JPH11341785A - リニアモータの永久磁石配置構造およびその配置方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リニアモータ全体の小型・軽量化、高信頼性
化、低コスト化を可能とする永久磁石の配置方法と、リ
ニアモータの永久磁石配置構造の提供。 【解決手段】 リニアモータ界磁構造１１は固定子側の
構成としてバックヨーク１２が２面対向した配置にあ
り、その両内側面上の同位置・同ピッチＰｃで界磁コイ
ル１３および軟鉄製の界磁コア１４が配置する構成とな
り、また可動子側は対向する界磁コイル１３間に一定幅
Ｗの永久磁石１５をＰｃの４分の３のピッチＰｐで、ま
た側方の界磁コイル１３に向けての磁極方向を交互に配
置する構成となる。比率Ｗ／Ｐｐが配置列中における永
久磁石１５の配置占有比となり、この値を、推力をほぼ
そのままに維持しながら吸引力のみを減少させ得る範
囲、例えば０．６〜０．８の範囲（特には０．６５）に
設定することにより永久磁石を配置する方法、およびそ
れにより構成される永久磁石の配置構造が本発明とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動織機の
開口装置の駆動装置として利用するリニアモータの主要
構成部である界磁構造において、そこでの永久磁石の配
置構造およびその配置方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、可動子側に永久磁石５を、固定
子側に界磁コイル３を備えた場合のリニアモータの界磁
構造１を示す断面図である。この図における固定子側の
構成としては、外殻構造としてのフレームを形成するバ
ックヨーク２が２面対向した配置にあり、その両内側面
上の同位置・同ピッチで界磁コイル３および界磁コア４
が配置する構成となる。

【０００３】そして可動子側は対向する界磁コイル３間
に一定幅Ｗの永久磁石５を一定のピッチ（以下ポールピ
ッチＰｐという）で、また側方の界磁コイル３に向けて
の磁極方向を交互に配置する構成となる。

【０００４】同図において、補助線Ｌ、Ｌ’は固定子側
バックヨーク２内側面上に隣り合って並設する２つの界
磁コイル３のそれぞれの中心線であり、その間の距離Ｐ
ｃは配置ピッチ間隔を意味し、そして従来よりポールピ
ッチＰｐについてはその側位置に設置されている界磁コ
イル３の配置ピッチの４分の３のピッチ長に設定されて
いた。

【０００５】しかし、このポールピッチＰｐ中における
永久磁石５の配置占有比（磁石幅Ｗ／ポールピッチＰ
ｐ）については従来より特定の比率値で設定されるもの
ではなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そして上記の構成にあ
るリニアモータ界磁構造１においては、作動中界磁コイ
ル３や永久磁石５の並設方向に推力・制動力が発生する
以外にも、同時に可動子上の永久磁石５と、バックヨー
ク２側面上に一体に設置する界磁コア４との間、および
バックヨーク２自体との間において大きな吸引力が発生
するものとなる。

【０００７】また、ある一つのリニアモータの性能に関
与する設計要素（パラメータ）が多数存在する内、可動
子の推力・制動力の増減に関与するものとしては、永久
磁石５の磁束密度や界磁コイル３に流す励磁電流等があ
るが、これらは推力と比例関係にあると同時に前記吸引
力に対しても線形の関係にあり、よって同じ変化率で増
減するものとなっていた。

【０００８】そのため推力・制動力の向上を目的として
前記２つのパラメータをそれぞれ大きく設定した場合、
同時に吸引力も比例して増大するため、可動子に向けて
界磁コイル３を設置する構造部材のバックヨーク２が吸
引方向に撓み、その結果固定子側の界磁コイル３と、高
速で往復運動する可動子側の永久磁石５とが接触して大
きな損傷を招くといった問題があった。

【０００９】そこで従来よりバックヨーク２の強度・剛
性を維持するために多数の補強部材を使用した構成とし
たため、界磁コイル３の周囲およびバックヨーク２の構
成が複雑化し、またリニアモータ全体の大容積化および
大重量化をも招く結果となっていた。

【００１０】また一方、永久磁石５自体は重量部材であ
るため、例えば上記可動子側に設置する場合には高速往
復運動を行う上でその慣性に問題があり、また製造コス
トも高いものであるため永久磁石はその使用量を最小限
に押さえる、つまり前述の配置占有比をできるだけ低く
設定することが望まれていた。

【００１１】そして前述したパラメータ、特に永久磁石
５の配置に関するものについては、概ね推力・制動力の
向上のみに対して製造者側の経験則に基づいた設定でし
かなく、同時に発生する吸引力の弊害に対しては考慮さ
れるものではなかった。

