JP2021197836A - 直動電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電機子鉄心のティースに漏れ磁束の増加によって推力低下を招く部分が存在する構成を採用した場合よりも、推力密度を向上する。【解決手段】磁極子と、磁極子を囲繞し、複数のコイルが周方向に並べて配置された電機子とを備え、磁極子は、電機子に対向する面に、第１磁極、第２磁極、第３磁極、及び第４磁極を備え、第１磁極は、第２磁極及び第３磁極と隣接し、第４磁極は、第２磁極及び第３磁極と隣接し、第１磁極、第２磁極、第３磁極、及び第４磁極のそれぞれは、中心鉄心を備え、第１磁極の中心鉄心及び第４磁極の中心鉄心のそれぞれは、隣接する２つの磁極の側の面に永久磁石を備え、電機子は、第１磁極及び第２磁極に対向する第１の部分と、第１磁極及び第３磁極に対向する第２の部分と、第２磁極及び第４磁極に対向する第３の部分と、第３磁極及び第４磁極に対向する第４の部分とに分割されている、直動電動機。【選択図】図５

Description

本発明は、磁極子と磁極子を囲繞する電機子とを備えた直動電動機に関する。

周方向と可動軸方向の２軸方向に周期性を持ち、ｚ軸方向に長い筒状の直動電動機であって、磁極は等方的な磁気特性を持つバルク鉄心を中心に構成されており、これを中心鉄心として電機子と対向する面を除いた５面に永久磁石が配置され、各永久磁石の磁化方向はいずれも接する中心鉄心の面に垂直な方向へ向かうように設定された直動電動機は、知られている（非特許文献１参照）。

林俊平他、「三次元磁極構造による電動機推力向上の検討」、電気学会論文誌Ｄ、ｖｏｌ．１３９ Ｎｏ．７ ｐｐ．１−７

電動機の推力密度（体積又は質量当たりに発生可能な推力）の向上のためには、発生可能な推力の向上と、余剰スペースの削減又は稠密な構成とが必要である。

電機子鉄心のティースに漏れ磁束の増加によって推力低下を招く部分が存在する構成を採用したのでは、推力密度を向上することに限界がある。

本発明の目的は、電機子鉄心のティースに漏れ磁束の増加によって推力低下を招く部分が存在する構成を採用した場合よりも、推力密度を向上することにある。

かかる目的のもと、本発明は、磁極子と、磁極子を囲繞し、複数のコイルが周方向に並べて配置された電機子とを備え、磁極子は、電機子に対向する面に、第１磁極、第２磁極、第３磁極、及び第４磁極を備え、第１磁極は、第２磁極及び第３磁極と隣接し、第４磁極は、第２磁極及び第３磁極と隣接し、第１磁極、第２磁極、第３磁極、及び第４磁極のそれぞれは、中心鉄心を備え、第１磁極の中心鉄心及び第４磁極の中心鉄心のそれぞれは、隣接する２つの磁極の側の面に永久磁石を備え、電機子は、第１磁極及び第２磁極に対向する第１の部分と、第１磁極及び第３磁極に対向する第２の部分と、第２磁極及び第４磁極に対向する第３の部分と、第３磁極及び第４磁極に対向する第４の部分とに分割されている、直動電動機を提供する。

第１磁極、第２磁極、第３磁極、及び第４磁極の中心鉄心のそれぞれは、隣接する２つの磁極の側の面の両方に接する面に永久磁石を備えた、ものであってよい。その場合、隣接する２つの磁極の側の面の永久磁石と、隣接する２つの磁極の側の面の両方に接する面の永久磁石とは、中心鉄心の側が同極であってよい。

第１磁極は、第２磁極及び第３磁極の何れとも異極であり、第４磁極は、第２磁極及び第３磁極の何れとも異極であってよい。

磁極子と電機子との間の空隙は、磁極子と電機子とが磁極子の長手方向以外に相対運動することを制限する制限部材を含む、ものであってよい。

電機子の分割された隣接する２つの部分の間の空隙は、磁極子と電機子とが磁極子の長手方向以外に相対運動することを制限する制限部材を含む、ものであってよい。

また、本発明は、磁極子と、磁極子の一部を囲繞し、複数のコイルが周方向に並べて配置された電機子とを備え、磁極子は、電機子に対向する面に、第１磁極、第２磁極、第３磁極、及び第４磁極を備え、第１磁極は、第２磁極及び第３磁極と隣接し、第４磁極は、第２磁極及び第３磁極と隣接し、第１磁極、第２磁極、第３磁極、及び第４磁極のそれぞれは、中心鉄心を備え、第１磁極の中心鉄心及び第４磁極の中心鉄心のそれぞれは、隣接する２つの磁極の側の面に永久磁石を備え、電機子は、第１磁極及び第２磁極に対向する第１の部分と、第１磁極及び第３磁極に対向する第２の部分と、第２磁極及び第４磁極に対向する第３の部分とに分割されており、磁極子は、第３磁極及び第４磁極に非磁性のスペーサを介して接続された磁極子バックヨークを備えた、直動電動機も提供する。

