電気機械装置、移動体及びロボット
【課題】電磁コイルと他の部材との間の耐電圧の向上を図るとともに、モーターの高性能化や小型化を実現する。
【解決手段】電気機械装置１０であって、第１の絶縁材料１００ＡＣで被覆された電線１００ＡＬを複数回輪状に巻いてなる電磁コイル１００Ａと、前記電磁コイルの少なくとも一部を覆うように設けられた第２の絶縁材料で形成された絶縁部７０２と、を備え、前記絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の耐電圧が、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧よりも大きい、電気機械装置。
【解決手段】電気機械装置１０であって、第１の絶縁材料１００ＡＣで被覆された電線１００ＡＬを複数回輪状に巻いてなる電磁コイル１００Ａと、前記電磁コイルの少なくとも一部を覆うように設けられた第２の絶縁材料で形成された絶縁部７０２と、を備え、前記絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の耐電圧が、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧よりも大きい、電気機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気機械装置の電磁コイルに生じる電圧に対する絶縁技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コイルを形成するための絶縁電線として導体に絶縁材料を塗布して形成された絶縁電線が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２７２１９１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電磁コイルの耐電圧は一般的に規格を満たすための絶縁層の厚みが施されているが、モーターの電磁コイルを形成する場合、円断面の電磁コイル間に空気層が生じ、この空気層が下記の問題を生じさせる。
（１）電磁コイルの占積率を低下させる、
（２）電磁コイルからの発熱温度を外部ケース側への伝達を妨げる、
（３）電磁コイルを樹脂モールド化させる際に、空気層を抜き取る脱泡（脱空気層）時の作業工程時間が大きい。
以上の課題を解決するために、電磁コイルを巻き、巻き終わった後のフォーミング時に加圧後、加熱し（電磁コイルに電流を流すジュール熱）、空気層を最小限とさせる。
この際の、電磁コイル間の絶縁層は薄くなるが、同一相内の電磁コイル間の電位差は、高電圧になることがないので問題は生じない。しかし、相間による電磁コイル間、電磁コイルとローター間、電磁コイルとコイルバックヨーク間では、耐電圧試験のような高耐電圧に対応する必要性が生じた。本発明は、電磁コイルと他の部材との間の耐電圧の向上を図るとともに、モーターの高性能化や小型化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
［適用例１］
電気機械装置であって、第１の絶縁材料で被覆された電線を複数回輪状に巻いてなる電磁コイルと、前記電磁コイルの少なくとも一部を覆うように設けられた第２の絶縁材料で形成された絶縁部と、を備え、前記絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の耐電圧が、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧よりも大きい、電気機械装置。
この適用例によれば、絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の耐電圧が、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧よりも大きいので、絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の電流リークを抑制し、電気機械装置の耐電圧を向上させることができる。
【０００７】
［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置において、前記絶縁部の耐電圧は、電気機械装置に関する規格で規定された耐電圧値を満足し、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧は、前記規格で規定された耐電圧値未満である、電気機械装置。
この適用例によれば、絶縁部の耐電圧は、電気機械装置に関する規格で規定された耐電圧値を満足するように形成すれば、電線の被覆を薄くして電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧を前記規格で規定された耐電圧値未満としても、絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の電流リーク及び電磁コイル内で隣接する電線間の電流リークを抑制できる。その結果、電気機械装置の小型化、高性能化を実現できる。
【０００８】
［適用例３］
適用例１又は２に記載の電気機械装置において、さらに、前記電磁コイルと対向するように設けられている永久磁石を備え、前記絶縁部は、前記電磁コイルの前記永久磁石側に設けられている、電気機械装置。
この適用例によれば、電磁コイルと永久磁石との間の耐電圧を向上させることが出来る。
【０００９】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つに記載の電気機械装置において、さらに、コイルバックヨークを備え、前記電磁コイルは前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間に配置されており、前記絶縁部は、前記電磁コイルと前記コイルバックヨークとの間に設けられている、電気機械装置。
この適用例によれば、電磁コイルとコイルバックヨークとの間の耐電圧を向上させることが出来る。
【００１０】
［適用例５］
適用例１〜４のいずれか一つに記載の電気機械装置において、さらに、前記電磁コイルは複数あり、前記絶縁部は、前記複数の電磁コイル間に設けられている、電気機械装置。
この適用例によれば、２つの電磁コイル間の耐電圧を向上させることが出来る。
【００１１】
［適用例６］
適用例１〜５のいずれか一つに記載の電気機械装置において、前記第２の絶縁材料は、酸化チタン含有シランカップリング剤、パリレン、エポキシ、シリコーン、ウレタンのいずれかである、電気機械装置。
この適用例によれば、これらの材料を用いることにより薄くて耐電圧の大きな絶縁部を形成することができる。
【００１２】
［適用例７］
適用例１〜６のいずれか一つに記載の電気機械装置を備える移動体。
【００１３】
［適用例８］
適用例１〜６のいずれか一つに記載の電気機械装置を備えるロボット。
【００１４】
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、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】
【００１５】
【図１】第１の実施例に掛かる電動モーターの構成を示す説明図である。
【図２Ａ】電磁コイルを電磁コイルが配置される円筒面に沿って展開し回転軸の中心側から見たときの説明図である。
【図２Ｂ】図２Ａの２Ｂ−２Ｂ切断線で切ったときの断面を展開して示す説明図である。
【図２Ｃ】、図２Ａの２Ｃ−２Ｃ切断線で切ったときの断面を拡大して示す説明図である。
【図３】絶縁層を構成するシランカップリング剤の一例を示す説明図である。
【図４】シランカップリング剤に酸化チタンあるいは二酸化珪素を含有させたときの例を示す説明図である。
【図５】他の絶縁材料の例を示す説明図である。
【図６】永久磁石２００の表面と一定厚（２．０ｍｍ）のコイルバックヨーク１１５までの間隔の距離をＬ１とし、永久磁石２００の表面からの距離ＸＬに対する磁束密度の関係を示す説明図である。
【図７】従来と本願の電動モーターを比較する説明図である。
【図８】変形例を示す説明図である。
【図９】他の変形例を示す説明図である。
【図１０】他の変形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／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１２】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１３】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】
