JP4382437B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、工作機械等の産業機械で使用するリニアモータに関する。

従来から、工作機械等の産業機械では、小型、高推力、低推力リップル、高効率、低コスト、磁気吸引力が小さいリニアモータが求められている。補足説明をすると、例えば工作機械において加工時間を短縮するためには、機械を高加減速で動かさなければならない。

そこでリニアモータの可動子を小型化することで機械の移動体重量を下げ、さらにリニアモータを高推力化することで高加減速化を実現することができる。また、リニアモータを小型化することは機械をコンパクトに設計できるという利点もある。一方、なめらかな加工面を得るために、推力リップルは極力小さくする必要がある。また、工作機械ではモータの損失による熱が機械側に伝わることで機械が熱変形を起こし加工精度が悪化することが問題となる。そのためモータは発熱が小さい高効率なモータが必要となる。さらに、リニアモータは可動子と固定子間に推力の数倍〜１０倍にもおよぶ磁気吸引力が働くため、この磁気吸引力が工作機械を変形させて加工精度を悪化させてしまうという問題がある。したがって磁気吸引力は極力小さくする必要がある。

図６は、従来のリニアモータの構成を示した図であり、例えば工作機械において一般的に使用されている同期型リニアモータを示した図である。図６において、２ａ，２ｂは固定子であり例えば工作機械のベッドに固定される。１は可動子であり、例えば工作機械のベッドとテーブル間に設けられテーブルに固定されたころがりガイド等で図６のＸ軸方向に移動可能に支持される。さらに、３は可動子１に配置された複数のティース、４はティース３に券回されたＵ，Ｖ，Ｗ相の交流巻線、５は固定子表面にＮ，Ｓ，Ｎ，・・の順に配置された複数の永久磁石、８は可動子磁気ヨーク、９は固定子磁気ヨーク、７は交流巻線に電流を与えない状態における各ティース３に働く主な磁束である。ここで固定子２ａ側をＳＩＤＥ−Ａ、固定子２ｂ側をＳＩＤＥ−Ｂとすると、ＳＩＤＥ−Ａ，ＳＩＤＥ−Ｂに配置されたティース３、永久磁石５、交流巻線４は、図示したように、それぞれ中心線６に対して対称に配置される。ただし、交流巻線４については、ＳＩＤＥ−Ａ，ＳＩＤＥ−Ｂに発生する推力の方向を同じにするために、交流巻線４の巻回方向は逆にしなければならない。また、永久磁石５を可動子１の進行方向であるＸ軸向に対して傾けて配置するスキューを施すことにより推力リップルを低減することができる。

今、交流巻線４に電流を印加すると、可動子には、フレミングの左手則であるＦ（推力）＝Ｂ（磁束密度）×Ｉ（電流）×Ｌ（電線長）に応じた推力が発生し、可動子を図に示したＸ方向に移動させる。

上記同期型リニアモータの特徴は、まず、永久磁石５を希土類磁石とした場合には、１．２テスラ程度の強力な界磁を生成できるため高推力である。また、ティース３−９本あたり、磁石５は８個というようにティース３と磁石５の相対位置が除々に変化するバーニア構造を採用し、さらに永久磁石を可動子の進行方向であるＸ軸方向に対して傾けて配置するスキューを施しているため低推力リップルである。また、可動子ヨーク８と固定子ヨーク９の幅は、磁束７に示すようにティース３の２本分の磁束が通過する幅があれば磁気飽和しないため、薄く形成できモータの小型化が可能となる。さらに、可動子１のＳＩＤＥ−Ａ側と固定子２ａ、と可動子１のＳＩＤＥ−Ｂ側と固定子２ｂは、それぞれ同じ大きさで反対方向に磁気吸引力を発生するため、磁気吸引力を相殺することができる。

一方、問題点としては、各ティース３に対して一つずつ交流巻線４を券回しているため、巻線長が長くなり、電流が巻線内を流れる電機抵抗による損失、いわゆる銅損が大きくなり効率が低下する点がある。また、固定子２ａ，２ｂに高価な永久磁石５を使用しているため、リニアモータのストロークが長くなるとコストが増加する点がある。

