JP2014513515A - 可動磁石リニアモーターのコギング力リップル低減 - Google Patents

Abstract

リニアモーターのための磁石構造。磁石構造の磁石タイルは、磁極内タイルギャップがリニアモーターの運動方向に平行な方向に延びるように配置されている。

Description

本明細書は、リニアモーターの電機子のための磁石タイル構造について述べる。

一態様では、リニアモーターのための電機子は、磁極部分を有する磁石構造を含む。磁極部分は、非磁性及び非導電性の材料で充填された直線状磁極内ギャップによって分離される磁石タイルを含む。ギャップは、意図した運動方向に平行な方向に延びる。磁石構造は、２つ以上の磁極部分を有してもよい。各磁極部分は、非磁性及び非導電性の材料で充填された直線状磁極内ギャップによって分離される磁石タイルを含んでもよい。ギャップは、意図した運動方向に平行な方向に延びてもよい。特許請求の範囲に規定された電機子はさらに、２つ未満のエッジで磁石タイルの少なくともいくつかを係合するフレーム構造を含んでもよい。フレームは、磁石タイルの少なくともいくつかのいずれのエッジをも係合しなくてもよい。複数の磁石タイルは、２つの他のエッジよりも実質的に短い２つのエッジを有してもよい。磁石構造は、磁極内ギャップが電機子の移動のいずれの時点でも固定子歯エッジと整列しないように寸法を決められ、構成され得る。

別の態様では、リニアモーターのための電機子は、磁極部分を有する磁石構造を含む。各磁極部分は、非磁性及び非導電性の材料で充填された磁極内ギャップによって分離される細長い磁石タイルを含む。細長方向は、意図した運動方向に平行であってもよい。磁石構造は、３つ以上の磁極部分を有してもよい。各磁極部分は、非磁性及び非導電性の材料で充填された磁極内ギャップによって分離される細長い磁石タイルを含んでもよい。細長方向は、意図した運動方向に平行であってもよい。電機子はさらに、２つ未満のエッジで磁石タイルの少なくともいくつかを係合するフレーム構造を含んでもよい。フレームは、磁石タイルの少なくともいくつかのいずれのエッジをも係合しなくてもよい。電機子はさらに、意図した運動方向に垂直でかつフレームの端部の中間にある横方向支柱を含み、タイルの少なくとも２つの短い方のエッジを係合するフレームを含んでもよい。磁石構造は、磁極内ギャップが電機子の移動のいずれの時点でも固定子歯エッジと整列しないように寸法を決められ、構成され得る。

別の態様では、リニアモーターは、低磁気リラクタンス材料からなる第１のコアを含む。第１のコアは、エッジを有する。リニアモーターはまた、低磁気リラクタンス材料からなる第２のコアも含む。第２のコアは、エッジを有する。リニアモーターは、磁石構造を含む電機子を含む。磁石構造は、非磁性及び非導電性の材料で充填されたギャップによって分離される磁石タイルを含む。第１のコア、第２のコア、および電機子は、第１のコアのエッジがギャップと整列するとき、第２のコアのエッジがギャップと整列しないように寸法を決められ、構成されている。

他の特徴、目的、および利点は、次の図面と関連して読むとき、次の詳細な説明から明らかとなるであろう。

可動磁石リニアモーターの簡略化した等角図である。 磁石キャリアの簡略化した図である。 磁石キャリアおよび磁石構造の簡略化した図である。 タイル状磁石構造の概略図である。 固定子歯および磁石タイルの概略図である。 リニアモーターの力対変位のグラフである。 磁石キャリアおよび磁石構造の概略図である。 磁石構造の製図である。 固定子歯および磁石タイルの概略図である。

