JP2019122072A - 筒型リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】推力を効果的に向上できる筒型リニアモータの提供である。【解決手段】上記した目的を達成するため、本発明の筒型リニアモータ１は、筒状のヨーク３と、環状であってヨーク３の外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース４とを有するコア２と、ティース４，４間のスロット６に装着される巻線５と、筒状であって内方にコア２が軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁７とを備え、界磁７は、ハルバッハ配列にて軸方向に交互に並べられた径方向に着磁された主磁極の永久磁石１０ａと軸方向に着磁された副磁極の永久磁石１０ｂとを有し、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さは、副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さよりも長く、副磁極の永久磁石１０ｂは、主磁極の永久磁石１０ｂよりも高い保磁力を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、筒型リニアモータに関する。

筒型リニアモータは、たとえば、軸方向に並べて配置される複数のティースを外周に持つ筒型のコアとティース間のスロットに装着されるＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線を有する電機子と、電機子の外周に設けられた円筒形のヨークと軸方向にＳ極とＮ極とが交互に並ぶようにベースの内周に取付けられた複数の永久磁石とでなる固定子とを備えるものがある。

このように構成された筒型リニアモータでは、電機子のＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線へ適宜通電すると、電機子が永久磁石に吸引されて電機子が可動子として固定子に対して軸方向へ駆動される。

このような筒型リニアモータでは、推力を向上するため固定子における永久磁石をハルバッハ配列として、径方向着磁の主磁極の永久磁石と軸方向着磁の副磁極の永久磁石とを交互に並べたものがある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００７−１９１２７号公報

前記筒型リニアモータでは、主磁極の永久磁石の残留磁束密度を高くして、推力向上を図っているが、主磁極の永久磁石と副磁極の永久磁石とでは副磁極の永久磁石に大きな磁界が作用するため副磁極の永久磁石の保磁力を主磁極の永久磁石よりも高くして減磁を防止している。

しかしながら、主磁極の永久磁石と副磁極の永久磁石の軸方向長さが等しいため、主磁極の永久磁石と電機子との間における磁気抵抗が大きく、主磁極の永久磁石の残留磁束密度を高くしても筒型リニアモータの推力のより一層の向上は難い。

そこで、本発明は、推力を効果的に向上できる筒型リニアモータの提供を目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の筒型リニアモータは、筒状のヨークと、環状であってヨークの外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティースとを有するコアと、ティース間のスロットに装着される巻線と、筒状であって内方にコア軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁７とを備え、界磁がハルバッハ配列にて軸方向に交互に並べられた径方向に着磁された主磁極の永久磁石と軸方向に着磁された副磁極の永久磁石とを有し、主磁極の永久磁石の軸方向長さが副磁極の永久磁石の軸方向長さよりも長く、副磁極の永久磁石が主磁極の永久磁石よりも高い保磁力を有する。

このように筒型リニアモータが構成されると、主磁極の永久磁石の軸方向長さを長くして、主磁極の永久磁石とコアとの間の磁気抵抗を小さくでき、コアへ作用させる磁界を大きくできる。また、副磁極の永久磁石が主磁極の永久磁石よりも高い保磁力を有しているので、大きな磁界が印加される副磁極の永久磁石の減磁を抑制しつつも主磁極の永久磁石に高い残留磁束密度の永久磁石を利用できる。

また、筒型リニアモータでは、主磁極の永久磁石の軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石の軸方向長さＬ２が０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定されてもよい。このように構成された筒型リニアモータによれば、減磁を避けつつ推力をより一層向上できる。

なお、主磁極の永久磁石の軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石の軸方向長さＬ２が０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５を満たすように設定される場合、筒型リニアモータの減磁を避けつつ推力をより効果的に向上できる。

さらに、筒型リニアモータでは、副磁極の永久磁石を主磁極の永久磁石よりも保磁力を高くするのに際して、副磁極の永久磁石の材料を主磁極の永久磁石の材料よりも保磁力が高い材料としてもよい。このようにすれば、材料の選定によって、主磁極の永久磁石と副磁極の永久磁石の組合せを簡単に実現できる。

本発明の筒型リニアモータによれば、推力を効果的に向上できる。

一実施の形態における筒型リニアモータの縦断面図である。 一実施の形態の筒型リニアモータのティース部分の縦断面図である。 主磁極の永久磁石の軸方向長さＬ１で副磁極の永久磁石の軸方向長さＬ２を割った値と筒型リニアアクチュエータの推力との関係を示した図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における筒型リニアモータ１は、図１に示すように、筒状のヨーク３とヨーク３の外周に設けられる複数の環状のティース４とを有するコア２と、ティース４，４間に装着される巻線５と、筒状であって内方にコア２が軸方向へ移動自在に挿入される界磁７とを備えて構成されている。

