JP2012095414A - リニアモータおよびこれを用いた搬送システム - Google Patents

Abstract

【課題】 一次側の電機子が固定側となる同期形リニアモータにおいて、電機子両端のインダクタンス低下の問題を解消し、これによる制御系の複雑化、モータ効率低下を回避する。
【解決手段】 固定設置された一次側の電機子３と、永久磁石からなる二次側の可動子４とでなる。前記電機子３が、それぞれ３相交流の各相の電極３Ｕ，３Ｖ，３Ｗを有する。この形式のリニアモータ１において、電極並び方向の両端の電極３Ｕ，３Ｗを除く中間の電極３Ｖを、両端の電極３Ｕ，３Ｗに比べて、可動子４に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとする。一次側の電機子３は一個であっても良いが、電機子３を可動子移動方向に間隔を開けて配列した離散配置形のリニアモータの場合に、より効果的に適用できる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、３相交流で駆動される同期形のリニアモータ、例えば、一次側の電機子を離散配置したリニアモータ、およびこれを用いた搬送システムに関する。

リニアモータは、物流装置の搬送台車や工作機械のローダとなる搬送装置等において、その走行駆動等に用いられることがある。リニアモータには、リニア誘導モータ（ＬＩＭ）、リニア同期モータ（ＬＳＭ）、リニア直流モータ等があるが、長距離の走行システムとして主に使用されているのは、リニア誘導モータである。リニア同期モータは、地上側にマグネットを配置してコイル側を移動する方式が大部分を占める。

井出 かず盛著、「図解入門よくわかる最新モータ技術の基本とメカニズム」、株式会社秀和システム発行、２００９年８月３０日、ｐ１４０〜１４１

リニア誘導モータは推力が低くて走行性能の向上が困難であるため、工作機械のローダとなる搬送装置等への適用において、リニア同期モータの採用を試みた。従来のリニア同期モータは、地上側にマグネットを配置してコイル側を移動する方式が大部分を占める。しかし、コイル側を移動させるには、可動子に給電が必要であり、可動子への配線の都合上、無端経路での走行が不能であるなど、走行経路が限られたり、給電系が複雑化する。このため、リニア同期モータにおいて、地上側に一次コイルを配置することを試みた。
しかし、地上側に一次コイルを配置する場合、従来のリニアモータのように、移動経路の全長に渡って連続してコイルを配置するのでは、コイルの使用量が増えてコストが増大する。

このような課題を解消する同期形リニアモータとして、それぞれが独立した１台のリニアモータの一次側の電機子として機能可能な電機子からなる複数の個別モータを、可動子の移動方向に間隔を開けて配列した離散配置のリニア同期モータを考えた。各個別モータは個別に制御する。可動子は、各個別モータを乗り移って移動することになる。この構成によると、個別モータが離散配置されるため、コイルの使用量が削減でき、コスト低下が図れる。

各個別モータとなる電機子には、それぞれ３相交流の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの電極となる３つの電極を可動子移動方向に並んで有するものを用いる。

しかし、従来のリニアモータの電機子では、図７に示すように、３相の各極の電極３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗが互いに同じ形状，寸法のものとされている。そのため、両端の電極３０Ｕ，３０Ｗにおけるインダクタンスが低くなる。これは、永久磁石からなる可動子４０を通る磁束の経路を考えた場合、中央の電極では両側に隣の電極３０Ｕ，３０Ｗのコアがあって、磁気抵抗が低いのに対して、両端の電極３０Ｕ，３０Ｗでは、片方にしか隣の電極のコアがないため、符号ａで磁束の経路示すように、磁束が空気中を通ることになるためである。

このように両端の電極におけるインダクタンスが低くなると、その補償のために制御系が複雑になるうえ、リニアモータが効率の悪いものとなる。特に、上記の離散配置のリニアモータでは、個別モータとなる電機子毎に両端でインダクタンスが低くなるため、制御系の複雑化、モータ効率低下の問題が大きい。
電機子の電極の数が、例えば９個以上と多いと、両端でインダクタンスが低くなることによる問題は、３極に比べると影響が小さいものとなるが、制御系の複雑化、モータ効率低下の問題はある。
また、この課題は、上記の離散配置のリニアモータに限らず、単独の一次側電機子のリニアモータにおいても生じる。

