JPH0716589U - 永久磁石可動形リニア直流モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きな推力と、長いストロークと、優れた推
力のリニアリティーとを具備すると共に半径方向の小型
化、軽量化および低価格化を可能とする。 【構成】 可動子３は、固定子２の構成部材が内側に形
成する円筒状を成す空間１３内を、巻線５の内側円筒面
と磁極片７の外側円筒面との間に形成される間隙１４
と、軸１０の外側円筒面とサイド・ヨーク１１ａとの間
に間隙１５を形成する軸受８ａと、軸１０の外側円筒面
とサイド・ヨーク１１ｂとの間に間隙１５を形成する軸
受８ｂとを介して自由にかつ円滑に軸方向に移動し得る
構造に配設される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ハンドリング装置、キャッチング装置、検査装置（各種コンタクト プローブ類）、光学装置（各種ミラー類、各種レンズ類）、検出装置（各種セン サ類）、記録装置（各種ペン類）および記憶装置（各種磁気ヘッド類）等の全体 あるいは一部の駆動の用に供される永久磁石可動形リニア直流モータに関するも のである。

【０００２】

【従来の技術】

従来、永久磁石可動形リニア直流モータは、他の形式のリニア直流モータに対 して、大推力および少ストロークを目的として使用され、得に可動コイル形リニ ア直流モータに対しては、給電線の接続や引回し等の問題が不要となる利点を有 するものである。

【０００３】 従来の永久磁石可動形リニア直流モータを、図１に示す一例に基づいて説明す る。

【０００４】 図１に示す従来の永久磁石可動形リニア直流モータは、それぞれ円筒状を成す 固定子２、可動子３および軸受装置により同軸円筒状に構成される。固定子２は 、円筒状を成すヨーク４と、ヨーク４の内側円筒面の所定の位置に所定の間隔を 隔て固着され、それぞれ円筒状を成す巻線５ａおよび巻線５ｂとにより構成され る。可動子３は、図示のように軸方向に着磁された円筒状を成す永久磁石６と、 永久磁石６の両端部に固着され、それぞれ永久磁石６より大きい径を有する円板 状を成す磁極片７ａおよび磁極片７ｂとにより構成される。軸受装置は、可動子 ３の中央部を貫通し固着される軸１０と、それぞれ固定子２の両端部に固着され 、中央部に軸受８ａを装着した円板状を成す軸受保持部材９ａおよび中央部に軸 受８ｂを装着した円板状を成す軸受保持部材９ｂとにより構成される。尚、軸受 保持部材９ａおよび軸受保持部材９ｂは、真鍮、アルミニュウムあるいは優れた 機械的強度を有する合成樹脂等の非磁性材料により形成される。可動子３は、軸 受装置を介して固定子２の構成部材が内側に形成する円筒状を成す空間内に、該 空間内を所定の間隙をもって自由にかつ円滑に軸方向に移動し得る構造に配設さ れる。

【０００５】 固定子２と可動子３との間には、永久磁石６の一端より磁極片７ａ、巻線５ａ 、ヨーク４、巻線５ｂ、磁極片７ｂおよび永久磁石６の他端へと磁束Φａが矢印 の方向に流れ、円周方向に連続した一つの閉磁路を形成する。巻線５ａおよび巻 線５ｂに、図示の方向の所定の大きさを有するそれぞれ異なる方向の電流を流す とＢｉｌ則に従い可動子３は、矢印Ａ方向に移動し、巻線５ａおよび巻線５ｂに それぞれ前記電流と異なる方向を有する電流を流すと可動子３は、矢印Ｂ方向に 移動する。巻線５ａおよび巻線５ｂに図示の方向の電流を流すことにより、巻線 ５ａには磁束Φｃａが点線で示す方向に、巻線５ｂには磁束Φｃｂが点線で示す 方向にそれぞれ発生する。

【０００６】 一般に、図１に示す構造を有する従来の永久磁石可動形リニア直流モータにあ っては、長ストローク、高速度運転、等速度運転および制御性のから大きな推力 と優れた推力のリニアリティーが要求されている。

