JP2023119627A - 筒型リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ヨークを備えていても質量推力密度を向上させ得る筒型リニアモータを提供する。【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、軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される複数の環状の永久磁石１０ａ，１０ｂで形成される積層磁石体１０と、積層磁石体１０の内周或いは外周の一方に配置される磁性体で形成される筒状のヨーク８とを有する筒状の界磁６と、積層磁石体１０の内周側或いは外周側であって反ヨーク側に配置されて界磁６に対して界磁６の軸方向に移動可能な電機子２とを備え、ヨーク８は、軸方向に沿って形成されてヨーク８の肉厚を貫くとともに、ヨーク８の軸方向に沿う軸方向長さＬ１がヨーク８の周方向に沿う周方向の長さＬ２よりも長い切欠３０ａを有する。【選択図】図２

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、軸方向にＳ極とＮ極とが交互に並ぶように環状の複数の永久磁石を積層して形成した積層磁石体を有して電機子に対向する界磁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ことにより、界磁における永久磁石と電機子との間に生じる軸方向の吸引および反発する力を発揮して、電機子或いは界磁を可動子として駆動する。

このような筒型リニアモータでは、界磁における永久磁石の磁力線を効率的に電機子側へ向かわせて筒型リニアモータの推力を向上させるため、界磁が積層磁石体の外周に強磁性体の筒でなるヨークを備える場合がある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００１－８６７２５号公報

ヨークは、筒型リニアモータの推力を向上させるものの、強磁性体であるため質量が大きく、筒型リニアモータの質量推力密度を低下させる場合がある。ここで、質量推力密度とは、筒型リニアモータの最大推力を質量で割った数値であり、質量推力密度の値が大きくなれば、筒型リニアモータの質量当たりの推力が大きくなる。よって、質量推力密度の値は、筒型リニアモータの大きさを尺度とした推力の出力効率を評価する１つの指標である。

以上のように、ヨークを設けることで筒型リニアモータの推力が向上するものの、推力が向上してもヨークを設けたことによる筒型リニアモータの質量が大きすぎると、質量推力密度が低下して推力の出力効率が悪化してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、ヨークを備えていても質量推力密度を向上させ得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、軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される複数の環状の永久磁石で形成される積層磁石体と、積層磁石体の内周或いは外周の一方に配置される磁性体で形成される筒状のヨークとを有する筒状の界磁と、積層磁石体の内周側或いは外周側であって反ヨーク側に配置されて界磁に対して前記界磁の軸方向に移動可能な電機子とを備え、ヨークは、軸方向に沿って形成されてヨークの肉厚を貫くとともに、ヨークの軸方向に沿う軸方向長さがヨークの周方向に沿う周方向の長さよりも長い切欠を有している。

このように構成された筒型リニアモータは、積層磁石体の反電機子側に低い磁気抵抗を備えたヨークを設けたことにより界磁が電機子側へ作用させる界磁磁束を大きくすることができ、ヨークに切欠を設けることでヨークを軽量化できる。

また、ヨークに設けられる切欠は、ヨークに切欠を設けたことによってヨークの磁路断面積が小さくなるが、ヨークの軸方向に沿っており、ヨークの軸方向に沿う軸方向長さがヨークの周方向に沿う周方向の長さよりも長くなっており、積層磁石体の磁束の進行方向がヨーク内の軸方向に一致しているため、切欠を設けたことによるヨークの磁気抵抗の減少を抑制できる。

また、ヨークに切欠を設けなかった場合の切欠形成前体積から切欠を有するヨークの体積を差し引いた体積差分の切欠形成前体積に対する割合である切欠率が１２％以下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１によれば、質量推力密度を安定して向上できる。

本発明の筒型リニアモータによれば、ヨークを備えていても質量推力密度を向上させ得る。

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ヨークを径方向から見た側面図である。 一実施の形態の筒型リニアモータの界磁の一部拡大縦断面図である。 切欠率と筒型リニアモータの質量推力密度との関係を示したグラフである。

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、内周に軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される複数の環状の永久磁石１０ａ，１０ｂで形成される積層磁石体１０と、積層磁石体１０の外周に配置される磁性体で形成される筒状のヨーク８とを有する筒状の界磁６と、界磁６に対して界磁６の軸方向に移動可能な電機子２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。電機子２は、コア３と巻線５とを備えて構成されている。コア３は、円筒状のコア本体３ａと、環状であってコア本体３ａ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３ｂとを備えて構成されている。

