合わせて鉄損失の主な要素である。本実施例では、磁石サイドヨーク２１６側には、磁気センサー３００が設けられていないので、磁石サイドヨーク２１６から漏れる磁束は、少なければ少ないほどよく、磁石サイドヨーク２１６は厚いほど好ましい。
【００２７】
図６Ａは、鉄損失の測定方法の一例を示す説明図である。ステップ１では、まず、標準モーター１０１０の損失特性を測定する。標準モーター１０１０の中心軸１２３０に、被測定モーター１０を接続するためのカップリング１５００を取り付ける。この状態で、あらかじめ定められた回転数Ｎで標準モーター１０１０を回転させて、標準モーター１０１０に加える電圧Ｅ１と電流Ｉ１を測定する。このときの回転状態は、いわゆる無負荷回転状態である。このときの標準モーター１０１０の第１の総損失Ｐ１ａｌｌは、Ｅ１×Ｉ１となる。また、第１の総損失Ｐ１ａｌｌは、機械損失Ｐ１ｍと銅損失Ｐ１ｃｕと鉄損失Ｐ１ｆｅの和である。ここで、標準モーター１０１０の電磁コイルの電気抵抗をＲ１とすると、銅損失Ｐ１ｃｕは、Ｉ１2×Ｒ１で表される。
【００２８】
ステップ２では、標準モーター１０１０に被測定モーター１０のローター１５のみを接続し、ステップ１と同一の回転数Ｎで標準モーター１０１０を回転させて、標準モーター１０１０に加える電圧Ｅ２と電流Ｉ２を測定する。このときの第２の総損失Ｐ２ａｌｌはＥ２×Ｉ２となる。なお、この第２の総損失Ｐ２ａｌｌは、第１の総損失Ｐ１ａｌｌに被測定モーター１０の機械損失Ｐ２ｍが加わったものである。すなわち、２の総損失Ｐ２ａｌｌと第１の総損失Ｐ１ａｌｌの差分（Ｐ２ａｌｌ−Ｐ１ａｌｌ）が、被測定モーター１０の機械損失Ｐ２ｍとなる。
【００２９】
ステップ３では、被測定モーター１０のみをステップ１，２と同じ回転数Ｎで回転させて、被測定モーター１０に加える電圧Ｅ３と電流Ｉ３を測定する。このときの被測定モーター１０の総損失Ｐ３ａｌｌは、Ｅ３×Ｉ３となる。また、総損失Ｐ３ａｌｌは、機械損失Ｐ３ｍと銅損失Ｐ３ｃｕと鉄損失Ｐ３ｆｅの和である。ここで、機械損失Ｐ３ｍは、ステップ２で測定した、機械損失Ｐ２ｍと同じ値である。また、銅損失Ｐ３ｃｕは、被測定モーター１０の電磁コイルの電気抵抗をＲ２とすると、Ｉ３2×Ｒ２で示すことが出来る。したがって、被測定モーターの鉄損失は、（Ｅ３×Ｉ３−Ｐ３ｍ−Ｉ３2×Ｒ２）で算出することができる。
【００３０】
図６Ｂは、磁石サイドヨーク２１６の厚さと被測定モーターの鉄損失の関係を示す説明図である。この鉄損失は、被測定モーター１０内のローター２０にある永久磁石２００の回転数（電気角ω）により、磁束は軸受け２４０とケーシング１１０間に渦電流損失として生じる。図６Ｂでは、磁石サイドヨーク２１６を形成する珪素鋼板の枚数を変えることにより磁石サイドヨーク２１６の厚さを、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍにしたものについて、鉄損失特性を示している。ここで１枚の珪素鋼板の厚みは０．１ｍｍである。グラフから明らかなように、珪素鋼板材の枚数を増やすと、被測定モーターの鉄損失が少なくなっている。そして、珪素鋼板材の枚数を２枚から４枚に増やしたときの鉄損失の減少量よりも、珪素鋼板材の枚数を６枚から８枚に増やしたときの鉄損失の減少量の方が大きくなっている。ただし、珪素鋼板材の枚数を８枚から１０枚に増やしても、鉄損失は大きく減少していない。この理由として、以下の理由が考えられる。鉄損失は、渦電流損失とヒステリシス損失とを含んでいる。鉄損失のうち、渦電流損失については、磁石サイドヨーク２１６の厚さを厚くすることにより、減らすことが可能であるが、ヒステリシス損失については、磁石サイドヨーク２１６の厚さを厚くしても減らすことが難しく、このヒステリシス損失が残っていると考えられる。以上の結果から、磁石サイドヨーク２１６の厚さを１ｍｍ程度にすることにより、鉄損失のうち、渦電流損失については、十分に少なくすることができる。
【００３１】
図７は、磁石サイドヨーク厚さと磁石サイドヨーク表面の磁束密度の関係を示す説明図である。ここで「磁石サイドヨーク表面の磁束密度」とは、磁石サイドヨークの永久磁石とは反対側の表面の磁束密度を意味する。磁石サイドヨーク表面の磁束密度を、０．０２テスラ（２０ミリテスラ）以下とすれば、軸受け２４０やケーシング１１０に到達する磁束を少なくし、軸受け２４０やケーシング１１０における渦電流損失の発生を抑制し、鉄損失を少なくすることが出来る。磁石サイドヨーク表面の磁束密度が０．０２テスラのときの磁石サイドヨーク２１６の厚さは、１．２ｍｍである。図６における磁石サイドヨーク２１６の厚さと、渦電流損失の傾向から、磁石サイドヨーク２１６の厚さは、１．２ｍｍであれば、渦電流損失は、ほとんど発生しないと考えられる。したがって、磁気センサーが設けられていない側の磁石サイドヨーク２１６の表面の磁束密度を０．０２テスラ（２０ミリテスラ）未満とすることにより、軸受け２４０やケーシング１１０に到達する磁束を少なくし、軸受け２４０やケーシング１１０における渦電流損失の発生を抑制し、鉄損失を少なくすることが出来る。
【００３２】
