JP6373023B2

JP6373023B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP6373023B2
Application number: JP2014049296A
Authority: JP
Inventors: 善明加納; 佐藤　浩介; 浩介佐藤; 実志高橋
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan; KYB Corp
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan; KYB Corp
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: US20160329759A1; EP3076533A1; WO2015136759A1; JP2015173577A; EP3076533A4

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バーニアモータが開示されている。

特開２０１２−２４４６８８号公報

このようなリニアバーニアモータにおいては、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いる。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。

特許文献１の図４Ａに記載のリニアバーニアモータでは、コイルに通電される電流は三相交流電流であり、ヨークは基準数（６個）のスロットが２度繰り返して配置される１２スロット型として構成されている。ヨークに形成される複数のティースは、スロット幅が一定となるようにヨーク軸方向に等しい間隔で配置されている。

特許文献１に記載のリニアバーニアモータでは、ヨーク左半分に位置する基準数のスロットを含む左側領域及びヨーク右半分に位置する基準数のスロットを含む右側領域におけるディテント力の変動周期が互いに同位相となるため、リニアバーニアモータで発生するディテント力の総和が大きくなる。その結果、リニアバーニアモータの制御性が悪化してしまう。

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、前記ヨークをヨーク軸方向に挿通するロッドと、前記ヨークの内周面から突出し、ヨーク軸方向に等しい間隔をあけて配置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、これらスロットに配設される複数のコイルと、前記ロッドにヨーク軸方向に並んで保持される永久磁石と、を備え、前記ヨークは、前記コイルに通電される交流電流の相数に応じて定まる基準数の前記スロットが繰り返し配置されるように構成されており、ヨーク端から（１）式で定められるＮ番目の前記ティースには、ティース幅を調整する幅調整部として、ヨーク径方向内側に開口する非貫通のスリットが、前記ロッドの軸周りに沿って設けられる、ことを特徴とする。

本発明に係るリニアモータによれば、ヨーク端から（１）式で定められるＮ番目のティースにティース幅を調整する幅調整部が設けられるので、基準数のスロットを含む各領域におけるディテント力の変動周期の位相を幅調整部によりずらすことができる。これにより、各領域におけるディテント力のピーク位置同士がずらすことができ、リニアモータで発生するディテント力の総和を低減す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。ロッドの永久磁石とヨークのティースとの間に生じるディテント力について説明する図である。

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るヨーク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に保持された永久磁石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、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。

なお、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。

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。隣接するティース１２，１２の間の空間はスロット１３となる。これらティース１２は、各スロット１３の幅Ｗ_SLが一定となるように等しい間隔をあけて配置される。

スロット１３は、コイル３０を配置するための環状溝である。リニアモータ１００ではティース１２が１３個設けられるため、スロット１３の数は１２個となる。

一般的にリニアモータでは、ヨークに形成されるスロットの数は、コイルに通電される交流電流の相数に応じて定められる。コイルに通電される電流が三相交流である場合には、ヨークの基準数は６となり、ヨークには６ｎ₁個（ｎ₁：正の整数）のスロットが設けられる。本実施形態のリニアモータ１００では、基準数を２倍にした１２個のスロット１３がヨーク１０に形成されている。このようにヨーク１０は、基準数（６個）のスロットが２度繰り返して配置される、つまり基準数の２倍のスロットが形成される１２スロット型ヨークとして構成されている。

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の数はスロット１３の総数に対応して１２個となっており、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により構成されている。Ｕ相コイル３１には、三相交流電流のＵ相電流が通電される。また、Ｖ相コイル３２には三相交流電流のＶ相電流が通電され、Ｗ相コイル３３には三相交流電流のＷ相電流が通電される。

Ｕ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル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、Ｖ相コイル３２の巻線３０Ａの一部を図示し、その他を省略している。

また、Ｕ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３は、左端側のスロット１３から右端側のスロット１３に、Ｖ相、Ｕ相、Ｗ相の順番で一相ずつ交互に配置されている。

