JP2014011889A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ヨーク内でループする永久磁石の磁束を低減し、可動子の推力を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】リニアモータの可動子２は、移動方向に等配された複数の磁性体を有する板状をなす。固定子１は、間隙を有して可動子２の各面に対向する２つの板状部を有するＵ字溝状をなし、各板状部の対向する面それぞれに、磁性部材の複数の歯部が移動方向に等配してあり、各歯部間に永久磁石を支持する支持体を備える。支持体は、可動子２を介して略対向する複数組の歯部それぞれを磁気結合させる磁路を形成する複数の磁性体部分と、各磁性体部分を隔てる非磁性体部分とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直線的に移動する可動子及び固定子を備えるリニアモータに関する。

リニアモータは可動子及び固定子を備え、可動子は固定子との磁気的相互作用によって直線的に推進する（例えば、特許文献１）。固定子は、例えば長手方向に複数の歯を有する磁性材で構成される。可動子は、長手方向に略等間隔に複数の歯状の磁極部を有するヨークと、複数の磁極部に巻回されたコイルとを備える。磁極部間には永久磁石が埋設されており、磁性材の磁極部は、該永久磁石によって磁化されている。
このように構成されたリニアモータにおいては、コイルに交流電圧を印加することによって、固定子の歯部及び可動子の磁極部を貫く磁気ループを生成し、歯部を磁化させる。周期的に磁極が反転する歯部は、磁極部と磁気的に相互作用し、可動子に推力が発生する。

特開２０１０−４１８８９号公報

しかしながら、特許文献１に係るリニアモータにおいては、可動子の磁極部間に埋設された永久磁石から伸びた磁束の一部が、可動子側のヨーク内でループを形成し、可動子の推力に寄与しないという問題があった。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヨーク内でループする永久磁石の磁束を低減し、可動子の推力を向上させることができるリニアモータを提供することにある。

本発明に係るリニアモータは、固定子及び該固定子に対して直線的に移動する可動子を備えるリニアモータにおいて、前記可動子（又は前記固定子）は、移動方向に等配された複数の磁性体を有する板状をなし、前記固定子（又は前記可動子）は、間隙を有して前記可動子（又は前記固定子）の各面に対向する２つの板状部を有するＵ字溝状をなし、各板状部の対向する面それぞれに、磁性部材の複数の歯部が移動方向に等配してあり、各歯部間に永久磁石を支持する支持体を備え、該支持体は、前記可動子（又は前記固定子）を介して略対向する複数組の歯部それぞれを磁気結合させる磁路を形成する複数の磁性体部分と、各磁性体部分を隔てる非磁性体部分とを有することを特徴とする。

本発明にあっては、対向する板状部の離隔方向の磁束が外部から与えられた場合、該磁束は、可動子（又は固定子）を介して略対向する歯部を通り、磁性体部分の磁路を介してループを形成し、可動子（又は固定子）の磁性体は前記磁束によって磁化する。
一方、複数組の歯部間の磁路を形成する複数の磁性体部分は、非磁性体によって隔てられているため、支持体内でループする永久磁石の磁束量は、従来技術のリニアモータに比べて低減される。つまり、磁化した磁性体と磁気的相互作用する永久磁石の磁束は、従来技術のリニアモータに比べて大きい。

本発明に係るリニアモータは、前記非磁性体部分は、各永久磁石のＮ極と、Ｓ極とを隔てていることを特徴とする。

本発明にあっては、非磁性体部分が各永久磁石のＮ極と、Ｓ極とを隔てている。つまり、Ｎ極と、Ｓ極との間に非磁性体部分が存在する。従って、支持体内でループする永久磁石の磁束量はより低減される。

本発明に係るリニアモータは、各板状部に配された複数の歯部を囲繞し、各板状部の歯部側にそれぞれ磁極が現れるように前記磁性体を磁化させるコイルを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、支持体側にコイルを備えるため、移動方向に等配された複数の磁性体を有する構成部分が簡素化され、軽量となる。従って、該構成部分を可動子とすることにより、実質的により強い推力を得ることができる。

