JP5943333B1

JP5943333B1 - 円筒コイルを備えた固定子を含む無鉄心回転電気機械およびその冷却方法

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Publication number: JP5943333B1
Application number: JP2015551643A
Authority: JP
Inventors: 学白木; 白木　　学; 努白木
Original assignee: M-LINK CO., LTD.
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Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2016-07-05
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Abstract

小型化を目的とした高機能の回転電気機械に関し、銅損および磁性体に生じる渦電流に起因する発熱による回転電気機械内部の温度上昇によって効率ηが劣化するなどの避け難い技術的課題に挑戦する。こうした技術的課題は、導電性金属シートの積層体構造によって円筒形に成形された通電可能な無鉄心の円筒コイルの一方の端面が固定された、駆動シャフトに回転自在に連結された蓋型マウントの固定子２に対して、円筒コイルの一方の端面が配置されるエアギャップを形成する外側円筒空路形成体および内側円筒空路形成体に配備されたマグネット４と共に一体化された、蓋型マウントを貫通した駆動シャフトに連結固定されたコップ型マウントの回転子３を対置させ、円筒コイルの内周面に形成された空隙に冷媒または冷却用空気を送り込みまたは引き込み、エアギャップに配置される円筒コイルの内周面および外周面を直接冷却するように構成することによって、解決することができる。

Description

本発明は、円筒コイルを備えた固定子を含む無鉄心回転電気機械およびその冷却方法に関する。
本発明は、より具体的には、長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートの複数で構成された積層体構造を有する円筒形であって導電性金属シートの各々の線状部が絶縁層で覆われている通電可能な無鉄心の円筒コイルと、該円筒コイルの一方の端面が固定されて中心部に駆動シャフトが回転自在に連結されている蓋型マウントとを有する固定子と、その蓋型マウントに回転自在に連結されている駆動シャフトが中心部に連結固定されて蓋型マウントの対極に配置されている、底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体とを有するカップ型マウントと、外側円筒空路形成体の内周面および／または内側円筒空路形成体の外周面に円筒コイルの円周方向に互いに間隔を空けて配備されている複数のマグネットとを有する回転子とを含み、
カップ型マウントは、該カップ型マウントの底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体とで第１空隙のエアギャップが形成されており、エアギャップには、配備されている露出した複数のマグネットと共に、円筒コイルが該円筒コイルの他方の端面がカップ型マウントの底部との間で隙間を残して浮かせた状態で配置されており、カップ型マウントの一方の端面と蓋型マウントとの間には、円筒コイルの内周側に位置する第２空隙と円筒コイルの外周側に位置する第３空隙とを有する無鉄心回転電気機械であって、
蓋型マウントは第２空隙に外部から冷媒または冷却用空気を送り込む手段を有し、カップ型マウントは底部に第２空隙に外気を引き込む通気孔を有しており、第２空隙に送り込まれた冷媒または冷却用空気および第２空隙に引き込まれた外気は、回転子の回転および複数のマグネットの回転により発生する回転子周囲の圧力差によって、第１空隙を流通して第１空隙に露出した加熱している複数のマグネットおよび第１空隙に浮かせた状態で配置されている円筒コイルの両面を直接冷却し、第３空隙を経由して外部に排出されるようにしたことを特徴とする無鉄心回転電気機械およびその冷却方法に関するものである。

電動モータは、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する装置である。それは、大きくはＤＣモータとＡＣモータに区分され、固定子（ステータ）と回転子（ロータ）の配置関係からインナーロータ型とアウターロータ型とに区分され、さらに巻線界磁型と永久磁石型にも区分されるが、いずれの場合にも、固定子が磁界の向きを回転させることによって回転子に影響を与えて回転させる、いわゆる回転磁界を利用するものが含まれる。

巻線で円筒状に形成された円筒コイルを含む固定子と該円筒コイルを挟みエアギャップを形成する回転子とによって構成された回転磁界形モータにおいて、通電により、巻線からなる円筒コイルの抵抗（銅損）による発熱、さらには巻線からなる円筒コイルやエアギャップを形成する導体のインナーヨークとアウターヨークなどに生じる渦電流による発熱および鉄心のヒステリシス現象による発熱が起こることは、よく知られていることである。この磁気エネルギーを熱エネルギーに変換させる銅損やヒステリシス損失は避け難い技術的課題であることも周知である。

こうした技術的課題に伴う電動モータの出力や効率への影響に対し、また回転子を構成するインナーヨークの外周面および／またはアウターヨークの内周面に配備される永久磁石が加熱されることによるその保磁力を劣化させるといった技術的課題に対しては、これまでの電動モータの内部に冷却用空気を送り込むことや外気を取り入れるなど、巻線からなるコイル表面を冷却する試み等がなされているが、抜本的な課題解決には至っていない。それは、何層にも巻回された巻線からなるコイルまたは円筒コイルを用いることに限界があるためである。例えば、外気を取り入れて巻線を何層にも巻回したコイルの表面上を流通させたとしても、蓄熱された巻線コイルの内部にまで冷却用空気等を送り込むことは技術的に不可能だからである。

本発明は、こうした技術的課題に挑戦し開発された無鉄心回転電気機械に関する。より具体的には、それは、長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートからなる積層体構造を有する円筒形であって導電性金属シートの各々の線状部が絶縁層で覆われている通電可能な無鉄心の円筒コイルを用いた無鉄心回転電気機械であることを特徴とする。実際に２層または４層の導電性金属シートからなる積層体構造の厚みは５ｍｍ程度に過ぎず、このような円筒コイルの両面を直接冷却できれば、コイルの発熱制御は可能である。本発明は、この点に着目して開発されたものである。

それはまた、このような円筒コイルと該円筒コイルの一方の端面が固定されている蓋型マウントとを含む固定子に対して底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体とで円筒コイルが配置されるエアギャップを有するカップ型マウントと外側円筒空路形成体および／または内側円筒空路形成体に円筒コイルの円周方向に互いに間隔を空けて配備されている複数のマグネットとを有する回転子が固定子の蓋型マウントの対極に配置されている無鉄心回転電気機械において、蓋型マウントには円筒コイルの内側空間に外部から冷媒または冷却用空気を送り込む手段およびカップ型マウントにはその内側空間に外気を引き込む通気孔を設け、回転子の回転に加えて円筒コイルの円周方向に互いに間隔を空けて複数配備されたマグネットの回転により発生する回転子周囲の圧力差によって、円筒コイルの内側空間に取り込まれた冷媒または冷却用空気および外気は、エアギャップ内を流通し、エアギャップに浮かせた状態で配備されている２層または４層の導電性金属シートからなる積層体構造の円筒コイルの両面を直接冷却し、外部に排出されるようにした特徴を有する無鉄心回転電気機械およびその冷却方法である。

特開２０１２−１６２１８号公報（特許文献１）または特開２０１２−３０７８６公報（特許文献２）には、通電可能な無鉄心の円筒コイルを用いたホイールインモータが記載されている。具体的には、この電動モータは、ホイールと一体化された円筒形のアウターヨークおよび該アウターヨークとの間にエアギャップを形成する円筒形のインナーヨークが固定シャフトに回転自在に取り付けられた回転子を構成し、該エアギャップに配置される円筒コイルが固定シャフトに連結固定された固定子を構成し、回転子を構成するアウターヨークの内周面に複数配備された永久磁石のマグネットが固定子を構成する円筒コイルの外周面に対向配置されるモータである。

まず、特許文献１には電動モータを作動させるときに発生する熱を冷却することについての記載は全くない。またそれを想定したものでもない。一方、特許文献２には、回転子のインナーヨークの内周面に形成される空間にインナーヨークに固定するブレーキ手段をさらに含み、アウターヨークに固定されたホイールの端面を固定子に対して開放し、インナーヨークの内周面に形成された空間を外気と連通させる構成が示されているが、これについての記載はないが、これはブレーキ手段による摩擦熱を外部に逃がすためのものと考えられる。いずれも本発明の無鉄心回転電気機械およびその冷却方法とは関係のないホイールインモータに関するものである。

