(57)【要約】  ステーターのコイルアセンブリーは、各電磁コイルの空芯領域内に他の電磁コイルの有効コイル部が収容されるように構成されている。ローターの中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されている。また、各電磁コイルは、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するコイル用導線で形成されている。
2018139245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアレス電気機械装置であって、
永久磁石を有し、中心軸の回りに回転するローターと、
２Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の電磁コイルを組合せたコイルアセンブリーを有し、前記ローターと同心円上に前記ローターからギャップを介して配置されたステーターと、
を備え、
各電磁コイルは、有効コイル部と、前記有効コイル部の両側にある第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と、前記有効コイル部と前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部とに囲まれた空芯領域と、を有する集中巻きコイルとして構成されており、
前記２Ｎ個の電磁コイルは、前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記ステーターの径方向の内側に曲がった形状を有するＮ個の第１形状コイルと、前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の外側に曲がった形状を有するＮ個の第２形状コイルとを含み、
前記コイルアセンブリーは、（ｉ）前記第１形状コイルの前記空芯領域内に前記第２形状コイルの前記有効コイル部が収容されるとともに、前記第２形状コイルの前記空芯領域内に前記第１形状コイルの前記有効コイル部が収容され、（ｉｉ）前記第１形状コイルと前記第２形状コイルが１つずつ交互に配置された構成を有しており、
前記中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、前記分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されており、
各電磁コイルは、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、前記導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するコイル用導線で形成されている、コアレス電気機械装置。
【請求項２】
コアレス電気機械装置であって、
永久磁石を有し、中心軸の回りに回転するローターと、
２Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の電磁コイルを組合せたコイルアセンブリーを有し、前記ローターと同心円上に前記ローターからギャップを介して配置されたステーターと、
を備え、
各電磁コイルは、有効コイル部と、前記有効コイル部の両側にある第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と、前記有効コイル部と前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部とに囲まれた空芯領域と、を有する集中巻きコイルとして構成されており、
前記２Ｎ個の電磁コイルは、前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記ステーターの径方向の内側に曲がった形状を有するＮ個の第１形状コイルと、前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の外側に曲がった形状を有するＮ個の第２形状コイルとを含み、
前記コイルアセンブリーは、（ｉ）前記第１形状コイルの前記空芯領域内に前記第２形状コイルの前記有効コイル部が収容されるとともに、前記第２形状コイルの前記空芯領域内に前記第１形状コイルの前記有効コイル部が収容され、（ｉｉ）前記第１形状コイルと前記第２形状コイルが１つずつ交互に配置された構成を有しており、
前記中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、前記分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されている、コアレス電気機械装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコアレス電気機械装置において、
前記第１形状コイルの前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部の前記中心軸に沿った合計長さは、前記第２形状コイルの前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部の前記中心軸に沿った合計長さよりも大きい、コアレス電気機械装置。
【請求項４】
請求項３に記載のコアレス電気機械装置において、
前記第１形状コイルの前記第１コイルエンド部の前記中心軸に沿った長さは、前記第２形状コイルの前記第２コイルエンド部の前記中心軸に沿った長さよりも大きい、コアレス電気機械装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置において、
前記中心軸に垂直な断面における各電磁コイル内のコイル用導線の配列は、前記径方向に沿って積層した複数の層を構成しており、前記複数の層の各層における前記コイル用導線の巻き数は、前記径方向の外側にいくほど前記コイル用導線の巻き数が単調に増加するように設定されている、コアレス電気機械装置。
【請求項６】
コアレス電気機械装置の電磁コイルを形成するために使用されるコイル用導線であって、
それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、前記導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するコイル用導線。
【請求項７】
請求項６に記載のコイル用導線であって、
前記導線束は、編組みされている、コイル用導線。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のコイル用導線であって、
前記非絶縁導線は、めっきされていない銅線である、コイル用導線。
【請求項９】
直線運動式の電気機械装置であって、
請求項６〜８のいずれか一項に記載のコイル用導線を用いて形成された電磁コイルを備える電気機械装置。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載のコアレス電気機械装置を製造する方法であって、
（ａ）前記Ｎ個の第１形状コイルと前記Ｎ個の第２形状コイルとを準備する工程と、
（ｂ）前記Ｎ個の第１形状コイルと前記Ｎ個の第２形状コイルとを組み合わせて前記コイルアセンブリーを形成する工程と、
（ｃ）前記コイルアセンブリーと、前記ローターとをケーシングに組み付ける工程と、
を備え、
前記工程（ａ）は、
前記第１形状コイルのそれぞれを、前記第１形状コイルの前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の内側に曲がった形状に成形するとともに、前記ローターの中心軸に垂直な断面における前記第１形状コイルの外形を、前記分割リング形状に成形する工程と、
前記第２形状コイルのそれぞれを、前記第２形状コイルの前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の外側に曲がった形状に成形するとともに、前記ローターの中心軸に垂直な断面における前記第２形状コイルの外形を、前記分割リング形状に成形する工程と、
を備えるコアレス電気機械装置の製造方法。
【請求項１１】
コイル用導線で形成された電磁コイルであって、
互いに平行な２つの有効コイル部と、
前記２つの有効コイル部の両端に設けられた第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と、
を備え、
前記第１コイルエンド部は、前記有効コイル部と同じ面内にあり、
前記第２コイルエンド部は、前記有効コイル部と異なる面内にあり、
前記有効コイル部が延びる方向に平行な方向から見た前記電磁コイルの断面は、分割リング形状となっている、電磁コイル。
【請求項１２】
請求項１１記載の電磁コイルであって、
前記有効コイル部が延びる方向に垂直な断面における前記電磁コイル内の前記コイル用導線の配列は、前記分割リング形状の径方向に沿って積層した複数の層を構成しており、前記複数の層の各層における前記コイル用導線の巻き数は、前記径方向の外側にいくほど前記コイル用導線の巻き数が単調に増加するように設定されている、電磁コイル。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の電磁コイルであって、
