JP2017041947A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギング推力をより効果的に低減するための技術を提供する。
【解決手段】本発明によりリニアモータは、界磁コアに複数の永久磁石が配置されて構成される固定子と、永久磁石と磁気的空隙を介して配置された電機子巻線を有する電機子コアと、備えている。ここで、リニアモータの進行方向における電機子コアの長さをＬｃ、永久磁石のピッチをτｐ、Ｎを自然数とすると、電機子コアの長さＬｃは、（Ｎ×τｐ−０．２×τｐ）≦Ｌｃ≦（Ｎ×τＰ＋０．２×τｐ）で規定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、界磁コアに複数の永久磁石が配置されて構成される固定子と、永久磁石と磁気的空隙を介して配置された電機子巻線を有する電機子コアと、備えるリニアモータに関する。

リニアモータにはコギング推力が発生する。このコギング推力は、リニアモータを駆動する際に振動や騒音の原因となったり、位置決め性能や速度安定性の低下の原因となったりしている。このため、リニアモータにおけるコギング推力は極力小さくすることが望ましい。このようなリニアモータのコギング推力を低減するための技術として、例えば特許文献１や特許文献２のような技術がある。

特許文献１は、電機子コアの補助ティース（端部ティース）の形状を主ティースの外側先端部を切り落とした形状にすることによりコギング推力を低減することを開示している。また、特許文献２は、電機子コアにおいて巻線が取り付けられる主ティースと両端の補助ティースの形状を異なるようにすることによりコギング推力を低減することを開示している。

特開２００４−２９９３４２号公報 特開２００５−３６４３７４号公報

しかしながら、特許文献１及び２に開示の技術では、主ティースと補助ティースの形状を異ならしめることに主眼が置かれており、電機子コアと固定子との関係については言及されていない。このため、コギング推力を低減する効果としては十分ではない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、コギング推力をより効果的に低減するための技術を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明によるリニアモータは、界磁コアに複数の永久磁石が配置されて構成される固定子と、永久磁石と磁気的空隙を介して配置された電機子巻線を有する電機子コアと、備えている。ここで、リニアモータの進行方向における電機子コアの長さをＬｃ、永久磁石のピッチをτｐ、Ｎを自然数とすると、電機子コアの長さＬｃは、（Ｎ×τｐ−０．２×τｐ）≦Ｌｃ≦（Ｎ×τＰ＋０．２×τｐ）で規定される。

本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本発明の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。

本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本発明の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。

本発明によれば、リニアモータにおけるコギング推力をより効果的に低減することができるようになる。

本発明の実施形態によるリニアモータの外観を示す図である。 図１に示されるリニアモータ１のＡ−Ａ’における断面構成を示す図である。 図１に示されるリニアモータ１のＢ−Ｂ’における断面構成を示す図である。 天板３０に断熱板４０を取り付けた場合の、リニアモータ１のＢ−Ｂ’における断面構成（変形例）を示す図である。 図４の変形例によるリニアモータを天板３０の方向から見た様子を示す図である。 本発明の実施形態によるリニアモータ１の電機子コア１０と固定子２０との関係、及び電機子コア１０の特徴を説明するための図である。 本発明の実施形態によるリニアモータ１の電機子コア１０の端部ティース幅と主ティース幅との関係を説明するための図である。 端部ティース１０２における凸部の有無によるコギング推力の大きさの比較結果を示す図である。 電機子コア１０の端部ティース１０２に設けられる凸部の、コギング推力を低減するために有効なサイズを考察するための図（実験結果）である。 主ティース１０１の先端が直線状（ストレートティース）となっていることの利点を説明するための図である。

リニアモータの推力特性を向上するためには、電機子コアと界磁マグネット間のギャップ磁束密度を大きくし、電機子巻線を高密度化する必要がある。ギャップ磁束密度を大きくするために、電機子コア形状はマグネットと対抗するティース先端を双方凸形状にすることが一般的であり、このコア形状は、推力特性の向上に有効である。しかし、この形状において、電機子コアのスロット内の巻線を高密度化するためには、電機子コアをティース毎に分割して個々に巻線する必要がある（特許文献１参照）。また、コアを精度良く並べて固定し一体化する必要もある。この方法は、モータの部品点数が増えると共に、電機子コアの剛性が低くなるという課題がある（課題Ａ）。

