(57)【要約】      （修正有）【課題】高速応答の妨げとなり損失増加の原因となるコイルを排除して誘導特性を可及的に抑えた配線溝形コイルレスモータを提供する。【解決手段】略円柱形状の外周面にＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた永久磁石２を備えるロータと、このロータの外周面に対して隙間を設けて、ロータの軸と同軸に配置した略円筒形状の磁性体５と、この磁性体５の内周面を各回路に等分割した回路分割角度範囲θａ〜θｃを定めて、Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体８とを有し、かつ、磁性体５の内周面には、ロータの各磁極２に対応した角度範囲θ内を等分割した微小角度間隔ｄθで軸に略平行な方向に均一幅で放射状に複数の配線溝１０を形成して、この配線溝１０の間に櫛歯状の磁性体隔壁１１を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、
このロータの外周面に対して隙間を設けて、ロータの軸と同軸に配置した略円筒形状の磁性体と、
この磁性体の内周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体とを有し、かつ、
前記磁性体の内周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で放射状に複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータ。
【請求項２】
略円筒形状の内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、
このロータの内周面に対して隙間を設けて、ロータと同軸に配置した軸芯を有する略円柱形状の磁性体と、
この磁性体の外周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体とを有し、かつ、
前記磁性体の外周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で軸芯方向に複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータ。
【請求項３】
前記各回路の導電体の両端にそれぞれ電圧検出部を有し、この電圧検出部によって検出されたインパルスによって、前記磁極を跨いで磁束が反転する回転角に位置する回路を判別して配線溝を形成する前記微小角度間隔でロータの回転を検出する角度検出回路を有する請求項１または請求項２に記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項４】
前記導電体は前記配線溝の形状に合わせて形成された断面形状帯状の導体である請求項１〜請求項３の何れかに記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項５】
前記導電体は前記配線溝に挿入されるグラフェンからなる導体であり、前記配線溝はグラフェンを挿入可能な必要最小幅に形成してある請求項４に記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項６】
前記導電体は前記配線溝の内に複数陥入した導線である請求項１〜請求項３の何れかに記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項７】
前記導電体は磁性体の両端部において前記１回路を構成する各配線溝群の端部から突出する導電体群を束ねた結束部と、結束された導電体群の１８０°の捻りおよびターン部と、結束解除部を介して隣接する磁極の配線溝群に配線されるものである請求項４〜請求項６の何れかに記載の配線溝形コイルレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導特性をできるだけ小さくするためにコイルを排除して、瞬時にトルクを発生させたり、回転力から電力を得ることができる配線溝形コイルレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にモータは誘導特性を有するものであり、この誘導特性によって電流の変動を起こしにくくするものとなっている。また、モータの電源はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調によって１２０度位相が異なる３つの擬似的なサイン波を生成するインバータが用いられており、このインバータによる制御によってモータの回転速度や出力トルクの制御を可能としている。
【０００３】
また、特許文献１、特許文献２に示すように、近年では電機子巻線となるコイルをプリント基板上にエッチングまたは印刷技術で形成した所謂プリントモータが用いられるようになっている。このプリントモータでは回転子がプリント基板で形成されており、鉄心を用いないことにより軽量である為、慣性を低くすることができ、速度制御の応答性の向上を図ることができるだけでなく、扁平な形状に形成できるゆえに注目されるに至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３１６９２５号公報
【特許文献２】実開平７−３９２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のモータは何れもコイル（巻線）を形成するものであり、このコイルに電流を流すことによって発生させる磁場を用いてモータを回転させるものであるから、巻線に流れる電流から磁界を形成するステップと、コイルによって形成された磁界が他の永久磁石または電磁石に吸引または反発するステップとを経て初めてモータが回転する。また、より少ない電流によって強い磁場を形成できるように、コイルの巻き数を増やすことにより磁束の倍増化を図ることにより、インダクタンスが増加するという問題が発生する。
【０００６】
すなわち、まずコイルに流れる電流を一旦磁界に変換する段階でコイルのインダクタンスによる誘導特性が応答の遅れとなるという問題が発生する。また、コイルによって形成される磁束が他の永久磁石または電磁石と吸引または反発するときにも、ロータにかかるトルクの変動によって滑りが発生するため、負荷トルクの変動に対する応答性の遅れも発生する。
【０００７】
さらに、三相誘導モータなどのようにコイルに擬似的な交流電流を流す場合には、ＰＷＭ変換などのスイッチング素子によるパルス波形による電流制御を行うため、スイッチング素子の切り替わり時点においてインダクタンス分による遅れ電流によって必ず損失が発生するので、スイッチングの素子のキャリア周波数の高さに比例してスイッチング損失が大きくなるという問題もある。
【０００８】
加えて、ＰＷＭ変調によって１２０°位相のずれた電力を供給する場合には、インダクタンスの影響で位相のズレが発生するので、各相の位相差１２０°を維持するための制御が困難となり、高速回転する場合にはさらに位相維持の制御が困難となり、複雑で高速な制御を行なう必要が生じる。さらには、回生動作時においては制御がより複雑になり、これによって全体として制御性が悪くなり、コストアップや効率の低下を招いていた。
【０００９】
また、コイルに鉄心（ヨーク）を用いて磁束の集中を行なう場合には、特に磁気飽和が発生することによる損失が発生するという問題も生じる。逆に、鉄心などを用いることなくコイルを配線した場合は、コイルが曝される磁束密度が低い事に加えて、コイルによって発生可能な磁界も弱くなるため駆動トルクが弱くならざるを得ないという問題に加えて、コイルの剛性が十分でないため、回転速度を上げられないという問題も発生する。
【００１０】
とりわけ近年のハイブリッド車や電気自動車の普及に伴って、電気制御によって瞬時に回転トルクを発生させたり、逆に瞬時に回生動作を行なう必要があるが、コイルの誘導特性によってレスポンスの遅れが発生することが効率低下の原因となっていた。
【００１１】
本発明は上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、高速応答の妨げとなり損失増加の原因となるコイルを排除して誘導特性を可及的に抑えたコイルレスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題点を解決するために、第１発明は、略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、このロータの外周面に対して隙間を設けて、ロータの軸と同軸に配置した略円筒形状の磁性体と、この磁性体の内周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体とを有し、かつ、前記磁性体の内周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で放射状に形成した複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータを提供する。（請求項１）
【００１３】
前記ロータの略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるので、このロータの外周面に隙間を空けて同心円状に配置させた磁性体の内周面には、磁極に対応する角度範囲毎に放射方向または軸芯方向の磁界が発生する。なお、ロータはその外周面に永久磁石を露出するＳＰＭ型（表面磁石型）のロータであっても、永久磁石を内部に有するＩＰＭ型（埋込磁石型）のロータであっても、円周方向においてＮ極、Ｓ極を交互に形成するものであればよい。
【００１４】
前記各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めているので、前記回路の導電体が前記磁極対応範囲を跨がないように配置される回転角の間は、この回路の導電体に電流を流すことにより、配線溝内に挿入されたガイド部において磁束に略直交する方向に電流を流して、ガイド部の導電体に流す電流の大きさに比例してローレンツ力が作用し、その反作用でロータが逆方向に回転する。また、隣接する回転角の配線溝内に挿入配線されたガイド部における導電体は磁性体の両側部で折り返して、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線され、前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に略己字状に配線してあるので、配線溝内に挿入配線された導電体に電流を流すことにより発生する回転力は全て同じ方向に作用する。
【００１５】
このように、導電体に電流を流すことにより発生する回転力は、ロータに形成する磁極の数だけ発生させることができるので、それだけ回転力を倍増することができる。一方、上述のように構成された導電体は磁性体を一周するときに１回巻きのコイルを形成するだけであるので、インダクタンスが不用意に大きくなることを抑えて高速応答性を確保しながら、必要十分な回転力を得ることができる。
【００１６】
加えて、配線溝に挿入させた導電体はその位置を固定することができ、それだけ、安定した回転力を得ることができると共に、堅牢性が向上する。さらに、配線溝に挿入された導電体の周囲には高い透磁率の磁性体隔壁が櫛歯状に形成されるので、磁性体を構成する部材の透磁率に比例して高い密度の磁束が存在し、この高い密度の磁束が、導電体に流れる電流によって形成される磁界と作用し合うことにより、磁束密度に比例した高い回転力が発生する。また、導電体によって発生する熱は磁性体を介して放熱されるので、導電体には比較的大きな電流を流すことが可能である。なお、本発明における配線溝とは磁性体隔壁によって導電体を挟み込むように保持するスリット状の部分を示しており、その形成方法などを限定するものではない。
【００１７】
さらに、磁性体の各磁極に対応した角度範囲内を等分割した回路分割角度範囲を定められた前記回路が複数ある場合には、ロータの回転角がどのような角度であっても、何れかの回路に割り当てられた回路分割角度範囲は磁極を跨ぐことのない位置にあるため、電流を流す回路を切り替えることにより、回転力を発生させたり、回転力を回生することが可能となる。このときＰＷＭ電源のような特別な制御回路を形成する必要がなく、回路の切り替えだけで、トルク変動をほとんど発生させることがなく、安定した回転力と電流の変換を行うことができる。
【００１８】
前記回路数は多ければ多いほど、磁極端面を跨ぐことのない導電体の回路の数を多くすることができる（磁極端面を跨いでいる導電体の回路が占める角度範囲を狭くすることができる）ので、磁極端面を跨がない回路への接続状態をすべてオン状態とすることにより、回転力の発生または回生に用いる導電体の回路が占める角度範囲を広くすることができ、より大きな回転力（より大きな回生電流）を得ることができる。
【００１９】
なお、前記隙間はロータが高速回転したとしてもロータと磁性体が接触しない程度のもので、磁束の漏れを抑えるためにできるだけ狭い間隔が好ましく、その寸法は永久磁石の持つ起磁力と磁路の断面積の大きさによって相対的に決まる。磁性体は透磁率に優れると共に渦電流の発生をできるだけ抑え、ヒステリシスの少ない金属（最適は放射方向に圧延して形成してなる多層ケイ素鋼板）であることが好ましい。
【００２０】
永久磁石はより強力な磁束を生成するものであればあるほど好ましく、希土類元素のネオジムを用いた希土類磁石を用いることが好ましいが、磁化させた強磁性体を用いてもよい。さらに、電磁石に一定の電流を流して形成したものを永久磁石として用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００２１】
とりわけ、磁性体は、軟質磁性体の粉体を有機結合剤（バインダー）によって固めてなる複合軟磁性体であることにより、渦電流の発生をより確実に防止できるとともにヒステリシス特性も最小限に抑えることができ、それだけ、損失を小さくすることができる。さらに、前記磁性体は導電体に当接する圧縮アモルファスと、この圧縮アモルファスに当接する射出アモルファスとを備えるものであることにより、制作容易であり製造コストの引き上げを防ぎながら高い透磁率を得て漏れを抑え、さらに、ヒステリシス損や渦電流損の発生を必要最小限に抑えることができ、磁気飽和を避けることができるので、好ましい。
【００２２】
上述のように、第１発明の配線溝形コイルレスモータはローレンツ力を直接的に用いることにより、従来のコイルを用いるものに比べて応答速度を飛躍的に高めることができ、電流制御によって回転力を直接的に制御できる。ここで前記略直交とは、ローレンツ力が電場と磁束密度のクロス積によって加わる力であるため、直角に配置することが最も効率の良い配置になるが、直角からずれていたとしてもローレンツ力が作用することを意味するものである。また、ロータに回転力が加わって回転し、導電体が配置された角度範囲が、逆極性の磁極端面の磁極対応範囲内に入り磁界が逆になると、電流も逆方向に流すことにより、回転方向および回転トルクを同じ方向に保つことができる。
【００２３】
同様に、回生動作においても回生させる回転力に比例して導電体に電流が流れるので、回生する電流の制御によって回生トルクの調節を比較的容易に行うことができる。
【００２４】
また、ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。
【００２５】
第２発明は、略円筒形状の内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、このロータの内周面に対して隙間を設けて、ロータと同軸に配置した軸芯を有する略円柱形状の磁性体と、この磁性体の外周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体とを有し、かつ、前記磁性体の内周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で軸芯方向に形成した複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータを提供する。（請求項２）
【００２６】
前記ロータの内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるので、このロータの内周面に隙間を空けて同心円状に配置させた円柱状の磁性体の外周面には、磁極対応角度範囲毎に放射方向または軸芯方向の磁界が発生する。
【００２７】
前記各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めているので、前記回路の導電体が前記磁極対応範囲を跨がないように配置される回転角の間は、この回路の導電体に電流を流すことにより、配線溝内に挿入されたガイド部において磁束に略直交する方向に電流を流して、ガイド部の導電体に流す電流の大きさに比例してローレンツ力が作用し、その反作用でロータが逆方向に回転する。また、隣接する回転角の配線溝内に挿入されたガイド部における導電体は磁性体の両側部で折り返して、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線され、前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に略己字状に配線してあるので、配線溝内に挿入配線された導電体に電流を流すことにより発生する回転力は全て同じ方向に作用する。
【００２８】
このように、導電体に電流を流すことにより発生する回転力は、ロータに形成する磁極端面の数だけ発生させることができるので、それだけ回転力を倍増することができる。一方、上述のように構成された導電体は磁性体を一周するときに１回巻きのコイルを形成するだけであるので、インダクタンスが不必要に増加することを抑えながら、安定した回転力を得ることができる。加えて、配線溝に挿入させた導電体はその位置を固定できるので、それだけ堅牢性が向上する。さらに、配線溝に挿入された導電体の周囲には高い透磁率の強磁性体が櫛歯状に残されるので、磁束密度の高さに比例した高い回転力が発生する。
【００２９】
さらに、磁性体の各磁極に対応した角度範囲内を等分割した回路分割角度範囲を定められた前記回路が複数ある場合には、ロータの回転角がどのような角度であっても、何れかの回路に割り当てられた回路分割角度範囲は磁極を跨ぐことのない位置にあるため、電流を流す回路を切り替えることにより、回転力を発生させたり、回転力を回生することが可能となる。このときＰＷＭ電源のような特別な制御回路を形成する必要がなく、回路の切り替えだけで、トルク変動をほとんど発生させることがなく、安定した回転力と電流の変換を行うことができる。
【００３０】
前記回路数は多ければ多いほど、磁極端面を跨ぐことのない導電体の回路の数を多くすることができる（磁極端面を跨いでいる導電体の回路が占める角度範囲を狭くすることができる）ので、磁極端面を跨がない回路への接続状態をすべてオン状態とすることにより、回転力の発生または回生に用いる導電体の回路が占める角度範囲を広くすることができ、より大きな回転力（より大きな回生電流）を得ることができる。
【００３１】
なお、前記隙間はロータが高速回転したとしても接触しない程度のもので、磁束の漏れを抑えるためにできるだけ狭い間隔が好ましく、その寸法は永久磁石の持つ起磁力と磁路の断面積の大きさによって相対的に決まる。強磁性体は透磁率に優れると共に渦電流の発生をできるだけ抑える金属（最適は多層ケイ素鋼板）であることが好ましい。
【００３２】
すなわち、第２発明の配線溝形コイルレスモータは、第１発明の配線溝形コイルレスモータと同様にローレンツ力を直接的に用いることにより、従来のコイルを用いるものに比べて応答速度を飛躍的に高めることができ、電流制御によって回転力を直接的に制御できるといった、第１発明と同様の特徴を備える。さらに、第２発明の配線溝形コイルレスモータはロータが円筒形状であるから、コンベアローラの駆動部としてそのまま利用できる。
【００３３】
前記各回路の導電体の両端にそれぞれ電圧検出部を有し、この電圧検出部によって検出されたインパルスによって、前記磁極を跨いで磁束が反転する回転角に位置する回路を判別して配線溝を形成する前記微小角度間隔でロータの回転を検出する角度検出回路を有する場合（請求項３）には、磁極を跨いでいる角度範囲の回路を構成する導電体に設けた電圧検出部は、配線溝に挿入された導電体が磁極を跨ぐ瞬間に急激な磁束密度の変化が発生するのでインパルス的な起電力が発生する。したがって、このインパルスを用いて角度検出回路がロータの回転角を検出することができる。