本発明に係るリニアモータは、前記２つの板状部の一方の面の歯部と、他方の面の歯部とは、移動方向に沿って千鳥配置してあることを特徴とする。

本発明にあっては、板状部の各面に備えられた歯部が千鳥配置されているため、固定子及び可動子の相対位置の違いによる推力むらを低減することができる。

本発明に係るリニアモータは、前記磁性体は、略矩形板状をなし、各辺は前記移動方向に対して非直角であることを特徴とする。

本発明にあっては、磁性体が略矩形板状をなし、各辺が移動方向に対して非直角であるため、ディテント力が低減され、固定子及び可動子の相対位置の違いによる推力むらを低減することが可能である。

本発明に係るリニアモータは、前記可動子（又は前記固定子）は移動方向に等配された複数のリブ状の突起部を有する板状の磁性部材からなり、複数の前記突起部の各辺が移動方向に対して略直角であることを特徴とする。

本発明にあっては、可動子（または固定子）が、複数のリブ状の突起部を有する板状の磁性部材からなるため、該可動子（または該固定子）の構造が簡単となる。

本発明に係るリニアモータは、前記可動子（又は前記固定子）は移動方向に等配された複数のリブ状の突起部を有する板状の磁性体部材からなり、複数の前記突起部の各辺が移動方向に対して非直角である。

本発明にあっては、可動子（または固定子）が、複数のリブ状の突起部を有する板状の磁性部材からなるため、該可動子（又は該固定子）の構造が簡単となる。また、前記突起部は各辺が移動方向に対して非直角であるため、ディテント力が軽減され推力むらを低減できる。

本発明にあっては、ヨーク内でループする永久磁石の磁束を低減し、可動子の推力を向上させることができる。

本実施の形態に係るリニアモータの一構成例を示す斜視図である。 リニアモータの一構成例を示す横断面図である。 図２のIII−III線断面図である。 図２のIV−IV線断面図である。 図２のＶ−Ｖ線断面図である。 固定子の一構成例を示す斜視図である。 支持体の一構成例を示す斜視図である。 支持体の一構成例を示す底面側斜視図である。 可動子の一構成例を示す側面図である。 リニアモータの推力発生の原理、特にコイルによる励磁を説明するための概念図である。 リニアモータの推力発生の原理を説明するための概念図である。 リニアモータの推力発生の原理を説明するための概念図である。 本実施の形態における可動子の第１変形例を示す側面図及び断面図である。 本実施の形態における可動子の第２変形例を示す側面図である。 本実施の形態における可動子の第３変形例を示す側面図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は本実施の形態に係るリニアモータの一構成例を示す斜視図、図２はリニアモータの一構成例を示す横断面図、図３は図２のIII−III線断面図、図４は図２のIV−IV線断面図、図５は図２のＶ−Ｖ線断面図である。本実施の形態に係るリニアモータは、Ｕ字溝状の固定子１及び該固定子１に対して直線的に移動する板状の可動子２を備える。

＜固定子の構成＞
図６は固定子１の一構成例を示す斜視図である。固定子１は、可動子２の移動方向に等配されるように永久磁石１３、（１２）を支持する支持体１１と、コイル１４、１５とを備える。

