JP4972442B2

JP4972442B2 - 直動形電動機の永久磁石配置構造

Info

Publication number: JP4972442B2
Application number: JP2007088876A
Authority: JP
Inventors: 幸人今村; 忠穴田; 一雄磯村; 公志橋本
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008253006A

Description

本発明は、制御機器、電子機器、工作機械等において直線的な駆動力を発生させる直動形電動機の永久磁石配置構造に関するものである。

従来より、直動形電動機として、円筒形状の可動子の内径側又は外径側に極性を交互に配置した永久磁石を設け、この永久磁石と所定の隙間を設けた複数の電機子コイルを固定子の作動方向に配置したものがある。こような直動形電動機によれば、電機子コイルに所定の電流を印加することにより電機子と永久磁石の電磁作用によって永久磁石の長手方向に沿って推力が発生し（フレミングの左手の法則）、可動子を直線運動させることができる。

このような直動形電動機の可動子に配置される永久磁石は、円筒形状の可動子の周方向に複数個が配置されるとともに、作動方向に極性が交互に異なるように配置されるので、その極性変化時に発生推力の変動（コギングトルク）を生じて、可動子のスムーズな移動を妨げる。このような発生推力の変動を抑制するための従来技術として、例えば、永久磁石形回転電機において、回転子の中心に対して対称の位置にある一方の１対のブロックに発生するコギングトルクを他の１対のブロックのコギングトルクが互いに打ち消し合うように、他の１対のブロックの永久磁石を周方向にずらして固定したものがある（例えば、特許文献１参照）。しかし、特許文献１のように永久磁石を作動方向に少しずつずらして配置するスキュー配置は、この特許文献１の回転電機とは作動形態が異なる直動形電動機には、同様の構成を採用することはできない。

図４は、直動形電動機における従来のスキュー配置した永久磁石を示す可動子の展開図である。図示するように、直動形電動機の場合、可動子５１の作動方向Ａに極性を交互にして配置される永久磁石５２，５３は、作動方向Ａに各永久磁石５２，５３を所定量ずらしてスキュー配置される。このように永久磁石５２，５３を配置することにより、作動方向Ａの極性変化がスムーズに行われるようにして推力変動を抑制している。
特開平８−２５１８４７号公報（第３頁、図１，２）

しかしながら、前記図４に示すような直動形電動機における永久磁石のスキュー配置では、スキュー配置される同一極性の永久磁石５２，５３の同一周方向における始点の永久磁石５２ａ，５３ａと終点の永久磁石５２ｉ，５３ｉとで作動方向に大きくずれ、スキュー配置された終点の永久磁石５２ｉが次列の始点に位置する極性が異なる永久磁石５３ａと隣接するように配置されてしまう。つまり、直動形電動機の場合には、可動子の作動方向に極性が交互に異なるように配置されるＮ極とＳ極の永久磁石が周方向に配置された状態では螺旋状に配置されることとなり、そのＮ極とＳ極との始点と終点との間となる螺旋状の一部に異なる極性の永久磁石５２ｉ，５３ａが隣接する部分が生じてしまう。そのため、この異極の永久磁石５２ｉ，５３ａが隣接する部分では磁束が短絡する、いわゆるショート現象を生じて電磁力の一部が利用できなくなり、所定の推力が得られない場合がある。

そこで、このようにスキュー配置する場合には、その異極が隣接する部分でのショート現象の影響を最小にするために、極性の異なる永久磁石が隣接する部分に所定の隙間を設ける場合がある。しかし、この場合には、永久磁石をスキューさせる寸法に制約を生じて発生推力の変動を抑制しきれなくなる場合がある。

本発明は、円筒形状の可動子の作動方向にスキュー配置される永久磁石を同一周方向で異極と隣接しないようにした直動形電動機の永久磁石配置構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、可動子の周囲に、該可動子の作動方向に極性を交互にして複数列配置する永久磁石の配置構造であって、前記複数列配置する永久磁石を、同極の複数の永久磁石が所定の段差を設けて作動方向に所定量ずつずれて隣接するように配置したスキュー配置とし、該スキュー配置する同一極性の永久磁石を同一周方向の始点と終点とに配置して異極が隣接しないように配置している。これにより、スキュー配置した同一周方向の永久磁石が異なる磁極の永久磁石と隣接することがなく、作動長方向に一定の推力特性を安定して発揮することができる。

また、スキュー配置する永久磁石の位置管理を比較的容易に行うことができる。

さらに、前記同一周方向にスキュー配置する同一極性の永久磁石を、始点と終点との中央部が最も作動方向にずれるようにスキュー配置してもよい。これにより、スキューさせる量を容易に設定した配置ができる。

また、前記永久磁石を異方性リング磁石で構成してもよい。これにより、時間と労力を要する永久磁石の配置を行うことなく、着磁させる位置の管理によって永久磁石の配置ができ、安定した生産性を保つことができる。