【００３４】
すなわち、角度検出回路は特別なセンサを設けることなく、配線溝を形成する微小角度間隔を分解能とする角度検出が可能となり、それだけ、構成の簡略化を図ることが可能となる。なお、この導電体に生じるインパルスは配線溝形コイルレスモータをモータとして使用するときにも、発電機として使用するときにも、通電していない状態において慣性や外力によって回転するときにも発生するので、前記電圧検出部および回転検出回路は二次電池などのバックアップ電源によって常に動作して、現在の回転角を確認し続け、この回転角を不揮発メモリなどに記憶しておくことが好ましい。加えて、電圧検出部と角度検出回路が動作する程度の電力であれば特別なバックアップ電源がなくても、前記インパルスの起電力を用いて得ることも可能である。
【００３５】
前記回転角が明確であれば、磁極を跨がない角度範囲に位置する導電体の回路が明確になるので、磁極を跨がない回路の導電体にのみ電源を接続させるように切り替えるスイッチング回路を形成することにより、従来のＰＷＭ電源のような特別な制御回路を用いるまでもなく、磁極端面の大部分を有効に用いてローレンツ力を発生させることができるので、十分に強力な回転力を得ることができる。
【００３６】
なお、回路数は増やせば増やすほど、磁極端面の回転力の発生に用いる割合を大きくすることが可能となるので、それだけ得られる回転力を強くすることができる。この場合、前記電圧検出部および角度検出回路は集積化可能な回路によって構成し、各回路の接続を切り替えるスイッチング回路も優れた応答性を有する電界効果トランジスタなどを用いて比較的に小型化が可能であるから、例えば磁極に対応する角度範囲内の全ての配線溝のそれぞれを別々の導電体の回路となるようにすることも可能であり、この場合はほとんどすべての磁束を用いて回転力を発生させることができ、さらなる回転力の向上を図ることが可能となる。
【００３７】
前記導電体は前記配線溝の形状に合わせて形成された断面形状帯状の導体である場合（請求項４）には、配線溝の断面形状に最大限に隙間なく沿わせた導電体を得ることができるので、それだけ大電流を流すことができる。
【００３８】
なお、帯状の導体は配線溝の横幅と深さ幅に合わせた辺の断面形状長方形を有する帯状の導体であることにより、一つの配線溝に一本の導電体を挿入させることができるため、組み付けが容易であると共に、各回路のインダクタンスをできるだけ小さくすることが可能である。また、配線溝の断面積に合わせて最大限に大きな電流を流すことが可能である。
【００３９】
しかしながら、前記配線溝の深さ幅を整数等分した幅と、配線溝の幅に合わせた断面形状長方形または正方形の導電体を一つの配線溝に整数本挿入するようにしてもよい。すなわち、一つの配線溝に複数の導電体を挿入する場合、何れの導電体も直列接続した一本の導電体であるから、配線溝の深さ方向のいずれの位置においても同じ方向に同じ強さの電流が流れるので異常発熱することはなく、回転力も配線溝の深さ方向のいずれの位置においても均等に発生させることが可能となる。
【００４０】
前記導電体は前記配線溝に挿入されるグラフェンからなる導体であり、前記配線溝はグラフェンを挿入可能な必要最小幅に形成してある場合（請求項５）には、導電体の導電率を可能な限り上げられるだけでなく、配線溝の幅を可能な限り薄く形成してあるので、それだけ櫛歯状の磁性体隔壁の厚み割合を相対的に増すことにより、より強い磁束をかけて扱う回転力を大きくすることができ、しかも鉄損、渦電流など電磁的損失を極力小さく出来る。なお、前記グラフェンとは２次元のハチの巣状格子内に周密に詰め込まれた単層の炭素原子からなる導電体である。
【００４１】
また、配線溝を形成する微小角度間隔を可及的に狭くすることができ、それだけ大きな回転力を出力させ、大きな回生電流を得ることが可能となるだけでなく、この導電体に生じるインパルスを用いて回転角を検出する場合の回転角の検出精度を向上させることができる。
【００４２】
前記導電体は前記配線溝の内に複数陥入した導線である場合（請求項６）には、導電体として汎用の導線を利用できるので、それだけ製造コストを削減できる。このとき、同じ回路を構成する導電体は同じ配線溝内に複数回陥入されるように配線されて、配線溝内の導線は直列接続した一本の導線であることにより、配線溝の深さ方向のいずれの位置においても同じ方向に同じ強さの電流が流れるので異常発熱することはなく、回転力も配線溝の深さ方向のいずれの位置においても均等に発生させることが可能となる。
【００４３】
しかしながら、同じ配線溝内に挿入される導電体は配線溝に挿入する前と後とで並列接続してもよく、これによってインダクダンスの増加をさらに低く抑えることができる。
【００４４】
本発明の配線溝形コイルレスモータでは、導電体の両端に電圧検出部を設けることにより、導電体をセンサとして用いることが可能であるが、これに変えてロータリーエンコーダを別途設けてもよいことは言うまでもない。あるいは、前記ステータ側の前記磁極に面する位置に取り付けられてロータの回転に伴う磁界の変化を検知する磁束検出器を設けて、より確実なロータの回転角の検出を行ってもよい。
【００４５】
また、ロータの回転角に対応して各回路の導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうスイッチング回路を備える場合には、このスイッチング回路を介して電力供給を行うだけでコイルレスモータに対して直流的に電力供給を行なってロータの回転方向を自在に制御することができる。また、回生動作においてもスイッチング回路を介するだけで、回生電流を容易に電源側に流すことができる。
【００４６】
前記スイッチング素子は高速に切り替え可能な電界効果トランジスタによって形成されるものであることが好ましいが、バイポーラトランジスタ、フォトカプラ、サイリスタ、ソリッドステートリレーなどを用いたスイッチング素子であってもよい。
【発明の効果】
【００４７】
上述したように、本発明によれば、ロータ側に取り付けられた永久磁石によって形成される強い磁界中に、ステータ側に取り付けられた導電体を配置するという極めて簡素化された構成で、導電体に電流を流すことによって発生するローレンツ力によって、ロータを回転させるものであるから、従来はモータに必須と考えられていたコイル（巻線）をモータから排除できる。コイルを排除することにより誘導特性による電流の遅れを防止して、回転力の制御を高いレスポンスで行うことができる。
【００４８】
加えて、従来のモータの制御には必要であった擬似的な正弦波を形成するためのＰＷＭ変調回路や、交直変換回路などを不要とし、変調に伴う損失の発生やノイズの発生も防止できる。
【００４９】
本発明の配線溝形コイルレスモータでは、ロータの磁極に隙間を開けて配置された磁性体に配線溝を設け、この配線溝内に導電体が配線されるので、導電体の周囲には磁性体隔壁に内に、集中した、より高い磁束密度の磁束が存在し、それだけ、小さな電流で大きな回転力を得ることができる。同様に、回転力から多くの回生電流を得ることができる。
【００５０】
本発明の配線溝形コイルレスモータは、ロータの形状は円筒状または円柱状で、これに近接する磁性体は円柱状または円筒状であり、いずれの場合にも配線溝形コイルレスモータの外周部付近にて回転力が発生するものであるから、その全体形状は例えば円盤状に形成すれば、軸芯からできるだけ離した外周部近傍において回転力を発生させることにより大きな回転力を得ることができる。
【００５１】
逆に、配線溝形コイルレスモータの全体形状を軸芯方向に長く形成することにより、第１発明の配線溝形コイルレスモータは、車両の各部シャフトとして本発明の配線溝形コイルレスモータを配置して、現在の低燃費車両における内燃機関（エンジン）の出力トルク不足を補った回転力を発生させることも可能であり、また、慣性などのよって回転力の回生を行う場合には回生電流を電源側に戻して電力に回生することも可能である。また、第２発明の配線溝形コイルレスモータは、ローラーコンベアの駆動ローラとして本発明の配線溝形コイルレスモータを配置することも可能であり、省スペースでありながら大きな回転力を出力させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る配線溝形コイルレスモータの構成を示す側面図である。
【図２】前記配線溝形コイルレスモータの縦断面図である。
【図３】前記配線溝形コイルレスモータのロータの一部構成を示す斜視図である。
【図４】前記ロータと磁性体の間の要部における動作を説明する図である。
【図５】前記配線溝形コイルレスモータを制御する回路の一例を示す図である。
【図６】図５に示す回路の動作を説明する図である。
【図７】第１実施形態に示す配線溝形コイルレスモータの変形例を示す図である。
【図８】前記配線溝形コイルレスモータのさらなる変形例を示す図である。
【図９】前記配線溝形コイルレスモータのさらに異なる変形例を示す図である。
【図１０】第２実施形態の配線溝形コイルレスモータの構成を示す断面図である。
【図１１】前記配線溝形コイルレスモータの一部を拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の第１実施形態の配線溝形コイルレスモータ１の構成を図１〜図６に従って説明する。図１、図２に示すように、本実施形態の配線溝形コイルレスモータ１は、略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極２Ｎ，２Ｓを配置させた少なくとも１つの永久磁石２を備えるロータ３と、このロータ３の外周面に対して隙間を設けて、ロータ３の軸４と同軸に配置した略円筒形状の例えばケイ素鋼板などからなる磁性体５と、この磁性体５をその外周面において支持するケース６と、このケース６に前記軸４を回動自在に支持する軸受け６ｏと、この磁性体５の内周面の前記ロータ３の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θ内に、これを各回路７ａ〜７ｃに等分割した回路分割角度範囲θａ〜θｃを定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体８ａ，８ｂ，８ｃとを有し、かつ、前記磁性体５の内周面には、前記ロータ３の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θ内を等分割した微小角度間隔ｄθで軸４に略平行な方向に均一幅で放射状に複数の配線溝１０を形成して、この配線溝１０の間に櫛歯状の磁性体隔壁１１を形成してあり、前記配線溝１０内に前記導電体８ａ，８ｂ，８ｃを絶縁的に挿入配線することにより前記ロータ３の全磁極２Ｎ，２Ｓ，…に対応した各回路分割角度範囲θ，…内に導電体８ａ，８ｂ，８ｃ，…を配線してある。
【００５４】
なお、前記回路７ａ〜７ｃ、導電体８ａ〜８ｃは何れも、本実施形態に示す３つの回路７ａ〜７ｃのそれぞれに別々の符号を付けてこれらを見分けられるようにしているが、以下、回路７ａ〜７ｃを分けて説明する必要が無い場合には、単に、回路７、導電体８と表現する。
【００５５】
前記ロータ３の永久磁石２は磁極２Ｎ，２Ｓの磁極端面をロータ３の外周面に露出させるように設けたＳＰＭ型（表面磁石型）であっても、永久磁石２をロータ３内部に埋設することにより結果的にロータ３の外周面に磁極２Ｎ，２Ｓの磁極端面が形成されるＩＰＭ型（埋込磁石型）であってもよい。いずれにしても、磁極２Ｎ，２Ｓに対応する角度範囲（磁極対応角度範囲）θ内においてはロータ３の外周面から同じ方向の磁束を軸方向に揃えて形成することにより、磁極端面の磁束を放射方向に発散または軸芯方向に収束させるものである。
【００５６】
前記ロータ３を一周するときに切り替わる磁極２Ｎ，２Ｓの数は本実施形態では合わせて８極形成しており、各磁極対応角度範囲θは４５°に形成されている。従って、導電体８がロータ３の周りを一周するように配線されるとき、各磁極対応角度範囲θ内を回路数（本実施形態では３回路）で等分割した８つの回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内に配線するので、導電体８がロータ３を一周する間に８回磁極２Ｎ，２Ｓから発散または収束する磁界に対して略直交する方向に電流を流すように配置されることになる。
【００５７】
したがって、導電体８が１つの磁極２Ｎ（または２Ｓ）の前だけに配置される場合に比べて磁極２Ｎ，２Ｓの数倍（本実施例の場合８倍）だけ強い回転力（または回生電流）を発生させることができるように構成している。つまり、この磁極２Ｎ，２Ｓの数は少なくとも２極は必要であるが、多ければ多いほど導電体８がロータ３を一周する間に出力できる回転力（または回生電流）は大きくなる。
【００５８】
磁石２は強い回転力（回生電流）を得る為には磁性体５を飽和させない程度にできるだけ強力な永久磁石であることが好ましく、本実施形態の場合、非常に強力な磁力を得られるネオジム磁石を用いて形成される。
【００５９】
磁石２の形状は、図２に示すように、軸芯４側には前記ロータ３の外周面に形成される磁極とは逆の磁極が配置された断面扇形に形成されており、符号Ｂに示すように軸芯４および磁性体５に高い密度の磁束が形成される。
【００６０】
図２の拡大図および図４に示すように、磁性体５の内周面に配線溝１０を設けることにより形成された磁性体隔壁１１には、高い磁束密度の磁束Ｂが集中する。従って、この配線溝１０内に挿入配線させた導電体８に電流を流すときに、この電流によって図４に示す回転磁界Ｂｒが発生し、この回転磁界Ｂｒが永久磁石２によって磁性体隔壁１１内に形成される極めて強力な磁界Ｂと作用し合うことにより、ロータ３に回転力を発生させることができる。
【００６１】
前記ロータ３は軸芯４に形成されたフランジ部４ａと抑えリング４ｂに挟み込むようにして前記磁石２をその磁極端面が円周方向にＮ極、Ｓ極の磁束Ｂが交互に配列されるように接着固定してある略円柱形状の部材である。
【００６２】
前記磁性体５は透磁率に優れたケイ素鋼板の中抜き略円盤状の薄板と絶縁層を多数積層して形成されたものであり、その内周面には微小角度ｄθ間隔で配線溝１０を形成してあるので、前記導電体８を安定的に保持することができる。また、磁性体５に形成された配線溝１０は放射方向に導電体８の直径よりも深く形成されているので、本実施形態の場合、同じ配線溝１０内に７本の導電体８を配線できるように構成している。そして、この同じ配線溝１０内に配線された導電体８はロータ３の回転角に完全に同期して磁束の交番磁界に晒されることになる。
【００６３】
磁性体５の内周面はロータ３の外周面（磁極端面）に対して隙間を空けて配置されるものであり、この隙間はロータ３が高速回転したときにも接触しない程度の隙間であり、できるだけ近づけて配置するものであることにより、漏れ磁束を可及的に小さくすることができ、それだけ強い交番磁界を磁性体５に発生させることができるので好ましい。
【００６４】
前記ケース６は磁気遮蔽可能な金属からなり、磁性体５をその外周部において保持すると共に、前記軸受け６ｏによってロータ３の軸４を回転自在に支持する略筒状の第１部材６Ａと、この第１部材６Ａに対してロータ４の回転部分を覆うように構成された第２部材６Ｂとからなり、前記各回路７の導電体８を貫通して引き出すことができる孔６Ｃを形成してある。
【００６５】
本実施形態の場合、各回路７に割り当てられる回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内には３筋の配線溝１０が形成されており、これらが同じ回路７の配線溝群を形成する。そして、この配線溝群を校正する３筋の配線溝１０にそれぞれ７本の合計２１本の導電体８を挿入することにより、１本の導電体８だけを配線する場合に比べて約２１倍の回転力を得ることができるように構成している。つまり、同回路７の電流を直列に複数回または並列接続して流して電流を増大させることによって、回転力（または回生電流）の倍増効果を得ることができる。
【００６６】
なお、本実施形態では導電体８を前記配線溝群内のすべての配線溝１０に挿入配線する前に２１分岐接続して前記回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内のすべての配線溝１０に挿入配線し、磁性体５を一周した後に再び一つにまとめるように接続することにより、各回路７のインダクタンスの増加を抑えながら出力する回転力を大きくすることが可能となるように構成している。
【００６７】
図３に示すように、磁性体５の軸芯方向の両端部（片方のみ図示）において、前記配線溝群を構成する配線溝１０から突出する２１本の導電体８（以下、導電体群という）は、結束部８Ｄにおいて束ねられ、結束された導電体群の１８０°の捻りおよびターン部８Ｅと、結束解除部８Ｆとを介して隣接する磁極２Ｎ（または２Ｓ）の配線溝群に配線される。
【００６８】
これによって、図示時計回りの先端側の配線溝１０（図２参照）の位置Ｐａに配線された導電体８は、４５°位相が異なる隣接する磁極２Ｎ（または２Ｓ）に対しても同じ図示時計回りの先端側の配線溝１０の位置Ｐａ’に配線されるので、前記導電体８は各配線溝１０の磁極２Ｎ（または２Ｓ）に対する相対位置が同じとなるように配線され、また、磁極２Ｎ（または２Ｓ）に合わせて互い違いに逆方向に電流を流すように、全体的な形状は略己字状に配線される。
【００６９】
前記配線溝１０の形状は、図２の拡大図および図４に示すように、幅方向において導電体８をその絶縁被覆を付けた状態で挿入可能な必要最小限の幅であって、深さ方向において、本実施形態では導電体８を７本並べて挿入可能な深さに形成している。また、各配線溝１０はこの中に挿入された導電体８の回転方向の位相を完全にそろえるように放射線状に形成しており、軸芯方向には平行に形成してある。
【００７０】
配線溝１０を微小角度間隔ｄθで形成することにより、磁性体５の内周面には櫛歯状の磁性体隔壁１１を形成でき、この櫛歯状隔壁１１と配線溝１０の幅は同程度に形成してある。
【００７１】
図５は本発明の配線溝形コイルレスモータ１の角度検出回路の一例を示す図である。図５に示す符号１２は電源となるバッテリであり、バッテリ１２からの電力は各スイッチング素子１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃを介して、各回路７ａ〜７ｃに正逆方向の電圧をかけられるように構成している。１５ａ〜１５ｃは各回路７ａ〜７ｃの端子電圧Ｖａ〜Ｖｃを検出する電圧検出部であり、１６は電圧検出部１５ａ〜１５ｃによって検出された各端子電圧Ｖａ〜Ｖｃを取り込むことにより、ロータ３の回転角を角度検出回路を有すると共に各スイッチング素子１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃに制御信号Ｃａ〜Ｃｃを出力する事により、任意の回転力を出力させたり回生電流をバッテリ１２側に流すように制御する制御部である。また、１７は端子電圧Ｖａ〜Ｖｂの変動を監視することにより求められるロータ３の回転角を記憶する記憶部、１８はバックアップ電源、Ｒは回転方向を示す。
【００７２】
前記スイッチング素子１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃは高速応答が可能であると共にオン状態の抵抗が低いＦＥＴなどの半導体スイッチであることが好ましいが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
【００７３】
図６は図５に示すロータ３が回転方向Ｒに回転するときにおける動作を電圧検出器１５ａ〜１５ｃによって検出した端子電圧の測定値の例を用いて説明する図である。
【００７４】
図６に示すように、図５に示す磁極２Ｎ，２Ｓの配置である状況を０°とするとき、制御部１６は例えばスイッチング素子１３ｂ，１３ｃ，１４ｂ，１４ｃを介して回路７ｂ，７ｃに正の電圧を印加する。ここで導電体８ｂ，８ｃに電流が流れることにより、各磁極２Ｎ，２Ｎによって形成される強力な磁場内にその磁束と直交する方向に配線された導電体８ｂ，８ｃに電流が流れることにより回転磁界Ｂｒ（図４参照）が発生し、ローレンツ力によってロータ３が回転方向Ｒにさらに回転する。
【００７５】
ロータ３が微小角度間隔ｄθ（本実施形態の場合５°）回転するまでの間に、回路７ａを構成する導電体８ａが配線された一つの配線溝１０（図２，図４参照）が磁極２Ｎ，２Ｓの切り替わり部分を通過することになり、導電体８ａの端子電圧Ｖａには磁束の変化に伴うインパルス（Ｎ極からＳ極への変化なので負の方向のインパルス）が検出される。同様に、さらに微小角度間隔ｄθ回転する毎にインパルスが検出され、前記制御部１６はロータ３が微小角度間隔ｄθ右回りに回転していることを確認できる。
