JP5637458B2 - リニアモータ - Google Patents
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Description
開示の実施形態は、リニアモータに関する。
特許文献1には、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その外周側に設けられた磁性材料よりなるヨークを備える固定子と、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を備える可動子と、を有するシリンダ形のリニアモータが記載されている。
上記従来技術のリニアモータでは、可動子がヨークの端部に近づくと可動子をヨーク内に引き込もうとするディテント力が発生する。このため、可動子の移動範囲(ストローク範囲)においてディテント力を無視できる値に抑えることができるように、ヨークの全長を長めに設定する必要があり、リニアモータの大型化を招くという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ヨークの全長を短くすることで小型化することが可能なリニアモータを提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、円筒状のヨークと、前記ヨークの内側に固定され、複数のコイルを軸方向に並設したコイル組立体と、前記コイル組立体の内側に軸方向に相対移動可能に設けられ、複数の永久磁石を軸方向に並設した永久磁石組立体と、を備え、前記永久磁石組立体は、軸方向に磁化された第1永久磁石を軸方向に複数並設し、これら複数の前記第1永久磁石の軸方向端部に軸方向に垂直な方向に磁化された第2永久磁石を配置して構成されるリニアモータが適用される。
本発明のリニアモータによれば、ヨークの全長を短くすることで小型化できる。
以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
<リニアモータの構成>
図1に示すように、本実施形態のリニアモータ1はシリンダ型のリニアモータである。このリニアモータ1は、円筒状のヨーク2と、ヨーク2の内側に固定された電機子である固定子10と、固定子10の内側に軸方向に相対移可能に設けられた界磁である可動子20と、を備える。
図1に示すように、本実施形態のリニアモータ1はシリンダ型のリニアモータである。このリニアモータ1は、円筒状のヨーク2と、ヨーク2の内側に固定された電機子である固定子10と、固定子10の内側に軸方向に相対移可能に設けられた界磁である可動子20と、を備える。
固定子10は、複数(図1に示す例では9個)の環状のコイル11を軸方向(図1中左右方向)に並設して形成された筒状のコイル組立体12を有している。本実施形態では、リニアモータ1は三相交流モータであり、コイル組立体12は、U相、V相、W相に対応する3つのコイル11を少なくとも1組(図1に示す例では3組)有している。
可動子20は、固定子10の軸線上に軸方向に往復移動可能に設けられたシャフト21と、このシャフト21に設けられた永久磁石組立体24とを有している。シャフト21は、ヨーク2の軸方向一方側(図1中左側)及び他方側(図1中右側)の端部に設けられたブラケット3,4に直動軸受5,6を介して軸方向に往復移動可能に支持されている。永久磁石組立体24は、この例ではコイル組立体12よりも軸方向長さが短くなるように構成されているが、コイル11の数を少なくし、反対に永久磁石組立体24がコイル組立体12よりも軸方向長さが長い構成としてもよい。これらの長さの差がリニアモータ1のストロークと略等しくなる。この永久磁石組立体24は、磁性体からなるスペーサ22を間に挟んで設けられた複数(図1に示す例では4個)の第1永久磁石23を備え、さらに第1永久磁石23の軸方向端部、本例では、軸方向両端に第2永久磁石25を備えている。各第1永久磁石23は、軸方向に磁化されている。4個の第1永久磁石23は、隣り合う磁石23同士で互いに向かい合う磁極が同極(N極同士又はS極同士)となるように配置される。また本実施形態では、軸方向両端の第1永久磁石23の軸方向端部にはN極が位置している。