以下、筒型リニアモータ１の各部について詳細に説明する。コア２は、円筒状のヨーク３と、環状であってヨーク３の外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース４とを備えて構成されて可動子とされている。

ヨーク３は、前述の通り円筒状であって、その横断面積は、コア２の軸線Ａ（図２参照）を中心として円筒でティース４の内周から外周までのどこを切っても、ティース４を前記円筒で切断した際にできる断面の面積以上となるように肉厚が確保されている。

本実施の形態では、図１および図２に示すように、ヨーク３の外周に１０個のティース４が、軸方向に等間隔に並べて設けられており、ティース４，４間に巻線５が装着される空隙でなるスロット６が形成されている。また、各ティース４は、環状であって、コア２の両端に配置されたティース４を除いて、軸方向において内周端４ｂの幅Ｗｉより外周端４ａの幅Ｗｏが狭い等脚台形状とされており、軸方向で両側の側面４ｃ，４ｄが外周端４ａに対して等角度で傾斜するテーパ面とされている。そして、末端のティース４を除いたティース４は、コア２の軸線Ａを含む面で切断した断面において側面４ｃ，４ｄがコア２の軸線に直交する直交面Ｏとでなす内角θは、６度から１２度の範囲となる角度に設定されている。なお、末端のティース４は、図２に示すように、末端のティース４以外のティース４をコア２の軸線に直交する面で半分に切り落とした断面形状とされている。このように、各ティース４の断面形状は、内周端の幅より外周端の幅が狭い台形状とされている。

また、本実施の形態では、図１中で隣り合うティース４，４同士の間には、空隙でなるスロット６が合計で９個設けられている。そして、このスロット６には、巻線５が巻き回されて装着されている。巻線５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相巻線とされている。９個のスロット６には、図１中左側から順に、Ｗ相とＵ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｕ相とＶ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相、Ｗ相の巻線５が装着されている。

そして、このように構成されたコア２は、出力軸である非磁性体で形成されたロッド１１の外周に装着されている。具体的には、コア２は、その図１中で右端と左端とがロッド１１に固定される環状のストッパ１２，１３によって保持されて、ロッド１１に固定されている。

他方、界磁７は、本実施の形態では、円筒状の非磁性体で形成されるアウターチューブ８と、アウターチューブ８内に挿入される円筒状の非磁性体で形成されるインナーチューブ９と、アウターチューブ８とインナーチューブ９との間の環状隙間の全体に軸方向に交互に積層されて挿入される環状の主磁極の永久磁石１０ａと環状の副磁極の永久磁石１０ｂとを備えて構成されている。なお、図１中で主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂに記載されている三角の印は、着磁方向を示しており、主磁極の永久磁石１０ａの着磁方向は径方向となっており、副磁極の永久磁石１０ｂの着磁方向は軸方向となっている。そして、主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂを積み重ねると、界磁７の内周側にて、主磁極の永久磁石１０ａを挟む両側の副磁極の永久磁石１０ｂの中央から中央までが一つの磁極となる向きで各永久磁石１０ａ，１０ｂが配置される。つまり、主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂは、ハルバッハ配列で配置されており、界磁７の内周側では、軸方向にＳ極とＮ極が交互に現れるように配置されている。

また、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１は、副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２よりも長くなっており、本実施の形態では、０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４を満たすように、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２が設定されている。主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さを長くすればコア２との間の主磁極の永久磁石１０ａとの間の磁気抵抗を小さくできコア２へ作用させる磁界を大きくできるので筒型リニアモータ１の推力を向上できる。

