JP2022119042A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータの体積当たりの推力を向上する。【解決手段】リニアモータは、Ｙ軸方向に一定間隔で配列される複数の突極を有する固定子１２と、Ｙ軸方向に移動可能であって、Ｘ軸方向において前記固定子１２と対向する可動子１１と、を備え、前記可動子１１は、Ｙ軸方向に並ぶ複数のティース１３，１４，１５と、前記ティース１３，１４，１５に巻回される三相交流巻線１６，１７，１８と、複数の前記ティース１３，１４，１５を繋ぐ可動子磁気ヨーク２０と、互いに同相の前記ティース１３，１４，１５の間の間隙に配置される永久磁石１９と、複数の前記ティース１３，１４，１５それぞれの根元近傍に埋め込まれる磁束障壁２２であって、前記ティース１３，１４，１５のＹ軸方向の幅内に完全に収まり、前記永久磁石１９からＹ軸方向に離間して配置された磁束障壁２２と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械等の産業機械で使用されるリニアモータに関する。

工作機械等の産業機械では、高速化、または、高精度化を実現するための手段としてリニアモータが使用されている。特に、長ストロークの機械においては、高価な永久磁石を可動子側に配置することで、永久磁石の使用量を少なくして、モータの低コスト化を実現したリニアモータが使用されることが多い。

図６は、従来のリニアモータを示す図である。図６において、固定子１２は、例えば、電磁鋼板を積層して形成され、表面には、固定子磁気ヨーク２１より突出するように、ピッチＰの間隔で突極１０が配置されている。可動子１１も、固定子１２と同様に、例えば電磁鋼板を積層して形成され、可動子磁気ヨーク２０と、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のティース１３，１４，１５と、を持つ。ティース１３，１４，１５は、それぞれが突極１０に対して、Ｘ軸方向に相対的に電気角で１２０度に相当するＰ／３だけずらして配置されている。ティース１３，１４，１５には、それぞれＵ，Ｖ，Ｗ相の３相交流巻線１６，１７，１８が巻回されている。また、複数あるティース１３，１４，１５の各ティースは、ピッチＰ／２で配列されており、各ティースの間には永久磁石１９が配置されている。永久磁石１９は、隣り合う永久磁石１９と磁化方向が逆向きとなるように配置されている。図６において矢印は、永久磁石１９の磁化方向を示している。

このようなリニアモータにおいて、長ストロークの可動範囲を実現する場合には、安価な電磁鋼板を積層して形成した簡単な構造の固定子ブロックを繰り返し並べて配置するだけで実現できる。さらに、高価な永久磁石１９を可動子側に配置し、永久磁石の使用量を減らすことができるため、リニアモータの製作コストを低く抑えることができる。

また、上述したリニアモータの応答性向上や高速度領域の推力向上を目的に、可動子１１に非磁性体からなる磁束障壁２２を設け、巻線のインダクタンスを低減したリニアモータが知られている。かかるリニアモータを図７、図８、図９に示す。なお、図７、図８、図９は、可動子１１の１相分の構成図であり、固定子１２を省略し、可動子１１の１相分のみを示している。

図７において、磁束障壁２２は、可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５との間に配置され、可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５とを分離している。

図８において、磁束障壁２２は、可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５との間に配置され、可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５とが磁束障壁２２のＸ軸方向端部の２か所でつながっている。

図９において、磁束障壁２２は、永久磁石１９を挿入するための磁石挿入穴とつながるように配置されている。

特開２００６－１０９６３９号公報

しかし、上述した従来のリニアモータは、それぞれ以下に説明するような課題があった。

図７に示すリニアモータでは、可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５が分離され別部品となるため、リニアモータの製作コスト増大や、組立精度悪化による推力リップル増大が課題となる。

また、図７、図８に示すリニアモータでは、可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５との間に磁束障壁２２を配置するため、可動子１１のＹ軸方向の寸法増加を防止するには、磁束障壁２２のＹ軸方向の寸法と同じだけ永久磁石１９のＹ軸方向の寸法を小さくする必要があり、リニアモータ体積当たりの推力が低下してしまう。

また、図９に示すリニアモータでは、永久磁石１９と磁束障壁２２が接する部分において、磁束障壁２２が永久磁石１９から出入りする有効磁束を妨げるため、永久磁石１９の磁束を有効に利用できず、リニアモータ体積当たりの推力が低下してしまう。

