JP6349136B2 - リニアモータ及びそれを用いた機器 - Google Patents
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Description
また、積層コアを採用する場合は、その分解を防止するために何らかの固定手段を施す必要があるが、この点について特許文献2は何ら開示していない。特に、コアがいわゆる上下方向に分割可能である場合に、例えば、上側、真ん中、下側のコア部品をそれぞれどのように固定するのかについての開示がなされていない(図17(b)参照)。なお、特許文献2は、複数の磁極に巻線を巻回しているため、特許文献1と同様に装置が大型化する。
図1乃至図13を用いて、実施例1に係るリニアモータを説明する。以下、X方向、Y方向、Z方向は図面に示す通りの方向を表す。また、X方向、Y方向、Z方向を、それぞれ左右方向、上下方向、前後方向と呼称することがあるが、上下方向が重力方向と平行である必要はない。例えば、左右方向、前後方向、それ以外の方向が重力方向と平行であることを許容する。
本実施例の隣り合う永久磁石5の磁化方向51は、互いに反対向きになっているが、複数枚の永久磁石5毎に磁化方向51が反対向きになっていても良い。
永久磁石保持部材52で保持された複数個の永久磁石5を有する可動子が、電機子100と前後方向に相対的に直線運動(水平移動)をするリニアモータである。三つの電機子100、101、102を、電気的に位相が各120°ずれるように配置することで三相リニアモータが構成できる。同様にm個の電機子でm相駆動のリニアモータを構成できる。
なお、磁性体13は、磁束が通過する経路を形成して磁気回路を構成できればよく、必ずしも一体である必要はない。また、磁極歯を繋ぐ磁性体13は、必ずしもその全体が磁性体である必要はなく、磁束が通過する経路を形成して磁気回路を形成できればよい。
上側磁極歯11と下側磁極歯12が対向する空間を通って、永久磁石5を有する可動子と、磁性体13を含む固定子とが相対移動する。
図4に、第一巻線2a及び第二巻線2bが第一の磁極歯組の間の空間と第二の磁極歯組の間の空間に作る磁束の向きを白抜き矢印で示す(一般に、リニアモータは、永久磁石の位置によって、巻線に流す電流の大きさや電流の向きを時間的に変化させる。図4は、或る時刻において第一巻線2a、第二巻線2bに流れる電流が、空間に作る磁束を示している)。
第一巻線2a、第二巻線2bにより生じた磁束71は、第一の磁極歯組の間の空間又は第二の磁極歯組の間の空間を一回通過する経路を形成する。図10を参照して、磁束71の例として、第一巻線2aによって生じる磁束71aを考える。磁束71aは、上側磁極歯11a、磁性体13(Y方向上部の磁性体13a、Y方向の中央側の磁性体13b、Y方向下部の磁性体13c)、下側磁極歯12a、第一の磁極歯組の間の空間、を通り、上側磁極歯11aに戻る経路(第一の経路)を通過する。同様の経路のため図示しないが、第二巻線2bにより生じた磁束71は、第二の磁極歯組を通過する経路を形成する。但し、第一巻線2aにより生じた磁束とは逆向きとなる。
また、磁性体13bは、磁性体13a、13cを繋ぐことで、それぞれの磁極歯組の上側磁極歯と下側磁極歯とを繋いでいる。これにより、第一の経路が形成される。
説明のため、第一の経路、第二の経路共に、永久磁石5が磁束の経路に与える影響は無視した。
本実施例では、磁極歯11,12に設けた第一巻線2a、第二巻線2bを電機子100(磁性体13)の外側に連通させる連通穴81(図1及び図3等参照)を、電機子100の側面(前後方向に平行な面)に形成している。側面視において、電機子100の二つの磁極歯組の間に連通穴81を形成すると好ましい。連通穴81を介して、第一巻線2a、第二巻線2bに冷却風を供給可能になるため、冷却性能の向上が図れる。また、連通穴81を利用することで第一巻線2a、第二巻線2bの配線の引き出し性が向上する。なお、連通穴81の有無に拘わらず、磁束は磁気ポテンシャルに従い流れるため、本実施例によるモータ駆動は実現可能である。
