JP2005253259A - リニア電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】サブティースと電機子との相互作用を極力なくしてコギング力を効果的に低減させたリニア電磁アクチュエータを提供する。
【解決手段】磁性体からなる断面ほぼＨ形のコアと、その中央幹部に巻回されて交流電流が通流されるコイルとからなるコアユニットＵ１〜Ｗ２を、コイルの軸方向に配置し、かつ、全てのコアユニットによるコギング力を低減するためのコギング力を発生する磁性体のサブティース１４３を、コアユニットに非磁性体を介して一体的に結合した電機子１４２と、磁極２１２が空隙を介してコアに対向するように配置された界磁子２００Ａ，２００Ｂと、を備え、電機子１４２及び界磁子２００Ａ，２００Ｂをコイルの軸方向に相対的に移動可能とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電機子にコアを有するリニア電磁アクチュエータに関し、詳しくは、リニア電磁アクチュエータにおけるコギング力を効果的に低減させる技術に関するものである。

図４は、第１の従来技術を示す一般的なコア付リニアモータの構成図である。
このリニアモータは電機子１００と界磁子２００とからなり、両者は空隙を介して対向配置されている。電機子１００は歯１０２を備えた磁性体からなるコア１０１とコイル１０３を有し、また、界磁子２００は、磁性体からなるヨーク２０１と、永久磁石によるＮ，Ｓ極が交互に配置された磁極２０２とを備えている。
ここで、この種のリニアモータにおける電機子としては、鉄心（コア）を有するもの（コア付）と有しないもの（コアレス）との２種類があるが、本発明ではコア付の電機子を対象としている。

図４において、コイル１０３の起磁力と磁極２０２からの磁束との相互作用により、電機子１００と界磁子２００との間に相対的な推力が発生する。
なお、界磁子２００としては、永久磁石による磁極２０２の代わりに電磁石によって界磁磁極を形成することも可能である。また、界磁子をはしご形の導体を鉄心で囲んだ構成とすれば誘導モータとして、更に、電機子との対向面に周期的な突起列を有する界磁子構成とすれば、リラクタンスモータとしてそれぞれ機能する。
この種のコア付リニアモータの推力発生原理の詳細については、白木、宮尾著、「図解・リニアサーボモータとシステム設計」、総合電子出版（昭和６１年３月２０日第１版発行）等により広く知られているため、詳述を省略する。

図５は、第２の従来技術を示す吸引力相殺形のコア付リニアモータの構成図である。
コア付リニアモータでは、電機子のコアと界磁子との間に作用する磁気吸引力が問題となる。一般に、この吸引力は電機子と界磁子との間の相対的な推力の１０倍に達することも珍しくない。このような強力な吸引力のもとで電機子と界磁子との間の空隙長を所定の長さに維持するには、電機子と界磁子とを相対的に移動可能に保持するための機構が極めて頑強であることが要求され、これによって装置が大形化したり高価格化したりする問題がある。

その対策として、対向配置された二つの界磁子の間に電機子を配置することにより、界磁子と電機子との間の吸引力を相殺する方法がある。
図５の従来技術は上記着想に基づくものであり、対向配置された二つの界磁子２００，２００の間に、それらの磁極２０２と対向するように電機子１０６が配置されている。なお、１０４は電機子１０６のコア、１０５はコイルを示す。

このような構成とすれば、電機子１０６の両側（図では上下）と界磁子２００，２００との間の空隙長を適切に保持することで磁気吸引力を大幅に低減できるため、これらの保持機構に一層簡素なものを用いることができる。この種の構成も、上記公知文献に記載されている。
なお、図５と同様に界磁子と電機子との間の吸引力を相殺している例を、特許文献１に示す。

また、第３の従来技術として、本発明者により提案された特願２００４−１２８６４号に係るリニア電磁アクチュエータがある。
この先願に係る発明は、磁性体からなり、かつほぼＨ形の断面形状を有するコアと、このコアの中央幹部に巻回されて交流電流が通流されるコイルと、からなるコアユニットを、コイルの軸方向に１個以上配置してなる電機子等の第１構成要素と、コイルの軸方向にＮ，Ｓ磁極を交互に周期的に配置してなる二つの磁性体を、Ｎ，Ｓ磁極がコアに空隙を介して対向するようにそれぞれ配置してなる界磁子等の第２構成要素とを備え、電機子及び界磁子をコイルの軸方向に相対的に移動可能に構成したものであり、一相分がｋ個のコアユニットをｎ相分用い（ｋ，ｎは何れも自然数）、かつ、各相のコアユニットを構成するコイルの、界磁子の周期的な磁気特性に対する電気角位相の平均値が（３６０／ｎ）°で分布するように電機子を構成してコイルにｎ相交流電力を供給し、これによってｎ相リニアモータを構成するものである。