また、リニアモータには、マグネットと電機子コアの間に磁気吸引力が作用する。この磁気吸引力は、リニアモータの最大推力に対し４〜５倍の大きさとなる。そのため、リニアモータを取り付ける装置には、磁気吸引力を保持する高剛性の構造体が必要である（課題Ｂ）。

本発明の実施形態は、コギング推力を低減させるリニアモータの構成だけでなく、このような課題Ａ及びＢをも解決するための技術を開示するものである。

従って、本実施形態は、リニアモータのコギング推力の低減、推力特性の向上、磁気吸引力の低減、リニアモータ自身の機械剛性の向上、及び組立性の改善を達成することができるリニアモータの構造について開示する。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。

本実施形態では、当業者が本発明を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本発明の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

＜リニアモータの構成＞
図１は、本実施形態によるリニアモータ１の外観の概略構成を示す図である。リニアモータ１は、２つの電機子コア１０_１及び１０_２（以下では、単に電機子コア１０と称する場合もある）と、それらを連結する天板（連結板とも言う）３０と、固定子２０と、によって構成される。固定子２０は、界磁コア２０１と、界磁コア２０１に固定ネジ２０４によって固定された複数のマグネット２０２とによって構成される。

図１に示されるように、本実施形態によるリニアモータ１は、上下２つの電機子コア１０_１及び１０_２によって固定子２０を挟み込む構造を採っている。つまり、２つの電機子コア１０_１及び１０_２と天板３０によってコの字を形成している。リニアモータ１においては、固定子２０が被固定面（一例として壁や床）に固定され、電機子コア１０_１及び１０_２が固定子２０に沿って移動（進行）方向ＭＤに移動するようになっている。

図２は、図１に示されるリニアモータ１のＡ−Ａ’における断面構成を示す図である。図２に示されるように、電機子コア１０_１及び１０_２はそれぞれ、固定子２０の永久磁石２０２の設置面に対向するように設置される。

各電機子コア１０_１及び１０_２は、主ティース１０１と、端部ティース１０２と、主ティースに取り付けられた電機子巻線（空芯コイル）１０３とによって構成される。

また、固定子２０は、界磁コア２０１と、界磁コア２０１の両面に移動方向ＭＤに対して交互に極性（Ｎ及びＳ）が異なるように並べられた複数の永久磁石２０２によって構成される。固定子２０は、永久磁石（界磁マグネット）２０２のピッチτｐのＮ（Ｎは整数）倍、或いは永久磁石２０２のピッチτｐの２倍（２×τｐ）の長さにモジュール化し、当該界磁モジュールを電機子コア１０_１及び１０_２の移動方向ＭＤに対して複数個並べることにより、固定子２０の長さを容易に変更することができるようにしても良い。界磁コア２０１には複数の固定ネジ用貫通穴２０３が形成されており、上記モジュールを複数個用意し、それぞれを固定ネジ２０４によって連結することにより、１つの固定子２０を構成する。

電機子コア長Ｌｃは、固定子２０の総長さより短く、電機子コアおよび電機子巻線１０３の全ての部位が界磁マグネット２０２と対向するように構成されている。このような構造を採ることにより、電機子巻線１０３が発生する全磁束を推力に使用できるため、必要最小限の電機子電流でリニアモータ１を駆動することができるようになる。その結果、銅損の低減と省電力化を実現することができる。

図３は、図１に示されるリニアモータ１のＢ−Ｂ’における断面構成を示す図である。図３からも分かるように、固定子２０の両側に配置された２つの電機子コア１０_１及び１０_２は、天板（連結板）３０によって連結され、電機子コア１０_１及び１０_２と天板３０が一体化されている。なお、各電機子コア１０_１及び１０_２と天板３０は、例えば、ネジによって固定される。