コア３は、前述の通り筒状であって、図１に示すように、コア本体３ａの外周に軸方向に等間隔に並べて設けられた１０個のティース３ｂを備えており、ティース３ｂ，３ｂ間には、巻線５が装着される空隙でなるスロット４が形成されている。また、本実施の形態では、図１中で隣り合うティース３ｂ，３ｂ同士の間には、空隙でなるスロット４が合計で９個設けられている。そして、このスロット４には、巻線５が巻き回されて装着されている。巻線５は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線の三相の巻線で構成されている。

また、各ティース３ｂは、環状であって、コア３の両端に配置されたティース３ｂを除いて、軸方向において内周端の幅より外周端の幅が狭い等脚台形状とされており、軸方向で両側の側面が外周端に対して等角度で傾斜するテーパ面とされている。末端のティース３ｂは、図１に示すように、末端のティース３ｂ以外の他のティース３ｂをコア３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。なお、ティース３ｂの断面形状は、等脚台形状以外の形状であってもよく、たとえば、矩形であってもよい。

そして、電機子２は、出力軸である非磁性体で形成されたロッド１１の先端の外周に装着されている。ロッド１１は、筒状の第１ロッド２０と、筒状であって外周にコア３が装着されるとともに第１ロッド２０の内周に螺合される第２ロッド２１とを備えている。

第１ロッド２０は、筒状であって図１中左端外周と図１中右端内周にそれぞれ螺子部２２ａ，２２ｂを有するロッド本体２２と、筒型リニアモータ１を機器へ取り付けるブラケット２３ａを有してロッド本体２２の図１中左端の螺子部２２ａに螺着されてロッド本体２２の左端を閉塞するロッドキャップ２３とを備えている。

また、ロッド本体２２の図１中右端外周には、環状のスライダ２５が嵌合されている。スライダ２５は、後述する筒部９ｂの内周に摺接する摺接部２５ａと、摺接部２５ａの図１中左方側であるロッド１１の基端側に設けられた外径が摺接部２５ａよりも小径な小径部２５ｂと、小径部２５ｂの外周に周方向に沿って設けられた環状溝２５ｃと、図１中右端内周に設けられたフランジ２５ｄとを備えている。そして、スライダ２５の環状溝２５ｃには、弾性体としてのゴム製のシールリング２６が装着されている。また、フランジ２５ｄの内径は、ロッド本体２２の内径以上であってロッド本体２２の外径以下となっており、スライダ２５をロッド本体２２に嵌合するとフランジ２５ｄがロッド本体２２の図１中右端面に当接する。

第２ロッド２１は、外周にコア３が装着される筒状のコア保持筒２１ａと、コア保持筒２１ａの図１中右端となる先端の外周に設けられる環状のスライダ２１ｂとを備えている。また、コア保持筒２１ａの図１中左端となる基端の外周には、螺子部２１ｃが設けられており、コア保持筒２１ａの基端側内周には内径が他の部位よりも大きな内径大径部２１ｄが設けられている。そして、コア保持筒２１ａの基端を第１ロッド２０におけるロッド本体２２の図１中右端の内周に挿入しつつ螺子部２１ｃを螺子部２２ｂに捩じ込むと、第１ロッド２０と第２ロッド２１とが連結される。このようにロッド１１は、本実施の形態では、第１ロッド２０と第２ロッド２１とで構成されて筒状とされている。

また、第２ロッド２１におけるコア保持筒２１ａの外周には、コア３が嵌合されて装着されている。コア保持筒２１ａの外径は、第１ロッド２０におけるロッド本体２２の外径よりも小径となっているので、スライダ２５を装着した第１ロッド２０に電機子２を装着した第２ロッド２１を前記した要領で連結すると、電機子２およびスライダ２５が第１ロッド２０の図１中右端と第２ロッド２１のスライダ２１ｂとで挟み込まれて固定される。このようにロッド１１に電機子２を装着すると、コア３がスライダ２１ｂおよびスライダ２５に挟まれる格好でロッド１１に固定される。なお、本実施の形態では、電機子２は、単一のコア３のみを有して構成されているが、推力の向上等のために複数のコア３を持つ構成とされてもよい。

