JP5972876B2 - リニアモータ - Google Patents

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た固定子と、永久磁石を１個以上有する永久磁石組立体を備えた可動子とを有するシリンダ型のリニアモータにおいて、リング状コイルの軸方向長さをＣ、永久磁石組立体の軸方向長さをＭとしたとき、ストロークＳを（ｎ×Ｃ−Ｍ）以下とする技術が記載されている。

特許第４５５１１５７号公報

上記従来技術のリニアモータでは、ストロークを確保するために（ｎ×Ｃ＞Ｍ）の関係とする必要がある。このため、次のような問題が生じる。

例えば、三相交流同期のリニアモータとする場合、一般にコイル３個の軸方向長さ（３×Ｃ）と永久磁石の磁極間隔（τ）が略等しい構成となる。このとき、永久磁石の個数をＮ個とすると、ストロークを確保するために（ｎ／３＞Ｎ）の関係とする必要がある（但し、ｎはコイル数で３の倍数、Ｎは永久磁石数で自然数）。その結果、モータ全長は少なくとも推力寄与長さ（τ×Ｎ）にコイル３個の長さ（３×Ｃ）を加えた長さとなり、ストロークＳがコイル３個の長さ（３×Ｃ）よりも小さい場合には、モータ全長が（３×Ｃ−Ｓ）の長さだけ余分に長くなってしまう。このように、モータの全長が不要に長くなる結果、リニアモータが大型化し、重量や設置スペースが増大する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、モータの全長を短くし、小型化及び軽量化を図ることができる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、複数の環状のコイルを軸方向に並設して形成された筒状のコイル組立体を有する電機子と、前記電機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、及び、前記直動軸に設けられたＮ個（Ｎは２以上の整数）の永久磁石を含む永久磁石組立体を有する界磁と、を備え、前記電機子と前記界磁のいずれか一方を固定子、他方を可動子として、前記可動子を前記固定子に対し往復移動させるリニアモータであって、前記Ｎ個の永久磁石のそれぞれは、軸方向に磁化されており、前記コイルの個数をｎ、前記コイルの軸方向長さをＣ、前記永久磁石組立体の軸方向長さをＭとするとき、ｎ×Ｃと、Ｍと、を略等しくするとともに、前記永久磁石組立体を前記コイル組立体の存在する略軸方向長さ範囲内に位置させる第１状態と、前記永久磁石組立体を前記コイル組立体の端面より軸方向両側のいずれかに突出する第２状態との間で、前記可動子を往復移動させ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、モータの全長を短くし、小型化及び軽量化を図ることができる。

実施形態のリニアモータの概略構成を表す側断面図である。 比較例のリニアモータの概略構成を表す側断面図である。 本実施形態のリニアモータと比較例のリニアモータで、損失を同じとした場合におけるストロークと推力の関係を示す図である。 エンコーダ部及び磁気遮蔽板を有する変形例におけるリニアモータの概略構成を表す側断面図である。

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

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、電機子１０と、界磁２０とを備えている。電機子１０は、複数（図１に示す例では６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２組）有している。界磁２０は、電機子１０の軸線上に軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸２１と、この直動軸２１にスペーサ２２を間に挟んで設けられた２つの永久磁石２３を含む永久磁石組立体２４とを有している。各永久磁石２３は、軸方向に磁化されている。

また、リニアモータ１は、電機子１０の外周側に設けられた円筒状又は角筒状のモータフレーム２と、このモータフレーム２の軸方向一方側（図１中左側）及び他方側（図１中右側）の端部にそれぞれ設けられたブラケット３，４とを有している。これらブラケット３，４には、直動軸２１を軸方向に往復移動可能に支持する直動軸受５，６がそれぞれ設けられている。

このような構成であるリニアモータ１は、電機子１０と界磁２０のいずれか一方を固定子、他方を可動子として、可動子を固定子に対し往復移動させる。

ここで、コイル１１の個数をｎ（図１に示す例ではｎ＝６）、各コイル１１の軸方向長さをＣとした場合、コイル組立体１２の軸方向長さＫは「ｎ×Ｃ」（図１に示す例ではＫ＝６×Ｃ）となる。リニアモータ１では、このコイル組立体１２の軸方向長さＫと、永久磁石組立体２４の軸方向長さＭとが、略等しくなるように構成されている。そして、ストロークＳが少なくとも「ｎ×Ｃ−Ｍ」の絶対値である｜ｎ×Ｃ−Ｍ｜（≒０）よりも大きくなるように設定されている。すなわち、リニアモータ１は、図１中一点鎖線にて示すように、界磁２０の永久磁石２３を電機子１０のコイル１１の端面より軸方向外側に一定量（ストロークＳの半分）突出させ、界磁２０の永久磁石２３と電機子１０のコイル１１とが軸方向と垂直な方向（図１中上下方向）に重ならない範囲においても、可動子を往復移動させる構成となっている。