前記コイル用導線は、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、前記導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有する、電磁コイル。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電磁コイルであって、
前記導線束は、編組みされている、電磁コイル。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の電磁コイルであって、
前記有効コイル部と前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部とに囲まれた空芯領域を有し、
前記空芯領域に面する前記電磁コイルの内側の絶縁膜が、前記電磁コイルの外側の絶縁膜よりも厚い、電磁コイル。
【請求項１６】
コアレス電気機械装置であって、
永久磁石を有し、所定の移動軸に沿って移動するローターと、
複数の電磁コイルを前記移動軸に沿って組合せたコイルアセンブリーよりなるステーターと、
を備え、
前記電磁コイルのそれぞれは、有効コイル部と、前記有効コイル部の両側にある第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と、前記有効コイル部と前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部とに囲まれた空芯領域と、を有する集中巻きコイルとして構成されており、
前記電磁コイルは、前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記移動軸から遠ざかる側に曲がった形状を有する第１形状コイルと、前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記移動軸に近づく側に曲がった形状を有する第２形状コイルとを含み、
前記コイルアセンブリーは、（ｉ）前記第１形状コイルの前記空芯領域内に前記第２形状コイルの前記有効コイル部が収容されるとともに、前記第２形状コイルの前記空芯領域内に前記第１形状コイルの前記有効コイル部が収容され、（ｉｉ）前記第１形状コイルと前記第２形状コイルが１つずつ交互に配置された構成を有しており、
前記電磁コイルのそれぞれは、絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、前記導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するコイル用導線で形成されている、コアレス電気機械装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、２０１７年１月３０日に出願された出願番号２０１７−０１４４８９の日本特許出願に基づく優先権を主張し、その開示の全てが参照によって本願に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、電動モーターや発電機などのコアレス電気機械装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＪＰ２０１３−６６３３５Ａには、第１のコイルエンドを永久磁石側に曲げた電磁コイル（第１形状コイル）と、第２のコイルエンドをコイルバックヨーク側に曲げた電磁コイル（第２形状コイル）とを用いたコアレス電気機械装置が開示されている。このコアレス電気機械装置では、有効コイル領域におけるコイル線密度を高めることができ、また、永久磁石と電磁コイルとの間隔を最小限に狭めることができるので、コアレス電気機械装置の効率を向上させることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来技術では、電磁コイル同士を密に配置するため、電磁コイル同士がローターに近い内側部分で互いに干渉してしまい、複数の電磁コイルを組み合わせてコイルアセンブリーを形成することが困難であるという問題があった。また、電磁コイルを構成するコイル用導線に関しては、電磁コイルの成形時に局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりするという問題があった。
【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、以下の形態として実現することが可能である。【０００６】
（１）本発明の第１の形態は、コアレス電気機械装置であって、永久磁石を有し、中心軸の回りに回転するローターと；２Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の電磁コイルを組合せたコイルアセンブリーを有し、前記ローターと同心円上に前記ローターからギャップを介して配置されたステーターと；を備える。各電磁コイルは、有効コイル部と、前記有効コイル部の両側にある第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と、前記有効コイル部と前記第１コイルエンド部と前記第２エンドコイル部とに囲まれた空芯領域と、を有する集中巻きコイルとして構成されている。前記２Ｎ個の電磁コイルは、前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記ステーターの径方向の内側に曲がった形状を有するＮ個の第１形状コイルと、前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の外側に曲がった形状を有するＮ個の第２形状コイルとを含む。前記コイルアセンブリーは、（ｉ）前記第１形状コイルの前記空芯領域内に前記第２形状コイルの前記有効コイル部が収容されるとともに、前記第２形状コイルの前記空芯領域内に前記第１形状コイルの前記有効コイル部が収容され、（ｉｉ）前記第１形状コイルと前記第２形状コイルが１つずつ交互に配置された構成を有している。前記中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、前記分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されている。各電磁コイルは、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、前記導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するコイル用導線で形成されている。【０００７】
上記第１の形態のコアレス電気機械装置によれば、中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されているので、電磁コイル同士がローターに近い内側部分で互いに干渉してしまうことが無く、複数の電磁コイルを組み合わせてコイルアセンブリーを容易に形成することができる。また、各電磁コイルは、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するコイル用導線で形成されているので、電磁コイルに局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりすることを抑制できる。【０００８】
（２）本発明の第２の形態は、コアレス電気機械装置であって、永久磁石を有し、中心軸の回りに回転するローターと；２Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の電磁コイルを組合せたコイルアセンブリーを有し、前記ローターと同心円上に前記ローターからギャップを介して配置されたステーターと；を備える。各電磁コイルは、有効コイル部と、前記有効コイル部の両側にある第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と、前記有効コイル部と前記第１コイルエンド部と前記第２エンドコイル部とに囲まれた空芯領域と、を有する集中巻きコイルとして構成されている。前記２Ｎ個の電磁コイルは、前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記ステーターの径方向の内側に曲がった形状を有するＮ個の第１形状コイルと、前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の外側に曲がった形状を有するＮ個の第２形状コイルとを含む。前記コイルアセンブリーは、（ｉ）前記第１形状コイルの前記空芯領域内に前記第２形状コイルの前記有効コイル部が収容されるとともに、前記第２形状コイルの前記空芯領域内に前記第１形状コイルの前記有効コイル部が収容され、（ｉｉ）前記第１形状コイルと前記第２形状コイルが１つずつ交互に配置された構成を有している。前記中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、前記分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されている。【０００９】
