JP2013255313A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ヨークの全長を短くすることでリニアモータを小型化する。
【解決手段】リニアモータ１は、円筒状のヨーク２と、ヨーク２の内側に固定され、複数のコイル１１を軸方向に並設したコイル組立体１２と、コイル組立体１２の内側に軸方向に相対移動可能に設けられ、複数の永久磁石を軸方向に並設した永久磁石組立体２４と、を備える。永久磁石組立体２４は、軸方向に磁化された少なくとも１つの第１永久磁石２３と、第１永久磁石２３の軸方向両端部に配置され、軸方向に垂直な方向に磁化された第２永久磁石２５と、を有する。
【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、リニアモータに関する。

特許文献１には、ｎ個のリング状コイルを軸方向に並設して円筒状の空間を形成するコイル組立体とその外周側に設けられた磁性材料よりなるヨークを備える固定子と、固定子の軸線上に軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸と軸方向に磁化された永久磁石を１個以上有する永久磁石組立体を備える可動子と、を有するシリンダ形のリニアモータが記載されている。

特開２００６−０５０８６４号公報

上記従来技術のリニアモータでは、可動子がヨークの端部に近づくと可動子をヨーク内に引き込もうとするディテント力が発生する。このため、可動子の移動範囲（ストローク範囲）においてディテント力を無視できる値に抑えることができるように、ヨークの全長を長めに設定する必要があり、リニアモータの大型化を招く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、本発明の目的とするところは、ヨークの全長を短くすることで小型化することが可能なリニアモータを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、円筒状のヨークと、前記ヨークの内側に固定され、複数のコイルを軸方向に並設したコイル組立体と、前記コイル組立体の内側に軸方向に相対移動可能に設けられ、複数の永久磁石を軸方向に並設した永久磁石組立体と、を備え、前記永久磁石組立体は、軸方向に磁化された少なくとも１つの第１永久磁石と、前記第１永久磁石の軸方向端部に配置され、軸方向に垂直な方向に磁化された第２永久磁石と、を有するリニアモータが適用される。

本発明のリニアモータによれば、ヨークの全長を短くすることで小型化できる。

実施形態に係るリニアモータの概略構成を表す側断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面に相当する断面図である。 比較例のリニアモータの概略構成及び軸方向端部における磁束を表す説明図である。 実施形態に係るリニアモータの軸方向端部における磁束を表す説明図である。 比較例のリニアモータの永久磁石組立体と、実施形態のリニアモータの永久磁石組立体とにおけるヨーク端部からの距離とディテント力との関係を表わすグラフ、比較例及び実施形態のリニアモータの永久磁石組立体に所定のストローク範囲を得るためのヨーク端部からの距離を表す説明図である。 永久磁石組立体の磁化方向を反対にした変形例におけるリニアモータの概略構成を表す側断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面に相当する断面図である。 第２永久磁石をセグメント磁石とした変形例における永久磁石組立体を表わす断面図である。

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

＜リニアモータの構成＞
図１に示すように、本実施形態のリニアモータ１はシリンダ型のリニアモータである。このリニアモータ１は、円筒状のヨーク２と、ヨーク２の内側に固定された電機子である固定子１０と、固定子１０の内側に軸方向に相対移可能に設けられた界磁である可動子２０と、を備える。

固定子１０は、複数（図１に示す例では９個）の環状のコイル１１を軸方向（図１中左右方向）に並設して形成された筒状のコイル組立体１２を有している。本実施形態では、リニアモータ１は三相交流モータであり、コイル組立体１２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つのコイル１１を少なくとも１組（図１に示す例では３組）有している。

可動子２０は、固定子１０の軸線上に軸方向に往復移動可能に設けられたシャフト２１と、このシャフト２１に設けられた永久磁石組立体２４とを有している。シャフト２１は、ヨーク２の軸方向一方側（図１中左側）及び他方側（図１中右側）の端部に設けられたブラケット３，４に直動軸受５，６を介して軸方向に往復移動可能に支持されている。永久磁石組立体２４は、この例ではコイル組立体１２よりも軸方向長さが短くなるように構成されているが、コイル１１の数を少なくし、反対に永久磁石組立体２４がコイル組立体１２よりも軸方向長さが長い構成としてもよい。これらの長さの差がリニアモータ１のストロークと略等しくなる。この永久磁石組立体２４は、磁性体からなるスペーサ２２を間に挟んで設けられた複数（図１に示す例では４個）の第１永久磁石２３を備え、さらに第１永久磁石２３の軸方向端部、本例では、軸方向両端に第２永久磁石２５を備えている。各第１永久磁石２３は、軸方向に磁化されている。４個の第１永久磁石２３は、隣り合う磁石２３同士で互いに向かい合う磁極が同極（Ｎ極同士又はＳ極同士）となるように配置される。また本実施形態では、軸方向両端の第１永久磁石２３の軸方向端部にはＮ極が位置している。