図４は、天板３０に断熱板４０を取り付けた構成であって、リニアモータ１のＢ−Ｂ’における断面構成（変形例）を示す図である。また、図５は、当該構成をなすリニアモータ１を天板３０の方向から見た様子を示す図である。変形例によるリニアモータ１においては、天板３０と電機子コア１０_１及び１０_２を固定するためのネジ３０１を配置した箇所（一例として天板端部）にネジ３０１を覆い隠すように断熱板４０を配置している。この断熱板４０は、板状部材である天板３０よりも熱伝達率が低い材質で構成される。駆動対象装置が天板３０に取り付けられた場合、天板３０との接触面から駆動対象装置に熱が伝達し、当該装置に悪影響を及ぼす可能性がある。また、ネジ３０１は金属で構成されるため（樹脂製のネジもあるが、強度の面から金属製であることが望ましい）、電機子コア１０_１及び１０_２から駆動対象の装置（図示せず）に熱が伝達し、当該装置に悪影響を及ぼす可能性がある。そのため、天板３０における駆動対象装置の接触面を覆い隠すように断熱板４０を配置している。なお、天板３０全体を覆うように断熱板を配置しても良い。これにより、天板３０の全体から駆動対象装置に伝達する熱を遮断することが可能となる。

＜電機子コアと固定子との関係、及び電機子コアの特徴＞
図６は、本発明の実施形態によるリニアモータ１の電機子コア１０と固定子２０との関係、及び電機子コア１０の特徴を説明するための図である。

（i）電機子コア長と固定子長の関係
リニアモータ１のコギング推力の主要因は、電機子コア１０の端部に界磁マグネット２０２による磁束が作用する「端効果」である。つまり、右側端部のコア（右端部ティース）が固定子２０に設置された永久磁石２０２に吸引される力と左側コア（左端部ティース）が永久磁石２０２から離れる力が相対的に異なっているとコギング推力が生じる。この吸引される力と離れる力を相対的に等しくするとコギング推力は理論的に「０」となる。この吸引される力と離れる力を相対的に等しくし、端効果を低減するためには、電機子コア１０の全長Ｌｃを、界磁マグネット２０２のピッチτｐの整数倍に近接した長さにすることが効果的である。端効果は、電機子コアと界磁マグネット磁束の吸引力に起因するため、Ｌｃをτｐの整数倍に近接した長さに最適化することで、コア両端部に作用する磁気吸引力をバランス化して相殺することができる。

また、電機子コア１０の主ティース１０１のスロット幅Ａｓは、電機子コア１０の端部ティース１０２のスロット幅Ｂｓ以上であることが望ましい。このようにすることにより、端部ティース１０２のテーパ形状部（湾曲面形状部）２０２１のＲを大きくすることができ、また、端部ティース１０２の幅Ｂｙを大きく取ることができるようになる。

図７Ｂに示されるように、電機子コア長ＬｃがＮ×τｐに等しいときにコギング推力を小さくすることができるようになる。

（ii）端部ティース幅と主ティース幅の関係
図７は、本発明の実施形態によるリニアモータ１の電機子コア１０の端部ティース幅と主ティース幅との関係を説明するための図である。ここでは、主ティース幅Ａｙが端部ティース幅Ｂｙよりも大きい場合と端部ティース幅Ｂｙが主ティース幅Ａｙよりも大きい場合（図７Ａ参照）とで比較している（図７Ｂ参照）。

図７Ｂに示されるように、主ティース幅Ａｙが端部ティース幅Ｂｙよりも大きい場合と端部ティース幅Ｂｙが主ティース幅Ａｙよりも大きい場合（図７Ａ参照）とでコギング推力を測定する実験を行ったところ、全てのケースの電機子コア長Ｌｃ、つまり、ＬｃがＮ×τｐ−０．５×τｐ〜Ｎ×τｐ＋０．５×τｐまでの長さにおいて、端部ティース幅Ｂｙが主ティース幅Ａｙよりも大きい場合にコギング推力が小さくなっている。