【０００７】 図１に示す従来の永久磁石可動形リニア直流モータの推力を増加させる手段と しては、次の方法がある。 （１）巻線５ａおよび巻線５ｂに鎖交する磁束Φａを大きくする方法。 （２）ヨーク４と磁極片７ａとの間の空隙の磁束密度およびヨーク４と磁極片 ７ｂとの間の空隙の磁束密度をそれぞれ大きくする方法。 （３）巻線５ａの巻数および巻線５ｂの巻数を増加させる方法。 （４）巻線５ａおよび巻線５ｂに流れる電流の値をを大きくする方法。

【０００８】 図１に示す従来の永久磁石可動形リニア直流モータの推力のリニアリティーの 改善策としては、次の方法がある。 （１）磁束Φｃａおよび磁束Φｃｂに対して磁束Φａを大きくする方法。 （２）ヨーク４と磁極片７ａとの間の空隙の磁束密度およびヨーク４と磁極片 ７ｂとの間の空隙の磁束密度をそれぞれ大きくする方法。 （３）可動子の移動ストロークを減少させ、漏洩磁束の影響が現れない範囲内 で運転する方法。

【０００９】 図１に示す永久磁石可動形リニア直流モータのストロークを長くするための手 段としては、次の方法がある。 （１）永久磁石６、巻線５ａおよび巻線５ｂそれぞれの軸方向の長さを長くす る。

【００１０】 推力の増加および推力のリニアリティーの改善を目的とする共通の方法である 磁束Φａおよび空隙の磁束密度を大きくすることは、永久磁石６の体積を大きく することであり、可動子３の質量を増加させ、更に、固定子２の質量をも増加さ せるものである。永久磁石６の磁極間の長さを長くして、ヨーク４と磁極片７ａ あるいはヨーク４と磁極片７ｂとの間の空隙の長さと、永久磁石６の磁極間の長 さとの比で現されるパーミアンス係数を大きくしても、永久磁石の特性により磁 束密度の大きな増加は期待できない。

【００１１】 推力の増加を目的として巻線５ａの巻数および巻線５ｂの巻数を増加させると 、ヨーク４と磁極片７ａあるいはヨーク４と磁極片７ｂとの間の空隙の長さが長 くなり、前記パーミアンス係数が小さくなり磁束密度が減少し、推力増加のため の効果は小さくなる。

【００１２】 巻線５ａおよび巻線５ｂの素線の径を細くして巻数を増加させると、巻線５ａ および巻線５ｂの電気抵抗値の増加に伴うジュール熱の発生が増加し、電流値を 低下させねば成らず、推力の増加は困難と成る。

【００１３】 前記理由から、従来の永久磁石可動形リニア直流モータは、巻線５ａおよび巻 線５ｂに流す電流の値を大きくして推力を増加させている。しかし、電流の増加 に伴いない前記漏洩磁束が増加し、更に、磁束Φｃａおよび磁束Φｃｂが大きく なり、推力のリニアリティーが極端に悪く成る。

【００１４】 更に、長ストローク化を目的として、永久磁石を軸方向に長くすると、前記パ ーミアンス係数が大きく成り、可動子の質量の増加に対して推力の増加が極めて 小さく成り、高速運転が困難と成る。

【００１５】 一般に、図１示す従来の永久磁石可動形リニア直流モータにあっては、前記理 由等により、大きな推力と優れた推力のリニアリティーとを共に具備すること、 および大きな推力と長ストロークとを共に具備することが困難である。

【００１６】

【考案が解決しようとする課題】

解決しようとする問題点は、大推力化、長ストローク化および推力のリニアリ ティーの向上が困難である点である。

【００１７】

【課題を解決するための手段】

本考案の永久磁石可動形リニア直流モータは、前記問題点を解決するために、 可動子と固定子とを軸受装置を介して、固定子の形成する円筒状を成す空間内を 第１の間隙を隔て可動子が軸方向に、更に、エンド・ヨークの開口を第２の間隙 を隔て軸受装置の軸が軸方向にそれぞれ円滑に移動し得るように同軸円筒状に構 成し、第１の間隙と第２の間隙を介して前記固定子と前記可動子との間に、固定 子を構成する巻線を鎖交する二つの閉磁路を形成する構造に、固定子と可動子と を構成している。

