JP2006504378A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

リニアモータ又はアクチュエータは、一組の導電性の巻線を支持する軟磁性のコアを有する移動可能部を有する。移動可能部は少なくとも一組の永久磁石を備えたレールによって滑動可能に支持され、永久磁石はコアの外周面に沿う長手方向に分散配置され、空隙を介して一組の巻線と協働する磁界を生成する。コアは軟磁性複合材料で形成されている。巻線はコアの中心線に対し実質的に直交するコアの外周面の周りに巻回され、さらに、少なくとも二組の永久磁石が外周面に沿って配置されることで、少なくとも二組の永久磁石がコアに対し異なる角度で配置されている。

Description

本発明はリニアモータ又はアクチュエータに関し、より詳細には、一組の導電性の巻線を支持する軟磁性のコアを含む移動可能部を有し、移動可能部は概ね空気軸受を用いたレール構造によって滑動可能に支持され、レール構造は前記コアの外周面に沿う長手方向に分散配置された少なくとも一組の永久磁石を備え、永久磁石は空隙を介して一組の巻線と協働する磁界を生成するリニアモータ（線形電気モータ）又はアクチュエータに関する。

上述のようなリニアモータは古くから知られ、多様な目的のために、特にアクチュエータとして広範に用いられている。そのような既知のモータの移動可能部は積層化された軟磁性スチール板の積層体から成るコアを備える。スチール板の積層体構造は、一方において、コアにおける電気損失を低減するが、他方において、コアに二次元磁束担持能力を付与するだけである。すなわち、薄板内の磁束伝導だけであり、横方向には付与しない。

これらのリニアモータは極めて良好に機能し、長年に亘って広範に使用されているが、それらのコア構造の故に、生成可能な動力に比べ重く嵩張るという欠点を有する。

本発明の目的は、より軽量、より小型で、既知の標準的なリニアモータと比べ低減された容積を有するリニアモータを提供することである。

この目的を達成するために、本発明に従ったリニアモータ又はアクチュエータは、コアが軟磁性複合材料で形成され、巻線がコアの中心線に対し実質的に直交するコアの外周面の周りに巻回され、さらに、少なくとも二組の永久磁石が長手方向でレール上に配置されることで、少なくとも二組の永久磁石がコアに対し異なる角度で配置されることを特徴とする。

本発明のリニアモータ又はアクチュエータのコアに用いられる軟磁性合成材料は長年に亘って知られており、例えば、Alan G. Jack; Barrie C. Mecrow; Philip G. Dickinson; Dawn Stephenson; James S. Burdess; Neville Fawcett及びJ.T. EvansによるIEEE Transactions on Industrial Applications, 第３６巻第４号，２０００年７月／８月号に記載の”Permanent-Magnet Machines with Powdered Iron Cores and Prepressed Windings”に開示されている。

この文献には、軟磁性複合材料を永久磁石機械において使用することが記載されているが、そのような材料がリニアモータ又はアクチュエータのために有し得る構造的な利点は何ら開示されておらず、また、軟磁性複合材料を用いたリニアモータの特別な構造も何ら提案されていない。

本発明が基礎とする着想は、巻線のために用いられる銅の量をさらに増量することなしに、従って、機械で生成される損失を増大することなしに、リニアモータの動力生成面の量が増大されるような方法で、軟磁性複合材料の三次元磁束担持能力を利用することを提案することである。

本発明によれば、コアは四角形、長方形、三角形又は円形の形態の断面形状を備えた長尺形状を有し得る。次に、協働するレールはもちろん対応する断面形状を有し、複数組の永久磁石がレール上に配置されて、それらはコア及び巻線を少なくとも部分的に囲む。そのようにして、永久磁石の磁界が異なる角度でコアに配向されることで、永久磁石と巻線との間の相互作用面が実質的に増大する。コアの周りに本発明の永久磁石を配置することは、軟磁性複合コア材料の三次元磁束担持能力によって可能とされる。