この発明の目的は、一次側の電機子が固定側となる同期形リニアモータにおいて、電機子両端のインダクタンス低下の問題を解消し、両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化、モータ効率低下を回避できるリニアモータを提供することである。
この発明の他の目的は、コイルの使用量が削減や給電形式上で有利となる個別モータの離散配置形式を採用しながら、各個別モータとなる電機子の両端のインダクタンス低下の問題を解消し、両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化、モータ効率低下を回避できるようにすることである。
この発明のさらに他の目的は、駆動源として構成の簡素なリニアモータを用いながら、リニアモータにおける電機子両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化、モータ効率低下を回避できる搬送システムを提供することである。

この発明の第１のリニアモータは、固定設置された一次側の電機子と、永久磁石からなる二次側の可動子とでなり、前記電機子が、それぞれ３相交流の各相の電極となる３の整数倍の電極を可動子移動方向に並んで有するリニアモータにおいて、電極並び方向の両端の電極を除く中間の電極を、前記両端の電極に比べて、可動子に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたことを特徴とする。磁気抵抗が大きくなる形状とし、かつコイル巻き数が少ないものとしても良い。上記の磁気抵抗が大きくなる形状とすることは、コア寸法を小さくすることであり、例えば、コアと可動子との対向方向の高さを低くして可動子とのエアギャップを大きくする形状とされる。この他に、可動子移動方向と直交する方向のコアの幅を狭くする形状や、コアを先細りとする形状等としても良い。

この構成によると、中間の電極を、前記両端の電極に比べて、可動子に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたため、電機子の全ての電極のインダクタンスが均等化される。すなわち、両端の電極では片方にしかコアがなくてインダクタンスの低下するが、中間の電機子では両端の電機子よりも磁気抵抗が大きくなる形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたことでインダクタンスが低下する。そのため、電機子の全ての電極のインダクタンスが均等化される。なお、端部および中間の両方のインダクタンスが低下するように説明したが、コアの小型化やコイル巻き数低下を伴うため、同じコア寸法やコイル巻き数で比較すると、均等化によってモータ効率が向上する。このようにインダクタンスが均等化されるため、両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化や、モータ効率低下を回避することができる。

この発明の第２のリニアモータは、第１のリニアモータの上記構成を、離散配置形のリニアモータに適用したものである。すなわち、第２のリニアモータは、それぞれが独立した１台のリニアモータの一次側の電機子として機能可能な複数の個別モータを、二次側の可動子の移動方向に間隔を開けて配列し、前記二次側の可動子が永久磁石からなり、前記各個別モータである電機子が、それぞれ３相交流の各相の電極となる３の整数倍の電極を可動子移動方向に並んで有するリニアモータにおいて、前記各個別モータである電機子につき、電極並び方向の両端の電極を除く中間の電極を、前記両端の電極に比べて、可動子に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたことを特徴とする。
この構成の場合、第１のリニアモータと同様に、電機子両端のインダクタンス低下の問題を解消し、両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化、モータ効率低下を回避することができる。また、個別モータの離散配置のため、コイルの使用量が削減や給電形式上で有利となる。

この発明の搬送システムは、レールに沿って走行自在な走行体に、被搬送物を保持する手段を有する搬送システムにおいて、前記走行体の駆動源として、この発明の上記いずれかの構成のリニアモータを用いたものである。
この構成によると、駆動源として構造の簡素なリニアモータを用いながら、リニアモータにおける電機子両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化、モータ効率低下を回避することができる。

この発明の第１のリニアモータは、固定設置された一次側の電機子と、永久磁石からなる二次側の可動子とでなり、前記電機子が、それぞれ３相交流の各相の電極となる３の整数倍の電極を可動子移動方向に並んで有するリニアモータにおいて、電極並び方向の両端の電極を除く中間の電極を、前記両端の電極に比べて、可動子に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたため、一次側の電機子が固定側となる同期形リニアモータにおいて、電機子両端のインダクタンス低下の問題を解消し、両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化、モータ効率低下を回避することができる。

この発明の第２のリニアモータは、それぞれが独立した１台のリニアモータの一次側の電機子として機能可能な複数の個別モータを、二次側の可動子の移動方向に間隔を開けて配列し、前記二次側の可動子が永久磁石からなり、前記各個別モータである電機子が、それぞれ３相交流の各相の電極となる３の整数倍の電極を可動子移動方向に並んで有するリニアモータにおいて、前記各個別モータである電機子につき、電極並び方向の両端の電極を除く中間の電極を、前記両端の電極に比べて、可動子に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたため、コイルの使用量の削減や給電形式上で有利となる個別モータの離散配置形式を採用しながら、各個別モータとなる電機子の両端のインダクタンス低下の問題を解消し、両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化、モータ効率低下を回避することができる。