【００１８】

【実施例】

図２および図３に示す断面図に基づいて本考案の永久磁石可動形リニア直流モ ータの一実施例を説明する。

【００１９】 図２は、本考案の永久磁石可動形リニア直流モータの第１の実施例を示す断面 図である。永久磁石可動形リニア直流モータは、それぞれ円筒状を成す固定子２ と、可動子３と、軸受装置とを主に同軸円筒状に構成される。固定子２は、円筒 状を成すヨーク４と、円板状を成す中央部に開口１２ａを有するサイド・ヨーク １１ａと、円板状を成す中央部に開口１２ｂを有するサイド・ヨーク１１ｂと、 円筒状を成す巻線５とにより成り、巻線５はヨーク４の内側円筒面の所定の位置 に固着され、サイド・ヨーク１１ａはヨーク４の一方の端部に固着され、サイド ・ヨーク１１ｂはヨーク４の他方の端部に固着され、それぞれが同軸円筒状を成 すように構成される。可動子３は、図示のように軸方向に着磁された円筒状を成 す永久磁石６ａおよび永久磁石６ｂと、永久磁石６ａおよび永久磁石６ｂより大 きな径を有する円板状を成す磁極片７とにより成り、永久磁石６ａの一端と永久 磁石６ｂの一端とは、磁極片７にそれぞれ同極が対面するように固着され、それ ぞれが同軸円筒状を成すように構成される。軸受装置は、可動子３の中央部を軸 方向に貫通し固着される軸１０と、固定子２の一方の端部に固着され中央部に軸 受８ａを装着した円板状を成す軸受保持部材９ａと、固定子２の他方の端部に固 着され中央部に軸受８ｂを装着した円板状を成す軸受保持部材９ｂとにより構成 される。

【００２０】 可動子３は、固定子２の構成部材が内側に形成する円筒状を成す空間１３内を 、巻線５の内側円筒面と磁極片７の外側円筒面との間に形成される間隙１４と、 軸１０の外側円筒面とサイド・ヨーク１１ａの開口１２ａの内側円筒面およびサ イド・ヨーク１１ｂの開口１２ｂの内側円筒面との間にそれぞれ形成される間隙 １５と、軸受装置とを介して自由にかつ円滑に軸方向に移動し得る構造に配設さ れる。

【００２１】 固定子２と可動子３との間には、永久磁石６ａの一端より磁極片７、巻線５、 ヨーク４、サイド・ヨーク１１ａ、軸１０および永久磁石６ａの他端へと磁束Φ ａが矢印の方向に流れ、円周方向に連続した一つの閉磁路を形成し、更に、永久 磁石６ｂの一端より磁極片７、巻線５、ヨーク４、サイド・ヨーク１１ｂ、軸１ ０および永久磁石６ｂの他端へと磁束Φｂが矢印の方向に流れ、円周方向に連続 した一つの閉磁路を形成する。巻線５に図示の方向の所定の大きさを有する電流 を流すとＢｉｌ則に従い可動子３は、矢印Ａ方向に移動し、巻線５に前記電流と 異なる方向を有する電流を流すと可動子３は、矢印Ｂ方向に移動する。巻線５に は磁束Φｃが点線で示す方向に発生する。

