JP2004040990A

JP2004040990A - リニアモータ

Info

Publication number: JP2004040990A
Application number: JP2002198968A
Authority: JP
Inventors: Kaiji Sato; 佐藤　海二; Akira Shimokawabe; 下河邉　明
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】電源の相数の増加を抑制し高い平均推力を維持しつつ、推力変動を低減することのできるコア付ＰＭ同期型リニアモータを提供する。
【解決手段】ステータは所定の間隔Ｌ_ＥＭ毎に配置された電磁石で構成され、ｎ相の矩形波電流を出力する電源によって励磁される。スライダはＬ_ＥＭのｎ／ｍ（ｎ及びｍはｎ＞ｍ≧２を満たす自然数）の間隔で配置された永久磁石で構成される。
【選択図】　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高加速リニアモータに係り、特に推力むら及び電源相数を抑制しつつスライダを迅速に加速することの可能な高加速リニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
３００ミリメートル以上の可動距離を有する直動アクチューエータとしてリニアモータが広く適用されている。
【０００３】
特に、ステータとしてコア付き電磁石を、スライダとして永久磁石を使用する同期型リニアモータ（以下、コア付ＰＭ同期型リニアモータ）は大推力を必要とする用途に適している。
【０００４】
ここで、コア付ＰＭ同期型リニアモータを駆動するためには正弦波状電流を使用することが一般的であるが、供給電力が制限される場合は矩形波状電流を使用した方が大きな駆動力を得ることが可能である。
【０００５】
図１はコア付ＰＭ同期型リニアモータの構成図であって、複数のコア付電磁石を並べて構成されるステータ１１と１２の間に、スライダ１３が配置される。
【０００６】
ステータ１１及び１２は、電磁石１１１、１１２、１１３、１１４・・・及び１２１、１２２、１２３、１２４・・・で構成される。
【０００７】
一対の電磁石１１１及び１２１、１１２及び１２２、１１３及び１２３、１１４及び１２４・・・は、それぞれ一直線上に配置される。
【０００８】
このステータをＡ相及びＢ相からなる２相電源で励磁する場合には、電磁石１１１及び１２１をＡ相で、電磁石１１３及び１２３を反転Ａ相で励磁する。さらに、電磁石１１２及び１２２をＢ相で、電磁石１１４及び１２４を反転Ｂ相で励磁する。
【０００９】
スライダは永久磁石１３１、１３２・・・が間隔Ｌ_ＰＭごとにスペーサ１３０を介して構成される。なお、永久磁石１３１、１３２・・・は隣接する永久磁石では互いにＮ極とＳ極が反対向きになるように配置する。
【００１０】
上記コア付ＰＭ同期型リニアモータにおいて、スライダの永久磁石の配置間隔Ｌ_ＰＭをステータ１１及び１２の電磁石の配置間隔Ｌ_ＥＭの２倍としたときに、特にスライダ単位質量当たりの推力が大きくなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記コア付ＰＭ同期型リニアモータを矩形波状電流Ａ相とＡ相から９０度遅れ位相を有する矩形波状電流Ｂ相からなる二相矩形状電流で駆動した場合には、スライダ位置により推力が大きく変動するという課題が生じる。
【００１２】
図２は従来のコア付ＰＭ同期型リニアモータのスライダの単位質量当たりの推力変動を示すグラフであって、横軸にスライダ位置を、縦軸にスライダの単位質量当たりの推力をとる。
【００１３】
この結果によれば、スライダの単位質量当りの推力の最大値は１２００Ｎ／ｋｇ、最小値は４００Ｎ／ｋｇであり、推力は平均値８００Ｎ／ｋｇを中心として±５０％の幅で変動する。
【００１４】
推力の変動を抑制する方法としてはスライダの永久磁石をスライダの移動方向に対して斜めに設置する、いわゆるスキューを設けることが知られている。
【００１５】
図３はスキューの説明図であって、スライダ１３を平行四辺形とし上辺と下辺のズレβをスキューと呼ぶ。
【００１６】
図４はスキューとスライダ単位質量当りの推力の関係を示すグラフであって、横軸にスライダ位置を、縦軸にスライダ単位質量当りの推力をとる。
【００１７】
このグラフから理解できるように、スキューを大きくするに従ってスライダ単位質量当りの推力の変動幅は少なくなるものの、平均値も低下してしまう。
【００１８】
なお、スライダに搭載される永久磁石の幅（スライダの移動方向の長さ）を増加しても推力の変動は低減するが、永久磁石の幅の増加に対してスライダの単位質量当りの推力は飽和するため永久磁石の幅を大きくすることには限界がある。
【００１９】
また、スライダに搭載される永久磁石の厚さ（スライダの移動方向と直角方向の長さ）は推力の変動に大きい影響を与えない。
【００２０】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、スライダ単位質量当りの平均推力の低下を抑制しつつ変動幅を小さくできる高加速リニアモータを提供することを目的とする。
【００２１】
このために、リニアモータの推力変動はステータの電磁石とスライダの永久磁石の相対位置に依存することに着目して、スライダに設置される複数の永久磁石をそれぞれがステータの電磁石と異なる相対位置となるように配置する。
【００２２】
ただし、スライダの永久磁石の全てをステータの電磁石と異なる相対位置に配置すると、スライダの位置に係らず所定方向の移動を可能とするためには駆動電源の相数を増やさざるを得ないが、本発明では電源相数を抑制することも目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るリニアモータは、基準矩形波電流及び基準矩形波に対して１８０／ｎ度の位相差を有する（ｎ−１）個の矩形波電流を発生するｎ個の電源と、ｎ個の電源の発生するｎ個の矩形波電流によって励磁されるｎ個の電磁石を予め定められた配置間隔（Ｌ_ＥＭ）ごとに縦列配置した電磁石群を配置間隔（Ｌ_ＥＭ）ごとに複数群縦列配置して構成されるステータと、ステータに並列に複数個の永久磁石を［数６］に基づいて定められる配置間隔（Ｌ_ＰＭ）ごとに配列したスライダを具備する。
【００２４】
【数６】