さらに、ストロークＳは、コイル１１の３個分の軸方向長さの１．６倍以下、すなわち「１．６×３×Ｃ」以下となるように設定されている。このストロークＳの設定範囲は、本願発明者等が永久磁石の軸方向長さ、外径、中空の有無、両端のポールピースの有無等を変更し、様々なモデルで解析、検討した結果、導き出されたものである。以下、図２及び図３を用いて本願発明者等が行ったシミュレーション結果の一例について説明する。

図２に示すように、比較例としてのリニアモータ１′は、電機子１０′と、界磁２０とを備えている。電機子１０′は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つのコイル１１を３組、すなわち９個のコイル１１を軸方向（図２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。またモータフレーム２′は、コイル１１の数が増えた分、上述したリニアモータ１のモータフレーム２よりも軸方向長さが長く形成されている。リニアモータ１′の界磁２０を含むその他の構成は、上述のリニアモータ１と同様である。

このような構成であるリニアモータ１′では、ストロークＳが「ｎ×Ｃ−Ｍ」（≒３Ｃ）以下に設定されるのが通常である。すなわち、リニアモータ１′は、界磁２０の永久磁石２４と電機子１０のコイル１１とが軸方向と垂直な方向（図２中上下方向）に重なる範囲内でのみ可動子を往復移動させる。

図３に、図１に示す本実施形態のリニアモータ１と、図２に示す比較例のリニアモータ１′における、損失を同じとした場合におけるストロークＳ（ｍｍ）と推力（Ｎ）の関係を示す。図３に示すように、損失を同じとした場合、リニアモータ１，１′で出力可能な推力の大きさはほぼ同じであることが分かる。また、比較例のリニアモータ１′では、永久磁石２３がコイル１１の端面（ストロークＳが±０．５×３Ｃの位置）より軸方向外側に突出すると推力が大幅に低下するが、本実施形態のリニアモータ１では、永久磁石２３のコイル端面からの突出量がコイル１１の３個分の軸方向長さ３Ｃの０．８倍となるまで推力の低下を抑制できることが分かる。したがって、適用ストローク範囲は３Ｃの１．６倍「１．６×３Ｃ」となり、特にストロークの短いモータに有効であると言える。

以上説明した実施形態のリニアモータ１では、ストロークＳが少なくとも｜ｎ×Ｃ−Ｍ｜よりも大きくなるように設定されている。すなわち、ストロークＳを「ｎ×Ｃ−Ｍ」以下に設定し、界磁２０の永久磁石２３と電機子１０のコイル１１とが軸方向と垂直な方向に重なる範囲内でのみ可動子を往復移動させていた従来のリニアモータとは異なり、本実施形態のリニアモータ１では、界磁２０の永久磁石２３を電機子１０のコイル１１の端面より軸方向外側に一定量突出させ、界磁２０の永久磁石２３と電機子１０のコイル１１とが軸方向と垂直な方向に重ならない範囲においても、可動子を往復移動させる。

これにより、同じストロークを得るのに従来構造と比べて電機子１０のコイル１１の個数を少なくすることができる。その結果、リニアモータ１の全長を短くすることが可能となり、モータの小型化及び軽量化を図ることができる。また、電機子１０のコイル１１が少なくなる分、モータの設置スペースが小さくなり、そのスペースを他の目的に使用することができる。

また、本実施形態では特に、電機子１０と界磁２０が「ｎ×Ｃ≒Ｍ」、すなわち、コイル組立体１２と永久磁石組立体２４の軸方向長さが略等しくなるように構成されている。このような構成においては、ストロークＳを｜ｎ×Ｃ−Ｍ｜以下に設定していた従来のリニアモータでは「ストロークＳ≒０」となりストロークを確保することができないが、本実施形態のリニアモータ１では、界磁２０の永久磁石２３を電機子１０のコイル１１の端面より軸方向外側に一定量突出させて可動子を往復移動させるため、ストロークを確保することができる。

また、図３に示すシミュレーション結果に示すように、「ｎ×Ｃ＞Ｍ」の関係を満たす構成であるリニアモータ１′において永久磁石２３をコイル１１の端面より軸方向外側に突出させて可動子を往復移動させる場合、永久磁石２３がコイル端面より突出すると推力が大幅に低下するが、「ｎ×Ｃ≒Ｍ」の関係を満たす構成である本実施形態のリニアモータ１においては、永久磁石２３のコイル端面からの突出量がコイル１１の３個分の軸方向長さ３Ｃの０．８倍となるまで推力の低下を抑制できる。したがって、推力低下を抑制しつつ、モータの小型化及び軽量化を図ることができる。

また、本実施形態では特に、界磁２０は、軸方向に磁化された永久磁石２３により形成された永久磁石組立体２４を有している。これにより、永久磁石２３により生じる磁束の向きを軸方向とすることができるので、軸方向と垂直な方向に磁化された永久磁石を界磁２０に用いる場合（すなわち磁束の向きが軸方向と垂直である場合）に比べて、永久磁石２３をコイル１１の端面から突出させて、永久磁石２３とコイル１１とが軸方向と垂直な方向に重ならない範囲となる際に、推力に寄与する磁束の減少を抑え、推力の低下を抑制することができる。