特許２６５７１９２号明細書（特許文献３）には、リニア直流ブラシレスモータが記載されており、固定電機子にエアー供給通路が穿設され「エアー供給通路から電機子コイルにエアーを直接吹き付け、電機子コイルを冷却すると共にマグネットヨークに対するステータヨーク自体も冷却するようにした構成」を有する。だたし、上述されているように導線を何層にも巻回形成された空心型コイルを用いた固定電機子がプリント配線基板に移動子の移動方向に合せて多数並列に貼り付けたステータヨークで構成されてものであり、電機子コイルにエアーを直接吹き付けたとしても、何層にも巻回形成されたコイル内部にまで冷却空気を吹き付けることはできない。これは、いうまでもなく本発明の対象である回転磁界形モータでもない。

特開２００６−２４６６７８号公報（特許文献４）には、アウターロータ型のホイールインモータが記載されている。この電動モータは中空車軸にステータ側６極、ロータ側４極の突極コアで構成されたＳＲモータにおいて、ステータ側６極に装着された導線が何層にも巻回形成されたコイルの冷却方法が記載されている。冷却方法は、中空車軸に流入通路と排気通路とを隔壁を介して設けてコイル表面上に空気を流通させた後に、該空気をステータ外に排気するものであり、空気は何層にも巻回形成された導線の露出面をなぞるだけであり、導線が巻回形成されたコイル内部の蓄熱を冷却することはできない。

特許第３４９４０５６号公報（特許文献５）には、環状のステータコアに何層にも巻回形成された導線からなるコイルを巻装した固定子と、該固定子の外周を覆う筒部の内周面に永久磁石を支持させたアウターヨークからなる回転子とから構成されたアウターロータ型磁石発電機が記載されている。この電動モータは、回転軸に回転自在に連結された固定子を支持するプレートに通風口を設け、ステータコアに導線が何層にも巻回されたコイルの表面および永久磁石を冷却するため、回転子の底部に設けた通風口と連通させ、該回転子を回転させてプレートの通風口から空気を吸入させ、回転子の通風口から吸出し、これをさらに回転子の筒部に吹き付けて冷却する方法が記載されている。さらに
ロータヨークに外部から冷却風を吸出し、該冷却風をロータヨークの外周に吹き付けロータヨークの内部に配置されたマグネットへの冷却効果を高めることができるとしている。しかしながら、このようなアウターロータ型磁石発電機も導線が何層にも巻回されたコイル内部の蓄熱まで冷却することはできない。

実開平５−２２１３３号公報（特許文献６）には、電気自動車用のアウターロータ型ホイールインモータの内部を強制的に冷却する方法が記載されているが、この電動モータに用いられるコイルは、特許文献３から５に記載されたコイルと同様に、導線が何層にも巻回されたコイルであり、冷却用ファンで冷却空気を送り込んでもコイル内部の蓄熱まで冷却できるものではない。

米国特許６，８７３，０８５号明細書（特許文献７）および特許第３７０４０４４号公報（特許文献８）には、長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートからなる積層体構造を有する円筒形であって導電性金属シートの各々の線状部が絶縁層で覆われている通電可能な無鉄心の円筒コイルを用いたブラッシレスモータが記載されているが、エアギャップに浮かせた状態で配置される円筒コイルや露出した複数のマグネットを冷却する方法も冷却手段についても全く想定されておらず、それについての記載は一切ない。いずれも無鉄心回転電気機械の構成を有するが、本発明の無鉄心回転電気機械およびその冷却方法とは全く関係がないブラッシレスモータに関するものである。

特開２０１２−１６２１８号公報特開２０１２−３０７８６公報特許２６５７１９２号明細書特開２００６−２４６６７８号公報特許第３４９４０５６号公報実開平５−２２１３３号公報米国特許ＵＳ６，８７３，０８５Ｂ２明細書特許第３７０４０４４号公報

『史上最強カラー図解最新モータ技術のすべてがわかる本』赤津観監修ナツメ出版企画株式会社（２０１３年７月２０日発行）

円筒コイルを含む固定子と円筒コイルが配置されるエアギャップを形成する回転子とによって構成された無鉄心回転電気機械において、円筒コイルの銅損および導体に生じる渦電流に起因する発熱によるモータ内部の温度上昇は、無鉄心回転電気機械の効率ηを劣化させるなど、無鉄心回転電気機械に内在する避け難い技術的課題として認識されており、そのためにも、これまで様々な提案がなされてきたが、抜本的な課題解決には至っていない。本発明者らはこれらの技術的課題に果敢に挑戦し、本発明の円筒コイルを含む固定子を備えた無鉄心回転電気機械を開発するに至った。

本発明の技術的課題は、２層または４層の導電性金属シートからなる積層体構造の円筒コイルと該円筒コイルの一方の端面が固定されている蓋型マウントとを含む固定子に対して、底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体とで円筒コイルが配置されるエアギャップを有するカップ型マウントと外側円筒空路形成体および／または内側円筒空路形成体に円筒コイルの円周方向に互いに間隔を空けて配備されている複数のマグネットとを有する回転子が蓋型マウントの対極に配置されている無鉄心回転電気機械において、蓋型マウントには円筒コイルの内側空間に外部から冷媒または冷却用空気を送り込む手段およびカップ型マウントにはその内側空間に外気を引き込む通気孔が設けられており、回転子の回転およびマグネットの回転により発生する回転子周囲の圧力差によって、円筒コイルの内側空間に送り込まれた冷媒または冷却用空気および取り込まれた外気は、エアギャップ内を流通し、エアギャップに浮かせた状態で配備されている円筒コイルの両面を直接冷却し、外部に排出されるように構成された無鉄心回転電気機械にすることによって解決することができた。

本発明の第１の態様は、図１から図４および図８に示されるように、長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートの複数で構成された積層体構造を有する円筒形であって導電性金属シートの各々の線状部が絶縁層で覆われている通電可能な無鉄心の円筒コイル２００と、円筒コイル２００の一方の端面２０１が固定されて中心部３１０に駆動シャフト１００が回転自在に連結されている蓋型マウント３００とを有する固定子２と、蓋型マウント３００に回転自在に連結されている駆動シャフト１００が中心部４１０に連結固定されて蓋型マウント３００の対極に配置されている、底部４２０と内側円筒空路形成体５００および外側円筒空路形成体６００とを有するカップ型マウント４００と、外側円筒空路形成体６００の内周面６１０および／または内側円筒空路形成体５００の外周面５２０に円筒コイル２００の円周方向に互いに隙間４０１を空けて配備されている複数のマグネット４とを有する回転子３と、を含み、カップ型マウント４００は、底部４２０と内側円筒空路形成体５００および外側円筒空路形成体６００とで第１空隙のエアギャップ４０が形成されており、エアギャップ４０には、配備されている露出した複数のマグネット４と共に、円筒コイル２００が該円筒コイル２００の他方の端面２０２が底部４２０との間で隙間４２を残して浮かせた状態で配置されており、カップ型マウント４００の一方の端面５３０，６３０と蓋型マウント３００との間に円筒コイル２００の内周側２１０に位置する第２空隙２０と円筒コイル２００の外周側２２０に位置する第３空隙３０とを有する無鉄心回転電気機械１０であって、蓋型マウント３００は第２空隙２０に外部から冷媒または冷却用空気８０を送り込む手段８００を有し、カップ型マウント４００は第２空隙２０に外気７０を引き込む通気孔４３０を有しており、第２空隙２０に送り込まれた冷媒または冷却用空気８０および第２空隙２０に引き込まれた外気７０は、回転子３の回転および複数のマグネット４の回転により発生する回転子周囲の圧力差によって、第１空隙４０を流通し、第１空隙４０に露出した加熱している複数のマグネット４および第１空隙４０に配置されている円筒コイル２００の両面２１０，２２０を直接冷却し、第３空隙３０を経由して外部に排出されるようにしたことを特徴とする無鉄心回転電気機械１０に関するものである。

