JP5826369B2

JP5826369B2 - リニアモータ

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Publication number: JP5826369B2
Application number: JP2014500546A
Authority: JP
Inventors: 康明青山; 小村　昭義; 昭義小村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: EP2819283A1; US20150001969A1; EP2819283B1; EP2819283A4; WO2013124875A1; CN104081637A; US10128732B2; JPWO2013124875A1; CN104081637B

Description

本発明は、応答性の高いリニアモータに関するものである。

従来のリニアモータは、回転機を切り開いた構造をしており磁石列からなる可動子と固定子との間に大きな吸引力が働く。そのため、可動子を支える部材に大きな負担がかかるとともに、固定子の端部で磁気回路の不連続性により力の脈動などが生じていた。

この改善策として、例えば特許文献１の技術がある。
特許文献１の技術を適用したリニアモータにおいては、特許文献１の図１や図９に示されるように、磁石がはしご状の部材に固定される。すなわち、磁石を保持する部材が必要となり、可動子の質量が増加することになる。

応答性の高いリニアモータを構成するためには、可動子の質量を軽くする必要がある。

国際公開番号ＷＯ２０１０／１０３５７５

解決しようとする課題は、可動子の質量を軽くする点である。

上記課題を解決するため、例えば、磁石と、前記磁石を保持する磁性体のはしご状部材とが直動方向に交互に配置された二次側と、前記二次側を前記直動方向と垂直な方向に挟み込むように配置された磁極、および複数の前記磁極の間を接続する磁性体コアを有し、前記磁性体のはしご状部材に溝が設けられ、前記溝が、複数の前記磁石の長手方向の位置に設けられたリニアモータを構成する。

磁性体のはしご状部材に設けた溝により、可動子の軽量化が図れるとともに、磁石近傍で発生する磁石の磁束の短絡を抑制し、推力が向上する。この結果、可動子の軽量化と推力向上の効果により応答性が向上する。

磁石間に溝を設けたリニアモータの１相の概念図。図１をＹ−Ｚ平面切り取った模式図。図１を用いた３相のリニアモータの図面。磁石の長手方向の位置に溝を配置したリニアモータの１相の概念図。図４をＹ−Ｚ平面切り取った模式図。磁石の磁化方向をＹ軸方向にした場合の実施例を説明する図面。溝に段差を設けた場合の構造説明図面。図７の可動子を説明する図面。可動子の断面をＨ字型にした実施例を説明する図面。可動子の断面をＨ字型にした実施例を説明する図面。溝形状を説明する図面１。溝形状を説明する図面２。溝形状を説明する図面３。溝形状を説明する図面４。非磁性充填部材を挿入した可動子の説明図面１。非磁性充填部材を挿入した可動子の説明図面２。非磁性充填部材を挿入した可動子の説明図面３。薄板部材および接着層を設けた場合の実施例を説明する図面。図１８のカットモデルの図面。図１９の可動子と巻線を取り外した図面。薄板部材を設けた場合の実施例を説明する図面。図２１のカットモデルの図面。溝の形状を説明する図面。図２３のカットモデルの図面。

以下、図面を用いて実施例を説明する。
なお、以下の実施例ではすべて、固定子を一次側、可動子を二次側として説明する。

本実施例では隣り合う磁石間に溝を設けた場合のリニアモータの例を説明する。
図１は、本実施例のリニアモータの１相分の固定子と可動子の模式図である。図１の固定子と可動子とを複数個並べることで、複数の相で駆動するリニアモータを構成する。例えば、３相のリニアモータの場合、図１に示したユニットを３つ並べることで構成が可能である。

図２に図１の斜視図をＹ−Ｚ平面で切断した模式図を示す。可動子３０は、磁石３と、磁性体のはしご状部材４と、溝５から構成される。固定子２０１は、磁石３を可動子の直動方向と垂直な方向に挟み込むように配置された磁極１と、複数の磁極１の間をつなぐ磁性体コア１１から構成される磁気回路部１０１で構成され、磁極１はＺ方向に複数個配置され、共通の巻線２が巻かれている。巻線２は、上下の複数の磁極１にそれぞれ巻かれている。