図７（ａ）は、図６で示した同期型リニアモータの問題点を解決する下記特許文献１で開示された従来のリニアモータである。図７（ａ）において、１２ａ、１２ｂは固定子であり例えば工作機械のベッドに固定される。固定子１２ａ、１２ｂは例えば電磁鋼板を積層して形成され、表面にはピッチＰで突極１０が形成されている。また、１１は可動子であり、例えば工作機械のベッドとテーブル間に設けられテーブルに固定されたころがりガイド等で図７のＸ軸方向に移動可能に支持される。可動子１１も固定子１２ａ、１２ｂと同様例えば電磁鋼板を積層して形成される。さらに、１３，１４，１５は可動子１１を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相のティースであり、これら３つのティースは、それぞれが突極１０に対して、Ｘ軸方向に相対的に電気角１２０°に相当するＰ／３ピッチずつ、ずれた位置に配置されている。１６，１７，１８は各ティースに券回されたＵ，Ｖ，Ｗ相の交流巻線、１９は可動子１１の表面にＮ，Ｓ，Ｎ，・・の順に交互に配置された永久磁石であり、各相ティースには図７（ｂ），図７（ｃ）で示すようにＮ，Ｓを一組とすると３組の永久磁石がピッチＰで配置されている。２０は可動子磁気ヨーク、２１は固定子磁気ヨーク、２２，２４は交流巻線１６，１７，１８にＵ→ＶＷの方向に電流を与えた状態における磁束の様子を表している。尚、交流巻線１６，１７，１８は、図７（ｄ）で示すようにＵ相，Ｖ相，Ｗ相が中性点で接続されているスター巻線に結線されている。ここで固定子２ａ側をＳＩＤＥ−Ａ、固定子２ｂ側をＳＩＤＥ−Ｂとすると、ＳＩＤＥ−Ａ側に配置されたティース１３，１４、１５、交流巻線１６，１７，１８、永久磁石１９は、図示したように、それぞれ中心線２３に対して対象にＳＩＤＥ−Ｂ側にも配置される。ただし、交流巻線１６，１７，１８については、ＳＩＤＥ−Ａ，ＳＩＤＥ−Ｂに発生する推力の方向を同じにするために、巻回方向は逆にしなければならない。また、固定子１２ａ，１２ｂの突極１０を可動子１１の進行方向であるＸ軸向に対して傾けて配置するスキューを施すことにより推力リップルを低減することができる。

今、交流巻線１６，１７，１８に電流を印加すると、３相のティースはＹ軸方向のプラスあるいはマイナス方向に励磁される。その際、永久磁石１９のうち、交流巻線の励磁方向と同一の磁性方向に配置された永久磁石の磁束は強められ、励磁方向と反対の磁性方向に配置された永久磁石の磁束は弱められるため、各相のティースはＮ極もしくはＳ極のどちらか一方に励磁され、Ｎ極もしくはＳ極の大きな一つの磁極となる。そして各ティースおよび固定子側を通過した磁束は図７（ａ）の２２，２４に示すような閉ループを構成する。この時、可動子と固定子に位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子に推力が発生する。

さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ→Ｖ，Ｗ相、すなわち交流巻線１６は図示した巻線方向、交流巻線１７，１８には図示した巻線方向と反対方向に電流を流すと、図７（ａ）のティース１３はＳ極に、ティース１４，１５はＮ極になり、磁束２２で示すように、磁束はティース１３からティース１４，１５に流れ、つぎに固定子１２ａを通って再びティース１３に戻るという磁路を形成する。すると、可動子１１にはＸ軸方向に磁気吸引力が働き推力が発生する。一方、ＳＩＤＥ−Ｂ側は、交流巻線の巻回方向をＳＩＤＥ−Ａ側と逆にしているので、磁束２２と中心線２３に対して対象な磁束２４が生成され、可動子１１にはＳＩＤＥ−Ａ側と同じ方向に推力が発生する。

図７（ａ）に示した従来のリニアモータの特徴は、図６で示したリニアモータの問題点を解決できる点にある。すなわち、高価な永久磁石を可動子側に配置しているので、リニアモータのストロークが増加してもコストの増加は、図６で示した同期型リニアモータより少ないことである。また、可動子の永久磁石１９で構成された各相の複数の磁極を一つの巻線で励磁する巻線方式にしたので、巻線長が短くなり、図６で示した同期型リニアモータより、電流が巻線内を流れる電機抵抗による損失、いわゆる銅損が小さくなり効率が高くなることである。

その一方、問題点としては、上述したように、図７（ａ）の交流巻線にＵ→Ｖ，Ｗ相に電流を印加することによりティース１３はＳ極に、ティース１４，１５はＮ極に励磁され、ティース１３から可動子ヨーク２０、ティース１４，１５、固定子ヨーク２１を通りティース１３に戻るという大きな磁束の流れができるため、可動子ヨーク２０と固定子ヨーク２１の幅は、磁気飽和しないようにティース分と同等の幅を必要とする。このため、図６に示した同期型リニアモータよりもヨークの幅が広くなりモータが大型化してしまう点がある。

また、推力リップルを低減するために突極１０を可動子１１の進行方向であるＸ軸方向にスキューして配置する方法については、例えばプレス加工にて製作した複数の電磁鋼板を所定角度スキューして積層固着しなければならないために組立コストが増加する点がある。

