JP2005184984A - ムービングマグネット形リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 高頻度加減速動作をさせてもリニアガイドへの影響をなくし、長い寿命が得られるムービングマグネット形リニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】 固定子ベース３１と、磁性鉄心３３および電機子部３２とを有する固定子部３０と、磁性鉄心３３と磁気的第１空隙ｇａを介して対向配置される界磁永久磁石２１と、界磁永久磁石２１を支持し固定子ベース３１上に移動可動に配置された非磁性体の磁石ホルダ２２とを有する可動子部２０と、から成り、界磁永久磁石２１の反電機子側に磁性バックヨーク３９を界磁永久磁石２１から磁気的第２空隙ｇｂを介して配設したムービングマグネット形リニアアクチュエータ１０において、磁気的第１空隙ｇａよりも磁気的第２空隙ｇｂを長くした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、界磁磁石が可動側となるムービングマグネット（Ｍｏｖｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔ）形リニアアクチュエータに関し、特に可動子の重量を軽量化するための磁気回路構造に関する。

従来よりムービングコイル形のリニアアクチュエータにおいて、界磁用永久磁石と磁気的空隙を介して電機子が対向する構成のものは公知である。しかしながら、可動する電機子に確実にかつ安全に給電することは容易ではなく、そこでこの点を解決するものとして、ムービングコイル形ではなくて、ムービングマグネット形のリニアアクチュエータが開発された（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３５２７４４号（図３）

図５は、特許文献１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータと同じ原理図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）は側断面図である。
図において、６０はムービングマグネット形リニアアクチュエータで、大きく分けて、２０の可動子部と、３０の固定子部と、４０のリニアガイド部と、５０の位置検出部とから成る。
可動子部２０は主として界磁永久磁石２１と界磁永久磁石２１を保持する磁性ヨーク２３から構成され、固定子部３０は主として固定子ベース３１と固定子ベース３１の上に固定される電機子部３２とから成る。電機子部３２は磁性鉄心３３と磁性鉄心３３に巻回配置される電機子巻線３４と電機子巻線３４を囲む絶縁層３５と電機子巻線３４に給電する給電線３６とから成る。
リニアガイド部４０（図ｂ）は主としてリニアガイドレール４１とリニアガイドレール４１の上を走行するリニアガイドブロック４２とリニアガイドブロック４２の走行をリニアアクチュエータ６０の走行方向の両端で強制的に止めるストッパ機構４３（図ａ）とから成る。
位置検出部５０は主として固定子ベース３１の上に固定される検出部支持体５１と検出部支持体５１に固定されるリニアスケール検出部５２とリニアスケール検出部５２から近接距離で可動子側に固定されるリニアスケール５３と信号線５４とから成る。
このように、界磁永久磁石２１の背面には磁性ヨーク２３が設けられ、この両方で磁気回路兼可動子を構成していた。
また、電機子部３２は磁性鉄心を有しており、等ピッチで施されたスロット部には電機子巻線３４が巻装されており、このリニアアクチュエータ６０は、この電機子巻線３４に通電することで、電機子長と前記界磁可動子長の差であるストローク内を移動するものであった。

ところが先行技術では、可動子２０側に比重の大きい界磁磁性体ヨーク２３が必要なため、可動子２０の加速性能を上げられないという問題があった。
そこで、可動子の加速性能を十分に上げることができるようにするためには、次のようにして界磁磁性体ヨーク可動子からを切り離せばよいと考えた。
すなわち、このムービングマグネット形リニアアクチュエータは、固定子ベースと固定子部と可動子部とから成り、固定子部は固定子ベースに固定される磁性鉄心およびこの磁性鉄心の周囲に巻回される電機子巻線とから成り、可動子部は磁性鉄心に磁気的空隙を介して対向配置される界磁永久磁石とこの界磁永久磁石を支持し固定子ベース上に移動可動に配置された磁石ホルダとを有しているものである。このようなものにおいて、磁石ホルダを非磁性体で構成し、界磁永久磁石の反電機子側に磁性バックヨークを配設し、かつ磁性バックヨークと界磁永久磁石との間に空隙を形成するようにした。

