JP5015290B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、界磁部に対して電機子が相対的に直線運動するリニアモータに関し、特にコギングを低減できるリニアモータに関する。

リニアモータは、Ｎ極とＳ極の磁極が交互に形成されるように複数の永久磁石が直線状に配列される界磁部と、界磁部上にすきまを介して対向して配置される電機子と、を備える。電機子は、界磁部の永久磁石に対向する複数のティースを有するコア、及び複数のティースに巻かれる複数のコイル、を有する。各ティースに巻かれる各相のコイルに交流を流すと、移動磁界が発生し、この移動磁界と永久磁石の磁界との相互作用により推力が発生し、電機子が界磁部に対して相対的に直線運動する。

直線運動するリニアモータにおいては、電機子が無端状に形成される回転式のモータと異なり、電機子が移動方向に有限長になる。このため、電機子が界磁部に対して相対的に移動するとき、コギングが発生し易い。コギングとは、電機子のコアと永久磁石との間の磁気的吸引力が電気角に依存して脈動する現象である。

一般的に、コアは磁性材料からなる。コイルに電流を流さない状態でも、コアのティースと永久磁石との間には磁気的吸引力が発生する。電機子が界磁部に対して相対的に移動するとき、コアのティースは前方の永久磁石に引かれたり、後方の永久磁石に引き戻されたりする。これが原因で、電機子に加わる磁気的吸引力が永久磁石の磁極ピッチ毎に周期的に変化するコギングが発生すると推測される。コイルに電流を流したときも、コギングは残り、外乱として働く。

従来、コギングを打ち消すための対策として、電機子のコアの移動方向の両端に磁性体からなる補助磁極を設けることが知られている（特許文献１参照）。両端の補助磁極には、コイルは巻かれない。両端の補助磁極間の距離は、双方に発生する磁気的吸引力を互いに打ち消し合うような距離に設定される。

実公平７−５３４２７号公報

しかし、特許文献１に記載のリニアモータにあっては、電機子のコアの移動方向の両端に一対の補助磁極を設けるので、電機子の移動方向の長さが長くなってしまうという問題がある。

そこで本発明は、コギングを低減することができる新たな構造のリニアモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、Ｎ極とＳ極が交互に形成されるように複数の永久磁石が直線状に配列される界磁部と、前記界磁部にすきまを介して対向する複数のティースを有するコア、及び前記コアの前記複数のティースに巻かれるＵ相，Ｖ相，及びＷ相のコイルを有する電機子と、を備え、前記電機子が前記界磁部に対して相対的に直線運動するリニアモータにおいて、Ｕ相，Ｖ相，及びＷ相の前記コイルが巻かれる前記複数のティースのうち、前記相対移動方向の両端に位置するティースの前記相対移動方向の幅が、その根元部から先端部に至るまで、残りのティースの前記相対移動方向の幅よりも細く、Ｕ相，Ｖ相，及びＷ相の前記コイルが巻かれる前記複数のティースの、前記電機子の前記相対移動方向の中心間のピッチが全て等しいリニアモータである。

本発明によれば、電機子の相対移動方向の両端に位置するティースの幅を、その根元部から先端部に至るまで、残りのティースの相対移動方向の幅よりも狭くするので、Ｕ相のティース、Ｖ相のティース、及びＷ相のティースそれぞれに正弦波的に発生する磁気的吸引力のばらつきを小さくすることができる。このため、Ｕ相のティース、Ｖ相のティース、及びＷ相のティースそれぞれに正弦波的に発生する磁気的吸引力の総和であるコギングを小さくすることができる。