磁極子から磁極子バックヨークへの方向におけるスペーサの長さは、磁極子から電機子への方向における空隙の長さに略等しい、ものであってよい。

本発明によれば、電機子鉄心のティースに漏れ磁束の増加によって推力低下を招く部分が存在する構成を採用した場合よりも、推力密度を向上することができる。

実施の形態１に係る三次元磁極構造の単位胞の構成を示す斜視図である。 実施の形態２に係る三次元磁極構造の単位胞の構成を示す斜視図である。 従来の円筒型直動電動機の電機子鉄心の部分側面を模式的に示した図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の円筒型直動電動機において、ティース隣接面の面積を小さくする方法を説明するための図である。 実施の形態３に係る直動電動機の構成を示す正面図である。 実施の形態３に係る直動電動機の構成を示す斜視図である。 実施の形態３に係る直動電動機の電機子コイルにおける電流経路を示す正面図である。 実施の形態３に係る直動電動機の電機子コイルから生じた磁路を示す斜視図である。 実施の形態４に係る直動電動機の第１の構成を示す正面図である。 実施の形態４に係る直動電動機の第２の構成を示す正面図である。 実施の形態５に係る直動電動機の構成を示す正面図である。 実施の形態５に係る直動電動機におけるスペーサが存在しない場合の磁路を示す正面図である。 実施の形態５に係る直動電動機におけるスペーサが空隙長より厚い場合の磁路を示す正面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態に係る電動機における磁極子の最小単位は、三次元磁極構造の単位胞である。磁極子は、この単位胞を少なくとも１つ並べることにより構成される。その場合、三次元磁極構造の単位胞は、空隙を介した対面に電機子コイルを有する電機子を配置して用いられる。

図１は、本実施の形態に係る三次元磁極構造の単位胞２０の構成を示す斜視図である。図示するように、単位胞２０は、磁極ブロック２１_１〜２１_４を含み、磁極ブロック２１_１は磁極ブロック２１_２及び磁極ブロック２１_３と隣接し、磁極ブロック２１_４は磁極ブロック２１_２及び磁極ブロック２１_３と隣接している。ここで、磁極ブロック２１_１は第１磁極の一例であり、磁極ブロック２１_２は第２磁極の一例であり、磁極ブロック２１_３は第３磁極の一例であり、磁極ブロック２１_４は第４磁極の一例である。

磁極ブロック２１_１は、直方体形状の軟磁性体の中心鉄心の一例としての磁極子鉄心２２と、３つの板状の永久磁石２３とを有している。各永久磁石２３は、磁極子鉄心２２の一面と同じ又は若干大きい主面を有しており、磁極子鉄心２２の一面を隠すようにこれに取り付けられる。磁極子鉄心２２には、その３つの面に永久磁石２３が取り付けられる。つまり、磁極子鉄心２２には、他の３つの面を開放するように永久磁石２３が取り付けられる。このうち、磁極ブロック２１_２及び磁極ブロック２１_３の側の面の永久磁石２３は、隣接する２つの磁極の側の面の永久磁石の一例であり、図中下側の永久磁石は、隣接する２つの磁極の側の面の両方に接する面の永久磁石の一例である。また、各永久磁石２３は、磁極子鉄心２２に同一の磁極を向けて配置される。磁極子鉄心２２の開放された３つの面のうち１つの面は単位胞磁極２４となる。この単位胞磁極２４は、図中上側に電機子が配置されている場合の単位胞磁極である。また、磁極子鉄心２２の開放された３つの面のうち他の２つの面は単位胞磁極２５となる。この単位胞磁極２５は、図中手前側又は図中右側に電機子が配置されている場合の単位胞磁極である。単位胞磁極２４，２５は、各永久磁石２３が磁極子鉄心２２を向く面の磁極と同一磁極となる。また、各永久磁石２３の外側を向く面（磁極子鉄心２２とは反対側の面）は単位胞磁極２４，２５の反対磁極となる。

磁極ブロック２１_２〜２１_４の構成は、磁極ブロック２１_１の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

