JP6389690B2 - リニアモータ及びそれを用いた遮断器 - Google Patents

Description

本発明はリニアモータ及びそれを用いた遮断器に係り、特に、可動子の永久磁石と電機子との間に相対的に水平移動するための推力を発生させるリニアモータ及びそれを遮断部の開閉操作を行う操作器として用いる遮断器に関する。

リニアモータは、多くの種々の用途に利用されるが、その一例として、一次部品と、上方を移動可能な上記一次部品と磁気的に結合された二次部品とを有するリニアモータが特許文献１に記載されている。

この特許文献１に記載のリニアモータは、リニアモータの出力範囲を、特別な応用に一層良好に適合可能とすべく、二次部品が一次部品の移動方向で少なくとも第１部分と第２部分とに区分され、二次部品が第１部分内では第２部分内とは異なるように成形され及び／又は別の材料から形成されており、これにより、一次部品の駆動に係りなく、移動区間上で一次部品の異なる速度を実現でき、場合によっては、１つの二次部品部分内に短絡巻線を嵌挿することができるため、二次部品部分は、受動的制動に役立つことが記載されている。

特表２００９−５３２００３号公報

しかしながら、上述した特許文献１は、二次部品部分内に嵌挿した短絡巻線に発生する誘導現象を受動的制動に利用しているため、制動は主に一次部品の減速に用いられるが、減速後の停止位置に関しては、能動的制動が必要である。即ち、特許文献１では、可動子位置の保持やずれの補正に必要な機能を有していないため、任意の位置からずれた位置に可動子が停止した場合、或いは可動子が振動等の外力によって意に反して変移した場合には、受動的制動のみでこれを防止し、任意の位置に可動子を保持することができないという課題がある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、任意の位置からずれた位置に可動子が停止したり、或いは可動子が外力によって意に反して変移した場合であっても、受動的制動力によって可動子を任意の位置に保持することができるリニアモータ及びそれを用いた遮断器を提供することにある。

本発明のリニアモータは、上記目的を達成するために、駆動方向へ極を交互に並べた永久磁石を有する可動子と、該可動子の永久磁石に対向するように配置された磁極歯、この磁極歯を複数つなぎ磁束の経路を形成する磁性体及び前記磁極歯に配置された巻線からなる第１の電機子と、該第１の電機子と同じ構成の第２の電機子とを備え、前記第１の電機子と前記第２の電機子が同軸上に隣接して配置され、前記可動子は前記永久磁石の間隔が異なる少なくとも２つの区画部を有し、この内の一の区画部は、前記第１の電機子及び前記第２の電機子の磁極歯と等しい間隔で前記永久磁石が配置され、他の区画部は、前記第１の電機子及び前記第２の電機子の磁極歯の間隔とは異なる間隔で前記永久磁石が配置されており、前記一の区画部と前記他の区画部は、それぞれの区画部間では前記永久磁石の間隔が同じであると共に、前記一の区画部の前記永久磁石の間隔が、前記他の区画部の前記永久磁石の間隔よりも狭いことを特徴とする。

また、本発明のリニアモータは、上記目的を達成するために、駆動方向へ極を交互に並べた永久磁石を有する可動子と、該可動子の永久磁石を挟んで対向するように配置された第１の磁極歯及び第２の磁極歯、この第１の磁極歯及び第２の磁極歯をつなぐ電機子鉄心及び前記第１の磁極歯及び第２の磁極歯にそれぞれ配置された巻線とから成る電機子が、所定間隔を以って駆動方向に複数個配置される第１の電機子ユニットと、該第１の電機子ユニットと同じ構成の第２の電機子ユニットとを備え、前記第１の電機子ユニットと前記第２の電機子ユニットが同軸上に隣接して配置され、前記可動子は前記永久磁石の間隔が異なる少なくとも２つの区画部を有し、この内の一の区画部は、前記第１の電機子ユニット及び前記第２の電機子ユニットの前記第１の磁極歯及び第２の磁極歯と等しい間隔で前記永久磁石が配置され、他の区画部は、前記第１の電機子ユニット及び前記第２の電機子ユニットの前記第１の磁極歯及び第２の磁極歯の間隔とは異なる間隔で前記永久磁石が配置されており、前記一の区画部と前記他の区画部は、それぞれの区画部間では前記永久磁石の間隔が同じであると共に、前記一の区画部の前記永久磁石の間隔が、前記他の区画部の前記永久磁石の間隔よりも狭いことを特徴とする。

