JP2013225986A - 界磁ヨーク組立体及びリニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータの小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得る。
【解決手段】リニアモータ１００は、界磁ヨーク組立体３０を備え、界磁を固定部とし、電機子３を可動部として、界磁と電機子３を相対的に移動可能である。リニアモータ１００は、磁石列１４を取り付ける界磁ヨーク組立体３０を備える。界磁ヨーク組立体３０は、対向配置された２つのヨーク板１１と、ヨーク板１１の一方側端部１１ａにおいて該２つのヨーク板１１を片持ち梁状に支持するヨーク固定部１２と、を有し、２つのヨーク板１１間の隙間が、一方側端部１１ａよりも他方側端部１１ｂの方が大きくなるように構成される。
【選択図】図３

Description

開示の実施形態は、界磁ヨーク組立体及びこれを備えたリニアモータに関する。

特許文献１には、コアレス型のリニアモータが記載されている。このリニアモータは、交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークと、永久磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、集中巻にした複数個のコイル群を樹脂モールドにより固定し、かつ、平板状に成形された電機子コイルを有するコアレス型の電機子とを備え、界磁ヨークと電機子のいずれか一方を固定子に、他方を可動子として、界磁ヨークと電機子を相対的に走行させる。

特開２００１−８６７２６号公報

上記リニアモータは、２枚の平板状の界磁ヨークとこれらを片持ち梁状に平行に支持する界磁ヨーク固定板とからなる断面略コの字状の界磁ヨーク組立体を有する。界磁ヨーク組立体の各界磁ヨークの内側には、相対移動方向に交互に極性が異なるように配置された複数の永久磁石が、対向する永久磁石と極性が異なるように固定される。

このように構成されるリニアモータにおいて、高出力を得るために強力な永久磁石を用いると、対向配置された磁石同士の吸引力により界磁ヨークの撓みが大きくなり、可動子と固定子との隙間が確保できなくなるおそれがある。この撓みを小さくするためには、界磁ヨークの肉厚を厚くして剛性を高める必要があるが、モータの小型化、軽量化が困難になるという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得ることが可能な界磁ヨーク組立体及びリニアモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、界磁と電機子のいずれか一方を可動子、他方を固定子として、前記界磁と前記電機子を相対的に移動可能なリニアモータに用いられる界磁ヨーク組立体であって、対向配置された２つのヨーク板と、前記ヨーク板の一方側端部において前記２つのヨーク板を片持ち梁状に支持するヨーク固定部と、を有し、前記２つのヨーク板間の隙間が、前記一方側端部よりも他方側端部の方が大きくなるように構成される界磁ヨーク組立体が提供される。

本発明によれば、リニアモータの小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得ることができる。

一実施形態に係るリニアモータの外観を表す斜視図である。 図１中の矢視Ａから見たリニアモータの正面図であり、可動子の一部を透過して断面を表した図ある。 永久磁石の取り付け前及び取り付け後の界磁ヨーク組立体を表す正面図である。 ヨーク板自体を予め反った形状に加工しておく変形例における永久磁石の取り付け前及び取り付け後の界磁ヨーク組立体を表す正面図である。 反った形状のヨーク板の圧延ローラによる曲げ加工法、及び研削盤等による研削法を表わす説明図である。 ヨーク固定部でヨーク板を拡開状に支持する変形例における永久磁石の取り付け前及び取り付け後の界磁ヨーク組立体を表す正面図である。 ヨーク板の外側に熱膨張率の小さいプレートを貼り合わせておく変形例における永久磁石の取り付け前、取り付け後でリニアモータの駆動前、及びリニアモータの駆動後の界磁ヨーク組立体を表す正面図である。

以下、一実施形態を図面を参照しつつ説明する。

＜リニアモータの構成＞
図１及び図２に示すように、本実施形態に係るリニアモータ１００は、界磁となる固定子１と、電機子３を有する可動子２とを備えている。固定子１は、２つのヨーク板１１と、ヨーク固定部１２と、複数の永久磁石１３と、プレート１５とを有している。２つのヨーク板１１は、それぞれ同じ長尺の略矩形形状の平板であり、固定子１の長手方向に亘って互いに対向するよう配置されている。ヨーク固定部１２は、固定子１の幅方向の断面形状が略Ｕ字型で、長手方向全体に亘って設けられ、２つのヨーク板１１の一方側（図１及び図２中では下方側）端部の間を連結し、ヨーク板１１を片持ち梁状に支持している。

