JP4803252B2 - 円筒形リニアモータおよび搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、パイプ状の界磁極の周囲に空隙を介して円筒型ヨークを取り付けることによって高特性が得られる円筒型リニアモータに関し、特に、円筒形リニアモータ電機子および円筒型リニアモータ界磁極並びにこれらを用いた円筒型リニアモータ、搬送装置に関する。

図５は従来公知の円筒型リニアモータの概観側面図、図６はその側断面図を示す。本発明が対象とする円筒型リニアモータは、図５に示すように、界磁極１０を有する固定子１と、この界磁極１０同心配置される電機子２０を有する可動子２とから構成されている。本発明は、この界磁極１０と電機子２０とのそれぞれ改良に係るものである。
まず、界磁極１０は、図６に示すように、それぞれ軸方向に磁化された複数の円柱状のマグネット１０ａと、各マグネット１０ａ間に間挿される磁性体からなる円柱状のポールピース１０ｂと、マグネット１０ａおよびポールピース１０ｂを内部に収納するステンレスパイプ１０ｃと、このステンレスパイプ１０ｃの軸方向両端に備えたエンドブロック１０ｄとから構成される。各マグネット１０ａは極性が交互に異なるように、言い換えればＮ極とＳ極の磁極が同極で向き合う様に配置している。エンドブロック１０ｄは、各マグネット間に生じる反発力を抑えるためのもので、ステンレスパイプ１０ｃの両端部に取り付けた構造となっている。
一方、電機子２０は、同じく図６に示すように、円筒形コイル２０ａと、磁性体からなる円筒形ヨーク２０ｂと、アルミフレーム２０ｄから構成される。すなわち、円筒形コイル２０ａを複数個軸方向に並べ、これらを円筒形ヨーク２０ｂの内側に配し、更に、円筒形ヨーク２０ｂの外側にアルミフレーム２０ｄを取り付けた構造となっている。フレーム２０ｄは、電機子２０の機械的剛性を確保しつつ、かつ電機子２０の軽量化を図るためにアルミ材にて構成している。
このような界磁極１０と電機子２０とが磁気ギャップを介してそれぞれが同軸上に配置され、界磁極１０を固定子１に、電機子２０を可動子２として、相対的に走行するようにしてリニアモータが構成されている。
円筒形ヨーク２０ｂを用いることによって、ギャップ磁束密度が向上し、モータの高性能化を実現するとともに、界磁極１０から発生する磁束を円筒形ヨーク２０ｂ内に誘導することで、アルミフレーム２０ｄへの漏れ磁束が低減され、粘性制動力を抑制することができる。

また、同極が向き合うように複数のマグネット１０ａを収納したステンレスパイプ１０ｃの端部の堅固な固定としてのエンドブロック１０ｄについては、例えば特許文献１がある。図７はエンドブロックを説明する固定子１の断面図である。
図７において、７０は界磁極、７０ａは互いに同極が向き合うように配置された複数のマグネット、７０ｃはその外周を抑える非磁性材料から成るパイプ、７０ｅは両端にネジを形成したマグネット７０ａを全て貫通する非磁性材料のシャフトであり、７０ｄはシャフト７０ｅのネジをはめ込むエンドブロックである。マグネット７０ａから発生する漏れ磁束と可動子１０内部の通電されたコイルによって、固定子軸方向に駆動力が発生するようになっており、その固定子の締結は、エンドブロック７０ｄをシャフト７０ｅのネジ部７０ｆが締め付けることによって行われている。
特開平１０−３１３５６６号公報

