(57)【要約】【課題】渦電流損失による発熱を抑制して、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と、前記中心軸２３０の外周に沿った円筒面上に配置された永久磁石２００と、を有するローター２０と、前記永久磁石２００の外周に沿った円筒面上に配置された空芯の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、前記永久磁石２００と前記電磁コイル１００Ａ、１００Ｂとの間に配置された円筒形のパイプ部材２７０と、を有するステーター１５と、を備え、前記パイプ部材２７０は、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、前記炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊維２７１が束ねられて形成された炭素繊維束２７２が編まれて形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械装置であって、
中心軸と、前記中心軸の外周に沿った円筒面上に配置された永久磁石と、を有するローターと、
前記永久磁石の外周に沿った円筒面上に配置された空芯の電磁コイルと、前記永久磁石と前記電磁コイルとの間に配置された円筒形のパイプ部材と、を有するステーターと、
を備え、
前記パイプ部材は、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、
前記炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊維が束ねられて形成された炭素繊維束が編まれて形成されている、電気機械装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気機械装置において、
前記パイプ部材は、少なくとも２つの方向の炭素繊維束が編まれて形成されている、電気機械装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気機械装置において、
前記パイプ部材は、前記電磁コイル側の表面に非導電性層を有する、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電気機械装置備えるロボット。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械装置を備える移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械装置、ロボット及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステーターコイルがスロットレスモータの超高速回転時にもハウジングから分離されないようにするために、ステーターコイルに圧接する外周面および前記マグネットと所定の空隙を保持する内周面を有して当該マグネットとステーターコイルとの間に配置されるステーターリングと、前記ステーターリングを前記ハウジングの両端に固着されたハウジングキャップに固定させるとともに、前記マグネットの外周面とステーターリングの内周面との離隔距離を一定に保持する固定手段とを備えた技術が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−５０５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の技術では、強度と放熱のし易さを考慮してステーターリングは導電体であるステンレスで形成されているが、ステーターリングに生じる渦電流による発熱や損失については、十分に考慮されていなかった。すなわち、ステーターリングの放熱のためには、熱伝導率が良好な材料を用いることが好ましいが、一般に熱伝導率が良好な電気伝導性の材料を用いると、ステーターリングに渦電流が発生してしまうという問題があった。
【０００５】
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、更に高トルク時（電磁コイルに大電流が流れる状態）に生じるローターとの反回転方向の大きな力が生じ、電磁コイルはコイルバックヨークにより逃げ場を失いローター側に突出しようとする力に変わる。また、渦電流による発熱や損失を抑制して、電気機械装置の効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］
電気機械装置であって、中心軸と、前記中心軸の外周に沿った円筒面上に配置された永久磁石と、を有するローターと、前記永久磁石の外周に沿った円筒面上に配置された空芯の電磁コイルと、前記永久磁石と前記電磁コイルとの間に配置された円筒形のパイプ部材と、を有するステーターと、を備え、前記パイプ部材は、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、前記炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊維が束ねられて形成された炭素繊維束が編まれて形成されている、電気機械装置。