図８（ａ）は、図７（ａ）に示したリニアモータの問題点を解決する従来のリニアモータを示す図であり、下記特許文献２で開示されたリニアモータを３相交流電流で駆動できるようにしたものである。図８（ａ）において、３２ａ、３２ｂは固定子であり例えば工作機械のベッドに固定される。固定子３２ａ、３２ｂは例えば電磁鋼板を積層して形成され、表面にはピッチＰで突極３０が形成されている。固定子３２ａ，３２ｂの突極３０はＸ軸方向に相対的にＰ／２だけずらして配置されている。また、３１は可動子であり、例えば工作機械のベッドとテーブル間に設けられ、テーブルに固定されたころがりガイド等で図８（ａ）のＸ軸方向に移動可能に支持される。３３，３４，３５は可動子３１を形成するＵ，Ｖ，Ｗ相の可動子ブロックであり、これら３つの可動子ブロックは、それぞれが突極３０に対して、Ｘ軸方向に相対的に電気角１２０°に相当するＰ／３ピッチずつ、ずれた位置に配置され、図示しない樹脂や補強部材等により一体に固定されている。３９は軟磁性体であり、例えば電磁鋼板を複数枚積層して形成される。４０は軟磁性体の間に配置された永久磁石であり、図８（ａ）では軟磁性体４個の間に３枚配置され、図示したようにピッチＰ／２毎に、それぞれの軟磁性体３９がＳ，Ｎ，Ｓ，Ｎと極性が交互に励磁されるように配置され、これらの軟磁性体３９と永久磁石４０は接着等により一体に固着され可動子ブロック３３，３４，３５を構成している。さらに、３６，３７，３８は各可動子ブロックに券回されたＵ，Ｖ，Ｗ相の交流巻線、４２は固定子磁気ヨーク、４３は交流巻線３６，３７，３８にＵ→ＶＷの方向に電流を印加した場合の磁束の様子を示している。尚、交流巻線３６，３７，３８は、図７（ｄ）で示すようにＵ相，Ｖ相，Ｗ相が中性点で接続されているスター巻線に結線されている。

一方、図８（ｂ）に示した４４，４５は、交流巻線３６，３７，３８に電流を流さない状態において、永久磁石４０により可動子ブロック３３に生成される磁束の様子を表している。また、固定子３２ａ，３２ｂの突極３０を可動子３１の進行方向であるＸ軸向に対して傾けて配置するスキューを施すことにより推力リップルを低減することができる。

今、交流巻線３６，３７，３８に電流を印加すると、３相の可動子ブロックはＹ軸方向のプラスあるいはマイナス方向に励磁される。その際、磁束４４，４５において、交流巻線の励磁方向と同一方向に生成された磁束は強められ、励磁方向と反対方向に生成された磁束は弱められるため、各相可動子ブロックは固定子３２ａ側と固定子３２ｂ側で逆の極性に励磁される。そして各可動子ブロックおよび固定子側を通過した磁束は、磁束４３に示すような閉ループを構成する。この時、可動子と固定子に位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子に推力が発生する。

さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ→Ｖ，Ｗ相、すなわち交流巻線３６は図示した巻線方向、交流巻線３７，３８は図示した巻線方向と反対方向に電流を流すと、可動子ブロック３３は、Ｙ軸のプラス方向に励磁される、その結果、磁束４４においては、矢印４４ａ方向の磁束は打ち消され、逆に４４ｂ方向の磁束は強められる。一方、磁束４５においては、矢印４５ｂ方向の磁束は打ち消され、逆に４４ａ方向の磁束は強められる。その結果、可動子ブロック３３には、磁束４３で示すような方向に磁束が生成される。同様に交流巻線３７，３８は、交流巻線３６と逆の方向に電流を流している為、磁束４３は、可動子ブロック３３から固定子３２ｂを経て可動子ブロック３４，３５に流れ、固定子３２ａを通って再び可動子ブロック１３に戻るという磁路を形成する。すると、可動子３１にはＸ軸方向に磁気吸引力が働き推力が発生する。

図８（ａ）に示した従来のリニアモータの特徴は、図６で示したリニアモータの問題点を解決できる点にある。すなわち、図７（ａ）に示したリニアモータの長所を有し、さらに磁束４３は可動子においてＹ軸方向に磁束が通過し、可動子ブロック３３，３４，３５をＸ軸方向に通過する磁束が生成されないため、図７（ａ）に示したリニアモータに見られる可動子ヨークは不要となり、リニアモータを小型化できるという点である。

一方、問題点としては、可動子を構成する可動子ブロックにおいて磁気飽和が発生しまう点である。さらに詳しく説明する。今、固定子３２ａ側をＳＩＤＥ−Ａ、固定子３２ｂ側をＳＩＤＥ−Ｂとすると、例えば可動子ブロック３３において、ＳＩＤＥ−Ａ側にはＳ極の軟磁性体に磁束が集中し、ＳＩＤＥ−Ｂ側にはＮ極の軟磁性体に磁束が集中する。すなわち可動子ブロック３３において使用できる磁路幅は可動子ブロック幅の半分になってしまうため、磁束が集中した軟磁性体３９では磁気飽和が発生し、飽和限界が下がってしまうため、交流巻線に印加する電流を大きくしてもある電流以上では推力が飽和するという現象が発生し高推力が得られないという点である。