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）リニアモータがエンコーダ部及び磁気遮蔽板を有する場合
本変形例のリニアモータ１Ａは、電機子１０及び界磁２０並びにモータフレーム２等を有するモータ電磁部７の一方側に、可動子の位置を検出するエンコーダ部３０を有している。

エンコーダ部３０は、この例では磁気式のリニアエンコーダとして構成されている。このエンコーダ部３０は、スケール取付軸３４（図４中左側）に設けられ、磁気パターンが形成されたスケール３１と、スケール３１に設けられた磁気パターンによる磁界を検出するセンサ３２と、エンコーダカバー３３とを有している。

一方、モータ電磁部７においては、直動軸２１における永久磁石組立体２４の一方側端面に磁気遮蔽板４０が設けられている。この磁気遮蔽板４０は、鉄等の強磁性体で構成された板状部材であり、直動軸２１の外周面よりモータフレーム２の内周面近傍まで半径方向に沿って延設されている。さらに、磁気遮蔽板４０には、非磁性材であるスケール取付軸３４が設けられ、モータ電磁部７の界磁２０より発生する磁界がエンコーダ部３０に及ぼす影響を抑制する。リニアモータ１Ａの他の構成は、前述のリニアモータ１と同様である。

次に、本変形例の効果について説明する。本変形例のように直動軸２１における永久磁石組立体２４のエンコーダ部３０側に磁気遮蔽板４０を設ける場合、磁気遮蔽板４０は、磁気遮蔽効果を大きくするために、永久磁石組立体２４になるべく近い位置に、モータフレーム２の内周面との隙間がなるべく小さくなるように設けるのが好ましい。

このとき、例えば図２に示すようなストロークＳを「ｎ×Ｃ−Ｍ」以下に設定する従来のリニアモータ１′では、磁気遮蔽板を永久磁石組立体２４の端面近傍に設けようとした場合には、永久磁石組立体２４の端面より少なくともストロークＳ分離れた位置に設ける必要があり、永久磁石組立体２４に近い位置に設けることができない。

これに対し、本変形例においては、電機子１０のコイル組立体１２と界磁２０の永久磁石組立体２４の軸方向長さが略等しくなるように構成されているため、図４に示すように、磁気遮蔽板４０を永久磁石組立体２４の端面よりストロークＳ／２分離れた位置に設けることができる。これにより、磁気遮蔽効果を大きくすることができる。

（２）その他
以上では、コイル組立体１２と永久磁石組立体２４の軸方向長さが略等しくなるように構成されたリニアモータを説明したが、必ずしも等しくする必要はない。例えば図２に示すような「ｎ×Ｃ＞Ｍ」となるようなリニアモータ１′において、界磁２０の永久磁石２３を電機子１０のコイル１１の端面より軸方向外側に一定量（ストロークＳの半分）突出させて用いてもよい。但し、この場合には推力低下が許容範囲内となるようにストロークＳを設定する必要がある。

また以上では、電機子１０が６個のコイル１１を有し、界磁２０が２個の永久磁石２３を有する構成としたが、このコイル１１及び永久磁石２３の数は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、最も簡素な構成としては、電機子１０がＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つのコイル１１を１組（コイル１１は３個）有し、界磁２０が３個のコイル１１の軸方向長さと略等しい長さである１つの永久磁石２３を有する構成としてもよい。この場合にも上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

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 モータフレーム
１０ 電機子
１１ コイル
１２ コイル組立体
２０ 界磁
２１ 直動軸
２３ 永久磁石
２４ 永久磁石組立体
３０ エンコーダ部
３４ スケール取付軸
４０ 磁気遮蔽板

Claims (3)

1. 複数の環状のコイルを軸方向に並設して形成された筒状のコイル組立体を有する電機子と、
   前記電機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、及び、前記直動軸に設けられたＮ個（Ｎは２以上の整数）の永久磁石を含む永久磁石組立体を有する界磁と、を備え、
   前記電機子と前記界磁のいずれか一方を固定子、他方を可動子として、前記可動子を前記固定子に対し往復移動させるリニアモータであって、
   前記Ｎ個の永久磁石のそれぞれは、軸方向に磁化されており、
   前記コイルの個数をｎ、前記コイルの軸方向長さをＣ、前記永久磁石組立体の軸方向長さをＭとするとき、ｎ×Ｃと、Ｍと、を略等しくするとともに、
   前記永久磁石組立体を前記コイル組立体の存在する略軸方向長さ範囲内に位置させる第１状態と、前記永久磁石組立体を前記コイル組立体の端面より軸方向両側のいずれかに突出する第２状態との間で、前記可動子を往復移動させる
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記電機子の外周側に設けられたモータフレームの一方側に位置し、前記可動子の位置を検出する磁気式のエンコーダ部と、
   前記直動軸における前記永久磁石組立体の一方側端面近傍に位置し、前記直動軸の外周面より前記モータフレームの内周面近傍まで半径方向に沿って延設された磁気遮蔽板と、をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記電機子の前記コイル組立体が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つの前記コイルを少なくとも１組有する三相交流モータであり、
   ストロークＳは、（１．６×３×Ｃ）以下となるように設定されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ。
   

Images