JP2691672B2

JP2691672B2 - 直進電機

Info

Publication number: JP2691672B2
Application number: JP36108192A
Authority: JP
Inventors: 保能勢
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1992-12-29
Filing date: 1992-12-29
Publication date: 1997-12-17
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JPH06209558A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、相対的に移動するよう
に設けられた電機子と界磁磁石とを有する直進電機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々の直進電機が開発されている
が、従来の直進電機の一例として図９に示された構成の
３相のリニアモータがある。このリニアモータにおいて
は、長尺板状のケーシング１の側壁に、細長状の界磁磁
石２が固定されているとともに、この界磁磁石２に対面
するようにして電機子３が往復移動自在に配置されてい
る。上記界磁磁石２には、長手方向に異なる磁極Ｎ，Ｓ
を交互に配置するように着磁が行われているとともに、
前記電機子３には、界磁磁石２の側壁に近接して磁束を
集める３体の突極３ａ，３ａ，３ａが設けられている。
電機子３における３体の突極３ａ，３ａ，３ａは、常時
２つの磁極にまたがって移動するように構成されてお
り、各突極３ａのそれぞれに励磁用のコイル３ｂがそれ
ぞれ巻回されている。

【０００３】また磁極間ピッチを小さくした多極型の直
進電機として、例えば図１０に示された構成のリニアモ
ータがある。このものでは、ケーシング１１の側壁に固
定された細長状の界磁磁石１２に、長手方向に沿って異
なる磁極Ｎ，Ｓが所定のピッチで交互に多数着磁されて
いるとともに、この界磁磁石１２に対面するようにして
往復移動自在に配置された電機子１３に、多数の突極１
３ａ，１３ａ，…が設けられている。これらの各突極１
３ａの各々には、励磁用のコイル１３ｂがそれぞれ巻回
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのような従
来の各種直進電機では、所謂Ｆ／Ｓ特性値が未だ十分で
ないという問題がある。すなわちＦ／Ｓ特性値は、直進
電機のＦ−Ｓ特性における直進推力Ｆと直進速度Ｓとの
商であり、具体的には、Ｆ／Ｓ特性値＝Ｆ_S ／Ｓ_O ＝ΔＦ／ΔＳ＝Ｋ_E ・Ｋ_F ／Ｒ・・・・・・・・・・で表される。ここで、Ｆ_S ；始動推力Ｓ_O ；無負荷速度Ｋ_E ；逆起電圧定数Ｋ_F ；推力定数Ｒ；内部抵抗である。

【０００５】このＦ／Ｓ特性値は、直進電機の基本であ
るＦ−Ｓ特性の大きさを表しており、直進電機の大きさ
を比較することができる。例えばＦ／Ｓ＝３の直進電機
は、Ｆ／Ｓ＝１の直進電機を３個同時に回したのと同じ
Ｆ−Ｓ特性が出せる。より具体的には、Ｆ／Ｓ特性値
は、直進電機の体積の約２乗（正確には５／３乗）に比
例しており、また界磁磁石のＢＨ_MAX にほぼ比例する関
係を有している。したがって従来から、より大きい直進
電機や強い磁石を使用しようとする場合には、結果的に
Ｆ／Ｓ特性値を大きくしようとしているものである。

【０００６】Ｆ／Ｓ特性値を大きくした場合には、次の
ようなことが可能となる。１）発生推力の増大。２）立上り時間の低減。３）推力定数及び逆起電圧定数の増大。４）定格電流の低減。５）損失（銅損）の低減。６）高効率化。７）発熱の低減。８）出力の増大。９）負荷変動による速度変動への影響低減。

【０００７】またＦ／Ｓ特性値に余裕がある場合には、
活用の仕方によって次のようなことが可能になる。１）小型、薄型、軽量化。２）材料見直し等による低コスト化。３）設計の自由度の拡大。

【０００８】このように従来から提案されている直進電
機に関する各種の提案には、結果的により高いＦ／Ｓ特
性値を得るためのものが多い。すなわち直進電機の軽薄
短小化、省電力化、省資源化、低価格化等の要請の根底
になっているのは、（Ｆ／Ｓ特性値）／（体格）及び
（Ｆ／Ｓ特性値）／（コスト）であり、Ｆ／Ｓ特性値を
いかに効率よく出すかが従来からの課題となっている。
例えば、１）小型化、薄型化、軽量化。２）始動推力の伸長。３）立上がり時間の短縮化。４）電流値の低減。５）損失（銅損）の低減。６）合理化。等であり、従来からの直進電機技術に関する提案は、結
果的にＦ／Ｓ特性値を向上させるための検討ともいえる
ものが多い。実際的には、Ｆ／Ｓ特性値で５％乃至１０
％の違いが競合されている。

