JP4102708B2 - 永久磁石を利用したモータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を利用したモータ、特にリニアモータに好適なモータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来技術による同期型リニアモータを示した図である。また、図１４、図１５、図１６、図１７は、同期型リニアモータの問題点を解決するために出願人らが特許第３３４４６４５号で開示した従来技術によるリニアモータである。図１５は図１４の断面ＡＡ、図１５は図１４の断面ＢＢを示している。また、図１７は、図１４の可動子３の側面図と可動子３を下方向から見た図である。
【０００３】
従来技術による同期型リニアモータの特徴について説明する。図１３において、６３は可動子、６７は可動子６３に設けられたＳ１からＳ１２で示すスロットであり、スロット６７には、回転型の誘導電動機などで一般的に使用される２極の３相交流巻線が巻回されている。また、６５は可動子突極、６１はステータ、６４はステータの表面にＮ極、Ｓ極と交互に配置された永久磁石である。
【０００４】
一般的に、モータの１ターンの巻き線が発生する力Ｆは、フレミングの法則より、Ｆ＝Ｂ・Ｉ・Ｌとして表される。ここでＢは磁束密度、Ｉは電流、Ｌは有効な電線の長さであり、パワーＰは、Ｐ＝Ｆ・ｄＸ／ｄｔである。Ｘは可動子の移動方向の位置であり、ｄＸ／ｄｔは可動子の移動速度である。
【０００５】
ここで、電気的には、パワーＰは、電圧をＶとして、Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝ｄф／ｄｔ・Ｉとして表される。фは１ターンの巻き線に鎖交する磁束である。リニアモータ内部の磁気エネルギーの変化を無視すると、前記両式からＰ＝Ｆ・ｄＸ／ｄｔ＝ｄф／ｄｔ・Ｉとなり、リニアモータの発生推力Ｆは、Ｆ＝ｄф／ｄＸ・Ｉとなる。リニアモータの発生する推力Ｆは巻線が鎖交する磁束фの位置変化率ｄф／ｄＸに比例するわけである。
【０００６】
従って例えば、図示しないが、図１３と同一の可動子−ステータ構造で、但し２極の永久磁石型リニアモータの場合について考えてみると、発生するトルクＴ、即ち、巻き線が鎖交する磁束фの位置変化率ｄф／ｄＸは、ほぼ単純に、磁束密度Ｂに比例することになる。
【０００７】
次に同様のことを図１３のリニアモータについて考えてみる。例えば、１ターンの巻き線をスロットＳ２に紙面の手前側から奥側へ、そして、スロットＳ８に紙面の奥側から手前側へ巻回していると仮定する。この時にスロットＳ２からスロットＳ８に巻回された巻き線に鎖交する磁束фの位置変化率ｄф／ｄＸ≒Δф／ΔＸは、可動子６３がわずかな量ΔＸだけ右方向へ移動することを想定すると、その時の微少磁束変化ΔфはスロットＳ２からスロットＳ８に狭まれた可動子突極６５にそれぞれ微少位置変化ΔＸに相当したＮ極磁束の増加があらわれ、大きな磁束位置変化率Δф／ΔＸが得られる関係に配置されている。従って、前記２極の永久磁石型リニアモータの場合と比較すると、単純論理的には、磁束фの位置変化率Δф／ΔＸは約５〜６倍であるといえ、発生する推力も約５〜６倍であるといえる。このように永久磁石を利用したバーニア型のリニアモータは、原理的に大推力という特徴を持っている。ただし、制御可能に駆動する駆動周波数はこの例では約６倍になり、駆動周波数限界と巻線のインダクタンスの影響で一般的には高速駆動は困難である。
【０００８】
しかし、従来の同期型リニアモータでは、各永久磁石６４の磁束が有効に活用できないと言う問題がある。例えば、スロットＳ２とＳ３に挟まれた可動子突極６５に存在する磁束について考えてみると、可動子突極６５は、永久磁石６４のＮ極にわずかなギャップを介して対向しておりこのＮ極の磁束がこの可動子突極６５に存在するが、同時に、両隣のＳ極の磁束も各可動子突極６５間の空間等非磁性部から漏れてきてＮ極とＳ極間で磁束がクローズする成分も多く存在し、このＮ極の磁束の内Ｓ極とクローズする磁束は駆動作用に活用されなくなる。この結果、スロットＳ２とＳ３に挟まれた可動子突極６５にＮ極の磁束が十分に活用されず、同様のことはその他の各可動子突極６５についても言えるので、有効な磁束が十分に得られず、結果としてモータの電流が適切に通電された場合のモータ推力が減少するという問題がある。
【０００９】
もう一つの問題点として、可動子突極６５の電磁鋼板の最大磁束密度は１．７テスラ程度と大きい値であるのに対し、ステータ磁極部の最大磁束密度は残留磁束密度の大きい希土類磁石を使用しても１．０テスラ程度であり、構造的に、磁束密度を高くできないと言う問題がある。ステータ６１の各磁極の磁束密度アップによる電動機のトルクアップが望まれている。
【００１０】
もう一つの問題点として、リニアモータの駆動範囲が長い時、ステータ６１に装着される高価な永久磁石は長さに比例した量が必要なため、リニアモータのコストが高価なものになるという問題がある。他の問題として、工作機械などの送り駆動に応用した場合、周囲環境として鉄粉等があり、永久磁石６４が存在する場所は特に厳重にカバーをして、鉄粉等が付着しないように配慮しなければならないが、磁石部が長いので、カバーに要するコストが高くなるという問題もある。次に、上記同期型リニアモータの問題点を解決するために、出願人らが特許第３３４４６４５号で開示した図１４、図１５、図１６、図１７に示す従来のリニアモータについて説明する。
【００１１】
図１４、図１７において、可動子３には、それぞれ３組のＮ極磁極５，Ｓ極磁極６と、Ｎ極磁極５，Ｓ極磁極６間に補助磁石１０を有した３組の可動子磁極４ａ、４ｂ、４ｃが可動子移動方向に配置されおり、Ｎ極磁極５、Ｓ極磁極６、補助磁石１０は、図１７に示すように交互にＮ極、Ｓ極となるように配置される。Ｎ極磁極５とＳ極磁極６は、図１５，図１６に示されているように５ａ，５ｂと６ａ，６ｂで構成されており、５ａ，６ａは、特許第３３４４６４５号におけるＮ極補助磁極とＳ極補助磁極に相当する。
【００１２】
各可動子磁極５，６には３相の交流巻線１６が巻回されている。Ｕ相巻線は図中の記号でＳＵ１，ＳＵ２、Ｖ相巻線は図中の記号でＳＶ１，ＳＶ２、Ｗ相巻線は図中の記号でＳＷ１，ＳＷ２である。各相の可動子磁極４ａ、４ｂ、４ｃは、固定子１の突極２に対して電気角的に１２０度づつシフトした位置に配置されている。
【００１３】
可動子３を構成する電磁鋼板は、図１５、図１６におけるＮ極用磁気ヨーク３ａとＳ極用磁気ヨーク３ｂであり、それぞれ、Ｎ極磁極５、Ｓ極磁極６と磁気的に接続されている。図１７の可動子磁極４ａは、可動子３の形状を理解し易いようにＳ極磁気ヨーク３ｂの断面図を示してある。
【００１４】
また、可動子３内部には、Ｎ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂと磁気的に接続された共通永久磁石１３が配置される。
【００１５】
上記のように構成された従来技術におけるリニアモータの３相の交流巻線１６に電流を印可すると、Ｕ、Ｖ、Ｗ相巻線の印可方向により、３組の可動子磁極５，６では、Ｎ極もしくはＳ極のどちらか一方に励磁され、Ｎ極もしくはＳ極の大きな一つの磁極となる。そして各可動子磁極５，６および共通永久磁石１３を通過した磁束１９は、固定子１側を通過し、３次元的な立体磁路を構成する。この時、可動子３と固定子１の位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子３に推力が発生する。
【００１６】
さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ相→Ｖ、Ｗ相、すなわちＳＵ１、ＳＶ２、ＳＷ２をプラス、ＳＵ２、ＳＶ１、ＳＷ１をマイナスになるように電流を流すと、図１４の可動子磁極４ａはＳ極に、可動子磁極４ｂ，４ｃはＮ極になり、磁束１９で示すように、磁束は可動子磁極４ａの裏側のＳ極磁気ヨーク３ｂから可動子磁極４ｂ，４ｃの表側のＮ極磁気ヨーク３ａに流れ、つぎに可動子磁極４ｂ，４ｃのＮ極磁極５の表側から固定子に流れ、可動子磁極４ａのＳ極磁極６よりＳ極磁気ヨーク３ｂへ戻るという３次元立体磁路を構成する。すると、図１４の可動子３と固定子１の境界部に図示した矢印の方向に力が働き、可動子３は右側に移動する。
【００１７】
上述したように図１４から図１７に示した従来技術のリニアモータにおいては、可動子磁極４ａ，４ｂ，４ｃに配置したＮ極磁極５とＳ極磁極６は、巻線に電流を印加することにより共通の磁極となり、従来技術の同期型リニアモータのように、Ｎ極とＳ極間で磁束がクローズする漏れ磁束が発生しないため、モータ推力が向上する。
【００１８】
また、補助磁石１０の他に、共通永久磁石１３からも磁束を供給することで、磁束密度を電磁鋼板の飽和磁束密度である１．７テスラ程度まで高めて使用できるため、可動子３表面に大きな磁束を発生させることができ、大きな推力を発生できる。
【００１９】
また、可動子３側へ永久磁石と巻き線１６の両方を配置することにより、従来技術の同期型リニアモータのように、高価な永久磁石をストロークの長いステータ１側に使用することなく、ステータ１は、珪素鋼板を積層しただけの単純な構造となるため、モータコストが低減する。さらに、ステータ１に永久磁石がないため、切粉の付着がおこらず、耐環境性も改善する。
【００２０】
【特許文献１】
特許第３３４４６４５号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような従来技術のリニアモータには次のような課題があった。
【００２２】
図１５、図１６に示したヨーク入口１４，１５の断面積は、Ｎ極及びＳ極磁極５，６の可動子３と固定子１の境界面の断面積の半分程度に小さくなるため、この部分で磁束が飽和しモータ推力が低下するという問題があった。
【００２５】
本発明は、上記問題点を解決するので、ヨーク入り口１４，１５付近の磁束の飽和を防止するような構成とすることでモータ推力を向上させることを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記のような問題を解決するために、本発明におけるリニアモータにおいては、凸極が一定間隔をもって配置された固定子と、前記固定子と所定のエアギャップを設けて配置され、前記凸極と対向配置された磁極が所定間隔をもって配置された可動子と、を有するモータであって、前記可動子は、前記可動子の移動方向と直交する厚み方向に永久磁石を挟んで積層された、Ｎ極磁気ヨークと、Ｓ極磁気ヨークと、前記Ｎ極磁気ヨークと磁気的に結合され、前記可動子の移動方向に所定間隔で配置され、前記可動子の厚み方向全幅に伸張した複数のＮ極磁極と、前記Ｓ極磁気ヨークと磁気的に結合され、前記可動子の移動方向に所定間隔で配置され、前記可動子の厚み方向全幅に伸張し、かつ可動子の移動方向に対して前記Ｎ極磁極と交互に配置された複数のＳ極磁極と、隣接する磁極の間に配置された補助磁石と、前記複数のＮ極磁極及びＳ極磁極に巻回された交流巻線と、を備えた永久磁石を利用したモータにおいて、前記Ｎ極磁極とＳ極磁極の固定子側における厚み方向の全幅が同幅であり、前記可動子のＮ極磁極のＮ極磁気ヨーク及びＳ極磁極のＳ極磁気ヨークから伸張しヨークと同じ厚み方向の幅を有する主磁極部分は、固定子から遠ざかるほどその幅が広く、かつ、前記主磁極部分から厚み方向に突出したＮ極及びＳ極の補助磁極部分は、固定子から遠ざかるほどその幅が狭く、なるように形成したことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００３１】
第１の実施形態．
図１、図２、図３は、第１の実施形態に係る永久磁石を利用したリニアモータを示した図である。図２は図１の断面ＣＣ、図３は、図１の可動子３の側面図と、可動子３を下方向から見た図である。図１、図２、図３を参照しながら、本実施形態について説明する。
【００３２】
図１，図２，図３において、３は可動子、３ａはＮ極磁気ヨーク、３ｂはＳ極磁気ヨークであり、３ａ，３ｂは電磁鋼板を積層して構成される。また、１６は３相交流巻線を表し、図中の記号ＳＵ１，ＳＵ２はＵ相巻線、ＳＶ１，ＳＶ２はＶ相巻線、ＳＷ１，ＳＷ２はＷ相巻線である。また、５はＮ極磁極、６はＳ極磁極、１０は補助磁極を表し、Ｎ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂは、固定子１との境界部においては、ほぼ同一幅寸法になるように形成されているが、Ｎ極磁極５はＮ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が広く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が狭くなるように構成されている。一方、Ｓ極磁極６は、逆に、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が狭く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が広くなるように形成されている。図３はＮ極磁極５とＳ極磁極６が交互にＮ極、Ｓ極となるように配置されることを示している。また、図２で示すように、可動子３内部にはＮ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂと磁気的に接続された共通永久磁石１３が配置される。また、Ｎ極磁極５、Ｓ極磁極６には、ティースコア１８が挿入されている。ティースコア１８は、図１において、磁気ヨーク３ａ，３ｂを構成する電磁鋼板の積層方向と垂直な方向に、電磁鋼板を複数枚積層したもので製作されている。以下、ティースコアの記載は参考例とする。
【００３３】
図１において、３相交流巻線１６にＵ相→Ｖ，Ｗ相に電流を印可した時に、図の磁束１９で示すような磁束が可動子３と固定子１を３次元的に横断して生成される３次元立体磁路を構成することは図１４〜図１７で示した従来のリニアモータで説明した通りである。この時、固定子１から可動子３に生成される磁束１９は、図２に示すように、磁極６から極磁気ヨーク３ｂに流れ込む際に、極磁気ヨーク３ｂのヨーク入口１４，１５で集中するが、Ｎ極磁極５は、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほど広くなるように形成され、Ｓ極磁極６は、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほど広くなるように形成されているため、ヨーク入口１４，１５の磁束飽和限界が高くなり、モータ推力が向上する。
【００３４】
また、図２において、同じく固定子１から可動子３に流れ込んだ磁束１９のうち、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側から流れ込んだ磁束は、Ｎ極磁極５を構成する電磁鋼板の積層方向を横断するように流れようとするが、ティースコア１８がＮ極磁極５を構成する電磁鋼板の積層方向と垂直な方向に積層されているため、磁束は電磁鋼板の積層方向を横断して流れることなく、ティースコア１８を通ってスムーズにＳ極磁気ヨーク３ｂに流れる。その結果、磁束は電磁鋼板を横断することがないため、磁束の減少防ぐことができ発生推力が向上する。
