JP5193633B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータに関するものである。

特開平１１−３０８８５０号公報（特許文献１）には、固定子及び可動子の一方に配置された電機子と、固定子及び可動子の他方に配置された永久磁石磁極列とを具備し、固定子に対して可動子が往復運動を行うリニアモータが示されている、このリニアモータの電機子は、可動子の移動方向に並ぶ３個以上の磁極部を有する鉄心と、該鉄心の３個以上の磁極部にそれぞれ巻回された三相分の電機子巻線とを有している。永久磁石磁極列は、非磁性体のフレームと該フレームの貫通孔内に配置された複数の永久磁石とを有している。複数の永久磁石は、Ｎ極とＳ極とが交互に並ぶように移動方向に所定の間隔をあけて列を成すように並んでいる。永久磁石磁極列は、磁極部と所定の間隙をあけて対向している。このリニアモータでは、コギング力の低下を図るために、永久磁石磁極列の両端に位置する２つの永久磁石の移動方向の長さ寸法Ｗ１を、他の複数の永久磁石の移動方向の長さ寸法Ｗよりも短くしている。そして、永久磁石磁極列の両端に位置する２つの永久磁石の長さ寸法Ｗ１と他の複数の永久磁石の長さ寸法Ｗとの比Ｗ１／Ｗが０．５＜Ｗ１／Ｗ＜０．６と定められている。また、電機子の複数の磁極部の隣接する２つの磁極部の中心間のピッチ寸法をτｓとし、永久磁石磁極列の両端に位置する２つの永久磁石の内の一つの永久磁石と該永久磁石に隣接する永久磁石の中心間のピッチ寸法をλ′とした場合に、ピッチ寸法λ′とピッチ寸法τｓとの比λ′／τｓが０．９＜λ′／τｓ＜１．０と定められている。
特開平１１−３０８８５０号公報

しかしながら、従来のリニアモータでは、コギング力を十分に低下させることができなかった。

本発明の目的は、コギング力を十分に低下できるリニアモータを提供することにある。

本願発明が改良の対象とするリニアモータは、固定子及び可動子を有している。そして、固定子及び可動子の一方には、可動子の移動方向に並ぶ３個以上の磁極部を有する鉄心と、鉄心に巻回されて３個以上の磁極部を励磁する三相分の電機子巻線とを有する電機子が配置されている。固定子及び可動子の他方には、磁性材料から形成されたベースと、ベース上にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように移動方向に所定の間隔をあけて列を成すように並んだ複数の永久磁石とを有し、複数の永久磁石が３個以上の磁極部と所定の間隙をあけて対向する永久磁石磁極列が配置されている。そして、永久磁石磁極列の両端に位置する２つの永久磁石の移動方向の長さ寸法Ｗ１が、他の複数の永久磁石の移動方向の長さ寸法Ｗよりも短く、且つ、毎極毎相スロット数が３／８になるように構成されている。ここで毎極毎相スロット数とは、電機子のスロット数を永久磁石磁極の極数と電機子巻線の相数とで割った値である。

本発明のリニアモータは、電機子の複数の磁極部の隣接する２つの磁極部の中心間のピッチ寸法をτｓとした場合に、永久磁石の長さ寸法ＷをＷ＝τｓと定めており、また長さ寸法Ｗ１と長さ寸法Ｗとの比Ｗ１／Ｗが０．４３＜Ｗ１／Ｗ＜０．４９となるように構成されている。本願発明者は、鋭意研究の結果、本願発明が改良の対象とするリニアモータにおいて、Ｗ１／Ｗが０．４３＜Ｗ１／Ｗ＜０．４９となるように構成することにより、リニアモータのコギング力を、実用上、障害とならない範囲まで低下できることを見出した。これは、Ｗ１／Ｗをこのような範囲にすることにより、各々の永久磁石の配置によるコギング力を効果的に打ち消すことができるためであると考えられる。Ｗ１／Ｗが０．４３以下の場合及びＷ１／Ｗが０．４９以上の場合のいずれの場合でも、コギング力は実用上問題となる値を超えて大きくなる。本発明は、Ｗ１／Ｗの値が、前述の範囲内にあるときに、コギング力が極小値を持つことを見出しことを基礎とするものである。

