JP6990143B2 - 筒型リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、筒型リニアモータに関する。

筒型リニアモータは、たとえば、外筒の内周に軸方向にＳ極とＮ極とが交互に並ぶように収容される複数の永久磁石を有する界磁と、界磁の内周に移動自在に挿入される筒状のロッドとロッドの外周に装着される三相の巻線とを有する電機子とを備えるものがある。

このように構成された筒型リニアモータでは、同相の巻線が直列に接続されて巻線群を構成し、巻線群の一端が電機子とロッドとの間の隙間を介して電機子の上方へ引き出されてロッド内に収容される配線を介して外部電源に接続される。また、各相の巻線群の他端も同様に電機子とロッドとの間の隙間を介して電機子の上方へ引き出されて互いに結線されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１３－２９１５９号公報

従来の筒型リニアモータでは、異なるスロットに装着される同相の巻線を直列に接続するため渡り線と、各相の巻線群を結線するための渡り線を電機子とロッドとの間の狭いスペースに絶縁処理をしつつ納める必要がある。

絶縁処理をしつつ多数の渡り線を収容するスペースを確保するためには、筒型リニアモータの外径がどうしても大径となってしまうので、筒型リニアモータの質量増加の一因となっており、筒型リニアモータの質量推力密度が低下してしまう。ここで、質量推力密度とは、筒型リニアモータの最大推力を質量で割った数値であり、質量推力密度は、軽量で大きな推力を発生できるか否かの指標となる。

そこで、本発明は、質量推力密度を向上できる筒型リニアモータの提供を目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の筒型リニアモータは、筒状であって軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁を有する固定子と、界磁に対向する複数のスロットを有する筒状のコアとスロットに装着される三相の巻線とを有する電機子を有して、固定子内に軸方向へ移動自在に挿入される可動子とを備え、各相の巻線に接続される電源側の引出線が電機子の軸方向の一端側から巻線に接続され、各相の巻線が電機子の軸方向の他端側でＹ結線されており、電機子が固定子に対してストロークエンドまでストロークしても各相の巻線の結線点が固定子に干渉しない位置に配置されて構成される。

このように、巻線を外部電源に接続する引出線が電機子の軸方向の一端側から巻線に接続されるとともに、巻線が電機子Ａの軸方向の他端側でＹ結線されているので、巻線同士をＹ結線する渡り線が電機子を跨がないので、電機子を跨ぐ電線の本数を最小限に留め得る。また、このように配線しても、可動子が如何にストロークしても結線点が固定子に干渉しないので、断線の恐れもない。

つまり、本発明の筒型リニアモータでは、電機子を跨ぐ電線の本数を最小限に留め得るとともに結線点を保護できるので、外径を大径にせずとも電機子を跨ぐ電線を収容するスペースを確保できる。

また、筒型リニアモータは、可動子が固定子に対してストロークエンドまでストロークすると可動子の移動を規制しつつ可動子と固定子との間に空隙を形成するストッパを備えていてもよい。このように構成される筒型リニアモータによれば、結線点をこの空隙に収めることで、電機子から外方へ引き出しても固定子との干渉を防止でき、巻線の断線が阻止されるので筒型リニアモータの実用性を向上できる。

さらに、筒型リニアモータは、結線点をロッド内に収容してもよいし、スライダ内に収容してもよい。このように構成された筒型リニアモータによれば、結線点が可動子のストローク中に固定子と干渉するのを確実に防止できる。

本発明の筒型リニアモータによれば、質量推力密度を向上できる。

一実施の形態における筒型リニアモータの縦断面図である。 一実施の形態の筒型リニアモータのコアの斜視図である。 一実施の形態における筒型リニアモータの各相の巻線の接続状態を説明する回路図である。 筒型リニアモータの各相の巻線の渡り線を折り返して外部電源側で結線した場合の回路図である。 一実施の形態の第一変形例における筒型リニアモータの縦断面図である。 一実施の形態の第二変形例における筒型リニアモータの縦断面図である。 一実施の形態の第三変形例における筒型リニアモータの縦断面図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における筒型リニアモータ１は、図１に示すように、筒状であって軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁６を有する固定子Ｓと、界磁６に対向する複数のスロット４を有する筒状のコア２Ａ，２Ｂとスロット４に装着される三相の巻線５とを有する電機子Ａを有して固定子Ｓ内に軸方向へ移動自在に挿入される可動子Ｍとを備えて構成されている。

以下、筒型リニアモータ１の各部について詳細に説明する。可動子Ｍは、非磁性体で形成されたロッド１１と、ロッド１１に装着される電機子Ａと、ロッド１１に設けられるスライダ１２，１３とを備えている。