【００１６】
Ａ．第１の実施例：
図１は、第１の実施例に掛かる電動モーターの構成を示す説明図である。電動モーター１０は、ステーター１５とローター２０とを備える。ステーター１５が外側に配置されている。ステーター１５の内側には、略円筒状の空間が形成されており、この略円筒状の空間には、略円筒状のローター２０が配置されている。
【００１７】
ステーター１５は、Ａ相用の電磁コイル１００Ａと、Ｂ相用の電磁コイル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、回路基板３１０と、コネクタ３２０と、を備える。ローター２０は、回転軸２３０と、複数の永久磁石２００と、を備える。回転軸２３０は、ローター２０の中心軸であり、回転軸２３０の外周に永久磁石２００が配置されている。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。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、コイルバネ２６０が設けられており、このコイルバネ２６０がローター２０を図の左方向に押すことによって、ローター２０の位置決めを行っている。但し、コイルバネ２６０は省略可能である。
【００１８】
ケーシング１１０は、内側が略円筒形の空間になっており、その内周に沿って複数の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが配置されている。なお、本実施例では、Ａ相用の電磁コイル１００Ａは内側に配置され、Ｂ相用の電磁コイル１００Ｂは外側に配置されている。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、コアレス（空心）である。また、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと永久磁石２００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、電磁コイル１００の回転軸２３０と平行な方向の長さは、永久磁石２００の回転軸２３０と平行な方向の長さよりも長くなっている。すなわち、永久磁石２００から放射方向に投射すると、電磁コイル１００の一部は、投射領域からはみ出る。電磁コイル１００のうち、このはみ出た部分を、「コイルエンド」と呼ぶ。ここで、電磁コイル１００をコイルエンドと、コイルエンド以外の部分と、に分けると、コイルエンドに流れる電流により生じる力の向きは、ローター２０の回転方向と異なる方向（回転軸２３０と平行な方向）であり、コイルエンド以外の部分に流れる電流により生じる力の向きは、ローター２０の回転方向とほぼ同じ方向である。なお、コイルエンドは、コイルエンド以外の部分を挟んで２つあり、両者に生じる力は、互いに反対方向なので、電磁コイル１００全体に掛かる力としては打ち消し合う。本実施例では、コイルエンドと重ならない領域を「有効コイル領域」と呼び、コイルエンドと重なる領域を「有効コイル領域外」と呼ぶ。電磁コイル１００の放射方向外側であって、有効コイル領域と重なる部分には、コイルバックヨーク１１５が設けられている。なお、コイルバックヨーク１１５は、有効コイル領域外と重なっていないことが好ましい。コイルバックヨーク１１５が有効コイル領域外と重なっていると、コイルバックヨーク１１５の有効コイル領域外と重なる部分において、ローター２０の移動方向以外のトルクによる振動・音・発熱が生じ、電動モーター１０の効率を下げて、大トルクの実現が困難となる。
【００１９】
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の各相に対応して１つずつ配置されている。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。回路基板３１０は、モーター１０を制御するための制御部を備えている。回路基板３１０は、コネクタ３２０により、モーター１０の外部回路と接続されている。
【００２０】
図１（Ｂ）は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの近傍を拡大して示す説明図である。永久磁石２００と電磁コイル１００Ａとの間には、絶縁層７０１が配置され、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂとの間には、絶縁層７０２が配置され、電磁コイル１００Ｂとコイルバックヨーク１１５との間には、絶縁層７０３が配置されている。永久磁石２００表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔を長さＬ１、永久磁石２００の表面からコイルバックヨーク１１５の外側までの間隔を長さＬ２とする。長さＬ１、Ｌ２については後述する。
【００２１】
図２Ａは、電磁コイルを電磁コイルが配置される円筒面に沿って展開し回転軸の中心側から見たときの説明図である。図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ−２Ｂ切断線で切ったときの断面を展開して示す説明図である。なお、図２Ａでは、見難くなるため、電磁コイル１００Ａと１００Ｂのみを表示し、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５とを表示していない。電磁コイル１００Ａと１００Ｂとは電気角でπ／２ずれるように配置されている。また、電磁コイル１００Ａと、電磁コイル１００Ｂとは、それぞれのコイルエンドにおいて、重なっている。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに示した矢印は、あるタイミングにおける電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに流れる電流の向きを示している。図２Ａから明らかなように、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに流れる電流は、交互に時計回り、反時計回りとなっている。
【００２２】
図２Ｃは、図２Ａの２Ｃ−２Ｃ切断線で切ったときの断面を拡大して示す説明図である。この２Ｃ−２Ｃ切断線は、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとが重なる部分を切っている。図２Ｃの左図は、電磁コイルを適正に巻いた後、電磁コイルに電流を流してジュール熱を発生させ、その熱による熱融着で固まった状態を示す。図２Ｃに示すように、電磁コイル１００Ａは、電線１００ＡＬを複数巻することにより形成されている。電磁コイル１００Ｂは、電線１００ＢＬを複数巻することにより形成されている。電線１００ＡＬ及び１００ＢＬは、それぞれ被覆１００ＡＣ、１００ＢＣを有している。電線１００ＡＬ及び１００ＢＬの被覆材料として、例えばポリエステル樹脂を用いることが出来る。図２Ｃの左図に示す状態では、電磁コイル間に空域があり線材の占積率が悪くなっている。なお、この場合、電磁コイル１００Ａの絶縁層一般的絶縁層は高耐圧試験で対応できるため絶縁層７０１，７０２，７０３は不要で、高耐圧試験特性を満たす状況となる。
【００２３】
図２Ｃの右図は、電磁コイルを適正に巻いた後、巻線フォーミング時に加圧しながら熱を掛け熱融着で固まった状態を示す。図２Ｃの右図に示す状態では、絶縁層の変形で空域が無く線材の占積率が格段に向上している。しかし、加圧されたため、例えば矢印１００Ｘで示すように、被覆１００ＡＣの厚みが巻線フォーミング前と比較して２０〜４０％と薄くなっている。その結果、高電圧に耐えられない状況となり、Ａ相電磁コイル１００ＡとＢ相電磁コイル１００Ｂ間、Ａ相電磁コイル１００Ａと永久磁石２００間、Ｂ相電磁コイル１００Ｂとコイルバックヨーク１１５間の高耐圧試験特性を満たさない状況となる虞がある。そのため本実施例では、以下の説明するように、電磁コイル１００Ａ、電磁コイル１００Ｂ上に絶縁層である絶縁層７０１，７０２，７０３を構築することにより、耐電圧の向上を図っている。
【００２４】
