JP2009112087A - 直動回転アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 回転用電機子巻線104を電機子コア101に形成したティース103tに巻回し、推進用電機子巻線105を電機子コア101の内径側の面に巻回する。
【選択図】図1
Description
従来の直動回転アクチュエータは、鉄心に推進用の推進用電機子巻線、および回転用の回転用電機子巻線を施した固定子と、回転および推進両用の界磁磁石を有した可動子とを備え、固定子の内側に可動子を配置し、回転用電機子巻線と推進用電機子巻線に三相交流を印加して、可動子を回転、直線、螺旋運動を可能にしている(例えば、特許文献1参照)。
図10は従来の直動回転アクチュエータの可動子の側面から見た断面図、図11は従来の直動回転アクチュエータのC−C部断面図である。図において、102は外コア、103は内コア、104は回転用電機子巻線、105は推進用電機子巻線、200は可動子、201は出力軸、202は界磁ヨーク、203aはN極磁石、203bはS極磁石である。また、103yはヨーク、103tはティース、300はデッドスペースである。
電機子コアは、ヨーク103yとティース103tから成る内コア103を外コア102に挿入して構成する。ティース103tは、一周に6個あり、それぞれのティース103tに回転用電機子巻線104を施している。
また、推進用電機子巻線105は、内コア103のティース103tとティース103tとの間に挿入して構成する。推進用電機子巻線105の内径側には、鉄心は存在しておらず、内コア103のティース103tとティース103tとの間には推進用電機子巻線105の幅の隙間が生じる。これが磁路のデッドスペース300となる。
固定子100は、内コア103のティース103tに回転用電機子巻線104を巻回し、内コア103の外径側に推進用電機子巻線を巻回し、その外側に外コア102を挿入して構成している。
可動子200は、永久磁石界磁を用いたアクチュエータとして動作させるために、界磁ヨーク202の表面に永久磁石を貼り付けて構成する。
まず、回転用電機子巻線104用のN極磁石203aを推進用電機子巻線105の極ピッチに相当する軸方向長さで円周方向のN極とすべき箇所に貼り付ける。
この例では回転用電機子巻線104および推進用電機子巻線105は共に4極としており、N極磁石203aと同一円周上には機械的に180度異なる位置にN極磁石203aを貼り付けるが、同一円周上にS極磁石203bは設けない。
次に、貼り付けたN極磁石203aから軸方向に推進用電機子巻線105の1極ピッチずらして、かつ周方向には電気角で180度ずらしてS極磁石203bを貼り付ける。S極磁石203bも同一円周上には機械的に180度異なる位置にN極磁石203bを貼り付けるが、同一円周上にN極磁石203aは設けない。軸方向には推進用電機子巻線105の1極置きに設ける。
以上のような構成とすることにより、軸方向から見た場合に同極の磁極磁石が1極置きに存在し、円周方向から見た場合にも同極の磁極磁石が1極置きに存在するようになる。回転用電機子巻線104および推進用電機子巻線105のそれぞれに対する磁極が互いに独立して存在することになり、回転用電機子巻線104に三相交流を印加すると、通常の回転形永久磁石アクチュエータとして動作し、推進用電機子巻線105に三相交流を印加すると、通常のリニアアクチュエータとして動作する。回転用電機子巻線104および推進用電機子巻線105の両巻線に電圧を印加すると、可動子200は螺旋運動をする。
このような構成となっているので、直動回転アクチュエータは、回転用の回転用電機子巻線104と推進用の推進用電機子巻線105に三相交流を印加して、可動子を回転運動、直線運動、螺旋運動を可能にしているのである。
また、従来の直動回転アクチュエータは、推進用電機子巻線105を内コア103に施した後に、その外側に外コア102を挿入しなければならず、組立作業が極めて困難であるという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、体格の割に発生トルクおよび発生推力が大きく、組立て作業が簡単な、回転動作と直線動作とを1つのアクチュエータで実現する直動回転アクチュエータを提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、回転方向に回転磁界を発生する回転用電機子巻線と推進方向に直進磁界を発生する推進用電機子巻線とを備えた固定子と、界磁磁石を有する出力軸を備えた可動子とで構成し、前記回転用電機子巻線と前記推進用電機子巻線にそれぞれ通電して、回転方向にトルク、推進方向に推力を発生させて前記可動子の回転動作と直進動作を行う直動回転アクチュエータにおいて、前記回転用電機子巻線を電機子コアに形成したティースに巻回し、前記推進用電機子巻線を前記電機子コアの内径側の面に巻回したことを特徴とするものである。