上記第２の形態のコアレス電気機械装置によれば、中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されているので、電磁コイル同士がローターに近い内側部分で互いに干渉してしまうことが無く、複数の電磁コイルを組み合わせてコイルアセンブリーを容易に形成することができる。【００１０】
（３）上記各形態のコアレス電気機械装置において、前記第１形状コイルの前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部の前記中心軸に沿った合計長さは、前記第２形状コイルの前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部の前記中心軸に沿った合計長さよりも大きいものとしてもよい。【００１１】
このコアレス電気機械装置によれば、第１コイルエンド部が内側に曲がった形状を有する第１形状コイルの方が、第２コイルエンド部が外側に曲がった形状を有する第２形状コイルよりも、ローターの中心軸に沿ったコイルエンド部の合計長さが大きいので、第１形状コイルと第２形状コイルのコイル用導線の長さを容易に等しくすることができる。この結果、第１形状コイルと第２形状コイルの電気抵抗を同一にすることが容易であり、各電磁コイルの電気抵抗が異なることに起因するトルクリップルの発生や、振動の発生を抑制できる。【００１２】
（４）上記コアレス電気機械装置において、前記第１形状コイルの前記第１コイルエンド部の前記中心軸に沿った長さは、前記第２形状コイルの前記第２コイルエンド部の前記中心軸に沿った長さよりも大きいものとしてもよい。【００１３】
このコアレス電気機械装置によれば、第１形状コイルと第２形状コイルのコイル用導線の長さを更に容易に等しくすることができる。【００１４】
（５）上記コアレス電気機械装置において、前記中心軸に垂直な断面における各電磁コイル内のコイル用導線の配列は、前記径方向に沿って積層した複数の層を構成しており、前記複数の層の各層における前記コイル用導線の巻き数は、前記径方向の外側にいくほど前記コイル用導線の巻き数が単調に増加するように設定されていてもよい。【００１５】
このコアレス電気機械装置によれば、径方向の外側にいくほど巻き数が単調に増加するように各層の巻き数が設定されているので、２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になる分割リング形状の電磁コイルを容易に形成することができる。【００１６】
（６）本発明の第３の形態は、コアレス電気機械装置の電磁コイルを形成するために使用されるコイル用導線である。このコイル用導線は、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、前記導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有する。【００１７】
この第３の形態のコイル用導線によれば、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するので、電磁コイルに局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりすることを抑制できる。【００１８】
（７）上記コイル用導線において、前記導線束は、編組みされているものとしてもよい。【００１９】
このコイル用導線によれば、非絶縁導線を束ねた導線束が編組みされているので、コイル用導線の伸縮性を高めることができる。この結果、コイル用導線を巻いて電磁コイルを作成する際に、電磁コイルに局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりすることを更に抑制できる。また、導線束を編組みしているので、コイル用導線の近傍を永久磁石が通過する際に発生する渦電流を低減することが可能である。【００２０】
（８）上記コイル用導線において、前記非絶縁導線は、めっきされていない銅線であるものとしてもよい。【００２１】
このコイル用導線によれば、めっきされていない銅線を非絶縁導線として用いるので、渦電流を更に低減することが可能である。【００２２】
（９）本発明の第４の形態は、上述のコイル用導線を用いて形成された電磁コイルを備える直線運動式の電気機械装置である。【００２３】
この第４の形態の電気機械装置によれば、断線が生じにくい直線運動式の電気機械装置を実現することができる。【００２４】
（１０）本発明の第５の形態は、上記第１又は第２の形態のコアレス電気機械装置を製造する方法である。この製造方法は、（ａ）前記Ｎ個の第１形状コイルと前記Ｎ個の第２形状コイルとを準備する工程と、（ｂ）前記Ｎ個の第１形状コイルと前記Ｎ個の第２形状コイルとを組み合わせて前記コイルアセンブリーを形成する工程と、（ｃ）前記コイルアセンブリーと、前記ローターとをケーシングに組み付ける工程と、を備える。前記工程（ａ）は、前記第１形状コイルのそれぞれを、前記第１形状コイルの前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の内側に曲がった形状に成形するとともに、前記ローターの中心軸に垂直な断面における前記第１形状コイルの外形を、前記分割リング形状に成形する工程と、前記第２形状コイルのそれぞれを、前記第２形状コイルの前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の外側に曲がった形状に成形するとともに、前記ローターの中心軸に垂直な断面における前記第２形状コイルの外形を、前記分割リング形状に成形する工程と、を備える。【００２５】
この第５の形態の製造方法によれば、第１形状コイルと第２形状コイルとを準備する工程において、ローターの中心軸に垂直な断面における第１形状コイルと第２形状コイルの外形をそれぞれ上述した分割リング形状に成形するので、電磁コイル同士がローターに近い内側部分で互いに干渉してしまうこと無く、複数の電磁コイルを組み合わせてコイルアセンブリーを容易に形成することができる。【００２６】
（１１）本発明の第６の形態は、コイル用導線で形成された電磁コイルである。この電磁コイルは、互いに平行な２つの有効コイル部と；前記２つの有効コイル部の両端に設けられた第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と；を備える。前記第１コイルエンド部は、前記有効コイル部と同じ面内にあり、前記第２コイルエンド部は、前記有効コイル部と異なる面内にあり、前記有効コイルが延びる方向に平行な方向から見た前記電磁コイルの断面は、分割リング形状となっている。【００２７】
この第６の形態の電磁コイルによれば、有効コイルが延びる方向に平行な方向から見た電磁コイルの断面が分割リング形状となっているので、電磁コイル同士がローターに近い内側部分で互いに干渉してしまうことが無く、複数の電磁コイルを組み合わせてコイルアセンブリーを容易に形成することができる。【００２８】
（１２）本発明の第７の形態は、コアレス電気機械装置であって、永久磁石を有し、所定の移動軸に沿って移動するローターと；複数の電磁コイルを前記移動軸に沿って組合せたコイルアセンブリーよりなるステーターと、を備える。前記電磁コイルのそれぞれは、有効コイル部と、前記有効コイル部の両側にある第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と、前記有効コイル部と前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部とに囲まれた空芯領域と、を有する集中巻きコイルとして構成されている。前記電磁コイルは、前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記移動軸から遠ざかる側に曲がった形状を有する第１形状コイルと、前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記移動軸に近づく側に曲がった形状を有する第２形状コイルとを含む。前記コイルアセンブリーは、（ｉ）前記第１形状コイルの前記空芯領域内に前記第２形状コイルの前記有効コイル部が収容されるとともに、前記第２形状コイルの前記空芯領域内に前記第１形状コイルの前記有効コイル部が収容され、（ｉｉ）前記第１形状コイルと前記第２形状コイルが１つずつ交互に配置された構成を有している。前記電磁コイルのそれぞれは、絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、前記導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するコイル用導線で形成されている。【００２９】
上記第７の形態のコアレス電気機械装置によれば、各電磁コイルは、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するコイル用導線で形成されているので、電磁コイルに局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりすることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態におけるコアレスモーターの断面図。
【図２】図１の有効コイル部ＶＣＰにおける２−２断面を示す図。
【図３】第１実施形態における１相分のコイルの結線状態を示す説明図。