また、本発明の遮断器は、上記構成のリニアモータを、遮断部の開閉操作を行う操作器として用いる遮断器であって、前記リニアモータは、前記可動子の前記一の区画部が、前記遮断部側に位置するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、任意の位置からずれた位置に可動子が停止したり、或いは可動子が外力によって意に反して変移した場合であっても、受動的制動力によって可動子を任意の位置に保持することができる。

本発明のリニアモータの実施例１を示す斜視図である。 図１のリニアモータをＹ−Ｚ平面で断面した状態を示す断面図である。 図１のリニアモータをＸ−Ｙ平面で断面した状態を示す断面図である。 図２に示す実施例１における永久磁石の磁化方向を説明するための図である。 本発明の実施例１における巻線を省略した磁極歯部の拡大であり、一つの永久磁石と各磁極歯との間に作用する吸引力の方向を説明するための図である。 本発明の実施例１における制動力を得る各区画部のコギング力を説明するための図である。 本発明の実施例１における効果を確認するためのコギング力の解析結果を説明するための図である。 本発明のリニアモータの実施例２を示す斜視図である。 図８のリニアモータをＹ−Ｚ平面で断面した状態を示す断面図である。 本発明のリニアモータの実施例３を示す斜視図である。 図１０のリニアモータをＸ−Ｙ平面で断面した状態を示す断面図である。 図１０のリニアモータをＹ−Ｚ平面で断面した状態を示す断面図である。 本発明の実施例４として、実施例１乃至３のいずれかのリニアモータを遮断部の開閉操作を行う操作器として搭載した遮断器を示す図である。 本発明の実施例５として、実施例４で説明した遮断器の変形例を示す図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明のリニアモータ及びそれを用いた遮断器を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１乃至図４に、本発明のリニアモータの実施例１を示す。

該図に示す如く、本実施例のリニアモータ１００Ａは、駆動方向へ極を交互に並べて磁石間隔Ｐ及びＲで配置された複数の永久磁石１を有する可動子１１と、この可動子１１の永久磁石１に対向するように電機子間隔Ｑで並設された磁極歯５、この磁極歯５を複数つなぎ磁束の経路を形成する磁性体である電機子鉄心４及び磁極歯５に巻回配置された巻線３からなる第１の電機子６と、この第１の電機子６と同じ構成の第２の電機子８とを備え、第１の電機子６と第２の電機子８が同軸上に隣接して配置されて概略構成されている。

本実施例のリニアモータ１００Ａは、３相のモータを構成した例であり、第１の電機子６と第２の電機子８及び可動子１１が相対的に直線運動するものであり、このリニアモータ１００Ａの駆動方向はＺ方向である。

なお、本実施例では、第１の電機子６と第２の電機子８の磁極歯５を電気的に位相が各１２０°ずれるように配置して、３相のリニアモータ１００Ａを構成している。同様にｍ個の磁極歯において、位相を３６０°／ｍずらすことにより、ｍ相駆動のリニアモータを構成できる。

そして、本実施例では、可動子１１が永久磁石１の間隔（磁石間隔Ｐ及びＲ）が異なる少なくとも２つの区画部を有し、この内の一の区画部１２は、第１の電機子６及び第２の電機子８の磁極歯５と等しい間隔で永久磁石１が配置され（永久磁石１と磁極歯５の軸中心が揃った状態でもある）、他の区画部１３は、一の区画部１２と異なる第１の電機子６及び第２の電機子８の磁極歯５の間隔で永久磁石１が配置されているものである。

