JP3906443B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータに係り、特に、電機子に一つのコイルを巻回して向かい合う磁極歯が互い違いになる磁極を上部と下部２ヶ所に有するリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、リニアモータの界磁を永久磁石で与えれば、コンパクトな構成で高い推力を得ることが知られており、様々な構造のリニアモータが考えられている。
特開昭６３−３１０３６１号公報には、リード線処理を簡単にして安価に製造できるようにした構造のリニアパルスモータが開示されている。そのリニアモータの構造は、同公報に詳しく述べられているが、図１２に示すように、概ね次のようになっている。
断面がコ字状で上に開いた直線状の電機子３には、内側に断面が同じくコ字状のヨークが２つ平行に並んで固定され、ヨークの底にそれぞれコイル４が長手方向に巻回されている。２つのヨークはそれぞれ上に伸びた２つの磁極を持っている。この磁極の上面にはそれぞれ磁極板が固定され、他方の磁極板に向かって等間隔で突起状の極歯２０が伸び、向かい合う極歯２０が互い違いになってクローポール形の磁極面をなしている。電機子３の長手方向に移動可能に支持された可動子６には、前記磁極面とエアギャップを介して対向するように互いに平行な２組の永久磁石７が設けられ、前記磁極板の突起と同じ間隔で極性が反転するよう着磁されている。このような構成において、２つのヨークに巻回されたコイル４に位相が９０度ずれた２相の正弦波電流を供給すると、よく知られているリニアモータのメカニズムによって、可動子６は電機子３の上を長手方向に移動することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術によると、リニアモータは、シンプルな構造でリード線処理を簡単にして安価に製造できる反面、次のような課題があった。すなわち、電機子３に設けた２つの磁極と磁極板が前記のような構造となっているため、２つの磁極上面から伸びて互い違いになった磁極板の極歯２０間の隙間を通る磁束の漏れが全体として大きいので、励磁電流に対してモータの推力が小さい。さらに、電機子３と可動子６の間に磁気吸引力が一方方向に働くため、可動子６の支持機構に大きな負担がかかり、構造に歪みが生じて様々な弊害を生じる。
【０００４】
本発明の課題は、磁極板の極歯間の隙間を通る磁束の漏れを少なくして、電機子と可動子の間に生ずる磁気吸引力を小さくしたリニアモータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、電機子ユニットと、磁性を有する可動子とからなるリニアモータであって、電機子ユニットは、上部磁極歯と下部磁極歯とが対向する第１極性の第１の対向部を有する第１の磁極と、上部磁極歯と下部磁極歯とが対向する第１極性と反対の第２極性の第２の対向部を有する第２の磁極とを有し、第１の磁極と第２の磁極には共通にコイルが巻かれており、可動子は、第１の対向部に挾持され、かつ、第２の対向部に挾持される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるリニアモータの構成図であり、その断面図を図２に示す。
図１において、１は磁極、１１ａは磁極１の上部磁極歯、１２ｂは磁極１の下部磁極歯、２は磁極、２１ｂは磁極２の下部磁極歯、２２ａは磁極２の上部磁極歯、３は電機子、４は電機子巻線、５は電機子鉄心、６は可動子、７は永久磁石、８は磁極１の上部磁極歯１１ａと磁極２の下部磁極歯２１ｂ（磁極１の下部磁極歯１２ｂと磁極２の上部磁極歯２２a）のギャップ、Ｐｓは同部磁極面の隣り合う磁極歯中心間の極ピッチである。電機子３は、その底部の電機子鉄心５の両側に磁極１，２を設け、断面がコ字状で上に開いた直線状の細長い電機子鉄心５に長手方向に電機子巻線４を巻回する。電機子３には、二つの磁極１，２を持たせることになる。