【図４】第１実施形態における電磁コイルの結線状態を示す説明図。
【図５Ａ】第１形状コイルの斜視図。
【図５Ｂ】第１形状コイルの正面図。
【図５Ｃ】第１形状コイルの側面図。
【図６Ａ】第２形状コイルの斜視図。
【図６Ｂ】第２形状コイルの正面図。
【図６Ｃ】第２形状コイルの側面図。
【図７】第１コイルサブアセンブリーの斜視図。
【図８】第２コイルサブアセンブリーの斜視図。
【図９】コイルアセンブリーの斜視図。
【図１０Ａ】第１形状コイルの形成工程を示す説明図。
【図１０Ｂ】第１形状コイルの形成工程を示す説明図。
【図１０Ｃ】第１形状コイルの形成工程を示す説明図。
【図１１】コイル用導線の構造例を示す説明図。
【図１２】第２実施形態における１相分の電磁コイルの結線状態を示す説明図。
【図１３】第２実施形態における３相の電磁コイルの結線状態を示す説明図。
【図１４】アウターローター構造のコアレスモーターの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態のコアレス電気機械装置としてのコアレスモーター１００の断面図である。このコアレスモーター１００は、ケーシング１１０と、ステーター２００と、ローター３００とを有するラジアルギャップ構造のインナーローター型モーターである。図１には、互いに直交するＸ方向とＹ方向とＺ方向が描かれている。Ｙ方向はローター３００の中心軸Ｃと平行な方向である。図２以降においても、必要に応じて図１と同じ方向Ｘ，Ｙ，Ｚが描かれている。
【００３２】
ローター３００は、中心軸Ｃの回りに回転するローター軸３１０と、ローター軸３１０の外側に設けられた永久磁石３２０とを有する。永久磁石３２０は、１個でも良いが、通常は複数の永久磁石３２０が設けられている。各永久磁石３２０は、ローター３００の中心軸Ｃから外側に向かう径方向に沿って磁化されている。但し、永久磁石３２０の着磁方向は径方向（放射方向）に限らず、平行着磁などのように他の方向に着磁してもよい。なお、「ローター３００の径方向」とは、ローター３００の中心軸Ｃに垂直な方向であって、中心軸Ｃから外側に放射状に延びる方向を意味する。ローター軸３１０の両端部は、ケーシング１１０に設けられた軸受け１２０によって支持されている。
【００３３】
ステーター２００は、ケーシング１１０に収容されており、ローター３００の径方向の外周側にギャップを介して配置されている。ステーター２００は、ケーシング１１０の内側に設けられたコイルバックヨーク２５０と、コイルバックヨーク２５０の内側に設けられた複数の電磁コイル２１０，２２０を有する。これらの電磁コイル２１０，２２０は、Ｎ個の第１形状コイル２１０とＮ個の第２形状コイル２２０を含んでいる。Ｎは、２以上の整数である。第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０は、互いに異なる形状を有している。コイルバックヨーク２５０は、磁性体材料で形成されており、略円筒形形状を有している。第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０は、熱伝導性、絶縁性、及び剛性に優れた樹脂１７０によりモールドされている。これらの電磁コイル２１０，２２０のコイル用導線は、結線用基板１５０にそれぞれ接続されている。結線用基板１５０からは、給電用のコイル端子１６０がケーシング１１０の外部に取り出されている。
【００３４】
個々の電磁コイル２１０，２２０は、有効コイル部ＶＣＰと、有効コイル部ＶＣＰの両側に設けられた第１コイルエンド部ＣＥ１及び第２コイルエンド部ＣＥ２を有する。有効コイル部ＶＣＰは、電気的エネルギーと機械的エネルギーの間のエネルギー変換を有効に行うコイル部分であり、コイルエンド部ＣＥ１，ＣＥ２はエネルギー変換に直接関係しないコイル部分である。コイルバックヨーク２５０が設けられている場合には、コイルバックヨーク２５０と径方向に重なるコイル部分が有効コイル部ＶＣＰに相当し、コイルバックヨーク２５０と径方向に重ならないコイル部分がコイルエンド部ＣＥ１，ＣＥ２に相当する。第１形状コイル２１０は、第１コイルエンド部ＣＥ１が有効コイル部ＶＣＰから径方向の内側に曲がった形状を有する。一方、第２形状コイル２２０は、第２コイルエンド部ＣＥ２が有効コイル部ＶＣＰから径方向の外側に曲がった形状を有する。結線用基板１５０は、第２コイルエンド部ＣＥ２の側に設けられている。第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０の形状については更に後述する。
【００３５】
ケーシング１１０には、ローター３００の回転位置を検出する位置センサーとしての磁気センサー１４０が設けられており、磁気センサー１４０は回路基板１３０に接続されている。本実施形態では、磁気センサー１４０と回路基板１３０は、永久磁石３２０の両側のうち、第２コイルエンド部ＣＥ２と同じ側に配置されている。
【００３６】
図２は、図１の有効コイル部ＶＣＰにおける２−２断面を示す図である。この断面において、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０の有効コイル部ＶＣＰは径方向に重なっておらず、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０が１つずつ交互に配置されている。この例では、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０の個数Ｎは、それぞれ６である。なお、第１形状コイル２１０の断面には、電流の向きに応じた異なるハッチングを付している。
【００３７】
図２において、例えば、２つのコイル２１０ａ，２１０ｂは第１形状コイル２１０であり、それらのコイル２１０ａ，２１０ｂの互いに接触した有効コイル部ＶＣＰを、第２形状コイル２２０ａが挟み込んで配置されている。また、同一形状のコイル２１０ａ，２１０ｂの間２３０は密着配置であり、異形状のコイル２１０ａ，２２０ａの間２４０にはコイル製造上の間隙が存在する。
【００３８】
図３は、第１形状コイル２１０の結線状態を示す説明図である。ここでは、第１形状コイル２１０の結線状態のみを示しており、第２形状コイル２２０の結線状態は省略している。なお、コイル用導線に付された矢印は、電流の方向を示している。第１形状コイル２１０の巻線方向は、交互に逆回り（例えば、交互に時計回りと半時計回り）となっている。また、複数の第１形状コイル２１０は、電流により発生する磁場の方向が交互に逆向き（交互に径方向外向きと内向き）になるように結線されている。複数の第１形状コイル２１０は順次接続されており、それらの両端に給電用のコイル端子１６１，１６２が設けられている。このような結線状態は、第２形状コイル２２０についても同様である。更に、第１形状コイル２１０又は第２形状コイル２２０のそれぞれの同形状コイルの間は密着配置とし、異形状コイルの間にはコイル製造上の誤差が吸収可能な隙間を設けた構造を採用してもよい。このような構造を採用すれば、永久磁石３２０の磁力線と電磁コイル２１０，２２０の配置を理想的な配置とすることができ、また、最も高いトルクを発生させるモータ特性を実現できる。
【００３９】
図４は、第１実施形態における電磁コイル２１０，２２０の結線状態を示す説明図である。第１実施形態では、Ｎ個（Ｎ＝６）の第１形状コイル２１０が電気的に順次接続されてＡ相を構成しており、また、Ｎ個の第２形状コイル２２０が電気的に順次接続されてＢ相を構成している。図４において、電磁コイルの符号２１０，２２０の後ろに付された「（Ａ）」「（Ｂ）」の文字は、Ａ相とＢ相の違いを示している。Ｎ個の第１形状コイル２１０で構成されたＡ相コイルの両端には、２つのコイル端子１６１，１６２が設けられている。同様に、Ｎ個の第２形状コイル２２０で構成されたＢ相コイルの両端には、２つのコイル端子１６３，１６４が設けられている。この説明から理解できるように、第１実施形態のコアレスモーター１００は、２相モーターとして構成されている。
【００４０】
図５Ａは、第１形状コイル２１０の斜視図であり、図５Ｂはその正面図、図５Ｃはその側面図である。第１形状コイル２１０は、互いに平行な２つの有効コイル部２１４と、２つの有効コイル部２１４の両側にある第１コイルエンド部２１１及び第２コイルエンド部２１２とを有する集中巻きコイルとして構成されている。有効コイル部２１４と第１コイルエンド部２１１と第２コイルエンド部２１２は、図１の有効コイル部ＶＣＰと第１コイルエンド部ＣＥ１と第２コイルエンド部ＣＥ２にそれぞれ相当する。有効コイル部２１４は、ローター３００の中心軸Ｃと平行な方向（Ｙ方向）に延びる２本の平行なコイル部分である。有効コイル部２１４と第１コイルエンド部２１１と第２コイルエンド部２１２とに囲まれた空間を、「空芯領域２１３」と呼ぶ。第１形状コイル２１０は、第１コイルエンド部２１１が有効コイル部２１４から径方向の内側に略Ｚ字状に曲がった形状を有する。また、第１コイルエンド部２１１の端部は、円弧状に曲げられている。本実施形態において、第２コイルエンド部２１２は、有効コイル部２１４から径方向には曲がっておらず、有効コイル部２１４と同一面内にある。また、第２コイルエンド部２１２の端部は、有効コイル部２１４と同一面内において円弧状に曲げられている。換言すれば、第１コイルエンド部２１１は有効コイル部２１４と同じ面内にあり、第２コイルエンド部２１２は有効コイル部２１４と異なる面内にある。第１形状コイル２１０の２つのコイル端部２１５，２１６は、第２コイルエンド部２１２から取り出されている。こうすれば、第１形状コイル２１０への給電が容易な構造とすることが可能である。
