JP6340219B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータに関する。

特許文献１には、筒状のヨークの内周面に配設したコイルの周囲に生じる移動磁界を利用して、ロッド外周面に配設した永久磁石を吸引することで、ヨークとロッドを軸方向に相対変位させるリニアモータが開示されている。

特開２００９−２５４０２５号公報

リニアモータは、自動車や航空機等における駆動アクチュエーションシステムや制振アクチュエーションシステムの駆動源として利用される。リニアモータではロッドの永久磁石とヨークのティースとの間にディテント力（磁気吸引力）が生じることが知られており、ディテント力の大きさはロッドとヨークの軸方向相対位置に応じて周期的に変動する。

このようなリニアモータは高い軸方向推力を発生するとともにスムーズに動作するものが望まれているが、これを実現するためには、リニアモータにおいて発生するディテント力を低減する必要がある。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ディテント力を低減することが可能なリニアモータを提供することを目的とする。

本発明は、筒状のヨークと、前記ヨークを軸方向に挿通するロッドとを備え、前記ヨークと前記ロッドを軸方向に相対変位させるように構成されたリニアモータであって、前記ヨークの内周面から径方向に突出するとともに、軸方向に並設される複数のティースと、隣接する前記ティースの間に形成されるスロットと、巻線が前記ロッドの軸周りに巻き回されてリング状に形成され、各スロット内に配設されるコイルと、前記ロッドに軸方向に並んで保持される複数の永久磁石と、を備え、軸方向の最も外側に位置する２つの前記スロットのうち少なくとも一方の前記スロットは、そのスロット幅がその他の前記スロットのスロット幅よりも狭くなるように構成されることを特徴とする。

本発明によるリニアモータでは、軸方向の最も外側に位置する２つのスロットのうち少なくとも一方のスロットのスロット幅が、その他のスロットのスロット幅よりも狭くなるように設定される。そのため、ロッド及びヨークがディテント力が最大となる位置関係にある場合、ヨーク端近傍の永久磁石の磁極が、幅狭スロットの外側に位置するティースの中央位置と幅狭スロットの中央位置の間の中間位置からヨーク軸方向に離れた位置に位置することとなる。これにより、ヨーク端近傍の永久磁石から幅狭スロットの外側に位置するティースへの磁束の入り込み量を減少させることができ、全スロットが同一幅に設定される従来のリニアモータと比較して、リニアモータで発生するディテント力の最大値を低減することができる。

本発明の実施形態によるリニアモータを含むアクチュエーションシステムの概略構成図である。 本実施形態によるリニアモータの一部を示す断面図である。 本実施形態によるリニアモータの等価電気回路を示す図である。 本実施形態によるリニアモータの右端の拡大図である。 本実施形態の変形例によるリニアモータの右端の拡大図である。

図１を参照して、本発明の実施形態によるリニアモータ１００を備えるアクチュエーションシステム１について説明する。

アクチュエーションシステム１は、ヨーク１０及びロッド２０を有するリニアモータ１００と、リニアモータ１００を載置するための載置部２と、載置部２に立設されロッド２０の両端を支持する支持部３と、載置部２上に配置されるレール４と、ヨーク１０が固定されるとともにレール４に沿って移動するキャリア５と、を備える。リニアモータ１００が駆動されると、ヨーク１０がキャリア５とともにレール４に沿って移動する。アクチュエーションシステム１では、ヨーク１０に部品等の駆動対象を設置することで、当該駆動対象を直線的に移動させることができる。

なお、アクチュエーションシステム１は、駆動対象を駆動する駆動アクチュエーションシステムとして構成されているが、このような構成に限られるものではない。リニアモータ１００のヨーク１０を相対変位する２つの部材の一方の部材に取り付け、リニアモータ１００のロッド２０を他方の部材に取り付けることで、これら部材の相対変位を抑制する制振用のアクチュエーションシステム１としてもよい。

次に、図２を参照して、アクチュエーションシステム１の駆動源であるリニアモータ１００の構成について説明する。

リニアモータ１００は、８極１２スロット型のリニアモータとして構成されている。リニアモータ１００は、筒状のヨーク１０と、ヨーク１０の内部をヨーク軸方向に挿通するロッド２０と、ヨーク１０に設けられる複数のコイル３０と、ロッド２０に保持される複数の永久磁石２１と、を備える。リニアモータ１００では、交流電流をコイル３０に通電した時に当該コイル３０の周囲に生じる移動磁界を利用して、ロッド２０に保持される永久磁石２１を吸引することで、ヨーク１０とロッド２０を軸方向に相対変位させる推力が発生する。