【００７６】
次いで、端子電圧Ｖａに３つ目のインパルスが検出された後に、制御部１６は前記スイッチング素子１３ｂ，１４ｂを切り替えて回路７ｂの導電体８ｂをバッテリ１２から切り離した後に、スイッチング素子１３ａ，１４ａを切り替えて回路７ａの導電体８ａに逆方向の電圧を印可する。
【００７７】
この時点で、図５に示すロータ３は初期状態から１５°ほど回転しているので、回路７ａを構成する導電体８ａが対面する磁極端面の極性は、他の回路７ｂ，７ｃを構成する導電体８ｂ，８ｃが対面する磁極端面の極性と異なっているので、導電体８ａに逆方向の電圧を印可することにより、同じ回転方向Ｒの回転力をロータ３に加えることができる。
【００７８】
さらに、ロータ３が回転方向Ｒに回転すると、微小角度間隔ｄθ毎にバッテリ１２から切り離した回路７ｂの導電体８の端子電圧にインパルスが発生し、制御部１６はこのインパルスを検出することにより、ロータ３の回転角を検出することができる。また、当然ながら回転方向Ｒが逆になると、上記インパルスの発生極性も逆になると共に、インパルスが発生する回路７ａ〜７ｃの順番も逆になる。
【００７９】
上述のように、本発明の配線溝形コイルレスモータ１は導電体８ａ，８ｃ，８ｃにインダクタンス成分がほとんど発生しないため、ロータ３の回転に伴う端子電圧の変動をモニタするだけで、別途のセンサを設けることなくロータ３の現在の回転角を正確に検知することができ、これを例えば記憶部１７に記憶させ、非通電時にもバックアップ電源１８によって端子電圧の監視と回転角の確認を行なうことも可能である。なお、この回転角は一対の磁極２Ｎ，２Ｓが占める磁極対応回転角θ×２（本例の場合９０°）の範囲で確認できるが、現在の回転角を常にモニタして記憶部１７に記憶させる場合には、３６０°の回転角を監視することも可能である。
【００８０】
前記回転角を常に監視して記憶部１７に記憶させることにより、非通電時に外力によってロータ３が回転した場合にもロータ３の回転角を監視しているので、次に通電するときの始動時にも、制御部１６最初から確実に磁極２Ｎ，２Ｓを跨いでいない回路７の導電体８のみに必要な回転方向Ｒに回転させる極性の電圧を印加することが可能である。
【００８１】
なお、仮に前記制御部１６が記録している回転角が現実の角度と異なっていたとしても、ロータ３が回転するときにインパルスがどの回路７の導電体に発生し、次にどのロータ３にインパルスが発生するかを確認することにより、現在の回転角を迅速に確認して、以後は的確な制御を行なうことも可能である。
【００８２】
上述したように本発明の配線溝形コイルレスモータ１によれば、各回路７の導電体８にインダクタンス成分をほとんど持たない磁気回路を形成でき、導電体８に電流を流すときに生じるローレンツ力を直接的に用いて、回転力を得ることができるので、極めて高速に応答することができる。これは、電動機として例えばエンジンなどの内燃機関の補助動力として回転力のアシストを行なったり、逆に余った無駄な回転力を用いてバッテリ１２を充電させるときの高速応答を可能としていることを意味している。また、従来の電動機のように電源としてサイン波の交流電源を形成する必要も全くないので、ノイズの発生原因ともなるＰＷＭ変調回路を排除し、極めて容易にトルク制御を行なうことができる。
【００８３】
さらに、各導電体８は櫛歯状に配置された磁性体隔壁１１内に高密度に集中する磁束を形成する交番磁界Ｂの間に配線されて、電流の流れによって発生する回転磁界Ｂｒが強力な磁界Ｂと作用し合うことによって、より少ない電流で強力な回転力を得ることができる。加えて、配線溝１０内に配線された導電体８はその物理的な位置を容易かつ確実に固定できるので、高速回転するモータとして十分な堅牢性を備えるものとなる。
【００８４】
また、制御部１６は通電する回路７ａ〜７ｃの割合（通電する回路数）や通電するタイミング（パルス幅）を調整することにより、配線溝形コイルレスモータ１によって出力する回転力の強さ（回生制動力の強さ）を調整することも可能である。
【００８５】
加えて、本実施形態のように３回路７ａ〜７ｃに分割された導電体８を有する配線溝形コイルレスモータ１の場合、回転力を得る為に磁極端面の２／３を有効に活用しているので、それだけ大きなトルクを出す為に有利であり、とりわけロータ３の外周面に永久磁石２の磁極２Ｎ，２Ｓをむき出しにするＳＰＭ型のロータ３によって十分に強力な回転力を得ることができるが、ＩＰＭ型のロータ３であっても問題なく回転力を得ることができるので、汎用性が高いという利点もある。
【００８６】
さらに、本発明の配線溝形コイルレスモータ１は長い軸芯４を有するロータ３の外周面において回転力をローレンツ力による回転力を生み出すものであるからロータ３は長ければ長いほど回転力を生み出すのに有利であり、例えば自動車のドライブシャフトやプロペラシャフトそのものを配線溝形コイルレスモータ１と入れ替えて補助的に回転力を生成するなどの用いることも可能である。
【００８７】
上述の実施形態は本発明の配線溝形コイルレスモータ１の構成および動作を説明しやすい例を示したものであるにすぎず、種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【００８８】
たとえば、本実施形態の導電体８は磁性体５の配線溝１０に配線する前に多数に分岐し、磁性体５を一周した後に再びまとめるように構成しているが、前記導電体８を磁性体５の内周面に沿って、順次前記回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内のすべての配線溝１０に直列的に配線してもよい。この場合は、導電体８の回路７は磁性体５に巻き取った巻き数のコイルとなってしまうので、インダクタンスの増加を招く（本実施形態の場合は２１巻きのコイルと同じ）ものの、同じ電流で大きな回転力を得ることができる利点が生じる。なお、前記巻き数は通常のモータに用いるコイルの巻き数に比べて遙かに少なく、インダクタンスの増加を必要最小限に抑えることができているという意味ではコイルレスということができる。
【００８９】
図７は第１実施形態の変形例を示す図である。図７に示す例では、一つの磁極対応角度範囲θと導電体８の構成を４回路７ａ〜７ｄで等分割するように形成してあり、一つの回路分割角度範囲θａ〜θｄ内に２筋の配線溝１０が形成される。すなわち、回路数を増やすことにより、磁極２Ｎ，２Ｓを跨ぐ導電体８の回路７に対応する回路分割角度範囲θａ〜θｄに対して磁極２Ｎ，２Ｓを跨がない導電体８の回路７に対応する回路分割角度範囲θａ〜θｄの割合を大きくすることができ、４回路の場合、全磁束の約３／４を有効活用して回転力を得たり、回生電流を得ることができる。
【００９０】
また、図５に示すような、前記制御部１６を設ける場合、磁極２Ｎ，２Ｓを跨がない回路７のうち１〜３回路を任意に選んで回転力を発生させることが可能であるから、発生させる回転力の制御をさらに容易とすることができる。
【００９１】
前記回路数は増やせば増やすほど制御部１６による制御が複雑になり、スイッチング素子１３ａ，１３ｂ…，１４ａ，１４ｂ…や、電圧検出部１５，１５ｂ…の数も増大するもが、出力できる回転力を上げることができるだけでなく、より精度の高い回転力の制御を行なうことも可能となる。また、前記各部１５〜１７の集積化を行うことにより、微小角度間隔ｄθで形成された全ての配線溝１０内の導電体８を別々の回路７に分けることも考えられる。
【００９２】
図８はさらなる変形例を示す図であり、前記導電体８の代わりに、断面形状長方形の帯状の導体２０を用いる例を示している。すなわち、配線溝１０の形状に合わせた断面形状帯状の導体は、配線溝１０に対して隙間なく挿入可能であるから、通常の断面形状円形の導体に比べて流すことができる電流を多くすることができ、それだけ、大きな回転力（回生電流）を得ることができる。
【００９３】
また、断面長方形の帯状の導体２０は、断面円形の導体８に比べて少ない本数だけ配線溝１０に挿入するだけで配線溝１０を埋め尽くすものであるから、導体２０の挿入にかかる手間をできるだけ少なくすることができ、配線溝形コイルレスモータ１の製造にかかるコストを削減することができる。
【００９４】
図９はさらに異なる変形例を示す図である。図９において、前記導電体８の代わりに、配線溝の断面形状に合わせた一本の導体２１を挿入配線してあるので、配線溝形コイルレスモータ１の製造にかかる手間をさらに抑えて、その製造コストを削減することができる。
【００９５】
図１０は第２実施形態の配線溝形コイルレスモータ３０の構成を示す図である。なお、本実施形態の配線溝形コイルレスモータ３０は第１実施形態の配線溝形コイルレスモータ１のロータ３と磁性体５の位置関係を逆にした例を示すものであり、以下の説明において、図１〜図９に示す第１実施形態と同じ符号を付した部分は同一又は同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。
【００９６】
すなわち、本実施形態の配線溝形コイルレスモータ３０は略円筒形状の内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極２Ｎ，２Ｓを配置させた少なくとも１つの永久磁石２’を備えるロータ３’と、このロータ３’の内周面に対して隙間を設けて、ロータ３’と同軸に配置した軸芯４を有する略円柱形状の磁性体５’と、この磁性体５’の外周面の前記ロータ３’の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θ内に、これを各回路７に等分割した回路分割角度範囲θａ，θｂ…を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極２Ｎ，２Ｓの極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体８とを有し、かつ、前記磁性体５’の外周面には、前記ロータ３’の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θａ，θｂ…内を等分割した微小角度間隔ｄθで軸４に略平行な方向に均一幅で軸芯方向に複数の配線溝１０’を形成して、この配線溝’の間に櫛歯状の磁性体隔壁１１’を形成してあり、前記配線溝１０’内に前記導電体８を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータ３’の全磁極２Ｎ，２Ｓに対応した各回路分割角度範囲θａ，θｂ…内に導電体８を配線してある。
【００９７】
本実施形態のロータ３’はその外周面が円筒形状であり、軸芯４を固定して、円筒形状のロータ３’が回転するものであるから、例えばコンベアローラの一つとして適宜配置し、回転力を供給することにより、コンベアによる荷物の搬送を行なうことができる駆動力を供給することも容易である。
【００９８】
図１１は図１０に示す本発明の第２実施形態の更なる変形例を示す図である。図１１に示す配線溝形コイルレスモータ３２は、前記磁性体５’の外周面に、拡大図に示すように、グラフェンからなる帯状の導体３３と、薄板形状の透磁率に優れた磁性体隔壁３４を重ねて配列してなるものであり、磁性体隔壁３４の断面形状は磁性体５’の外周面に接する側を僅かに薄く僅かに台形になるように形成してあり、多数の導体３３と磁性体隔壁３４を絶縁体を挟んで重ねるときに、ちょうど円筒状の磁性体５’の外周面に接する筒状の部材となるように形状である。
【００９９】
加えて、磁性体隔壁３４に挟まれた部分には磁性体５’を挿入配線可能な配線溝１０’が形成される。したがって、磁性体５’の外周面に磁性体隔壁３４と導体３３を絶縁体を挟んで重ねて配置することにより、グラフェンからなる導体３３を帯状の磁性体隔壁３４の間に形成された配線溝１０’の間に挿入すると共に、各磁性体隔壁３４間の間隔を必要最小限に形成してすることができる。
【０１００】
前記グラフェンからなる導体３３はその導電率が極めて高いので、極めて薄く形成されたものであっても、十分な電流を流すことができると共に、放熱効果を高めることができる。また、磁性体隔壁３４の占有面機を広くすることができるので、可能な限り強力な永久磁石を用いて磁気飽和を避けながらできる限り強い交番磁界を加えることもできる。
【０１０１】
さらに、隣接するグラフェンからなる導体３３がなす微小角度間隔ｄθ’を更に小さくする事が可能であるから、各導体３３に生じるインパルス信号を検出するだけで、それだけ詳細な角度検出を行なってもよい。また、導体３３が薄くなればなるほど、導体３３を等分割する回路７の数も多く設定可能であり、回路７の数が多ければ多いほど、ロータ３’の永久磁石２’の磁束の大部分を用いて回転力を得たり、より多くの回生電流を得ることができる。
【０１０２】
上述の実施形態では円柱状の磁性体５’の外周面にグラフェンからなる導体３３と磁性体隔壁３４を重ねて配置する例を示しているが、図１〜図９に示す第１実施形態に示す配線溝形コイルレスモータ１の円筒状の磁性体５の内周面にグラフェンからなる導体３３と磁性体隔壁３４を重ねて配置してもよいことはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１０３】
１  配線溝形コイルレスモータ
２  永久磁石
２Ｎ，２Ｓ  磁極
３  ロータ
４  軸
５  磁性体
７（７ａ，７ｂ…）  回路
８（８ａ，８ｂ…）  導電体
８Ｄ  結束部
８Ｅ  捻りおよびターン部
８Ｆ  結束解除部
１０  配線溝
１１，３４  磁性体隔壁
１５ａ，１５ｂ…  電圧検出部
１６  角度検出回路
θ  磁極対応角度範囲
θａ，θｂ…  回路分割角度範囲
ｄθ  微小角度間隔
【図１】
2017175750.tif 000003
【図２】
2017175750.tif 000004
【図３】
2017175750.tif 000005
【図４】
2017175750.tif 000006
【図５】
2017175750.tif 000007
【図６】
2017175750.tif 000008
【図７】
2017175750.tif 000009
【図８】
2017175750.tif 000010
【図９】
2017175750.tif 000011
【図１０】
2017175750.tif 000012
【図１１】
2017175750.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月27日(2016.6.27)
【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】
略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、
このロータの外周面に対して隙間を設けて、ロータの軸と同軸に配置した略円筒形状の磁性体と、
この磁性体の内周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように略己字状に配線された導電体とを有し、かつ、
前記磁性体の内周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で放射状に複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータ。
【請求項２】
略円筒形状の内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、
このロータの内周面に対して隙間を設けて、ロータと同軸に配置した軸芯を有する略円柱形状の磁性体と、
この磁性体の外周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように略己字状に配線された導電体とを有し、かつ、
前記磁性体の外周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で軸芯方向に複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータ。
【請求項３】
前記各回路の導電体の両端にそれぞれ電圧検出部を有し、この電圧検出部によって検出されたインパルスによって、前記磁極を跨いで磁束が反転する回転角に位置する回路を判別して配線溝を形成する前記微小角度間隔でロータの回転を検出する角度検出回路を有する請求項１または請求項２に記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項４】
前記導電体は前記配線溝の形状に合わせて形成された断面形状帯状の導体である請求項１〜請求項３の何れかに記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項５】
前記導電体は前記配線溝に挿入されるグラフェンからなる導体であり、前記配線溝はグラフェンを挿入可能な必要最小幅に形成してある請求項４に記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項６】
前記導電体は前記配線溝の内に複数陥入した導線である請求項１〜請求項３の何れかに記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項７】
前記導電体は磁性体の両端部において前記１回路を構成する各配線溝群の端部から突出する導電体群を束ねた結束部と、結束された導電体群の１８０°の捻りおよびターン部と、結束解除部を介して隣接する磁極の配線溝群に配線されるものである請求項４〜請求項６の何れかに記載の配線溝形コイルレスモータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導特性をできるだけ小さくするためにコイルを排除して、瞬時にトルクを発生させたり、回転力から電力を得ることができる配線溝形コイルレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にモータは誘導特性を有するものであり、この誘導特性によって電流の変動を起こしにくくするものとなっている。また、モータの電源はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調によって１２０度位相が異なる３つの擬似的なサイン波を生成するインバータが用いられており、このインバータによる制御によってモータの回転速度や出力トルクの制御を可能としている。
【０００３】
また、特許文献１、特許文献２に示すように、近年では電機子巻線となるコイルをプリント基板上にエッチングまたは印刷技術で形成した所謂プリントモータが用いられるようになっている。このプリントモータでは回転子がプリント基板で形成されており、鉄心を用いないことにより軽量である為、慣性を低くすることができ、速度制御の応答性の向上を図ることができるだけでなく、扁平な形状に形成できるゆえに注目されるに至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３１６９２５号公報
【特許文献２】実開平７−３９２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のモータは何れもコイル（巻線）を形成するものであり、このコイルに電流を流すことによって発生させる磁場を用いてモータを回転させるものであるから、巻線に流れる電流から磁界を形成するステップと、コイルによって形成された磁界が他の永久磁石または電磁石に吸引または反発するステップとを経て初めてモータが回転する。また、より少ない電流によって強い磁場を形成できるように、コイルの巻き数を増やすことにより磁束の倍増化を図ることにより、インダクタンスが増加するという問題が発生する。
【０００６】
すなわち、まずコイルに流れる電流を一旦磁界に変換する段階でコイルのインダクタンスによる誘導特性が応答の遅れとなるという問題が発生する。また、コイルによって形成される磁束が他の永久磁石または電磁石と吸引または反発するときにも、ロータにかかるトルクの変動によって滑りが発生するため、負荷トルクの変動に対する応答性の遅れも発生する。
【０００７】
さらに、三相誘導モータなどのようにコイルに擬似的な交流電流を流す場合には、ＰＷＭ変換などのスイッチング素子によるパルス波形による電流制御を行うため、スイッチング素子の切り替わり時点においてインダクタンス分による遅れ電流によって必ず損失が発生するので、スイッチングの素子のキャリア周波数の高さに比例してスイッチング損失が大きくなるという問題もある。
【０００８】
