JP4522192B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータに関するものである。

固定子に対して可動子が往復直線運動をするリニアモータとして、複数の永久磁石が列を成すように配置されて構成された１以上の磁極列と電機子とを備えたものがある。この電機子は、複数枚の鋼板が積層されたコアと複数の励磁巻線とを有している。コアは、鋼板の積層方向と直交する方向に直線状に延びるヨークと該ヨークから磁極列側に突出し磁極列と対向する磁極面を端部に有する複数の極歯とを備えている。複数の励磁巻線は、複数の極歯を励磁している。しかしながら、この種のリニアモータでは、コギング力が大きくなるという問題がある。そこで、米国特許第４，６３８，１９２号の図７に示すように、コアを覆うように金属加工板を取り付けたリニアモータが提案された。この金属加工板は、可動子の往復動方向にコアの両端部から突出する部分を有している。この突出する部分は、それぞれ隣接する極歯から離れるに従って磁極列との間の間隙寸法が大きくなるように円弧状に湾曲する湾曲面を有している。
米国特許第４，６３８，１９２号（図７）

しかしながら、このリニアモータでは、金属板を加工して円弧状の湾曲面を作るので、コギング力を低下させるのに最適な円弧形状を形成しにくいという問題があった。また、金属加工板を用いるため、渦電流損が大きくなるという問題があった。また、外部からの力により湾曲面が変形しやすいという問題があった。そのため、品質にばらつきが生じやすいという問題があった。

本発明の目的は、複数の極歯からなる極歯列の両端に位置する２つの極歯の磁極面の形状を、コギング力を低下させるのに適した形状にすることが容易なリニアモータを提供することにある。

本発明の他の目的は、複数の極歯からなる極歯列の両端に位置する極歯の磁極面の湾曲面が、同じ幅寸法を有しているにもかかわらず、磁気的にコギング力を低下させるのに好ましい磁気抵抗パターンを有するリニアモータを提供することにある。

本発明の他の目的は、渦電流損を小さくできるリニアモータを提供することにある。

本発明の他の目的は、品質のばらつきを少なくできるリニアモータを提供することにある。

本発明が改良の対象とするリニアモータは、固定子に対して可動子が往復直線運動をするように構成されている。本発明のリニアモータは磁極列と電機子とを具備している。磁極列は、固定子及び可動子の一方に設けられ、複数の永久磁石が列を成すように配置されて構成されている。電機子は、固定子及び可動子の他方に設けられて、コアと複数相の励磁巻線とを有している。コアは、複数枚の鋼板が積層されて構成され、鋼板の積層方向と直交する方向に直線状に延びるヨークと、該ヨークから磁極列側に突出し磁極列と対向する磁極面を端部に有する複数の極歯とを備えている。複数相の励磁巻線は、複数の極歯を励磁する。複数の極歯からなる極歯列の両端にそれぞれ位置する極歯の磁極面が、隣接する他の極歯から離れるに従って磁極列との間の間隙寸法が大きくなるように湾曲する湾曲面から構成されている。このように、本発明では、複数の極歯からなる極歯列の両端に位置する極歯の湾曲面となる磁極面を、積層鋼板の積層面によって形成する。そのため、複数枚の鋼鈑の形状を適宜に設定することにより、複数の極歯の両端に位置する極歯の磁極面をコギング力を低下させるのに最適な形状に容易に形成することができる。また本発明によれば、積層鋼鈑を用いて湾曲面を形成するので、渦電流損を小さくできる。また、従来のような１枚の金属加工板と異なり、積層鋼鈑は外部から力が加わっても湾曲面が変形しにくいため、品質のばらつきを少なくできる。

湾曲面を積層方向の一方側から見たときの輪郭形状が円弧になる形状を湾曲面が有している場合には、湾曲面を次のようにする。円弧の半径をＲとし、磁極列に含まれる隣接する二つの永久磁石の中心間のピッチをτｐとしたときに、１≦Ｒ／τｐ≦３．５の関係になるように、円弧の半径Ｒを定めるのが好ましい。このように円弧の半径Ｒを定めると簡単な設計でコギング力を低減できる湾曲面を得ることができる。なお、Ｒ／τｐが１を下回るとコギング力を小さくできない上、コギング力のばらつきが大きくなる。Ｒ／τｐが３．５を上回ると電機子の全長が長くなる上、電機子の質量が増える等の問題がある。

湾曲面の下側端部を通り磁極列と平行に延びる仮想線と湾曲面の上側端部を通って仮想線と直交する仮想垂線との交点と、前述の下側端部との間の長さ寸法（下側端部を通る垂線と上側端部とを通る垂線との間の最短距離）Ｌｔと円弧の半径Ｒとが、０．３８≦Ｌｔ／Ｒ≦０．６５の関係になるように湾曲面を形成するのが好ましい。このように湾曲面を形成すると、電機子の取付精度を高くしなくても、コギング力を小さくして、しかもバラツキを少なくすることができる利点がある。なおＬｔ／Ｒが０．３８を下回るとコギング力を小さくできない。またＬｔ／Ｒが０．６５を上回ると電機子の全長が長くなる上、電機子の質量が増える等の問題がある。

