JP2010135566A - 電磁コイルおよび電気機械装置および電気機械装置を用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁コイルの軽量化を目的とする。
【解決手段】導電性の線材が巻かれて形成される電磁コイル３０であって、前記線材１０は、導電性繊維１００と、前記導線性繊維の周囲に設けられた絶縁層１１０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁コイル、電磁コイルを用いる電気機械装置、及びそれらの応用装置に関する。

モータや発電機などの電気機械装置には電磁コイルが使われている（例えば特許文献１）。

特開２００１−２９８９８２号公報

しかし、従来は、電磁コイルに巻く線材として銅などの金属を用いていたため、電磁コイルの軽量化が難しいという問題があった。

本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、電磁コイルの軽量化を目的とする。

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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
導電性の線材が巻かれて形成される電磁コイルであって、前記線材は、導電性繊維と、 前記導線性繊維の周囲に設けられた絶縁層と、を備える電磁コイル。
この適用例によれば、コイルの線材として導電性繊維を用いるので、電磁コイルの軽量化が可能となる。

［適用例２］
適用例１に記載の電磁コイルにおいて、前記導電性繊維はカーボンナノチューブである、電磁コイル。
この適用例によれば、導電性繊維としてカーボンナノチューブを用いるので、電気伝導性を高めることが可能となる。

［適用例３］
適用例１または適用例２のいずれかに記載の電磁コイルにおいて、前記絶縁層は、シリカガラス層である、電磁コイル。
この適用例によれば、絶縁層としてシリカガラスを用いるので、絶縁性をより高めることが可能となる。

［適用例４］
適用例１から適用例３のいずれかに記載の電磁コイルにおいて、前記導電性繊維の両端に電極端子がナノコーティングされている、電磁コイル。
この適用例によれば、導電性繊維の両端に電極端子がナノコーティングされているので、外部電極との接続が容易になる。

［適用例５］
適用例２、適用例２を引用する適用例３、適用例２を引用する適用例４、適用例２を引用する適用例３をさらに引用する適用例４、のいずれかに記載の電磁コイルにおいて、前記カーボンナノチューブのチューブ内に冷媒を流している電磁コイル。
この適用例によれば、カーボンナノチューブを内側から冷却することが可能となる。

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、電磁コイルの他、電気機械装置、これを用いた各種の装置（例えば、電動モータ、発電機、それらを用いたアクチュエータや電子機器、移動体、ロボット等）等、様々な形態で実現することができる。

図１は、本発明の実施例に係る電磁コイルを示す説明図である。電磁コイル３０は、例えば、モータや発電機などの電気機械装置に用いられる。電磁コイル３０には、コイルを形成する配線として導電性繊維が巻かれている。一般に、電磁コイル３０に掛かる力Ｆは、Ｆ=Ｂｔ・Ｎｃ・Ｉｃで表される。ここで、Ｂｔは磁石の磁束密度、Ｎｃはコイルの巻き数、Ｉｃはコイルに流れる電流である。磁束密度Ｂｔは、モータの永久磁石により決まるので、電磁コイル３０において調整可能なものは、巻き数Ｎｃと電流Ｉｃである。力Ｆを大きくするには、巻き数Ｎｃを多くするか、電流Ｉｃを大きくする必要がある。ここで、コイルとして銅配線を用いると、配線の太さや重量の問題から巻き数Ｎｃを多くすることは難しく、また、電流Ｉｃを大きくすることも難しかった。本実施例では、コイルを形成する配線として導電性繊維を用いているので、配線が細く、軽量である。そのため巻き数Ｎｃを多くすることが出来る。さらに、巻き数Ｎｃを多くしても銅などの金属配線を用いるよりも軽量化することが可能である。また、本実施例では、コイルを形成する配線として導電性繊維を用いているため、加圧することにより、コイルの形状を自由に変形させることが可能である。

図２は、コイルを形成する配線の構造を示す説明図である。配線１０は、カーボンナノチューブ１００と、絶縁層１１０とを備える。カーボンナノチューブ１００（Carbon nanotube、略称CNT）の内側は空洞１０５となっている。絶縁層１１０は、カーボンナノチューブ１００の外周に形成されている。

