JP6841733B2

JP6841733B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP6841733B2
Application number: JP2017141781A
Authority: JP
Inventors: 祐長谷川; 康明青山; 光明加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2037-07-21
Also published as: JP2019022412A

Description

本発明は、リニアモータに関する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１、および、特許文献２がある。

この特許文献１の段落０００５には、「本発明は、Ｚ方向に並んだ二つの磁極と、二つの該磁極それぞれに巻回した巻線と、を有する電機子と、永久磁石を有し、前記電機子に対してＺ方向に相対移動する可動子と、を備えるリニアモータであって、二つの前記磁極の間に第一補助磁極を有し、該第一補助磁極と前記磁極の間にブリッジを有し、二つの前記巻線は、電気的に接続していることを特徴とする。」と記載されている。

また、特許文献２の要約には、「可動子のコアをブロックコアに分割し、磁石ピッチＰｍの８倍の長さで９個のティースを等ピッチＰｔでそなえ、各ブロックコアを相互間に磁石ピッチの２／３の間隙を設けて推力の方向に配置し、第１のブロックコアはティースを３個ずつのグループに分けてＵ相帯、Ｖ相帯、Ｗ相帯の順に電機子コイルを巻装し、第２のブロックコアは、同様にＶ相帯、Ｗ相帯、Ｕ相帯の順に巻装し、第３のブロックコアは、同様にＷ相帯、Ｕ相帯、Ｖ相帯の順に巻装して、相互の電機子コイルを１２０°の位相差にし、各ブロックコアが発生するコギング推力の和を０にする。」と記載されている。

特開２０１６−１０１０１９号公報ＷＯ９９／４１８２５号公報

クリーンルームなどの密閉空間や、作業者が近くにいる工場の製造ラインでは、リニアモータを駆動した際に発生する振動や騒音が、作業環境の悪化や装置の保守頻度を引き上げる原因になっている。このため、リニアモータには、モータ駆動時の電磁力に起因した振動の抑制と静音化が従来より求められてきた。

リニアモータ駆動時の振動や騒音の原因には、磁気回路の偏りや磁気的な突極性に起因した空間高調波や、モータに電流を通電する電気回路のノイズに由来する時間高調波がある。

空間高調波の対策方法として、特許文献１には、同文献の図１、図８、図１１等のように、リニアモータの電機子の両端や磁極間に補助磁極（以下「補極」と称する）と呼ばれる磁性体を挿入することで、電機子の端部等における磁気回路のアンバランスを解消し、推力コギングや推力脈動を低減する補極方式が開示されている。しかし、この方式では、同文献の図１１のように、磁極と補極を交互に配置する必要があり、補極を挿入した分だけ電機子の全長が増加するため、電機子の体積増加により推力密度が低下するという課題がある。

また、他の空間高調波の対策方法として、特許文献２には、一部の磁気回路を共有する複数の電機子あるいは可動子の位相を任意の位置に調整することで、それぞれの電機子あるいは可動子に発生する電磁力を重ねあわせ、推力コギングを相殺する位相ずらし方式がある。しかし、この方式では、モータを駆動する励磁磁束に対する位相もずれてしまうため、推力が低下するという課題がある。

そこで、本発明は、空間高調波をより適切に対策することで、リニアモータとして要求される推力を維持しつつ、コギングや推力脈動に起因した振動を低減し、静音化したリニアモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数の永久磁石を磁化方向が交互するように移動方向に並べた磁石列ユニットと、複数の電機子を前記移動方向に並べるとともに、挿入された前記磁石列ユニットが内部を移動する電機子ユニットと、を備えたリニアモータであって、前記電機子ユニットは、前記磁石列ユニットを挟んで配置される複数の磁極歯と、該複数の磁極歯を繋ぐ鉄心と、前記磁極歯に巻装された電機子巻線と、を有し、前記磁極歯と前記鉄心は、動作方向に鋼板を積層して構成され、前記複数の電機子を相数の整数倍の電機子グループに分割し、各電機子グループ間に磁性体で構成した補極を配置するとともに、各電機子グループに属する電機子間に補極を配置せず、各電機子グループ間には複数の補極が配置され、それぞれの補極の電気的位相が異なるリニアモータである。