また、図７（ａ）のリニアモータと同様、推力リップルを低減するために突極１０を可動子１１の進行方向であるＸ軸方向にスキューして配置する方法については、例えばプレス加工にて製作した複数の電磁鋼板を所定角度スキューして積層固着しなければならないために組立コストが増加する点である。

特開２００１−１１９９１９号公報 特許２６６３５３３号公報

上述したような従来のリニアモータの課題をまとめると以下のようになる。

まず、工作機械等に要求されるリニアモータの性能としては、小型、高推力、低推力リップル、高効率、低コスト、低磁気吸引力がある。このような要求に対して、図６に示した従来のリニアモータにおいては、小型、高推力、低推力リップル、低磁気吸引力である反面、課題として巻線長が長いため銅損が高くなり効率が低い。また高価な永久磁石を固定子側に配置しているためストロークが長くなるとコストが増加するという問題点があった。

次に、図７（ａ）に示した従来のリニアモータにおいて、図６のリニアモータの問題点である効率が低いという点は、可動子の複数の磁極を一つの巻線で励磁する巻線方式を採用し巻線長を短くすることで銅損を低減し解決している。また、もう一つの問題点であるストロークが長くなるとコストが増加するという点は、可動子側に永久磁石を配置することにより低コスト化し解決している。しかし、その反面、磁気飽和を防ぐために可動子ヨークと固定子ヨークの幅を広く取らなければならないためモータが大型化するという問題があった。また、固定子を構成する電磁鋼板をスキューして積層固着しなければならないためコストが増加するという問題があった。

最後に図８（ａ）に示した従来のリニアモータにおいて、図６のリニアモータの問題点である効率が低いという点と、ストロークが長くなるとコストが増加する点については、図７のリニアモータと同様、複数の磁極を一つの巻線で励磁する巻線方式と、可動子側に永久磁石を配置することにより解決している。また図７（ａ）のリニアモータの問題点であるモータが大型化する点については、可動子にＸ軸方向の磁束が流れないような構造にして可動子ヨークを削除することで解決している。しかし、その反面、磁束が通過する可動子ブロックの軟磁性体において磁気飽和が発生し高推力が得られないという問題があった。また、固定子を構成する電磁鋼板をスキューして積層固着しなければならないためコストが増加するという問題があった。

本発明は、可動子の磁気飽和限界を高めることを目的とする。

また、推力リップルの低減に有利な構成を提供する。

本発明のリニアモータは、並行して延びる二つの固定子と、これらの固定子の間に挟まれるように配置され、固定子の延びる方向に沿って移動可能な可動子とを有し、前記二つの固定子は互いに対向する面に所定間隔で配列される突極を有し、また可動子は、三相交流巻線によりそれぞれ三相の磁極となる３種の可動子ブロックを有している。そして、可動子ブロックの、二つの固定子にそれぞれ対向する二面に、当該可動子の移動方向に沿って極性を交互にして配列された永久磁石を有し、さらに、この永久磁石の固定子に相対する面の極性が、永久磁石が配置された可動子ブロックの二面間で対向する磁石同士、逆となっている。

この構成によれば、可動子ブロックの幅を磁路として有効に利用することができるため、磁気飽和限界を高めることができる。

また、一方の固定子の突極とこれに対向する可動子の永久磁石との配列関係と、他方の固定子の突極とこれに対向する可動子の永久磁石との配列関係と、を突極の配列ピッチの６分の１または１２分の１にすることで、可動子ブロックが固定子の突極を通過するときに生じるパーミアンスの変化に起因する推力リップルを低減することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

