JP2005204449A - コア付きリニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 マグネット部と電機子との相互作用を大きくできる構造を構築し、その構造上から大きな推進力が得られるコア付きリニアモータを実現する。
【解決手段】 本コア付きリニアモータでは、マグネット部１は、永久磁石１０が外周面を構成するシャフト状に形成し、電機子２は、並設されたコア付きコイル２０をシャフト状のマグネット部１の周囲に複数列に配置する構成とした。これにより、マグネット部１の全周囲にマグネット部１の磁界と電機子２の磁界とが形成され、マグネット部１と電機子２との相互作用（電磁作用）を大きくすることができる。従って、従来の平型リニアモータよりも大きな推進力が発生される。
また、マグネット部１と電機子２との間にインナーコア４を設けることにより、電機子２により形成される磁界をマグネット部１外表面に集中させて効率的にマグネット部１の磁界に作用させることができ、より大きな推進力が発生される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コア付きのコイルからなる電機子を用いたコア付きリニアモータに関し、特にその構造上から推進力を増大させる技術に関する。

従来より、リニアモータとしては、図９に示すようなシャフト型コアレスリニアモータが知られている。このシャフト型コアレスリニアモータは、Ｎ極とＳ極の磁極が交互に現われるように形成した磁石からなるシャフト８０１と、電機子として該シャフト８０１の外周囲に配設された筒状のコイル８０２とを備える。そして、上記コイル８０２への通電によりフレミングの左手の法則によりコイル８０２とシャフト８０１との間で推進力を発生させる。しかしながら、このシャフト型コアレスリニアモータにあっては、コイル８０２とシャフト８０１との間の電磁作用効率がよくなく、大きな推進力を確保するのは困難であった。

ところで、電機子にコア付きコイルを採用し、コアレス型のものよりも永久磁石により形成されるマグネット部との間の電磁作用効率を向上させた、いわゆるコア付きリニアモータが知られている（特許文献１）。このコア付きリニアモータは、例えば、図８に示すように、ヨーク７０２の長手方向に複数の永久磁石７０３を所定間隔空けて交互に磁極が異なるように配列したマグネット部７０１（固定子）が設けられ、また、コア７０５の複数の脚部７０５Ａにそれぞれコイル７０７を形成した電機子７０４（可動子）が上記マグネット部７０１における永久磁石７０３の列に対して間隙を設けて対向配置されたものである。そして、上記電機子７０４の各コイル７０７に順次通電すると、コア７０５に磁界が形成されてマグネット部７０１の永久磁石７０３の磁界との電磁作用により推進力が発生し、可動子となる電機子７０４が固定子となるマグネット部７０１の長手方向に移動される。
特開２００２−３４２３０号公報

しかしながら、上記コア付きリニアモータは、マグネット部７０１の一面に永久磁石７０３が配置され、この永久磁石７０３に対応して電機子７０４が一列にしか配置できない、いわゆる平型のリニアモータであるため、より大きな推進力を確保するのは困難であった。
また、この平型のコア付きリニアモータの推進力を大きくするため、電機子７０４のコイル７０７の巻き数を多くしたりコイル７０７に流す電流値を大きくすることなども考えられるが、コイル７０７を巻回するコア７０５（あるいはコア７０５の脚部７０５Ａ）の大きさやコイル７０７自体の電流許容値等の関係上限界があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、マグネット部と電機子との相互作用を大きくできる構造を構築し、その構造上から大きな推進力が得られるコア付きリニアモータを実現することを課題とする。

（１）請求項１に係る発明のコア付きリニアモータは、
Ｎ極とＳ極の磁極が交互に現われるように形成した永久磁石からなるマグネット部と、該マグネット部の長手方向に沿って並設された複数のコア付きコイルからなる電機子とを備え、上記電機子のコイルに通電することにより該電機子と上記マグネット部とを相対移動させるコア付きリニアモータにおいて、
上記マグネット部は、永久磁石が外周面を構成するシャフト状に形成され、
上記電機子は、上記並設されたコア付きコイルを上記シャフト状のマグネット部の周囲に配置する構成としたことを特徴とするものである。
上記構成より、上記マグネット部は、永久磁石が外周面を構成するシャフト状に形成されるので、このマグネット部の全周囲に磁界が形成される。また、上記電機子は、コア付きコイルを上記マグネット部の周囲に配置する構成としたので、コイルへの通電によりその電機子により形成される磁界もマグネット部の周囲に広く形成される。従って、上記マグネット部と上記電機子との相互作用（電磁作用）を大きくすることができる。

