JP6373022B2 - 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。特に、特許文献１の図５には、ヨーク内に位置する永久磁石の数が１０個、ヨークに形成されたコイル配置用のスロットの数が１２個である、いわゆる１０極１２スロット型リニアモータが開示されている。

特開２００９−２９１０６９号公報

このようなリニアモータは、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。アクチュエーションシステムの一部を構成するリニアモータは、高負荷時にもスムーズな制御が可能となるように、できる限り高い軸方向推力を発生するものが望まれている。

また、特許文献１に記載の１０極１２スロット型リニアモータでは、コイルの巻線方向が、当該コイルが配設されるスロットの位置に応じて異なっており、モータ構成が複雑なものとなっている。

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、簡素な構成で、高い軸方向推力を発生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、筒体と、前記筒体を軸方向に挿通するロッドとを備え、前記筒体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、前記筒体の内周面から突出し、軸方向に並設される１２ｎ＋１個（ｎ：正の整数）のティースと、隣接する前記ティースの間に形成される１２ｎ個のスロットと、各スロット内に配設される１２ｎ個のコイルと、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、各コイルは、前記ロッドの軸周りに同一方向に巻き回されて形成され、前記筒体内に位置する前記永久磁石の数は、８ｎ個に設定される、ことを特徴とする。

本発明によれば、リニアモータは８ｎ極１２ｎスロット型リニアモータ（ｎ：正の整数）として構成され、各スロットに配置される１２ｎ個のコイルはロッドの軸周りに同一方向に巻き回されて形成される。８ｎ極１２ｎスロット型リニアモータでは、全てのコイルの巻線方向を同一方向とすることができ、モータ構成を従来のリニアモータと比較して簡素化することができる。また、８ｎ極１２ｎスロット型リニアモータによれば、他の１２スロット型リニアモータよりも高い軸方向推力を発生させることが可能となる。

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及びその他の参考例によるリニアモータの平均推力を示す推力特性図である。 参考例による８極１２スロット型の回転モータの概略構成図である。

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、筒状のヨーク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、を備えている。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、筒体として形成されたヨーク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とを軸方向に相対変位させる推力が発生する。

ヨーク１０は、磁性体（例えば軟鉄）によって形成された円筒状部材である。ヨーク１０には、内周面１１からヨーク中心に向かって突出するティース１２が形成される。

ティース１２は、内周面１１から立設するとともにヨーク１０の内周方向に延設される立設部１２Ａと、立設部１２Ａの先端に設けられる先端部１２Ｂと、を備える。ティース１２の先端部１２Ｂ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１２Ｂの幅（ヨーク軸方向の厚さ）は、立設部１２Ａの幅（ヨーク軸方向の厚さ）よりも大きく設定されている。また、先端部１２Ｂの幅は、ヨーク中心に向かって徐々に大きくなるように形成されている。

ヨーク１０には、上記のように構成されるティース１２が軸方向に沿って１３個並設されている。これらティース１２は、ヨーク１０の両端間において、それぞれ等しい間隔で配置されている。ヨーク１０の両端に位置するティース１２の立設部１２Ａ及び先端部１２Ｂの幅は、その他のティース１２の立設部１２Ａ及び先端部１２Ｂの幅の半分に設定されている。

軸方向に隣接するティース１２，１２の間には、スロット１３が形成される。スロット１３は、コイル３０を配置するための環状溝である。本実施形態では、ティース１２が１３個形成されるため、スロット１３の数は１２個となる。これらスロット１３の内部には、コイル３０が１つずつ配置される。

コイル３０はスロット数に対応して１２個設けられており、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３１〜３３は、絶縁被覆された金属線３０Ａがロッド２０の軸周りに同一方向に巻き回されてリング状に形成されている。つまり、コイル３０の金属線３０Ａは、スロット１３の上側位置では紙面手前側から奥側に巻き回され、同スロット１３の下側位置では紙面奥側から手前側に巻き回されている。なお、図２では、コイル３０の金属線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３１〜３３は、左端側のスロット１３から右端側のスロット１３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。

ヨーク１０と同軸に配置されるロッド２０は、非磁性体（例えばステンレス鋼）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。ロッド２０の両端は、載置部２（図１参照）に設けられた支持部３（図１参照）に固定されている。

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。

リニアモータ１００では、ヨーク１０にロッド２０が挿入された状態において、ヨーク１０内に位置する永久磁石２１及び円柱状継鉄２２の数が、それぞれ８個となるように設定されている。つまり、ロッド２０に並設した８個の永久磁石及び８個の円柱状継鉄２２の軸方向長さの総和は、ヨーク１０の軸方向長さ、つまりヨーク１０の両端に位置するティース１２の外側端間の距離と等しくなるように設定されている。このようにリニアモータ１００は、ヨーク１０内に位置する永久磁石の数が８個、ヨーク１０に形成されたスロット１３の数が１２個の８極１２スロット型リニアモータとして構成されている。