図６は上記第３の従来技術の主要部の構成を示しており、各相２個で合計６個のコアユニットＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２が全体として一体的に形成され、１個の電機子１１０を構成している。なお、１１１〜１１６は各コアユニットに巻回されたコイル、２００Ａ，２００Ｂは界磁子、２１１はヨーク、２１２は磁極である。
各コアユニットＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２（コイル１１１〜１１６）の位置は、それぞれ電気角で６０°，０°，−６０°，−９０°，２１０°，１５０°である。また、全てのコイル１１１〜１１６は、図示しない手段によって一体に固定されているため、電機子１１０と界磁子２００Ａ，２００Ｂとの相対位置が変化した場合、各コアユニットＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２同士の相対位置は不変のまま、全コアユニットの位置が等しく変化する。

モータでは、一般に、コイルの極性を反転することによって電気角位相が１８０°変化するので、１個おきのコイル１１１，１１３，１１５の極性を他のコイル１１２，１１４，１１６の極性とは反転させることにより、各コイル１１１〜１１６の位相を、それぞれ、−１２０°，０°，１２０°，−９０°，３０°，１５０°とすることができる。

よって、図７に示す如く、コイル１１２と１１５、１１３と１１６、１１１と１１４をそれぞれ直列に接続し、更に各直列回路をＹ結線または△結線すれば、各相の平均位相はそれぞれ−１０５°，１５°，１３５°というように１２０°間隔の分布になるので、三相モータを構成することができる。
この従来技術によれば、図４や図５の従来技術に比べて推力の損失当量を増大させることができるので、リニアモータの課題である推力発生効率を向上させることができる。

特開昭６０−９８８６３号公報（第５図〜第７図等）

しかしながら、コア付モータでは、電流の無通流状態において、コアの位置により永久磁石の磁束密度が変化し、これによって磁気エネルギーが変化するため、電機子の移動方向に作用する電磁力の脈動、いわゆるコギング力が発生するという問題がある。特にリニアモータでは、電機子の移動方向（長手方向）の端部周辺における磁束密度の分布がその他の部位と著しく異なるため、その影響によって回転形のモータよりもかなり大きいコギング力が発生する。

上記の点に鑑み、図８に示す第４の従来技術の如く、例えば図４の構造において電機子コア１０１の長手方向両端部に磁性材料からなるサブティース１２１，１２２を一体的に結合し、磁気エネルギーの変化を緩和することによってコギング力を低減する方法が良く用いられている（安川電機技報、第６６巻、第２号、ｐ７１等を参照）。
しかし、この構造によると、サブティース１２１，１２２を通る磁束がコア１０１に流入するので、サブティース１２１，１２２がない場合に対して電機子コア１０１の磁束分布が局部的に変化することになり、このような相互作用を考慮してサブティースを設計する必要があるため設計が煩雑になるといった問題がある。

更に、図９に示す第５の従来技術のように、図６の電機子１１０の長手方向両端部にサブティース１２３，１２４を結合することも考えられる。
しかるに、Ｈ形コアを有するリニアモータでは、隣り合うコアユニット間で磁束が漏れると推力が低下すると共に、コイルのインダクタンスが増加して制御性能が低下するので、各コアユニット間に適当な間隔を設けて磁気的な結合が弱くなるようにする必要がある。
その場合、図９に示す如く電機子両端部のコアユニットＷ１，Ｖ２にサブティース１２３，１２４をそれぞれ結合すると、これらのコアユニットとその他のコアユニットとで周囲の磁束密度分布が大きく異なり、端部のコアユニットＷ１，Ｖ２のコイル鎖交磁束の波形が他と異なってしまう結果、コギング力が発生しやすくなるという問題があった。

そこで本発明は、サブティースと電機子との相互作用を極力なくしてコギング力を効果的に低減するようにしたリニア電磁アクチュエータを提供しようとするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、極性を交互に反転させて複数の磁極を直線上に並べて配置してなる界磁子と、この界磁子に空隙を介してコアが対向配置され、前記磁極の並ぶ方向に相対的に移動可能に保持されると共に、前記コアとこのコアに巻回されて交流電流が通流されるコイルとを有する電機子と、を備えたリニア電磁アクチュエータにおいて、
前記電機子が発生するコギング力を低減するためのコギング力を発生する磁性体からなるサブティースを、前記電機子に非磁性体を介して一体的に結合したものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載したリニア電磁アクチュエータにおいて、
前記サブティースを、前記電機子の相対的移動方向の前後の少なくとも一方に配置したものである。