つづいて、ロッド１１には、ロッド１１の外周を覆って空隙Ｇを形成するカバー１７が設けられている。具体的には、カバー１７は、筒状であって一端がロッド１１の外周に設けた環状のカバーエンド１８の外周に嵌合されるとともに他端がスライダ２５の小径部２５ｂの外周に嵌合されてロッド１１に装着されている。

カバー１７とロッド１１との間の空隙Ｇ内には、コア３に装着された各相の巻線５を外部の図示しない駆動回路へ接続するリード線Ｌが収容されており、カバー１７を取外した状態で巻線５とリード線Ｌとの配線作業を行えるようになっており、筒型リニアモータ１の組立作業を容易ならしめている。

他方、固定子は、本実施の形態では、円筒状の積層磁石体１０と積層磁石体１０の外周に圧入嵌合されて装着される円筒状の磁性体でなるヨーク８とで構成された界磁６と、積層磁石体１０の内周に挿入される円筒状の非磁性体のガイドチューブ９と、円筒状であって内方にガイドチューブ９および界磁６が挿入される非磁性体で形成されるバレル７とを備えて構成されている。

バレル７は、非磁性体で形成されており、図１中左側の開口端の内周に設けられた螺子部７ａと、図１中右側の開口端の外周に設けられた螺子部７ｂとを備えている。また、バレル７の図１中右端側の開口端の外周には、ボトムキャップ１２が螺着されており、バレル７の図１中右端の開口端が閉塞されている。ボトムキャップ１２は、底部１２ａと筒部１２ｂとを備えた有底筒状であって、バレル７の外周に筒部１２ｂを螺合することでバレル７に装着されている。また、ボトムキャップ１２の筒部１２ｂには筒型リニアモータ１の機器への取り付けを可能とするブラケット１２ｃが設けられている。ボトムキャップ１２は、底部１２ａが界磁６の図１中右端に対向している。

ガイドチューブ９は、非磁性体で形成されており、バレル７の図１中左端の開口端に螺子締結によって装着される環状のヘッド部９ａと、ヘッド部９ａよりも肉厚が薄くヘッド部９ａの図１中右端の内周から延びて界磁６の内周に挿入される筒部９ｂとを備えて構成されている。よって、ガイドチューブ９におけるヘッド部９ａの図１中右端は、筒部９ｂの外周に配置される界磁６の図１中左端に対向している。

また、ガイドチューブ９は、ヘッド部９ａの図１中右端と筒部９ｂとの境に湾曲面９ｃ備えており、ヘッド部９ａにのみ軸力が作用してもヘッド部９ａと筒部９ｂの境に応力が集中しないようになっている。なお、このように応力集中を回避するには、ヘッド部９ａと筒部９ｂとの境にテーパ面を設けるようにしてもよい。

界磁６は、軸方向に交互に積層されて挿入される複数の環状の主磁極となる永久磁石１０ａと複数の環状の副磁極となる永久磁石１０ｂとで形成される積層磁石体１０と、積層磁石体１０の外周に接着される筒状のヨーク８とを備えて構成されている。

積層磁石体１０は、軸方向に交互に積層される複数の環状の主磁極となる永久磁石１０ａと複数の環状の副磁極となる永久磁石１０ｂとを備えて構成されている。永久磁石１０ａと永久磁石１０ｂとは、飛散防止のため、接着剤を介在して積層されている。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。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６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、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、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なっている。このように、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さを長くすればコア３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３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。本実施の形態では、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さを副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さよりも長くしているが、これに限らず両者の軸方向の長さの設定は任意に設計変更できる。

また、本発明の筒型リニアモータ１では、永久磁石１０ａ，１０ｂの外周にヨーク８を設けている。ヨーク８を設けない場合、副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さが短くなると主磁極の永久磁石１０ａの軸方向中央部分における磁石外部の磁気抵抗が増大し、界磁磁束が小さくなるため、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さを長くする際の筒型リニアモータ１の推力向上度合が小さくなる。これに対して、永久磁石１０ａ，１０ｂの外周にヨーク８を設けると、磁気抵抗の低い磁路を確保できるので副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さの短縮に起因する磁気抵抗の増大が抑制される。よって、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さを副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さよりも長くするとともに永久磁石１０ａ，１０ｂの外周に筒状のヨーク８を設けると筒型リニアモータ１の推力を大きく向上させ得る。ヨーク８の肉厚は、主磁極の永久磁石１０ａの外部磁気抵抗の増大を抑制に適する肉厚に設定されればよい。

