JP2013219882A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】制御性をより向上させることができるリニアモータを提供する。
【解決手段】少なくともコイル１４の配列方向における両端のコイル１４ａ，１４ｉの巻数を他のコイルの巻数より多くすることにより、各コイル１４で発生する誘起電圧の値を同等とする。これにより、各コイル間の誘起電圧のバランスがとれるために推力リップルを抑制でき、結果として、制御性をより向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リニアモータに関するものであり、特に、コアを有する可動子を備えたリニアモータに関するものである。

従来より、表面側の極性が交互に異なるように永久磁石を配列した固定子と、コイルを巻装したコアを有し、固定子に対向配置された可動子とを備え、そのコイルに供給する三相交流電流を制御することにより可動子が永久磁石の配列方向に移動するように構成されたリニアモータが知られている。このようなリニアモータにおいて、可動子は、櫛形、すなわち板状のティースが一定間隔で互いに平行に並ぶ形状に形成された磁性体材料からなるコアと、このコアの各ティースに巻装されることにより一列に配列されたコイルとから構成されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−２４８４４８号公報

上述したようなリニアモータにおいて、一列に並ぶコイルのうち両端（可動子の両端）に位置するコイルは、一方の側のみでしか他のコイルと隣接していないので、鎖交磁束が他のコイルとは異なるものとなっている。このため、各コイルの誘起電圧がアンバランスとなるので、推力リップルが発生してコキングなどが生じてしまい、結果として、制御性が悪くなることがあった。

そこで、本発明は、制御性をより向上させることができるリニアモータを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るリニアモータは、極性が異なる磁石が交互に配列された固定部と、列設された複数のティースおよび各ティースに巻回されたコイルを有し、固定部に対して移動可能に配設された可動部とを備え、可動部が有するコイルのうち、少なくともティースの配列方向における両端のコイルの巻数は、他のコイルの巻数より多いことを特徴とするものである。

上記リニアモータにおいて、可動部が有するコイルは、ティースの列設方向に順に並ぶ３つのグループのうちの何れか１つに所属し、３つのグループは、それぞれ同数の複数のコイルが所属し、所属する前記コイルが直列に接続され、コイルは、同じグループに所属するコイルと巻数が同じであるようにしてもよい。

また、上記リニアモータにおいて、可動部が有するコイルは、所属するコイルと直列に接続され、ティースの列設方向に順に並ぶ３つのグループのうちの何れか１つに所属し、３つのグループは、それぞれ同数の複数のコイルが所属し、所属する前記コイルが直列に接続され、両端のコイルが所属するグループのコイルは、少なくとも当該両端のコイルの巻数が他のコイルの巻数より多いようにしてもよい。

本発明によれば、可動部の少なくともティースの配列方向における両端のコイルの巻数を他のコイルの巻数より多くすることにより、各コイルによる誘起電圧を同等とすることが可能となるので、各コイル間の誘起電圧のバランスがとれるために推力リップルを抑制でき、結果として、制御性をより向上させることができる。

図１は、本発明に係るリニアモータの構成を示す正面図である。 図２は、コイル１４の接続関係を示す図である。 図３は、誘起電圧特性を示す図である。 図４は、推力リップルの測定結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１に示すように、リニアモータ１は、固定部２と、この固定部２に対して移動可能に配設されてる可動部３とを備えている。

固定部２は、一軸方向に延在する板状の固定ヨーク１１と、この固定ヨーク１１上面に可動部３と対向する表面側の極性が交互に異なるように配設された複数の永久磁石１２とを備えている。

可動部３は、磁性材料からなる電機子コア１３と、これに巻装されるコイル１４（１４ａ〜１４ｉ）とを備えている。ここで、電機子コア１３は、一軸方向に延在する板状の基部１３１と、この基部１３１に一列に垂設された複数のティース１３２とから構成されており、全体として櫛形の形状を有している。各ティース１３２には、コイル１４がそれぞれ巻装されている。

