JP3791082B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，主に低速で駆動し直線運動をするステッピングモータ或いはサーボモータ、ダイレクトドライブモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パルスモータの界磁を永久磁石で与えれば、コンパクトな構成で高い推力を得ることが知られており、様々な構造のものが考えられている。そのうち、可動子の応答性とダンピング特性を改善し、リード線処理を簡単にして安価に製造できるようにしたものが特開昭６３−３１０３６１号公報に開示されている。そのリニアモータの構造は同公報に詳しく述べられているが、概ね次のようになっている。
断面がコ字状で上に開いた直線状の固定子には、内側に断面が同じくコ字状のヨークが２つ平行に並んで固定されており、ヨークの底にそれぞれコイルが長手方向に巻回されている。２つのヨークはそれぞれ上に伸びた２つの磁極を持っている。この磁極の上面にはそれぞれ磁極板が固定されており、他方の磁極板に向かって等間隔で突起状の極歯が伸びており、向かい合う極歯が互い違いになってクローポール形の磁極面をなしている。固定子の長手方向に移動可能に支持された可動子には、前記磁極面とエアギャップを介して対向するよう互いに平行な２組の永久磁石が設けられており、前記磁極板の突起と同じ間隔で極性が反転するよう着磁されている。このような構成において、２つのヨークに巻回されたコイルに位相が９０度ずれた２相の正弦波電流を供給すると、広く知られているリニアモータのメカニズムによって可動子は固定子の上を長手方向に移動することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが前記の従来技術によると、次のような問題があった。すなわち、固定子に設けた２つのヨークと磁極板が前記のような構造となっているため、ヨークを塊状の鉄心で形成して、磁極板を薄い軟磁性鋼板で形成せざるをえず、コイルに流す励磁電流を大きくすると磁気飽和が生じてモータのピークの推力が抑えられてしまうほか、可動子の移動速度を大きくすると磁極板の鉄損が大きくなるという欠点があった。また、２つのヨーク上面から伸びて互い違いになった磁極板の極歯の間の隙間を通る磁束の漏れが全体として大きいので、励磁電流に対してモータの推力が小さい、すなわちモータ定数が小さいという欠点があった。さらに、固定子と可動子の間に磁気吸引力が生じるので、可動子の支持機構に大きな負担がかかり、構造に歪みが生じて様々な弊害を生じるという欠点もあった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの欠点を解消するためになされたものであり、信頼性があり、高い推力が得られるモータを提供することを目的とする。
そこで本発明は、ピッチＰで極性が異なる矩形断面をした棒状の永久磁石とこの永久磁石を固着したテーブルとこれらを移動可能に支持する支持手段とを備えた可動子と、磁極がエアギャップを介して前記永久磁石を挟む電磁石を複数個備えた固定子とからなり、その固定子を交流励磁することによって前記可動子を移動させるｍ相のリニアモータにおいて、長方形の片方の側辺の上部を切欠いて対向する平行な磁極面を持つ磁極を形成した同じ形状のＣ形鉄心が前記永久磁石を前記磁極の間に挟んでピッチ２Ｐで並べられ、その鉄心に１つのコイルが共通に巻かれて片側磁石ユニットをなし、前記片側磁石ユニット２個を対向させ前記磁極を互いにピッチＰずらして一列に並ぶよう配置して固定子ユニットをなし、その固定子ユニットをその隣り合う鉄心のピッチが（Ｐ＋Ｐ／ｍ）（ｍ＝２、３、４、・・・）となるよう複数個並べて固定子をなしてｍ相のリニアモータとしたのである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
