JP2011223697A - リニアモータ - Google Patents

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Abstract

【課題】電機子の磁極間に発生する漏れ磁束を低減し、高推力のリニアモータを提供することにある。
【解決手段】本発明のリニアモータは、可動子に配置された永久磁石を挟み込み保持するように配置された磁極歯と、磁石を挟み込み保持する磁極歯を連続につなぐコアと、複数のコアにまとめて巻きまわされた巻線と、磁石の磁極を表裏交互に並べた可動子からなり、永久磁石を挟み込み保持するように配置された磁極歯と、磁石を保持する磁極歯を連続につなぐ鉄心を有した磁極は可動子の長手方向に沿って複数個配置されており、複数個の磁極に共通の巻線を配置している。そして、複数個配置された磁極の極性を同一極性とすることにより、磁極間の漏れ磁束を低減する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、推力を発生するリニアモータに関するものである。
従来の推力発生機構を有するリニアモータは、回転機を切り開いた形状をしており、磁石列からなる可動子と電機子との間に大きな吸引力が働く。磁気吸引力を相殺するために第一極性と第二極性の有する磁極を交互に配置したリニアモータが〔特許文献1〕で公開されている。従来の技術は、〔特許文献1〕の図4に示すように可動子の進行方向に並んだ磁極において、隣り合う磁極は異なる極性を有している。
特開2001−028875号公報
従来の技術では、可動子の進行方向に並んだ磁極歯は、隣り合う磁極歯同士で異なる極性を有するため、本来、推力を得るために必要な可動子の永久磁石へ鎖交する磁束のほかに、隣り合う磁極に磁束が漏れてしまい、推力が低下するという欠点があった。
さらに、高推力を得るために磁石と磁石の可動子の進行方向のピッチを縮めようとした場合にさらに漏れ磁束が増大し、推力が低下してしまう構造になっていた。
本発明はこれらの欠点を解決するためになされたものであり、隣り合う磁極間の漏れ磁束を低減し、高推力のリニアモータを提供することを目的とする。
上記課題を達成するために、本発明は磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能であるリニアモータにおいて、前記磁極が永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された磁極歯を有し、空隙を介して対向配置された磁極歯をつなぐコアを有し、かつ、前記磁極を可動子の進行方向に複数個有し、電機子に配置された巻線により発生する磁束が、複数個の磁極において同じ極性を有し、複数個の対向配置された磁極歯が単独で構成されており、対向配置された磁極歯ごとに磁極歯間の距離が可変できることを特徴とするものである。
また、上記課題を達成するために、本発明は磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能であるリニアモータにおいて、前記磁極が永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された磁極歯を有し、空隙を介して対向配置された磁極歯をつなぐコアを有し、かつ、前記磁極を可動子の進行方向に複数個有し、電機子に配置された巻線により発生する磁束が、複数個の磁極において同じ極性を有し、複数個の対向配置された磁極歯が可動子の進行方向に積層された部材で構成されていることを特徴とするものである。
また、上記課題を達成するために、本発明は磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能であるリニアモータにおいて、前記磁極が永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された磁極歯を有し、空隙を介して対向配置された磁極歯をつなぐコアを有し、かつ、前記磁極を可動子の進行方向に複数個有し、電機子に配置された巻線により発生する磁束が、複数個の磁極において同じ極性を有し、磁石ピッチPとし、基準となる磁極歯に対して磁極歯間の間隔が2nP±P/2範囲となるように配置したことを特徴とするものである。