複数の永久磁石１３は、それぞれ固定子１の長手方向に短い略矩形形状の平板で構成されており、各ヨーク板１１のそれぞれの対向面に２つ一組で対向する配置で設けられている。そのような複数組の永久磁石１３が、固定子１の長手方向に沿って所定の間隔で並設されており、つまり各ヨーク板１１の内側面にそれぞれ長手方向に沿った永久磁石列１４が設けられている。同じ組で対向する２つの永久磁石１３どうしでは、それらの対向方向、つまり固定子１の幅方向で磁極の向きが逆であり、また固定子１の長手方向で隣接する２つの永久磁石１３どうしでも、互いに磁極の向きは逆となる。

また、ヨーク固定部１２の上面には長手方向に渡って溝部１２ａが形成されており、この溝部１２ａの幅は、上記一組の永久磁石１３の対向間隔とほぼ同じ寸法に設定されている。このため、図３に示すように、固定子１全体を正面から見た形状は略Ｕ字型となっている。

プレート１５は、ヨーク板１１とほぼ同じ形状の平板であり、この例ではヨーク板１１よりも薄く形成されている。プレート１５は、２つのヨーク板１１の外側に各々固着されており、ヨーク板１１と異なる金属材料で構成されている。

可動子２は、図２に示すように、電機子ベース２１と、プリント基板２２と、複数の電機子コイル２４と、モールド樹脂２５とを有している。電機子ベース２１は、略直方体形状で構成されており、その長手方向の長さは固定子１の長さより短い。プリント基板２２は、上記電機子ベース２１と同じ長さの略矩形形状の薄板であり、上記複数の電機子コイル２４にそれぞれ電力を供給するための配線がプリントされている。電機子コイル２４は、空芯型で集中巻きのコアレスコイルである。各電機子コイル２４は、モールド樹脂２５によりプリント基板２２に固定されている。

図２に示すように、複数の電機子コイル２４がモールド樹脂２５によりプリント基板２２の一方の表面に固定された全体が電機子３を構成し、この略板状の電機子３の上辺を、上記電機子ベース２１の下面の溝部２１ａに挿入して固定した全体が可動子２を構成する。そして、可動子２の下側に設けた電機子３を固定子１における２列の永久磁石列１４の間に挿入した状態で、コアレス型のリニアモータ１００が構成されている。なお、電機子３の構成は上記に限定されるものではなく、例えばプリント基板２２の両側に電機子コイル２４を配置してもよい。

リニアモータ１００は、固定子１側に永久磁石列１４からなる界磁を備え、可動子２側に電機子３を備えた構成である。可動子２側の電機子３に備えられた複数の電機子コイル２４にそれぞれＵ相、Ｖ相、及びＷ相の３相交流電力のいずれかを適宜の位相で供給することで、各電機子コイル２４がその軸方向両側を挟む永久磁石列１４から推進力を受ける。この推進力により、可動子２全体が固定子１に対してその長手方向に沿った相対移動を行う。

＜界磁ヨーク組立体の構成＞
図３に示すように、上記２つのヨーク板１１と、ヨーク固定部１２と、プレート１５とは、界磁ヨーク組立体３０を構成する。この界磁ヨーク組立体３０に永久磁石１３を接着等により固定することで、固定子１が組立てられる。プレート１５は、上述したようにヨーク板１１とは異種金属のプレートであり、ヨーク板１１よりも熱膨張率の大きい金属材料、例えばヨーク板１１を鉄製とした場合にはアルミニウム等が用いられる。高温化でプレート１５が固着された２つのヨーク板１１は、常温となった際に一方側（図３（ａ）中下側）端部１１ａから他方側（図３（ａ）中上側）端部１１ｂに向けて外側に反るように湾曲する。これにより、２つのヨーク板１１間の隙間が、他方側端部１１ｂ間で一方側端部１１ａ間よりも大きくなる。この隙間の差は、例えば零コンマ数ｍｍ程度であるが、図３（ａ）では理解を容易とするため隙間の差を大幅に拡大して図示している（以下の図も同様）。この結果、界磁ヨーク組立体３０は、正面から見た形状が開放側で広くなる略コの字状の拡開状となっている。