なお、上記コア付きコイルとしては磁性材料からなるコアにコイルを巻回させたものとし、このコア付きコイルをマグネット部の長手方向に沿って複数並設させると共にマグネット部の周囲に複数例に配置させて上記電機子を構成してもよい（図１を参照）。
また、上記コア付きコイルとしてはマグネット部を貫通させた磁性材料からなる２つの板状コア間にマグネット部に外装可能な大きさのリング状コイルを配置して、これを上記電機子として構成してもよい（図５を参照）。

（２）請求項２に係る発明のコア付きリニアモータは、上記コア付きリニアモータ（請求項１）において、
上記電機子の内側には、磁性材料からなり、上記マグネット部に外装された筒状のインナーコアが設けられているものである。
これにより、上記電機子により形成される磁界がマグネット部に外装されたインナーコア内を通る磁気ループを形成するようになり、この電機子により形成される磁界をマグネット部外表面に集中させて効率的にマグネット部の磁界に作用させることができる。

（３）請求項３に係る発明のコア付きリニアモータは、上記コア付きリニアモータ（請求項１または２）において、
上記電機子の内側には、上記マグネット部と摺動可能に接触し、該電機子と該マグネット部との間隙を一定に保持させるスリーブが設けられているものである。
これにより、上記スリーブによって電機子とマグネット部との間隙を一定に保持させるので、電機子のコアあるいはインナーコアがマグネット部に接触して吸着されるのを防止することができ、マグネット部の全周囲においてマグネット部の磁力と電機子の電磁力とによる電磁作用のバランスを均一に保つことができる。従って、電機子とマグネット部とが相対移動しているときでも両者の相互作用（電磁作用）をムラ無く安定して効かせることができる。

以上のように、本発明によれば、マグネット部と電機子との相互作用（電磁作用）を大きくすることができるので、従来のリニアモータよりも大きな推進力を発生させることができる。また、上記インナーコアを設けることにより、より大きな推進力を発生させることができる。さらに、上記スリーブを設けることにより、電機子とマグネット部とが相対移動しているときでも大きな推進力を安定的に発生させることができる。

以下に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の実施の形態１によるコア付きリニアモータの構成を示す図であり、これら図１、図２に示すように、このコア付きリニアモータは、永久磁石１０を備えたマグネット部１と、コア付きコイル２０からなる電機子２とを備える。なお、このコア付きリニアモータは、上記マグネット部１が支持部材（図示せず）に固定された固定子となり、上記電機子２がレール等に取り付けたスライダ（図示せず）に連結された可動子となるものとする。

上記固定子となるマグネット部１は、Ｎ極とＳ極の磁極が交互に現われるように複数の永久磁石１０を互いに反対の磁極が対向するように直列に組み合わされたものである。このマグネット部１は、円柱状または円筒状の上記永久磁石１０が外周面を構成する円形のシャフト状に形成されており、マグネット部１の全周囲には磁界が形成される。上記永久磁石１０の材料としては、磁束密度の大きい希土類またはフェライト系の金属材料が好ましく用いられるが他の磁石材料を用いてもよく、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系、ＭｎＡｌ系などが挙げられる。

上記可動子となる電機子２は、矩形状のケース３の内側面に保持されて上記マグネット部１の長手方向に沿って並設された複数のコア付きコイル２０からなるものである。なお、ケース３には、上記スライダ（図示せず）が取り付けられ、また、ケース３の両側にはマグネット部１の貫通孔を設けた蓋体３１が取り付けられる。そして、上記電機子２は、マグネット部１のＮ極とＳ極の１つの磁極間に配置される大きさに形成された上記コア付きコイル２０をマグネット部１の長手方向に３つ並設すると共にこの並設した３つのコア付きコイル２０をマグネット部１の外周囲の四方にそれぞれ配置して構成される。この４列の各コア付きコイル２０は、隣りの列との間隔が等間隔となるように配置され、これにより、マグネット部１の外周囲に均一な磁界が形成される。