また、実用上コギング推力の低減に効果的なＬｃの範囲は、ＬｃがＮ×τｐ−０．２×τｐ〜Ｎ×τｐ＋０．２×τｐの範囲にあるときである。

従って、コギング推力を低減するために有効なＬｃの長さとティース幅の条件は、Ｎ×τｐ−０．２×τｐ≦Ｌｃ≦Ｎ×τｐ＋０．２×τｐ、かつＢｙ＞Ａｙである。

（iii）端部ティースの形状
界磁マグネット２０２にはマグネット個々の磁束密度バラツキが存在するため、単純にＬｃをτｐの整数倍に近接した長さにするだけでは、コギング推力を全て相殺することはできないこともある。そのため、電機子コア１０両端の端部ティース１０２の先端を長くしてテーパ形状にするとともに、端部ティース１０２の内側に凸部を設けることで、端効果を相殺しやすくする。このテーパ形状は、直線的よりも円弧状であるとより効果的である。

図８は、端部ティース１０２における凸部の有無によるコギング推力の大きさの比較結果を示す図である。図８Ａは、端部ティース１０２の内側（主ティース１０１が存在する側）に凸部を設けた場合と、設けない場合の構成例を示す図である。図８Ｂは、端部ティース１０２の内側に凸部を設けた場合と、設けない場合でコギング推力がどの程度異なるかを示す図である。図８Ｂからも分かるように、電機子コア１０の端部ティース１０２の内側に凸状形状部を設けることにより、コギング推力を４０％程度低減することができるようになる。

（iv）端部ティースにおける凸部のサイズ
図９は、電機子コア１０の端部ティース１０２に設けられる凸部の、コギング推力を低減するために有効なサイズを考察するための図（実験結果）である。図９Ａは有効な凸部の幅Ｂｊを示す図であり、図９Ｂは有効な凸部の高さＨｊを示す図である。

図９Ａ及びＢからも分かるように、凸部は大きければ大きいほど良いというものではない。例えば、凸部幅Ｂｊは、０．０７×τｐのときにコギング推力が最小となり、０．０６×τｐ〜０．０８×τｐの範囲で十分なコギング推力低減効果を得られることが分かった。また、永久磁石２０２の厚さをＨｍとすると、凸部高さＨｊは、０．１５×Ｈｍのときにコギング推力が最小となり、０．１×Ｈｍ〜０．２×Ｈｍの範囲で十分なコギング推力低減効果を得られることが分かった。

＜推力特性及び機械剛性向上、組立性改善、及び磁気吸引力低減を実現する構成＞
リニアモータ１の推力特性の向上と、モータを取り付ける構造体の簡素化を実現するため、上述のように、本発明の実施形態では、永久磁石（界磁マグネット）２０２をリニアモータ１の中央に配置し、その外側に２つの電機子コアを設ける構造としている。

また、リニアモータ１の推力特性を向上するためには、永久磁石（界磁マグネット）２０２と電機子コア１０_１及び１０_２との間のギャップ磁束密度を大きくする必要がある。このため、本発明の実施形態では、リニアモータ１の構造として、固定子２０を貫通する方向に界磁コア２０１の両側に配置した永久磁石２０２の極性を交互に並べることでマグネット磁束の漏洩を減少させ、マグネット磁束を最大限、推力発生に活用することができる。

さらに、推力特性の向上のためには、電機子巻線１０３を電機子コア１０_１及び１０_２のスロット部に高密度に配置することが有効である。これを実現するため、従来の電機子コアでは、主ティースを分割して個々に巻線を行い、巻線後に一体化する方法が一般的である。そして、従来の電機子コアにおいては、ティース先端に凸部（顎付きティース）を設けた分割コアに巻線を行うことが一般的である。一方、本発明の実施形態では、図１０に示されるように、主ティース１０１の先端を直線状（ストレートティース）にする。これにより、電機子巻線１０３を主ティース１０１の先端から差し込むことができるようになるため、電機子コア１０_１及び１０_２を分割する必要がない。したがって、電機子コア１０_１及び１０_２を一体構成することが可能となり、電機子コア１０_１及び１０_２の機械剛性の低下、組立精度の悪化、部品点数の増大、などの課題を解決しつつ、高密度巻線を電機子コア１０に配置することができる。