磁極列と平行に延びる仮想線と湾曲面の下側端部を通る接線との間の角度α°は０°≦α°≦１０°とするのが好ましい。このように角度α°を設定すると永久磁石配列の位置精度を高くしなくても、コギング力を小さくすることができ、しかもコギング力のばらつきを小さくすることができる。なおα°が１０°を上回るとコギング力を小さくできない上、コギング力のばらつきが大きくなる。

極歯列の両端にそれぞれ位置する２つの極歯には、磁極面の近傍において鋼板の積層方向に延びる１以上の孔または空洞を形成することができる。なおこの孔または空洞は貫通孔であっても、また有底の孔または空洞であってもよい。孔または空洞を設ける位置及びその数を適宜に定めることにより、湾曲面と磁極列との間に形成される間隔寸法は同じであっても、極歯内の磁気抵抗を変更して、その極歯側の磁気特性をコギング力を小さくするように変更することができる。

また１以上の孔または空洞内に、鋼板の積層方向の厚み寸法よりも短い磁性体を配置することができる。このようにすると極歯の内部では、孔または空洞が残っている部分の磁気抵抗よりも、磁性体が存在している部分の磁気抵抗が小さくなる。その結果、磁性体の挿入位置を適宜に変えることによりその極歯内の磁路の磁気特性を変更できる。磁性体を挿入することにより、極歯の実際の外形を変えることなく、例えば、磁気的には先端に向かうに従って（ヨークが延びる方向でヨークから離れる方向に向かうに従って）幅が狭くなるような極歯の形状で得られる磁気特性と似た磁気特性を得ることができる。このような磁気特性は、１以上の孔または空洞の両端に空隙を残すように１以上の孔または空洞の内部に配置することにより得ることができる。このような磁気特性にすれば両端部の極歯に発生するコギング力を更に小さくできる利点がある。なおこの磁気特性は、孔または空洞の数と挿入する磁性体の長さ及び配置位置により任意に変えることができる。

複数の孔または空洞を、磁極面に沿って並ぶように形成し、磁極面の上側端部に近づくに従って、または磁極列から離れるに従って孔または空洞内に挿入される磁性体の長さを短くするのが好ましい。このようにすれば、磁気的には先端に向かうに従って（ヨークが延びる方向でヨークから離れる方向に向かうに従って）幅が段階的に狭くなるような極歯形状で得られる磁気特性と似た磁気特性を得ることができ、コギング力を更に小さくできる利点がある。

本発明によれば、コギング力を低下させるのに最適な形状の湾曲面を容易に形成できる。また、複数の極歯の両端にそれぞれ位置する２つの極歯における渦電流損を小さくできる。更に、両端の極歯の湾曲面の変形を防止して、品質のばらつきを少なくできる。さらに両端の極歯に孔または空洞を形成したり、これらの孔または空洞に磁性体を挿入することにより、磁極面の形状を変えることなく、両端部の極歯の磁気特性を変えることができる。したがって本発明によれば、コギング力を低下させるのに適した磁気特性を持った極歯を容易に形成できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態のリニアモータの構造を説明するために用いる模式図である。図１には、固定子１の一部と可動子３の一部が示されている。図１に示すように、本形態のリニアモータは、固定子１と可動子３とを具備している。固定子１は、ベース５上に磁極列７を備えた構造を有している。磁極列７は、複数のＮ極の永久磁石７Ａと複数のＳ極の永久磁石７Ｂとが交互に並ぶように配置されて構成されている。

可動子３は、図示しない支持手段により固定子１に対して可動自在に支持されている。可動子３は、図２の斜視図に示すように、コア９と複数相の励磁巻線１１…とからなる電機子を備えている。コア９は、複数枚の鋼板１０…が積層されて構成されている。コア９は、鋼板１０…の積層方向と直交する方向に直線状に延びるヨーク１３と、ヨーク１３から磁極列７側に突出する複数の極歯１５…とを有している。励磁巻線１１…は、複数の極歯１５…の隣接する極歯１５，１５の間に形成されたスロット１７内にそれぞれの一部が配置されている。このような構成により、複数の極歯１５…は、励磁巻線１１…により励磁される。そして、可動子３は、永久磁石７Ａと永久磁石７Ｂとが並ぶ方向（図１に示す矢印Ａの方向）に往復動する。