図１（ａ）は、第１の実施形態のリニアモータを示す図である。図１（ａ）において、５２ａ，５２ｂは固定子であり例えば工作機械のベッドに固定される。固定子５２ａ，５２ｂは、図示したＸ軸方向とＹ軸方向に磁気特性の優れた２方向性電磁鋼板を積層して形成され、ピッチＰの間隔で突極５０が形成されている。また、５１は可動子であり、例えば工作機械のベッドとテーブル間に設けられテーブルに固定されたころがりガイド等で図１のＸ軸方向に移動可能に支持される。さらに、５３，５４，５５は可動子５１を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相の可動子ブロックであり、それぞれが可動子５１の進行方向であるＸ軸方向に相対的に１２０°、すなわち固定子５２ａ，５２ｂの磁極ピッチＰの１／３だけズラして配置されている。また、可動子ブロックは可動子の進行方向と直角な方向であるＹ軸方向に磁気特性の優れた方向性電磁鋼板を積層して形成される。５６，５７，５８は各可動子ブロックに巻回されたＵ，Ｖ，Ｗ相の３相交流巻線、５９，６４は可動子５１の可動子ブロック表面にＮ，Ｓ，Ｎ，・・の順に交互に配置された永久磁石であり、図１（ｂ），図１（ｃ）に示すようにＮ，Ｓを一組とすると３組の永久磁石対がピッチＰで配置されている。さらに、ここで固定子５２ａ側をＳＩＤＥ−Ａ、固定子５２ｂ側をＳＩＤＥ−Ｂとすると、ＳＩＤＥ−Ａ側の永久磁石５９とＳＩＤＥ−Ｂ側の永久磁石６４は、ＳＩＤＥ−Ａ側から見た極性と、ＳＩＤＥ−Ｂ側から見た極性が逆になるように配置されている。６１は固定子磁気ヨーク、６２は交流巻線５６，５７，５８にＵ→Ｖ，Ｗ方向に電流を印加した状態における磁束の様子を表している。尚、交流巻線５６，５７，５８は図７（ｄ）で示すようにＵ相，Ｖ相，Ｗ相がスター結線されている。

今、交流巻線５６，５７，５８に電流を印加すると、３相の可動子ブロックはＹ軸方向のプラスあるいはマイナス方向に励磁される。その際、永久磁石５９，６４のうち、交流巻線の励磁方向と同一の磁性方向に配置された永久磁石の磁束は強められ、励磁方向と反対の磁性方向に配置された永久磁石の磁束は弱められるため、永久磁石５９と６４は互いに極性が反対のＮ極もしくはＳ極のどちらか一方に励磁される。そして各可動子ブロックおよび固定子側を通過した磁束は図１（ａ）の６２に示すような磁路を形成する。この時、可動子と固定子に位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子に推力が発生する。

さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ→Ｖ，Ｗ相、すなわち交流巻線５６は図示した巻線方向、交流巻線１７，１８には図示した巻線方向と反対方向に電流を流すと、図１の可動子ブロック５３はＳＩＤＥ−Ａ側がＳ極に、ＳＩＤＥ−Ｂ側がＮ極になり、可動子ブロック５４，５５は逆にＳＩＤＥ−Ａ側がＮ極になり、ＳＩＤＥ−Ｂ側がＳ極になる。したがって、磁束６２で示すように、可動子ブロック５３から固定子５２ｂを経て可動子ブロック５４，５５に流れ、つぎに固定子５２ａを通って再び可動子ブロック５３に戻るという磁路を形成する。すると、可動子５１にはＸ軸方向に磁気吸引力が働き推力が発生する。

上述したように、図１（ａ）に示したリニアモータにおいて、交流巻線５６，５７，５８に電流を印加した場合、可動子ブロック５３，５４，５５を構成する電磁鋼板は、幅方向に磁束を干渉するものがなく可動子ブロックのＸ軸方向の幅全てを磁路として使うことができる。一方図８（ａ）のリニアモータにおいては、磁路として使うことができる可動子ブロックのＸ軸方向の幅は、Ｎ極もしくはＳ極の一方の軟磁性体に磁束が集中することから可動子ブロックの半分しかない。したがって、図１（ａ）のリニアモータの磁路として使うことができる可動子ブロック幅は、図８（ａ）のリニアモータの２倍あることになるため磁気飽和限界が高くなり推力が向上する。

また、永久磁石５９，６４を、固定子５２ａ側から見た極性と固定子５２ｂ側から見た極性が逆になるように配置したので、固定子５２ａ，５２ｂには、固定子ヨーク６１ではＸ軸方向の磁束が生成され、突極５０においてはＹ軸方向に磁束が生成されるため、Ｘ軸およびＹ軸方向に磁気特性の優れた２方向性電磁鋼板を使用した。また、可動子５１を構成する可動子ブロック５３，５４，５５には、Ｙ軸方向に磁束が生成されるため、Ｙ軸方向に磁気特性の優れた方向性電磁鋼板を使用することにより、電磁鋼板の磁束密度を通常の無方向性電磁鋼板に比べて高くできるため推力をさらに向上させることが可能となる。

また、高価な永久磁石を可動子側に配置しているので、リニアモータのストロークが増加してもコストの増加は少なく低コストである。また、可動子の永久磁石１９で構成された各相の複数の磁極を一つの巻線で励磁する巻線方式にしたので、巻線長が短くなり、図６で示した同期型リニアモータより、電流が巻線内を流れる電機抵抗による損失、いわゆる銅損が小さくなり効率が高くなる。また、可動子のＳＩＤＥ−Ａ側と固定子２ａと、可動子のＳＩＤＥ−Ｂ側と固定子２ｂは、それぞれ同じ大きさで反対方向の磁気吸引力を発生するため、磁気吸引力を相殺することができる。さらに、磁束６２は可動子ブロックにおいてＹ軸方向に磁束が通過しＸ軸方向に通過しないため、図７（ａ）の従来のリニアモータに示したような可動子ヨーク２０は不要となり、リニアモータを小型化できる。