上記コア付きコイル２０は、Ｕ字形に形成された磁性体のコア２１と、このコア２１の二股の脚部２１１のそれぞれに導線を巻回させた２つのコイル２２とを有する。従って、この電機子２では、各列のコア付きコイル２０がマグネット部１の長手方向に３つずつ並設されているので、コイル２２は、各列にマグネット部１の長手方向に６つずつ配列される。これらコイル２２には、正弦波状の励磁電流を順次流し、コイル２２内にその軸線方向の磁束が形成されてＵ字形のコア２１に導かれた電磁界が形成され、可動子の推進力となる。このように、コイル２２に通電すると、コア付きコイル２０におけるＵ字形のコア２１には閉ループの磁界が形成される。なお、上記コイル２２には、アナログ式の正弦波状電流そのものを流すものでもよいが、デジタル式の正弦波状電流そのものを流すものでもよく、例えば、ＰＷＭやＰＡＭ等のパルス制御方式による制御装置を接続してコイル２２に正弦波状相当の励磁電流を順次流すようにしてもよい。なお、上記コア２１の材料としては、ケイ素鋼鈑、純鉄等の強磁性体が適しており、積層構造であれば、ケイ素鋼鈑が好適である。

また、上記コア付きコイル２０の内側には、マグネット部１と所定の間隙を空けてマグネット部１に外装された円筒状のインナーコア４が配設される。このインナーコア４は、ケイ素鋼鈑、純鉄等の強磁性体からなる磁性材料により形成される。従って、このインナーコア４により磁気が引き寄せられるので、上記コア付きコイル２０による磁界がインナーコア４内を通る磁気ループを形成するようになる。

また、上記電機子２の両端において上記インナーコア４の内側面には、マグネット部１に摺動可能に接触されて電機子２とマグネット部１との間隙を一定に保持させる円筒状のスリーブ５が設けられている。従って、このスリーブ５によりインナーコア４がマグネット部１に接触して吸着されるのを防止することができ、マグネット部１の全周囲においてマグネット部１の磁力と電機子２の電磁力とのバランスを一定に保つことができる。

以上の構成の上記実施の形態１によるコア付きリニアモータの動作は、ＰＷＭ制御方式やＰＡＭ制御方式等による所定の制御装置（図示せず）を使用することにより、マグネット部１の長手方向に沿って電機子２の各コイル２２に順次に励磁電流が流され、電機子２のコア２１に磁界が形成されてマグネット部１の永久磁石１０の磁界との電磁作用により推進力が発生し、可動子となる電機子２が固定子となるマグネット部１の長手方向に移動される。

そして、このものでは、上記マグネット部１を永久磁石１０が外周面を構成するシャフト状に形成するので、このマグネット部１の全周囲に磁界が形成されている。また、上記電機子２を構成するコア付きコイル２０が上記マグネット部１の外周囲に配置されるので、通電によりこの電機子２に形成される磁界もマグネット部１の全周囲に形成される。従って、上記マグネット部１と上記電機子２との相互作用（電磁作用）を大きくすることができ、従来の平型リニアモータ（図８に示すもの）よりも大きな推進力を発生させることができる。

また、このものでは、上記電機子２のコア付きコイル２０の内側にはインナーコア４が設けられるので、コア付きコイル２０により形成される磁界が上記インナーコア４内を通る磁気ループを形成するようになる。従って、電機子２により形成される磁界がインナーコア４に集中されてマグネット部１の外表面に電機子２による磁界を集中させて効率的にマグネット部１の磁界に作用させることができ、より大きな推進力を発生させることができる。

さらに、このものでは、電機子２の両端部においてインナーコア４の内側面２１３にスリーブ５が設けられているので、電機子２とマグネット部１との間隙を一定に保持させ、インナーコア４がマグネット部１に接触して吸着されるのを防止することができ、マグネット部１の全周囲でマグネット部１の磁力と電機子２の電磁力とによる電磁作用のバランスを均一に保つことができる。従って、電機子２とマグネット部１とが相対移動しているときでも両者の相互作用（電磁作用）をムラ無く安定して効かせることができ、駆動中においても大きな推進力を安定的に発生させることができる。

（実施の形態２）
図３、図４は、本発明の実施の形態２によるコア付きリニアモータの構成を示す図であり、これら図３、図４に示すように、この実施の形態２のコア付きリニアモータは、上記実施の形態１と異なり上記インナーコア４を設けていない。また、このものは、電機子２を構成する各コア付きコイル２０のコア２１において、マグネット部１と対向する脚部２１１は、その先端部２１２が末広がり状に形成されると共にマグネット部１と対向する内側面２１３が円形のマグネット部１の円形曲面と相似形の円形曲面に形成されている。そして、電機子２の両端部に配置されるスリーブ５は、コア付きコイル２０の内側面２１３に取り付けられている。その他の実施の形態２における構成は、上記実施の形態１のものと同様である。