さらに、副磁極の永久磁石１０ｂは、主磁極の永久磁石１０ａより高い保磁力を有する永久磁石とされている。永久磁石における残留磁束密度と保磁力は、互いに密接に関係しており、一般的に残留磁束密度を高めると保磁力は低くなり、保磁力を高めると残留磁束密度が低くなるという、互いに背反する関係にある。ハルバッハ配列では、副磁極の永久磁石１０ｂには減磁方向に大きな磁界が印加されるため、副磁極の永久磁石１０ｂの保磁力を高くして減磁を抑制し、大きな磁界をコア２に作用させ得るようにしている。対して、コア２に対して作用する磁界の強さは、主磁極の永久磁石１０ａの磁力線数に左右される。そのため、主磁極の永久磁石１０ａに高い残留磁束密度の永久磁石を使用して大きな磁界をコア２に作用させるようにしている。本実施の形態では、副磁極の永久磁石１０ｂを主磁極の永久磁石１０ａよりも保磁力を高くするのに際して、副磁極の永久磁石１０ｂの材料を主磁極の永久磁石１０ａの材料よりも保磁力が高い材料としている。よって、材料の選定によって、主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂの組合せを簡単に実現できる。なお、本実施の形態では、主磁極の永久磁石１０ａは、ネオジウム、鉄、ボロンを主成分とする残留磁束密度が高い材料で構成され、副磁極の永久磁石１０ｂは、前記材料にジスプロシウムの転嫁を増やした減磁しにくい磁石で構成されている。

また、界磁７の内周側には、コア２が挿入されており、界磁７は、コア２に磁界を作用させている。なお、界磁７は、コア２の可動範囲に対して磁界を作用させればよいので、コア２の可動範囲に応じて永久磁石１０の設置範囲を決定すればよい。したがって、アウターチューブ８とインナーチューブ９との環状隙間のうち、コア２に対向し得ない範囲には、永久磁石１０ａ，１０ｂを設置しなくともよい。

また、アウターチューブ８とインナーチューブ９の図１中左端はキャップ１４によって閉塞されており、アウターチューブ８とインナーチューブ９の図１中右端は内周に挿入されるロッド１１の軸方向の移動を案内する環状のロッドガイド１５によって閉塞されている。また、インナーチューブ９の内周には、ストッパ１２，１３が摺接しており、ストッパ１２，１３によってコア２はロッド１１とともに界磁７に対して軸ズレせずに軸方向へスムーズに移動できるようになっている。そして、インナーチューブ９は、コア２の外周と各永久磁石１０ａ，１０ｂの内周との間のギャップを形成するとともに、ストッパ１２，１３と協働してコア２の軸方向移動を案内する役割を果たしている。

なお、キャップ１４には、巻線５に接続されるケーブルＣを外部の図示しない電源に接続するコネクタ１４ａを備えており、外部電源から巻線５へ通電できるようになっている。また、アウターチューブ８とインナーチューブ９の軸方向長さは、コア２の軸方向長さよりも長く、コア２は、界磁７内の軸方向長さの範囲で図１中左右へストロークできる。

そして、たとえば、巻線５の界磁７に対する電気角をセンシングし、前記電気角に基づいて通電位相切換を行うとともにＰＷＭ制御により、各巻線５の電流量を制御すれば、筒型リニアモータ１における推力とコア２の移動方向とを制御できる。なお、前述の制御方法は、一例でありこれに限られない。このように、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、コア２が電機子であり可動子であり、界磁７は固定子として振る舞う。また、コア２と界磁７とを軸方向に相対変位させる外力が作用する場合、巻線５への通電、あるいは、巻線５に発生する誘導起電力によって、前記相対変位を抑制する推力を発生させて筒型リニアモータ１に前記外力による機器の振動や運動をダンピングさせ得るし、外力から電力を生むエネルギ回生も可能である。

以上のように、本発明の筒型リニアモータ１は、筒状のヨーク３と、環状であってヨーク３の外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース４とを有するコア２と、ティース４，４間のスロット６に装着される巻線５と、筒状であって内方にコア２が軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁７とを備え、界磁７は、ハルバッハ配列にて軸方向に交互に並べられた径方向に着磁された主磁極の永久磁石１０ａと軸方向に着磁された副磁極の永久磁石１０ｂとを有し、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１は副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２よりも長く、副磁極の永久磁石１０ｂは主磁極の永久磁石１０ａよりも高い保磁力を有する。

このように筒型リニアモータ１が構成されると、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さを長くして、主磁極の永久磁石１０ａとコア２との間の磁気抵抗を小さくでき、コア２へ作用させる磁界を大きくできる。また、副磁極の永久磁石１０ｂが主磁極の永久磁石１０ａよりも高い保磁力を有しているので、大きな磁界が印加される副磁極の永久磁石１０ｂの減磁を抑制しつつも主磁極の永久磁石１０ａに高い残留磁束密度の永久磁石を利用できる。

よって、本発明の筒型リニアモータ１によれば、副磁極の永久磁石１０ｂの減磁を抑制しつつも主磁極の永久磁石１０ａとコア２との間の磁気抵抗を小さくでき効果的に推力を向上できる。