尚、可動子ブロック５３，５４，５５内にＹ軸方向の磁束を生成させるためには、図１（ａ）に示したような突極５０のピッチＰに対して、永久磁石５９，６４のピッチがＰ／２に配置されている関係は必要ではなく、さらに、突極や永久磁石の形状、配置についても、ＳＩＤＥ‐Ａ側とＳＩＤＥ‐Ｂ側でほぼ同一形状であればＹ軸方向に磁束を生成させることができる。

図２は、本発明の第２の実施形態のリニアモータを示す図であり、推力リップルを低減したリニアモータである。このモータの固定子１５２ａ，１５２ｂおよび可動子５１の個々の構成は、図１のリニアモータの固定子５２ａ，５２ｂと可動子５１と同様であり、相異する点は対向する二つの固定子１５２ａ，１５２ｂの配列のみである。すなわち固定子１５２ｂを固定子１５２ａに対して突極５０のピッチＰに対して、相対的にＰ／６またはＰ／１２だけずらして配置している点である。図３は、第２の実施形態に適用した推力リップル低減技術の原理を説明した図であり、横軸が可動子の位置、縦軸が推力を表しており、７１はＳＩＤＥ−Ａ側に働くリップル周波数のうちＰ／６成分を表す波形であり、７２はＳＩＤＥ−Ｂ側に働く推力リップル周波数のうちＰ／６成分を表す波形である。そして波形７３は波形７１と波形７２を合成した推力リップル波形を示している。波形７１と波形７２は波形が等しく、１８０°位相がずれているため、合成すると波形７３のようにリップルが相殺される。

第２の実施形態に示したリニアモータの推力リップルの発生周期についてＳＩＤＥ−Ａ側を例に説明する。図１の第１の実施形態の場合、推力リップルは、可動子ブロック５３，５４，５５が固定子５２ａを通過するときのパーミアンス変化に起因して発生する。

今、可動子ブロック５３が突極５０に対して移動していくと、可動子ブロック５３は周期Ｐ／２毎に突極５０の右側、あるいは左側のいずれかの端部を通過し、この時のパーミアンス変化が最も大きい。また、可動子ブロック５３が突極の右側端部を通過する時と、左側を通過するときでも若干のパーミアンス変化が起こる。これにより、可動子ブロック５３が発生する推力リップル波形は周期Ｐ／２を主成分とした波形に、周期Ｐの波形が重畳した波形となる。一方、可動子ブロック５４，５５は、可動子ブロック５３に対して相対的に、Ｐ／３だけずらして配置してある。このため、可動子５１が移動していくと、ＰあるいはＰ／２の１／３にあたるＰ／３とＰ／６周期ごとに可動子ブロック５３，５４，５５のいずれかが突極５０の端部を通過することになる。結果的に、第１の実施形態のリニアモータの推力リップル波形は周期Ｐ／６を主成分として、周期Ｐ／３が重畳した波形となるのである。

上述したような推力リップルを低減するためには、固定子５２ｂを固定子５２ａに対して上記推力リップルの主成分である周期Ｐ／６の半分に当たるＰ／１２だけずらして配置すればよい。このように配置したのが第２の実施形態の固定子１５２ａ，１５２ｂである。すると、図３に示したように可動子のＳＩＤＥ−Ａ側に発生する周期Ｐ／６の推力リップルとＳＩＤＥ−Ｂ側に発生する推力リップルが互いに１８０°の位相差となり、推力リップルは相殺される。その際、周期Ｐ／６のリップル７１と７２は合成され７３のように推力リップルは相殺される。その際、周期Ｐ／３は残ることになるが、主成分である周期Ｐ／６は相殺できるため、推力リップルは大幅に低減される。また、リニアモータの形状により、重畳される周期Ｐ／３のリップル成分が大きくなることがあるため、その際には、周期Ｐ／３を相殺するように、固定子１５２ａを固定子１５２ｂに対して、Ｐ／６だけずらして配置することで周期Ｐ／３のリップルを相殺することもできる。

上述したように第２の実施形態のリニアモータによれば、第１の実施形態のリニアモータと同様の効果を得られるとともに、さらに第１の実施形態のリニアモータよりも推力リップルを低減することが可能である。

図４は、第３の実施形態のリニアモータを示す図であり、推力リップルを低減したリニアモータである。第３の実施形態のリニアモータの固定子５２ａ，５２ｂの構成は、図１の第１の実施形態のものと同じ構成を有し、可動子２５１の構成が異なる。すなわち可動子２５１のＳＩＤＥ−Ａ側、ＳＩＤＥ−Ｂ側の永久磁石がＰ／１６またはＰ／１２だけずらして配置されている。第２の実施形態が固定子５２ｂを固定子５２ａに対して相対的にＰ／６またはＰ／１２だけずらして配置することにより推力リップルを相殺しているのに対して、本実施形態では、固定子５２ａ，５２ｂはずらさず、可動子の可動子ブロック５３，５４，５５のＳＩＤＥ−Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側を相対的にＰ／６もしくはＰ／１２だけずらして配置している点である。この場合、推力リップルを低減する作用・効果は前述の第２の実施形態の場合と全く同じであるため、詳しい説明は省略する。

