JP2013027271A - 電気機械装置、ロボット及び移動体 - Google Patents

Abstract

【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、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２００、を有するローター２０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１００Ａ、１００Ｂ、前記電磁コイルを挟んで前記永久磁石とは反対側の円筒面に配置されたコイルバックヨーク１１５、を有するステーター１５と、を備え、前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間の間隔をＬ１、前記コイルバックヨークの厚さをＬ２とするとき、前記コイルバックヨークの外周面から漏れる最大漏磁束密度が２０ミリテスラ以下となるように、前記間隔Ｌ１、厚さＬ２の値が設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械装置、ロボット及び移動体に関する。

回転可能な回転シャフトと、筒状に形成されたステータコアと、回転シャフトに固設されたロータコアと、異なる磁性の一組の磁極が、ロータコアの径方向に並ぶようにロータコアに設定された磁石と、ステータコアの外周に設けられた磁界ヨークと、を備えるモーターが知られている（例えば特許文献１）。

特開２００８−４３０９９号公報

コイルバックヨーク幅厚を同サイズのまま、電磁コイルの線径調整により積層厚を薄くし、ローター磁石表面とコイルバックヨーク内周の間を狭めて電磁コイルへの磁束密度を高めることで高トルク化を図ったところ、無負荷特性にも関わらず大きな鉄損失が生じていることが判ってきた。この原因を調べてみると、ローター磁石表面とコイルバックヨーク内周の間を狭めると、ローター磁石表面の磁束密度が増加し、トルクを高めるが、一方、コイルバックヨークの飽和磁束密度を超えてしまい、コイルバックヨークの外周への磁束漏れが増加し、ケーシングで渦電流損失が増加し、鉄損失が増加したことが原因であると判ってきた。

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。

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。

［適用例１］
中心軸、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、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、前記電磁コイルの外周面に沿って配置されたコイルバックヨーク、を有するステーターと、を備え、前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間の間隔をＬ１、前記コイルバックヨークの厚さをＬ２とするとき、前記コイルバックヨークの外周面から漏れる最大漏磁束密度が２０ミリテスラ以下となるように、前記間隔Ｌ１、厚さＬ２の値が設定されている、電気機械装置。
この適用例によれば、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可能となる。

［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置において、前記厚さＬ２は、２．５ｍｍ以上の値である、電気機械装置。
この適用例によれば、コイルバックヨークからの最大漏磁束密度が２０ミリテスラ以下にすることができる。

［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の電気機械装置において、前記間隔Ｌ１は、３ｍｍ以下の値である、電気機械装置。
この適用例によれば、渦電流損失を抑制したまま電気機械装置のトルクを大きくすることができる。
［適用例４］
適用例２または３に記載の電気機械装置において、前記間隔Ｌ１は２ｍｍであり、前記厚さＬ２は２．５ｍｍである、電気機械装置。
この適用例によれば、電気機械装置の大きさを小さくすることが可能となる。

［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。

［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。

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。

コアレスモーターの構成を示す説明図である。 コイルバックヨーク１１５と電磁コイル１００Ａ１００Ｂ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。 永久磁石表面の磁束密度とコイルバックヨークからの漏磁束密度の測定を模式的に示す説明図である。 永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を２ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の磁石表面磁束密度を示す説明図である。 永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を２ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎のコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度を示す説明図である。 永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を３ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の磁石表面磁束密度を示す説明図である。 永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を３ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎のコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度を示す説明図である。 永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を４ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の磁石表面磁束密度を示す説明図である。 永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を４ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎のコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度を示す説明図である。 渦電流損失の測定方法の一例を示す説明図である。 サンプルＳ０１〜Ｓ０９について、磁石表面磁束密度、コイルバックヨークからの漏磁束密度、渦電流損失を比較する説明図である。 図６Ａのサンプルの並び順を変更したものである。 永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１毎の渦電流損失のコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２依存性を示す説明図である。 コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の渦電流損失の永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の間隔Ｌ１依存性を示す説明図である。 永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１毎の磁石表面磁束密度のコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２依存性を示す説明図である。 永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１毎のコイルバックヨーク１１５からの漏れ磁束密度のコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２依存性を示す説明図である。 コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の磁石表面磁束密度の永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５と間隔Ｌ１依存性を示す説明図である。 コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎のコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度の永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５と間隔Ｌ１依存性を示す説明図である。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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極の永久磁石２００が配置されている。６極の永久磁石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。尚、本実施例では、着磁方向は、ラジアル方向（放射方向、あるいは中心方向）を採用しているが、永久磁石２００の着磁方向は、ラジアル方向、パラレル方向のどちらの着磁でもよい。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図３は、永久磁石表面の磁束密度とコイルバックヨークからの漏磁束密度の測定を模式的に示す説明図である。本実施例では、永久磁石２００の表面に磁束密度センサー３０１Ａを配置し、コイルバックヨーク１１５の外側表面に磁束密度センサー３０１Ｂを配置して、永久磁石２００の表面の磁束密度（以下、「磁石表面磁束密度」と呼ぶ。）と、コイルバックヨーク１１５から漏れる漏磁束密度（以下、「コイルバックヨークからの漏磁束密度」と呼ぶ。）を測定する。本実施例では、永久磁石２００の直径をＬ０、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔をＬ１、コイルバックヨーク１１５の厚さをＬ２とし、間隔Ｌ１の値と、厚さＬ２の値をそれぞれ変更して、磁石表面磁束密度とコイルバックヨークからの漏磁束密度とを測定している。