しかしながら、図６に示す電機子２０の両端部付近において、界磁極から漏れた磁束がアルミフレーム２０ｄへ鎖交して渦電流が流れ、結果として粘性制動力が発生してしまうという欠点があった。
また、図７に示す円筒型リニアモータ装置は、シャフト７０ｅがマグネット７０ａ全てを貫通しなければならないため、マグネット７０ａの幅を広げたり又は数を増やすことで電機子２０を長くすると、シャフト７０ｅも同様の長さが必要となるため、長い電機子２０を作るのに不向きであった。
さらに、電機子２０の各長さに対してシャフト７０ｅをそれぞれ用意しなければならず、コスト面・製造面・保管面での問題があった。
そして、エンドブロック７０ｄとシャフト７０ｅのネジ締め付けのみの締結であるため、ネジの緩み・磨耗が生じた際に、マグネットの反発力によりエンドブロック７０ｄごと界磁極７０が破壊されてしまう問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、粘性制動力を限りなく小さくし、製作性・組立性に優れ、安価な円筒形リニアモータ電機子および円筒型リニアモータ界磁極並びにこれらを用いた円筒型リニアモータ、搬送装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１記載の発明は、円筒形リニアモータに係り、磁性体からなる円筒形ヨークの内側に複数個の円筒形コイルを軸方向に並べて配置し、前記円筒形ヨークの外側を覆うフレームで構成された電機子と、軸方向に磁化された複数の円柱状のマグネットをステンレスパイプの内側にＮ極とＳ極の磁極が同極で向き合う様に配置し、前記ステンレスパイプの両端にエンドブロックを配設して構成された界磁極とを備え、前記電機子は、前記円筒形ヨークが存在する軸方向領域に限りアルミフレームとすると共に、前記電機子の軸方向両端部を樹脂キャップとしたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の円筒形リニアモータにおいて、前記エンドブロックをボルト又はピンを取り付けたエンドブロックで構成したことを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の円筒形リニアモータにおいて、前記エンドブロックは外径にネジが切られており、前記パイプは内径に同様のネジを持たせることでネジ固定が可能であることを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の円筒形リニアモータにおいて、前記エンドブロックは、前記パイプに対して逃げがあり、前記パイプとの嵌合後に前記パイプを逃げと同形状に変形させることで固定することを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項１又は２記載の円筒形リニアモータにおいて、前記エンドブロック及び前記パイプは、溶接により固定されることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の円筒形リニアモータにおいて、前記各マグネット間に磁性体からなる円柱状のポールピースを間挿させたことを特徴としている。
請求項７記載の発明は、搬送装置に係り、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の円筒形リニアモータを駆動用モータとして用いたことを特徴としている。

上記構成により、粘性制動力を限りなく抑制した高性能な円筒型リニアモータが得られる。
また、マグネットの幅や数が増えて固定子が長くなってもシャフトの長さを変える必要のない、したがって長い固定子を作るのに適した、そしてシャフトとエンドブロックのネジ締めのネジの緩み・磨耗が生じてマグネットの反発力によりエンドブロックごと固定子が破壊される恐れのない高性能な円筒型リニアモータが得られる。

以下、本発明について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る円筒型リニアモータを示す断面図である。
図１において、１０は界磁極、１０ａはそれぞれ軸方向に磁化された複数の円柱状のマグネットと、１０ｂは各マグネット１０ａ間に間挿される磁性体からなる円柱状のポールピースである。ポールピース１０ｂはこれを挟み込むことにより、エアギャップ中の空間磁束密度が正弦波分布に近くなり、電機子コイルに生じる誘起電圧に関して絶対値が大きくなりかつ正弦波に近い分布となり、磁力線を効率よく電機子２０側へ向かわせるのに有効な働きをするので、モータ定数の向上と推力リプルの低減につながるので好ましいが、必須ではない。１０ｃはマグネット１０ａおよびポールピース１０ｂを内部に収納するステンレスパイプ、１０ｄはステンレスパイプ１０ｃの端部を封止するエンドブロックである。
以上の要素で固定子１を構成している。
一方、可動子２は、２０の電機子、２０ａの円筒形コイル、２０ｂの磁性体からなる円筒形ヨーク、２０ｃの樹脂フレームで構成される。
このような界磁極１０と電機子２０とが磁気ギャップを介してそれぞれが同軸上に配置され、界磁極１０を固定子１に、電機子２０を可動子２として、相対的に走行するようにしてリニアモータが構成されている。
上記のように、円筒形ヨーク２０ｂの外側のフレーム２０ｃを樹脂材で構成しているため、導電率がほぼ０となっている。したがって、電機子２０の両端部付近において、界磁極から漏れた磁束が樹脂フレーム２０ｃへ鎖交しても渦電流が発生しないため、渦電流ブレーキ（粘性制動力）が発生しなくなる。

図２は、本発明の実施例２に係る円筒型リニアモータを示す断面図である。
図２において、図１と同じ要素には同じ符号を使っているので、重複説明は省略する。実施例１との違いは、フレームを、軸方向に円筒形ヨーク２０ｂが存在する領域に限りアルミフレーム２０ｄとし、電機子２０の両端部は樹脂キャップ２０ｅにて構成している点である。
このように、円筒形ヨーク２０ｂが存在する領域では、界磁極１０から生じる磁束が円筒形ヨーク内２０ｂに誘導され、アルミフレーム２０ｄには磁束が漏れないため、粘性制動力はほとんど生じない。また、電機子２０の両端部２０ｅに樹脂材を入れることにより、界磁極１０から磁束が漏れても渦電流が生じないため、粘性制動力が生じることはない。更に、粘性制動力を極めて低減しつつ、フレーム部はアルミ材で構成されているため、電機子２０の機械的剛性が確保されている。