ヨーク１０は、軟鉄等の磁性体によって形成される円筒部材である。ヨーク１０は、その内周面からヨーク中心に向かって突出し、軸方向に並設されるティース１１を備える。ティース１１は、軸方向に沿って１３個並設されており、ヨーク１０の両端間に所定の間隔をあけて配置されている。

ヨーク１０の両端以外に位置する１１個のティース１１（以下、必要に応じて中央側のティース１１と称する。）は、ヨーク１０の内周面から立設すると共に内周方向に延設される立設部１１Ａと、立設部１１Ａの先端に設けられる先端部１１Ｂと、を備える。ティース１１の先端部１１Ｂの端面は、ロッド２０の外周面に対向するように構成されている。先端部１１Ｂの幅（ヨーク軸方向の厚さ）は、立設部１１Ａの幅（ヨーク軸方向の厚さ）よりも広く設定されている。また、先端部１１Ｂの幅は、ヨーク中心に向かって徐々に広くなるように形成されている。

ヨーク１０の軸方向の最も外側の２個のティース１１（以下、必要に応じて外側のティース１１と称する。）は、ヨーク１０の両端に配置される。外側のティース１１は、立設部１１Ａのみを備え、その先端に先端部１１Ｂは設けられていない。したがって、外側のティース１１は、根元（ヨーク１０の内周面側）から先端までの幅が一定な円環状平板部材として形成される。外側のティース１１においては、立設部１１Ａの先端面がロッド２０の外周面に対向する。

軸方向に隣接するティース１１，１１の間の空間は、環状溝として形成され、コイル３０を配置するためのスロット１２を構成する。リニアモータ１００ではティース１１が１３個設けられるため、スロット１２の数は１２個となる。これら各スロット１２にコイル３０が１つずつ配置される。

リニアモータ１００では、ヨーク１０の軸方向の最も外側、つまりヨーク１０の両端に位置する２個のスロット１２は、その幅Ｗ１がそれ以外の１０個のスロット１２の幅Ｗ２よりも狭くなるように構成されている。以下、必要に応じて、幅の狭いスロット１２を外側のスロット１２と称し、幅の広いスロット１２を中央側のスロット１２と称する。

コイル３０はスロット数に対応して１２個設けられ、１２個のコイル３０は４個のＵ相コイル３１と、４個のＶ相コイル３２と、４個のＷ相コイル３３とから構成されている。

各相コイル３１，３２，３３は、絶縁被覆された巻線３０Ａがロッド２０の軸周りに巻き回されてリング状に形成されている。なお、図２では、Ｗ相コイル３３の巻線３０Ａの一部を図示し、その他を省略している。

また、各相コイル３１，３２，３３は、左端側のスロット１２から右端側のスロット１２に、Ｗ相コイル３３、Ｕ相コイル３１、Ｖ相コイル３２の順番で一相ずつ交互に配設されている。

外側のスロット１２のスロット幅Ｗ１は中央側のスロット１２の幅Ｗ２よりも狭くなっているが、外側のスロット１２に配置されるコイル３２，３３の巻線３０Ａの巻き数は、中央側のスロット１２に配置されるコイル３１，３２，３３の巻線３０Ａの巻き数と同一に設定されている。

ヨーク１０と同軸に配置されるロッド２０は、ステンレス鋼等の非磁性体によって形成された筒状部材である。ロッド２０は、軸方向に貫通する貫通孔２０Ａを有している。図１に示すように、ロッド２０の両端は、載置部２に設けられた支持部３に固定されている。

図２に示すように、ロッド２０の貫通孔２０Ａには、複数の永久磁石２１が軸方向に並んで保持される。永久磁石２１は、円柱状に形成されており、軸方向にＮ極とＳ極が現れるように着磁されている。これら永久磁石２１は等間隔に設けられており、隣り合う永久磁石２１，２１は同極同士が対向するように配置されている。また、隣り合う永久磁石２１，２１の間には、磁性体により形成された円柱状継鉄２２が設けられている。

図３に示すように、リニアモータ１００では、４個のＵ相コイル３１は直列に接続されており、４個のＶ相コイル３２及び４個のＷ相コイル３３も同相コイル同士が直列に接続されている。先端側のＵ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３の端部はＹ結線されており、後端側のＵ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３の端部はドライバ４０に接続されている。