図２に示すように、第２永久磁石２５は、軸方向に垂直な方向（この例ではラジアル方向）に磁化されたリング磁石である。第２永久磁石２５は、中央孔２５ａにシャフト２１が差し込まれることで半径方向に位置決めされ、接着剤等によりシャフト２１に固定される。本実施形態では、軸方向両端の第１永久磁石２３の軸方向端部の磁極がＮ極であるため、各第２永久磁石２５は半径方向内側でＳ極、半径方向外側でＮ極となるよう、外向きに磁化されている。これにより、第１永久磁石２３、第２永久磁石２５及びヨーク２との間で磁気回路を構成し、永久磁石組立体２４の軸方向両端部において第１永久磁石２３による主磁束を半径方向外側に向けることができる。

以上のように構成されるリニアモータ１では、図示しない外部電源から固定子１０のコイル１１に電流を流すと、各コイル１１には軸方向の磁束が発生する。この各コイル１１の磁束と各第１永久磁石２３の磁束により、永久磁石組立体２４とコイル組立体１２との間で反発力と吸引力が作用し、可動子２０の軸方向の推力が発生する。

＜実施形態の効果＞
次に、リニアモータ１により得られる効果について比較例を用いて説明する。図３に、比較例のリニアモータ１Ａを示す。このリニアモータ１Ａの永久磁石組立体２４Ａは、軸方向端部の第１永久磁石２３の軸方向端部に磁性体（非磁性体でもよい）からなる端板２７を設けている。なお、この端板２７を設けず、第１永久磁石２３の軸方向端部を露出させてもよい。このようなリニアモータ１Ａの場合には、図３（ａ）に示すように、永久磁石組立体２４Ａがヨーク２の端部に近づくと、軸方向端部の第１永久磁石２３からの磁束２６の漏れに起因して永久磁石組立体２４Ａをヨーク２内に引き込もうとするディテント力が発生する。そこで、この比較例のリニアモータ１Ａでは、永久磁石組立体２４Ａの移動範囲（ストローク範囲）において、ディテント力を無視できる値に抑えることができるようにするために、図３（ｂ）に示すように、ヨーク２の全長を長めに設定する必要がある。

一方、本実施形態では、上述したように、永久磁石組立体２４が第１永久磁石２３の軸方向両端部に軸方向に垂直な方向に磁化された第２永久磁石２５を有する。この第２永久磁石２５により、図４に示すように、軸方向端部の第１永久磁石２３からの磁束２６をヨーク２側に向けることが可能となるので、ヨーク２の端部に近づいた際の永久磁石組立体２４からの漏れ磁束を減少できる。その結果、永久磁石組立体２４に第２永久磁石２５を設けない上記比較例に比べ、ヨーク２の長さを短くしても、ストローク範囲におけるディテント力を無視できる値に抑えることができる。

この効果の詳細について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、本願発明者等が実施したシミュレーション結果に基づき、上述した比較例のリニアモータ１Ａの永久磁石組立体２４Ａと、本実施形態のリニアモータ１の永久磁石組立体２４とにおけるヨーク端部からの距離とディテント力との関係を表わすグラフである。なお、図５（ｂ）及び図５（ｃ）では固定子１０のコイル組立体１２の図示を省略している。比較例の永久磁石組立体２４Ａは、上述したように、軸方向端部の第１永久磁石２３に第２永久磁石２５を設けず、端板２７を設けている。また図５では、比較例のリニアモータ１Ａにおいて、ディテント力が略０（無視できる値）となる永久磁石組立体２４Ａのヨーク端部からの最小距離を、距離Ｌとしている。

図５（ａ）に示すように、距離Ｌでディテント力が略０になる比較例に対し、本実施形態では距離が約０．６５Ｌでディテント力が略０となる。したがって、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、永久磁石組立体２４に永久磁石組立体２４Ａと同じ所定のストローク範囲Ｓ（移動範囲）を得るのに、比較例の場合よりもヨーク２の長さが片側で０．３５Ｌ（＝Ｌ−０．６５Ｌ）、全体（両側）で０．７Ｌ（＝０．３５Ｌ×２）だけ少なくて済む。すなわち、本実施形態では比較例よりもヨーク２の長さを０．７Ｌだけ短縮することができる。

以上のように、本実施形態によればヨーク２の全長を短くすることができるので、リニアモータ１を小型化できる。また、第１永久磁石２３の端部に第２永久磁石２５を設けることにより、コイル組立体１２と永久磁石組立体２４との間の磁気的空隙における推力に寄与する部分の磁束密度を高めることができるので、リニアモータ１の推力を増大できる効果もある。

また、本実施形態では特に、第２永久磁石２５として、ラジアル方向に磁化されたリング磁石を用いている。これにより、リング磁石をシャフト２１にはめ込むだけで半径方向の位置決めを行うことが可能となり、また後述するセグメント磁石（図８参照）を用いる場合のように複数の磁石について位置決め及び固定作業を行う必要がないので、永久磁石組立体２４の組み立てが容易となり、製作性を向上できる。

