JP2011199936A - リニアモータおよびその電機子構造 - Google Patents

Abstract

【課題】より小さい可動子重量でありながら大推力を発生可能なリニアモータおよびその電機子構造を提供する。
【解決手段】複数の永久磁石を並べて配置した磁極と、上記永久磁石列と磁気的空間を介して対向すると共に、対向面に複数のスロットとティースを有する電機子に電機子コイルを巻装した電機子とを備え、上記磁極と上記電機子との何れか一方を固定子に、他方を可動子として、上記磁極と上記電機子を相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、上記電機子の上記ティース幅寸法がティース先端から付根部に向い漸次増加し、ティースとスロットとの幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロットとの幅寸法）がティース先端から付根部に向い漸次増加している。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアモータおよびその電機子構造に関し、特にサーボ制御に用いるのに適した低推力脈動、低ディテント推力でありながら大推力を発生可能なリニアモータに関するものである。また、本発明は、特に大出力や大推力を発生させて射出成形機の射出軸やプレス機械の加圧ラム（主軸）などに要求される高加速動作を実現するための駆動用モータを主たる対象とするものである。

リニアモータは、所定の設計形状の電磁鋼板を積層して作ったコアに電線を巻回して固定子コイルとした固定子と、構造部品に設けた磁石挿入用空間に永久磁石を挿入し固定した可動子とを組合せて構成されか、または、上記と逆にコアに電線を巻回して可動子コイルとした可動子と、構造部品に設けた磁石挿入用空間に永久磁石を挿入し固定した固定子とを組合せて構成される。

近年、大出力や大推力が必要な射出成形機の射出軸やプレス機械の加圧ラムなどにおいても、制御性能の向上や高加速動作などを目的にこの種のモータを用いる需要が強くなってきている。しかし、リニアモータはその原理上、大推力を得るにはコア付方式が必要であり、固定子に対する可動子の位置に応じての磁気特性の変化が大きいため、可動子のどの位置でも安定した動作特性が望まれる位置決め特性が重要な自動加工機の機械軸の駆動用としては、出力範囲に限界がある。例えば、位置に応じて可動子に発生する外乱推力であるディテント推力（無励磁の状態で可動子に変位を与えようとした場合に発生する反発力）や、推力対推力電流の比率である推力定数の可動子位置ごとの変動（推力脈動率）は大きいものである。

従来のこの種のリニアモータに採用される固定子側（または可動子側）の電磁鋼板の形状としては、図４に示すようにティース２３の幅Ｗ１が可動子対向側（または固定子対向側）であるティース先端側２３ｂからティース付根部側２３ａに向けて同一とし、かつ、スロット２５の幅Ｗ２が開口部側２５ｂから底部側２５ａに向けて同一となした、いわゆる「平行ティース、平行スロット」が一般的であった。このため、選択できる形状パラメータが少なく、最適設計を妨げていた。

また、前記用途のリニアモータに対しては、大推力であるとともに、高加速度を実現しやすいように可動子重量が小さいことが求められる。しかし、可動子重量を小さくするには可動子の寸法を小さくすることになるが、総磁束量が小さくなる問題がある。これを補うためにコイル電流を大きくして出力トルクを増大させようとすると、ティースの磁束密度が大きくなりすぎて隣接するティース間の漏れ磁束が増加して特性が頭打ちとなる。すなわち、大推力と高加速度の両者を満足させることは困難であった。

上記の対策として、固定子コア（または可動子コア）のティースの幅寸法を大きくすることが考えられるが、その分スロット幅が小さくなってコイルの断面積が少なくなって電流を増加できないという問題がある。

特許文献１（特開２００８−０１７６９４号）、特許文献２（特開２００６−０２５５０５号）には、磁気飽和限界を高くして推力を向上させたリニアモータが示されている。可動子の磁極を固定子から遠ざかるほど広くなるように形成することにより、磁気飽和限界を高く設定している。

特開２００８−０１７６９４号公報 特開２００６−０２５５０５号公報

しかしながら、外乱推力である上記ディテント推力は、可動子（または固定子）に接近して対向する固定子（または可動子）のティース幅とスロット幅の関係によって左右され、それぞれの寸法の関係を吟味しないと、外乱の低減と大きな推力を得る上でよい結果が得られない。また、他の外乱トルクとして、推力対推力電流の比率である推力定数の可動子位置ごとの変動（推力脈動率）についても同様である。特許文献１、特許文献２においては、出力可能最大推力、水力脈動率、ディテント推力について要求性能を満たす上での最適設定については考慮されていない。