電機子Ａは、本実施の形態では、二つのコア２Ａ，２Ｂを備えている。コア２Ａ，２Ｂは、ともに同形状とされており、ロッド１１の外周に軸方向に並べて装着されている。つまり、筒型リニアモータ１は、電機子Ａが可動子Ｍとして駆動され、コア２Ａ，２Ｂの軸方向を推力発生方向としている。

各コア２Ａ，２Ｂは、図１に示すように、円筒状であって、その外周には、軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース３ａ，３ｂが設けられている。本実施の形態では、各コア２Ａ，２Ｂは、図１に示すように、外周に軸方向に等間隔に並べて設けられた１０個の環状のティース３ａ，３ｂを備えており、ティース３ａ，３ｂ間およびティース３ｂ，３ｂ間に巻線５が装着される空隙でなるスロット４が形成されている。

また、ティースは、コア２Ａ，２Ｂの両端にそれぞれ配置されて設けられた二つの末端ティース３ａと、末端ティース間に配置されて設けられた８つの中間ティース３ｂとで構成されている。つまり、一つのコア２Ａ（２Ｂ）に対してコア２Ａ（２Ｂ）の移動方向となる軸方向の両端に末端ティース３ａ，３ａが設けられ、末端ティース３ａ，３ａ間に各中間ティース３ｂが設けられている。

中間ティース３ｂは、本実施の形態では、軸方向において内周端の幅より外周端の幅が狭い等脚台形状とされており、軸方向で両側の側面が外周端に対して等角度で傾斜するテーパ面とされている。そして、中間ティース３ｂをコア２Ａ，２Ｂの軸線を含む面で切断した断面において、中間ティース３ｂの側面がコア２Ａ，２Ｂの軸線に直交する直交面とでなす内角θは、６度から１２度の範囲となる角度に設定されている。

また、末端ティース３ａは、図１に示すように、中間ティース側の側面が中間ティース３ｂの側面と同形状とされるとともに反中間ティース側の側面がコア２Ａ，２Ｂに軸線に直交する面を持つ台形状とされている。つまり、末端ティース３ａにおける中間ティース側の側面はテーパ面となっており、この側面がコア２Ａ，２Ｂの軸線に直交する直交面とでなす内角θが中間ティース３ｂの側面が前記直交面とでなす内角θと等しくなっている。また、末端ティース３ａの反中間ティース側の側面は、コア２Ａ，２Ｂの軸線に直交する面とされており、側面と外周端とでなす角度は９０度になっている。

また、本実施の形態では、各コア２Ａ，２Ｂにおける図１中で隣り合うティース間、つまり、末端ティース３ａと中間ティース３ｂとの間および中間ティース３ｂ，３ｂ間には、空隙でなるスロット４が合計で１８個設けられている。また、スロット４は、コア２Ａ，２Ｂの周方向に沿って複数設けられており、コア２Ａ，２Ｂの外周に軸方向に等ピッチで並べて設けられている。スロット４の断面形状は、底に向かうほど先細りとなる台形となっている。そして、このスロット４には、巻線５が巻き回されて装着されている。巻線５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相巻線とされている。各コア２Ａ，２Ｂの１８個のスロット４には、それぞれ、図１中左側から順に、Ｗ相、Ｗ相、Ｗ相およびＶ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｖ相よびＵ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｕ相およびＷ相、Ｗ相およびＶ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｖ相およびＵ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｕ相およびＷ相、Ｗ相、Ｗ相の巻線５が装着されている。各スロット４の断面形状が台形となっているので、断面矩形のスロットに比して効率よく巻線５をスロット４へ装着できる。

また、各ティース３ａ，３ｂの外周面には、図１および図２に示すように、それぞれ切欠としての溝３ｃが三つ設けられている。前述したように、各スロット４には、各相の巻線５が前述の順で装着されている。よって、異なるスロット４に装着されている同相の巻線５同士を接続する渡り線５ａが必要となる。また、後述する巻線５を外部電源に接続するコードＣへ接続するために電源側の引出線５ｂも必要である。巻線５、渡り線５ａおよび引出線５ｂは、一本の電線Ｅで構成されており、スロット４に巻回されてコイルとなる部分が巻線５となり、異なるスロット４の巻線５同士を接続する部分が渡り線５ａとなり、巻線５をコードＣとを接続する部分が引出線５ｂとなる。なお、本実施の形態では、巻線５、渡り線５ａおよび引出線５ｂは一本の電線Ｅで構成されているが、各部をはんだ付けで接続して二本以上の電線で構成されていてもよい。渡り線５ａは、ティース３ａ，３ｂの外周面に設けた溝３ｃ内に収容されて異なるスロット４に装着されている同相の巻線５同士を接続する。そして、本実施の形態では、同じ溝３ｃに異なる相の巻線５を接続する渡り線５ａが混在して収容されないように、溝３ｃを三つ設けている。よって、三相の渡り線５ａは、それぞれ別々に溝３ｃに収容されるので、異相の巻線５の渡り線５ａ同士を確実に絶縁できる。そして、本実施の形態では、溝３ｃに渡り線５ａを収容した後に、接着剤を塗布して渡り線５ａの溝３ｃからの脱落を防止している。なお、接着剤は、渡り線５ａを溝３ｃ内に定着できるものを使用すればよい。