図2に示すように、第2永久磁石25は、軸方向に垂直な方向(この例ではラジアル方向)に磁化されたリング磁石である。第2永久磁石25は、中央孔25aにシャフト21が差し込まれることで半径方向に位置決めされ、接着剤等によりシャフト21に固定される。本実施形態では、軸方向両端の第1永久磁石23の軸方向端部の磁極がN極であるため、各第2永久磁石25は半径方向内側でS極、半径方向外側でN極となるよう、外向きに磁化されている。これにより、第1永久磁石23、第2永久磁石25及びヨーク2との間で磁気回路を構成し、永久磁石組立体24の軸方向両端部において第1永久磁石23による主磁束を半径方向外側に向けることができる。
以上のように構成されるリニアモータ1では、図示しない外部電源から固定子10のコイル11に電流を流すと、各コイル11には軸方向の磁束が発生する。この各コイル11の磁束と各第1永久磁石23の磁束により、永久磁石組立体24とコイル組立体12との間で反発力と吸引力が作用し、可動子20の軸方向の推力が発生する。
<実施形態の効果>
次に、リニアモータ1により得られる効果について比較例を用いて説明する。図3に、比較例のリニアモータ1Aを示す。このリニアモータ1Aの永久磁石組立体24Aは、軸方向端部の第1永久磁石23の軸方向端部に磁性体(非磁性体でもよい)からなる端板27を設けている。なお、この端板27を設けず、第1永久磁石23の軸方向端部を露出させてもよい。このようなリニアモータ1Aの場合には、図3(a)に示すように、永久磁石組立体24Aがヨーク2の端部に近づくと、軸方向端部の第1永久磁石23からの磁束26の漏れに起因して永久磁石組立体24Aをヨーク2内に引き込もうとするディテント力が発生する。そこで、この比較例のリニアモータ1Aでは、永久磁石組立体24Aの移動範囲(ストローク範囲)において、ディテント力を無視できる値に抑えることができるようにするために、図3(b)に示すように、ヨーク2の全長を長めに設定する必要がある。
次に、リニアモータ1により得られる効果について比較例を用いて説明する。図3に、比較例のリニアモータ1Aを示す。このリニアモータ1Aの永久磁石組立体24Aは、軸方向端部の第1永久磁石23の軸方向端部に磁性体(非磁性体でもよい)からなる端板27を設けている。なお、この端板27を設けず、第1永久磁石23の軸方向端部を露出させてもよい。このようなリニアモータ1Aの場合には、図3(a)に示すように、永久磁石組立体24Aがヨーク2の端部に近づくと、軸方向端部の第1永久磁石23からの磁束26の漏れに起因して永久磁石組立体24Aをヨーク2内に引き込もうとするディテント力が発生する。そこで、この比較例のリニアモータ1Aでは、永久磁石組立体24Aの移動範囲(ストローク範囲)において、ディテント力を無視できる値に抑えることができるようにするために、図3(b)に示すように、ヨーク2の全長を長めに設定する必要がある。
一方、本実施形態では、上述したように、永久磁石組立体24が第1永久磁石23の軸方向両端部に軸方向に垂直な方向に磁化された第2永久磁石25を有する。この第2永久磁石25により、図4に示すように、軸方向端部の第1永久磁石23からの磁束26をヨーク2側に向けることが可能となるので、ヨーク2の端部に近づいた際の永久磁石組立体24からの漏れ磁束を減少できる。その結果、永久磁石組立体24に第2永久磁石25を設けない上記比較例に比べ、ヨーク2の長さを短くしても、ストローク範囲におけるディテント力を無視できる値に抑えることができる。
この効果の詳細について、図5を用いて説明する。図5(a)は、本願発明者等が実施したシミュレーション結果に基づき、上述した比較例のリニアモータ1Aの永久磁石組立体24Aと、本実施形態のリニアモータ1の永久磁石組立体24とにおけるヨーク端部からの距離とディテント力との関係を表わすグラフである。なお、図5(b)及び図5(c)では固定子10のコイル組立体12の図示を省略している。比較例の永久磁石組立体24Aは、上述したように、軸方向端部の第1永久磁石23に第2永久磁石25を設けず、端板27を設けている。また図5では、比較例のリニアモータ1Aにおいて、ディテント力が略0(無視できる値)となる永久磁石組立体24Aのヨーク端部からの最小距離を、距離Lとしている。