さらに、リニアモータ１においては、永久磁石（界磁マグネット）２０２と電機子コア１０_１及び１０_２との間に磁気吸引力が作用するが、２つの電機子コア１０_１及び１０_２を板状の部品である天板（連結板）３０で連結して一体化することにより、リニアモータ１を取り付ける構造体には磁気吸引力が作用しなくなるため、リニアモータ１を取り付ける構造体を簡素化することが可能となる。

＜まとめ＞
本実施形態によるリニアモータでは、リニアモータの進行方向（移動方向ＭＤ）における電機子コアの長さをＬｃ、永久磁石のピッチをτｐ、Ｎを自然数とすると、電機子コアの長さＬｃが、（Ｎ×τｐ−０．２×τｐ）≦Ｌｃ≦（Ｎ×τＰ＋０．２×τｐ）で規定される。このようにすることにより、従来のリニアモータに比べてコギング推力を効果的に低減することが可能となる。

ここで、リニアモータの進行方向における端部ティースの幅Ｂｙは、リニアモータの進行方向における１つの主ティースの幅Ａｙよりも大きいことが好ましい。このようにすることにより、さらにコギング推力を低減することが可能となる。また、端部ティースの先端は、湾曲面を有する形状をなすことが好ましい。湾曲面を持たせることにより、直線的な形状を採用した場合よりもコギング推力を低減することが可能となる。

端部ティースは、電機子コア内側に突き出る凸部を有するようにしても良い。この場合、当該凸部は、進行方向の突出幅をＢｊ、進行方向と垂直方向の突出高さをＨｊ、永久磁石の高さをＨｍとすると、０．０６×τｐ≦Ｂｊ≦０．０８×τｐ、０．１×Ｈｍ≦Ｈｊ≦０．２×Ｈｍで規定されるようなサイズとすることが好ましい。このようにすることにより、さらに、より効果的にコギング推力を低減することが可能となる。

また、主ティースのスロット幅Ａｓは、端部ティースのスロット幅Ｂｓ以上となるように電機子を構成することが望ましい。これにより、端部ティースの湾曲面形状部のＲを大きく取ることができ、また端部ティース幅Ｂｙをより大きく取ることができるので、コギング推力低減に寄与することが可能となる。

さらに、固定子において、複数の永久磁石は、界磁コアの両面に進行方向に対して交互に極性が異なるように、かつ界磁コアの両面で固定子を貫通する方向の極性となるように、界磁コアの両面に配置される。また、２つの電機子コアは、界磁コアの両面に対向するように配置される。この場合、２つの電機子コアは、板状部材（天板）によって連結されて一体化され、当該２つの電機子コアと板状部材によってコの字形状をなすように構成される。

また、板状部材は、リニアモータによって駆動される対象装置にリニアモータを固定するための固定部（ネジ穴）を有する。そして、板状部材の固定部（ネジ穴の部分）には、板状部材よりも熱伝達率の低い材質で構成される断熱部材が取り付けられる。これにより、リニアモータにおいて発生した熱が駆動対象装置に伝達されることを抑制できるようになる。なお、板状部材（天板）の全体に亘って断熱部材を取り付けるようにしても良い。

固定子は、複数の固定子モジュールを連結することにより構成される。具体的には、各固定子モジュールには固定用穴（貫通穴、ネジ穴）が設けられ、この固定用穴に固定部材（例えば、ネジ）を挿入して留めることにより、所望の長さの固定子が構成される。