【００２５】
【発明の実施の形態】
図５は本発明に係るコア付ＰＭ同期型リニアモータの構成図であって、複数のコア付電磁石を並べて構成されるステータ５１と５２の間に、スライダ５３が配置される。
【００２６】
ステータ５１及び５２は、電磁石５１１、５１２、５１３、５１４・・・及び５２１、５２２、５２３、５２４・・・で構成される。
【００２７】
一対の電磁石５１１及び５２１、５１２及び５２２、５１１３及び５２３、５１４及び５２４・・・はそれぞれ一直線上に配置される。
【００２８】
なお上記実施形態においては磁路を閉磁路とするためにステータを一対の電磁石列５１及び５２で構成しているが、閉磁路としない場合にはステータを一つの電磁石列（５１又は５２）で構成してもよいし、スライダに磁性体を付加してスライダと一つのステータで閉磁路を構成してもよい。
【００２９】
スライダは永久磁石５３１、５３２・・・が間隔Ｌ_ＰＭごとにスペーサ５３０を介して構成される。なお、永久磁石５３１、５３２・・・は隣接する永久磁石では互いにＮ極とＳ極が反対向きになるように配置する。
【００３０】
ステータ５１及び５２の電磁石配置間隔Ｌ_ＥＭの２倍をＬ_ＰＭ０とすると、［数７］が成立する。
【００３１】
【数７】