この発明の搬送システムは、レールに沿って走行自在な走行体に、被搬送物を保持する手段を有する搬送システムにおいて、前記走行体の駆動源として、この発明の上記いずれかの構成のリニアモータを用いたため、駆動源として構成の簡素なリニアモータを用いながら、リニアモータにおける電機子両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化、モータ効率低下を回避することができる。

この発明の一実施形態におけるリニアモータの一部の断面図である。 同リニアモータの一次側の電機子の平面図、および同電機のコアの斜視図である。 同電機子の正面図および側面図で示す電機配線の説明図である。 同リニアモータの一部省略断面図である。 同リニアモータの一次側の電機子におけるコアの各種変形例をそれぞれ示す斜視図である。 同リニアモータを用いた搬送装置の正面図である。 従来例の説明図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図４に示すように、このリニアモータ１は、３相交流で駆動されるリニア同期モータ（ＬＳＭ）であって、それぞれが独立した１台のリニアモータの一次側の電機子として機能可能な電機子からなる複数の個別モータ３を、可動子４の移動方向Ｘに間隔を開けて設置した離散配置リニアモータである。各個別モータ３である電機子は、共通のフレーム５に設置されている。フレーム５には、この他に、各個別モータ３毎に、可動子４の位置を検出する位置検出器（図示せず）が設置される。可動子４は、永久磁石からなるＮ，Ｓの磁極を可動子基体４ａに移動方向Ｘに並べて複数設けたものであり、前記フレーム５に設けられたレール（図示せず）によって進退自在に案内される。

図１に示すように、各個別モータ３である電機子は、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）毎に一つの電極３Ｕ，３Ｖ，３Ｗを設けた３極の電機子とされ、これら電極３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの並び方向は、可動子４の移動方向Ｘとされる。各電極３Ｕ，３Ｖ，３Ｗは、それぞれコア３Ｕａ，３Ｖａ，３Ｗａと、コイル３Ｕｂ，３Ｖｂ，３Ｗｂとでなる。コア３Ｕａ，３Ｖａ，３Ｗａは、共通のコア基台部３ｄからくし歯状に突出したものである。このコア３Ｕａ，３Ｖａ，３Ｗａとコア基台部３ｄとでなるコア・コア基台部一体品は、それぞれコア３Ｕａ，３Ｖａ，３Ｗａおよびコア基台部３ｄとなる部分を有する鋼板を積層した積層鋼板で構成される。

各コイル３Ｕｂ，３Ｖｂ，３Ｗｂは、図３に示すように各コア３Ｕａ，３Ｖａ，３Ｗａにそれぞれ巻回され、個別結線部６ａで各相の引き込み線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに接続されて、インバータ等の３相交流電源（図示せず）の各相の出力端子に接続されている。また、これらの引き込み線６Ｕ，６Ｖ，６Ｗは、スター結線部６ｂで互いにスター結線されている。

図１において、各個別モータ３となる電機子は、電極並び方向（Ｘ）の中間の電極３Ｖを、前記両端の電極３Ｕ，３Ｗに比べて、可動子４に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とされている。具体的には、中央のコア３Ｖａの可動子対向方向の高さｈ１を、両端のコア３Ｕａ，３Ｗａの高さｈ２よりも低くしており、これより可動子４とのエアギャップＧを大きくしている。

中央の電極３Ｖのコア３Ｖａの磁気抵抗を大きくする形状としては、この他に、図５（Ａ）に示すように、可動子移動方向Ｘと直交する方向のコアの幅Ｗを狭くする形状や、図５（Ｂ）のようにコア３Ｖａを先細りとする形状等としても良い。コアの幅Ｗを狭くする構成としては、コア幅方向に鋼板３ｅを積層した積層鋼板でコア・コア基台部一体品を構成した場合、中央のコア３Ｖａの積層枚数を少なくする構成で実現できる。
中央の電極３Ｖは、コア３Ｖａの磁気抵抗を大きくする代わりに、またはコア３Ｖａの磁気抵抗を大きくする構成に加えて、コイル３Ｖｂの巻き数を両側の電極３Ｕ，３Ｗのよりも少なくしても良い。

なお、上記離散配置形のリニアモータ１の制御系は、例えば、各個別モータ３をそれぞれ制御する複数の個別モータ制御手段と、これら複数の個別モータ制御手段に位置指令を与える一つの統括制御手段（いずれも図示せず）とで構成される。