以上のような構成にしたところ、磁石ホルダを非磁性体で構成したので、可動部の重量を軽量化することができ、界磁永久磁石の反電機子側に磁性バックヨークを配設したので、可動部の軽量化のために磁石ホルダを非磁性体で構成した分を磁性バックヨークで補い、高推力、高加減速を実現することが可能となり、最大推力、最大加減速を実現することができた。
ところがこのようなリニアモータにおいては、可動体側と固定子側に大きな磁気吸引力が働くため、高頻度加減速動作をさせた場合、リニアガイドの寿命に影響を及ぼすことが新たに判明した。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、可動体側と固定子側に働く磁気吸引力を相殺する構成にすることにより、高頻度加減速動作をさせてもリニアガイドへの影響をなくし、長い寿命が得られるムービングマグネット形リニアアクチュエータを提供することを目的としている。

そこで本発明は、上記課題を解決するために成されたもので、請求項１記載の発明は、ムービングマグネット形リニアアクチュエータに係り、固定子ベースと、該固定子ベースに固定される磁性鉄心および該磁性鉄心の周囲に巻回される電機子巻線とから成る該電機子部と、を有する固定子部と、前記磁性鉄心と磁気的第１空隙を介して対向配置される界磁永久磁石と、該界磁永久磁石を支持し前記固定子ベース上に移動可動に配置された磁石ホルダと、を有する可動子部と、から成り、さらに、前記磁石ホルダを非磁性体で構成し、前記界磁永久磁石の反電機子側に磁性バックヨークを配設し、かつ前記磁性バックヨークの幅は略前記界磁永久磁石の幅であり、その長さ方向は略前記可動部のストローク以上で、かつその長さ方向両端が前記固定部に固定され、該磁性バックヨークと前記界磁永久磁石との間に磁気的第２空隙を形成したムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記磁気的第１空隙よりも前記磁気的第２空隙を長くして、前記可動子部にかかる磁気吸引力を相殺させたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記電機子部のスロットがオープンスロットの場合、前記第１空隙／前記第２空隙＝０．４５／０．５５〜０．３５／０．６５としたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記電機子部のスロットがセミオープンスロットの場合、前記第１空隙／前記第２空隙＝０．４９／０．５１〜０．４８／０．５２としたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記磁石ホルダにはリニアスケールのスケール部が固定され、前記固定子ベースには前記スケール部と第３の空隙を介して前記リニアスケールの検出側が固定されたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記電機子部の長さ方向には、前記電機子部の両側面を挟むようにリニアガイドレールが２本平行配置固定され、該各リニアガイドレールの上にガイドブロックがそれぞれ配備され、前記磁石ホルダが該ガイドブロックに固定されていることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記ガイドブロック間の幅方向スペースに対応する幅の穴が前記非磁性ホルダに加工され、該穴に前記界磁磁石が固定されたことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記平行する２本のリニアガイドレールの四端にストッパ機構を設けたことを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記固定子ベースに液冷用冷媒導管を埋設させたことを特徴とする。
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、前記磁性バックヨークとして、薄板電磁鋼板の積層体を用いたことを特徴とする。

以上の構成によって、可動側の部材を非磁性材にし、これに界磁永久磁石を埋設させることで、バックヨークから分離し、且つ電機子とバックヨークとの距離を調整することで可動子にかかる吸引力を相殺することができ、ガイドにかかる負荷を軽減し、高推力、高加減速・高速運転時にもガイド寿命を延ばすことができた。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に説明する。
図１はかかるムービングマグネット形リニアアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側断面図、図２は図１のリニアアクチュエータの要部斜視図である。
両図において、１０はムービングマグネット形リニアアクチュエータで、大きく分けて、２０の可動子部と、３０の固定子部と、４０のリニアガイド部と、５０の位置検出部とから成る。
可動子部２０は、主として界磁永久磁石２１と界磁永久磁石２１を保持する非磁性磁石ホルダ２２から構成される。
固定子部３０は、主として固定子ベース３１と固定子ベース３１の上に固定される電機子部３２と磁性バックヨーク３９とから成り、また、電機子部３２は磁性鉄心３３と磁性鉄心３３に巻回配置される電機子巻線３４と電機子巻線３４を囲む絶縁層３５と電機子巻線３４に給電する給電線３６とから成る。
このように、本発明では、電機子部３２に生じる起磁力の磁極数に対し、前記界磁磁極数の数が少ないため、その差分がリニアアクチュエータのストロークとなる可動側となるムービングマグネット形リニアモータとなっている。