【００３２】
そして、本発明においては、スライダの永久磁石を［数８］から決定される配置間隔Ｌ_ＰＭごとに配置する。
【００３３】
【数８】

【００３４】
このときｎは電源の相数を、ｍは推力の変動の一周期を構成する永久磁石の数を表す。
【００３５】
図６は電源の相数の説明図であって、２相の場合は、Ａ相及びＡ相に対して９０度の位相が遅れたＢ相からなる。３相の場合は、Ａ相、Ａ相に対して６０度の位相が遅れたＢ相、及びＡ相に対して１２０度の位相が遅れたＣ相からなる。さらに、４相の場合は、Ａ相、Ａ相に対して４５度の位相が遅れたＢ相、Ａ相に対して９０度の位相が遅れたＣ相、及びＡ相に対して１３５度の位相が遅れたＤ相からなる。
【００３６】
即ち、ｎ相の電源は、基準のＡ相と、Ａ相に対して１８０／ｎ度の位相遅れを有する（ｎ−１）個の相とで構成される。
【００３７】
そして、上記ｎ相の電源によって励磁される電磁石は、ｍが奇数の場合はＡ相、Ｂ相、Ｃ相・・・（ｎ−１）相、反転Ａ相、反転Ｂ相、反転Ｃ相・・・反転（ｎ−１）相、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相・・・（ｎ−１）相・・・によって励磁される。
【００３８】
ｍが偶数の場合はＡ相、Ｂ相、Ｃ相・・・（ｎ−１）相、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相・・・（ｎ−１）相・・・によって励磁される。
【００３９】
図７はｍ及びｎの値を決定する手順を示すフローチャートであって、まずｍ、ｎが満足すべき条件を決定する（ステップ７０）。
【００４０】
次に永久磁石の間隔Ｌ_ＰＭを基準のＬ_ＰＭ０としたときの推力を算出する（ステップ７１）。
【００４１】
そして、まず電源相数ｎと一周期を構成する永久磁石の数ｍを初期値に設定し（ステップ７２、７３、７４）、永久磁石の間隔Ｌ_ＰＭを（ｎ／ｍ）Ｌ_ＥＭにより算出する（ステップ７５）。
【００４２】
次にこのときの推力を算出し（ステップ７６）、推力と推力の変動幅をステップ７２の結果又は数値解析結果などで評価する（ステップ７７）。十分な特性が得られていない場合は以上の手順を繰り返して適当なｍ及びｎを決定する。
【００４３】
［数７］及び［数８］から永久磁石の基準間隔Ｌ_ＰＭ０を消去して、ΔＬ_ＰＭについて解くと［数９］が成立する。
【００４４】
【数９】

【００４５】
以下に、特定のｍ及びｎの関係を考察する。
ケース１：ｎ＝ｍ＋１の場合は、ΔＬ_ＰＭは［数１０］で表される。
【００４６】
【数１０】

【００４７】
ｍを２、３、４・・・・とすると、ｎ＝３、４、５・・・となり、ｍを“１”増加したときの相数ｎの増加割合は“１”に抑制される。
【００４８】
この場合は相数ｎを一定としたとき、スライダの単位長当たりに配置する永久磁石の個数を増やして推力を増加すること、あるいは永久磁石の配置を密にしてスライダの長さを短縮することが可能となる。
【００４９】
ただし、高加速でスライダを作動させるためには、電源が発生する矩形波の立ち上がり、立ち下がりを急峻にすることが必要となる。
【００５０】
図８はｍ＝２、ｎ＝３の場合の構成図であって、スライダ１３の永久磁石の配置間隔Ｌ_ＰＭはステータ１１及び１２の電磁石の配置間隔Ｌ_ＥＭの１．５倍となる。
【００５１】
そして、電磁石は３相の矩形波で励磁され、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ａ相・・・で励磁される。
【００５２】
図９はｍ＝３、ｎ＝４の場合の構成図であって、スライダ１３の永久磁石の配置間隔Ｌ_ＰＭはステータ１１及び１２の電磁石の配置間隔Ｌ_ＥＭの４／３倍となる。
【００５３】
そして、電磁石は４相の矩形波で励磁され、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、反転Ａ相（上線付Ａで表示）、反転Ｂ相、反転Ｃ相、反転Ｄ相、Ａ相・・・で励磁される。
ケース２：ｎ＝２ｍ−１とした場合は［数１１］が成立する。
【００５４】
【数１１】

【００５５】
ｍを２、３、４・・・・とすると、ｎ＝３、５、７・・・となり、ｍを“１”増加したときの相数ｎの増加割合は“２”となる。
【００５６】
この場合はケース１に比較してスライダ単位質量当たりの推力増大あるいはスライダの小型化には限界があるものの、電源が発生する矩形波の立ち上がり、立ち下がりは緩やかであってもその影響は少ない。
ケース３：ｎ＝２ｍ＋１とした場合は［数１２］が成立する。
【００５７】
【数１２】