図４Ａは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を２ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の磁石表面磁束密度を示す説明図である。図４Ｂは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を２ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎のコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度を示す説明図である。図４Ｃは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を３ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の磁石表面磁束密度を示す説明図である。図４Ｄは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を３ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎のコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度を示す説明図である。図４Ｅは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を４ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の磁石表面磁束密度を示す説明図である。図４Ｆは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を４ｍｍとしたときのコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎のコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度を示す説明図である。なお、ここでは隣接する２極の永久磁石２００の境界位置に磁束密度センサー３０１Ａが位置しているときの電気角の位相を０°、１８０°とし、位相１５°毎に磁束密度を測定している。磁石表面磁束密度は、位相９０°を中心とした領域、すなわち、永久磁石２００の周方向のほぼ中心、あるいは、隣接する永久磁石２００から最も遠い位置で大きくなっている。一方、コイルバックヨークからの漏磁束密度は、端に近い領域を中心とした領域で大きくなっている。なお、本実施例では、上述したように１５°毎に磁束密度を測定しているため、コイルバックヨークからの漏磁束密度は、位相が１５°あるいは１６５°になる点で測定値が大きくなっている。

図４Ａに示される、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が２ｍｍのサンプルＳ０１、Ｓ０２、Ｓ０３の３本のグラフを比較すれば、磁石表面磁束密度は、Ｌ２の値にかかわらずほぼ同じ値である。間隔Ｌ１が３ｍｍのサンプルＳ０４、Ｓ０５、Ｓ０６（図４Ｃ）、間隔Ｌ１が４ｍｍのサンプルＳ０７、Ｓ０８、Ｓ０９（図４Ｅ）においても同様に磁石表面磁束密度の値は、Ｌ２の値にかかわらずほぼ同じ値である。したがって、磁石表面磁束密度は、コイルバックヨークの厚さＬ２の影響をあまり受けていないことがわかる。

一方、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が同じ厚さ２ｍｍであり、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が異なるサンプルＳ０１（図４Ａ）、サンプルＳ０４（図４Ｃ）、サンプルＳ０７（図４Ｅ）の３本のグラフを比較すれば、間隔Ｌ１が２ｍｍと一番小さいサンプルＳ０１（図４Ａ）が、磁石表面磁束密度が一番大きく、サンプルＳ０４（図４Ｃ）、Ｓ０７（図４Ｅ）の順であり、間隔Ｌ１が小さくなると、磁石表面磁束密度が小さくなっている、すなわち、磁石表面磁束密度は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１の影響を受けている。コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が同じ厚さ３ｍｍであるサンプルＳ０２（図４Ａ）、Ｓ０５（図４Ｂ）、Ｓ０８（図４Ｃ）あるいは、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が同じ厚さ４ｍｍであるサンプルＳ０３（図４Ａ）、Ｓ０６（図４Ｂ）、Ｓ０９（図４Ｃ）についても同様に、間隔Ｌ１が一番小さいサンプルＳ０４、Ｓ０７が、それぞれ磁石表面磁束密度が一番大きく、間隔Ｌ１が大きくなるにつれて磁石表面磁束密度が小さくなっている。すなわち、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が小さい方が、磁石表面磁束密度が大きく、間隔Ｌ１が大きい方が、磁石表面磁束密度が小さい。ここで、磁石表面磁束密度が大きい方が、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂ（図１）を貫く磁束を大きくできるので、コアレスモーターのトルクを大きくできる。したがって、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を小さくした方が、コアレスモーター１０のトルクを大きくすることが可能となる。