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の直動回転アクチュエータにおいて、前記回転用電機子巻線は、前記ティースの外側に挿入できるように集中巻きしたコイルを前記内コアの外径側から挿入することを特徴とするものである。
また、請求項5に記載の発明は、請求項3に記載の直動回転アクチュエータにおいて、前記外コアは焼結コアで構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項7に記載の発明は、請求項1ないし6のいずれかに記載の直動回転アクチュエータにおいて、前記電機子コアは、内径側の面に、前記推進用電機子巻線のコイル間の渡り線を収納する溝を有することを特徴とするものである。
また、請求項3に記載の発明によると、電機子コアは、ティースの内径側をつないで一体とした内コアと、ティースの外径側に位置する外コアとで構成されているので、回転用電機子巻線を外側から巻回できるので、請求項1に記載の発明よりも組立てが、さらに容易である。
また、請求項4に記載の発明によると、回転用電機子巻線は、ティースの外側に挿入できるように集中巻きしたコイルを内コアの外径側から挿入するので、請求項3に記載の発明よりも組立てが、さらに容易である。
また、請求項5に記載の発明によると、内コアを薄板の珪素鋼板を積層して構成し、外コアを焼結コアで構成した構造となっているため、推進方向の外コアに流れる磁束の磁気抵抗を小さくすることが出来、それによって請求項1および3に記載の発明よりもトルク、および推力を大きくすることが出来る。
また、請求項6に記載の発明によると、推進用電機子巻線は、中空円筒形に集中巻きしたリング形コイルにして電機子コアの内径面に挿入するので、請求項1に記載の発明よりも組立てが、さらに容易である。
また、請求項7に記載の発明によると、電機子コアは、内径側の面に、推進用電機子巻線のコイル間の渡り線を収納する溝を有した構造となっているため、推進用電機子巻線のコイル間の渡り線のはみ出し部分であるデッドスペースがなくなり、同形状の内コア内に推進用電機子巻線をより多く巻くことが出来、請求項1、および3ないし6に記載の発明よりも推力を大きくすることが出来る。
図において、100は固定子、101は電機子コア、106はスライドロータリーブッシュ、107はL側ブラケット、108は反L側ブラケット、120はモータフレーム、203は界磁磁石である。
電機子コア101は、ヨーク103yとティース103tとで構成される。
固定子100は、回転用電機子巻線104を電機子コア101に形成したティース103tに巻回し、推進用電機子巻線105を電機子コア101内径側の面に巻回して構成する。
電機子コア101は、薄板の珪素鋼板を積層して構成する。
可動子200は、界磁ヨーク202の表面に界磁磁石203を装着して構成し、出力軸201を備えており、界磁磁石203が、その外径側で、空隙を介して推進用電機子巻線105と対向している。
また、固定子100は、中空円筒状のモータフレーム120に挿入されて固定されている。
モータフレーム120の負荷側にはLブラケット107、反負荷側には反Lブラケット108が取り付けられている。Lブラケット107および反L側ブラケット108にはそれぞれスライドロータリーブッシュ106が取り付けられている。
出力軸201は、スライドロータリーブッシュ106により支持され、固定子100に対し回転方向と推進方向に移動可能となっている。
本実施例では、回転用電機子巻線104は8極、推進用電機子巻線105は4極としている。なお、界磁磁石と対向する推進用巻線は2極である。
