JP6387234B2

JP6387234B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP6387234B2
Application number: JP2014049293A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　浩介; 浩介佐藤; 実志高橋; 善明加納
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: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: JP2015173576A

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

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。自動車や航空機等に利用されるリニアモータは、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と共に、軽量化されたものが望まれている。

しかしながら、特許文献１に記載のリニアモータでは、コイルを挿入するためにヨークが軸方向に分割して形成されており、分割されたヨークを支持するためにヨークの外周に固定子ケースをかぶせる必要があった。そのため、固定子ケースの分だけリニアモータ全体の重量が重くなっていた。

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、リニアモータの軽量化を実現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し、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、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、前記ヨークは、軸方向に連結する複数のヨーク構成体からなり、前記ヨーク構成体は、１つの前記ティースを有する筒状の本体部と、前記本体部の軸方向の一端に設けられる第１係合部と、前記本体部の軸方向の他端に設けられ、隣接する前記ヨーク構成体の前記第１係合部と係合する第２係合部と、を備え、隣接する前記ヨーク構成体の一方における前記第１係合部と他方における前記第２係合部との係合により、隣接する前記ヨーク構成体同士が連結されることを特徴とする。

本発明では、ヨークは複数のヨーク構成体からなり、ヨーク構成体は本体部の軸方向の一端に設けられる第１係合部と、本体部の軸方向の他端に設けられ第１係合部と係合する第２係合部と、を備える。このため、隣接するヨーク構成体の一方の第１係合部と他方の第２係合部が係合することにより、ヨーク構成体同士を連結することができ、ヨークを支持するため他の部材を用いることなくヨークを形成することができる。このように、ヨークの支持に他の部材を必要としないため、リニアモータを軽量化することができる。

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が備えるヨークの一部拡大図である。図３のＡ―Ａ線に沿うヨークの径方向断面図である。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。本実施形態の変形例によるリニアモータが備えるヨークの一部拡大図である。

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、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及び図３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の全体構成について説明する。

図２に示すように、本実施形態におけるリニアモータ１００は、８極１２スロット型の直動リニアモータである。

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に保持された永久磁石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、軟鉄等の磁性体によって形成される複数（例えば１３個）のヨーク構成体１１が軸方向に連結して形成される。

図３に示すように、両端以外に配置されるヨーク構成体１１（以下、必要に応じて通常のヨーク構成体１１と称する。）は、筒状の本体部１２と、本体部１２の内周面から径方向に突出する１つのティース１３と、本体部１２の一端に設けられる第１係合部としての第１ねじ部１２Ａと、本体部１２の他端に設けられる第２係合部としての第２ねじ部１２Ｂと、を備える。

ティース１３は、ヨーク構成体１１の本体部１２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１３Ａと、立設部１３Ａの先端に設けられる先端部１３Ｂと、を備える。ティース１３の先端部１３Ｂ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１３Ｂの幅（ヨーク軸方向の厚さ）は、立設部１３Ａ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１３Ｂ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。

第１ねじ部１２Ａは、図３において本体部１２の左端から軸方向に突出する円筒状に形成されており、第１ねじ部１２Ａの外周面には雄ねじが形成されている。また、第２ねじ部１２Ｂは、図３において本体部１２の右端から軸方向に突出する円筒状に形成されており、第２ねじ部１２Ｂの内周面には雌ねじが形成されている。隣接するヨーク構成体１１の一方における第１ねじ部１２Ａが、他方における第２ねじ部１２Ｂに螺合することにより、隣接するヨーク構成体１１同士が連結する。

図２に示すように、両端に配置されるヨーク構成体１１は、筒状の本体部１２と、本体部１２の内周から径方向に突出するティース１３を備えている。また、両端のヨーク構成体１１のティース１３の立設部１３Ａ及び先端部１３Ｂの幅は、通常のヨーク構成体１１の立設部１３Ａ及び先端部１３Ｂの幅の半分に設定されている。さらに、両端のヨーク構成体１１の本体部１２の幅は、通常のヨーク構成体１１の本体部１２の幅の半分に設定されている。