加えて、ＰＷＭ変調によって１２０°位相のずれた電力を供給する場合には、インダクタンスの影響で位相のズレが発生するので、各相の位相差１２０°を維持するための制御が困難となり、高速回転する場合にはさらに位相維持の制御が困難となり、複雑で高速な制御を行なう必要が生じる。さらには、回生動作時においては制御がより複雑になり、これによって全体として制御性が悪くなり、コストアップや効率の低下を招いていた。
【０００９】
また、コイルに鉄心（ヨーク）を用いて磁束の集中を行なう場合には、特に磁気飽和が発生することによる損失が発生するという問題も生じる。逆に、鉄心などを用いることなくコイルを配線した場合は、コイルが曝される磁束密度が低い事に加えて、コイルによって発生可能な磁界も弱くなるため駆動トルクが弱くならざるを得ないという問題に加えて、コイルの剛性が十分でないため、回転速度を上げられないという問題も発生する。
【００１０】
とりわけ近年のハイブリッド車や電気自動車の普及に伴って、電気制御によって瞬時に回転トルクを発生させたり、逆に瞬時に回生動作を行なう必要があるが、コイルの誘導特性によってレスポンスの遅れが発生することが効率低下の原因となっていた。
【００１１】
本発明は上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、高速応答の妨げとなり損失増加の原因となるコイルを排除して誘導特性を可及的に抑えたコイルレスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題点を解決するために、第１発明は、略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、このロータの外周面に対して隙間を設けて、ロータの軸と同軸に配置した略円筒形状の磁性体と、この磁性体の内周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように略己字状に配線された導電体とを有し、かつ、前記磁性体の内周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で放射状に形成した複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータを提供する。（請求項１）
【００１３】
前記ロータの略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるので、このロータの外周面に隙間を空けて同心円状に配置させた磁性体の内周面には、磁極に対応する角度範囲毎に放射方向または軸芯方向の磁界が発生する。なお、ロータはその外周面に永久磁石を露出するＳＰＭ型（表面磁石型）のロータであっても、永久磁石を内部に有するＩＰＭ型（埋込磁石型）のロータであっても、円周方向においてＮ極、Ｓ極を交互に形成するものであればよい。
【００１４】
前記各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めているので、前記回路の導電体が前記磁極対応範囲を跨がないように配置される回転角の間は、この回路の導電体に電流を流すことにより、配線溝内に挿入されたガイド部において磁束に略直交する方向に電流を流して、ガイド部の導電体に流す電流の大きさに比例してローレンツ力が作用し、その反作用でロータが逆方向に回転する。また、隣接する回転角の配線溝内に挿入配線されたガイド部における導電体は磁性体の両側部で折り返して、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線され、前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に略己字状に配線してあるので、配線溝内に挿入配線された導電体に電流を流すことにより発生する回転力は全て同じ方向に作用する。
【００１５】
このように、導電体に電流を流すことにより発生する回転力は、ロータに形成する磁極の数だけ発生させることができるので、それだけ回転力を倍増することができる。一方、上述のように構成された導電体は磁性体を一周するときに１回巻きのコイルを形成するだけであるので、インダクタンスが不用意に大きくなることを抑えて高速応答性を確保しながら、必要十分な回転力を得ることができる。
【００１６】
加えて、配線溝に挿入させた導電体はその位置を固定することができ、それだけ、安定した回転力を得ることができると共に、堅牢性が向上する。さらに、配線溝に挿入された導電体の周囲には高い透磁率の磁性体隔壁が櫛歯状に形成されるので、磁性体を構成する部材の透磁率に比例して高い密度の磁束が存在し、この高い密度の磁束が、導電体に流れる電流によって形成される磁界と作用し合うことにより、磁束密度に比例した高い回転力が発生する。また、導電体によって発生する熱は磁性体を介して放熱されるので、導電体には比較的大きな電流を流すことが可能である。なお、本発明における配線溝とは磁性体隔壁によって導電体を挟み込むように保持するスリット状の部分を示しており、その形成方法などを限定するものではない。
【００１７】
さらに、磁性体の各磁極に対応した角度範囲内を等分割した回路分割角度範囲を定められた前記回路が複数ある場合には、ロータの回転角がどのような角度であっても、何れかの回路に割り当てられた回路分割角度範囲は磁極を跨ぐことのない位置にあるため、電流を流す回路を切り替えることにより、回転力を発生させたり、回転力を回生することが可能となる。このときＰＷＭ電源のような特別な制御回路を形成する必要がなく、回路の切り替えだけで、トルク変動をほとんど発生させることがなく、安定した回転力と電流の変換を行うことができる。
【００１８】
前記回路数は多ければ多いほど、磁極端面を跨ぐことのない導電体の回路の数を多くすることができる（磁極端面を跨いでいる導電体の回路が占める角度範囲を狭くすることができる）ので、磁極端面を跨がない回路への接続状態をすべてオン状態とすることにより、回転力の発生または回生に用いる導電体の回路が占める角度範囲を広くすることができ、より大きな回転力（より大きな回生電流）を得ることができる。
【００１９】
なお、前記隙間はロータが高速回転したとしてもロータと磁性体が接触しない程度のもので、磁束の漏れを抑えるためにできるだけ狭い間隔が好ましく、その寸法は永久磁石の持つ起磁力と磁路の断面積の大きさによって相対的に決まる。磁性体は透磁率に優れると共に渦電流の発生をできるだけ抑え、ヒステリシスの少ない金属（最適は放射方向に圧延して形成してなる多層ケイ素鋼板）であることが好ましい。
【００２０】
永久磁石はより強力な磁束を生成するものであればあるほど好ましく、希土類元素のネオジムを用いた希土類磁石を用いることが好ましいが、磁化させた強磁性体を用いてもよい。さらに、電磁石に一定の電流を流して形成したものを永久磁石として用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００２１】
とりわけ、磁性体は、軟質磁性体の粉体を有機結合剤（バインダー）によって固めてなる複合軟磁性体であることにより、渦電流の発生をより確実に防止できるとともにヒステリシス特性も最小限に抑えることができ、それだけ、損失を小さくすることができる。さらに、前記磁性体は導電体に当接する圧縮アモルファスと、この圧縮アモルファスに当接する射出アモルファスとを備えるものであることにより、制作容易であり製造コストの引き上げを防ぎながら高い透磁率を得て漏れを抑え、さらに、ヒステリシス損や渦電流損の発生を必要最小限に抑えることができ、磁気飽和を避けることができるので、好ましい。
【００２２】
上述のように、第１発明の配線溝形コイルレスモータはローレンツ力を直接的に用いることにより、従来のコイルを用いるものに比べて応答速度を飛躍的に高めることができ、電流制御によって回転力を直接的に制御できる。ここで前記略直交とは、ローレンツ力が電場と磁束密度のクロス積によって加わる力であるため、直角に配置することが最も効率の良い配置になるが、直角からずれていたとしてもローレンツ力が作用することを意味するものである。また、ロータに回転力が加わって回転し、導電体が配置された角度範囲が、逆極性の磁極端面の磁極対応範囲内に入り磁界が逆になると、電流も逆方向に流すことにより、回転方向および回転トルクを同じ方向に保つことができる。
【００２３】
同様に、回生動作においても回生させる回転力に比例して導電体に電流が流れるので、回生する電流の制御によって回生トルクの調節を比較的容易に行うことができる。
【００２４】
また、ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。
【００２５】
第２発明は、略円筒形状の内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、このロータの内周面に対して隙間を設けて、ロータと同軸に配置した軸芯を有する略円柱形状の磁性体と、この磁性体の外周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように略己字状に配線された導電体とを有し、かつ、前記磁性体の内周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で軸芯方向に形成した複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータを提供する。（請求項２）
【００２６】
前記ロータの内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるので、このロータの内周面に隙間を空けて同心円状に配置させた円柱状の磁性体の外周面には、磁極対応角度範囲毎に放射方向または軸芯方向の磁界が発生する。
【００２７】
前記各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めているので、前記回路の導電体が前記磁極対応範囲を跨がないように配置される回転角の間は、この回路の導電体に電流を流すことにより、配線溝内に挿入されたガイド部において磁束に略直交する方向に電流を流して、ガイド部の導電体に流す電流の大きさに比例してローレンツ力が作用し、その反作用でロータが逆方向に回転する。また、隣接する回転角の配線溝内に挿入されたガイド部における導電体は磁性体の両側部で折り返して、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線され、前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に略己字状に配線してあるので、配線溝内に挿入配線された導電体に電流を流すことにより発生する回転力は全て同じ方向に作用する。
【００２８】
このように、導電体に電流を流すことにより発生する回転力は、ロータに形成する磁極端面の数だけ発生させることができるので、それだけ回転力を倍増することができる。一方、上述のように構成された導電体は磁性体を一周するときに１回巻きのコイルを形成するだけであるので、インダクタンスが不必要に増加することを抑えながら、安定した回転力を得ることができる。加えて、配線溝に挿入させた導電体はその位置を固定できるので、それだけ堅牢性が向上する。さらに、配線溝に挿入された導電体の周囲には高い透磁率の強磁性体が櫛歯状に残されるので、磁束密度の高さに比例した高い回転力が発生する。
【００２９】
さらに、磁性体の各磁極に対応した角度範囲内を等分割した回路分割角度範囲を定められた前記回路が複数ある場合には、ロータの回転角がどのような角度であっても、何れかの回路に割り当てられた回路分割角度範囲は磁極を跨ぐことのない位置にあるため、電流を流す回路を切り替えることにより、回転力を発生させたり、回転力を回生することが可能となる。このときＰＷＭ電源のような特別な制御回路を形成する必要がなく、回路の切り替えだけで、トルク変動をほとんど発生させることがなく、安定した回転力と電流の変換を行うことができる。
【００３０】
前記回路数は多ければ多いほど、磁極端面を跨ぐことのない導電体の回路の数を多くすることができる（磁極端面を跨いでいる導電体の回路が占める角度範囲を狭くすることができる）ので、磁極端面を跨がない回路への接続状態をすべてオン状態とすることにより、回転力の発生または回生に用いる導電体の回路が占める角度範囲を広くすることができ、より大きな回転力（より大きな回生電流）を得ることができる。
【００３１】
なお、前記隙間はロータが高速回転したとしても接触しない程度のもので、磁束の漏れを抑えるためにできるだけ狭い間隔が好ましく、その寸法は永久磁石の持つ起磁力と磁路の断面積の大きさによって相対的に決まる。強磁性体は透磁率に優れると共に渦電流の発生をできるだけ抑える金属（最適は多層ケイ素鋼板）であることが好ましい。
【００３２】
すなわち、第２発明の配線溝形コイルレスモータは、第１発明の配線溝形コイルレスモータと同様にローレンツ力を直接的に用いることにより、従来のコイルを用いるものに比べて応答速度を飛躍的に高めることができ、電流制御によって回転力を直接的に制御できるといった、第１発明と同様の特徴を備える。さらに、第２発明の配線溝形コイルレスモータはロータが円筒形状であるから、コンベアローラの駆動部としてそのまま利用できる。
【００３３】
前記各回路の導電体の両端にそれぞれ電圧検出部を有し、この電圧検出部によって検出されたインパルスによって、前記磁極を跨いで磁束が反転する回転角に位置する回路を判別して配線溝を形成する前記微小角度間隔でロータの回転を検出する角度検出回路を有する場合（請求項３）には、磁極を跨いでいる角度範囲の回路を構成する導電体に設けた電圧検出部は、配線溝に挿入された導電体が磁極を跨ぐ瞬間に急激な磁束密度の変化が発生するのでインパルス的な起電力が発生する。したがって、このインパルスを用いて角度検出回路がロータの回転角を検出することができる。
【００３４】
すなわち、角度検出回路は特別なセンサを設けることなく、配線溝を形成する微小角度間隔を分解能とする角度検出が可能となり、それだけ、構成の簡略化を図ることが可能となる。なお、この導電体に生じるインパルスは配線溝形コイルレスモータをモータとして使用するときにも、発電機として使用するときにも、通電していない状態において慣性や外力によって回転するときにも発生するので、前記電圧検出部および回転検出回路は二次電池などのバックアップ電源によって常に動作して、現在の回転角を確認し続け、この回転角を不揮発メモリなどに記憶しておくことが好ましい。加えて、電圧検出部と角度検出回路が動作する程度の電力であれば特別なバックアップ電源がなくても、前記インパルスの起電力を用いて得ることも可能である。
【００３５】
前記回転角が明確であれば、磁極を跨がない角度範囲に位置する導電体の回路が明確になるので、磁極を跨がない回路の導電体にのみ電源を接続させるように切り替えるスイッチング回路を形成することにより、従来のＰＷＭ電源のような特別な制御回路を用いるまでもなく、磁極端面の大部分を有効に用いてローレンツ力を発生させることができるので、十分に強力な回転力を得ることができる。
【００３６】
なお、回路数は増やせば増やすほど、磁極端面の回転力の発生に用いる割合を大きくすることが可能となるので、それだけ得られる回転力を強くすることができる。この場合、前記電圧検出部および角度検出回路は集積化可能な回路によって構成し、各回路の接続を切り替えるスイッチング回路も優れた応答性を有する電界効果トランジスタなどを用いて比較的に小型化が可能であるから、例えば磁極に対応する角度範囲内の全ての配線溝のそれぞれを別々の導電体の回路となるようにすることも可能であり、この場合はほとんどすべての磁束を用いて回転力を発生させることができ、さらなる回転力の向上を図ることが可能となる。
【００３７】
前記導電体は前記配線溝の形状に合わせて形成された断面形状帯状の導体である場合（請求項４）には、配線溝の断面形状に最大限に隙間なく沿わせた導電体を得ることができるので、それだけ大電流を流すことができる。
【００３８】
なお、帯状の導体は配線溝の横幅と深さ幅に合わせた辺の断面形状長方形を有する帯状の導体であることにより、一つの配線溝に一本の導電体を挿入させることができるため、組み付けが容易であると共に、各回路のインダクタンスをできるだけ小さくすることが可能である。また、配線溝の断面積に合わせて最大限に大きな電流を流すことが可能である。
【００３９】
しかしながら、前記配線溝の深さ幅を整数等分した幅と、配線溝の幅に合わせた断面形状長方形または正方形の導電体を一つの配線溝に整数本挿入するようにしてもよい。すなわち、一つの配線溝に複数の導電体を挿入する場合、何れの導電体も直列接続した一本の導電体であるから、配線溝の深さ方向のいずれの位置においても同じ方向に同じ強さの電流が流れるので異常発熱することはなく、回転力も配線溝の深さ方向のいずれの位置においても均等に発生させることが可能となる。
【００４０】
前記導電体は前記配線溝に挿入されるグラフェンからなる導体であり、前記配線溝はグラフェンを挿入可能な必要最小幅に形成してある場合（請求項５）には、導電体の導電率を可能な限り上げられるだけでなく、配線溝の幅を可能な限り薄く形成してあるので、それだけ櫛歯状の磁性体隔壁の厚み割合を相対的に増すことにより、より強い磁束をかけて扱う回転力を大きくすることができ、しかも鉄損、渦電流など電磁的損失を極力小さく出来る。なお、前記グラフェンとは２次元のハチの巣状格子内に周密に詰め込まれた単層の炭素原子からなる導電体である。
【００４１】
また、配線溝を形成する微小角度間隔を可及的に狭くすることができ、それだけ大きな回転力を出力させ、大きな回生電流を得ることが可能となるだけでなく、この導電体に生じるインパルスを用いて回転角を検出する場合の回転角の検出精度を向上させることができる。
【００４２】
前記導電体は前記配線溝の内に複数陥入した導線である場合（請求項６）には、導電体として汎用の導線を利用できるので、それだけ製造コストを削減できる。このとき、同じ回路を構成する導電体は同じ配線溝内に複数回陥入されるように配線されて、配線溝内の導線は直列接続した一本の導線であることにより、配線溝の深さ方向のいずれの位置においても同じ方向に同じ強さの電流が流れるので異常発熱することはなく、回転力も配線溝の深さ方向のいずれの位置においても均等に発生させることが可能となる。
【００４３】
しかしながら、同じ配線溝内に挿入される導電体は配線溝に挿入する前と後とで並列接続してもよく、これによってインダクダンスの増加をさらに低く抑えることができる。
【００４４】
本発明の配線溝形コイルレスモータでは、導電体の両端に電圧検出部を設けることにより、導電体をセンサとして用いることが可能であるが、これに変えてロータリーエンコーダを別途設けてもよいことは言うまでもない。あるいは、前記ステータ側の前記磁極に面する位置に取り付けられてロータの回転に伴う磁界の変化を検知する磁束検出器を設けて、より確実なロータの回転角の検出を行ってもよい。
【００４５】
また、ロータの回転角に対応して各回路の導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうスイッチング回路を備える場合には、このスイッチング回路を介して電力供給を行うだけでコイルレスモータに対して直流的に電力供給を行なってロータの回転方向を自在に制御することができる。また、回生動作においてもスイッチング回路を介するだけで、回生電流を容易に電源側に流すことができる。
【００４６】
前記スイッチング素子は高速に切り替え可能な電界効果トランジスタによって形成されるものであることが好ましいが、バイポーラトランジスタ、フォトカプラ、サイリスタ、ソリッドステートリレーなどを用いたスイッチング素子であってもよい。
【発明の効果】
【００４７】
上述したように、本発明によれば、ロータ側に取り付けられた永久磁石によって形成される強い磁界中に、ステータ側に取り付けられた導電体を配置するという極めて簡素化された構成で、導電体に電流を流すことによって発生するローレンツ力によって、ロータを回転させるものであるから、従来はモータに必須と考えられていたコイル（巻線）をモータから排除できる。コイルを排除することにより誘導特性による電流の遅れを防止して、回転力の制御を高いレスポンスで行うことができる。
【００４８】
加えて、従来のモータの制御には必要であった擬似的な正弦波を形成するためのＰＷＭ変調回路や、交直変換回路などを不要とし、変調に伴う損失の発生やノイズの発生も防止できる。
【００４９】
本発明の配線溝形コイルレスモータでは、ロータの磁極に隙間を開けて配置された磁性体に配線溝を設け、この配線溝内に導電体が配線されるので、導電体の周囲には磁性体隔壁に内に、集中した、より高い磁束密度の磁束が存在し、それだけ、小さな電流で大きな回転力を得ることができる。同様に、回転力から多くの回生電流を得ることができる。
