JP6579522B2 - 無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械の冷却補助具および冷却補助具が装着された無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械の冷却補助具および冷却補助具が装備された無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械に関する。より具体的には、本発明は、底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体と複数のマグネットとを有する回転子と、回転子に対向するように配備される無鉄心の円筒コイルが固定された固定子とからなるブラシレス回転電気機械の冷却補助具、あるいは、冷却補助具が装着された無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械に関する。

電動モータと発電機は同じ構造を有する回転電気機械である。回転電気機械について、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電動モータを用いて説明する。電動モータは、磁界と電流の相互作用で発生する電磁力を出力させるものである。分類方法はさまざまであるが、大きくはブラシ付きのＤＣモータとブラシレスモータに区分され、前者は磁石を固定子（ステータ）に、コイルを回転子（ロータ）とし、後者は逆にコイルを固定子（ステータ）に、磁石を回転子（ロータ）としており、いずれも回転子より外部へ電磁力を出力するものである。一方磁界発生方法の違いにより巻線界磁型と永久磁石界磁型にも区分され、コイルに鉄心（コア）が有るものとないもの（コアレス）にも区分される。上記区分からすると、永久磁石界磁型の無鉄心（コアレス）の円筒コイルを含むブラシレスモータが本発明の対象になる。
したがって、本発明の「無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械」は、以下において、「コアレス・ブラシレスモータ」として説明される。

特開２０１２−１６２１８号公報（特許文献１）または特開２０１２−３０７８６公報（特許文献２）には、通電可能な無鉄心の円筒コイルを用いたホイールインモータが記載されている。まず、特許文献１には電動モータを作動させるときに発生する熱を冷却することについての記載は全くない。またそれを想定したものでもない。一方、特許文献２には、回転子のインナーヨークの内周面に形成される空間にインナーヨークに固定するブレーキ手段をさらに含み、アウターヨークに固定されたホイールの端面を固定子に対して開放し、インナーヨークの内周面に形成された空間を外気と連通させる通気孔が示されているが、回転子の周囲に圧力差を発生する構成は記載されていない。単に外気に通じる通気孔にすぎず、ブレーキ手段による摩擦熱を外部に逃がすためのものと考えられる。いずれも本発明のコアレス・ブラシレスモータおよびその冷却方法とは関係のないホイールインモータに関するものである。

特許２６５７１９２号明細書（特許文献３）には、リニア直流ブラシレスモータが記載されており、固定電機子にエアー供給通路が穿設され「エアー供給通路から電機子コイルにエアーを直接吹き付け、電機子コイルを冷却すると共にマグネットヨークに対するステータヨーク自体も冷却する構成」を有する。だたし、エアー供給を回転子の周囲に発生する負圧によるのではない。

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

特許第３４９４０５６号公報（特許文献５）に記載されている、環状のステータコアに何層にも巻回形成された導線からなるコイルを巻装した固定子と、該固定子の外周を覆う筒部の内周面に永久磁石を支持させたアウターヨークからなる回転子とから構成されたアウターロータ型磁石発電機は、本発明の無鉄心の円筒コイルを含むブラシレスモータではない。この電動モータは、回転軸に回転自在に連結されたステータを支持するプレートに通風口を設け、ステータコアに導線が何層にも巻回されたコイルの表面および永久磁石を冷却するため、ロータの底部に設けた通風口と連通させ、該ロータを回転させてプレートの通風口から空気を吸入させ、回転子の通風口から吸出し、これをさらにロータの筒部に吹き付けて冷却する方法が記載されている。しかしながら、アウターロータ型磁石発電機において、導線が何層にも巻回されたコイル内部の蓄熱まで冷却することはできない。これはまた、本発明のコアレス・ブラシレスモータではない。

実開平５−２２１３３号公報（特許文献６）には、電気自動車用のアウターロータ型ホイールインモータの内部を強制的に冷却する方法が記載されているが、本発明の回転子周囲の発生する負圧で外気を取り込むようにしたコアレス・ブラシレスモータではない。

特許第２８３１３４８号公報（特許文献７）には、ハウジング内に冷却ガス媒体を供給するようにした電磁変換機が記載されているが、冷却ガス媒体のハウジング内への供給は、ブロアにより強制的に供給されるものであり、本発明の回転子周囲の発生する負圧で外気を取り込むようにしたコアレス・ブラシレスモータではない。

特許第３７０４０４４号公報（特許文献８）には、長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートからなる積層体構造を有する円筒形であって導電性金属シートの各々の線状部が絶縁層で覆われている通電可能な無鉄心の円筒コイルを用いたブラッシレスモータが記載されているが、エアギャップに浮かせた状態で配置される円筒コイルや露出している複数のマグネットを冷却する方法も冷却手段についても全く想定されておらず、それについての記載は一切ない。

特開２０１２−１６２１８号公報 特開２０１２−３０７８６号公報 特許第２６５７１９２号公報 特開２００６−２４６６７８号公報 特許第３４９４０５６号公報 実開平５−２２１３３号公報 特許第２８３１３４８号公報 特許第３７０４０４４号公報