ヨーク板１１に永久磁石１３を取り付けた後の界磁ヨーク組立体３０を図３（ｂ）に示す。２つのヨーク板１１は、対向面に取り付けた永久磁石１３間の吸引力により、固定側である一方側端部１１ａから開放側である他方側端部１１ｂに向けて内側に反るように変形する。これにより、２つのヨーク板１１間の隙間は、他方側端部１１ｂ間と一方側端部１１ａ間とで差がなくなり、２つのヨーク板１１は隙間が略一定（すなわち略平行）になる。

プレート１５とヨーク板１１との固着方法は種々考えられるが、例えばプレート１５をヨーク板１１に重ね合わせ、その状態でプレート１５及びヨーク板１１を高温下で圧延ローラにより高圧力をかけて圧延する方法が考えられる。これにより、プレート１５の金属組織とヨーク板１１の金属組織が原子間結合し、プレート１５が接合されたヨーク板１１が形成される。なお、プレート１５とヨーク板１１とを溶接により接合してもよい。その後、プレート１５が接合されたヨーク板１１を室温に冷却すると、熱膨張率の大きいプレート１５はヨーク板１１よりも大きな割合で熱収縮するので、ヨーク板１１及びプレート１５が外側に反った形状に変形する。

＜実施形態の効果＞
本実施形態の界磁ヨーク組立体３０は、２つのヨーク板１１の外側に各々固着されたプレート１５を有する。プレート１５は、ヨーク板１１よりも熱膨張率の大きい金属材料で構成される。界磁ヨーク組立体３０は、ヨーク板１１とプレート１５の熱膨張率の差を利用して、２つのヨーク板１１を外側に反るように変形させ、２つのヨーク板１１間の隙間が、ヨーク固定部１２が配置される一方側端部１１ａよりも他方側端部１１ｂの方が大きくなるように構成される。

このようにして、界磁ヨーク組立体３０を予め拡開状に形成しておくことで、永久磁石１３を取り付けた後に、その吸引力によって、２つのヨーク板１１間の隙間を略一定にすることができる。したがって、永久磁石１３に強力な磁石を用いる場合でも、剛性の低い比較的薄肉のヨーク板１１を用いることが可能となるので、リニアモータ１００の小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得ることができる。

＜変形例＞
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。

（１）ヨーク板自体を予め反った形状に加工しておく場合
上記実施形態では、ヨーク板１１の外側に該ヨーク板１１よりも熱膨張率の大きい金属材料のプレート１５を高温下で固着して貼り合わせ、その後室温に冷却する際の熱膨張率の差を利用して、ヨーク板１１を外側に反った形状に変形させたが、ヨーク板１１自体を塑性加工等で予め外側に反った形状に加工しておいてもよい。本変形例の界磁ヨーク組立体の一例を図４に示す。

図４（ａ）に示すように、界磁ヨーク組立体３０Ａは、２つのヨーク板１１と、これらヨーク板１１の一方側端部１１ａを片持ち梁状に支持するヨーク固定部１２とからなる。２つのヨーク板１１は、予め機械加工によって、固定部側である一方側端部１１ａから開放側である他方側端部１１ｂに向けて外側に反った形状に形成されている。

図４（ｂ）に示すように、２つのヨーク板１１の対向面に永久磁石１３を取り付けると、２つのヨーク板１１は、永久磁石１３間の吸引力により、固定側である一方側端部１１ａから開放側である他方側端部１１ｂに向けて内側に反って元に戻るように変形する。その結果、２つのヨーク板１１間の隙間は、他方側端部１１ｂ間と一方側端部１１ａ間とで差がなくなり、２つのヨーク板１１は隙間が略一定（すなわち略平行）になる。