図１は、可動磁石リニアモーター（またリニアアクチュエータとも呼ばれる）の簡略化した等角図および後続の図で使用されることになる座標系を示す。第１の巻線１２−１および第２の巻線１３−１は、軟鉄などの、低磁気リラクタンス材料のＣ形状コア１１−１の脚部１１Ａ−１および１１Ｂ−１の周りに巻き付けられる。第１の巻線１２−２および第２の巻線１３−２は、軟鉄などの、低磁気リラクタンス材料の第２のＣ形状コア１１−２の脚部１１Ａ−２および１１Ｂ−２の周りに巻き付けられる。可動磁石キャリア１７に据え付けられた永久磁石１６は、Ｃ形状コアに接触することなく、Ｃ形状コアのエアギャップに位置決めされ、好ましくはエアギャップのできるだけ多くを占める。永久磁石１６は、コア１１−１および１１−２の対向表面の間に隣接する異なる磁極（この図では示されない）を有する。可動磁石キャリア１７および永久磁石１６は、リニアモーターの電機子の部品であり、電機子の他の部品は、この図では示されない。可動磁石キャリアは、図示されないサスペンションによって支持され、そのサスペンションは、Ｃ形状コアの対向面の方に磁石を付勢する横方向（すなわち、図１の座標系によるとＹ方向）「衝突」力に対抗しながら矢印１８によって示されるＸ方向への運動を可能にする。この図および後続の図では、Ｘ方向は、電機子（ａｒｍａｔｕｒｅ）の意図した運動方向であり、Ｙ方向は、電機子の平面に垂直な衝突力の方向であり、Ｚ方向は、電機子の平面にあり、意図した運動方向に垂直であることにある。図では、意図した運動方向（Ｘ方向）は、鉛直方向である。

動作時には、巻線１２−１、１３−１、１２−２および１３−２での交流電流信号、例えば運動制御信号は、永久磁石１６の磁場と相互作用し、そのことにより、矢印１８によって示される方向への電機子の運動が、引き起こされる。

図２Ａは、磁石キャリア１７の簡略化した図を示す。磁石キャリアのための典型的な構成は、フレーム２２および窓２４の構成である。

図２Ｂで示すように、フレーム２２は、磁石の４つの側面すべてで磁石１６を係合する。磁石は、エポキシなどの接着剤によって、または締まりばめを補完するための接着剤がある場合でも、ない場合でも、締まりばめによって機械的に適所に保持され得る。磁石キャリアは、リニアモーターの動作によって生成される機械的エネルギー（運動および力）を有益に用いることができるように、電機子を周囲の構造に結合するための構造（図示されず）を有してもよい。

磁石は、１つまたは複数の磁極部分を有する。図２Ｂの例では、磁石は、２つの南磁極部分（「Ｓ」と指定される）および１つの北磁極部分（「Ｎ」と指定される）を有する。他の実装形態は、より少ない磁極またはより多い磁極を有してもよい。

いくつかの実装形態では、北磁極部分および南磁極部分は、一体構造であってもよい。しかしながら、特に磁石がより大きくなるにつれて、一体型磁極部分は、望ましくないこともある。一体型磁極構造は、磁石での望ましくない加熱損失につながる渦電流を促進することもある。

一体型磁石磁極での望ましくない加熱損失は、一体型磁石磁極のＸＺ平面に垂直に突き進むコイル磁束の時間に関する導関数に比例する。一体型磁石磁極をより小さい電気的に絶縁された小部分にさらに分割することで、望ましくない加熱損失は、分割されない一体型磁極でさもなければ生じることになるよりも少なくなるという結果になる。

加えて、大きな一体型磁極構造は、従来の励磁コイルを使用して磁化することが困難なこともあり、容易に製造できる磁石材料の単一ブロックのサイズに対する実際的な限界がある。

渦電流に起因する電力消失の問題および一体型磁極構造を製造し、磁化することの困難さを避けるためには、磁極構造は、図３で示すように、個別「タイル」２６で構成されてもよく、その結果磁極構造は、コイル磁束が磁石に垂直である平面、この実施形態ではｘｚ平面で分割される。図３の磁石１６は、２つの南磁極構造および１つの北磁極構造を含む。磁極構造のそれぞれは、４つの個別「タイル」２６を含む。実際の実装形態では、各タイル構造は、５つ以上の、例えば９つのタイルを含んでもよい。タイルのそれぞれは、この図では細長い長方形であり、細長方向は、矢印１８によって示される運動方向に垂直に向いている。タイルのそれぞれは、少なくとも２つのエッジでフレーム２２によって係合される。非導電性及び非磁性の接着剤、例えばエポキシが、隣接するタイル間のギャップ、例えばギャップ３０に入れられる。図３の構造は、妥当なサイズの磁性材料の使用および従来のサイズの励磁コイルの使用を可能にする。望ましくない渦電流損失は、より多くのかつより小さいタイルの使用を通じて低減されている。従って、それらのタイルは、多くの電力を消失せず、より少なく、より大きなタイルと関連するより長い経路長の渦電流にさらされる構造ほど多くの熱を発生させない。