本明細書で開示するリニアモータは、規定の移動方向に一定間隔で配列される複数の突極を有する固定子と、前記移動方向に移動可能であって、前記移動方向と直交する対向方向において前記固定子と対向する可動子と、を備え、前記可動子は、前記移動方向に並ぶ複数のティースと、前記ティースに巻回される三相交流巻線と、複数の前記ティースを繋ぐ可動子磁気ヨークと、互いに同相の前記ティースの間の間隙に配置される永久磁石と、複数の前記ティースそれぞれの根元近傍に埋め込まれる磁束障壁であって、前記ティースの前記移動方向の幅内に完全に収まり、前記永久磁石から前記移動方向に離間して配置された磁束障壁と、を有する、ことを特徴とする。

この場合、前記磁束障壁は、前記可動子磁気ヨークと前記ティースを跨ぐように配置されてもよい。

また、前記磁束障壁の前記対向方向の寸法は、前記磁束障壁の前記可動子の前記移動方向の寸法よりも大きくてもよい。

また、前記磁束障壁は、前記ティースの前記移動方向の中心に配置されていてもよい。

本明細書で開示するリニアモータによれば、リニアモータ体積当たりの推力の向上を図ることができる。

リニアモータの概略構成を示す図である。 リニアモータの磁束を示す図である。 他のリニアモータの概略構成を示す図である。 他のリニアモータの概略構成を示す図である。 他のリニアモータの概略構成を示す図である。 従来のリニアモータの概略構成を示す図である。 従来のリニアモータの可動子１相分の構成を示す図である。 従来のリニアモータの可動子１相分の構成を示す図である。 従来のリニアモータの可動子１相分の構成を示す図である。

図１は、リニアモータの概略構成を示す図である。なお、各図面において、Ｘ軸方向は、可動子１１の移動方向を示し、Ｙ軸方向は、移動方向と直交する方向を示す。固定子１２は、例えば、電磁鋼板を積層して形成される。固定子１２は、Ｘ軸方向に長尺な固定子磁気ヨーク２１と、この固定子磁気ヨーク２１のＹ軸方向端面から突出する複数の突極１０と、を有する。複数の突極１０は、ピッチＰの間隔でＸ方向に並んでいる。

可動子１１は、例えば、電磁鋼板を積層して形成され、Ｙ軸方向において固定子１２と対向している。可動子１１は、可動子磁気ヨーク２０と、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のティース１３，１４，１５と、を持つ。各相のティース１３，１４，１５は、それぞれが突極１０に対して、Ｘ軸方向に相対的に電気角で１２０度に相当するＰ／３だけずらして配置されている。各相のティース１３，１４，１５には、それぞれＵ，Ｖ，Ｗ相の３相交流巻線１６，１７，１８が巻回されている。また、同相のティースは、ピッチＰ／２で配列されており、同相のティースの間の間隙である磁石挿入孔には永久磁石１９が配置されている。永久磁石１９は、同相、かつ、隣接する永久磁石１９と、その磁化方向が逆向きとなるように配置されている。図１において矢印は永久磁石１９の磁化方向を示している。

また、複数のティース１３，１４，１５それぞれの根元には、巻線のインダクタンスを低減するための非磁性体からなる磁束障壁２２が配置されている。磁束障壁２２は、ティース１３，１４，１５それぞれのＸ軸方向幅内に完全に収まっており、ティース１３，１４，１５のＸ軸方向中心付近に配置されている。また、図１から明らかなとおり、磁束障壁２２は、隣接する永久磁石１９からＸ軸方向に離間して配置されており、磁束障壁２２と隣接する永久磁石１９との間には、僅かな間隙が形成されている。

ここで、磁束障壁２２の作用について、図２を用いて説明する。図２は、可動子１１の１相分の構成図であり、固定子１２を省略し、可動子１１の１相分のみを示している。図２には、可動子１１内に生じる磁束を示している。磁束５１は、３相交流巻線１６，１７，１８を通電した際に生成される磁束を示し、磁束５２は、永久磁石１９の端部においてＮ極からＳ極に短絡する磁束を示している。磁束障壁２２は、これら磁束５１および磁束５２の通過を妨げるように配置されている。磁束５１の通過が妨げられ磁束量が減少すると巻線インダクタンスが低減し、これによってリニアモータの応答性や、高速度領域の推力を向上できる。また、磁束５２は、推力発生に作用しない無駄な磁束であるため、磁束５２が減少した分だけ推力発生に有効に作用する磁束が増加し、リニアモータ体積当たりの推力を向上することができる。

ここで、本例によれば、磁束障壁２２によって可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５が分離されないため、リニアモータの製作コストが増大したり、組立精度悪化による推力リップルが増大しない。

