JP4551157B2 - シリンダ形リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、移動子部に永久磁石を有し、固定子部に複数のリング状コイルを有するシリンダ形リニアモータに関する。

図７に、従来からよく知られている２相のシリンダ形リニアモータの断面図を示す。
図７において、上記シリンダ形リニアモータの移動子１００は軸方向に往復移動する直動軸１０１と、上記直動軸１０１に嵌着された円筒状の移動子ヨーク１０２と、その外周面に軸方向に磁極ピッチPで交互の極性となるように磁化されて配設された複数のリング状永久磁石１０３を備えている。また、固定子２００の固定子コア２０１は、内径の小さいリング状ヨーク部２０２と、内径の大きいリング状ヨーク部２０３が、軸方向に交互に積層されており、その結果、上記固定子コア２０１の内周面には軸方向に等ピッチ（P／２）で多数のリング状歯部２０４とリング状溝部２０５が形成されている。そしてこのリング状溝部２０５にはリング状巻線２０６、２０７、・・・・、２１３がA相、B相の相順で配設されている。したがってひとつ置きに配設されたリング状巻線２０６、２０８、２１０、２１２は互いに結線されてA相巻線を形成し、残りのリング状巻線２０７、２０９、２１１、２１３も互いに結線されてB相巻線を形成している。

また、移動子コア部の軸方向長さMは固定子コア部の軸方向長さKより長いため、移動子と固定子の対向する軸方向長さ、すなわち推力寄与長さはKとなる。またストローク長Sは（M−K）で表せる。図７から移動子の移動範囲長さは（K＋２S）、すなわち、（推力寄与長さ＋２×ストローク長S）で表せる。そしてモータ全長は上記移動子の移動範囲長さを満足するように設定されている。
特開平７−１０７７３２号公報 特開平５−１５１３９号公報

しかしながら、前述のような従来構造のリニアモータは上記のように所定のストロークSを得るためにモータ全長を移動子の移動範囲長さ（推力寄与長さ＋２×ストローク長S）を満足するよう設定する必要があり、モータ全長が長くなるという問題があった。また従来構造の上記モータは永久磁石型であるので、原理的にブラシレスDCモータとして動作させることができるが、そのためには、移動子の位置を検出するためのセンサ手段を、上記固定子部に軸方向に隣接させて別に設ける必要があり、その場合はさらにモータ全長が長くなるという問題もあった。

また固定子製造の作業性をよくするため、図７の固定子コア断面図と同等の断面を有する櫛歯状のコアを複数個リング状コイルの外側から嵌め込む構造がとられることもあるが、その場合、ストローク長を変更するためには金型を新規に作成する必要があり、容易にストローク長の変更ができないという問題点もあった。また、固定子長さの変更は、各相巻線のリング状コイルの数が同数となるように行う必要があり、ストローク長変更の自由度が小さいという問題もあった。また推力寄与長さを一定とした場合、ストローク長Ｓを長くすればするほど、移動子の慣性モーメントが大きくなり応答性が悪くなるという問題もあった。

本発明は、上記課題を解決し、所定のストローク長Ｓに対し、モータ全長を短くできるとともに、移動子の位置を検出するためのセンサ手段を軸方向に付加することなくブラシレスDCモータとして動作させることができ、さらにストローク長Ｓの増減が容易に安価にでき、しかもストローク長変更の自由度が大きくできるとともに、移動子の慣性モーメントがストローク長Ｓに影響されないシリンダ型リニアモータを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ｎ個のリング状コイルを軸方向に並設して、円筒状の空間を形成するコイル組立体と該コイル組立体の外周側に設けられた磁性材料よりなるヨーク部材とを備えてなる固定子と、上記固定子の軸線上に、軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸と該直動軸に設けられ、軸方向に磁化された永久磁石を１個以上有する永久磁石組立体とを備えてなる移動子とを具備し、上記リング状コイルの軸方向の長さをＣ、上記永久磁石組立体の軸方向の長さをM、外径をDとするとき、ストロークＳは、（ｎ×Ｃ−Ｍ）以下であり、上記ヨーク部材の軸方向長さYは（Ｍ＋Ｓ＋０．８×Ｄ）以上に設定され、上記リング状コイルは所定の相順に並び、同相のリング状コイルは互いに結線されて一つの相巻線を形成していることにある。
また、本発明は、上記移動子の永久磁石組立体は、上記永久磁石が２個以上の場合には同極性の端面同士が互いに向い合うように配設されていることにある。