通電可能な無鉄心の円筒コイルと該円筒コイルの一方の端面が固定されている固定子に対し、底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体とで円筒コイルが配置されるエアギャップを形成し、エアギャップ内に露出するように配備される複数のマグネットとを有する回転子が対向するように配備され、回転子の開放端面と固定子との間に閉鎖された円筒コイルの内側に位置する第２空隙と外気と接する円筒コイルの外側に位置する第３空隙とが形成されるように構成されたコアレス・ブラシレスモータにおいて、円筒コイルの銅損および導体に生じる渦電流に起因する発熱によるモータ内部の温度上昇は、こうしたコアレス・ブラシレスモータの効率ηを劣化させる技術的課題として認識されており、そのため、これまで様々な提案がなされてきたが、いずれの提案も作用効果に限界があり、抜本的な課題解決には至っていない。本発明者らはこうした技術的課題に挑戦し、本発明のコアレス・ブラシレスモータを開発するに至った。

本発明の技術的課題は、底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体と複数のマグネットとを有する回転子と、回転子に対向するように配備される通電可能な無鉄心の円筒コイルが固定された固定子とからなる、底部と内側円筒空路形成体とで形成される空間に外気を取り入れるように底部に複数の吸気孔が形成され、前記空間と連通する、内側円筒空路形成体と外側円筒空路形成体とからなるエアギャップに通じる複数の排気孔が外側円筒空路形成体の底部に近接する円周に帯状に穿設されたコアレス・ブラシレスモータにおける外側円筒空路形成体の底部に近接する円周に嵌装固定される円環からなる冷却補助具であって、外側円筒空路形成体に穿設された排気孔に一致するように設けられた複数の放射状の連通口を有することを特徴とする冷却補助具、および、前記冷却補助具が外側円筒空路形成体に嵌装固定されたコアレス・ブラシレスモータによって解決することができた。

本発明は以下のような特徴を有する。無鉄心の円筒コイルに通電すると回転子が作動する。それにより、永久磁石界磁型のコアレス・ブラシレスモータが始動し、回転子の回転により回転子周囲に圧力差が発生する。発生する圧力差によって回転子の底部の吸気孔から底部と内側円筒空路形成体とで形成される円筒コイルの内側の第2空隙または空間に外気が引き込まれる。それと同時に、回転子の解放端と固定子とで形成される第３空隙からエアギャップの円筒コイルの外側に外気が引き込まれる。

ところで、回転子底部に吸気孔が設けられていないと、外気はコアレス・ブラシレスモータにどのように作用するだろうか。回転子周囲に発生する圧力差によって、瞬間的に第３空隙のみから外気が吸引される。しかし、吸引された外気は外部に排出される出口がないため、回転子周囲の圧力差は瞬時に消滅して外気圧と均衡すると考えられる。そのため、モータ内部に外気の流れが生じることはなく、内部は外気との温度差による冷却のみになる。

ところが本発明によると、回転子周囲に発生する圧力差によって第２空隙または円筒コイルの内側空間に引き込まれた外気は、エアギャップに配置されている円筒コイルの内側を流通して円筒コイルの内面を冷却する。また第３空隙から円筒コイルの外側に引き込まれた外気は、円筒コイルの外側を流通して円筒コイルの外面を冷却する。引き込まれたこれらの外気は、エアギャップに露出するように装備された複数のマグネットおよびエアギャップに配置されている円筒コイルの両面を冷却し、流通した後に、回転子の外側円筒空路形成体の排気孔を介し、冷却補助具の連通口を経由し、外部に排出される。

本発明のコアレス・ブラシレスモータが始動すると、回転子の底部の吸気孔と、外側円筒空路形成体の排気孔と、冷却補助具の連通口とが連動し、回転子周囲に圧力差を発生させ、それにより、吸気孔および第３空隙から外気を取り込み、取り込まれた外気はエアギャップ内を流通し、冷却し、しかる後に排気孔を介し連通口を経由して外部に排出されるように、動作する。

技術的観点から興味深いことは、第３空隙の働きにある。回転子の底部に吸気孔を有するが外側円筒空路形成体の円周に排気孔を有しない回転子からなるコアレス・ブラシレスモータを作動すると、第３空隙は排気孔として働く。具体的には、回転子周囲の圧力差によって、回転子底部の吸気孔から内側円筒空路形成体の内側空間または第２空隙に引き込まれた外気は、エアギャップに配置されている円筒コイルの内側を通り外側を経由して第３空隙から排出されるためである。ところが、外側円筒空路形成体の底部に近い円周にエアギャップに通じる排気孔が穿設されると、回転子周囲の圧力差は、吸気孔から内側円筒空路形成体の内側空間または第２空隙に外気を引き込むと同時に、第３空隙からも外気を排気孔に向けてエアギャップ内に引き込む。すなわち第３空隙は吸気孔として働くように機能を変化させることになる。