また、上記課題を達成するために、本発明は磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能であるリニアモータにおいて、前記磁極が永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された磁極歯を有し、かつ、空隙を介して対向配置された磁極歯をつなぐコアを有し、かつ、前記磁極を可動子の進行方向に複数個有し、電機子に配置された巻線により発生する磁束が、複数個の磁極において同じ極性を有し、対向配置された磁極歯ごとに磁極歯間の距離が可変であり、1つないし複数個の、電機子に配置される巻線が、空隙に同一方向の磁束を発生することを特徴とするものである。
更に、本発明はリニアモータにおいて、可動子の進行方向に対して、並列に複数個の電機子を配置したことを特徴とするものである。
更に、本発明はリニアモータにおいて、複数個の可動子を配置したことを特徴とするものである。
更に、本発明はリニアモータにおいて、複数個の可動子を連結したことを特徴とするものである。
更に、本発明はリニアモータにおいて、可動子の進行方向に対して、磁石に対向配置する磁極歯を並列に複数個有し、それぞれの磁極歯の空隙に永久磁石を有する可動子を配置したことを特徴とするものである。
更に、本発明はリニアモータにおいて、複数個の磁極歯の空隙に配置された可動子を連結したことを特徴とするものである。
更に、本発明はリニアモータにおいて、複数個の電機子の間に可動子の支持機構を備えたことを特徴とするものである。
本発明のリニアモータでは、このように構成することで、隣り合う磁極は巻線に流す電流値の正負によらず、同一の極性を有する。このようにすることで、可動子の進行方向に並んだ磁極歯は同じ極性となり、可動子の進行方向への磁束の漏れを小さくできる。さらに、可動子の進行方向に隣り合う磁極の極性が同一であるため、極ピッチを縮めても漏れ磁束はほとんどなく、極ピッチを縮め推力を大きくし、推力脈動を低減するために磁極位置を自由に調整することが可能になる。
本発明によれば、漏れ磁束を低減した、高効率なリニアモータを提供することが実現できる。
また、本発明によれば、推力脈動を低減したリニアモータを提供することが実現できる。
本発明の実施例1を示している。 図1の実施例1の詳細な構成を示す。 実施例1の断面図を示す。 実施例1の詳細な構成を示す。 実施例1の三相駆動のリニアモータを示す。 図5のリニアモータのYZ平面の断面を示す。 本発明の実施例2を示す。 図7の分解図を示す。 本発明の実施例2の詳細を示す。 本発明の実施例3を示す。 本発明の推力と推力の2次高調波成分の変化を示す。 本発明の実施例4を示す。 本発明の実施例5を示す。 図13の詳細な構成を示す。 図14のリニアモータのYZ平面の断面を示す。 本発明の実施例6を示す。 図16のリニアモータの垂直断面を示す。 図16の長手方向の断面図を示す。 図16の長手方向の断面図を示す。 実施例6の詳細な構成を示す。 実施例6の詳細な構成を示す。 電機子の詳細な構成を示す。 図22の進行方向からの図面を示す。 図16の変形例を示す。 図24の進行方向からの図面を示す。 本発明の実施例7を示す。 実施例7の詳細な構成を示す。 図26の進行方向からの図面を示す。 図27の変形例を示す。 図29の進行方向からの図面を示す。
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
本発明の実施の形態について示す。図1に本発明の電機子を構成する磁極3と磁石4の関係を示す。磁石4のN−Sが交互になるように並べられた磁石列に対して、磁石4を挟み込むように上下に磁極歯1が設置される。上下の磁極歯1は磁極歯をつなぐ鉄心2で磁極3を構成する。図1では磁極3が2つの場合を示したが、磁極の数はこの数に限定されるわけではない。