【００５０】
本発明の配線溝形コイルレスモータは、ロータの形状は円筒状または円柱状で、これに近接する磁性体は円柱状または円筒状であり、いずれの場合にも配線溝形コイルレスモータの外周部付近にて回転力が発生するものであるから、その全体形状は例えば円盤状に形成すれば、軸芯からできるだけ離した外周部近傍において回転力を発生させることにより大きな回転力を得ることができる。
【００５１】
逆に、配線溝形コイルレスモータの全体形状を軸芯方向に長く形成することにより、第１発明の配線溝形コイルレスモータは、車両の各部シャフトとして本発明の配線溝形コイルレスモータを配置して、現在の低燃費車両における内燃機関（エンジン）の出力トルク不足を補った回転力を発生させることも可能であり、また、慣性などのよって回転力の回生を行う場合には回生電流を電源側に戻して電力に回生することも可能である。また、第２発明の配線溝形コイルレスモータは、ローラーコンベアの駆動ローラとして本発明の配線溝形コイルレスモータを配置することも可能であり、省スペースでありながら大きな回転力を出力させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る配線溝形コイルレスモータの構成を示す側面図である。
【図２】前記配線溝形コイルレスモータの縦断面図である。
【図３】前記配線溝形コイルレスモータのロータの一部構成を示す斜視図である。
【図４】前記ロータと磁性体の間の要部における動作を説明する図である。
【図５】前記配線溝形コイルレスモータを制御する回路の一例を示す図である。
【図６】図５に示す回路の動作を説明する図である。
【図７】第１実施形態に示す配線溝形コイルレスモータの変形例を示す図である。
【図８】前記配線溝形コイルレスモータのさらなる変形例を示す図である。
【図９】前記配線溝形コイルレスモータのさらに異なる変形例を示す図である。
【図１０】第２実施形態の配線溝形コイルレスモータの構成を示す断面図である。
【図１１】前記配線溝形コイルレスモータの一部を拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の第１実施形態の配線溝形コイルレスモータ１の構成を図１〜図６に従って説明する。図１、図２に示すように、本実施形態の配線溝形コイルレスモータ１は、略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極２Ｎ，２Ｓを配置させた少なくとも１つの永久磁石２を備えるロータ３と、このロータ３の外周面に対して隙間を設けて、ロータ３の軸４と同軸に配置した略円筒形状の例えばケイ素鋼板などからなる磁性体５と、この磁性体５をその外周面において支持するケース６と、このケース６に前記軸４を回動自在に支持する軸受け６ｏと、この磁性体５の内周面の前記ロータ３の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θ内に、これを各回路７ａ〜７ｃに等分割した回路分割角度範囲θａ〜θｃを定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体８ａ，８ｂ，８ｃとを有し、かつ、前記磁性体５の内周面には、前記ロータ３の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θ内を等分割した微小角度間隔ｄθで軸４に略平行な方向に均一幅で放射状に複数の配線溝１０を形成して、この配線溝１０の間に櫛歯状の磁性体隔壁１１を形成してあり、前記配線溝１０内に前記導電体８ａ，８ｂ，８ｃを絶縁的に挿入配線することにより前記ロータ３の全磁極２Ｎ，２Ｓ，…に対応した各回路分割角度範囲θ，…内に導電体８ａ，８ｂ，８ｃ，…を配線してある。
【００５４】
なお、前記回路７ａ〜７ｃ、導電体８ａ〜８ｃは何れも、本実施形態に示す３つの回路７ａ〜７ｃのそれぞれに別々の符号を付けてこれらを見分けられるようにしているが、以下、回路７ａ〜７ｃを分けて説明する必要が無い場合には、単に、回路７、導電体８と表現する。
【００５５】
前記ロータ３の永久磁石２は磁極２Ｎ，２Ｓの磁極端面をロータ３の外周面に露出させるように設けたＳＰＭ型（表面磁石型）であっても、永久磁石２をロータ３内部に埋設することにより結果的にロータ３の外周面に磁極２Ｎ，２Ｓの磁極端面が形成されるＩＰＭ型（埋込磁石型）であってもよい。いずれにしても、磁極２Ｎ，２Ｓに対応する角度範囲（磁極対応角度範囲）θ内においてはロータ３の外周面から同じ方向の磁束を軸方向に揃えて形成することにより、磁極端面の磁束を放射方向に発散または軸芯方向に収束させるものである。
【００５６】
前記ロータ３を一周するときに切り替わる磁極２Ｎ，２Ｓの数は本実施形態では合わせて８極形成しており、各磁極対応角度範囲θは４５°に形成されている。従って、導電体８がロータ３の周りを一周するように配線されるとき、各磁極対応角度範囲θ内を回路数（本実施形態では３回路）で等分割した８つの回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内に配線するので、導電体８がロータ３を一周する間に８回磁極２Ｎ，２Ｓから発散または収束する磁界に対して略直交する方向に電流を流すように配置されることになる。
【００５７】
したがって、導電体８が１つの磁極２Ｎ（または２Ｓ）の前だけに配置される場合に比べて磁極２Ｎ，２Ｓの数倍（本実施例の場合８倍）だけ強い回転力（または回生電流）を発生させることができるように構成している。つまり、この磁極２Ｎ，２Ｓの数は少なくとも２極は必要であるが、多ければ多いほど導電体８がロータ３を一周する間に出力できる回転力（または回生電流）は大きくなる。
【００５８】
磁石２は強い回転力（回生電流）を得る為には磁性体５を飽和させない程度にできるだけ強力な永久磁石であることが好ましく、本実施形態の場合、非常に強力な磁力を得られるネオジム磁石を用いて形成される。
【００５９】
磁石２の形状は、図２に示すように、軸芯４側には前記ロータ３の外周面に形成される磁極とは逆の磁極が配置された断面扇形に形成されており、符号Ｂに示すように軸芯４および磁性体５に高い密度の磁束が形成される。
【００６０】
図２の拡大図および図４に示すように、磁性体５の内周面に配線溝１０を設けることにより形成された磁性体隔壁１１には、高い磁束密度の磁束Ｂが集中する。従って、この配線溝１０内に挿入配線させた導電体８に電流を流すときに、この電流によって図４に示す回転磁界Ｂｒが発生し、この回転磁界Ｂｒが永久磁石２によって磁性体隔壁１１内に形成される極めて強力な磁界Ｂと作用し合うことにより、ロータ３に回転力を発生させることができる。
【００６１】
前記ロータ３は軸芯４に形成されたフランジ部４ａと抑えリング４ｂに挟み込むようにして前記磁石２をその磁極端面が円周方向にＮ極、Ｓ極の磁束Ｂが交互に配列されるように接着固定してある略円柱形状の部材である。
【００６２】
前記磁性体５は透磁率に優れたケイ素鋼板の中抜き略円盤状の薄板と絶縁層を多数積層して形成されたものであり、その内周面には微小角度ｄθ間隔で配線溝１０を形成してあるので、前記導電体８を安定的に保持することができる。また、磁性体５に形成された配線溝１０は放射方向に導電体８の直径よりも深く形成されているので、本実施形態の場合、同じ配線溝１０内に７本の導電体８を配線できるように構成している。そして、この同じ配線溝１０内に配線された導電体８はロータ３の回転角に完全に同期して磁束の交番磁界に晒されることになる。
【００６３】
磁性体５の内周面はロータ３の外周面（磁極端面）に対して隙間を空けて配置されるものであり、この隙間はロータ３が高速回転したときにも接触しない程度の隙間であり、できるだけ近づけて配置するものであることにより、漏れ磁束を可及的に小さくすることができ、それだけ強い交番磁界を磁性体５に発生させることができるので好ましい。
【００６４】
前記ケース６は磁気遮蔽可能な金属からなり、磁性体５をその外周部において保持すると共に、前記軸受け６ｏによってロータ３の軸４を回転自在に支持する略筒状の第１部材６Ａと、この第１部材６Ａに対してロータ４の回転部分を覆うように構成された第２部材６Ｂとからなり、前記各回路７の導電体８を貫通して引き出すことができる孔６Ｃを形成してある。
【００６５】
本実施形態の場合、各回路７に割り当てられる回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内には３筋の配線溝１０が形成されており、これらが同じ回路７の配線溝群を形成する。そして、この配線溝群を校正する３筋の配線溝１０にそれぞれ７本の合計２１本の導電体８を挿入することにより、１本の導電体８だけを配線する場合に比べて約２１倍の回転力を得ることができるように構成している。つまり、同回路７の電流を直列に複数回または並列接続して流して電流を増大させることによって、回転力（または回生電流）の倍増効果を得ることができる。
【００６６】
なお、本実施形態では導電体８を前記配線溝群内のすべての配線溝１０に挿入配線する前に２１分岐接続して前記回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内のすべての配線溝１０に挿入配線し、磁性体５を一周した後に再び一つにまとめるように接続することにより、各回路７のインダクタンスの増加を抑えながら出力する回転力を大きくすることが可能となるように構成している。
【００６７】
図３に示すように、磁性体５の軸芯方向の両端部（片方のみ図示）において、前記配線溝群を構成する配線溝１０から突出する２１本の導電体８（以下、導電体群という）は、結束部８Ｄにおいて束ねられ、結束された導電体群の１８０°の捻りおよびターン部８Ｅと、結束解除部８Ｆとを介して隣接する磁極２Ｎ（または２Ｓ）の配線溝群に配線される。
【００６８】
これによって、図示時計回りの先端側の配線溝１０（図２参照）の位置Ｐａに配線された導電体８は、４５°位相が異なる隣接する磁極２Ｎ（または２Ｓ）に対しても同じ図示時計回りの先端側の配線溝１０の位置Ｐａ’に配線されるので、前記導電体８は各配線溝１０の磁極２Ｎ（または２Ｓ）に対する相対位置が同じとなるように配線され、また、磁極２Ｎ（または２Ｓ）に合わせて互い違いに逆方向に電流を流すように、全体的な形状は略己字状に配線される。
【００６９】
前記配線溝１０の形状は、図２の拡大図および図４に示すように、幅方向において導電体８をその絶縁被覆を付けた状態で挿入可能な必要最小限の幅であって、深さ方向において、本実施形態では導電体８を７本並べて挿入可能な深さに形成している。また、各配線溝１０はこの中に挿入された導電体８の回転方向の位相を完全にそろえるように放射線状に形成しており、軸芯方向には平行に形成してある。
【００７０】
配線溝１０を微小角度間隔ｄθで形成することにより、磁性体５の内周面には櫛歯状の磁性体隔壁１１を形成でき、この櫛歯状隔壁１１と配線溝１０の幅は同程度に形成してある。
【００７１】
図５は本発明の配線溝形コイルレスモータ１の角度検出回路の一例を示す図である。図５に示す符号１２は電源となるバッテリであり、バッテリ１２からの電力は各スイッチング素子１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃを介して、各回路７ａ〜７ｃに正逆方向の電圧をかけられるように構成している。１５ａ〜１５ｃは各回路７ａ〜７ｃの端子電圧Ｖａ〜Ｖｃを検出する電圧検出部であり、１６は電圧検出部１５ａ〜１５ｃによって検出された各端子電圧Ｖａ〜Ｖｃを取り込むことにより、ロータ３の回転角を角度検出回路を有すると共に各スイッチング素子１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃに制御信号Ｃａ〜Ｃｃを出力する事により、任意の回転力を出力させたり回生電流をバッテリ１２側に流すように制御する制御部である。また、１７は端子電圧Ｖａ〜Ｖｂの変動を監視することにより求められるロータ３の回転角を記憶する記憶部、１８はバックアップ電源、Ｒは回転方向を示す。
【００７２】
前記スイッチング素子１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃは高速応答が可能であると共にオン状態の抵抗が低いＦＥＴなどの半導体スイッチであることが好ましいが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
【００７３】
図６は図５に示すロータ３が回転方向Ｒに回転するときにおける動作を電圧検出器１５ａ〜１５ｃによって検出した端子電圧の測定値の例を用いて説明する図である。
【００７４】
図６に示すように、図５に示す磁極２Ｎ，２Ｓの配置である状況を０°とするとき、制御部１６は例えばスイッチング素子１３ｂ，１３ｃ，１４ｂ，１４ｃを介して回路７ｂ，７ｃに正の電圧を印加する。ここで導電体８ｂ，８ｃに電流が流れることにより、各磁極２Ｎ，２Ｎによって形成される強力な磁場内にその磁束と直交する方向に配線された導電体８ｂ，８ｃに電流が流れることにより回転磁界Ｂｒ（図４参照）が発生し、ローレンツ力によってロータ３が回転方向Ｒにさらに回転する。
【００７５】
ロータ３が微小角度間隔ｄθ（本実施形態の場合５°）回転するまでの間に、回路７ａを構成する導電体８ａが配線された一つの配線溝１０（図２，図４参照）が磁極２Ｎ，２Ｓの切り替わり部分を通過することになり、導電体８ａの端子電圧Ｖａには磁束の変化に伴うインパルス（Ｎ極からＳ極への変化なので負の方向のインパルス）が検出される。同様に、さらに微小角度間隔ｄθ回転する毎にインパルスが検出され、前記制御部１６はロータ３が微小角度間隔ｄθ右回りに回転していることを確認できる。
【００７６】
次いで、端子電圧Ｖａに３つ目のインパルスが検出された後に、制御部１６は前記スイッチング素子１３ｂ，１４ｂを切り替えて回路７ｂの導電体８ｂをバッテリ１２から切り離した後に、スイッチング素子１３ａ，１４ａを切り替えて回路７ａの導電体８ａに逆方向の電圧を印可する。
【００７７】
この時点で、図５に示すロータ３は初期状態から１５°ほど回転しているので、回路７ａを構成する導電体８ａが対面する磁極端面の極性は、他の回路７ｂ，７ｃを構成する導電体８ｂ，８ｃが対面する磁極端面の極性と異なっているので、導電体８ａに逆方向の電圧を印可することにより、同じ回転方向Ｒの回転力をロータ３に加えることができる。
【００７８】
さらに、ロータ３が回転方向Ｒに回転すると、微小角度間隔ｄθ毎にバッテリ１２から切り離した回路７ｂの導電体８の端子電圧にインパルスが発生し、制御部１６はこのインパルスを検出することにより、ロータ３の回転角を検出することができる。また、当然ながら回転方向Ｒが逆になると、上記インパルスの発生極性も逆になると共に、インパルスが発生する回路７ａ〜７ｃの順番も逆になる。
【００７９】
上述のように、本発明の配線溝形コイルレスモータ１は導電体８ａ，８ｃ，８ｃにインダクタンス成分がほとんど発生しないため、ロータ３の回転に伴う端子電圧の変動をモニタするだけで、別途のセンサを設けることなくロータ３の現在の回転角を正確に検知することができ、これを例えば記憶部１７に記憶させ、非通電時にもバックアップ電源１８によって端子電圧の監視と回転角の確認を行なうことも可能である。なお、この回転角は一対の磁極２Ｎ，２Ｓが占める磁極対応回転角θ×２（本例の場合９０°）の範囲で確認できるが、現在の回転角を常にモニタして記憶部１７に記憶させる場合には、３６０°の回転角を監視することも可能である。
【００８０】
前記回転角を常に監視して記憶部１７に記憶させることにより、非通電時に外力によってロータ３が回転した場合にもロータ３の回転角を監視しているので、次に通電するときの始動時にも、制御部１６最初から確実に磁極２Ｎ，２Ｓを跨いでいない回路７の導電体８のみに必要な回転方向Ｒに回転させる極性の電圧を印加することが可能である。
【００８１】
なお、仮に前記制御部１６が記録している回転角が現実の角度と異なっていたとしても、ロータ３が回転するときにインパルスがどの回路７の導電体に発生し、次にどのロータ３にインパルスが発生するかを確認することにより、現在の回転角を迅速に確認して、以後は的確な制御を行なうことも可能である。
【００８２】
上述したように本発明の配線溝形コイルレスモータ１によれば、各回路７の導電体８にインダクタンス成分をほとんど持たない磁気回路を形成でき、導電体８に電流を流すときに生じるローレンツ力を直接的に用いて、回転力を得ることができるので、極めて高速に応答することができる。これは、電動機として例えばエンジンなどの内燃機関の補助動力として回転力のアシストを行なったり、逆に余った無駄な回転力を用いてバッテリ１２を充電させるときの高速応答を可能としていることを意味している。また、従来の電動機のように電源としてサイン波の交流電源を形成する必要も全くないので、ノイズの発生原因ともなるＰＷＭ変調回路を排除し、極めて容易にトルク制御を行なうことができる。
【００８３】
さらに、各導電体８は櫛歯状に配置された磁性体隔壁１１内に高密度に集中する磁束を形成する交番磁界Ｂの間に配線されて、電流の流れによって発生する回転磁界Ｂｒが強力な磁界Ｂと作用し合うことによって、より少ない電流で強力な回転力を得ることができる。加えて、配線溝１０内に配線された導電体８はその物理的な位置を容易かつ確実に固定できるので、高速回転するモータとして十分な堅牢性を備えるものとなる。
【００８４】
また、制御部１６は通電する回路７ａ〜７ｃの割合（通電する回路数）や通電するタイミング（パルス幅）を調整することにより、配線溝形コイルレスモータ１によって出力する回転力の強さ（回生制動力の強さ）を調整することも可能である。
【００８５】
加えて、本実施形態のように３回路７ａ〜７ｃに分割された導電体８を有する配線溝形コイルレスモータ１の場合、回転力を得る為に磁極端面の２／３を有効に活用しているので、それだけ大きなトルクを出す為に有利であり、とりわけロータ３の外周面に永久磁石２の磁極２Ｎ，２Ｓをむき出しにするＳＰＭ型のロータ３によって十分に強力な回転力を得ることができるが、ＩＰＭ型のロータ３であっても問題なく回転力を得ることができるので、汎用性が高いという利点もある。
【００８６】
さらに、本発明の配線溝形コイルレスモータ１は長い軸芯４を有するロータ３の外周面において回転力をローレンツ力による回転力を生み出すものであるからロータ３は長ければ長いほど回転力を生み出すのに有利であり、例えば自動車のドライブシャフトやプロペラシャフトそのものを配線溝形コイルレスモータ１と入れ替えて補助的に回転力を生成するなどの用いることも可能である。
【００８７】
上述の実施形態は本発明の配線溝形コイルレスモータ１の構成および動作を説明しやすい例を示したものであるにすぎず、種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【００８８】
たとえば、本実施形態の導電体８は磁性体５の配線溝１０に配線する前に多数に分岐し、磁性体５を一周した後に再びまとめるように構成しているが、前記導電体８を磁性体５の内周面に沿って、順次前記回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内のすべての配線溝１０に直列的に配線してもよい。この場合は、導電体８の回路７は磁性体５に巻き取った巻き数のコイルとなってしまうので、インダクタンスの増加を招く（本実施形態の場合は２１巻きのコイルと同じ）ものの、同じ電流で大きな回転力を得ることができる利点が生じる。なお、前記巻き数は通常のモータに用いるコイルの巻き数に比べて遙かに少なく、インダクタンスの増加を必要最小限に抑えることができているという意味ではコイルレスということができる。
【００８９】
図７は第１実施形態の変形例を示す図である。図７に示す例では、一つの磁極対応角度範囲θと導電体８の構成を４回路７ａ〜７ｄで等分割するように形成してあり、一つの回路分割角度範囲θａ〜θｄ内に２筋の配線溝１０が形成される。すなわち、回路数を増やすことにより、磁極２Ｎ，２Ｓを跨ぐ導電体８の回路７に対応する回路分割角度範囲θａ〜θｄに対して磁極２Ｎ，２Ｓを跨がない導電体８の回路７に対応する回路分割角度範囲θａ〜θｄの割合を大きくすることができ、４回路の場合、全磁束の約３／４を有効活用して回転力を得たり、回生電流を得ることができる。
【００９０】
また、図５に示すような、前記制御部１６を設ける場合、磁極２Ｎ，２Ｓを跨がない回路７のうち１〜３回路を任意に選んで回転力を発生させることが可能であるから、発生させる回転力の制御をさらに容易とすることができる。