本発明の第１の態様は、図１および図２に示されるように、底部４２０と内側円筒空路形成体５００および外側円筒空路形成体６００と複数のマグネットとを有する回転子３と、回転子３に対向するように配備される通電可能な無鉄心の円筒コイル２００が固定された固定子２とからなる、底部４２０と内側円筒空路形成体５００とで形成される空間５４０に外気を取り入れように底部４２０に複数の吸気孔４３０が形成され、空間５４０と連通する、内側円筒空路形成体５００と外側円筒空路形成体６００とからなるエアギャップ４０に通じる複数の排気孔６６０が外側円筒空路形成体６００の底部６２０に近接する円周に帯状に設けられている無鉄心のブラシレス回転電気機械１における外側円筒空路形成体６００の、外側円筒空路形成体６００と内側円筒空路形成体５００とを接続する接続部に近接する円周に嵌装固定される円環で構成された冷却補助具７００であって、外側円筒空路形成体６００の排気孔６６０に一致するように設けられた複数の放射状の連通口７２０を有する冷却補助具に関するものである。

冷却補助具７００は、外側円筒空路形成体６００に対し、着脱自在に嵌装固定される樹脂製リングからなる円環で構成され、外側円筒空路形成体６００の排気孔６６０に対応する連通口７２０が形成されており、連通口７２０は、少なくとも排気孔６６０の内径Φおよび長さＬを有することが好ましい。

本発明の第２の態様は、図１および図２に示されるように、無鉄心の円筒コイル２００を備えた固定子２を含むブラシレス回転電気機械１を構成する、底部４２０と内側円筒空路形成体５００および外側円筒空路形成体６００とを有する回転子３は、底部４２０と内側円筒空路形成体５００とで形成される空間５４０に外気を取り入れるための底部４２０に形成された複数の吸気孔４３０を有し、回転軸１００に固定される回転子３に対向するように回転軸１００に回転自在に支持された固定子２の円筒コイル２００を浮かせた状態で配置される内側円筒空路形成体５００と外側円筒空路形成体６００とでエアギャップ４０を形成し、かつ、エアギャップ４０に複数のマグネット４を露出するように装備し、エアギャップ４０の閉鎖された外側円筒空路形成体６００の底部６２０に近接する円周にエアギャップ４０に通じる複数の排気孔６６０を帯状に穿設し、排気孔６６０に対応する複数の放射状の連通口７２０が設けられた円環からなる冷却補助具７００を、排気孔６６０に連通口７２０を一致するように外側円筒空路形成体６００に嵌装固定した無鉄心の円筒コイル２００を備えた固定子２を含むブラシレス回転電気機械１に関するものである。

無鉄心の円筒コイル２００を備えた固定子２を含むブラシレス回転電気機械１を構成する外側円筒空路形成体６００に着脱自在に嵌装固定される樹脂製リングからなる冷却補助具７００に形成された連通口７２０は、外側円筒空路形成体６００の排気孔６６０に対応するように、少なくとも排気孔６６０の内径Φおよび長さＬを有することが好ましい。

本発明の第１の態様および第２の態様から明らかなように、無鉄心の円筒コイル２００を備えた固定子２を含むブラシレス回転電気機械１は、回転子３の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、空間５４０に吸気孔４３０から外気７０を引き込み、回転子３の周囲の圧力差は、空間５４０に引き込まれた外気７０をエアギャップ４０に配置される円筒コイル２００の内側を流通させ、流通する外気７０は、エアギャップ４０に露出するように装備された複数のマグネット４および円筒コイル２００を冷却し、外側円筒空路形成体６００の排気孔６６０を介し、冷却補助具７００の連通口７２０を経由し、外部に排出させるようにしたことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、図１および図２に示されるように、通電可能な無鉄心の円筒コイル２００、および、円筒コイル２００の一方の端面２０１が固定されて中心部３１０に駆動シャフト１００が回転自在に連結されている蓋型マウント３００を有する固定子２と、駆動シャフト１００が中心部４１０に連結固定されて蓋型マウント３００の対極に配備されている、底部４２０と内側円筒空路形成体５００および外側円筒空路形成体６００とを有するカップ型マウント４００、および、外側円筒空路形成体６００の内周面６１０および／または内側円筒空路形成体５００の外周面５２０に配備されている複数のマグネット４を有する回転子３と、を含み、
カップ型マウント４００は、底部４２０と内側円筒空路形成体５００および外側円筒空路形成体６００とで第１空隙のエアギャップ４０が形成されており、エアギャップ４０に、複数のマグネット４を露出するように配備され、円筒コイル２００の他方の端面２０２が底部４２０との間で隙間４２を残して円筒コイル２００を浮かせた状態で配置し、カップ型マウント４００の開放端面５３０、６３０と蓋型マウント３００との間に円筒コイル２００の内側に位置する空間の第２空隙２０、および、円筒コイル２００の外側に位置する外気に通じる第３空隙３０を有する無鉄心の円筒コイル２００を備えた固定子２を含むブラシレス回転電気機械１であって、
カップ型マウント４００は、底部４２０に第２空隙２０に通じる吸気孔４３０を有し、外側円筒空路形成体６００の底部６２０に近接する円周にエアギャップ４０に通じる複数の排気孔６６０を帯状に穿設し、排気孔６６０に対応する複数の放射状の連通口７２０を設けた円環で構成する冷却補助具７００を、連通口７２０を排気孔６６０に一致させて外側円筒空路形成体６００に嵌装固定するようにし、回転子３の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、吸気孔４３０から第２空隙２０に引き込まれた外気７０および第３空隙３０からエアギャップ４０に引き込まれた外気８０は、エアギャップ４０内を流通し、エアギャップ４０に露出するように配備された複数のマグネット４およびエアギャップ４０に配置されている円筒コイル２００の両面を冷却し、外側円筒空路形成体６００の排気孔６６０を介し、冷却補助具７００の連通口７２０を経由し、外部に排出されるようにしたことを特徴とする無鉄心の円筒コイル２００を備えた固定子２を含むブラシレス回転電気機械１に関するものである。