【０００９】このようなＦ／Ｓ特性値を決める要素とし
ては、ｐ（磁極ピッチ）、Φ（有効磁束）、Ｈ（並列コ
イル数）、Ａ（コイル断面積）、Ｌ（１Ｔ当りのコイル
長）があり、それを式で表すと、Ｆ／Ｓ特性値＝（1/ｐ）² ・Φ² ・Ｈ・Ａ／Ｌ・・・・・・となる。したがってこれらの各要素を全体として最大と
なるように組み合わせればＦ／Ｓ特性値が最大になる。
特に、（1/ｐ）² ×Φ² をいかに大きくするかがポイン
トになる。

【００１０】このような観点から考察すれば、上述した
図９に示された構造の直進電機の場合には、３相のリニ
アモータにおいて基準長さ当りの磁極数と突極数とが最
小限の組み合せとなっており、例えば図示の位置関係に
おいては、矢印で示したようにＮ極の総磁束が１カ所の
突極３ａに集中している。したがって有効磁束Φは大き
くなっている。しかしながら磁極ピッチｐが大きいた
め、Ｆ／Ｓ特性値の向上には限界がある。

【００１１】一方、図１０に示された多極型のもので
は、磁極ピッチｐが小さく設定され、並列コイル数Ｈが
増大されていると同時に、コイル長Ｌが減じられている
ことによってＦ／Ｓ特性値の向上が図られている。しか
しながら電機子１３の突極１３ａと界磁磁石１２との１
突極当りの対向面積が小さくなっており、磁束が分散使
用されている。すなわち同じ総磁束を多極に分けて使っ
ているため、磁極ピッチｐは小さく抑えられているが有
効磁束Φは減少しており、結局、上式中における（1/
ｐ）² ×Φ² の値は変わっていない。また並列コイル数
Ｈの増大は可能であるが、コイル断面積Ａの減少に打ち
消されてしまい、構造が複雑化する割にはＦ／Ｓ特性値
を大幅に向上させることはできない。したがってこの多
極型の場合には、ＢＨ_MAX の大きい磁石を採用して有効
磁束Φを稼ぎ、Ｆ／Ｓ特性値の向上を図っているのが現
状である。

【００１２】このように従来型の直進電機では、強い磁
石を使うという大幅コストアップにつながる方法でしか
Ｆ／Ｓ特性値の向上を図ることができないという問題が
ある。

【００１３】そこで本発明は、簡易な構造でＦ／Ｓ特性
値を大幅に向上させることができるようにした直進電機
を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、鉄心に複数相のコイルが巻回された電機子
と、この電機子に対して相対的に平行移動可能に配置さ
れた界磁磁石と、を有する直進電機において、上記界磁
磁石は、電機子との相対移動方向に直交する方向に着磁
されているとともに、この界磁磁石の各着磁端面のそれ
ぞれに、当該界磁磁石の延在方向に沿ってヨーク板が各
々取り付けられ、これら両ヨーク板には、ヨーク板の延
在方向に所定のピッチで配置される複数の磁路形成用凸
部が設けられてなり、前記鉄心と磁路形成用凸部とは、
界磁磁石の磁束を鉄心に集束させるように相互に近接・
離間し、かつその鉄心内を通過する磁束の方向が、電機
子と界磁磁石との相対移動に伴い上記磁路形成用凸部の
配置ピッチ毎に反転する位置関係に設けられた構成を有
している。

【００１５】

【作用】このような構成を有する手段においては、界磁
磁石に取り付けられたヨーク板の形状により、磁石の総
磁束を分散させることなく集中させる構造によって多極
化が行われているため、磁石に多極着磁を行うことな
く、しかも電機子側の構造を簡易に維持しつつ、磁極ピ
ッチの狭小化と有効磁束の増大とを同時に図るようにし
ている。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず図１及び図２に示されている第１の実
施例は、３相のリニアモータに本発明を適用したもので
あって、非磁性材料を横断面中空矩形状に形成してなる
長尺状のケーシング２１内には、電機子の鉄心２３が、
ケーシング２１の長手方向に向かって往復平行移動可能
に配置されている。すなわち上記鉄心２３は、板状フレ
ーム２２に支持されており、このフレーム２２に、所定
間隔離して設けられた一対の車輪２４，２４が前記ケー
シング２１内の図示下側内壁面上に転動自在に載置され
ている。