【００５８】
ｍを１、２、３、４・・・・とすると、ｎ＝３、５、７、９・・・となり、ｍを“１”増加したときの相数ｎの増加割合は“２”となる。
【００５９】
この場合はケース１に比較してスライダ単位質量当たりの推力増大あるいはスライダの小型化には適さないものの、電源が発生する矩形波の立ち上がり、立ち下がりは緩やかであってもその影響はケース２の場合より少ない。
ケース４：ｎ＝３ｍ−１とした場合は［数１３］が成立する。
【００６０】
【数１３】

【００６１】
ｍを２、３、４・・・・とすると、ｎ＝５、８、１１・・・となり、ｍを“１”増加したときの相数ｎの増加割合は“３”となる。
【００６２】
この場合はケース１に比較してスライダ単位質量当たりの推力増大あるいはスライダの小型化には適さないものの、電源が発生する矩形波の立ち上がり、立ち下がりは緩やかであってもその影響はケース３よりさらに少なくなる。
【００６３】
図１０は本発明の効果を示すグラフであって、ケース１の場合を示している。なお、ｍ＝１（従ってｎ＝２）の場合は、図２に示すものと同一である。
【００６４】
このグラフから、スライダ単位質量当りの推力の平均値は約８００Ｎ／ｋｇに維持されており、ｍの増加に伴って推力のむらは少なくなりｍ＝４（従ってｎ＝５）の場合はｍ＝１の場合に比較して推力むらは約１／１０まで減少することが判る。
【００６５】
【表１】

【００６６】
［表１］は本発明の効果を確認するためにケース１について推力むらを解析した結果であって、ｍ＝２〜５の範囲で変更するだけでなく、永久磁石の幅（ＰＭ幅）も９〜１２ｍｍの範囲で変更した結果を示す。
【００６７】
なお、推力むらは永久磁石幅９ｍｍ、ｍ＝１かつｎ＝２の場合の推力むらで正規化した値で示す。また、解析方法Ｉは磁場解析の結果であり、解析方法ＩＩは基準値からのずれの解析結果である。
【００６８】
この表からｍが増加するに従って推力むらは減少するだけでなく、既に説明したように永久磁石の幅を増加した場合にも推力むらを低減できることが判る。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係るリニアモータにあっては、スライダの永久磁石の配置間隔をステータの電磁石の配置間隔のｎ／ｍ倍（１≦ｍ＜ｎ、ただし３≦ｎ）とすることにより、電源の相数をあまり増加させることなく、平均推力の低下を抑制しつつ推力変動を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コア付ＰＭ同期型リニアモータの構成図である。
【図２】従来のコア付ＰＭ同期型リニアモータの推力変動値である。
【図３】スキューの説明図である。
【図４】スキューと推力の関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係るコア付ＰＭ同期型リニアモータの構成図である。
【図６】電源の相数の説明図である。
【図７】ｍ及びｎの値を決定する手順を示すフローチャートである。
【図８】ｍ＝２、ｎ＝３の場合の構成図である。
【図９】ｍ＝３、ｎ＝４の場合の構成図である。
【図１０】本発明の効果を示すグラフである。
【符号の説明】
５１、５２…ステータ
５１１、５１２、５１３，５１４…電磁石
５２１、５２２、５２３、５２４…電磁石
５３…スライダ
５３１、５３２、５３３…永久磁石

Claims

基準矩形波電流、及び前記基準矩形波に対して１８０／ｎ度の位相差を有する（ｎ−１）個の矩形波電流を発生するｎ個の電源と、
前記ｎ個の電源の発生するｎ個の矩形波電流によって励磁されるｎ個の電磁石を予め定められた配置間隔（Ｌ_ＥＭ）ごとに縦列配置した電磁石群を前記配置間隔（Ｌ_ＥＭ）ごとに複数群縦列配置して構成されるステータと、
複数個の永久磁石を［数１］に基づいて定められる配置間隔（Ｌ_ＰＭ）ごとに前記ステータと並列に配列したスライダを具備するリニアモータ。
スライダに配置される永久磁石の配置間隔が［数２］によって定められる請求項１に記載のリニアモータ。
スライダに配置される永久磁石の配置間隔が［数３］によって定められる請求項１に記載のリニアモータ。
スライダに配置される永久磁石の配置間隔が［数４］によって定められる請求項１に記載のリニアモータ。
スライダに配置される永久磁石の配置間隔が［数５］によって定められる請求項１に記載のリニアモータ。