JP2015173578A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータのスムーズな移動を実現する。【解決手段】筒状のヨーク１０と、ヨーク１０を軸方向に挿通するロッド２０とを備え、ヨーク１０とロッド２０を軸方向に相対変位させるように構成されたリニアモータ１００であって、ヨーク１０の内周面から径方向に突出し、軸方向に並設される複数のティース１１と、隣接するティース１１の間に形成されるスロット１２と、各スロット１２内に配設されるコイル３０と、ロッド２０に軸方向に並んで保持される複数の永久磁石２１と、を備え、ティース１１のうち軸方向の両端に位置するティース１１の突出量Ｌａは、その他のティース１１の突出量Ｌｂより小さく設定されることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、リニアモータに関する。

特許文献１には、筒状のヨークの内周面に配設したコイルの周囲に生じる移動磁界を利用して、ロッド外周面に配設した永久磁石を吸引することで、ヨークとロッドを軸方向に相対変位させるリニアモータが開示されている。

特開２００９−２５４０２５号公報

このようなリニアモータは、自動車や航空機等における駆動アクチュエーションシステムや制振アクチュエーションシステムの駆動源として利用される。自動車や航空機等に利用されるリニアモータは、高い軸方向推力を発生すると共に、高負荷時にもスムーズな移動を可能とするものが望まれている。

このようなリニアモータを実現するためには、ディテント力（ヨークと永久磁石との間に発生する磁気吸引力）を低減する必要がある。特に、リニアモータにおいては、ヨークの外側に位置する複数の永久磁石から生じる磁束がヨークの両端側に配置されたティースに入り込むため、ヨークの両端側におけるディテント力が、他の位置におけるディテント力と比較して大きいものとなる。このため、ヨークの両端側における移動抵抗が大きくなり、リニアモータのスムーズな移動が妨げられていた。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ヨークの両端側で発生するディテント力を低減し、リニアモータのスムーズな移動を実現することを目的とする。

本発明は、筒状のヨークと、前記ヨークを軸方向に挿通するロッドとを備え、前記ヨークと前記ロッドを軸方向に相対変位させるように構成されたリニアモータであって、前記ヨークの内周面から径方向に突出し、軸方向に並設される複数のティースと、隣接する前記ティースの間に形成されるスロットと、各スロット内に配設されるコイルと、前記ロッドに軸方向に並んで保持される複数の永久磁石と、を備え、前記ティースのうち軸方向の両端に位置する前記ティースの突出量は、その他の前記ティースの突出量より小さく設定されることを特徴とする。

本発明では、ヨークの軸方向に並設されるティースのうち、最も両端に位置するティースの突出量が他のティースの突出量よりも小さく設定される。そのため、ヨークの外側に位置する永久磁石から両端のティースへの磁束の入り込み量が低減され、ヨークの両端側で発生するディテント力が低減される。このように、ヨークの両端側で発生するディテント力が低減するため、リニアモータのスムーズな移動を実現することができる。

本発明の実施形態によるリニアモータを含むアクチュエーションシステムの概略構成図である。 本実施形態によるリニアモータの一部を示す断面図である。 本実施形態によるリニアモータの等価電気回路を示す図である。 本実施形態によるリニアモータの右端の拡大図である。

図１を参照して、本発明の実施形態によるリニアモータ１００を備えるアクチュエーションシステム１について説明する。

アクチュエーションシステム１は、筒状のヨーク１０及びロッド２０を有するリニアモータ１００と、リニアモータ１００を載置するための載置部２と、載置部２に立設されロッド２０の両端を支持する支持部３と、載置部２上に配置されるレール４と、ヨーク１０が固定されるとともにレール４に沿って移動するキャリア５と、を備えている。リニアモータ１００が駆動されると、ヨーク１０がキャリア５とともにレール４に沿って移動する。アクチュエーションシステム１では、ヨーク１０に部品等の駆動対象を設置することで、当該駆動対象を直線的に移動させることができる。