【００１２】そこで本発明は以上の問題点に鑑み、永久
磁石の配置占有比の設定により推力の低下を押さえつつ
吸引力のみを減少させることが可能となる特性を利用す
ることでリニアモータ全体の小型・軽量化、高信頼性
化、低コスト化を可能とする永久磁石の配置方法と、そ
れによるリニアモータの永久磁石配置構造の提供を課題
とする

【００１３】

【課題を解決するための手段】先ず今回、本発明者が上
記リニアモータに関する問題点を解決するに当たって、
永久磁石の配置占有比の変化に伴う推力と吸引力の増減
について実験・検証したところ図１に示すような非相似
特性があることを発見した。

【００１４】この図によれば、まずはじめに永久磁石の
配置占有比の初期値を１（この場合永久磁石がその配置
列中に一定幅で磁極方向を交互に隙間なく連続して配置
する構成となる）として順次減少させて設定するに伴
い、固定子側にかかる吸引力はほぼ正比例的に減少する
のに対し、可動子側にかかる静推力は配置占有比が０．
６以下に減少設定するまでほぼ低下が見られず、２つの
作用力の間には減少比に差分が生じる特性があることが
判明する。

【００１５】ここで静推力とは静止させた状態の可動子
に加わる推力のことでリニアモータの実作動に直接関係
する動推力とは比例関係にあり、また静推力と吸引力は
永久磁石の磁極位置と界磁コイルとの位置関係により周
期的に変化するものであるため図のグラフ上ではその平
均値のさらに正規化した値をプロットしたものとなる。

【００１６】以上の特性は、リニアモータ界磁構造の構
成上、永久磁石全体が推力に寄与するものでなく、個々
の永久磁石の部分箇所によって推力に寄与する度合いが
異なることによるものである。具体的には磁極方向を交
互に隙間なく連続して配置した場合の永久磁石列におい
て、隣合う２つの永久磁石の境目付近の箇所が推力の発
生にあまり寄与していないことによるものである。

【００１７】そこで本発明は課題を解決するためにこの
特性を利用して以下のように構成する。

【００１８】まずリニアモータの界磁構造に永久磁石を
配置する方法に適用するものとなり、定ピッチ間隔の永
久磁石配置列中における永久磁石の配置占有比と推力及
び吸引力との関係（例えば図１に示されるような関係）
を測定し、その測定結果に基づき、該推力をほぼそのま
まに維持しながら該吸引力のみを減少させ得る範囲内に
前記配置占有比を設定し、それに従って永久磁石を配置
する方法となる。

【００１９】これにより、リニアモータ全体の小型・軽
量化、高信頼性化、低コスト化を実現できる永久磁石の
配置が可能となる。

【００２０】また特に前記配置占有比が１である場合の
それぞれの値に対する割合において、前記推力が０．９
５以上であり、かつ前記吸引力が０．９以下となる範囲
に該配置占有比を設定することが望ましい。この範囲
は、永久磁石の配置ピッチ長が界磁コイルの配置ピッチ
長の４分の３の長さの場合に測定された図１の関係にお
いては、配置占有比がほぼ０．６以上０．８以下の場合
に相当する。

【００２１】また特に前記永久磁石の配置ピッチ長を界
磁コイルの配置ピッチ長の４分の３の長さとし、前記配
置占有比を０．６以上０．８以下の範囲に設定し、それ
に従って永久磁石を配置する方法となる。

【００２２】これにより、特に上記の吸引力低減特性を
有効に利用した永久磁石の配置方法となる。

【００２３】またリニアモータの永久磁石配置構造自体
に関して、前記定ピッチ間隔の永久磁石配列中における
永久磁石の配置占有比と推力及び吸引力との関係に基づ
き、該推力をほぼそのままに維持しながら該吸引力のみ
を減少させ得る範囲内に該配置占有比を設定した構成と
なる。

【００２４】そして特に前記配置占有比が１である場合
のそれぞれの値に対する割合において、前記推力が０．
９５以上であり、かつ前記吸引力が０．９以下となる範
囲に設定した構成となることが望ましい。この範囲は、
上記と同様、永久磁石の配置ピッチ長が界磁コイルの配
置ピッチ長の４分の３の長さの場合に測定された図１の
関係においては、配置占有比がほぼ０．６以上０．８以
下の場合に相当する。

【００２５】また特に前記永久磁石の配置ピッチ長が界
磁コイルの配置ピッチ長の４分の３の長さであり、前記
配置占有比が０．６以上０．８以下の範囲に設定した構
成となる。

