JP3111228B2

JP3111228B2 - 可動コイル型リニアモータ

Info

Publication number: JP3111228B2
Application number: JP03255806A
Authority: JP
Inventors: 治下江; 博和荒木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1991-09-06
Filing date: 1991-09-06
Publication date: 2000-11-20
Anticipated expiration: 2015-11-20
Also published as: JPH0568365A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可動コイル型リニアモ
ータに係り、特に、コイルの相間インダクタンスを小さ
くして均等にすることができるリニアモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ロボットやＸ−Ｙ等多軸ステー
ジ等においては、物体を高速で移動させて、且つ精度良
く位置決めする必要から例えばリニアモータが使用され
ている。このリニアモータには、固定子に多数の電機子
コイルを配設し、移動子に界磁マグネットを搭載した可
動磁石型のモータと、逆に固定子に多数の界磁マグネッ
トを配設し、移動子に電機子コイルを搭載した可動コイ
ル型のモータとが知られている。ここで、図６乃至図８
に基づいて可動コイル型リニアモータについて説明す
る。図６は一般的なリニアモータを示す平面図、図７は
図６に示すリニアモータを示す拡大断面図、図８はリニ
アモータが動く原理を説明するための説明図である。

【０００３】図示するように、この可動コイル型リニア
モータ２は、例えば直線状に数メートル延びる固定子４
と、この固定子４上をその長手方向に沿って移動するモ
ータ本体６とにより主に構成されている。上記固定子４
は、例えば鋳鉄等よりなり、２つの溝部９、９がその長
手方向に沿って形成されると共に、この各溝部９、９の
内壁には、異極同士が対向させて形成される対のＮ、Ｓ
磁極の磁石がその長手方向に沿って順次交互に配列され
ており、界磁マグネット１０、１０を構成している。こ
の固定子４の上面の両側には、その長手方向に沿って案
内レール１２、１２が設けられており、これに上記モー
タ本体６の下面両側に設けたスライダ１４、１４がボー
ルベアリング等を介して摺動自在に介設されている。

【０００４】そして、このモータ本体４の下面には、上
記固定子４の溝部９、９に挿入させて２つの移動子１
６、１６が設けられており、各移動子１６、１６の両面
には界磁マグネット１０、１０と対向するようにそれぞ
れ電機子コイル８、８が複数個設けられている。そし
て、この電機子コイル８、８に適宜制御された電流を流
すことにより、これにより発生する磁場と界磁マグネッ
ト１０からの磁場との相互作用によりモータ本体６は任
意の方向へ移動されて任意の位置に停止されることにな
る。この電流を制御するために、モータ本体６が位置す
る場所を特定する必要があるが、そのために、このモー
タには固定子４側に設けられたスケール２０と、これを
感知すべくモータ本体６側に設けたホール素子等よりな
るセンサ２２とよりなるエンコーダが設けられており、
この検出信号をコントローラ２４へ導入することによ
り、コントローラ２４は電機子コイルへの供給電流を制
御している。

【０００５】例えば、図８に示すような界磁マグネット
１０、１０間に３つのコイル８を設置して、各コイル８
に図示のような電流を流せば、各コイル８には力Ｆが作
用してその方向へ移動することになる。通常、電機子コ
イル８に流す電流は、３相交流が使用され、従って、電
機子コイル８は、例えばそれぞれ電気角１２０°ずつ位
相差のあるＵ相、Ｖ相及びＷ相の各コイルよりなり、各
相はそれぞれ複数のコイルにより構成されている。従っ
て、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルはそれぞれ電
気角で１２０°ずつずらして移動子１６に設けられる。
図９は実際の電機子コイルの配置を示す図であり、図１
０は図９のコイル配列を整理して記載した図である。こ
の場合、全コイル数は１２個であり、従って、各相はそ
れぞれ４つのコイルを有することになる。