次に、各部の構成について説明する。
まず、可動子部２０の構成について述べると、界磁永久磁石２１は、固定子３０側の磁性鉄心３３と磁気的空隙を介して対向配置されるもので、大きさは幅が磁性鉄心３３の幅、走行方向の長さは可動子２０の長さに亘って、界磁永久磁石２１を板状をした非磁性体の磁石ホルダ２２にＮ極、Ｓ極・・・・・・と交互に埋設されている。非磁性体としては軽いアルミニゥムが良く、これで界磁永久磁石２１を磁性鉄心３３に空隙を設けた状態で保持している。磁石ホルダ２２は、平行な２本のリニアガイドレール４１の走行方向の前後に設けられているリニアガイドブロック４２の上に固定されている。磁石ホルダ２２が界磁永久磁石２１を支持する部位は可能な限り肉薄として、可動子部２０の背面側に磁性バックヨーク３９を配置固定することで、磁気吸引力を相殺させ、かつギャップ磁束密度を大きく設計することが可能となるので、高推力、高加減速を実現することが可能となる。
このように、界磁永久磁石２１を有する可動子２０側には、リニアガイドレール４１と対なるガイドブロック４２が左右に固定され、このガイドブロック４２の間のスペースには、非磁性体ホルダ２２に界磁磁石形状と同寸法の穴加工、もしくは抜き穴加工が施され、界磁永久磁石２１が固定された構造となっている。
さらに可動子２０側には、固定子ベース３１に固定されたリニアスケール５３の検出側５２と空隙（エアギャップ）を介してリニアスケール５０のスケール部５３が固定されている。

次に、固定子部３０の構成について説明する。
固定子ベース３０には、走行方向の中心位置に沿って断面矩形状の複数の磁性鉄心３３がＳＮ極性を互い違いに交互に替えながら延設されている。磁性鉄心３３の周囲にそれぞれ電機子巻線３４が巻回され、その周囲を絶縁層３５で覆っている。電機子巻線３４への給電は、可動子部２０の最大ストローク長移動できる可撓導電線３６により行われる。
また、界磁永久磁石２１の反電機子側に界磁永久磁石２１と空隙を介して磁性バックヨーク３９を設けている。磁性バックヨーク３９は、電機子部３２および界磁永久磁石２１を覆うように、電機子部３２の走行方向に延び、走行方向の前後スペースで固定子ベース３１上に設けた支持体３１ｃに固定されている。磁性バックヨーク３９の幅方向は略前記界磁永久磁石２１の幅であり、その長さ方向は略可動部２０のストローク以上となっている。
さらに、固定子ベース３１の中には強制液冷冷媒用導管３１ａ、ｂが形成されており、この強制液冷冷媒用導管３１ａ、ｂの形成方法としては、断面半円形状の長溝を掘った板２枚を互いに半円形状同士を突き合わせて断面円形となるように張り合わせればよい。このように、固定子ベース３１に強制液冷用冷媒導管３１ａを埋設させた構造にしてリニアアクチュエータ１０の実効推力性能の向上、温度上昇防止をしている。

リニアガイド部４０は、主としてリニアガイドレール４１とリニアガイドレール４１の上を走行するリニアガイドブロック４２とリニアガイドブロック４２の走行をリニアアクチュエータ１０の走行方向の両端で強制的に止めるストッパ機構４３とから成る。
このように、平行する２本のリニアガイドレール４１の前後左右の４端にショックアブソーバ４３ａ〜４３ｄを備えたストッパ機構４３を設けてオーバーラン防止機構としている。

位置検出部５０は、主として固定子ベース３１の上に固定される検出部支持体５１と検出部支持体５１に固定されるリニアスケール検出部５２とリニアスケール検出部５２から近接距離で可動子側に固定されるリニアスケール５３とから成る。

以上述べたように、ムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、磁石ホルダを非磁性体で構成したので、可動部の重量を軽量化することができる。
また、界磁永久磁石の反電機子側に磁性バックヨークを配設したので、可動部の軽量化のために磁石ホルダを非磁性体で構成した分を磁性バックヨークで補い、高推力、高加減速を実現することが可能となる。
さらに、磁性バックヨークの幅方向は略前記界磁永久磁石の幅であり、その長さ方向は略前記可動部のストローク以上で、かつその長さ方向両端が前記固定部に固定され、該磁性バックヨークと前記界磁永久磁石との間に空隙を形成したので、可能な限りの最大推力、最大加減速を実現することが可能となる。
そして、磁石ホルダにはリニアスケールのスケール部が固定され、前記固定子ベース３１には前記スケール部と空隙を介して前記リニアスケールの検出側を固定し、磁石ホルダが非磁性体でできているので、位置検出部は磁力線の影響を受けにくくなる。