この実施の形態２のものは、上記実施の形態１と異なりインナーコア４を設けていないが、上記電機子２により形成される磁界が末広がり状のコア２１の脚部先端部２１２を通る磁気ループを形成するようになるので、この電機子２により形成される磁界を効率的にマグネット部１の磁界に作用させることができ、より大きな推進力を発生させることができる。その他の実施の形態２における効果は、上記実施の形態１のものと同様の効果を奏する。

（実施の形態３）
図５、図６は、本発明の実施の形態３によるコア付きリニアモータの構成を示す図であり、これら図５、図６に示すように、この実施の形態３によるコア付きリニアモータは、上記実施の形態１，２とは異なる形態の電機子２ａを用いたものである。
すなわち、その電機子２ａとしては、四角形状とし中心にマグネット部１を貫通させる円孔を設けた板状のコア２３と、マグネット部１に外装可能な大きさのリング状に導線を巻回させたコイル２４とを有し、この２つのコア２３の間に１つのコイル２４を設けるコア付きコイル２０ａをマグネット部１に外装させてその長手方向に複数配置させた構成とするものである。

そして、この電機子２ａは、マグネット部１のＮ極とＳ極の１つの磁極間に３つのコイル２４が並ぶ大きさに形成され、その隣りの３つのコイル２４とは導線の巻き方向を逆にしている（図６中のまるばつ印やまるてん印は導線の巻き方向を示す。）。なお、導線の巻き方向を異にしたコイル２４の配置は、図６に示すものに限らず、適宜に組合せて配置することができる。図５、図６に示すものでは、マグネット部１の長手方向に９つのコイル２４を配置させている。

これらの各コイル２４には、正弦波状の励磁電流を順次流し、コイル２４内にその軸線方向の磁束が形成され、この磁束がコイル２４の両側のコア２３を通る電磁界が形成されてその両側のコア２３がＮ極とＳ極に磁極化されて可動子の推進力となる（図７参照）。そして、上記コイル２４には、アナログ式の正弦波状電流そのものを流すものでもよいが、デジタル式の正弦波状電流そのものを流すものでもよく、例えば、ＰＷＭやＰＡＭ等のパルス制御方式による制御装置を接続してコイル２４に正弦波状相当の励磁電流を順次流すようにしてもよい。

また、このものは、上記実施の形態１の場合と同様に、コイル２４の内側には円筒状のインナーコア４が設けられ、電機子２ａの両端にはインナーコア４の内側面に取り付けた円筒状のスリーブ５が設けられている。そして、電機子２ａの両端には保護板３２が取り付けられている。なお、この実施の形態３のものは、可動子におけるケース３を省略しているが、実施の形態１，２のように、ケース（図１、図３等に示すケース３等）を電機子２ａの外側に設けるようにしてもよい。その他の実施の形態３の構成は、上記実施の形態１と同様である。

以上の構成の実施の形態３によるコア付きリニアモータでは、コイル２４に対し、図示しないＰＷＭやＰＡＭ等の制御装置により正弦波状相当の電流を流すことにより、コイル２４の両側のコア２３とインナーコア４とを通る磁気ループが形成され、その両側のコア２３がＮ極とＳ極とに磁極化される。すると、図７に示すように、正弦波状相当の励磁電流における位相の６０度ごとに所定場所の隣接するコア２３の磁極がマグネット部１の長手方向に沿って順次に変化する（図７中、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｆ））。これにより、マグネット部１の永久磁石１０との相互作用（電磁作用）により推進力が発生し、可動子となる電機子２ａが固定子となるマグネット部１の長手方向に移動される。なお、コイル２４に流す電流の位相は上述の６０度ごとに限らず、適宜に設定することができる。また、図７中のまるばつ印やまるてん印は、コイル２４に流される電流の方向を示しており、図６に示す導線の巻き方向ではない。