磁極１は、その上面に磁極２に向って突起状の上部磁極歯１１ａ，下部磁磁極歯１２ｂ，…を持ち、磁極２は、その上面に磁極１に向って突起状の下部磁極歯２１ｂ，上部磁極歯２２ａ，…を持つ。すなわち、磁極１の突起状の（２ｎ−１）番目（ｎ＝１，２，３，…）の磁極歯は上部、（２ｎ）番目（ｎ＝１，２，３，…）の磁極歯は下部になるように上下２段に分けて伸ばす。また、磁極１とは反対に、、磁極２の突起状（２ｎ−１）番目の磁極歯は下部、（２ｎ）番目（ｎ＝１，２，３，…）の磁極歯は上部になるように同じく２段に分けて伸ばす。磁極１と磁極２よりの上部磁極歯全体を上部磁極面、下部磁極歯全体を下部磁極面と定義すると、磁極１と磁極２の向かい合う磁極歯が互い違いになる磁極面を上部と下部２ヶ所に持たせる構造になる。
ここで、一番目の上部磁極歯１１ａと下部磁極歯１２ｂを第一の対向部と定義し、２番目の下部磁極歯２１ｂと上部磁極歯２２ａを第二の対向部と定義する。よって、（２ｎ−１）番目は第一の対向部、（２ｎ）番目は第二の対向部になるような電機子構造になる。
また、各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の間に一定のギャップ８を設け、ギャップ８に磁性を有する可動子を通すと、可動子が第一の対向部に挟持され、かつ、可動子が前記第二の対向部に挟持された構造を形成する。
上記のようにすることにより、本実施形態のリニアモータ各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の間ギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子ユニットを形成し、ギャップを通して可動子が相対移動する構造になる。
【０００７】
図２において、支持機構（電機子側）１４は電機子３側に相対移動する可動子６を支持し、支持機構（可動子側）１５は可動子６側に相対移動する可動子６を支持する機構である。可動子６は、支持機構１４，１５に支持されてトンネルを通るようにギャップ８を相対移動する。
本実施形態のリニアモータでは、電機子３の磁極歯を上部と下部２ヵ所に持たせ、上部磁極歯と下部磁極歯間に可動子６が相対移動するが、可動子６の中心から上下磁極歯までの距離が同じであれば、可動子６と上部磁極歯に働く吸引力と可動子６と下部磁極歯に働く吸引力の大きさは同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力を零に相殺する。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構１４，１５の負担を小さくできる。
【０００８】
図３に、本実施形態のリニアモータの磁束流れの概念図を示す。電機子巻線４を励磁すると、磁極１に取り付けられている上下の磁極歯がＮ極ならば、磁極２に取り付けられている上下の磁極歯はＳ極になる。この場合、磁束は磁極１の上部磁極歯１１ａから磁極２の下部磁極歯２１ｂに流れ、同じく磁極１の下部磁極歯１２ｂから磁極２の上部磁極歯２２ａに磁束が流れるので、上部磁極面と下部磁極面の間ギャップ８には極ピッチ毎に磁束の流れの方向が反対になる。
このため、本実施形態のリニアモータにおける磁束の流れは、上部の磁極歯から可動子６の永久磁石Ｎ極，Ｓ極を貫いて下部磁極歯に流れ、また、下部の磁極歯から可動子６の永久磁石Ｓ極，Ｎ極を貫いて上部磁極歯に流れるようになることにより、有効磁束の磁気回路の磁路が短くなり、磁気抵抗が小さく、有効磁束が増え、漏れ磁束が少なくなる。
因に、従来のクローポール形リニアモータは磁極面が１面であり、磁束の流れは、電機子３のＮ極歯から可動子６の永久磁石Ｓ極，Ｎ極を横に通って電機子３のＳ極歯に戻るように流れる。従って、有効磁束の磁気回路の磁路が長くなる。そのため、従来のクローポール形は磁気抵抗が大きくなり、可動子６の永久磁石を通らずに電機子７のＮ極歯から隣の電機子のＳ極歯に直接流れる漏れ磁束が多くなる。
【０００９】
次に、図１の電機子ユニットを直列または並列に複数個並べたリニアモータを説明する。図４は、図１の電機子ユニットを２個直列に並べたリニアモータを示す。