本発明は、電機子コイルが巻装されるティースとスロットの幅に関して適切な関係を設定することにより、外乱推力を少なくし、これによって可動子の移動位置に沿って一様で大きな推力が得られ、かつ、高加速度制御を行えるリニアモータ及びその電機子構造を提供するものである。

上記課題を解決するため本発明は、複数の永久磁石を並べて配置した磁極と、上記永久磁石列と磁気的空間を介して対向すると共に、対向面に複数のスロットとティースを有する電機子に電機子コイルを巻装した電機子とを備え、上記磁極と上記電機子との何れか一方を固定子に、他方を可動子として、上記磁極と上記電機子を相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、
上記電機子の上記ティース幅寸法がティース先端から付根部に向い漸次増加し、ティースとスロットとの幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロットとの幅寸法）がティース先端から付根部に向い漸次増加していることを特徴とする。

また、本発明は、複数の永久磁石を並べて配置した磁極と、上記永久磁石列と磁気的空間を介して対向すると共に、対向面に複数のスロットとティースを有する電機子に電機子コイルを巻装した電機子とを備え、上記磁極と上記電機子との何れか一方を固定子に、他方を可動子として、上記磁極と上記電機子を相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、
上記電機子の上記ティース幅寸法がティース先端から付根部に向い所定の長さ区間一定であり、上記区間からティース付根部に向い漸次増加し、ティースとスロットとの幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロットとの幅寸法）がティース先端から付根部に向い漸次増加していることを特徴とする。

また、上記のリニアモータにおいて、上記電機子に巻装される電機子コイルの巻回数が、ティース先端側よりティース付根部側で少なく設定されたことを特徴とする。

また、電機子構造として、上記電機子の上記ティース幅寸法がティース先端から付根部に向い漸次増加し、ティースとスロットとの幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロットとの幅寸法）がティース先端から付根部に向い漸次増加していることを特徴とする。

また、電機子構造として、上記電機子の上記ティース幅寸法がティース先端から付根部に向い所定の長さ区間一定であり、上記区間からティース付根部に向い漸次増加し、ティースとスロットとの幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロットとの幅寸法）がティース先端から付根部に向い漸次増加していることを特徴とする。

また、上記電機子構造において、上記電機子に巻装される電機子コイルの巻回数が、ティース先端側よりティース付根部側で少なく設定されたことを特徴とする。

本発明によれば、外乱推力を少なくすることで可動子の移動位置に沿って一様で大きな推力が得られ、高加速度制御を行うことができる。

本発明実施例１の固定子のティースとスロットの構造説明図。 本発明実施例２の固定子のティースとスロットの構造説明図。 従来の固定子のティースとスロットの構造説明図。 本発明実施例のスロット奥部の電機子コイルによる磁気線の説明図。 本発明実施例のスロット開口部の電機子コイルによる磁気線の説明図。

以下、本発明の各実施例について図面を用いて説明する。実施例においては、複数の永久磁石を並べて配置した界磁極を可動子とし、上記界磁極に磁気的空間を介して対向する電機子コアに電機子コイルを巻装した電機子を固定子としている。

本発明の実施例１を図１に示す。１は電磁鋼板を積層して構成されたコアが直線状に延びる電機子（固定子）、２は電機子の背部、３は電機子に形成された複数のティース（図では３個のティースを示す。）、５はティース３の間に形成された複数のスロット、４は各ティース３を巻回するように各スロット５内に挿入された複数の電機子コイルである。ティース３には電機子の背部側の付根部３ａとティース先端側３ｂとがあり、スロット５には電機子の背部側の底部５ａと先端側の開口部５ｂとがある。８は電機子１のティース先端３ｂおよびスロット開口部５ｂ側と磁気的空間を介して対向し、直線状に延びる所定長さの可動子であり、対向面に複数の永久磁石７が所定ピッチで並べて埋設されている。図では、コイル４が１個のスロットの一部にのみ挿入された状態を示している。

上記構成において、固定子の電機子１に巻回された複数の電機子コイル４に三相交流を流すことにより、電機子１に移動磁界を発生させ、この移動磁界に永久磁石７を順次磁気吸引することにより、可動子としての磁極８を、矢印方向に直線移動させる。実際には、磁極８には移動テーブルなどを固定して直線移動させることになる。