【００３５】
また、モータが駆動され、磁束が変化した場合でも、ティースコア１８を構成する電磁鋼板の表面に塗布された絶縁皮膜により電磁鋼板同士は電気的に絶縁されているため、電磁鋼板間にまたがる大きな渦電流は発生せず、渦電流によって電磁鋼板の電気抵抗に応じて発生する鉄損が小さく抑えられるため、モータの発熱が低減するのである。
【００３６】
一方、磁束１９は共通永久磁石１３の前後においても電磁鋼板の積層方向を横断するように流れているが、この部分は共通永久磁石１３の強力な界磁により磁束変化が少ないため、発熱は少なくティースコア１８のような対策は不要である。
【００３７】
第２の実施形態．
図４，図５，図６は、第２の実施形態に係るリニアモータを示した図であり、図５は図４の断面ＤＤ、図６は、図４の可動子３３の側面図と、可動子３３を下方向から見た図である。第１実施形態と同様、可動子３３と固定子３１間で３次元磁路を生成するモータであるが、第１の実施形態と構成が異なるリニアモータを示している。図４，図５，図６を参照しながら、本実施形態について説明する。
【００３８】
図４，図５，図６において、３３は可動子、３３ａはＮ極磁気ヨーク、３３ｂはＳ極磁気ヨークであり、３３ａ，３３ｂは電磁鋼板を積層して構成される。また、４６は３相交流巻線を表し、図中にはＵ、Ｖ、Ｗ相を表す記号を示す。また、３５はＮ極磁極、３６はＳ極磁極、４０は補助磁極を表し、Ｎ極磁気ヨーク３３ａとＳ極磁気ヨーク３３ｂは、固定子３１との境界部においては、ほぼ同一幅寸法になるように配置されているが、Ｎ極磁極３５はＮ極磁気ヨーク３３ａ側では固定子３１から遠ざかるほどその幅が広く、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側では固定子３１から遠ざかるほどその幅が狭くなるように構成されている。一方、Ｓ極磁極３６は、逆に、Ｎ極磁気ヨーク３３ａ側では固定子３１から遠ざかるほどその幅が狭く、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側では固定子３１から遠ざかるほどその幅が広くなるように形成されている。図６にはＮ極磁極３５とＳ極磁極３６が交互にＮ極、Ｓ極となるように配置されることを示している。また、可動子３３内部には、図５で示すように、可動子３３内部にはＮ極磁気ヨーク３３ａとＳ極磁気ヨーク３３ｂと磁気的に接続された共通永久磁石１３が配置される。また、Ｎ極磁極３５、Ｓ極磁極３６には、ティースコア４８が挿入されている。ティースコア４８は、図４において、磁気ヨーク３３ａ，３３ｂを構成する電磁鋼板の積層方向と垂直な方向に、電磁鋼板を複数枚積層したものか、磁性材料のブロックで製作されている。以下、ティースコアが、積層された電磁鋼板に代えて、磁性材料のブロックで構成されている記載は参考例とする。
【００３９】
図４で示すリニアモータと第１の実施形態で示したリニアモータの構造上の違いは、３相交流巻線４６として分布巻を配置している点と、可動子３３の磁極ピッチと固定子３１磁極ピッチが異なるバーニア構造を採用している点である。
【００４０】
上記のように構成された第２の実施形態におけるリニアモータの３相の交流巻線に電流を印可すると、Ｕ、Ｖ、Ｗ相巻線の印可方向により、Ｎ極，Ｓ極の複数対の磁極３５，３６が、巻線４６の起磁力によりＮ極もしくはＳ極のどちらかに励磁される。そして可動子３３内にＮ極磁極３５からＮ極磁気ヨーク３３ａ，共通永久磁石磁極１３，Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ，Ｓ極磁極３６，固定子３１を通過して再びＮ極磁極３５へ戻る３次元的な立体磁路が構成される。この時、可動子３３と固定子３１に位置に応じた磁気抵抗差力が生することで、可動子３３に推力が発生する。
【００４１】
さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ相→Ｖ、Ｗ相に電流を流すと、図４に示す３対の磁極３５，３６がそれぞれＮ極もしくはＳ極に励磁され、磁束２９に示すように、可動子３３のＳ極磁極３６から裏側のＳ極磁気ヨーク３３ｂ，共通永久磁石１３を通って表側のＮ極磁気ヨーク３３ａ，Ｎ極磁極３５に流れ、つぎに固定子３１を通って再びＳ極磁極３６へ戻る２つの３次元立体磁路が形成される。すると、図４の可動子３３と固定子３１の境界部に図示した矢印の方向に力が働き、可動子３３は左側に移動する。
【００４２】
上記のように第２の実施形態のモータは、バーニア構造を採用しているが、図４，図５，図６に示すように、共通磁石１３とＮ極磁気ヨーク３３ａ、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ、Ｎ極磁極３５、Ｓ極磁極３６、凹凸のついた固定子３１を設け、３相交流巻線４６に電流を印可することにより、Ｎ極磁極３５から、磁気ヨーク３３ａ、共通磁石１３、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ、Ｓ極磁極３６、固定子３１を通り再びＮ極磁極３５へ戻る３次元の立体磁路を生成する点は、第１の実施形態と同様である。したがって、可動子３３のＮ極磁極５はＮ極磁気ヨーク３３ａ側では、固定子３１から遠ざかるほど広く、Ｓ極磁極３６は、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側では固定子３１から遠ざかるほど広くした構成と、Ｎ極磁極３５とＳ極磁極３６にティースコア１８を挿入する構成を採用することにより、第１の実施形態と同様の効果を得られる。
【００４３】
上述したように、本発明は、共通磁石１３とＮ極磁気ヨーク３３ａ、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ、補助磁石４０で形成した、Ｎ極磁極３５、Ｓ極磁極３６、凹凸のついた固定子３１を設け、交流巻線４６に電流を印可することにより、Ｎ極磁極３５から、磁気ヨーク３３ａ、共通磁石１３、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ、Ｓ極磁極３６、固定子３１を通り再びＮ極磁極３５へ戻る３次元の立体磁路を生成するリニアモータであれば、巻線４６の巻回方式や、磁極３５，３６の配置によらず、本発明を適用可能である。
【００４４】
上記第１の実施形態および第２の実施形態において、ティースコア１８，４８に磁性材料のブロックを用いることもできる。しかし、磁性材料のブロックを用いた場合には、磁束変化により大きな渦電流を発生してしまうため、高速域においては、ティースコア１８，４８を挿入することによる発熱低減効果は期待できない。しかしながら、電磁鋼板を積層した場合に絶縁皮膜や空気層による磁束低下は起こらないためモータ推力は向上する。以上のことから、ティースコア１８，４８に磁性材料のブロックを使用したモータは、渦電流の発生が問題にならない低速用途として使用することが望ましい。
【００４５】
ただし、磁性材料のブロックとして好適な、鋼の粒子を包み込むように電気絶縁膜を内在させ、渦電流の発生を抑える特性を持った磁性材料が商品化されているため、その材料を使用すれば、高速域での発熱を低減可能となり、電磁鋼板を積層して形成したティースコア１８，４８と同様の効果を実現できる。
【００４６】
また、上記のＮ極磁極５，３５はＮ極磁気ヨーク３ａ，３３ａ側では、固定子１，３１から遠ざかるほど広く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ，３３ｂ側では固定子１，３１から遠ざかるほど狭くなるようにした構成と、Ｎ極磁極５，３５とＳ極磁極６，３６にティースコア１８，４８を挿入する構成とは、それぞれ単独で採用しても、それぞれの構成の有する効果を単独で得ることができる。