この適用例によれば、パイプ部材は、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊維が束ねられて形成された炭素繊維束が編まれて形成された電気伝導性材料であり、熱伝導率も良好である。渦電流は一般に閉じた経路を略円形に流れるが、このような構成を採用した場合、炭素繊維と交わる方向の電流が流れにくいので、パイプ部材に生じる渦電流を抑制することができる。すなわち、渦電流による発熱や損失を抑制して、電気機械装置の効率を向上させることが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置において、前記パイプ部材は、少なくとも２つの方向の炭素繊維束が編まれて形成されている、電気機械装置。
この適用例によれば、パイプ部材が、炭素繊維の方向と平行な方向に裂けたり、割れたりすることを抑制できる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または２に記載の電気機械装置において、前記パイプ部材は、前記電磁コイル側の表面に非導電性層を有する、電気機械装置。
この適用例によれば、電磁コイルとパイプ部材の炭素繊維とのショートを抑制できる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つに記載の電気機械装置備えるロボット。
【００１１】
［適用例５］
適用例１〜３のいずれか一つに記載の電気機械装置を備える移動体。
【００１２】
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、電気機械装置の製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】コアレスモーターの構成を示す説明図である。
【図２】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。
【図３】炭素繊維織布の製造工程を示す説明図である。
【図４】炭素繊維織布からパイプ部材を製造する工程を示す説明図である。
【図５】渦電流損失の測定方法の一例を示す説明図である。
【図６】パイプ部材２７０を炭素繊維強化プラスチックで形成した場合の渦電流損失とアルミニウムで形成した場合の渦電流損失とを比較する説明図である。
【図７】パイプ部材を炭素繊維強化プラスチックで形成したときの渦電流が少ない理由を説明する説明図である。
【図８】炭素繊維織布２７３の巻方向を４５度回転させた変形例を示す説明図である。
【図９Ａ】電磁コイル１００Ａのフォーミング工程を説明する説明図である。
【図９Ｂ】電磁コイル１００Ｂのフォーミング工程を説明する説明図である。
【図１０Ａ】電磁コイル１００Ａへの絶縁膜層形成工程を示す説明図である。
【図１０Ｂ】電磁コイル１００Ｂへの絶縁膜層形成工程を示す説明図である。
【図１１】電磁コイル１００Ａと１００Ｂの組み立て工程を示す説明図である。
【図１２】電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その１）である。
【図１３】電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その２）である。
【図１４】電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その３）である。
【図１５】電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その４）である。
【図１６】電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その５）である。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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、パイプ部材２７０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。
【００１６】
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、アキシャル方向（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、アキシャル方向、パラレル方向のどちらの着磁でもよい。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの内周側（永久磁石２００側）には、円筒形のパイプ部材２７０が設けられている。コアレスモーター１０では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに電流を流し、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの電流と永久磁石２００の磁束との相互作用によるローレンツ力を用いて永久磁石２００を有するローター２０を回転させる。このとき、ローター２０を回転させようとする力の反作用が、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂにかかる。この反作用により、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、反回転方向に対して、コイルバックヨーク１１５により逃げ場を失い、ローター２０の永久磁石２００側に突出しようとする力が加わる。その結果、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが永久磁石２００側に突出するおそれがあった。パイプ部材２７０は、このような電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの永久磁石２００側への突出を抑制するために配置されている。パイプ部材２７０は、後述するように、炭素繊維強化プラスチックで形成されている。炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊維が束ねられて形成された炭素繊維束が編まれて形成された電気伝導性材料であり、熱伝導率も良好である。