【０００６】この種のモータの移動子においては、その
長手方向の長さを極力短くして省スペースを図る必要が
あり、且つ左右の重量バランスを保つ必要があるため
に、図９に示すように移動子１６の両面に、図１０
（ａ）に示す複数のコイルを分割して配置していると共
に、隣設するコイルを相互に重ね合わせて配列してい
る。例えば、最初のコイル８Ｕ１の次には電気角を６０
°ずらして接続が逆になされたコイル８Ｗ１を配置する
などして全体の長さを短くしている。尚、各コイル辺の
電気角は６０°になるように設定されており、また、図
中及び以降の表中の各Ｕ、Ｖ、Ｗの符号に付した−（バ
ー）は電流の向きが逆であることを示す。また、図１０
（ｂ）は図１０（ａ）のコイルの配列を簡単化して表し
た図である。そして、このように配列された各コイル８
は、図１１に示すように同相同士が直列に接続されて全
体が３相用にスター結線される。尚、図１１には省略さ
れているが、実際には各相には、他方の移動子の各コイ
ルも直列に接続されることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種のリ
ニアモータは、前述のように各種の産業機器において使
用されることから、コントローラ２４からの指令に対し
ては迅速な応答が要求され、且つ移動中においては等速
度の円滑な移動が要求される。しかしながら、上述した
ような構造のリニアモータにあっては、移動子１６の移
動時に、この動きにムラが生じたり、或いは高速応答性
が十分でないという問題点があった。特に、微細な加工
精度等の特に要求される最近の技術動向に十分に対応で
きないという問題があった。

【０００８】このような不十分な高速応答性や動きのム
ラ等の発生する原因は、図１１に示すように結線された
コイルの相間インダクタンスＬ（Ｕ−Ｖ）、Ｌ（Ｖ−
Ｗ）、Ｌ（Ｗ−Ｕ）が比較的大きいことや、図１０に示
すようにコイル配列の両側に位置するコイル８Ｕ１及び
８Ｖ４と他のコイルとの結合が弱いことに起因して相間
インダクタンスの大きさにバラツキが有り過ぎるためで
あり、コイル全体の巻線数等を変えることなく上記した
問題点を解決するための手段が強く望まれている。本発
明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決
すべく創案されたものである。本発明の目的は、全体の
コイル数を変えることなく相間インダクタンスの減少及
びこのバラツキを減少させることができる可動コイル型
リニアモータを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、Ｎ、Ｓ極が順次交互に配列された界磁
マグネットと、この界磁マグネットに沿って移動可能に
設けられた移動子と、この移動子に設けられ、各相が複
数のコイルよりなる複数の相の電機子コイルとを有する
リニアモータにおいて、前記複数のコイルを、前記移動
子の長手方向に沿って所定の電気角ずつずらして異なる
相のコイルが順次配列されるように設けると共に、その
配列途中において１つ又は２つのコイルに相当する電気
角に対応する未配置部を形成し、この未配置部の電気角
に対応するコイルを前記コイル配列の端部に設けるよう
に構成したものである。

【００１０】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、コイル
配列途中において本来配置されるべきコイルを設置せず
にここに未配置部を形成すると共に、この未配置部の電
気角に対応するコイルをコイル配列の端部に設けるよう
にしたので、全体の長さは僅かに増したが各相間インダ
クタンスが減少し、且つそれらの偏りも非常に少なくな
り、バランスのとれた相間インダクタンスを得ることが
できる。従って、高速応答性が可能になるばかりか、こ
の動きのムラも大幅に減少させることができる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明に係る可動コイル型リニアモ
ータの一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は
本発明に係る可動コイル型リニアモータの実際のコイル
の配置を示す配置図、図２は図１に示すコイルの配置を
模式的に示す説明図である。図示するように移動子１６
に設けられる電機子コイル８は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の
３相よりなり、各相はそれぞれ複数のコイルにより構成
されると共に、それぞれ電気角で１２０°ずつずれた電
流が流される。そして、図示例にあっては全部で１２個
のコイル８が設けられ、従って、各相は４つのコイルを
有すことになる。各コイル８のコイル辺の長さは、電気
角で６０°になるように設定されており、これら各コイ
ル８は、移動子１６の長手方向に沿って所定の電気角ず
つずらして異なる相のコイルが順次配列される。

【００１２】例えば図から明らかなように最初のコイル
８Ｕ１（便宜上左端のコイルを最初のコイルとする）か
ら電気角で１２０°ずらしてＶ相の最初のコイル８Ｖ１
を配置している。そして、このＶ相から電気角で１２０
°の遅れ電流を流すＷ相の最初のコイル８Ｗ１を上記Ｕ
相の最初のコイル８Ｕ１より電気角で６０°ずらして配
置すると共にこのＷ相のコイルは接続を逆にして逆方向
に電流が流れるようにしている。以下同様にして順次相
を異ならせてコイル８を配列して行くのであるが、本発
明において少なくとも１つのコイルに相当する電気角に
対応する未配置部を形成し、この未配置部に対応するコ
イルをコイル配列の端部に設けている。具体的には、本
実施例にあっては左端より５番目に位置すべきＷ相のコ
イル８Ｗ４と、１０番目に位置すべきＵ相のコイル８Ｕ
４とをそこに配置せずに未配置部３０とし、これらに対
応するＵ相及びＷ相のコイルをそれぞれ他の端部、すな
わち右端に配置している。図中配置しなかったコイル及
びコイルの符号を破線で示している。