また、各コア２Ａ，２ＢにおけるＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線５は、それぞれ渡り線５ａによって直列に接続されて、それぞれのコア２Ａ，２ＢにてＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎に直列接続された巻線５でなる巻線群とされている。そして、コア２Ａの各巻線群から延びる引出線５ｂは、電機子Ａの軸方向の一端である図１中左端から外方へ引き出されてコードＣへ接続される。また、コア２Ａの各巻線群から延びる渡り線５ａは、電機子Ａの軸方向の他端である図１中右端から外方へ引き出されて互いに結線されて結線点Ｊ１を形成している。さらに、コア２Ｂの各巻線群から延びる引出線５ｂは、電機子Ａの軸方向の一端である図１中左端から外方へ引き出されてコードＣへ接続され、コア２Ｂの各巻線群から延びる渡り線５ａは、電機子Ａの軸方向の他端である図１中右端から外方へ引き出されて互いに結線されて結線点Ｊ２を形成している。

よって、図３に示すように、各巻線５は、コア２Ａ，２Ｂ毎に同相の巻線同士が直列に接続されて、各相の巻線５同士がＹ結線されており、コア２Ａの巻線５とコア２Ｂの巻線５は、外部電源に対して並列に接続されている。

このようにコア２Ａの巻線５とコア２Ｂの巻線５は、外部電源に対して並列接続されているので、各コア２Ａ，２Ｂの巻線５に効率よく電圧を印加でき大きな電流を供給でき、筒型リニアモータ１の推力を向上できる。なお、コア２Ａ，２Ｂの各相も巻線を同相で直列に接続するようにしてもよい。

このように各相の巻線５は、Ｙ結線されており前記渡り線５ａの結線箇所である結線点Ｊ１，Ｊ２が中立点とされている。この結線点Ｊ１，Ｊ２は、コア２Ｂの図２中左方側へ引き出されている。

そして、このように構成されたコア２Ａ，２Ｂは、出力軸であるロッド１１の外周に装着されている。具体的には、コア２Ａ，２Ｂは、ロッド１１の外周に取り付けられている環状のスライダ１２，１３とで挟持されてロッド１１に固定されている。また、コア２Ａ，２Ｂ間には、ロッド１１の外周に固定される非磁性体で形成されるスペーサ１４が介装されており、コア２Ａとコア２Ｂは、間隔Ｓを空けてロッド１１に固定されている。本実施の形態の場合、スペーサ１４によってコア２Ａとコア２Ｂとの間に磁気的なギャップが設けられている。

ロッド１１は、本実施の形態では、先端外周にスライダ１３を備えた主軸２０と、先端外周にスライダ１２を備えて外周に電機子Ａが装着されて主軸２０に連結される電機子保持軸２１とを備えている。そして、主軸２０は、筒状であって先端の外周に環状のスライダ１３を一体に備えており、電機子保持軸２１は、主軸２０と同様に筒状であって先端の外周に環状のスライダ１２を一体に備えており、外径が主軸２０より小径とされている。そして、このように構成された電機子保持軸２１は、図１に示すように、外周に筒状の電機子Ａを装着した後、主軸２０の左端内周に基端を螺合して主軸２０に連結される。このようにして、主軸２０と電機子保持軸２１とを連結してロッド１１を構成すると、電機子Ａがスライダ１２，１３とで挟持されてロッド１１に固定される。

また、電機子保持軸２１は、内方に界磁６に対する電機子Ａの位置をセンシングするストロークセンサ３０の収容している。ストロークセンサ３０は、本実施の形態では、線形可変差動変圧器とされており、キャップ１５に保持される筒状のコイルアッセンブリ３０ａと、コイルアッセンブリ３０ａ内に移動自在に挿入されるとともに電機子保持軸２１に保持されるコア３０ｂとで構成されている。

なお、ストロークセンサ３０は、前記した線形可変差動変圧器に限られず、界磁６に対する電機子Ａの位置をセンシングできるものであれば利用できる。また、コア３０ｂの電機子保持軸２１への取付については、前述の構造に限られず、主軸２０に取付けるようにしてもよい。