本実施例では、付根部３ａでのティース３の幅寸法をＷｔ５、ティース先端３ｂでの幅寸法をＷｔ４とし、スロット５の底部５ａの幅寸法をＳ５、開口部５ｂでの幅寸法をＳ４としている。そして、電機子１のティース３の幅寸法がティース先端３ｂからティース付根部３ａに向い漸次増加し、Ｗｔ４＜Ｗｔ５になるように設定されている。また、スロット５の幅寸法が開口部４ｂから底部４ａに向い漸次減少し、Ｓ４＞Ｓ５になるように設定されている。

上記のように実施例１は、ティース付根部の幅ＷＴ５に対してティース先端部の幅ＷＴ４を小さくし、また、スロット底部５ａでの幅Ｓ５に対して、スロット開口部５ｂでの幅Ｓ４を大きくした形状となっている。

図３に従来例の電機子（固定子）形状を示す。ここで電機子２１は図１の電機子１と同一外形寸法あるとし、ティース形状は付根部２３ａの幅寸法（図１のＷＴ５に相当）とティース先端２３ｂの幅寸法（図１のＷＴ４に相当）とが同じＷ１であり、スロットの幅寸法は底部２５ａと開口部２５ｂで同じ幅寸法Ｗ２である。

電機子のティースに巻回される巻線の巻回数および並列本数が同じであり、巻線に流入する電流が同じ場合、図３において電機子２１のティースの幅をできるだけ大きくとることにより、ティース部分での磁気飽和が緩和され、ティース部分の有効磁束量が増大する。これにより、出力できるトルクの最大値を増大させることが可能となる。しかし、ティースの幅を広げるとスロットの幅が狭まるので、巻線の巻回数が減って発生磁束が減少する問題がある。電機子２１のコアのティース２３に流れ込んだ磁束が磁気抵抗の小さい背部２２に流れようとしてティースの付根部３ａに磁気が集中して飽和し易くなる。そこで実施例１では、ティース３の先端３ｂより付根部３ａの幅を広げて、磁気飽和を緩和することで、ティース部分の有効磁束量を増大させている。

ここで、ティース及びスロットについての形状は自由に選定していくことは可能であるが、最大出力推力と、各位置での一様な推力特性とを両立させることは容易ではない。特に、機械の可動部分の加速性能を向上するには駆動するモータ自体の可動子重量を小さくすることが必要であり、これによって可動子の長さは決まってしまう。固定子の可動子側の形状（ティース、スロットの寸法）は可動子長さと関連付けられているため、ティースなどに与えられる寸法をあまり小さくできず限界が生じる。

本発明の実施例２を図２に示す。図１と同一部分には同一符号で示す。本実施例２では、前記電機子１のティース部３の幅寸法（Ｗｔ４）がティース先端側３ｂから付根側３ａに向けて、ティース部３の長さの約中央の位置３ｃまでの区間（所定の長さ区間）で一定（Ｗｔ４）である。そして、前記位置３ｃから付根側３ａに向けて漸次増加し、付根側３ａで幅寸法Ｗｔ５となる。さらに、スロット５の幅寸法（Ｓ４）が開口部５ｂから底部５ａに向けて、スロット部５の長さの約中央の位置５ｃまでの区間（所定の長さ区間）で一定（Ｓ４）である。そして、前記位置５ｃから底部５ａに向けて漸次減少し、底部５ａで幅寸法Ｓ５となる。

本実施例２は先の実施例と同様に、ティース３とスロット５との幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロット幅寸法）がティース先端から付根部に向かい漸次増加している。

従って、実施例１と同様にティースの付根３ａの幅寸法をできるだけ大きくＷｔ５としており、磁気飽和が緩和されてティース部分の有効磁束量が増大する。

上記実施例によれば、スロット５の開口部５ｂと底部５ａでは幅寸法が異なって、Ｓ４＞Ｓ５の関係にあるため、電機子コイル４の巻回数が開口部５ｂ付近で多く、底部５ａで少なくなる。従って、コイル電流による磁束がスロット５の開口部５ｂ付近での増加し、底部５ａで減少することになる。図４にスロット５の底部５ａのコイルによる磁束の流れを示し、図５にスロット５の開口側５ｂ付近のコイルによる磁束の流れを示す。

スロット５の底部５ａのコイル４による磁束は、この底部５ａを中心とする円形の磁束が発生するため、図４に示すようにティース先端まで届きにくく、ティース間を横切る漏れ磁束が生じ易い。本実施例では、スロット５の底部５ａ付近のコイルによる磁束が減少するようにスロットの幅寸法が設定されているので、ティース間での漏れ磁束を少なく抑えることができる。