【００１３】このように、いわゆる配置変えするコイル
の相は、例えば１つのコイルのみを配置変えする場合に
は端部に配置されているコイルの相、すなわちＵ相のコ
イルを配置変えし、２つのコイルを配置変えする場合に
は端部から２つのコイルの相、すなわちＵ相とＷ相のコ
イルを配置変えする。また、２つのコイルを配置変えす
べく形成される２つの未配置部３０、３０は、後述する
結果でも判明するようにコイル配列途中において１箇所
に集中させるのではなく、コイル配列中に均等に分散然
せるのが好ましい。尚、未配置部３０、３０は、図１及
び図２においては理解を容易化するために空間状態とな
っているが、実際には、各コイルが所定の電気角ずつず
らして相互に重ね合わされて密着されていることから空
間状態にはなっていない。

【００１４】そして、各相のコイルは図１１に示す従来
構造と同様に図２（ｂ）にも示すように各相毎に直列
（図中Ｕ相のみ記載）に接続されてスター結線されてい
る。この場合、図７に示すように２つの移動子１６、１
６を有しているときは、共に図１及び図２に示すと同様
なコイル配列を行なって、２つの移動子にまたがって同
じ相同士のコイルを直列接続する。このように、コイル
配列の他の端部にＵ相及びＷ相の２つのコイルを配置す
ることにより、移動子１６の長さが２つのコイル辺の幅
Ｌに相当する長さだけ長くなってしまうが、後述するよ
うに相間インダクタンスの低減化及びこの均一化を達成
することができる。尚、他の部材、例えば固定子等は図
７に示すと同様に構成されているので、その説明を省略
する。

【００１５】次に、以上のような構成された本実施例の
動作について説明する。図７に示すようにエンコーダの
スケール２０をセンサ２２により読取ることによりコン
トローラ２４はモータ本体６の位置を認識し、指令に応
じて移動子１６に設けた電機子コイル８、８に所定の駆
動電流を流し、モータ本体６を所望の方向へ移動させて
停止する。すなわち、電機子コイル８、８に電流を流す
ことにより発生する界磁と固定子４に設けた界磁マグネ
ット１０からの界磁の相互作用により推力が発生してモ
ータ本体６を移動させることになる。ここで、本実施例
にあっては、電機子コイルの各相間インダクタンスが減
少し、且つこのインダクタンスの大きさのバラツキも非
常に少ないので、制御信号に対して迅速に応答して移動
し、且つその移動途中においても動きのムラが少なく、
これを非常に小さく抑制することができる。この作用に
ついて表１に基づいて具体的数値により説明する。

【００１６】

【表１】

【００１７】上記表１中において、従来装置は図９及び
図１０に示す従来のコイル配列を行なったものを示し、
実施例１は図１及び図２に示すコイル配列を行なったも
のを示し、実施例２は左端から７番目のＵ相のコイルと
８番目のＷ相のコイルを右端に配置変えして構成したも
のを示す。この表１によれば、相間インダクタンスの平
均値は従来装置が１０．７７であるのに対し、実施例
１、実施例２はそれぞれ１０．３９、１０．５６とな
り、ともに減少して良好な結果を示している。

【００１８】また、相間インダクタンスの偏り、すなわ
ち相間インダクタンスの最大値と最小値との差に対する
平均値の比は、従来装置が０．１３６であるのに対し
て、実施例１、実施例２はそれぞれ０．０３７、０．１
２５となり、特に、実施例１において相間インダクタン
スの偏りが極端に少なくなっており、これは移動子の移
動時における動きのムラが非常に少ないことを表してい
る。従って、実施例２よりも実施例１の方が応答性も良
く、且つ動きのムラが少ないことから、配置変えを行う
べきコイル位置は、コイル配列途中において場所的に集
中させるのではなく、分散させるのが好ましいことが判
明する。また、上記実施例１及び実施例２以外の他の位
置からＵ相及びＷ相コイルを配置変えするようにしても
よいの勿論である。