ロッド１１が主軸２０と電機子保持軸２１とに分割されて構成されると、スライダ１３を主軸２０に設けるとともにスライダ１３を電機子保持軸２１に設けられて、電機子Ａを固定するためのナットも不要となるから、部品点数が少なくなるとともに電機子Ａの組付けが容易となる。これに対して、ロッド１１を分割構造とせずに、ロッド１１の先端にスライダ１２，１３および電機子Ａが装着される小径部を設けて小径部の先端に螺着されるナットでスライダ１２，１３および電機子Ａをロッド１１に固定するようにしてもよい。なお、スライダ１２，１３の外周には、ウェアリング１２ａ，１３ａが装着されている。

ここで、コア２Ａ，２Ｂの末端ティース３ａの外周端における軸方向長さを変化させると、コア２Ａ，２Ｂが界磁６に対して軸方向へ移動する際のコギング推力の波形も変化する。そして、末端ティース３ａの前記軸方向長さを最適化すると界磁６に対するコア２Ａ，２Ｂの位置（ｄｅｇ）に対するコギング推力の波形を正弦波に近づけられる。このようにコア２Ａ，２Ｂの前記コギング推力の波形を正弦波とすると、コア２Ａのコギング推力でコア２Ｂのコギング推力を打ち消すようにコア２Ａとコア２Ｂを配置すれば電機子Ａのコギング推力を極小さくできる。

末端ティース３ａの外周端における軸方向長さを中間ティース３ｂの外周端における軸方向長さの二分の一の長さから徐々に増やしていくと、周期的に前記コギング推力の波形が正弦波となる。末端ティース３ａの外周端における軸方向長さを中間ティース３ｂの外周端における軸方向長さの二分の一の長さから徐々に増やしていくと、コア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲でコギング推力の波の数が周期的に二倍となるように変化する。以上のことが、発明者らの研究によって知見されている。よって、コギング推力の波形を正弦波とするように末端ティース３ａの外周端の軸方向長さを設定し、その際のコギング推力の波形がコア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲でいくつの波があるかを調べて、コア２Ａのコギング推力でコア２Ｂのコギング推力を打ち消すようにコア２Ａとコア２Ｂとの間の間隔を調整すればよい。そのため、本実施の形態では、コア２Ａ，２Ｂ間にギャップを形成するスペーサ１４を設けてコア２Ａ，２Ｂを位置決めしてコギング推力の低減を図っている。

前述したところでは、電機子Ａが二つのコア２Ａ，２Ｂを備えているが、三つ以上のコアを備えていてもよい。電機子Ａが二つ以上のコアを備えている場合、各コアのコギング推力の波形を正弦波となるように設定して、各コアのコギング推力が互いに打ち消しあうように各コアをロッド１１に装着すればよい。なお、電機子Ａは、コギング推力の低減が不要であれば、コアを一つのみを備えていてもよい。

また、スライダ１２，１３およびスペーサ１４の外径は、コア２Ａ，２Ｂの外径よりも大径に設定されている。そして、このように構成された電機子Ａは、筒状の界磁６内に推力方向である軸方向へ移動自在に挿入される。

他方、固定子Ｓは、本実施の形態では、円筒状の非磁性体で形成されるアウターチューブ７と、アウターチューブ７内に挿入される円筒状の軟磁性体で形成されるバックヨーク８と、バックヨーク８内に挿入されてバックヨーク８との間に環状隙間を形成するインナーチューブ９と、軸方向に交互に積層されてバックヨーク８とインナーチューブ９との間の環状隙間内に収容される環状の主磁極の永久磁石６ａと環状の副磁極の永久磁石６ｂとでなる界磁６とを備えて構成されている。

なお、図１中で主磁極の永久磁石６ａと副磁極の永久磁石６ｂに記載されている三角の印は、着磁方向を示しており、主磁極の永久磁石６ａの着磁方向は径方向となっており、副磁極の永久磁石６ｂの着磁方向は軸方向となっている。主磁極の永久磁石６ａと副磁極の永久磁石６ｂは、ハルバッハ配列で配置されており、界磁６の内周側では、軸方向にＳ極とＮ極が交互に現れるように配置されている。

また、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１は、副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２よりも長くなっており、本実施の形態では、０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５を満たすように、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２が設定されている。主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１を長くすればコア２Ａ，２Ｂとの間の主磁極の永久磁石６ａとの間の磁気抵抗を小さくできコア２Ａ，２Ｂへ作用させる磁界を大きくできるので筒型リニアモータ１の推力を向上できる。

また、本発明の筒型リニアモータ１では、永久磁石６ａ，６ｂの外周にバックヨーク８を設けている。バックヨーク８を設けると副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２を短くしても磁気抵抗の低い磁路を確保できるため、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１を長くする際の筒型リニアモータ１の推力を効果的に向上できる。より詳しくは、永久磁石６ａ，６ｂの外周にバックヨーク８を設けると、磁気抵抗の低い磁路を確保できるので副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２の短縮に起因する磁気抵抗の増大が抑制される。よって、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１を副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２よりも長くするとともに永久磁石６ａ，６ｂの外周に筒状のバックヨーク８を設けると筒型リニアモータ１の推力を大きく向上させ得る。バックヨーク８の肉厚は、主磁極の永久磁石６ａの外部磁気抵抗の増大を抑制に適する肉厚に設定されればよい。なお、バックヨーク８を設けると磁気抵抗の増大を抑制できるが、バックヨーク８の省略も可能である。