また、本実施形態では特に、永久磁石組立体２４において第１永久磁石２３同士の間に磁性体からなるスペーサ２２が配置されている。これにより、永久磁石組立体２４における磁極ピッチや、磁束密度分布の波形を調整する（磁束密度のピークを緩和する）ことが可能となる。

＜変形例＞
なお、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説明する。

（１）永久磁石組立体の磁化方向を反対にした場合
上記実施形態では、永久磁石組立体２４における第１永久磁石２３の軸方向両端部の磁極をＮ極としたが、図６に示すように、軸方向両端部の磁極がＳ極となる構成としてもよい。この場合、第２永久磁石２５は、図７に示すように、第１永久磁石２３の軸方向端部の磁極に対応させて、半径方向内側でＮ極、半径方向外側でＳ極となるよう、内向きに磁化すればよい。これにより、第１永久磁石２３、第２永久磁石２５及びヨーク２との間で磁気回路を構成し、ヨーク２側からの第１永久磁石２３による主磁束を半径方向内側に向けることができる。その結果、ヨーク２の端部に近づいた際の永久磁石組立体２４からの漏れ磁束を減少でき、ヨーク２の長さを短くしても、ストローク範囲におけるディテント力を無視できる値に抑えることができる等、上記実施形態と同様の効果を奏する。

（２）第２永久磁石をセグメント磁石とした場合
上記実施形態では、永久磁石組立体２４の第２永久磁石２５をリング磁石としたが、これに限らず、セグメント磁石としてもよい。本変形例の一例を図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す。

図８（ａ）において、第２永久磁石３０は、略四角形平板の一辺を第１永久磁石２３の外周に略沿う円弧状とした形状である複数（この例では４）のセグメント磁石からなり、永久磁石組立体２４の軸方向両端の第１永久磁石２３の軸方向端部に接着等により固定されている。各第２永久磁石３０は、円弧状の辺を半径方向外方に位置させた姿勢で、シャフト２１を中心に略９０°間隔で環状に配置されている。各第２永久磁石３０は、軸方向に垂直な方向に沿って平行に磁化され、この例では内側をＳ極、外側をＮ極としている。

図８（ｂ）に示す例では、第２永久磁石３０は上記と同様の形状であるが、各第２永久磁石３０の磁化方向がラジアル方向となっている点が異なる。なお、図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１永久磁石２３の軸方向端部の磁極がＮ極である場合であり、第１永久磁石２３の軸方向端部の磁極がＳ極である場合には、第２永久磁石３０の内側をＮ極、外側をＳ極とすればよい。

本変形例では、第２永久磁石３０として環状に配置された複数のセグメント磁石を用いるので、上記実施形態のようにリング磁石の第２永久磁石２５を用いる場合に比べて磁石投入量を節減でき、コストを削減できる効果がある。

（３）その他
以上の実施形態及び各変形例では、リニアモータ１は、電機子を固定子１０とし、界磁を可動子２０として構成する場合を例にとって説明したが、反対に電機子を可動子とし、界磁を固定子としてリニアモータ１を構成してもよい。

また、可動子２０の永久磁石組立体２４において、第１永久磁石２３同士の間に設けたスペーサ２２は必ずしも必要ではなく、省略してもよい。また上記では、永久磁石組立体２４が４の第１永久磁石２３を有する場合を一例として説明したが、第１永久磁石２３の個数は偶数、奇数を問わずいくつでもよく、また１個でもよい。さらに、上記では第２永久磁石２５（３０）は永久磁石組立体２４の軸方向両端に設けるようにしたが、軸方向一端だけに設け、他端側には前述した端板２７を設置（あるいは第１永久磁石２３を露出）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 リニアモータ
２ ヨーク
１０ 固定子
１１ コイル
１２ コイル組立体
２０ 可動子
２１ シャフト
２２ スペーサ
２３ 第１永久磁石
２４ 永久磁石組立体
２５ 第２永久磁石（リング磁石）
３０ 第２永久磁石（セグメント磁石）

Claims (5)

1. 円筒状のヨークと、
   前記ヨークの内側に固定され、複数のコイルを軸方向に並設したコイル組立体と、
   前記コイル組立体の内側に軸方向に相対移動可能に設けられ、複数の永久磁石を軸方向に並設した永久磁石組立体と、を備え、
   前記永久磁石組立体は、
   軸方向に磁化された少なくとも１つの第１永久磁石と、
   前記第１永久磁石の軸方向端部に配置され、軸方向に垂直な方向に磁化された第２永久磁石と、を有する
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記第２永久磁石の磁化方向は、
   前記第１永久磁石の軸方向端部がＮ極である場合には外向きであり、前記第１永久磁石の軸方向端部がＳ極である場合には内向きである
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記第２永久磁石は、
   ラジアル方向に磁化されたリング磁石である
   ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
4. 前記第２永久磁石は、
   環状に配置された複数のセグメント磁石である
   ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
5. 前記永久磁石組立体は、
   複数の前記第１永久磁石を軸方向に並設して構成され、
   前記第１永久磁石同士の間に配置された磁性体からなるスペーサを有する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアモータ。

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