図2には、磁極3と磁石4の関係を示した図1に組み合わせられる巻線5を含めて示した図である。複数の磁極3の磁極歯の部分に共通の巻線5が配置される。図2では上下の磁極歯にそれぞれ巻線5を配置した図になっている。磁極数が増えた場合でも同様に磁極歯の部分に共通に巻線を巻くことが可能である。複数の磁極3と巻線5から電機子11が構成される。この電機子11を複数個並べ、たとえば3相駆動であれば、磁石の進行方向に対して磁石のピッチPに対して、2P/3の位相差を設けて電機子11を3つ設置することで3相のリニアモータが構成できる。
図3は、図2を磁石4の並んでいる方向を基準として断面図にしたものである。磁石4を挟むように配置された磁極歯1a,1b,1c,1dの部分の共通の巻線5が巻かれ、各々の磁極3は巻線5に電流を流すことにより磁極歯に磁性が生じる。たとえば、巻線5に電流を流し、上の磁極歯1aにN極ができたとすると、下側の磁極歯1cにはS極が発生する。その際、上の磁極歯1aの隣の磁極歯1bにもN極が発生し、下の磁極歯1dにはS極が発生する。その際、隣り合う磁極歯1aと磁極歯1bは同じ極性を有するため、磁極歯1aと磁極歯1bの間の漏れ磁束はほとんど生じない。したがって、電流によって生じる磁束は磁極歯1aから磁石を貫通し磁極歯1cへ渡ることが可能となる。また、隣の磁極歯1bからの磁束は磁石を貫通して磁極歯1dへ渡ることが可能になる。
図4には電機子11を斜め側面から見た図になっている。電機子11を構成する磁極3は隣り合う磁極3同士の間隔を任意に変更できる構造を示したものである。たとえば、磁極3の間隔を変えることで推力の脈動や磁極3と磁石4の間に発生する力(一般にディテントと呼ばれる)を制御することが可能になる。
磁極3の間隔については、非磁性体の部材によりそれぞれの磁極3の位置を固定することでそれらの間の位置を調整することが可能である。
図5には、図1から図4において説明した電機子を3個用いて、三相駆動のリニアモータを構成した例である。各相の電機子11a,11b,11cには各々の巻線5a,5b,5cが設置される。各相の巻線には、電気角で120°毎に位相がずれた電流を流すことにより複数の磁石4からなる磁石列にZ方向の推力を発生させる。この際、各相の電機子11a,11b,11cは電気角で120°毎になるように配置されている。
図6に図5に示した三相駆動のリニアモータのYZ平面の断面図を示す。磁石のピッチPを電気角180°とした場合、この際の電機子間の位相差θが120°になるように配置されている。同様にV相電機子11bとW相電機子11c間も電気角120°になっている。図6に示した例では、120°毎に位相がずれたU相,V相,W相で構成したが、W相の逆相をU相とV相の間に配置しても3相リニアモータが構成できる。その際の電機子の配置はU相、W相の逆相、V相の配置となり、それぞれの電気角はW相の逆相は60°、V相は120°になるように配置しても構成が可能である。本実施例では、3相のリニアモータについて説明したが磁石ピッチPに対して、n相のリニアモータの構成する場合は、2P/nの配置になるように電機子を配置すればよい。
また、図6において磁石ピッチPと磁極ピッチTの関係は、概ね2P=Tになるように配置され、磁石ピッチPは固定の値となるが、磁極ピッチTはZ方向に移動すること、または、寸法を変えることが可能であり、磁極ピッチを調整することにより推力の脈動を低減することが可能になる。たとえば、磁極3aaと磁極3abのU相を構成する磁極ピッチを2P−P/m(mは推力脈動の低減したい高調波の次数)とし、同様に各相の磁極のピッチとしてV相の磁極3baと磁極3bbを2P−P/m、W相の磁極3caと磁極3cbを2P−P/mになるように配置し、U相磁極3aaとV相磁極3baが電気角で位相差が120°、U相磁極3aaとW相磁極3caが電気角で240°位相差を有するように配置することでm次の脈動成分を低減できる。このように磁極歯毎にZ方向に磁極を移動できることにより、任意の次数の推力脈動を低減したり、製造時の寸法のばらつきなどによって生じたアンバランスを調整することができる。
