JP7252834B2

JP7252834B2 - 筒型リニアモータ

Info

Publication number: JP7252834B2
Application number: JP2019104491A
Authority: JP
Inventors: 浩介佐藤; 眞一郎袴田
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2023-04-05
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: JP2020198731A

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、筒状のヨークとヨークの外周に軸方向に並べて配置される複数のティースを備えたコアとティース間のスロットに装着されるＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線を有する電機子と、電機子の外周に設けられた円筒形のベースと軸方向にＳ極とＮ極とが交互に並ぶようにベースの内周に取付けられた複数の永久磁石とでなる可動子とを備えるものがある（たとえば、特許文献１参照）。

このように構成された筒型リニアモータでは、電機子のＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線へ適宜通電すると、可動子の永久磁石が吸引されて可動子が電機子に対して軸方向へ駆動される。

特開２００８－２５３１３０号公報

このような筒型リニアモータでは、端効果によるコギング推力の低減のために界磁の軸方向両端における永久磁石の長さをそれ以外の永久磁石よりも短くしている。従来の筒型リニアモータでは、界磁側が短く電機子側が長いために前述のように界磁の両端の永久磁石を短くしてコギング推力の低減を図っているが、図５に示すように、電機子２０が界磁２１よりも短い場合には、電機子２０の両端のスロット２０ａに巻回する巻線２２の巻数をそれ以外のスロット２０ｂの巻線２２の巻数よりも少なくして端効果によるコギング推力の低下を抑制する方法がとられる。

しかしながら、電機子の両端のスロットの巻線の巻数を少なくすると、前記両端のスロットにおける巻線が界磁から遠ざかってしまうので、筒型リニアモータの質量推力密度が低下してしまう問題がある。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、質量推力密度が良化すれば、筒型リニアモータの質量当たりの推力が大きくなる。

そこで、本発明は、質量推力密度の低下を招くことなくコギング推力を低減できる筒型リニアモータの提供を目的としている。

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、筒状のコアとコアの外周に設けられる複数のスロットに装着される巻線とを有する電機子と、筒状であって内方に電機子が軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁と、コアの軸方向の両端に配置されるスロット内のみに巻線とともに挿入される非磁性体で形成されるスペーサとを備え、コアの軸方向の両端に配置されるスロット内に装着される巻線は、他のスロット内に装着される巻線よりも巻数が少なくなっている。このように構成された筒型リニアモータでは、スペーサをスロットに収容して巻線をスロットに装着しているので、電機子の端効果によるコギング推力の低減のためにコアの軸方向両端のスロット内の巻線の巻数を他のスロットの巻線の巻数より少なくしても、スロットの巻線を他のスロットの巻線と同様に界磁へ接近させ得る。

また、本発明の筒型リニアモータでは、スペーサを環状としてスロットの底部に収容し、巻線をスロット内であってスペーサの外周に配置している。このように構成された筒型リニアモータによれば、巻線の界磁に対向する最外周の幅が広くなるので、質量推力密度の低下を効果的に抑制できる。

さらに、スペーサがアルミニウムよりも線膨張係数が小さい硬質プラスチックで形成されてもよい。このように構成された筒型リニアモータによれば、巻線を傷めずに長期間に亘って安定した推力を発揮でき推力低下を招く心配もない。

本発明の筒型リニアモータによれば、質量推力密度の低下を招くことなくコギング推力を低減できる。

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電機子の拡大縦断面図である。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電機子の拡大縦断面図である。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電機子の拡大縦断面図である。従来の筒型リニアモータの電機子と界磁の縦断面図である。

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、筒状のコア２とコア２の外周に設けられるスロット２ｃ，２ｄに装着される巻線３とを有する電機子Ｅと、筒状であって内方に電機子Ｅが軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁６と、コア２の軸方向の両端に配置されるスロット２ｃ内に巻線３とともに挿入される非磁性体で形成されるスペーサ１０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。本実施の形態では、界磁６は、軸方向に交互に積層されて挿入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とを備えて構成されている。また、界磁６の外周には筒状のバックヨーク８が装着されている。界磁６とバックヨーク８は、円筒状の非磁性体のアウターチューブ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インナーチューブ９との間に形成される環状隙間に収容されている。