図４Ｂ、４Ｄ、４Ｆを比較すればわかるように、コイルバックヨークからの漏磁束密度は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１と、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２の両方の影響を受ける。例えば、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が２ｍｍのサンプルＳ０１、Ｓ０２、Ｓ０３の３本のグラフ（図４Ｂ）を比較すれば、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が小さい方がコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度が大きくなっており、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が大きい方がコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度が小さくなっている。永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が３ｍｍのサンプルＳ０４、Ｓ０５、Ｓ０６（図４Ｄ）においては、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２．５ｍｍ、３ｍｍのサンプルＳ０５、Ｓ０６は、ほぼゼロになっているが、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２ｍｍのサンプルＳ０４は、３９．７ミリテスラ（サンプルＳ０４）となっている。また、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が４ｍｍのサンプルＳ０７、Ｓ０８、Ｓ０９（図４Ｆ）においては、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２．５ｍｍ、３ｍｍのサンプルＳ０８、Ｓ０９は、ほぼゼロになっているが、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２ｍｍのサンプルＳ０７は、８．５ミリテスラとなっている。いずれも、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が小さい方が、コイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度が大きくなっている。

コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２ｍｍのサンプルＳ０１（図４Ｂ）、サンプルＳ０４（（図４Ｄ）、サンプルＳ０７（図４Ｆ）の３つのグラフを比較すれば、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が小さい方が、漏磁束密度が大きくなっており、間隔Ｌ１が大きい方が、漏磁束密度が小さくなっている。コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が３ｍｍのサンプルＳ０２（図４Ｂ）、サンプルＳ０５（（図４Ｄ）、サンプルＳ０８（図４Ｆ）の３つのサンプルの比較、あるいは、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が４ｍｍのサンプルＳ０３（図４Ｂ）、サンプルＳ０６（（図４Ｄ）、サンプルＳ０９（図４Ｆ）の３つのサンプルの比較においても同様である。すなわち、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が近いほど漏磁束密度が大きくなっており、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が大きいほど漏磁束密度が小さくなっている。このように、コイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１と、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２との両方の影響を受けている。

図５は、渦電流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（例えば８０００回転）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。

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２０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。

ステップ３では、被測定モーター１０のローター２０にコイルバックヨーク１１５を加えてステップ１、２と同じ回転数Ｎで回転させて、標準モーター１０１０に加える電圧Ｅ３と電流Ｉ３を測定する。このときの標準モーター１０１０の総損失Ｐ３ａｌｌは、Ｅ３×Ｉ３となる。また、総損失Ｐ３ａｌｌは、ステップ２で測定した総損失Ｐ２ａｌｌに、コイルバックヨーク１１５に生じる渦電流による渦電流損失Ｐｅｄｄｙ１を加えたものである。ここで、渦電流とは、金属板（アルミニウム製など）などの導電体を強い磁界内で動かしたり、導電体の近傍の磁界を急激に変化させたりした際に、電磁誘導効果により導電体内で生じる渦状の電流のことである。コイルバックヨーク１１５に生じる渦電流による渦電流損失Ｐｅｄｄｙ１は、（Ｐ３ａｌｌ−Ｐ２ａｌｌ）で算出することができる。

ステップ４では、ステップ３の構成のコイルバックヨーク１１５にケーシング１１０（図１）の円筒形部分１１０ａを加えてステップ１、２、３と同じ回転数Ｎで回転させて、標準モーター１０１０に加える電圧Ｅ４と電流Ｉ４を測定する。このときの標準モーター１０１０の総損失Ｐ４ａｌｌは、Ｅ４×Ｉ４となる。また、総損失Ｐ４ａｌｌは、ステップ３で測定した総損失Ｐ３ａｌｌに、円筒形部分１１０ａに生じる渦電流による渦電流損失Ｐｅｄｄｙ２を加えたものである。円筒形部分１１０ａに生じる渦電流による渦電流損失Ｐｅｄｄｙ２は、（Ｐ４ａｌｌ−Ｐ３ａｌｌ）で算出することができる。

図６Ａは、サンプルＳ０１〜Ｓ０９について、磁石表面磁束密度、コイルバックヨークからの漏磁束密度、渦電流損失を比較する説明図である。図６Ｂは、図６Ａのサンプルの並び順を変更したものである。図６Ａは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１の順に並べ、間隔Ｌ１が同じ値のものにつき、コイルバックヨークの厚さＬ２順に並べている、一方、図６Ｂでは、コイルバックヨークの厚さＬ２の順に並べ、厚さＬ２が同じ値のものにつき、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１の順に並べている。図６Ａ、６Ｂにおいて、磁石表面磁束密度及びコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度の値については、図４Ａ〜４Ｆにおける各条件（永久磁石２００とコイルバックヨークの間隔Ｌ１、コイルバックヨークの厚さＬ２）のグラフの値のうち、最大値を用いている。