電磁コイル１００Ａと１００Ｂとの間には、絶縁層７０２が設けられている。電磁コイル１００Ａと１００Ｂには、それぞれ、電動モーター１０を駆動するための駆動電圧（＋ＶＤＤ〜−ＶＤＤ）が印加される。ここで、電磁コイル１００Ａと１００Ｂに印可される駆動電圧の位相は、ずれている。特にＰＷＭ駆動される場合には、各ＰＷＭのサイクルにおけるデューティの大きさを変えることにより駆動電圧を変えているため、タイミングによっては、Ａ相電磁コイル１００Ａに＋ＶＤＤの電圧が掛かり、Ｂ相電磁コイル１００Ｂに−ＶＤＤの電圧が掛かり、結果として電磁コイル１００Ａと１００Ｂとの間には、２ＶＤＤの電圧が掛かる場合がある。したがって、絶縁層７０２は、この電圧に耐えるようにするため、高耐電圧が要求される。具体的には、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとの間、すなわち絶縁層７０２の耐電圧Ｖｃｏｉｌは、電気用品安全法あるいは、ＥＮ規格、ＩＥＣ規格で定められている。例えば、電気用品安全法では、定格電圧が１５０Ｖ以上のとき１５００Ｖの電圧を１分間印可し、リークする電流量が１０ｍＡ以下である耐電圧を備えていることを規定している。定格電圧が１５０Ｖ以下の場合には１００Ｖ、１分である。ＥＮ規格やＩＥＣ規格では、１５００Ｖ、１分である。が好ましい。一方、電磁コイル１００Ａ内の隣接する電線１００ＡＬ間の耐電圧、すなわち被覆１００ＡＣの耐電圧Ｖｌｉｎｅは、１５００Ｖの電圧に１分間耐える必要はない。なぜなら、電線１００ＡＬは、電気抵抗が小さいので、電線１００ＡＬの数巻き分の長さにおける電線１００ＡＬの電圧降下は極めて小さい。その結果、隣接する電線１００ＡＬ間の電圧差は小さいため、被覆１００ＡＣは、１５００Ｖの電圧に１分間耐えるような高い耐電圧を有する必要がない。電磁コイル１００Ｂを形成する電線１００ＢＬの被覆１００ＢＣについても同様である。
【００２５】
図１（Ｂ）で説明したように、永久磁石２００と電磁コイル１００Ａとの間には、絶縁層７０１が配置されている。永久磁石２００は、例えばネオジムやフェライトなど磁性体材料で形成されており、導電性を有している。永久磁石２００は、回転軸２３０、軸受け２４０を介してケーシング１１０と導通しているので、永久磁石２００の電位はグランドレベルである。一方、電磁コイル１００Ａには、＋ＶＤＤ〜−ＶＤＤの駆動電圧が印可される。したがって、永久磁石２００と電磁コイル１００Ａとの間には電圧がかかるため、永久磁石２００と電磁コイル１００Ａとの間の電流リークを抑制するために、絶縁層７０１は、高い耐電圧を有していることが必要である。
【００２６】
また、電磁コイル１００Ｂとコイルバックヨーク１１５との間には、絶縁層７０３が配置されている。同様にコイルバックヨーク１１５は、導電性のある磁性体材料で形成されており、コイルバックヨーク１１５はケーシング１１０と接触しているため、コイルバックヨーク１１５の電位は、グランドレベルである。同様に、電磁コイル１００Ｂには、＋ＶＤＤ〜−ＶＤＤの電圧が印可されるため、コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ｂとの間の電流リークを抑制するために、絶縁層７０３は、高い耐電圧を有していることが必要である。
【００２７】
図３は、絶縁層を構成するシランカップリング剤の一例を示す説明図である。絶縁層７０１〜７０３（図１、図２Ｃ）は、同じ材料で構成されていてもよい。この実施例では、絶縁層７０１、７０２、７０３には、シランカップリング剤を含んでいる。
【００２８】
図３（Ａ）は、シランカップリング剤であるシラノールの構成を示す説明図である。シラノールは、シラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）と有機官能基を有している。シラノール基の状態では、縮合してしまうので、アルコキシ基（−ＯＲ）を有するシランカップリング剤を用い、縮合するときに加水分解してシラノールを生成することが好ましい。
【００２９】
図３（Ｂ）は、シランカップリング反応を示す説明図である。シランカップリング剤は、シラン（Ｓｉ）に結合したアルコキシ基（−ＯＲ）と、有機官能基Ｒ’と、を有している。アルコキシ基として、メトキシ基（−ＯＣＨ３）、エトキシ基（−ＯＣ２Ｈ５）、2−メトキシ−エトキシ基（−ＯＣＨ２ＣＨ２―ＯＣＨ３）等様々なアルコキシ基を用いることができる。有機官能基Ｒ’として、アミノ基（−ＮＨ２）、エポキシ基（図３（Ａ）参照）、メタクリル基（−ＣＯ−Ｃ（ＣＨ３）＝ＣＨ２）、ビニル基（−ＣＨ＝ＣＨ２）、メルカプト基（チオール基、−ＳＨ）等のいずれかを用いることが出来る。
【００３０】
シランカップリング剤を水溶液に溶かし、シランカップリング剤に希薄水溶液を調製する。次いでこの希薄水溶液を酸性下、あるいはアルカリ性下で処理すると、アルコキシ基が加水分解し、シラノール（Ｓｉ−ＯＨ）が生成される。加水分解速度は、アルコキシ基が小さいほど早く、大きいほど遅い。次に、希薄水溶液に、電磁コイル１００Ａを浸し、あるいは、電磁コイル１００Ａに希薄水溶液を噴霧する。このとき、加水分解反応で生成したシラノールは、徐々に縮合してシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）となり、シランオリゴマーを形成する。このときの反応は、脱水縮合反応なので、加熱（例えば、１２５℃、２時間）して水を取り除くことにより、縮合反応を進行させることができる。また、シラノールは、電磁コイル１００Ａの電線１００ＡＬの被覆１００ＡＣ（図２Ｃ）の表面と、水素結合を介し、さらに脱水縮合反応を経て、被覆１００ＡＣの表面と共有結合し、電磁コイル１００Ａの表面に絶縁層７０２を形成する。絶縁層７０１、７０３も同様にして形成することができる。
【００３１】
図４は、シランカップリング剤に酸化チタンあるいは二酸化珪素を含有させたときの例を示す説明図である。シランカップリング剤を用いて絶縁層７０１〜７０３を形成する場合、シランカップリング剤に酸化チタン（ＴｉＯ２）や、二酸化珪素（ＳｉＯ２）を加えても良い。このとき、シランオリゴマー中のシランカップリング剤と酸化チタンの質量パーセントが、それぞれ４７．５Ｗｔ％、４８．５Ｗｔ％となるように調製してもよい、また、シランカップリング剤は、酸化防止剤（４．０％）を含んでもよい。シランオリゴマーの分子鎖のなかに、酸化チタン（ＴｉＯ２）や、二酸化珪素（ＳｉＯ２）が分布する構造となる。尚、価格面では、酸化チタン（ＴｉＯ２）よりも、二酸化珪素（ＳｉＯ２）の方が格段に優れているため好ましく、高耐電圧特性でも、二酸化珪素（ＳｉＯ２）では、１０［ｕｍ］＝７００Ｖａｃ、２０［ｕｍ］＝１５００Ｖａｃ、３０［ｕｍ］＝２２００Ｖａｃと２０［ｕｍ］程度の膜厚でも規格となる１５００Ｖａｃ以上に耐えられる高耐電圧特性が得られた。
【００３２】
図５は、他の絶縁材料の例を示す説明図である。絶縁層７０１〜７０３の構成材料として、シランカップリング剤（シランオリゴマー）の他、パリレン、エポキシ、シリコーン、ウレタンを用いることが出来る。パリレンとは、パラキシリレン系ポリマーの総称であり、ベンゼン環がメチレン基（−ＣＨ２−）を介してつながった構造を有している。ベンゼン環の水素やメチレン基の水素をハロゲン（塩素やフッ素など）に置換することにより、耐熱性を向上させることができる。これらの材料を用いることにより絶縁層７０１〜７０３の厚さが薄くても耐電圧のある絶縁層を形成することができる。パリレンは図５に示すように、大きな耐電圧を有している。パリレンによる絶縁層は、図５（Ｂ）に示すように、原料ダイマーを加熱して気化し、さらに加熱することによりダイマーをモノマーに熱分解し、室温で対象物に蒸着させることにより形成することができる。
【００３３】
図６は、永久磁石２００の表面と一定厚（２．０ｍｍ）のコイルバックヨーク１１５までの間隔の距離をＬ１とし、永久磁石２００の表面からの距離ＸＬに対する磁束密度の関係を示す説明図である。図６において、Ｌ１＝２．０ｍｍのグラフでは、永久磁石からの距離ＸＬが大きくなって行くに従って、磁束密度は小さくなり、距離ＬＸが永久磁石２００表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔であるＬ１＝２．０ｍｍに達したときには、コイルバックヨーク１１５の中に入ってしまうので、磁束密度は大きく下がり、ＸＬ＝４．０ｍｍの点でコイルバックヨーク１１５の外周面を超えたことで０［Ｔ］となっている。Ｌ１＝２．５、３．０、４．０のグラフも同様にＬＸ＝Ｌ１となったときに、磁束密度は大きく下がっている。この永久磁石２００から、コイルバックヨーク１１５までの空間に電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが配置されるため、この間の磁束密度が大きい方が、電動モーター１０を高性能にできる。
【００３４】