本発明の一実施形態におけるリニアモータの斜視図（一部テーブルの断面図を含む） リニアモータの正面図 リニアモータの電機子を示す図（図中（ａ）は平面図を示し、（ｂ）は側面図を示す） リニアモータの界磁部の分解斜視図 界磁部の平面図 コアの他の例を示す側面図 コアのさらに他の例を示す側面図 磁界解析で使用したコアのモデルを示す側面図 両端のティースの幅とコギングとの関係を示すグラフ 電気角の位相とコギングとの関係を示すグラフ Ｕ，Ｖ，Ｗ相に分解したコギングのばらつきを示すグラフ（図中（ａ）はティース幅８ｍｍのときを示し、（ｂ）はティース幅８．５ｍｍのときを示し、（ｃ）はティース幅９．５ｍｍのときを示し、（ｄ）はティース幅１０．５ｍｍのときを示す） 磁界解析で使用したコアのモデルの他の例示す側面図 両端のティースの幅とコギングとの関係を示すグラフ 電気角の位相とコギングとの関係を示すグラフ Ｕ，Ｖ，Ｗ相に分解したコギングのばらつきを示すグラフ（図中（ａ）はティース幅８．５ｍｍのときを示し、（ｂ）はティース幅９ｍｍのときを示し、（ｃ）はティース幅９．５ｍｍのときを示し、（ｄ）はティース幅１０ｍｍのときを示し、（ｅ）ティース幅１１ｍｍのときを示す） 実験で使用した電機子のコアを示す側面図 電機子のストロークとコギングとの関係を示すグラフ 実験で使用した電機子のコアの他の例を示す側面図 電機子のストロークとコギングとの関係を示すグラフ

以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態のリニアモータを詳細に説明する。図１は及び図２は、リニアモータの全体構成を示す図である。図面において、同一の構成部品については、同一の符号が付されている。

細長く伸びるベース４上には、リニアモータの界磁部５が取り付けられる。界磁部５には、所定のすきまを介して電機子１０が対向する。この実施形態では、電機子１０はテーブル３の下面に取り付けられ、テーブル３と共にベース４の長手方向に直線運動する。

ベース４には、テーブル３の直線運動を案内するリニアガイド９が取り付けられる。テーブル３は、リニアガイド９の移動ブロック７の上面に取り付けられる。テーブル３の下面の左右のリニアガイド９の間には、電機子１０が取り付けられる。電機子１０はボルト、ねじ等の締結部材によりテーブル３に取り付けられる。

図２の正面図に示されるように、界磁部５と電機子１０との間にはギャップｇが空く。リニアガイド９は、ギャップｇを一定に保ったまま、テーブル３が直線運動するのを案内する。

ベース４は、底壁部４ａと、底壁部４ａの幅方向の両側に設けられる一対の側壁部４ｂとから構成される。底壁部４ａの上面には、界磁部５が取り付けられる。側壁部４ｂの上面には、リニアガイド９の軌道レール８が取り付けられる。軌道レール８には、移動ブロック７がスライド可能に組み付けられる。軌道レール８と移動ブロック７との間には、転がり運動可能に複数のボールが介在されている。移動ブロック７には、複数のボールを循環させるためのサーキット状のボール循環経路が形成されている。軌道レール８に対して移動ブロック７が直線運動すると、複数のボールがサーキット状のボール循環経路を循環する。

テーブル３は例えばアルミなどの非磁性材料からなる。テーブル３には、ベース４に対するテーブル３の位置を検出するリニアスケールなどの位置検出手段１２が取り付けられる。位置検出手段１２が検出した位置信号は、リニアモータを駆動する図示しないドライバに送られる。ドライバは、上位のコントローラからの位置指令どおりにテーブル３が移動するよう、電機子１０に供給する電流を制御する。

図３は、テーブルの下面に取り付けられる電機子１０の詳細図を示す。電機子１０は、珪素鋼、電磁鋼などの磁性材料からなるコア１４と、コア１４の複数のティース１４ａに巻かれる複数のコイル１６と、を備える。

コア１４は、平面が矩形板状に形成されるバックヨーク１４ｂと、バックヨーク１４ｂから界磁部５に向かって突出する複数のティース１４ａと、を備える。バックヨーク１４ｂの移動方向の端部は移動方向の両端に位置するティース１４ａ−１よりも移動方向の外側に張り出している。バックヨーク１４ｂには、コア１４をテーブル３に取り付けるためのねじ孔が形成される。