【００２２】
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。
【００２３】
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１００Ｂ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１００Ａのコイルエンド領域とぶつからない。このように、電磁コイル１００Ｂ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。なお、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、交換可能である。本実施例では、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域が円筒面から外側に曲げられているが、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域を曲げずに、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を外側に曲げてもよい。また、コイルエンド領域を曲げる方向は、円筒面から外側方向ではなく、内側方向であってもよい。また、一方の電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域を円筒面の外側方向に曲げ、他方の電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域を円筒面の内側方向に曲げても良い。
【００２４】
図３は、炭素繊維織布の製造工程を示す説明図である。まず、工程（Ａ）では、炭素繊維２７１を準備し、炭素繊維２７１を束ねて細長い炭素繊維束２７２を製造する。このとき、炭素繊維２７１がばらけない程度に、炭素繊維２７１の束（炭素繊維束２７２）を樹脂で固めておくことが好ましい。次に、工程（Ｂ）では、炭素繊維束２７２を四つ目編みして炭素繊維織布２７３を製造する。ここでは、編むときの炭素繊維束２７２の炭素繊維２７１の向きにより、炭素繊維束２７２を炭素繊維束２７２Ａ、２７２Ｂに区別している。図３では、炭素繊維束２７２が四つ目編みに編まれていく様子が示されている。
【００２５】
図４は、炭素繊維織布からパイプ部材を製造する工程を示す説明図である。工程（Ｃ）では、分離内枠型５００を準備し、分離内枠型５００の外周に剥離剤を塗布し、モールド用樹脂に浸された炭素繊維織布２７３を巻き付けていく。本実施例では、分離内枠型５００は、４つに分割可能であり、分離内枠型５００が合体した形状は、円筒形である。なお、分離内枠型５００の内部は空洞である。炭素繊維織布２７３の巻方向は、炭素繊維織布２７３の炭素繊維２７１Ｂ（図３）と平行な方向である。
【００２６】
工程（Ｄ）では、モールド用樹脂を熱硬化する。工程（Ｅ）では、分離内枠型５００を１つずつ外していく。次の工程（Ｆ）では、炭素繊維織布２７３の外周部に例えば、非導電性塗料を塗布して非導電性層２７５を形成する。炭素繊維織布２７３は、導電性を有しているので、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂがローレンツ力の反作用によりパイプ部材２７０に押しつけられ樹脂を破ってしまうと、ショートするおそれがある。非導電性層２７５は、このショートをより起こりにくくする。この非導電性層２７５は、無くても良い。以上の工程により、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）により形成されたパイプ部材２７０を形成する。なお、炭素繊維織布２７３から成型されるパイプ部材２７０の厚みは、２０ｕｍ〜１００ｕｍ程度にすることが可能であった。一方、ローター２０と電磁コイル１００Ａ、１００Ｂ間の隙間は２００〜３００ｕｍであり、ローター２０と電磁コイル１００Ａ、１００Ｂ間の隙間にパイプ材２７０を設けることは十分可能である。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
ステップ３では、被測定モーター１０のローター２０にパイプ部材２７０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、パイプ部材２７０に生じる渦電流による渦電流損失Ｐｅｄｄｙ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。被測定モーター１０の渦電流損失Ｐｅｄｄｙは、（Ｐ３ａｌｌ−Ｐ２ａｌｌ）で算出することができる。
【００３０】
図６は、パイプ部材２７０を、炭素繊維強化プラスチックで形成した場合の渦電流損失と、アルミニウムで形成した場合の渦電流損失と、を比較する説明図である。本実施例では、ローター２０が回転すると、永久磁石２００も回転するため、この永久磁石２００の回転（移動）により、その外側にあるパイプ部材２７０に渦電流が生じる。