永久磁石２００表面からの距離ＬＸが同じ値（例えばＬＸ＝１．０ｍｍ）の時では、永久磁石２００表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔Ｌ１が小さくなると、磁束密度が大きくなることが分かる。すなわち、絶縁層７０１〜７０３や、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの電線１００ＡＬ、１００ＢＬの被覆１００ＡＣ、１００ＢＣを薄くして、永久磁石２００の表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔を短くした方が、電動モーター１０の性能を向上させることができる。
【００３５】
図７は、従来と本願の電動モーターを比較する説明図である。本願では、絶縁層７０１から７０３として上述した材料を用い、絶縁層７０１から７０３の厚さを薄くしている。さらに、図２Ｃによる被覆１００ＡＣ、１００ＢＣを薄くしている。被覆１００ＡＣ、１００ＢＣを薄くしても、上述したように隣接する電線１００ＡＬ間の電位差は大きくは成らないので、隣接する電線１００ＡＬ間の電流リークは起こりにくい。このようにして電動モーターを構成すると、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの厚さ、絶縁層７０２、７０３の厚さを薄くできるので、永久磁石２００の表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔である長さＬ１を短くすることができる。さらに、永久磁石２００表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔が短くなると、磁束密度が大きくなることから、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの巻数を少なくすることができる。その結果、巻線使用量を少なくすると共に、電動モーター１０の小型化が可能となる。
【００３６】
従来のように、電磁コイル１００Ａの電線１００ＡＬの被覆１００ＡＣを厚くする場合、電磁コイルと他の部材との間の耐電圧を上げることができるが、被覆１００ＡＣの厚みにより永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との距離が大きくなってしまうため、磁束密度を大きくすることができず、電動モーター１０の性能向上や小型化が難しかった。しかし、本実施例によれば、被覆１００ＡＣの厚みを薄くしてもよいので、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の距離を小さくすることができる。その結果、コイルバックヨーク１１５の径を小さくすることで、電動モーター１０の小型化を実現することができる。また、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の距離を小さくすることにより、磁束密度を大きくできるので、電動モーター１０の性能を向上することができる。
【００３７】
Ｂ．変形例：
図８は、変形例を示す説明図である。この変形例では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのうち、絶縁を要する部分であるコイルエンドを含む上面部と下面部のみに絶縁層７０２を形成している。このように、電磁コイルについて、絶縁を要する部分だけ絶縁層７０２で覆っても良く、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂの全体を絶縁層７０２で覆っても良い。
【００３８】
図９は、他の変形例を示す説明図である。この変形例では、絶縁層７０３をコイルバックヨーク１１５の内側（電磁コイル１００Ｂ側）に形成している。このように、絶縁層７０３を電磁コイル１００Ｂではなく、コイルバックヨーク１１５に形成してもよい。
【００３９】
図１０は、他の変形例を示す説明図である。この変形例では、絶縁層７０１を永久磁石２００の表面（電磁コイル１００Ａ側）に形成している。このように、絶縁層７０１を電磁コイル１００Ａではなく、永久磁石２００に形成してもよい。なお、この変形例では、永久磁石２００はスリット２０１を有している。スリット２０１内に絶縁層７０１が浸透することで、スリット２０１により、永久磁石２００の破損回避を実現することができる。また、図１の電磁コイル１００Ａの内径には、電動モーター１０で最も大きなトルクが掛かる場所で、ここに絶縁層７０１の層を設けることで、単に電気的絶縁を行う目的以外にも電磁コイル１００Ａの強度補強に繋がる機械的補強としても、電動モーター１０の瞬時最大トルク特性（短期間で始動トルクに近い瞬時トルクを示す特性）に大きく寄与できる。
【００４０】
図１１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、上述した各種のモーター１０を利用することが可能である。
【００４１】
図１２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。
【００４２】
図１３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、モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。このモーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、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、上述した各種のモーター１０を利用することができる。
【００４３】
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】
【００４４】
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
１００ＡＣ、１００ＢＣ…被覆
１００ＡＬ、１００ＢＬ…電線
１１０…ケーシング
１１５…コイルバックヨーク
２００…永久磁石
２３０…回転軸
２６０…コイルバネ
３００…磁気センサー
３１０…回路基板
３２０…コネクタ
７０１〜７０３…絶縁層
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…モーター
３５２０…車輪
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気機械装置の電磁コイルに生じる電圧に対する絶縁技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コイルを形成するための絶縁電線として導体に絶縁材料を塗布して形成された絶縁電線が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２７２１９１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電磁コイルの耐電圧は一般的に規格を満たすための絶縁層の厚みが施されているが、モーターの電磁コイルを形成する場合、円断面の電磁コイル間に空気層が生じ、この空気層が下記の問題を生じさせる。
（１）電磁コイルの占積率を低下させる、
（２）電磁コイルからの発熱温度を外部ケース側への伝達を妨げる、
（３）電磁コイルを樹脂モールド化させる際に、空気層を抜き取る脱泡（脱空気層）時の作業工程時間が大きい。
以上の課題を解決するために、電磁コイルを巻き、巻き終わった後のフォーミング時に加圧後、加熱し（電磁コイルに電流を流すジュール熱）、空気層を最小限とさせる。
この際の、電磁コイル間の絶縁層は薄くなるが、同一相内の電磁コイル間の電位差は、高電圧になることがないので問題は生じない。しかし、相間による電磁コイル間、電磁コイルとローター間、電磁コイルとコイルバックヨーク間では、耐電圧試験のような高耐電圧に対応する必要性が生じた。本発明は、電磁コイルと他の部材との間の耐電圧の向上を図るとともに、モーターの高性能化や小型化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
［適用例１］
電気機械装置であって、第１の絶縁材料で被覆された電線を複数回輪状に巻いてなる電磁コイルと、前記電磁コイルの少なくとも一部を覆うように設けられた第２の絶縁材料で形成された絶縁部と、を備え、前記絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の耐電圧が、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧よりも大きい、電気機械装置。