本発明の第１の態様から明らかなように、無鉄心回転電気機械１０は、第２空隙２０に冷媒または冷却用空気８０を送り込む手段８００および第２空隙２０に外気７０を引き込む通気孔４３０により、第２空隙２０に取り込まれた冷媒または冷却用空気８０および外気７０は、回転子３の回転および複数のマグネット４の回転により発生する回転子周囲の圧力差によって、第１空隙４０に配置される円筒コイル２００の内側および外側を通り、第３空隙３０から排出されるように構成されたことを特徴とする。

本発明の一つの実施形態として、蓋型マウント３００は、外部から冷媒または冷却用空気８０を第２空隙２０に送り込むための経路３２００を有しており、カップ型マウント４００は、回転子３の回転および複数のマグネット４の回転により発生する回転子周囲の圧力差によって、第２空隙２０に外部から外気７０を引き込むための複数の通気孔４３０を底部４２０に有する構成にすることができる。

本発明のもう一つ実施形態として、複数のマグネット４の各々は、長辺は第１空隙４０に配置されている円筒コイル２００の長さＬに対応し、短辺は円筒コイル２００の円周方向に互いに隙間４０１を空けて、外側円筒空路形成体６００の内周面６１０および／または内側円筒空路形成体５００の外周面５２０に円筒コイル２００の長手方向に沿って配備されている直方体とすることができる。円筒コイル２００の円周方向に互いに隙間４０１を空けて配備されている複数のマグネット４は、回転子３の回転と共に配備された複数のマグネット４の回転によって、第２空隙２０に引き込まれる外気７０の流量を増加させ、第１空隙４０に流通する冷媒または冷却用空気８０および外気７０による冷却効果をさらに高めることになる。

本発明のさらにもう一つの実施形態として、カップ型マウント４００は、外側円筒空路形成体６００の第３空隙３０に対応する位置に２枚の円板２１００と該円板２１００の軸心に向い円板２１００に懸架された複数の羽根板２２００とを有する多翼遠心送風回転体が嵌装固定されている構成にすることができる。

本発明の他の一つの実施形態として、固定子２は、蓋型マウント３００に一方の端面９０１が支持された外側円筒空路形成体６００より内径が大きい保護外套９を有する外装体をさらに含み、外装体９は第３空隙３０から排出される冷媒または冷却用空気８０および外気７０を外部に逃がす排出孔９０を有する構成にすることができる。

本発明の第２の態様は、図１から図４および図８に示されるように、長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートの複数で構成された積層体構造を有する円筒形であって導電性金属シートの各々の線状部が絶縁層で覆われている通電可能な無鉄心の円筒コイル２００と、円筒コイル２００の一方の端面２０１が固定されて中心部３１０に駆動シャフト１００が回転自在に連結されている蓋型マウント３００とを有する固定子２と、蓋型マウント３００に回転自在に連結されている駆動シャフト１００が中心部４１０に連結固定されて蓋型マウント３００の対極に配置されている、底部４２０と内側円筒空路形成体５００および外側円筒空路形成体６００とを有するカップ型マウント４００と、外側円筒空路形成体６００の内周面６１０および／または内側円筒空路形成体５００の外周面５２０に円筒コイル２００の円周方向に互いに隙間４０１を空けて配備されている複数のマグネット４とを有する回転子３と、を含み、
カップ型マウント４００は、底部４２０と内側円筒空路形成体５００および外側円筒空路形成体６００とで第１空隙のエアギャップ４０が形成されており、エアギャップ４０には、配備されている露出した複数のマグネット４と共に、円筒コイル２００が該円筒コイル２００の他方の端面２０２が底部４２０との間で隙間４２を残して浮かせた状態で配置されており、カップ型マウント４００の一方の端面５３０，６３０と蓋型マウント３００との間に円筒コイル２００の内周側２１０に位置する第２空隙２０と円筒コイル２００の外周側２２０に位置する第３空隙３０とを有しており、蓋型マウント３００は第２空隙２０に外部から冷媒または冷却用空気８０を送り込む手段８００を有し、カップ型マウント４００は第２空隙２０に外気７０を引き込む通気孔４３０を有する無鉄心回転電気機械１０の冷却方法であって、
円筒コイル２００に通電し、回転子３を作動させるステップと、蓋型マウント３００の送り込む手段８００によって、第２空隙２０に冷媒または冷却用空気８０を送り込むステップと、回転子３の回転および複数のマグネットの回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、カップ型マウント４００の引き込む通気孔４３０を介して第２空隙２０に外気７０を引き込むステップと、第２空隙２０に送り込まれた冷媒または冷却用空気８０および第２空隙２０に引き込まれた外気７０は、回転子３の回転および複数のマグネット４の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、第１空隙４０を流通して第１空隙４０に露出した加熱している複数のマグネット４および第１空隙４０に配置されている円筒コイル２００の両面２１０，２２０を直接冷却するステップと、回転子３の回転および複数のマグネット４の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、第１空隙４０を流通させた冷媒または冷却用空気８０および外気７０を、第３空隙３０を経由させ、無鉄心回転電気機械１０から排出させるステップと、を含むことを特徴とする方法に関するものである。

本発明の第２の態様から明らかなように、無鉄心回転電気機械１０の冷却方法は、第２空隙２０に冷媒または冷却用空気８０を送り込む手段８００および第２空隙２０に外気７０を引き込む通気孔４３０によって、第２空隙２０に冷媒または冷却用空気８０および外気７０を取り込み、次に回転子３の回転および複数のマグネット４の回転により発生する回転子周囲の圧力差によって、第２空隙２０から冷媒または冷却用空気８０および外気７０を、第１空隙４０に流通させ、第１空隙４０に露出した加熱している複数のマグネット４および第１空隙４０に配置されている円筒コイル２００の両面２１０，２２０を直接冷却させ、第３空隙３０から排出させるように構成されたことを特徴とする。

本発明の一つの実施形態として、蓋型マウント３００は、外部から冷媒または冷却用空気８０を第２空隙２０に送り込むための経路３２００を有しており、カップ型マウント４００は、回転子３の回転および複数のマグネット４の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、第２空隙２０に外部から外気７０を引き込むための複数の通気孔４３０を底部４２０に有する構成にすることができる。それにより、外部から冷媒または冷却用空気８０を第２空隙２０に送り込むステップは、経路３２００を経由させて行うことができる。また第２空隙２０に外気７０を引き込むステップは、複数の通気孔４３０を介して行うことができる。

本発明のもう一つ実施形態として、複数のマグネット４の各々は、長辺は第１空隙４０に配置されている円筒コイル２００の長さＬに対応し、短辺は円筒コイル２００の円周方向に互いに隙間４０１を空けて、外側円筒空路形成体６００の内周面６１０および／または内側円筒空路形成体５００の外周面５２０に円筒コイル２００の長手方向に沿って配備されている直方体とすることができる。それにより、本方法は、回転子３の回転および配備された複数のマグネット４の回転により発生する回転子３周囲の圧力差をさらに高め、第２空隙２０に引き込まれる外気７０の流量を増加させ、第１空隙４０に流通する冷媒または冷却用空気８０および外気７０の冷却効果を高めることができるようにした方法である。