ドライバ４０は、Ｕ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３への交流電流の供給を制御する制御装置として構成されている。ドライバ４０は、図示しない位置センサにより検出されるヨーク１０とロッド２０との相対位置情報に基づいて、交流電流の周波数や通電タイミング等を制御する。これにより、リニアモータ１００における推力や推力発生方向が調整され、その推力によってヨーク１０及びロッド２０が直線的に相対移動する。

次に、図４を参照して、リニアモータ１００で発生するディテント力について説明する。

ロッド２０に配置される永久磁石２１から発生した磁束がティース１１に作用することで、磁極として機能する円柱状継鉄２２とティース１１との間にディテント力が発生する。ディテント力は、ヨーク１０の移動に対する抵抗として作用する。ディテント力の大きさは、ロッド２０とヨーク１０の軸方向相対位置に応じて周期的に変動する。

８極１２スロット型リニアモータ１００では、ロッド２０及びヨーク１０が図４に示す位置関係にある時、つまり右側から４番目のティース１１の中央位置Ｐ２と右側から４番目のスロット１２の中央位置Ｐ３との間の中間位置Ｐｃに円柱状継鉄２２の中央位置Ｐ１が一致する時に、ディテント力は最も大きくなる。

リニアモータ１００ではヨーク１０の両端に位置するスロット１２の幅Ｗ１がその他のスロット１２の幅Ｗ２よりも狭く設定されているので、ヨーク１０の両端に位置するティース１１は、全スロットが同一の幅Ｗ２に設定される従来のリニアモータの両端のティース（図４の破線参照）と比較して、内側に位置することとなる。したがって、図４に示すようにロッド２０及びヨーク１０がディテント力が最大となる位置関係にある場合、従来のリニアモータでは両端のティース（破線）とスロット間の中間位置に円柱状継鉄の中央位置が位置するのに対し、リニアモータ１００では両端のティース１１とスロット１２間の中間位置からずれて円柱状継鉄２２の中央位置が位置している。

このように最も外側のティース１１とスロット１２間の中間位置から円柱状継鉄２２の中央位置がずれた位置にあるため、ヨーク端近傍の永久磁石２１から生じる磁束が外側のティース１１に流れこみにくくなる。したがって、リニアモータ１００では、ヨーク１０の両端に位置するティース１１への磁束の入り込み量を減少させることができ、従来のリニアモータと比較してディテント力の最大値を低減することができる。

なお、リニアモータ１００では、円柱状継鉄２２は必ずしも設ける必要はなく、各永久磁石２１を直接隣接させてもよい。このように円柱状継鉄２２を省略する場合においても、ロッド２０及びヨーク１０が図４に示す位置関係にある時に、最も外側のティース１１とスロット１２間の中間位置から永久磁石２１の端部（磁極）がずれて位置するため、両端のティース１１への磁束の入り込み量が低減される。

上記した本実施形態によるリニアモータ１００によれば、以下の効果を得ることができる。

リニアモータ１００では、軸方向の最も外側に位置する２つのスロット１２の幅Ｗ１はその他のスロット１２の幅Ｗ２よりも狭くなるように設定される。そのため、図４に示すようにロッド２０及びヨーク１０がディテント力が最大となる位置関係にある場合において、ヨーク端近傍の永久磁石２１の磁極（円柱状継鉄２２）が、ヨーク１０の両端に位置するティース１１の中央位置とスロット１２の中央位置の間の中間位置からずれて位置する。その結果、リニアモータ１００では、ヨーク端近傍の永久磁石２１から最も外側に位置するティース１１への磁束の入り込み量を減少させることができ、前述した従来のリニアモータと比較して、ディテント力の最大値を低減することができる。これにより、リニアモータ１００をスムーズに動作させることが可能となる。

なお、リニアモータ１００では、軸方向の最も外側に位置する２つのスロット１２の幅を狭くしたが、軸方向の最も外側に位置する２つのスロット１２の一方のみの幅を狭くしてもよい。

また、リニアモータ１００では、最も外側のスロット１２に配置されるコイル３２，３３の巻線３０Ａの巻き数と、中央側のスロット１２に配置されるコイル３１，３２，３３の巻線３０Ａの巻き数とは同一に設定される。最も外側のスロットのコイルの巻き数を幅の狭いスロットの容積に応じて少なくするとリニアモータで発生する推力が低下してしまうが、リニアモータ１００では、最も外側のスロット１２のコイル３２，３３の巻き数をその他のコイル３１，３２，３３の巻き数と同じにするので、推力低下を抑制することができる。