そして、この実施の形態３のものでも、マグネット部１の全周囲に磁界が形成されて電機子２ａの通電により形成される磁界もマグネット部１の全周囲に形成されるので、上記マグネット部１と上記電機子２ａとの相互作用（電磁作用）を大きくすることができ、従って、従来の平型リニアモータ（図８）よりも大きな推進力を発生させることができる。その他の実施の形態３における効果は、上記実施の形態１のものと同様の効果を奏する。
なお、本発明は、上記実施の形態１〜３のものに限定されず、適宜設計変更を施すことが可能である。

例えば、上記マグネット部１は、円形のシャフト状とするが、多角形のシャフト状としてもよい。この場合、図１、図３に示すＵ字形のコア２１を用いたコア付きコイル２０は、多角形シャフト状のマグネット部１の各平面部に沿って並設させるとよく、また、図５に示す筒型のコア付きコイル２０ａは、コア２３の孔形状やコイル２４のリング形状をマグネット部１の多角形と相似形にさせるとよい。また、インナーコア４を設ける場合は、インナーコア４は、多角形シャフト状のマグネット部１と相似形の多角形筒状に形成させる。

また、図１、図３に示すものでは、コア付きコイル２０をマグネット部１の外周囲に４列配置するが、２列以上の複数列に配置させるものでもよい。ただし、各列のコア付きコイル２０は、マグネット部１の外周囲に均一な磁界が形成されるように、好ましくは隣りの列との間隔が等間隔となるように配置される。

また、マグネット部１の長手方向に並設するコイル２２，２４も複数個であればよくその数は特に限定されない。
また、上記実施の形態１〜３では、マグネット部１を固定子とし、電機子２，２ａを可動子とするが、電機子２，２ａを固定するようにして固定子と可動子の両者の関係を逆にしてもよい。
また、上記コア付きリニアモータは、成形機に敷設される成形品の取出機におけるアーム軸の駆動源として利用することができ、この場合、アーム軸の駆動に際して大きな推進力が得られるので、アーム軸の移動速度を速くすることができ、その結果、成形品の取出サイクルの短縮化を図ることが可能である。その他には、コピー機・プリンタ・スキャナ等のＯＡ機器、工作機械・ＸＹテーブル・搬送機械等のＦＡ機器、カメラ等の光学機器、リニアモータカー等の駆動源にも適用可能である。

実施の形態１によるコア付きリニアモータの構成を示す一部切欠斜視図である。 実施の形態１によるコア付きリニアモータの構成を示す断面図である。 実施の形態２によるコア付きリニアモータの構成を示す一部切欠斜視図である。 実施の形態２によるコア付きリニアモータの構成を示す断面図である。 実施の形態３によるコア付きリニアモータの構成を示す斜視図である。 実施の形態３によるコア付きリニアモータの構成を示す断面図である。 実施の形態３によるコア付きリニアモータの動作を示す模式図である。 従来のコア付きリニアモータの構成を示す断面図である。 従来のシャフト型コアレスリニアモータの構成を示す模式図である。

符号の説明

１ マグネット部、
２ 電機子、
２ａ 電機子、
４ インナーコア、
５ スリーブ、
１０ 永久磁石、
２０ コア付きコイル、
２０ａ コア付きコイル、
２１ コア、
２２ コイル、
２３ コア、
２４ コイル、
２１１ コア２１の脚部、
２１２ コア２１の先端部、
２１３ コア２１の内側面

Claims (3)

1. Ｎ極とＳ極の磁極が交互に現われるように形成した永久磁石からなるマグネット部と、該マグネット部の長手方向に沿って並設された複数のコア付きコイルからなる電機子とを備え、上記電機子のコイルに通電することにより該電機子と上記マグネット部とを相対移動させるコア付きリニアモータにおいて、
   上記マグネット部は、永久磁石が外周面を構成するシャフト状に形成され、
   上記電機子は、上記並設されたコア付きコイルを上記シャフト状のマグネット部の周囲に配置する構成としたことを特徴とするコア付きリニアモータ。
2. 請求項１に記載のコア付きリニアモータにおいて、
   上記電機子の内側には、磁性材料からなり、上記マグネット部に外装された筒状のインナーコアが設けられていることを特徴とするコア付きリニアモータ。
3. 請求項１または２に記載のコア付きリニアモータにおいて、
   上記電機子の内側には、上記マグネット部と摺動可能に接触し、該電機子と該マグネット部との間隙を一定に保持させるスリーブが設けられていることを特徴とするコア付きリニアモータ。
   

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