本実施例では、上下の磁極にそれぞれ巻線を配置し、磁極はＺ方向に４つ並べた構成になっているが、この数に限定されるわけではない。

図２において、磁石３の側面に磁石の磁化方向３１を模式的に示す。磁石はＺ方向に複数個配置され、磁石のＺ方向のピッチはτである。磁石３は、Ｙ軸方向に沿って着磁され、隣り合う磁石で着磁方向が逆になるように並べられ、磁性体のはしご状部材４に固定される。磁性体のはしご状部材４に溝５が設けられている。溝５は隣り合う磁石の間に設けられている。

また、Ｚ方向に４つ並べられた磁極１のＺ方向のピッチは、磁石のピッチτに対して２倍の２τで並べられる。

可動子３０を構成する磁性体のはしご状部材４に溝５を設けることにより、可動子３０が軽くなるとともに、磁石磁束の短絡を抑制し推力が向上する。その結果、可動子の応答性が向上する効果がある。

図３に、３相のリニアモータとして構成した場合の例を示す。３つの固定子２０１を、可動子３０が貫通している。３つの固定子を電気的に位相が各１２０°ずれるように配置し、３相リニアモータが構成できる。同様にｍ個の固定子でｍ相駆動のリニアモータを構成できる。

本実施例では、磁石の着磁方向を可動子の直動方向にした場合の実施例を示す。図４は、１相分の固定子と、可動子と、の模式図である。図５は図４をＹ−Ｚ平面で切断した模式図を示す。本実施例では、上下の磁極にそれぞれ巻線を配置し、磁極はＺ方向に４つ並べた構成になっているが、この数に限定されるわけではない。

可動子３０は、磁石３と、磁性体のはしご状部材４と、溝５から構成される。固定子２０１は、磁石３を挟み込むように配置された磁極１と、前記磁極１をつなぐ磁性体コア１１から構成される磁気回路部１０１で構成され、磁極１はＺ方向に複数個配置され、共通の巻線２が巻かれている。巻線２は、上下の複数の磁極１にそれぞれ巻かれている。

図５において、磁石３の側面に磁石の磁化方向３１を模式的に示す。
磁石はＺ方向に複数個配置され、磁石のＺ方向のピッチはτである。磁石３は、Ｚ軸方向に沿って着磁され、隣り合う磁石で着磁方向が向かい合うように並べられ、磁性体のはしご状部材４に固定される。磁性体のはしご状部材４に溝５が設けられている。溝５は磁石の両脇（Ｘ方向）に設けられている。

また、Ｚ方向に４つ並べられた磁極１のＺ方向のピッチは、磁石のピッチτに対して２倍の２τで並べられる。上下の磁極１は千鳥状に配置され、上下の磁極１はＺ方向にτずれている。

本実施例において、３つの固定子を電気的に位相が各１２０°ずれるように配置することにより、３相リニアモータとして構成できる。同様にｍ個の固定子でｍ相駆動のリニアモータを構成できる。

図６に本発明の実施例３を示す。図６はＹ−Ｚ平面で切断したカットモデルの模式図を示す。可動子３０は、磁石３と、磁性体のはしご状部材４と、溝５から構成される。磁石３は磁性体のはしご状部材４に溝をほり、Ｘ−Ｚ平面に対して表裏から磁石３を固定した構造になっている。本構成により、溝５による可動子軽量の効果と、推力向上の効果に合わせて、可動子３０の磁気抵抗が減少し、磁石体積に対する推力が向上する効果がある。