本発明のさらにもう一つの実施形態として、カップ型マウント３００は、外側円筒空路形成体６００の第３空隙３０に対応する位置に２数の円板２１００と該円板２１００の軸心に向い円板２１００に懸架された複数の羽根板２２００とを有する多翼遠心送風回転体２０００が外側円筒空路形成体６００に嵌装固定されており、本方法は、多翼遠心送風回転体２０００によって、回転子３の回転および複数のマグネット４の回転により発生する回転子３周囲の圧力差をさらに高め、第２空隙２０に引き込まれた外気７０の流量をさらに増加させ、外気７０および第２空隙２０に送り込まれた冷媒または冷却用空気８０の冷却効果をより高め、それにより、冷媒または冷却用空気８０および外気７０を、第１空隙４０を流通させ、第３空隙３０を経由させ、第１空隙４０に露出した加熱している複数のマグネット４および第１空隙４０に配置されている円筒コイル２００の両面２１０，２２０を直接冷却し、無鉄心回転電気機械１０から排出させるようにした方法である。

本発明の他のもう一つの実施形態として、図５に示されるように、固定子２は、蓋型マウント３００に一方の端面２０１が支持された外側円筒空路形成体６００より内径が大きい保護外套９００を有する外装体９をさらに含み、外装体９は、外装体９の一部に排出孔９０が設けられており、本方法は、それにより、第１空隙４０から排出された冷媒または冷却用空気８０を排出孔９０より逃がすステップをさらに含むことができる。

本方法は、回転子３の回転に加えて円筒コイル２００の円周方向に互いに隙間４０１を空けて配備されている複数のマグネット４の回転により回転子３の周囲に発生する圧力差はさらに高まり、それにより、第２空隙２０に外気７０を取り入れると同時に、第２空隙２０に送り込まれた冷媒または冷却用空気８０を第２空隙２０に吸引させて無鉄心回転電気機械１０の内部冷却をさらに高めることができる特徴を有するものである。

本発明の一実施形態である円筒コイルを含む固定子を備えた無鉄心回転電気機械を断面図として表す模式図である。図１に示す無鉄心回転電気機械の一部を切欠いた斜視図である。図１に示す蓋型マウントおよびカップ型マウントを構成する部材の解体斜視図を表す模式図である。円周方向に隙間を空けて複数のマグネットが配備された内側円筒空路形成体の斜視図を表す模式図である。図１に示す無鉄心回転電気機械に保護外套を有する外装体を装着した断面図（ａ）および斜視図（ｂ）として表す模式図である。図１に示す外側円筒空路形成体に多翼遠心送風回転体を嵌装固定した無鉄心回転電気機械の断面図（ａ）および斜視図（ｂ）（ｃ）を表す模式図である。無鉄心回転電気機械の一実施形態に基づく駆動試験の概要図である。図７に示す被測定回転電気機械の断面図（ａ）および斜視図（ｂ）を表す。駆動電圧を２４Ｖおよび４８Ｖに設定し、負荷トルク（Ｎ・ｍ）を変化させ、それによる回転数（ｒｐｍ）および電流量（Ａ）の変化について、被測定回転電気機械の円筒コイルの内側に形成された第２空隙に、第１に冷却用空気を供給しない場合、第２に１気圧・２０℃の冷却用空気を３０リッター（ｓｔｐ）／分の冷却用空気を供給する場合、および、第３に１４４リッター（ｓｔｐ）／分の冷却用空気を供給する場合をそれぞれ計測した比較図である。駆動電圧を２４Ｖおよび４８Ｖに設定し、負荷トルク（Ｎ・ｍ）を変化させ、それによる出力（Ｗ）および温度（℃）の変化について、被測定電動モータの円筒コイルの内側に形成された第２空隙に、第１に冷却用空気を供給することのない場合、第２に１気圧・２０℃の冷却用空気を３０リッター（ｓｔｐ）／分の冷却用空気を供給する場合、および、第３に１４４リッター（ｓｔｐ）／分の冷却用空気を供給する場合をそれぞれ計測した比較図である。駆動電圧を２４Ｖおよび４８Ｖに設定し、負荷トルク（Ｎ・ｍ）を変化させ、それによる効率η（％）の変化について、被測定電動モータの円筒コイルの内側に形成された第２空隙に、第１に冷却用空気を供給することのない場合、第２に１気圧・２０℃の冷却用空気を３０リッター（ｓｔｐ）／分の冷却用空気を供給する場合、および、第３に１４４リッター（ｓｔｐ）／分の冷却用空気を供給する場合をそれぞれ計測した比較図である。駆動電圧を２４Ｖに設定し、負荷トルク（Ｎ・ｍ）を０．１０〜０．９５（Ｎ・ｍ）に変化させ、給気圧力を５０ｋＰａ、２６５ｋＰａとしたときのそれぞれの給気流量を３０リッター（ｓｔｐ）／ｍｉｎ、１４４リッター（ｓｔｐ）／ｍｉｎとして、回転数（ｒｐｍ）、電流（Ａ）、入出力（Ｗ）、円筒コイルの内側および外側の平均温度、および、効率（％）の実測値を表した表である。駆動電圧を４８Ｖに設定し、負荷トルク（Ｎ・ｍ）を０．１０〜１．０５（Ｎ・ｍ）に変化させ、給気圧力を５０ｋＰａ、２６５ｋＰａとしたときのそれぞれの給気流量を３０リッター（ｓｔｐ）／ｍｉｎ、１４４リッター（ｓｔｐ）／ｍｉｎとして、回転数（ｒｐｍ）、電流（Ａ）、入出力（Ｗ）、円筒コイルの内側および外側の平均温度、および、効率（％）の実測値を表した表である。

回転電気機械の性能の一つである発生トルクＴ（Ｎ・ｍ）は、電機子コイルに流れる電流の強さＩ（Ａ）に比例し、出力Ｐ（Ｗ）はトルクＴ（Ｎ・ｍ）と回転角速度ω（ｒａｄ／ｓ）の積で表される。一方電圧降下で見ると、電源電圧Ｖ（Ｖ）は電機子コイルに流れる電流Ｉ（Ａ）と、電機子コイルの抵抗Ｒ（Ω）との積に誘導起電力である逆起電力Ｅ_０（Ｖ）を合算した式とつりあう。
Ｔ＝Ｋｔ×Ｉ・・・（１）
Ｐ＝Ｔ×ω・・・（２）
Ｖ＝ＩＲ＋Ｅ_０・・・（３）
上記の式より、トルクおよび出力を上げるためには、コイル抵抗値を下げることが重要であることがわかる。

そこで本発明を特徴づける図１〜図４に示される円筒コイル２００を含む固定子２を備えた無鉄心回転電気機械１０（以下、「本発明の電動モータ１０」と称する。）の基本構造について概観すると、基本構造の特徴は、第１に、固定電機子２を構成する通電可能なコイル体として、導電性金属シートの積層体構造によって成形された円筒コイル２００を用いたことにある。それは、円筒コイル２００およびその製造方法として、例えば特許文献７および特許文献８に記載されているように、長手方向に直交する離間された複数の線状部を有する導電性金属シートの複数で構成された積層体構造を有する円筒形であって導電性金属シートの各々の線状部が絶縁層で覆われている通電可能な無鉄心の円筒コイルであって、好ましくは、２層または４層からなる厚さが５ｍｍ以下の一定の剛性を有するものである。

基本構造の特徴の第２には、それは、円筒コイル２００の一方の端面２０１を、固定子２を構成する蓋型マウント３００の内周面によって閉鎖し、円筒コイル２００の開放された他方の端面２０２を、回転子３を構成する、例えば、カップ型マウント４００の底部４２０と複数のマグネット（永久磁石）４が配備された磁性体からなる外側円筒空路形成体６００および内側円筒空路形成体５００（これらの一実施形態として、以下外側円筒空路形成体を「アウターヨーク６００」といい、内側円筒空路形成体を「インナーヨーク５００」と称することとする。）とによって断面ドーナツ状の磁界が形成される、第１空隙すなわちエアギャップ４０に浮かせた状態で挿入配置する構造を有する。