無鉄心の円筒コイル２００を備えた固定子２を含むブラシレス回転電気機械１を構成する外側円筒空路形成体６００に着脱自在に嵌装固定される樹脂製リングからなる冷却補助具７００に形成された連通口７２０は、外側円筒空路形成体６００の排気孔６６０に対応するように、少なくとも排気孔６６０の内径Φおよび長さＬを有することが好ましい。

無鉄心の円筒コイル２００を備えた固定子２を含むブラシレス回転電気機械１を構成する通電可能な無鉄心の円筒コイル２００は、長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートの複数で構成された積層体構造を有する円筒形であって、導電性金属シートの各々の線状部が絶縁層で覆われていることが好ましい。

本発明の第３の態様から明らかなように、無鉄心の円筒コイル２００を備えた固定子２を含むブラシレス回転電気機械１は、回転子３の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、第２空隙２０に吸気孔４３０から外気７０を引き込むと同時に、エアギャップ４０に第３空隙３０から外気８０を引き込み、回転子３の周囲に発生する圧力差は、第２空隙２０に引き込まれた外気７０をエアギャップ４０に配置される円筒コイル２００の内側を流通させ、エアギャップ４０に引き込まれた外気８０を円筒コイル２００の外側を流通させ、流通させた外気により、エアギャップ４０に露出するように配備された複数のマグネット４およびエアギャップ４０に浮かせた状態で配置された円筒コイル２００の両面を冷却し、さらに、流通させた外気を、外側円筒空路形成体６００の排気孔６６０を介し、冷却補助具７００の連通口７２０を経由し、外部に排出させることを特徴とする。

用語として、内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体は通常磁性体からなるので、内側円筒空路形成体をインナーヨークとし、外側円筒空路形成体をアウターヨークとする。また無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械は、コアレス・ブラシレスモータと略すことにする。

本発明の一実施形態であるコアレス・ブラシレスモータを表す模式図である。 冷却効果を評価するための測定実験に用いる被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０の断面図である。 図２に示されるコアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０のアウターヨークに嵌装固定される冷却補助具の正面図および上面図である。 図２および３に示されるコアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０に基づく冷却効果を評価するための測定実験の概要図である。 ＣＰＨ５０を４８Ｖで駆動した場合の冷却効果を評価するための測定実験の結果のグラフである。 図５の測定実験の測定データ表である。 ＣＰＨ５０を２４Ｖで駆動した場合の冷却効果を評価するための他の測定実験の結果のグラフである。 図７の他の測定実験の測定データ表である。 ＣＰＨ５０を３６Ｖで駆動した場合の他のもう一つの冷却効果を評価するための他の測定実験の結果のグラフである。 図９の他のもう一つの測定実験の測定データ表である。 （参考）図３の冷却補助具と異なる形状を有する第２冷却補助具の正面図および上面図である。 （参考）図１１の第２冷却補助具を用いた被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０に基づく冷却効果を評価するための（４８Ｖ、２４Ｖ、３６Ｖによる）測定実験の測定データ表である。

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

そこで本発明を特徴づける図１に示される本発明のコアレス・ブラシレスモータ１の基本構造について概観すると、基本構造の特徴は、第１に、固定子２を構成する通電可能なコイル体として、導電性金属シートの積層体構造によって成形された円筒コイルを用いたことにある。それは、円筒コイルおよびその製造方法として、例えば特許文献８に記載されているように、長手方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートの複数で構成された積層体構造を有する円筒形であって導電性金属シートの各々の線状部が絶縁層で覆われており、好ましくは、２層または４層からなる厚さが５ｍｍ以下の一定の剛性を有するものである。

基本構造の特徴の第２に、それは、円筒コイルの一方の端面を、固定子２を構成する蓋型マウントの内周面によって閉鎖し、円筒コイルの開放された他方の端面を、回転子３を構成するカップ型マウントの底部と複数のマグネット（永久磁石）４が装備された磁性体からなるアウターヨークおよびインナーヨークとによって、断面ドーナツ状の磁界が形成される第１空隙のエアギャップに浮かせた状態で、挿入配置する構造を有する。