コイル１４ａ〜１４ｉは、三相交流電流が供給されるので、供給される電流の相に対応した３つのグループに分けられている。本実施の形態では、コイル１４の配列方向にそれぞれ３つのコイルずつ、Ｕ相（コイル１４ａ〜１４ｃ）、Ｖ相（コイル１４ｇ〜１４ｉ）およびＷ相（コイル１４ｄ〜１４ｆ）という３グループに分けられている。各グループのコイル１４は、図２に示すように、互いに直列に接続されている。

このようなコイル１４ａ〜１４ｉの巻数は、少なくともコイル１４の配列方向における両端のコイル１４ａ，１４ｉの巻数が、他のコイルの巻数より多くなるように設定される。このとき、両端のコイル１４ａ，１４ｉが所属するグループの他のコイル、すなわちＵ相、Ｖ相のコイル１４ｂ，１４ｃ，１４ｇ，１４ｈの巻数は、両端のコイル１４ａ，１４ｉの巻数と同じでもあってもよく、コイル１４ａ，１４ｉの巻数よりも少なくてもよい。

本実施の形態とは異なり、全てのコイルの巻数を同等とした場合、各コイルにより発生する誘起電圧は異なることとなる。この場合のシミュレーション結果を図３に示す。なお、図３は、本実施の形態と同様に可動部の櫛歯状のティースに９つのコイルをそれぞれ同じ巻数で巻回したときのシミュレーション結果である。
そのようにコイルを一列に配列した場合、両端のコイルは片側にしかティースが存在しないので、他のコイルと鎖交磁束が異なってしまう。すると、図３に示すように、両端のコイルを含むＵ相およびＶ相と、両端のコイルを含まないＷ相とでは、誘起電圧が異なってしまう。このときの誘起電圧のピーク−ピーク値（Ｖｐ−ｐ）は、Ｕ相およびＶ相を１００とした場合、Ｗ相が１０５となっており、これらの間で約５［％］の差がある。このように各コイルにより発生する誘起電圧が異なると推力リップルが発生するので、コギングなどが生じてしまいモータの制御性が悪くなる。

そこで、本実施の形態では、少なくともコイル１４の配列方向における両端のコイル１４ａ，１４ｉの巻数を他のコイルの巻数より多くすることにより、各コイル１４で発生する誘起電圧の値を同等とする。これにより、各コイル間の誘起電圧のバランスがとれるために推力リップルを抑制でき、結果として、制御性をより向上させることができる。

次に、各コイル１４の巻数の設定方法について説明する。

まず、コイル１４に三相交流電圧を印加することにより可動部３を一定速度で移動させて、このときの各グループの端子間電圧を測定する。ここで、端子間電圧は、中性点と、各相の中性点とは反対側の端子との間の電圧である。
端子間電圧を測定すると、この測定結果と、可動部３の構成とに基づいて磁気解析を行い、それぞれの誘起電力が同等となるコイル１４の巻数を演算する。この演算結果に基づいて、各コイル１４の巻数を決定する。

このような設定方法により本実施の形態にかかるリニアモータ１についてコイル１４の巻数を演算した。ここでは、各グループのコイルの巻数を相毎に同じにする場合について演算を行ったので、各グループによる誘起電圧が同等となる各グループのコイルの巻数を求めた。その結果、Ｕ相およびＶ相のコイル１４ａ〜１４ｃ，１４ｈ〜１４ｉの巻数に対して、Ｗ相のコイル１４ｄ〜１４ｆの巻数を約３％多くすることにより、各グループの誘起電圧が最も同等になるという演算結果を得ることができた。

図４は、同形状のコアおよびボビンに対して、全コイルを同じ巻数で巻いた場合と誘起電圧が等しくなるように巻数のバランスを調整した場合とで推力リップルの大きさを比較したものである。この図４によく示されるように、推力リップルは、全てのコイルの巻数が同じ場合よりも誘起電圧が等しくなるように巻数バランスを調整した場合の方が、約３０〜５０％低減できることがわかる。