本発明に従ったリニアモータ／アクチュエータのさらなる実施態様は、レールが冷却手段を備えることである。冷却手段はレールの長手方向に延在し、それらの外周面の部分に亘ってコア及び巻線と熱交換接触する。

本発明のリニアモータのさらなる実施態様によれば、コアが内部冷却通路を備えることも可能である。そのような場合、コア及び巻線構造のより多くの外面が依然として複数組の永久磁石との協働のために利用可能である。

本発明に従ったリニアモータの他の実施態様によれば、コアは周縁スロットを備え、周縁スロットには巻線が位置する。

本発明のさらなる利点及び特徴を添付の図面を参照して以下に詳述する。

図１ａ及び１ｂは従来技術のリニアモータを示し、リニアモータは積層化されたスチール板３の積層体を含むコア２から成る移動部１を有する。スチール板３は歯形部４を有し、導電性ワイヤの巻線５が歯形部の周りに位置する。移動部１はレール６で滑動可能であり、レール内に収容された永久磁石７が空隙８を介して巻線５と協働する。

このような従来構造の問題点は、積層化されたコアがスチール板に沿って磁束を担持可能なだけで、横方向には担持しないことである。このような構造は動力生成面の領域にとって深刻な制限をなす。さらなる問題点は、構造上の見地から、許容動作温度を達成するために移動部を効率的に冷却することが極めて困難であることである。また、この実施態様における巻線９の端部は動力生成には寄与しない。

図２ａ及び２ｂは同様なリニアモータを示す。このリニアモータも移動部２１及びレール２６を含むが、ここでは、移動部２１は軟磁性複合材料で形成されたコア２２から成り、巻線２５はコアの中心線に対し実質的に直交してコア２２の周りに直接的に巻回されている。レール２６は底壁２８及び２つの側壁を備えたＵ字形状の断面を有する。底壁及び２つの側壁は各々一組の永久磁石２７、３０及び３１を支持し、永久磁石は間隙を介してコア２２上の巻線２５と協働する。このようにして、コアの３つの側面の全てがモータにおける動力生成に寄与しているのが明らかであろう。所望であれば、レールの上側を閉塞し、そこに一組の永久磁石を位置することによって、この動力をさらに増大することができ、移動部及びレールの全ての側面は動力生成面として働く。

移動部の各側面に沿って二組、三組、さらには四組の永久磁石を配置することは、コア２２のために用いられる軟磁性材料が三次元磁束担持能力を有するという事実によって可能とされる。このようにして、リニアモータの動力密度が従来技術のリニアモータに比べ増大される。

図６において、従来技術のリニアモータの移動可能部は参照番号６１で示され、同一の動力を発生する本発明に従ったリニアモータの移動可能部は参照番号６２で示されている。本発明に従った移動可能部６２の大きさは従来技術の移動可能部の大きさの約半分であることが直ちに明らかであろう。これから、本発明に従ったリニアモータは同一の動力を供給する従来技術のリニアモータに比べより小型で軽量であり得ることが明らかであろう。

図２ａ及び２ｂに概略的に示されているように、レールの上側は冷却通路３２を支持し、冷却通路は移動部２１並びにそのコア２２及び巻線２５と良好に熱交換接触している。そのような冷却通路により、熱が機械から極めて効率的に除去されることで、その動作温度は許容限度内に維持される。

図２ｂに従った実施態様のように移動部の側面の１つを冷却通路との熱交換接触用に用いる代わりに、内部冷却通路を備えたコア２２を設けることも可能である。そのような場合、上側も動力生成面として用い得る。そのために為されなければならないことは、巻線と協働する該側面に永久磁石を位置付けることだけである。