なお、副磁極の永久磁石６ｂは、主磁極の永久磁石６ａより高い保磁力を有する永久磁石とされている。永久磁石における残留磁束密度と保磁力は、互いに密接に関係しており、一般的に残留磁束密度を高めると保磁力は低くなり、保磁力を高めると残留磁束密度が低くなるという、互いに背反する関係にある。ハルバッハ配列では、副磁極の永久磁石６ｂには減磁方向に大きな磁界が印加されるため、副磁極の永久磁石６ｂの保磁力を高くして減磁を抑制し、大きな磁界をコア２Ａ，２Ｂに作用させ得るようにしている。対して、コア２Ａ，２Ｂに対して作用する磁界の強さは、主磁極の永久磁石６ａの磁力線数に左右される。そのため、主磁極の永久磁石６ａに高い残留磁束密度の永久磁石を使用して大きな磁界をコア２Ａ，２Ｂに作用させるようにしている。本実施の形態では、副磁極の永久磁石６ｂを主磁極の永久磁石６ａよりも保磁力を高くするのに際して、副磁極の永久磁石６ｂの材料を主磁極の永久磁石６ａの材料よりも保磁力が高い材料としている。よって、材料の選定によって、主磁極の永久磁石６ａと副磁極の永久磁石６ｂの組合せを簡単に実現できる。なお、本実施の形態では、主磁極の永久磁石６ａは、ネオジム、鉄、ボロンを主成分とする残留磁束密度が高い材料で構成され、副磁極の永久磁石６ｂは、前記材料にジスプロシウムやテリビウム等の重希土類元素の添加量を増やした減磁しにくい磁石で構成されている。

また、界磁６の内周側には、電機子Ａが挿入されており、界磁６は、電機子Ａに磁界を作用させている。なお、界磁６は、電機子Ａの可動範囲に対して磁界を作用させればよいので、電機子Ａの可動範囲に応じて永久磁石６ａ，６ｂの設置範囲を決定すればよい。したがって、アウターチューブ７とインナーチューブ９との環状隙間のうち、電機子Ａに対向し得ない範囲には、永久磁石６ａ，６ｂを設置しなくともよい。なお、バックヨーク８の長さは、永久磁石６ａ，６ｂを積層した長さと等しい長さとされており、永久磁石６ａ，６ｂがコア２Ａ，２Ｂのストローク範囲外に磁界を作用させて推力低下を招かないように配慮されている。

また、アウターチューブ７、バックヨーク８およびインナーチューブ９の図１中左端はキャップ１５によって閉塞されており、アウターチューブ７、バックヨーク８およびインナーチューブ９の図１中右端は環状のヘッドキャップ１６によって閉塞されている。ヘッドキャップ１６は、内径がロッド１１の外径よりも大径であって、内周にダストシール１６ａを備えており、内周にロッド１１が挿通されている。そして、ダストシール１６ａは、ヘッドキャップ１６の内周に移動自在に挿入されるロッド１１の外周に摺接してロッド１１の外周をシールしている。よって、固定子Ｓ内は、密閉されている。

インナーチューブ９の内周には、ロッド１１とロッド１１の外周に装着された電機子Ａ、スライダ１２，１３およびスペーサ１４が軸方向へ移動可能に挿入されている。つまり、固定子Ｓ内に可動子Ｍが軸方向移動自在に挿入されている。

このように電機子Ａが界磁６内に挿入されると各コア２Ａ，２Ｂが界磁６における８つ磁極に対向するので、筒型リニアモータ１は、８極９スロットのリニアモータとされている。また、インナーチューブ９の内周面には、ウェアリング１２ａ，１３ａを装着したスライダ１２，１３が摺接しており、スライダ１２，１３によって電機子Ａはロッド１１とともに界磁６に対して偏心せずに軸方向へスムーズに移動できる。

インナーチューブ９は、電機子Ａの外周と各永久磁石６ａ，６ｂの内周との間にギャップを形成するとともに、スライダ１２，１３と協働して電機子Ａの軸方向移動を案内する役割を果たしている。このように、界磁６に対して電機子Ａの偏心が防止されるので、電機子Ａの偏心による推力低下も阻止され、筒型リニアモータ１は安定して推力を発生できる。なお、スペーサ１４は、本実施の形態では、インナーチューブ９の内周に摺接してはいないが、ロッド１１に過大な径方向の外力が作用してロッド１１が撓んでもコア２Ａ，２Ｂに先立ってインナーチューブ９に当接する。よって、コア２Ａ，２Ｂのインナーチューブ９への干渉が阻止され、電機子Ａを保護できる。