図７は支持体１１の一構成例を示す斜視図、図８は支持体１１の一構成例を示す底面側斜視図である。支持体１１は、Ｕ字溝状をなし、支持体１１の移動方向に長い略矩形の底板と、該底板の各長辺部から略垂直に設けられており、間隙を有して板状の可動子２の各面に対向する２つの板状部とを有する。各板状部の対向する各面にはそれぞれ、磁性部材からなる複数の歯部１１ａ及び歯部１１ｂが、所定距離を隔てて可動子２の移動方向に等配されている。歯部１１ａ、１１ｂは、磁性材料、例えばケイ素鋼板を積層してもよいし、磁性金属粉末を固めた例えばＳＭＣ（軟磁性複合部材：Soft Magnetic Composites）にしてもよい。このような部材を用いることで、歯部１１ａ、１１ｂの渦電流損やヒステリシス損や偏磁を抑制することができる。歯部１１ａ、１１ｂは板状ないし縦長棒状の略直方体であり、移動方向に並ぶ各歯部１１ａ、１１ｂ間には、縦長略直方体の永久磁石１２、１３が支持されている。永久磁石１２、１３は、ネオジム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）、ボロン（Ｂ）を主成分とするネオジム磁石である。なお、永久磁石１２、１３は、ネオジム磁石に限らず、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石などを用いても良い。永久磁石１２、１３の着磁方向は可動子２の移動方向であり、各歯部１１ａ、１１ｂに同じ磁極が対向している。このため、歯部１１ａ、１１ｂは全体が単極となり、移動方向に沿って、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極というように、交互に異なる磁極が現れる（図１１、図１２参照）。歯部１１ａ、１１ｂの前記移動方向における厚みは、該移動方向に並ぶ歯部１１ａ、１１ｂ間の距離よりも短い。また、歯部１１ａ、１１ｂ及び永久磁石１２、１３の縦横寸法は略同一であり、永久磁石１２、１３の上下面及び側面は、歯部１１ａ、１１ｂと面一になっている。２つの板状部の一方の面の歯部１１ａと、他方の面の歯部１１ｂとは、図７に示すように、移動方向に沿って千鳥配置してある。

支持体１１は、可動子２を介して略対向する複数組の歯部１１ａ、１１ｂそれぞれを磁気結合させる磁路を形成する複数の磁性体部分１１ｃと、各磁性体部分１１ｃを隔てる略Ｕ字板状の非磁性体部分１１ｄとを有する。図６〜８中、磁性体部分１１ｃと、非磁性体部分１１ｄとの境界を、概念的に波線で示している。可動子２の移動方向における磁性体部分１１ｃの厚みは、歯部１１ａ、１１ｂの前記移動方向の厚みと略同一であり、磁性体部分１１ｃ及び歯部１１ａ、１１ｂは全体で略Ｕ字板状をなしている。磁性体部分を構成する部材は、歯部１１ａ、１１ｂと同様である。同様に、可動子２の移動方向における非磁性体部分１１ｄの厚みは、永久磁石１２、１３の前記移動方向の厚みと略同一であり非磁性体部分１１ｄ及び歯部１１ａ、１１ｂは全体で略Ｕ字板状をなしている。非磁性体部分１１ｄは、例えばアルミ又はステンレスであり、各永久磁石１２、１３の側面に当接して、各永久磁石１２、１３のＮ極と、Ｓ極との間を隔てている。
非磁性体部分１１ｄは樹脂で形成されてもよい。また非磁性体部分１１ｄは固定子の強度や寸法精度が確保できる範囲であれば、有形の非磁性体部分１１ｄを無くし、磁性体部分１１ｃを隔てる間隙を非磁性体部分として構成してもよい。

なお、支持体１１は、磁性金属、例えば平板状の圧延鋼材を折り曲げることにより形成する。支持体１１は折り曲げの他に平板状の板を溶接等の接合やねじ止め等により形成してもよい。歯部１１ａ、１１ｂについても、磁性金属板、例えば鋼板等により形成し、支持体１１に溶接等で接合又はねじ止め等により固定する。またＵ字状に形成した磁性鋼板の歯部１１ａ、１１ｂとなる部位を残し歯部１１ａ、１１ｂとなる部位の両側に溝を掘り込み加工により形成し、歯部１１ａ、１１ｂとしてもよい。このようにすると、歯部１１ａ、１１ｂを溶接等で接合又はねじ止め等により固定する場合に比べて、固定子１のコストダウンが可能となる。