【００４１】
図５Ｂは、ローター３００の中心軸Ｃ（図１）に垂直な断面における第１形状コイル２１０の外形を示している。第１形状コイル２１０の外形は、円環をＮ等分した分割リング形状を有している。換言すれば、有効コイル部２１４が延びる方向に平行な方向から見た第１形状コイル２１０の断面は、分割リング形状となっている。分割リング形状の２つの側辺２１７，２１８は、互いに傾いており、第１形状コイル２１０よりも径方向内側にある交点Ｃ２１０で交差する。この交点Ｃ２１０は、ローター３００の中心軸Ｃの近傍に設定されることが好ましく、中心軸Ｃ上に存在することが更に好ましい。２つの側辺２１７，２１８のなす角度θ１は、３６０°／Ｎ以下になるように形成されている。なお、図５Ａ〜図５Ｃでは、コイル数Ｎを１２とした場合の形状を示しており、角度θ１を３０°に等しく設定した例を示している。
【００４２】
図５Ｃに示すように、第１形状コイル２１０は、ローター３００の中心軸Ｃに平行な方向（Ｙ方向）に沿って、長さＬ２１０を有する。また、有効コイル部２１４と第１コイルエンド部２１１と第２コイルエンド部２１２は、長さＬ２１４，Ｌ２１１，Ｌ２１２をそれぞれ有する。これらの長さについては更に後述する。
【００４３】
図６Ａは、第２形状コイル２２０の斜視図であり、図６Ｂはその正面図、図６Ｃはその側面図である。第２形状コイル２２０は、第１コイルエンド部の代わりに第２コイルエンド部が径方向に曲げられている点を除いて、第１形状コイル２１０とほぼ同様の構成を有する。すなわち、第２形状コイル２２０は、有効コイル部２２４と、有効コイル部２２４の両側にある第１コイルエンド部２２１及び第２コイルエンド部２２２とを有する集中巻きコイルとして構成されている。有効コイル部２２４と第１コイルエンド部２２１と第２コイルエンド部２２２とに囲まれた空間を、「空芯領域２２３」と呼ぶ。第２形状コイル２２０は、第１コイルエンド部２２１が、有効コイル部２２４から径方向には曲がっておらず、有効コイル部２２４と同一面内にある。また、第１コイルエンド部２２１の端部は、有効コイル部２２４と同一面内において円弧状に曲げられている。第２コイルエンド部２２２は、有効コイル部２２４から径方向の外側に略Ｚ字状に曲がった形状を有する。また、第２コイルエンド部２２２の端部は、円弧状に曲げられている。第２形状コイル２２０の２つのコイル端部２２５，２２６は、第１形状コイル２１０と同様に、第２コイルエンド部２２２から取り出されている。
【００４４】
図６Ｂは、ローター３００の中心軸Ｃ（図１）に垂直な断面における第２形状コイル２２０の外形を示している。第２形状コイル２２０の外形も、第１形状コイル２１０と同様に、円環をＮ等分した分割リング形状を有している。分割リング形状の２つの側辺２２７，２２８は、互いに傾いており、第２形状コイル２２０よりも径方向内側にある交点Ｃ２２０で交差する。この交点Ｃ２２０は、ローター３００の中心軸Ｃの近傍に設定されることが好ましく、中心軸Ｃ上に存在することが更に好ましい。２つの側辺２２７，２２８のなす角度θ２は、３６０°／Ｎ以下になるように形成されている。なお、図６Ａ〜図６Ｃでは、コイル数Ｎを１２とした場合の形状を示しており、角度θ２を３０°に等しく設定した例を示している。
【００４５】
図６Ｃに示すように、第２形状コイル２２０は、ローター３００の中心軸Ｃに平行な方向（Ｙ方向）に沿って、長さＬ２２０を有する。また、有効コイル部２２４と第１コイルエンド部２２１と第２コイルエンド部２２２は、長さＬ２２４，Ｌ２２１，Ｌ２２２をそれぞれ有する。
【００４６】
第１形状コイル２１０の有効コイル部２１４の長さＬ２１４は、第２形状コイル２２０の有効コイル部２２４の長さＬ２２４に等しい。また、本実施形態では、第１形状コイル２１０の第１コイルエンド部２１１と第２コイルエンド部２１２の合計長さ（Ｌ２１１＋Ｌ２１２）は、第２形状コイル２２０の第１コイルエンド部２２１と第２コイルエンド部２２２の合計長さ（Ｌ２２１＋Ｌ２２２）よりも大きく設定されている。これは、以下の理由による。前述したように、第１形状コイル２１０は、第１コイルエンド部２１１が内側に曲がった形状を有し、第２形状コイル２２０は、第２コイルエンド部２２２が外側に曲がった形状を有する。従って、仮に（Ｌ２１１＋Ｌ２１２）＝（Ｌ２２１＋Ｌ２２２）に設定すると、第１コイルエンド部２１１が内側に曲がった形状を有する第１形状コイル２１０の方が、第２コイルエンド部２２２が外側に曲がった形状を有する第２形状コイル２２０よりも、コイル用導線の長さ（コイル長さ）が短くなり易い。仮に、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０のコイル用導線の長さが互いに異なる場合には、第１形状コイルと第２形状コイルの電気抵抗が異なってしまい、各電磁コイルの電気抵抗が異なることに起因して、トルクリップルや振動が発生するという問題が生じる。一方、本実施形態のように、（Ｌ２２１＋Ｌ２２２）＜（Ｌ２１１＋Ｌ２１２）に設定すれば、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０のコイル用導線の長さを容易に等しくすることができる。この結果、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０の電気抵抗を同一にすることが容易であり、各電磁コイルの電気抵抗が異なることに起因するトルクリップルの発生や、振動の発生を抑制できる。
【００４７】
なお、第１形状コイル２１０の第１コイルエンド部２１１の長さＬ２１１を、第２形状コイル２２０の第２コイルエンド部２２２の長さＬ２２２よりも大きく設定することが更に好ましい。こうすれば、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０のコイル用導線の長さを更に容易に等しくすることができる。
【００４８】
図７は、図５Ａ〜図５Ｃに示した第１形状コイル２１０を円筒状に並べた第１コイルサブアセンブリー２１０Ａの斜視図である。この第１コイルサブアセンブリー２１０Ａは、隣接する第１形状コイル２１０の有効コイル部２１４の外側面同士が互いに接した状態でＮ個の第１形状コイル２１０をリング状に並べ、互いに接着することによって形成できる。
【００４９】
図８は、図６Ａ〜図６Ｃに示した第２形状コイル２２０を円筒状に並べた第２コイルサブアセンブリー２２０Ａの斜視図である。この第２コイルサブアセンブリー２２０Ａは、隣接する第２形状コイル２２０の有効コイル部２２４の外側面同士が互いに接した状態でＮ個の第２形状コイル２２０をリング状に並べ、互いに接着することによって形成できる。
【００５０】
図９は、第１コイルサブアセンブリー２１０Ａと第２コイルサブアセンブリー２２０Ａとを組み合わせたコイルアセンブリー２３０ＡＢの斜視図である。このコイルアセンブリー２３０ＡＢは、第１コイルサブアセンブリー２１０Ａ（図７）の右側から左側に向けて、第２コイルサブアセンブリー２２０Ａ（図８）をスライドさせることによって組み合わせることができる。この際、同形状のコイル間（図２の２３０）は密着する形状で設けられているので互いに強固に接着できる。また、異形状のコイル間（図２の２４０）は間隙が設けられているので、コイルアセンブリー２１０Ａと２２０Ａをスライドさせて組み合わせる際に、摩擦抵抗が少なく、容易にスライドさせることができる。但し、これ以外の方法でコイルアセンブリー２３０ＡＢを組み立てるようにしてもよい。例えば、第１コイルサブアセンブリー２１０Ａを組み立てた後に、第２形状コイル２２０を１個ずつ順次に第１コイルサブアセンブリー２１０Ａに組み付けるようにしてもよい。
【００５１】
このコイルアセンブリー２３０ＡＢは、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０が１つずつ交互に配置された構成を有しており、また、以下のような特徴を有している。
（ｉ）第１形状コイル２１０の空芯領域２１３（図５Ａ）内に第２形状コイル２２０の有効コイル部２２４が収容されるとともに、第２形状コイル２２０の空芯領域２２３（図６Ａ）内に第１形状コイル２１０の有効コイル部２１４が収容されている。
（ｉｉ）第１形状コイル２１０の第１コイルエンド部２１１が第２形状コイル２２０の第１コイルエンド部２２１と径方向に重なるとともに、第１形状コイル２１０の第２コイルエンド部２１２が第２形状コイル２２０の第２コイルエンド部２２２と径方向に重なるように配置されている。
【００５２】
図９から理解できるように、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０は、それぞれの有効コイル部２１４，２２４がほぼ隙間無く接した状態で配置されるので、コイルアセンブリー２３０ＡＢにおけるコイル線密度を極めて高くすることが可能である。図１に示したコアレスモーター１００は、このコイルアセンブリー２３０ＡＢと、ローター３００とをケーシング１１０に組み付ける工程を含む製造方法に従って製造することが可能である。