本実施例のリニアモータは、図1等に示すように、前後方向に沿った電気抵抗部を磁性体13に有する。本実施例ではスリット33を設けて空気層を形成している。
電気抵抗部は、磁性体13に設けた同種又は異種の材料の接触部で生じる接触抵抗によっても実現できる。例えば、複数個の磁性体材料を面接触等させて電気抵抗部としても良い。
また、電気抵抗部は、必ずしも磁性体13の電気抵抗よりも大きな電気抵抗を有する材料を使用する必要はない。例えば、磁性体13の電気抵抗よりも小さな電気抵抗を有する材料を用いても、それらの接触抵抗等を考慮して、全体として電機子100の前後方向に電気抵抗が上昇した部分が作成できればよい。
また、図12に示すように、さらにZ方向に磁性体13を積層してもよい。これにより左右方向に沿って磁性体13の接触面が生じるので、接触抵抗によって第一の経路を流れる磁束によって生じる渦電流を抑制できる。
図14乃至図18に、本発明のリニアモータの実施例2を示す。本実施例のリニアモータは以下の点を除き実施例1と同様の構成である。図14は、本実施例のリニアモータの斜視図である。磁性体13には電気抵抗部としてスリット33が設けられている。スリット33には冷却パイプ20が設置されている。冷却パイプ20の内側には、冷却水等を流すことができる。冷却パイプ20をスリット33に挿入して配置することで、XY平面内の寸法を大きくすることなく、冷却性能を改善できる。
図16は、本実施例のリニアモータの正面図である。磁性体13には、前後方向に貫通した固定用穴57を設けている。固定用穴57にシャフト等を通して各電機子を固定したり、電機子間にカラー、スペーサなどを挟み込み間隔を調整することができる。前後方向に電磁鋼板等を積層して磁性体13を構成する場合、磁性体13が分解しないように固定する必要がある。固定用穴57にボルト等を挿通することで、電機子の大型化を抑制しつつ磁性体13の固定が可能である。なお、本実施例の磁極歯11,12は平坦形状であるから、積層する電磁鋼板の形状を少数種類とすることができる。
図17は、図15のC−C断面図である。但し、図17においては冷却パイプ20の図示を省略している。電機子100の表面(例えば上方向側の表面)から、この表面側に設けた巻線2の表面側の端部(例えば巻線2の上側面)までの距離を巻線深さ40とする。また、電機子100の表面(例えば上方向側の表面)に設けたスリット33の深さ(スリット33の一端から他端までの距離)をスリット深さ41とする。巻線深さ40に対し、スリット深さ41が、不等式(スリット深さ41)>(巻線深さ40)を満たすようにすると、スリット33が巻線2の囲む体積の内側まで達する。このため、外部から冷却風などをあてることにより、巻線2の内側から冷却することができる。これにより、巻線2に流すことのできる電流値の限界が増加し、推力の大きなリニアモータが実現できる。また、同一推力であれば、小型化が実現できることは言うまでもない。また、不等式(スリット深さ41)≧(巻線深さ40)を満たすようにし、スリット33に冷却パイプ20を配置すると、巻線2に冷却パイプ20を接触させることができる。冷却パイプ20を巻線2に接触するように設けると、冷却性能をより向上できる。
図19乃至図22に、本発明のリニアモータの実施例3を示す。本実施例のリニアモータは三相駆動に係り、以下の点を除き、実施例1又は2と同様の構成である。
本実施例の電機子100は、上下方向にそれぞれ対向した磁極歯11a1,12a1からなる第一の磁極歯組、磁極歯11a2,12a2からなる第二の磁極歯組に加え、磁極歯11a3,12a3からなる第三の磁極歯組を有する。それぞれの磁極歯組の一方又は両方の磁極歯には、それぞれ第一巻線2a,第二巻線2b,第三巻線2cを設けている。隣接する巻線、すなわち、第一巻線2aと第二巻線2b、第二巻線2bと第三巻線2cとに流れる電流の位相差は、略120°とする。これにより、一つの電機子100により、U相、V相、W相を構成可能である。この場合、第一巻線2a、第二巻線2b及び第三巻線2cのうち一つは、少なくとも残りの巻線2のうち一つと逆向きの磁束を供給することになる。