図３（ａ）の平面図で見たとき、ティース１４ａは幅方向に細長い板状に形成される。図３（ｂ）の側面図で見たとき、ティース１４ａは上下方向に細長い長方形に形成され、バックヨーク１４ｂから直角な方向に突出する。ティース１４ａの一対の側面１５，１６（移動方向の端面）は平坦面に形成され、互いに平行である。ティース１４ａの先端面１７（下面）は、移動方向の全長にわたって平坦面に形成され、ティース１４ａの一対の側面１５，１６と直交する。コア１４の移動方向に沿った断面形状は、このコア１４の側面形状と同一であり、幅方向にわたって一定である。コア１４は、側面形状と同一形状にプレス打ち抜き加工された厚さ１ｍｍ未満の薄板鋼板を、コア１４の幅方向に積層することで形成される。
複数のティース１４ａ間のピッチＰ１（隣接するティース１４ａの、移動方向の中心間の距離）は全て等しい。複数のティース１４ａのうち、移動方向の両端に位置するティース１４ａ−１の移動方向の幅は、ＴＷ１であり、互いに等しい。移動方向の両端に位置するティース１４ａ−１の幅は、その根元部１８から先端部１９に至るまで一定のＴＷ１である。残りのティース１４ａ−２の移動方向の幅は、ＴＷ２であり、互いに等しい。残りのティース１４ａ−２の幅は、その根元部１８から先端部１９に至るまで一定のＴＷ２である。両端のティース１４ａ−１の幅ＴＷ１は、その根元部から先端部に至るまで残りのティース１４ａ−２の幅ＴＷ２よりも細い。具体的には、ＴＷ１の大きさは、０．７×ＴＷ２≦ＴＷ１＜ＴＷ２に設定される。複数のティース１４ａのバックヨーク１４ｂからの突出量Ｌ１は全て等しく、Ｌ１に設定される。このため、両端に位置するティース１４ａ−１の先端から界磁部５までの間のすきまは、残りのティース１４ａ−２の先端から界磁部５までの間のすきまに等しくなる。

ティース１４ａの個数は３の倍数に設定される。この例では、ティース１４ａの個数は６個に設定され、Ｕ相のティースが２個、Ｖ相のティースが２個、Ｗ相のティースが２個設けられる。ティース１４ａには、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のコイル１６が巻かれる。この例には、各ティース１４ａに１相のコイル１６のみが集中巻きされている。コイル１６は集中巻きに限られることはなく、複数のティース１４ａにわたって分布巻き（重ね巻き）されてもよい。Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のコイル１６の線の太さ及び巻き数は全て等しく、コイル１６の全体の大きさも等しい。上述のとおり、移動方向の両端に位置するティース１４ａ−１の幅は、残りのティース１４ａ−２の幅よりも細いので、移動方向の両端のティース１４ａ−１とコイル１６との間のすきまは、残りのティース１４ａ−２とコイル１６との間のすきまよりも大きくなる。Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のコイル１６をティース１４ａに巻いた後、コイル１６の周囲は樹脂モールドされる。これにより、コイル１６がコア１４に固定される。

図４は、ベース４の上面に取り付けられる界磁部５を示す。界磁部５は、薄板状のヨーク２０と、ヨーク２０上面に電機子の移動方向に一列に並べられる複数の板状の永久磁石２１と、を備える。永久磁石２１は、例えば保磁力の高いネオジウム磁石などの希土類磁石からなる。板状の永久磁石２１の表側にはＮ極又はＳ極の一方、裏側には残りの一方が形成される。長手方向にＮ極とＳ極が交互に形成されるように複数の板状の永久磁石２１がヨーク２０上に配列される。複数の永久磁石２１は接着などでヨーク２０に固定される。ヨーク２０に固定された永久磁石２１は、非磁性材料のカバープレート２２で覆われる。カバープレート２２も接着などによってヨーク２０に固定される。永久磁石２１及びカバープレート２２が固定されたヨーク２０は、ボルト２３などの締結部材によってベース４に取り付けられる。界磁部５はユニット化されていて、ベース４の長さに応じてユニット化された複数の界磁部５がベース４に取り付けられる。