【００３１】
炭素繊維強化プラスチックは、導電性を有しているため、パイプ部材２７０を炭素繊維強化プラスチックで形成しても、パイプ部材２７０を金属で形成するのに比べて渦電流は、あまり小さくならないと考えられていた。しかし、炭素繊維強化プラスチックを用いてパイプ部材２７０を製造し、渦電流損失を測定したところ、図６に示すように、パイプ部材２７０を、炭素繊維強化プラスチックで形成した方が、アルミニウムで形成したよりも、渦電流損失が極めて小さい結果（約１／２０〜約１／２０００）が得られた。
【００３２】
図７は、パイプ部材を炭素繊維強化プラスチックで形成したときの渦電流が少ない理由を説明する説明図である。本実施例では、パイプ部材２７０は、炭素繊維束２７２Ａと炭素繊維束２７２Ｂとを四つ目編みして形成されている。ここで、炭素繊維束２７２Ａは、炭素繊維２７１Ａの方向が中心軸２３０（図１）と平行な方向であり、炭素繊維束２７２Ｂは、炭素繊維２７１Ｂの方向が中心軸２３０（図１）の円周に沿った方向である。
【００３３】
渦電流は、パイプ部材２７０の円筒面の表面上を閉じた経路で略円形を描くように流れる。まず、炭素繊維束２７２Ａに流れる渦電流を考える。渦電流は閉じた経路で略円形を描くように流れるので、炭素繊維２７１Ａの向きに対して様々な方向に流れる。ここで、炭素繊維２７１Ａに沿った方向と、炭素繊維２７１Ａと交わる方向に電流が流れる場合を考える。炭素繊維２７１Ａに沿った方向に電流が流れる場合、電子は、同一の炭素繊維２７１Ａ上を移動すればよい。そのため、炭素繊維２７１Ａに沿った方向には、比較的電流が流れやすい。一方、電流が炭素繊維２７１Ａと交わる方向に流れる場合、電流を流しにくい樹脂を介して電子が隣の炭素繊維２７１Ａに移る必要がある。そのため、炭素繊維２７１Ａと交わる方向には電流が流れにくい。渦電流は、上述したように、略円形を描く閉じた経路で流れるが、閉じた経路上には、炭素繊維２７１Ａに沿った方向に電流が流れる部分と炭素繊維２７１Ａと交わる方向に電流が流れる部分とを含んでいる。ここで、炭素繊維２７１Ａと交わる方向に電流が流れる部分は、上述したように電流が流れ難く、いわゆる律速（ボトルネック）となる。炭素繊維束２７２Ｂに流れる渦電流についても同様に炭素繊維２７１Ｂと交わる方向に電流が流れる部分は、いわゆる律速（ボトルネック）となる。
【００３４】
また、炭素繊維束２７２Ａと２７２Ｂとを跨ぐ渦電流については、炭素繊維束２７２Ａの炭素繊維２７１Ａと、炭素繊維束２７２Ｂの炭素繊維２７１Ｂとの間は、樹脂があるので、炭素繊維２７１Ａと炭素繊維２７１Ｂとの間の電子の移動が起こりにくい。したがって、炭素繊維束２７２Ａと２７２Ｂとを跨ぐ渦電流も流れにくく、いわゆる律速（ボトルネック）となる。以上のことから、炭素繊維強化プラスチックで形成されたパイプ部材２７０には、閉じた経路上のどこかで電流が流れにくい律速部分（ボトルネック）が存在するため、渦電流が流れにくい。したがって、パイプ部材２７０の材料として炭素繊維強化プラスチックを用いることにより、渦電流損失を少なくし、コアレスモーター１０の効率を向上させることが可能となる。
【００３５】
図８は、炭素繊維織布２７３の巻方向を４５度回転させた変形例を示す説明図である。この変形例では、図３の炭素繊維織布２７３を、長方形の各辺と、炭素繊維の向きが４５°となるように長方形形状に切断したものを用いている。炭素繊維の向きをこのように構成しても、渦電流は、ほとんど変わらない。上述したように、パイプ部材２７０の円筒面の表面上を閉じた経路で略円形を描くように流れる。そのため、炭素繊維２７１の向きがどちらを向いていようと、渦電流の閉じた経路上には、電流の向きが、炭素繊維２７１に沿った方向と炭素繊維２７１と交わる方向を含んでいる。そして、電流の向きが炭素繊維２７１と交わる方向となる部分がボトルネックとなるので、炭素繊維２７１の向きがどちらを向いていようと、渦電流の大きさに、差はほとんど無い。なお、パイプ部材２７０には、回転方向の力が働く訳ではないので、強度はあまり要求されない。炭素繊維２７１ａと巻方向の角度は、図４に示した９０°、あるいは図８に示した４５°以外の角度であってもよい。なお、渦電流損失低減からは、１つの方向の炭素繊維束２７２のみで炭素繊維織布２７３を形成してもよいが、この場合、炭素繊維２７１の方向と平行な方向にパイプ部材２７０が裂けるおそれがあるため、２つ以上の方向の炭素繊維束２７２を編む方が好ましい。また、炭素繊維束２７２を鉄線編み（「亀甲編み」とも呼ぶ。）、あるいは麻の葉編みのように、互いに約６０度（約１２０度）の角度で交わる３つの方向の炭素繊維束２７２を編んで炭素繊維織布２７３を形成してもよい。三角形は形が単純で、且つ力学的に強い形であるので、好ましい。
【００３６】
以下、コアレスモーター１０のコイルバックヨーク付電磁コイルアッセンブリー１０４の製造について説明する。ここで、２つの電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、コイルバックヨーク１１５と、パイプ部材２７０と、を樹脂１３０で固めたものをコイルバックヨーク付電磁コイルアッセンブリー１０４と呼ぶ。コイルバックヨーク付電磁コイルアッセンブリー１０４は、複数のコイルアッセンブリーを備える。まず、電磁コイルサブアッセンブリー１５０を製造する工程について説明し、ついで、電磁コイルサブアッセンブリー１５０からコイルバックヨーク付電磁コイルアッセンブリー１０４を製造する工程について説明する。
【００３７】