図7に本発明の他の実施例2を示す。図7は図1に示したような磁極歯1と磁極歯をつなぐ鉄心2からなる磁極3が、図7では磁極3が4つで構成されている電機子11を示す。各々の磁極3は、薄い板状の磁極を重ね合わせた構成になっている。また、磁石4は、磁極が交互になるようにZ方向に並べられており、磁石ケース6に固定されている。この状態で巻線5に電流を流すことにより磁石4に力が作用し、Z方向の推力が発生し、磁石4と磁石ケース6からなる可動子を移動させることができる。複数枚の磁極で構成された磁極3は磁極間にスペーサ9を介して、シャフト7とナット8で固定されている。
図8は図7の分解図である。巻線5を外して磁極3とスペーサ9をZ方向に分解した図である。また、図9は磁極の部分を抜き出した図になっている。本実施の形態の磁極3は薄い磁極31を複数枚重ねて構成されており、枚数を変更することで磁極の厚さの調整や同じ形状の薄い磁極31で極数などを調整できる利点がある。また、薄い磁極31の形状は必ずしも同一形状である必要はなく、磁石に対向する部分の寸法など薄い磁極31毎に変化させ、推力の向上や脈動の調整をすることも可能である。このように、磁極の積層方向を推力の発生する方向(Z方向)にすることにより、磁極の調整や磁極数の変更が容易になり、コスト低減も見込める。
図10に本発明の他の実施例3を示す。図10は、図1示したような磁極歯3を4極配置しており、磁石のピッチPに対して磁極3のピッチTは2nPに配置される(任意の数n=1,2,3,・・・)。図10ではn=1としている。磁極は2nP毎に配置されている場合が最も推力が大きくなる。しかし、推力の脈動等を低減するために磁極位置をずらした場合、推力の低下に対する脈動成分の低減効果は磁極3の調整幅dを±P/2の範囲にするのが良い。
図11に磁極3のピッチTを変化させた場合の、推力と推力の2次高調波成分の変化を示す。磁極ピッチTを2nPとした場合、推力は最も大きくなる、しかし、脈動成分(図11の例では推力の2次高調波成分)も大きい。磁極3の位置を調整し調整幅dを大きくしていくと推力も低下するが、推力の脈動成分も小さくなり、T=2nP±P/2で最も2次の脈動成分が小さくできる。さらに調整幅dを大きくした場合は、推力は低下し、2次の脈動成分は逆に大きくなってしまう。本例では2次の脈動成分について説明したが、3次、4次…と次数が増えた場合は、各次数の脈動成分の極小の位置はT=2nP±P/3、2nP±P/4…と調整幅dが小さくなる。したがって、2次以上の脈動成分を低減するためには、磁極3を磁極のピッチT=2Pで配置した場所から調整幅dを±P/2の範囲とすることが最も効果的である。
図12に本発明の他の実施例4を示す。図12は、図1で示した磁極3を4極有しており、複数の磁極歯に一括して巻線が巻かれている。そのため、磁極歯から磁石4に作用する磁束は巻線5の電流の方向によって一意に決まり、隣り合う磁極同士の磁束の方向が同一方向になる特徴を有する。このように配置にすることにより、磁極間の磁束の影響がほとんどなくなり、電流に対する推力を向上できる利点がある。
図13に本発明の他の実施例5を示す。図13(a)は、図1に示す磁極を同一磁気回路内に2つ配置した構成となっている。図13(a)は、上下それぞれの磁石に挟み込む磁極歯によって磁極3が構成されている。各々の磁極歯には巻線5が巻かれている。図13(b)は断面形状をわかりやすくするために、巻線を外した図を示している。このようにすることで、上下それぞれの磁石列を個々に制御したり、同時に駆動させたりできる。また、巻線に流す電流の向きなどを制御し、磁極の飽和をコントロールしたりすることも可能である。また、磁極の磁束を有効に利用して磁極を小さくすることも可能である。
図14に図13で示した電機子の3相リニアモータの構成図を示す。本実施例では、磁石4を固定した、2つ配置された磁石ケース6を連結部品10で連結させることにより、磁石4と磁石ケース6と連結部品10からなる部材の剛性を強化することが可能になる。更に、図15に図14で示した3相のリニアモータのYZ平面の断面図を示す。本実施例では、磁極3の磁石4に対向する部分の形状を磁石に向かって細くして、磁束を集中させる構造になっている。磁石ピッチPに対して、磁極ピッチTは略2Pに配置され、3相分の電機子が配置されている。本実施例では、上下2つの磁石ケース6に固定された磁石列は上下同方向の磁極を有する配置になっているが、巻線5の電流の方向によっては上下の磁石の磁極が反対になるように配置してもかまわない。本実施例のように、同一磁極3が構成する磁気回路内に複数個の磁石と磁石ケースからなる磁石列を配置することで磁束を有効に利用でき小型化が可能になる。また、それらの複数個の可動子を連結することで可動子を含む可動部分の剛性を高めることが可能になる。