さらに、本発明は、上記ヨーク部材を、円筒状部材で構成し、上記円筒状部材には軸方向に延びた開口部が設けられ、上記開口部には上記移動子の磁極位置を検出するためのセンサ手段が設けられていることにある。
また、本発明は、上記ヨーク部材を、複数の細長い板状部材で構成し、これら板状部材を円周方向に所定間隔で、上記コイル組立体の外周面を覆うように配設し、上記複数の板状部材によって上記コイル組立体を保持したことにある。
さらに、本発明は、上記コイルからの熱を放熱するアルミ製のケース部材の内周面に上記直動軸に平行に複数の溝部を設け、これら溝部に上記ヨーク部材を配設したことにある。

またさらに、本発明は、上記コイル組立体の外周面に設けられ、上記移動子の磁極位置を検出するセンサ手段と、上記センサ手段からの信号により上記移動子の磁極位置を検出する移動子磁極位置検出部と、上記移動子磁極位置に対応するとともに、上記永久磁石組立体の構成に起因する磁束密度分布の非対称性および上記リング状コイルの数が相により異なる場合に存在する相巻線の非対称性を補正するように設定されたパターンデータを保持したメモリ部と、上記メモリ部から移動子磁極位置に対応して読み出された上記パターンデータと速度制御部からの電流指令に基づき各相の電流指令値を作り出すとともに各相巻線に流れる電流を検出する電流検出部からの実際の電流値と比較し、その差がゼロになるようPWM制御を行うゲート信号を出力する電流制御部と、上記電流制御部からのゲート信号によりON／OFF制御されるスイッチング手段を備えたインバータ部とを有する駆動回路により駆動されることにある。

本発明によれば、シリンダ形リニアモータを上記のように構成しているので必要なモータ全長を決める移動子の移動範囲長さを（推力寄与長さ＋ストローク長Ｓ）とすることができる。また、固定子にスロットがないため金型が必要なく、ストローク長の増減は移動子の長さに依存せず、リング状コイルを１個単位で増減することにより行えるので、容易にしかも安価にでき、増減の自由度も大きくすることができる。また、リング状コイルの外側に移動子の位置を検出するためのセンサ手段を配設できるので軸方向に長くすることなくブラシレスDCモータとして動作させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
図１および図２は、本発明のリニアモータの一実施例を示す断面図である。
図１および図２において、移動子１０は、軸方向に往復移動する直動軸１１と、軸方向に磁化された永久磁石１２、１４が２個、同極性の端面同士が向い合うようにスペーサ１３を挟んで配設された永久磁石組立体１５とを備えている。上記スペーサ１３は移動子１０の磁極ピッチP（Ｎ極とＳ極の距離）の調整と磁束密度のラジアル方向成分が移動子の軸方向位置によって変化する波形（磁束密度分布波形）を調整するためのものであり、磁性材であっても非磁性材であってもよい。なお、場合によっては、スペーサ１３は使用しなくてもよい。

上記永久磁石組立体１５は、その両端面に配設された固定リング部材１６、１７により上記直動軸１１に強固に固定されている。そして、上記移動子１０は、互いに所定間隔で対向する一対のブラケット３０、３１の中心に、軸受３２、３３を介して、軸方向に移動自在に支持されている。一方、両端を上記ブラケット３０、３１に支持された固定子２０は、磁性材料よりなる円筒状ヨーク２１と、軸方向に等ピッチCで配設された複数のリング状コイル２２、２３、・・・、２７を備えたコイル組立体２８で構成されている。このコイル組立体２８は、上記円筒状ヨーク２１内に収納され、かつ内部に上記永久磁石組立体１５を収容する円筒状の空間３４を形成している。また上記円筒状ヨーク２１には軸方向にのびた開口部２９が設けられ、移動子１０の磁極位置を検出するための図示しないセンサ手段４１を備えた回路基板４０が取り付けられている。また上記回路基板４０には上記各コイルの始端および終端を接続する端子が設けられており、回路基板４０に設けられたプリント回路により各コイルは結線されて各相巻線を形成できるようになっている。

図３は移動子１０の移動範囲長さ（Ｍ＋Ｓ）と円筒状ヨーク２１の長さＹとの長さの関係に依存するディテント推力の関係を模式的に示した図である。ここでは永久磁石組立体１５の軸方向中心を位置の原点に取っている。図３からストロークの両端付近で移動子１０をヨーク内に引き込むディテント推力が発生することがわかる。また、円筒状ヨーク２１の長さＹをある値Ｙｏ以上に設定してやれば、移動子１０の移動範囲長さ（Ｍ＋Ｓ）において前記ディテント推力を無視できる値に抑えることができることもわかる。ここでＹ＝Ｙｏのときのヨーク張出し寸法Ｂは永久磁石外径Ｄに依存し、Ｂ＝ｋＤで表せ、ｋは０．４付近が妥当であることが解析的に求められる。したがって、Ｙｏ＝Ｍ＋Ｓ+２×Ｂ＝Ｍ＋Ｓ+０．８×Ｄとなる。