ただし、本実施の形態では、隣接する２つの磁極子鉄心２２がそれらの間の永久磁石２３を共有することとしている。これは、磁極ブロック２１_１の磁極子鉄心２２は、磁極ブロック２１_２及び磁極ブロック２１_３の側の面に永久磁石２３を備えるが、磁極ブロック２１_２の磁極子鉄心２２及び磁極ブロック２１_３の磁極子鉄心２２のそれぞれは、磁極ブロック２１_１の側の面に永久磁石２３を備えない、ということと捉えることができる。また、磁極ブロック２１_４の磁極子鉄心２２は、磁極ブロック２１_２及び磁極ブロック２１_３の側の面に永久磁石２３を備えるが、磁極ブロック２１_２の磁極子鉄心２２及び磁極ブロック２１_３の磁極子鉄心２２のそれぞれは、磁極ブロック２１_４の側の面に永久磁石２３を備えない、ということと捉えることができる。

一方で、隣接する２つの磁極子鉄心２２がそれらの間の永久磁石２３を別々に有することとしてもよい。これは、磁極ブロック２１_１の磁極子鉄心２２が、磁極ブロック２１_２及び磁極ブロック２１_３の側の面に永久磁石２３を備えるのに加えて、磁極ブロック２１_２の磁極子鉄心２２及び磁極ブロック２１_３の磁極子鉄心２２のそれぞれが、磁極ブロック２１_１の側の面に永久磁石２３を備える、ということと捉えることができる。また、磁極ブロック２１_４の磁極子鉄心２２が、磁極ブロック２１_２及び磁極ブロック２１_３の側の面に永久磁石２３を備えるのに加えて、磁極ブロック２１_２の磁極子鉄心２２及び磁極ブロック２１_３の磁極子鉄心２２のそれぞれが、磁極ブロック２１_４の側の面に永久磁石２３を備える、ということと捉えることができる。

単位胞２０は、その中に３種類の磁路を有する。例えば、矢印Ｍｉｎで示すように磁極ブロック２１_２へ入って矢印Ｍｏｕｔで示すように磁極ブロック２１_１から出るまでの磁路に着目する。この場合、１つ目の磁路は、矢印Ｍ１で示すように、磁極ブロック２１_１と磁極ブロック２１_２との間の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_２から磁極ブロック２１_１へ入る磁路である。２つ目の磁路は、矢印Ｍ２で示すように、磁極ブロック２１_２と磁極ブロック２１_４との間の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_２から磁極ブロック２１_４へ入り、磁極ブロック２１_３と磁極ブロック２１_４との間の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_４から磁極ブロック２１_３へ入り、磁極ブロック２１_１と磁極ブロック２１_３との間の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_３から磁極ブロック２１_１へ入る磁路である。３つ目の磁路は、矢印Ｍ３で示すように、磁極ブロック２１_２の下の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_２から出て、磁極ブロック２１_１の下の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_１へ入る磁路である。

このように、単位胞２０では、その中に複数の磁路が存在するため、磁束が通る永久磁石２３の総表面積が大きくなる。

また、単位胞２０では、各永久磁石２３の表面積が小さいため、永久磁石２３の厚みを薄くしても磁気抵抗を大きくすることができる。これにより、単位胞２０では、反磁場が小さくなる。

永久磁石２３が外部に出力する磁束の大きさは、磁束が通る永久磁石２３の総表面積に比例し、永久磁石２３に生じる反磁場の大きさに反比例する。したがって、三次元磁極構造の単位胞２０では、永久磁石２３が外部に出力する磁束が大きくなる。

つまり、本実施の形態に係る三次元磁極構造の狙いは、空隙中の磁場のエネルギーを増加させることにある。例えば電動機に適用した際に外部から投入された電流と相互作用し易い場所である空隙に生じる磁場のエネルギー量を高めることにより、少ない電流で大きな電磁力が得られるようになる。これは、必要電圧は大きくなるが、ジュール損が低減されるからである。

（実施の形態２）
本実施の形態は、三次元磁極構造の単位胞が複数の対向面を有する場合の例である。

図２は、本実施の形態に係る三次元磁極構造の単位胞３０の構成を示す斜視図である。図示するように、単位胞３０は、磁極ブロック２１_１〜２１_４を含み、磁極ブロック２１_１は磁極ブロック２１_２及び磁極ブロック２１_３と隣接し、磁極ブロック２１_４は磁極ブロック２１_２及び磁極ブロック２１_３と隣接している。

また、単位胞３０は、磁極ブロック２１_５〜２１_８を含み（磁極ブロック２１_８は図示していない）、磁極ブロック２１_５は磁極ブロック２１_６及び磁極ブロック２１_７と隣接し、磁極ブロック２１_８は磁極ブロック２１_６及び磁極ブロック２１_７と隣接している。さらに、磁極ブロック２１_１は磁極ブロック２１_５と、磁極ブロック２１_２は磁極ブロック２１_６と、磁極ブロック２１_３は磁極ブロック２１_７と、磁極ブロック２１_４は磁極ブロック２１_８と、それぞれ隣接している。ここで、磁極ブロック２１_５は第５磁極の一例であり、磁極ブロック２１_６は第６磁極の一例であり、磁極ブロック２１_７は第７磁極の一例であり、磁極ブロック２１_８は第８磁極の一例である。

