JP7064426B2 - 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電機子と、界磁を保持する筒状のヨーク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、ヨークが内周に全周に亘って形成される環状溝を備えており、積層された永久磁石で構成される界磁がヨークに形成された環状溝内に収容されてヨークに固定されている。より詳しくは、ヨークの内周に設けられた環状溝は、界磁の軸方向端部に面する一対の環状の側面と、界磁の外周に対向する円筒形の底面とでなり、界磁は、一対の側面で挟持されてヨークに固定される。

特開２０１３－２９１５９号公報

従来の筒型リニアモータは、電機子の巻線への通電によって電機子と界磁との間に生じる吸引力で電機子を駆動するが、電機子が界磁に対して移動するとその反力として界磁にも軸方向の荷重（軸力）が作用する。

界磁に作用する軸力をヨークで受け止めるが、界磁の軸力はヨークの側面に作用してヨークにせん断力を与え、ヨークの断面で見ると側面と底面とが直交するため側面と底面との境の断面形状の変化が大きいため前記境に応力が集中してしまう。

よって、従来の筒型リニアモータでは、このような応力集中にも耐えうるようにヨークの肉厚を厚くする必要があり、質量が嵩張り、質量当たりの推力である質量推力密度を低下させてしまう。

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、軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される環状の複数の永久磁石を有する筒状の界磁と、界磁の内周に軸方向移動自在に挿入される電機子と、筒状であって界磁の軸方向端部に対向する段部と界磁の内周に配置される筒部とを有して界磁を保持する界磁保持部材と、段部と界磁の軸方向端部との間に介装されるスペーサとを備え、界磁保持部材における段部と筒部との境に湾曲面あるいはテーパ面を有し、スペーサは、段部に面する端面に湾曲面への当接を避ける逃げ部を有している。

このように構成された筒型リニアモータでは、電機子を軸方向に駆動する際に反力として界磁保持部材の段部に軸力が作用しても、段部と筒部との境の部分への応力集中を緩和できるとともにスペーサと段部との接触圧力を低減できるので、筒型リニアモータの質量を軽減できる。

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。

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、軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される環状の複数の永久磁石１０ａ，１０ｂを有する筒状の界磁６と、界磁６の内周に軸方向移動自在に挿入される電機子２と、筒状であって界磁６を保持する界磁保持部材９と、界磁６と界磁保持部材９との間に介装されるスペーサ４０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。電機子２は、コア３と巻線５とを備えて構成されている。コア３は、円筒状のコア本体３ａと、環状であってコア本体３ａの外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース３ｂとを備えて構成されている。

コア３は、前述の通り筒状であって、図１に示すように、コア本体３ａの外周に軸方向に等間隔に並べて設けられた１０個のティース３ｂを備えており、ティース３ｂ，３ｂ間には、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、本実施の形態では、図１中で隣り合うティース３ｂ，３ｂ同士の間には、空隙でなるスロット４が合計で９個設けられている。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相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線の三相の巻線で構成されている。９個のスロット４には、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相およびＵ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｕ相およびＷ相が装着されている。

そして、電機子２は、出力軸である非磁性体で形成されたロッド１１の先端の外周に装着されている。ロッド１１は、筒状の第一ロッド２０と、筒状であって外周にコア３が装着されるとともに第一ロッド２０の内周に螺合される第二ロッド２１とを備えている。

第一ロッド２０は、筒状であって図１中左端外周と図１中右端内周にそれぞれ螺子部２２ａ，２２ｂを有するロッド本体２２と、筒型リニアモータ１を機器へ取り付けるブラケット２３ａを有してロッド本体２２の図１中左端の螺子部２２ａに螺着されてロッド本体２２の左端を閉塞するエンドキャップ２３とを備えている。