図16に本発明の他の実施例6を示す。図16は磁石4を固定する磁石ケース6を4軸構成にし、連結部品10で連結している。また、各相の磁極3の間および磁極の端は磁極保持部品13で挟み込む構成になっている。複数の磁石列を組みこむことで可動子の剛性が向上し、大きな推力を得るような用途にも利用できる。図17は図16に示した図の磁極3の部分を可動子の長手方向に対して垂直に切断した断面図である。個々の磁石4に対向するように磁極3が配置され、中央部分は4つの磁石に接するように十字の中央磁極15が配置される。磁石対向部分毎に巻線5が巻かれる。また、磁石の磁極は磁石4の並んだ長手方向に交互になるように配置されるが、4つの磁石の相対的な極は巻線5の作る磁束の向きによって変えることも可能である。図18は、図16の長手方向の断面図である。本実施例では、磁極の磁石に対向する部分は磁石に向かって細くなるようになっている。図19は図18と同様に図16を長手方向に断面にした図であるが、磁石ケース6の支持方法がわかるように断面の位置をずらしたものである。図19においては磁石ケース6が支持部品12で支持される。支持部品12はローラやローラ軸受や、リニアガイドなどの部品を用いることが可能である。支持部品12は、磁極保持部品13に設置され、磁石ケース6を保持する構造になっている。磁極保持部品13は巻線5を保持することも可能である。図20は、図16において内部が確認できるように磁極保持部品13を除いた図を示している。図20では、板状の磁石ケース6を両側から挟みこむように支持部品12が設置されているが、4つの磁石列の外側のみを、または内側のみを支持する構造も可能である。片側から支持することで、支持点数の削減になり部品点数削減およびコスト低減の効果がある。図21は、図17に比べて、中央磁極15の十字の部分の巻線5を共通にして空間を有効に利用した構成を示している。
図22は磁石4を固定する部材を角筒にし、可動部分の軽量化を行った電機子を示す。図23に図22の磁石列の進行方向から見た図を示す。角筒の4面に磁石を配置し、その磁石4の外側に磁極3が構成され、磁石4の対向部分に巻線5が配置される。図24は図16に示したリニアモータの外径を円弧状にしたものである。図25に図24の磁石の進行方向から見た図を示す。図17と同様に、個々の磁石4に対向するように磁極3が配置され、中央部分は4つの磁石に接するように十字の中央磁極15が配置される。磁石対向部分毎に巻線5が巻かれた構成になっている。このように配置する空間に合わせて形を変えることも可能である。
図26に本発明の他の実施例7を示す。本実施例では、磁石ケース6をI型にし、磁石ケース6の剛性を高めたものである。I字の縦の部分にも磁石4を配置することで、推力の増加及び磁石ケースへの横方向の位置調整も可能になる。図27に図26に示した図の磁極保持部品13に支持部品12を取り付けた構成例を示す。このようにすることで、磁石ケース6の位置が安定して駆動時の外乱等に強くなる。図28に図26の磁石の進行方向から見た図を示す。I字の上と下の磁石に対向した部分に巻線5が配置され、中央部の磁極部分にも補助巻線55を配置している。この補助巻線55を巻線5と同時に制御することも可能である。また、補助巻線のみを独立に制御すれば横方向の力の調整や、推力増加などの効果が得られる。図29は、磁石ケースの縦部分の磁石を板状の材料にした図である。図30に図29の磁石の進行方向から見た図を示す。また、I字の磁石ケースは上下2つに分けたり、上下の板状の部分と縦の部分3つに分けたりすることも可能である。
本発明のリニアモータは、一般的な産業用の推力発生機構として用いられることが可能である。
1 磁極歯
2 鉄心
3 磁極
4 磁石
5 巻線
6 磁極ケース
10 連結部品