図３は、カーボンナノチューブの構造を示す説明図である。カーボンナノチューブ１００は、Ｓｐ²混成軌道を持った炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層（同図（Ａ））あるいは多層（同図（Ｂ））の同軸管状になった物質をいう。カーボンナノチューブ１００は、非局在化したπ電子を有している。このπ電子は、カーボンナノチューブ１００の表面を移動することが可能なため、カーボンナノチューブ１００は、電気伝導性を有している。したがって、カーボンナノチューブ１００は、導電性繊維として機能する。また、カーボンナノチューブ１００の六員環ネットワークは、共有結合で構成されているので、結合強度が極めて強い。

図４は、カーボンナノチューブの製造装置の一例を示す説明図である。アーク放電装置１２０は、陽極１２５と、陰極１３０と、チャンバー１３５を備える。陽極１２５と陰極１３０は、グラファイトで構成されている。陽極１２５と陰極１３０は、チャンバー１３５内に配置されている。チャンバー１３５内を、例えばヘリウムで満たし、陽極１２５と陰極１３０とを軽く接触させる。次に陽極１２５と陰極１３０の間に、約２０Ｖ、１００Ａの電流を流す。こうすると、アーク放電が起こり、陽極１２５の炭素が蒸発する。

蒸発した炭素の約半分は、気相で凝集して煤を形成し、チャンバー１３５の内壁に堆積する。蒸発した炭素の残りの半分は、陰極１３０に直接凝集し、炭素質の堆積物を形成する。この堆積物中にカーボンナノチューブ１００が生成・成長する。ここで、陽極１２５が触媒、例えば鉄やコバルトやニッケル、を含んでいると、生成するカーボンナノチューブ１００は単層となり易い。一方、陽極１２５が、これらの触媒金属を含んでいないと、生成するカーボンナノチューブ１００は多層となり易い。なお、生成したカーボンナノチューブ１００は絡み合っているため、次に、生成したカーボンナノチューブ１００を一本ずつ取り出すための処理を行う。

図５は、カーボンナノチューブの分散処理に用いられるピレン系有機化合物の一例を示す説明図である。まず、疎水基と親水基の両方を有するピレン系有機物１４０を準備した。このピレン系有機物１４０は、中心部にピレンを有する扇形をしている。ピレン系有機物１４０は、扇の中心に疎水基（疎水性部分）を有し、扇が広がる部分に親水基（親水性部分）を有している。このピレン系有機物１４０とカーボンナノチューブ１００とをアルコール中に入れて攪拌すると、絡み合っていたカーボンナノチューブ１００は、バラバラになり、均一にアルコール中に分散する。次に、水を加えると、カーボンナノチューブ１００と結合されているピレン系有機物１４０の疎水基が自発的に寄り集まりナノファイバーを形成する。次にテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）のゾルゲル重合により、絶縁処理を行った。これにより、ＴＥＯＳからシリコンが遊離して重合し、シリカガラス層が形成される。

図６は、絶縁処理されたカーボンナノチューブを示す説明図である。カーボンナノチューブ１００は、その外壁にピレン系有機物１４０を有し、さらにその外側にシリカガラス層１５０を有している。ここで、シリカガラス層１５０は、カーボンナノチューブ１００上に、ほぼ均一にコーティングされている。一般に、銅配線は、ショートしないように、例えばエナメルによりコーティングされているが、本実施例のカーボンナノチューブ１００は、より絶縁性の高いシリカガラス層１５０によって均一のコーティングされている。また、カーボンナノチューブ１００は規則正しく配列しており、有機物により自己組織化の効果が見られた。

以上、本実施例によれば、シリカガラス層１５０でコーティングされた１本のカーボンナノチューブ１００を取り出すことが可能となる。これにより、カーボンナノチューブ１００を線材とする電磁コイルを作成することが可能となる。