以下、これについて、図４を用いて説明する。図４は、実施例１における永久磁石１の磁化方向を示すものである。

該図において、永久磁石１は、磁極歯５に対向する面を磁化方向としている。また、上述した如く、可動子１１は、磁石間隔Ｐ及びＲが異なる少なくとも２つの区画部を有している。その内の一の区画部１２の列は、複数の永久磁石１を駆動方向に磁石間隔Ｒの間隔で並べて構成されている。磁石間隔Ｒは、電機子間隔Ｑと等しく配置されている。一方、他の区画部１３の列は、複数の永久磁石１を駆動方向に、磁石間隔Ｒよりは広い磁石間隔Ｐの間隔（Ｒ＜Ｐ）で並べて構成されている。

しかも、一の区画部１２と他の区画部１３は、それぞれの区画部間では永久磁石１の間隔が同じであると共に、一の区画部１２に配置される永久磁石１の駆動方向の寸法幅と、磁極歯５の駆動方向の寸法幅が等しく形成されている。他の区画部１３の磁石間隔Ｐは、一般にＰ＝３Ｑ／２であるが、本実施例はこれに限らない。また、図４に示す第１の電機子６及び第２の電機子８の磁束の経路は、隣接した永久磁石１の間で発生し、電機子内の最短経路で構成されている。

また、可動子１１は、複数の永久磁石１と、非磁性体の板に永久磁石１を配置する穴が空いた可動子プレート２で構成され、可動子１１は、磁極歯５との上下方向の空隙７Ａを挟んで第１の電機子６と第２の電機子８に対面して配置されている。また、一の区画部１２及び他の区画部１３では、隣り合う永久磁石１の磁化方向が交互に配置されている。

以上の構成のリニアモータ１００Ａにおいて、可動子１１を駆動方向（Ｘ方向）へ移動すると、複数の永久磁石１は、それぞれ磁石磁束の作用で電機子に吸引される。

図５は、図１乃至図４に記載の実施例１における巻線３を省略した磁極歯５部の拡大を示すものであり、一つの永久磁石１と各磁極歯５との間に作用する吸引力の方向について示している。該図において、距離Ｅは、永久磁石１と磁極歯５との間のＹ方向の距離で、空隙７Ａと同じ距離ある。図５において、Ｚ方向の吸引力はコギング力である。

本実施例において、永久磁石１を連続的にＺ方向へ進行させた場合、一の区画部１２及び他の区画部１３の永久磁石１が、第１の電機子６と第２の電機子８に吸引されて発生する一の区画部１２及び他の区画部１３のコギング力は、図６に示すように、駆動方向に対して周期的に変化する。

リニアモータ１００Ａにおけるコギング力は、図６に示す２種類のコギング力の合成であり、リニアモータ１００Ａにおけるコギング力の大きさは、一の区画部１２及び他の区画部１３の永久磁石１が、第１の電機子６と第２の電機子８と対向する面積の割合で変化する。

一つの永久磁石１に発生するコギング力は、磁極歯５と永久磁石１の中心が揃った状態で最小となり、吸引力の方向とＺ軸のなす角が４５°になるとき最大となる。このため、一の区画部１２に配置された複数の永久磁石１では、磁極歯５に対し、それぞれ等しく方向の揃った吸引力が発生する。一の区画部１２では、同一方向に吸引力を発生できるため、一の区画部１２において発生するコギング力は、他の区画部１３において発生するコギング力に比べて大きくできる。

このため、本実施例のリニアモータ１００Ａでは、複数の磁極歯５が一の区画部１２の永久磁石１と最も多く対向する可動子１１の位置を保持位置とし、外力によって可動子１１が保持位置から変移することを受動的に制動し、保持位置から可動子１１の位置がずれることを防止できる。可動子１１の保持位置については、一の区画部１２と他の区画部１３の駆動方向の区画部間の間隔を、任意の寸法に設計することで応用に合わせて変更できる。