また、磁気センサー３００が設けられた側の磁石サイドヨーク２１５については、図３、４に示す結果において、珪素鋼板材の枚数が１枚（０．１ｍｍ）のとき磁気センサーの出力波形がほぼ飽和していることから、磁石サイドヨーク２１５の厚さは、０．１ｍｍよりも厚い値であることが好ましい。このときの磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度は、０．３テスラ（３００ミリテスラ）以上である。また、磁石サイドヨーク２１５を増大させて、軸受け２４０やケーシング１１０における渦電流損失の発生を低減しようとすると、磁気センサー３００における磁束密度が過度に低下してしまい、磁気センサー３００の検出精度が悪化する。磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度が０．１テスラ（１００ミリテスラ）より小さくなると、磁気センサー３００の検出精度が悪化する。したがって、磁石サイドヨーク２１５の厚さは０．８ｍｍ以下であることが好ましい。なお、磁気センサー３００には、ホール素子からの信号の増幅回路と温度補償回路を備えたホールＩＣを用いることが好ましい。この増幅回路で増幅ゲインの高い高感度品を用いることで、磁石サイドヨーク２１５から受ける渦電流損失を最小として成るようにすること好ましい。
【００３３】
一般に、モーターでは、様々な強度に磁化された永久磁石を用いるので、磁石サイドヨークの好ましい厚みは、永久磁石の強度に応じて変化する。このような場合にも、第１の磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度を２０ミリテスラ未満とすることが好ましく、第２の磁石サイドヨーク２１６の表面の磁束密度を１００ミリテスラ以上３００ミリテスラ以下とすることが好ましい。
【００３４】
以上、本実施例によれば、磁気センサー３００が配置されない側の第２の磁石サイドヨーク２１６の表面の磁束密度を、磁気センサー３００が配置される側の第１の磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度よりも小さく設定しているので、第２の磁石サイドヨーク２１６からの磁束の漏れを少なくすることができる。その結果、磁気センサー３００が配置されない側のケーシング１１０や軸受け２４０における渦電流損失に起因する鉄損失を少なくし、コアレスモーター１０の効率を向上させることが出来る。
【００３５】
上記構成の実現のため、第２の磁石サイドヨーク２１６の中心軸２３０に沿った方向の厚さを、第１の磁石サイドヨーク２１５の中心軸２３０に沿った方向の厚さよりも厚くすることが好ましい。この代わりに、第２の磁石サイドヨーク２１６を、第１の磁石サイドヨーク２１５よりも、比透磁率の大きな材料で形成してもよい。比透磁率の大きな材料は磁束を外部に漏らしにくい。したがって、磁石サイドヨーク２１６に比透磁率の大きな材料を用いることは、磁石サイドヨーク２１６の厚さを厚くすることと同様の効果がある。
【００３６】
また、第１の磁石サイドヨーク２１５の表面の磁束密度を１００ミリテスラ以上３００ミリテスラ以下とし、第２の磁石サイドヨーク２１６の表面の磁束密度は２０ミリテスラ未満とすることにより、第２の磁石サイドヨーク２１６側のケーシング１１０や軸受け２４０における渦電流損失、鉄損失を大きく減少することができる。また、第１の磁石サイドヨーク２１５を過度の厚くしていないため、第１のサイドヨークを通過した磁束を磁気センサー３００で検知し、磁気センサー３００の出力信号を、コアレスモーター１０の制御に用いることが出来る。
【００３７】
本実施例では、コアレスモーター１０を用いて説明してきたが、モーターは、コアレスモーターに限られず、コア付モーターであってもよい。
【００３８】
図８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、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することが可能である。
【００３９】
図９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、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することが可能である。
【００４０】
図１０は、本発明の変形例によるモーターを利用した双腕７軸ロボットの一例を示す説明図である。双腕７軸ロボット３４５０は、関節モーター３４６０と、把持部モーター３４７０と、アーム３４８０と、把持部３４９０と、を備える。関節モーター３４６０は、肩関節、肘関節、手首関節に相当する位置に配置されている。関節モーター３４６０は、アーム３４８０と把持部３４９０とを、３次元的に動作させるため、各関節につき２つのモーターを備えている。また、把持部モーター３４７０は、把持部３５９０を開閉し、把持部３４９０に物を掴ませる。双腕７軸ロボット３４５０において、関節モーター３４６０あるいは把持部モーター３４７０として、上述した各種のコアレスモーターを利用することが可能である。
【００４１】
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、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することができる。
【００４２】
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】
【００４３】
１０…コアレスモーター
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
１１０ａ…円筒形部分
１１５…コイルバックヨーク
２００…永久磁石
２１５、２１６…磁石サイドヨーク
２３０…中心軸
２３６…磁石バックヨーク
２３９…貫通孔
２４０…軸受け
２６０…波バネ座金
３００…磁気センサー
３１０…回路基板
１０１０…標準モーター
１２３０…中心軸
１５００…カップリング
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１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３４５０…双腕７軸ロボット