【００１９】尚、上記実施例は１つの移動子に対する全
コイル数が１２個の場合について説明したが、この数に
限定されず、３の倍数、例えば全コイル数が９個の場合
についても適用し得るのは勿論である。１つの移動子に
対して全コイル数が９個の場合の作用について表２に基
づいて説明する。

【００２０】

【表２】

【００２１】表２中において従来装置は９個のコイルを
図９及び図１０に示すように配置変えすることなく順序
良く配列したものを示し、実施例３は左端から４番目の
Ｕ相のコイルと８番目のＷ相のコイルとを右端に配置変
えして構成したものを示し、実施例４は左端から５番目
のＷ相のコイルと７番目のＵ相のコイルとを右端に配置
変えして構成したものを示す。この表２によれば、相間
インダクタンスの平均値は従来装置が７．９５であるの
に対して、実施例３、実施例４はそれぞれ７．７８、
７．４４となり、共に減少して良好な結果を示してい
る。

【００２２】また、相間インダクタンスの偏りは、従来
装置が０．１８４であるのに対して、実施例３、実施例
４はそれぞれ０．０６９、０となり、特に実施例４にあ
っては非常に良好な結果を得ることができることが判明
する。従って、１つの移動子に対する全コイル数を９個
に設定した場合には、実施例４に示すようなコイルの配
置変えを行うことにより、高速応答性が良好になるのみ
ならず、動きのムラもほとんどなくなり、極めて良好な
結果を得ることができる。以上の実施例にあっては、１
つの移動子に着目し、これに設けられる全コイルにおけ
る相間インダクタンスについて考察を行ったが、図７に
示すように２つの移動子を備えている場合には、２つの
移動子に設けられるコイル全体を各相毎に全て直列接続
することから、この２つの移動子に設けられるコイル全
体の相間インダクタンスが適性になるようにコイル配列
を変えるようにしてもよい。

【００２３】このような考えに基づいて行われたコイル
配列を実施例５として図３及び図４に示す。この実施例
においては、１つの移動子に対してコイルが１５個設け
られ、全体で３０個使用される場合を示し、従って、Ｕ
相、Ｖ相、Ｗ相の各相は１つの移動子に対して５個のコ
イルにより構成され、装置全体で各相は１０個のコイル
により構成される。図示するように、第１列の移動子１
６にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルを図９及び図１０に
示す従来装置のように未配置部を形成することなく順次
規則正しく１５個のコイルを配列する。これに対して、
第２列の移動子１６には、左端から１０番目のＵ相のコ
イルを配置変えし、これを右端に設置する。従って、こ
のような構成によれば第２列の電機子１６の全体の長さ
は１つのコイル辺の幅Ｍに相当する長さだけ延びるだけ
である。このような図３及び図４に示すようなコイル配
列の場合の作用を表３に基づいて説明する。

【００２４】

【表３】

【００２５】表３において従来装置は図９及び図１０に
示すように従来方法によって順序良く配列したものを示
し、第１列＋第２列は図３及び図４に示す実施例５によ
るコイル配列をしたものを示す。図示するように、従来
装置にあっては、各相間インダクタンスの偏りが１０．
７と非常に大きくあまり良好ではないのに対して、この
実施例５にあっては相間インダクタンスが低下し、特
に、偏りが１．６と非常に小さくなっており、移動時の
動きのムラを大幅に改善することができることが判明す
る。この場合、配置変えするコイルは左端より１０番目
のＵ相コイルに限定されず、他の部分に位置するＵ相コ
イルでもよいのは勿論である。また、第１列の移動子１
６の端部に形成されたコイル未装着領域には、例えばエ
ンコーダ等のセンサ２２等を設けるなどしてスペースの
有効利用を図るようにする。

【００２６】以上の実施例にあっては、コイルの相間イ
ンダクタンスを減少させ、且つ各相間のインダクタンス
のバラツキを減少させるために、コイルの配置を適正に
変えるようにしたが、特に、相間インダクタンスを低下
させるために図５に示すように構成してもよい。図５は
移動子１６を１つのみ設けている点が図７と異なるが他
の構成に関しては図７と全く同様なので、同一部分には
同一符号を付してその説明を省略する。