さらに詳細には、エアギャップ４０に挿入配置された円筒コイル２００は、その内周面２１０および外周面２２０を回転子３のアウターヨーク６００の内周面６１０およびインナーヨーク５００の外周面５２０に接しないように、かつ、その開放端面２０２を、回転子３を構成するキャップ型マウント４００の底部４２０に接しないように、エアギャップ４０内に僅かの隙間を空け浮かせた状態になる。それは、円筒コイル２００がこのように配置されるように固定子２および回転子３を駆動シャフト１００に配置する構造を有するものである。

基本構造の特徴の第３には、それは、固定子２と円筒コイル２００と回転子３とによって、第２空隙２０および第３空隙３０を形成する構造を有するものである。より詳細には、第２空隙２０は、回転子３に一体化されたアウターヨークおよびインナーヨークの開放された端面と該端面に対置する固定子２の内面との間に、固定子２の内面によって閉鎖された円筒コイルの内周面２１０に形成され、その空隙はエアギャップ４０に通じる。また第３空隙３０は、固定子２の内面によって閉鎖された円筒コイルの外周面２２０にエアギャップ４０と外気との間に形成される。

そうなると、円筒コイル２００の内周面２１０と固定子２の内面とで形成される閉鎖空間となる第２空隙２０は、エアギャップ４０に連通し、回転子３の内面を経て円筒コイル２００の外周面２２０と固定子２の内面とアウターヨーク６００の開放端とで形成される開放空間となる第３空隙３０とのみ連通させることができる。

本発明の電動モータ１０は、少なくとも第２空隙２０が第３空隙３０を経由してアウターヨーク６００の開放端によって外気に通じる構造を有するものである。したがって、回転子３の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、第２空隙２０は負圧状態が生成される。ここに外気７０を取り入れると共に冷媒または冷却用空気８０を送り込むことによって、第２空隙２０に取り込まれた外気７０および冷媒または冷却用空気８０は、磁界が形成されたエアギャップ４０を通るときに円筒コイル２００の内周面を経て外周面に至り厚みが５ｍｍ以下の導電性金属シートの複数で構成された積層体構造の円筒コイル２００の両面２１０，２２０を直接冷却し、第３空隙３０を経由してアウターヨーク６００の開放端の第３空隙３０から排出されることになる。

明らかなことは、本発明の電動モータ１０は、回転子３の回転数が高まるほど、すなわち出力Ｗが大きくなればなるほど、回転子３の周囲の圧力差も大きくなるため、冷却効果も増すという画期的な技術的特徴を有する。それは、上記した本発明の電動モータ１０の基本構造に由来するものである。すなわち、磁束密度が大きい狭隘のエアギャップ４０に回転数が高まると増大する鉄損が存在しない無鉄心の円筒コイル２００であって厚みが５ｍｍ以下の極薄厚の導電性金属シートの積層体構造に成形された剛性を有する円筒コイル２００を浮かせた状態で挿入配置し、閉鎖空間の第２空隙２０がアウターヨーク６００の開放端３０にのみ連通させた基本構造からなる電動モータという特徴に由来する。

こうした本発明の電動モータ１０について、その性能を評価するための駆動実験を行った。図７は、図８に示される円筒コイル２００を含む固定子２を備えた無鉄心回転電気機械１０の一実施形態に基づく駆動実験の概要図である。

本駆動実験は、被測定電動モータの断面図（ａ）および斜視図（ｂ）から明らかなように、当該電動モータの出力軸にトルク計（ＵＮＩＰＵＬＳＥＴＭ３０１）介して発電機（ｍ−ｌｉｎｋＣＰ８０４８）を結合し、発電機が発電する電力（三相ＰＷＭ方式駆動電源：ＩＣＡＮ・ＴＥＣＢＬＤ７５０）を外部可変抵抗器等で消費させることで生じる負荷トルクおよび回転数から導かれる出力動力と当該モータへの入力電力とを測定することにより、当該電動モータの効率を求めるものである。

当該電動モータへの入力電力は、駆動電源から供給される電圧と電流と駆動状態の力率とによるために、モータ駆動電源と当該電動モータの間に電力計（ＨＩＯＫＩＰＷ３３３６９）を入れて測定した。測定手順は、発電機負荷をほぼゼロにした近似無負荷状態から、当該電動モータを一定電圧Ｖ（Ｖ）で駆動させるところから開始した。発電機外部抵抗を逐次変化させて当該電動モータの負荷トルクを増やし、適宜、電流Ｉ（Ａ）、入力電力Ｐｉ（Ｗ）、出力動力Ｐｏ（Ｗ）、トルクＴ（Ｎ・ｍ）、回転数Ｎ（ｒｐｍ）を記録し、入力電力に対する出力動力の比（Ｐｏ／Ｐｉ）すなわち効率ηを求めた。

図８に示される被測定電動モータの断面図（ａ）および斜視図（ｂ）について概説すると、第１に、厚みは１．３５ｍｍで外径は５１ｍｍの円筒コイル２００は、幅１１ｍｍで長手方向の長さが３７．７５ｍｍの第１空隙のエアギャップ４０に挿入配置される。ところで複数のマグネット４は、図８の斜視図（ｂ）に示されるように、厚さ３．８５ｍｍの直方体からなる８極のネオジム磁石を長手方向に１．１９ｍｍの間隔４０１を空けてインナーヨーク５００の外周面５２０に配備される。なお間隔４０１を空けた複数のマグネット４の回転によるマグネット羽根機能については後述される。

第２に、回転子３に一体化されたアウターヨーク６００およびインナーヨーク５００の開放された端面と該端面に対置する固定子２の内面との間には、２．３３ｍｍ幅の第２空隙２０および第３空隙３０が形成されており、閉鎖空間の第２空隙２０には、冷却用空気を送り込むために外部と連通する内径３ｍｍの経路３２００が設けられる。

第３に、図８の断面図（ａ）に示されるように、円筒コイル２００の内周面２１０とネオジム磁石の複数のマグネット４の外周面との間隙は僅か０．３ｍｍであり、円筒コイル２００の外周面２２０とアウターヨーク６００の内周面６１０との間隙は、０．４ｍｍに過ぎない。いずれの間隙も狭隘であり、その技術的特徴は後述される。

本駆動実験においては、駆動電源によって駆動電圧を２４Ｖおよび４８Ｖに設定した上、発電機の可変負荷によって負荷トルク（Ｎ・ｍ）を発電機の近似無負荷状態の０．１（Ｎ・ｍ）から順次増加させ、それによる駆動回転数（ｒｐｍ）および電流（Ａ）の変化について、被測定電動モータの円筒コイル２００の内側に形成された第２空隙２０に、〈１〉外部と連通する内径３ｍｍの経路３２００を閉鎖して冷却用空気を供給しない場合、〈２〉該経路３２００を開放して１気圧・２０℃の冷却用空気を３０リッター（ｓｔｐ）／分の冷却用空気８０を供給する場合、および、〈３〉同様に該経路３２００を開放して１４４リッター（ｓｔｐ）／分の冷却用空気８０を供給する場合をそれぞれ計測した。

図１２および図１３は、その計測値に基づいた比較図である。なお、ここに示された第２空隙２０に供給される空気量は、コンプレッサーで強制的に送り込まれた空気量、すなわち〈２〉の場合５０ｋＰａにより送り込まれた空気量２０リッター（ｏｐ）／分、〈３〉の場合２６５ｋＰａにより送り込まれた空気量４０リッター（ｏｐ）／分のそれぞれを１気圧・２０℃に換算した数値である。