さらに詳細には、エアギャップに挿入配置されている円筒コイルは、その内周面および外周面を回転子３のアウターヨークの内周面およびインナーヨークの外周面に接しないように、かつ、その他方の端面を、回転子３を構成するカップ型マウントの底部に接しないように、エアギャップ内に僅かの隙間を空け浮かせた状態になる。それは、円筒コイルがこのように配置されるように固定子２および回転子３を駆動シャフトに配置する構造を有するものである。

基本構造の特徴の第３に、それは、固定子２と円筒コイルと回転子３とによって、円筒コイルの内側空間の第２空隙２０および円筒コイルの外側空間で外気に接する第３空隙３０を形成する構造を有するものである。より詳細には、第２空隙２０は、回転子３に一体化されたアウターヨークおよびインナーヨークの開放された開放端面と該開放端面に対置する固定子２の内面との間に、固定子２の内面によって閉鎖された円筒コイルの内周面に形成される。当然、その空隙はエアギャップに通じる。

回転子３を構成するカップ型マウントの底部に複数の吸気孔が設けられている本発明のコアレス・ブラシレスモータ１を作動させると、回転子３の回転により発生する回転子３の周囲の圧力差によって、吸気孔から第２空隙に外気を引き込むように作用する。また第３空隙は、固定子２の内面によって閉鎖された円筒コイルの外周面にエアギャップと外気との間に形成される。そうなると、円筒コイルの内周面と固定子２の内面とで形成される閉鎖空間となる第２空隙は、エアギャップに連通し、回転子３の内面を経て円筒コイルの外周面と固定子２の内面とアウターヨークの開放端面とで形成される開放空間となる第３空隙とのみ連通させることができる。

本発明のコアレス・ブラシレスモータ１をアウターヨークにエアギャップに通じる排気孔を有しない構成にして作動すると、回転子３の周囲の圧力差によって吸気孔から第２空隙に引き込まれた外気は、円筒コイルの内周面を通り、外周面を経由して第３空隙から外部に排出される。すなわち回転子３の底部に設けられた吸気孔が外気の入り口で、第３空隙が排気のための出口になるためである。

しかし、本発明のコアレス・ブラシレスモータ１は、エアギャップに通じる排気孔をアウターヨークに穿設し、かつ、排気孔に対応する連通口を有する冷却補助具を、連通口を排気孔に一致させて嵌装固定されたものである。そうなると、回転子３の周囲の圧力差によって、吸気孔から第２空隙に外気を取り込む一方、第３空隙３０が排気孔から吸気孔の働きに変わるため、第３空隙３０から別途に外気が取り込まれる。いずれの外気もエアギャップを通り、アウターヨークに穿設した複数の排気孔を介し、連通口から外部に排出されることになる。

より明らかなことは、本発明のコアレス・ブラシレスモータ１は、回転子３の回転数が高まるほど、すなわち出力Ｐが大きくなればなるほど、回転子３の周囲の圧力差も大きくなり、取り込まれる外気量が増大し、冷却効果も増すという画期的な技術的特徴を有する。それは上記した本発明のコアレス・ブラシレスモータ１の基本構造に由来する。すなわち、磁束密度が大きい狭隘のエアギャップに回転数が高まると増大する鉄損が存在しないコアレスの円筒コイルを浮かせた状態で挿入配置し、一方で、閉鎖空間の第２空隙２０に取り込まれた外気でエアギャップに配置されている円筒コイルの内周面を冷却し、他方で、その時に形成される負圧状態によってエアギャップに第３空隙から別途に取り込まれた外気で円筒コイルの外周面を冷却し、そして、外気はいずれもアウターヨークの複数の排気孔を介し連通口から外部に排出されるように作用する構造からなる本発明のコアレス・ブラシレスモータとしての特徴に由来する。

［連通口による冷却効果を評価するための測定実験］
本発明の被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０の使用領域を４８Ｖに設定した場合の冷却効果を評価するため、被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０を作動し、回転子３の周囲に発生する圧力差によって、回転子３を構成する底部４２０に設けられた複数の吸気孔４３０および第３空隙３０から取り込まれた外気による冷却効果を以下の３パターンに基づき評価した。
［１］比較例Ａ：冷却補助具７００を用いることなく、かつ、排気孔６６０を設けないＣＰＨ５０を作動させた場合、すなわち、このパターンは、第３空隙３０が排気孔としての働きをする場合である。
［２］比較例Ｂ：冷却補助具７００を用いることなく、吸気孔４３０から取り込まれた外気および第３空隙３０から取り込まれた外気をアウターヨーク６００の排気孔６６０から外部に排出するようにＣＰＨ５０を作動させた場合、このパターンは、第３空隙３０が吸気孔としての働きをする場合である。
［３］本発明の測定例Ｃ：吸気孔４３０から取り込まれた外気および第３空隙３０から取り込まれた外気をアウターヨーク６００の排気孔６６０を介し、アウターヨーク６００に嵌装固定された冷却補助具７００の連通口７２０から外部に排出するようにＣＰＨ５０を作動させた場合、このパターンは、第３空隙３０が吸気孔としての働きをし、取り込まれた外気が排気孔６６０を経由し連通口７２０から外部に排出される場合である。