永久磁石磁極列が複数で、複数の永久磁石磁極列の両端の一方に位置する複数の永久磁石がそれぞれ異なる移動方向の長さ寸法を有し、その移動方向の長さ寸法の平均長さ寸法がＷ１０であり、複数の永久磁石磁極列の両端の他方に位置する複数の永久磁石がそれぞれ異なる移動方向の長さ寸法を有し、その移動方向の長さ寸法の平均長さ寸法がＷ２０である場合、平均長さ寸法Ｗ１０と長さ寸法Ｗとの比Ｗ１０／Ｗが、０．４３＜Ｗ１０／Ｗ＜０．４９となり、平均長さ寸法Ｗ２０と長さ寸法Ｗとの比Ｗ２０／Ｗが、０．４３＜Ｗ２０／Ｗ＜０．４９となるように構成することができる。このような数値範囲であれば、本発明は適用可能である。

複数の永久磁石の隣接する２つの永久磁石の間とベースとの間に形成されたスペースには、該スペースを形成するために非磁性材料から形成されたスペーサを配置するのが好ましい。このようにすれば、スペーサの存在により、隣接する２つの永久磁石の短絡を防止することができる。

スペーサを線材を切断して形成すれば、既存の線材を用いることにより、低コストでスペーサを形成することができる。

永久磁石磁極列を可動子に配置し、電機子を固定子に配置する場合には、ベースを筒形状または円柱形状に形成し、複数の永久磁石をベースの内周面に固定する。そして、固定子の一部を可動子の内部に配置する。また、電機子は、移動方向の両端を固定子取付具を介して基台に固定する。可動子には、ガイドブロックを固定し、ガイドブロックは、基台に配置されたガイドレールに慴動自在に支持する。そして、ガイドブロックがガイドレール上をスライドして、可動子が固定子に対して移動方向に移動し得るように構成することができる。このようにすれば、単純な構造で可動子を固定子に対して移動させることができる。

本発明によれば、永久磁石の長さ寸法ＷをＷ＝τｓと定め、永久磁石磁極列の両端に位置する２つの永久磁石の前記長さ寸法Ｗ１と他の複数の永久磁石の前記長さ寸法Ｗとの比Ｗ１／Ｗが０．４３＜Ｗ１／Ｗ＜０．４９とすることにより、各々の永久磁石の配置によるコギング力を効果的に打ち消すことができるため、リニアモータのコギング力を十分に低下させることができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は、シリンダ型リニアモータに適用した本発明の一実施の形態のリニアモータの断面図である。図１に示すように、本例のリニアモータは、固定子１と可動子３とを有している。固定子１は、鉄心５と複数の電機子巻線７とを有する電機子９を具備している。鉄心５は、円筒状のヨーク５ａとヨーク５ａから延びる複数の磁極部５ｂとを有している。複数の電機子巻線７は、隣接する２つの磁極部５ｂの間の円環状のスロットにインシュレータを介して周方向に巻回されて配置されている。複数の電機子巻線７には、３相の電流が流れている。本例では、Ｕ相、−Ｕ相、Ｕ相、Ｖ相、−Ｖ相、Ｖ相、Ｗ相、−Ｗ相、Ｗ相の順で複数の電機子巻線７は並んでいる。電機子からの磁束の流れについては、特開平１１−３３２２１１号公報等に詳しく説明されている。

また、円筒状のヨーク５ａの内部には、銅製のタンク６ａが配置されている。銅製のタンク６ａには、供給管６ｂを通して冷却水が供給され、排出管６ｃを通して冷却水が排出される。これにより、銅製のタンク６ａ内に冷却水が循環して電機子９は冷却される。

可動子３は、珪素鋼等の軟磁性体からなる円筒形のベース１１と該ベース１１の片面となる内周面に取り付けられた複数（本例では９個）の永久磁石Ｐ１〜Ｐ９とを有する永久磁石磁極列１５を具備している。永久磁石Ｐ１〜Ｐ９と複数の磁極部５ｂとが対向するように、電機子９の一部は、円筒形の永久磁石磁極列１５の内部に配置されている。そして、可動子３は、鉄心５のヨーク５ａが延びる方向（矢印Ｄ１に示す移動方向）に往復運動を行う。永久磁石磁極列１５の永久磁石Ｐ１〜Ｐ９は、第１乃至第Ｍの永久磁石（Ｍは４以上の自然数：本例では９）Ｐ１〜Ｐ９が、Ｎ極とＳ極とが交互に並び且つ移動方向に向かって所定の間隔をあけて列をなすように構成されている。第１乃至第９の永久磁石Ｐ１〜Ｐ９は、それぞれ円筒形の永久磁石によって構成されている。このため、第１〜第９（第Ｍ）の永久磁石Ｐ１〜Ｐ９の外郭形状は、それぞれリング状をなしている。本例のリニアモータは、永久磁石の数は９であるが、第１及び第９の永久磁石Ｐ１，Ｐ９は、その他の永久磁石の半分以下の長さ寸法であるため、２つ永久磁石で1つの極数と算出する。その結果、永久磁石磁極の極数は８になる。また、永久磁石磁極列１５と対向する部分の電機子９のスロット数は９である。また、前述したように、複数の電機子巻線７には、三相の電流が流れている。そのため、本例のリニアモータの毎極毎相スロット数は、３／８となる。