ヨーク８は、図１に示すように、複数のヨーク分割体３０を積層して形成されている。各ヨーク分割体３０は、図２に示すように、それぞれ、円筒状であって軸方向に沿って形成されてヨーク分割体３０の肉厚を貫通する４つの切欠３０ａを備えている。各ヨーク分割体３０は、前述のようにして積層磁石体１０の外周に順次装着されて積層磁石体１０の外周に積層され、積層磁石体１０の外周を覆うヨーク８を形成している。切欠３０ａは、矩形とされており、四隅がＲ形状或いはＣ形状に面取された形状となっている。

このように、各ヨーク分割体３０が切欠３０ａを備えているので、ヨーク８が切欠３０ａを備えていない場合と比較して、ヨーク８の全体の質量が小さくなる。また、切欠３０ａのヨーク８の軸方向に沿う軸方向長さＬ１は、切欠３０ａのヨーク８の周方向に沿う周方向長さＬ２よりも長く、切欠３０ａがヨーク８の軸方向に沿って設けられているため、切欠３０ａを設けることによるヨーク８における磁気抵抗の増大を抑止しつつも、切欠３０ａを設けることによってその分ヨーク８の質量を小さくできる。よって、ヨーク８を積層磁石体１０の外周に設けることによる筒型リニアモータ１の重量増加をヨーク８に切欠３０ａを設けることで抑制できるのである。なお、切欠３０ａの四隅がＲ形状或いはＣ形状に面取された形状となっているので、切欠３０ａ付近のヨーク８内を通過する磁束は、円滑にヨーク８内を通過できる。

ヨーク８の軸方向長さは、積層磁石体１０の軸方向長さ以上とされているが、永久磁石１０ａ，１０ｂがコア３のストローク範囲外に無駄に磁界を作用させて推力低下を招かないような長さに設定されている。なお、ヨーク８の軸方向長さは、積層磁石体１０の全長と等しい長さとしてもよい。なお、ヨーク８の軸方向長さが積層磁石体１０の全長よりも長い場合、積層磁石体１０の末端の磁力線が大気へ漏れず筒型リニアモータ１の推力低下を防止できる。このように、ヨーク８の軸方向長さを積層磁石体１０の軸方向長さよりも長くするには、積層磁石体１０が永久磁石１０ａ，１０ｂの加工誤差によって採りうる軸方向の最大長さよりもヨーク８の軸方向長さを長くしておけばよい。

なお、ヨーク８の軸方向両端におけるヨーク分割体３０以外のヨーク分割体３０の軸方向長さは、界磁６における磁極ピッチＰの長さの２倍に設定されている。ヨーク８の軸方向両端におけるヨーク分割体３０は、全部のヨーク分割体３０を積層した際に、ヨーク８の全長が界磁６の全長以上となるように設定されればよい。なお、ヨーク８の軸方向両端におけるヨーク分割体３０の軸方向長さが短く切欠３０ａを設けることが難しい場合、ヨーク８の軸方向両端におけるヨーク分割体３０に切欠３０ａを設けなくともよい。また、ヨーク８は、分割されたヨーク分割体３０の積層によって形成されるのではなく一体物である場合、ヨーク８に軸方向に沿って切欠を設ければよい。切欠３０ａは、ヨーク分割体３０の端部を残して孔状に形成されているが、ヨーク分割体３０の一端に開口するように形成されてもよい。また、切欠３０ａは、ヨーク分割体３０の周方向に４つ設けられているが、少なくとも１つ以上設けられれば良いので、周方向で１つのみが設けられてもよいし、複数の切欠３０ａが軸方向に並べて設けられてもよい。

