JP2009545939A - 力脈動補償を備えたリニアモータ - Google Patents

Abstract

本発明はリニア電気機械のための１次側部分（２）に関する。この１次側部分（２）は、少なくとも１つの積層鉄心（３）からなり、各端面（Ｓ１，Ｓ２）の一方又は両方に少なくとも１つの力脈動低減のための要素（１１）を有する。要素（１１）が導電性（κ_el＞０）であり、無視できるほど低い透磁率（μ_r≒１）を有する。本発明のリニア電気機械では、コギング力の低下の他に、起電力の対称化も達成されており、動作特性の大幅な改善を図れる。

Description

本発明は、１次側部分が少なくとも積層鉄心からなり、それぞれの端面の一方又は両方に少なくとも１つの力脈動低減のための要素を有する電気機械の１次側部分に関する。更に本発明は、この種の１次側部分を備えたリニアモータに関する。

リニアモータは１次側部分および２次側部分を有する。１次側部分に、特に２次側部分が向かい合っている。１次側部分は電流を流すために設けられている。２次側部分は、例えば永久磁石又は電流を流し得る巻線を有する。１次側部分も２次側部分も磁界発生のための能動的な磁気的手段を有する。

永久励磁式のリニアモータは構造に起因した力脈動を有し、力脈動は同期性および動特性に不利な影響を及ぼす。

２次側部分の励磁磁界と１次側部分の主磁界の磁束とを案内すべく、モータの能動的部分、即ち能動的巻線担持部分（１次側部分）には一般に歯付鉄心が使用される。励磁磁極と１次側部分の歯付構造との間で磁気相互作用が行なわれ、磁気相互作用が受動的な力脈動とも呼ばれる寄生のコギング力をもたらす。その結果、振動、走行騒音、加工プロセス時の輪郭誤差を生ずる。更に、１次側部分の端面の始端コイルおよび終端コイルにおける誘起電圧、即ち起電力（ＥＭＦ）は、不十分な磁気帰路に基づいて、一般に中間のコイルにおけるよりも小さい。これは、モータの誘起電圧が対称系を成さず、力損失の他に能動的な力脈動とも呼ばれる付加的な電流依存性の力脈動が生じるという結果をもたらす。

本発明の課題は、コギング力の低減の他に起電力の対称化も行なわれるように上述の如きリニアモータを進歩させることにある。

この課題は請求項１および８の特徴によって解決される。有利な発展形態は従属の請求項に示す。

回転機と違ってリニアモータは必然的にモータ電磁部分が終端する端部を有する。リニアモータが、例えば短い固定子構造様式で構成されている場合、１次側部分に関し、２次側部分の影響範囲にある２つの端部が生じる。このため能動的な力脈動と受動的なコギング力に決定的な影響を及ぼす程に、１次側部分の端部が２次側部分と相互作用をする。

本発明によれば、リニアモータが１次側部分と２次側部分を有し、１次側部分と２次側部分が空隙により互いに隔てられている。２次側部分は永久磁石により形成された磁極列を有する。１次側部分は１つ以上の積層鉄心からなり、積層鉄心は多数の鋼板から構成されている。１次側部分は多数のスロットおよび歯を有し、スロットは１次側部分の巻線又はコイルを収容するために用いられる。巻線は、例えば３相電源系統又は３相交流電流の３相巻線として構成されている。

リニアモータは、特に１次側部分において分数スロット巻線と歯コイルにより構成されていて、１次側部分のスロットピッチが２次側部分の磁極ピッチと等しくない。スロットピッチと磁極ピッチとの比（スロットピッチ／磁極ピッチ）は、例えば８／１２，１０／１２，１１／１２，１３／１２，１４／１２，１６／１２である。

モータもしくは積層鉄心の一方又は両方の端面に、能動的な渦電流式制動要素として構成された少なくとも１つの要素が、力脈動制動のために配置されており、１次側部分のその都度最後のスロット又は最後のコイル歯に接触又は接近して存在する。