ただし、本実施形態の場合には、可動子ブロック５３，５４，５５が中央部でずれており、方向性電磁鋼板を横切って通過する磁束が第２の実施形態の場合より多くなるため、このリニアモータに比べて推力が若干低下する。

尚、上記第１〜３の実施形態において、固定子に使用する２方向性電磁鋼板と可動子ブロックに使用する方向性電磁鋼板は、それぞれ単独で使用しても、通常の無方向性電磁鋼板を使用した場合より材料の磁束密度が高くなるため推力を向上させることができる。また、方向性珪素鋼板を通常の無方向性電磁鋼板や、ＳＭＣ（Soft Magnetic Composite）と呼ばれる鉄粉に絶縁皮膜をコーティングした軟磁性材料を圧粉成型した材料に変更した場合でも、方向性電磁鋼板を使用した場合に比べて推力は若干低下するが、ピーク推力をさほど必要としない用途においては、問題なく使用することができる。また、これらの材料を使用した場合であっても、磁路として有効に使うことができる可動子ブロック幅が図８（ａ）に示した従来のリニアモータの２倍あるため、磁気飽和限界が高くなることから、図８（ａ）のリニアモータより高い推力を得ることが可能である。

また、交流巻線５６、５７、５８の結線方法については、今回スター結線として説明したが、デルタ結線等の他の３相交流巻線に変更しても何ら問題はない。

また、第１〜第３実施形態のリニアモータを１単位として、複数個並べて使用することで、大きな推力を必要とする用途に適用することができる。

また、可動子ブロックは第１〜第３の実施形態において磁気的に絶縁されているが、もしそれぞれの可動子ブロックが、図７（ａ）の可動子磁気ヨーク２０のように、磁気的に連結された場合には、お互いの相間を通じてＸ軸方向に流れる漏れ磁束が発生するため、推力が若干低下する。また、可動子ブロックがそれぞれ分割されており、可動子ブロックそのものに直接、交流巻線を巻回することができるためリニアモータを低コストで製造可能となる。これらのことから本願発明のリニアモータの可動子は、磁気的接続部を設けた場合であっても、可動子の磁気飽和限界を高めることができ、また推力リップルを低減するという本発明の目的を達成できるものの、第１〜第３の実施形態に示すように、可動子を構成する可動子ブロックを分割して交流巻線５６、５７、５８を巻回後、非磁性の連結部材で固定するか、もしくはモールド樹脂等で一体成型することにより、一体の可動子として形成することが望ましい。

また、第１〜第３の実施形態の永久磁石５９，６４は、Ｎ，Ｓを一組とすると３組で構成されているが、特に３組に限定するものではなく、４組，５組等他の数でも、同様の効果を奏する。

図５（ａ），図５（ｂ）、図５（ｃ）は、第１〜第２の実施形態を例えば工作機械へ適用する場合に採用する可動子の構造を示した図である。図５（ａ）は、可動子５１をＹ方向から見た視図であり、図５（ｂ）は、可動子５１をＺ軸方向から見た断面図である。さらに図５（ｃ）は、可動子５１および固定子５２ａ，５２ｂをＸ軸方向からみた断面図である。８０は可動子取付板、８１は可動子固定板、８２，８７はボルト、８３は冷却水路、８４は良熱伝導体、８５はモールド樹脂、８６固定子取付板、８８はベッドである。その他の記号は、前述の実施形態と同様である。

図５では可動子の可動子ブロック５３，５４，５５間と可動子端部に良熱伝導体８４を配置し、内部に冷却水路８３を通した可動子取付板８０と可動子固定板８１により、可動子５１に形成されたボルト穴を通して、ボルト８２によって可動子５１を挟み、モールド樹脂８５で一体に成型している。一方、可動子５１を挟んで配置された固定子５２ａ，５２ｂは、固定子取付板８６に接合され、ボルト８７によりベッド８８に固定される。可動子取付板８０と可動子固定板８１の内部には冷却水または冷却油が流れており、交流巻線をＺ軸２方向から冷却する。さらに、可動子ブロック間と可動子端部にはアルミや銅、ヒートパイプに代表される良熱伝導体８４を配置したので、交流巻線の損失により発生する熱はこの良熱伝導板より可動子取付板８０や可動子固定板８１に伝わり、結果として交流巻線を４方向から冷却することが可能となる。したがって、例えば工作機械へリニアモータの損失による熱が伝わるのを防ぐことができるため、機械の熱変形による加工精度の悪化を防ぐことができる。