界磁６における磁極ピッチＰは、図３に示すように、主磁極の永久磁石１０ａの中央から副磁極の永久磁石１０ｂを挟んで隣の主磁極の永久磁石１０ａの中央までとなる。また、磁力線の経路は、主磁極の永久磁石１０ａの中央から副磁極の永久磁石１０ｂを挟んで隣の主磁極の永久磁石１０ａの中央までの範囲で主磁極の永久磁石１０ａから電機子２を通過して隣の主磁極の永久磁石１０ａに到るループ状となる。

よって、ヨーク分割体３０の軸方向長さを磁極ピッチＰの整数倍として、少なくともヨーク分割体３０の軸方向の端部３０ｂが主磁極の永久磁石１０ａの外周に配置されるようにすれば、積層磁石体１０の磁力線が複数のヨーク分割体３０を跨いでしまうが、ヨーク８の磁気抵抗の増大を押さえつつ磁力線の外部への漏れを抑制できる。

このように、ヨーク８が複数のヨーク分割体３０を積層して形成されるので、ヨーク８がヨーク分割体３０で構成されずに一体物である場合と比較して、積層磁石体１０の外周に順々にヨーク８の全体長さからするとはるかに短いヨーク分割体３０を装着する作業は、非常に容易となる。よって、積層磁石体１０の外周へのヨーク８の装着作業が容易となるので、筒型リニアモータ１の組立が非常に簡単になる。なお、筒型リニアモータ１における積層磁石体１０は、永久磁石１０ａ，１０ｂを接着しつつ積層して形成されるが、ヨーク分割体３０の軸方向の全長に応じて、積層磁石体１０を軸方向で分割していくつかの永久磁石１０ａ，１０ｂを積層した積層磁石分割体を製造し、積層磁石分割体の外周にヨーク分割体を装着した複数の分割界磁アッセンブリを製造し、分割界磁アッセンブリを積層して界磁６を製造するようにしてもよい。

また、ヨーク分割体３０の軸方向長さは、理想的には、磁極ピッチＰの整数倍として、ヨーク分割体３０の両端部がともに積層磁石体１０における主磁極の永久磁石１０ａの中央に配置されるようにヨーク分割体３０を積層磁石体１０の外周に装着すれば、磁力線が複数のヨーク分割体３０間のギャップを横切らずに済み、ヨーク８の磁気抵抗が極小さくなるとともに磁力線の外部への漏れを抑制できる。前述したように、ハルバッハ配列による永久磁石１０ａ，１０ｂの場合、磁力線の経路が前述したように主磁極の永久磁石１０ａの中央から副磁極の永久磁石１０ｂを挟んで隣の主磁極の永久磁石１０ａの中央の範囲で電機子２を通過してループする。そこで、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、ヨーク分割体３０と隣のヨーク分割体３０は、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向中央の外周で当接しており、界磁６の磁力線がヨーク分割体３０，３０間の空隙を跨がずに済むようにして、ヨーク８を複数のヨーク分割体３０で形成しても筒型リニアモータ１の推力が減少しないように配慮している。このようにすれば、ヨーク８を複数の筒状のヨーク分割体３０を積層して形成しても、界磁６の内周側への磁界強度は、一つの筒体でなるヨークと遜色がない。つまり、ヨーク分割体３０と隣のヨーク分割体３０の当接面が主磁極の永久磁石１０ａの軸方向中央と同じ位置にくるようにすると、筒型リニアモータ１の良好な組付性と推力低下の防止とを両立できる。

なお、ヨーク分割体３０の軸方向長さは、磁極ピッチＰの整数倍であることが好ましいが、磁極ピッチＰの整数倍以外の長さに設定されてもヨーク８として磁気抵抗の小さな磁気回路を提供でき電機子２側へ作用させる界磁磁束を大きくできる効果を果たさせるので、ヨーク分割体３０の軸方向長さを磁極ピッチＰの整数倍以外の長さに設定するのも可能である。また、本実施の形態では、積層磁石体１０は、ハルバッハ配列となるように積層された永久磁石１０ａ，１０ｂで構成されているが、ラジアル方向に着磁されて内周にＮ極を持つ環状の永久磁石とラジアル方向に着磁されて内周にＳ極を持つ環状の永久磁石とを順番に積層して構成されてもよい。