図９（ａ）および（ｂ）から明らかなように、駆動電圧を４８Ｖに設定された〈１〉〜〈３〉の場合に、負荷トルクを０．１Ｎ・ｍから順次０．６５Ｎ・ｍまで増加させても電流および回転数に大きな差異は生じていない。より詳細には、駆動電圧が２４Ｖに設定された〈１〉〜〈３〉の場合に、同じく負荷トルクを０．１Ｎ・ｍから順次０．６５Ｎ・ｍまで増加させても、電流は９．８Ａ〜１０．２Ａであり、回転数でみると、２７００〜２８００ｒｐｍである。

駆動電圧の設定を４８Ｖに切り替えても、電流は〈１〉〜〈３〉の場合に１０．２Ａ〜１０．７Ａであり、２４Ｖに設定したときに比較しても大差ない。また回転数についてみると、２４Ｖに設定したときには２７００〜２８００ｒｐｍであるのに対し、４８Ｖの設定に切り替えたときには、いずれの場合も６９００ｒｐｍ弱であり、２４Ｖに設定したときの２．５倍前後であるが、〈１〉〜〈３〉の場合に大きな差異はない。上記した（１）式すなわち、
Ｔ＝Ｋｔ×Ｉ・・・（１）
において、負荷トルク（Ｎ・ｍ）の増加にともない電流（Ａ）は直線的に増加しており、駆動電圧を変化させ、かつ〈１〉から〈３〉に条件を変えた場合でも上記した（１）式が成り立つことが確認された。

本駆動実験において、負荷トルク（Ｎ・ｍ）を変化させ、それによる出力動力（Ｗ）および温度（℃）の変化、および、入力電力に対する出力動力でみる効率η（％）の変化については、駆動電圧を２４Ｖおよび４８Ｖに設定した上で、〈１〉から〈３〉の場合のそれぞれを計測し、その計測値を比較したのが図１０および図１１である。

電動機は電力を動力に変換する装置、つまり電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するためのものである。一方、発電機は動力を電力に変換するものであり、両者に構造的な違いは無いため、本発明は電動機および発電機が対象となる。エネルギー変換するプロセスにおいて、各種の損失が発生し熱に変わってしまう。一般的な回転電気機械の損失は、（ｉ）銅損、（ｉｉ）鉄損（ヒステリシス損失＋渦電流損失）、（ｉｉｉ）機械損に分類される。この中で（ｉ）銅損、（ｉｉ）鉄損が損失に占める割合が大きい。厚みが５ｍｍ以下の導電性金属シートの複数で構成された積層体構造の円筒コイル２００を含む固定子２および円筒コイル２００を浮かせた状態で挿入配置するエアギャップ４０を含む回転子３によって構成された本発明の電動モータにおいては、無鉄心であるため（ｉｉ）鉄損が生じることはないが、円筒コイル２００に渦電流損が発生し、これも（ｉ）銅損とともに円筒コイル２００の発熱要因となる。したがって、本発明の技術的課題の第１は、円筒コイル２００の発熱を制御することであり、技術的課題の第２は、エアギャップ４０の長手方向にインナーヨーク５００の外周面５２０に配備される直方体の複数のマグネット４が加熱により保磁力を劣化させないように、複数のマグネット４の加熱を抑制することである。

複数のマグネットの加熱による保磁力の劣化について付言すると、電動モータの多くの用途で小型化が求められているものの、同じ素材のマグネットで磁束密度を高めることは難しい。ところが従来型のフェライト磁石を希土類磁石、例えばネオジム磁石に変更するだけで、同じ大きさの電動モータのトルクを高めることができる（非特許文献１の５３ページを参照されたい。）。また希土類のネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石についてさらに付言すると、それは、非常に磁力は強いけれども熱による減磁作用が大きく、８０℃程度が使用限度であるという（非特許文献１の２７ページを参照されたい。）。ちなみに本駆動実験に用いた永久磁石のマグネット４はネオジム磁石であるが耐熱タイプを使用しており１２０℃まで使用可能である。なお、本発明の電動モータに用いるマグネット４は、耐熱タイプのネオジム磁石であることがより好ましい。

図１０は、横軸の負荷トルクを増加させると出力Ｐ（Ｗ）および温度（℃）がどのように変化するかを表したものである。図１０から明らかなことは、〈１〉の外部と連通する経路を閉じて冷却用空気を供給しないで負荷トルクを０．６５Ｎ・ｍまで高めると、駆動電圧を２４Ｖに設定したときには、円筒コイル２００の平均表面温度は８０℃に達し、駆動電圧を４８Ｖに切り替えたときには、円筒コイル２００の平均表面温度は１００℃に達する。駆動電圧を同じ条件に設定したまま、負荷トルクをこれ以上高めても、マグネット４の保持力を劣化させるのみならず、円筒コイル２００の発熱によってその抵抗値Ｒは増し、回転数の低下が大きくなり、それに見合う出力は得られないことになる。

ところが〈２〉の冷却用空気８０を毎分３０リッター供給すると、駆動電圧を２４Ｖにしたときの負荷トルクは、円筒コイル２００の平均表面温度が８０℃を越える０．８５Ｎ・ｍまで高めることができ、２０３Ｗの出力Ｐを得た。また〈３〉の冷却用空気８０を毎分１４４リッター供給すると、負荷トルクが０．９５Ｎ・ｍを越えても円筒コイル２００の平均表面温度が８０℃に達することはない。

同様に駆動電圧を４８Ｖに切り替えて〈２〉の冷却用空気８０を毎分３０リッター供給すると、円筒コイル２００の平均表面温度が８０℃を越える負荷トルクは、０．７５Ｎ・ｍであり、そのときの出力Ｐは５１９Ｗである。〈３〉の冷却用空気８０を毎分１４４リッター供給すると、円筒コイル２００の平均表面温度が８０℃を越える負荷トルク１．０Ｎ・ｍであり、その時点で６２１Ｗの出力Ｐを得た。

駆動電圧を高く設定すれば、当然、回転数（ｒｐｍ）は増大する。それにともなって、出力（Ｗ）も高くなる。出力（Ｗ）が高くなればなるほど、円筒コイル２００の発熱量（Ｊ／ｍ^３）も増大する。そのことにより、円筒コイル２００の抵抗値Ｒは必然的に高まる。図９および図１０から明らかなことは、〈２〉の冷却用空気８０を毎分３０リッター供給する場合および〈３〉の冷却用空気８０を毎分１４４リッター供給する場合には、〈１〉の冷却用空気８０を供給しない場合に比べると、円筒コイル２００の表面発熱量（Ｊ／ｍ^３）が冷却用空気によって奪われるため円筒コイル２００の温度上昇が抑制され、出力（Ｗ）への影響が少なくなるということであった。〈３〉の場合の影響は、〈２〉の場合に比べて、より顕著であった。

電力モータの性能を見る尺度の一つとして、出力（Ｗ）の大きさによって評価することが出来る。因みに駆動電圧を４８Ｖに設定した場合でみると、〈１〉冷却用空気８０を給しないで円筒コイル２００の温度が８０℃のときの負荷トルクは０．５５Ｎ・ｍであり、出力Ｐは４１０Ｗである。これに対し、〈２〉の冷却用空気８０の給気３０リッター（ｓｔｐ）／ｍｉｎで円筒コイル２００の温度が８０℃のときの負荷トルクは０．７５Ｎ・ｍであり、〈１〉の場合の１．３６倍である。さらに出力Ｐは５１９Ｗである〈１〉の場合の１．２７倍になる。また冷却用空気８０の給気１４４リッター（ｓｔｐ）／ｍｉｎでみると、円筒コイル２００の温度が８０℃のときの負荷トルクは０．９５Ｎ・ｍであり〈１〉の場合の１．７３倍になり、出力Ｐは６０４Ｗであり、〈１〉の場合の１．４３倍になる。