固定子２０１は、磁石３を挟み込むように配置された磁極１と、前記磁極１をつなぐ磁性体コア１１から構成される磁気回路部１０１で構成され、磁極１はＺ方向に複数個配置され、共通の巻線２が巻かれている。巻線２は、上下の複数の磁極１にそれぞれ巻かれている。

図７に本発明の実施例４を示す。図７はＹ−Ｚ平面で切断したカットモデルの模式図を示す。また、本実施例の可動子３０を図８に示す。本実施例では、磁石の長手方向の位置（磁石３の短辺側に隣接する位置）に配置した溝５において、磁石３との境界部分に段差を設けている。すなわち、溝５の磁石３と接する面の面積が、磁石３の短辺側の側面の面積より小さくなるよう構成している。

本構成により、可動子３０が軽くなるとともに、磁石磁束の短絡を抑制し推力が向上することに加えて、溝５の段差にて、磁石の位置を規定できるため、可動子への磁石配置精度が向上し、位置決め精度が向上する。さらに、磁石の位置のずれに起因する推力のばらつきも防止できるためリニアモータの性能のばらつきが低減する。

図９および図１０に本発明の実施例５を示す。図９は磁性体のはしご状部材４のＸ−Ｙ面での断面形状がＨ字形状（可動子３０の直動方向と垂直な方向に、はしご状部材の直動方向と平行な側面が延伸している形状）になるようにした例である。図９は、磁石３の磁化方向がＺ軸方向、図１０は磁石３の磁化方向がＹ軸方向の磁石を配置した例である。

このように、磁性体のはしご状部材４の断面形状をＨ字形状に変えることにより剛性が向上する。可動子３０の、磁石３と、その周りの磁性体のはしご状部材４と、の厚さを薄くすることが可能となり、磁石使用量の低減が可能である。

図１１、図１２に本発明の実施例６の可動子について示す。可動子３０における磁石３の長手方向の位置に設けた溝５の溝エッジ部５１の角を円弧状にすることで、可動子３０の変形を抑制し、位置精度向上および推力の低減を防止することが可能になる。さらに、磁性体のはしご状部材４を加工する際、エンドミルなどで容易に加工することが可能になる。

図１３の本発明の実施例７の可動子について示す。本実施例は、図１および図２で示した可動子３０の溝５のエッジ部５１および磁石挿入穴エッジ部５２の角を円弧状にすることで、可動子の変形の抑制により位置精度の向上および推力の低減を防止することが可能になる。

図１４に本発明の実施例８の可動子を示す。本実施例は、図１および図２に示した実施例の変形例である。溝５を磁石３のＺ方向の前後に設けることにより、溝５を磁石３を固定する穴を同時に加工できるため製作コストおよび製作時間の低減が可能である。

図１５、図１および図１７に本発明の実施例の可動子３０を示す。本実施例の可動子は、可動子に設けた溝に非磁性充填部材６を配置したものである。本実施例の構成では、磁性体のはしご状部材４を非磁性充填部材６に置き換えることで、可動子の軽量化と推力向上が図れるとともに、可動子３０の強度低下も抑制できる効果がある。

本発明の実施例１０について説明する。図１８に本実施例の概念図を、図１９に図１８をＹ−Ｚ平面で切り取った模式図を示す。また図２０に、図１９に示した模式図の可動子３０と巻線２を取り外した図を示す。

磁気回路部１０１を構成する磁極１と磁性体コア１１は薄板コア１２で構成され、薄板コアの間には接着層１３を有する。本構造により、磁極１をはじめとする磁気回路部の変形等を軽減できる。そのため、磁極１の変形により生じる位置決め精度や応答性の低下を抑制できる。