以下において制動要素とも呼ぶ要素は導電性（κ_el＞０）であり、無視できるほど低い透磁率（μ_r≒１）を有する。

導電率κ_elは、物質における電流を導く能力を示す物理量である。導電度κ_elは固有電気抵抗ρに関連し、導電度は固有抵抗の逆数である（κ_el＝１／ρ）。

導電度により物質は次のとおり区分される。
ａ）導体（特に全ての金属、κ_el＞０）
ｂ）絶縁体又は非導体（大抵の非金属、κ_el≒０）
ｃ）半導体（例えばシリコン、ゲルマニウム・導電度が導体と非導体の間の範囲にある）
ｄ）超電導体（材料依存の臨界温度以下での導電度がいわば「無限」である）

透磁率μは、磁界に対する物質の透過性を決定し、磁束密度Ｂと磁界の強さＨとの比によって表される（μ＝Ｂ／Ｈ）。但し、μは磁気定数μ₀と物質の固有透磁率μ_rから算出される（μ＝μ₀μ_r）。固有透磁率は、しばしば比透磁率と呼ばれる。

比透磁率μ_rにより物質は次のとおり区分される。
ａ）磁界を著しく強める強磁性体（例えば鉄、コバルト、ニッケル、μ_r＞＞１）
ｂ）磁界を非常に僅かに強める常磁性体（例えばアルミニウム、空気、μ_r≒１）
ｃ）磁界を非常に僅かに弱める反磁性体（例えば銀、銅、μ_r＜１）

制動要素の制動作用は、制動要素の導電度に基づき２次側部分の磁石軌道上における１次側部分の移動時、制動要素内に誘導される渦電流により行なわれる。渦電流は１次側部分において「リアクション制動」として作用する。その結果、モータの同期特性が明白に改善される。

制動作用は周波数又は速度依存性であり、１次側部分が移動する速度が高い程、益々渦電流が制動要素内に発生し、益々制動作用が大きくなる。それに応じて制動作用は、問題になっている高い速度において良好であり、低い速度おいては少なくなる。

能動的な渦電流式制動要素によりリニアモータの力脈動が改善される。本発明による制動要素によって構造空間的に最適な低コストの解決策がもたらされる。

制動要素は、機械的および熱的結合のための担持要素に配置されていると好ましい。

担持要素の機能は、１次側部分の積層鉄心への制動要素の機械的および熱的結合である。１次側部分全体は一般に積層鉄心を介して固定されかつ冷却される。従って、特に担持要素をモータの能動的鉄心部分と一体的に構成することで、積層鉄心を介して制動要素の機械的熱的結合を実現することは有意義である。担持要素は磁気伝導性である積層鉄心の一部であるという事実から、担持要素は必然的に磁気伝導性でもある（μ_r＞＞１）。

しかし、担持要素によるモータ磁束と、それに伴う力発生への影響を避けるべく、担持要素は２次側部分磁石の磁気的能動範囲迄突出すべきではなく、２次側部分の磁石表面に対し十分に大きな間隔を有するべきである。この間隔は、磁石表面に対する積層鉄心の間隔、即ち１次側部分と２次側部分との間の空隙よりも大きくあるべきである。このような十分に大きな間隔は自然の成り行きで達成される。何故ならば、２次側部分磁石の強い磁界内での移動時に誘導される渦電流による所望の制動作用を得るために磁石近くにおけるこの磁気的能動範囲に制動要素自体が存在するからである。同時に制動要素は、モータの磁束が歪められないように、かつモータの力発生に不都合な影響を受けないように、低い透磁率を持たなければならない。

制動要素は、好ましくは鋼板部分の歯として形成された担持構造又は担持要素に、力結合、物質結合又は形状結合により装着可能であるとよい。制動要素は、例えば接着、ねじ止め、嵌め込みのような適切な接続、又は蟻継ぎにより、積層鉄心の担持歯として形成された担持要素に装着可能である。担持要素は積層鉄心に把持又は挟持されていてもよい。

制動要素は、担持要素と制動要素との間で熱交換が行なわれるように配置されている。モータの積層鉄心又は個別積層鋼板への制動要素の熱的な結合又は接続が存在する。何故ならば、モータ鋼板と担持要素とが、特に一体的に構成されているからである。制動要素内に誘導される渦電流によって熱が発生し、この熱は適切に排出されるべきである。何故ならば、そうでないと強すぎる熱発生が起き、これが場合によっては構成部品の損傷をもたらし得るからである。

積層鉄心は担持要素と一緒に一体的に構成されていることが好ましい。担持要素は積層鋼板製作時に既に形成されていて、即ち一体の鋼板部分が存在し、それによって担持要素付きの個別積層鋼板の簡単な低コストの製作が可能である。