この構成のリニアモータ１によると、中間の電極３Ｖを、前記両端の電極３Ｕ，３Ｗに比べて、コア３Ｖの可動子４に対する磁気抵抗が大きくなる形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたため、個別モータ３である電機子の全ての電極３Ｕ，３Ｖ，３Ｗのインダクタンスが均等化される。すなわち、両端の電極３Ｕ，３Ｗでは、これらの電極３Ｕ，３Ｗに対して片方にしか隣のコアがなくてインダクタンスの低下するが、中間の電極３Ｖでは磁気抵抗が大きくなる形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたことでインダクタンス低下する。そのため、電機子の全ての電極３Ｕ，３Ｖ，３Ｗのインダクタンスが均等化される。このようにインダクタンスが均等化されるため、両端のインダクタンス低下による制御系の複雑化や、モータ効率低下を回避することができる。

また、この実施形態では、個別モータ３の離散配置のため、コイルの使用量の削減や給電形式上で有利となる。離散配置のリニアモータは、通常では、各個別モータ３につき、上記のように両端でインダクタンスが低下するという問題があるが、この実施形態では、上記のように、各個別モータ３の両端でのインダクタンス低下の問題がない。そのため、制御上の複雑化やモータ効率の低下を抑えて、離散配置によるコイルの使用量の削減や給電形式上の有利さという利点を得ることができる。

なお、上記実施形態では、個別モータ３を離散配置したリニアモータ１に適用した場合につき説明したが、この発明は、上記個別モータ３に相当する一次側の固定子となる電機子が１個のリニアモータに適用しても良い。また、この一次側の固定子となる電機子は、３個の整数倍の電極を、可動子移動方向に並んで有するものであっても良い。その場合、電極並び方向の両端の電極を除く中間の電極を、前記両端の電極に比べて、可動子に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとする。

図６は、上記実施形態の離散配置形リニアモータ１を走行体の駆動源として用いた搬送システム２１の一例を示す。リニアモータ１は、離散配置形であれば、上記各実施形態におけるどの構成のリニアモータを用いても良い。この搬送システムは、旋盤等からなる工作機械２０に対してワークの搬入搬出を行うガントリ型のローダとなるものである。この搬送システム２１は、水平なフレーム２２に長さ方向に沿って設けられたレール（図示せず）に走行体２３が走行自在に設置され、走行体２３に、走行方向（Ｘ方向）と直交する方向である前後方向（Ｚ方向）に移動自在に前後移動台２４が搭載されている。前後移動台２４にロッド状の昇降体２５が昇降自在に設置され、昇降体２５の下端に被搬送物であるワークを保持可能なチャック２６を有するローダヘッド２７が設けられている。チャック２６と、工作機械２０の主軸２０ａとの間で、ワークの受渡しが行われる。

上記走行体２３の走行駆動源として、リニアモータ１が設けられている。リニアモータ１の各個別モータ３は、フレーム２２に長さ方向に沿って配列され、走行体２３に前記可動子４が設けられている。

なお、上記各実施形態のリニアモータ１は、工作機械のローダとなる搬送システムの他に、物流用や各種産業機械における搬送システムの走行体の駆動に用いても良い。

１…リニアモータ
３…個別モータ（電機子）
３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ…電極
３Ｕａ，３Ｖａ，３Ｗａ…コア
３Ｕｂ，３Ｖｂ，３Ｗｂ…コイル
４…可動子
２０…工作機械
２１…搬送システム
２３…走行体
２６…チャック（被搬送物を保持する手段）
ｈ１，ｈ２…高さ
Ｘ…電極並び方向

Claims (3)

1. 固定設置された一次側の電機子と、永久磁石からなる二次側の可動子とでなり、前記電機子が、それぞれ３相交流の各相の電極となる３の整数倍の電極を可動子移動方向に並んで有するリニアモータにおいて、
   電極並び方向の両端の電極を除く中間の電極を、前記両端の電極に比べて、可動子に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたリニアモータ。
2. それぞれが独立した１台のリニアモータの一次側の電機子として機能可能な複数の個別モータを、二次側の可動子の移動方向に間隔を開けて配列し、前記二次側の可動子が永久磁石からなり、前記各個別モータである電機子が、それぞれ３相交流の各相の電極となる３の整数倍の電極を可動子移動方向に並んで有するリニアモータにおいて、 前記各個別モータである電機子につき、電極並び方向の両端の電極を除く中間の電極を、前記両端の電極に比べて、可動子に対する磁気抵抗が大きくなるコア形状とし、またはコイル巻き数が少ないものとしたリニアモータ。
3. レールに沿って走行自在な走行体に、被搬送物を保持する手段を有する搬送システムにおいて、前記走行体の駆動源として、請求項１または請求項２記載のリニアモータを用いた搬送システム。
   

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