［コイルアッセンブリーの製造工程］
図９Ａは、電磁コイル１００Ａのフォーミング工程を説明する説明図である。電磁コイル１００Ａを形成する絶縁膜付導体を角丸長方形形状に巻き、加圧し、円筒領域の一部の形を有する形状に成形する。このとき、導体の絶縁膜の厚さが、加圧前の３０％〜１００％の間あるいは、２０％〜１００％の間になるように、円筒領域の放射方向に角丸長方形形状に巻かれた電磁コイル１００Ａを加圧する。なお、絶縁膜の厚さが薄くなると、導体間の耐圧が下がるが、同一電磁コイル内の導体の電位は同じ電位であるため、導体間の耐圧が低くなっても十分な耐圧を有しており、同一電磁コイル内の導体間の電流リークの問題はない。
【００３８】
図９Ｂは、電磁コイル１００Ｂのフォーミング工程を説明する説明図である。電磁コイル１００Ｂのフォーミング工程は、電磁コイル１００Ａのフォーミング工程と同じである。ただし、電磁コイル１００Ｂのフォーミングでは、コイルエンド領域１００ＢＣＥを円筒面から外側に折り曲げている点が、電磁コイル１００Ａのフォーミングと異なるが、他については同じである。なお、コイルエンド領域１００ＢＣＥを円筒面から外側に折り曲げる前の電磁コイル１００Ｂの形状は、電磁コイル１００Ａの形状と同じである。
【００３９】
図１０Ａは、電磁コイル１００Ａへの絶縁膜層形成工程を示す説明図である。図１０Ｂは、電磁コイル１００Ｂへの絶縁膜層形成工程を示す説明図である。上述したように、電磁コイル１００Ａ内、あるいは、電磁コイル１００Ｂ内では、それぞれ同電位であるため、導体の絶縁膜の厚さが薄くなり、導体間の耐圧が下がっても同一電磁コイル内の導体間の電流リークの問題はない。しかし、コアレスモーター１０に組み付けた場合には、電磁コイル１００Ａと１００Ｂは接触するため、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとコイルバックヨーク１１５の間の公的機関による高耐電圧（１．５［ｋＶ］以上）特性を考慮して、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂ間の耐圧を向上させることが好ましい。本実施例では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの全域に絶縁薄膜層１０１を形成し、耐圧を確保している。絶縁薄膜層１０１の材料としては、例えば、酸化チタン含有シランカップリング材、パリレン、エポキシ、シリコーン、ウレタンを用いることが可能である。
【００４０】
図１１は、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの組み立て工程を示す説明図である。なお、図１１では、絶縁薄膜層１０１（図１０Ａ，図１０Ｂ）の記載を省略している。電磁コイル１００Ａが配置される円筒領域の放射方向外周側から、電磁コイル１００Ａの中央部の２つの有効コイル領域の間に電磁コイル１００Ｂの有効コイル領域が嵌り込むように、電磁コイル１００Ｂを嵌めこむことにより、電磁コイルサブアッセンブリー１５０（コイルサブ集合体）が形成される。電磁コイルサブアッセンブリー１５０は、電磁コイル１００が為す円筒面の一部を形成している。そして、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域１００ＢＣＥが円筒領域の底面に近い部分において、電磁コイル１００Ｂが配置される円筒領域の放射方向外周側に曲がっている。そして、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域１００ＡＣＥの一部と、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域１００ＢＣＥの一部とが重なる。
【００４１】
［コイルバックヨーク付電磁コイルアッセンブリーの製造］
図１２は、電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その１）である。図１２（Ａ）に示す工程では、抜きピン４１１を有する基台４００を準備する。基台４００は、略円盤形状を有している。抜きピン４１１は、略円柱形の部材であり、基台４００の中央に配置されている。基台４００と抜きピン４１１とは、一体に形成されていてもよい。
【００４２】
図１２（Ｂ）に示す工程では、３つの内金型４２０を、抜きピン４１１の外周部に配置する。３つの内金型４２０は、略円筒形状を形成する。内金型４２０は、内周／（内周の曲率半径）＜外周／（外周の曲率半径）となっている。そのため、内金型４２０を抜きピン４１１の外周部に配置すると、２つの内金型４２０の接合部分に、楔形の空間４２２が形成される。この楔形の空間４２２は、抜きピン４１１を抜いた後、内金型４２０を中心方向に移動させて外しやすくする。なお、本実施例では、内金型４２０を３分割構成にしているが、２分割構成や４分割構成など、３分割構成以外であってもよい。
【００４３】
図１２（Ｃ）に示す工程では、内金型４２０の外周に、パイプ部材２７０を配置する。このとき、内金型４２０の外周表面に剥離剤を塗布しておいてもよい。こうすれば、後の工程で内金型４２０を外しやすい。
【００４４】