【００２２】 図３は、本考案の永久磁石可動形リニア直流モータの第２の実施例を示す断面 図である。永久磁石可動形リニア直流モータは、それぞれ円筒状を成す固定子２ と、可動子３と、軸受装置とを主に同軸円筒状に構成される。固定子２は、円筒 状を成すヨーク４と、ヨーク４の一方の端部を成す中央部に軸受８ａを装着した サイド・ヨーク１１ａと、ヨーク４の他方の端部を成す中央部に軸受８ｂを装着 したサイド・ヨーク１１ｂと、ヨーク４の内側円筒面の所定の位置に固着される 円筒状を成す巻線５とによりそれぞれが同軸円筒状を成すように構成される。可 動子３は、図示のように軸方向に着磁された円筒状を成す永久磁石６ａおよび永 久磁石６ｂと、永久磁石６ａおよび永久磁石６ｂより大きな径を有する円板状を 成す磁極片７とにより成り、永久磁石６ａの一端と永久磁石６ｂの一端とは、磁 極片７にそれぞれ同極が対面するように固着され、それぞれが同軸円筒状を成す ように構成される。軸受装置は、可動子３の中央部を軸方向に貫通し固着される 軸１０と、固定子２の一方の端部を成すサイド・ヨーク１１ａの中央部に装着さ れた軸受８ａと、固定子２の他方の端部を成すサイド・ヨーク１１ｂの中央部に 装着された軸受８ｂとにより構成される。

【００２３】 可動子３は、固定子２の構成部材が内側に形成する円筒状を成す空間１３内を 、巻線５の内側円筒面と磁極片７の外側円筒面との間に形成される間隙１４と、 軸１０の外側円筒面とサイド・ヨーク１１ａとの間に間隙１５を形成する軸受８ ａと、軸１０の外側円筒面とサイド・ヨーク１１ｂとの間に間隙１５を形成する 軸受８ｂとを介して自由にかつ円滑に軸方向に移動し得る構造に配設される。

【００２４】 固定子２と可動子３との間には、永久磁石６ａの一端より磁極片７、巻線５、 ヨーク４、サイド・ヨーク１１ａ、軸受８ａ、軸１０および永久磁石６の他端へ と磁束Φａが矢印の方向に流れ、円周方向に連続した一つの閉磁路を形成し、更 に、永久磁石６ｂの一端より磁極片７、巻線５、ヨーク４、サイド・ヨーク１１ ｂ、軸受８ｂ、軸１０および永久磁石６ｂの他端へと磁束Φｂが矢印の方向に流 れ、円周方向に連続した一つの閉磁路を形成する。巻線５に図示の方向の所定の 大きさを有する電流を流すとＢｉｌ則に従い可動子３は、矢印Ａ方向に移動し、 巻線５に前記電流と異なる方向を有する電流を流すと可動子３は、矢印Ｂ方向に 移動する。巻線５には磁束Φｃが点線で示す方向に発生する。

【００２５】 図２および図３に示す永久磁石可動形リニア直流モータにおいて、ヨーク４、 サイド・ヨーク１１ａおよびサイド・ヨーク１１ｂは、電磁軟鉄、構造用圧延鋼 あるいは炭素鋼等の磁性を有する金属により形成され、推力のリニアリティーを 重要視する際には、焼鈍処理をおこない磁気特性を向上させる。軸１０は、各種 工具鋼、鋼炭素クロム軸受鋼あるいは炭素鋼等の磁性を有する金属により形成さ れ、軸受８ａおよび軸受８ｂは、各種ドライ・ベアリングあるいは各種含油ベア リング等が使用されるが、磁性を有する金属を基材とするベアリングの使用が望 まれる。軸受保持部材９ａおよび軸受保持部材９ｂは、アルミニュウム、真鍮あ るいは機械的強度の大きい各種合成樹脂等の非磁性材料により形成される。

【００２６】 通常、巻線５は、巻枠に所定の径を有する素線を所定数巻いて形成されるが、 小形軽量化を図る際には、巻枠を使用せずに自己融着線により形成する。更に、 長ストローク化を図る際には、自己融着線により形成された巻線を所定数積層し て形成する。