【００２６】これにより、特に上記の吸引力低減特性を
有効に利用した構成の界磁構造となる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら説明する。

【００２８】先ず図２は、本発明の実施の形態にあるリ
ニアモータ界磁構造の断面図である。 この図におい
て、リニアモータ界磁構造１１は可動子側に永久磁石１
５を、固定子側に界磁コイル１３を備えた構成となる。

【００２９】固定子側の構成としては外殻構造としての
フレームを形成するバックヨーク１２が２面対向した配
置にあり、その両内側面上の同位置・同ピッチで界磁コ
イル１３および軟鉄製の界磁コア１４が配置する構成と
なる。

【００３０】また可動子側は、対向する界磁コイル１３
間に一定幅の永久磁石１５を一定の配置ピッチで、また
側方の界磁コイル１３に向けての磁極方向を交互に配置
する構成となる。

【００３１】同図において、補助線Ｌ、Ｌ’は固定子側
のバックヨーク１２内側面上に隣り合って並設する２つ
の界磁コイル１３（界磁コア１４）のそれぞれの中心線
であり、その間の距離Ｐｃは配置ピッチを意味する。

【００３２】またＰｐは可動子側に設置する永久磁石１
５のポールピッチを意味し、該界磁コイル１３の配置ピ
ッチＰｃの４分の３の長さにあり、さらにＷはその配置
列中における永久磁石１５自体の長さを意味するものと
なり、すなわちその比率Ｗ／Ｐｐが配置列中における永
久磁石１５の配置占有比となる。

【００３３】従って該配置占有比が１（Ｗ／Ｐｐ＝１）
の場合とは、可動子側の永久磁石配置列中において磁極
を交互に配置する永久磁石１５それぞれの長さＷがＰｐ
と同じ（Ｗ＝Ｐ）にあり、隙間なく連続して配置される
構成を意味するものとなる。

【００３４】そして本実施形態において最も特徴とする
点は、従来固定子側に配置する永久磁石１５の配置占有
比が特定されていなかったところ０．６５という明確な
値に一律に設定することにより最も有効な形態として永
久磁石を配置した点にある。

【００３５】このことは、図１を参照して配置占有比を
例えば（従来の製造者側の経験則に基づいて設定されて
いた値としての）０．８に設定した場合と比較して、静
推力はほぼ元の値を維持してほとんど変化が見られない
一方、吸引力は約０．８６から約０．６８までのおよそ
０．１８（１８％）近くの減少差を有することになる。

【００３６】この差は可動子の動きに大きな駆動力、高
速往復動、急起動・急制動などの高い運動性能を要求す
る大型の装置などへの利用に対しては本実施形態におけ
るバックヨーク２のような構造体に対してかなり大きな
負担軽減の効果をもたらし、また同時に可動子側に配置
する永久磁石１５の使用量に関しても配置占有比で０．
１５の削減（従来多くの場合に設定されていた上記０．
８の例と比較して約１９％の削減）が可能となることで
大幅な軽量化および製造コストの削減が可能となる。

【００３７】そして図１に示す特性に基づくと配置占有
比を０．６５より小さく設定した場合には静推力・吸引
力共に同時に比例して低下するため、本実施形態におけ
る永久磁石１５の配置方法としてはこの０．６５を最小
値として配置占有比を設定し、それに基づいて永久磁石
１５を配置する方法となる。

【００３８】しかし、図１に示したような特性（配置占
有比と推力及び吸引力との関係）は、リニアモータ全体
の構造や永久磁石の材質等により多少異なるものである
ため、各構造や材質毎に特性を測定し、その測定結果に
基づき所望の範囲内に配置占有比を設定することが望ま
れる。そして、そのような配置占有比は、この配置占有
比が１である場合と比べた割合が推力で０．９５以上か
つ吸引力で０．９以下となる範囲に設定することが望ま
しい。これに基づけば、図１の関係においては、配置占
有比がほぼ０．６〜０．８の範囲となる。

【００３９】また、図１に示した特性は、ポールピッチ
Ｐｐが界磁コイル１３の配置ピッチ長の４分の３の場合
において測定したものだが、このようなピッチ関係にあ
ればどのような規模にあっても図１の特性に基づいて配
置占有比を設定することが可能である。もちろん、その
他のピッチ関係にある場合でも、そのピッチ関係におい
て測定した１つの特性を様々な規模のものにおいて利用
可能である。また、本発明の方法は、規模の大型のもの
に適用するほど、一層大きな効果を発揮する。