【００４７】
また、第１の実施形態において、４ａ，４ｂ，４ｃで示された３つの可動子磁極の内、可動子磁極４ａ，４ｂを用いて図７に示すような２相交流巻線で駆動するリニアモータを形成した場合についても、巻線にＵ相→Ｖ相に電流を印加、すなわち、ＳＵ１とＳＶ２をプラス、ＳＵ２とＳＶ１をマイナスに印加した場合には、前記第１の実施形態と同様、可動子磁極４ａはＳ極に、可動子磁極４ｂはＮ極になり、磁束１９で示すように、磁束はＳ極磁極６から、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ、共通永久磁石１３、Ｎ極磁気ヨーク３ａ，Ｎ極磁極５，固定子１を通って再びＳ極磁極６に戻る３次元立体磁路を構成する。したがって、第１の実施形態と同様に本発明を適用可能である。
【００４８】
また、上述したように、Ｎ極磁極５は、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側では固定子１から遠ざかるほど広く、Ｓ極磁極６は、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側では固定子１から遠ざかるほど広くなるようにした構成で、かつ、Ｎ極用補助磁石と、Ｓ極用補助磁石が第１の実施形態や第２実施例と異なる形状のリニアモータを図８，図９に示す。
【００４９】
図８は、円弧状の補助磁石３０，３２を採用している。補助磁石３０，３２を円弧状にすることの利点としては、Ｎ極磁極５およびＳ極磁極６の断面積を、第１実施形態のＮ極磁極５やＳ極磁極６より大きくできる点にあり、これにより、固定子１から可動子３への磁束が生成する際に、Ｎ極磁極５およびＳ極磁極６の磁気飽和限界が高くなり、第１の実施形態よりもより大きなモータ推力を得られる。
【００５０】
また、図９は、第１の実施形態と第２の実施形態の補助磁石を長方形から、くの字に曲げた形状であり、図８で示した円弧に近い形としている。このように、本発明を実施可能な補助磁石３０，３２の形状は各種あり、補助磁石３０，３２の形状が異なっていても、本発明と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
また、特許第３３４４６４５号にも開示されているように、本発明の第１の実施形態、第２の実施形態に代表される永久磁石１３を利用したモータを図１０のように複数個、モータの進行方向と垂直な方向に積層配置したモータについても本発明を適用可能である。
【００５２】
また、上述した第１の実施形態と第２の実施形態は、図１１、図１２に示すように回転型のモータに変形することが可能である。図１１に示すモータは、図１に示した第１実施形態のリニアモータを円弧状に形成し２個直列に接続したもので、図１と同様、Ｎ極磁極５はＮ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が広く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が狭くなるように構成されている。一方、Ｓ極磁極６は、逆に、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が狭く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が広くなるように形成されている。接続個数については、偶数個直列に接続した場合はモータが１８０°対象形となり可動子５３と固定子５１間に発生するラジアル方向の力は釣り合うため、不釣合いなラジアル荷重を原因とした振動、騒音等が発生しない。したがって、接続する個数は偶数個であることが望ましいが、本発明においては、特に個数を規定するものではない。
【００５３】
図１１のモータは、直線駆動と回転駆動という違いはあるものの、動作原理は全く同じであり、第１実施形態と同様３相の交流巻線にＵ相→Ｖ，Ｗ相に電流を流した場合には、ロータは時計回りに回転する力が発生する。したがって、第１の実施形態を回転型のモータに適用した場合も本発明を同様に適用可能である。
【００５４】
また、図１２に示すモータは、図４に示した第２実施形態のリニアモータを円弧状に形成し４個直列に接続したものである。図１２で示したモータも第２の実施形態と動作原理は全く同じである。したがって、第２の実施形態を回転型のモータに適用した場合も本発明を同様に適用可能である。
【００５５】
【発明の効果】
上記のように、Ｎ極磁極はＮ極磁気ヨーク側において固定子から遠ざかるほどその幅が広く、Ｓ極磁極はＳ極磁気ヨーク側において固定子から遠ざかるほどその幅が広くなるような構成とすることで、ヨーク入口１４、１５付近の磁束の飽和を防止し、また、Ｎ極磁極とＳ極磁極にティースコアを配置し、可動子の磁極で磁束が電磁鋼板を積層方向と垂直な方向に生成することで、渦電流の発生や絶縁被膜，電磁鋼板間の空気層による磁束の低下を抑えるようにしたので、モータ発熱を低減すると共にモータ推力を向上させた永久磁石を利用したモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のリニアモータの第１の実施形態を示す図である。
【図２】 図１のリニアモータのＣ〜Ｃ断面図である。
【図３】 図１のリニアモータの可動子の側面図と、可動子を下から見た図である。
【図４】 本発明のリニアモータの第２の実施形態を示す図である。
【図５】 図４のリニアモータのＤ〜Ｄ断面図である。
【図６】 図４のリニアモータの可動子の側面図と、可動子を下から見た図である。
【図７】 本発明の２相のリニアモータを示す図である。
【図８】 本発明の円弧状の補助磁石を使用したリニアモータを示す図である。
【図９】 本発明のくの字状の補助磁石を使用したリニアモータを示す図である。
【図１０】 本発明のリニアモータを複数個並べた図である。
【図１１】 本発明の第１の実施形態のリニアモータを変形した回転型モータを示す図である。
【図１２】 本発明の第２の実施形態のリニアモータを変形した回転型モータを示す図である。
【図１３】 従来技術の同期型リニアモータを示す図である。
【図１４】 従来技術のリニアモータを示す図である。
【図１５】 図１４のリニアモータのＡ〜Ａ断面図である。
【図１６】 図１４のリニアモータのＢ〜Ｂ断面図である。
【図１７】 図１４のリニアモータの可動子の側面図と、可動子を下から見た図である。
【符号の説明】
１ 固定子、３ 可動子、５ Ｎ極磁極、６ Ｓ極磁極、３ａ Ｎ極用磁気ヨーク、３ｂ Ｓ極磁気ヨーク、１０ 補助磁極、１３ 共通永久磁石、１４ ヨーク入口、１６ 巻線、１８ ティースコア、１９ 磁束。
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を利用したモータ、特にリニアモータに好適なモータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来技術による同期型リニアモータを示した図である。また、図１４、図１５、図１６、図１７は、同期型リニアモータの問題点を解決するために出願人らが特許第３３４４６４５号で開示した従来技術によるリニアモータである。図１５は図１４の断面ＡＡ、図１５は図１４の断面ＢＢを示している。また、図１７は、図１４の可動子３の側面図と可動子３を下方向から見た図である。
【０００３】