左端に配置されるヨーク構成体１１は、本体部１２の右端に第２ねじ部１２Ｂを備えている。その一方で左端に配置されるヨーク構成体１１は、本体部１２の左端に第１ねじ部１２Ａを備えておらず、ヨーク軸に垂直な平端面を有している。

右端に配置されるヨーク構成体１１は、本体部１２の左端に第１ねじ部１２Ａを備えている。その一方で右端に配置されるヨーク構成体１１は、本体部１２の右端に第２ねじ部１２Ｂを備えておらず、ヨーク軸に垂直な平端面を有している。

左端のヨーク構成体１１は、ヨーク軸方向に複数連結した通常のヨーク構成体１１のうち、最も左側に配置されたヨーク構成体１１の第１ねじ部１２Ａと螺合し、右端のヨーク構成体１１は、最も右側に配置されたヨーク構成体１１の第２ねじ部１２Ｂと螺合する。

このように、両端に配置されるヨーク構成体１１は、通常のヨーク構成体１１を軸方向に半分に分割した構成となっており、それぞれヨーク１０の両端を形成している。なお、両端のヨーク構成体１１の形状は、通常のヨーク構成体１１と連結可能であれば、リニアモータ１００の取り付け方法等に応じて、通常のヨーク構成体１１の形状やその他の形状であってもよい。

このように、第１ねじ部１２Ａと第２ねじ部１２Ｂとが螺合して複数のヨーク構成体１１を軸方向に連結することで、ヨーク１０を形成する。したがって、ヨーク１０の支持のために固定子ケースといった他の部材を必要とすることがない。なお、ヨーク構成体１１の本体部１２の外径は全て同一に形成されているため、ヨーク１０の外周面には段差が形成されず、ヨーク１０の外周面は滑らかな円筒面となる。

隣接する各ヨーク構成体１１のティース１３の間の空間が、コイル３０を配置するためのスロット１４となる。図２に示すように、本実施形態では、併せて１３個のティース１３を備えるため、１２個のスロット１４が形成され、これら各スロット１４にコイル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。また、各相コイル３１〜３３は、左端側のスロット１４から右端側のスロット１４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。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。

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。

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５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。

また、図４に示すように、ヨーク構成体１１のティース１３には、当該ティース１３を軸方向に貫通する貫通孔１５が各相に対応して周方向に３つ設けられている。各相コイル３１〜３３の巻線３０Ａは、相ごとに各貫通孔１５を通って直列的に接続される。このように、ティース１３に貫通孔１５が設けられているため、コイル同士の接続作業において巻線３０Ａをヨーク１０の外周に引き出す必要がなく、コイル同士の接続作業が容易なものとなる。なお、図２においては、貫通孔１５の記載は省略している。

図５に示すように、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がキャリア５とともにレール４に沿って移動する。

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、ヨーク１０は複数のヨーク構成体１１からなり、ヨーク構成体１１は本体部１２の軸方向の一端に設けられる第１係合部としての第１ねじ部１２Ａと、本体部１２の軸方向の他端に設けられる第２係合部としての第２ねじ部１２Ｂと、を備える。このため、隣接するヨーク構成体１１の一方の第１ねじ部１２Ａと他方の第２ねじ部１２Ｂが螺合することにより、ヨーク構成体１１同士を連結することができ、ヨーク１０を支持するための他の部材を用いることなくヨーク１０を形成することができる。このように、分割されたヨーク１０の支持に他の部材を必要としないため、リニアモータ１００を軽量化することができる。

さらに、リニアモータ１００では、同相のコイル３１〜３３同士を接続するための巻線３０Ａが通る貫通孔１５がティース１３に３つ設けられている。このため、コイル３０の接続作業が容易になると共に、各相コイル３１〜３３を接続する巻線３０Ａと他の相の巻線３０Ａとを混同することがなくなり、接続作業を効率よく行うことができる。

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。

上記実施形態では、リニアモータ１００は、ヨーク１０内の永久磁石２１が８個であり、スロットが１２個である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もよい。