図７は、カーボンナノチューブの中に冷媒を流している状態を示す説明図である。カーボンナノチューブ１００の外壁部には、シリカガラス層１５０と、電極端子１６０とが形成されている。電極端子１６０は、例えば酸化チタンなどの金属で構成されており、ゾルゲル技術により、カーボンナノチューブ１００の外壁にナノコーティングすることにより形成することが可能である。また、カーボンナノチューブ１００は、中に空洞１０５を有しており、この空洞１０５には、冷媒１７０を流すことが可能である。

図８は、カーボンナノチューブの断面と冷媒に用いることが可能な各種分子の大きさを示す説明図である。カーボンナノチューブ１００の空洞１０５の直径は、例えば、水素分子、窒素分子、酸素分子の大きさよりも大きい。したがって、これらの気体分子を冷媒として用いることが可能である。同図には示していないが、冷媒としてヘリウムを用いることも可能である。なお、他の物質との反応性を考慮すると、冷媒として、不活性ガスであるヘリウムを用いることが好ましい。このように、カーボンナノチューブ１００の空洞１０５に冷媒を流すことにより、カーボンナノチューブ１００を内側から冷却することが可能となる。

図９は、カーボンナノチューブの中への冷媒供給部の構成の一例を示す説明図である。カーボンナノチューブ１００の端部は、接続部１８５を介して冷媒供給ポンプ１８０に接続されている。接続部１８５は、例えば樹脂製で形成され、中空部１８７を備えている。カーボンナノチューブ１００の端部は、接続部１８５の樹脂の壁を貫通して中空部１８７に繋がっている。この構造は、例えば、接続部１８５を形成するときに、カーボンナノチューブ１００の端部を包むように接続部１８５を形成することにより実現することが可能である。なお、この場合、複数のカーボンナノチューブ１００を用いて撚り線を構成してもよい。

図１０は、カーボンナノチューブを複数連結した状態を示す説明図である。この図は、３相の電磁コイルの場合での構成で、３相全域に冷媒を流し冷却するために吸入孔と排出孔を設け、３相分の結線端子を設けた例である。このように、多数のカーボンナノチューブ１００を連結することにより、長いカーボンナノチューブ１００の配線を形成することが可能となる。

図１１は、カーボンナノチューブを線材として用いた電磁コイルを有するモータの一例である。モータ４０は、ロータ２０とステータ６０を備える。ロータ２０は、モータ４０の内側に配置され、永久磁石２５と回転軸２７とを備える。ステータ６０は、ロータ２０の周りに配置され、電磁コイル３０を備える。電磁コイル３０のコイルを形成する配線として、カーボンナノチューブ１００による配線が用いられている。これにより、モータ４０の軽量化が可能となる。また、電流Ｉｃは微弱電流であるが、巻き数Ｎｃを非常に大きくすることが可能となるため、Ｉｃ・Ｎｃにより結果的に、電磁コイル３０に多くの電流を流すことが可能となるので、モータ４０のトルクを増大させることが可能となる。

図１２は、カーボンナノチューブを線材として用いた電磁コイルを有するモータの他の例である。この実施例は、モータ４０と、トルク変換部５０とを備える。モータ４０とトルク変換部５０はそれぞれ２つあり、左右対称に配置されている。トルク変換部は、トルクを変換するための歯車５５を備える。この様にモータ４０を複数備える装置においては、モータ４０の軽量化の効果が大きい。この実施例は、例えば、ロボットに適用することが可能である。

図１３は、本発明の実施例におけるブラシレス電気機械の制御回路の構成を示すブロック図である。この制御回路は、ＣＰＵシステム３００と、駆動信号生成部２００と、駆動ドライバ部２１０と、回生制御部２２０と、蓄電器２３０と、蓄電制御部２４０とを備えている。駆動信号生成部２００は、駆動ドライバ部２１０に供給する駆動信号を生成する。