磁極ブロック２１_１〜２１_４の構成は、実施の形態１において説明した磁極ブロック２１_１〜２１_４の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。また、磁極ブロック２１_５〜２１_８の構成も、磁極ブロック２１_１〜２１_４の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

単位胞３０も、その中に３種類の磁路を有する。例えば、矢印Ｍｉｎで示すように磁極ブロック２１_２へ入って矢印Ｍｏｕｔで示すように磁極ブロック２１_１から出るまでの磁路に着目する。この場合、１つ目の磁路は、矢印Ｍ１で示すように、磁極ブロック２１_１と磁極ブロック２１_２との間の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_２から磁極ブロック２１_１へ入る磁路である。２つ目の磁路は、矢印Ｍ２で示すように、磁極ブロック２１_２と磁極ブロック２１_４との間の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_２から磁極ブロック２１_４へ入り、磁極ブロック２１_３と磁極ブロック２１_４との間の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_４から磁極ブロック２１_３へ入り、磁極ブロック２１_１と磁極ブロック２１_３との間の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_３から磁極ブロック２１_１へ入る磁路である。３つ目の磁路は、矢印Ｍ５で示すように、磁極ブロック２１_２の下の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_６へ入り、磁極ブロック２１_６から出て、矢印Ｍ６で示すように、磁極ブロック２１_５へ入り、磁極ブロック２１_１の下の永久磁石２３を通って磁極ブロック２１_１へ入る磁路である。

本実施の形態に係る三次元磁極構造は、例えば、特開２０１０−９８９２９号公報に記載のダブルギャップモータに適用することが可能である。この場合、単位胞３０を、ダブルギャップモータのロータに、例えば、単位胞３０の図中上側がロータの軸方向上側と一致し、単位胞３０の図中下側がロータの軸方向下側と一致する方向で、径方向内側が欠けた扇形柱に変形して配置するとよい。

（実施の形態３）
電動機において、駆動力（出力）は、磁極子から生じる磁束が電機子に印可される電流ループと鎖交することによる相互作用によって得られる。その際、電機子中の磁束のほとんどは透磁率の高い電機子鉄心中を通過するが、電機子鉄心外の空間中を通過する所謂漏れ磁束も一部存在する。

このことについて具体的に説明する。図３は、従来の円筒型直動電動機の電機子鉄心１５の部分側面を模式的に示した図である。なお、ここでは、電機子鉄心１５の中心軸の長手方向をｚ方向、電機子鉄心１５の中心軸に直交する方向をｒ方向という。図には、ｚ方向に２つのティース１２を含み、ｒ方向に電機子鉄心１５の片側のみを含む部分側面図を示している。

すなわち、図において、電機子鉄心１５は、２つのティース１２と、バックヨーク１３とを含む。なお、実際には、各ティース１２には導線が巻回され電機子コイルが形成されるが、図は電機子鉄心１５を示したものなので、電機子コイルについては示していない。電機子鉄心１５では、矢印Ｍｍａｉｎで示すように、主磁束が、右側のティース１２から入り、バックヨーク１３を通過し、左側のティース１２から出ている。一方で、矢印Ｍｌｅａｋで示すように、漏れ磁束が、ティース隣接面１６間の空間を通過している。

電機子に印可される電流は電機子鉄心１５のティース１２を囲むように通過するため、電機子鉄心１５中を通過する主磁束は電流ループと鎖交することで駆動に寄与する。一方で、漏れ磁束の駆動への寄与はわずかである。したがって、漏れ磁束は低減して、電機子鉄心１５を通る主磁束に戻すことが望ましい。

ここで、漏れ磁束の量はティース隣接面１６の面積に比例するため、漏れ磁束を低減するには、ティース隣接面１６の面積を可能な限り小さくするとよい。

そこで、ティース隣接面１６の面積を小さくする方法について考える。図４（ａ）〜（ｃ）は、このような方法を説明するための図である。なお、ここでも、電機子鉄心１５の中心軸の長手方向をｚ方向、電機子鉄心１５の中心軸を中心とする円周方向をｐ方向、電機子鉄心１５の中心軸に直交する方向をｒ方向という。図４（ａ）は、従来の円筒型直動電動機の電機子鉄心１５をｚ方向から見たときの平面断面図である。図において、電機子鉄心１５は、ティース１２と、バックヨーク１３とを含む。この状態で、ティース隣接面１６（図３参照）の面積を小さくするために、例えば、図４（ｂ）に示すように、ティース１２のｐ方向の長さを短くしたとする。しかしながら、これでは、主磁束が通過するティース１２の断面積も小さくなる。発生磁束については、ティース１２の断面積の最小部分が、磁気飽和の影響を最も受け易いため、支配的であり、ティース１２の最も内側の面の断面積による制約を受ける。したがって、図４（ｂ）のようにすることは、磁極子や励磁電流によって生じる磁束の低下を招くことになる。