従来技術による同期型リニアモータの特徴について説明する。図１３において、６３は可動子、６７は可動子６３に設けられたＳ１からＳ１２で示すスロットであり、スロット６７には、回転型の誘導電動機などで一般的に使用される２極の３相交流巻線が巻回されている。また、６５は可動子突極、６１はステータ、６４はステータの表面にＮ極、Ｓ極と交互に配置された永久磁石である。
【０００４】
一般的に、モータの１ターンの巻き線が発生する力Ｆは、フレミングの法則より、Ｆ＝Ｂ・Ｉ・Ｌとして表される。ここでＢは磁束密度、Ｉは電流、Ｌは有効な電線の長さであり、パワーＰは、Ｐ＝Ｆ・ｄＸ／ｄｔである。Ｘは可動子の移動方向の位置であり、ｄＸ／ｄｔは可動子の移動速度である。
【０００５】
ここで、電気的には、パワーＰは、電圧をＶとして、Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝ｄф／ｄｔ・Ｉとして表される。фは１ターンの巻き線に鎖交する磁束である。リニアモータ内部の磁気エネルギーの変化を無視すると、前記両式からＰ＝Ｆ・ｄＸ／ｄｔ＝ｄф／ｄｔ・Ｉとなり、リニアモータの発生推力Ｆは、Ｆ＝ｄф／ｄＸ・Ｉとなる。リニアモータの発生する推力Ｆは巻線が鎖交する磁束фの位置変化率ｄф／ｄＸに比例するわけである。
【０００６】
従って例えば、図示しないが、図１３と同一の可動子−ステータ構造で、但し２極の永久磁石型リニアモータの場合について考えてみると、発生するトルクＴ、即ち、巻き線が鎖交する磁束фの位置変化率ｄф／ｄＸは、ほぼ単純に、磁束密度Ｂに比例することになる。
【０００７】
次に同様のことを図１３のリニアモータについて考えてみる。例えば、１ターンの巻き線をスロットＳ２に紙面の手前側から奥側へ、そして、スロットＳ８に紙面の奥側から手前側へ巻回していると仮定する。この時にスロットＳ２からスロットＳ８に巻回された巻き線に鎖交する磁束фの位置変化率ｄф／ｄＸ≒Δф／ΔＸは、可動子６３がわずかな量ΔＸだけ右方向へ移動することを想定すると、その時の微少磁束変化ΔфはスロットＳ２からスロットＳ８に狭まれた可動子突極６５にそれぞれ微少位置変化ΔＸに相当したＮ極磁束の増加があらわれ、大きな磁束位置変化率Δф／ΔＸが得られる関係に配置されている。従って、前記２極の永久磁石型リニアモータの場合と比較すると、単純論理的には、磁束фの位置変化率Δф／ΔＸは約５〜６倍であるといえ、発生する推力も約５〜６倍であるといえる。このように永久磁石を利用したバーニア型のリニアモータは、原理的に大推力という特徴を持っている。ただし、制御可能に駆動する駆動周波数はこの例では約６倍になり、駆動周波数限界と巻線のインダクタンスの影響で一般的には高速駆動は困難である。
【０００８】
しかし、従来の同期型リニアモータでは、各永久磁石６４の磁束が有効に活用できないと言う問題がある。例えば、スロットＳ２とＳ３に挟まれた可動子突極６５に存在する磁束について考えてみると、可動子突極６５は、永久磁石６４のＮ極にわずかなギャップを介して対向しておりこのＮ極の磁束がこの可動子突極６５に存在するが、同時に、両隣のＳ極の磁束も各可動子突極６５間の空間等非磁性部から漏れてきてＮ極とＳ極間で磁束がクローズする成分も多く存在し、このＮ極の磁束の内Ｓ極とクローズする磁束は駆動作用に活用されなくなる。この結果、スロットＳ２とＳ３に挟まれた可動子突極６５にＮ極の磁束が十分に活用されず、同様のことはその他の各可動子突極６５についても言えるので、有効な磁束が十分に得られず、結果としてモータの電流が適切に通電された場合のモータ推力が減少するという問題がある。
【０００９】
もう一つの問題点として、可動子突極６５の電磁鋼板の最大磁束密度は１．７テスラ程度と大きい値であるのに対し、ステータ磁極部の最大磁束密度は残留磁束密度の大きい希土類磁石を使用しても１．０テスラ程度であり、構造的に、磁束密度を高くできないと言う問題がある。ステータ６１の各磁極の磁束密度アップによる電動機のトルクアップが望まれている。
【００１０】
もう一つの問題点として、リニアモータの駆動範囲が長い時、ステータ６１に装着される高価な永久磁石は長さに比例した量が必要なため、リニアモータのコストが高価なものになるという問題がある。他の問題として、工作機械などの送り駆動に応用した場合、周囲環境として鉄粉等があり、永久磁石６４が存在する場所は特に厳重にカバーをして、鉄粉等が付着しないように配慮しなければならないが、磁石部が長いので、カバーに要するコストが高くなるという問題もある。次に、上記同期型リニアモータの問題点を解決するために、出願人らが特許第３３４４６４５号で開示した図１４、図１５、図１６、図１７に示す従来のリニアモータについて説明する。
【００１１】
図１４、図１７において、可動子３には、それぞれ３組のＮ極磁極５，Ｓ極磁極６と、Ｎ極磁極５，Ｓ極磁極６間に補助磁石１０を有した３組の可動子磁極４ａ、４ｂ、４ｃが可動子移動方向に配置されおり、Ｎ極磁極５、Ｓ極磁極６、補助磁石１０は、図１７に示すように交互にＮ極、Ｓ極となるように配置される。Ｎ極磁極５とＳ極磁極６は、図１５，図１６に示されているように５ａ，５ｂと６ａ，６ｂで構成されており、５ａ，６ａは、特許第３３４４６４５号におけるＮ極補助磁極とＳ極補助磁極に相当する。
【００１２】
各可動子磁極５，６には３相の交流巻線１６が巻回されている。Ｕ相巻線は図中の記号でＳＵ１，ＳＵ２、Ｖ相巻線は図中の記号でＳＶ１，ＳＶ２、Ｗ相巻線は図中の記号でＳＷ１，ＳＷ２である。各相の可動子磁極４ａ、４ｂ、４ｃは、固定子１の突極２に対して電気角的に１２０度づつシフトした位置に配置されている。
【００１３】
可動子３を構成する電磁鋼板は、図１５、図１６におけるＮ極用磁気ヨーク３ａとＳ極用磁気ヨーク３ｂであり、それぞれ、Ｎ極磁極５、Ｓ極磁極６と磁気的に接続されている。図１７の可動子磁極４ａは、可動子３の形状を理解し易いようにＳ極磁気ヨーク３ｂの断面図を示してある。
【００１４】
また、可動子３内部には、Ｎ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂと磁気的に接続された共通永久磁石１３が配置される。
【００１５】
上記のように構成された従来技術におけるリニアモータの３相の交流巻線１６に電流を印可すると、Ｕ、Ｖ、Ｗ相巻線の印可方向により、３組の可動子磁極５，６では、Ｎ極もしくはＳ極のどちらか一方に励磁され、Ｎ極もしくはＳ極の大きな一つの磁極となる。そして各可動子磁極５，６および共通永久磁石１３を通過した磁束１９は、固定子１側を通過し、３次元的な立体磁路を構成する。この時、可動子３と固定子１の位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子３に推力が発生する。
【００１６】
さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ相→Ｖ、Ｗ相、すなわちＳＵ１、ＳＶ２、ＳＷ２をプラス、ＳＵ２、ＳＶ１、ＳＷ１をマイナスになるように電流を流すと、図１４の可動子磁極４ａはＳ極に、可動子磁極４ｂ，４ｃはＮ極になり、磁束１９で示すように、磁束は可動子磁極４ａの裏側のＳ極磁気ヨーク３ｂから可動子磁極４ｂ，４ｃの表側のＮ極磁気ヨーク３ａに流れ、つぎに可動子磁極４ｂ，４ｃのＮ極磁極５の表側から固定子に流れ、可動子磁極４ａのＳ極磁極６よりＳ極磁気ヨーク３ｂへ戻るという３次元立体磁路を構成する。すると、図１４の可動子３と固定子１の境界部に図示した矢印の方向に力が働き、可動子３は右側に移動する。
【００１７】