残念ながら、図４で示すように、図３の構造は、コアのエッジ３２（以下では「固定子歯」）が磁極の隣接するタイル間のギャップ３０（以下では磁極内ギャップ）と整列するとき、コギング力を受ける。コギング力は、図５の力対変位曲線でゆらぎおよび／または非線形性３４（ときにはコギング力リップル（ｃｏｇｇｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｒｉｐｐｌｅ）と呼ばれる）を引き起こす。コギング力リップルは、リニアモーターの電機子の運動を制御することの困難さの原因になることもある。

図６は、コギング力リップルを低減する構造を示す。図６の構造では、タイルは、図６を見ると細長い長方形であり、細長方向は、矢印１８によって示される運動方向（ｘ方向）に平行に向いている。図６の構造に関しては、固定子歯のエッジは、いずれの磁極内ギャップとも整列せず、それで磁極内ギャップとの固定子歯の整列から結果として生じるコギング力は、実質的に除去される。

図７は、図示される寸法（ｍｍ単位で）をもつ図６の構造の実際の実装形態を示す。図７の実装形態では、北磁極部分は、電機子の運動方向の方向に縦に配置され、結果として得られる磁極内ギャップ５２をもつ２つのタイル、例えば４８および５０を含む。しかしながら、リニアモーターの部品の構成、ストローク、および寸法は、磁極内ギャップ５２がモーターの動作中に固定子歯のエッジとぴったり合わないように配置できるので、この磁極内ギャップ５２は、コギング力リップルを引き起こす必要がない。

図８は、コギング力を低減するための別の構造を例示する。図８の構造では、タイルは、図３でのように配置される。固定子歯の寸法および配置ならびにタイル２４の寸法および構成は、エッジ１３２Ａ、１３２Ｂ、２３２Ａおよび２３２Ｂなどの１つの固定子歯のエッジが磁極内ギャップ１５２Ａおよび１５２Ｂと整列するとき、エッジ３３２Ａ、３３２Ｂ、４３２Ａ、および４３２Ｂなどの別の固定子歯のエッジが磁極内ギャップと整列しないように配置される。

本明細書で開示される特定の装置および技術の多数の使用およびそれらからの多数の展開は、本発明概念から逸脱することなくなされてもよい。その結果、本発明は、本明細書で開示され、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定される、ありとあらゆる新規特徴および特徴の新規組合せを包含すると解釈されるべきである。

１１−１ Ｃ形状コア
１１Ａ−１ 脚部
１１Ｂ−１ 脚部
１１−２ 第２のＣ形状コア
１１Ａ−２ 脚部
１１Ｂ−２ 脚部
１２−１ 第１の巻線
１２−２ 第１の巻線
１３−１ 第２の巻線
１３−２ 第２の巻線
１６ 永久磁石
１７ 可動磁石キャリア
１８ 矢印
２２ フレーム
２４ 窓
２６ タイル
３０ ギャップ
３２ コアのエッジ
３４ ゆらぎおよび／または非線形性
４８ タイル
５０ タイル
５２ 磁極内ギャップ
１３２Ａ 固定子歯のエッジ
１３２Ｂ 固定子歯のエッジ
１５２Ａ 磁極内ギャップ
１５２Ｂ 磁極内ギャップ
２３２Ａ 固定子歯のエッジ
２３２Ｂ 固定子歯のエッジ
３３２Ａ 固定子歯のエッジ
３３２Ｂ 固定子歯のエッジ
４３２Ａ 固定子歯のエッジ
４３２Ｂ 固定子歯のエッジ

Claims (19)