そこで、本実施の形態では、図４（ｃ）に示すように、電機子鉄心１５を、例えば余剰分１７を削減して、電機子鉄心１５ａ〜１５ｄに分割する。これにより、ティース１２の最も内側の面の断面積を維持しつつ、ティース隣接面１６（図３参照）の面積を小さくして漏れ磁束を低減する。

図５は、本実施の形態に係る直動電動機１００の構成を示す正面図であり、図６は、その斜視図である。直動電動機１００は、４つの電機子１１０ａ〜１１０ｄと、１つの磁極子１２０とを備える。ただし、図６では、磁極子１２０の全体が見易いように、電機子１１０ａのみを示している。電機子１１０ｂは電機子を分割した第１の部分の一例であり、電機子１１０ｃは電機子を分割した第２の部分の一例であり、電機子１１０ｄは電機子を分割した第３の部分の一例であり、電機子１１０ａは電機子を分割した第４の部分の一例である。直動電動機１００が駆動されると、電機子１１０ａ〜１１０ｄと磁極子１２０とが相対的に直線移動する。ここで、磁極子１２０を可動子とし、電機子１１０ａ〜１１０ｄを固定子とする構成としてもよいし、電機子１１０ａ〜１１０ｄを可動子とし、磁極子１２０を固定子とする構成としてもよい。本実施の形態では、磁極子１２０を可動子とし、電機子１１０ａ〜１１０ｄを固定子とする構成について説明する。なお、以下の説明において、電機子１１０ｂから電機子１１０ａへの方向をｘ方向、電機子１１０ｃから電機子１１０ｄへの方向をｙ方向、磁極子１２０の可動方向（図中手前側への方向）をｚ方向という。

まず、電機子１１０ａの構成について説明する。図５及び図６に示すように、電機子１１０ａは、電機子コイル１１１と、ティース部１１２と、ヨーク部１１３とを有する。ヨーク部１１３は水平な板状をなしており、その左面からはｚ方向に２列に並ぶように複数のティース部１１２が左方に突出している。

ヨーク部１１３とティース部１１２とは、電機子鉄心１１５として一体的に形成されている。かかる電機子鉄心１１５は、軟鉄、ソフトフェライト等の軟磁性体によって構成される。また、ティース部１１２は、直方体形状をなしており、各ティース部１１２には導線が巻回され電機子コイル１１１が形成される。電機子コイル１１１は、ｚ方向に２列設けられている。

電機子１１０ｂ〜１１０ｄの構成は、電機子１１０ａの構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

ここで、電機子１１０ａ〜１１０ｄのそれぞれは、図４（ｃ）の電機子鉄心１５ａ〜１５ｄのそれぞれの２つのティース１２に導線を巻回して電機子コイルを形成したものに対応する。図４（ｃ）に示すような円弧状の電機子鉄心１５ａ〜１５ｄのティース１２に電機子コイルを形成して電機子１１０ａ〜１１０ｄとしてもよいが、本実施の形態では、図５及び図６に示すような板状の電機子鉄心１１５のティース１２に電機子コイル１１１を形成して電機子１１０ａ〜１１０ｄとしている。つまり、電機子１１０は一般化して筒状とし、磁極子１２０は一般化して柱状としてもよいが、本実施の形態では、電機子１１０は四角筒状とし、磁極子１２０は四角柱状としている。

次に、磁極子１２０の構成について説明する。図５に示すように、磁極子１２０は、４つの電機子１１０ａ〜１１０ｄに囲まれて配置される。また、図６に示すように、磁極子１２０は、ｚ方向に延びる四角柱状をなしている。かかる磁極子１２０は、複数の磁極ブロック１２１を有しており、これらの磁極ブロック１２１がｘ方向に２つ、ｙ方向に２つ、ｚ方向に５つ並べられた構造となっている。すなわち、磁極子１２０は、ｘ方向に２つ、ｙ方向に２つ、ｚ方向に１つの磁極ブロック１２１からなる部分がｚ方向に３つ並べられ、続けて、ｘ方向に２つ、ｙ方向に２つ、ｚ方向に２つの磁極ブロック１２１からなる部分がｚ方向に１つ並べられた構造となっている。