本発明によれば、特定の電機子間に挿入した補極により、コギングあるいは推力脈動を低減し、駆動時の騒音や振動を低減したリニアモータを提供できる。

実施例１のリニアモータの斜視図である。図１のI−Iにおける断面図である。図１のII−IIにおける断面図である。実施例１の補極形状を示す正面図である。実施例１の補極形状の変形例を示す正面図である。実施例１の補極形状の他の変形例を示す正面図である。実施例１のリニアモータに生じるコギング波形図である。実施例２のリニアモータの斜視図である。図６のI−Iにおける断面図である。実施例３のリニアモータの斜視図である。図８のI−Iにおける断面図である。実施例３のリニアモータに生じるコギング波形図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明のリニアモータの実施例を説明する。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５を用いて、本発明の実施例１に係る３相駆動のリニアモータ１００ａを説明する。

図１は、実施例１のリニアモータ１００ａの斜視図である。ここに例示するリニアモータ１００ａは、略四角筒状の電機子ユニット２００の内部に、長板状の磁石列ユニット２１０を挿入したものであり、図中に定めた前後方向に両者が相対直線運動するモータである。一般的には、電機子ユニット２００を他の構造物に固定して固定側とし、磁石列ユニット２１０を可動側とするが、逆の関係であっても良い。

図２は、図１のI−I方向における断面図である。ここに示すように、電機子ユニット２００は、９つの電機子１０２を３つの電機子グループ２０１に分割し、各電機子グループ２０１の間に補極３０を配置したものである。なお、電機子グループ２０１内の電機子ピッチＱや、電機子１０２と補極３０の間隔は、図示しないスペーサで保持されている。

電機子ユニット２００に含まれる３つの電機子グループ２０１ａ〜２０１ｃは、電気的位相が各６０°ずれるように配置されており、各電機子グループ２０１に含まれる３つの電機子１０２は、電気的位相が各１２０°ずれるように配置されている。このような３つの電機子グループを備えた電機子ユニット２００を用いることで、３相駆動のリニアモータを構成することができる。なお、ここでは、３相駆動のリニアモータを実現すべく、複数の電機子１０２を３つの電機子グループ２０１に分割しているが、相数とグループ数は同数である必要はなく、相数の整数倍のグループ数に分割しても良い。

これを一般化すると、ｍ個の電機子１０２を用いてｎ相駆動のリニアモータを構成するには、ｍ個の電機子１０２をｎ個の電機子グループ２０１に分割し、各電機子グループ２０１の電気的位相を１８０°／ｎ毎ずらして並べるとともに、各電機子グループに含まれるｍ／ｎ個の電機子１０２の電気的位相を３６０°／ｎ毎ずらすことで、ｎ相駆動のリニアモータを構成できる。

一方、磁石列ユニット２１０は、垂直な磁化方向１５を持つ平坦な永久磁石１０を、磁化方向１５が上下交互となるように、磁石ピッチＰで保持プレート２０にはめ込んだものである。ここで、電機子ピッチＱと磁石ピッチＰの関係は、一般的には、Ｐ＝３Ｑ／２であるが、Ｐ＝６Ｑ／５や、Ｐ＝６Ｑ／７としても良い。なお、図２には、磁化方向１５が垂直な永久磁石１０を例示しているが、磁化方向１５を前後に傾けた永久磁石１０を用いても良い。

図３は、図１のII−II方向における断面図であり、主に、電機子１０２の輪郭形状と、その内部に形成される磁束経路を説明する図である。ここに示すように、電機子１０２は、略ロ字状の鉄心１１０の長辺内側に、磁石列ユニット２１０が挿入される空隙１２２を挟んで、矩形の第一の磁極歯１１４と第二の磁極歯１１６を対向配置し、各磁極歯に電機子巻線１０４を巻装したものである。なお、鉄心１１０、第一の磁極歯１１４、第二の磁極歯１１６からなる磁性体部は、ケイ素鋼等の磁性体薄板を前後方向に積層して一体化し所定の厚さとしたものである。また、電機子巻線１０４は、銅やアルミ等の電線を絶縁体の皮膜や樹脂で覆ったたものである。

この電機子巻線１０４に電流を流すと、図３の矢印のように、第一の磁極歯１１４、鉄心１１０の短辺、第二の磁極歯１１６を順次通り、磁石列ユニット２１０を横切り、再び、第一の磁極歯１１４に戻る、電機子巻線１０４を囲むような磁束経路が形成され、電機子１０２は電磁石となる。また、電機子巻線１０４に逆方向の電流を流すと、図３の矢印とは逆方向の電磁石となる。