本発明は、以上説明したような手段により、可動子の作動方向にスキュー配置される永久磁石が同一周方向で異極と隣接することがないので、所定の推力を安定して得て、可動子をスムーズに動作させることが可能となる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施の形態に係る永久磁石配置構造を採用した直動形電動機の断面図であり、図２は、図１に示す直動形電動機におけるスキュー配置した永久磁石を示す可動子の展開図である。これらの図面は、模式的に記載している。この実施の形態は、スキュー配置する永久磁石１４，１５で作動方向Ａに１つの山状部が形成されるようにスキューさせた例である。

まず、図１に基いて本発明が採用される直動形電動機の一例を説明する。図示する直動形電動機の一例である直動形電動アクチュエータ１には、内部に固定子２を備えた固定側本体３が設けられており、この固定側本体３の作動方向一端には固定側に軸支される反出力側ロッドエンド４が設けられている。固定側本体３の内部に設けられた固定子２には、鉄心５の作動方向Ａに電源の相数の整数倍で電機子コイル６が設けられている。この実施の形態では三相電源を用いているため、１２個の電機子コイル６が設けられている。また、図示する固定側本体３の下部には、電機子コイル６への電源供給口７が設けられており、この電源供給口７から三相電源が供給されている。

一方、前記固定側本体３の内部には、作動方向Ａに移動する可動子８が設けられている。この可動子８に設けられた出力軸９は、前記固定側本体３に設けられたすべり軸受１０によって支持されており、前記反出力側ロッドエンド４と逆方向に出力側ロッドエンド１１が設けられている。可動子８の外周と前記固定子２の内周との間には所定の隙間が設けられている。この可動子８は、出力軸９に固定された可動子本体１３と、この可動子本体１３の周囲に設けられた永久磁石１４，１５とで構成されている。Ｎ極の永久磁石１４とＳ極の永久磁石１５とは、作動方向Ａに極性が交互に異なるように配置されている。

このように構成された直動形電動アクチュエータ１によれば、固定子２の電機子コイル６に所定の電流を印加すると、可動子８の永久磁石１４，１５を作動方向Ａ（軸方向）に移動させる推力が発生する。この推力により、可動子８に設けられた出力軸９の出力側ロッドエンド１１が移動させられるように構成されている。

そして、図２に示すように、このような直動形電動アクチュエータ１の前記可動子８に、永久磁石１４がスキュー配置されている。図示するように、永久磁石１４，１５は作動方向Ａに極性が交互に異なるように複数列配置されている。図示する左端に設けられたＮ極の永久磁石１４（１４ａ〜１４ｉ）を例に説明すると、図の下側に位置する配置番号９の永久磁石１４ａから作動方向Ａの図の右側に所定量ずつずらして永久磁石１４ｂ〜１４ｅが配置され、配置番号１の永久磁石１４ｅが最も作動方向にずれて配置されている。そして、この配置番号１の永久磁石１４ｅから図の上側に位置する配置番号８の永久磁石１４ｉまで、図の左側の作動方向Ａに所定量ずつずらして永久磁石１４ｆ〜１４ｉが配置されている。これにより、配置番号８の永久磁石１４ｉが前記配置番号９の永久磁石１４ａと隣接するように配置されている。この実施の形態では、配置番号９の永久磁石１４ａが始点であり、配置番号８の永久磁石１４ｉが終点となる。この周当りの永久磁石１４ａ〜１４ｉの数は一例であり、使用条件等に応じて設定すればよい。また、作動方向Ａにずれて設けられたＳ極の永久磁石１５（１５ａ〜１５ｉ；１５ｂ〜１５ｈは符号省略）も同様に配置されており、これら極性の異なる永久磁石１４，１５が作動方向Ａに交互に配置されている。

このように、同極の永久磁石１４，１５が隣接するように所定の段差を設けてスキュー配置することにより、同一周方向に配置される同一極の永久磁石１４，１５は、始点の永久磁石１４，１５と終点の永久磁石１４，１５との接続部分では同極が隣接し、同一周方向で異極の永久磁石が隣接することはない。

以上のように構成された直動形電動機の永久磁石配置構造１６によれば、同一極の列では異極と隣接するように配置される永久磁石はないので、同一周方向の永久磁石１４，１５に磁束が短絡する部分を生じることがないように永久磁石１４，１５をスキュー配置することができ、永久磁石１４，１５の配置による発生推力の変動を抑制して、作動長方向に一定の推力を安定して発揮することができる。また、永久磁石１４，１５をスキューさせる量を電機子コイルの幅や磁石の幅等の使用条件に応じて最適に設定することにより、作動長方向に一定の推力特性を得ることが容易に可能となる。さらに、可動子８の小型化等によって直動形電動アクチュエータ１（直動形電動機）の小型・軽量化を図ることもでき、小型化による直動形電動機の低コスト化も図れる。