界磁磁石203は、磁極表面をN極とするN極磁石203aが4個、S極とするS極磁石203bが4個、計8個で構成されている。N極磁石203aは、回転用方向に2λ(λは回転方向極ピッチ)ごとに配置され、S極磁石203bは、回転用方向にλ、推進方向にγ(γは推進用方向極ピッチ)ずらして、回転方向に2λごとに、N極磁石とS極磁石とが隣り合わないように、配置されている。
回転用電機子巻線104は、コイル104aがU、V、W相各々2個ずつ、計6個により構成されている。コイル104aが回転方向に配置される間隔はλ×4/3(電気角240度)である。同相同士のコイル104aの間隔は電気角720度となっているので、2個の同相のコイル104aは電流の向きが2個とも同じ向きとなるように結線されている。
同相同士のリング形コイル105aの間隔はγ(電気角180度)となっているので、4個の同相のリング形コイル105aは電流の向きが正、逆、正、逆となるように結線されている。
回転用電機子巻線104と推進用電機子巻線105との位置関係は、界磁磁石203と空隙を介して、黒太線で模擬的に示したような配置となっている。
βS≧360(度)
である。
一方、推進動作範囲LSは、推進用電機子巻線105の推進用方向長さが4γ、界磁磁石203の推進用方向長さ2γであるので、
LS=4γ―2γ=2γ
である。
いま、界磁磁石203と回転用電機子巻線104との位置関係が、図3に示すような関係にあり、回転用電機子巻線104のU相巻線に矢印の方向(CCW)に電流を流すと、ローレンツの力が発生し、可動子200は+回転方向にトルクが発生する。
また、界磁磁石203と推進用電機子巻線105との位置関係が、図2に示すような関係にあり、推進用電機子巻線105のU相巻線に下方向、*U相巻線に上方向に電流を流すと、ローレンツの力が発生し、可動子200は+推進方向に推力が発生する。
回転用電機子巻線104と推進用電機子巻線105とは、独立して制御することができるので、回転用電機子巻線104と推進用電機子巻線105と同時に電流を流すと、可動子200は、回転運動と直線運動とを合成した螺旋運動を行う。
このようにして、可動子200は回転運動、直線運動、およびその両方の動作を合成した螺旋運動を可能としている。
また、組立作業においても、回転用電機子巻線104を電機子コア101に形成されたティース103tに巻回し、推進用電機子巻線105をリング形コイル105aにして電機子コア101内径側の面に装着しているので、組み立てが容易である。また、リング形コイル105aは事前に自動巻線機を使用して作成することも可能である。
図において、102aはティース103bの外径側に位置するヨーク103yのみの外コア、103aはティース103tの内径側でつないで一体とした内コア、104bはティース103bの外側に挿入できるように集中巻きした俵形コイルである。
電機子コア101は、内コア103aと外コア102aとで構成する。
固定子100は、の外径側から内径側に向けて、外コア102a、回転用電機子巻線104をティース103tに巻回した内コア103a、推進用電機子巻線105の順に配置して構成する。
可動子200は、実施例1と同様、界磁ヨーク202の表面に界磁磁石203を装着して構成し、出力軸201を備えている。
内コア103a、および外コア102bは、どちらも薄板の珪素鋼板を積層して構成する。
図6は、本発明の実施例2を示す直動回転アクチュエータの内コアへのコイル挿入方法である。
固定子の組立は、俵形コイル104bを内コア103aのティース103tに外径側から挿入し、推進用電機子巻線105をリング形コイル105aにして内コア103aの内径側に挿入し、内コア103aを外コア102aに挿入する。
また、本実施例においても、実施例1と同様、電流を回転用電機子巻線104に流すことにより界磁磁石203の作る磁界との作用で可動子200にトルクを発生し、また、電流を推進用電機子巻線105に流すことにより界磁磁石203の作る磁界との作用で可動子200に推力を発生させることができるので、可動子200は回転運動、直線運動、およびその両方の動作を合成した螺旋運動を可能としている。
本実施例においても、実施例1と同様、小形でトルク、推力を大きくすることが出来る。
また、組立作業においては、俵形コイル104bは自動巻線機を使用して作成することも可能であり、回転用電機子巻線104は、俵形コイル104bを内コア103aの外径側から挿入し、内コア103aを外コア102aに挿入して形成するので、実施例1よりも組み立てが容易である。