【００１７】上記鉄心２３は、珪素鋼鈑等を所定の厚さ
に積層してなるものであって、３体の突極２３ａ，２３
ｂ，２３ｃが、移動方向と直交する図示上側の方向に向
かって突出するように設けられている。これら３体の突
極２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、鉄心２３の移動方向に所
定のピッチ間隔をなすように設けられており、各突極２
３ａ，２３ｂ，２３ｃの間部分の本体胴に、励磁用のコ
イル２５，２５がそれぞれ巻回されている。

【００１８】一方、上記ケーシング２１内の図示上側の
内壁面には、細長状の界磁磁石２６が、上記電機子の移
動方向に延在するように固着されている。この界磁磁石
２６は、鉄心２３の各突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃの先
端面と、所定の空隙を介して対面するように配置されて
おり、フェライト或いは稀土類のマグネットが採用され
ている。そしてその延在方向に直交する方向（図２左右
方向）に着磁が行われており、本実施例では、界磁磁石
２６の図２左側端面がＮ極に着磁されているとともに、
図２右側端面がＳ極に着磁されている。

【００１９】さらに上記界磁磁石２６における図２左側
及び図２右側の各着磁端面には、ヨーク板２７及びヨー
ク板２８がそれぞれ取り付けられている。これらの各ヨ
ーク板２７，２８は、界磁磁石２６の各着磁端面に沿っ
て延在する板状の強磁性材からなり、界磁磁石２６の図
２左側のＮ極側に取り付けられたヨーク板２７がＮ極に
磁化されているとともに、界磁磁石２６の図２右側のＳ
極側に取り付けられたヨーク板２８はＳ極に磁化されて
いる。

【００２０】また上記ヨーク板２７及びヨーク板２８に
おける各電機子側縁部には、上記鉄心２３の両側に突出
する多数の磁路形成用凸部２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２
７ｄ，…及び２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，…が各
々設けられている。これら両ヨーク板２７及びヨーク板
２８における磁路形成用凸部２７ａ，…及び２８ａ，…
どうしは、前記電機子の鉄心２３を両側から挟み込むよ
うにして、所定のピッチ間隔で配置されている。すなわ
ち電機子の鉄心２３と、ヨーク板２７及び２８の磁路形
成用凸部２７ａ，…及び２８ａ，…とは、両者の相対移
動に伴い近接・離間するように構成されており、両者が
対面して近接したときには、上記ヨーク板２７及びヨー
ク板２８の磁路形成用凸部２７ａ，…及び２８ａ，…を
通して、界磁磁石２６からの磁束が鉄心２３側に集束す
る構成になされている。このとき磁路形成用凸部２７
ａ，…及び２８ａ，…の板厚及び鉄心２３との対面長さ
は、鉄心２３の厚さとほぼ同じ寸法に設定されている。

【００２１】これら両ヨーク板２７及びヨーク板２８に
おける各磁路形成用凸部２７ａ，…及び２８ａ，…は、
相互に半ピッチずらした間隔で並設されており、一方側
のＮ極に磁化された磁路形成用凸部２７ａ，…と、他方
側のＳ極に磁化された磁路形成用凸部２８ａ，…とは、
平面視において交互に列状配置されている。すなわち一
方側の磁路形成用凸部２７ａ、他方側の磁路形成用凸部
２８ａ、一方側の磁路形成用凸部２７ｂ、他方側の磁路
形成用凸部２８ｂ、…の順に交互に配置されている。し
たがって前記鉄心２３のコイル２５を装着した部分を通
過する磁束の方向は、上記両側の磁路形成用凸部２７
ａ，２８ａの配置ピッチ毎に反転する配置関係になされ
ている。