上述したように図１４から図１７に示した従来技術のリニアモータにおいては、可動子磁極４ａ，４ｂ，４ｃに配置したＮ極磁極５とＳ極磁極６は、巻線に電流を印加することにより共通の磁極となり、従来技術の同期型リニアモータのように、Ｎ極とＳ極間で磁束がクローズする漏れ磁束が発生しないため、モータ推力が向上する。
【００１８】
また、補助磁石１０の他に、共通永久磁石１３からも磁束を供給することで、磁束密度を電磁鋼板の飽和磁束密度である１．７テスラ程度まで高めて使用できるため、可動子３表面に大きな磁束を発生させることができ、大きな推力を発生できる。
【００１９】
また、可動子３側へ永久磁石と巻き線１６の両方を配置することにより、従来技術の同期型リニアモータのように、高価な永久磁石をストロークの長いステータ１側に使用することなく、ステータ１は、珪素鋼板を積層しただけの単純な構造となるため、モータコストが低減する。さらに、ステータ１に永久磁石がないため、切粉の付着がおこらず、耐環境性も改善する。
【００２０】
【特許文献１】
特許第３３４４６４５号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような従来技術のリニアモータには次のような課題があった。
【００２２】
図１５、図１６に示したヨーク入口１４，１５の断面積は、Ｎ極及びＳ極磁極５，６の可動子３と固定子１の境界面の断面積の半分程度に小さくなるため、この部分で磁束が飽和しモータ推力が低下するという問題があった。
【００２５】
本発明は、上記問題点を解決するので、ヨーク入り口１４，１５付近の磁束の飽和を防止するような構成とすることでモータ推力を向上させることを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記のような問題を解決するために、本発明におけるリニアモータにおいては、凸極が一定間隔をもって配置された固定子と、前記固定子と所定のエアギャップを設けて配置され、前記凸極と対向配置された磁極が所定間隔をもって配置された可動子と、を有するモータであって、前記可動子は、前記可動子の移動方向と直交する厚み方向に永久磁石を挟んで積層された、Ｎ極磁気ヨークと、Ｓ極磁気ヨークと、前記Ｎ極磁気ヨークと磁気的に結合され、前記可動子の移動方向に所定間隔で配置され、前記可動子の厚み方向全幅に伸張した複数のＮ極磁極と、前記Ｓ極磁気ヨークと磁気的に結合され、前記可動子の移動方向に所定間隔で配置され、前記可動子の厚み方向全幅に伸張し、かつ可動子の移動方向に対して前記Ｎ極磁極と交互に配置された複数のＳ極磁極と、隣接する磁極の間に配置された補助磁石と、前記複数のＮ極磁極及びＳ極磁極に巻回された交流巻線と、を備えた永久磁石を利用したモータにおいて、前記Ｎ極磁極とＳ極磁極の固定子側における厚み方向の全幅が同幅であり、前記可動子のＮ極磁極のＮ極磁気ヨーク及びＳ極磁極のＳ極磁気ヨークから伸張しヨークと同じ厚み方向の幅を有する主磁極部分は、固定子から遠ざかるほどその幅が広く、かつ、前記主磁極部分から厚み方向に突出したＮ極及びＳ極の補助磁極部分は、固定子から遠ざかるほどその幅が狭く、なるように形成したことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００３１】
第１の実施形態．
図１、図２、図３は、第１の実施形態に係る永久磁石を利用したリニアモータを示した図である。図２は図１の断面ＣＣ、図３は、図１の可動子３の側面図と、可動子３を下方向から見た図である。図１、図２、図３を参照しながら、本実施形態について説明する。
【００３２】
図１，図２，図３において、３は可動子、３ａはＮ極磁気ヨーク、３ｂはＳ極磁気ヨークであり、３ａ，３ｂは電磁鋼板を積層して構成される。また、１６は３相交流巻線を表し、図中の記号ＳＵ１，ＳＵ２はＵ相巻線、ＳＶ１，ＳＶ２はＶ相巻線、ＳＷ１，ＳＷ２はＷ相巻線である。また、５はＮ極磁極、６はＳ極磁極、１０は補助磁極を表し、Ｎ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂは、固定子１との境界部においては、ほぼ同一幅寸法になるように形成されているが、Ｎ極磁極５はＮ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が広く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が狭くなるように構成されている。一方、Ｓ極磁極６は、逆に、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が狭く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が広くなるように形成されている。図３はＮ極磁極５とＳ極磁極６が交互にＮ極、Ｓ極となるように配置されることを示している。また、図２で示すように、可動子３内部にはＮ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂと磁気的に接続された共通永久磁石１３が配置される。また、Ｎ極磁極５、Ｓ極磁極６には、ティースコア１８が挿入されている。ティースコア１８は、図１において、磁気ヨーク３ａ，３ｂを構成する電磁鋼板の積層方向と垂直な方向に、電磁鋼板を複数枚積層したもので製作されている。以下、ティースコアの記載は参考例とする。
【００３３】
図１において、３相交流巻線１６にＵ相→Ｖ，Ｗ相に電流を印可した時に、図の磁束１９で示すような磁束が可動子３と固定子１を３次元的に横断して生成される３次元立体磁路を構成することは図１４〜図１７で示した従来のリニアモータで説明した通りである。この時、固定子１から可動子３に生成される磁束１９は、図２に示すように、磁極６から極磁気ヨーク３ｂに流れ込む際に、極磁気ヨーク３ｂのヨーク入口１４，１５で集中するが、Ｎ極磁極５は、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほど広くなるように形成され、Ｓ極磁極６は、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほど広くなるように形成されているため、ヨーク入口１４，１５の磁束飽和限界が高くなり、モータ推力が向上する。
【００３４】
また、図２において、同じく固定子１から可動子３に流れ込んだ磁束１９のうち、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側から流れ込んだ磁束は、Ｎ極磁極５を構成する電磁鋼板の積層方向を横断するように流れようとするが、ティースコア１８がＮ極磁極５を構成する電磁鋼板の積層方向と垂直な方向に積層されているため、磁束は電磁鋼板の積層方向を横断して流れることなく、ティースコア１８を通ってスムーズにＳ極磁気ヨーク３ｂに流れる。その結果、磁束は電磁鋼板を横断することがないため、磁束の減少防ぐことができ発生推力が向上する。
【００３５】
また、モータが駆動され、磁束が変化した場合でも、ティースコア１８を構成する電磁鋼板の表面に塗布された絶縁皮膜により電磁鋼板同士は電気的に絶縁されているため、電磁鋼板間にまたがる大きな渦電流は発生せず、渦電流によって電磁鋼板の電気抵抗に応じて発生する鉄損が小さく抑えられるため、モータの発熱が低減するのである。
【００３６】
一方、磁束１９は共通永久磁石１３の前後においても電磁鋼板の積層方向を横断するように流れているが、この部分は共通永久磁石１３の強力な界磁により磁束変化が少ないため、発熱は少なくティースコア１８のような対策は不要である。
【００３７】
第２の実施形態．