ヨーク板１１の加工としては、例えば圧延ローラによる曲げ加工、研削盤等による切削加工その他が使用できる。例えば圧延ローラによる曲げ加工では、図５（ａ）に示すように、ヨーク板１１の所望する反りの湾曲形状に沿って上下の圧延ローラ３１を複数配置し、ヨーク板１１の素材１１Ａを上下の圧延ローラ３１の間を順次通過させて伸展、圧延することにより徐々に曲げ、素材１１Ａを所望の反りを有するヨーク板１１に塑性加工する。また例えば切削加工では、図５（ｂ）に示すように、ヨーク板１１の素材１１Ａを研削盤等で切削して、素材１１Ａから所望の反りを有するヨーク板１１を削り出す。

本変形例では、界磁ヨーク組立体３０Ａのヨーク板１１が予め外側に反った形状に加工されている。これにより、界磁１４の永久磁石１３に強力な磁石を用いる場合でも、剛性の低い比較的薄肉のヨーク板１１を用いることが可能となる。したがって、リニアモータ１００の小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得ることができる。

（２）ヨーク固定部でヨーク板を拡開状に支持する場合
上記実施形態では、ヨーク板１１を反った形状とするようにしたが、ヨーク板１１自体は平板状としておき、支持するヨーク固定部１２の形状を倒立した略台形状とすることで、界磁ヨーク組立体を拡開形状としてもよい。本変形例の一例を図６に示す。

図６（ａ）に示すように、界磁ヨーク組立体３０Ｂは、２つの平板状のヨーク板１１と、これらヨーク板１１の一方側端部１１ａを片持ち梁状に支持するヨーク固定部１２Ａとからなる。ヨーク固定部１２Ａは、幅方向の断面形状が下底よりも上底が長い倒立した等脚台形の形状に形成され、幅方向両側に上に向けて外側に傾斜した側面を有している。２つのヨーク板１１は、ヨーク固定部１２Ａの両側の傾斜した側面に支持され、ヨーク固定部１２Ａに支持された一方側端部１１ａから開放側の他方側端部１１ｂに向けて直線状に拡開している。

図６（ｂ）に示すように、２つのヨーク板１１の対向面に永久磁石１３を取り付けると、２つのヨーク板１１は、永久磁石１３間の吸引力により、固定側である一方側端部１１ａから開放側である他方側端部１１ｂに向けて内側に反るように変形する。これにより、２つのヨーク板１１間の隙間は、他方側端部１１ｂ間と一方側端部１１ａ間とで差がなくなり、２つのヨーク板１１は隙間が略一定（すなわち略平行）になる。したがって、永久磁石１３に強力な磁石を用いる場合でも、剛性の低い比較的薄肉のヨーク板１１を用いることが可能となるので、リニアモータ１００の小型化及び軽量化を図りつつ高出力を得ることができる。

（３）ヨーク板の外側に熱膨張率の小さいプレートを貼り合わせる場合
上記実施形態では、ヨーク１１の外側に熱膨張率の大きい金属材料のプレート１５を貼り付け、プレート１５との熱膨張率の差で外側に反った２つのヨーク板１１を、それらの対向面に取り付けた永久磁石１３の吸引力により元に戻るように内側に反らせて、２つのヨーク板１１の隙間を一定にした。これに対し、ヨーク１１の外側に熱膨張率の小さい金属材料のプレートを貼り付け、対向面に取り付けた永久磁石間の吸引力により内側に反った２つのヨーク板１１を、リニアモータ１００の駆動時の発熱温度でプレートとの熱膨張率の差により元に戻るように外側に反らせて、駆動時に２つのヨーク板１１の隙間を一定とするようにしてもよい。本変形例の界磁ヨーク組立体の一例を図７に示す。

図７（ａ）に示すように、界磁ヨーク組立体３０Ｃは、２つのヨーク板１１と、これらヨーク板１１の一方側端部１１ａを片持ち梁状に支持するヨーク固定部１２と、２つのヨーク板１１の外側に固着された異種金属のプレート１６とを備える。

プレート１６は、ヨーク板１１よりも熱膨張率が小さい金属材料、例えばヨーク板１１を鉄製とした場合にはインバー等から構成され、常温（室温）でヨーク板１１の外側に固着され、貼り合わされる。プレート１６が固着された２つのヨーク板１１は、図８（ｂ）に示すように、対向面に永久磁石１３を貼り付けると、永久磁石１３間の吸引力により、一方側端部１１ａから他方側端部１１ｂに向けて内側に反るように湾曲し、２つのヨーク板１１は、他方側端部１１ｂが一方側端部１１ａよりも所定量内側に撓む。

