JP2021097546A

JP2021097546A - 円環コイルおよびコアレス回転電気機械

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Publication number: JP2021097546A
Application number: JP2019228818A
Authority: JP
Inventors: 学白木; Manabu Shiraki; 白木　　学; 邦幸田中; Kuniyuki Tanaka
Original assignee: Coreless Motor Co Ltd
Current assignee: Coreless Motor Co Ltd
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24

Abstract

【課題】コアレス回転電気機械で、ヨーク側の回転に伴う反トルクの影響により円環コイルの自由端（開放端）が歪み、マグネットまたはヨークとの接触事故を起こすことを防止する。【解決手段】複数の導線からなり円筒状に形成されコアレス回転電気機械に用いられる円環コイルである。コイル導線とコイル間絶縁材とをポリイミド等の樹脂で固めた円環状のコイル本体の周面に炭素繊維強化プラスチック（CFRP）からなる前記コイル本体の肉厚より薄い材料からなるフィルムシートを積層貼着した。【選択図】図２

Description

本発明は円環コイルおよびコアレス回転電気機械に係り、特に円環コイルの変形強度を増した円環コイルおよびコアレス回転電気機械に関する。

コアレスモータに代表されるコアレス回転電気機械は、特許文献１に記載されているように、円筒ケースの中央部に回転シャフトを回転支持し、また、シャフトと同心円状に配置された円環コイルを固定配置するとともに、円環コイルの内周側と外周側にはシャフトとともに回転し得るインナヨークとアウタヨークを設け、インナヨーク若しくはアウタヨークの円環コイルと対面する部位にマグネットを配置した構成となっている。円環コイルは、銅をエッチングして帯状導線として巻回し、あるいは絶縁層と熱融着層が外周面上に形成された導線を巻回し、この巻回された導線を加熱下でプレス成形して円筒形状のコイルを作製するものとされる。

従来の円環コイルには、熱融着層として例えばポリイミドが使用され、円環形状を保持するようになっているものがある。また、更に、特許文献２に示されるように、円環コイルの内周面と外周面に未硬化の熱硬化性樹脂を塗布し、加熱硬化させて固めている。このような円環コイルは片端部を固定ディスクにより堅固に固定され、もう一方の端部は自由端（開放端）となって、いわゆる片持ち状態でモータに取り付けられている。装着に際しては、自由端（開放端）側をヨークとマグネットとの間の小さな円環隙間から挿入する。これにより、円環コイルとマグネットやヨーク等の回転子との相対的な速度が速くなっても、コイルと回転子との接触を防止し、円環コイルの損傷が防止される。

ところが、モータを駆動してしまうと、マグネット側にトルクが働き、逆に円環コイルに反トルクが生じてしまう。円環コイルの一端が固定されているため、自由端（開放端）側が反トルクの影響を受けてしまい、自由端（開放端）側が円形を保持できず歪んでしまう。この歪みにより、円環コイルがマグネットやヨーク等の回転子と接触してしまう可能性がある。このような欠点は円環コイルを用いたコアレス発電機の場合も同様である。

特開２０１７−７０１４０号公報特開２００４−３２８４２号公報

本発明は、上記従来の問題点に着目し、ヨーク側の回転に伴う反トルクの影響により円環コイルの自由端（開放端）が歪み、マグネットまたはヨークとの接触事故を生じないように、その強度を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明はコイル導体を円筒状に形成したものに対してその円筒の少なくとも外周、できれば外周と内周に絶縁層(フィルムシート)を追加するものである。尚、例えば複数の導線からなり円筒状に形成されコアレス回転電気機械の内部に組み込まれるコイル導体が円環に形成されたものであって、コイル導体がエッチングか、巻回による導線によって形成され、該コイル導線は空間か絶縁物で離間されているものがある。このような円環コイルの外周及び／または内周を更に保護フィルムシートで積層するようにしている。該フィルムシートは比強度と比曲げ剛性がコイル導線以上となる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）からなり、前記コイル本体の肉厚より薄い材料のフィルムシートを積層貼着することが好ましい。