請求項３に記載した発明は、磁性体からなる断面ほぼＨ形のコアと、このコアの中央幹部に巻回されて交流電流が通流されるコイルと、からなるコアユニットを、前記コイルの軸方向に１個以上配置してなり、かつ、全てのコアユニットが発生するコギング力を低減するためのコギング力を発生する磁性体からなるサブティースを、前記コアユニットに非磁性体を介して一体的に結合してなる第１構成要素（例えば電機子）と、
前記コイルの軸方向に周期的な磁気特性を有する面を備えた二つの磁性体を、前記の面が前記コアに空隙を介して対向するようにそれぞれ配置してなる第２構成要素（例えば界磁子）と、を備え、
第１構成要素及び第２構成要素が前記コイルの軸方向に相対的に移動可能であることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、請求項３に記載したリニア電磁アクチュエータにおいて、
前記サブティースを、前記第１構成要素の相対的移動方向の前後の少なくとも一方に配置したものである。

請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載したリニア電磁アクチュエータにおいて、
前記サブティースの移動方向（第１の方向）及び前記空隙の長さ方向（第２の方向）に直交する方向（第３の方向）に沿った前記サブティースの幅を、当該方向（第３の方向）に沿った前記コアの幅よりも狭くしたものである。

本発明では、電機子のコアや第１構成要素のコアユニットとの磁気的結合を生じないような位置に、非磁性体を介してサブティースを一体的に結合することにより、このサブティースがない状態のコギング力を相殺するコギング力を前記サブティースにて発生させる。サブティースにより発生させるべきコギング力は測定や解析によって予め求めることが可能であるため、サブティースの形状、構造等の設計も容易に行うことができる。
また、本発明によれば、電機子コアとサブティースとの磁気的結合による磁束密度分布の偏在を防いで、コギング力の効果的な低減を図ることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は、本発明の第１実施形態を示す説明図であり、請求項１，２の発明に相当する。
図１において、図４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

図１において、電機子１３０を構成するコア１０１の長手方向一端部には、アルミや樹脂等からなる支持部材１３１を介して、磁性材料からなるサブティース１３２がコア１０１と磁気的結合を生じないように分離して配置されている。ここで、サブティース１３２は、このサブティース１３２がない場合に電機子が発生するコギング力を相殺して低減させるためのコギング力を発生するように設計されている。なお、支持部材１３１は、コア１０１とサブティース１３２との磁気的結合を防止するように非磁性部材によって構成されており、コア１０１、コイル１０３、支持部材１３１及びサブティース１３２は一体的に形成されている。

上記構成において、サブティース１３２がない場合に電機子が発生するコギング力の電機子位置に対する変化を示す波形を予め測定または解析によって求めておき、この波形の極性を反転したコギング力を発生するようにサブティース１３２を別途設計する。
このサブティース１３２は、所定のコギング力を発生しさえすればどこに配置しても良く、図１に示した位置以外でも、空隙の長さ方向に直交する方向、言い換えれば、図１における紙面の表裏方向に沿った磁極２０２の幅方向の一部に配置したり、サブティース１３２専用の磁極を界磁子２００と平行に配置してこの磁極にサブティース１３２を対向させても良い。

また、図１ではサブティース１３２が電機子１３０の相対的移動方向の前後の一方に配置されているが、前後の両方に配置しても良く、これによってもともと存在する界磁子２００の磁極２０２を有効に利用することができる。

この実施形態によれば、サブティース１３２がない状態で予め求めた電機子のコギング力を相殺するようなコギング力を発生するサブティース１３２を、コア１０１と磁気的結合を生じない位置に配置することにより、コア１０１に近接したサブティースによる磁束密度分布の偏在を防いでコギング力を確実に低減することができると共に、サブティース１３２の設計が容易になるという効果が得られる。

次に、図２は本発明の第２実施形態を示しており、請求項３，４の発明に相当する。この実施形態は、実質的に図６における電機子１１０の相対的移動方向の前後の一方に、コアユニットと磁気的結合を生じないようにサブティース１４１を分離して配置した構造であり、サブティース１４１は、図示されていない非磁性体からなる支持部材により、全てのコアユニットと結合されている。なお、１４０は、コアユニットＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２、サブティース１４１及び支持部材により一体的に形成された電機子を示す。

この実施形態においても、サブティース１４１は、このサブティース１４１がない場合に電機子が発生するコギング力を相殺して低減するコギング力を発生するように設計されている。すなわち、サブティース１４１がない場合に電機子が発生するコギング力の電機子位置に対する変化を示す波形を予め測定または解析によって求めておき、この波形の極性を反転したコギング力を発生するようにサブティース１４１を別途設計する。

サブティース１４１の位置は、第１実施形態と同様にコギング力を発生しさえすればどこでも良く、磁極２１２の幅（図における紙面の表裏方向の幅）方向の一部に配置したり、サブティース１４１専用の磁極を界磁子２００Ａ，２００Ｂと並行に配置してこの磁極にサブティース１４１を対向させても良い。
更に、サブティース１４１を電機子１４０の相対的移動方向の前後の両方に配置しても良い。