図２は、被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０の断面図（ａ）および正面図（ｂ）を表す。なお、図示されていないが、円筒コイルの温度測定のためのセンサは、円筒コイルの第３空隙に露出した部分の付近に取り付けた。

被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０について概説すると、第１に、厚みは１．８５ｍｍで外径は３２．２ｍｍの円筒コイルは、幅６．２５ｍｍで長手方向の長さが４２．５５ｍｍの第１空隙のエアギャップ４０に挿入配置される。マグネット４は、断面図（ｂ）に示されるように、厚さ３．５ｍｍの直方体からなる６個のネオジム磁石を長手方向に２．５７ｍｍの間隔を空けてアウターヨークの内周面に配備される。

回転子３に一体化されたアウターヨーク６００およびインナーヨーク５００の開放端面５３０，６３０と該開放端面に対置する固定子２の内面との間に、２．５ｍｍ幅の第２空隙２０および１．５ｍｍ幅の第３空隙３０が形成されている。また、アウターヨーク６００の、アウターヨーク６００とインナーヨーク５００とを接続する接続部に近接する帯状の円周には直径３ｍｍの排気孔６６０が２４個穿設されている。排気孔６６０を有しないＣＰＨ５０を想定するパターンを測定する場合には、これらの排気孔６６にアウターヨークの外周面側から樹脂テープを貼り付けることによって、これに対応した。また円筒コイル２００の内周面とインナーヨーク５００の外周面との間隙は０．５ｍｍであり、円筒コイル２００の外周面とネオジム磁石４の内周面との間隙は０．４ｍｍである。

図３に示されるように、アウターヨーク６００に嵌装固定される樹脂製リングからなる冷却補助具７００は、内径Φが４６．４ｍｍ、外径Φが６２ｍｍであり、アウターヨーク６００の排気孔６６０に対応する２４個の連通口７２０の直径は３．５ｍｍであり、放射状に延びた連通口の長さは７．８ｍｍになる。因みに、アウターヨーク６００の２４個の排気孔６６０の直径は３ｍｍであり、長さは３．１５ｍｍになる。したがって、排気孔６６０の長さに連通口７２０の長さを加えると、外気が排気される通路の長さは１０．９５ｍｍになる。これにより遠心力による排出圧力はより大きくなり、冷却効果もより高くなる。

図４は、実験装置の概要図である。本測定実験では、被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０の出力軸にトルク計（ＵＮＩＰＵＬＳＥ ＴＭ３０１）９２０を接続したトルクセンサ（ＵＮＩＰＵＬＳＥ ＵＴＭ ＩＩ−５Ｎｍ）９３０を介して発電機（ｍ−ｌｉｎｋ ＣＰ８０４８）８００を連結し、発電機８００が発電する電力を可変負荷（三相ＰＷＭ方式駆動電源：ＩＣＡＮ ＴＥＣ ＢＬＤ７５０）８１０を外部可変抵抗器等で消費させることで生じる負荷トルクおよび回転数から導かれる出力動力と被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０への入力電力は、駆動電源から供給される電圧と電流と駆動状態の力率によるため、モータ駆動装置９００と被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０との間に電力計（ＨＩＯＫＩ ＰＷ３３３６）９１０を入れて測定するようにした。

被測定コアレス・ブラシレスモータＣＰＨ５０のアウターヨーク６００の２４個の排気孔６６０の位置に連通口７２０を合わせ、冷却補助具７００をアウターヨーク６００にズレ止めして嵌装固定する。測定項目は、ＣＰＨ５０の円筒コイル２００の温度上昇の上限（飽和温度）を１１７℃に設定した負荷トルク、回転数、電流、入力電力の４点である。図５は、これらの条件で、［１］比較例Ａ、［２］比較例Ｂ、および、［３］本発明の測定例Ｃの各負荷トルク（Ｔ／Ｎｍ）とＣＰＨ５０の回転数（Ｎ／ｒｐｍ）との関係を表す測定値に基づくグラフである。また図６はそれらの測定値のデータ表である。

測定手順は以下の通りである。最初に駆動装置９００への入力電力を４８Ｖにセットする。次にＣＰＨ５０の回転数を任意に設定する。さらに発電機８００の可変負荷８１０による可変抵抗によってトルク計９２０で負荷トルクＴ／Ｎｍを調整しながら順次上げていく。次にＣＰＨ５０の円筒コイル２００の温度を測定し、飽和温度１１７℃に達しないときは、再度負荷トルクＴ／Ｎｍを調整する。最終的に円筒コイル２００の温度が飽和温度１１７℃に達したときの負荷トルクＴ／Ｎｍを測定した。

［測定実験の評価］
図５のＡラインは、アウターヨーク６００に穿設した２４個の排気孔６６０を樹脂テープで閉じた場合、すなわち［１］比較例Ａの被測定ＣＰＨ５０を構成する円筒コイル２００の温度が飽和温度１１７℃のときの測定値である。図５のＡラインの左側領域は、被測定ＣＰＨ５０の正常運転領域になる。したがって、被測定ＣＰＨ５０は、図５の実線で示すＡラインの右側領域においては、被測定ＣＰＨ５０の円筒コイルの発熱やマグネットの加熱に伴い性能面から正常運転を期待できなくなる。