前記フィルムシートは特に比強度と比曲げ剛性がコイル導線以上となる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から構成することが好適である。また、前記フィルムシートは電気絶縁性を有していることが望ましい。さらに、前記フィルムシートは不透明とされて擦過傷の発見を容易にすればよい。

前記フィルムシートはコイル本体の内外周面の全面に貼着し、あるいはコイル本体の内外周面の一部に貼着することでもよい。加えて、前記フィルムシートはコイル本体の自由端周面に貼着するようにできる。

また、本発明に係る回転電気機械は、上記の本発明の円環コイル体を組み込んだことを特徴とする。すなわち本発明の回転電気機械は、ケーシングに回転自在に取付けられた回転シャフトと、当該回転シャフトとともに回転するロータと、このロータの一端面に開口する円環溝に挿入されケーシング等の固定部材に片持ち支持される円環コイルと、前記円環溝の周面に取り付けられ円環コイルと対面するマグネットと、を有するコアレス回転電気機械において、前記片持ち支持される円環コイルとして上記本発明の円環コイルを用いることを特徴とする。尚、回転電気機械とはモータと発電機の両方を含む概念である。両者は基本的に同構造になる。

本発明は、モータ駆動時にマグネット側にトルクが生じ、円環コイル側に反トルクが生じても、円環コイルのコイル本体が絶縁層によって自由端側の形状が拘束され、その反トルクによる歪みを防止することができる。

実施例に係る円環リングの外面斜視図である。同円環リングの断面図である。同円環リングの一部拡大断面図である。同円環コイルを組み込んだコアレスモータの断面図である。

以下、本発明に係る円環コイルの具体的実施例を、図面を参照して、詳細に説明する。
なお、以下に示す実施の形態は、本発明を実施する上での好適な形態の一部であり、その効果を奏する限りにおいて、構成の一部に変更を加えたとしても、本発明の一部とみなすことができる。

最初に実施例に係る円環コイルが用いられるコアレスモータにつき、図４を参照して、説明する。
コアレスモータは外周を取り囲むモータケース１０の中央部に回転シャフト１２を備え、一部をケースフランジ１４から外部に突出させて出力軸としている。回転シャフト１２はモータケース１０の内部でフランジ１４に形成した円筒スリーブ１６に挿通され、二か所の軸受１８により軸支されている。

回転シャフト１２の内奥部は円筒スリーブ１６から突出されており、突出外面にハブ２０を取付けし、ハブ２０を介して円筒スリーブ１６の外周面位置に同心円状にロータ２１を取付けている。したがって、ロータ２１は回転シャフト１２とともに回転が可能である。ロータ２１は円筒形状とされているが、その壁面部を二重構造にして外周面側のアウタヨーク２２と内周面側のインナヨーク２４としている。このアウタヨーク２２とインナヨーク２４はハブ２０の端面側で折り返されて、他方端側（フランジ１４側の端部）には円環隙間２８が開口している。アウタヨーク２２とインナヨーク２４の間の円環隙間２８には、特にアウタヨーク２２の内周面に永久磁石などからなるマグネット２６が配置固定されている。このマグネット２６とインナヨーク２４との間の円環隙間２８に円環コイル３０が配置されている。

実施例に係る円環コイル３０は、図１に示すように、複数のコイル導線と絶縁体を所定形状に形成しつつ、一方を導線の折り返し部（自由端側）とし、他方を配線部として円環状に形成したもので、ポリイミドなどを用いて凝固させて形成している（例えば特開２０１７−７０１４０号公報を参照）。また、銅板をエッチングして配線化し、その線と線の間はエッチングで抜けていて空間となる構成のものもある。このような円環コイル３０の一端側（導体配線側）は半径方向に配置されるドーナツ盤状のステータディスク３２によって施蓋状態となって覆い、ボルトなどを介して前述したケースフランジ１４に取り付けられる。この結果、堅固にケースフランジ１４に固定される。ステータスディスク３２にはコイル配線基板などが形成されている。また、ステータスディスク３２の外周位置には固定リング３４が設けられている。