また、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、図３に示すように、ヨーク分割体３０の軸方向両端の内周の縁に面取部Ｃを設けている。このようにヨーク分割体３０の軸方向両端の内周に面取部Ｃを設けると、永久磁石１０ａ，１０ｂの外周にヨーク分割体３０を嵌合させる際に永久磁石１０ａ，１０ｂが面取部Ｃを滑ってヨーク分割体３０内に導かれるので、より一層筒型リニアモータ１の組立が容易となる。

界磁６の内周側には、電機子２が軸方向移動自在に挿入されており、界磁６は、コア３に磁界を作用させている。なお、界磁６は、コア３の可動範囲に対して磁界を作用させればよいので、コア３の可動範囲に応じて永久磁石１０ａ，１０ｂの設置範囲を決定すればよい。したがって、バレル７と筒部９ｂとの環状隙間のうち、コア３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。

そして、筒部９ｂの外周とバレル７の内周との間には、環状のヘッド側スペーサ４０、界磁６、環状のエンド側スペーサ４１とが収容されている。ヘッド側スペーサ４０は、筒状であって、図１中右側となる界磁側の外径より図１中左側となる反界磁側の外径が大きくなる形状となっており、大径部４０ａと小径部４０ｂとを備えており、大径部４０ａの図１中左端がガイドチューブ９のヘッド部９ａの図１中右端面に当接し、小径部４０ｂの図１中右端が界磁６の左端に当接している。

エンド側スペーサ４１は、筒状であって、図１中左側となる界磁側の外径より図１中右側となる反界磁側の外径が大きくなる形状となっており、大径部４１ａと小径部４１ｂとを備えており、大径部４１ａの図１中右端がボトムキャップ１２の底部１２ａの図１中左端面に当接し、小径部４１ｂの図１中左端が界磁６の右端６ｂに当接している。

そして、筒部９ｂの外周には、図１中左から環状のヘッド側スペーサ４０、界磁６、環状のエンド側スペーサ４１が順に嵌合され、ガイドチューブ９のヘッド部９ａをバレル７に螺子締結した後、バレル７の図１中右端にボトムキャップ１２を取り付けると、ヘッド側スペーサ４０、積層磁石体１０およびエンド側スペーサ４１がガイドチューブ９におけるヘッド部９ａとボトムキャップ１２の底部１２ａとで挟持され、積層磁石体１０がバレル７の内周に固定される。なお、積層磁石体１０の外周に装着されるヨーク８は、ヘッド部９ａとボトムキャップ１２とによって軸方向で挟持されていないが、積層磁石体１０に接着されるのでバレル７内で移動しない。

なお、ヘッド部９ａの内周には、第１ロッド２０の外周を覆うカバー１７の外周に摺接する環状のシール部材２８が設けられており、筒型リニアモータ１内への塵や水などの侵入が防止されている。

そして、ガイドチューブ９内には、電機子２が装着されたロッド１１が軸方向移動自在に挿入され、筒部９ｂの内周にスライダ２１ｂ，２５が摺接して、電機子２の軸方向の移動が案内される。このように、電機子２は、積層磁石体１０の反ヨーク側となる内周側に挿入される。そして、ガイドチューブ９は、電機子２の界磁６に対する軸方向への移動を案内するガイドとして機能し、ガイドチューブ９の電機子２に対向する対向面には電機子２の円滑な移動を妨げる切欠や溝が形成されていない。

筒部９ｂは、コア３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、スライダ２１ｂ，２５と協働してコア３の軸方向移動を案内する役割を果たしている。なお、本実施の形態では、電機子２は、単一のコア３のみを有して構成されているが、複数のコア３を持つ場合、電機子２の軸方向両端だけでなくコア３，３間にも筒部９ｂの内周に摺接するスライダを設けてもよい。

さらに、ボトムキャップ１２の底部１２ａの内周には、ガイドロッド１６が取り付けられている。ガイドロッド１６は、底部１２ａの内周に固定される基端部１６ａと、基端部１６ａからロッド１１側へ延びてロッド１１内に摺動自在に挿入されるガイド部１６ｂとを備えており、筒型リニアモータ１が伸縮しても常にロッド１１の内周に摺接している。より詳細には、ガイドロッド１６のガイド部１６ｂは、第２ロッド２１の内径大径部２１ｄよりも先端側に摺動自在に挿入されている。