このうち、ｘ方向に２つ、ｙ方向に２つ、ｚ方向に１つの磁極ブロック１２１からなる部分の構成は、図１に示した単位胞２０の構成と同様であるので、その説明を省略する。ただし、本実施の形態では、単位胞２０が磁極子１２０に、単位胞２０の図中手前側が磁極子１２０の左側と一致し、単位胞２０の図中奥側が磁極子１２０の右側と一致する方向で配置される。つまり、図１の磁極ブロック２１_１〜２１_４は、本実施の形態では、それぞれ、ｚ方向から見た場合の左下の磁極ブロック１２１、左上の磁極ブロック１２１、右下の磁極ブロック１２１、右上の磁極ブロック１２１に対応する。また、図１の磁極子鉄心２２、永久磁石２３は、本実施の形態では、それぞれ、磁極子鉄心１２２、永久磁石１２３に対応する。さらに、図１の単位胞磁極２５を、本実施の形態では、それぞれ、可動子磁極１２５と表記することとする。

また、ｘ方向に２つ、ｙ方向に２つ、ｚ方向に２つの磁極ブロック１２１からなる部分の構成は、図２に示した単位胞３０の構成と同様であるので、その説明を省略する。ただし、本実施の形態では、単位胞３０が磁極子１２０に、単位胞３０の図中手前側が磁極子１２０の左側と一致し、単位胞３０の図中奥側が磁極子１２０の右側と一致する方向で配置される。つまり、図２の磁極ブロック２１_１〜２１_４は、本実施の形態では、それぞれ、ｚ方向から見た場合の図中奥側から２つ目の左下の磁極ブロック１２１、左上の磁極ブロック１２１、右下の磁極ブロック１２１、右上の磁極ブロック１２１に対応する。そして、図２の磁極ブロック２１_５〜２１_８は、本実施の形態では、それぞれ、ｚ方向から見た場合の図中最も奥側の左下の磁極ブロック１２１、左上の磁極ブロック１２１、右下の磁極ブロック１２１、右上の磁極ブロック１２１に対応する。また、図１の磁極子鉄心２２、永久磁石２３は、本実施の形態では、それぞれ、磁極子鉄心１２２、永久磁石１２３に対応する。さらに、図１の単位胞磁極２５を、本実施の形態では、それぞれ、可動子磁極１２５と表記することとする。

直方体形状の磁極ブロック１２１のそれぞれは、面と面とを接して互いに接続される。隣接する２つの磁極ブロック１２１の可動子磁極１２５は互いに異なる磁極とされる。つまり、可動子磁極１２５がｚ方向に交互に反転するように各磁極ブロック１２１が２×２列に並べられる。このため、隣り合う２つの磁極ブロック１２１の接合面は一方がＳ極となり他方がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック１２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック１２１を容易に２×２列に配置することができる。

図７は、電機子コイル１１１における電流経路を示す正面図である。ここでは、磁極の構成を周方向４極とし、矢印で示すように電流経路を構成することにする。

上記のような構成の直動電動機１００において、電機子コイル１１１に電流を流すと、電機子コイル１１１の周囲に磁界が発生する。図８は、電機子コイル１１１から生じた磁路を示す斜視図である。横方向に隣り合う２つの電機子コイル１１１には、互いに逆向きに電流が流れる。これにより、これらの電機子コイル１１１が巻回された２つのティース部１１２と、ヨーク部１１３と、ティース部１１２の間の空間とを通る磁路が形成される。このとき、ティース部１１２の磁極子１２０との対向面が磁極（電機子磁極１１４）となる。隣り合う２つのティース部１１２のうち、一方のティース部１１２の電機子磁極１１４がＳ極となり、他方のティース部１１２の電機子磁極１１４がＮ極となる。

各電機子磁極１１４のｚ方向の位置と、各可動子磁極１２５のｚ方向の位置とは一致している。つまり、正面視において、電機子磁極１１４と可動子磁極１２５とが一対一で対向している。したがって、電機子コイル１１１に電流が流れると、電機子磁極１１４とこれに対応する可動子磁極１２５とが磁力によって吸引又は反発される（図８には、電機子磁極１１４と可動子磁極１２５とが吸引される場合の磁路を示している）。電機子コイル１１１に流れる電流が制御されることで、電機子コイル１１１によって生じる磁界が変化し、これによって磁極子１２０がｚ方向に移動する。