図４，図５，図６は、第２の実施形態に係るリニアモータを示した図であり、図５は図４の断面ＤＤ、図６は、図４の可動子３３の側面図と、可動子３３を下方向から見た図である。第１実施形態と同様、可動子３３と固定子３１間で３次元磁路を生成するモータであるが、第１の実施形態と構成が異なるリニアモータを示している。図４，図５，図６を参照しながら、本実施形態について説明する。
【００３８】
図４，図５，図６において、３３は可動子、３３ａはＮ極磁気ヨーク、３３ｂはＳ極磁気ヨークであり、３３ａ，３３ｂは電磁鋼板を積層して構成される。また、４６は３相交流巻線を表し、図中にはＵ、Ｖ、Ｗ相を表す記号を示す。また、３５はＮ極磁極、３６はＳ極磁極、４０は補助磁極を表し、Ｎ極磁気ヨーク３３ａとＳ極磁気ヨーク３３ｂは、固定子３１との境界部においては、ほぼ同一幅寸法になるように配置されているが、Ｎ極磁極３５はＮ極磁気ヨーク３３ａ側では固定子３１から遠ざかるほどその幅が広く、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側では固定子３１から遠ざかるほどその幅が狭くなるように構成されている。一方、Ｓ極磁極３６は、逆に、Ｎ極磁気ヨーク３３ａ側では固定子３１から遠ざかるほどその幅が狭く、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側では固定子３１から遠ざかるほどその幅が広くなるように形成されている。図６にはＮ極磁極３５とＳ極磁極３６が交互にＮ極、Ｓ極となるように配置されることを示している。また、可動子３３内部には、図５で示すように、可動子３３内部にはＮ極磁気ヨーク３３ａとＳ極磁気ヨーク３３ｂと磁気的に接続された共通永久磁石１３が配置される。また、Ｎ極磁極３５、Ｓ極磁極３６には、ティースコア４８が挿入されている。ティースコア４８は、図４において、磁気ヨーク３３ａ，３３ｂを構成する電磁鋼板の積層方向と垂直な方向に、電磁鋼板を複数枚積層したものか、磁性材料のブロックで製作されている。以下、ティースコアが、積層された電磁鋼板に代えて、磁性材料のブロックで構成されている記載は参考例とする。
【００３９】
図４で示すリニアモータと第１の実施形態で示したリニアモータの構造上の違いは、３相交流巻線４６として分布巻を配置している点と、可動子３３の磁極ピッチと固定子３１磁極ピッチが異なるバーニア構造を採用している点である。
【００４０】
上記のように構成された第２の実施形態におけるリニアモータの３相の交流巻線に電流を印可すると、Ｕ、Ｖ、Ｗ相巻線の印可方向により、Ｎ極，Ｓ極の複数対の磁極３５，３６が、巻線４６の起磁力によりＮ極もしくはＳ極のどちらかに励磁される。そして可動子３３内にＮ極磁極３５からＮ極磁気ヨーク３３ａ，共通永久磁石磁極１３，Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ，Ｓ極磁極３６，固定子３１を通過して再びＮ極磁極３５へ戻る３次元的な立体磁路が構成される。この時、可動子３３と固定子３１に位置に応じた磁気抵抗差力が生することで、可動子３３に推力が発生する。
【００４１】
さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ相→Ｖ、Ｗ相に電流を流すと、図４に示す３対の磁極３５，３６がそれぞれＮ極もしくはＳ極に励磁され、磁束２９に示すように、可動子３３のＳ極磁極３６から裏側のＳ極磁気ヨーク３３ｂ，共通永久磁石１３を通って表側のＮ極磁気ヨーク３３ａ，Ｎ極磁極３５に流れ、つぎに固定子３１を通って再びＳ極磁極３６へ戻る２つの３次元立体磁路が形成される。すると、図４の可動子３３と固定子３１の境界部に図示した矢印の方向に力が働き、可動子３３は左側に移動する。
【００４２】
上記のように第２の実施形態のモータは、バーニア構造を採用しているが、図４，図５，図６に示すように、共通磁石１３とＮ極磁気ヨーク３３ａ、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ、Ｎ極磁極３５、Ｓ極磁極３６、凹凸のついた固定子３１を設け、３相交流巻線４６に電流を印可することにより、Ｎ極磁極３５から、磁気ヨーク３３ａ、共通磁石１３、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ、Ｓ極磁極３６、固定子３１を通り再びＮ極磁極３５へ戻る３次元の立体磁路を生成する点は、第１の実施形態と同様である。したがって、可動子３３のＮ極磁極５はＮ極磁気ヨーク３３ａ側では、固定子３１から遠ざかるほど広く、Ｓ極磁極３６は、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側では固定子３１から遠ざかるほど広くした構成と、Ｎ極磁極３５とＳ極磁極３６にティースコア１８を挿入する構成を採用することにより、第１の実施形態と同様の効果を得られる。
【００４３】
上述したように、本発明は、共通磁石１３とＮ極磁気ヨーク３３ａ、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ、補助磁石４０で形成した、Ｎ極磁極３５、Ｓ極磁極３６、凹凸のついた固定子３１を設け、交流巻線４６に電流を印可することにより、Ｎ極磁極３５から、磁気ヨーク３３ａ、共通磁石１３、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ、Ｓ極磁極３６、固定子３１を通り再びＮ極磁極３５へ戻る３次元の立体磁路を生成するリニアモータであれば、巻線４６の巻回方式や、磁極３５，３６の配置によらず、本発明を適用可能である。
【００４４】
上記第１の実施形態および第２の実施形態において、ティースコア１８，４８に磁性材料のブロックを用いることもできる。しかし、磁性材料のブロックを用いた場合には、磁束変化により大きな渦電流を発生してしまうため、高速域においては、ティースコア１８，４８を挿入することによる発熱低減効果は期待できない。しかしながら、電磁鋼板を積層した場合に絶縁皮膜や空気層による磁束低下は起こらないためモータ推力は向上する。以上のことから、ティースコア１８，４８に磁性材料のブロックを使用したモータは、渦電流の発生が問題にならない低速用途として使用することが望ましい。
【００４５】
ただし、磁性材料のブロックとして好適な、鋼の粒子を包み込むように電気絶縁膜を内在させ、渦電流の発生を抑える特性を持った磁性材料が商品化されているため、その材料を使用すれば、高速域での発熱を低減可能となり、電磁鋼板を積層して形成したティースコア１８，４８と同様の効果を実現できる。
【００４６】
また、上記のＮ極磁極５，３５はＮ極磁気ヨーク３ａ，３３ａ側では、固定子１，３１から遠ざかるほど広く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ，３３ｂ側では固定子１，３１から遠ざかるほど狭くなるようにした構成と、Ｎ極磁極５，３５とＳ極磁極６，３６にティースコア１８，４８を挿入する構成とは、それぞれ単独で採用しても、それぞれの構成の有する効果を単独で得ることができる。
【００４７】
また、第１の実施形態において、４ａ，４ｂ，４ｃで示された３つの可動子磁極の内、可動子磁極４ａ，４ｂを用いて図７に示すような２相交流巻線で駆動するリニアモータを形成した場合についても、巻線にＵ相→Ｖ相に電流を印加、すなわち、ＳＵ１とＳＶ２をプラス、ＳＵ２とＳＶ１をマイナスに印加した場合には、前記第１の実施形態と同様、可動子磁極４ａはＳ極に、可動子磁極４ｂはＮ極になり、磁束１９で示すように、磁束はＳ極磁極６から、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ、共通永久磁石１３、Ｎ極磁気ヨーク３ａ，Ｎ極磁極５，固定子１を通って再びＳ極磁極６に戻る３次元立体磁路を構成する。したがって、第１の実施形態と同様に本発明を適用可能である。