【００２２】このような実施例におけるリニアモータで
は、電機子側と界磁磁石側とが図示の位置関係にあると
き、すなわち鉄心２３の隣接する一対の突極２３ｃ，２
３ｂが、一方のヨーク板２７における一対の磁路形成用
凸部２７ｄ，２７ｃ（Ｎ極）に近接し、かつ鉄心２３の
残りの突極２３ａが、他方のヨーク板２８における一つ
の磁路形成用凸部２８ａ（Ｓ極）に近接しているときに
は、図示矢印のようにして界磁磁石２６からの総磁束
が、各磁路形成用凸部２７ｄ，２７ｃ，２８ａを通して
鉄心２３に集束される。

【００２３】次にこの状態から界磁磁石側が、磁路形成
用凸部の配置ピッチ分だけ移動したときには、例えば鉄
心２３における一つの突極２３ａが、ヨーク板２７にお
ける一つの磁路形成用凸部２７ａ（Ｎ極）に近接すると
ともに、鉄心２３の突極２３ｃ，２３ｂは、ヨーク板２
８における一対の磁路形成用凸部２８ｂ，２８ｃ（Ｓ
極）に近接する。したがって界磁磁石２６からの総磁束
は、上述した矢印方向とは反対側に反転して鉄心２３に
集束される。

【００２４】このように本実施例では、界磁磁石２６に
取り付けられた一対のヨーク板２７，２８の形状によ
り、界磁磁石２６の総磁束を分散させることなく集中さ
せる構造で多極化が図られており、これによって界磁磁
石２６からの磁束が常時最大限に利用され、磁極ピッチ
ｐを小さくしつつ有効磁束Φが増大されるようになって
いる。そしてその磁極ピッチｐの狭小化にあたっては、
従来のように界磁磁石に多極着磁は行われておらず、し
かも電機子側の構造が簡易に維持されている。

【００２５】この状態は、前述した図９に示された構造
の直進電機と同様な総磁束集中状態のままで、磁極ピッ
チｐを狭小化した状態となっている。そして前述した式
に示した通り、Ｆ／Ｓ特性値に対して、磁極ピッチｐ
の逆数（1/ｐ）は２乗で寄与することから、磁極ピッチ
ｐを１／３とすればＦ／Ｓ特性値は９倍となり、本実施
例のように磁極ピッチｐを１／４とすればＦ／Ｓ特性値
は１６倍、磁極ピッチｐが１／５ならＦ／Ｓ特性値は２
５倍のようにしてＦ／Ｓ特性値は大幅に向上される。

【００２６】ここで直進電機の発生推力は、コイルの中
を通る磁束Φの単位距離ｘ当たりの変化（ｄΦ／ｄｘ；
磁束密度の傾斜の大きさ）に比例し、Ｆ／Ｓ特性値はそ
の２乗に比例している。そのため直進電機の駆動におけ
る磁束Φの変化を、従来のリニアモータ（図９に示した磁極ピッチも
の）、従来の狭小磁極ピッチ型リニアモータ（磁極ピッチｐ
＝１／５）及び本発明にかかるリニアモータ（磁極ピッチｐ＝１／
５）のそれぞれについて比較してみる。

【００２７】図３から明らかなように、まず破線で示し
た従来のリニアモータ（）では、大きな磁束がゆっく
り変化しており、太線で示した従来の狭小磁極ピッチ型
リニアモータ（）では磁束Φの切り替わりが５倍とな
っている。しかし磁束Φ自体は１／５になっているた
め、結局、磁束Φの変化ｄΦ／ｄｘ（傾斜の大きさ）は
両者とも同じである。これに対して細線で示した本発明
構造（）の場合には、従来のリニアモータ（）と同
じ総磁束を集中的に集めているとともに、従来の狭小磁
極ピッチ型モータ（）と同じ間隔で切り替えが行われ
ている。そのため磁束Φの変化ｄΦ／ｄｘ（傾斜の大き
さ）が非常に大きくなっている。この場合、各モータの
電機子側条件が仮に同じであるとすると、の従来型
モータに比べての本発明のリニアモータは、発生推力
（推力定数）が５倍、Ｆ／Ｓ特性値が２５倍となる。

【００２８】また図４及び図５に示されている実施例で
は、上述した図１及び図２の第１実施例に対応する構成
物について、十の位の符号「２」を「４」に代えて表し
ている。この実施例では、鉄心４３の各突極４３ａ，４
３ｂ，４３ｃに対して、コイル４５，４５，４５をそれ
ぞれ図示水平方向に巻回している点が前記第１実施例と
異なっている。その他の構造については、同様であるの
で詳細な説明は省略する。