図１４は、駆動ドライバ部２１０の構成を示す回路図である。この駆動ドライバ部２１０は、Ｈ型ブリッジ回路を構成している。駆動信号生成部２００からは、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１と、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２のうちの一方が駆動ドライバ部２１０に供給される。同図に示す電流ＩＡ１，ＩＡ２は、これらの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に応じて流れる電流（「駆動電流」とも呼ぶ）の方向を示している。例えば、直流駆動用磁石モジュールを用いたモータの場合には、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１に応じて電流ＩＡ１が流れる場合にはモータが所定の第１の駆動方向に動作し、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２に応じて電流ＩＡ２が流れる場合にはモータが第１の駆動方向とは逆の第２の駆動方向に動作する。また、交流駆動用磁石モジュールを用いたモータの場合には、第１と第２の駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を交互に用いてモータを駆動することが可能である。

図１５は、回生制御部２２０の内部構成を示す回路図である。回生制御部２２０は、電磁コイル３０に対して駆動ドライバ部と並列に接続されている。回生制御部２２０は、ダイオードで構成される整流回路２２２と、スイッチングトランジスタ２２４とを備えている。蓄電制御部２４０によってスイッチングトランジスタ２２４がオン状態になると、電磁コイル３０で発生した電力を回生して蓄電器２３０を充電することが可能である。また、蓄電器２３０から電磁コイル３０に電流を供給することも可能である。なお、制御部から、回生制御部２２０と蓄電器２３０と蓄電制御部２４０を省略してもよく、或いは、駆動信号生成部２００と駆動ドライバ部２１０を省略してもよい。

このように、上述した各実施例のブラシレスモータでは、電磁コイル３０のコイルを形成する線材としてカーボンナノチューブを用いているので、軽量化が可能である。また、電磁コイル３０の巻き数を増やしたり、電磁コイルに流す電流を大きくできるので、高トルクなブラシレスモータを実現することが可能となる。また、発電機においては高電圧を発生できるために、発電機の後段に電圧を変換する電力変換部を設けることで、実用電圧における電力を供給することも可能となる。そして、この発電機を回生用の電動モータとして用いることも出来る。

なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施例では、ブラシレス電気機械の機械的構成や回路構成の具体例を説明したが、本発明のブラシレス電気機械の機械的構成や回路構成としては、これら以外の任意の構成を採用することが可能である。

本発明は、ファンモータ、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モータなどの種々の装置のモータ及び各種の発電機としても適用可能である。本発明をファンモータに適用した場合には、上述した種々の効果（軽量化、高トルク、あるいは高回転）が特に顕著である。このようなファンモータは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式パソコン、燃料電池式デジタルカメラ、燃料電池式ビデオカメラ、燃料電池式携帯電話などの燃料電池使用機器、プロジェクタ等の各種装置のファンモータとして使用することができる。本発明のモータは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモータとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本発明によるモータをスピンドルモータとして使用することが可能である。また、本発明によるモータは、移動体やロボット用のモータとしても利用可能である。

図１６は、本発明の適用例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。このプロジェクタ６００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源６１０Ｒ、６１０Ｇ、６１０Ｂと、これらの３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブ６４０Ｒ、６４０Ｇ、６４０Ｂと、変調された３色の色光を合成するクロスダイクロイックプリズム６５０と、合成された３色の色光をスクリーンＳＣに投写する投写レンズ系６６０と、プロジェクタ内部を冷却するための冷却ファン６７０と、プロジェクタ６００の全体を制御する制御部６８０と、を備えている。冷却ファン６７０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図１７は、本発明の適用例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。同図（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、同図（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話７００は、携帯電話７００の動作を制御するＭＰＵ７１０と、ファン７２０と、燃料電池７３０とを備えている。燃料電池７３０は、ＭＰＵ７１０やファン７２０に電源を供給する。ファン７２０は、燃料電池７３０への空気供給のために携帯電話７００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池７３０で生成される水分を携帯電話７００の内部から外に排出するためのものである。なお、ファン７２０を同図（Ｃ）のようにＭＰＵ７１０の上に配置して、ＭＰＵ７１０を冷却するようにしてもよい。ファン７２０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図１８は、本発明の適用例によるモータ／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８００は、前輪にモータ８１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路８２０と充電池８３０とが設けられている。モータ８１０は、充電池８３０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８１０で回生された電力が充電池８３０に充電される。制御回路８２０は、モータの駆動と回生とを制御する回路である。このモータ８１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