図５は、界磁部５の平面図を示す。この実施形態では、各永久磁石２１の平面形状は長方形に形成され、電機子１０の移動方向に対して傾いている。永久磁石２１の移動方向の一対の端辺２１−２は、互いに平行であると共に、電機子１０の移動方向と直交する線Ｌ２に対して所定角度傾いている。永久磁石２１の幅方向の一対の端辺２１−１は、互いに平行であると共に、端辺２１−２に対して直交する。Ｎ極の永久磁石２１ａの中心からＮ極の永久磁石２１ａの中心までの距離Ｐ２が、界磁部５のＮ極−Ｎ極間の磁極ピッチであり、Ｎ極―Ｓ極間の磁極ピッチＰ３の２倍になる。

電機子１０のコア１４が界磁部５に対して相対的に移動するとき、コア１４のティース１４ａと永久磁石２１との間に磁気的吸引力が働く。この磁気吸引力のうち、電機子１０の移動方向の成分がコギングを発生させる。電機子１０の移動方向に直交する成分の力（垂直方向の吸引力）は、リニアガイド９に受けられるので、コギングには関係しない。コギングは、界磁部５の磁極ピッチＰ２毎に周期的に変動する。

発明者は、電機子１０の移動方向の両端のティース１４ａ−１の幅とコギングとの関係に着目した。そして、両端のティース１４ａ−１の幅を変化させたときのコギング力を磁界解析により算出した。その結果、両端のティース１４ａ−１の幅をその根元部１８から先端部１９に至るまで残りのティース１４ａ−２の幅よりも細くすることにより、コギングを低減できることを知見した（後述の実施例、図９、図１３参照）。

電機子を界磁部５に対して相対的に移動させると、各ティース１４ａには磁極ピッチＰ２毎に正弦波的な磁気的吸引力が発生する。各ティース１４ａに発生する磁気的吸引力の総和が電機子１０のコギングである。ここで、複数のティースをＵ，Ｖ，及びＷ相のティースに分けて考える。Ｕ，Ｖ，及びＷ相それぞれのティース１４ａにピーク値が等しく、かつ１２０°位相が異なる理想的な磁気的吸引力が働くと仮定すると、Ｕ，Ｖ，及びＷ相それぞれのティース１４ａに働く磁気的吸引力の総和は０になり、コギングが発生しないことになる。

本実施形態のように両端のティース１４ａ−１の幅を狭くすることで、Ｕ，Ｖ，及びＷ相それぞれのティース１４ａに発生する磁気的吸引力をピーク値が等しく、かつ１２０度位相が異なる理想的な磁気的吸引力に近づけることができ、これにより、Ｕ，Ｖ，及びＷ相それぞれのティース１４ａに発生する磁気的吸引力の総和であるコギングが小さくなると推測される（後述の実施例、図１１、図１５参照）。

ただし、上記のように、電機子１０の移動方向の両端に位置するティース１４ａ−１の幅を狭くすると、両端のティース１４ａ−１に巻かれるコイル１６の誘起電圧が小さくなり、その分リニアモータの推力が低下する。両端のティース１４ａ−１の先端面を平坦面に形成することにより、誘起電圧の低下を抑制することができる。

詳しくは後述するが、図９に示すように、両端のティース１４ａの幅を変化させたときのコギングの低減曲線は谷を描く。すなわち、あまりティース１４ａの幅を細くし過ぎると、逆にコギングが大きくなる。さらにティース１４ａの幅を狭くすると、ティース１４ａに巻かれるコイル１６の誘起電圧が小さくなり、その分リニアモータの推力が小さくなる。このため、両端のティース１４ａ−１の幅を残りのティース１４ａ−２の幅の７０％以上にするのが望ましい。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に具現化できる。