図5(a)に示すように、距離Lでディテント力が略0になる比較例に対し、本実施形態では距離が約0.65Lでディテント力が略0となる。したがって、図5(b)及び図5(c)に示すように、永久磁石組立体24に永久磁石組立体24Aと同じ所定のストローク範囲S(移動範囲)を得るのに、比較例の場合よりもヨーク2の長さが片側で0.35L(=L−0.65L)、全体(両側)で0.7L(=0.35L×2)だけ少なくて済む。すなわち、本実施形態では比較例よりもヨーク2の長さを0.7Lだけ短縮することができる。
以上のように、本実施形態によればヨーク2の全長を短くすることができるので、リニアモータ1を小型化できる。また、第1永久磁石23の端部に第2永久磁石25を設けることにより、コイル組立体12と永久磁石組立体24との間の磁気的空隙における推力に寄与する部分の磁束密度を高めることができるので、リニアモータ1の推力を増大できる効果もある。
また、本実施形態では特に、第2永久磁石25として、ラジアル方向に磁化されたリング磁石を用いている。これにより、リング磁石をシャフト21にはめ込むだけで半径方向の位置決めを行うことが可能となり、また後述するセグメント磁石(図8参照)を用いる場合のように複数の磁石について位置決め及び固定作業を行う必要がないので、永久磁石組立体24の組み立てが容易となり、製作性を向上できる。
また、本実施形態では特に、永久磁石組立体24において第1永久磁石23同士の間に磁性体からなるスペーサ22が配置されている。これにより、永久磁石組立体24における磁極ピッチや、磁束密度分布の波形を調整する(磁束密度のピークを緩和する)ことが可能となる。
<変形例>
なお、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。
なお、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。
(1)永久磁石組立体の磁化方向を反対にした場合
上記実施形態では、永久磁石組立体24における第1永久磁石23の軸方向両端部の磁極をN極としたが、図6に示すように、軸方向両端部の磁極がS極となる構成としてもよい。この場合、第2永久磁石25は、図7に示すように、第1永久磁石23の軸方向端部の磁極に対応させて、半径方向内側でN極、半径方向外側でS極となるよう、内向きに磁化すればよい。これにより、第1永久磁石23、第2永久磁石25及びヨーク2との間で磁気回路を構成し、ヨーク2側からの第1永久磁石23による主磁束を半径方向内側に向けることができる。その結果、ヨーク2の端部に近づいた際の永久磁石組立体24からの漏れ磁束を減少でき、ヨーク2の長さを短くしても、ストローク範囲におけるディテント力を無視できる値に抑えることができる等、上記実施形態と同様の効果を奏する。
上記実施形態では、永久磁石組立体24における第1永久磁石23の軸方向両端部の磁極をN極としたが、図6に示すように、軸方向両端部の磁極がS極となる構成としてもよい。この場合、第2永久磁石25は、図7に示すように、第1永久磁石23の軸方向端部の磁極に対応させて、半径方向内側でN極、半径方向外側でS極となるよう、内向きに磁化すればよい。これにより、第1永久磁石23、第2永久磁石25及びヨーク2との間で磁気回路を構成し、ヨーク2側からの第1永久磁石23による主磁束を半径方向内側に向けることができる。その結果、ヨーク2の端部に近づいた際の永久磁石組立体24からの漏れ磁束を減少でき、ヨーク2の長さを短くしても、ストローク範囲におけるディテント力を無視できる値に抑えることができる等、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(2)第2永久磁石をセグメント磁石とした場合
上記実施形態では、永久磁石組立体24の第2永久磁石25をリング磁石としたが、これに限らず、セグメント磁石としてもよい。本変形例の一例を図8(a)及び図8(b)に示す。
上記実施形態では、永久磁石組立体24の第2永久磁石25をリング磁石としたが、これに限らず、セグメント磁石としてもよい。本変形例の一例を図8(a)及び図8(b)に示す。