ここで、図１、図２でも示したように、本実施例の電機子１０２は個々に独立した構成であり、ある電機子１０２に生じる磁束経路は、隣接する電機子１０２に生じる磁束経路から独立するため、同じ電機子グループ２０１に属する電機子１０２間に逐一補極を挿入しない場合であっても、電機子１０２間での磁気的な干渉は発生しない。これにより、他相の電機子１０２からの漏れ磁束による相互インダクタンスの増加やコギング力の増加を抑制することができる。

次に、図１のIII−III方向における断面図である図４Ａを用いて、電機子グループ２０１の間に配置され、軟鉄や積層したケイ素鋼板等で構成された補極３０の輪郭形状を説明する。図３と図４Ａの比較から分かるように、補極３０は、電機子１０２と、鉄心および磁極歯の形状が共通し、電機子巻線１０４を有さず、前後方向の厚みが異なる点が相違する。本実施例の補極３０は隣接する電機子１０２から独立した構成であり、補極３０に生じる磁束経路は、隣接する電機子１０２に生じる磁束経路から独立するため、両者間での磁気的な干渉は発生せず、また、電機子グループ２０１を跨ぐ磁気的な干渉も発生しない。

なお、補極３０の形状を、電機子１０２と異ならせても良く、例えば、図４Ｂに示すように、磁極歯内に矩形のスリット３０ａや円形の開口部を設けたり、磁極歯の内側に開放部を設けても良いし、図４Ｃに示すように、鉄心の外側に開放部３０ｂを設けても良い。さらに、補極３０の磁極歯の幅や高さを、電機子１０２と異ならせても良い。

図５は、電機子グループ２０１の間に補極３０を配置し、同一の電機子グループ２０１内の電機子１０２間には補極３０を設置しない本実施例のリニアモータ１００ａに発生するコギング力（実線）と、電機子グループ２０１の間に補極を有さない点のみ相違し、他の構成が共通するリニアモータに発生するコギング力（破線）のシミュレーション結果を比較したグラフである。実線ピーク値が破線ピーク値よりも小さくなっていることから分かるように、本実施例によってコギング力を大きく抑制できることが分かる。

以上で説明したように、本実施例の構成により、補極自体が他の電機子から磁気的に独立した磁気回路を有するため、補極の位置や寸法を調整し、補極を除いたリニアモータの推力コギングや推力脈動を相殺するように補極を設計することで、補極の挿入により、リニアモータの振動や騒音が抑制することができる。

また、特許文献１のように、磁極子と補極を交互に設ける必要がなく、補極の設置に必要な空間が抑制されるため、より小型の電機子ユニットを用いる場合であっても、同等の効果を得ることができる。

さらに、補極を挿入した空間によりずれた各電機子グループ間の位相に対応し、各相の巻線の位相を、各電機子グループの誘起電圧波形が一致するように入れ替えることで、励磁磁束の位相とのずれを解消し、推力を維持することも可能である。

図６、図７に、本発明の実施例２に係るリニアモータ１００ｂを示す。このリニアモータ１００ｂは、特に言及する構成以外は実施例１と同様であるため、以下では、重複説明を省略する。

本実施例のリニアモータ１００ｂでは、１８個の電機子１０２を用いており、これらは３つの電機子グループ２０１に分割され、各電機子グループ２０１は、電気的に各６０°ずれるように配置される。各電機子グループ２０１に含まれる各電機子１０２は、スペーサ４５に挟み込まれる構成であり、これによって、所定の電機子ピッチＱが維持される。

また、電機子グループ２０１の間に設置される補極３０の前後方向の間隔は、距離Ｌ１または距離Ｌ２であり、補極３０と電機子グループ２０１の間には、距離Ｌ１と距離Ｌ２に相当する厚さのスペーサ４０ａ、４０ｂが装着されている。なお、距離Ｌ１と距離Ｌ２は等しくてもよいが、前方の補極３０の前方距離と後方の補極３０の後方距離を等しくし、前方の補極３０の後方距離と後方の補極３０の前方距離を等しくすることが望ましい。

スペーサ４５およびスペーサ４０ａ、４０ｂの材質は、その目的により、磁性体（例えば、積層鋼板や軟鉄など）や導電性金属（例えば、アルミやステンレスなど）、樹脂等の部品で構成される。スペーサ４５およびスペーサ４０ａ、４０ｂの位置にしたがって、異なる材質で構成してもよい。

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、補極３０の前方間隔と後方間隔を個別に調整できるため、安定して推力脈動が小さくなる効果が得られる。また、スペーサ４５およびスペーサ４０ａ、４０ｂの材質を磁性体とした場合は、同相間で磁束の経路を共有することにより、リニアモータの平均推力がより大きくなり、樹脂の場合は交番磁界の影響による渦電流損の発生を抑制する効果が得られる。