上記のようにして電機子コイル１１１から生じた磁束は、磁極子１２０の内部を通過する。つまり、Ｎ極の電機子磁極１１４から出た磁束がＳ極の可動子磁極１２５に入り、この可動子磁極１２５を有する磁極子鉄心１２２に接する全ての永久磁石１２３を通過する。永久磁石１２３を出た磁束は、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３に入り、Ｎ極の可動子磁極１２５から出てＳ極の電機子磁極１１４に入る。つまり、本実施の形態に係る直動電動機１００では、電機子１１０によって生じた磁束が磁極ブロック１２１の全ての永久磁石１２３を通過する。磁極子１２０では、各磁極子鉄心１２２を永久磁石１２３が取り囲んでいるため、従来型の磁極子鉄心の２面にのみ永久磁石が取り付けられた構造の磁極子に比べて、可動子磁極１２５に生じる磁束が増大される。したがって、直動電動機１００における磁気効率が向上する。

なお、本実施の形態では、反対側の電機子１１０を通過する経路をとるため、磁極子バックヨークを省略できる。

なお、本実施の形態に係る直動電動機１００は、筒形の直動電動機であることを前提としたが、これには限らず、筒形でない直動電動機であってもよい。

（実施の形態４）
本実施の形態は、実施の形態３に係る直動電動機１００にガイドを取り付けた場合の実施の形態である。なお、以下の説明において、ガイドとは、制限部材の一例であり、磁極子１２０が可動方向以外へ移動することを制限する機構をいう。

図９は、本実施の形態に係る直動電動機２００の第１の構成を示す正面図である。図示するように、直動電動機２００の第１の構成では、電機子１１０ａ〜１１０ｄと磁極子１２０との間にガイド１３１が設けられている。直動電動機２００の第１の構成は、この点を除き、実施の形態３に係る直動電動機１００の構成と同じなので、説明を省略する。なお、この第１の構成は、磁極子と電機子との間の空隙が、磁極子と電機子とが磁極子の長手方向以外に相対運動することを制限する制限部材を含む構成の一例である。

図１０は、本実施の形態に係る直動電動機２００の第２の構成を示す正面図である。図示するように、直動電動機２００の第２の構成では、磁極子１２０から電機子１１０ａ〜１１０ｄの間の空間に向けてガイド１３２が設けられている。直動電動機２００の第２の構成は、この点を除き、実施の形態３に係る直動電動機１００と同じなので、説明を省略する。なお、この直動電動機２００の第２の構成は、余剰スペースを削除することにより、デッドスペースとなっている部分をガイドスペースとして活用するものである。すなわち、この第２の構成は、電機子の分割された隣接する２つの部分の間の空隙が、磁極子と電機子とが磁極子の長手方向以外に相対運動することを制限する制限部材を含む構成の一例である。

なお、本実施の形態に係る直動電動機２００も、筒形の直動電動機であることを前提としたが、これには限らず、筒形でない直動電動機であってもよい。

（実施の形態５）
実施の形態４に係る直動電動機２００は、図９の第１の構成及び図１０の第２の構成のいずれにおいても入れ子状に構成されているので、この状態のままガイド１３１又はガイド１３２を取り付けて磁極子１２０を支持することが難しい。そのため、本実施の形態では、ガイド１３１又はガイド１３２の取り付けに際して、電機子１１０ａ〜１１０ｄのいずれかを取り外す。なお、以下では、電機子１１０ａ〜１１０ｄのうち、電機子１１０ａを取り外すものとして、説明する。電機子１１０ｂは電機子を分割した第１の部分の一例であり、電機子１１０ｃは電機子を分割した第２の部分の一例であり、電機子１１０ｄは電機子を分割した第３の部分の一例である。

図１１は、本実施の形態に係る直動電動機３００の構成を示す正面図である。図示するように、電機子１１０ａを取り外す場合は、電機子１１０ａと磁極子１２０との間の空隙長と略同じ厚さの非磁性のスペーサ１２７を介して磁極子バックヨーク１２６を配置する必要がある。直動電動機３００の構成は、この点を除き、実施の形態３に係る直動電動機１００の構成と同じなので、説明を省略する。

ここで、スペーサ１２７が空隙長より薄い場合又はスペーサ１２７が存在しない場合は、磁路の短絡が生じ、磁束が空隙や通過すべき永久磁石１２３を通過しなくなる。

図１２は、スペーサ１２７が存在しない場合の直動電動機３００における磁路を示す正面図である。図示するように、磁極子１２０の永久磁石１２３から生じる磁束は、電機子１１０ｂに鎖交せず、磁極子バックヨーク１２６を介して磁極子１２０内にとどまり、結果として駆動に寄与しなくなる。