この適用例によれば、絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の耐電圧が、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧よりも大きいので、絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の電流リークを抑制し、電気機械装置の耐電圧を向上させることができる。
【０００７】
［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置において、前記絶縁部の耐電圧は、電気機械装置に関する規格で規定された耐電圧値を満足し、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧は、前記規格で規定された耐電圧値未満である、電気機械装置。
この適用例によれば、絶縁部の耐電圧は、電気機械装置に関する規格で規定された耐電圧値を満足するように形成すれば、電線の被覆を薄くして電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧を前記規格で規定された耐電圧値未満としても、絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の電流リーク及び電磁コイル内で隣接する電線間の電流リークを抑制できる。その結果、電気機械装置の小型化、高性能化を実現できる。
【０００８】
［適用例３］
適用例１又は２に記載の電気機械装置において、さらに、前記電磁コイルと対向するように設けられている永久磁石を備え、前記絶縁部は、前記電磁コイルの前記永久磁石側に設けられている、電気機械装置。
この適用例によれば、電磁コイルと永久磁石との間の耐電圧を向上させることが出来る。
【０００９】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つに記載の電気機械装置において、さらに、コイルバックヨークを備え、前記電磁コイルは前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間に配置されており、前記絶縁部は、前記電磁コイルと前記コイルバックヨークとの間に設けられている、電気機械装置。
この適用例によれば、電磁コイルとコイルバックヨークとの間の耐電圧を向上させることが出来る。
【００１０】
［適用例５］
適用例１〜４のいずれか一つに記載の電気機械装置において、さらに、前記電磁コイルは複数あり、前記絶縁部は、前記複数の電磁コイル間に設けられている、電気機械装置。
この適用例によれば、２つの電磁コイル間の耐電圧を向上させることが出来る。
【００１１】
［適用例６］
適用例１〜５のいずれか一つに記載の電気機械装置において、前記第２の絶縁材料は、酸化チタン含有シランカップリング剤、パリレン、エポキシ、シリコーン、ウレタンのいずれかである、電気機械装置。
この適用例によれば、これらの材料を用いることにより薄くて耐電圧の大きな絶縁部を形成することができる。
【００１２】
［適用例７］
適用例１〜６のいずれか一つに記載の電気機械装置を備える移動体。
【００１３】
［適用例８］
適用例１〜６のいずれか一つに記載の電気機械装置を備えるロボット。
【００１４】
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、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】
【００１５】
【図１】第１の実施例に掛かる電動モーターの構成を示す説明図である。
【図２Ａ】電磁コイルを電磁コイルが配置される円筒面に沿って展開し回転軸の中心側から見たときの説明図である。
【図２Ｂ】図２Ａの２Ｂ−２Ｂ切断線で切ったときの断面を展開して示す説明図である。
【図２Ｃ】、図２Ａの２Ｃ−２Ｃ切断線で切ったときの断面を拡大して示す説明図である。
【図３】絶縁層を構成するシランカップリング剤の一例を示す説明図である。
【図４】シランカップリング剤に酸化チタンあるいは二酸化珪素を含有させたときの例を示す説明図である。
【図５】他の絶縁材料の例を示す説明図である。
【図６】永久磁石２００の表面と一定厚（２．０ｍｍ）のコイルバックヨーク１１５までの間隔の距離をＬ１とし、永久磁石２００の表面からの距離ＸＬに対する磁束密度の関係を示す説明図である。
【図７】従来と本願の電動モーターを比較する説明図である。
【図８】変形例を示す説明図である。
【図９】他の変形例を示す説明図である。
【図１０】他の変形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／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１２】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１３】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】
【００１６】
Ａ．第１の実施例：
図１は、第１の実施例に掛かる電動モーターの構成を示す説明図である。電動モーター１０は、ステーター１５とローター２０とを備える。ステーター１５が外側に配置されている。ステーター１５の内側には、略円筒状の空間が形成されており、この略円筒状の空間には、略円筒状のローター２０が配置されている。
【００１７】
ステーター１５は、Ａ相用の電磁コイル１００Ａと、Ｂ相用の電磁コイル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、回路基板３１０と、コネクタ３２０と、を備える。ローター２０は、回転軸２３０と、複数の永久磁石２００と、を備える。回転軸２３０は、ローター２０の中心軸であり、回転軸２３０の外周に永久磁石２００が配置されている。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。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、コイルバネ２６０が設けられており、このコイルバネ２６０がローター２０を図の左方向に押すことによって、ローター２０の位置決めを行っている。但し、コイルバネ２６０は省略可能である。
【００１８】
ケーシング１１０は、内側が略円筒形の空間になっており、その内周に沿って複数の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが配置されている。なお、本実施例では、Ａ相用の電磁コイル１００Ａは内側に配置され、Ｂ相用の電磁コイル１００Ｂは外側に配置されている。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、コアレス（空心）である。また、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと永久磁石２００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、電磁コイル１００の回転軸２３０と平行な方向の長さは、永久磁石２００の回転軸２３０と平行な方向の長さよりも長くなっている。すなわち、永久磁石２００から放射方向に投射すると、電磁コイル１００の一部は、投射領域からはみ出る。電磁コイル１００のうち、このはみ出た部分を、「コイルエンド」と呼ぶ。ここで、電磁コイル１００をコイルエンドと、コイルエンド以外の部分と、に分けると、コイルエンドに流れる電流により生じる力の向きは、ローター２０の回転方向と異なる方向（回転軸２３０と平行な方向）であり、コイルエンド以外の部分に流れる電流により生じる力の向きは、ローター２０の回転方向とほぼ同じ方向である。なお、コイルエンドは、コイルエンド以外の部分を挟んで２つあり、両者に生じる力は、互いに反対方向なので、電磁コイル１００全体に掛かる力としては打ち消し合う。本実施例では、コイルエンドと重ならない領域を「有効コイル領域」と呼び、コイルエンドと重なる領域を「有効コイル領域外」と呼ぶ。電磁コイル１００の放射方向外側であって、有効コイル領域と重なる部分には、コイルバックヨーク１１５が設けられている。なお、コイルバックヨーク１１５は、有効コイル領域外と重なっていないことが好ましい。コイルバックヨーク１１５が有効コイル領域外と重なっていると、コイルバックヨーク１１５の有効コイル領域外と重なる部分において、ローター２０の移動方向以外のトルクによる振動・音・発熱が生じ、電動モーター１０の効率を下げて、大トルクの実現が困難となる。