更に、コイル１４は、中心線が可動子２に略直交するように、２つの板状部の一方の面に形成された複数の歯部１１ａを囲繞している。つまり、コイル１４が生成する磁束が、支持体１１の２つの板状部間に挿嵌された板状の可動子２を貫くように支持体１１に設けられている。同様にして、コイル１５は、中心線が可動子２に略直交するように、２つの板状部の一方の面に形成された複数の歯部１１ｂを囲繞している。

＜可動子の構成＞
図９は、可動子２の一構成例を示す側面図である。可動子２は、移動方向に等配された複数の磁性体２２と、該複数の磁性体２２を保持する保持板２１とを備える。保持板２１は、支持体１１よりも移動方向に長い略矩形板状をなし、支持体１１を構成する２つの板状部の間に間隙を有して挿嵌されている。磁性体２２は、保持板２１の短辺方向に長い略矩形板状をなす。磁性体２２間の距離は、例えば、歯部１１ａ間の距離の略２倍である。なお歯部１１ａ、１１ｂ及び磁性体２２間のピッチは一例である。また、各辺は可動子２の移動方向に対して非直角、例えば、可動子２の移動方向に対して数度傾斜している。
磁性体２２は、コイル１４、１５に電流が流れた場合、保持板２１の厚み方向に磁束が貫くため、歯部１１ａ、１１ｂに対向する方向に磁極が現れる。

＜推力発生原理＞
図１０は、リニアモータの推力発生の原理、特にコイル１４、１５による励磁を説明するための概念図である。まず、永久磁石１２、１３の磁束を考慮せず、図１０を用いてコイル１４、１５による励磁について説明する。コイル１４、１５に図１０に示す方向の電流が流れた場合（丸の中に黒丸があるマークは紙面の裏から表への通電、丸の中にバツ印があるマークは紙面の表から裏への通電を示す）、コイル１４、１５によって発生した磁束は、点線矢印で示しているように、可動子２を介して略対向する歯部１１ａ及び歯部１１ｂを通り、磁性体部分１１ｃの磁路を介してループし、図１０中、可動子２の磁性体２２は上側Ｓ極、下側Ｎ極に磁化する。磁束ループにより、歯部１１ａの可動子２側にはＮ極が発生し、歯部１１ｂの可動子２側にはＳ極が発生する。

次に、永久磁石１２、１３による磁極の発生と推力の発生を、図１１及び図１２を用いて説明する。
図１１及び図１２は、リニアモータの推力発生の原理を説明するための概念図である。各永久磁石１２、１３に示された白抜矢印は各永久磁石１２、１３の磁化方向を示している。上述したように、永久磁石１２、１３の着磁方向は可動子２の移動方向であり、各歯部１１ａ、１１ｂに同じ磁極が対向しているため、歯部１１ａ、１１ｂは全体が単極となり、移動方向に沿って、図中左側からＳ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極というように、交互に異なる磁極が現れる。可動子２を介して対向する複数組の歯部１１ａ、１１ｂ間の磁路を形成する複数の磁性体部分１１ｃは、非磁性体部分１１ｄによって隔てられているため、支持体１１内でループする永久磁石１２、１３の磁束量は、従来技術のリニアモータに比べて小さい。このため、磁化した磁性体２２と磁気的相互作用する永久磁石１２、１３の磁束は、従来技術のリニアモータに比べて大きくなる。