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２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２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の質量推力密度を向上できる。

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を設けない場合、副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２が短くなると主磁極の永久磁石６ａの軸方向中央部分における磁石外部の磁気抵抗が増大し、界磁磁束が小さくなるため、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の推力向上度合が小さくなる。これに対して、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の質量推力密度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、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２に作用させ得るようにしている。対して、コア２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２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、固定子の内周側には、コア２が挿入されており、界磁６は、コア２に磁界を作用させている。なお、界磁６は、コア２の可動範囲に対して磁界を作用させればよいので、コア２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、コア２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、界磁６は、本実施の形態ではハルバッハ配列で積層される永久磁石６ａ，６ｂで構成されているが、内周にＮ極とＳ極とが交互に現れればよいので、ハルバッハ配列以外の配列で積層される永久磁石で構成されてもよい。

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１４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１５によって閉塞されている。

電機子Ｅは、コア２および巻線３を備えて構成されて、インナーチューブ９内に軸方向移動自在に挿入されている。つまり、電機子Ｅは、界磁６の内周側に配置されており、界磁６に対して軸方向に相対移動できる。

コア２は、円筒状のヨーク２ａと、環状であってヨーク２ａ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２ｂと、ティース２ｂ，２ｂ間に設けたスロット２ｃ，２ｄとを備えて構成されて可動子とされている。

ヨーク２ａは、前述の通り円筒状であって、その横断面積はコア２の軸線を中心とした円筒でティース２ｂの内周から外周までのどこを切っても、ティース２ｂを前記筒で切断した際にできる断面の面積以上となるように肉厚が確保されている。

本実施の形態では、図１および図２に示すように、ヨーク２ａの外周に１３個のティース２ｂが、軸方向に等間隔に並べて設けられており、ティース２ｂ，２ｂ間に巻線３が装着される環状溝でなるスロット２ｃ，２ｄが形成されている。なお、本実施の形態では、ティース２ｂの形状は、軸方向幅が一定の円板形状とされているが、コア２の両端に配置されたティース２ｂを除いて、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もよいし、他の形状とされてもよい。

本実施の形態では、図１中で隣り合うティース２ｂ，２ｂ同士の間には、環状溝でなるスロット２ｃ，２ｄが合計で１２個設けられている。スロット２ｃ，２ｄは、コア２の周方向に沿って複数設けられており、コア２の外周に軸方向に等ピッチで並べて設けられている。また、コア２の軸方向両端に配置されるスロット２ｃとそれ以外のスロット２ｄの断面形状はすべて等しくなっており、各スロット２ｃ，２ｄの容積がすべて等しくなっている。

そして、このスロット２ｃ，２ｄには、巻線３が巻き回されて装着されている。巻線３は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相巻線とされている。各相の巻線３は、１２個のスロット２ｃ，２ｄに界磁６の磁極配置に応じて適した配置となるように装着される。

また、図１および図２において、コア２の軸方向両端に配置される二つのスロット２ｃ内には、巻線３の他に非磁性体で形成されるスペーサ１０が収容されており、他のスロット２ｄ内にはスペーサ１０を収容することなく巻線３が装着されている。本実施の形態の筒型リニアモータ１では、電機子Ｅの端効果によるコギング推力を低減するためにコア２の軸方向両端に配置されるスロット２ｃ内に装着される巻線３の巻数を他のスロット２ｄ内に装着される巻線３の巻数よりも少なくしている。そのため、コア２の軸方向両端に配置されるスロット２ｃ内の巻線３の体積は、スロット２ｄ内の巻線３の体積よりも少なくなる。スペーサ１０は、環状であって幅寸法がスロット２ｃの軸方向幅とほぼ等しくスロット２ｃの底部、つまり、コア２のヨーク２ａの外周に嵌合されている。スペーサ１０は、本実施の形態では、アルミニウムよりも線膨張係数が小さい非磁性体である硬質のプラスチックで形成されており、スロット２ｃで巻線３の体積が他のスロット２ｄ内の巻線３の体積に較べて不足する体積をスロット２ｃ内で穴埋めするためにスロット２ｃに挿入されている。