このような円環コイル３０は、コイル導線を銅板エッチングして配線化し、その導線と導線との間はエッチングで抜けていて空間が形成されている。あるいは絶縁被膜で覆ったコイル導線を巻回してコイルを形成し、さらに全体をポリイミドによって固めたコイル本体４０から構成している。このような円環コイル３０に対し、図２〜３に示すように、コイル本体４０の内外周面全体に、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）からなり前記コイル本体の肉厚より薄い材料からなるフィルムシート４２を、積層貼着したものである。

フィルムシート４２は、ガラス繊維などの繊維と組み合わせることで強度を高くした繊維強化プラスチックFRP（Fiber-Reinforced Plasticsの略）のうち、カーボン(炭素)繊維が浸透されたもので、より高強度化・軽量化が期待されるカーボン繊維強化プラスチック（CFRP/ Carbon Fiber Reinforced Plastics）を用いている。このＣＦＲＰは、比強度・比剛性、疲労特性、成形性、コストなどの面で総合的に優位な炭素繊維を用い、炭素繊維の高伸度・高強度化が図られ、部材の許容設計歪を大きくとれるようにしている。そこで、前記フィルムシート４２は、比強度と比曲げ剛性がコイル導線（銅系）以上となる素材構成されているものである。これにより円環コイル３０の表裏面を積層するため、金属細片などが当たってもコイル本体４０に傷がつかないものとなる。

具体的には、ＣＦＲＰの素材フィルムシートのリプレグをコイル本体４０の内外周面に張り付けてから加熱し、コイル本体４０の高強度化を図るようにしている。この場合、コイル本体４０は円環とする前にシート状にするが、その際にプリプレグシートを表面に張り付け、加熱するようにしてから円環に成形すればよい。また、円環形状となっているコイル本体４０の内周面と外周面にプリプレグを貼り付け、その後に加熱するようにしてもよい。プリプレグは炭素繊維に樹脂が含侵したフィルムシート４２で、熱硬化性樹脂（例えばエポキシ系）４４をコイル本体４０の円環周面に貼り付けてから熱硬化させれるものである。なお、プリプレグシートではなく、できあがったＣＦＲＰシートを直接貼り付けてもよい。フィルムシート４２としては比強度と比曲げ剛性がコイル導線よりも大きいことが要求されるが、混入される繊維の種類によっては各種のＦＲＰを使用することが可能である。

前記フィルムシート４２は電気絶縁性を有していることが望ましい。コアレスモータ内に納まっている円環コイル３０は、マグネット２６の影響で歪むことがある。円環コイル３０の材料主体である金属（多くは銅系）は、モータ内に組み込む関係で薄い円環にせざるを得ない。円環の僅かな歪みでもモータの回転動作中に隣接構造物に接触した瞬間に破壊、故障をきたしてしまう。これを防止するために絶縁性防護膜が重要になる。絶縁の程度はコイルを構成する導体よりはるかに高く、かつ高強度でなければならず、ＣＦＲＰフィルムシート４２が円環の歪みを抑制することができる。

さらに、前記フィルムシート４２は不透明とされて擦過傷の発見を容易にしている。実施例では黒色材料によって形成されるようにし、傷が生じた場合の発見を容易にしている。もちろん他の色でもよいが、傷の有無を発見するには濃度の濃い方が有利である。

前記フィルムシートはコイル本体の内外周面の全面に貼着しているが、コイル本体４０の内外周面の一部に貼着することでもよい。望ましくは、前記フィルムシート４２はコイル本体４０の自由端周面（開放端周面）に貼着するようにできる。これは反トルクによる歪みの影響は自由端側に発生するからである。

このように構成されたコアレスモータでは、アウタヨーク２２とインナヨーク２４との間に断面ドーナツ状の磁界が形成されている下で、円環コイル３０に所定の電流を供給することでロータ２１が回転し、ハブ２０を通じて回転シャフト１２が回転する。この回転シャフト１２の回転と同時に回転するロータ２１により円環コイル３０には反トルクが発生する。円環コイル３０の一方の端部はステータディスク３２等により堅固に固定されているが、ロータ２１の円環隙間２８に挿通されている自由端が反トルク作用により円形が歪むことがある。しかし、この実施例ではコイル本体４０の周面をフィルムシート４２が全面的に覆っているので、円形の形状が乱れることはない。