【００４８】
また、上述したように、Ｎ極磁極５は、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側では固定子１から遠ざかるほど広く、Ｓ極磁極６は、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側では固定子１から遠ざかるほど広くなるようにした構成で、かつ、Ｎ極用補助磁石と、Ｓ極用補助磁石が第１の実施形態や第２実施例と異なる形状のリニアモータを図８，図９に示す。
【００４９】
図８は、円弧状の補助磁石３０，３２を採用している。補助磁石３０，３２を円弧状にすることの利点としては、Ｎ極磁極５およびＳ極磁極６の断面積を、第１実施形態のＮ極磁極５やＳ極磁極６より大きくできる点にあり、これにより、固定子１から可動子３への磁束が生成する際に、Ｎ極磁極５およびＳ極磁極６の磁気飽和限界が高くなり、第１の実施形態よりもより大きなモータ推力を得られる。
【００５０】
また、図９は、第１の実施形態と第２の実施形態の補助磁石を長方形から、くの字に曲げた形状であり、図８で示した円弧に近い形としている。このように、本発明を実施可能な補助磁石３０，３２の形状は各種あり、補助磁石３０，３２の形状が異なっていても、本発明と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
また、特許第３３４４６４５号にも開示されているように、本発明の第１の実施形態、第２の実施形態に代表される永久磁石１３を利用したモータを図１０のように複数個、モータの進行方向と垂直な方向に積層配置したモータについても本発明を適用可能である。
【００５２】
また、上述した第１の実施形態と第２の実施形態は、図１１、図１２に示すように回転型のモータに変形することが可能である。図１１に示すモータは、図１に示した第１実施形態のリニアモータを円弧状に形成し２個直列に接続したもので、図１と同様、Ｎ極磁極５はＮ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が広く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が狭くなるように構成されている。一方、Ｓ極磁極６は、逆に、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が狭く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側において固定子１から遠ざかるほどその幅が広くなるように形成されている。接続個数については、偶数個直列に接続した場合はモータが１８０°対象形となり可動子５３と固定子５１間に発生するラジアル方向の力は釣り合うため、不釣合いなラジアル荷重を原因とした振動、騒音等が発生しない。したがって、接続する個数は偶数個であることが望ましいが、本発明においては、特に個数を規定するものではない。
【００５３】
図１１のモータは、直線駆動と回転駆動という違いはあるものの、動作原理は全く同じであり、第１実施形態と同様３相の交流巻線にＵ相→Ｖ，Ｗ相に電流を流した場合には、ロータは時計回りに回転する力が発生する。したがって、第１の実施形態を回転型のモータに適用した場合も本発明を同様に適用可能である。
【００５４】
また、図１２に示すモータは、図４に示した第２実施形態のリニアモータを円弧状に形成し４個直列に接続したものである。図１２で示したモータも第２の実施形態と動作原理は全く同じである。したがって、第２の実施形態を回転型のモータに適用した場合も本発明を同様に適用可能である。
【００５５】
【発明の効果】
上記のように、Ｎ極磁極はＮ極磁気ヨーク側において固定子から遠ざかるほどその幅が広く、Ｓ極磁極はＳ極磁気ヨーク側において固定子から遠ざかるほどその幅が広くなるような構成とすることで、ヨーク入口１４、１５付近の磁束の飽和を防止し、また、Ｎ極磁極とＳ極磁極にティースコアを配置し、可動子の磁極で磁束が電磁鋼板を積層方向と垂直な方向に生成することで、渦電流の発生や絶縁被膜，電磁鋼板間の空気層による磁束の低下を抑えるようにしたので、モータ発熱を低減すると共にモータ推力を向上させた永久磁石を利用したモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のリニアモータの第１の実施形態を示す図である。
【図２】 図１のリニアモータのＣ〜Ｃ断面図である。
【図３】 図１のリニアモータの可動子の側面図と、可動子を下から見た図である。
【図４】 本発明のリニアモータの第２の実施形態を示す図である。
【図５】 図４のリニアモータのＤ〜Ｄ断面図である。
【図６】 図４のリニアモータの可動子の側面図と、可動子を下から見た図である。
【図７】 本発明の２相のリニアモータを示す図である。
【図８】 本発明の円弧状の補助磁石を使用したリニアモータを示す図である。
【図９】 本発明のくの字状の補助磁石を使用したリニアモータを示す図である。
【図１０】 本発明のリニアモータを複数個並べた図である。
【図１１】 本発明の第１の実施形態のリニアモータを変形した回転型モータを示す図である。
【図１２】 本発明の第２の実施形態のリニアモータを変形した回転型モータを示す図である。
【図１３】 従来技術の同期型リニアモータを示す図である。
【図１４】 従来技術のリニアモータを示す図である。
【図１５】 図１４のリニアモータのＡ〜Ａ断面図である。
【図１６】 図１４のリニアモータのＢ〜Ｂ断面図である。
【図１７】 図１４のリニアモータの可動子の側面図と、可動子を下から見た図である。
【符号の説明】
１ 固定子、３ 可動子、５ Ｎ極磁極、６ Ｓ極磁極、３ａ Ｎ極用磁気ヨーク、３ｂ Ｓ極磁気ヨーク、１０ 補助磁極、１３ 共通永久磁石、１４ ヨーク入口、１６ 巻線、１８ ティースコア、１９ 磁束。
Claims (1)
- 凸極が一定間隔をもって配置された固定子と、
前記固定子と所定のエアギャップを設けて配置され、前記凸極と対向配置された磁極 が所定間隔をもって配置された可動子と、
を有するモータであって、
前記可動子は、
前記可動子の移動方向と直交する厚み方向に永久磁石を挟んで積層された、Ｎ極磁気ヨークと、Ｓ極磁気ヨークと、
前記Ｎ極磁気ヨークと磁気的に結合され、前記可動子の移動方向に所定間隔で配置され、前記可動子の厚み方向全幅に伸張した複数のＮ極磁極と、
前記Ｓ極磁気ヨークと磁気的に結合され、前記可動子の移動方向に所定間隔で配置され、前記可動子の厚み方向全幅に伸張し、かつ可動子の移動方向に対して前記Ｎ極磁極と交互に配置された複数のＳ極磁極と、
隣接する磁極の間に配置された補助磁石と、
前記複数のＮ極磁極及びＳ極磁極に巻回された交流巻線と、
を備えた永久磁石を利用したモータにおいて、
前記Ｎ極磁極とＳ極磁極の固定子側における厚み方向の全幅が同幅であり、
前記可動子のＮ極磁極のＮ極磁気ヨーク及びＳ極磁極のＳ極磁気ヨークから伸張しヨークと同じ厚み方向の幅を有する主磁極部分は、固定子から遠ざかるほどその幅が広く、かつ、前記主磁極部分から厚み方向に突出したＮ極及びＳ極の補助磁極部分は、固定子から遠ざかるほどその幅が狭く、なるように形成したことを特徴とする永久磁石を利用したモータ。
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