また、インナーチューブ９の図１中右端近傍の内周には、フランジ状のストッパ９ａが設けられている。ストッパ９ａは、可動子Ｍが固定子Ｓに対して図１中右方へ移動する筒型リニアモータ１の伸長作動時において、可動子Ｍがストロークエンド（移動限界）まで移動するとスライダ１３に当接して可動子Ｍのそれ以上の移動を規制する。ストッパ９ａは、可動子Ｍに当接して可動子Ｍの移動を規制する状態において、固定子Ｓ内であって可動子Ｍの右端とヘッドキャップ１６との間に空隙が形成される。そして、電機子Ａから引き出された結線点Ｊ１，Ｊ２までの渡り線５ａの長さは、可動子Ｍに当接して可動子Ｍの移動を規制する状態において固定子Ｓにおけるヘッドキャップ１６に干渉しない長さに設定されている。よって、可動子Ｍが固定子Ｓに対してストロークエンドまで移動しても、結線点Ｊ１，Ｊ２が固定子Ｓに干渉しない。

なお、インナーチューブ９は、非磁性体で形成されればよいが、合成樹脂で形成されると筒型リニアモータ１の推力密度向上効果が高くなる。インナーチューブ９を非磁性体の金属で製造すると、電機子Ａが軸方向へ移動する際にインナーチューブ９の内部に渦電流が生じて、電機子Ａの移動を妨げる力が発生してしまう。これに対して、インナーチューブ９を合成樹脂とすれば渦電流が生じないので筒型リニアモータ１の推力をより効果的に向上できるとともに、筒型リニアモータ１の質量を低減できる。インナーチューブ９を合成樹脂とする場合、フッ素樹脂で製造すればスライダ１２，１３のウェアリング１２ａ，１３ａとの間の摩擦および摩耗を低減できる。また、インナーチューブ９を他の合成樹脂で形成してもよく、また、摩擦および摩耗を低減するべく他の合成樹脂で形成されたインナーチューブ９の内周をフッ素樹脂でコーティングしてもよい。

前述のように電機子Ａの両端に設けられたスライダ１２，１３をインナーチューブ９に摺接させているので、電機子Ａの界磁６に対する偏心の防止と電機子Ａの軸方向（推力方向）の円滑な移動が保証され、筒型リニアモータ１は、安定して推力を発生できる。また、筒型リニアモータ１は、界磁６の内周に非磁性体のインナーチューブ９を備えているので、筒型リニアモータ１の界磁６内に電機子Ａを挿入する際に電機子Ａが永久磁石６ａ，６ｂに吸引されて貼り付いてしまうのを防止できる。よって、インナーチューブ９を設けると、電機子Ａが永久磁石６ａ，６ｂに吸引されて貼り付いてしまって筒型リニアモータ１の組立が不能となってしまう事態が回避され、筒型リニアモータ１の組立作業も容易となる。

本実施の形態では、スライダ１２，１３をインナーチューブ９に摺接させて電機子Ａの界磁６に対する偏心の防止と移動を案内しているが、スペーサ１４をインナーチューブ９に摺接させて、スライダ１２，１３と共に電機子Ａの偏心と移動を案内してもよい。

なお、アウターチューブ７、バックヨーク８およびインナーチューブ９の軸方向長さは、電機子Ａの軸方向長さよりも長く、電機子Ａは、界磁６内の軸方向長さの範囲で図１中左右へストロークできる。

また、キャップ１５には、巻線５に接続されるコードＣを図示しない外部電源に接続するカプラ１５ａを備えており、外部電源から巻線５へ通電できるようになっている。具体的には、コア２Ａ，２Ｂの巻線５から引き出される六本の引出線５ｂは、コードＣを介して図外の外部電源に接続される。

そして、たとえば、巻線５の界磁６に対する電気角をストロークセンサ３０でセンシングし、前記電気角に基づいて通電位相切換を行うとともにＰＷＭ制御により、各巻線５の電流量を制御すれば、筒型リニアモータ１における推力と電機子Ａの移動方向とを制御できる。なお、前述の制御方法は、一例でありこれに限られない。また、電機子Ａと界磁６とを軸方向に相対変位させる外力が作用する場合、巻線５への通電、あるいは、巻線５に発生する誘導起電力によって、前記相対変位を抑制する推力を発生させて筒型リニアモータ１に前記外力による機器の振動や運動をダンピングさせ得るし、外力から電力を生むエネルギ回生も可能である。