図８乃至図１０に、本発明の実施例３に係るリニアモータ１００ｃを示す。このリニアモータ１００ｃは、特に言及する構成以外は実施例１または実施例２と同様であるため、以下では、重複説明を省略する。

本実施例のリニアモータ１００ｃの電機子ユニット２００は、図８、図９に示すように、前方の電機子グループ２０１ａと中央の電機子グループ２０１ｂの間に、２枚の補極３０１、３０２を配置し、電機子グループ２０１ｂと後方の電機子グループ２０１ｃの間にも、２枚の補極３０３、３０４を配置している点で相違している。

図９では、補極３０１と補極３０２の間、および、補極３０３と補極３０４の間には隙間を設けているが、仮に、補極３０１と補極３０２を接触させ、補極３０３と補極３０４を接触させている場合には、実施例１と同様に、主に２次成分の高調波を抑制することができる。

これに対し、図９に示したように、補極３０１と補極３０２の間、および、補極３０３と補極３０４の間に隙間を設けた場合は、隣接する補極同士がそれぞれ異なる位相差で配置される結果、主に４次成分の高調波を抑制することができる。

図１０は、電機子グループ２０１の間に補極３０１〜３０４を配置した本実施例のリニアモータ１００ｃに発生するコギング力（実線）と、電機子グループ２０１の間に補極を有さない点のみ相違し、他の構成が共通するリニアモータに発生するコギング力（破線）のシミュレーション結果を比較したグラフである。実線ピーク値が破線ピーク値よりも小さくなっていることから分かるように、本実施例の構成により、コギング力を大きく抑制できることが分かる。また、各電機子グループの間に２枚の補極を配置した本実施例の構成では、図５に示した実施例１のコギング力に比べ、４次成分の高調波を抑制することができる。

なお、本実施例では、電機子グループ２０１間に２枚の補極を設置する構成を例示したが、３枚以上の補極を設置しても良い。より多くの補極を設置することで、より高次の高調波を抑制できるため、抑制したい高調波に応じて、適切な数の補極を設置すればよい。

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、リニアモータの推力脈動のうち、任意の高調波次数の脈動を打ち消すように補極を配置することで、リニアモータの振動抑制効果をより高めることができる。

１０永久磁石
１５磁化方向
２０保持プレート
３０、３０１〜３０４補極
３０ａ
３０ｂ
４０ａ、４０ｂ、４５スペーサ
１００ａ〜１００ｃリニアモータ
１０２電機子
１０４電機子巻線
１１０鉄心
１１４第１の磁極歯
１１６第２の磁極歯
１２２空隙
２００電機子ユニット
２０１、２０１ａ〜２０１ｃ電機子グループ
２１０磁石列ユニット

Claims

複数の永久磁石を磁化方向が交互するように移動方向に並べた磁石列ユニットと、
複数の電機子を前記移動方向に並べるとともに、挿入された前記磁石列ユニットが内部を移動する電機子ユニットと、
を備えたリニアモータであって、
前記電機子ユニットは、前記磁石列ユニットを挟んで配置される複数の磁極歯と、該複数の磁極歯を繋ぐ鉄心と、前記磁極歯に巻装された電機子巻線と、を有し、
前記磁極歯と前記鉄心は、動作方向に鋼板を積層して構成され、
前記複数の電機子を相数の整数倍の電機子グループに分割し、各電機子グループ間に磁性体で構成した補極を配置するとともに、各電機子グループに属する電機子間に補極を配置せず、
各電機子グループ間には複数の補極が配置され、それぞれの補極の電気的位相が異なることを特徴とするリニアモータ。
請求項１に記載されたリニアモータにおいて、
前記補極の輪郭形状が前記電機子の前記電機子巻線を除いた輪郭形状と同一であることを特徴とするリニアモータ。
請求項２に記載されたリニアモータにおいて、
前記補極の輪郭内側に開口部を有することを特徴とするリニアモータ。
請求項１に記載されたリニアモータにおいて、
前記補極の輪郭形状が前記電機子の前記電機子巻線を除いた輪郭形状と異なることを特徴とするリニアモータ。
請求項１から請求項４の何れか一項に記載されたリニアモータにおいて、
前記補極と前記電機子の間にスペーサを挟む構造であることを特徴とするリニアモータ。
請求項５に記載されたリニアモータにおいて、
前記スペーサが磁性体、導電性金属、樹脂の何れかであることを特徴とするリニアモータ。