さらに、リニアモータ１００では、最も外側に位置するティース１１は、立設部１１Ａのみを備える円環状平板部材として形成されるため、立設部１１Ａよりも幅広に形成される先端部１１Ｂを備えるティース１１と比較して、永久磁石２１から最も外側に位置するティース１１への磁束の入り込み量を低減することができる。したがって、ヨーク１０の両端に生じるディテント力を低減することができる。

次に、図５を参照して、本実施形態の変形例によるリニアモータ１００について説明する。

図５に示す変形例によるリニアモータ１００では、最も外側に位置するティース１１のヨーク内周面からの突出量Ｈ１が、中央側のティース１１の突出量Ｈ２よりも小さく設定される。

このようにヨーク１０の両端に位置するティース１１を構成することで、ティース１１の先端とロッド２０とのエアギャップが大きくなり、かつティース側面の面積が小さくなる。そのため、ヨーク端近傍の永久磁石２１からこれらティース１１の先端及び側面への磁束（図５の破線矢印参照）の入り込み量を低減することができる。これにより、ヨーク１０の両端に生じるディテント力をさらに低減することができ、リニアモータ１００の動作をよりスムーズなものとすることができる。

変形例によるリニアモータ１００では、外側のティース１１の突出量Ｈ１のみを小さく設定し、中央側のティース１１の突出量Ｈ２はできるだけ高く互いに同一に設定することが好ましい。このようにティース１１の突出量Ｈ１，Ｈ２を設定することにより、ヨーク１０の両端に生じるディテント力を低減させつつ、推力は従来のリニアモータとほぼ同等に維持することができる。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなし得ることは明白である。

本実施形態によるリニアモータ１００は、ヨーク１０内の永久磁石２１が８個でスロット１２が１２個の８極１２スロット型としたが、この構成に限られるものではない。リニアモータ１００は、その他の極数やスロット数を持つリニアモータとして構成してもよい。

また、リニアモータ１００では、ロッド２０の貫通孔２０Ａ内に複数の永久磁石２１を軸方向に並べて固定したが、永久磁石２１の配置はこれに限られるものではない。例えば、リング状に形成した永久磁石２１をロッド２０の外周に外嵌めし、複数の永久磁石２１をティース１１の先端と対向するように軸方向に並べて配置してもよい。

１００ リニアモータ
１０ ヨーク
１１ ティース
１１Ａ 立設部
１１Ｂ 先端部
１２ スロット
２０ ロッド
２１ 永久磁石
３０ コイル
３１ Ｕ相コイル
３２ Ｖ相コイル
３３ Ｗ相コイル
４０ ドライバ

Claims (4)

1. 筒状のヨークと、前記ヨークを軸方向に挿通するロッドとを備え、前記ヨークと前記ロッドを軸方向に相対変位させるように構成されたリニアモータであって、
   前記ヨークの内周面から径方向に突出するとともに、軸方向に並設される複数のティースと、
   隣接する前記ティースの間に形成されるスロットと、
   巻線が前記ロッドの軸周りに巻き回されてリング状に形成され、各スロット内に配設されるコイルと、
   前記ロッドに軸方向に並んで保持される複数の永久磁石と、を備え、
   軸方向の最も外側に位置する２つの前記スロットのうち少なくとも一方の前記スロットは、そのスロット幅がその他の前記スロットのスロット幅よりも狭くなるように構成される、
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. スロット幅の狭い前記スロットに配置される前記コイルの巻き数は、スロット幅の広い前記スロットに配置される前記コイルの巻き数と同一に設定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. スロット幅の狭い前記スロットを形成するとともに、軸方向の最も外側に位置する前記ティースは、その突出量がその他の前記ティースの突出量より小さくなるように構成される、
   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。
4. スロット幅の狭い前記スロットを形成するとともに、軸方向の最も外側に位置する前記ティースは、前記ヨークの内周面から径方向に立設する立設部を備え、
   その他の前記ティースは、前記ヨークの内周面から径方向に立設する立設部と、当該立設部の先端に設けられ、当該立設部よりも幅広に形成される先端部と、を備える、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のリニアモータ。

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