11 電機子
12 支持部品
13 磁極保持部品

Claims (10)

  1. 磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能であるリニアモータにおいて、
    前記磁極が永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された磁極歯を有し、
    空隙を介して対向配置された磁極歯をつなぐコアを有し、
    かつ、前記磁極を可動子の進行方向に複数個有し、電機子に配置された巻線により発生する磁束が、複数個の磁極において同じ極性を有し、
    複数個の対向配置された磁極歯が単独で構成されており、
    対向配置された磁極歯ごとに磁極歯間の距離が可変できることを特徴としたリニアモータ。
  2. 磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能であるリニアモータにおいて、
    前記磁極が永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された磁極歯を有し、
    空隙を介して対向配置された磁極歯をつなぐコアを有し、
    かつ、前記磁極を可動子の進行方向に複数個有し、電機子に配置された巻線により発生する磁束が、複数個の磁極において同じ極性を有し、
    複数個の対向配置された磁極歯が可動子の進行方向に積層された部材で構成されていることを特徴としたリニアモータ。
  3. 磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能であるリニアモータにおいて、
    前記磁極が永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された磁極歯を有し、
    空隙を介して対向配置された磁極歯をつなぐコアを有し、
    かつ、前記磁極を可動子の進行方向に複数個有し、電機子に配置された巻線により発生する磁束が、複数個の磁極において同じ極性を有し、
    磁石ピッチPとし、基準となる磁極歯に対して磁極歯間の間隔が2nP±P/2範囲となるように配置したことを特徴とするリニアモータ。
  4. 磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能であるリニアモータにおいて、
    前記磁極が永久磁石の両側に空隙を介して対向配置された磁極歯を有し、
    かつ、空隙を介して対向配置された磁極歯をつなぐコアを有し、
    かつ、前記磁極を可動子の進行方向に複数個有し、電機子に配置された巻線により発生する磁束が、複数個の磁極において同じ極性を有し、
    対向配置された磁極歯ごとに磁極歯間の距離が可変であり、
    1つないし複数個の、電機子に配置される巻線が、空隙に同一方向の磁束を発生することを特徴としたリニアモータ。
  5. 請求項1から請求項4のうちの1つのリニアモータにおいて、
    可動子の進行方向に対して、並列に複数個の電機子を配置したことを特徴とするリニアモータ。
  6. 請求項1から請求項4のうちの1つのリニアモータにおいて、
    複数個の可動子を配置したことを特徴とするリニアモータ。
  7. 請求項5または請求項6記載のリニアモータにおいて、
    複数個の可動子を連結したことを特徴とするリニアモータ。
  8. 請求項1から請求項4のうちの1つのリニアモータにおいて、
    可動子の進行方向に対して、磁石に対向配置する磁極歯を並列に複数個有し、それぞれの磁極歯の空隙に永久磁石を有する可動子を配置したことを特徴とするリニアモータ。
  9. 請求項8のリニアモータにおいて、
    複数個の磁極歯の空隙に配置された可動子を連結したことを特徴とするリニアモータ。
  10. 請求項1から請求項9のうちの1つのリニアモータにおいて、
    複数個の電機子の間に可動子の支持機構を備えたことを特徴とするリニアモータ。
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