また、このコギング力による制動は、非接触な磁気吸引力を利用しているため、使用回数によって性能が劣化することがない。即ち、本実施例の制動力は、恒久的に持続可能な機能であるため、機器の信頼性向上に有利である。

更に、第１の電機子６と第２の電機子８では、可動子１１を駆動方向へ動作させる場合に、他の区画部１３と対向しているときに、駆動方向の推力を個別に発生させる機能を有するため、保持位置からの駆動も任意に可能である。

図７は、本実施例の効果を実証するコギング力の解析結果を示すものである。該図において、電気角０°の位置では、一の区画部１２と第２の電機子８が対向している。電気角０°の位置では、可動子１１の移動方向と逆方向の推力が発生しており、他の区画部１３のみと対向している状態よりも大きなコギング力が得られている。即ち、電気角０°を保持位置とした制動力が得られている。

このような本実施例の構成とすることにより、任意の位置からずれた位置に可動子１１が停止したり、或いは可動子１１が外力によって意に反して変移した場合であっても、受動的制動力によって可動子１１を任意の位置に保持することができる効果がある。

なお、上述した実施例では、一の区画部１２と他の区画部１３を一つずつ配置した例を説明したが、一の区画部１２と他の区画部１３を交互に複数個配置しても構わない。また、リニアモータ１００Ａの駆動方向をＺ方向としたが、これとは全く逆方向に駆動しても構わない。

図８及び図９に、本発明のリニアモータの実施例２を示す。該図に示す本実施例のリニアモータ１００Ｂは、その構成は、実施例１と略同様なので、ここでの詳細説明は省略する。

該図に示す本実施例では、実施例１に示したリニアモータ１００Ａと略同様な構成であるが、図１に示した第１の電機子６及び第２の電機子８と、第１の電機子６及び第２の電機子８と同じ構成の第３の電機子９及び第４の電機子１０と、が可動子１１の両面を挟み込むようにそれぞれ配置され、可動子１１の両面に磁束の経路が形成されるようにしたものである。

即ち、可動子１１の両面で磁束の経路を構成することにより、永久磁石１に作用する磁束の吸引力を増加するようにしたものである。
このような本実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、吸引力に比例した制動力の向上が実現できる。また、吸引力のＹ方向成分は、第１の電機子６及び第３の電機子９と、第２の電機子８及び第４の電機子１０とにおいて、それぞれ逆方向に発生するため、吸引力は相殺され小さくなる。このため、本実施例は実施例１に比べて、可動子１１のＹ方向の支持を、より小型に設計できる（例えば、可動子１１を支持する支持ローラを小さくできる）。

図１０乃至図１２に、本発明のリニアモータの実施例３を示す。該図に示す本実施例のリニアモータ１００Ｃは、その構成は、実施例１と略同様なので、ここでの詳細説明は省略する。

該図に示す本実施例では、実施例１に示したリニアモータ１００Ａと略同様な構成であるが、一つの電機子１４は、空隙７Ｂを挟んで対向する第１の磁極歯１５と第２の磁極歯１６及び第１の磁極歯１５と第２の磁極歯１６をつなぐ電機子鉄心１７と、第１の磁極歯１５と第２の磁極歯１６にそれぞれ配置された巻線３で構成されている。更に、同軸上に隣接して配置されている第１の電機子ユニット１８及び第２の電機子ユニット１９が、駆動方向（Ｚ方向）に３つの電機子１４を電機子間隔Ｑの間隔で並設されて形成され、全く同じ構成となっている。

そして、可動子１１は永久磁石１の間隔が異なる少なくとも２つの区画部を有し、この内の一の区画部（第２の電機子ユニット１９に相当する部分）１２は、第１の電機子ユニット１８及び第２の電機子ユニット１９の第１の磁極歯１５及び第２の磁極歯１６と等しい間隔で永久磁石１が配置され、他の区画部（第１の電機子ユニット１８に相当する部分）１３は、一の区画部１２と異なる第１の電機子ユニット１８及び第２の電機子ユニット１９の第１の磁極歯１５及び第２の磁極歯１６の間隔で永久磁石１が配置されている。