このように本実施の形態における筒型リニアモータ１では、ガイドロッド１６がロッド１１の内周に摺接し、スライダ２１ｂ，２５が筒部９ｂに摺接しているので、電機子２はロッド１１とともに界磁６に対して偏心せずに軸方向へスムーズに移動できるが、ガイドロッド１６を廃止してもよい。

また、このように構成された筒型リニアモータ１では、電機子２の軸方向移動をガイドして界磁６に対する電機子２の偏心を防止する筒部９ｂがヘッド部９ａと一体構造になっているので、筒部９ｂとヘッド部９ａに歪が生じにくくスライダ２１ｂ，２５が筒部９ｂの内周を滑らかに摺動でき、スムーズに伸縮できる。

そして、筒型リニアモータ１は、ロッド１１の界磁６に対する位置を図示しないストロークセンサで検知し、コア３の界磁６に対する電気角を把握して通電位相切換を行うとともにＰＷＭ制御により、各巻線５の電流量を制御して、筒型リニアモータ１における推力と電機子２の移動方向とを制御するコントローラによって駆動される。なお、前述のコントローラにおける制御方法は、一例でありこれに限られない。また、電機子２と界磁６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ー回生も可能である。

そして、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、界磁６におけるヨーク８に切欠３０ａを設けることでヨーク８を軽量化している。切欠３０ａを設けたヨーク８は、ヨーク８と内外径および軸方向長さが同じであって切欠を設けないヨークよりも磁気抵抗が大きくなるので、界磁６における界磁磁束が小さくなる。

ここで、ヨークに切欠を設けなかった場合、つまり、ヨーク８と内外径および軸方向長さが同じであって切欠を設けないヨークの体積を切欠形成前体積Ａとし、切欠形成前体積Ａから切欠３０ａを有するヨーク８の体積を差し引いた差分を体積差分Ｂとし、体積差分Ｂの切欠形成前体積Ａに対する割合を切欠率ρとする。ヨーク８における切欠率ρは、ρ＝Ｂ／Ａ×１００で求められる。切欠率ρは、切欠３０ａの容積を大きくすればするほど大きな値を採るようになる。

切欠率ρを変化させて筒型リニアモータ１の質量推力密度がどのように変化するのかを図４に示した。切欠３０ａが大きくなるとヨーク８の重量が軽くなるが、その反面、磁路断面積が減少するためにヨーク８における磁気抵抗が大きくなるために界磁６が電機子２側へ作用させる界磁磁束が小さくなる。

図４に示すように、切欠率ρを０から増やしていくと、最初の内は、切欠３０ａの容積が少なくヨーク８の磁路断面積も大きくヨーク８の磁気抵抗の低下が少なく、切欠３０ａを設けたことよるヨーク８の軽量化によって、筒型リニアモータ１の質量推力密度が向上する。この傾向は、切欠率ρが５％から６％まで続き、切欠率ρが６％を超えてそれ以上に大きくなると質量推力密度が低下する傾向になり、切欠率ρが１２％になると、切欠率１２％のヨーク８を備えた界磁６を筒型リニアモータ１に採用した場合における質量推力密度が、ヨーク８と内外径および軸方向長さが同じであって切欠を設けないヨークを積層磁石体１０の外周に装着した筒型リニアモータにおける質量推力密度が略同じになる。さらに、切欠率ρが１２％を超えてそれ以上に大きくなると、筒型リニアモータ１の質量推力密度が、ヨーク８と内外径および軸方向長さが同じであって切欠を設けないヨークを積層磁石体１０の外周に装着した筒型リニアモータにおける質量推力密度よりも低くなり、質量推力密度が悪化してしまう。

以上より、ヨーク８における切欠率ρは、４％以上８％以下の範囲に設定してヨーク８に切欠３０ａを形成すれば、ヨーク８の磁気抵抗が大きくなってもヨーク８の軽量化によって筒型リニアモータ１の質量推力密度を効果的に向上させ得る。また、ヨーク８における切欠率ρは、０％より大きく１２％以下の範囲に設定すると、筒型リニアモータ１の質量推力密度が向上することが分かった。