積層鉄心および担持要素は２つの部分で構成されていてもよく、この場合に担持要素は力結合、物質結合又は形状結合により積層鉄心に装着可能である。

制動要素は、塊状のアルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）から作られているとよい。これらの原材料は高い導電度を有し、低コストでありかつ簡単に加工可能である。

２次側部分の磁石上での、１次側部分の移動時に制動要素内に誘導される渦電流に基づいて制動作用が得られるように、能動的な制動要素は塊状に形成される。同時に制動要素は、モータの磁束が歪められないように、かつモータの力発生が不都合な影響を及ぼされないように、低い透磁率を持たねばならない。

更に他の構成においては、担持要素は、少なくとも部分的に又は完全に隣接コイルに熱交換のために接するように構成される。この結果、コイルの冷却が改善される。

制動要素の空隙側に向いた面は丸く形成されているとよい。制動要素は、例えば予め与え得る半径にて丸くされたエッジを有する。この措置は、コギング力の低減に寄与する。

各鋼板に担持要素を持たせない可能性が存在する。例えば、各２番目の鋼板のみが担持要素を有する。一片的な１次側部分、即ち唯一の積層鉄心を有する１次側部分の場合、各鋼板が１つのみの担持要素を鋼板の一方の端部に有することができる。個々の積層鋼板を次のようにつなぎ合わせて積層鉄心を構成するとよい。即ち、個々の積層鋼板の向きを変えることで、一度は左向き又は右向きに向けることができる。それによって担持要素の十分な剛性が得られる。

制動要素は、積層鉄心の最初および最後の鋼板が、各々積層鉄心の主歯の長さに相当する長さを持った担持要素を有するように配置されていてもよい。長い外側の鋼板が各々開口又は孔を有し、開口又は孔を通してピンにより制動要素が外側鋼板の間に配置されるとよい。長い担持要素を有する２つの外側の鋼板は、本来のモータ磁束又はモータの力発生の比較的僅かの妨害しかもたらさない。

リニアモータの構造空間的に最適な構成のために、最小の幅と、１次側部分（巻線および積層鉄心）電磁能動部分に対する担持歯（担持要素）のできるだけ僅かの間隔とが得られるように努められる。

更に制動要素は、積層鉄心の隣接のコイル歯に対して間隔を有する。隣接のコイル歯に対する積層鉄心の間隔は、最後のコイルとのできるだけ高い磁束鎖交およびそれに伴う最後のコイルの誘起電圧の所望の引き上げ行なわれるようにすべく、当該間隔が２次側部分の磁極ピッチに相当するように選ばれることが好ましい。

リニアモータの構造空間的に最適な構成のために、制動要素の最小の幅とできるだけ僅かの間隔とが得られるように努められる。この結果、隣接のコイル歯からの制動要素の最適な間隔がもたらされ、この間隔は２次側部分の磁極ピッチよりも小さい。しかし、制動要素の間隔は、２次側部分の磁極ピッチよりも大きくてもよい。

リニアモータの１次側部分は、移動方向に相前後して配置された多数の積層鉄心から構成され得る。それに応じて中間に配置される積層鉄心は制動要素を持たず、本発明によれば制動要素がその各端部にだけ、即ち１次側部分の端面にだけ配置されている。この際、例えば右側に要素を有する鋼板の向きを変えることで左側に要素を有する鋼板になる故、この１次側部分の端面には完備した要素が存在する。１つのみの積層鉄心を有する１次側部分、即ち１片の１次側部分の場合には、各端に制動要素が設けられるべきである。

本発明の他の構成では、能動の制動要素および／又は対応する担持要素が積層鉄心の全幅にわたって形成されていない。積層鉄心の幅は、１次側部分の移動方向に対する横方向に広がっている。例えば制動要素が積層鉄心の部分範囲にわたってしか広がっていない。その場合、制動要素は、例えば積層鉄心の中間に配置されているとよい。部分的のみの制動要素の構成によって受動的な力脈動と能動的な力脈動との間の調整をリニアモータにおける相応の要求に従って行える。

本発明による１次側部分は、リニアモータのために提供される。しかし、１次側部分を回転機に置き換えることもでき、この場合に固定子は、例えば部分的回転のモータのように端部を有する。