図8(a)において、第2永久磁石30は、略四角形平板の一辺を第1永久磁石23の外周に略沿う円弧状とした形状である複数(この例では4)のセグメント磁石からなり、永久磁石組立体24の軸方向両端の第1永久磁石23の軸方向端部に接着等により固定されている。各第2永久磁石30は、円弧状の辺を半径方向外方に位置させた姿勢で、シャフト21を中心に略90°間隔で環状に配置されている。各第2永久磁石30は、軸方向に垂直な方向に沿って平行に磁化され、この例では内側をS極、外側をN極としている。
図8(b)に示す例では、第2永久磁石30は上記と同様の形状であるが、各第2永久磁石30の磁化方向がラジアル方向となっている点が異なる。なお、図8(a)及び図8(b)は、第1永久磁石23の軸方向端部の磁極がN極である場合であり、第1永久磁石23の軸方向端部の磁極がS極である場合には、第2永久磁石30の内側をN極、外側をS極とすればよい。
本変形例では、第2永久磁石30として環状に配置された複数のセグメント磁石を用いるので、上記実施形態のようにリング磁石の第2永久磁石25を用いる場合に比べて磁石投入量を節減でき、コストを削減できる効果がある。
(3)その他
以上の実施形態及び各変形例では、リニアモータ1は、電機子を固定子10とし、界磁を可動子20として構成する場合を例にとって説明したが、反対に電機子を可動子とし、界磁を固定子としてリニアモータ1を構成してもよい。
以上の実施形態及び各変形例では、リニアモータ1は、電機子を固定子10とし、界磁を可動子20として構成する場合を例にとって説明したが、反対に電機子を可動子とし、界磁を固定子としてリニアモータ1を構成してもよい。
また、可動子20の永久磁石組立体24において、第1永久磁石23同士の間に設けたスペーサ22は必ずしも必要ではなく、省略してもよい。また上記では、永久磁石組立体24が4の第1永久磁石23を有する場合を一例として説明したが、第1永久磁石23の個数は偶数、奇数を問わずいくつでもよく、また1個でもよい。さらに、上記では第2永久磁石25(30)は永久磁石組立体24の軸方向両端に設けるようにしたが、軸方向一端だけに設け、他端側には前述した端板27を設置(あるいは第1永久磁石23を露出)してもよい。
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。
その他、一々例示はしないが、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
1 リニアモータ
2 ヨーク
10 固定子
11 コイル
12 コイル組立体
20 可動子
21 シャフト
22 スペーサ
23 第1永久磁石
24 永久磁石組立体
25 第2永久磁石(リング磁石)
30 第2永久磁石(セグメント磁石)
2 ヨーク
10 固定子
11 コイル
12 コイル組立体
20 可動子
21 シャフト
22 スペーサ
23 第1永久磁石
24 永久磁石組立体
25 第2永久磁石(リング磁石)
30 第2永久磁石(セグメント磁石)
Claims (5)
- 円筒状のヨークと、
前記ヨークの内側に固定され、複数のコイルを軸方向に並設したコイル組立体と、
前記コイル組立体の内側に軸方向に相対移動可能に設けられ、複数の永久磁石を軸方向に並設した永久磁石組立体と、を備え、
前記永久磁石組立体は、
軸方向に磁化された第1永久磁石を軸方向に複数並設し、これら複数の前記第1永久磁石の軸方向端部に軸方向に垂直な方向に磁化された第2永久磁石を配置して構成される
ことを特徴とするリニアモータ。 - 前記第2永久磁石の磁化方向は、
前記第2永久磁石に隣接する前記第1永久磁石の軸方向端部がN極である場合には外向きであり、前記第1永久磁石の軸方向端部がS極である場合には内向きである
ことを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ。 - 前記第2永久磁石は、
ラジアル方向に磁化されたリング磁石である
ことを特徴とする請求項2に記載のリニアモータ。 - 前記第2永久磁石は、
環状に配置された複数のセグメント磁石である
ことを特徴とする請求項2に記載のリニアモータ。 - 前記永久磁石組立体は、
前記第1永久磁石同士の間に配置された磁性体からなるスペーサを有する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のリニアモータ。
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