JP6198085B2 - 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 - Google Patents

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、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、
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、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２空隙に引き込まれた外気は、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、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ＵＳ６，８７３，０８５ Ｂ２ 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いる。そのために、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、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７に示されるように、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、
カップ型マウント４００は底部４２０に第２空隙２０に外気７０を引き込む通気孔４３０を有しており、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に引き込まれた外気７０は、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、外部に排出されるようにした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、カップ型マウント４００の底部４２０に第２空隙２０に外気７０を引き込む通気孔４３０が設けられ、通気孔４３０を介し、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に取り込まれた外気７０は、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る。

本発明の一つの実施形態として、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、内側円筒空路形成体５００の内周側５１０に形成された第２空隙２０に通じる空間５４０に外気７０を取り入れるための複数の通気孔４３０および該通気孔４３０を覆うフィルター４３１を底部４２０に設けることができる。フィルター４３１は回転子３と一体に高速回転することによりごみをはじき飛ばすため、目詰まりしにくくなるという利点がある。

本発明のもう一つ実施形態として、図４に示されるように、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、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に流通する外気７０による冷却効果をさらに高めることができる。

本発明の一実施形態において、図２、図３および図４に示されるように、カップ型マウント４００はさらに、円筒コイル２００の長手方向に沿うように配備された複数のマグネット４の隙間４０１に相当する内側円筒空路形成体５００の位置に内側排気孔５６０および／または外側円筒空路形成体６００の位置に外側排気孔６６０を設けることができる。そうすることにより、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に流通する外気７０による冷却効果をさらに高めることができる。

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、図６に示されるように、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。そうすることにより、外気７０の流量をより増加させ、冷却効果を高めるよう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７に示されるように、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、カップ型マウント４００は底部４２０に第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、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、カップ型マウント４００の通気孔４３０を介し、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、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、カップ型マウント４００の底部４２０に設けられた第２空隙２０に外気７０を引き込むための通気孔４３０を介し、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外気７０を第２空隙２０に取り込み、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から排出させるものである。

本発明の一つの実施形態として、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、内側円筒空路形成体５００の内周側５１０に形成された第２空隙２０に通じる空間５４０に外気７０を取り入れるための複数の通気孔４３０および該通気孔４３０を覆うフィルター４３１を底部４２０に設けることができる。フィルター４３１は回転子３と一体に高速回転することによりごみをはじき飛ばすため、目詰まりしにくくなるという利点を有する。

本発明のもう一つ実施形態として、図４に示されるように、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。

本発明の一実施形態において、図２、図３および図４に示されるように、カップ型マウント４００はさらに、円筒コイル２００の長手方向に沿うように配備された複数のマグネット４の隙間４０１に相当する内側円筒空路形成体５００の位置に内側排気孔５６０および／または外側円筒空路形成体６００の位置に外側排気孔６６０を設けることができる。そうすることにより、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に流通する外気７０による冷却効果をさらに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、図６に示されるように、外側円筒空路形成体６００の第３空隙３０および／または外側排気孔６６０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の冷却効果をより高め、それにより、外気７０を、第１空隙４０を流通させ、第３空隙３０および外側排気孔６６０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３空隙３０および外側排気孔６６０から排出された外気７０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。 図１に示す円筒コイルを含む固定子を備えた無鉄心回転電気機械の一実施形態（プロトタイプ・モータ）の断面図（ａ）および斜視図（ｂ）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４２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５４０はエアギャップ４０のみに通じる。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のみに連通し、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。この負圧状態によって第２空隙２０に外気７０を取り入れ、ここに取り込まれた外気７０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をなぞりながら、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、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５４０に通じる第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。図７は、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（プロトタイプ・モータ）である。

図７に示される一実施形態の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７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を設けることができる。

第３に、図７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る。

ところで、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。

また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。）。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。

電力モータの性能を見る尺度の一つは、モータの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。また、出力（Ｗ）の大きさによって評価することが出来る。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。

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。

本発明において重要なことは、図１に示されたように、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である。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。

図７（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６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および／または外側排気孔６６０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および／または外側排気孔６６０から外気７０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外気７０を引き込むことができる閉鎖空間５４０に通じる第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をなぞりながら、第３空隙３０および／または外側排気孔６６０から熱せられた外気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
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

９００ 保護外套
９０１ 保護外套の端面

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

Claims (14)

1. 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２空隙に引き込まれた前記外気は、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。
2. 前記円筒コイルは、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。
3. 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。
4. 前記カップ型マウントは、前記通気孔を覆うフィルターをさらに含む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。
5. 前記カップ型マウントは、前記円筒コイルの円周方向に隙間を空けて、長手方向に沿うように配備された前記マグネットの前記隙間に相当する前記内側円筒空路形成体の位置に内側排気孔および／または前記外側円筒空路形成体の位置に外側排気孔をさらに設けることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の無鉄心回転電気機械。
6. 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空隙および／または前記外側排気孔に対応する位置に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５のいずれかに記載の無鉄心回転電気機械。
7. 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空隙および／または前記外側排気孔から排出される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５のいずれかに記載の無鉄心回転電気機械。
8. 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。
9. 前記円筒コイルは、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ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 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８または９のいずれかに記載の方法。
11. 前記カップ型マウントは、前記通気孔を覆うフィルターをさらに含むことを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記カップ型マウントは、前記円筒コイルの円周方向に隙間を空けて、長手方向に沿うように配備された前記マグネットの前記隙間に相当する前記内側円筒空路形成体の位置に内側排気孔および／または前記外側円筒空路形成体の位置に外側排気孔をさらに設け、前記第１空隙を流通させた前記外気を、前記第３空隙および前記内側排気孔および／または前記外側排気孔を経由させ、前記無鉄心回転電気機械から排出させるステップさらに含むことを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の方法。
13. 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空隙および／または前記外側排気孔に対応する位置に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８から１２のいずれかに記載の方法。
14. 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空隙および／または前記外側排気孔から排出された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８から１２のいずれかに記載の方法。

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