本実施形態によるリニアモータにおいて、複数の主ティースは、従来の主ティースに設けられていた顎部を有さない直線形状をなしている。これにより、電機子巻線を主ティースの先端から差し込むことをできるようになるため、電機子コアを分割して構成する必要がなくなって一体形成することができるようになり、電機子コアの剛性を高めることができるようになる。

１ リニアモータ
１０_１ 電機子コア
１０_２ 電機子コア
２０ 固定子
３０ 天板
１０１ 主ティース
１０２ 端部ティース
１０３ 電機子巻線
２０１ 界磁コア
２０２ 永久磁石（界磁マグネット）
２０３ 固定ネジ用貫通穴
２０４ 固定ネジ

Claims (10)

1. 界磁コアに複数の永久磁石が配置されて構成される固定子と、
   前記永久磁石と磁気的空隙を介して配置された電機子巻線を有する電機子コアと、備えるリニアモータであって、
   前記リニアモータの進行方向における前記電機子コアの長さをＬｃ、前記永久磁石のピッチをτｐ、Ｎを自然数とすると、前記電機子コアの長さＬｃは、（Ｎ×τｐ−０．２×τｐ）≦Ｌｃ≦（Ｎ×τＰ＋０．２×τｐ）で規定される、リニアモータ。
2. 請求項１において、
   前記電機子コアは、巻線が取り付けられる複数の主ティースと、端部ティースと、を有し、
   前記リニアモータの前記進行方向における前記端部ティースの幅Ｂｙは、前記リニアモータの前記進行方向における１つの前記主ティースの幅Ａｙよりも大きい、リニアモータ。
3. 請求項１又は２において、
   前記電機子コアは、巻線が取り付けられる複数の主ティースと、端部ティースと、を有し、
   前記端部ティースの先端は、湾曲面を有する形状をなす、リニアモータ。
4. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記電機子コアは、巻線が取り付けられる複数の主ティースと、端部ティースと、を有し、
   前記端部ティースは、前記電機子コアの内側の方に突き出る凸部を有し、当該凸部は、前記進行方向の突出幅をＢｊ、前記進行方向と垂直方向の突出高さをＨｊ、前記永久磁石の高さをＨｍとすると、０．０６×τｐ≦Ｂｊ≦０．０８×τｐ、０．１×Ｈｍ≦Ｈｊ≦０．２×Ｈｍで規定される、リニアモータ。
5. 請求項４において、
   前記電機子コアは、巻線が取り付けられる複数の主ティースと、端部ティースと、を有し、
   前記主ティースのスロット幅Ａｓは、前記端部ティースのスロット幅Ｂｓ以上である、リニアモータ。
6. 請求項１乃至５の何れか１項において、
   前記固定子において、前記複数の永久磁石は、前記界磁コアの両面に前記進行方向に対して交互に極性が異なるように、かつ前記界磁コアの両面で前記固定子を貫通する方向の極性となるように、前記界磁コアの両面に配置され、
   前記界磁コアの両面に対向するように２つの前記電機子コアが配置される、リニアモータ。
7. 請求項６において、
   前記２つの電機子コアは、板状部材によって連結されて一体化され、当該２つの電機子コアと前記板状部材によってコの字形状をなす、リニアモータ。
8. 請求項７において、
   前記板状部材は、前記リニアモータによって駆動される対象装置に前記リニアモータを固定するための固定部を有し、
   前記板状部材の少なくとも前記固定部には、前記板状部材よりも熱伝達率の低い材質で構成される断熱部材が取り付けられている、リニアモータ。
9. 請求項１乃至８の何れか１項において、
   前記固定子は、前記永久磁石を両面に配置して構成され、固定用穴を有する固定子モジュールを複数個用意し、当該複数の固定子モジュールを前記固定用穴に固定部材を挿入することにより連結して構成される、リニアモータ。
10. 請求項１乃至９の何れか１項において、
    前記電機子コアは、巻線が取り付けられる複数の主ティースと、端部ティースと、を有し、
    前記複数の主ティースは、前記電機子巻線を当該主ティースの先端から差し込むことを可能にするために、顎部を有さない直線形状をなしている、リニアモータ。

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