ところがこのようなリニアモータにおいては、前述のごとく、可動体側と固定子側に大きな磁気吸引力が働くため、高頻度加減速動作をさせた場合、リニアガイド寿命に問題を及ぼすことが判明した。
そこで、２つの磁気的空隙の関係について調べた。
吸引力を相殺するバックヨークと界磁永久磁石との間の磁気的空隙（磁気的第２空隙）については、電機子部がコアを有するため、以下の式（１）および（２）にて算出した。
図３は本発明に係るムービングマグネット形リニアアクチュエータの正断面拡大図（ストローク方向）で、図において、２１は界磁永久磁石、２２は非磁性磁石ホルダ、３３は磁性鉄心、３４は電機子巻線、３９は磁性バックヨークである。
また、後述の算出式に用いられるｇａは電機子巻線と界磁永久磁石との間の磁気的空隙（磁気的第１空隙）、ｓはスロットの開口幅である。
ティースを持つ電機子巻線と界磁永久磁石間の磁束密度を算出する時には、カータ係数（Ｋｃ）を考慮し、磁束密度の弱まり分（界磁永久磁石がスロットに対向しているために、磁性バックヨークに対向している永久磁石よりも磁気ギャップに発生する磁束密度が弱まっているため磁気的第２空隙に対する磁気的第１空隙の等価磁気ギャップ長）を下記の式にて算出し、＜界磁永久磁石−電機子部＞間、＜界磁永久磁石−磁性バックヨーク＞間の磁束密度を等価にする。
Ｋｃ＝スロットピッチ／（スロットピッチ−β・ｇａ）・・・（１）
β＝（ｓ／ｇａ）²／｛５＋（ｓ／ｇａ）｝
磁気的第２空隙（ｇｂ）＝磁気的第１空隙（ｇａ）×Ｋｃ ・・・（２）
ここで、Ｋｃ：カータ係数，ｇａ：磁気的空隙長，ｓ：スロット開口幅

図４は図３のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおける磁気的空隙の変動時の吸引力の変化を示す線図で、（ａ）は２つの磁気的空隙が等しい位置（すなわち中心位置）からのズレに対する電機子巻線側と磁性バックヨーク側における吸引力の変化を示す線図、（ｂ）は２つの磁気的空隙、ｇａ、ｇｂを定義する図である。ｇａは界磁永久磁石２１と電機子巻線３４との間の空隙の長さ（磁気的第１空隙）、ｇｂは界磁永久磁石２１と磁性バックヨーク３９との間の空隙の長さ（磁気的第２空隙）、を示している。
図において、スロットピッチは１０ｍｍ、ポールピッチは１５ｍｍ、ポール数は４、ｇａ＋ｇｂ＝１ｍｍ、スロット開口幅は４．３ｍｍ、コア積みは４０ｍｍで計算している。
吸引力（Ｎ）は、例えば磁界解析シミュレーションによる数値計算を行なって求めた。

図４（ａ）において、界磁永久磁石２１が電機子巻線１２と磁性バックヨーク１０との間の中間（ｇａ＝ｇｂ）にあるとき吸引力はバックヨーク側における吸引力が最大（６８０Ｎ）で、電機子側の吸引力が最小（６１０Ｎ）となっている。
また、中心位置からのズレが０．１０（ｍｍ）で、バックヨーク側における吸引力は６４０Ｎで、電機子側の吸引力は６５５Ｎとなり、両者の吸引力は逆転する。そこで、両者の吸引力が等しくなるところを求めると、中心位置からのズレが０．０８５（ｍｍ）で、両者の吸引力が６４６Ｎと等しくなる。
本発明によれば、この両者の吸引力が等しくなる中心位置からのズレの位置に
界磁永久磁石２１を配置すれば、可動体側と固定子側に吸引力が働かないようになるので、高頻度加減速動作をさせてもリニアガイドへの影響をなくすることができ、長い寿命を得ることができる。

また、電機子部のスロットが典型的なオープンスロットの場合、第１空隙／第２空隙＝０．４５／０．５５〜０．３５／０．６５とするのがよいが、構造的に現在のリニアモータから大幅に外れるものについてはこの寸法外になる可能性がある。