このようにすると、固定子の鉄心は珪素鋼板を積層した上、磁路の断面を従来よりも大きくすることができるので、前記従来技術に比べて磁気飽和が生じにくく、モータのピーク推力を大きくすることができる。また、可動子と固定子の間に働く磁気吸引力が相殺されるので支持機構の負担が軽くなって信頼性の向上と機構の簡素化ができるのである。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施例を示す２相のリニアモータの斜視図であり、図２はその一部を省略した平面図である。図において１はベースであり、この上に固定子ユニット２１、２２を搭載して固定子２をなしている。固定子ユニット２１、２２はそれぞれ同じ構成の２つの片側磁石ユニット３１Ａと３１Ｂ、３２Ａと３２Ｂを備えており、片側磁石ユニット３１Ａは２つの同じ形状のＣ形鉄心４１、４３を備えている。Ｃ形鉄心４１は珪素鋼板が積層されており、長方形の片方の側辺の上部を切欠いて、対向する平行な磁極面を持つ磁極５１１、５１２を形成してＣ形としているものであり、同じ形状のＣ形鉄心４３を鉄心の中心間距離が２Ｐとなるよう平行に並べられている。両鉄心の下辺に共通にコイル６１が巻回され、前記磁極面が上側になるよう横に寝せてベース１に固定して片側磁石ユニット３１Ａをなしている。磁石ユニット３１Ｂも同じように構成されており、Ｃ形鉄心４１、４２、４３、４４の磁極５１１、５２２、５３１、５４２と磁極５１２、５２１、５３２、５４１の磁極面がそれぞれ直線状にならび、互いに平行に対面している。同じ構成の固定子ユニット２１と固定子ユニット２２とは、中心間距離が４．５Ｐとなっており、隣り合うＣ形鉄心の中心間距離は１．５Ｐとなって、それぞれの磁極面が同一平面上にくるよう配置されている。Ｃ形鉄心４１、４２、４３、４４の磁極５１１、５２２、５３１、５４２と５１２、５２１、５３２、５４１の間には、断面が四角の棒状の永久磁石７が配置され図示しないテーブルに固定されている。そのテーブルは図示しない支持機構によって左右の移動方向に移動可能に支持されて可動子８をなしている。永久磁石７は前記Ｃ形鉄心の各磁極面に向かう方向に着磁されており、長手方向にピッチＰで着磁の向きが逆になっている。
【０００６】
以上の構成において、固定子ユニット２１のコイル６１、６２に、電流を図２の向きに供給して励磁するときの状況について説明する。Ｃ形鉄心４１、４２を通る磁束はそれぞれ図３（ａ）、（ｂ）に示すように、永久磁石７の着磁方向と一致して磁束が加算される。永久磁石７の極性とエアギャップを介して対面するＣ形鉄心の磁極の極性が異なり、磁気吸引力を生じるので、可動子８の移動方向位置は図２の状態で安定保持される。磁気吸引する力の和は、２つのＣ形鉄心の２つの磁極の吸引力の大きさが等しく、逆向きであるため、キャンセルされてゼロになる。
次に、固定子ユニット２１、２２の励磁を切替えるときの動作について図４を用いて説明する。図４は固定子１の励磁の状態を４ステップに分けて、それぞれ励磁中の磁極の状態を上から見たものを示している。（ａ）は、図２、図３で説明したものと同じ励磁の状態にあり、対面する固定子の磁極と可動子の磁極が異極になり磁気吸引力により安定保持されている。（ｂ）は、（ａ）で固定子ユニット２１に供給した電流と同じように固定子ユニット２２に電流を供給した時の状態を示しており、（ａ）と同じ理由で、（ａ）に対して可動子８が右に０．５Ｐ移動した位置で安定保持されている。（ｃ）は（ａ）の場合と逆向きの電流を供給した状態を示しており、（ｂ）に対して０．５Ｐ右に移動した位置で安定保持されている。（ｄ）は（ｂ）の場合と逆向きの電流を供給した状態を示しており、（ｃ）に対して０．５Ｐ右に移動した位置で安定保持されている。（ａ）から（ｄ）までの４ステップを経て（ａ）に戻る１サイクルの電流の切替えにより、可動子８は２Ｐだけ右に移動することができるので、これを繰り返すことによって可動子８を連続的に右に移動させることができるのである。逆の順序で電流を切替えていくと、同じメカニズムで可動子８を左に移動させることができるのは言うまでもない。
【０００７】