この実施形態によれば、電機子１４０の端部のコアユニット（図２の例ではコアユニットＶ２）とサブティース１４１との間の磁気的結合が生じないため、端部のコアユニット周囲の磁束密度分布が局部的に異なるのを回避し、電流通流時のコギング力の低減を図ることができると共に、サブティース１４１の設計が容易になる。

次に、図３は請求項５に相当する本発明の第３実施形態を示すもので、（ａ）は上面図、（ｂ）は電機子１４２の側面図である。
第１，第２実施形態においても述べたように、サブティースの幅は電機子の幅と等しくなくても良い。ここで、サブティースの幅とは、サブティースの移動方向（つまり電機子の移動方向）及び空隙の長さ方向に直交する方向に沿った幅を言い、図３（ａ）における紙面の表裏方向の長さであり、図３（ｂ）におけるサブティース１４３の上下方向の長さを言う。

サブティース１４３が発生するコギング力はその幅にほぼ比例するので、必要なコギング力をサブティースによって得るために上記の幅を調整したり、空隙の幅を調整することが有効である。
サブティース１４３はコアユニットのコアと同様に積層鋼板によって形成可能であり、鋼板の積層枚数を調節することによってその幅を任意に増減させることができるから、本質的に製造コストが増加するおそれもない。

また、サブティース１４３の幅をコアユニットＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２のコアよりも短くすることにより、図３（ｂ）に示す如く空所１４４が形成されることになり、この空所１４４をモータ制御用の磁極センサやコイルの温度センサ、コイルへ給電するためのケーブルの取出口等に使用すれば、空間の有効利用によって電機子１４２全体の大形化や移動方向に沿った長さの増加を防止することができる。

なお、各実施形態において説明したサブティースの形状、構造は限定的なものではなく、より高次のコギング力を低減するために、例えばサブティースの角を面取りしたり丸める等の変形が可能である。

本発明の第１実施形態を示す主要部の構成図である。 本発明の第２実施形態を示す主要部の構成図である。 本発明の第３実施形態を示す主要部の構成図である。 第１の従来技術を示す構成図である。 第２の従来技術を示す構成図である。 第３の従来技術を示す構成図である。 図６におけるコイルの接続状態を示す説明図である。 第４の従来技術を示す構成図である。 第５の従来技術を示す構成図である。

符号の説明

１０１：コア
１０２：歯
１０３，１１１〜１１６：コイル
１３０，１４０，１４２：電機子
１３１：支持部材
１３２，１４１，１４３：サブティース
１４４：空所
２００，２００Ａ，２００Ｂ：界磁子
２０１，２１１：ヨーク
２０２，２１２：磁極
Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２：コアユニット

Claims (5)

1. 極性を交互に反転させて複数の磁極を直線上に並べて配置してなる界磁子と、
   この界磁子に空隙を介してコアが対向配置され、前記磁極の並ぶ方向に相対的に移動可能に保持されると共に、前記コアとこのコアに巻回されて交流電流が通流されるコイルとを有する電機子と、
   を備えたリニア電磁アクチュエータにおいて、
   前記電機子が発生するコギング力を低減するためのコギング力を発生する磁性体からなるサブティースを、前記電機子に非磁性体を介して一体的に結合したことを特徴とするリニア電磁アクチュエータ。
2. 請求項１に記載したリニア電磁アクチュエータにおいて、
   前記サブティースを、前記電機子の相対的移動方向の前後の少なくとも一方に配置したことを特徴とするリニア電磁アクチュエータ。
3. 磁性体からなる断面ほぼＨ形のコアと、このコアの中央幹部に巻回されて交流電流が通流されるコイルと、からなるコアユニットを、前記コイルの軸方向に１個以上配置してなり、かつ、全てのコアユニットが発生するコギング力を低減するためのコギング力を発生する磁性体からなるサブティースを、前記コアユニットに非磁性体を介して一体的に結合してなる第１構成要素と、
   前記コイルの軸方向に周期的な磁気特性を有する面を備えた二つの磁性体を、前記の面が前記コアに空隙を介して対向するようにそれぞれ配置してなる第２構成要素と、を備え、
   第１構成要素及び第２構成要素が前記コイルの軸方向に相対的に移動可能であることを特徴とするリニア電磁アクチュエータ。
4. 請求項３に記載したリニア電磁アクチュエータにおいて、
   前記サブティースを、前記第１構成要素の相対的移動方向の前後の少なくとも一方に配置したことを特徴とするリニア電磁アクチュエータ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載したリニア電磁アクチュエータにおいて、
   前記サブティースの移動方向及び前記空隙の長さ方向に直交する方向に沿った前記サブティースの幅を、当該方向に沿った前記コアの幅よりも狭くしたことを特徴とするリニア電磁アクチュエータ。

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