電力モータの性能を見る上記とは別の尺度として、入力電力に対する出力動力の比（Ｐｏ／Ｐｉ）すなわち効率ηによって評価することができる。さらに駆動電圧を高く設定すればするほど、その性能において差が歴然となる。図１１は、駆動電圧を２４Ｖに設定したときと駆動電圧を４８Ｖに切り替えたときのそれぞれの〈１〉〜〈３〉の場合の効率ηの変化を表したものである。

電動モータとしては、望ましい効率ηは８０％以上であるとすると、駆動電圧を２４Ｖに設定したときは、〈１〉〜〈３〉の場合に大きな差はない。より詳細には、〈１〉から〈３〉の場合には効率ηが８０％を越えるときの負荷トルクは０．４０〜０．５０Ｎ・ｍ程度であり、出力Ｐは１３７〜１５３Ｗ程度である。いずれも電動モータとしての性能に大差は生じていない。図１２に示す表からも明らかなように、電動モータとしての効率ηは、〈２〉および〈３〉の場合のように、冷却用空気８０を供給して円筒コイル２００を冷却したとしても、上記された０．４０〜０．５０Ｎ・ｍ以上の負荷トルクにおいて、８０％を下回る。

しかしながら、駆動電圧を倍の４８Ｖに設定したときは、〈１〉〜〈３〉の場合に大きな差が生じる。〈１〉の場合、円筒コイル２００の平均温度は１００℃と限界に近いが、電動モータとしての効率ηは８０％を維持している。このときの負荷トルクは０．６５Ｎ・ｍであり、出力Ｐは４７０Ｗである。本発明の電動モータとしての基本構造に基づく性能の確かさを示しているものと評価されるところである。

図１３に示された表からも明らかなように、〈２〉の場合に効率ηが８０％を切るのは、負荷トルクが０．８０Ｎ・ｍであり、出力Ｐが５３７Ｗに達したときである。また〈３〉の場合には負荷トルクが０．９０Ｎ・ｍであり、出力Ｐが５９２Ｗに達したときに効率ηが８０％を下回る。そのときの円筒コイルの表面平均温度は、〈２〉の場合で８８℃であるが、〈３〉の場合では７１℃に維持されており８０℃には達していない。〈１〉の場合の１００℃と比較すれば、その差は歴然である。

駆動電圧を例えば２４Ｖ、３６Ｖ、４８Ｖ、６０Ｖのように順次高めながら今回と同様の性能試験を行うことによって、本発明の電動モータの特徴がより鮮明にすることができるであろう。それは、今回の駆動実験結果からも容易に推定されることである。上記した技術的課題に対しては、例えば、特許文献５および６に記載されている電動モータの内部に外気を取り入れ、マグネットの表面を冷却し何層にも巻線されたコイル表面を冷却する試み等がなされているが、抜本的な課題解決には至っていない。本発明は、こうした技術的課題に挑戦し開発された電動モータである。

本発明においてさらに重要なことは、図１に示された固定子２を構成する蓋型マウント３００に経路３２００を設けて第２空隙２０に冷媒または冷却用空気８０を送り込むだけなく、回転子３を構成するカップ型マウント４００の底部４２０に複数の通気口４３０を設けて回転子３の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、外気７０を取り入れるようにしたことにある。ところが電動モータ内に外気を取り入れて電動モータのコイルやマグネットの冷却することは周知である。しかしながら、本発明の電動モータの基本構造である図４に示された外側円筒空路形成体６００の内周面６１０および／または内側円筒空路形成体５００の外周面５２０に円筒コイル２００の円周方向に互いに隙間４０１を空けて配備されている複数のマグネット４に着目し、以下のようなマグネットの羽根効果が生じることを明らかにした。

今回の駆動実験に用いられた被電動モータを表す図８（ｂ）の模式図に示されているインナーヨーク５００の表面に駆動シャフト１００の長手方向に沿って接着固定された直方体の複数のマグネット４は、インナーヨーク５００の表面の形状に合わせエボキシ系の接着剤等を用い、ポリアミド樹脂等で固めた８極のマグネット４に相当する。１．１９ｍｍの間隔は、各々のマグネット４の間隔４０１に相当する。第２空隙２０に送り込まれた冷媒または冷却用空気８０および第２空隙に引き込まれた外気７０は、回転子３の回転に加えて複数のマグネット４の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、第１空隙４０を流通し、第１空隙に露出した加熱している複数のマグネット４および第１空隙４０に配置されている円筒コイル２００の両面を直接冷却し、第３空隙３０を経由して本発明の電動モータ１０の外部に排出される。

図７は、図１および図４に示された無鉄心回転電気機械１０のインナーヨーク５００およびアウターヨーク６００に設けられた複数のマグネット４の各々の間隔４０１に対応する位置に、円筒コイル２００およびインナーヨーク５００およびアウターヨーク６００に配備されている複数のマグネット４の各々に対する冷却効果を高めるための多翼遠心送風回転体２０００が回転子３を構成するカップ型マウント４００に嵌装固定されるようにしたものである。

そのカップ型マウント４００は、第３空隙３０に対応する位置に２枚の円板２１００と円板２１００の軸心に向い２枚の円板２１００に懸架された複数の羽根板２２００で構成された水車型のアウターヨーク６００に嵌装固定される多翼遠心送風回転体２０００を有し、それにより、第３空隙３０から冷媒または冷却用空気８０を排出させる回転子３の回転および複数のマグネットの回転により発生する回転子３の周囲の圧力差を増幅させることができる。すなわち、吸引される外気７０の流量を増やし、外気７０と共に冷媒または冷却用空気８０を第１空隙４０内の流通を高速化して冷却効果を高めることができる。

本電動モータ内部に冷媒または冷却用空気８０を送り込み、さらに外気７０を引き込むことができる閉鎖空間の第２空隙２０が形成され、そこから、円筒コイル２００の内周面２１０および外周面２２０をなぞり、開放空間の第３空隙３０から熱せられた冷媒または冷却用空気および外気７０を外部に排出できるようにした。これは、駆動電圧を高く設定するほど、冷却効果が大きいという実現不能と思われていた技術的課題を解決させた。

本発明は、好ましい実施形態に関連して記載されたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更がなされ、均等物がそれについての要素に代替され得ることが理解されるであろう。したがって、本発明を実施するために考慮された最良の実施態様として開示された特定の実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属する全ての実施形態を含むものであることがいとされる。

１電機子を含む無鉄心回転電気機械の構造
２固定子
３回転子
４マグネット
９外装体

１０電機子を含む無鉄心回転電気機械
２０第２空隙
３０第３空隙
４０第１空隙またはエアギャップ
４１内側間隙
４２中間間隙
４３外側間隙
７０第２空隙に引き込まれた外気
８０第２空隙に送り込まれた冷媒または冷却用空気
９０排出孔

１００駆動シャフト
１１０駆動シャフトの中間部
１２０駆動シャフトの終端部

２００円筒コイル
２０１円筒コイルの（固定）端面
２０２円筒コイルの（開放）端面
２１０円筒コイルの内周面
２２０円筒コイルの外周面

３００蓋型マウント
３１０蓋型マウントの中心部

４００カップ型マウント
４０１隣接するマグネットの間の隙間
４１０カップ型マウントの中心部
４２０カップ型マウントの底部
４３０通気孔
４３１通気孔用フィルター

５００内側円筒空路形成体またはインナーヨーク
５１０内側円筒空路形成体またはインナーヨークの内周側
５２０内側円筒空路形成体またはインナーヨークの外周面
５３０内側円筒空路形成体またはインナーヨークの端面
５４０内側円筒空路形成体またはインナーヨークの内周側空間