電機子100には、連通穴81として、二つの連通穴81a、81bを設けている。冷却性能の観点からは、連通穴81a,81bは、側面視においてそれぞれ第一の磁極歯組と第二の磁極歯組との間、第二の磁極歯組と第三の磁極歯組との間、に設けると好ましい。なお、連通穴81の有無に拘わらず、磁束は磁気ポテンシャルに従い流れるため、本実施例による三相駆動は実現可能である。
このように構成すると、一の電機子100によって三相駆動が実現できる。そして、図19に示すように、いずれかの磁極歯組を通過する磁束71の経路である第一の経路がそれぞれ形成される。また、図20(a)に示すように、第二の経路として、二つの磁極歯組を通過する経路が各時刻で二つ形成される。このため、実施例1と同様の効果が得られる。
本実施例では、電機子100の三つの磁極歯組に対し、可動子には永久磁石5が二つ並んでいる。このようにして、図20(b)のように、第一巻線2aにU相の電流を流し、第二巻線2bにV相の電流を流し、第三巻線2cにW相の電流を流すことでリニアモータが駆動する。
なお、実施例1等で述べたように、U相、V相、W相をそれぞれ別々の電機子100,101,102により実現することもできる(図21、図22参照)。U相、V相、W相の電機子の各巻線2は、U相とV相間で電気的な位相差が略120°、V相とW相間で電気的な位相差が略120°である。第二の経路をそれぞれ形成する電機子100,101,102は、前後方向に磁極歯組を二つ有している。各相の二つの磁極歯組の位相差は、それぞれ略180°である。すなわち、各電機子が有する二つの磁極歯組それぞれに設けた巻線2は、互いに逆向きの磁束を供給する。
第一巻線2aと、第二巻線2bは電気的な位相が略180°ずれるようにされており、第一巻線2aの作る磁束と、第二巻線2bの作る磁束の向きが上下方向で互いに反対になる。これにより、第二の経路を形成する。
図23乃至図25に、本発明のリニアモータの実施例4を示す。図23は本実施例のリニアモータの斜視図であり、図24は、本実施例のリニアモータの側面断面図である。本実施例のリニアモータは以下の点を除き、実施例1乃至3の構成と同様である。本実施例のリニアモータは、可動子の運動方向である前後方向に直交する上下方向に複数の可動子を有する。これにより、リニアモータの小型化等を実現できる。
図23、図24に示すように、本実施例のリニアモータは、Y方向に並んだ二つの可動子を有している。説明のため、Y方向上側の可動子を「上側可動子」、下側の可動子を「下側可動子」と呼ぶ。
一方、本実施例のように、電機子100が複数の可動子6と相対移動するように構成した場合は、鉄心連結部58を流れる磁束は相殺される。このため、磁路幅70aに比べて磁路幅70cを狭くできる。つまり、(磁路幅70a)>(磁路幅70c)とすることができる。これにより、リニアモータのY方向の高さを小さくすることができ、小型のリニアモータを提供できる。なお、磁路幅70aと磁路幅70cは、固定用穴57の上下方向長さ以上である。こうすると、前後方向に電磁鋼板を積層して磁性体13を構成し、固定用穴57にボルト等を挿通することができて好ましい。
図26に、本発明のリニアモータの実施例5を示す。本実施例のリニアモータは、以下の点を除き実施例1乃至4の構成と同様である。
本実施例は、磁性体13を外側部品13aと内側部品13bの二種類の組合せに分割可能としたものである。一例として、可動子をY方向に四つ並べて有するリニアモータの正面断面図を図26(a)に示す。本実施例は、巻線2a〜2hが作る磁束の方向を同じ向きにしている。段数を増やしていくことにより、磁路幅70aに対する磁路幅70cの個数比が増加するため、小型のリニアモータを構成できる。さらに、各巻線2a〜2hの作る磁束は、それぞれの磁極歯組を通過するため、相互作用によって、リニアモータの推力をより大きくできる。