このように、永久磁石１２、１３によって歯部１１ａ、１１ｂに現れた磁極と、コイル１４、１５への通電によって磁化した磁性体２２の磁極とが磁気的に吸引／反発する事により、可動子２に推力が発生する。
具体的には、図１１中左端の歯部１１ａはＳ極、歯部１１ｂはＳ極であり、該歯部１１ａ、１１ｂに対向している磁性体２２の磁極はそれぞれ、歯部１１ａ側がＳ極、歯部１１ｂ側がＮ極である。Ｓ極の歯部１１ａは、歯部１１ａ側がＳ極の磁性体２２に対向しているため、本来歯部１１ａは磁性体２２に対して反発するが、歯部１１ａは磁性体２２の移動方向略中央にあるため図１１中左右どの方向にも移動する推力は発生しない。一方、磁性体２２よりも図１１中左側にあるＳ極の歯部１１ｂと、磁性体２２との間に吸引力が発生する。また、磁性体２２よりも図１１中右側にある磁性体２２、例えば左端から２番目の歯部１１ｂはＮ極、磁性体２２の歯部１１ｂ側はＮ極であるため反発する。更に、磁性体２２が左側に若干でも移動すると歯部１１ａのＳ極と磁性体２２の上側Ｓ極とは反発する。このため、図１１中左側の推力が発生する。図１２は、図１１に示した状態から可動子２が電気角１８０度に相当する距離を進んだときの状態を示している。この状態で図１２に示すような方向の電流が流れた場合、つまりコイル１４、１５に流れる電流の位相が１８０度変化した場合、磁性体２２の磁極はそれぞれ、歯部１１ａ側がＮ極、歯部１１ｂ側がＳ極となる。そして、図１１で示した同様の原理によって、図１２中左側の推力が発生する。コイル１４、１５に流れる電流の向きが周期的に反転した場合、同様にして、磁性体２２の磁極の向きが反転し、図１１及び図１２に示すような推力が発生し、直線的に移動する。

図１３は、本実施の形態における可動子２の第１変形例を示す側面図及び断面図である。図１３Ａは可動子１０２の側面図、図１３Ｂは可動子１０２の断面図である。上述の実施の形態では非磁性の保持板２１と磁性体２２で可動子２を形成したが、図１３に示すように、その移動方向に等配された複数のリブ状の突起部１２２を有する板状の磁性部材で可動子１０２を構成しても良い。具体的には、可動子１０２のすべてを磁性部材で形成し、平板上のベース１２１にリブ状の突起部１２２を設ける。磁性部材はケイ素鋼板を加工してもよくまた積層により作成してもよい。ＳＭＣといった軟磁性複合部材を用いてもよい。図１３Ａ中、斜め右上がりのハッチングを付した箇所は突起部１２２であり、斜め右下がりのハッチングを付した箇所はベース１２１に対応した凹部を示している。各突起部１２２は側面視が略平行四辺形状であり、幅方向（可動子の移動方向に略垂直な面内方向）両端に亘って設けられている。また、各突起部１２２の各辺は移動方向に対して非直角である。

第１変形例によれば、可動子１０２が、複数のリブ状の突起部１２２を有する板状の磁性部材で構成されているため、該可動子１０２の構成を簡単化することができる。
また、突起部１２２の各辺が移動方向に対して非直角であるため、ディテント力が軽減され推力むらを低減することができる。
なお、ディテント力を問題にしないのであれば、突起部１２２の各辺を移動方向に対して略直角に構成しても良い。

図１４は、本実施の形態における可動子２の第２変形例を示す側面図である。図１３に示した第１変形例の突起部１２２はベース部１２１の幅方向（可動子の移動方向に略垂直な面内方向）に渡っているが、上辺及び下辺の傾斜部分を含め、前記幅方向における突起部２２２の長さが、前記幅方向における歯部１１ａ、１１ｂの長さよりも長くなるように可動子２０２を構成すれば十分である。例えば、可動子２０２の幅方向における突起部２２２の長さを、歯部１１ａ、１１ｂと同じ長さに構成すれば良い。
なお、ディテント力を問題にしないのであれば、突起部２２２の各辺を移動方向に対して略直角に構成しても良い。