こうした性能低下を防ぐための技術的手段の一つがアウターヨーク６００にエアギャップ４０に通じるように穿設した排気孔６６０によって冷却機能を付加することである。それが［２］比較例Ｂの場合であり、図５のＢラインで表される。具体的には、［２］比較例Ｂの被測定ＣＰＨ５０を構成する円筒コイル２００の温度が飽和温度１１７℃のときの測定値である。図５のＢラインは、図５のＡラインに比べ回転全域で負荷トルクが増大し、排気孔６６０が被測定ＣＰＨ５０の正常運転領域を拡大させたことを示し、排気孔６６０のない被測定ＣＰＨ５０より冷却効果が高いことがこれで確認される。

図５のＣラインは、アウターヨーク６００に穿設した２４個の排気孔６６０に対応する放射状の連通口７２０を有する冷却補助具７００をアウターヨーク６００に嵌装固定された［３］本発明の測定例Ｃの被測定ＣＰＨ５０を構成する円筒コイル２００の温度が飽和温度１１７℃のときの測定値である。［２］比較例Ｂの被測定ＣＰＨ５０との構成上の違いは、図３に示された冷却補助具７００を、連通口７２０を２４個の排気孔６６０に一致させて嵌装固定した点にある。そのことは、外気が排出される通路の長さが、アウターヨークの厚みに一致する排気孔６６０の長さが３．１５ｍｍであったものが、連通口７２０の長さ７．８ｍｍを加えた１０．９５ｍｍになったことである。通路の長さが伸びた分だけ遠心力が増すことによって排出される外気の流速が高まり、吸気孔４３０および第３空隙から取り込まれる外気量が増える結果、［３］本発明の測定例Ｃの被測定ＣＰＨ５０の冷却効果がさらに一段と高まることがこれで確認される。

図７および図８は、駆動装置９００への入力電力を２４Ｖにセットした場合のグラフと測定値データ表である。また図９および図１０は、駆動装置９００への入力電力を３６Ｖにセットした場合のグラフと測定値データ表である。いずれも［３］本発明の測定例Ｃの被測定ＣＰＨ５０を構成する円筒コイル２００の温度が飽和温度１１７℃のときの測定値をみると、［１］比較例Ａおよび［２］比較例Ｂに比べ、回転全域で負荷トルクが増大し、被測定ＣＰＨ５０の正常運転領域を拡大させていることが確認される。２４Ｖ、３６Ｖ、および、４８Ｖに設定された被測定ＣＰＨ５０の正常運転領域は、高速回転になるほど拡大し、冷却効果が高いことがこれでも確認される。

参考のため、図１１に別形状の冷却補助具７００’を示す。図３の冷却補助具７００との違いは連通口７２０の長さが異なる点のみである。別形状の冷却補助具７００’の連通口７２０’の長さが３．８ｍｍであり、連通口７２０の長さ７．８ｍｍの１／２以下である。外気が排出される通路の長さが短い分だけ遠心力が低く排出される外気の流速も小さい。したがって、吸気孔４３０および第３空隙３０から取り込まれる外気量も少ない結果、図５、図７、図９のＤラインに示されるように、Ｃラインの左側に飽和温度１１７℃のときの測定値が示される。

また、吸気孔４３０を閉鎖した被測定ＣＰＨによるパターンは、今回の測定実験には含まれていない。その場合は、説明するまでもなく、取り込まれる外気が十分でないため、冷却効果は低くなり、飽和温度１１７℃のときの測定値が図５のＡラインより左側に位置することなる。

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

１ 無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械またはコアレス・ブラシレスモータ
２ 固定子
３ 回転子
４ マグネット

２０ 第２空隙
３０ 第３空隙
４０ 第１空隙のエアギャップ
４１ 内側間隙
４２ 中間間隙
４３ 外側間隙
７０ 第２空隙に引き込まれた外気
８０ 第３空隙から引き込まれた外気

１００ 駆動シャフト

２００ 円筒コイル
２０１ 円筒コイルの（固定）端面
２０２ 円筒コイルの（開放）端面

３００ 蓋型マウント
３１０ 蓋型マウントの中心部

４００ カップ型マウント
４１０ カップ型マウントの中心部
４２０ カップ型マウントの底部
４３０ 吸気孔
４３１ 吸気孔フィルタ

５００ 内側円筒空路形成体またはインナーヨーク
５３０ 内側円筒空路形成体またはインナーヨークの開放端面
５４０ 内側円筒空路形成体またはインナーヨークの内側空間

６００ 外側円筒空路形成体またはアウターヨーク
６３０ 外側円筒空路形成体またはアウターヨークの開放端面
６６０ 外側円筒空路形成体またはアウターヨークの底部に穿設した排気孔

７００ 冷却補助具
７２０ 冷却補助具の連通口

８００ 発電機
８１０ 可変負荷

９００ 駆動装置
９１０ 電力計
９２０ トルク計
９３０ トルクセンサ

Claims (10)