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円筒状部材である。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がティース１２の先端部１２Ｂと対向するように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（軟鉄等）により形成された円柱状継鉄２２が設けられている。

一般的にリニアモータではスロットの基準数に応じて永久磁石及び円柱状継鉄の基準数が定められ、リニアモータ１００のようにスロット１３の基準数が６個である場合には、永久磁石２１及び円柱状継鉄２２の基準数は２ｎ₂個（ｎ₂：正の整数）に設定される。本実施形態によるリニアモータ１００では、永久磁石２１及び円柱状継鉄２２の基準数はそれぞれ２個に設定されている。したがって、基準数を２倍した数のスロット１３を有するリニアモータ１００では、ヨーク１０内に位置する永久磁石２１及び円柱状継鉄２２の数はそれぞれ４個となっている。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４個、ヨーク１０に形成されたスロット１３の数が１２個の４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、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。このように構成する場合であっても、リニアモータ１００における永久磁石２１の基準数に変更はない。

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の端部はドライバ４０に接続されており、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Ｙ結線されている。なお、先端側から１番目と３番目のＵ相コイル３１、及び先端側から２番目と４番目のＶ相コイル３２，Ｗ相コイル３３の巻線３０Ａは、ロッド２０の軸周りの一方向に巻き回されている。それ以外のＵ相コイル３１、Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３の巻線３０Ａは、ロッド２０の軸周りの他方向（一方向とは逆向き）に巻き回されている。

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とロッド２０とが直線的に相対移動する。

ところで、前述した特許文献１に記載されたリニアモータでは、ヨークは６個（基準数）のスロットが繰り返して配置される１２スロット型として構成されており、ヨークに形成される複数のティースはスロット幅が一定となるよう等間隔に配置されている。このようなリニアモータでは、ヨーク左半分に位置する基準数のスロットを含む左側領域及びヨーク右半分に位置する基準数のスロットを含む右側領域のディテント力の変動周期が互いに同位相となる。そのため、両領域のディテント力が強め合い、リニアモータで発生するディテント力の総和が大きくなる。

本実施形態によるリニアモータ１００では、図２に示すように、ヨーク左半分に位置する基準数のスロット１３を含む左側領域Ｌと、ヨーク右半分に位置する基準数のスロット１３を含む右側領域Ｒとの境界に位置するティース１２にスリット１２Ｃ（幅調整部）を設けることで、ディテント力の総和の低減を図っている。

スリット１２Ｃは、ヨーク１０の左端又は右端から下記（１）式で定められるＮ番目のティース１２に形成される。

Ｓ：スロットの基準数
ｎ₃：スロットの総数をＳで割った値よりも小さい正の整数

つまり、リニアモータ１００では、スロット１３の基準数Ｓは６個で、スロット１３の総数は１２個であるから、スロット総数をスロット基準数で割った値よりも小さい正の整数ｎ₃は１となる。したがって、Ｎ＝６×１＋１＝７となり、ヨーク端から７番目のティース１２にスリット１２Ｃが形成されることとなる。

スリット１２Ｃは、７番目のティース１２の幅方向の中央位置に設けられるとともに、ロッド２０の軸周りに沿って設けられる環状溝として形成される。このようにスリット１２Ｃが形成されることにより、ヨーク端から７番目に配置されるティース１２の幅は、スリット１２Ｃのヨーク軸方向の幅Ｗｓだけ、他のティース１２の幅よりも大きくなる。言い換えれば、７番目のティース１２を挟んで隣り合うスロット１３，１３の間隔が、その他のティース１２を挟んで隣り合うスロット１３，１３の間隔よりも大きくなる。