また、電機子部のスロットがセミオープンスロットの場合であって、オープニング幅が小さいセミオープンスロットであれば、第１空隙／第２空隙＝０．４９／０．５１〜０．４８／０．５２とするのがよい。

以上のように、本発明によれば、可動体側と固定子側に吸引力が働かないようになるので、高頻度加減速動作をさせてもリニアガイドへの影響をなくすることができ、長い寿命を得ることができる。

本発明に係るムービングマグネット形リニアアクチュエータであって、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側断面図である。 図１のリニアアクチュエータの要部斜視図である。 本発明に係るムービングマグネット形リニアアクチュエータの正断面拡大図（ストローク方向）である。 図３のムービングマグネット形リニアアクチュエータにおける磁気的空隙の変動時の吸引力の変化を示す線図で、（ａ）は中心位置からのズレに対する電機子巻線側と磁性バックヨーク側における吸引力の変化を示す線図、（ｂ）は２つの磁気的空隙を定義する図である。 従来公知のムービングマグネット形リニアアクチュエータの原理図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）は側断面図である。

符号の説明

１０ リニアアクチュエータ
２０ 可動子部
２１ 界磁永久磁石
２２ 非磁性磁石ホルダ
３０ 固定子部
３１ 固定子ベース
３１ａ、ｂ 強制液冷冷媒用導管
３１ｃ 支持体
３２ 電機子部
３３ 磁性鉄心
３４ 電機子巻線
３５ 絶縁層
３６ 給電線
３９ 磁性バックヨーク
４０ リニアガイド部
４１ リニアガイドレール
４２ リニアガイドブロック
４３ ストッパ機構
４３ａ〜４３ｄ ショックアブソーバ
５０ 位置検出部
５１ 検出部支持体
５２ リニアスケール検出部
５３ リニアスケール
５３ 信号線
ｇａ 界磁永久磁石と電機子巻線との間の空隙の長さ
ｇｂ 界磁永久磁石と磁性バックヨークとの間の空隙の長さ
ｓ スロットの開口幅

Claims (9)

1. 固定子ベースと、該固定子ベースに固定される磁性鉄心および該磁性鉄心の周囲に巻回される電機子巻線とから成る該電機子部と、を有する固定子部と、前記磁性鉄心と磁気的第１空隙を介して対向配置される界磁永久磁石と、該界磁永久磁石を支持し前記固定子ベース上に移動可動に配置された磁石ホルダと、を有する可動子部と、から成るムービングマグネット形リニアアクチュエータであって、前記磁石ホルダを非磁性体で構成し、前記界磁永久磁石の反電機子側に磁性バックヨークを配設し、かつ前記磁性バックヨークの幅は略前記界磁永久磁石の幅であり、その長さ方向は略前記可動部のストローク以上で、かつその長さ方向両端が前記固定部に固定され、該磁性バックヨークと前記界磁永久磁石との間に磁気的第２空隙を形成したムービングマグネット形リニアアクチュエータにおいて、
   前記磁気的第１空隙よりも前記磁気的第２空隙を長くして、前記可動子部にかかる磁気吸引力を相殺させたことを特徴とするムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
2. 前記電機子部のスロットがオープンスロットの場合、
   前記第１空隙／前記第２空隙＝０．４５／０．５５〜０．３５／０．６５
   としたことを特徴とする請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
3. 前記電機子部のスロットがセミオープンスロットの場合、
   前記第１空隙／前記第２空隙＝０．４９／０．５１〜０．４８／０．５２
   としたことを特徴とする請求項１記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
4. 前記磁石ホルダにはリニアスケールのスケール部が固定され、前記固定子ベースには前記スケール部と第３の空隙を介して前記リニアスケールの検出側が固定されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
5. 前記電機子部の長さ方向には、前記電機子部の両側面を挟むようにリニアガイドレールが２本平行配置固定され、該各リニアガイドレールの上にガイドブロックがそれぞれ配備され、前記磁石ホルダが該ガイドブロックに固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
6. 前記ガイドブロック間の幅方向スペースに対応する幅の穴が前記非磁性ホルダに加工され、該穴に前記界磁磁石が固定されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
7. 前記平行する２本のリニアガイドレールの四端にストッパ機構を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
8. 前記固定子ベースに液冷用冷媒導管を埋設させたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。
9. 前記磁性バックヨークとして、薄板電磁鋼板の積層体を用いたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のムービングマグネット形リニアアクチュエータ。

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