そして、可動子２を固定子１に組み込み、リニアモータ１００を組み立てて、可動子２の電機子３へ通電すると、リニアモータ１００が駆動して、リニアモータ１００の温度が上昇する。これにより、ヨーク板１１は、膨張率の差によりプレート１６よりも大きな割合で膨張し、ヨーク板１１が外側に反るように変形して、永久磁石１３間の吸引力による撓みを相殺する。その結果、図８（ｃ）に示すように、２つのヨーク板１１を略平行な平板状に戻すことができる。

このようにして、リニアモータ１００の停止時（常温下）には界磁と電機子３との磁気的空隙が小さい状態となるが、駆動時（高温下）には磁気的空隙を好適な隙間に保持することができるので、例えば連続駆動されるリニアモータにおいて駆動の安定性を高めることができる。

（４）その他
なお、以上の実施形態及び変形例では、リニアモータ１００は、界磁を固定部とし、電機子３を可動部として構成する場合を例にとって説明したが、界磁を可動部とし、電機子３を固定部としてリニアモータ１００を構成してもよい。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 固定子
２ 可動子
３ 電機子
１１ ヨーク板
１２ ヨーク固定部
１２Ａ ヨーク固定部
１３ 永久磁石
１４ 永久磁石列
１５ プレート
１６ プレート
３０ 界磁ヨーク組立体
３０Ａ 界磁ヨーク組立体
３０Ｂ 界磁ヨーク組立体
３０Ｃ 界磁ヨーク組立体
１００ リニアモータ

Claims (8)

1. 界磁と電機子のいずれか一方を可動子、他方を固定子として、前記界磁と前記電機子を相対的に移動可能なリニアモータに用いられる界磁ヨーク組立体であって、
   対向配置された２つのヨーク板と、
   前記ヨーク板の一方側端部において前記２つのヨーク板を片持ち梁状に支持するヨーク固定部と、を有し、
   前記２つのヨーク板間の隙間が、前記一方側端部よりも他方側端部の方が大きくなるように構成される
   ことを特徴とする界磁ヨーク組立体。
2. 前記２つのヨーク板の外側に各々固着され、前記ヨーク板と異なる金属材料で構成されたプレートをさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の界磁ヨーク組立体。
3. 前記ヨーク板は、
   前記一方側端部から前記他方側端部に向けて外側に反った形状に加工されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の界磁ヨーク組立体。
4. 前記ヨーク板は、平板状であり、
   前記ヨーク固定部は、
   前記２つのヨーク板間の隙間が前記一方側端部よりも他方側端部の方が大きくなるように、前記２つのヨーク板を拡開状に支持する
   ことを特徴とする請求項１に記載の界磁ヨーク組立体。
5. 界磁と電機子のいずれか一方を可動子、他方を固定子として、前記界磁と前記電機子を相対的に移動可能なリニアモータに用いられる界磁ヨーク組立体であって、
   対向配置された２つのヨーク板と、
   前記ヨーク板の一方側端部において前記２つのヨーク板を片持ち梁状に支持するヨーク固定部と、
   前記２つのヨーク板の外側に各々固着され、前記ヨーク板と異なる金属材料で構成されたプレートと、を有する
   ことを特徴とする界磁ヨーク組立体。
6. 前記プレートは、
   前記ヨーク板よりも熱膨張率が大きな金属材料で構成される
   ことを特徴とする請求項５に記載の界磁ヨーク組立体。
7. 前記プレートは、
   前記ヨーク板よりも熱膨張率が小さな金属材料で構成される
   ことを特徴とする請求項５に記載の界磁ヨーク組立体。
8. 界磁と電機子のいずれか一方を可動子、他方を固定子として、前記界磁と前記電機子を相対的に移動可能なリニアモータであって、
   前記界磁は、
   請求項５乃至７のいずれか１項に記載の界磁ヨーク組立体と、
   前記界磁ヨーク組立体が有する２つの対向配置されたヨーク板の内側に各々設けられ、前記移動方向に交互に極性が異なるように、且つ、対向する磁石と極性が異なるように配置された複数の永久磁石と、を有する
   ことを特徴とするリニアモータ。

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