【００５３】
なお、図５Ｂで説明したように、第１形状コイル２１０は、ローター３００の中心軸Ｃに垂直な断面における第１形状コイル２１０の外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有しており、その分割リング形状の２つの側辺２１７，２１８のなす角度θ１が３６０°／Ｎ以下になるように形成されている。第２形状コイル２２０も同様である（図６Ｂ）。従って、電磁コイル２１０，２２０同士がローター３００に近い内側部分で互いに干渉してしまうことが無く、複数の電磁コイル２１０，２２０を組み合わせてコイルアセンブリー２３０ＡＢを容易に形成することができる。図５Ｂ及び図６Ｂに示した電磁コイル２１０，２２０の形状は、コイルアセンブリー２３０ＡＢや、コイルサブアセンブリー２１０Ａ，２２０Ａを組み立てる前に、個々の電磁コイル２１０，２２０を準備するときに成形しておくことが好ましい。こうすれば、コイルアセンブリー２３０ＡＢや、コイルサブアセンブリー２１０Ａ，２２０Ａを容易に組み立てることが可能である。
【００５４】
図１０Ａ〜図１０Ｃは、第１形状コイル２１０の形成工程を示す説明図である。まず、図１０Ａに示す工程では、コイル用導線を準備し、α巻きとなるようにコイル用導線のほぼ真ん中から両端側をそれぞれ外側方向へ巻いてゆくことにより、一本のコイル用導線から２つのコイル部２１０ｕ，２１０ｄを形成する。図中の矢印は巻き方向ＷＤを示している。図１０Ａの左側は平面図であり、図１０Ａの右側は有効コイル部の断面図である。２つのコイル部２１０ｕ，２１０ｄからは、コイル端部２１５，２１６がそれぞれ外部に突出している。次に、図１０Ｂに示す工程において、２つのコイル部２１０ｕ，２１０ｄを対面で重ね合わせて平面状の第１形状コイル２１０を形成する。図中の矢印は、コイル端部２１５から電流が流れた場合の電流方向を示している。次に、図１０Ｃの工程において、平面状の第１形状コイル２１０に曲げ加工を施す。この曲げ工程では、第１形状コイル２１０の有効コイル部２１４と第２コイルエンド部２１２が図５Ｂに示した分割リング形状に曲げられると共に、第１コイルエンド部２１１を図５Ａに示したように略Ｚ字状に曲げられる。なお、コイル部２１０ｕ，２１０ｄは、積層数を同数として説明したが、両者の積層数を一致させる必要はなく、異なる積層数としてもよい。例えば、一方のコイル部２１０ｕを１層構造とし、他方のコイル部２１０ｄを４層構造とするようにしてもよい。
【００５５】
なお、図１０Ｃの右側に示すように、ローター３００の中心軸Ｃに垂直な断面における有効コイル部２１４の断面において、コイル用導線の配列ＬＣが、径方向に沿って積層した複数の層Ｌ１〜Ｌｍ（ｍは２以上の整数）で構成されていることが好ましい。複数の層Ｌ１〜Ｌｍのうち、層Ｌ１は、ローター３００の径方向に沿って最も内側の層であり、層Ｌｍは最も外側の層である。このとき、複数の層Ｌ１〜Ｌｍの各層におけるコイル用導線の巻き数は、径方向の外側にいくほど巻き数が単調に増加するように設定されていることが好ましい。特に、複数の層Ｌ１〜Ｌｍは、径方向のより外側にある層ほどコイル用導線の巻き数がより大きくなるように設定されていることが好ましい。但し、複数の層Ｌ１〜Ｌｍのうちの一部では、隣接する２層におけるコイル用導線の巻き数が同じであってもよい。こうすれば、２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になる分割リング形状の電磁コイルを容易に形成することができる。なお、第２形状コイル２２０も、図１０Ｂに示すα巻きとなるコイルに形成するまでは第１形状コイル２１０とほぼ同様の構成で形成することが可能であり、生産性に優れている。
【００５６】
図１１は、電磁コイルを形成するために使用されるコイル用導線の構造例を示す説明図である。図１１の上段に示す第１のコイル用導線４１０は、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線４１１を束ねた導線束４１２と、この導線束４１２の周囲を被覆する絶縁被覆層４１４と、を備えている。この絶縁被覆層４１４は、電磁コイルにおいてコイル用導線４１０の１巻分に生じる誘起電圧に耐えるだけの絶縁性を有していればよく、後で述べる第２の絶縁被膜によってコイル間及び相間に生じる電位差に耐える絶縁性が確保される。したがって、絶縁被覆層４１４は第２の絶縁被膜よりも薄くて良い。非絶縁導線４１１は、例えば、裸の銅線である。絶縁被覆層４１４の周囲には、自己融着層４１６が形成されている。自己融着層４１６は、熱又は溶剤により活性化して、隣接するコイル用導線４１０を互いに融着させる機能を有する。なお、自己融着層４１６は省略してもよい。導線束４１２は、編組みされていない。このコイル用導線４１０の断面は円形であるが、断面を略矩形に形成してもよい。
【００５７】
なお、コイル用導線として慣用されるエナメル線は、個々の導線が絶縁被膜で絶縁されているので、永久磁石３２０が電磁コイルの近傍を通過する際に、比較的大きな渦電流が電磁コイルに発生するという問題がある。渦電流は、コイルに対する永久磁石３２０の相対位置変化を妨げる方向で発生し、コアレスモーターを回転させる際の抵抗力の原因となるので、低減する必要がある。なお、渦電流の実験としては、コイル用導線４１０を直線的に配置した状態で、その表面近傍の位置を永久磁石が通過するように永久磁石を移動させ、その際にコイル用導線４１０に発生する力を測定する実験を行った。このとき、コイル用導線４１０に発生する力は、コイル用導線４１０に発生する渦電流の大きさに比例するものと考えることが可能である。渦電流を低減するために、例えばリッツ線（エナメル線をより合わせた線）を使用することが可能である。リッツ線全体としてはコイルに流す電流量を確保するために十分な断面積を有し、コイル用導線４１０として好適であると同時に、リッツ線を構成する個々のエナメル線の断面積が十分に小さいので、渦電流の発生を抑制することができる。しかもリッツ線は入手が極めて容易である。しかし、本願の発明者は、リッツ線をコイル用導線として使用すると、電磁コイルの成形時に局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりするという問題があることを見いだした。リッツ線内部の個々のエナメル線はリッツ線全体の方向とおおむね同じ方向で単純に束ねられているので、本実施形態における形状のコイルを形成するべく成型すると、リッツ線の内部で細いエナメル線が断線するのである。これに対し、図１１に示したコイル用導線４１０は、複数の非絶縁導線４１１を束ねた導線束４１２と、導線束４１２の周囲を被覆する絶縁被覆層４１４と、を有するので、電磁コイルに局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりすることを抑制できる。本願の発明者の実験によれば、この第１のコイル用導線４１０は、非絶縁導線４１１の線径を市販のリッツ線の銅線の線径より細くした場合にも、リッツ線に比べて断線が少ないことが確認された。
【００５８】
また、本願の発明者は、第１のコイル用導線４１０に発生する渦電流の大きさを実験的に調べた結果、リッツ線を用いた場合に比べて導線の線径を細くすることができ、渦電流を大幅に低減できることを見いだした。
【００５９】
なお、第１のコイル用導線４１０を用いて前述した図１０Ａ〜図１０Ｃに示した工程に従って個々の電磁コイル２１０，２２０を作成した後に、個々の電磁コイル２１０，２２０の全体を、更に第２の絶縁被膜で被覆することによって、コイル間及び相間に生じる電位差に耐える絶縁性を確保するようにしてもよい。この第２の絶縁被膜は、導線束４１２の周囲の絶縁被覆層４１４よりも耐電圧特性に優れた絶縁材料で形成することが好ましい。また、何度も巻くコイルの内部と異なり、コイルの外側であれば、厚い絶縁被膜を用いてもコイル全体のサイズ増大を抑制することが可能である。
【００６０】
この際、各コイルは、コイルアセンブリーを組んだ際に、同相、同形状のコイルが隣接配置され、かつ隣接する有効コイル部ＶＣＰには同じ方向の電流が流れる。従って、各コイルの外側の第２の絶縁被膜は薄くてよい。逆に、各コイルの空芯領域には、逆相、異形状のコイルが隣接配置されるので、各コイルの内側の第２の絶縁被膜は外側より厚くすると良い。
【００６１】
なお、渦電流はコイルを形成する非絶縁導電線４１１の断面方向に渦を巻くので、非絶縁導電線４１１の断面積が小さいほど好適である。具体的には０．０４ｍｍ２以下とすると良い。より好適には０．０２ｍｍ２以下とするとよいが、本構成では断面積が小さくなることによる電気抵抗の増大を考慮する必要がある。
【００６２】
図１１の中段に示す第２のコイル用導線４２０も、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線４２１を束ねた導線束４２２と、この導線束４２２の周囲を被覆する絶縁被覆層４２４と、を備えている。非絶縁導線４２１は、例えば、裸の銅線である。絶縁被覆層４２４の周囲には、自己融着層４２６が形成されている。導線束４１２は、編組みされており、この例では平編みされている。このコイル用導線４２０の断面は略矩形であるが、断面を円形に形成してもよい。このコイル用導線４２０は、導線束４２２が編組みされているので、コイル用導線４２０の伸縮性を高めることができる。この結果、コイル用導線４２０を巻いて電磁コイルを作成する際に、電磁コイルに局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりすることを更に抑制できる。特に、導線束４２２を平編みとした場合には、直交する２つの方向（図１１の左右方向と上下方向）の両方向に沿った伸縮性を高めることが可能である。