なお、固定用穴57の形状を、左右方向に平坦な形状としても良い。この場合、磁路幅70cを最小限にしつつ、内側部品を固定可能である。磁路幅70cは、内側部品の下側磁極歯12a及び上側磁極歯11bを設けた部分を支持できる程度の強度を得られる幅ならば良い。
外側部品13aと内側部品13bは、それぞれ連結部45を有している。外側部品13aと内側部品13b、また、内側部品13b同士は連結部45によって互いに連結可能である。以下、図26を参照して連結部の詳細を説明する。
外側部品13aと内側部品13bは、連結部45として、互いに嵌合可能な第一形状の連結部と第二形状の連結部の一方又は両方をそれぞれ有している。本実施例では、外側部品13a及び内側部品13bは、第一形状の連結部として凸条連結部45aを、第二形状の連結部として凹条連結部45bの両方をそれぞれ有している。二つの部品を連結すると、空間を介して対向する磁極歯組を有する部材が構成される。すなわち、一つの可動子が駆動可能な領域を形成可能である。
図26(b)は、凸条連結部45aと凹条連結部45bとを拡大した図である。連結部45により部品間の連結が容易となり、リニアモータ組み立て時の製作性が向上する。連結部が凸条、凹条であるため、積層鋼板等によって外側部品及び内側部品を製造する際に、鋼板の種類を最小限にできるため好ましい。すなわち、凸連結部と凹連結部を形成した複数の鋼板を積層することで、凸条連結部、凹条連結部が形成できる。
外側部品13a及び内側部品13bは、平面視(Y方向視)で略長方形であり、磁極歯の外側に凸条連結部45a、凹条連結部45bを有している。
また、内側部品13bは、一方の磁極歯の外側に凸条連結部45a、凹条連結部45bを有し、それと反対側の磁極歯の外側に凸連結部45a、凹連結部45bを有している。より具体的には、上下方向又は左右方向に隣接する連結部45の種類が異なり、斜向かいの連結部45の種類が同一である。
これにより、内側部品13bは、連結部45を除いて、左右方向、上下方向及び前後方向を回転軸とするとき、二回対称である。すなわち、X軸、Y軸及びZ軸のいずれかについて内側部品13bを半回転させると、連結部45を除いて元の形状と略同一となる。連結部45については、半回転によって種類が変化するように構成している。例えば、Y軸を回転軸として本実施例の内側部品13bを半回転させると、半回転前に凸連結部45aが位置した部分に凹連結部45bが位置し、凹連結部45bが位置した部分に凸連結部45aが位置する。
すなわち本実施例の内側部品13bは、所定の軸周りに半回転させた場合、半回転前後の形状が略同一である。さらに、この回転の前後で、凸連結部45aの位置と凹連結部45bの位置とが入れ替わる。X軸まわり半回転での入れ替わりは、上下方向に隣接する連結部45の種類が異なるためである。Y軸周り半回転での入れ替わりは、左右方向に隣接する連結部45の種類が異なるためである。
上下方向に並ぶそれぞれの巻線2は、同じ向きに磁束を供給するように構成する。ここで、図26(a)に示す本実施例の電機子100の上下方向に並んだ各磁極歯11,12のうち、中央より上側に設けた巻線2a、2b、2c、2dの巻数の和は、上下方向の中央より下側に設けた巻線2e、2f、2g、2hの巻数の和に略等しいと好ましい。すなわち、本実施例の電機子100は、磁極歯組を4つ有するため、磁極歯を2×4つ、すなわち計8つ有する。このため、最上部から数えて一番目から四番目までの4つの磁極歯に巻回した巻線の巻数と、残りの4つの磁極歯に巻回した巻線の巻数とが略等しいと好ましい。このようにすることで、各可動子に印加される上下方向の力のつり合いをとることが容易になる。
本発明は、以下の技術的思想を包含する。
上下方向に空間を介して対向する二つの磁極歯である第一の磁極歯組及び第二の磁極歯組を有し、前記第一の磁極歯組及び前記第二の磁極歯組が前後方向に並んでいる電機子と、
該電機子に対して前後方向に相対移動する可動子と、を備えるリニアモータであって、
前記第一の磁極歯組及び前記第二の磁極歯組のそれぞれの磁極歯は、磁性体で繋がっており、