【００４０】また上記実施形態のリニアモータ界磁構造
１１は固定子側の界磁コイル１３が可動子側の永久磁石
列の両側を挟むように並設している構成であるが、他に
も図３に示すように界磁コイル１３が永久磁石列の片側
のみに並設する構成に適用しても有効となる。

【００４１】また問題となる吸引力は特に界磁コイル１
３の中心に位置する界磁コア１４（軟鉄製の鉄心）と永
久磁石１５との間で大きく生じるものであるが、図４に
示すような界磁コア１４を省略した構成においても吸引
力が存在するため本発明による方法および構成の適用が
有効となる。

【００４２】そして本発明は大きな推力を得るために上
記のような界磁構造を何層も密接に積層して構成するリ
ニアモータに特に有効となる。

【００４３】また上記の実施形態は可動子側に永久磁石
を配置した構成となるが、逆に固定子側に永久磁石を配
置する構成においても本発明の方法が適用可能となる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、従来
単に製造者側の経験則に基づいて設定していた永久磁石
の配置占有比を、より実際のリニアモータの構造を考慮
した設定とすることにより、推力をほぼ低下させること
なく、同時に弊害として発生していた側方吸引力のみを
大幅に減少させることが可能となる。

【００４５】これにより構造設計の際、配置占有比を例
えば図１の関係に基づき０．６５に設定した場合には強
度計算上３０％の余裕をみることができることになり、
バックヨークを含むリニアモータの構造体の強度補強を
押さえることができ、また同時に永久磁石の使用量を最
小限にできるためリニアモータ全体の小型・軽量化、コ
ストの削減が可能となる。

【００４６】また固定子に接触する可動子側の滑動支持
部分周辺にかかる加重負担が大幅に減少するため、リニ
アモータ自体の高寿命化、高信頼性化に効果を発揮する
ものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】永久磁石の配置占有比（永久磁石幅／ポールピ
ッチ）と推力、吸引力の関係を示すグラフである。

【図２】本発明の第１実施形態にあるリニアモータ界磁
構造を示す図である。

【図３】本発明の第２実施形態にあるリニアモータ界磁
構造を示す図である。

【図４】本発明の第３実施形態にあるリニアモータ界磁
構造を示す図である。

【図５】従来のリニアモータ界磁構造を示す図である。

【符号の説明】

１１ 第１実施形態のリニアモータ界磁構造 １２ バックヨーク １３ 界磁コイル １４ 界磁コア １５ 永久磁石

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リニアモータの界磁構造に永久磁石を配
   置する方法において、 定ピッチ間隔の永久磁石配置列中における永久磁石の配
   置占有比と推力及び吸引力との関係を測定し、その測定
   結果に基づき、該推力をほぼそのままに維持しながら該
   吸引力のみを減少させ得る範囲内に前記配置占有比を設
   定することを特徴とするリニアモータの永久磁石配置方
   法。
2. 【請求項２】 前記配置占有比が１である場合のそれぞ
   れの値に対する割合において、前記推力が０．９５以上
   であり、かつ前記吸引力が０．９以下となる範囲に該配
   置占有比を設定したことを特徴とする請求項１記載のリ
   ニアモータの永久磁石配置方法。
3. 【請求項３】 前記永久磁石の配置ピッチ長を界磁コイ
   ルの配置ピッチ長の４分の３の長さとし、 前記配置占有比を０．６以上０．８以下の範囲に設定し
   たことを特徴とする請求項２記載のリニアモータの永久
   磁石配置方法。
4. 【請求項４】 リニアモータ中に定ピッチ間隔で配置さ
   れる永久磁石の配置構造において、 前記定ピッチ間隔の永久磁石配列中における永久磁石の
   配置占有比と推力及び吸引力との関係に基づき、該推力
   をほぼそのままに維持しながら該吸引力のみを減少させ
   得る範囲内に該配置占有比を設定したことを特徴とする
   リニアモータの永久磁石配置構造。
5. 【請求項５】 前記配置占有比が１である場合のそれぞ
   れの値に対する割合において、前記推力が０．９５以上
   であり、かつ前記吸引力が０．９以下となる範囲に該配
   置占有比を設定したことを特徴とする請求項４記載のリ
   ニアモータの永久磁石配置構造。
6. 【請求項６】 前記永久磁石の配置ピッチ長が界磁コイ
   ルの配置ピッチ長の４分の３の長さであり、 前記配置占有比が０．６以上０．８以下の範囲にあるこ
   とを特徴とする請求項５記載のリニアモータの永久磁石
   配置構造。