【００１９】
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の各相に対応して１つずつ配置されている。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。回路基板３１０は、モーター１０を制御するための制御部を備えている。回路基板３１０は、コネクタ３２０により、モーター１０の外部回路と接続されている。
【００２０】
図１（Ｂ）は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの近傍を拡大して示す説明図である。永久磁石２００と電磁コイル１００Ａとの間には、絶縁層７０１が配置され、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂとの間には、絶縁層７０２が配置され、電磁コイル１００Ｂとコイルバックヨーク１１５との間には、絶縁層７０３が配置されている。永久磁石２００表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔を長さＬ１、永久磁石２００の表面からコイルバックヨーク１１５の外側までの間隔を長さＬ２とする。長さＬ１、Ｌ２については後述する。
【００２１】
図２Ａは、電磁コイルを電磁コイルが配置される円筒面に沿って展開し回転軸の中心側から見たときの説明図である。図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ−２Ｂ切断線で切ったときの断面を展開して示す説明図である。なお、図２Ａでは、見難くなるため、電磁コイル１００Ａと１００Ｂのみを表示し、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５とを表示していない。電磁コイル１００Ａと１００Ｂとは電気角でπ／２ずれるように配置されている。また、電磁コイル１００Ａと、電磁コイル１００Ｂとは、それぞれのコイルエンドにおいて、重なっている。電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに示した矢印は、あるタイミングにおける電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに流れる電流の向きを示している。図２Ａから明らかなように、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに流れる電流は、交互に時計回り、反時計回りとなっている。
【００２２】
図２Ｃは、図２Ａの２Ｃ−２Ｃ切断線で切ったときの断面を拡大して示す説明図である。この２Ｃ−２Ｃ切断線は、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとが重なる部分を切っている。図２Ｃの左図は、電磁コイルを適正に巻いた後、電磁コイルに電流を流してジュール熱を発生させ、その熱による熱融着で固まった状態を示す。図２Ｃに示すように、電磁コイル１００Ａは、電線１００ＡＬを複数巻することにより形成されている。電磁コイル１００Ｂは、電線１００ＢＬを複数巻することにより形成されている。電線１００ＡＬ及び１００ＢＬは、それぞれ被覆１００ＡＣ、１００ＢＣを有している。電線１００ＡＬ及び１００ＢＬの被覆材料として、例えばポリエステル樹脂を用いることが出来る。図２Ｃの左図に示す状態では、電磁コイル間に空域があり線材の占積率が悪くなっている。なお、この場合、電磁コイル１００Ａの絶縁層一般的絶縁層は高耐圧試験で対応できるため絶縁層７０１，７０２，７０３は不要で、高耐圧試験特性を満たす状況となる。
【００２３】
図２Ｃの右図は、電磁コイルを適正に巻いた後、巻線フォーミング時に加圧しながら熱を掛け熱融着で固まった状態を示す。図２Ｃの右図に示す状態では、絶縁層の変形で空域が無く線材の占積率が格段に向上している。しかし、加圧されたため、例えば矢印１００Ｘで示すように、被覆１００ＡＣの厚みが巻線フォーミング前と比較して２０〜４０％と薄くなっている。その結果、高電圧に耐えられない状況となり、Ａ相電磁コイル１００ＡとＢ相電磁コイル１００Ｂ間、Ａ相電磁コイル１００Ａと永久磁石２００間、Ｂ相電磁コイル１００Ｂとコイルバックヨーク１１５間の高耐圧試験特性を満たさない状況となる虞がある。そのため本実施例では、以下の説明するように、電磁コイル１００Ａ、電磁コイル１００Ｂ上に絶縁層である絶縁層７０１，７０２，７０３を構築することにより、耐電圧の向上を図っている。
【００２４】
電磁コイル１００Ａと１００Ｂとの間には、絶縁層７０２が設けられている。電磁コイル１００Ａと１００Ｂには、それぞれ、電動モーター１０を駆動するための駆動電圧（＋ＶＤＤ〜−ＶＤＤ）が印加される。ここで、電磁コイル１００Ａと１００Ｂに印可される駆動電圧の位相は、ずれている。特にＰＷＭ駆動される場合には、各ＰＷＭのサイクルにおけるデューティの大きさを変えることにより駆動電圧を変えているため、タイミングによっては、Ａ相電磁コイル１００Ａに＋ＶＤＤの電圧が掛かり、Ｂ相電磁コイル１００Ｂに−ＶＤＤの電圧が掛かり、結果として電磁コイル１００Ａと１００Ｂとの間には、２ＶＤＤの電圧が掛かる場合がある。したがって、絶縁層７０２は、この電圧に耐えるようにするため、高耐電圧が要求される。具体的には、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとの間、すなわち絶縁層７０２の耐電圧Ｖｃｏｉｌは、電気用品安全法あるいは、ＥＮ規格、ＩＥＣ規格で定められている。例えば、電気用品安全法では、定格電圧が１５０Ｖ以上のとき１５００Ｖの電圧を１分間印可し、リークする電流量が１０ｍＡ以下である耐電圧を備えていることを規定している。定格電圧が１５０Ｖ以下の場合には１００Ｖ、１分である。ＥＮ規格やＩＥＣ規格では、１５００Ｖ、１分である。が好ましい。一方、電磁コイル１００Ａ内の隣接する電線１００ＡＬ間の耐電圧、すなわち被覆１００ＡＣの耐電圧Ｖｌｉｎｅは、１５００Ｖの電圧に１分間耐える必要はない。なぜなら、電線１００ＡＬは、電気抵抗が小さいので、電線１００ＡＬの数巻き分の長さにおける電線１００ＡＬの電圧降下は極めて小さい。その結果、隣接する電線１００ＡＬ間の電圧差は小さいため、被覆１００ＡＣは、１５００Ｖの電圧に１分間耐えるような高い耐電圧を有する必要がない。電磁コイル１００Ｂを形成する電線１００ＢＬの被覆１００ＢＣについても同様である。
【００２５】
図１（Ｂ）で説明したように、永久磁石２００と電磁コイル１００Ａとの間には、絶縁層７０１が配置されている。永久磁石２００は、例えばネオジムやフェライトなど磁性体材料で形成されており、導電性を有している。永久磁石２００は、回転軸２３０、軸受け２４０を介してケーシング１１０と導通しているので、永久磁石２００の電位はグランドレベルである。一方、電磁コイル１００Ａには、＋ＶＤＤ〜−ＶＤＤの駆動電圧が印可される。したがって、永久磁石２００と電磁コイル１００Ａとの間には電圧がかかるため、永久磁石２００と電磁コイル１００Ａとの間の電流リークを抑制するために、絶縁層７０１は、高い耐電圧を有していることが必要である。
【００２６】
また、電磁コイル１００Ｂとコイルバックヨーク１１５との間には、絶縁層７０３が配置されている。同様にコイルバックヨーク１１５は、導電性のある磁性体材料で形成されており、コイルバックヨーク１１５はケーシング１１０と接触しているため、コイルバックヨーク１１５の電位は、グランドレベルである。同様に、電磁コイル１００Ｂには、＋ＶＤＤ〜−ＶＤＤの電圧が印可されるため、コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ｂとの間の電流リークを抑制するために、絶縁層７０３は、高い耐電圧を有していることが必要である。
【００２７】
図３は、絶縁層を構成するシランカップリング剤の一例を示す説明図である。絶縁層７０１〜７０３（図１、図２Ｃ）は、同じ材料で構成されていてもよい。この実施例では、絶縁層７０１、７０２、７０３には、シランカップリング剤を含んでいる。
【００２８】
図３（Ａ）は、シランカップリング剤であるシラノールの構成を示す説明図である。シラノールは、シラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）と有機官能基を有している。シラノール基の状態では、縮合してしまうので、アルコキシ基（−ＯＲ）を有するシランカップリング剤を用い、縮合するときに加水分解してシラノールを生成することが好ましい。