また、ロッド本体２２の図１中右端外周には、環状のスライダ２５が嵌合されている。スライダ２５は、後述する筒部９ｂの内周に摺接する摺接部２５ａと、摺接部２５ａの図１中左方側であるロッド１１の基端側に設けられた外径が摺接部２５ａよりも小径な小径部２５ｂと、小径部２５ｂの外周に周方向に沿って設けられた環状溝２５ｃと、図１中右端内周に設けられたフランジ２５ｄとを備えている。そして、スライダ２５の環状溝２５ｃには、弾性体としてのゴム製のシールリング２６が装着されている。また、スライダ本体２５ｄの内径は、ロッド本体２２の内径以上であってロッド本体２２の外径以下となっており、スライダ２５をロッド本体２２に嵌合するとスライダ本体２５ｄがロッド本体２２の図１中右端面に当接する。

第二ロッド２１は、外周にコア３が装着される筒状のコア保持筒２１ａと、コア保持筒２１ａの図１中右端となる先端の外周に設けられる環状のスライダ２１ｂとを備えている。また、コア保持筒２１ａの図１中左端となる基端の外周には、螺子部２１ｃが設けられており、コア保持筒２１ａの基端側内周には内径が他の部位よりも大きな内径大径部２１ｄが設けられている。そして、コア保持筒２１ａの基端を第一ロッド２０におけるロッド本体２２の図１中右端の内周に挿入しつつ螺子部２１ｃを螺子部２２ｂに捩じ込むと、第一ロッド２０と第二ロッド２１とが連結される。このようにロッド１１は、本実施の形態では、第一ロッド２０と第二ロッド２１とで構成されて筒状とされている。

また、第二ロッド２１におけるコア保持筒２１ａの外周には、コア３が嵌合されて装着されている。コア保持筒２１ａの外径は、第一ロッド２０におけるロッド本体２２の外径よりも小径となっているので、スライダ２５を装着した第一ロッド２０に電機子２を装着した第二ロッド２１を前記した要領で連結すると、電機子２およびスライダ２５が第一ロッド２０の図１中右端と第二ロッド２１のスライダ２１ｂとで挟み込まれて固定される。このようにロッド１１に電機子２を装着すると、コア３がスライダ２１ｂおよびスライダ２５に挟まれる格好でロッド１１に固定される。なお、本実施の形態では、電機子２は、単一のコア３のみを有して構成されているが、コギング推力の軽減等のために複数のコア３を持つ構成とされてもよい。

つづいて、ロッド１１には、ロッド１１の外周を覆って空隙Ｇを形成するカバー１７が設けられている。具体的には、カバー１７は、筒状であって一端がロッド１１の外周に設けた環状のカバーエンド１８の外周に嵌合されるとともに他端がスライダ２５の小径部２５ｂの外周に嵌合されてロッド１１に装着されている。

カバー１７とロッド１１との間の空隙Ｇ内には、コア３に装着された各相の巻線５を外部の図示しない駆動回路へ接続するリード線Ｌが収容されており、カバー１７を取外した状態で巻線５とリード線Ｌとの配線作業を行えるようになっており、筒型リニアモータ１の組立作業を容易ならしめている。

つづいて、本実施の形態では、界磁６は、軸方向に交互に積層され複数の環状の主磁極となる永久磁石１０ａと複数の環状の副磁極となる永久磁石１０ｂとを備えて構成されている。また、界磁６は、外周に装着される円筒状の磁性体で形成されるバックヨーク８とともに、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非磁性体の界磁保持部材９との間の環状隙間内に収容されている。

界磁保持部材９は、アウターチューブ７の開口端に装着されるヘッド部９ａと界磁６の内周に配置される筒部９ｂとを備えており、筒部９ｂの外周に界磁６が軸方向移動不能に取り付けられている。

界磁６は、筒状のバックヨーク８の内周に軸方向に交互に積層されて挿入される複数の環状の主磁極となる永久磁石１０ａと複数の環状の副磁極となる永久磁石１０ｂ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１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂ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１０ａの着磁方向は径方向となっており、副磁極の永久磁石１０ｂの着磁方向は軸方向となっている。主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂ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、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さは、副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さよりも長くなっている。このように、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さを長くすればコア３との間の主磁極の永久磁石１０ａとの間の磁気抵抗を小さくできコア３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、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、永久磁石１０ａ，１０ｂ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１０ｂの軸方向長さ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１０ａの軸方向長さを副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さよりも長くするとともに永久磁石１０ａ，１０ｂ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１０ａ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。