本実施例の電機子１４が有する電機子鉄心１７の磁束の経路を図１１に示す。該図に示す如く、一つの電機子１４では、磁束の経路が、第１の磁極歯１５→電機子鉄心１７→第２の磁極歯１６となり、他の電機子の磁束の経路とは独立しているため、磁気的な干渉がない。

このような本実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、永久磁石１の両面に吸引力が働くため、実施例１よりも大きな制動力が得られる。更に、磁束の経路が独立しているため、他相からの漏れ磁束に影響されず、安定した制動力が得られる。

なお、特に図示しないが、同一構成の少なくとも２枚の上述した構成の可動子１１を幅方向（Ｘ方向）に連結して可動子ユニットとし、この可動子ユニットの上述した一の区画部１２と他の区画部１３における永久磁石１の間隔が、それぞれ異なるリニアモータとしても、実施例１と同様な効果を得ることができる。

図１３に、本発明の実施例４として、上述した実施例１乃至３のいずれかの構成のリニアモータを、遮断部の開閉操作を行う操作器として搭載した遮断器を示す。

該図に示す如く、本実施例の遮断器２１は、実施例１乃至３で説明したいずれかの構成のリニアモータ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃを、遮断器２１の操作器として用いるため、遮断器２１の可動電極等の可動部（図示せず）に可動子１１が直接或いは間接的に連結されている。

そして、本実施例では、リニアモータ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃのいずれかは、可動子１１の一の区画１２が遮断器２１側に位置するように配置されている。

本実施例では、遮断器２１の投入動作の方向は符号２２で示す方向であり、投入動作時には、他の区画１３に投入動作方向２２の駆動力が発生する。なお、２０は、電機子である。

このような本実施例によれば、実施例１乃至３と同様な効果が得られることにより、投入開始以前に可動子１１は同じ位置にあるため、毎回の投入に必要なエネルギーにばらつきが少なくなり、動作信頼性の高い遮断器が構成できる。

図１４に、実施例５として、実施例４で説明した遮断器の変形例を示す。該図に示す本実施例では、実施例４の構成に加え、可動子１１を投入開始位置で固定し、投入動作の開始時に反遮断部側の電機子２０にのみ通電して動作させる機械式ラッチ２３を、遮断器２１とは反対側の可動子１１に備えている。他の構成は、実施例１と同様である。

このような本実施例によれば、実施例４と同様な効果が得られることは勿論、可動子１１が外乱による振動等の動作エネルギーを受動的に減衰することにより、機械式ラッチ２３をより小さな寸法で設計することが可能であり、遮断器２１の安全性と機器信頼性を向上させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。実施例の構成の一部について、構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…永久磁石、２…可動子プレート、３…巻線、４、１７…電機子鉄心、５…磁極歯、６…第１の電機子、７Ａ、７Ｂ…空隙、８…第２の電機子、９…第３の電機子、１０…第４の電機子、１１…可動子、１２…一の区画部、１３…他の区画部、１４、２０…電機子、１５…第１の磁極歯、１６…第２の磁極歯、１８…第１の電機子ユニット、１９…第２の電機子ユニット、２１…遮断器、２２…投入動作方向、２３…機械式ラッチ、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ…リニアモータ、Ｐ、Ｒ…磁石間隔、Ｑ…電機子間隔。

Claims (10)