尚、可動子５１を可動子取付板８０と可動子固定板８１で挟んで固定する方法として、ボルト８２を使用したが、図示しない治具等や接着剤を用いて、可動子５１を可動子取付板８０と可動子固定板８１で挟んで仮止めした状態で、モールド樹脂８５で一体成型する等の方法によっても同様の効果を得ることが可能であり、可動子５１を可動子取付板８０と可動子固定板８１で挟んで固定する方法は、ボルト固定に限定するものではない。

本発明の第１の実施形態のリニアモータの概略構成を示す図である。 永久磁石６４の配置を示す図である。 永久磁石５９の配置を示す図である。 本発明の第２の実施形態のリニアモータの概略構成を示す図である。 推力リップル低減技術の原理を説明した図である。 本発明の第３の実施形態のリニアモータの概略構成を示す図である。 可動子の構造を具体的に示す図である。 可動子の構造を具体的に示す図である。 可動子および固定子の構造を具体的に示す図である。 従来のリニアモータである同期型リニアモータを示す図である。 可動子側に永久磁石を備えた従来のリニアモータを示す図である。 図７（ａ）のリニアモータの永久磁石の配置の例を示す図である。 図７（ａ）のリニアモータの永久磁石の配置の例を示す図である。 図７のリニアモータの巻線形式を示す図である。 可動子側に永久磁石を備えた従来のリニアモータの他の例を示す図である。 図８のリニアモータの部分詳細図である。

符号の説明

５１，２５１ 可動子、５２ａ，５２ｂ，１５２ａ，１５２ｂ 固定子、５３，５４，５５ 可動子ブロック、５６，５７，５８ 交流巻線、５９，６４ 永久磁石、６１ 固定子ヨーク、６２ 磁束。

Claims (8)

1. 互いに対向する面に所定間隔で配列される突極を有し、並行して延びる二つの固定子と、
   三相交流巻線によりそれぞれ三相の磁極となる３種の可動子ブロックを有し、前記二つの固定子の間を、固定子の延びる方向に沿って移動可能な可動子と、
   を有するリニアモータであって、
   前記可動子ブロックの、二つの固定子にそれぞれ対向する二面に、当該可動子の移動方向に沿って極性を交互にして配列された永久磁石を有し、
   前記永久磁石の前記固定子に相対する面の極性が、永久磁石が配置された可動子ブロックの二面間で対向する磁石同士、逆となる、
   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、
   前記二つの固定子の、それぞれの突極は一定のピッチで配列され、また前記二つの固定子の突極同士は互いに固定子が延びる方向に６分の１ピッチずれて配置され、
   前記可動子ブロックの二面に配置された永久磁石同士は、固定子の延びる方向においてずれなしに配置される、
   リニアモータ。
3. 請求項１に記載のリニアモータであって、
   前記二つの固定子の、それぞれの突極は一定のピッチで配列され、また前記二つの固定子の突極同士は互いに固定子が延びる方向に１２分の１ピッチずれて配置され、
   前記可動子ブロックの二面に配置された永久磁石同士は、固定子の延びる方向においてずれなしに配置される、
   リニアモータ。
4. 請求項１に記載のリニアモータであって、
   前記二つの固定子の、それぞれの突極は一定のピッチで配列され、また前記二つの固定子の突極同士は互いに固定子が延びる方向においてずれなしに配置され、
   前記可動子ブロックの二面に配置された永久磁石同士は、固定子の延びる方向において６分の１ピッチずれて配置される、
   リニアモータ。
5. 請求項１に記載のリニアモータであって、
   前記二つの固定子の、それぞれの突極は一定のピッチで配列され、また前記二つの固定子の突極同士は互いに固定子が延びる方向においてずれなしに配置され、
   前記可動子ブロックの二面に配置された永久磁石同士は、固定子の延びる方向において１２分の１ピッチずれて配置される、
   リニアモータ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載されたリニアモータであって、
   前記可動子ブロックは方向性電磁鋼板で形成され、その透磁率の高い方向が、前記二つの固定子が配置された面内において、これらの固定子の延びる方向に略直交する方向である、
   リニアモータ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載されたリニアモータであって、
   前記固定子は、二方向性電磁鋼板で形成され、その透磁率の高い二方向が、前記二つの固定子が配置された面内において、当該固定子の延びる方向と、これに略直交する方向である、
   リニアモータ。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載されたリニアモータであって、
   前記可動子は、さらに、
   前記二つの固定子が配置された面に略直交する方向から前記可動子ブロックを狭持し、内部に冷却液の流路が形成された放熱部材と、
   前記可動子ブロック間と、前記可動子の、固定子が延びる方向の両端とに配置され、前記放熱部材に接触する伝熱部材と、
   を有する、
   リニアモータ。

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