以上のように、本発明の筒型リニアモータ１は、筒状であって軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁６を有する固定子Ｓと、界磁６に対向する複数のスロット４を有する筒状のコア２Ａ，２Ｂとスロット４に装着される三相の巻線５とを有する電機子Ａを有して、固定子Ｓ内に軸方向へ移動自在に挿入される可動子Ｍとを備え、各相の巻線５に接続される電源側の引出線５ｂが電機子Ａの軸方向の一端側から巻線５に接続され、各相の巻線５が電機子Ａの軸方向の他端側でＹ結線されており、電機子Ａが固定子Ｓに対してストロークエンドまでストロークしても各相の巻線５の結線点Ｊ１，Ｊ２が固定子Ｓに干渉しない位置に配置されて構成されている。

本実施の形態の場合、二つのコア２Ａ，２Ｂの巻線５が外部電源に並列接続されているので、コア２Ａの同相の巻線５を接続する渡り線５ａは３本で、コア２Ａを跨いでコア２Ｂの巻線５を外部電源に接続する引出線５ｂは３本となる。また、コア２Ｂの同相の巻線５を接続する渡り線５ａは３本で、コア２Ｂを跨いでコア２Ａの巻線５を結線するための渡り線５ａは３本となる。よって、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、電機子Ａを跨ぐ電線数は合計６本となる。ここで、結線するための渡り線５ａを電機子Ａの図１中右端側で折り返して左端側から外方へ引き出して結線すると、図４に示すように、電機子Ａを跨ぐ電線数は二倍の１２本となってしまう。

このように、巻線５を外部電源に接続する引出線５ｂが電機子Ａの軸方向の一端側から巻線５に接続されるとともに、巻線５が電機子Ａの軸方向の他端側でＹ結線されているので、巻線５同士をＹ結線する渡り線５ａが電機子Ａを跨がないので、電機子Ａを跨ぐ電線Ｅの本数を最小限に留め得る。また、このように配線しても、可動子Ｍが如何にストロークしても結線点Ｊ１，Ｊ２が固定子Ｓに干渉しないので、断線の恐れもない。

つまり、本発明の筒型リニアモータ１では、電機子Ａを跨ぐ電線Ｅの本数を最小限に留め得るとともに結線点Ｊ１，Ｊ２を保護できるので、外径を大径にせずとも電機子Ａを跨ぐ電線Ｅを収容するスペースを確保できる。よって、本発明の筒型リニアモータ１は、質量増加を招かないので質量推力密度が向上し、軽量で大きな推力を発生可能である。また、外径の大径化が抑制されるので、筒型リニアモータ１の機器への搭載性も向上する。

また、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、可動子Ｍが固定子Ｓに対してストロークエンドまでストロークすると可動子Ｍの移動を規制しつつ可動子Ｍと固定子Ｓとの間に空隙を形成するストッパ９ａを備えている。よって、結線点Ｊ１，Ｊ２をこの空隙に収めることで、電機子Ａから外方へ引き出しても固定子Ｓとの干渉を防止でき、巻線５の断線が阻止されるので筒型リニアモータ１の実用性を向上できる。なお、ストッパは、インナーチューブ９に設ける以外にも、ヘッドキャップ１６にインナーチューブ９内に突出するように設けられてもよく、形状についても図示したものに限られず、設計変更可能である。

さらに、図５に示した第一変形例の筒型リニアモータ１Ａのように、結線点Ｊ１，Ｊ２をロッド１１の主軸２０に設けた孔２０ａを介してロッド１１内に収容してもよい。また、図６に示した第二変形例の筒型リニアモータ１Ｂのように、結線点Ｊ１，Ｊ２をスライダ１３に設けた孔１３ｂおよびロッド１１の主軸２０に設けた孔２０ｂを介してロッド１１内に収容してもよい。このように結線点Ｊ１，Ｊ２がロッド１１内に収容されると、可動子Ｍのストローク中に固定子Ｓと干渉するのを確実に防止できる。

そしてさらに、図７に示した第三変形例の筒型リニアモータ１Ｃのように、結線点Ｊ１，Ｊ２をスライダ１３に設けた中空部１３ｃ内に配置させてスライダ１３内に収容してもよい。中空部１３ｃは、スライダ１３の図７中右端に開口していてもよい。このように結線点Ｊ１，Ｊ２がスライダ１３内に収容されると、可動子Ｍのストローク中に固定子Ｓと干渉するのを確実に防止できる。

なお、本実施の形態では、二つのコア２Ａ，２Ｂを設けてこれらのコア２Ａ，２Ｂの巻線５を並列して外部電源に接続して筒型リニアモータ１の推力の向上を図っているが、コア２Ａ，２Ｂの同相の巻線５を数珠つなぎに直列接続するようにしてもよい。この場合、電機子Ａを跨ぐ電線数が最小となり、結線点も一つとなる。