1. リニアモーターのための電機子であって、
   磁極部分を有する磁石構造を含み、前記磁極部分が、非磁性及び非導電性の材料で充填された直線状磁極内ギャップによって分離される磁石タイルを含み、前記直線状磁極内ギャップが、意図した運動方向に平行な方向に延びる、
   電機子。
2. 前記磁石構造が、２つ以上の磁極部分を有し、各磁極部分が、非磁性非導電性の材料で充填された直線状磁極内ギャップによって分離される磁石タイルを含み、前記ギャップが、意図した運動方向に平行な方向に延びる、請求項１に記載の電機子。
3. ２つ未満のエッジで前記磁石タイルの少なくともいくつかを係合するフレーム構造をさらに含む、請求項１に記載の電機子。
4. 前記フレームは、前記磁石タイルの少なくともいくつかのいずれのエッジをも係合しない、請求項３に記載の電機子。
5. 複数の前記磁石タイルは、２つの他のエッジよりも実質的に短い２つのエッジを有する、請求項１に記載の電機子。
6. 前記磁石構造は、磁極内ギャップが当該電機子の移動のいずれの時点でも固定子歯エッジと整列しないように寸法を決められ、構成されている、請求項１に記載の電機子。
7. リニアモーターのための電機子であって、
   磁極部分を有する磁石構造を含み、各磁極部分が、非磁性及び非導電性の材料で充填された磁極内ギャップによって分離される細長い磁石タイルを含み、前記細長方向が、意図した運動方向に平行である、電機子。
8. 前記磁石構造は、３つ以上の磁極部分を有し、各磁極部分が、非磁性及び非導電性の材料で充填された磁極内ギャップによって分離される細長い磁石タイルを含み、前記細長方向は、意図した運動方向に平行である、請求項７に記載の電機子。
9. ２つ未満のエッジで前記磁石タイルの少なくともいくつかを係合するフレーム構造をさらに含む、請求項７に記載の電機子。
10. 前記フレームは、前記磁石タイルの少なくともいくつかのいずれのエッジをも係合しない、請求項９に記載の電機子。
11. 意図した運動方向に垂直な横方向支柱であって、端部と端部の中間にある横方向支柱を含み、かつ前記タイルの少なくとも２つの短い方のエッジを係合するフレームをさらに含む、請求項７に記載の電機子。
12. 前記磁石構造は、磁極内ギャップが当該電機子の移動のいずれの時点でも固定子歯エッジと整列しないように寸法を決められ、構成されている、請求項７に記載の電機子。
13. 低磁気リラクタンス材料からなる第１のコアであって、エッジを有する第１のコアと、
    低磁気リラクタンス材料からなる第２のコアであって、エッジを有する第２のコアと、
    磁石構造を有する電機子であって、前記磁石構造が、非磁性及び非導電性の材料で充填されたギャップによって分離される磁石タイルを含む、電機子と、
    を備え、
    前記第１のコア、前記第２のコア、および前記電機子は、前記第１のコアのエッジがギャップと整列するとき、前記第２のコアのエッジがギャップと整列しないように寸法を決められ、構成されている、
    リニアモーター。
14. 前記磁石タイルは細長く、前記磁石タイルの細長方向は、前記電機子の意図した運動方向に平行である、請求項１３に記載のリニアモーター。
15. ２つ未満のエッジで前記磁石タイルの少なくともいくつかを係合するフレーム構造をさらに含む、請求項１３に記載のリニアモーター。
16. 前記フレームは、前記磁石タイルの少なくともいくつかのいずれのエッジをも係合しない、請求項１５に記載のリニアモーター。
17. 前記電機子は、前記電機子の意図した運動方向に垂直な横方向支柱であって、端部と端部の中間にある横方向支柱を含み、かつ前記タイルの少なくとも２つの短い方のエッジを係合するフレームをさらに含む、請求項１３に記載のリニアモーター。
18. 前記磁石構造は、磁極内ギャップが前記電機子の移動のいずれの時点でも固定子歯エッジと整列しないように寸法を決められ、構成されている、請求項１３に記載のリニアモーター。
19. 複数の前記磁石タイルは、２つの他のエッジよりも実質的に短い２つのエッジを有する、請求項１３に記載のリニアモーター。