そして、スペーサ１０をスロット２ｃに収容して巻線３をスロット２ｃに装着すると、巻数の少ないスロット２ｃ内の巻線３の最外周から界磁６までの距離は他のスロット２ｄに装着される巻線３の最外周から界磁６までの距離と同等にすることができる。つまり、スペーサ１０をスロット２ｃ内に収容したので巻数の少ないスロット２ｃ内の巻線３を他のスロット２ｄ内の巻線３と同様に界磁６へ接近させ得るのである。

よって、コア２の軸方向両端のスロット２ｃ内の巻線３の巻数を少なくしてコア２の端効果によるコギング推力を低減しつつも、スロット２ｃ内の巻線３を界磁６の至近に配置できるので筒型リニアモータ１の質量推力密度の低下を抑制できる。

なお、巻数の少ない巻線３が装着されるスロット２ｃにスペーサ１０を収容すれば、巻線３を界磁６の至近に配置させ得るので、スペーサ１０の形状は任意である。よって、スペーサ１０は、たとえば、図３に示すように、平たい円環状とされてティース２ｂに積層される態様でスロット２ｃ内に収容されてもよい。このようにしても、スロット２ｃに装着される巻数の少ない巻線３の最外周を他のスロット２ｄに装着される巻線３の最外周と同様に界磁６に接近させ得る。よって、コア２の軸方向両端のスロット２ｃ内の巻線３の巻数を少なくしてコア２の端効果によるコギング推力を低減しつつも、スロット２ｃ内の巻線３を界磁６の至近に配置できるので筒型リニアモータ１の質量推力密度の低下を抑制できる。

ただし、本実施の形態のようにスペーサ１０を環状としてスロット２ｃの底部に収容し、巻線３をスロット２ｃ内であってスペーサ１０の外周に配置すると、巻線３の界磁６に対向する最外周の幅が広くなるので、筒型リニアモータ１の質量推力密度の低下を効果的に抑制できる。

なお、詳しくは図示しないが、コア２は、ティース２ｂ，２ｂ間で軸方向に分割された構造となっており、コア２を組み立てる際にスペーサ１０をスロット２ｃ内に収容できる。また、スペーサ１０は、完全な環でなくＣ型であってコア２の側方からスロット２ｃに装着できるものでもよい。また、スロット２ｃ，２ｄ内に巻線３を巻回して装着する際に巻線３がコア２に直接触れないように巻線３とコア２との間に絶縁膜を挿入することがあるが、この絶縁膜はコア２の軸方向両端に配置されるスロット２ｃ内の巻数の少ない巻線３を界磁６の至近へ配置させる目的で挿入されるものではないので本願で言うスペーサには該当しない。

スロット２ｃに２相の巻線３が装着される場合であって、スペーサ１０をスロット２ｃの底部に配置する場合、図４に示すように、スペーサ１０の軸方向幅をスロット２ｃの軸方向幅の二分の一にしてコア２の軸方向両端側に配置される相の巻線３のみをスペーサ１０の外周に配置して、コア２の中心側に配置される相の巻線３についてはスペーサ１０と径方向で対向しないようにしてもよい。このようにしても、スロット２ｃ内の全巻線３の巻数を少なくしてコギング推力を低減できるとともに各巻線３の最外周を界磁６の至近に配置できる。

そして、このように構成された電機子Ｅ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、ロッド１１とともに界磁６内に移動自在に挿入される。ロッド１１は、アウターチューブ７の図１中右端に取り付けられたヘッドキャップ１５内を通して筒型リニアモータ１外へ突出している。また、ロッド１１の電機子Ｅの図１中左右にはインナーチューブ９の内周に摺接するスライダ１２，１３が装着されており、スライダ１２，１３によって電機子Ｅは界磁６内で軸ぶれせずに軸方向へ移動でき、電機子Ｅがインナーチューブ９に干渉する心配もない。