複数の極歯１５…からなる極歯列１６の両端にそれぞれ位置する極歯１５Ａは、固定子１と対向する磁極面構成部１９と、磁極面構成部１９とヨーク１３とを連結する連結部２１とを有している。なお、図１及び図２では、極歯列１６の両端に位置する極歯の一方の極歯１５Ａのみを示している。可動子３の往復動方向（矢印Ａ）における磁極面構成部１９の厚み寸法は、連結部２１の厚み寸法より大きく形成されている。そのため、磁極面構成部１９の一部は、連結部２１からコア９の外側方向に突出している。磁極面構成部１９は、磁極列７と対向する磁極面１９ａを端部に有している。磁極面１９ａは、隣接する他の極歯１５Ｂから離れるに従って磁極列７との間の間隙寸法が大きくなるように湾曲する湾曲面１９ｂから構成されている。湾曲面１９ｂは、湾曲面１９ｂを鋼板１０…の積層方向の一方側から見たときの輪郭形状が円弧になる形状を有している。図１に示すように、円弧の半径Ｒは、磁極列７に含まれる隣接する二つの永久磁石７Ａ，７Ｂの中心間のピッチをτｐとしたときに、１≦Ｒ／τｐ≦３．５の関係になるように定められている。また、湾曲面１９ｂは、湾曲面１９ｂの下側端部１９ｃを通り磁極列７と平行に延びる仮想線Ｌ１と湾曲面１９ｂの上側端部１９ｄを通って仮想直線Ｌ１と直交する仮想垂線Ｌ２との交点Ｃと、下側端部１９ｃとの間の長さ寸法（下側端部を通る垂線と上側端部とを通る垂線との間の最短距離）Ｌｔと前述の円弧の半径Ｒとが、０．３８≦Ｌｔ／Ｒ≦０．６５の関係になるように形成されている。更に、磁極列７と平行に延びる仮想線Ｌ１と湾曲面１９ｂの下側端部１９ｃを通る接線Ｌ３との間の角度α°が０°≦α°≦１０°となるように湾曲面１９ｂは形成されている。

磁極面構成部１９には、磁極面１９ａの近傍において鋼板１０…の積層方向に延びる２つの貫通孔２３Ａ，２３Ｂからなる孔または空洞が形成されている。貫通孔２３Ａ，２３Ｂは、横断面形状が円形を有しており、磁極面１９ａに沿って並ぶように形成されている。２つの貫通孔２３Ａ，２３Ｂの内部には、貫通孔２３Ａ，２３Ｂに挿入可能な円柱形状の磁性体２５Ａ，２５Ｂがそれぞれ配置されている。磁性体２５Ａ，２５Ｂは、いずれもコア９の磁気抵抗に比べやや磁気抵抗の大きい炭素鋼等により形成されている。磁性体２５Ａ，２５Ｂは、鋼板１０…の積層方向の厚み寸法よりも短い寸法を有しており、貫通孔２３Ａ，２３Ｂの両端に空隙を残すように貫通孔２３Ａ，２３Ｂの中央部に配置されている。本例では、磁極面１９ａの上側端部に近づくに従って（磁極列７から離れるに従って）貫通孔２３Ａ，２３Ｂに挿入される磁性体２５Ａ，２５Ｂの長さは短くなっている。即ち、磁極面１９ａの上側端部に近い貫通孔２３Ｂに挿入される磁性体２５Ｂは、磁極面１９ａの上側端部から離れた貫通孔２３Ａに挿入される磁性体２５Ａより長さが短くなっている。

次に、本例のリニアモータにおいて、（湾曲面１９ｂの円弧の半径：Ｒ）／（永久磁石７Ａ，７Ｂの中心間のピッチ：τｐ）の数値を変えて、その他は同じ構造とした種々のリニアモータを作った。そして、Ｒ／τｐが０．５のときのコギング力及び電機子の全長をそれぞれ１００とした場合のＲ／τｐとコギング力比及び電機子の全長比との関係を調べた。表１はその結果を示している。

表１より、Ｒ／τｐが１を下回るとコギング力を小さくできない上、コギング力のばらつきが大きくなるのが分かる。また、Ｒ／τｐが３．５を上回ると電機子の全長が長くなるのが分かる。

次に、本例のリニアモータにおいて（ヨークが延びる方向における湾曲面１９ｂの下側端部と上側端部との間の長さ寸法：Ｌｔ）／（円弧の半径：Ｒ）の数値を変えて、その他は同じ構造とした種々のリニアモータを作った。そして、Ｌｔ／Ｒが０．３０のときのコギング力及び電機子の全長をそれぞれ１００とした場合のＬｔ／Ｒとコギング力比及び電機子の全長比との関係を調べた。表２はその結果を示している。

表２より、Ｌｔ／Ｒが０．３８を下回るとコギング力を小さくできないのが分かる。また、Ｌｔ／Ｒが０．６５を上回るとコギング力が大きくなることや、電機子の全長が長くなることが分かる。