図７Ａは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１毎の渦電流損失のコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２依存性を示す説明図である。永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の間隔Ｌ１を２ｍｍとしたとき、コイルバックヨークの厚さＬ２を２ｍｍから大きくしていくと、渦電流損失は急激に減少していき、厚さＬ２が２．５ｍｍ以上になると、渦電流損失は２Ｗ以下でほぼ変わらなくなる。永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の間隔Ｌ１を３ｍｍとしたときも同様に、コイルバックヨークの厚さＬ２を２ｍｍから大きくしていくと、渦電流損失は急激に減少していき、厚さＬ２が２．５ｍｍ以上となると、渦電流損失は２Ｗ以下でほぼ変わらなくなる。これに対し、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の間隔Ｌ１が４ｍｍのときは、コイルバックヨークの厚さＬ２の値（２ｍｍ〜４ｍｍ）にかかわらず２Ｗ以下である。以上の結果から、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２を２．５ｍｍ以上にするか、あるいは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の間隔Ｌ１を４ｍｍにすれば、渦電流損失を２Ｗ以下にすることが可能となる。なお、この条件を満たすサンプルは、図６Ａ、６Ｂに示した９個のサンプルの中では、サンプルＳ０２、Ｓ０３、Ｓ０５〜Ｓ０９が該当する。

図７Ｂは、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の渦電流損失の永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の間隔Ｌ１依存性を示す説明図である。３本のグラフを比較すればわかるように、グラフはほぼ直線であり、渦電流損失は、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を大きくすると、ほぼ比例して渦電流損失が減少している。ただし、コイルバックヨークの厚さＬ２が小さいとき（例えばＬ２＝２ｍｍ）は、グラフの傾きが大きく、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を大きくすると、渦電流損の減少の度合いが大きい。これに対し、コイルバックヨークの厚さＬ２が厚いとき（例えばＬ２＝２．５ｍｍ、３ｍｍ）のときは、グラフの傾きが小さいため、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を大きくしても、渦電流損の減少の度合いが大きくない。なお、渦電流損失２Ｗ以下を満たすサンプルは、同様に、サンプルＳ０２、Ｓ０３、Ｓ０５〜Ｓ０９が該当する。

図８Ａは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１毎の磁石表面磁束密度のコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２依存性を示す説明図である。永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１が同じ値であれば、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２を２ｍｍから３ｍｍまで変えても、磁石表面磁束密度は、ほぼ同じ値となることがわかる。永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を決めてしまえば、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２の値にかかわらず磁石表面磁束密度はほとんど変わらない。磁石表面磁束密度が決まれば、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを貫く磁束の大きさが決まり、コアレスモーター１０のトルクが決まる。したがって、所望するトルクの大きさに応じて、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を決めればよい。なお、グラフを詳しく見れば、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２ｍｍから２．５ｍｍまでの間では磁石表面磁束密度は増加傾向にあり、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２．５ｍｍから３ｍｍまでの間ではほぼ一定である。したがって、磁石表面磁束密度を十分に大きくするためにはコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２を２．５ｍｍ以上にすることが好ましい。

図８Ｂは、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１毎のコイルバックヨーク１１５からの漏れ磁束密度のコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２依存性を示す説明図である。コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲では、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が厚くなると漏れ磁束密度は大きく減少するが（例えば、Ｌ１＝２ｍｍのとき、約１６０ｍＴ／ｍｍ、Ｌ１＝３ｍｍのとき、約８０ｍＴ／ｍｍ、Ｌ１＝４ｍｍのとき約１７ｍＴ／ｍｍ）、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲では、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が厚くなっても漏れ磁束密度は大きく減少しない（例えばＬ１＝２ｍｍのとき約２０ｍＴ／ｍｍ）。したがって、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２が２．５ｍｍより厚くなっても、漏れ磁束密度を小さくする効果は大きくない。ここで、コイルバックヨーク１１５を漏れた磁束は、ケーシング１１０の円筒形部分１１０ａを貫き、磁束の変化が円筒形部分１１０ａに渦電流を引き起こす。よって、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２を２．５ｍｍより厚くしても、渦電流損失を大きく減らすことは難しい。なお、渦電流損失のみを考慮すれば、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２を厚くすればよいが、一方、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２を厚くしすぎると、コアレスモーター１０の大きさを大きくすることになるため、好ましくない。