【００２９】
図３（Ｂ）は、シランカップリング反応を示す説明図である。シランカップリング剤は、シラン（Ｓｉ）に結合したアルコキシ基（−ＯＲ）と、有機官能基Ｒ’と、を有している。アルコキシ基として、メトキシ基（−ＯＣＨ３）、エトキシ基（−ＯＣ２Ｈ５）、2−メトキシ−エトキシ基（−ＯＣＨ２ＣＨ２―ＯＣＨ３）等様々なアルコキシ基を用いることができる。有機官能基Ｒ’として、アミノ基（−ＮＨ２）、エポキシ基（図３（Ａ）参照）、メタクリル基（−ＣＯ−Ｃ（ＣＨ３）＝ＣＨ２）、ビニル基（−ＣＨ＝ＣＨ２）、メルカプト基（チオール基、−ＳＨ）等のいずれかを用いることが出来る。
【００３０】
シランカップリング剤を水溶液に溶かし、シランカップリング剤に希薄水溶液を調製する。次いでこの希薄水溶液を酸性下、あるいはアルカリ性下で処理すると、アルコキシ基が加水分解し、シラノール（Ｓｉ−ＯＨ）が生成される。加水分解速度は、アルコキシ基が小さいほど早く、大きいほど遅い。次に、希薄水溶液に、電磁コイル１００Ａを浸し、あるいは、電磁コイル１００Ａに希薄水溶液を噴霧する。このとき、加水分解反応で生成したシラノールは、徐々に縮合してシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）となり、シランオリゴマーを形成する。このときの反応は、脱水縮合反応なので、加熱（例えば、１２５℃、２時間）して水を取り除くことにより、縮合反応を進行させることができる。また、シラノールは、電磁コイル１００Ａの電線１００ＡＬの被覆１００ＡＣ（図２Ｃ）の表面と、水素結合を介し、さらに脱水縮合反応を経て、被覆１００ＡＣの表面と共有結合し、電磁コイル１００Ａの表面に絶縁層７０２を形成する。絶縁層７０１、７０３も同様にして形成することができる。
【００３１】
図４は、シランカップリング剤に酸化チタンあるいは二酸化珪素を含有させたときの例を示す説明図である。シランカップリング剤を用いて絶縁層７０１〜７０３を形成する場合、シランカップリング剤に酸化チタン（ＴｉＯ２）や、二酸化珪素（ＳｉＯ２）を加えても良い。このとき、シランオリゴマー中のシランカップリング剤と酸化チタンの質量パーセントが、それぞれ４７．５Ｗｔ％、４８．５Ｗｔ％となるように調製してもよい、また、シランカップリング剤は、酸化防止剤（４．０％）を含んでもよい。シランオリゴマーの分子鎖のなかに、酸化チタン（ＴｉＯ２）や、二酸化珪素（ＳｉＯ２）が分布する構造となる。尚、価格面では、酸化チタン（ＴｉＯ２）よりも、二酸化珪素（ＳｉＯ２）の方が格段に優れているため好ましく、高耐電圧特性でも、二酸化珪素（ＳｉＯ２）では、１０［ｕｍ］＝７００Ｖａｃ、２０［ｕｍ］＝１５００Ｖａｃ、３０［ｕｍ］＝２２００Ｖａｃと２０［ｕｍ］程度の膜厚でも規格となる１５００Ｖａｃ以上に耐えられる高耐電圧特性が得られた。
【００３２】
図５は、他の絶縁材料の例を示す説明図である。絶縁層７０１〜７０３の構成材料として、シランカップリング剤（シランオリゴマー）の他、パリレン、エポキシ、シリコーン、ウレタンを用いることが出来る。パリレンとは、パラキシリレン系ポリマーの総称であり、ベンゼン環がメチレン基（−ＣＨ２−）を介してつながった構造を有している。ベンゼン環の水素やメチレン基の水素をハロゲン（塩素やフッ素など）に置換することにより、耐熱性を向上させることができる。これらの材料を用いることにより絶縁層７０１〜７０３の厚さが薄くても耐電圧のある絶縁層を形成することができる。パリレンは図５に示すように、大きな耐電圧を有している。パリレンによる絶縁層は、図５（Ｂ）に示すように、原料ダイマーを加熱して気化し、さらに加熱することによりダイマーをモノマーに熱分解し、室温で対象物に蒸着させることにより形成することができる。
【００３３】
図６は、永久磁石２００の表面と一定厚（２．０ｍｍ）のコイルバックヨーク１１５までの間隔の距離をＬ１とし、永久磁石２００の表面からの距離ＸＬに対する磁束密度の関係を示す説明図である。図６において、Ｌ１＝２．０ｍｍのグラフでは、永久磁石からの距離ＸＬが大きくなって行くに従って、磁束密度は小さくなり、距離ＬＸが永久磁石２００表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔であるＬ１＝２．０ｍｍに達したときには、コイルバックヨーク１１５の中に入ってしまうので、磁束密度は大きく下がり、ＸＬ＝４．０ｍｍの点でコイルバックヨーク１１５の外周面を超えたことで０［Ｔ］となっている。Ｌ１＝２．５、３．０、４．０のグラフも同様にＬＸ＝Ｌ１となったときに、磁束密度は大きく下がっている。この永久磁石２００から、コイルバックヨーク１１５までの空間に電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが配置されるため、この間の磁束密度が大きい方が、電動モーター１０を高性能にできる。
【００３４】
永久磁石２００表面からの距離ＬＸが同じ値（例えばＬＸ＝１．０ｍｍ）の時では、永久磁石２００表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔Ｌ１が小さくなると、磁束密度が大きくなることが分かる。すなわち、絶縁層７０１〜７０３や、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの電線１００ＡＬ、１００ＢＬの被覆１００ＡＣ、１００ＢＣを薄くして、永久磁石２００の表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔を短くした方が、電動モーター１０の性能を向上させることができる。
【００３５】
図７は、従来と本願の電動モーターを比較する説明図である。本願では、絶縁層７０１から７０３として上述した材料を用い、絶縁層７０１から７０３の厚さを薄くしている。さらに、図２Ｃによる被覆１００ＡＣ、１００ＢＣを薄くしている。被覆１００ＡＣ、１００ＢＣを薄くしても、上述したように隣接する電線１００ＡＬ間の電位差は大きくは成らないので、隣接する電線１００ＡＬ間の電流リークは起こりにくい。このようにして電動モーターを構成すると、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの厚さ、絶縁層７０２、７０３の厚さを薄くできるので、永久磁石２００の表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔である長さＬ１を短くすることができる。さらに、永久磁石２００表面からコイルバックヨーク１１５までの間隔が短くなると、磁束密度が大きくなることから、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの巻数を少なくすることができる。その結果、巻線使用量を少なくすると共に、電動モーター１０の小型化が可能となる。
【００３６】
従来のように、電磁コイル１００Ａの電線１００ＡＬの被覆１００ＡＣを厚くする場合、電磁コイルと他の部材との間の耐電圧を上げることができるが、被覆１００ＡＣの厚みにより永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との距離が大きくなってしまうため、磁束密度を大きくすることができず、電動モーター１０の性能向上や小型化が難しかった。しかし、本実施例によれば、被覆１００ＡＣの厚みを薄くしてもよいので、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の距離を小さくすることができる。その結果、コイルバックヨーク１１５の径を小さくすることで、電動モーター１０の小型化を実現することができる。また、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の距離を小さくすることにより、磁束密度を大きくできるので、電動モーター１０の性能を向上することができる。
【００３７】
Ｂ．変形例：
図８は、変形例を示す説明図である。この変形例では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのうち、絶縁を要する部分であるコイルエンドを含む上面部と下面部のみに絶縁層７０２を形成している。このように、電磁コイルについて、絶縁を要する部分だけ絶縁層７０２で覆っても良く、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂの全体を絶縁層７０２で覆っても良い。