【００９１】
前記回路数は増やせば増やすほど制御部１６による制御が複雑になり、スイッチング素子１３ａ，１３ｂ…，１４ａ，１４ｂ…や、電圧検出部１５，１５ｂ…の数も増大するもが、出力できる回転力を上げることができるだけでなく、より精度の高い回転力の制御を行なうことも可能となる。また、前記各部１５〜１７の集積化を行うことにより、微小角度間隔ｄθで形成された全ての配線溝１０内の導電体８を別々の回路７に分けることも考えられる。
【００９２】
図８はさらなる変形例を示す図であり、前記導電体８の代わりに、断面形状長方形の帯状の導体２０を用いる例を示している。すなわち、配線溝１０の形状に合わせた断面形状帯状の導体は、配線溝１０に対して隙間なく挿入可能であるから、通常の断面形状円形の導体に比べて流すことができる電流を多くすることができ、それだけ、大きな回転力（回生電流）を得ることができる。
【００９３】
また、断面長方形の帯状の導体２０は、断面円形の導体８に比べて少ない本数だけ配線溝１０に挿入するだけで配線溝１０を埋め尽くすものであるから、導体２０の挿入にかかる手間をできるだけ少なくすることができ、配線溝形コイルレスモータ１の製造にかかるコストを削減することができる。
【００９４】
図９はさらに異なる変形例を示す図である。図９において、前記導電体８の代わりに、配線溝の断面形状に合わせた一本の導体２１を挿入配線してあるので、配線溝形コイルレスモータ１の製造にかかる手間をさらに抑えて、その製造コストを削減することができる。
【００９５】
図１０は第２実施形態の配線溝形コイルレスモータ３０の構成を示す図である。なお、本実施形態の配線溝形コイルレスモータ３０は第１実施形態の配線溝形コイルレスモータ１のロータ３と磁性体５の位置関係を逆にした例を示すものであり、以下の説明において、図１〜図９に示す第１実施形態と同じ符号を付した部分は同一又は同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。
【００９６】
すなわち、本実施形態の配線溝形コイルレスモータ３０は略円筒形状の内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極２Ｎ，２Ｓを配置させた少なくとも１つの永久磁石２’を備えるロータ３’と、このロータ３’の内周面に対して隙間を設けて、ロータ３’と同軸に配置した軸芯４を有する略円柱形状の磁性体５’と、この磁性体５’の外周面の前記ロータ３’の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θ内に、これを各回路７に等分割した回路分割角度範囲θａ，θｂ…を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極２Ｎ，２Ｓの極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体８とを有し、かつ、前記磁性体５’の外周面には、前記ロータ３’の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θａ，θｂ…内を等分割した微小角度間隔ｄθで軸４に略平行な方向に均一幅で軸芯方向に複数の配線溝１０’を形成して、この配線溝’の間に櫛歯状の磁性体隔壁１１’を形成してあり、前記配線溝１０’内に前記導電体８を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータ３’の全磁極２Ｎ，２Ｓに対応した各回路分割角度範囲θａ，θｂ…内に導電体８を配線してある。
【００９７】
本実施形態のロータ３’はその外周面が円筒形状であり、軸芯４を固定して、円筒形状のロータ３’が回転するものであるから、例えばコンベアローラの一つとして適宜配置し、回転力を供給することにより、コンベアによる荷物の搬送を行なうことができる駆動力を供給することも容易である。
【００９８】
図１１は図１０に示す本発明の第２実施形態の更なる変形例を示す図である。図１１に示す配線溝形コイルレスモータ３２は、前記磁性体５’の外周面に、拡大図に示すように、グラフェンからなる帯状の導体３３と、薄板形状の透磁率に優れた磁性体隔壁３４を重ねて配列してなるものであり、磁性体隔壁３４の断面形状は磁性体５’の外周面に接する側を僅かに薄く僅かに台形になるように形成してあり、多数の導体３３と磁性体隔壁３４を絶縁体を挟んで重ねるときに、ちょうど円筒状の磁性体５’の外周面に接する筒状の部材となるように形状である。
【００９９】
加えて、磁性体隔壁３４に挟まれた部分には磁性体５’を挿入配線可能な配線溝１０’が形成される。したがって、磁性体５’の外周面に磁性体隔壁３４と導体３３を絶縁体を挟んで重ねて配置することにより、グラフェンからなる導体３３を帯状の磁性体隔壁３４の間に形成された配線溝１０’の間に挿入すると共に、各磁性体隔壁３４間の間隔を必要最小限に形成してすることができる。
【０１００】
前記グラフェンからなる導体３３はその導電率が極めて高いので、極めて薄く形成されたものであっても、十分な電流を流すことができると共に、放熱効果を高めることができる。また、磁性体隔壁３４の占有面機を広くすることができるので、可能な限り強力な永久磁石を用いて磁気飽和を避けながらできる限り強い交番磁界を加えることもできる。
【０１０１】
さらに、隣接するグラフェンからなる導体３３がなす微小角度間隔ｄθ’を更に小さくする事が可能であるから、各導体３３に生じるインパルス信号を検出するだけで、それだけ詳細な角度検出を行なってもよい。また、導体３３が薄くなればなるほど、導体３３を等分割する回路７の数も多く設定可能であり、回路７の数が多ければ多いほど、ロータ３’の永久磁石２’の磁束の大部分を用いて回転力を得たり、より多くの回生電流を得ることができる。
【０１０２】
上述の実施形態では円柱状の磁性体５’の外周面にグラフェンからなる導体３３と磁性体隔壁３４を重ねて配置する例を示しているが、図１〜図９に示す第１実施形態に示す配線溝形コイルレスモータ１の円筒状の磁性体５の内周面にグラフェンからなる導体３３と磁性体隔壁３４を重ねて配置してもよいことはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１０３】
１  配線溝形コイルレスモータ
２  永久磁石
２Ｎ，２Ｓ  磁極
３  ロータ
４  軸
５  磁性体
７（７ａ，７ｂ…）  回路
８（８ａ，８ｂ…）  導電体
８Ｄ  結束部
８Ｅ  捻りおよびターン部
８Ｆ  結束解除部
１０  配線溝
１１，３４  磁性体隔壁
１５ａ，１５ｂ…  電圧検出部
１６  角度検出回路
θ  磁極対応角度範囲
θａ，θｂ…  回路分割角度範囲
ｄθ  微小角度間隔
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月20日(2016.10.20)
【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】
略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、
このロータの外周面に対して隙間を設けて、ロータの軸と同軸に配置した略円筒形状の磁性体と、
この磁性体の内周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように略己字状に配線された導電体とを有し、かつ、
前記磁性体の内周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で放射状に複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線し、磁極を跨ぐことのない位置にある導電体の回路に切り替えて電流を流すことにより回転力の発生または回生を行うことができるように構成してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータ。
【請求項２】
略円筒形状の内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、
このロータの内周面に対して隙間を設けて、ロータと同軸に配置した軸芯を有する略円柱形状の磁性体と、
この磁性体の外周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように略己字状に配線された導電体とを有し、かつ、
前記磁性体の外周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で軸芯方向に複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線し、磁極を跨ぐことのない位置にある導電体の回路に切り替えて電流を流すことにより回転力の発生または回生を行うことができるように構成してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータ。
【請求項３】
前記各回路の導電体の両端にそれぞれ電圧検出部を有し、この電圧検出部によって検出されたインパルスによって、前記磁極を跨いで磁束が反転する回転角に位置する回路を判別して配線溝を形成する前記微小角度間隔でロータの回転を検出する角度検出回路を有する請求項１または請求項２に記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項４】
前記導電体は前記配線溝の形状に合わせて形成された断面形状帯状の導体である請求項１〜請求項３の何れかに記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項５】
前記導電体は前記配線溝に挿入されるグラフェンからなる導体であり、前記配線溝はグラフェンを挿入可能な必要最小幅に形成してある請求項４に記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項６】
前記導電体は前記配線溝の内に複数陥入した導線である請求項１〜請求項３の何れかに記載の配線溝形コイルレスモータ。
【請求項７】
前記導電体は磁性体の両端部において前記１回路を構成する各配線溝群の端部から突出する導電体群を束ねた結束部と、結束された導電体群の１８０°の捻りおよびターン部と、結束解除部を介して隣接する磁極の配線溝群に配線されるものである請求項４〜請求項６の何れかに記載の配線溝形コイルレスモータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導特性をできるだけ小さくするためにコイルを排除して、瞬時にトルクを発生させたり、回転力から電力を得ることができる配線溝形コイルレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にモータは誘導特性を有するものであり、この誘導特性によって電流の変動を起こしにくくするものとなっている。また、モータの電源はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調によって１２０度位相が異なる３つの擬似的なサイン波を生成するインバータが用いられており、このインバータによる制御によってモータの回転速度や出力トルクの制御を可能としている。
【０００３】
また、特許文献１、特許文献２に示すように、近年では電機子巻線となるコイルをプリント基板上にエッチングまたは印刷技術で形成した所謂プリントモータが用いられるようになっている。このプリントモータでは回転子がプリント基板で形成されており、鉄心を用いないことにより軽量である為、慣性を低くすることができ、速度制御の応答性の向上を図ることができるだけでなく、扁平な形状に形成できるゆえに注目されるに至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３１６９２５号公報
【特許文献２】実開平７−３９２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のモータは何れもコイル（巻線）を形成するものであり、このコイルに電流を流すことによって発生させる磁場を用いてモータを回転させるものであるから、巻線に流れる電流から磁界を形成するステップと、コイルによって形成された磁界が他の永久磁石または電磁石に吸引または反発するステップとを経て初めてモータが回転する。また、より少ない電流によって強い磁場を形成できるように、コイルの巻き数を増やすことにより磁束の倍増化を図ることにより、インダクタンスが増加するという問題が発生する。
【０００６】
すなわち、まずコイルに流れる電流を一旦磁界に変換する段階でコイルのインダクタンスによる誘導特性が応答の遅れとなるという問題が発生する。また、コイルによって形成される磁束が他の永久磁石または電磁石と吸引または反発するときにも、ロータにかかるトルクの変動によって滑りが発生するため、負荷トルクの変動に対する応答性の遅れも発生する。
【０００７】
さらに、三相誘導モータなどのようにコイルに擬似的な交流電流を流す場合には、ＰＷＭ変換などのスイッチング素子によるパルス波形による電流制御を行うため、スイッチング素子の切り替わり時点においてインダクタンス分による遅れ電流によって必ず損失が発生するので、スイッチングの素子のキャリア周波数の高さに比例してスイッチング損失が大きくなるという問題もある。
【０００８】
加えて、ＰＷＭ変調によって１２０°位相のずれた電力を供給する場合には、インダクタンスの影響で位相のズレが発生するので、各相の位相差１２０°を維持するための制御が困難となり、高速回転する場合にはさらに位相維持の制御が困難となり、複雑で高速な制御を行なう必要が生じる。さらには、回生動作時においては制御がより複雑になり、これによって全体として制御性が悪くなり、コストアップや効率の低下を招いていた。
【０００９】
また、コイルに鉄心（ヨーク）を用いて磁束の集中を行なう場合には、特に磁気飽和が発生することによる損失が発生するという問題も生じる。逆に、鉄心などを用いることなくコイルを配線した場合は、コイルが曝される磁束密度が低い事に加えて、コイルによって発生可能な磁界も弱くなるため駆動トルクが弱くならざるを得ないという問題に加えて、コイルの剛性が十分でないため、回転速度を上げられないという問題も発生する。
【００１０】
とりわけ近年のハイブリッド車や電気自動車の普及に伴って、電気制御によって瞬時に回転トルクを発生させたり、逆に瞬時に回生動作を行なう必要があるが、コイルの誘導特性によってレスポンスの遅れが発生することが効率低下の原因となっていた。
【００１１】
本発明は上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、高速応答の妨げとなり損失増加の原因となるコイルを排除して誘導特性を可及的に抑えたコイルレスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題点を解決するために、第１発明は、略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、このロータの外周面に対して隙間を設けて、ロータの軸と同軸に配置した略円筒形状の磁性体と、この磁性体の内周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように略己字状に配線された導電体とを有し、かつ、前記磁性体の内周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で放射状に形成した複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線し、磁極を跨ぐことのない位置にある導電体の回路に切り替えて電流を流すことにより回転力の発生または回生を行うことができるように構成してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータを提供する。（請求項１）
【００１３】
前記ロータの略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるので、このロータの外周面に隙間を空けて同心円状に配置させた磁性体の内周面には、磁極に対応する角度範囲毎に放射方向または軸芯方向の磁界が発生する。なお、ロータはその外周面に永久磁石を露出するＳＰＭ型（表面磁石型）のロータであっても、永久磁石を内部に有するＩＰＭ型（埋込磁石型）のロータであっても、円周方向においてＮ極、Ｓ極を交互に形成するものであればよい。
【００１４】
前記各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めているので、前記回路の導電体が前記磁極対応範囲を跨がないように配置される回転角の間は、この回路の導電体に電流を流すことにより、配線溝内に挿入されたガイド部において磁束に略直交する方向に電流を流して、ガイド部の導電体に流す電流の大きさに比例してローレンツ力が作用し、その反作用でロータが逆方向に回転する。また、隣接する回転角の配線溝内に挿入配線されたガイド部における導電体は磁性体の両側部で折り返して、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線され、前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に略己字状に配線してあるので、配線溝内に挿入配線された導電体に電流を流すことにより発生する回転力は全て同じ方向に作用する。
【００１５】
このように、導電体に電流を流すことにより発生する回転力は、ロータに形成する磁極の数だけ発生させることができるので、それだけ回転力を倍増することができる。一方、上述のように構成された導電体は磁性体を一周するときに１回巻きのコイルを形成するだけであるので、インダクタンスが不用意に大きくなることを抑えて高速応答性を確保しながら、必要十分な回転力を得ることができる。
【００１６】
加えて、配線溝に挿入させた導電体はその位置を固定することができ、それだけ、安定した回転力を得ることができると共に、堅牢性が向上する。さらに、配線溝に挿入された導電体の周囲には高い透磁率の磁性体隔壁が櫛歯状に形成されるので、磁性体を構成する部材の透磁率に比例して高い密度の磁束が存在し、この高い密度の磁束が、導電体に流れる電流によって形成される磁界と作用し合うことにより、磁束密度に比例した高い回転力が発生する。また、導電体によって発生する熱は磁性体を介して放熱されるので、導電体には比較的大きな電流を流すことが可能である。なお、本発明における配線溝とは磁性体隔壁によって導電体を挟み込むように保持するスリット状の部分を示しており、その形成方法などを限定するものではない。
【００１７】
さらに、磁性体の各磁極に対応した角度範囲内を等分割した回路分割角度範囲を定められた前記回路が複数ある場合には、ロータの回転角がどのような角度であっても、何れかの回路に割り当てられた回路分割角度範囲は磁極を跨ぐことのない位置にあるため、電流を流す回路を切り替えることにより、回転力を発生させたり、回転力を回生することが可能となる。このときＰＷＭ電源のような特別な制御回路を形成する必要がなく、回路の切り替えだけで、トルク変動をほとんど発生させることがなく、安定した回転力と電流の変換を行うことができる。
【００１８】
前記回路数は多ければ多いほど、磁極端面を跨ぐことのない導電体の回路の数を多くすることができる（磁極端面を跨いでいる導電体の回路が占める角度範囲を狭くすることができる）ので、磁極端面を跨がない回路への接続状態をすべてオン状態とすることにより、回転力の発生または回生に用いる導電体の回路が占める角度範囲を広くすることができ、より大きな回転力（より大きな回生電流）を得ることができる。
【００１９】
なお、前記隙間はロータが高速回転したとしてもロータと磁性体が接触しない程度のもので、磁束の漏れを抑えるためにできるだけ狭い間隔が好ましく、その寸法は永久磁石の持つ起磁力と磁路の断面積の大きさによって相対的に決まる。磁性体は透磁率に優れると共に渦電流の発生をできるだけ抑え、ヒステリシスの少ない金属（最適は放射方向に圧延して形成してなる多層ケイ素鋼板）であることが好ましい。
【００２０】
永久磁石はより強力な磁束を生成するものであればあるほど好ましく、希土類元素のネオジムを用いた希土類磁石を用いることが好ましいが、磁化させた強磁性体を用いてもよい。さらに、電磁石に一定の電流を流して形成したものを永久磁石として用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００２１】