図４において、一般的には、電機子ユニットＡの磁極歯ａとその隣り合う電機子ユニットＢの磁極歯ｂのピッチが（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝になるように電機子ユニットＡと電機子ユニットＢを直列に並べる。ここで、Ｐは極ピッチ（極ピッチＰは電機子磁極ピッチＰｓ又は可動子極ピッチＰｍどちかを選ぶ）、Ｍはモータの相数を表わす。すなわち、図４では、ｋ＝３、Ｍ＝２となる。
図４において、電機子磁極ピッチＰｓと可動子極ピッチＰｍの値を同じするか、又は異なっても良い。電機子磁極ピッチＰｓと可動子極ピッチＰｍの値を異なるようにすれば、永久磁石７と磁極歯間に働く推力脈動を低減する効果がある。可動子６には、隣り合う磁極が異極になるように永久磁石７を複数個配置し、図２に示すＺ方向に着磁する。
図２に示すように、支持機構１４，１５によって可動子６を電機子ユニットＡと電機子ユニットＢの上下部磁極面間のギャップ８に支持し、電機子ユニットＡと電機子ユニットＢの電機子巻線４を交互に励磁すると、上部磁極面と下部磁極面の間ギャップ８には極ピッチ毎に反対方向に磁束が流れ、移動に必須なＰ／２によって推力が発生し、可動子６が相対移動する。
このように、電機子ユニットを２個直列に並べることによって、可動子６が電機子ユニットＡとＢの上部磁極面と下部磁極面間のギャップ８を通るように相対移動するリニアモータになる。
ここで、図４では、電機子ユニットを２個直列に並べることについて説明したが、電機子ユニットを複数個直列に並べても同様である。
【００１０】
図５は、図１の電機子ユニットを２個並列に並べたリニアモータを示す。図５において、電機子ユニットＡと電機子ユニットＢを揃えて並列配置し、可動子として隣り合う磁極が異極になるように永久磁石７を複数個配置し、可動子６ａと可動子６ｂを一体化して形成する。この際、可動子６ａと可動子６ｂは、Ｐ／２ピッチだけずらせる。相対的に、可動子６ａと可動子６ｂは揃えて電機子ユニットＡと電機子ユニットＢをＰ／２ピッチだけずらせても良い。
また、図５の並列配置においても、図４の直列配置と同様に、電機子磁極ピッチＰｓと可動子極ピッチＰｍの値を同じするか、又は異なっても良い。
図４と同様に、図２に示す支持機構１４，１５によって可動子６ａと可動子６ｂをそれぞれ電機子ユニットＡと電機子ユニットＢの上下部磁極歯のギャップ８に支持し、電機子ユニットＡと電機子ユニットＢの電機子巻線４を交互に励磁すると、上部磁極面と下部磁極面の間ギャップ８には極ピッチ毎に反対方向に磁束が流れ、移動に必須なＰ／２によって推力が発生し、可動子６が相対移動する。このように、電機子ユニットを２個並列に並べ、２個の可動子を一体化することによって、可動子６ａと可動子６ｂがそれぞれ電機子ユニットＡとＢの上部磁極面と下部磁極面間のギャップ８を通るように相対移動するリニアモータになる。
ここで、図５では、電機子ユニットを２個並列に並べ、２個の可動子を一体化することについて説明したが、電機子ユニットを複数個並列に並べ、複数個の可動子を一体化しても同様である。
以上説明したように、電機子ユニットを直列または並列に複数個並べる際に、隣り合う電機子ユニットまたは隣り合う可動子のどちらか磁極歯のピッチが（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝になるように、各電機子ユニットまたは各可動子のそれぞれを一体化にして配置すれば、お互いに相対移動が可能である。ここで、Ｐは極ピッチ、Ｍはモータの相数を表わす。
【００１１】
図６は、本発明の他の実施形態による電機子ユニットの直列配置の概略図である。図６では、電機子ユニットを４個並べ、２個の電機子ユニットを１相とし、極ピッチをＰとするとき、同相間の隣り合う電機子ユニットの磁極歯のピッチを（ｋ・Ｐ）｛（ｋ＝０，１，２，…）｝、異相間の隣り合う電機子ユニットの磁極歯のピッチを（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ｋは隣り合う電機子ユニットの配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とする２相のリニアモータの直列配置を示す。（ａ）は電機子ユニットのＡ相，Ｂ相，Ａ相，Ｂ相の配置、（ｂ）は電機子ユニットのＡ相，Ａ相，Ｂ相，Ｂ相の配置である。