さらに、上記実施形態では、第１係合部は雄ねじが形成される第１ねじ部１２Ａであり、第２係合部は雌ねじが形成される第２ねじ部１２Ｂであるとした。ヨーク構成体１１が軸方向に連結可能であれば、第１及び第２係合部はどのように構成されてもよい。この場合において、ヨーク１０の組み立てやリニアモータ１００の取り付けを考慮すると、第１及び第２係合部は、ヨーク構成体１１の本体部１２の外周面や内周面ではなく、両端から軸方向に形成されることが好ましい。

例えば、図６に示すように、第１係合部は、ヨーク構成体１１の本体部の一端から軸方向に突出する第１凸部１６Ａとし、第２係合部は、他端から軸方向に突出する第２凸部１６Ｂとしてもよい。この場合は、第１及び第２凸部１６Ａ，１６Ｂは、ヨーク構成体１１の本体部１２と同心の円筒状に形成されればよい。そして、第１凸部１６Ａの外周面を、隣接するヨーク構成体１１の第２凸部１６Ｂの内周面と圧入などの方法により嵌合するように構成して、複数のヨーク構成体１１同士を軸方向に連結可能にすればよい。なお、第１凸部１６Ａの外周面が多角状に形成され、これに対応して第２凸部１６Ｂの内周面が第１凸部１６Ａと嵌合するように多角状に形成されるとしてもよい。

さらに、第１係合部は本体部１２の端面から突出するピン等の突起として形成され、第２係合部は本体部１２の端面に嵌合孔や嵌合溝といった凹部として形成され、突起である第１係合部が凹部である第２係合部と嵌合するとしてもよい。

さらに、上記実施形態では、各ヨーク構成体１１のティース１３には、軸方向に貫通する貫通孔１５が周方向に３つ設けられるとした。各相コイル３１〜３３同士の接続のための巻線３０Ａを通すことができれば、貫通孔１５はどのように構成してもよい。例えば、軸方向に貫通すると共に、周方向に延設される長穴が設けられるとしてもよいし、複数の巻線３０Ａを通すことができる１つ以上の孔が設けられるとしてもよい。

１００リニアモータ
１０ヨーク
１１ヨーク構成体
１２本体部
１２Ａ第１ねじ部（第１係合部）
１２Ｂ第２ねじ部（第２係合部）
１３ティース
１４スロット
１５貫通孔
１６Ａ第１凸部（第１係合部）
１６Ｂ第２凸部（第２係合部）
２０ロッド
２１永久磁石
３０コイル
３１Ｕ相コイル
３２Ｖ相コイル
３３Ｗ相コイル
４０ドライバ

Claims

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し、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、
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、
前記ヨークは、軸方向に連結する複数のヨーク構成体からなり、
前記ヨーク構成体は、
１つの前記ティースを有する筒状の本体部と、
前記本体部の軸方向の一端に設けられる第１係合部と、
前記本体部の軸方向の他端に設けられ、隣接する前記ヨーク構成体の前記第１係合部と係合する第２係合部と、を備え、
隣接する前記ヨーク構成体の一方における前記第１係合部と他方における前記第２係合部との係合により、隣接する前記ヨーク構成体同士が連結される
ことを特徴とするリニアモータ。
前記第１係合部は、前記本体部の一端から軸方向に突出して設けられ、その外周面に雄ねじが形成される第１ねじ部であり、
前記第２係合部は、前記本体部の他端から軸方向に突出して設けられ、その内周面に雌ねじが形成される第２ねじ部であり、
前記第１ねじ部が、隣接する前記ヨーク構成体の前記第２ねじ部と螺合することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記第１係合部は、前記本体部の一端から軸方向に突出して形成される第１凸部であり、
前記第２係合部は、前記本体部の他端から軸方向に突出して形成される第２凸部であり、
前記第１凸部の外周面が、隣接する前記ヨーク構成体の前記第２凸部の内周面と嵌合することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記ティースは、前記コイルを形成する巻線を通過させるように軸方向に貫通する貫通孔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。
前記貫通孔は、周方向に３つ設けられることを特徴とする請求項４に記載のリニアモータ。