本例のリニアモータの鉄心５は、移動方向Ｄ１の両端が固定子取付具１７Ａ，１７Ｂにそれぞれ取付けられている。固定子取付具１７Ａ，１７Ｂは、基台１９に固定されている。また、可動子３の下部には、ガイドブロック２１が固定されている。ガイドブロック２１は、基台１９上に配置されたガイドレール２３に慴動自在に支持されている。このような構成により、ガイドブロック２１がガイドレール２３上をスライドして、可動子３は、固定子１に対して移動方向Ｄ１に移動し得る。

図２の部分拡大図に示すように、９個（Ｍ個）の永久磁石Ｐ１〜Ｐ９のうち、永久磁石磁極列１５の両端に位置する第１の永久磁石Ｐ１及び第９（第Ｍ）の永久磁石Ｐ９を除く他の複数の永久磁石（移動方向の中央に位置する永久磁石）Ｐ２〜Ｐ８（以下、中央永久磁石Ｐ２〜Ｐ８という）は、可動子の移動方向Ｄ１の長さ寸法がいずれも同じ長さ寸法Ｗを有している。また、永久磁石磁極列１５の両端に位置する２つの永久磁石Ｐ１，Ｐ９（以下、端部永久磁石Ｐ１，Ｐ９という）の移動方向Ｄ１の長さ寸法は、いずれも同じ長さ寸法Ｗ１を有しており、中央永久磁石Ｐ２〜Ｐ８の移動方向の長さ寸法Ｗよりも短かい。なお、図２では、第５〜第９の永久磁石Ｐ５〜Ｐ９は、省略されている。そして、電機子９の複数の磁極部５ｂの隣接する２つの磁極部５ｂの中心間のピッチ寸法をτｓとした場合に、ピッチ寸法τｓと中央永久磁石Ｐ２〜Ｐ８の長さ寸法Ｗは、等しい関係（Ｗ＝τｓ）を有している。そして、端部永久磁石Ｐ１，Ｐ９の長さ寸法Ｗ１と中央永久磁石Ｐ２〜Ｐ８の長さ寸法Ｗとの比Ｗ１／Ｗは、０．４３＜Ｗ１／Ｗ＜０．４９となっている。また、端部永久磁石Ｐ１，Ｐ９のそれぞれと隣り合う他の中央永久磁石Ｐ２，Ｐ８との間の間隔ｄ_０とし、中央永久磁石Ｐ２〜Ｐ８の隣り合う二つの永久磁石の間の中心間のピッチ寸法をτｐとした場合に、間隔ｄ_０と端部永久磁石Ｐ１，Ｐ９の長さ寸法Ｗ１の加算値（ｄ_０＋Ｗ１）とピッチ寸法τｐとの比（ｄ_０＋Ｗ１）／τｐが、０．６＜（ｄ_０＋Ｗ１）／τｐ＜０．６６となっている。

次に、本例のリニアモータのＷ１／Ｗの値を種々に変えて、Ｗ１／Ｗとコギング力との関係を調べた。本試験に用いたリニアモータは、長さ寸法Ｗとピッチ寸法τｓはいずれも１２ｍｍであり、間隔ｄ_０は３ｍｍであり、ピッチ寸法τｐは１３．５ｍｍであり、永久磁石Ｐ１〜Ｐ９の厚み寸法は４ｍｍである。そして、長さ寸法Ｗ１を変化させることによりＷ１／Ｗの値を種々に変えた。図３はその測定結果を示している。図３より、Ｗ１／Ｗの範囲が０．４３＜Ｗ１／Ｗ＜０．４９において、コギング力を小さくできるのが分かる。

次に、Ｗ１／Ｗが０．４５の本例（本実施例）のリニアモータと、Ｗ１／Ｗが０．５４の比較例のリニアモータとを用いて、可動子の変位とコギング力との関係を調べた。本例及び比較例のリニアモータは、長さ寸法Ｗはいずれも１２ｍｍであり、長さ寸法Ｗ１が異なっている。図４はその測定結果を示している。図４より、本例のリニアモータは、比較例のリニアモータに比べて、可動子の変位に対するコギング力の変化が小さいのが分かる。