1. 固定子と回転子とを備える回転電気機械の前記回転子に嵌装固定される、円環で構成された冷却補助具であって、
   前記回転電気機械は、前記回転子の円周に複数の排気孔が穿設されてあり、
   前記冷却補助具は、前記複数の排気孔に対応する複数の放射状の連通口を有し、前記円周の位置において前記回転子の外周側に嵌装固定されることを特徴とする冷却補助具。
2. 前記冷却補助具は、前記外側円筒空路形成体に着脱自在に嵌装固定されるように、樹脂製リングからなる円環で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却補助具。
3. 前記連通口の内径は前記排気孔の内径以上であり、かつ、前記連通口の長さは前記排気孔の長さ以上であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の冷却補助具。
4. 無鉄心の円筒コイルを有する固定子と、前記固定子に対向するように配置された、底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体と回転軸とを有する回転子と、を備えた回転電気機械であって、
   前記底部は、前記底部と前記内側円筒空路形成体とで形成される空間に外気を取り入れるための複数の吸気孔を有し、
   前記固定子は、前記回転軸を回転自在に支持し、
   前記内側円筒空路形成体と前記外側円筒空路形成体との間に形成されるエアギャップには、前記円筒コイルが配置され、かつ、前記回転子には、複数のマグネットが前記エアギャップに露出するように装備され、
   前記外側円筒空路形成体の、前記内側円筒空路形成体と前記外側円筒空路形成体とを接続する接続部に近接する円周に、前記エアギャップに通じる複数の排気孔が穿設され、
   前記排気孔に対応する複数の放射状の連通口が設けられた円環からなる冷却補助具が、前記排気孔の位置に前記連通口の位置を一致するように前記外側円筒空路形成体の外周側に嵌装固定されていることを特徴とする回転電気機械。
5. 前記冷却補助具は、樹脂製であり、前記外側円筒空路形成体に着脱自在に嵌装固定されることを特徴とする請求項４に記載の回転電気機械。
6. 前記連通口の内径は前記排気孔の内径以上であり、かつ、前記連通口の長さは前記排気孔の長さ以上であることを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の回転電気機械。
7. 通電可能な無鉄心の円筒コイル、および、前記円筒コイルの一方の端面が固定されて中心部に駆動シャフトが回転自在に連結されている蓋型マウントを有する固定子と、
   前記駆動シャフトが中心部に連結固定されて前記蓋型マウントに対向するように配置されている、底部と内側円筒空路形成体および外側円筒空路形成体とを有するカップ型マウント、および、前記外側円筒空路形成体の内周面および／または前記内側円筒空路形成体の外周面に配備されている複数のマグネットを有する回転子と、
   を含み、
   前記カップ型マウントは、前記内側円筒空路形成体と前記外側円筒空路形成体との間に第１空隙のエアギャップが形成されており、前記エアギャップに、前記複数のマグネットが露出するように配備され、前記円筒コイルの他方の端面が前記内側円筒空路形成体と外側円筒空路形成体とを接続する接続部との間で隙間を残して前記円筒コイルを浮かせた状態で配置され、前記カップ型マウントの開放端面と前記蓋型マウントとの間に前記円筒コイルの内側に位置する空間の第２空隙、および、前記円筒コイルの外側に位置する外気に通じる第３空隙を有する無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械であって、
   前記カップ型マウントは、前記底部に前記第２空隙に通じる吸気孔を有し、前記外側円筒空路形成体の前記接続部に近接する円周に前記エアギャップに通じる複数の排気孔が穿設され、前記排気孔に対応する複数の放射状の連通口を設けた円環で構成する冷却補助具が、前記連通口の位置を前記排気孔の位置に一致させて前記外側円筒空路形成体の外周側に嵌装固定されてあり、
   前記回転子の回転により発生する前記回転子の周囲の圧力差によって、前記吸気孔から前記第２空隙に引き込まれた外気および前記第３空隙から前記エアギャップに引き込まれた外気は、前記エアギャップ内を流通し、前記エアギャップに露出するように配備された前記複数のマグネットおよび前記エアギャップに配置されている前記円筒コイルの両面を冷却し、前記外側円筒空路形成体の前記排気孔を介し、前記冷却補助具の前記連通口を経由し、外部に排出されるようにしたことを特徴とする無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械。
8. 前記冷却補助具は、樹脂製であり、前記外側円筒空路形成体に着脱自在に嵌装固定されることを特徴とする請求項７に記載の回転電気機械。
9. 前記連通口の内径は前記排気孔の内径以上であり、かつ、前記連通口の長さは前記排気孔の長さ以上であることを特徴とする請求項７または８のいずれかに記載の回転電気機械。
10. 前記円筒コイルは、円筒の軸方向に離間された複数の線状部を有する導電性金属シートの複数で構成された積層体構造を有する円筒形であって、前記導電性金属シートの各々の前記線状部が絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項４から９のいずれかに記載の無鉄心の円筒コイルを備えた固定子を含むブラシレス回転電気機械。

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