このように実施例構成によれば、片持ち支持される円環状のコイル本体４０の周面に炭素繊維強化プラスチックからなり前記コイル本体の肉厚より薄い材料からなるフィルムシート４２を積層貼着したことにより、円環コイル３０の挙動を拘束し、その反トルクによる歪みを防止することができる。

また、ＣＦＲＰ以上の高強度素材として、ボロン(ホウ素)繊維が浸透されたもので、軍事・防衛目的にて耐衝撃性向上が期待されるボロン繊維強化プラスチック（BFRP/ Boron Fiber Reinforced Plastics）や、他にアラミド繊維強化プラスチック（AFRP/ Aramid Fiber Reinforced Plastics）、ケプラ繊維強化プラスチック（KFRP/ Kevlar Fiber Reinforced Plastics）、ダイニーマ繊維強化プラスチック（DFRP/ Dyneema Fiber Reinforced Plastics）、ザイロン繊維強化プラスチック（ZFRP/ Zylon Fiber Reinforced Plastics）などを用いることもできる。
これらの構成は発電機などコアレス構造のものに適用することができる。

このように本発明によれば、円環コイルの周面に、導体を保護する積層体を重ねて設けたことにより、モータ駆動時にマグネット側にトルクが生じ、円環コイル側に反トルクが生じても、円環コイルのコイル本体が絶縁層によって自由端側の形状が拘束され、その反トルクによる歪みを防止することができる。

１０……モータケース、１２……回転シャフト、１４……ケースフランジ、１６……円筒スリーブ、１８……軸受、２０……ハブ、２１……ロータ、２２……アウタヨーク、２４……インナヨーク、２６……マグネット、２８……円環隙間、３０……円環コイル、３２……ステータスディスク、３４……固定リング、３６……補強リング、３８……配線コネクタ、４０……コイル本体、４２……フィルムシート、４４……熱硬化性樹脂。

Claims

コアレス回転電気機械の内部に組み込まれるコイル導体が円環に形成されたものであって、その円環の外周及び/又は内周に該導体を保護する積層体を備えてなることを特徴とする円環コイル。
コアレス回転電気機械の内部に組み込まれるコイル導体が円環に形成されたものであって、該円環の外周及び/又は内周を更に保護フィルムシートで積層し、該フィルムシートは比強度と比曲げ剛性がコイル導線以上となる繊維強化プラスチックからなり前記コイル本体の肉厚より薄い材料の該フィルムシートを積層貼着したことを特徴とする円環コイル。
前記積層体は比強度と比曲げ剛性がコイル導線以上となる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の円環コイル。
前記積層体は電気絶縁性を有し、かつ、不透明とされて擦過傷の発見を容易にしたことを特徴とする請求項１に記載の円環コイル。
前記フィルムシートは比強度と比曲げ剛性がコイル導線以上となる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の円環コイル。
前記フィルムシートは電気絶縁性を有していることを特徴とする請求項２に記載の円環コイル。
前記フィルムシートは不透明とされて擦過傷の発見を容易にしたことを特徴とする請求項２に記載の円環コイル。
前記フィルムシートはコイル本体の内外周面の全面に貼着したことを特徴とする請求項２に記載の円環コイル。
前記フィルムシートはコイル本体の内外周面の一部に貼着したことを特徴とする請求項２に記載の円環コイル。
前記フィルムシートはコイル本体の自由端周面に貼着したしたことを特徴とする請求項２に記載の円環コイル。
ケーシングに回転自在に取付けられた回転シャフトと、当該回転シャフトとともに回転するロータと、このロータの一端面に開口する円環溝に挿入されケーシング等の固定部材に片持ち支持される円環コイルと、前記円環溝の周面に取り付けられ円環コイルと対面するマグネットと、を有するコアレス回転電気機械において、前記片持ち支持される円環コイルとして請求項１乃至１０のいずれかに記載の円環コイルを用いることを特徴とするコアレス回転電気機械。