図7は本発明の実施例3を示す直動回転アクチュエータの図4のB−B部断面図であり、図5と比較して示すものである。図5において、102bは焼結外コアである。
実施例3が実施例2と異なる点は、内コア103aを薄板の珪素鋼板を積層して構成し、外コア102aを焼結で形成した焼結外コア102bで構成した点である。
このような構成により、外コアに流れる磁束が推進方向にも流れやすくなるので、外コア内の磁気抵抗を小さくすることが出来、それによって実施例2よりもトルク、および推力を大きくすることが出来る。
図8は本発明の実施例4を示す直動回転アクチュエータの内コアへのコイル挿入方法である。図8において、109はコイル間の渡り線、110はコイル間の渡り線を収納する溝である。
実施例4が実施例2と異なる点は、内コア103aにコイル間の渡り線109を収納する溝110を形成したことである。
図9は本発明の実施例2と実施例4の直動回転アクチュエータの推進用電機子巻線の断面の比較図であり、(a)は実施例2の推進用電機子巻線の断面図、(b)は実施例4の推進用電機子巻線の断面図である。
実施例2では図9(a)に示すように、同相のコイルをつなぐ渡り線がはみ出してしまい、内コア103aへ挿入した場合、内コア103aと回転用電機子巻線104の間にデッドスペース300が生じてしまう。
しかし、図8に示すように、内コア103aにコイル間の渡り線109を収納する溝110を形成することにより、図9(b)に示すように、コイル間の渡り線109のはみ出し部分であるデッドスペース300がなくなり、同形状の内コア103a内に推進用電機子巻線105をより多く巻くことが出来、実施例2よりも推力を大きくすることが出来る。
101 電機子コア
102、102a 外コア
102b 焼結外コア
103、103a 内コア
103t ティース
103y ヨーク
104 回転用電機子巻線
104a コイル
104b 俵形コイル
105 推進用電機子巻線
105a リング形コイル
106 スライドロータリーブッシュ
107 L側ブラケット
108 反L側ブラケット
109 コイル間の渡り線
110 コイル間の渡り線を収納する窪み
120 モータフレーム
200 可動子
201 出力軸
202 界磁ヨーク
203 界磁磁石
203a N極磁石
203b S極磁石
300 デッドスペース
Claims (7)
- 回転方向に回転磁界を発生する回転用電機子巻線と推進方向に直進磁界を発生する推進用電機子巻線とを備えた固定子と、界磁磁石を有する出力軸を備えた可動子とで構成し、前記回転用電機子巻線と前記推進用電機子巻線にそれぞれ通電して、回転方向にトルク、推進方向に推力を発生させて前記可動子の回転動作と直進動作を行う直動回転アクチュエータにおいて、
前記回転用電機子巻線を電機子コアに形成したティースに巻回し、前記推進用電機子巻線を前記電機子コアの内径側の面に巻回したことを特徴とする直動回転アクチュエータ。 - 前記可動子は、界磁用ヨークに、磁極表面をN極とするN極磁石を回転方向に回転方向の極ピッチの2倍のピッチごと装着し、さらに、磁極表面をS極とするS極磁石を推進方向に推進方向の極ピッチずらして、N極磁石とS極磁石とが隣り合わないように装着して構成することを特徴とする請求項1に記載の直動回転アクチュエータ。
- 前記電機子コアは、前記ティースの内径側をつないで一体とした内コアと、前記ティースの外径側に位置する外コアとで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の直動回転アクチュエータ。
- 前記回転用電機子巻線は、前記ティースの外側に挿入できるように集中巻きしたコイルを前記内コアの外径側から挿入することを特徴とする請求項3に記載の直動回転アクチュエータ。
- 前記外コアは焼結コアで構成されていることを特徴とする請求項3に記載の直動回転アクチュエータ。
- 前記推進用電機子巻線は、中空円筒形に集中巻きしたリング形コイルにして前記電機子コアの内径面に挿入することを特徴とする請求項1に記載の直動回転アクチュエータ。
- 前記電機子コアは、内径側の面に、前記推進用電機子巻線のコイル間の渡り線を収納する溝を有することを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の直動回転アクチュエータ。
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