【００６３】
第２のコイル用導線４２０に発生する渦電流の大きさは、第１のコイル用導線４１０よりも更に大幅に低下した。この理由は、導線束４２２を編組みすることにより、非絶縁導線４２１の線径をリッツ線の銅線の線径よりも大幅に小さくすることができ、渦電流の経路がさらに分断されて、渦電流が発生しにくくなるからであると推定される。
【００６４】
本構成では、各非絶縁導電線４２１は編組みされているため、個々の非絶縁導電線４２１の断面積を０．０４ｍｍ２以下又は０．０２ｍｍ２以下として渦電流の抑制効果をさらに高めても、電気抵抗の増大は問題とならない。この理由は、渦電流の起電力は小さいため、非絶縁導電線４２１をまたがって流れることができずに減衰するが、コイル電流は十分な電圧によって供給されるため非絶縁性導電線をまたがって流れるからであり、また、網組みであるので個々の非絶縁導電線４２１の方向がコイル用導線全体の方向と異なるので、渦電流の起電力が非絶縁導電線４２１をまたがるように発生するからであると推測される。
【００６５】
図１１の下段に示す第３のコイル用導線４３０も、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線４３１を束ねた導線束４３２と、この導線束４３２の周囲を被覆する絶縁被覆層４３４と、を備えている。非絶縁導線４３１は、例えば、裸の銅線である。絶縁被覆層４３４の周囲には、自己融着層４３６が形成されている。更に、個々の非絶縁導線４３１の表面には、めっき層４３８（例えばＳｎめっき層）が形成されている。導線束４３２は、編組みされており、この例では平編みされている。このコイル用導線４３０の断面は略矩形であるが、断面を円形に形成してもよい。このコイル用導線４３０も、導線束４３２が編組みされているので、コイル用導線４２０の伸縮性を高めることができる。この結果、コイル用導線４２０を巻いて電磁コイルを作成する際に、電磁コイルに局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりすることを更に抑制できる。
【００６６】
第３のコイル用導線４３０に発生する渦電流の大きさは、第２のコイル用導線４２０よりやや大きく、第１のコイル用導線４１０とほぼ同程度であった。これはめっき層４３８によって非絶縁導線４３１をまたがって渦電流が流れやすくなったためと推測される。従って、渦電流を小さくするという観点からは、第２のコイル用導線４２０のように、メッキされていない銅線を非絶縁導線として用いることが好ましい。
【００６７】
以上のように、第１実施形態では、ローター３００の中心軸Ｃに垂直な断面における各電磁コイル２１０，２２０の外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されているので、電磁コイル２１０，２２０同士がローター３００に近い内側部分で互いに干渉してしまうことが無く、複数の電磁コイル２１０，２２０を組み合わせてコイルアセンブリー２３０ＡＢを容易に形成することができる。また、各電磁コイル２１０，２２０は、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有するコイル用導線で形成されているので、電磁コイル２１０，２２０に局所的に過度の伸長が生じたり、断線が生じたりすることを抑制できる。
【００６８】
Ｂ．第２実施形態
図１２は、第２実施形態における１相分の電磁コイルの結線状態を示す説明図であり、第１実施形態の図３と対応する図である。なお、図１及び図２に示したコアレスモーターの断面構造や、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０の個々の形状は、第２実施形態も第１実施形態と同じである。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、電磁コイル２１０，２２０同士の結線状態が異なる点、及び、第２実施形態では３相モーターとして構成されている点、の２点であり、他は第１実施形態と同じである。
【００６９】
第２実施形態において、１相分の電磁コイルは、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０を等間隔で選択して順次結線することによって構成される。図１２の例では、２つの第１形状コイル２１０と、２つの第２形状コイル２２０が結線されて１相分の電磁コイルを構成している。コイル用導線に付された矢印は、電流の方向を示している。第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０は、電流により発生する磁場の方向が逆向き（径方向外向きと内向き）になるように結線されている。このような結線状態は、他の２相分の電磁コイルについても同様である。
【００７０】
図１３は、第２実施形態における電磁コイル２１０，２２０の結線状態を示す説明図であり、第１実施形態の図４と対応する図である。この例では、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０がＵ相用とＶ相用とＷ相用の３つにそれぞれ分類されている。また、Ｕ相用の第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０が電気的に順次接続されてＵ相を構成している。同様に、Ｖ相用の第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０が電気的に順次接続されてＶ相を構成し、Ｗ相用の第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０が電気的に順次接続されてＷ相を構成している。図１３において、電磁コイルの符号２１０，２２０の後ろに付された「（Ｕ）」「（Ｖ）」「（Ｗ）」の文字は、Ｕ相とＶ相とＷ相の違いを示している。Ｕ相コイルの両端には、２つのコイル端子１６１，１６２が設けられている。同様に、Ｖ相コイルの両端には、２つのコイル端子１６３，１６４が設けられており、Ｗ相コイルの両端には、２つのコイル端子１６５，１６６が設けられている。この説明から理解できるように、電磁コイルの結線状態を変更することによって、図４に示した２相モーターと、図１３に示した３相モーターを、同一のコイル構造により統一化することができるので、量産効果が得られる。但し、このように結線状態のみの変更によって２相モーターと３相モーターを変更するためには、第１形状コイル２１０と第２形状コイル２２０のそれぞれコイル数Ｎを６の倍数に設定しておくことが好ましい。
【００７１】
この第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００７２】
なお、上述した実施形態では、回転運動を行う電気機械装置について説明したが、本願発明は、直線運動を行う電気機械装置（例えばリニアモーター）にも適用可能である。特に、リニアモーターのような直線運動式の電気機械装置ではコイル用導線に断線が生じ易いので、上述したコイル用導線を用いて形成した電磁コイルを使用すれば、コイル用導線の断線を抑制する効果が顕著である。
【００７３】
なお、上述した各実施形態では、コイルアッセンブリーの内側にローターが配置されるインナーローター構造の電気機械装置について説明したが、本発明は、コイルアッセンブリーの外側にローターが配置されるアウターローター構造の電気機械装置にも適用可能である。
【００７４】
図１４は、アウターローター構造の電気機械装置の一例としてのコアレスモーター１００ａの断面図である。図１に示したインナーローター構造のコアレスモーター１００の部品と対応する部品には同一の符号を付しており、それらの詳細な説明は省略する。図１４のコアレスモーター１００ａでは、ローター３００の永久磁石３２０が、電磁コイル２１０，２２０を有するステーター２００の径方向の外側にギャップを介して配置されている。回路基板１３０に設置された磁気センサー１４０は、この永久磁石３２０に対向する位置に設置されている。また、回路基板１３０は、外部配線との接続を行うためのコネクター１８０が接続されている。アウターローター構造は、ステーター２００がローター３００と同心円上にローター３００からギャップを介して配置されている点でインナーローター構造と共通している。このようなアウターローター構造の電気機械装置においても、インナーローター構造の電気機械装置とほぼ同様の効果を得ることが可能である。
【００７５】
また、本発明は、回転式の電気機械装置に限らず、リニア式の電気機械装置にも適用できる。この場合には、例えば、上記実施形態において「中心軸回りに回転するローター」を「移動軸上を移動するスライダー」と読み替える。また、電磁コイルの外形は、分割リング形状となる必要が無い。