また、界磁６の内周側には、電機子２が軸方向移動自在に挿入されており、界磁６は、コア３に磁界を作用させている。なお、界磁６は、コア３の可動範囲に対して磁界を作用させればよいので、コア３の可動範囲に応じて永久磁石１０ａ，１０ｂ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と筒部９ｂとの環状隙間のうち、コア３に対向し得ない範囲には、永久磁石１０ａ，１０ｂ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１０ａ，１０ｂを積層した長さと等しい長さとされており、永久磁石１０ａ，１０ｂがコア３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は、図１中右端側が縮径されていて底部７ａが設けられており、底部７ａの右端に筒型リニアモータ１の機器への取り付けを可能とするブラケット７ｂを備えている。

さらに、界磁保持部材９は、非磁性体で形成されており、筒状であって、外周に螺子部を有してアウターチューブ７の図１中左端開口端に螺子締結されるヘッド部９ａと、ヘッド部９ａよりも肉厚が薄くヘッド部９ａの内周から図１中右方へ突出する筒部９ｂとを備えて構成されている。よって、界磁保持部材９は、ヘッド部９ａの図１中右端に、筒部９ｂの外周に装着される界磁６の軸方向端部６ａに対向する段部９ｃを備えている。そして、筒部９ｂの外周には、図１中左から環状のスペーサ４０、界磁６、環状のストッパ４１が順に嵌合されていて、界磁保持部材９のヘッド部９ａをアウターチューブ７に螺子締結すると、スペーサ４０、界磁６およびストッパ４１が界磁保持部材９におけるヘッド部９ａとアウターチューブ７の底部７ａとで挟持され、界磁６が筒部９ｂの外周に固定される。なお、界磁６の外周に装着されるバックヨーク８は、界磁６の磁力によって界磁６に拘束されるのでアウターチューブ７内で移動しない。

また、界磁保持部材９は、ヘッド部９ａの図１中右端である段部９ｃと筒部９ｂとの境に湾曲面９ｄを備えており、段部９ｃにのみ軸力が作用しても段部９ｃと筒部９ｂの境に応力が集中しないようになっている。なお、このように応力集中を回避するには、段部９ｃと筒部９ｂとの境にテーパ面を設けるようにしてもよい。

他方、スペーサ４０は、筒状であって、図１中右側の界磁側の外径が反界磁側よりも大きく大径部４０ａと小径部４０ｂとを備えており、大径部４０ａの図１中左端が界磁保持部材９の段部９ｃに当接し、小径部４０ｂの図１中右端が界磁６に当接している。また、スペーサ４０の大径部４０ａの反界磁側端の端面４０ｃの内周には面取りされて界磁保持部材９の湾曲面９ｄを避ける逃げ部４０ｄが設けられている。このようにスペーサ４０が逃げ部４０ｄを備えることで、スペーサ４０の大径部４０ａの図１中右端である反界磁側端が段部９ｃに正対して当接できる。

小径部４０ｂの外径は、バックヨーク８の内径よりも小径となっており、筒部９ｂとバックヨーク８との間に隙間に入り込んで界磁６の軸方向端部６ａに正対して当接している。

なお、ヘッド部９ａの内周には、第一ロッド２０の外周を覆うカバー１７の外周に摺接する環状のシール部材２８が設けられており、筒型リニアモータ１内への塵や水などの侵入が防止されている。

そして、界磁保持部材９内には、電機子２が装着されたロッド１１が軸方向移動自在に挿入され、筒部９ｂの内周にスライダ２１ｂ，２５が摺接して、電機子２の軸方向の移動が案内される。

筒部９ｂは、コア３の外周と各永久磁石１０ａ，１０ｂの内周との間のギャップを形成するとともに、スライダ２１ｂ，２５と協働してコア３の軸方向移動を案内する役割を果たしている。なお、本実施の形態では、電機子２は、単一のコア３のみを有して構成されているが、複数のコア３を持つ場合、電機子２の軸方向両端だけでなくコア３，３間にも筒部９ｂの内周に摺接するスライダを設けてもよい。