図１３は、電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その２）である。図１３（Ａ）に示す工程では、パイプ部材２７０の外側に電磁コイルサブアッセンブリー１５０が配置される。本実施例では、３つの電磁コイルサブアッセンブリー１５０で、略円筒形状が形成される。図１３（Ｂ）に示す工程では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域の外側にコイルバックヨーク１１５が配置される。本実施例では、コイルバックヨーク１１５は３分割構成である。なお、この分割構成数は２以上であればよい。
【００４５】
図１４は、電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その３）である。図１４に示す工程では、コイルバックヨーク１１５の外側に外金型４３０が配置される。外金型４３０は、樹脂注入口４３１と、空気抜き口４３２とを備える。なお、図１７において、上に示す平面図では、空気抜き口４３２の図示を省略している。
【００４６】
図１５は、電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その４）である。図１５（Ａ）に示す工程では、高温にした金型の樹脂注入口４３１から高温にされた樹脂１３０を注入し、その後、成形型に対して真空ポンプを用いて脱泡処理をする。樹脂１３０が固まったら、外金型４３０を外す。図１５（Ｂ）は、外金型４３０を外した状態を示す。次に図１８（Ｂ）に示す状態から、基台４００と抜きピン４１１とを外す。
【００４７】
図１６は、電磁コイルアッセンブリーの形成工程の一部を示す説明図（その５）である。図１６（Ａ）は、基台４００と抜きピン４１１とが取り外された状態を示す。図１６（Ａ）に示された状態から、３つの内金型４２０をそれぞれ抜きピン４１１が有った方向へ移動させて取り外し、電磁コイルアッセンブリー１０３を形成する。図１６（Ｂ）は、内金型４２０が取り外された状態を示している。以上のように、図１２〜図１６に示す工程により、電磁コイルサブアッセンブリー１５０からコイルバックヨーク付電磁コイルアッセンブリー１０４を形成することができる。
【００４８】
従来技術のように、パイプ部材２７０をアルミニウムやステンレスなどの金属で形成する場合、パイプ部材２７０の材料が導電性を有しており、パイプ部材２７０に渦電流損失が生じるため、コアレスモーター１０の効率を高めることが出来なかった。また、炭素繊維強化プラスチックは、金属と同様に導電性を有しているため、パイプ部材２７０の渦電流損失を低減できないと考えられており、パイプ部材２７０の材料として、金属に変えて炭素繊維強化プラスチックを使うという思想がなかった。本願出願人は、炭素繊維強化プラスチックを用いてパイプ部材２７０を製造し、その特性を測定した結果、渦電流損失を大幅に低減できることを初めて見いだした。すなわち、炭素繊維強化プラスチックを用いてパイプ部材２７０を形成することにより、渦電流損失を低減し、コアレスモーター１０の効率を向上させることができた。
【００４９】
図１７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。
【００５０】
図１８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。
【００５１】
図１９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。
【００５２】
図２０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。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
１０…コアレスモーター
１５…ステーター
２０…ローター
１００、１００Ａ、１００Ｂ…電磁コイル
１００ＢＣＥ…コイルエンド領域
１００ＡＣＥ…コイルエンド領域
１０１…絶縁薄膜層
１０３…電磁コイルアッセンブリー
１０４…コイルバックヨーク付電磁コイルアッセンブリー
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
１３０…樹脂
１５０…電磁コイルサブアッセンブリー
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
２７０…パイプ部材
２７１、２７１Ａ、２７１Ｂ…炭素繊維
２７２、２７２Ａ、２７２Ｂ…炭素繊維束
２７３…炭素繊維織布
２７５…非導電性層
３００…磁気センサー
３１０…回路基板
４００…基台
４１１…ピン
４２０…内金型
４２２…空間
４３０…外金型
４３１…樹脂注入口
４３２…口
５００…分離内枠型
１０１０…標準モーター
１２３０…中心軸
１５００…カップリング
２０１５…ローター
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０、３４２０…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
Ｐ１ａｌｌ、Ｐ２ａｌｌ、Ｐ３ａｌｌ…総損失
Ｐ１ｃｕ…銅損失
Ｐ１ｆｅ…鉄損失
Ｐｅｄｄｙ…渦電流損失
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３…電圧
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３…電流
Ｐ１ｍ、Ｐ２ｍ…機械損失
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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