なお、アクチュエーションシステム１は、駆動対象を駆動する駆動アクチュエーションシステムとして構成されているが、このような構成に限られるものではない。リニアモータ１００のヨーク１０を相対変位する２つの部材の一方の部材に取り付け、リニアモータ１００のロッド２０を他方の部材に取り付けることで、これら部材の相対変位を抑制する制振用のアクチュエーションシステム１としてもよい。

次に、図２を参照して、アクチュエーションシステム１の駆動源であるリニアモータ１００の構成について説明する。

本実施形態におけるリニアモータ１００は、８極１２スロット型の円筒状リニアモータである。リニアモータ１００は円筒状であるため、流体圧シリンダといった円筒状で直動する従来のアクチュエータとの置き換えが容易であり、リニアモータ１００を採用することでアクチュエーションシステム１のクリーン化、高精度化、省エネ化を図ることができる。

リニアモータ１００は、筒状のヨーク１０と、ヨーク１０の内部をヨーク軸方向に挿通するロッド２０と、ヨーク１０に設けられる複数のコイル３０と、ロッド２０に保持される複数の永久磁石２１と、を備える。リニアモータ１００では、交流電流をコイル３０に通電した時に当該コイル３０の周囲に生じる移動磁界を利用して、ロッド２０に保持された永久磁石２１を吸引することで、ヨーク１０とロッド２０とを軸方向に相対変位させる推力が発生する。

ヨーク１０は、軟鉄等の磁性体によって形成される円筒部材である。ヨーク１０は、その内周面からヨーク中心に向かって突出し、軸方向に並設されるティース１１を備える。ティース１１は、軸方向に沿って１３個並設されており、ヨーク１０の両端間においてそれぞれ等しい間隔で配置されている。

軸方向の両端以外に位置するティース１１（以下、必要に応じて中央のティース１１と称する。）は、ヨーク１０の内周面から立設すると共に内周方向に延設される立設部１１Ａと、立設部１１Ａの先端に設けられる先端部１１Ｂと、を備える。ティース１１の先端部１１Ｂの端面は、ロッド２０の外周面に対向するように構成されている。先端部１１Ｂの幅（ヨーク軸方向の厚さ）は、立設部１１Ａの幅（ヨーク軸方向の厚さ）よりも大きく設定されている。また、先端部１１Ｂの幅は、ヨーク中心に向かって徐々に大きくなるように形成されている。

軸方向の最も両端側に位置するティース１１（以下、必要に応じて両端のティース１１と称する。）は、ヨーク１０の両端に配置される。両端のティース１１は、立設部１１Ａを備える一方、その先端に先端部１１Ｂは設けられていない。また、両端のティース１１の径方向への突出量Ｌａは、中央のティース１１の突出量Ｌｂより小さく設定される。言い換えると、両端のティース１１の先端とロッド２０との間のエアギャップは、中央のティース１１の先端とロッド２０とのエアギャップより、大きく設定される。なお、中央のティース１１の突出量Ｌｂは全て同一に設定されている。

軸方向に隣接するティース１１の間の空間が、コイル３０を配置するためのスロット１２となる。図２に示すように、本実施形態では、併せて１３個のティース１１を備えるため、１２個のスロット１２が形成され、これら各スロット１２にコイル３０が１つずつ配置される。

コイル３０はスロット数に対応して１２個設けられており、１２個のコイル３０は４個のＵ相コイル３１と、４個のＶ相コイル３２と、４個のＷ相コイル３３とから構成されている。

各相コイル３１〜３３は、絶縁被覆された巻線３０Ａがロッド２０の軸周りに巻き回されてリング状に形成されている。また、各相コイル３１〜３３は、左端側のスロット１２から右端側のスロット１２に、Ｗ相コイル３３、Ｕ相コイル３１、Ｖ相コイル３２の順番で一相ずつ交互に配設されている。

ヨーク１０と同軸に配置されるロッド２０は、非磁性体（例えばステンレス鋼）によって形成された筒状部材である。ロッド２０は、軸方向に貫通する貫通孔２０Ａを有している。図１に示すように、ロッド２０の両端は、載置部２に設けられた支持部３に固定されている。