なお、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。この場合には、ヨーク１０内に位置する８個分の永久磁石の軸方向長さが、ヨーク１０の軸方向長さと等しくなる。

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。一番目に配置された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、四番目に配置される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、各相コイル３１〜３３への交流電流の供給を制御する制御装置である。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がキャリア５とともにレール４に沿って移動する（図１参照）。

リニアモータには極数（永久磁石の数）及びスロット数の組み合わせが種々あるが、その組み合わせに応じてスロットに設けられる各相コイルの巻線方向を検討する必要がある。しかしながら、本実施形態のリニアモータ１００では８極１２スロット型を採用することで、ヨーク１０のスロット１３に設けられる全てのコイル３０の巻線方向を同一方向とすることができる。これにより、リニアモータ１００の構成を簡素化することができ、リニアモータ１００の製造が容易となる。

また、本願発明者らは、８極１２スロット型のリニアモータ１００を含む各種リニアモータの推力をシミュレーションにより検討した。

図４は、４極１２スロット型、８極１２スロット型、１０極１２スロット型、１４極１２スロット型、２０極１２スロット型の５つのリニアモータに同一周波数及び同一振幅の交流電流を通電した時に、各リニアモータで発生する平均推力を比較した図である。８極１２スロット型リニアモータ１００以外の４つのリニアモータも、一つのスロットにＶ相コイル、Ｕ相コイル、Ｗ相コイルのいずれかが配置される単相コイル式のリニアモータとなっている。図４に示すように、本願発明者らによる推力シミュレーションによれば、８極１２スロット型のリニアモータ１００の推力特性が最も優れるという結果が得られた。

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は８極１２スロット型のリニアモータとして構成され、１２個のスロット１３に配置される全てのコイル３０はロッド２０の軸周りに同一方向に巻き回されて形成される。８極１２スロット型リニアモータ１００では全てのコイル３０の巻線方向を同一方向とすることができ、モータ構成を従来のリニアモータと比較して簡素化することができる。また、８極１２スロット型リニアモータ１００によれば、図４に示したように、高い軸方向推力を発生させることが可能となる。

本実施形態のリニアモータ１００では、Ｕ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３を軸方向に沿って一相ずつ交互に配設するだけでよく、各相コイル３１〜３３の配置が分りやすく、リニアモータ１００の製造が容易となる。

なお、リニアモータで成立する所定極数及び所定スロット数は、回転モータについても成立する。しかしながら、図５に示すように、単相コイル式の８極１２スロット型回転モータ２００ではスロット２１３をヨーク２１０の軸方向一方側に向いてＶ相コイル２３１、Ｕ相コイル２３２、及びＷ相コイル２３３を巻き回す必要があり、このように各相コイル２３１〜２３３を巻き回すことは非常な困難を伴うものである。したがって、図５に示すような単相コイル式の８極１２スロット型回転モータ２００は非現実的なモータであり、単相コイル式の８極１２スロット型モータは本実施形態のようなリニアモータ１００としてのみ成立するものと考えられる。

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、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く、８ｎ極１２ｎスロット型（ｎ＝正の自然数）のリニアモータとしてもよい。このような８ｎ極１２ｎスロット型のリニアモータ１００は、ヨーク１０の内周面に１２ｎ＋１個のティース１２と、隣接するティース１２の間に形成される１２ｎ個のスロット１３と、各スロット１３内に設けられる１２ｎ個のコイルとを備え、ヨーク１０内に位置する永久磁石２１の数が８ｎ個となるように構成される。この場合においても、各コイル３０は、永久磁石２１を保持するロッド２０の軸周りに同一方向に巻き回されて形成される。

なお、１２ｎ個のコイル３０は、４ｎ個のＵ相コイル３１、４ｎ個のＶ相コイル３２、及び４ｎ個のＷ相コイル３３から構成される。８ｎ極１２ｎスロット型のリニアモータ１００においても、Ｕ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３は軸方向に沿って一相ずつ交互に配設される。

また、本実施形態によるリニアモータ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（筒体）
１２ ティース
１３ 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 (2)

1. 筒体と、前記筒体を軸方向に挿通するロッドとを備え、前記筒体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、
   前記筒体の内周面から突出し、軸方向に並設される１２ｎ＋１個（ｎ：正の整数）のティースと、
   隣接する前記ティースの間に形成される１２ｎ個のスロットと、
   各スロット内に配設される１２ｎ個のコイルと、
   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、
   各コイルは、前記ロッドの軸周りに同一方向に巻き回されて形成され、
   前記筒体内に位置する前記永久磁石の数は、８ｎ個に設定される、
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. １２ｎ個の前記コイルは、４ｎ個のＵ相コイル、４ｎ個のＶ相コイル、及び４ｎ個のＷ相コイルから構成されており、
   これら三相のコイルが軸方向に沿って一相ずつ順番に配設される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。

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