以上より、図２に示すように、円筒状ヨーク２１の長さYは永久磁石組立体１５の軸方向長さをM、外径をD、ストローク長をＳとするとき、（M＋Ｓ＋０．８×D）以上に設定されている。こうすることにより、無励磁時にストロークの両端で発生するディテント推力を無視できる値に抑えることができる。リング状コイル２２、２３、・・・、２７のピッチをCとすると、リング状コイル２２、２３、・・・、２７の個数ｎは６であるので固定子２０の軸方向長さKは６Cである。この場合、推力寄与長さはMとなる。またストローク長Ｓは（K−M）すなわち（６C−M）以下の値が可能となる。ここではリング状コイル２２、２３、・・・、２７の個数を６としているが、たとえばリング状コイル２２、２３、・・・、２７の個数を７個または５個と増減することにより、ストローク長Ｓを（７C−M）または（５C−M）と、コイルピッチCを単位として増減することができる。ストローク長Ｓは永久磁石組立体１５の長さMに依存しないので、ストローク長Ｓを長くしても移動子１０の慣性モーメントは増加しないことが分かる。また移動子１０の移動範囲長さは（推力寄与長さ＋ストローク長Ｓ）であるので、モータ全長は先行例の場合よりストローク長Ｓだけ短くできる。

図４は本実施例の移動子１０とそれに対応させた永久磁石組立体１５による磁束密度のラジアル方向成分の軸方向分布波形を示した図である。前記磁束密度の分布波形は永久磁石組立体１５の軸方向長さＭの範囲ではコサイン成分直流成分がプラスされた波形として近似できることがわかる。すなわち、永久磁石組立体１５の軸方向中央位置を原点とした軸方向位置を（ｘ）とすると、磁束密度Ｂ（ｘ）は、Ｂ（ｘ）＝Ｂ１×ｃｏｓ(πｘ／Ｌ)＋Ｂ０で表せる。ただし、Ｌは移動子の磁極ピッチとする。センサ手段４１の出力電圧もこれに比例した電圧となるので、上記と同様の関係式を利用して移動子位置を読み取ることが可能となる。
また、推力は逆起電圧と電流の積に比例し、逆起電圧は前記磁束密度の位置に対する変化に比例するので、前記磁束密度の直流成分の影響はなくなることがわかる。

図５は本発明のリニアモータの駆動を説明するための制御ブロック図である。
上記モータ部６０に内蔵されたセンサ手段４１からの信号４２は、移動子磁極位置検出部４３と移動子速度検出部４４に送られ移動子１０の磁極位置と速度が検出される。検出された移動子速度データ４５と指令速度データ４６は速度制御部４７に入力され指令速度と実際の移動子速度との差に対応した電流指令４８を出力する。一方、移動子磁極位置検出部４３からは磁極位置データが出力され、移動子磁極位置に対応して設定された３相のパターンデータを保持したメモリ部４９に入力される。そして上記メモリ部４９からは上記移動子位置に対応した上記データ５０が出力され、上記電流指令４８とともに電流制御部５１に入力され、各相電流の指令値を生成する。電流制御部５１では、生成された電流指令値と電流検出部５６により検出された実際の各相電流値５２との比較を行って、その差がゼロになるようPWM制御するためのゲート信号５３を発生する。上記ゲート信号５３によりインバータ部５４のスイッチング手段のON／OFFを制御し、モータ部６０の各相電流波形が所定の値になるよう制御される。上記メモリ部４９には上記永久磁石組立体１５の構成に起因する磁束密度分布波形の非対称性や、所定のストローク長を得るために相巻線を構成するコイル数に違いが生じたことによる相巻線の非対称性の補正を考慮した上記３相のパターンデータが記憶されるので、上記ストロークの増減はコイル１個単位で行うことができるとともに、なめらかな速度制御が実現できる。また図５の制御ブロック図に位置制御ループを追加することにより、位置決め制御ももちろん行うことができる。