また、スリット１２Ｃのヨーク径方向の深さＤｓは、スロット１３のヨーク径方向深さと同一に設定されている。

次に、図４を参照して、本実施形態のリニアモータ１００によるディテント力の低減効果について説明する。図４は、ロッド２０が左方向にヨーク１０が右方向に相対移動する場合を例示した図である。図４下部のディテント力の波形図において、横軸はリニアモーア１００の軸方向位置を示し、縦軸はディテント力の大きさを示す。

図４に示すように、リニアモータ１００が駆動されてロッド２０及びヨーク１０が相対移動すると、右側領域Ｒにおけるディテント力は、円柱状継鉄２２の中央位置Ｐ１が、ティース１２の中央位置Ｐ２とスロット１３の中央位置Ｐ３との間の中間位置Ｐｃに一致する時に最も大きくなる。左側領域Ｌにおいても同様に、ディテント力は、円柱状継鉄２２の中央位置Ｐ１が、ティース１２の中央位置Ｐ２とスロット１３の中央位置Ｐ３との間の中間位置Ｐｃに一致する時に最も大きくなる。

仮にリニアモータ１００において右側領域Ｒと左側領域Ｌの間に位置する７番目のティース１２にスリット１２Ｃが形成されてない場合には、右側領域Ｒ及び左側領域Ｌにおけるディテント力の変動周期は同位相となってしまう。しかしながら、リニアモータ１００では、ヨーク端から７番目のティース１２にはティース幅が大きくなるようにスリット１２Ｃが形成されているため、右側領域Ｒ及び左側領域Ｌにおけるディテント力の変動周期の位相をずらすことができる。

図４では、右側領域Ｒのディテント力を変動周期を変えずに左側領域Ｌまで延長した延長線（破線）を記載している。この延長線の変動周期と左側領域Ｌのディテント力の変動周期とを比較しても分るように、リニアモータ１００では右側領域Ｒのディテント力のピーク位置と左側領域Ｌのディテント力のピーク位置はヨーク軸方向にスリット幅Ｗ_S分だけずれている。各領域Ｒ，Ｌにおけるディテント力の変動周期の位相差は、３０°から６０°の範囲で設定することが望ましい。

上記した本実施形態のリニアモータ１００によれば、以下に示す効果を奏する。

リニアモータ１００では、ヨーク端から数式１で定められるＮ番目のティース１２にスリット１２Ｃが形成されるので、基準数のスロットを含む各領域Ｒ，Ｌにおけるディテント力の変動周期の位相をスリット幅Ｗ_S分だけずらすことができる。これにより、各領域Ｒ，Ｌにおけるディテント力のピーク位置同士をずらすことができ、リニアモータ１００で発生するディテント力の総和を低減することが可能となる。その結果、リニアモータ１００の制御性を改善することができる。各領域Ｒ，Ｌにおけるディテント力のピーク位置同士をずらすためには、スリット１２Ｃのヨーク径方向の深さＤｓをある程度深く設定する必要があり、例えばスロット１３のヨーク径方向深さと同一に設定することが望ましい。

なお、（１）式で定められるＮ番目のティース１２に形成されるスリット１２Ｃの幅は、リニアモータ１００で発生するディテント力の総和を低減できる範囲で設定される。本願発明者らの知見によれば、リニアモータ１００では、スリット１２Ｃの幅は下記（２）式に基づいて設定されることが望ましい。

Ｗ_S：スリットの幅
Ｓ：スロットの基準数
Ｐ：スロットの基準数に応じて定まる永久磁石の基準数
Ｗ_P：基準数（Ｐ個）の永久磁石の配置間隔

リニアモータ１００では、スロット１３の基準数Ｓは６個であり、永久磁石２１の基準数Ｐは２個であり、永久磁石２１の配置間隔Ｗ_Pは図２に示すように２個分の永久磁石２１及び２個分の円柱状継鉄２２のヨーク軸方向長さ（ピッチ間隔）である。リニアモータ１００のようにロッド２０に円柱状継鉄２２が配置される場合には、Ｗ_Pには永久磁石２１だけでなく円柱状継鉄２２の配置間隔も含まれる。