本発明に従ったリニアモータの他の可能な実施態様が図３及び図４に概略的に示されている。図３に従った実施態様において、横断面形状は円形である。これは実際上極めて有効な形状である。円形コア４２は容易に製造可能であり、巻線４５は鋭利な屈曲部のない円形コアの周りに容易に巻回され得る。この場合、永久磁石４７は輪形磁石であり、永久磁石はコア４２及び巻線４５を完全に囲んでもよいし、或いは、図面に示されるような形状に構成することで、冷却通路を平坦な頂面上のコア及び巻線と熱交換接触させて配置し得る。

図４は本発明に従ったリニアモータが三角形又は部分的に三角形の形状をも有し得ることを概略的に示しており、所望であれば、三角形の上部を取り除くことで、コアの頂面６０は冷却素子を備え得る。

最後に、図５ａ及び５ｂは、軟磁性複合材料のコア２１がどのようにして周縁スロット５０を備え得るかを示しており、周縁スロットには導電性の巻線が位置し得る。これによって、コアの形状は多少複雑化するが、コアの大きさ及び重量、よって、モータ全体の大きさ及び重量が大幅に低減される。この場合、寄生効果を低減するために、歯形部５１は図５ｂに示されるような歯先部５２を備え得る。

リニアモータの移動部は「コギング」が示された寄生力成分を生成する傾向にある。本発明の実施態様に従ったリニアモータにおいてコギングをゼロとすることが可能であり、磁界の分配に関して、コアの軟磁性複合材料をその両端で延ばすことができる。

本発明が従来技術のリニアモータを超越した多くの驚くべき利点を有するリニアモータを提供することが上記の記載から明白である。本発明のモータの限定的な数の構成がここに記載されているが、多くの変更が添付の特許請求の範囲の範囲内で可能であることが理解されるであろう。

図１ａ及び１ｂは各々従来技術のリニアモータを概略的に示す側面図及び断面図であり、よって、縮尺は正確ではない。 図２ａ及び２ｂは各々本発明のリニアモータを概略的に示す側面図及び斜視図であり、よって、縮尺は正確ではない。 各々本発明に従ったリニアモータの移動部の円形及び三角形の断面を概略的に示す断面図である。 各々本発明に従ったリニアモータの移動部の円形及び三角形の断面を概略的に示す断面図である。 本発明に従ったコアを示す斜視図であり、巻線が位置し得る周縁スロットを備える。 従来技術の移動部及び本発明に従ったリニアモータの移動部を示す斜視図であり、双方のモータは同等の動力を供給する。

Claims (6)

1. 一組の導電性の巻線を支持する軟磁性のコアを有する移動可能部を有し、該移動可能部は、少なくとも一組の永久磁石を備えたレールによって滑動可能に支持され、前記永久磁石は、前記コアの外周面に沿う長手方向に分散配置され、間隙を介して前記一組の巻線と協働する磁界を生成する、リニアモータであって、
   前記コアは軟磁性複合材料で形成され、前記巻線は前記コアの中心線に対し実質的に直交して前記コアの外周面の周りに巻回され、さらに、少なくとも二組の永久磁石が前記外周面に沿って長手方向に配置されることで、前記少なくとも二組の永久磁石が前記コアに対し異なる角度で配置されることを特徴とするリニアモータ。
2. 軟磁性複合材料の前記コアの断面は四角形又は長方形の形状を有し、前記少なくとも二組の永久磁石は、前記コアの少なくとも２つ、好ましくは、３つの側面に沿って位置することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 軟磁性複合材料の前記コアの断面は実質的に円形の形状を有し、前記少なくとも二組の永久磁石は、横方向から見て、前記コアの周縁の実質的部分を囲む輪形磁石によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
4. 前記レールは冷却手段を備え、該冷却手段は、該レールの長手方向に延在し、前記コア及び前記巻線と熱交換接触することを特徴とする上記請求項のうちいずれか１項に記載のリニアモータ。
5. 前記コアは内部冷却通路を備えることを特徴とする上記請求項のうちいずれか1項に記載のリニアモータ。
6. 前記コアは、前記巻線が位置し得る周縁スロットを備えることを特徴とする上記請求項のうちいずれか１項に記載のリニアモータ。

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