６００外側円筒空路形成体またはアウターヨーク
６１０外側円筒空路形成体またはアウターヨークの内周面
６２０外側円筒空路形成体またはアウターヨークの外周面
６３０外側円筒空路形成体またはアウターヨークの端面

８００冷却装置
９００保護外套
９０１保護外套の端面
９１０通気孔

２０００多翼遠心送風回転体
２１００多翼遠心送風回転体の円板
２２００多翼遠心送風回転体の羽根板

３２００蓋型マウントの経路

Claims

長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートの複数で構成された積層体構造を有する円筒形であって前記導電性金属シートの各々の前記線状部が絶縁層で覆われている通電可能な無鉄心の円筒コイルと、該円筒コイルの一方の端面が固定されて中心部に駆動シャフトが回転自在に連結されている蓋型マウントとを有する固定子と、
前記蓋型マウントに回転自在に連結されている前記駆動シャフトが中心部に連結固定されて前記蓋型マウントの対極に配置されている、底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体とを有するカップ型マウントと、前記外側円筒空路形成体の内周面および／または前記内側円筒空路形成体の外周面に前記円筒コイルの円周方向に互いに間隙を空けて配備されている複数のマグネットとを有する回転子と、
を含み、
前記カップ型マウントは、前記底部と前記内側円筒空路形成体および前記外側円筒空路形成体とで第１空隙のエアギャップが形成されており、前記エアギャップには、配備されている露出した前記複数のマグネットと共に、前記円筒コイルが該円筒コイルの他方の端面が前記底部との間で隙間を残して浮かせた状態で配置されており、前記カップ型マウントの一方の端面と前記蓋型マウントとの間に前記円筒コイルの内周側に位置する第２空隙と前記円筒コイルの外周側に位置する第３空隙とを有する無鉄心回転電気機械であって、
前記蓋型マウントは前記第２空隙に外部から冷媒または冷却用空気を送り込む手段を有し、前記カップ型マウントは前記底部に前記第２空隙に外気を引き込む通気孔を有しており、前記第２空隙に送り込まれた前記冷媒または冷却用空気および前記第２空隙に引き込まれた前記外気は、前記回転子の回転および前記複数のマグネットの回転により発生する前記回転子周囲の圧力差によって、前記第１空隙を流通し、前記第１空隙に露出した加熱している前記複数のマグネットおよび前記第１空隙に配置されている前記円筒コイルの両面を直接冷却し、前記第３空隙を経由して外部に排出されるようにしたことを特徴とする無鉄心回転電気機械。
前記蓋型マウントは、外部から前記冷媒または冷却用空気を前記第２空隙に送り込むための経路を有することを特徴とする請求項１に記載の無鉄心回転電気機械。
前記複数のマグネットの各々は、長辺は前記第１空隙に配置されている前記円筒コイルの長さに対応し、短辺は前記円筒コイルの円周方向に互いに隙間を空けて、前記外側円筒空路形成体の内周面および／または前記内側円筒空路形成体の外周面に前記円筒コイルの長手方向に沿って配備されている直方体であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の無鉄心回転電気機械。
前記カップ型マウントは、前記外側円筒空路形成体の前記第３空隙に対応する位置に２枚の円板と該円板の軸心に向い前記円板に懸架された複数の羽根板とを有する多翼遠心送風回転体が嵌装固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無鉄心回転電気機械。
前記固定子は、前記蓋型マウントに一方の端面が支持された前記外側円筒空路形成体より内径が大きい保護外套を有する外装体をさらに含み、前記外装体は前記第３空隙から排出される前記冷媒または冷却用空気および前記外気を外部に逃がす排出孔を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無鉄心回転電気機械。
長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートの複数で構成された積層体構造を有する円筒形であって前記導電性金属シートの各々の前記線状部が絶縁層で覆われている通電可能な無鉄心の円筒コイルと、該円筒コイルの一方の端面が固定されて中心部に駆動シャフトが回転自在に連結されている蓋型マウントとを有する固定子と、
前記蓋型マウントに回転自在に連結されている前記駆動シャフトが中心部に連結固定されて前記蓋型マウントの対極に配置されている、底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体とを有するカップ型マウントと、前記外側円筒空路形成体の内周面および／または前記内側円筒空路形成体の外周面に前記円筒コイルの円周方向に互いに間隙を空けて配備されている複数のマグネットとを有する回転子と、
を含み、
前記カップ型マウントは、前記底部と前記内側円筒空路形成体および前記外側円筒空路形成体とで第１空隙のエアギャップが形成されており、前記エアギャップには、配備されている露出した前記複数のマグネットと共に、前記円筒コイルが該円筒コイルの他方の端面が前記底部との間で隙間を残して浮かせた状態で配置されており、前記カップ型マウントの一方の端面と前記蓋型マウントとの間には、前記円筒コイルの内周側に位置する第２空隙と前記円筒コイルの外周側に位置する第３空隙とを有しており、前記蓋型マウントは前記第２空隙に外部から冷媒または冷却用空気を送り込む手段を有し、前記カップ型マウントは前記底部に前記第２空隙に外気を引き込む通気孔を有する無鉄心回転電気機械の冷却方法であって、
前記円筒コイルに通電し、前記回転子を作動させるステップと、
前記蓋型マウントの前記送り込む手段によって、前記第２空隙に前記冷媒または冷却用空気を送り込むステップと、
前記回転子の回転および前記複数のマグネットの回転により発生する前記回転子周囲の圧力差によって、前記カップ型マウントの前記通気孔を介して前記第２空隙に前記外気を引き込むステップと、
前記第２空隙に送り込まれた前記冷媒または冷却用空気および前記第２空隙に引き込まれた前記外気は、前記回転子の回転および前記複数のマグネットの回転により発生する前記回転子周囲の圧力差によって、前記第１空隙を流通して前記第１空隙に露出した加熱している前記複数のマグネットおよび前記第１空隙に配置されている前記円筒コイルを直接冷却するステップと、
前記回転子の回転および前記複数のマグネットの回転により発生する前記回転子周囲の圧力差によって、前記第１空隙を流通させた前記冷媒または冷却用空気および前記外気を、前記第３空隙を経由させ、前記無鉄心回転電気機械から排出させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
外部から前記冷媒または冷却用空気を前記第２空隙に送り込むステップは、前記蓋型マウントが有する前記冷媒または冷却用空気を送り込むための経路を経由するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記複数のマグネットの各々は、長辺は前記第１空隙に配置されている前記円筒コイルの長さに対応し、短辺は前記円筒コイルの円周方向に互いに隙間を空けて、前記外側円筒空路形成体の内周面および／または前記内側円筒空路形成体の外周面に前記円筒コイルの長手方向に沿って配備されている直方体であることを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の方法。
前記カップ型マウントは、前記外側円筒空路形成体の前記第３空隙に対応する位置に２枚の円板と該円板の軸心に向い前記円板に懸架された複数の羽根板とを有する多翼遠心送風回転体が前記外側円筒空路形成体に嵌装固定されており、前記多翼遠心送風回転体によって前記回転子の回転および前記複数のマグネットの回転により発生する前記回転子周囲の圧力差をさらに高め、前記第２空隙に引き込まれた前記外気の流量を増加させ、それにより、前記外気および前記第２空隙に送り込まれた前記冷媒または冷却用空気は、前記第１空隙を流通させて前記第３空隙を経由して前記無鉄心回転電気機械から排出されるようにしたことを特徴とする請求項請求項６から８のいずれかに記載の方法。
前記固定子は、前記蓋型マウントに一方の端面が支持された前記外側円筒空路形成体より内径が大きい保護外套を有する外装体をさらに含み、前記外装体は前記外装体の一部に排出孔が設けられ、前記第３空隙から排出された前記冷媒または冷却用空気および前記外気を前記排出孔から逃がすステップをさらに含むことを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の方法。