前記第一の磁極歯組の一方又は両方の磁極歯に巻回した第一巻線と、前記第二の磁極歯組の一方又は両方の磁極歯に巻回した第二巻線と、を有し、
前後方向に沿って、前記磁性体の電気抵抗値より大きな電気抵抗値の電気抵抗部を前記磁性体に設けたことを特徴とするリニアモータ。
前記第一巻線及び前記第二巻線から供給する磁束は、互いに逆向きであり、
前記電気抵抗部を放射状に設けたことを特徴とする付記1に記載のリニアモータ。
前記電機子は、上下方向に空間を介して対向する二つの磁極歯である第三の磁極歯組を有し、
該第三の磁極歯組は、前記磁性体と繋がっており、かつ前記第一の磁極歯組及び前記第二の磁極歯組に対して前後方向に並んでおり、
前記第三の磁極歯組は、一方又は両方の磁極歯に巻回した第三巻線を有し、
前記第一巻線、前記第二巻線及び前記第三巻線のうち一つは、残りの二つのうち少なくとも一つと異なる向きの磁束を供給し、
前記電気抵抗部を放射状に設けたことを特徴とする付記1に記載のリニアモータ。
前記電気抵抗部は、前後方向に沿って、前記磁性体に所定深さを有して設けたスリットであり、
該スリットに冷却パイプを設けたことを特徴とする付記1乃至3何れか一項に記載のリニアモータ。
前記スリットは、磁極歯に巻回された前記第一巻線又は前記第二巻線の囲む体積の内側まで達する深さであることを特徴とする付記4に記載のリニアモータ。
前記冷却パイプを前記巻線と接触させて設けることを特徴とした付記4又は5に記載のリニアモータ。
前記巻線を前記磁性体の外側に連通する連通穴を有することを特徴とする付記1乃至6何れか一項に記載のリニアモータ。
付記1乃至7何れか一項に記載のリニアモータを搭載した機器。
5、5a、5b…永久磁石、
7e1,7e2…鉄心
11、11a、11b、11c、11a1,11a2,11a3…上側磁極歯、
12、12a、12b、12c、12a1,12a2,12a3…下側磁極歯、
13、13a、13b、13c…磁性体、
20…冷却パイプ、
33…スリット(電気抵抗部)、
40…巻線深さ、
41…スリット深さ、
45…連結部
51…永久磁石の磁化方向、
52…永久磁石保持部材、
53ベース板、
55…可動子、
56…連結板、
57…固定用穴、
58…鉄心連結部、
61a、61b、61c、61d…磁束、
70a、70b、70c…磁路幅、
71、72…磁束、
81、81a、81b…連通穴、
85…可動部支持具、
91…駆動装置、
100、101、102…電機子、
200、201…リニアモータ、
350…密閉型圧縮機、
360…冷蔵庫、
361…冷蔵庫本体、
362…冷蔵室、
363…上段冷凍室、
364…下段冷凍室、
365…野菜室、
366…冷却器、
367…機械室、
380…熱交換器、
381…給湯熱交換器、
382…ファン、
385…ヒートポンプユニット、
386…室外機、
390…ショーケース、
391…コンデンシングユニット、
392…商品棚、
393…蒸発器、
394…ファン、
395…冷気ダクト、
396…熱交換器、
397…ファン、
398…電気品箱、
399…アキュムレータ、
400…鉄道車両、
401…室内側熱交換器、
402…室内側ファン、
403…室外側熱交換器、
404…室外側ファン、
405…車両用空調装置、
410…自動車、
411…熱交換器。
Claims (10)
- 電機子に対して前後方向に相対移動する上側可動子及び該上側可動子より下側に設けた下側可動子を有し、
前記電機子は、
前記上側可動子が前記相対移動可能な空間を介して上下方向に対向する二つの磁極歯である上側の第一の磁極歯組と、
前記下側可動子が前記相対移動可能な空間を介して上下方向に対向する二つの磁極歯である下側の第一の磁極歯組と、を有するリニアモータであって、
前記電機子は、
前記上側の第一の磁極歯組の上側磁極歯を有する外側部品と、
前記上側の第一の磁極歯組の下側磁極歯と、前記下側の第一の磁極歯組の上側磁極歯と、を有する内側部品と、前記下側の第一の磁極歯組の下側磁極歯を有し、前記外側部品又は前記内側部品と略同一形状の部品に分割可能であり、