図３は、本発明の実施例３に係る円筒型リニアモータの界磁極を示す断面図である。図３において、マグネット３０ａの外周を非磁性材料のパイプ３０ｃで覆い、パイプ３０ｃと嵌め合いであるエンドブロック３０ｄに対しボルト３０ｆを取り付け、マグネット３０ａを押し付ける機能を備えた円筒型リニアモータの固定子（界磁極３０）を示している。したがって、パイプ３０ｃの両側のエンドブロック３０ｄに対し、片側からボルト３０ｆを押し込むことでマグネット３０ａを密着させ、パイプ３０ｃとエンドブロック３０ｄに対し嵌め合いを備える様になっている。
実施例１が特許文献１記載の発明と異なる部分は、固定子軸方向全体を貫通しているシャフト７０ｅ（図７）を必要とせず、固定子３０（図３）が如何なる長さであっても片側のエンドブロック３０ｄに取り付けることでマグネット３０ａの密着を可能とするボルト３０ｆを備えた部分と、特許文献１では固定子７０の締結をエンドブロック７０ｄとシャフト７０ｅの間でのみ行っているのに対し、実施例３ではエンドブロック３０ｄとボルト３０ｆ間の締結に加え、パイプ３０ｃとエンドブロック３０ｄの間にも締結を加えている部分である。

その動作は、図３（ａ）に示すように、パイプ３０ｃの両側のエンドブロック３０ｄに対し片側からボルト３０ｆを押し込むことで、固定子長と同等長さであるシャフト７０ｅ（図７）を必要とせずにマグネット３０ａを密着させることが可能となる。
また、マグネット３０ａの中心部に図７のようなシャフト７０ｅを通す必要が無くなるため、最大限までマグネット３０ａの磁束を高めることが可能となり、モータ特性の向上が可能となる。
更に、パイプ３０ｃとエンドブロック３０ｄの間に締結を加えていることで、万が一ボルト３０ｆの締結に緩みや磨耗が生じた際にも、パイプ３０ｃとの締結によってマグネット３０ａの反発力を抑えることが可能となり、固定子３０の破壊を防止し、円筒型リニアモータとしての機能を保つことが可能となる。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のボルト３０ｆの代わりにピン３０ｇに変更した実施例３の変形例を示している。パイプ３０ｃの両側のエンドブロック３０ｄに対し片側からピン３０ｇを打ち付けることで、固定子３０’の長と同等の長さであるシャフト７０ｅ（図７）を必要とせずにマグネット３０ａを密着させることが可能となる。
この場合、ピン３０ｇはエンドブロック３０ｄと嵌め合いである必要がある。
ボルト３０ｆ及びピン３０ｇはエンドブロック３０ｄの片側又は両側に取り付けることが可能であるが、構成を簡素化するために片側取付であることが望ましい。

図４は、本発明の実施例４に係る円筒型リニアモータの界磁極を示す断面図で、パイプ４０ｃとエンドブロック４０ｄに対する機械的締結を詳細に示した図である。エンドブロック４０ｄはパイプ４０ｃに対して逃げ４０ｈがあり、パイプ４０ｃとの嵌合後にパイプ４０ｃを逃げ４０ｈと同形状に変形させることで固定するものである。すなわち、実施例３の構成であるパイプ３０ｃとエンドブロック３０ｄの嵌め合いに代わり、エンドブロック４０ｄに予めパイプ４０ｃからの逃げを持たせ、パイプ４０ｃに挿入後にパイプ４０ｃの形状をエンドブロック７０ｄの逃げに合わせて変形させることで同様の機能を果たすものである。
この効果はパイプ４０ｃとエンドブロック４０ｄを接着固定することによっても得ることが可能であるが、エンドブロックをボルトやピンを取り付けたエンドブロックで構成したり、溶接やねじ込みのような機械的な固定であることが望ましい。