以上のように、本発明の筒型リニアモータ１は、軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される複数の環状の永久磁石１０ａ，１０ｂで形成される積層磁石体１０と、積層磁石体１０の外周に配置される磁性体で形成される筒状のヨーク８とを有する筒状の界磁６と、積層磁石体１０の内周側の反ヨーク側に配置されて界磁６に対して界磁６の軸方向に移動可能な電機子２とを備え、ヨーク８は、軸方向に沿って形成されてヨーク８の肉厚を貫くとともに、ヨーク８の軸方向に沿う軸方向長さＬ１がヨーク８の周方向に沿う周方向の長さＬ２よりも長い切欠３０ａを有している。

このように構成された筒型リニアモータ１は、積層磁石体１０の反電機子２側に低い磁気抵抗を備えたヨーク８を設けたことにより界磁６が電機子２側へ作用させる界磁磁束を大きくすることができ、ヨーク８に切欠３０ａを設けることでヨーク８を軽量化できる。

また、ヨーク８に設けられる切欠３０ａは、ヨーク８に切欠３０ａを設けたことによってヨーク８の磁路断面積が小さくなるが、ヨーク８の軸方向に沿っており、ヨーク８の軸方向に沿う軸方向長さＬ１がヨーク８の周方向に沿う周方向の長さＬ２よりも長くなっており、積層磁石体１０の磁束の進行方向がヨーク８内の軸方向に一致しているため、切欠３０ａを設けたことによるヨーク８の磁気抵抗の減少を抑制できる。

さらに、電機子２の移動を阻害する切欠や溝等を備えていないガイドチューブ９によって電機子２が案内されるので、筒型リニアモータ１は円滑に伸縮できる。なお、ヨーク分割体３０にそれぞれ設けられた切欠３０ａは、複数のヨーク分割体３０を積層して積層磁石体１０の外周に装着してヨーク８を形成した際に、軸方向で一直線上に配置されずともよく、全てのヨーク分割体３０において切欠３０ａの設置数が同じでなくともよい。また、ヨーク分割体３０に設けられる切欠３０ａの形状および寸法は、全てのヨーク分割体３０で同じでなくてもよい。なお、ヨーク８をヨーク分割体３０で形成せずに１つの筒で形成する場合、ヨーク８の軸方向に沿って略全長に亘って長い切欠を設けてもよいし、複数の独立した切欠を軸方向に沿って設けてもよいし、複数の切欠を周方向と軸方向でずらして千鳥に配置してもよい。

また、ヨークに切欠を設けなかった場合の切欠形成前体積Ａから切欠３０ａを有するヨーク８の体積を差し引いた体積差分Ｂの切欠形成前体積Ａに対する割合である切欠率ρが１２％以下に設定すれば、筒型リニアモータ１における質量推力密度を安定して向上できる。さらに、切欠率ρを４％から６％の範囲に設定すれば、筒型リニアモータ１の質量推力密度の向上効果が一層高くなる。

なお、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、ヨーク８が積層磁石体１０の外周に定着されているが、電機子２の内方に界磁６が挿入される構造の筒型リニアモータの場合、積層磁石体１０の内周に切欠を備えたヨーク８を装着すればよい。

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・・・電機子、６・・・界磁、８・・・ヨーク、１０・・・積層磁石体、１０ａ・・・主磁極の永久磁石、１０ｂ・・・副磁極の永久磁石、３０ａ・・・切欠

Claims (2)

1. 軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される複数の環状の永久磁石で形成される積層磁石体と、前記積層磁石体の内周或いは外周の一方に配置される磁性体で形成される筒状のヨークとを有する筒状の界磁と、
   前記積層磁石体の内周側或いは外周側であって反ヨーク側に配置されて前記界磁に対して前記界磁の軸方向に移動可能な電機子とを備え、
   前記ヨークは、軸方向に沿って形成されて前記ヨークの肉厚を貫くとともに、前記ヨークの軸方向に沿う軸方向長さが前記ヨークの周方向に沿う周方向の長さよりも長い切欠を有する
   ことを特徴とする筒型リニアモータ。
2. 前記ヨークに切欠を設けなかった場合の切欠形成前体積から前記切欠を有する前記ヨークの体積を差し引いた体積差分の前記切欠形成前体積に対する割合を切欠率とし、前記切欠率を１２％以下とした
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒型リニアモータ。