逆にスペーサ１２７が空隙長より厚い場合は、磁極子バックヨーク１２６に磁路が作られなくなることで、永久磁石１２３が作る磁束を打ち消す向きに主磁路が形成される。

図１３は、スペーサ１２７が空隙長より厚い場合の直動電動機３００における磁路を示す正面図である。図において、実線矢印は、永久磁石１２３ｃ，１２３ｄが作る磁路を示している。また、破線矢印は、本来、磁極子バックヨーク１２６に作られるはずであったが、スペーサ１２７が厚いために作られなかった磁路を示す。図示するように磁束が流れることで、本来であれば磁極子バックヨーク１２６を通過するはずの主磁束が永久磁石１２３ａを横切る。これによって、磁極子１２０で発生する磁束が打ち消し合うことになり、電機子１１０ｂとの間で流出入する磁束量が低下し、結果として駆動に寄与する磁束が減少する。

なお、本実施の形態に係る直動電動機３００も、筒形の直動電動機であることを前提としたが、これには限らず、筒形でない直動電動機であってもよい。

２０，３０ 単位胞
２１_１〜２１_８，１２１ 磁極ブロック
２２，１２２ 磁極子鉄心
２３，１２３ 永久磁石
１００，２００，３００ 直動電動機
１１０ａ〜１１０ｄ 電機子
１１１ 電機子コイル
１１４ 電機子磁極
１２０ 磁極子
１２４，１２５ 可動子磁極
１２６ 磁極子バックヨーク
１２７ スペーサ
１３１，１３２ ガイド

Claims (8)

1. 磁極子と、当該磁極子を囲繞し、複数のコイルが周方向に並べて配置された電機子とを備え、
   前記磁極子は、前記電機子に対向する面に、第１磁極、第２磁極、第３磁極、及び第４磁極を備え、
   前記第１磁極は、前記第２磁極及び前記第３磁極と隣接し、
   前記第４磁極は、前記第２磁極及び前記第３磁極と隣接し、
   前記第１磁極、前記第２磁極、前記第３磁極、及び前記第４磁極のそれぞれは、中心鉄心を備え、
   前記第１磁極の中心鉄心及び前記第４磁極の中心鉄心のそれぞれは、隣接する２つの磁極の側の面に永久磁石を備え、
   前記電機子は、前記第１磁極及び前記第２磁極に対向する第１の部分と、前記第１磁極及び前記第３磁極に対向する第２の部分と、前記第２磁極及び前記第４磁極に対向する第３の部分と、前記第３磁極及び前記第４磁極に対向する第４の部分とに分割されている、直動電動機。
2. 前記第１磁極、前記第２磁極、前記第３磁極、及び前記第４磁極の中心鉄心のそれぞれは、前記隣接する２つの磁極の側の面の両方に接する面に永久磁石を備えた、請求項１に記載の直動電動機。
3. 前記隣接する２つの磁極の側の面の永久磁石と、当該隣接する２つの磁極の側の面の両方に接する面の永久磁石とは、前記中心鉄心の側が同極である、請求項２に記載の直動電動機。
4. 前記第１磁極は、前記第２磁極及び前記第３磁極の何れとも異極であり、
   前記第４磁極は、前記第２磁極及び前記第３磁極の何れとも異極である、請求項１に記載の直動電動機。
5. 前記磁極子と前記電機子との間の空隙は、当該磁極子と当該電機子とが当該磁極子の長手方向以外に相対運動することを制限する制限部材を含む、請求項１に記載の直動電動機。
6. 前記電機子の分割された隣接する２つの部分の間の空隙は、前記磁極子と当該電機子とが当該磁極子の長手方向以外に相対運動することを制限する制限部材を含む、請求項１に記載の直動電動機。
7. 磁極子と、当該磁極子の一部を囲繞し、複数のコイルが周方向に並べて配置された電機子とを備え、
   前記磁極子は、前記電機子に対向する面に、第１磁極、第２磁極、第３磁極、及び第４磁極を備え、
   前記第１磁極は、前記第２磁極及び前記第３磁極と隣接し、
   前記第４磁極は、前記第２磁極及び前記第３磁極と隣接し、
   前記第１磁極、前記第２磁極、前記第３磁極、及び前記第４磁極のそれぞれは、中心鉄心を備え、
   前記第１磁極の中心鉄心及び前記第４磁極の中心鉄心のそれぞれは、隣接する２つの磁極の側の面に永久磁石を備え、
   前記電機子は、前記第１磁極及び前記第２磁極に対向する第１の部分と、前記第１磁極及び前記第３磁極に対向する第２の部分と、前記第２磁極及び前記第４磁極に対向する第３の部分とに分割されており、
   前記磁極子は、前記第３磁極及び前記第４磁極に非磁性のスペーサを介して接続された磁極子バックヨークを備えた、直動電動機。
8. 前記磁極子から前記磁極子バックヨークへの方向における前記スペーサの長さは、前記磁極子から前記電機子への方向における空隙の長さに略等しい、請求項７に記載の直動電動機。

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