以下、添付図面を参照しつつ実施例に基づき、本発明の特徴と詳細を更に詳しく説明する。個々の変形において記載する特徴と関係は、基本的に全実施例に転用可能である。

図１は、同期リニアモータ１を原理的に側面図で示す。同期リニアモータ１は１つ以上の積層鉄心３を有し、該鉄心の各板は図平面に対し平行に積層されている。リニアモータ１の移動方向を矢印Ｒで示す。１次側部分２は更にコイル４を有する。コイル４は、１つのスロット６内に異なるコイル４が存在するよう、１次側部分２の歯５を包囲している。更に、リニアモータ１は永久磁石８を備えた２次側部分７を有する。２次側部分７は図示しない機械台上に配置されている。永久磁石８は磁極ピッチτ_Mにて配置されている。しかし、磁極ピッチτ_Mは、２次側部分７に配置された励磁巻線の電気励磁によっても形成できる。１次側部分２および２次側部分７は空隙δによって互いに隔てられている。

１次側部分２のスロットピッチτ_Nは、好ましくは２次側部分の磁極ピッチτ_Mと等しくない。

積層鉄心３の端面Ｓ１とＳ２に、各々力脈動低減のための要素１１が配置されている。制動要素とも呼ばれる要素１１は導電性であり、できるだけ僅かな透磁率を有する。制動要素１１は塊状材料から構成され、従って制動要素内に渦電流が発生する。制動要素１１は、好ましくは積層鉄心３の歯として形成された担持要素１０に固定されている。

更に、制動要素１１は、担持歯１０と共に、主歯５の長さＬ₅に相当する長さＬ₁₀を有する。

リニアモータ１の構造空間的に最適な構成のため、最小の幅Ｂ₁₀と、１次側部分２の最後のコイル４に対する制動要素１１を有する担持要素１０のできるだけ僅かな間隔、即ち磁極ピッチτ_Mよりも小さい間隔とが得られるように努められる。それによって、担持要素１０に対する最後のコイル４の良好な熱的接触が作り出され、その結果最後のコイル４が良好に冷却される。

本発明によるリニアモータの側面図

１ リニアモータ、２ １次側部分、３ 積層鉄心、４ コイル、５ 歯、６ スロット、７ ２次側部分、８ 永久磁石、１０ 担持要素、１１ 力脈動低減のための要素、Ｌ₅、Ｌ₁₀ 長さ、Ｒ 移動方向、Ｓ１，Ｓ２ 端面、δ 空隙、τ_M 磁極ピッチ、τ_N スロットピッチ

Claims (8)

1. １次側部分（２）が、少なくとも１つの積層鉄心（３）からなり、端面（Ｓ１、Ｓ２）の一方又は両方に少なくとも１つの力脈動低減のための要素（１１）を有する電気機械の１次側部分（２）において、
   要素（１１）が導電性（κ_el＞０）であり、無視できるほど低い透磁率（μ_r≒１）を有することを特徴とする１次側部分。
2. 要素（１１）が機械的結合および熱的結合のための担持要素（１０）に配置されていることを特徴とする請求項１記載の１次側部分。
3. 担持要素（１０）が積層鉄心（３）に配置されており、担持要素（１０）が積層鉄心（３）と一体的に構成されていることを特徴とする請求項２記載の１次側部分。
4. 要素（１１）が力結合、物質結合又は形状結合により担持要素（１０）に装着可能であることを特徴とする請求項２又は３記載の１次側部分。
5. 要素（１１）が塊状のアルミニウム又は銅であることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の１次側部分。
6. 担持要素（１０）が少なくとも部分的に隣接する巻線又はコイル（４）に接触していることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の１次側部分。
7. 要素（１１）の空隙（δ）側の面および／又はエッジが予め与えられた半径で丸く形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の１次側部分。
8. 少なくとも１つの１次側部分（２）と少なくとも１つの２次側部分（７）を備え、該１次側部分（２）と２次側部分（７）が空隙（δ）によって互いに隔てられており、１次側部分（２）が少なくとも１つの積層鉄心（３）からなり、１次側部分（２）の各端面（Ｓ１、Ｓ２）の一方又は両方に少なくとも１つの力脈動低減のための要素（１１）を有する同期リニアモータ（１）において、
   リニアモータ（１）が請求項１乃至７記載の１つに記載の１次側部分（２）を有することを特徴とする同期リニアモータ。

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