例えば、リニアモータの構造は、テーブルがリニアガイドに案内される上記構造に限られることはなく、適宜変更可能である。

界磁部に対する電機子の直線運動は相対的なものであり、界磁部が移動し、電機子が固定されていてもよい。

図６に示すように、ティース１４ａの個数は３個でもよく、９，１２，１５…等の任意の数に設定することができる。三相コイルの替わりに二相コイルを用いることも可能である。この場合、ティースの数は４，６，８…等に設定される。

図７に示すように、６個のティース１４ａからなる一組のティースユニットＵ１をバックヨーク１４ｂの長さ方向に二組以上設けてもよい。この場合、ティース１４ａ間のピッチが等しい各組のティースユニットＵ1において、両端のティース１４ａ−１の幅が残りのティース１４ａ−２の幅よりも細ければよい。

バックヨークとティースとは一体に形成されなくても、別体に形成されてもよい。ティースにコイルを巻いた後、嵌め合いによりティースをバックヨークに結合してもよい。

両端のティースの幅を狭くすることでコギングの低減が可能になるので、補助コアが不要になるが、コギングをより低減するために、コアの移動方向の両端にコイルが巻かれない補助コアを設けることも可能である。

磁界解析により、両端のティースの幅を変化させたときのコギングを算出した。解析モデルには、図８に示すように、６本のティースを備えるコアを使用した。Ｕ，Ｖ，Ｗ相のティースが２個ずつ設けられている。両端のティースの幅を８ｍｍ，８．５ｍｍ，９．５ｍｍ，１０．５ｍｍに変化させ、残りのティースの幅を９．５ｍｍに固定した。

図９に示すように、両端のティースの幅を８．５ｍｍに細くしたとき、コギングが最も低減した。ティース幅を８ｍｍにすると、９．５ｍｍのときよりも小さい値になるものの、８．５ｍｍのときよりもコギングが増加した。ティース幅を９．５ｍｍ以上にすると、コギングは増加する傾向にあった。

図１０は、電機子を電気角で３６０°（磁極部の１磁極ピッチ間）移動させたときのコギングの変化を示す。このときのコギングの最大値が図９のコギングとして表されている。両端のティースの幅が８．５ｍｍのときは、ほぼ全ての電気角においてコギングを最も低減できた。

図１１は、図１０の全体のコギングをＵ，Ｖ，及びＷ相のコギング（磁気的吸引力）に分解したものである。逆にいえば、図１１に示されるＵ，Ｖ，及びＷ相のコギング（磁気的吸引力）を合算すると、図１０のグラフになる。図１１には、両端のティースの幅８ｍｍ、８．５ｍｍ、９．５ｍｍ、１０．５ｍｍに応じて４つのグラフが示されている。

図１１において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に分解したコギング（磁気的吸引力）のピーク値のばらつきをティース幅毎に比較した。ピーク値のばらつきは、図１１中点線で示されるピーク値の平均値と各相のピーク値との差（％）である。ティース幅が８ｍｍのとき、Ｖ相のばらつきが５．６％と最も大きくなり、Ｗ相のばらつきが３．２％と最も小さくなった。Ｖ相とＷ相との差は２．４８％であった。ティース幅が８．５ｍｍのとき、ばらつきが最も大きいＵ相とばらつきが最も小さいＷ相との差は１．９１％であった。ティース幅が９．５ｍｍのとき、ばらつきが最も大きいＶ相とばらつきが最も小さいＵ相との差は３．８５％であった。ティース幅が１０．５ｍｍのとき、ばらつきが最も大きいＶ相とばらつきが最も小さいＵ相との差は１１．６２％であった。