さらに、アウターチューブ７の底部７ａの内周には、ガイドロッド１６が取り付けられている。ガイドロッド１６は、底部７ａの内周に固定される基端部１６ａと、基端部１６ａからロッド１１側へ延びてロッド１１内に摺動自在に挿入されるガイド部１６ｂとを備えており、筒型リニアモータ１が伸縮しても常にロッド１１の内周に摺接している。より詳細には、ガイドロッド１６のガイド部１６ｂは、第二ロッド２１の内径大径部２１ｄよりも先端側に摺動自在に挿入されている。

このように本実施の形態における筒型リニアモータ１では、ガイドロッド１６がロッド１１の内周に摺接し、スライダ２１ｂ，２５が筒部９ｂに摺接しているので、電機子２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。

また、このように構成された筒型リニアモータ１では、電機子２の軸方向移動をガイドして界磁６に対する電機子２の偏心を防止する筒部９ｂがヘッド部９ａと一体構造になっているので、筒部９ｂとヘッド部９ａに歪が生じにくくスライダ２１ｂ，２５が筒部９ｂの内周を滑らかに摺動でき、スムーズに伸縮できる。

また、本実施の形態の筒型リニアモータ１は、ロッド１１内にストロークセンサＳを収容している。ストロークセンサＳは、本実施の形態では、線形可変差動変圧器とされており、詳しくは図示しないが、プライマリコイルと二つのセカンダリコイルとを収容した筒状のセンサ本体３０と、センサ本体３０内に軸方向へ移動可能に挿入されるとともに先端に被検出子であるセンサ用コア３１を有するプローブ３２とを備えて構成されている。なお、線形可変差動変圧器は、プライマリコイルへ交流電圧を印加した際に誘導さえる二つのセカンダリコイルの誘導電圧の差からセンサ用コア３１の位置を検知する。

センサ本体３０を予め第一ロッド２０内に挿入しておき、スライダ２５を第一ロッド２０の端部に嵌合して、第二ロッド２１を第一ロッド２０に螺着すると、センサ本体３０は、第二ロッド２１における内径大径部２１ｄの右端に形成される段部と第一ロッド２０のエンドキャップ２３とで挟持されて第一ロッド２０内に固定される。このように、センサ本体３０は、外周に電機子２が装着されない第一ロッド２０内に収容されており、ロッド１１の径方向で電機子２と対向しない範囲に収容されている。

また、ストロークセンサＳにおけるプローブ３２は、ロッド状であってガイドロッド１６におけるガイド部１６ｂの先端に取り付けられている。よって、被検出子としてのセンサ用コア３１は、プローブ３２、ガイドロッド１６およびアウターチューブ７を介して界磁６に対して固定的に連結されている。プローブ３２は、前述したとおり、先端にセンサ用コア３１を備えていて、先端側をセンサ本体３０内に挿入している。よって、電機子２が界磁６に対して軸方向へ移動するのに伴ってプローブ３２がセンサ本体３０に対して軸方向へ相対移動して、センサ用コア３１がセンサ本体３０内で移動する。

センサ本体３０を収容するロッド１１内にはプローブ３２を保持するガイドロッド１６が摺動自在に挿入されているので、センサ本体３０に対するセンサ用コア３１の径方向への偏心が防止される。なお、センサ本体３０のプライマリコイルへの通電用の配線およびセカンダリコイルに接続される配線は、図示はしないがエンドキャップ２３に設けた孔から外部へ引き出されて図外のコントローラに接続される。

そして、図外のコントローラは、ロッド１１の界磁６に対する位置をストロークセンサＳで検知し、コア３の界磁６に対する電気角を把握して通電位相切換を行うとともにＰＷＭ制御により、各巻線５の電流量を制御して、筒型リニアモータ１における推力と電機子２の移動方向とを制御する。なお、前述のコントローラにおける制御方法は、一例でありこれに限られない。また、電機子２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ー回生も可能である。