図３は、本発明の第２実施の形態に係る永久磁石配置を示す可動子の展開図である。この第２実施の形態は、スキュー配置する永久磁石１４，１５で作動方向Ａに２つの山状部が形成されるようにスキューさせた例であり、左端のＮ極の永久磁石１４を例に説明すると、図の下側に位置する配置番号９の永久磁石１４ａから作動方向Ａの図の右側に所定量ずつずらし、配置番号５の永久磁石１４ｃを最も作動方向にずれた位置に配置し、この配置番号５の永久磁石１４ｃから図の左側に所定量ずつずらして配置番号１の永久磁石１４ｅが前記配置番号９の永久磁石１４ａとほぼ同一周方向になるように配置している。そして、配置番号１の永久磁石１４ｅから、再度作動方向Ａの図の右側に所定量ずつずらし、配置番号４の永久磁石１４ｇを最も作動方向にずれた位置に配置し、この配置番号４の永久磁石１４ｇから図の左側に所定量ずつずらして配置番号８の永久磁石１４ｉを前記配置番号９の永久磁石１４ａとほぼ同一周方向に配置している。この配置番号８の永久磁石１４ｉが、前記配置番号９の永久磁石１４ａと隣接するように配置されている。この実施の形態でも、配置番号９の永久磁石１４ａが始点であり、配置番号８の永久磁石１４ｉが終点となる。この実施の形態における周当りの永久磁石１４ａ〜１４ｉの数も一例であり、使用条件等に応じて設定すればよい。他の構成は前記第１実施の形態と同一であるため、詳細な説明は省略する。

このように構成された直動形電動機の永久磁石配置構造１７によっても、同一極の列では異極と隣接するように配置される永久磁石はないので、磁束が短絡する部分を生じることがないように永久磁石１４，１５をスキュー配置することができ、永久磁石１４，１５の配置による発生推力の変動を抑制して、作動長方向に一定の推力を安定して発揮することができる。

前記第１，第２実施の形態では、個々の永久磁石１４，１５を配置（例えば、接着等で固定）する例を説明したが、この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「永久磁石」は、「Ｎ極」又は「Ｓ極」の磁極を有していればよく、半径方向に極の向きを決めることができるものであればよい。例えば、異方性を備えて一体的な円筒形状に形成された異方性リング磁石のように、着磁によって前記した永久磁石１４，１５の配置と同様に磁極を配置させることができるものでもよい。個々の永久磁石１４，１５を配置してスキュー配置するか、異方性リング磁石のように着磁させてスキュー配置するかは、使用条件等に応じて決定すればよい。なお、異方性リング磁石を採用すれば、時間と労力を要する永久磁石１４，１５の配置を行うことなく、着磁させる位置の管理によって永久磁石の安定したスキュー配置が可能となる。

なお、前記第１，２実施の形態はスキュー配置の一例を示しており、永久磁石１４，１５をスキュー配置するために作動方向Ａにずらして形成される山の数は限定されるものではない。また、前記実施の形態では、可動子８の外周に配置される永久磁石１４，１５を例に説明したが、可動子８の内周に配置される永久磁石１４，１５も同様に可能である。

さらに、前述した実施の形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではない。

本発明に係る永久磁石配置構造は、可動子を作動方向にスムーズに動作させたい、制御機器、電子機器、工作機械等の直動形電動機に有用である。

本発明の第１実施の形態に係る永久磁石配置構造を採用した直動形電動機の断面図である。図１に示す直動形電動機におけるスキュー配置した永久磁石を示す可動子の展開図である。本発明の第２実施の形態に係る永久磁石配置を示す可動子の展開図である。従来のスキュー配置した永久磁石を示す可動子の展開図である。

符号の説明

１…直動形電動アクチュエータ（直動形電動機）
２…固定子
３…固定側本体
５…鉄心
６…電機子コイル
７…電源供給口
８…可動子
９…出力軸
１０…すべり軸受
１３…可動子本体
１４（１４ａ〜１４ｉ）…永久磁石
１５（１５ａ〜１５ｉ）…永久磁石
１６…永久磁石配置構造
１７…永久磁石配置構造
Ａ…作動方向

Claims

可動子の周囲に、該可動子の作動方向に極性を交互にして複数列配置する永久磁石の配置構造であって、
前記複数列配置する永久磁石を、同極の複数の永久磁石が所定の段差を設けて作動方向に所定量ずつずれて隣接するように配置したスキュー配置とし、該スキュー配置する同一極性の永久磁石を同一周方向の始点と終点とに配置して異極が隣接しないように配置したことを特徴とする直動形電動機の永久磁石配置構造。
前記同一周方向にスキュー配置する同一極性の永久磁石を、始点と終点との中央部が最も作動方向にずれるようにスキュー配置したことを特徴とする請求項１に記載の直動形電動機の永久磁石配置構造。
前記永久磁石を異方性リング磁石で構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の直動形電動機の永久磁石配置構造。