図５は、本発明の他の実施の形態のリニアモータの永久磁石磁極列１１５を示している。本例のリニアモータでは、永久磁石は円弧形状を有しており、８つの永久磁石磁極列１１５を有している。図５は、８つの永久磁石磁極列１１５のうち半部（４つ）を展開した状態を示す平面図である。本例のリニアモータでは、図５に示す４つの永久磁石磁極列１１５と同じ４つの永久磁石磁極列をもう一つ有していることになる。図５に示すように、８つの永久磁石磁極列１１５の両端に位置する永久磁石Ｐ１１〜Ｐ１４及びＰ２１〜Ｐ２４を除く他の中央永久磁石ＰＣは、いずれも同じ移動方向Ｄ１の長さ寸法Ｗを有している。

８つの永久磁石磁極列１１５の両端の一方に位置する永久磁石Ｐ１１〜Ｐ１４のそれぞれの移動方向Ｄ１の長さ寸法Ｗ１１〜Ｗ１４は異なっており、いずれも中央永久磁石ＰＣの移動方向の長さ寸法Ｗよりも短かい。そして、永久磁石Ｐ１１〜Ｐ１４のそれぞれの長さ寸法Ｗ１１〜Ｗ１４の平均長さ寸法Ｗ１０と中央永久磁石ＰＣの長さ寸法Ｗとの比Ｗ１０／Ｗは、０．４３＜Ｗ１０／Ｗ＜０．４９となっている。また、８つの永久磁石磁極列１１５の両端の他方に位置する第９（第Ｍ）の永久磁石Ｐ２１〜Ｐ２４のそれぞれの移動方向Ｄ１の長さ寸法Ｗ２１〜Ｗ２４は異なっており、いずれも中央永久磁石ＰＣの移動方向の長さ寸法Ｗよりも短かい。そして、永久磁石Ｐ２１〜Ｐ２４のそれぞれの長さ寸法Ｗ２１〜Ｗ２４の平均長さ寸法Ｗ２０と中央永久磁石Ｐ２〜Ｐ８の長さ寸法Ｗとの比Ｗ２０／Ｗは、０．４３＜Ｗ２／Ｗ＜０．４９となっている。

そして図５の例でも、隣り合う中央永久磁石間ＰＣ間の間隔は等しい。また端部永久磁石Ｐ１１〜Ｐ１４のそれぞれと隣り合う他の中央永久磁石ＰＣとの間の間隔及び端部永久磁石Ｐ２１〜Ｐ２４のそれぞれと隣り合う他の中央永久磁石ＰＣとの間の間隔は以下のように定めることができる。すなわち、この間隔を前述の実施の形態と同様にｄ_０とする。また中央永久磁石ＰＣの隣り合う二つの永久磁石の間の中心間のピッチ寸法をτｐとする。さらに端部永久磁石Ｐ１１〜Ｐ１４の長さ寸法Ｗ１１〜Ｗ１４の平均値Ｗ１０または端部永久磁石Ｐ２１〜Ｐ２４の長さ寸法Ｗ２１〜Ｗ２４の平均値をＷ２０とする。このように定義した場合、間隔ｄ_０と４つの端部永久磁石の長さ寸法の平均値Ｗ１０またはＷ２０の加算値（ｄ_０＋Ｗ１０）または（ｄ_０＋Ｗ２０）と、ピッチ寸法τｐとの比（ｄ_０＋Ｗ１０）／τｐまたは（ｄ_０＋Ｗ２０）／τｐが、０．６＜（ｄ_０＋Ｗ０）／τｐまたは（ｄ_０＋Ｗ２０）／τｐ＜０．６６となるようにｄ_０を定めることができる。

本例のリニアモータにおいても、図４の測定結果と同様の結果を得ることができた。

図６は、本発明のさらに他の実施の形態のリニアモータの部分拡大図である。本例のリニアモータでは、複数の永久磁石Ｐ１〜Ｐ９の隣接する２つの永久磁石の間とベース１１との間に形成されたスペース２００にスペーサ２０１が配置されており、その他は、図２に示すリニアモータと同じ構造を有している。スペーサ２０１は、スペース２００の幅寸法に等しい直径寸法を有する非磁性材料のアルミ線が切断されて形成されている。

本発明の一実施の形態のリニアモータの断面図である。 図１の部分拡大図である。 試験に用いたリニアモータのＷ１／Ｗとコギング力との関係を示す図である。 Ｗ１／Ｗの値が異なる本例（本実施例）のリニアモータと比較例のリニアモータとの可動子の変位とコギング力との関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態のリニアモータの８つの永久磁石列のうち半部（４つ）を展開した状態を示す平面図である。 本発明のさらに他の実施の形態のリニアモータの部分拡大図である。