とりわけ、磁性体は、軟質磁性体の粉体を有機結合剤（バインダー）によって固めてなる複合軟磁性体であることにより、渦電流の発生をより確実に防止できるとともにヒステリシス特性も最小限に抑えることができ、それだけ、損失を小さくすることができる。さらに、前記磁性体は導電体に当接する圧縮アモルファスと、この圧縮アモルファスに当接する射出アモルファスとを備えるものであることにより、制作容易であり製造コストの引き上げを防ぎながら高い透磁率を得て漏れを抑え、さらに、ヒステリシス損や渦電流損の発生を必要最小限に抑えることができ、磁気飽和を避けることができるので、好ましい。
【００２２】
上述のように、第１発明の配線溝形コイルレスモータはローレンツ力を直接的に用いることにより、従来のコイルを用いるものに比べて応答速度を飛躍的に高めることができ、電流制御によって回転力を直接的に制御できる。ここで前記略直交とは、ローレンツ力が電場と磁束密度のクロス積によって加わる力であるため、直角に配置することが最も効率の良い配置になるが、直角からずれていたとしてもローレンツ力が作用することを意味するものである。また、ロータに回転力が加わって回転し、導電体が配置された角度範囲が、逆極性の磁極端面の磁極対応範囲内に入り磁界が逆になると、電流も逆方向に流すことにより、回転方向および回転トルクを同じ方向に保つことができる。
【００２３】
同様に、回生動作においても回生させる回転力に比例して導電体に電流が流れるので、回生する電流の制御によって回生トルクの調節を比較的容易に行うことができる。
【００２４】
また、ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。
【００２５】
第２発明は、略円筒形状の内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるロータと、このロータの内周面に対して隙間を設けて、ロータと同軸に配置した軸芯を有する略円柱形状の磁性体と、この磁性体の外周面の前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように略己字状に配線された導電体とを有し、かつ、前記磁性体の内周面には、前記ロータの各磁極に対応した角度範囲内を等分割した微小角度間隔で軸に略平行な方向に均一幅で軸芯方向に形成した複数の配線溝を形成して、この配線溝の間に櫛歯状の磁性体隔壁を形成してあり、前記配線溝内に前記導電体を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に導電体を配線し、磁極を跨ぐことのない位置にある導電体の回路に切り替えて電流を流すことにより回転力の発生または回生を行うことができるように構成してあることを特徴とする配線溝形コイルレスモータを提供する。（請求項２）
【００２６】
前記ロータの内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極を配置させた少なくとも１つの永久磁石を備えるので、このロータの内周面に隙間を空けて同心円状に配置させた円柱状の磁性体の外周面には、磁極対応角度範囲毎に放射方向または軸芯方向の磁界が発生する。
【００２７】
前記各磁極に対応した角度範囲内に、これを各回路に等分割した回路分割角度範囲を定めているので、前記回路の導電体が前記磁極対応範囲を跨がないように配置される回転角の間は、この回路の導電体に電流を流すことにより、配線溝内に挿入されたガイド部において磁束に略直交する方向に電流を流して、ガイド部の導電体に流す電流の大きさに比例してローレンツ力が作用し、その反作用でロータが逆方向に回転する。また、隣接する回転角の配線溝内に挿入されたガイド部における導電体は磁性体の両側部で折り返して、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線され、前記ロータの全磁極に対応した各回路分割角度範囲内に略己字状に配線してあるので、配線溝内に挿入配線された導電体に電流を流すことにより発生する回転力は全て同じ方向に作用する。
【００２８】
このように、導電体に電流を流すことにより発生する回転力は、ロータに形成する磁極端面の数だけ発生させることができるので、それだけ回転力を倍増することができる。一方、上述のように構成された導電体は磁性体を一周するときに１回巻きのコイルを形成するだけであるので、インダクタンスが不必要に増加することを抑えながら、安定した回転力を得ることができる。加えて、配線溝に挿入させた導電体はその位置を固定できるので、それだけ堅牢性が向上する。さらに、配線溝に挿入された導電体の周囲には高い透磁率の強磁性体が櫛歯状に残されるので、磁束密度の高さに比例した高い回転力が発生する。
【００２９】
さらに、磁性体の各磁極に対応した角度範囲内を等分割した回路分割角度範囲を定められた前記回路が複数ある場合には、ロータの回転角がどのような角度であっても、何れかの回路に割り当てられた回路分割角度範囲は磁極を跨ぐことのない位置にあるため、電流を流す回路を切り替えることにより、回転力を発生させたり、回転力を回生することが可能となる。このときＰＷＭ電源のような特別な制御回路を形成する必要がなく、回路の切り替えだけで、トルク変動をほとんど発生させることがなく、安定した回転力と電流の変換を行うことができる。
【００３０】
前記回路数は多ければ多いほど、磁極端面を跨ぐことのない導電体の回路の数を多くすることができる（磁極端面を跨いでいる導電体の回路が占める角度範囲を狭くすることができる）ので、磁極端面を跨がない回路への接続状態をすべてオン状態とすることにより、回転力の発生または回生に用いる導電体の回路が占める角度範囲を広くすることができ、より大きな回転力（より大きな回生電流）を得ることができる。
【００３１】
なお、前記隙間はロータが高速回転したとしても接触しない程度のもので、磁束の漏れを抑えるためにできるだけ狭い間隔が好ましく、その寸法は永久磁石の持つ起磁力と磁路の断面積の大きさによって相対的に決まる。強磁性体は透磁率に優れると共に渦電流の発生をできるだけ抑える金属（最適は多層ケイ素鋼板）であることが好ましい。
【００３２】
すなわち、第２発明の配線溝形コイルレスモータは、第１発明の配線溝形コイルレスモータと同様にローレンツ力を直接的に用いることにより、従来のコイルを用いるものに比べて応答速度を飛躍的に高めることができ、電流制御によって回転力を直接的に制御できるといった、第１発明と同様の特徴を備える。さらに、第２発明の配線溝形コイルレスモータはロータが円筒形状であるから、コンベアローラの駆動部としてそのまま利用できる。
【００３３】
前記各回路の導電体の両端にそれぞれ電圧検出部を有し、この電圧検出部によって検出されたインパルスによって、前記磁極を跨いで磁束が反転する回転角に位置する回路を判別して配線溝を形成する前記微小角度間隔でロータの回転を検出する角度検出回路を有する場合（請求項３）には、磁極を跨いでいる角度範囲の回路を構成する導電体に設けた電圧検出部は、配線溝に挿入された導電体が磁極を跨ぐ瞬間に急激な磁束密度の変化が発生するのでインパルス的な起電力が発生する。したがって、このインパルスを用いて角度検出回路がロータの回転角を検出することができる。
【００３４】
すなわち、角度検出回路は特別なセンサを設けることなく、配線溝を形成する微小角度間隔を分解能とする角度検出が可能となり、それだけ、構成の簡略化を図ることが可能となる。なお、この導電体に生じるインパルスは配線溝形コイルレスモータをモータとして使用するときにも、発電機として使用するときにも、通電していない状態において慣性や外力によって回転するときにも発生するので、前記電圧検出部および回転検出回路は二次電池などのバックアップ電源によって常に動作して、現在の回転角を確認し続け、この回転角を不揮発メモリなどに記憶しておくことが好ましい。加えて、電圧検出部と角度検出回路が動作する程度の電力であれば特別なバックアップ電源がなくても、前記インパルスの起電力を用いて得ることも可能である。
【００３５】
前記回転角が明確であれば、磁極を跨がない角度範囲に位置する導電体の回路が明確になるので、磁極を跨がない回路の導電体にのみ電源を接続させるように切り替えるスイッチング回路を形成することにより、従来のＰＷＭ電源のような特別な制御回路を用いるまでもなく、磁極端面の大部分を有効に用いてローレンツ力を発生させることができるので、十分に強力な回転力を得ることができる。
【００３６】
なお、回路数は増やせば増やすほど、磁極端面の回転力の発生に用いる割合を大きくすることが可能となるので、それだけ得られる回転力を強くすることができる。この場合、前記電圧検出部および角度検出回路は集積化可能な回路によって構成し、各回路の接続を切り替えるスイッチング回路も優れた応答性を有する電界効果トランジスタなどを用いて比較的に小型化が可能であるから、例えば磁極に対応する角度範囲内の全ての配線溝のそれぞれを別々の導電体の回路となるようにすることも可能であり、この場合はほとんどすべての磁束を用いて回転力を発生させることができ、さらなる回転力の向上を図ることが可能となる。
【００３７】
前記導電体は前記配線溝の形状に合わせて形成された断面形状帯状の導体である場合（請求項４）には、配線溝の断面形状に最大限に隙間なく沿わせた導電体を得ることができるので、それだけ大電流を流すことができる。
【００３８】
なお、帯状の導体は配線溝の横幅と深さ幅に合わせた辺の断面形状長方形を有する帯状の導体であることにより、一つの配線溝に一本の導電体を挿入させることができるため、組み付けが容易であると共に、各回路のインダクタンスをできるだけ小さくすることが可能である。また、配線溝の断面積に合わせて最大限に大きな電流を流すことが可能である。
【００３９】
しかしながら、前記配線溝の深さ幅を整数等分した幅と、配線溝の幅に合わせた断面形状長方形または正方形の導電体を一つの配線溝に整数本挿入するようにしてもよい。すなわち、一つの配線溝に複数の導電体を挿入する場合、何れの導電体も直列接続した一本の導電体であるから、配線溝の深さ方向のいずれの位置においても同じ方向に同じ強さの電流が流れるので異常発熱することはなく、回転力も配線溝の深さ方向のいずれの位置においても均等に発生させることが可能となる。
【００４０】
前記導電体は前記配線溝に挿入されるグラフェンからなる導体であり、前記配線溝はグラフェンを挿入可能な必要最小幅に形成してある場合（請求項５）には、導電体の導電率を可能な限り上げられるだけでなく、配線溝の幅を可能な限り薄く形成してあるので、それだけ櫛歯状の磁性体隔壁の厚み割合を相対的に増すことにより、より強い磁束をかけて扱う回転力を大きくすることができ、しかも鉄損、渦電流など電磁的損失を極力小さく出来る。なお、前記グラフェンとは２次元のハチの巣状格子内に周密に詰め込まれた単層の炭素原子からなる導電体である。
【００４１】
また、配線溝を形成する微小角度間隔を可及的に狭くすることができ、それだけ大きな回転力を出力させ、大きな回生電流を得ることが可能となるだけでなく、この導電体に生じるインパルスを用いて回転角を検出する場合の回転角の検出精度を向上させることができる。
【００４２】
前記導電体は前記配線溝の内に複数陥入した導線である場合（請求項６）には、導電体として汎用の導線を利用できるので、それだけ製造コストを削減できる。このとき、同じ回路を構成する導電体は同じ配線溝内に複数回陥入されるように配線されて、配線溝内の導線は直列接続した一本の導線であることにより、配線溝の深さ方向のいずれの位置においても同じ方向に同じ強さの電流が流れるので異常発熱することはなく、回転力も配線溝の深さ方向のいずれの位置においても均等に発生させることが可能となる。
【００４３】
しかしながら、同じ配線溝内に挿入される導電体は配線溝に挿入する前と後とで並列接続してもよく、これによってインダクダンスの増加をさらに低く抑えることができる。
【００４４】
本発明の配線溝形コイルレスモータでは、導電体の両端に電圧検出部を設けることにより、導電体をセンサとして用いることが可能であるが、これに変えてロータリーエンコーダを別途設けてもよいことは言うまでもない。あるいは、前記ステータ側の前記磁極に面する位置に取り付けられてロータの回転に伴う磁界の変化を検知する磁束検出器を設けて、より確実なロータの回転角の検出を行ってもよい。
【００４５】
また、ロータの回転角に対応して各回路の導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうスイッチング回路を備える場合には、このスイッチング回路を介して電力供給を行うだけでコイルレスモータに対して直流的に電力供給を行なってロータの回転方向を自在に制御することができる。また、回生動作においてもスイッチング回路を介するだけで、回生電流を容易に電源側に流すことができる。
【００４６】
前記スイッチング素子は高速に切り替え可能な電界効果トランジスタによって形成されるものであることが好ましいが、バイポーラトランジスタ、フォトカプラ、サイリスタ、ソリッドステートリレーなどを用いたスイッチング素子であってもよい。
【発明の効果】
【００４７】
上述したように、本発明によれば、ロータ側に取り付けられた永久磁石によって形成される強い磁界中に、ステータ側に取り付けられた導電体を配置するという極めて簡素化された構成で、導電体に電流を流すことによって発生するローレンツ力によって、ロータを回転させるものであるから、従来はモータに必須と考えられていたコイル（巻線）をモータから排除できる。コイルを排除することにより誘導特性による電流の遅れを防止して、回転力の制御を高いレスポンスで行うことができる。
【００４８】
加えて、従来のモータの制御には必要であった擬似的な正弦波を形成するためのＰＷＭ変調回路や、交直変換回路などを不要とし、変調に伴う損失の発生やノイズの発生も防止できる。
【００４９】
本発明の配線溝形コイルレスモータでは、ロータの磁極に隙間を開けて配置された磁性体に配線溝を設け、この配線溝内に導電体が配線されるので、導電体の周囲には磁性体隔壁に内に、集中した、より高い磁束密度の磁束が存在し、それだけ、小さな電流で大きな回転力を得ることができる。同様に、回転力から多くの回生電流を得ることができる。
【００５０】
本発明の配線溝形コイルレスモータは、ロータの形状は円筒状または円柱状で、これに近接する磁性体は円柱状または円筒状であり、いずれの場合にも配線溝形コイルレスモータの外周部付近にて回転力が発生するものであるから、その全体形状は例えば円盤状に形成すれば、軸芯からできるだけ離した外周部近傍において回転力を発生させることにより大きな回転力を得ることができる。
【００５１】
逆に、配線溝形コイルレスモータの全体形状を軸芯方向に長く形成することにより、第１発明の配線溝形コイルレスモータは、車両の各部シャフトとして本発明の配線溝形コイルレスモータを配置して、現在の低燃費車両における内燃機関（エンジン）の出力トルク不足を補った回転力を発生させることも可能であり、また、慣性などのよって回転力の回生を行う場合には回生電流を電源側に戻して電力に回生することも可能である。また、第２発明の配線溝形コイルレスモータは、ローラーコンベアの駆動ローラとして本発明の配線溝形コイルレスモータを配置することも可能であり、省スペースでありながら大きな回転力を出力させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る配線溝形コイルレスモータの構成を示す側面図である。
【図２】前記配線溝形コイルレスモータの縦断面図である。
【図３】前記配線溝形コイルレスモータのロータの一部構成を示す斜視図である。
【図４】前記ロータと磁性体の間の要部における動作を説明する図である。
【図５】前記配線溝形コイルレスモータを制御する回路の一例を示す図である。
【図６】図５に示す回路の動作を説明する図である。
【図７】第１実施形態に示す配線溝形コイルレスモータの変形例を示す図である。
【図８】前記配線溝形コイルレスモータのさらなる変形例を示す図である。
【図９】前記配線溝形コイルレスモータのさらに異なる変形例を示す図である。
【図１０】第２実施形態の配線溝形コイルレスモータの構成を示す断面図である。
【図１１】前記配線溝形コイルレスモータの一部を拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の第１実施形態の配線溝形コイルレスモータ１の構成を図１〜図６に従って説明する。図１、図２に示すように、本実施形態の配線溝形コイルレスモータ１は、略円柱形状の外周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極２Ｎ，２Ｓを配置させた少なくとも１つの永久磁石２を備えるロータ３と、このロータ３の外周面に対して隙間を設けて、ロータ３の軸４と同軸に配置した略円筒形状の例えばケイ素鋼板などからなる磁性体５と、この磁性体５をその外周面において支持するケース６と、このケース６に前記軸４を回動自在に支持する軸受け６ｏと、この磁性体５の内周面の前記ロータ３の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θ内に、これを各回路７ａ〜７ｃに等分割した回路分割角度範囲θａ〜θｃを定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極の極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体８ａ，８ｂ，８ｃとを有し、かつ、前記磁性体５の内周面には、前記ロータ３の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θ内を等分割した微小角度間隔ｄθで軸４に略平行な方向に均一幅で放射状に複数の配線溝１０を形成して、この配線溝１０の間に櫛歯状の磁性体隔壁１１を形成してあり、前記配線溝１０内に前記導電体８ａ，８ｂ，８ｃを絶縁的に挿入配線することにより前記ロータ３の全磁極２Ｎ，２Ｓ，…に対応した各回路分割角度範囲θ，…内に導電体８ａ，８ｂ，８ｃ，…を配線してある。
【００５４】
なお、前記回路７ａ〜７ｃ、導電体８ａ〜８ｃは何れも、本実施形態に示す３つの回路７ａ〜７ｃのそれぞれに別々の符号を付けてこれらを見分けられるようにしているが、以下、回路７ａ〜７ｃを分けて説明する必要が無い場合には、単に、回路７、導電体８と表現する。
【００５５】
前記ロータ３の永久磁石２は磁極２Ｎ，２Ｓの磁極端面をロータ３の外周面に露出させるように設けたＳＰＭ型（表面磁石型）であっても、永久磁石２をロータ３内部に埋設することにより結果的にロータ３の外周面に磁極２Ｎ，２Ｓの磁極端面が形成されるＩＰＭ型（埋込磁石型）であってもよい。いずれにしても、磁極２Ｎ，２Ｓに対応する角度範囲（磁極対応角度範囲）θ内においてはロータ３の外周面から同じ方向の磁束を軸方向に揃えて形成することにより、磁極端面の磁束を放射方向に発散または軸芯方向に収束させるものである。
【００５６】
前記ロータ３を一周するときに切り替わる磁極２Ｎ，２Ｓの数は本実施形態では合わせて８極形成しており、各磁極対応角度範囲θは４５°に形成されている。従って、導電体８がロータ３の周りを一周するように配線されるとき、各磁極対応角度範囲θ内を回路数（本実施形態では３回路）で等分割した８つの回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内に配線するので、導電体８がロータ３を一周する間に８回磁極２Ｎ，２Ｓから発散または収束する磁界に対して略直交する方向に電流を流すように配置されることになる。
【００５７】
したがって、導電体８が１つの磁極２Ｎ（または２Ｓ）の前だけに配置される場合に比べて磁極２Ｎ，２Ｓの数倍（本実施例の場合８倍）だけ強い回転力（または回生電流）を発生させることができるように構成している。つまり、この磁極２Ｎ，２Ｓの数は少なくとも２極は必要であるが、多ければ多いほど導電体８がロータ３を一周する間に出力できる回転力（または回生電流）は大きくなる。
【００５８】
磁石２は強い回転力（回生電流）を得る為には磁性体５を飽和させない程度にできるだけ強力な永久磁石であることが好ましく、本実施形態の場合、非常に強力な磁力を得られるネオジム磁石を用いて形成される。
【００５９】
磁石２の形状は、図２に示すように、軸芯４側には前記ロータ３の外周面に形成される磁極とは逆の磁極が配置された断面扇形に形成されており、符号Ｂに示すように軸芯４および磁性体５に高い密度の磁束が形成される。
【００６０】