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。

本発明の実施例に係る電磁コイルを示す説明図である。 コイルを形成する配線の構造を示す説明図である。 カーボンナノチューブの構造を示す説明図である。 カーボンナノチューブの製造装置の一例を示す説明図である。 カーボンナノチューブの分散処理に用いられるピレン系有機化合物の一例を示す説明図である。 絶縁処理されたカーボンナノチューブを示す説明図である。 カーボンナノチューブの中に冷媒を流している状態を示す説明図である。 カーボンナノチューブの断面と冷媒に用いることが可能な各種分子の大きさを示す説明図である。 カーボンナノチューブの中への冷媒供給部の構成の一例を示す説明図である。 カーボンナノチューブを複数連結した状態を示す説明図である。 カーボンナノチューブを線材として用いた電磁コイルを有するモータの一例である。 カーボンナノチューブを線材として用いた電磁コイルを有するモータの他の例である。 本発明の実施例におけるブラシレス電気機械の制御回路の構成を示すブロック図である。 駆動ドライバ部２１０の構成を示す回路図である。 回生制御部２２０の内部構成を示す回路図である。 本発明の適用例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。 本発明の適用例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。 本発明の適用例によるモータ／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。

符号の説明

１０…配線
２０…ロータ
２５…永久磁石
２７…回転軸
３０…電磁コイル
４０…モータ
５０…トルク変換部
５５…歯車
６０…ステータ
１００…カーボンナノチューブ
１０５…空洞
１１０…絶縁層
１２０…アーク放電装置
１２５…陽極
１３０…陰極
１３５…チャンバー
１４０…ピレン系有機物
１５０…シリカガラス層
１６０…電極端子
１７０…冷媒
１８０…冷媒供給ポンプ
１８５…接続部
１８７…中空部
２００…駆動信号生成部
２１０…駆動ドライバ部
２２０…回生制御部
２２２…整流回路
２２４…スイッチングトランジスタ
２３０…蓄電器
２４０…蓄電制御部
６００…プロジェクタ
６１０Ｒ…光源
６４０Ｒ…液晶ライトバルブ
６５０…クロスダイクロイックプリズム
６６０…投写レンズ系
６７０…冷却ファン
６８０…制御部
７００…携帯電話
７２０…ファン
７３０…燃料電池
８００…自転車
８１０…モータ
８２０…制御回路
８３０…充電池
ＤＲＶＡ１…第１の駆動信号
ＤＲＶＡ２…第２の駆動信号

Claims (11)

1. 導電性の線材が巻かれて形成される電磁コイルであって、
   前記線材は、
   導電性繊維と、
   前記導線性繊維の周囲に設けられた絶縁層と、
   を備える電磁コイル。
2. 請求項１に記載の電磁コイルにおいて
   前記導電性繊維はカーボンナノチューブである、電磁コイル。
3. 請求項１または請求項２に記載の電磁コイルにおいて、
   前記絶縁層は、シリカガラス層である、電磁コイル。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の電磁コイルにおいて、
   前記導電性繊維の両端に電極端子がナノコーティングされている、電磁コイル。
5. 請求項２、請求項２を引用する請求項３、請求項２を引用する請求項４、請求項２を引用する請求項３をさらに引用する請求項４、のいずれかに記載の電磁コイルにおいて、さらに、
   前記カーボンナノチューブのチューブ内に冷媒を供給するための冷媒供給部を備える、電磁コイル。
6. 電気機械装置であって、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の電磁コイルと、
   磁石と、
   を備える電気機械装置。
7. 電子機器であって、
   請求項６に記載の電気機械装置を備える電子機器。
8. 請求項７に記載の電子機器であって、
   前記電子機器はプロジェクタである、電子機器。
9. 燃料電池使用機器であって、
   請求項６に記載の電気機械装置を備える燃料電池使用機器。
10. ロボットであって、
    請求項６に記載の電気機械装置を備えるロボット。
11. 移動体であって、
    請求項６に記載の電気機械装置を備える移動体。

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