図６のように、多数の電機子ユニットを１相として配置することにより、大きな推力が得られるリニアモータになる。ここで、図６に、電機子ユニットを４個並べ、２個の電機子ユニットを１相としたリニアモータを示したが、電機子ユニットを複数個直列に並べも同様である。また、電機子ユニットを複数個並列に並べ、複数個の可動子を一本化しても同様である。
【００１２】
図７は、本発明の可動子について他の実施形態を示す。図１の可動子６は、隣合う磁極が異極になるように永久磁石７を複数個配置したが、図７に示す可動子６は、永久磁石７の代りに平板状の強磁性体を用い、この強磁性体の両面には一定間隔ごとに凸の磁極歯１３を設ける。
平板状の強磁性体の両面に凸の磁極歯１３を設けると、電機子の磁極面との間で磁気抵抗が変化する。すなわち、凸の磁極歯１３と電機子の磁極面との間の磁気抵抗は、強磁性体の平板部１６と電機子の磁極面との間の磁気抵抗より小さい。この磁気抵抗の変化を利用すると、移動自在な可動子となる。
ここで、凸の磁極歯１３を強磁性体にし、平板部１６に永久磁石を設けることにより、複合型可動子にすることも可能である。また、凸の磁極歯１３を強磁性体にして平板部１６を非磁性体とする組み合わせにしても良い。
【００１３】
図８に、図７の平板状の可動子を円筒型可動子にした例を示す。図８において、軸３５に強磁性体３６と非磁性体３７を組み合わせとする。また、永久磁石を兼用しても良い。
【００１４】
図９は、本発明の可動子について他の実施形態を示す。図９において、可動子６は無端状ベルト又はチェインにして、強磁性体３４を埋め込んだ構造である。強磁性体の代わりに永久磁石を設けても良い。
【００１５】
本発明のリニアモータの製造方法について、以下に説明する。
図１０は、図１のリニアモータ分解図を示すが、磁極１，２と磁極歯１１ａ，１２ｂ，２１ｂ，２２ａを分割して製作し、磁極１と磁極歯１１ａ，１２ｂ、磁極２と磁極歯２１ｂ，２２ａを組み合わせることによって電機子ユニットを製造する。この場合、片側の磁極と同磁極上下の磁極歯を一体化したプレス加工して組み合わせることも可能である。更に、両側の磁極、磁極歯一体化したプレス加工して組み合わせることも可能である。
支持機構（電機子側）１４は電機子ユニットに固定して、可動子を左右、上下に支持する。
【００１６】
図１１は、本発明のリニアモータの他の製造方法を示す。この製造方法は、コイル４が巻かれる電機子鉄心、両側の磁極、上部磁極歯１１ａと対向部の下部磁極歯２１ｂを一体化した磁極ユニット３１Ａを積層鋼板によって製造する方法である。
磁極ユニット３１Ａを左右変えて配置すれば、他の磁極ユニット３１Ａ'になる。磁極ユニット３１Ａと他の磁極ユニット３１Ａ'の間には支持機構３２、ダクト３３を設ける。よって、（２ｎ−１）番目は第一の対向部に当たる磁極ユニット３１Ａ、（２ｎ）番目は第二の対向部に当たる他の磁極ユニット３１Ａ'になる電機子構造になる。
磁極ユニット３１Ａと３１Ａ'を左右半分に分割して製作したものをユニット化して、コイル４を左右から挟み込むようにして組み立てる方法も可能である。
【００１７】
なお、本発明の実施形態として、リニアモータについて説明したが、この実施形態の可動子と電機子ユニットは、電機子ユニットのコイルに交流電流を供給することにより、可動子が相対往復移動する振動型リニアアクチュエータとして利用することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、有効磁束の磁気回路の磁路が短くなり、磁極歯の漏れ磁束を少なくすることができる。