本発明の実施例５は、例えば図１において、エンドブロック１０ｄの外径にネジを切っておき、かつ、ステンレスパイプ１０ｃにもその対向部位の内径に同様のネジを切っておき、エンドブロック１０ｄをステンレスパイプ１０ｃの内部にネジ込んでゆくことで、最終的に堅固な固定をすることができるものである。
これを上記の実施例３の構成であるパイプ３０ｃとエンドブロック３０ｄの嵌め合いや、実施例４のエンドブロック４０ｄに予めパイプ４０ｃからの逃げを持たせ、パイプ４０ｃに挿入後にパイプ４０ｃの形状をエンドブロック７０ｄの逃げに合わせて変形させることを併用させることで、相乗的な大きな効果が得られることとなる。

以上述べた構成により、粘性制動力を限りなく抑制した高性能な円筒型リニアモータが得られ、また、マグネットの幅や数が増えて固定子が長くなってもシャフトの長さを変える必要のない、したがって長い固定子を作るのに適した、そしてシャフトとエンドブロックのネジ締めのネジの緩み・磨耗が生じてマグネットの反発力によりエンドブロックごと固定子が破壊される恐れのない高性能な円筒型リニアモータが得られ、したがって高速駆動が要求されるあらゆる市場の搬送装置等への適用が可能となる。

このように本発明は、パイプ状の界磁極の周囲に空隙を介して円筒型ヨークを取り付けることによって、粘性制動力を限りなく小さくし、製作性・組立性に優れ、安価な円筒型リニアモータを提供することが可能になるので、例えば高速駆動が要求されるあらゆる市場の搬送装置等に好適である。

本発明の実施例１を示す円筒型リニアモータの断面図である。 本発明の実施例２を示す円筒型リニアモータである。 本発明の実施例３を示す円筒型リニアモータの界磁極を示す図で、（ａ）は実施例１，（ｂ）はその変形例である。 本発明の実施例４を示す円筒型リニアモータの界磁極を示す図である。 円筒型リニアモータの外観図を示す図である。 従来公知の円筒型リニアモータの断面図である。 従来の公知の円筒型リニアモータの界磁極近傍を示す断面図である。

符号の説明

１ 磁極を有する固定子
１０ 界磁極
１０ａ マグネット
１０ｂ ポールピース
１０ｃ ステンレスパイプ
１０ｄ エンドブロック
２ 電機子を有する可動子
２０ 電機子
２０ａ 円筒形コイル
２０ｂ 円筒形ヨーク
２０ｃ 樹脂フレーム
２０ｄ アルミフレーム
２０ｅ 樹脂キャップ
３０、３０´ 界磁極
３０ａ マグネット
３０ｃ ステンレスパイプ
３０ｄ エンドブロック
３０ｆ ボルト
３０ｇ ピン
４０ 界磁極
４０ａ マグネット
４０ｃ パイプ
４０ｄ エンドブロック
４０ｆ ボルト
４０ｇ ピン
４０ｈ 逃げ（変形）
７０ 界磁極
７０ａ マグネット
７０ｃ パイプ
７０ｄ エンドブロック
７０ｅ シャフト
７０ｆ ネジ部

Claims (7)

1. 磁性体からなる円筒形ヨークの内側に複数個の円筒形コイルを軸方向に並べて配置し、前記円筒形ヨークの外側を覆うフレームで構成された電機子と、軸方向に磁化された複数の円柱状のマグネットをステンレスパイプの内側にＮ極とＳ極の磁極が同極で向き合う様に配置し、前記ステンレスパイプの両端にエンドブロックを配設して構成された界磁極とを備え、前記電機子は、前記円筒形ヨークが存在する軸方向領域に限りアルミフレームとすると共に、前記電機子の軸方向両端部を樹脂キャップとしたことを特徴とする円筒形リニアモータ。
2. 前記エンドブロックをボルト又はピンを取り付けたエンドブロックで構成したことを特徴とする請求項１記載の円筒形リニアモータ。
3. 前記エンドブロックは外径にネジが切られており、前記パイプは内径に同様のネジを持たせることでネジ固定が可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の円筒形リニアモータ。
4. 前記エンドブロックは、前記パイプに対して逃げがあり、前記パイプとの嵌合後に前記パイプを逃げと同形状に変形させることで固定することを特徴とする請求項１又は２記載の円筒形リニアモータ。
5. 前記エンドブロック及び前記パイプは、溶接により固定されることを特徴とする請求項１又は２記載の円筒形リニアモータ。
6. 前記各マグネット間に磁性体からなる円柱状のポールピースを間挿させたことを特徴とする請求項１記載の円筒形リニアモータ。
7. 請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の円筒形リニアモータを駆動用モータとして用いたことを特徴とする搬送装置。

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