1. 駆動方向へ極を交互に並べた永久磁石を有する可動子と、該可動子の永久磁石に対向するように配置された磁極歯、この磁極歯を複数つなぎ磁束の経路を形成する磁性体及び前記磁極歯に配置された巻線からなる第１の電機子と、該第１の電機子と同じ構成の第２の電機子とを備え、前記第１の電機子と前記第２の電機子が同軸上に隣接して配置され、
   前記可動子は前記永久磁石の間隔が異なる少なくとも２つの区画部を有し、この内の一の区画部は、前記第１の電機子及び前記第２の電機子の磁極歯と等しい間隔で前記永久磁石が配置され、他の区画部は、前記第１の電機子及び前記第２の電機子の磁極歯の間隔とは異なる間隔で前記永久磁石が配置されており、
   前記一の区画部と前記他の区画部は、それぞれの区画部間では前記永久磁石の間隔が同じであると共に、前記一の区画部の前記永久磁石の間隔が、前記他の区画部の前記永久磁石の間隔よりも狭いことを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１に記載のリニアモータにおいて、
   前記一の区画部に配置される前記永久磁石の駆動方向の寸法幅と、前記磁極歯の駆動方向の寸法幅が等しいことを特徴とするリニアモータ。
3. 請求項１又は２に記載のリニアモータにおいて、
   前記第１の電機子及び前記第２の電機子と、前記第１の電機子及び前記第２の電機子と同じ構成の第３の電機子及び第４の電機子とが、前記可動子の両面を挟み込むようにそれぞれ配置されていることを特徴とするリニアモータ。
4. 請求項３に記載のリニアモータにおいて、
   前記可動子の両面に磁束の経路が形成されていることを特徴とするリニアモータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアモータにおいて、
   同一構成の少なくとも２枚の前記可動子を幅方向に連結した可動子ユニットを備え、該可動子ユニットの前記一の区画部と前記他の区画部における前記永久磁石の間隔が、それぞれ異なることを特徴とするリニアモータ。
6. 駆動方向へ極を交互に並べた永久磁石を有する可動子と、該可動子の永久磁石を挟んで対向するように配置された第１の磁極歯及び第２の磁極歯、この第１の磁極歯及び第２の磁極歯をつなぐ電機子鉄心及び前記第１の磁極歯及び第２の磁極歯にそれぞれ配置された巻線とから成る電機子が、所定間隔を以って駆動方向に複数個配置される第１の電機子ユニットと、該第１の電機子ユニットと同じ構成の第２の電機子ユニットとを備え、前記第１の電機子ユニットと前記第２の電機子ユニットが同軸上に隣接して配置され、
   前記可動子は前記永久磁石の間隔が異なる少なくとも２つの区画部を有し、この内の一の区画部は、前記第１の電機子ユニット及び前記第２の電機子ユニットの前記第１の磁極歯及び第２の磁極歯と等しい間隔で前記永久磁石が配置され、他の区画部は、前記第１の電機子ユニット及び前記第２の電機子ユニットの前記第１の磁極歯及び第２の磁極歯の間隔とは異なる間隔で前記永久磁石が配置されており、
   前記一の区画部と前記他の区画部は、それぞれの区画部間では前記永久磁石の間隔が同じであると共に、前記一の区画部の前記永久磁石の間隔が、前記他の区画部の前記永久磁石の間隔よりも狭いことを特徴とするリニアモータ。
7. 請求項６に記載のリニアモータにおいて、
   前記一の区画部に配置される前記永久磁石の駆動方向の寸法幅と、前記第１の磁極歯及び前記第２の磁極歯の駆動方向の寸法幅が等しいことを特徴とするリニアモータ。
8. 請求項６又は７に記載のリニアモータにおいて、
   前記電機子の磁束の経路が、他の電機子の磁束の経路とは独立していることを特徴とするリニアモータ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のリニアモータを、遮断部の開閉操作を行う操作器として用いる遮断器であって、
   前記リニアモータは、前記可動子の前記一の区画部が、前記遮断部側に位置するように配置されていることを特徴とする遮断器。
10. 請求項９に記載の遮断器において、
    前記可動子を投入開始位置で固定し、投入動作の開始時に反遮断部側の電機子にのみ通電して動作させる機械式ラッチを備えていることを特徴とする遮断器。

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