（２）式に基づいてティース１２のスリット１２Ｃの幅Ｗ_Sを設定すれば、左側領域Ｌ及び右側領域Ｒのディテント力の変動周期の位相を逆位相とすることができ、リニアモータ１００で発生するディテント力の総和を最小にすることが可能となる。

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では、スリット１２Ｃ内に強化プラスチック等の樹脂を充填してもよい。このようにティース１２のスリット１２Ｃ内に非磁性体を配設する場合には、ディテント力の総和を低減できるだけでなく、スリット１２Ｃが設けられるティース１２の剛性を高めることができる。したがって、スリット１２Ｃを形成した場合でも、ヨーク１０の強度を維持することが可能となる。

本実施形態によるリニアモータ１００では、ヨーク１０を右側領域Ｒを構成する右ヨークと左側領域Ｌを構成する左ヨークとからなる分割構造とし、これら右ヨークと左ヨークの間にスリット１２Ｃと同幅の非磁性体のスペーサ（幅調整部）を介在させるようにしてもよい。スペーサは、右ヨークと左ヨークの連結端に形成されている右ヨーク側及び左ヨーク側のティースの幅を調整する。

本実施形態によるリニアモータ１００は、スロット１３の基準数を６個、永久磁石２１の基準数を２個とする４極１２スロット型のリニアモータとした。しかしながら、リニアモータ１００は、スロット１３の基準数を６個、永久磁石２１の基準数を４個とする８極１２スロット型や、スロット１３の基準数が６個、永久磁石２１の基準数が２個の６極１８スロット型等のリニアモータとしてもよい。このようにリニアモータ１００は、スロット基準数を整数倍した数のスロット１３及び磁石基準数を整数倍した数の永久磁石２１を備えるリニアモータとして構成される。

リニアモータ１００が上記した８極１２スロット型である場合には、（１）式に基づいてヨーク端から７番目のティース１２にスリット１２Ｃが形成される。また、リニアモータ１００が上記した６極１８スロット型である場合には、（１）式に基づいてヨーク端から７番目と１３番目の２つのティース１２にスリット１２Ｃが形成される。

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をティース１２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
１２ティース
１２Ｃスリット
１３スロット
２０ロッド
２０Ａ貫通孔
２１永久磁石
２２円柱状継鉄
３０コイル
３１Ｕ相コイル
３２Ｖ相コイル
３３Ｗ相コイル

Claims

筒状のヨークと、
前記ヨークをヨーク軸方向に挿通するロッドと、
前記ヨークの内周面から突出し、ヨーク軸方向に間隔をあけて配置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、
これらスロットに配設される複数のコイルと、
前記ロッドにヨーク軸方向に並んで保持される永久磁石と、を備え、
前記ヨークは、前記コイルに通電される交流電流の相数に応じて定まる基準数の前記スロットが繰り返し配置されるように構成されており、
ヨーク端から下記（１）式で定められるＮ番目の前記ティースには、ティース幅を調整する幅調整部として、ヨーク径方向内側に開口する非貫通のスリットが、前記ロッドの軸周りに沿って設けられる、
ことを特徴とするリニアモータ。

Ｓ：スロットの基準数
ｎ：スロットの総数をスロット基準数で割った値よりも小さい正の整数
前記スリットは、当該スリットが形成される前記ティースの幅が他の前記ティースの幅よりも大きくなるように形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記スリットのヨーク軸方向の幅をＷ_S、前記スロットの基準数をＳ、前記スロットの基準数に応じて定まる前記永久磁石の基準数をＰ、基準数の前記永久磁石の配置間隔をＷ_Pとした場合に、前記スリットの幅Ｗ_Sは下記（２）式に基づいて設定される、
ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
前記スリットのヨーク径方向の深さは、前記スロットのヨーク径方向の深さと一致するように設定される、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のリニアモータ。
前記スリット内には、非磁性体が配設される、
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一つに記載のリニアモータ。