【００２９】さらに図６に示されている実施例では、上
述した第１の実施例と対応する構成物について、符号中
の十の位「２」を符号「６」に代えて表している。本実
施例では、両ヨーク板６７，６８に設けられている各磁
路形成用凸部６７ａ，６８ａが、電機子側の鉄心６３の
先端面に直接対面するように略Ｌ字状に折曲されている
点が前記第１実施例と異なっている。その他の構造につ
いては、同様であるので詳細な説明は省略する。

【００３０】次に図７及び図８に示されている実施例で
は、前記第１の実施例と対応する構成物について、符号
中の十の位「２」を符号「７」に代えて表している。本
実施例においては、長尺板状の界磁磁石７６に近接し
て、電機子を構成する２体の鉄心７３，７３が、移動方
向（図示左右方向）に並設されている。上記各鉄心７３
の本体胴には、励磁用のコイル７５がそれぞれ巻回され
ているとともに、本体胴から略水平方向に延出する各突
極７３ａの先端部分は、図７上下方向に突出して、ヨー
ク板７７及び７８の各磁路形成用凸部７７ａ，…及び７
８ａ，…に近接されている。その他の構造については同
様であり、詳細な説明は省略する。

【００３１】このように本発明には、種々の形状の電機
子及び界磁磁石を採用することができ、上述した第１の
実施例と同様な作用・効果を得ることができる。また電
機子側と界磁磁石側とを相対移動可能に配置するにあた
って、いずれか一方を固定側とし、いずれか他方を移動
側とすればよい。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように本発明にかかる直進電
機は、界磁磁石に取り付けたヨーク板の形状により、界
磁磁石の総磁束を電機子の鉄心側に反転を繰り返すよう
に集中させ、界磁磁石の総磁束を分散させることなく集
中させる構造で多極化を行うものであるから、従来のよ
うに界磁磁石に多極着磁を行うことなく、しかも電機子
側の構造を簡易に維持しつつ、界磁磁石からの磁束を常
時最大限に利用して磁極ピッチの狭小化及び有効磁束の
増大を同時に図ることができ、簡易な構造でＦ／Ｓ特性
値を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例におけるリニアモータを表
した平面説明図である。

【図２】図１に表したリニアモータの構造を表した横断
面説明図である。

【図３】リニアモータの移動中における磁束Φの変化を
比較した線図である。

【図４】本発明の第２実施例におけるリニアモータを表
した平面説明図である。

【図５】図４に表したリニアモータの構造を表した横断
面説明図である。

【図６】本発明の第３実施例におけるリニアモータを表
した横断面説明図である。

【図７】本発明の第４実施例におけるリニアモータを表
した平面説明図である。

【図８】図７に表したリニアモータの構造を表した正面
説明図である。

【図９】従来における直進電機の一例を表した平面説明
図である。

【図１０】従来における直進電機の他の例を表した平面
説明図である。

【符号の説明】

２３，４３，６３，７３鉄心２５，４５，６５，７５コイル２６，４６，６６，７６界磁磁石２７，４７，６７，７７ヨーク板２８，４８，６８，７８ヨーク板２７ａ，２７ｂ，…，２８ａ，２８ｂ，… 磁路形成用
凸部４７ａ，４７ｂ，…，４８ａ，４８ｂ，… 磁路形成用
凸部６７ａ，６７ｂ，…，６８ａ，６８ｂ，… 磁路形成用
凸部７７ａ，７７ｂ，…，７８ａ，７８ｂ，… 磁路形成用
凸部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄心に複数相のコイルが巻回された電機
子と、この電機子に対して相対的に平行移動可能に配置
された界磁磁石と、を有する直進電機において、上記界磁磁石は、電機子との相対移動方向に直交する方
向に着磁されているとともに、この界磁磁石の各着磁端面のそれぞれに、当該界磁磁石
の延在方向に沿ってヨーク板が各々取り付けられ、これら両ヨーク板には、ヨーク板の延在方向に所定のピ
ッチで配置される複数の磁路形成用凸部が設けられてな
り、前記鉄心と磁路形成用凸部とは、界磁磁石の磁束を鉄心
に集束させるように相互に近接・離間し、かつその鉄心
内を通過する磁束の方向が、電機子と界磁磁石との相対
移動に伴い上記磁路形成用凸部の配置ピッチ毎に反転す
る位置関係に設けられていることを特徴とする直進電
機。