なお、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１を副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２よりも長くすればするほど、界磁７はコア２に大きな磁界を作用させ得るが、副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さが短くなればなるほど保磁力が低くなり減磁しやすくなる。副磁極の永久磁石１０ｂが減磁してしまうと、界磁７の磁界が小さくなってしまうため、副磁極の永久磁石１０ｂの減磁は磁界の大きさにも影響を与える。よって、減磁を避けつつ推力を向上するには、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２に最適な関係がある。図３に主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１で副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２を割った値と筒型リニアアクチュエータ１の推力との関係を示す。発明者らは、鋭意研究した結果、図３に示すように、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２が０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定されれば、Ｌ２／Ｌ１の値を理想的な値に設定した際の推力に対して９５％以上の推力を確保できるので減磁を避けつつ筒型リニアモータ１の推力をより一層向上できることを知見した。よって、筒型リニアモータ１における主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２を０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定すれば、副磁極の永久磁石１０ｂの減磁を避けつつ推力を一層向上できる。さらに、図３から理解できるように、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２が０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５を満たすように設定されれば、Ｌ２／Ｌ１の値を理想的な値に設定した際の推力に対して９８％以上の推力を確保できるので減磁を避けつつ筒型リニアモータ１の推力をより効果的に向上できる。

また、本実施の形態では、副磁極の永久磁石１０ｂを主磁極の永久磁石１０ａよりも保磁力を高くするのに際して、副磁極の永久磁石１０ｂの材料を主磁極の永久磁石１０ａの材料よりも保磁力が高い材料としている。よって、材料の選定によって、主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂの組合せを簡単に実現できる。

さらに、本実施の形態の筒型リニアモータ１にあっては、ティース４の断面形状は、内周端の幅より外周端の幅が狭い台形状とされているので、ティース４の断面形状を矩形とする場合に比較して、内周端における磁路断面積が広くなる。よって、このように構成された筒型リニアモータ１では、大きな磁路断面積を確保しやすくなり、巻線５を通電した際の磁気飽和を抑制でき、より大きな磁場を発生できるからより大きな推力を発揮できる。なお、推力の向上のためは、ティース４の断面形状を台形とするとよいが、断面形状を矩形としてもよいし、他の形状としてもよい。

なお、発明者らの研究によって、ティース４の断面における側面４ｃ，４ｄにおける直交面Ｏとでなす内角θが６度から１２度の範囲にあると、良好な質量推力密度が得られることが分かった。ここで、質量推力密度とは、前述の構成の筒型リニアモータ１の最大推力を質量で割った数値であり、質量推力密度が良化すれば、筒型リニアモータ１の質量当たりの推力が大きくなる。よって、ティース４の断面における側面４ｃ，４ｄにおける直交面Ｏとでなす内角θが６度から１２度の範囲にある筒型リニアモータ１では、大きな推力が得られる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。

１・・・筒型リニアモータ、２・・・コア、３・・・ヨーク、５・・・巻線、６・・・スロット、７・・・界磁、１０ａ・・・主磁極の永久磁石、１０ｂ・・・副磁極の永久磁石

Claims (4)

1. 筒状のヨークと、環状であって前記ヨークの外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティースとを有するコアと、
   前記ティース間のスロットに装着される巻線と、
   筒状であって内方に前記コアが軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁とを備え、
   前記界磁は、ハルバッハ配列にて軸方向に交互に並べられた径方向に着磁された主磁極の永久磁石と軸方向に着磁された副磁極の永久磁石とを有し、
   前記主磁極の永久磁石の軸方向長さは、前記副磁極の永久磁石の軸方向長さよりも長く、
   前記副磁極の永久磁石は、前記主磁極の永久磁石よりも高い保磁力を有する
   ことを特徴とする筒型リニアモータ。
2. 前記主磁極の永久磁石の軸方向長さをＬ１とし、前記副磁極の永久磁石の軸方向長さをＬ２とすると、前記主磁極の永久磁石の軸方向長さと前記副磁極の永久磁石の軸方向長さは、０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒型リニアモータ。
3. 前記主磁極の永久磁石の軸方向長さをＬ１とし、前記副磁極の永久磁石の軸方向長さをＬ２とすると、前記主磁極の永久磁石の軸方向長さと前記副磁極の永久磁石の軸方向長さは、０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５を満たすように設定される
   ことを特徴とする請求項２に記載の筒型リニアモータ。
4. 前記副磁極の永久磁石は、前記主磁極の永久磁石よりも保磁力の高い材料で構成されている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の筒型リニアモータ。

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