このように、インナーチューブ９は、コア２の外周と界磁６の内周との間のギャップを形成するとともに、スライダ１２，１３と協働してコア２の軸方向移動を案内する役割を果たしている。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Ｅ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Ｅ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。なお、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。

なお、ロッド１１は、図示はしないが、筒状とされており、ロッド１１内に通される図外の電線を通じて筒型リニアモータ１の外方に設置される外部電源から巻線３へ電力供給できる。

そして、たとえば、巻線３の界磁６に対する電気角をセンシングし、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３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Ｅ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Ｅ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３への通電、あるいは、巻線３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、筒状のコア２とコア２の外周に設けられるスロット２ｃ，２ｄに装着される巻線３とを有する電機子Ｅと、筒状であって内方に電機子Ｅが軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁６と、コア２の軸方向の両端に配置されるスロット２ｃ内に巻線３とともに挿入される非磁性体で形成されるスペーサ１０とを備えている。このように構成された筒型リニアモータ１では、スペーサ１０をスロット２ｃに収容して巻線３をスロット２ｃに装着しているので、電機子Ｅの端効果によるコギング推力の低減のためにコア２の軸方向両端のスロット２ｃ内の巻線３の巻数を他のスロット２ｄの巻線３の巻数より少なくしても、スロット２ｃの巻線３を他のスロット２ｄの巻線３と同様に界磁６へ接近させ得る。以上より、本実施の形態の筒型リニアモータ１によれば、スペーサ１０をスロット２ｃに収容して巻線３をスロット２ｃに装着しているので、コギング推力を低減しつつも質量推力密度の低下を抑制できる。

また、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、スペーサ１０が環状であってスロット２ｃの底部に収容されており、巻線３がスロット２ｃ内であってスペーサ１０の外周に配置されている。このように構成された筒型リニアモータ１によれば、巻線３の界磁６に対向する最外周の幅が広くなるので、質量推力密度の低下を効果的に抑制できる。

さらに、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、スペーサ１０がアルミニウムよりも線膨張係数が小さい硬質プラスチックで形成されている。硬質プラスチックは、熱による収縮が少なく磁界中を移動しても渦電流を発生せず、弾性変形しにくいので巻線３のずれも防止できる。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、スペーサ１０の熱による体積変化によって巻線３に与えられる負荷が小さく、巻線３の位置ずれを生じさせにくいとともに、渦電流の発生の心配もないので、巻線３を傷めず長期間に亘って安定した推力を発揮でき推力低下を招く心配もない。なお、スペーサ１０は、非磁性体であればよいので、合成樹脂やアルミニウムやステンレスであってもよいが、金属であると磁界中を移動する際に渦電流が発生して筒型リニアモータ１の推力が低下する可能性があるので硬質プラスチック或いは合成樹脂で形成される方が好ましい。また、スペーサ１０に金属よりも軽量な硬質プラスチックを用いれば、筒型リニアモータ１の質量推力密度をより向上させ得る。

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・・・筒型リニアモータ、２・・・コア、２ｃ，２ｄ・・・スロット、３・・・巻線、６・・・界磁、１０・・・スペーサ、Ｅ・・・電機子

Claims

筒状のコアと、前記コアの外周に設けられる複数のスロットに装着される巻線とを有する電機子と、
筒状であって内方に前記電機子が軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁と、
前記コアの軸方向の両端に配置される前記スロット内のみに前記巻線とともに挿入される非磁性体で形成されるスペーサとを備え、
前記スペーサは、環状であって前記スロットの底部に収容され、
前記巻線は、前記スロット内であって前記スペーサの外周に配置され、
前記コアの軸方向の両端に配置される前記スロット内に装着される前記巻線は、他の前記スロット内に装着される前記巻線よりも巻数が少ない
ことを特徴とする筒型リニアモータ。
前記スペーサは、アルミニウムよりも線膨張係数が小さい硬質プラスチックである
ことを特徴とする請求項１に記載の筒型リニアモータ。