１ 固定子
３ 可動子
５ 鉄心
５ｂ 磁極部
９ 電機子
１１ ベース
１５ 永久磁石磁極列
Ｐ１〜Ｐ９ 第１乃至第９の永久磁石

Claims (5)

1. 固定子及び可動子を有し、
   前記固定子及び可動子の一方には、前記可動子の移動方向に並ぶ３個以上の磁極部を有する鉄心と、前記鉄心に巻回されて前記３個以上の磁極部を励磁する三相分の電機子巻線とを有する電機子が配置されており、
   前記固定子及び可動子の他方には、磁性材料から形成されたベースと、前記ベース上にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように前記移動方向に所定の間隔をあけて列を成すように並んで配置された複数の永久磁石とを有し、前記複数の永久磁石が前記３個以上の磁極部と所定の間隙をあけて対向する永久磁石磁極列が配置されており、
   前記永久磁石磁極列の両端に位置する２つの前記永久磁石の前記移動方向の長さ寸法Ｗ１が、他の複数の前記永久磁石の前記移動方向の長さ寸法Ｗよりも短く、且つ、
   毎極毎相スロット数が３／８になるように構成されたリニアモータであって、
   前記電機子の前記複数の磁極部の隣接する２つの磁極部の中心間のピッチ寸法をτｓとした場合に、前記永久磁石の長さ寸法ＷをＷ＝τｓと定め、
   前記長さ寸法Ｗ１と前記長さ寸法Ｗとの比Ｗ１／Ｗが、０．４３＜Ｗ１／Ｗ＜０．４９となるように構成されていることを特徴とするリニアモータ。
2. 固定子及び可動子を有し、
   前記固定子及び可動子の一方には、前記可動子の移動方向に並ぶ３個以上の磁極部を有する鉄心と、前記鉄心に巻回されて前記３個以上の磁極部を励磁する三相分の電機子巻線とを有する電機子が配置されており、
   前記固定子及び可動子の他方には、磁性材料から形成されたベースと、前記ベース上にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように前記移動方向に所定の間隔をあけて列を成すように並んで配置された複数の永久磁石とを有し、前記複数の永久磁石が前記３個以上の磁極部と所定の間隙をあけて対向する複数の永久磁石磁極列が配置されており、
   前記複数の永久磁石磁極列の両端の一方に位置する複数の前記永久磁石がそれぞれ異なる前記移動方向の長さ寸法を有し、その前記移動方向の長さ寸法の平均長さ寸法がＷ１０であり、
   前記複数の永久磁石磁極列の両端の他方に位置する複数の前記永久磁石がそれぞれ異なる前記移動方向の長さ寸法を有し、その前記移動方向の長さ寸法の平均長さ寸法がＷ２０であり、
   前記平均長さ寸法Ｗ１０及び前記平均長さ寸法Ｗ２０が他の複数の前記永久磁石の前記移動方向の長さ寸法Ｗよりも短く、且つ、
   毎極毎相スロット数が３／８になるように構成されたリニアモータであって、
   前記電機子の前記複数の磁極部の隣接する２つの磁極部の中心間のピッチ寸法をτｓとした場合に、前記永久磁石の長さ寸法ＷをＷ＝τｓと定め、
   前記平均長さ寸法Ｗ１０と前記長さ寸法Ｗとの比Ｗ１０／Ｗが、０．４３＜Ｗ１０／Ｗ＜０．４９となり、
   前記平均長さ寸法Ｗ２０と前記長さ寸法Ｗとの比Ｗ２０／Ｗが、０．４３＜Ｗ２０／Ｗ＜０．４９となるように構成されていることを特徴とするリニアモータ。
3. 前記複数の永久磁石の隣接する２つの永久磁石の間には、スペースを形成するために非磁性材料から形成されたスペーサが配置されている請求項１または２に記載のリニアモータ。
4. 前記スペーサが線材を切断して形成されている請求項３に記載のリニアモータ。
5. 前記永久磁石磁極列が前記可動子に配置され、
   前記ベースは筒形状または円柱形状を有しており、
   前記複数の永久磁石は前記ベースの内周面に固定されており、
   前記電機子が前記固定子に配置され、
   前記固定子の一部は、前記可動子の内部に配置されており、
   前記電機子は、前記移動方向の両端が固定子取付具を介して基台に固定されており、
   前記可動子には、ガイドブロックが固定されており、
   前記ガイドブロックは、前記基台に配置されたガイドレールに慴動自在に支持されており、
   前記ガイドブロックが前記ガイドレールをスライドして、前記可動子が前記固定子に対して前記移動方向に移動し得る請求項１または２に記載のリニアモータ。

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