また、上記ヨーク部材はかならずしも円筒状でなくてもよく、図６の横断面図に示すように細長い板状のヨーク部材７０、７１、７２、７３を上記コイル組立体２８の外周面に円周方向に間隔を空けて当接させてもよい。さらに、上記ヨーク部材７０、７１、７２、７３の取付け位置は、アルミケース８０の内周面に設けられた上記直動軸１１に平行な溝部８１、８２、８３、８４と上記コイル組立体２８の間に形成される空間９１，９２，９３，９４にそれぞれ挿入して配設されている。また上記アルミケース８０には、軸方向に長い開口部８５が設けられており、この開口部８５に、上記センサ手段４１を搭載した回路基板４０が配設されている。この場合、アルミケース８０との当接面積とヨーク部材７０、７１、７２、７３との当接面積の割合を調節することにより、放熱性の改善を図りながら推力の向上を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。

本発明のシリンダ型リニアモータの実施の形態を示す縦断面図である。 図１に各部分の長さを示す符号を記載した縦断面図である。 移動子の移動範囲長さと円筒状ヨークの長さとの関係に依存するディテント推力の関係を模式的に示した図である。 本発明の移動子とそれに対応させた永久磁石組立体による磁束密度のラジアル方向成分の軸方向分布波形を示した図である。 本発明のリニアモータの駆動を説明するための制御ブロック図である。 本発明のシリンダ型リニアモータの変形例を示す横断面図である。 従来のシリンダ型リニアモータを示す縦断面図である。

符号の説明

１０ 移動子
１１ 直動軸
１２，１４ 永久磁石
１３ スペーサ
１５ 永久磁石組立体
２０ 固定子
２１ 円筒状ヨーク
２２・・・２７ リング状コイル
２８ コイル組立体
２９ 開口部
４０ 回路基板
４１ センサ手段
４３ 移動子磁極位置検出部
４４ 移動子速度検出部
４７ 速度制御部
４９ メモリ部
５１ 電流制御部
５４ インバータ部
５６ 電流検出部

Claims (6)

1. ｎ個のリング状コイルを軸方向に並設して、円筒状の空間を形成するコイル組立体と該コイル組立体の外周側に設けられた磁性材料よりなるヨーク部材とを備えてなる固定子と、
   上記固定子の軸線上に、軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸と該直動軸に設けられ、軸方向に磁化された永久磁石を１個以上有する永久磁石組立体とを備えてなる移動子とを具備し、
   上記リング状コイルの軸方向の長さをＣ、上記永久磁石組立体の軸方向の長さをM、外径をDとするとき、ストロークＳは、（ｎ×Ｃ−Ｍ）以下であり、上記ヨーク部材の軸方向長さYは（Ｍ＋Ｓ＋０．８×Ｄ）以上に設定され、上記リング状コイルは所定の相順に並び、同相のリング状コイルは互いに結線されて一つの相巻線を形成していることを特徴とするシリンダ形リニアモータ。
2. 上記移動子の永久磁石組立体は、上記永久磁石が２個以上の場合には同極性の端面同士が互いに向い合うように配設されていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダ形リニアモータ。
3. 上記ヨーク部材を、円筒状部材で構成し、上記円筒状部材には軸方向に延びた開口部が設けられ、上記開口部には上記移動子の磁極位置を検出するためのセンサ手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアモータ。
4. 上記ヨーク部材を、複数の細長い板状部材で構成し、これら板状部材を円周方向に所定間隔で、上記コイル組立体の外周面を覆うように配設し、上記複数の板状部材によって上記コイル組立体を保持したことを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアモータ。
5. 上記コイルからの熱を放熱するアルミ製のケース部材の内周面に上記直動軸に平行に複数の溝部を設け、これら溝部に上記ヨーク部材を配設したことを特徴とする請求項４に記載のシリンダ形リニアモータ。
6. 上記コイル組立体の外周面に設けられ、上記移動子の磁極位置を検出するセンサ手段と、上記センサ手段からの信号により上記移動子の磁極位置を検出する移動子磁極位置検出部と、上記移動子磁極位置に対応するとともに、上記永久磁石組立体の構成に起因する磁束密度分布の非対称性および上記リング状コイルの数が相により異なる場合に存在する相巻線の非対称性を補正するように設定されたパターンデータを保持したメモリ部と、上記メモリ部から移動子磁極位置に対応して読み出された上記パターンデータと速度制御部からの電流指令に基づき各相の電流指令値を作り出すとともに各相巻線に流れる電流を検出する電流検出部からの実際の電流値と比較し、その差がゼロになるようPWM制御を行うゲート信号を出力する電流制御部と、上記電流制御部からのゲート信号によりON／OFF制御されるスイッチング手段を備えたインバータ部とを有する駆動回路により駆動されることを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアモータ。

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