次に本発明の第２実施例を図を用いて説明する。図５（ａ）は一部を省略した第２実施例のリニアモータの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。第２実施例は一部を除いて第１実施例と類似しており、異なる点のみ説明する。変更点の１つは、第１実施例のＣ形鉄心４１をＣ形鉄心４５１とＩ形鉄心４６１とに分けた点にあり、それぞれ対面する磁極５５１、５５２の２組の磁極面が平行になるようベース１に剛に固定されている。もう一つの変更点は可動子８にあり、前記２組の磁極面の間に位置するよう永久磁石７２、７１が非磁性材７３を間に挟んで直接または間接に図示しないテーブルに固着されている。そして、永久磁石７１、７２とＣ形鉄心、Ｉ形鉄心とで閉じた磁気回路をなしている。Ｃ形鉄心４５２、４５３、４５４はＣ形鉄心４５１と同じであり、Ｉ形鉄心４６２、４６３、４６４はＩ形鉄心４６１と同じであり、これらによって構成する片側磁極ユニット３３Ａ、３３Ｂは第１実施例の片側ユニット３１Ａ、３１Ｂに対応している。このような構成をした第２実施例のリニアモータの動作は、固定子２の磁束の発生状況が第１実施例と同じになるので、第１実施例と同じような動作をする。第１実施例に比べると、固定子２と可動子８との対向する磁極面の面積がおよそ２倍になっているので、推力が２倍になるという特徴がある。
以上述べた２つの実施例は片側磁石ユニットが２個の場合を述べたが、３個以上であってもよい。また２つの実施例は２相のリニアモータであるが、固定子ユニットを３個設け、その中心間距離を１６Ｐ／３、すなわち隣り合う鉄心の中心間距離を４Ｐ／３とすることにより、３相のリニアモータとすることができる。同様に固定子ユニットをｍ個設け、その中心間距離を（Ｐ＋Ｐ／ｍ）とすればｍ相のモータとすることができ、いずれも前記の２相のモータと同様、電流の切換えで両方向に移動させることができる。
【０００８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によると、珪素鋼板を積層して固定子のＣ形鉄心或いはＩ形鉄心をなしているので、従来のものに比べて磁路の面積を大きくすることができ、磁気飽和が生じにくくなって高い推力を得ることができる。また各鉄心の並べられている方向に珪素鋼板が積層されているため、各鉄心間の漏れ磁束が小さく、推力の低下が最小に抑えられている。そして、可動子の永久磁石を薄くすると磁界変調率が大きくなるので、これによっても高い推力を得ることができる。さらに、固定子と可動子間に働く磁気吸引力が永久磁石の両側面で相殺されるので可動子の支持機構に与える負担が小さく、リニアモータの信頼性を高めるなどの効果がある。
【０００９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すリニアモータの斜視図
【図２】第１実施例の平面図
【図３】第１実施例の説明図
【図４】第１実施例の説明図
【図５】第２実施例の構造図
【符号の説明】
１ ベース
２ 固定子
２１、２２、２３、２４ 固定子ユニット
３１Ａ、３１Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、３３Ａ、３３Ｂ、３４Ａ、３４Ｂ 片側磁石ユニット
４１、４２、４３、４４、４５１、４５２、４５３、４５４ Ｃ形鉄心
４６１、４６２、４６３、４６４ Ｉ形鉄心
５１１、５１２、５２１、５２２、５３１、５３２、５４１、５４２、５５１、５５２ 磁極
６１、６２ コイル
７、７１、７２ 永久磁石
７３ 非磁性材
８ 可動子

Claims (1)

1. ピッチＰで極性が異なる矩形断面をした棒状の永久磁石とこの永久磁石を固着したテーブルとこれらを移動可能に支持する支持手段とを備えた可動子と、
   磁極がエアギャップを介して前記永久磁石を挟む電磁石を複数個備えた固定子とからなり、
   その固定子を交流励磁することによって前記可動子を移動させるｍ相のリニアモータにおいて、
   長方形の片方の側辺の上部を切欠いて対向する平行な磁極面を持つ磁極を形成した同じ形状のＣ形鉄心が前記永久磁石を前記磁極の間に挟んでピッチ２Ｐで並べられ、
   その鉄心に１つのコイルが共通に巻かれて片側磁石ユニットをなし、
   前記片側磁石ユニット２個を対向させ前記磁極を互いにピッチＰずらして一列に並ぶよう配置して固定子ユニットをなし、
   その固定子ユニットをその隣り合う鉄心のピッチが（Ｐ＋Ｐ／ｍ）（ｍ＝２、３、４、・・・）となるよう複数個並べて固定子をなした
   ことを特徴とするｍ相のリニアモータ。

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