３４６０…関節モーター
３４７０…把持部モーター
３４８０…アーム
３４９０…把持部
３５００…鉄道車両
３５１０…電動モーター
３５２０…車輪
３５９０…把持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械装置であって、
中心軸と、前記中心軸の外周に沿った第１の円筒面上に配置された永久磁石と、前記永久磁石の中心軸方向両端部に配置された第１、第２の磁石サイドヨークと、を有するローターと、
前記永久磁石の外周に沿った第２の円筒面上に配置された電磁コイルと、前記第１の磁石サイドヨークを挟んで前記永久磁石とは反対側に配置された磁気センサーと、を有するステーターと、
を備え、
前記第１、第２の磁石サイドヨークは、前記磁気センサーが配置されない側の前記第２の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度が、前記第１の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度よりも小さくなるように構成されている、電気機械装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気機械装置において、
前記第１、第２の磁石サイドヨークは、前記第２の磁石サイドヨークの前記中心軸に沿った方向の厚さが、前記第１の磁石サイドヨークの前記中心軸に沿った方向の厚さよりも厚くなるように構成されている、電気機械装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気機械装置において、
前記第２の磁石サイドヨークは、前記第１の磁石サイドヨークよりも、比透磁率の大きな材料で形成されている、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電気機械装置において、
前記第１の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度は１００ミリテスラ以上３００ミリテスラ以下であり、前記第２の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度は２０ミリテスラ未満である、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電気機械装置を備えるロボット。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械装置を備える移動体。
【請求項１】
電気機械装置であって、
中心軸と、前記中心軸の外周に沿った第１の円筒面上に配置された永久磁石と、前記永久磁石の中心軸方向両端部に配置された第１、第２の磁石サイドヨークと、を有するローターと、
前記永久磁石の外周に沿った第２の円筒面上に配置された電磁コイルと、前記第１の磁石サイドヨークを挟んで前記永久磁石とは反対側に配置された磁気センサーと、を有するステーターと、
を備え、
前記第１、第２の磁石サイドヨークは、前記磁気センサーが配置されない側の前記第２の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度が、前記第１の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度よりも小さくなるように構成されている、電気機械装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気機械装置において、
前記第１、第２の磁石サイドヨークは、前記第２の磁石サイドヨークの前記中心軸に沿った方向の厚さが、前記第１の磁石サイドヨークの前記中心軸に沿った方向の厚さよりも厚くなるように構成されている、電気機械装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気機械装置において、
前記第２の磁石サイドヨークは、前記第１の磁石サイドヨークよりも、比透磁率の大きな材料で形成されている、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電気機械装置において、
前記第１の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度は１００ミリテスラ以上３００ミリテスラ以下であり、前記第２の磁石サイドヨークの前記永久磁石と反対側の表面の磁束密度は２０ミリテスラ未満である、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電気機械装置を備えるロボット。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械装置を備える移動体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１７３４１（Ｐ２０１３−１７３４１Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４９６４４（Ｐ２０１１−１４９６４４）
【出願日】平成２３年７月６日（２０１１．７．６）
【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２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月６日（２０１１．７．６）
【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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