次に、本例のリニアモータにおいて、磁極列７と平行に延びる仮想線Ｌ１と湾曲面１９ｂの下側端部１９ｃを通る接線Ｌ３との間の角度α°の数値が異なり他は同じ構造を有する種々のリニアモータを作った。そして、α°が０のときのコギング力を１００とした場合のα°とコギング力比との関係を調べた。表３はその結果を示している。

表３より、α°が１０°を上回るとコギング力を小さくできない上、コギング力のばらつきが大きくなるのが分かる。

なお、本例では、磁極面構成部１９に２つの貫通孔２３Ａ，２３Ｂを形成し、２つの貫通孔２３Ａ，２３Ｂの内部に２つの磁性体２５Ａ，２５Ｂをそれぞれ配置したが、貫通孔の数及び内部に配置する磁性体の数は任意である。例えば、図３に示すように、磁極面構成部１１９に１つの貫通孔１２３のみを形成してもよい。この貫通孔１２３内には、図４に示すように、１つの磁性体１２５が配置されている。

また、貫通孔の内部には必ずしも磁性体を配置しなくても構わない。即ち、磁極面構成部に貫通孔のみを形成する構造であっても構わない。

また、上記例では、孔または空洞として横断面が円形の貫通孔を形成したが、磁極面構成部に形成する孔または空洞の形状は任意である。

また、上記例では、固定子が磁極列を備え、可動子が電機子を備えたリニアモータの例を示したが、固定子が電機子を備え、可動子が磁極列を備えたリニアモータにも本発明を適用できるのは勿論である。

本発明を実施するための最良の形態の一例のリニアモータの構造を説明するために用いる模式図である。 図１に示すリニアモータに用いる可動子の一部の斜視図である。 本発明の第２の形態のリニアモータの構造を説明するために用いる模式図である。 図３に示すリニアモータに用いる可動子の一部の斜視図である。

符号の説明

１ 固定子
３ 可動子
７ 磁極列
９ コア
１０ 鋼板
１１ 励磁巻線
１３ ヨーク
１５ 極歯
１９ａ 磁極面
１９ｂ 湾曲面
２３Ａ，２３Ｂ 貫通孔（孔または空洞）
２５Ａ，２５Ｂ 磁性体

Claims (4)

1. 固定子に対して可動子が往復直線運動をするように構成されたリニアモータであって、
   前記固定子及び可動子の一方に設けられ、複数の永久磁石が列を成すように配置されて構成された１以上の磁極列と、
   前記固定子及び可動子の他方に設けられ、複数枚の鋼板が積層されて構成され前記鋼板の積層方向と直交する方向に直線状に延びるヨークと前記ヨークから前記磁極列側に突出し前記磁極列と対向する磁極面を端部に有する複数の極歯とを備えたコアと、前記複数の極歯を励磁する複数相の励磁巻線とを有する電機子とを具備し、
   前記複数の極歯からなる極歯列の両端にそれぞれ位置する前記極歯の前記磁極面は、隣接する他の前記極歯から離れるに従って前記磁極列との間の間隙寸法が大きくなるように湾曲する湾曲面からなり、
   前記湾曲面は、前記湾曲面を前記積層方向の一方側から見たときの輪郭形状が円弧になる形状を有しており、
   前記円弧の半径をＲとし、前記磁極列に含まれる隣接する二つの永久磁石の中心間のピッチをτｐとしたときに、１≦Ｒ／τｐ≦３．５の関係になるように、前記円弧の半径Ｒが定められており、
   前記湾曲面の下側端部を通り前記磁極列と平行に延びる仮想線と前記湾曲面の上側端部を通って前記仮想線と直交する仮想垂線との交点と、前記下側端部との間の長さ寸法Ｌｔと前記円弧の半径Ｒとが、０．３８≦Ｌｔ／Ｒ≦０．６５の関係になるように前記湾曲面が形成されており、
   前記磁極列と平行に延びる仮想線と前記湾曲面の前記下側端部を通る接線との間の角度α°が０°となることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記極歯列の両端にそれぞれ位置する前記極歯には、前記磁極面の近傍において前記鋼板の積層方向に延びる１以上の孔または空洞が形成されている請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記１以上の孔または空洞内には、前記鋼板の積層方向の厚み寸法よりも短い磁性体が、前記１以上の孔または空洞の両端に空隙を残すように前記１以上の孔または空洞の内部に配置されている請求項２に記載のリニアモータ。
4. 複数の前記孔または空洞が、前記磁極面に沿って並ぶように形成されており、前記磁極列から離れるに従って前記孔または空洞内に挿入される前記磁性体の長さが短くなる請求項３に記載のリニアモータ。

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