また、可動子の進行方向と垂直に働く可動子と電機子間の全体の吸引力を零に相殺し、このため、可動子と電機子の磁極面間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくすることができる。
また、コイルが巻かれる電機子鉄心、両側の磁極、上部磁極歯と対向部の下部磁極歯を一体化した磁極ユニットを積層鋼板により電機子ユニットを分割製作することにより、本発明の電機子を容易かつ能率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるリニアモータの構成図
【図２】図１のリニアモータの断面図
【図３】図１のリニアモータの磁束流れの概念図
【図４】本発明の電機子ユニットを２個直列に並べたリニアモータ
【図５】本発明の電機子ユニットを２個並列に並べたリニアモータ
【図６】本発明の他の実施形態による電機子ユニットの直列配置概略図
【図７】本発明の可動子の他の実施形態（その１）の構成図
【図８】本発明の可動子の他の実施形態（その２）の構成図
【図９】本発明の可動子の他の実施形態（その３）の構成図
【図１０】本発明のリニアモータの製造方法を示す図
【図１１】本発明のリニアモータの他の製造方法を示す図
【図１２】従来技術によるリニアパルスモータの概略図
【符号の説明】
１…磁極、１１a…磁極１の上部磁極歯、１２ｂ…磁極１の下部磁極歯、２…磁極、２１ｂ…磁極２の下部磁極歯、２２a…磁極２の上部磁極歯、３…電機子、４…電機子巻線、５…電機子鉄心、６…可動子、７…永久磁石、８…ギャップ、１３…凸の磁極、１４…相対移動の支持機構（電機子側）、１５…相対移動の支持機構（可動子側）、１６…強磁性体の平板部、３１Ａ…磁極ユニット、３３…ダクト

Claims (5)

1. 電機子ユニットと、磁性を有する可動子とからなるリニアモータであって、
   前記電機子ユニットは、上部磁極歯と下部磁極歯とが対向する第１極性の第１の対向部を有する第１の磁極と、上部磁極歯と下部磁極歯とが対向する前記第１極性と反対の第２極性の第２の対向部を有する第２の磁極とを有し、
   前記第１の磁極と前記第２の磁極には共通にコイルが巻かれており、
   前記可動子は、前記第１の対向部に挾持され、かつ、前記第２の対向部に挾持されることを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１において、前記電機子ユニットを複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合う電機子ユニットの磁極歯とのピッチを（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ｋは隣り合う電機子ユニットの配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とすることを特徴とするリニアモータ。
3. 請求項１または請求項２において、前記電機子ユニットを複数個並べ、多数の電機子ユニットを１相とし、極ピッチをＰとするとき、同相間の隣り合う電機子ユニットの磁極歯とのピッチを（ｋ・Ｐ）｛（ｋ＝０，１，２，…）｝、異相間の隣り合う電機子ユニットの磁極歯とのピッチを（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ｋは隣り合う電機子ユニットの配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とすることを特徴とするリニアモータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかにおいて、前記電機子ユニットの磁極歯のピッチと前記可動子の磁極ピッチを同じ値、または、異なる値とすることを特徴とするリニアモータ。
5. 請求項１から請求項４のいずれかにおいて、前記電機子ユニットのギャップ内を相対移動する可動子を支持する支持機構を設けることを特徴とするリニアモータ。

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