図１５は、本実施の形態における可動子２の第３変形例を示す側面図である。第３変形例に係る可動子３０２は、第１変形例の可動子１０２と同様の構成であり、可動子３０２の幅方向におけるベース部３２１及び突起部３２２の長さが、前記幅方向における歯部１１ａ、１１ｂの長さと略同一である。
なお、ディテント力を問題にしないのであれば、突起部３２２の各辺を移動方向に対して略直角に構成しても良い。

第３変形例によれば、可動子３０２の幅方向寸法を最小にし、小型化することができる。

本実施の形態に係るリニアモータによれば、支持体１１内でループする永久磁石の磁束を低減し、可動子２の推力を向上させることができる。

また、非磁性体部分１１ｄが各永久磁石１２、１３のＮ極と、Ｓ極とを隔てているため、支持体１１内でループする永久磁石１２、１３の磁束量を低減し、可動子２の推力を向上させることができる。

更に、支持体１１側にコイル１４、１５を備えるため、可動子２を軽量化でき、可動子２の推力を向上させることができる。

更にまた、支持体１１の板状部の各面に備えられた歯部１１ａ、１１ｂが千鳥配置されているため、推力むらを低減することができる。

更にまた、磁性体２２が略矩形板状をなし、各辺が移動方向に対して非直角であるため、ディテント力が低減され、固定子１及び可動子２の相対位置の違いによる推力むらを低減することができる。

なお、本実施の形態では、磁性体を保持した保持板で構成される部分を可動子、支持体、永久磁石及びコイルで構成される部分を固定子として説明したが、磁性体を保持した保持板で構成される部分を固定子として構成しても良い。
また、保持板に保持された磁性体を磁化させることができれば、コイルを設ける位置は特に限定されることは無く、可動子又は固定子としての保持板にコイルを設けても良い。

更に、本実施の形態では、歯部を千鳥配置する例を説明したが、歯部が正面対向するように構成しても良い。

また、上述した実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 固定子
２ 可動子
１１ 支持体
１１ａ、１１ｂ 歯部
１１ｃ 磁性体部分
１１ｄ 非磁性体部分
１２、１３ 永久磁石
１４、１５ コイル
２１ 保持板
２２ 磁性体

Claims (7)

1. 固定子及び該固定子に対して直線的に移動する可動子を備えるリニアモータにおいて、
   前記可動子（又は前記固定子）は、
   移動方向に等配された複数の磁性体を有する板状をなし、
   前記固定子（又は前記可動子）は、
   間隙を有して前記可動子（又は前記固定子）の各面に対向する２つの板状部を有するＵ字溝状をなし、各板状部の対向する面それぞれに、磁性部材の複数の歯部が移動方向に等配してあり、各歯部間に永久磁石を支持する支持体を備え、
   該支持体は、
   前記可動子（又は前記固定子）を介して略対向する複数組の歯部それぞれを磁気結合させる磁路を形成する複数の磁性体部分と、
   各磁性体部分を隔てる非磁性体部分と
   を有することを特徴とするリニアモータ。
2. 前記非磁性体部分は、各永久磁石のＮ極と、Ｓ極とを隔てている
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 各板状部に配された複数の歯部を囲繞し、各板状部の歯部側にそれぞれ磁極が現れるように前記磁性体を磁化させるコイルを備える
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリニアモータ。
4. 前記２つの板状部の一方の面の歯部と、他方の面の歯部とは、移動方向に沿って千鳥配置してある
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のリニアモータ。
5. 前記磁性体は、
   略矩形板状をなし、各辺は前記移動方向に対して非直角である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載のリニアモータ。
6. 前記可動子（又は前記固定子）は移動方向に等配された複数のリブ状の突起部を有する板状の磁性部材からなり、複数の前記突起部の各辺が移動方向に対して略直角である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のリニアモータ。
7. 前記可動子（又は前記固定子）は移動方向に等配された複数のリブ状の突起部を有する板状の磁性体部材からなり、複数の前記突起部の各辺が移動方向に対して非直角である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のリニアモータ。
   

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