【００２７】図示するように、固定子４の溝部９の壁面
に設けた界磁マグネット１０、１０に、これを被うよう
に非磁性体の導電性材料よりなる薄板３６を形成する。
この場合、界磁マグネット１０、１０の電機子コイル８
との対向面のみに薄板３６を形成してもよいし、また
は、図示例のように界磁マグネット１０、１０の露出面
全てを被うように薄板３６を形成してもよい。この薄板
３６としては、例えば銅やアルミニウムを使用し、例え
ば界磁マグネット１０の厚さＬ２＝１０ｍｍ、両界磁マ
グネット間の距離Ｌ３＝６．５ｍｍとすると、薄板３６
の厚さを例えば０．３〜０．５ｍｍに設定する。この場
合、この薄板３６の厚さにもよるが、約２０％程度のイ
ンダクタンスの減少を図ることが可能となる。このよう
に、インダクタンス減少が生ずる原因は、コイル８に電
流を流すことにより薄板３６にうず電流が発生すること
になり、従って、この時のインダクタンスは２次側が平
面（１ターン）のコイルと空心でつながった１次側コイ
ルよりなるトランスを１次側から見たインダクタンスと
等価となり、このインダクタンスが減少するからであ
る。

【００２８】このように、界磁マグネット１０を薄板３
６で被うことにより一層インダクタンスを減少させるこ
とができ、高速応答性を更に改善することが可能とな
る。尚、可動磁石型のリニアモータの場合にも、同様に
移動子に設けられることになる界磁マグネットを薄板で
被うのは勿論である。

【００２９】

【発明の効果】以上発明したように、本発明によれば次
のような優れた作用効果を発揮することができる。電機
子コイルの巻数を減少させることなくこの相間インダク
タンスを減少させることができ、しかも、この相間イン
ダクタンス間のバラツキを大幅に抑制することができ
る。従って、リニアモータの高速応答性を改善すること
ができるのみならず、移動時における動きのムラを大幅
に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る可動コイル型リニアモータの電機
子コイルの実際の配置を示す配置図である。

【図２】図１に示す電機子コイルの配置を模式的に示す
説明図である。

【図３】本発明の他の実施例の電機子コイルの実際の配
置を示す配置図である。

【図４】図３に示す電機子コイルの配置を模式的に示す
説明図である。

【図５】本発明の更に他の実施例を示す断面図である。

【図６】一般的な可動コイル型リニアモータを示す平面
図である。

【図７】図６に示すリニアモータを示す拡大断面図であ
る。

【図８】電機子コイルが力を受ける状態を説明するため
の原理図である。

【図９】従来の可動コイル型リニアモータの電機子コイ
ルの実際の配置を示す配置図である。

【図１０】図９に示す電機子コイルの配置を模式的に示
す説明図である。

【図１１】図９に示す電機子コイルの結線状態を示す結
線図である。

【符号の説明】４固定子６モータ本体８，８Ｕ，８Ｖ，８Ｗ電機子コイル９溝部１０界磁マグネット１２案内レール１４スライダ２０スケール２２センサ２４コントローラ

フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−67855（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−77472（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−74075（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−159174（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 41/035 H02K 41/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｎ、Ｓ極が順次交互に配列された界磁マ
グネットと、この界磁マグネットに沿って移動可能に設
けられた移動子と、この移動子に設けられ、各相が複数
のコイルよりなる複数の相の電機子コイルとを有するリ
ニアモータにおいて、前記複数のコイルを、前記移動子
の長手方向に沿って所定の電気角ずつずらして異なる相
のコイルが順次配列されるように設けると共に、その配
列途中において１つ又は２つのコイルに相当する電気角
に対応する未配置部を形成し、この未配置部の電気角に
対応するコイルを前記コイル配列の端部に設けるように
構成したことを特徴とする可動コイル型リニアモータ。
【請求項２】前記未配置部の電気角に対応するコイル
は、前記コイル配列の他の端部に配置されるコイルと同
相のコイルであることを特徴とする請求項１記載の可動
コイル型リニアモータ。
【請求項３】前記複数の相は３相であると共に、前記
未配置部の電気角に対応するコイルは、前記コイル配列
の他の端部に配置されるコイルと、このコイルの次に配
置されるコイルと同相の２つのコイルであることを特徴
とする請求項１記載の可動コイル型リニアモータ。
【請求項４】前記界磁マグネットは、前記電機子コイ
ルのインダクタンスを減少させるために非磁性体の導電
性材料よりなる薄板により被われるように構成したこと
を特徴とする請求項１乃至３記載の可動コイル型リニア
モータ。