JP4475059B2 - リニア電動機 - Google Patents

Description

本発明はリニア電動機、特に工作機械などの各種産業機械のテーブル送りに用いられるリニア電動機に関するものである。

従来のリニア電動機は、永久磁石（二次側）と、この永久磁石に対向し、コイルを巻装した複数のティースを有する櫛歯上の電機子コア（一次側）とで構成され、上記永久磁石と上記電機子コアとが磁気ギャップを介して相対的に直動自在に配置されていた。また、複数のティースに巻装した各コイルは、同一相の電流が流れるコイルが直列接続された構成となっていた（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−２７８９３１号公報（第７−１１頁、図１）

このように同一相のコイルが直列接続されたリニア電動機にあっては、永久磁石に対向する同一相のコイルの数が多い場合、モータ全体として所定の電圧以下にする必要があるため各コイルに誘起される誘起電圧を小さくしなければならず、すなわちコイル辺りのターン数を小さくしなければならなかった。その結果、二次側の可動方向長さよりも一次側の可動方向長さが長い場合には、巻線占積率を向上するために、太い線材を巻き回す必要があった。しかしながら、太い線材は巻き回し難く、巻回作業の効率を低下させるという問題があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、巻線の形成作業の効率が向上でき、かつ効率が高いリニア電動機を提供することを目的としている。

この発明に係るリニア電動機は、複数のコイルを有する一次側と、永久磁石を有する二次側とが磁気ギャップを介して相対的に可動自在に配置されると共に、上記一次側の可動方向長さが上記二次側の可動方向長さよりも長いリニア電動機であって、上記一次側の複数のコイルは、同一相の電流が流れるコイルがそれぞれ同数個ずつ直列接続されて複数の枝路に並列接続され、上記並列接続の各枝路におけるコイルが、可動方向のいずれの範囲においても、上記二次側の可動方向長さに対して、同数個図ずつ配置されるように構成したものである。

この発明によれば、並列接続としたことで各コイルに誘起される誘起電圧を大きくすることができ、ひいてはコイル１個辺りのターン数を大きくできるので、巻線占積率を向上するために細い線材を従来よりも多く巻けば良いため、巻回作業の効率を向上することができる。また、各枝路に誘起される誘起電圧が等しくなるため、循環電流損が低減できるので高効率のリニア電動機が得られる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるリニア電動機を示す断面構成図である。図１において、一次側１は、櫛状のコイル支持部６と、このコイル支持部６のコイル巻回部に集中巻で形成された複数のコイル７とで構成され、二次側２は、隣り合う磁極が互いに着磁方向の異なる永久磁石４と、二次側コア５とで構成されている。一次側１と二次側２とは磁気ギャップ３を介して矢印方向に相対的に可動自在に配置されている。また、本発明のリニア電動機は、一次側１の可動方向長さが二次側２の可動方向長さよりも長いリニア電動機であり、図１では、永久磁石の極数と、永久磁石に対向しているコイル数との比が、極数：コイル数＝２：３である。また、永久磁石４と対向するＵ、Ｖ、Ｗ相のコイル７は各々４個であり、一次側１と二次側２が矢印方向に相対的に移動した瞬間、上記４個のコイル７には誘起電圧が誘起される。永久磁石４と対向しないコイル７には誘起電圧は誘起されない。
さらに、本実施の形態１では、図１に示すように、Ｕ相の結線は２つの枝路（枝路ａ、枝路ｂ）を持つ並列接続となっており、各枝路におけるコイル７のうち、永久磁石４と対向しているコイル７は、可動方向のいずれの範囲においても、各枝路に２個ずつ配置される構成となっている。また、本実施の形態では、並列接続された複数のＵ相のコイルは、各枝路毎に１個づつ交互に配置されており、可動方向に沿って枝路ａのコイル、枝路ｂのコイル、枝路ａのコイル、枝路ｂのコイル、・・・という順番で配置されている。
Ｖ相およびＷ相のコイルも同様の構成である（図１においては、Ｖ相およびＷ相の結線は図示を省力）。