以上のように、本発明の筒型リニアモータ１は、軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される環状の複数の永久磁石１０ａ，１０ｂを有する筒状の界磁６と、界磁６の内周に軸方向移動自在に挿入される電機子２と、筒状であって界磁６の軸方向端部に対向する段部９ｃと界磁６の内周に配置される筒部９ｂとを有して界磁６を保持する界磁保持部材９と、段部９ｃと界磁６の軸方向端部６ａとの間に介装されるスペーサ４０とを備え、界磁保持部材９における段部９ｃと筒部９ｂとの境に湾曲面９ｄを有し、スペーサ４０は、段部９ｃに面する端面４０ｃに湾曲面９ｄへの当接を避ける逃げ部４０ｄを有している。

このように構成された筒型リニアモータ１では、電機子２を軸方向に駆動する際に反力として界磁保持部材９の段部９ｃに軸力が作用しても、段部９ｃと筒部９ｂとの境に湾曲面９ｄが設けられているので、界磁保持部材９の前記境の部分への応力集中を緩和できる。また、スペーサ４０が湾曲面９ｄを避ける逃げ部４０ｄを備えているので、スペーサ４０の端面４０ｃが段部９ｃに正対して当接できるので、電機子２の駆動時の界磁６に作用する軸力によるスペーサ４０と段部９ｃとの接触圧力を低減できる。このように界磁保持部材９の応力集中を緩和できるとともにスペーサ４０と段部９ｃとの接触面圧を低減できるので、界磁保持部材９の肉厚を厚くして界磁保持部材９の強度を確保する必要なくなり、筒型リニアモータ１の質量を軽減できる。よって、本実施の形態の筒型リニアモータ１によれば、界磁保持部材９の質量増加を招かないので質量推力密度を向上できる。また、スペーサ４０を段部９ｃと界磁６との間に介装しているので、湾曲面９ｄを備えた段部９ｃを界磁６の端面６ａに直接当接させずにすむので、界磁６の端面６ａに湾曲面９ｄを避ける面取りを設ける必要がなくなり、界磁６の端面６ａの段部９ｃに対向する端面の面積を大きくできる。よって、界磁６の接触面圧も軽減できるので、界磁６に過負荷がかかるのを防止できるし、磁力低下も防止できる。

また、前述したように、界磁保持部材９の段部９ｃと筒部９ｂとの境に設けるのは、湾曲面９ｄの代わりにテーパ面とされてもよく、スペーサ４０の逃げ部４０ｄは、テーパ状の面取りやＲ面取りによって形成されればよいが、界磁保持部材９の湾曲面９ｄ或いはテーパ面を避けて端面４０ｃが段部９ｃに正対して当接できる形状であればよい。

なお、前述したところでは、界磁保持部材９は、界磁６の内周に配置される筒部９ｂを備えているが、界磁６の外周に筒部を持ち界磁保持部材９の内周側に段部と湾曲面あるいはテーパ面をもつ構造とされてもよい。界磁保持部材９が界磁６の外周に筒部を持つ場合には、界磁保持部材９を磁性体としてバックヨークとして機能させてもよいし、界磁保持部材９を非磁性体で形成してバックヨーク８ごと界磁６を保持する構造となっていてもよい。

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・・・筒型リニアモータ、２・・・電機子、６・・・界磁、６ａ・・・界磁の軸方向端部、９・・・界磁保持部材、９ｂ・・・筒部、９ｃ・・・段部、９ｄ・・・湾曲面、１０ａ，１０ｂ・・・永久磁石、４０・・・スペーサ、４０ｃ・・・スペーサの端面、４０ｄ・・・逃げ部

Claims (1)

1. 軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される環状の複数の永久磁石を有する筒状の界磁と、
   前記界磁の内周に軸方向移動自在に挿入される電機子と、
   筒状であって前記界磁の軸方向端部に対向する段部と前記界磁の内周或いは外周に配置される筒部とを有して前記界磁を保持する界磁保持部材と、
   前記段部と前記界磁の軸方向端部との間に介装されるスペーサとを備え、
   前記界磁保持部材における前記段部と前記筒部との境に湾曲面あるいはテーパ面を有し、
   前記スペーサは、前記段部に面する端面に前記湾曲面あるいは前記テーパ面への当接を避ける逃げ部を有する
   ことを特徴とする筒型リニアモータ。

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