図１１のグラフに示すように、両端のティースの幅が８．５ｍｍのとき、Ｕ，Ｖ，及びＷ相のコギング（磁気的吸引力）をピーク値が等しく、かつ１２０度位相が異なる理想的な正弦波に近けることができる。これにより、Ｕ，Ｖ，及びＷ相のコギング（磁気的吸引力）の総和である全体のコギングが低減すると推測される。

実施例１とは別のリニアモータを磁界解析した。界磁部の板状の磁石の縦横寸法、傾け角度、電機子のコアの形状を、実施例１のリニアモータと異ならせた。図１２に、磁界解析に使用した電機子のコアを示す。中央の４本のティースの幅を１０ｍｍに設定し、両端のティースの幅を８．５ｍｍ、９ｍｍ、９．５ｍｍ、１０ｍｍ、１１ｍｍに変化させた。

図１３は、両端のティースの幅とコギングとの関係を示す。ティース幅が９ｍｍのとき、コギングが最も小さくなった。ティース幅を８．５ｍｍに細くすると、１０ｍｍのときよりも小さい値になるものの、９ｍｍのときよりもコギングは増加した。コギング曲線は谷を描いた。

図１４は、電機子を電気角で３６０°移動させたときのコギングの変化を示す。両端のティースの幅が９ｍｍのときは、３６０°の電気角にわたって最も安定してコギングを低減できた。

図１５は、図１４のコギングをＵ，Ｖ，Ｗ相のコギング（磁気的吸引力）に分解し、分解したコギング（磁気的吸引力）のピーク値のばらつきをティース幅毎に比較したものである。この例では、ティース幅を９．５ｍｍに設定したとき、ピーク値のばらつきが最小になった。ピーク値だけでなく、正弦波の全体で見ると、ティース幅が９ｍｍのときが最もばらつきが少なくなった。

実験によりリニアモータのギングを測定した。実際に電機子をストロークさせ、そのときに発生するコギングを測定した。実験には、図１６に示すコアを使用した。図１６に示すように、中央の４本のティースの幅は９．５ｍｍである。両端のティースの幅は９．５ｍｍのものと８．５ｍｍのものを使用した。図１７に示すように、両端のティースの幅を８．５ｍｍにすると、９．５ｍｍのときよりもコギングを低減することができた。

実験により実施例３とは別のリニアモータのコギングを測定した。このリニアモータでは、コアのティースの本数を実施例３のコアよりもかなり増やしている。図１８に実験に使用したコアを示す。中央の１６本のティースの幅は９．５ｍｍである。両端のティースの幅は９．５ｍｍのものと８．５ｍｍのものを使用した。図１９に示すように、両端のティースの幅を８．５ｍｍにすると、９．５ｍｍのときよりもコギングを低減することができた。

５…界磁部，１０…電機子，１４…コア，１４ａ…ティース，１４ａ−１…両端のティース，１４ａ−２…残りのティース，１６…コイル，１７…先端面，１８…根元部，１９…先端部，２１…永久磁石，Ｐ１…ティースの中心間ピッチ，ＴＷ１…両端のティースの幅，ＴＷ２…残りのティースの幅

Claims (2)

1. Ｎ極とＳ極が交互に形成されるように複数の永久磁石が直線状に配列される界磁部と、
   前記界磁部にすきまを介して対向する複数のティースを有するコア、及び前記コアの前記複数のティースに巻かれるＵ相，Ｖ相，及びＷ相のコイルを有する電機子と、を備え、
   前記電機子が前記界磁部に対して相対的に直線運動するリニアモータにおいて、
   Ｕ相，Ｖ相，及びＷ相の前記コイルが巻かれる前記複数のティースのうち、前記相対移動方向の両端に位置するティースの前記相対移動方向の幅が、その根元部から先端部に至るまで、残りのティースの前記相対移動方向の幅よりも細く、
   Ｕ相，Ｖ相，及びＷ相の前記コイルが巻かれる前記複数のティースの、前記電機子の前記相対移動方向の中心間のピッチが全て等しいリニアモータ。
2. 前記相対移動方向の両端に位置するティースの先端面が、平坦に形成されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。

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