また、本例では、磁束障壁２２が、ティース１３，１４，１５のＸ軸方向幅内に完全に収まっているため、磁束障壁２２が、永久磁石１９のＹ軸方向寸法に影響を与えることがない。その結果、磁束障壁２２を配置しても、永久磁石１９の寸法が制限されないため、リニアモータ体積当たりの推力を向上できる。

また、永久磁石１９と磁束障壁２２が接さず、両者の間に間隙が存在するため、磁束障壁２２を設けても、永久磁石から出入りする有効磁束の流れが阻害されない。結果として、永久磁石１９の磁束を有効に推力発生に利用できるため、リニアモータ体積当たりの推力を向上できる。

なお、図１に示すように磁束障壁２２を、可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５を跨ぐように配置すると、磁束障壁２２を可動子磁気ヨーク２０に配置する場合と比較して、磁束障壁２２が可動子磁気ヨーク２０に占める面積を抑えることができる。磁束障壁２２の可動子磁気ヨーク２０に占める面積が大きいと、リニアモータの推力発生時に可動子磁気ヨーク２０において磁気飽和が生じやすくなり、発生推力が低下しやすくなる。よって、磁束障壁２２を、可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５を跨ぐように配置することで、リニアモータ体積当たりの推力を向上できる。

また、磁束障壁２２の可動子１１移動方向と直交する方向の寸法は、磁束障壁２２の可動子１１移動方向の寸法より大きいことが望ましい。磁束障壁２２の可動子１１移動方向と直交する方向の寸法が大きい程、磁束５１、磁束５２に対する磁束障壁２２の磁気抵抗が大きくなるため、磁束５１、磁束５２の通過がより妨げられることになる。これによって、リニアモータの応答性や、高速度領域の推力、リニアモータ体積当たりの推力をより向上することができる。

なお、ここまで説明した構成は、一例であり、ティースのＸ軸方向の幅内に完全に納まる磁束障壁２２が、ティース１３，１４，１５の根元近傍かつ永久磁石１９からＸ軸方向に離間して配置されるのであれば、その他の構成は、変更されてもよい。例えば、図３に示すように、一部の磁束障壁２２ａは、永久磁石１９からＸ軸方向に離間しているのであれば、ティース１３，１４，１５のＸ軸方向中心から偏って配置されてもよい。また、磁束障壁２２は、ティース１３，１４，１５の根元付近に配置されるのであれば、可動子磁気ヨーク２０とティース１３，１４，１５を跨がなくてもよい。したがって、磁束障壁２２は、図４に示すように、そのＹ軸方向範囲が、完全に、ティース１３，１４，１５のＹ軸方向範囲内に収まるのでもよい。また、磁束障壁２２は、図５に示すように、完全に、ティース１３，１４，１５のＹ軸方向外側に位置しており、ティース１３，１４，１５内に磁束障壁２２が、なくてもよい。

１１ 可動子、１２ 固定子、１３，１４，１５ ティース、１６，１７，１８ ３相交流巻線、１９ 永久磁石、２０ 可動子磁気ヨーク、２１ 固定子磁気ヨーク、２２ 磁束障壁、５１，５２ 磁束。

Claims (4)

1. 規定の移動方向に一定間隔で配列される複数の突極を有する固定子と、
   前記移動方向に移動可能であって、前記移動方向と直交する対向方向において前記固定子と対向する可動子と、
   を備え、前記可動子は、
   前記移動方向に並ぶ複数のティースと、
   前記ティースに巻回される三相交流巻線と、
   複数の前記ティースを繋ぐ可動子磁気ヨークと、
   互いに同相の前記ティースの間の間隙に配置される永久磁石と、
   複数の前記ティースそれぞれの根元近傍に埋め込まれる磁束障壁であって、前記ティースの前記移動方向の幅内に完全に収まり、前記永久磁石から前記移動方向に離間して配置された磁束障壁と、
   を有する、ことを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１に記載のリニアモータであって、
   前記磁束障壁は、前記可動子磁気ヨークと前記ティースを跨ぐように配置される、ことを特徴とするリニアモータ。
3. 請求項１または２に記載のリニアモータであって、
   前記磁束障壁の前記対向方向の寸法は、前記磁束障壁の前記可動子の前記移動方向の寸法よりも大きい、ことを特徴とするリニアモータ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のリニアモータであって、
   前記磁束障壁は、前記ティースの前記移動方向の中心に配置されている、ことを特徴とするリニアモータ。

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