【００７６】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１００…コアレスモーター、１１０…ケーシング、１２０…軸受け、１３０…回路基板、１４０…磁気センサー、１５０…結線用基板、１６０，１６１〜１６６…コイル端子、１７０…樹脂、２００…ステーター、２１０…第１形状コイル（電磁コイル）、２１０Ａ…第１コイルサブアセンブリー、２１０ｄ，２１０ｕ…コイル部、２１１…第１コイルエンド部、２１２…第２コイルエンド部、２１３…空芯領域、２１４…有効コイル部、２１５，２１６…コイル端部、２１７，２１８…側辺、２２０…第２形状コイル、２２０Ａ…第２コイルサブアセンブリー、２２１…第１コイルエンド部、２２２…第２コイルエンド部、２２３…空芯領域、２２４…有効コイル部、２２５，２２６…コイル端部、２２７，２２８…側辺、２３０ＡＢ…コイルアセンブリー、２５０…コイルバックヨーク、３００…ローター、３１０…ローター軸、３２０…永久磁石、４１０…コイル用導線、４１１…非絶縁導線、４１２…導線束、４１４…絶縁被覆層、４１６…自己融着層、４２０…コイル用導線、４２１…非絶縁導線、４２２…導線束、４２４…絶縁被覆層、４２６…自己融着層、４３０…コイル用導線、４３１…非絶縁導線、４３２…導線束、４３４…絶縁被覆層、４３６…自己融着層、４３８…めっき層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月24日(2019.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアレス電気機械装置であって、
永久磁石を有し、中心軸の回りに回転するローターと、
２Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の電磁コイルを組合せたコイルアセンブリーを有し、前記ローターと同心円上に前記ローターからギャップを介して配置されたステーターと、
を備え、
各電磁コイルは、有効コイル部と、前記有効コイル部の両側にある第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と、前記有効コイル部と前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部とに囲まれた空芯領域と、を有する集中巻きコイルとして構成されており、
前記２Ｎ個の電磁コイルは、前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記ステーターの径方向の内側に曲がった形状を有するＮ個の第１形状コイルと、前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の外側に曲がった形状を有するＮ個の第２形状コイルとを含み、
隣接する前記第１形状コイルの前記有効コイル部の外側面同士が互いに接し、
隣接する前記第２形状コイルの前記有効コイル部の外側面同士が互いに接し、
前記コイルアセンブリーは、（ｉ）前記第１形状コイルの前記空芯領域内に前記第２形状コイルの前記有効コイル部が収容されるとともに、前記第２形状コイルの前記空芯領域内に前記第１形状コイルの前記有効コイル部が収容され、（ｉｉ）前記第１形状コイルと前記第２形状コイルが１つずつ交互に配置された構成を有しており、
前記中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、前記分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されている、コアレス電気機械装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコアレス電気機械装置において、
前記第１形状コイルの前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部の前記中心軸に沿った合計長さは、前記第２形状コイルの前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部の前記中心軸に沿った合計長さよりも大きく、
前記第１形状コイルと前記第２形状コイルのコイル用導線の長さが等しい、コアレス電気機械装置。
【請求項３】
請求項２に記載のコアレス電気機械装置において、
前記第１形状コイルの前記第１コイルエンド部の前記中心軸に沿った長さは、前記第２形状コイルの前記第２コイルエンド部の前記中心軸に沿った長さよりも大きい、コアレス電気機械装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置において、
前記中心軸に垂直な断面における各電磁コイル内のコイル用導線の配列は、前記径方向に沿って積層した複数の層を構成しており、前記複数の層の各層における前記コイル用導線の巻き数は、前記径方向の外側にいくほど前記コイル用導線の巻き数が単調に増加するように設定されている、コアレス電気機械装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置であって、
各電磁コイルを形成するために使用されるコイル用導線は、それぞれ絶縁されていない複数の非絶縁導線を束ねた導線束と、前記導線束の周囲を被覆する絶縁被覆層と、を有する、コアレス電気機械装置。
【請求項６】
請求項５に記載のコアレス電気機械装置であって、
前記導線束は、編組みされている、コアレス電気機械装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のコアレス電気機械装置であって、
前記非絶縁導線は、めっきされていない銅線である、コアレス電気機械装置。
【請求項８】
請求項１に記載のコアレス電気機械装置を製造する方法であって、
（ａ）前記Ｎ個の第１形状コイルと前記Ｎ個の第２形状コイルとを準備する工程と、
（ｂ）前記Ｎ個の第１形状コイルと前記Ｎ個の第２形状コイルとを組み合わせて前記コイルアセンブリーを形成する工程と、
（ｃ）前記コイルアセンブリーと、前記ローターとをケーシングに組み付ける工程と、
を備え、
前記工程（ａ）は、
前記第１形状コイルのそれぞれを、前記第１形状コイルの前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の内側に曲がった形状に成形するとともに、前記ローターの中心軸に垂直な断面における前記第１形状コイルの外形を、前記分割リング形状に成形する工程と、
前記第２形状コイルのそれぞれを、前記第２形状コイルの前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の外側に曲がった形状に成形するとともに、前記ローターの中心軸に垂直な断面における前記第２形状コイルの外形を、前記分割リング形状に成形する工程と、
を備えるコアレス電気機械装置の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態は、コアレス電気機械装置である。このコアレル電気機械装置は、永久磁石を有し、中心軸の回りに回転するローターと、２Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の電磁コイルを組合せたコイルアセンブリーを有し、前記ローターと同心円上に前記ローターからギャップを介して配置されたステーターと、を備える。各電磁コイルは、有効コイル部と、前記有効コイル部の両側にある第１コイルエンド部及び第２コイルエンド部と、前記有効コイル部と前記第１コイルエンド部と前記第２コイルエンド部とに囲まれた空芯領域と、を有する集中巻きコイルとして構成されており、
前記２Ｎ個の電磁コイルは、前記第１コイルエンド部が前記有効コイル部から前記ステーターの径方向の内側に曲がった形状を有するＮ個の第１形状コイルと、前記第２コイルエンド部が前記有効コイル部から前記径方向の外側に曲がった形状を有するＮ個の第２形状コイルとを含む。隣接する前記第１形状コイルの前記有効コイル部の外側面同士が互いに接し、隣接する前記第２形状コイルの前記有効コイル部の外側面同士が互いに接する。前記コイルアセンブリーは、（ｉ）前記第１形状コイルの前記空芯領域内に前記第２形状コイルの前記有効コイル部が収容されるとともに、前記第２形状コイルの前記空芯領域内に前記第１形状コイルの前記有効コイル部が収容され、（ｉｉ）前記第１形状コイルと前記第２形状コイルが１つずつ交互に配置された構成を有する。前記中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、前記分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されている。
このコアレス電気機械装置によれば、中心軸に垂直な断面における各電磁コイルの外形が、円環をＮ等分した分割リング形状を有し、分割リング形状の２つの側辺のなす角度が３６０°／Ｎ以下になるように形成されているので、電磁コイル同士がローターに近い内側部分で互いに干渉してしまうことが無く、複数の電磁コイルを組み合わせてコイルアセンブリーを容易に形成することができる。
【国際調査報告】
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