さらに、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、各コア２Ａ，２Ｂのティース３ａ，３ｂの外周に渡り線５ａや引出線５ｂをなす電線Ｅを溝３ｃに収容している。このように、コア２Ａ，２Ｂと界磁６との間のスペースを利用して電機子Ａを跨ぐ電線Ｅを配置すると電機子Ａの内周側よりも収容スペースを大きく確保でき、より効果的に筒型リニアモータ１の外径の大径化を抑制できる。ただし、本発明では、電機子Ａを跨ぐ配線数を減少させ得るので、電機子Ａの内側に配線する構造の採用は妨げられるものではない。

なお、前述した各実施の形態の筒型リニアモータ１では、図中において巻線５を外部電源に接続する引出線５ｂが電機子Ａの左端側から巻線５に接続されるとともに、巻線５が電機子Ａの右端側でＹ結線されているが、反対に、巻線５を外部電源に接続する引出線５ｂが電機子Ａの右端側から巻線５に接続されるとともに、巻線５が電機子Ａの左端側でＹ結線されていてもよい。つまり、電機子Ａのロッド側の端部側で巻線５が引出線５ｂを介して外部電源に接続されるとともに、電機子Ａの反ロッド側の端部側で巻線５がＹ結線されていてもよい。このようにしても、巻線５同士をＹ結線する渡り線５ａが電機子Ａを跨がないので、電機子Ａを跨ぐ電線Ｅの本数を最小限に留め得るので、外径を大径にせずとも電機子Ａを跨ぐ電線Ｅを収容するスペースを確保できる。よって、筒型リニアモータのこ質量推力密度が向上し、軽量で大きな推力を発揮発生可能である。

また、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、電機子Ａの軸方向の両側にスライダ１２，１３を設ける他、コア２Ａ，２Ｂ間にスペーサ１４を設けている。このように電機子Ａが複数のコア２Ａ，２Ｂを備えている場合には、コア２Ａ，２Ｂ間にスペーサ１４を設けるようにすると、ロッド１１に過大な径方向の外力が作用してロッド１１が撓んでもコア２Ａ，２Ｂに先立ってインナーチューブ９に当接する。よって、このように構成された筒型リニアモータ１によれば、コア２Ａ，２Ｂのインナーチューブ９への干渉が阻止されて電機子Ａを保護できる。

なお、発明者らの研究によって、末端ティース３ａおよび中間ティース３ｂの断面における側面と直交面とでなす内角θが６度から１２度の範囲にあると、良好な質量推力密度が得られることが分かった。ここで、質量推力密度とは、前述の構成の筒型リニアモータ１の最大推力を質量で割った数値であり、質量推力密度が良化すれば、筒型リニアモータ１の質量当たりの推力が大きくなる。以上より、末端ティース３ａおよび中間ティース３ｂの断面を台形状とする場合、前記内角θを６度から１２度の範囲の角度とすると、筒型リニアモータ１の質量当たりの推力が大きくなるので小型で大きな推力が得られる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ・・・筒型リニアモータ、２Ａ，２Ｂ・・・コア、５・・・巻線、５ａ・・・渡り線、５ｂ・・・引出線、６・・・界磁、９・・・インナーチューブ、１１・・・ロッド、１２，１３・・・スライダ、Ａ・・・電気子、Ｊ１，Ｊ２・・・結線点、Ｍ・・・可動子、Ｓ・・・固定子

Claims (4)

1. 筒状であって軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁を有する固定子と、
   前記界磁に対向する複数のスロットを有する筒状のコアと前記スロットに装着される三相の巻線とを有する電機子を有して、前記固定子内に軸方向へ移動自在に挿入される可動子とを備え、
   前記各相の巻線に接続される電源側の引出線は、前記電機子の軸方向の一端側から前記巻線に接続され、
   前記各相の巻線は、前記電機子の軸方向の他端側でＹ結線されており、
   前記各相の巻線の結線点は、前記電機子が前記固定子に対してストロークエンドまでストロークしても前記固定子に干渉しない位置に配置される
   ことを特徴とする筒型リニアモータ。
2. 前記可動子が前記固定子に対してストロークエンドまでストロークすると前記可動子の移動を規制しつつ前記可動子と前記固定子との間に空隙を形成するストッパを備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒型リニアモータ。
3. 前記可動子は、前記電機子が外周に装着されるとともに前記固定子内に軸方向移動自在に挿入されるロッドを有し、
   前記結線点は、前記ロッド内に収容される
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒型リニアモータ。
4. 前記固定子は、前記界磁の内周に配置されるインナーチューブを有し、
   前記可動子は、前記電機子が外周に装着されるとともに前記固定子内に軸方向移動自在に挿入されるロッドと、前記ロッドの外周に装着されて前記インナーチューブの内周に摺接するスライダとを有し、
   前記結線点は、前記スライダ内に収容される
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒型リニアモータ。

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