スロット５の開口部５ｂ付近のコイル４による磁束は、このコイル４を中心とした円形の磁束を発生するが、図５に示すようにティース先端５ｂが近いために、可動子８を流れる磁束となって可動子の推力として有効に作用する。本実施例では、スロット５の開口部５ｂ側のコイルによる磁束が増加するようにスロットの幅寸法が設定されているため、可動子の推力をより大きくすることができる。また、ティース付根３ａの幅寸法を大きく設定しているのでティース付根３ａの磁気抵抗が下がるため、開口部５ｂ側のコイルによる磁束は、ほぼ全て電機子１の背部２を通すことができ、磁気飽和による特性低下やティース間の漏れ磁束を防止することができる。

本実施例の固定子としての電機子１を用い、これと可動子としての磁極８を組合せてリニアモータを構成した場合、同じサイズおよび可動子の重量でありながら、要求される出力可能最大推力と可動子重量について、最も有利なリニアモータの特性を実現でき、射出成形機の射出性能の向上や制御性能の向上、また、プレス機械のプレス性能の向上や品質向上が実現できる。

１…電機子コア（固定子）、２…電機子の背部、３…ティース、３ａ…ティース付根、３ｂ…ティース先端、３ｃ…ティース中央位置、４…電機子コイル、５…スロット、５ａ…スロット底部、５ｂ…スロット開口部、５ｃ…スロット中央部、７…永久磁石、８…可動子。

Claims (8)

1. 複数の永久磁石を並べて配置した磁極と、上記永久磁石列と磁気的空間を介して対向すると共に、対向面に複数のスロットとティースを有する電機子に電機子コイルを巻装した電機子とを備え、上記磁極と上記電機子との何れか一方を固定子に、他方を可動子として、上記磁極と上記電機子を相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、
   上記電機子の上記ティース幅寸法がティース先端から付根部に向い漸次増加し、ティースとスロットとの幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロットとの幅寸法）がティース先端から付根部に向い漸次増加していることを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１記載のリニアモータにおいて、上記電機子に巻装される電機子コイルの巻回数が、ティース先端側よりティース付根部側で少なく設定されたことを特徴とするリニアモータ。
3. 複数の永久磁石を並べて配置した磁極と、上記永久磁石列と磁気的空間を介して対向すると共に、対向面に複数のスロットとティースを有する電機子に電機子コイルを巻装した電機子とを備え、上記磁極と上記電機子との何れか一方を固定子に、他方を可動子として、上記磁極と上記電機子を相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、
   上記電機子の上記ティース幅寸法がティース先端から付根部に向い所定の長さ区間一定であり、上記区間からティース付根部に向い漸次増加し、ティースとスロットとの幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロットとの幅寸法）がティース先端から付根部に向い漸次増加していることを特徴とするリニアモータ。
4. 請求項３記載のリニアモータにおいて、上記電機子に巻装される電機子コイルの巻回数が、ティース先端側よりティース付根部側で少なく設定されたことを特徴とするリニアモータ。
5. 複数の永久磁石を並べて配置した磁極と、上記永久磁石列と磁気的空間を介して対向すると共に、対向面に複数のスロットとティースを有する電機子に電機子コイルを巻装した電機子とを備え、上記磁極と上記電機子との何れか一方を固定子に、他方を可動子として、上記磁極と上記電機子を相対的に走行するようにしたリニアモータの電機子構造において、
   上記電機子の上記ティース幅寸法がティース先端から付根部に向い漸次増加し、ティースとスロットとの幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロットとの幅寸法）がティース先端から付根部に向い漸次増加していることを特徴とする電機子構造。
6. 請求項５記載の電機子構造において、上記電機子に巻装される電機子コイルの巻回数が、ティース先端側よりティース付根部側で少なく設定されたことを特徴とする電機子構造。
7. 複数の永久磁石を並べて配置した磁極と、上記永久磁石列と磁気的空間を介して対向すると共に、対向面に複数のスロットとティースを有する電機子に電機子コイルを巻装した電機子とを備え、上記磁極と上記電機子との何れか一方を固定子に、他方を可動子として、上記磁極と上記電機子を相対的に走行するようにしたリニアモータの電機子構造において、
   上記電機子の上記ティース幅寸法がティース先端から付根部に向い所定の長さ区間一定であり、上記区間からティース付根部に向い漸次増加し、ティースとスロットとの幅寸法の比率（ティース幅寸法／スロットとの幅寸法）がティース先端から付根部に向い漸次増加していることを特徴とする電機子構造。
8. 請求項７記載の電機子構造において、上記電機子に巻装される電機子コイルの巻回数が、ティース先端側よりティース付根部側で少なく設定されたことを特徴とする電機子構造。

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