従来では、各グループでコイル１４の巻数を異ならせると、各相（コイル）の抵抗値が変化するために電流値も変化するので、中性点における電流値が０にならず無効循環電流が生じてしまい、リニアモータの効率を低下させていた。しかしながら、本実施の形態によれば、各グループ（コイル）による発生する誘起電圧の値が等しくなるように各コイル１４の巻数を設定することにより、無効循環電流の発生を抑制できるので、結果として、リニアモータの効率の低下もより防ぐことができる。

このように、Ｕ相およびＶ相のコイル１４ａ〜１４ｃ，１４ｇ〜１４ｉの巻数をＷ相のコイル１４ｄ〜ｆの巻数より多くすることにより、各相による誘起電圧を同等とすることが可能となるので、各グループ間の誘起電圧のバランスがとれるために推力リップルを抑制でき、結果として、制御性をより向上させることができる。

なお、図４のシミュレーションにおいては、１つのグループに含まれるコイルの巻数を同じとする場合を例に説明したが、少なくとも可動部２の両端に位置するコイルが他のコイルの何れかより巻数が多いのであれば、各グループ内においてもコイルの巻数を適宜自由に設定することができるのは言うまでもない。例えば本実施の形態のように、Ｕ相（コイル１４ａ〜１４ｃ）、Ｖ相（コイル１４ｇ〜１４ｉ）およびＷ相（コイル１４ｄ〜１４ｆ）という３つのグループで９つのコイルを備える場合、可動部３の両端に位置するコイル１４ａ，１４ｉのみを他のコイル１４ｂ〜１４ｈよりも巻数を多くするようにしてもよい。このようにしても、各グループによる誘起電圧を同等とすることが可能となるので、各相間の誘起電圧のバランスがとれるために推力リップルを抑制でき、結果として、制御性をより向上させることができる。

また、本実施の形態においては、各グループのコイルが３つから構成される場合を例に説明したが、各グループのコイルが直列に接続されておりかつ各グループのコイルの数量が同等であるならばコイルの数量は３つに限定されず、例えば１つや２つまたは４つ以上など適宜自由に設定することができる。

さらに、本実施の形態では、各グループを１つずつ設ける場合を例に説明したが、各グループを複数設けるようにしてもよい。例えば、本実施の形態では、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相という順番でコイル１４のグループが配列されているが、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相、…というように３つのグループを１つの単位として繰り返し配列するようにしてもよい。この場合においても、各グループにおけるコイルの数量は適宜自由に設定することができる。

本発明は、コアを有するリニアモータに適用することができる。

１…リニアモータ、２…固定部、３…可動部、１１…固定ヨーク、１２…永久磁石、１３…電機子コア、１４，１４ａ〜１４ｉ…コイル、１３１…基部、１３２…ティース。

Claims (3)

1. 極性が異なる磁石が交互に配列された固定部と、
   列設された複数のティースおよび各ティースに巻回されたコイルを有し、前記固定部に対して移動可能に配設された可動部と
   を備え、
   前記可動部が有する前記コイルのうち、少なくとも前記ティースの配列方向における両端のコイルの巻数は、他のコイルの巻数より多い
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記可動部が有する前記コイルは、前記ティースの列設方向に順に並ぶ３つのグループのうちの何れか１つに所属し、
   前記３つのグループは、それぞれ同数の複数の前記コイルが所属し、所属する前記コイルが直列に接続され、
   前記コイルは、同じグループに所属するコイルと巻数が同じである
   ことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記可動部が有する前記コイルは、前記ティースの列設方向に順に並ぶ３つのグループのうちの何れか１つに所属し、
   前記３つのグループは、それぞれ同数の複数の前記コイルが所属し、所属する前記コイルが直列に接続され、
   前記両端のコイルが所属するグループのコイルは、少なくとも当該両端のコイルの巻数が他のコイルの巻数より多い
   ことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。

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