ロッド２０の貫通孔２０Ａには、複数の永久磁石２１が軸方向に並んで保持される。永久磁石２１は、円柱状に形成されており、軸方向にＮ極とＳ極が現れるように着磁されている。これら永久磁石２１は等間隔に設けられており、隣り合う永久磁石２１は同極同士が対向するように配置されている。また、隣り合う永久磁石２１の間には、磁性体により形成された円柱状継鉄２２が設けられている。なお、円柱状継鉄２２は必ずしも設ける必要はなく、各永久磁石２１を直接隣接させてもよい。

図３に示すように、リニアモータ１００では、４個のＵ相コイル３１は直列に接続されており、４個のＶ相コイル３２及び４個のＷ相コイル３３も同相コイル同士が直列に接続されている。

図３に示すように、一番目に配置されたＵ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３の端部はＹ結線されており、四番目に配置されるＵ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３の端部はドライバ４０に接続されている。

ドライバ４０は、各相コイル３１〜３３への交流電流の供給を制御する制御装置として構成されている。ドライバ４０は、図示しない位置センサにより検出されるヨーク１０とロッド２０との相対位置情報に基づいて、交流電流の周波数や通電タイミング等を制御する。これにより、リニアモータ１００における推力や推力発生方向が調整され、その推力によってヨーク１０がキャリア５とともにレール４に沿って移動する。

次に、図４を参照して、リニアモータ１００に発生するディテント力について説明する。

図４は、リニアモータ１００の右端の拡大図であって、図中の実線矢印はヨーク１０とロッド２０の相対的な移動方向を、破線矢印はティース１１と永久磁石２１との間に生じるディテント力を表している。

ロッド２０に配置される永久磁石２１から発生した磁束が、ティース１１に作用することで、永久磁石２１とティース１１との間にディテント力が発生する。ディテント力のヨーク軸方向成分は、ヨーク１０の移動に対する抵抗として作用する。また、円筒型のリニアモータ１００では、ティース１１がヨーク１０の周方向に連続して設けられるため、ロッド２０がヨーク１０の中心に位置した状態において、ヨーク１０とロッド２０の間に作用するディテント力のヨーク径方向成分が釣り合った状態になる。このため、ヨーク１０は、ロッド２０が中心に位置した状態で、ディテント力のヨーク径方向成分の影響を受けずにヨーク径方向に対し安定的に保持される。

一般的に、リニアモータでは、回転型モータと異なり、ヨークの移動方向に対して端が存在する。ヨークの両端においては、ヨークの外側に位置する複数の永久磁石の磁束がヨークの両端に配置されたティースの側面に作用するため、永久磁石とティース先端面との間だけでなく、永久磁石とティース側面との間においてもディテント力が発生する。したがって、ヨーク両端における移動抵抗は、ヨーク中央と比べて大きくなり、リニアモータのスムーズな移動を妨げることとなる。

このため、本実施形態では、図４にその一部を示すように、両端に位置するティース１１の突出量Ｌａを中央のティース１１の突出量Ｌｂより小さく設定し、ティース側面１１Ｃの面積を小さくして、磁束の入り込み量を減少させる。これにより、ヨーク１０の両端におけるディテント力を低減することができる。また、両端のティース１１の突出量Ｌａを小さく設定することで、ロッド２０とのエアギャップが大きいものとなるため、ティース１１の立設部１１Ａの先端と永久磁石２１との間のディテント力も低減することとなる。

両端のティース１１の突出量Ｌａは、ヨーク両端で発生する推力やディテント力等が所望のものとなるように決定される。突出量Ｌａを小さく設定しすぎると、スロット１２に配置されたコイル３０がむき出しになるが、このような場合は、両端のティース１１の先端に非磁性体を設けるようにすればよい。このようにすれば、ディテント力が作用するティース側面１１Ｃの面積を減少させつつ、コイル３０を収容するティース１１としての役割を果たすことができる。