【００３８】
図９は、他の変形例を示す説明図である。この変形例では、絶縁層７０３をコイルバックヨーク１１５の内側（電磁コイル１００Ｂ側）に形成している。このように、絶縁層７０３を電磁コイル１００Ｂではなく、コイルバックヨーク１１５に形成してもよい。
【００３９】
図１０は、他の変形例を示す説明図である。この変形例では、絶縁層７０１を永久磁石２００の表面（電磁コイル１００Ａ側）に形成している。このように、絶縁層７０１を電磁コイル１００Ａではなく、永久磁石２００に形成してもよい。なお、この変形例では、永久磁石２００はスリット２０１を有している。スリット２０１内に絶縁層７０１が浸透することで、スリット２０１により、永久磁石２００の破損回避を実現することができる。また、図１の電磁コイル１００Ａの内径には、電動モーター１０で最も大きなトルクが掛かる場所で、ここに絶縁層７０１の層を設けることで、単に電気的絶縁を行う目的以外にも電磁コイル１００Ａの強度補強に繋がる機械的補強としても、電動モーター１０の瞬時最大トルク特性（短期間で始動トルクに近い瞬時トルクを示す特性）に大きく寄与できる。
【００４０】
図１１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、上述した各種のモーター１０を利用することが可能である。
【００４１】
図１２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。
【００４２】
図１３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、モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。このモーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、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、上述した各種のモーター１０を利用することができる。
【００４３】
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】
【００４４】
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
１００ＡＣ、１００ＢＣ…被覆
１００ＡＬ、１００ＢＬ…電線
１１０…ケーシング
１１５…コイルバックヨーク
２００…永久磁石
２３０…回転軸
２６０…コイルバネ
３００…磁気センサー
３１０…回路基板
３２０…コネクタ
７０１〜７０３…絶縁層
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…モーター
３５２０…車輪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械装置であって、
第１の絶縁材料で被覆された電線を複数回輪状に巻いてなる電磁コイルと、
前記電磁コイルの少なくとも一部を覆うように設けられた第２の絶縁材料で形成された絶縁部と、
を備え、
前記絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の耐電圧が、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧よりも大きい、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、
前記絶縁部の耐電圧は、電気機械装置に関する規格で規定された耐電圧値を満足し、
前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧は、前記規格で規定された耐電圧値未満である、電気機械装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電気機械装置において、さらに、
前記電磁コイルと対向するように設けられている永久磁石を備え、
前記絶縁部は、前記電磁コイルの前記永久磁石側に設けられている、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、さらに、
コイルバックヨークを備え、
前記電磁コイルは前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間に配置されており、
前記絶縁部は、前記電磁コイルと前記コイルバックヨークとの間に設けられている、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において、さらに、
前記電磁コイルは複数あり、
前記絶縁部は、前記複数の電磁コイル間に設けられている、電気機械装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械装置において、
前記第２の絶縁材料は、酸化チタン含有シランカップリング剤、パリレン、エポキシ、シリコーン、ウレタンのいずれかである、電気機械装置。
【請求項７】
請求項１〜６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８】
請求項１〜６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１】
電気機械装置であって、
第１の絶縁材料で被覆された電線を複数回輪状に巻いてなる電磁コイルと、
前記電磁コイルの少なくとも一部を覆うように設けられた第２の絶縁材料で形成された絶縁部と、
を備え、
前記絶縁部を挟んだ外部と前記電磁コイルとの間の耐電圧が、前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧よりも大きい、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、
前記絶縁部の耐電圧は、電気機械装置に関する規格で規定された耐電圧値を満足し、
前記電磁コイル内で隣接する電線間の耐電圧は、前記規格で規定された耐電圧値未満である、電気機械装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電気機械装置において、さらに、
前記電磁コイルと対向するように設けられている永久磁石を備え、
前記絶縁部は、前記電磁コイルの前記永久磁石側に設けられている、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、さらに、
コイルバックヨークを備え、
前記電磁コイルは前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間に配置されており、
前記絶縁部は、前記電磁コイルと前記コイルバックヨークとの間に設けられている、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において、さらに、
前記電磁コイルは複数あり、
前記絶縁部は、前記複数の電磁コイル間に設けられている、電気機械装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械装置において、
前記第２の絶縁材料は、酸化チタン含有シランカップリング剤、パリレン、エポキシ、シリコーン、ウレタンのいずれかである、電気機械装置。
【請求項７】
請求項１〜６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８】
請求項１〜６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。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１７８９５７（Ｐ２０１２−１７８９５７Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４１９０８（Ｐ２０１１−４１９０８）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【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９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【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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