図８Ｃは、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎の磁石表面磁束密度の永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５と間隔Ｌ１依存性を示す説明図である。永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を広くしていくと、ほぼ比例して磁石表面磁束密度が小さくなっている。そして、磁石表面磁束密度の大きさは、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２に依存せず、ほぼ同じ大きさである。

図８Ｄは、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２毎のコイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度の永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５と間隔Ｌ１依存性を示す説明図である。永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を広くしていくと、コイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度が小さくなっている。図７Ａ、図７Ｂで説明したように、渦電流損失２Ｗ以下であるサンプルＳ０２、Ｓ０３、Ｓ０５〜Ｓ０９を満たすには、コイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度が約２０ミリテスラ以下とすることが好ましいことがわかる。なお、サンプルＳ０３は若干２０ミリテスラを越えている。

以上のことから、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間隔Ｌ１を小さくしてコアレスモーター１０のトルクを大きくすることが好ましい。例えば間隔Ｌ１は３ｍｍ以下が好ましく、さらに２ｍｍ以下が好ましい。ここで、間隔Ｌ１を小さくすると、コイルバックヨーク１１５からの漏磁束密度が大きくなり、コイルバックヨーク１１５の外側に配置されているケーシング１１０（図１）で生じる渦電流損失が大きくなるので、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２を厚くして、漏磁束密度を２０ミリテスラ以下となるようにすることが好ましい。上述したように、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２は、２．５ｍｍ以上が好ましい。ただし、コイルバックヨークの厚さＬ２を大きくしすぎると、コアレスモーター１０が大きくなるので、コイルバックヨークの厚さＬ２の厚さは、渦電流損失を是認できる範囲内で出来る限り薄い値を採用することが好ましい。実験の結果から、コイルバックヨークの厚さＬ２が２．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲内では、磁石表面磁束密度、および漏磁束密度がほぼ一定であり、２．５ｍｍのときの値と、３ｍｍの時の値の差がほとんど無い。したがって、この中でコイルバックヨークが出来る限り薄くなるようにコイルバックヨーク１１５の厚さＬ２を決定することが好ましく、例えばＬ２＝２．５ｍｍを採用することが好ましい。なお、本実施例では、永久磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の間隔Ｌ１を１ｍｍ毎、コイルバックヨーク１１５の厚さＬ２を０．５ｍｍ毎に変えて磁石表面磁束密度、および漏磁束密度を測定しているため、間隔Ｌ１は３ｍｍ以下、厚さＬ２は２．５ｍｍが最も良い結果となったが、間隔Ｌ１、厚さＬ２の刻みをさらに細かくして磁石表面磁束密度や漏磁束密度測定すれば、最良の値としてもっと細かい値を得ることが可能である。

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、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することが可能である。

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、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することが可能である。

図１１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。

図１２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。

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。

１０…コアレスモーター（被測定モーター）
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
１１０ｂ…板状部分
１１０ｃ…ネジ穴
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
２６０…波バネ座金
３００…磁気センサー
３０１Ａ、３０１Ｂ…磁束密度センサー
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２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
Ｎ…回転数
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４…電圧
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４…電流
Ｌ１…間隔
Ｌ２…厚さ
Ｓ０１〜Ｓ０９…サンプル
Ｐ１ａｌｌ…第１の総損失
Ｐ２ａｌｌ…第２の総損失
Ｐ３ａｌｌ…第３の総損失
Ｐ４ａｌｌ…第４の総損失
Ｐ１ｃｕ…銅損失
Ｐ１ｆｅ…鉄損失
Ｐｅｄｄｙ１…渦電流損失
Ｐｅｄｄｙ２…渦電流損失
Ｐ１ｍ…機械損失
Ｐ２ｍ…機械損失

Claims (6)

1. 中心軸、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、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、前記電磁コイルの外周面に沿って配置されたコイルバックヨーク、を有するステーターと、
   を備え、
   前記永久磁石と前記コイルバックヨークとの間の間隔をＬ１、前記コイルバックヨークの厚さをＬ２とするとき、前記コイルバックヨークの外周面から漏れる最大漏磁束密度が２０ミリテスラ以下となるように、前記間隔Ｌ１、厚さＬ２の値が設定されている、電気機械装置。
2. 請求項１に記載の電気機械装置において、
   前記間隔Ｌ１は、３ｍｍ以下の値である、電気機械装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気機械装置において、
   前記厚さＬ２は、２．５ｍｍ以上の値である、電気機械装置。
4. 請求項２または３に記載の電気機械装置において、
   前記間隔Ｌ１は２ｍｍであり、前記厚さＬ２は２．５ｍｍである、電気機械装置。
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。
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。

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