図２の拡大図および図４に示すように、磁性体５の内周面に配線溝１０を設けることにより形成された磁性体隔壁１１には、高い磁束密度の磁束Ｂが集中する。従って、この配線溝１０内に挿入配線させた導電体８に電流を流すときに、この電流によって図４に示す回転磁界Ｂｒが発生し、この回転磁界Ｂｒが永久磁石２によって磁性体隔壁１１内に形成される極めて強力な磁界Ｂと作用し合うことにより、ロータ３に回転力を発生させることができる。
【００６１】
前記ロータ３は軸芯４に形成されたフランジ部４ａと抑えリング４ｂに挟み込むようにして前記磁石２をその磁極端面が円周方向にＮ極、Ｓ極の磁束Ｂが交互に配列されるように接着固定してある略円柱形状の部材である。
【００６２】
前記磁性体５は透磁率に優れたケイ素鋼板の中抜き略円盤状の薄板と絶縁層を多数積層して形成されたものであり、その内周面には微小角度ｄθ間隔で配線溝１０を形成してあるので、前記導電体８を安定的に保持することができる。また、磁性体５に形成された配線溝１０は放射方向に導電体８の直径よりも深く形成されているので、本実施形態の場合、同じ配線溝１０内に７本の導電体８を配線できるように構成している。そして、この同じ配線溝１０内に配線された導電体８はロータ３の回転角に完全に同期して磁束の交番磁界に晒されることになる。
【００６３】
磁性体５の内周面はロータ３の外周面（磁極端面）に対して隙間を空けて配置されるものであり、この隙間はロータ３が高速回転したときにも接触しない程度の隙間であり、できるだけ近づけて配置するものであることにより、漏れ磁束を可及的に小さくすることができ、それだけ強い交番磁界を磁性体５に発生させることができるので好ましい。
【００６４】
前記ケース６は磁気遮蔽可能な金属からなり、磁性体５をその外周部において保持すると共に、前記軸受け６ｏによってロータ３の軸４を回転自在に支持する略筒状の第１部材６Ａと、この第１部材６Ａに対してロータ４の回転部分を覆うように構成された第２部材６Ｂとからなり、前記各回路７の導電体８を貫通して引き出すことができる孔６Ｃを形成してある。
【００６５】
本実施形態の場合、各回路７に割り当てられる回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内には３筋の配線溝１０が形成されており、これらが同じ回路７の配線溝群を形成する。そして、この配線溝群を構成する３筋の配線溝１０にそれぞれ７本の合計２１本の導電体８を挿入することにより、１本の導電体８だけを配線する場合に比べて約２１倍の回転力を得ることができるように構成している。つまり、同回路７の電流を直列に複数回または並列接続して流して電流を増大させることによって、回転力（または回生電流）の倍増効果を得ることができる。
【００６６】
なお、本実施形態では導電体８を前記配線溝群内のすべての配線溝１０に挿入配線する前に２１分岐接続して前記回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内のすべての配線溝１０に挿入配線し、磁性体５を一周した後に再び一つにまとめるように接続することにより、各回路７のインダクタンスの増加を抑えながら出力する回転力を大きくすることが可能となるように構成している。
【００６７】
図３に示すように、磁性体５の軸芯方向の両端部（片方のみ図示）において、前記配線溝群を構成する配線溝１０から突出する２１本の導電体８（以下、導電体群という）は、結束部８Ｄにおいて束ねられ、結束された導電体群の１８０°の捻りおよびターン部８Ｅと、結束解除部８Ｆとを介して隣接する磁極２Ｎ（または２Ｓ）の配線溝群に配線される。
【００６８】
これによって、図示時計回りの先端側の配線溝１０（図２参照）の位置Ｐａに配線された導電体８は、４５°位相が異なる隣接する磁極２Ｎ（または２Ｓ）に対しても同じ図示時計回りの先端側の配線溝１０の位置Ｐａ’に配線されるので、前記導電体８は各配線溝１０の磁極２Ｎ（または２Ｓ）に対する相対位置が同じとなるように配線され、また、磁極２Ｎ（または２Ｓ）に合わせて互い違いに逆方向に電流を流すように、全体的な形状は略己字状に配線される。
【００６９】
前記配線溝１０の形状は、図２の拡大図および図４に示すように、幅方向において導電体８をその絶縁被覆を付けた状態で挿入可能な必要最小限の幅であって、深さ方向において、本実施形態では導電体８を７本並べて挿入可能な深さに形成している。また、各配線溝１０はこの中に挿入された導電体８の回転方向の位相を完全にそろえるように放射線状に形成しており、軸芯方向には平行に形成してある。
【００７０】
配線溝１０を微小角度間隔ｄθで形成することにより、磁性体５の内周面には櫛歯状の磁性体隔壁１１を形成でき、この櫛歯状隔壁１１と配線溝１０の幅は同程度に形成してある。
【００７１】
図５は本発明の配線溝形コイルレスモータ１の角度検出回路の一例を示す図である。図５に示す符号１２は電源となるバッテリであり、バッテリ１２からの電力は各スイッチング素子１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃを介して、各回路７ａ〜７ｃに正逆方向の電圧をかけられるように構成している。１５ａ〜１５ｃは各回路７ａ〜７ｃの端子電圧Ｖａ〜Ｖｃを検出する電圧検出部であり、１６は電圧検出部１５ａ〜１５ｃによって検出された各端子電圧Ｖａ〜Ｖｃを取り込むことにより、ロータ３の回転角を角度検出回路を有すると共に各スイッチング素子１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃに制御信号Ｃａ〜Ｃｃを出力する事により、任意の回転力を出力させたり回生電流をバッテリ１２側に流すように制御する制御部である。また、１７は端子電圧Ｖａ〜Ｖｂの変動を監視することにより求められるロータ３の回転角を記憶する記憶部、１８はバックアップ電源、Ｒは回転方向を示す。
【００７２】
前記スイッチング素子１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃは高速応答が可能であると共にオン状態の抵抗が低いＦＥＴなどの半導体スイッチであることが好ましいが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
【００７３】
図６は図５に示すロータ３が回転方向Ｒに回転するときにおける動作を電圧検出器１５ａ〜１５ｃによって検出した端子電圧の測定値の例を用いて説明する図である。
【００７４】
図６に示すように、図５に示す磁極２Ｎ，２Ｓの配置である状況を０°とするとき、制御部１６は例えばスイッチング素子１３ｂ，１３ｃ，１４ｂ，１４ｃを介して回路７ｂ，７ｃに正の電圧を印加する。ここで導電体８ｂ，８ｃに電流が流れることにより、各磁極２Ｎ，２Ｎによって形成される強力な磁場内にその磁束と直交する方向に配線された導電体８ｂ，８ｃに電流が流れることにより回転磁界Ｂｒ（図４参照）が発生し、ローレンツ力によってロータ３が回転方向Ｒにさらに回転する。
【００７５】
ロータ３が微小角度間隔ｄθ（本実施形態の場合５°）回転するまでの間に、回路７ａを構成する導電体８ａが配線された一つの配線溝１０（図２，図４参照）が磁極２Ｎ，２Ｓの切り替わり部分を通過することになり、導電体８ａの端子電圧Ｖａには磁束の変化に伴うインパルス（Ｎ極からＳ極への変化なので負の方向のインパルス）が検出される。同様に、さらに微小角度間隔ｄθ回転する毎にインパルスが検出され、前記制御部１６はロータ３が微小角度間隔ｄθ右回りに回転していることを確認できる。
【００７６】
次いで、端子電圧Ｖａに３つ目のインパルスが検出された後に、制御部１６は前記スイッチング素子１３ｂ，１４ｂを切り替えて回路７ｂの導電体８ｂをバッテリ１２から切り離した後に、スイッチング素子１３ａ，１４ａを切り替えて回路７ａの導電体８ａに逆方向の電圧を印可する。
【００７７】
この時点で、図５に示すロータ３は初期状態から１５°ほど回転しているので、回路７ａを構成する導電体８ａが対面する磁極端面の極性は、他の回路７ｂ，７ｃを構成する導電体８ｂ，８ｃが対面する磁極端面の極性と異なっているので、導電体８ａに逆方向の電圧を印可することにより、同じ回転方向Ｒの回転力をロータ３に加えることができる。
【００７８】
さらに、ロータ３が回転方向Ｒに回転すると、微小角度間隔ｄθ毎にバッテリ１２から切り離した回路７ｂの導電体８の端子電圧にインパルスが発生し、制御部１６はこのインパルスを検出することにより、ロータ３の回転角を検出することができる。また、当然ながら回転方向Ｒが逆になると、上記インパルスの発生極性も逆になると共に、インパルスが発生する回路７ａ〜７ｃの順番も逆になる。
【００７９】
上述のように、本発明の配線溝形コイルレスモータ１は導電体８ａ，８ｃ，８ｃにインダクタンス成分がほとんど発生しないため、ロータ３の回転に伴う端子電圧の変動をモニタするだけで、別途のセンサを設けることなくロータ３の現在の回転角を正確に検知することができ、これを例えば記憶部１７に記憶させ、非通電時にもバックアップ電源１８によって端子電圧の監視と回転角の確認を行なうことも可能である。なお、この回転角は一対の磁極２Ｎ，２Ｓが占める磁極対応回転角θ×２（本例の場合９０°）の範囲で確認できるが、現在の回転角を常にモニタして記憶部１７に記憶させる場合には、３６０°の回転角を監視することも可能である。
【００８０】
前記回転角を常に監視して記憶部１７に記憶させることにより、非通電時に外力によってロータ３が回転した場合にもロータ３の回転角を監視しているので、次に通電するときの始動時にも、制御部１６最初から確実に磁極２Ｎ，２Ｓを跨いでいない回路７の導電体８のみに必要な回転方向Ｒに回転させる極性の電圧を印加することが可能である。
【００８１】
なお、仮に前記制御部１６が記録している回転角が現実の角度と異なっていたとしても、ロータ３が回転するときにインパルスがどの回路７の導電体に発生し、次にどのロータ３にインパルスが発生するかを確認することにより、現在の回転角を迅速に確認して、以後は的確な制御を行なうことも可能である。
【００８２】
上述したように本発明の配線溝形コイルレスモータ１によれば、各回路７の導電体８にインダクタンス成分をほとんど持たない磁気回路を形成でき、導電体８に電流を流すときに生じるローレンツ力を直接的に用いて、回転力を得ることができるので、極めて高速に応答することができる。これは、電動機として例えばエンジンなどの内燃機関の補助動力として回転力のアシストを行なったり、逆に余った無駄な回転力を用いてバッテリ１２を充電させるときの高速応答を可能としていることを意味している。また、従来の電動機のように電源としてサイン波の交流電源を形成する必要も全くないので、ノイズの発生原因ともなるＰＷＭ変調回路を排除し、極めて容易にトルク制御を行なうことができる。
【００８３】
さらに、各導電体８は櫛歯状に配置された磁性体隔壁１１内に高密度に集中する磁束を形成する交番磁界Ｂの間に配線されて、電流の流れによって発生する回転磁界Ｂｒが強力な磁界Ｂと作用し合うことによって、より少ない電流で強力な回転力を得ることができる。加えて、配線溝１０内に配線された導電体８はその物理的な位置を容易かつ確実に固定できるので、高速回転するモータとして十分な堅牢性を備えるものとなる。
【００８４】
また、制御部１６は通電する回路７ａ〜７ｃの割合（通電する回路数）や通電するタイミング（パルス幅）を調整することにより、配線溝形コイルレスモータ１によって出力する回転力の強さ（回生制動力の強さ）を調整することも可能である。
【００８５】
加えて、本実施形態のように３回路７ａ〜７ｃに分割された導電体８を有する配線溝形コイルレスモータ１の場合、回転力を得る為に磁極端面の２／３を有効に活用しているので、それだけ大きなトルクを出す為に有利であり、とりわけロータ３の外周面に永久磁石２の磁極２Ｎ，２Ｓをむき出しにするＳＰＭ型のロータ３によって十分に強力な回転力を得ることができるが、ＩＰＭ型のロータ３であっても問題なく回転力を得ることができるので、汎用性が高いという利点もある。
【００８６】
さらに、本発明の配線溝形コイルレスモータ１は長い軸芯４を有するロータ３の外周面において回転力をローレンツ力による回転力を生み出すものであるからロータ３は長ければ長いほど回転力を生み出すのに有利であり、例えば自動車のドライブシャフトやプロペラシャフトそのものを配線溝形コイルレスモータ１と入れ替えて補助的に回転力を生成するなどの用いることも可能である。
【００８７】
上述の実施形態は本発明の配線溝形コイルレスモータ１の構成および動作を説明しやすい例を示したものであるにすぎず、種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【００８８】
たとえば、本実施形態の導電体８は磁性体５の配線溝１０に配線する前に多数に分岐し、磁性体５を一周した後に再びまとめるように構成しているが、前記導電体８を磁性体５の内周面に沿って、順次前記回路分割角度範囲θａ（またはθｂまたはθｃ）内のすべての配線溝１０に直列的に配線してもよい。この場合は、導電体８の回路７は磁性体５に巻き取った巻き数のコイルとなってしまうので、インダクタンスの増加を招く（本実施形態の場合は２１巻きのコイルと同じ）ものの、同じ電流で大きな回転力を得ることができる利点が生じる。なお、前記巻き数は通常のモータに用いるコイルの巻き数に比べて遙かに少なく、インダクタンスの増加を必要最小限に抑えることができているという意味ではコイルレスということができる。
【００８９】
図７は第１実施形態の変形例を示す図である。図７に示す例では、一つの磁極対応角度範囲θと導電体８の構成を４回路７ａ〜７ｄで等分割するように形成してあり、一つの回路分割角度範囲θａ〜θｄ内に２筋の配線溝１０が形成される。すなわち、回路数を増やすことにより、磁極２Ｎ，２Ｓを跨ぐ導電体８の回路７に対応する回路分割角度範囲θａ〜θｄに対して磁極２Ｎ，２Ｓを跨がない導電体８の回路７に対応する回路分割角度範囲θａ〜θｄの割合を大きくすることができ、４回路の場合、全磁束の約３／４を有効活用して回転力を得たり、回生電流を得ることができる。
【００９０】
また、図５に示すような、前記制御部１６を設ける場合、磁極２Ｎ，２Ｓを跨がない回路７のうち１〜３回路を任意に選んで回転力を発生させることが可能であるから、発生させる回転力の制御をさらに容易とすることができる。
【００９１】
前記回路数は増やせば増やすほど制御部１６による制御が複雑になり、スイッチング素子１３ａ，１３ｂ…，１４ａ，１４ｂ…や、電圧検出部１５，１５ｂ…の数も増大するもが、出力できる回転力を上げることができるだけでなく、より精度の高い回転力の制御を行なうことも可能となる。また、前記各部１５〜１７の集積化を行うことにより、微小角度間隔ｄθで形成された全ての配線溝１０内の導電体８を別々の回路７に分けることも考えられる。
【００９２】
図８はさらなる変形例を示す図であり、前記導電体８の代わりに、断面形状長方形の帯状の導体２０を用いる例を示している。すなわち、配線溝１０の形状に合わせた断面形状帯状の導体は、配線溝１０に対して隙間なく挿入可能であるから、通常の断面形状円形の導体に比べて流すことができる電流を多くすることができ、それだけ、大きな回転力（回生電流）を得ることができる。
【００９３】
また、断面長方形の帯状の導体２０は、断面円形の導体８に比べて少ない本数だけ配線溝１０に挿入するだけで配線溝１０を埋め尽くすものであるから、導体２０の挿入にかかる手間をできるだけ少なくすることができ、配線溝形コイルレスモータ１の製造にかかるコストを削減することができる。
【００９４】
図９はさらに異なる変形例を示す図である。図９において、前記導電体８の代わりに、配線溝の断面形状に合わせた一本の導体２１を挿入配線してあるので、配線溝形コイルレスモータ１の製造にかかる手間をさらに抑えて、その製造コストを削減することができる。
【００９５】
図１０は第２実施形態の配線溝形コイルレスモータ３０の構成を示す図である。なお、本実施形態の配線溝形コイルレスモータ３０は第１実施形態の配線溝形コイルレスモータ１のロータ３と磁性体５の位置関係を逆にした例を示すものであり、以下の説明において、図１〜図９に示す第１実施形態と同じ符号を付した部分は同一又は同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。
【００９６】
すなわち、本実施形態の配線溝形コイルレスモータ３０は略円筒形状の内周面に、円周方向において等間隔に、また、軸方向に揃えたＮ極、Ｓ極の磁束を交互に形成するように磁極２Ｎ，２Ｓを配置させた少なくとも１つの永久磁石２’を備えるロータ３’と、このロータ３’の内周面に対して隙間を設けて、ロータ３’と同軸に配置した軸芯４を有する略円柱形状の磁性体５’と、この磁性体５’の外周面の前記ロータ３’の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θ内に、これを各回路７に等分割した回路分割角度範囲θａ，θｂ…を定めて、前記Ｎ極、Ｓ極の磁極２Ｎ，２Ｓの極性に合わせて交互に逆方向の電流を流すように配線された導電体８とを有し、かつ、前記磁性体５’の外周面には、前記ロータ３’の各磁極２Ｎ，２Ｓに対応した角度範囲θａ，θｂ…内を等分割した微小角度間隔ｄθで軸４に略平行な方向に均一幅で軸芯方向に複数の配線溝１０’を形成して、この配線溝’の間に櫛歯状の磁性体隔壁１１’を形成してあり、前記配線溝１０’内に前記導電体８を絶縁的に挿入配線することにより前記ロータ３’の全磁極２Ｎ，２Ｓに対応した各回路分割角度範囲θａ，θｂ…内に導電体８を配線してある。
【００９７】
本実施形態のロータ３’はその外周面が円筒形状であり、軸芯４を固定して、円筒形状のロータ３’が回転するものであるから、例えばコンベアローラの一つとして適宜配置し、回転力を供給することにより、コンベアによる荷物の搬送を行なうことができる駆動力を供給することも容易である。
【００９８】
図１１は図１０に示す本発明の第２実施形態の更なる変形例を示す図である。図１１に示す配線溝形コイルレスモータ３２は、前記磁性体５’の外周面に、拡大図に示すように、グラフェンからなる帯状の導体３３と、薄板形状の透磁率に優れた磁性体隔壁３４を重ねて配列してなるものであり、磁性体隔壁３４の断面形状は磁性体５’の外周面に接する側を僅かに薄く僅かに台形になるように形成してあり、多数の導体３３と磁性体隔壁３４を絶縁体を挟んで重ねるときに、ちょうど円筒状の磁性体５’の外周面に接する筒状の部材となるように形状である。
【００９９】
加えて、磁性体隔壁３４に挟まれた部分には磁性体５’を挿入配線可能な配線溝１０’が形成される。したがって、磁性体５’の外周面に磁性体隔壁３４と導体３３を絶縁体を挟んで重ねて配置することにより、グラフェンからなる導体３３を帯状の磁性体隔壁３４の間に形成された配線溝１０’の間に挿入すると共に、各磁性体隔壁３４間の間隔を必要最小限に形成してすることができる。
【０１００】
前記グラフェンからなる導体３３はその導電率が極めて高いので、極めて薄く形成されたものであっても、十分な電流を流すことができると共に、放熱効果を高めることができる。また、磁性体隔壁３４の占有面機を広くすることができるので、可能な限り強力な永久磁石を用いて磁気飽和を避けながらできる限り強い交番磁界を加えることもできる。
【０１０１】
さらに、隣接するグラフェンからなる導体３３がなす微小角度間隔ｄθ’を更に小さくする事が可能であるから、各導体３３に生じるインパルス信号を検出するだけで、それだけ詳細な角度検出を行なってもよい。また、導体３３が薄くなればなるほど、導体３３を等分割する回路７の数も多く設定可能であり、回路７の数が多ければ多いほど、ロータ３’の永久磁石２’の磁束の大部分を用いて回転力を得たり、より多くの回生電流を得ることができる。
【０１０２】
上述の実施形態では円柱状の磁性体５’の外周面にグラフェンからなる導体３３と磁性体隔壁３４を重ねて配置する例を示しているが、図１〜図９に示す第１実施形態に示す配線溝形コイルレスモータ１の円筒状の磁性体５の内周面にグラフェンからなる導体３３と磁性体隔壁３４を重ねて配置してもよいことはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１０３】
１  配線溝形コイルレスモータ
２  永久磁石
２Ｎ，２Ｓ  磁極
３  ロータ
４  軸
５  磁性体
７（７ａ，７ｂ…）  回路
８（８ａ，８ｂ…）  導電体
８Ｄ  結束部
８Ｅ  捻りおよびターン部
８Ｆ  結束解除部
１０  配線溝
１１，３４  磁性体隔壁
１５ａ，１５ｂ…  電圧検出部
１６  角度検出回路
θ  磁極対応角度範囲
θａ，θｂ…  回路分割角度範囲
ｄθ  微小角度間隔