本実施の形態では、上記のように、各相のコイルは並列接続される２つの岐路ａ、ｂに分割されており、すべてのコイル７を直列接続した従来の場合に比べて各コイルに誘起される誘起電圧を大きくすることができるため、コイル１個あたりのターン数を大きくすることができる。その結果、細い線材を用いて巻線占積率の高いコイル構成とすることが可能となるので、巻回作業の効率が向上する。
また、二次側２の可動方向長さよりも一次側１の可動方向長さが長いリニア電動機においては、図２に示すように、各相のコイルを複数の枝路ａ、ｂに単純に並列接続した場合、枝路ａに誘起される誘起電圧と枝路ｂに誘起される誘起電圧とが異なるため、並列接続の閉回路内に循環電流が流れ、循環電流損が生じるためにモータの効率が低下するが、本実施の形態では図１に示すように、永久磁石４と対向しているコイル７は、可動方向のいずれの範囲においても、各枝路に同数個、図１では２個づつ配置されているので、各枝路に誘起される誘起電圧はいずれもコイル２個分の和であり、全ての枝路において等しい。したがって、Ｕ相の並列接続の閉回路内に循環電流は流れない。Ｖ相およびＷ相についても同様のことが言える。よって、循環電流損が低減でき、効率の低下を防ぐことが可能となる。

本実施の形態では、永久磁石の極数と、永久磁石に対向しているコイル数との比が、極数：コイル数＝２：３のリニア電動機を示したが、本発明は、コイルの結線構造に特徴を有するものであるから、上記比の値に限るものではない。
また、本実施の形態では、例として集中巻のリニア電動機を示したが、巻き方に依存せず、分布巻やトロイダル巻のリニア電動機においても成立することは明らかである。
さらに、本実施の形態では、例として同一相のコイル７の数が８個の一次側と、永久磁石４の数が８個の組み合わせの図を用いて説明したが、コイル７の数や永久磁石４の数によらず、二次側の可動方向長さよりも一次側の可動方向長さが長いリニア電動機に対して適用できることは明らかである。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２によるリニア電動機を示す断面構成図である。図１に示す電動機においては、永久磁石４と対向しているＵ相のコイル７は４個であり、上記コイルは可動方向に沿って、枝路ａのコイル、枝路ｂのコイル、枝路ａのコイル、枝路ｂのコイルという順番で枝路毎に交互に配置されていたが、図３に示す電動機では、Ｕ相のコイルは可動方向に沿って枝路ａのコイル、枝路ａのコイル、枝路ｂのコイル、枝路ｂのコイル、…という順番で、各枝路毎に纏まって配置されている。
Ｖ相およびＷ相のコイルも同様の構成である（図３においては、Ｖ相およびＷ相の結線は図示を省力）。

このような配置で結線しても、実施の形態１と同様、すべてのコイル７を直列接続した従来の場合に比べてコイル１個あたりのターン数を大きくできるため、細い線材を用いて巻線占積率の高いコイル構成とすることが可能となり、巻回作業の効率が向上する。
また、各枝路に誘起される誘起電圧はいずれもコイル２個分の和であり、全ての枝路において等しい。したがって、Ｕ相の並列接続の閉回路内に循環電流は流れない。Ｖ相およびＷ相についても同様のことが言える。よって、循環電流損が低減でき、効率の低下を防ぐことが可能となる。
また、本実施の形態２の電動機は、永久磁石と対向する複数のコイルが枝路毎に纏まって配置されているため、実施の形態１に比べ配線がし易くなる効果がある。

なお、図３では、並列接続の各枝路におけるコイルが、可動方向のいずれの範囲においても、二次側の可動方向長さに対して２個のものを示したが、それ以上のものであってもよい。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３によるリニア電動機を示す断面構成図である。実施の形態１および実施の形態２では、枝路の数が２の場合を示したが、本実施の形態３では、枝路の数を４つとしている。また、図４では、永久磁石４と対向しているＵ相のコイル７は４個であり、各枝路のコイルが１個ずつ配置される構成となっている。
Ｖ相およびＷ相のコイルも同様の構成である（図４においては、Ｖ相およびＷ相の結線は図示を省力）。