前記第一の磁極歯組と、前記第二の磁極歯組が二つの略「凹」字状の磁性体が対向する形状に構成され、
前記第一の磁極歯組の少なくともいずれか一方の磁極歯と、前記第二の磁極歯組の少なくともいずれか一方の磁極歯に巻線が設けられ、
前記巻線へ通電することによって前記略二つの「凹」字状の磁性体に前記空間を挟んで一方向周りの磁路が形成されると共に、
前記電機子の可動方向に直交する面内を通る互いに逆回りの磁路が形成されることを特徴とするリニアモータ。 - 前記電機子は、
前記上側の第一の磁極歯組の前後方向に設けられ、該上側の第一の磁極歯組と磁性体で繋がった上側の第二の磁極歯組と、
前記下側の第一の磁極歯組の前後方向に設けられ、該下側の第一の磁極歯組と磁性体で繋がった下側の第二の磁極歯組と、を有することを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ。 - 前記電機子は、
前記上側及び下側の第一の磁極歯組の一部又は全部の磁極歯にそれぞれ巻回した第一巻線と、
前記上側及び下側の第二の磁極歯組の一部又は全部の磁極歯にそれぞれ巻回した第二巻線と、を有し、
前記第一巻線が供給する磁束の向きと、前記第二巻線が供給する磁束の向きは、互いに逆向き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。 - 前記電機子は、
前記上側の第一の磁極歯組の前後方向に設けられ、前記上側の第一の磁極歯組及び前記上側の第二の磁極歯組と磁性体で繋がった上側の第三の磁極歯組と、
前記下側の第一の磁極歯組の前後方向に設けられ、前記下側の第一の磁極歯組及び前記下側の第二の磁極歯組と磁性体で繋がった下側の第三の磁極歯組と、
前記上側及び下側の第一の磁極歯組の一部又は全部の前記磁極歯にそれぞれ巻回した第一巻線と、
前記上側及び下側の第二の磁極歯組の一部又は全部の前記磁極歯にそれぞれ巻回した第二巻線と、
前記上側及び下側の第三の磁極歯組の一部又は全部の前記磁極歯にそれぞれ巻回した第三巻線と、を有し、
前記第一巻線、前記第二巻線及び前記第三巻線のうち、いずれか一つが供給する磁束の向きと、残りの二つのうち少なくとも一つが供給する磁束の向きは、互いに逆向き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。 - 前記磁性体は、前後方向に沿って該磁性体の電気抵抗値より大きな電気抵抗値の電気抵抗部を有することを特徴とする請求項2乃至4何れか一項に記載のリニアモータ。
- 前記外側部品及び前記内側部品はそれぞれ、前後方向に積層した電磁鋼板と、前後方向に貫通した固定用穴を有し、
前記外側部品及び前記内側部品は、上下方向に延在する鉄心と繋がる鉄心連結部をそれぞれ有し、
前記内側部品の鉄心連結部の磁路幅は、前記内側部品の前記固定用穴の上下方向長さ以上の長さであることを特徴とする請求項2乃至5何れか一項に記載のリニアモータ。 - 前記巻線を巻回したそれぞれの前記磁極歯は、平坦形状であり、
前記内側部品の鉄心連結部の磁路幅は、前記外側部品の磁路幅より短いことを特徴とする請求項6に記載のリニアモータ。 - 前記外側部品は、上下方向に延在する鉄心と、該鉄心の先端に設けた前後方向に沿って延在する凸条連結部又は凹条連結部の一方又は両方を有し、
前記内側部品は、上下方向に延在する鉄心と、該鉄心の先端に設けた前後方向に沿って延在する凸条連結部又は凹条連結部の他方又は両方を有し、
前記凸条連結部及び凹条連結部は、互いに嵌合可能であることを特徴とする請求項2乃至7何れか一項に記載のリニアモータ。 - 前記電機子の上下方向に並んだ前記磁極歯の個数を2n個とするとき、最上部の磁極歯から下方向に数えてn個の磁極歯に巻回した前記巻線の総巻数と、上下方向の残りのn個の磁極歯に巻回した前記巻線の総巻数とが略等しいことを特徴とする請求項2乃至8何れか一項に記載のリニアモータ。
- 請求項1乃至9何れか一項に記載のリニアモータを搭載した機器。
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