本実施形態においては、両端のティース１１の突出量Ｌａのみを小さく設定し、中央のティース１１の突出量Ｌｂはできるだけ高く互いに同一に設定することが好ましい。このようにティース１１の突出量Ｌａ，Ｌｂを設定することにより、ヨーク両端のディテント力を低減させつつ、推力は従来のリニアモータとほぼ同等に維持することができる。しかしながら、ヨーク両端のディテント力を低減させるという観点では、両端のティース１１の突出量Ｌａを小さく設定する限り、中央のティース１１の突出量Ｌｂはどのよう設定されてもよい。

なお、上述したようにリニアモータ１００は、円筒型であるため、両端のティース１１の突出量Ｌａを小さく設定したとしても、ロッド２０がヨーク中心に位置した状態において、ヨーク径方向のディテント力が釣り合い、ヨーク径方向に対し安定的に保持されることに変わりはない。

上記した本実施形態によるリニアモータ１００によれば、以下の効果を得ることができる。

ヨーク１０の軸方向に並設されるティース１１のうち、両端に位置するティース１１の突出量Ｌａが中央のティース１１の突出量Ｌｂよりも小さく設定される。そのため、ヨーク１０の外側に位置する永久磁石２１からヨーク１０の両端に位置するティース１１への磁束の入り込み量が低減され、ヨーク１０の両端で発生するディテント力が低減される。このように、ヨーク１０の両端で発生するディテント力が低減するため、リニアモータ１００のスムーズな移動を実現することができる。

また、両端のティース１１の突出量Ｌａのみが小さく設定され、中央のティース１１の突出量Ｌｂは全て同一に設定されるため、ヨーク１０の両端におけるディテント力を低減しつつ、推力を維持することができる。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなし得ることは明白である。

上記実施形態では、リニアモータ１００は、ヨーク１０内の永久磁石２１が８個であり、スロットが１２個である８極１２スロット型としたが、この構成に限られるものではない。リニアモータ１００は、その他の極数やスロット数を持つリニアモータとしてもよい。

さらに、上記実施形態では、両端のティース１１は、先端部１１Ｂは設けられず、立設部１１Ａのみを備えるとした。これに代えて、中央のティース１１と同様に先端部１１Ｂを設けてもよい。先端部１１Ｂを設けると推力を向上させることができるが、コイル３０の配置やリニアモータ１００の取り付けによる制限上、低下させることができるティース１１の突出量Ｌａが減少する。したがって、このような場合には、推力とディテント力の関係が所望のものとなるように決定すればよい。

１００ リニアモータ
１０ ヨーク
１１ ティース
１２ スロット
２０ ロッド
２１ 永久磁石
３０ コイル
３１ Ｕ相コイル
３２ Ｖ相コイル
３３ Ｗ相コイル
４０ ドライバ

Claims (4)

1. 筒状のヨークと、前記ヨークを軸方向に挿通するロッドとを備え、前記ヨークと前記ロッドを軸方向に相対変位させるように構成されたリニアモータであって、
   前記ヨークの内周面から径方向に突出し、軸方向に並設される複数のティースと、
   隣接する前記ティースの間に形成されるスロットと、
   各スロット内に配設されるコイルと、
   前記ロッドに軸方向に並んで保持される複数の永久磁石と、を備え、
   前記ティースのうち軸方向の両端に位置する前記ティースの突出量は、その他の前記ティースの突出量より小さく設定されることを特徴とするリニアモータ。
2. 軸方向の両端に位置する前記ティース以外の前記ティースの突出量は、全て同一に設定されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 軸方向の両端に位置する前記ティースは、前記ヨークの軸方向の両端に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ。
4. 軸方向の両端に位置する前記ティースは、前記ヨークの内周面から径方向に立設する立設部を備え、
   その他の前記ティースは、前記ヨークの内周面から径方向に立設する立設部と、当該立設部の先端に設けられ、当該立設部よりも幅広に形成される先端部と、を備える、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のリニアモータ。

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