このような配置で結線しても、実施の形態１、２と同様、すべてのコイル７を直列接続した従来の場合に比べてコイル１個あたりのターン数を大きくできるため、細い線材を用いて巻線占積率の高いコイル構成とすることが可能となり、巻回作業の効率が向上する。
また、各枝路に誘起される誘起電圧はいずれもコイル１個分であり、全ての枝路において等しい。したがって、Ｕ相の並列接続の閉回路内に循環電流は流れない。Ｖ相およびＷ相についても同様のことが言える。よって、循環電流損が低減でき、効率の低下を防ぐことが可能となる。
また、本実施の形態３の電動機は、並列接続の各枝路におけるコイルが、可動方向のいずれの範囲においても、二次側の可動方向長さに対して、１個ずつ配置される構成となっているので、実施の形態１および実施の形態２で示した結線のものより、さらに各コイルのターン数を大きくすることができ、細い線材を用いれば良くなるため、巻回作業の効率がより向上する。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４によるリニア電動機の断面構成図である。図５において、リニア電動機は両側に複数のコイル７を有する一次側１を備え、この一次側１の両側に磁気ギャップ３を介して二次側２を具備するものである。結線図は省略しているが、実施の形態１〜３に示した電動機と同様に結線することにより、すべてのコイル７を直列接続した従来の場合に比べてコイル１個あたりのターン数を大きくできるため、細い線材を用いて巻線占積率の高いコイル構成とすることが可能となり、巻回作業の効率が向上する。
また、各枝路に誘起される誘起電圧は全ての枝路において等しいので、循環電流損が低減でき、効率の低下を防ぐことが可能となる。

このように、本発明はリニア電動機の形式によらず、上記以外にも例えば円筒リニア電動機などに適用可能である。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５に係わるコイルを示す図であり、実施の形態１〜４のコイル７周辺を拡大した図である。櫛状のコイル支持部６はコイル巻回部６１とコイル連結部６２とで構成されており、コイル巻回部６１にコイル７が巻き回されており、コイル連結部６２により可動方向の連結がなされている。
本実施の形態５では、コイル巻回部６１およびコイル連結部６２を電磁鋼板を積層するなどして磁性材料で形成したことを特徴としている。
このように形成した場合、磁気抵抗が小さくでき、永久磁石７が効率よく動作できる利点がある。
図６では、コイル巻回部６１とコイル連結部６２を別部品で構成しているように記載しているが、一体構成してもよい。

実施の形態６．
実施の形態６では、図６におけるコイル巻回部６１を樹脂などの非磁性材料により形成し、コイル連結部６２を電磁鋼板を積層するなどして磁性材料で形成したことを特徴としている。
このように形成した場合、一次側１と二次側２とが相対的に移動した時に生じる磁気抵抗の脈動を小さくできるため、コギング推力が小さくできる利点がある。

実施の形態７．
実施の形態７では、図６におけるコイル巻回部６１およびコイル連結部６２を樹脂などの非磁性材料により形成したことを特徴としている。
このように形成した場合、磁性材料で生じる磁気飽和状態が生じないため、推力脈動を小さくできる利点がある。また、実施の形態６と同様に、磁気抵抗の脈動を小さくできるため、コギング推力が小さくできる。
図６では、コイル巻回部６１とコイル連結部６２を別の部品で構成しているように記載しているが、一体構成してもよい。

本発明の実施の形態１によるリニア電動機を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態１によるリニア電動機の動作を単純な並列接続と比較して説明する図である。 本発明の実施の形態２によるリニア電動機を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態３によるリニア電動機を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態４によるリニア電動機を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態５に係わるコイル周辺の拡大図である。

符号の説明

１ 一次側、２ 二次側、３ 磁気ギャップ、４ 永久磁石、５ 二次側コア、６ コイル支持部、７ コイル、６１ コイル巻回部、６２ コイル連結部。

Claims (4)

1. 複数のコイルを有する一次側と、永久磁石を有する二次側とが磁気ギャップを介して相対的に可動自在に配置されると共に、上記一次側の可動方向長さが上記二次側の可動方向長さよりも長いリニア電動機であって、上記一次側の複数のコイルは、同一相の電流が流れるコイルがそれぞれ同数個ずつ直列接続されて複数の枝路に並列接続され、上記並列接続の各枝路におけるコイルが、可動方向のいずれの範囲においても、上記二次側の可動方向長さに対して、同数個ずつ配置されるように構成したことを特徴とするリニア電動機。
2. 並列接続された複数のコイルは、各枝路毎に１個ずつ交互に配置されていることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。
3. 並列接続の各枝路におけるコイルが、可動方向のいずれの範囲においても、二次側の可動方向長さに対して、１個ずつ配置されるように構成したことを特徴とする請求項２記載のリニア電動機。
4. 並列接続の各枝路におけるコイルが、可動方向のいずれの範囲においても、二次側の可動方向長さに対して、複数個ずつ配置され、上記複数個のコイルは各枝路毎に纏まって配置されていることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。

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