さらに、磁極１の間には磁極間スペーサ１４が挿入される。これにより、さらに磁極１の変形を低減できる。

本発明の実施例１１について説明する。図２１に本実施例の概念図を、図２２に図２１をＹ−Ｚ平面で切り取った模式図を示す。

磁気回路部１０１を構成する磁極１と磁性体コア１１は薄板コア１２で構成され、磁極１は溶接部１５にて接合される。さらに、磁極１の間には非磁性の磁極間スペーサ１４が挿入される。本構造により、磁極１をはじめとする磁気回路部の変形等を軽減できる。そのため、磁極１の変形により生じる位置決め精度や応答性の低下を抑制できる。

本発明の実施例１２について説明する。図２３に本実施例の概念図を、図２４に図２３をＹ−Ｚ平面で切り取った模式図を示す。本実施例は、磁性体のはしご状部材４の溝５の縁を面取りした構造になっている。本構造により、可動子３０の軽量化、推力の向上に加えて推力脈動を低減する効果もある。

従来のリニアモータにおいては、推力が発生した際に磁極が変形し、応答性や位置決め精度が低下する課題があるが、本発明によれば、上記各実施例のいずれにおいても、磁極の間に非磁性の部材を挟み込むことにより磁極の変形を抑制し、位置決め精度や応答性が向上する。

また、本発明の磁性体のはしご状部材に溝を設けることにより可動子の表面積が増加し、冷却性能も向上する利点がある。

上記各実施例では、上下の磁極にそれぞれ巻線を配置し、磁極はＺ方向に４つ並べた構成になっているが、この数に限定されるわけではない。

また、上記各実施例では、主に推力を発生する１相分の固定子について説明したが、前記固定子を１つ用いてアクチュエータとして用いたり、複数個用いて多相のリニアモータとして用いたりすることも可能である。

例えば、３つの固定子を用いて、３つの固定子を電気的に位相が各１２０°ずれるように配置することにより、３相リニアモータとして構成できる。一般に、ｍ個の固定子でｍ相駆動のリニアモータを構成できる。

また、上記各実施例では、磁石と磁性体のはしご状部材からなる二次側を可動側として説明したが、可動子を固定すれば、磁気回路と巻線等からなる一次側を可動側として構成できる。

本発明のリニアモータは、例えば位置決め装置や成型機に用いることができる。

１磁極
２巻線
３磁石
４磁性体のはしご状部材
５溝
６非磁性充填部材
１１磁性体コア
１２薄板コア
１３接着層
１４磁極間スペーサ
１５溶接部
３０可動子
３１磁化方向
５１溝エッジ部
５２磁石挿入穴エッジ部
１０１磁気回路部
２０１固定子

Claims

磁石と、前記磁石を保持する磁性体のはしご状部材とが直動方向に交互に配置された二次側と、
前記二次側を前記直動方向と垂直な方向に挟み込むように配置された磁極、および複数の前記磁極の間を接続する磁性体コアを有し、
前記磁性体のはしご状部材に溝が設けられ、
前記溝が、複数の前記磁石の長手方向の位置に設けられたリニアモータ。
請求項１に記載のリニアモータであって、
前記溝に段差が設けられたリニアモータ。
請求項１または２に記載のリニアモータであって、
前記磁性体のはしご状部材の断面形状がＨ字形状であるリニアモータ。
請求項１乃至３のいずれか一に記載のリニアモータであって、
前記溝の角が円弧状であるリニアモータ。
請求項１乃至４のいずれか一に記載のリニアモータであって、
前記溝に非磁性の充填部材が挿入されているリニアモータ。
請求項１乃至５のいずれか一に記載のリニアモータであって、
前記溝の縁が面取りされているリニアモータ。
請求項１に記載のリニアモータであって、
前記磁極、または複数の前記磁極を接続する磁性体コアが薄板コアで構成され、薄板コア間に接着層が設けられたリニアモータ。
請求項１に記載のリニアモータであって、
前記磁極間に非磁性の磁極間スペーサが設けられたリニアモータ。
請求項１乃至８のいずれか一に記載のリニアモータを用いた位置決め装置。
請求項１乃至８のいずれか一に記載のリニアモータを用いた成型機。