【００２７】 図１に示す従来の永久磁石可動形リニア直流モータにおいて、可動子３が矢印 Ａ方向に移動し、磁極片７ａの端部が巻線５ａの矢印Ａ方向の端部に位置した際 、あるいは可動子３が矢印Ｂ方向に移動し、磁極片７ｂの端部が巻線５ｂの矢印 Ｂ方向の端部に位置した際、閉磁路を形成する磁束Φａの一部は、巻線５ａある いは巻線５ｂに鎖交せず、磁極片７ａよりヨーク４へあるいはヨーク４より磁極 片７ｂへ直接到達し漏洩磁束と成る。即ち、全ストロークに対する始動時および 全ストローク移動終了時の推力が減少する。

【００２８】 図２および図３に示す本考案の永久磁石可動形リニア直流モータおいても同様 に、可動子３が矢印Ａ方向に移動し、磁極片７の端部が巻線５の矢印Ａ方向の端 部に位置した際、あるいは可動子３が矢印Ｂ方向に移動し、磁極片７の端部が巻 線５の矢印Ｂ方向の端部に位置した際、閉磁路を形成する磁束Φａおよび磁束Φ ｂの一部は巻線５に鎖交せず、磁極片７よりヨーク４へ直接到達し漏洩磁束と成 る。即ち、全ストロークに対する始動時および全ストローク移動終了時の推力が 減少する。

【００２９】 前述のように、本考案の永久磁石可動形リニア直流モータにおいても漏洩磁束 により、全ストロークに対する始動時および全ストローク移動終了時の推力は減 少するが、本考案の永久磁石可動形リニア直流モータにあっては、長ストローク 化が容易であり、ストロークの延長に対する永久磁石可動形リニア直流モータ本 体の質量の増加割合が小さいので、磁極片７からの漏洩磁束の発生の無い範囲で の運転が容易にできる。

【００３０】 図１に示す従来の永久磁石可動形リニア直流モータにおいて、巻線５ａおよび 巻線５ｂに図示の方向の所定の大きさを有する電流を流すと、巻線５ａおよび巻 線５ｂの周囲には、図示の方向に磁束Φｃａおよび磁束Φｃｂが発生し、それぞ れ円周方向に連続した閉磁路を形成する。可動子３が矢印Ｂ方向に移動し、磁極 片７ｂの端部が巻線５ｂの矢印Ｂ方向の端部に対向する位置からの始動に際し、 巻線５ｂに発生する磁束Φｃｂおよび巻線５ａに発生する磁束Φｃａは、磁極片 ７ｂへ流入する磁束Φａおよび磁極片７ａより流出する磁束Φａに対し反対方向 であり、全ストローク移動終了時、即ち、可動子３が矢印Ａ方向に移動し、磁極 片７ａの端部が巻線５ａの矢印Ａ方向の端部に対向する位置まで移動した際に巻 線５ａに発生する磁束Φｃａおよび巻線５ｂに発生する磁束Φｃｂは、磁極片７ ａより流出する磁束Φａおよび磁極片７ｂへ流入する磁束Φａに対して同方向で ある。即ち、全ストロークの移動に対して、巻線５ａおよび巻線５ｂの端部より 移動方向の端部に向けて０より３（Φｃａ＋Φｃｂ）の磁気勾配を形成し、全ス トロークにわたり移動方向に推力が上昇する。

【００３１】 図２あるいは図３に示す本考案の永久磁石可動形リニア直流モータにおいて、 巻線５に図示の方向の所定の大きさを有する電流を流すと、巻線５の周囲には、 図示の方向に磁束Φｃが発生し、それぞれ円周方向に連続した閉磁路を形成する 。可動子３が矢印Ｂ方向に移動し、磁極片７の端部が巻線５の矢印Ｂ方向の端部 に対向する位置からの始動に際し、巻線５に発生する磁束Φｃは、磁極片７より 流出する磁束Φａおよび磁束Φｂに対し反対方向であり、全ストローク移動終了 時、即ち、可動子３が矢印Ａ方向に移動し、磁極片７の端部が巻線５の矢印Ａ方 向の端部に対向する位置まで移動した際に巻線５に発生する磁束Φｃは、磁極片 ７より流出する磁束Φａおよび磁束Φｂに対して同方向である。即ち、全ストロ ークの移動に対して、巻線５ａおよび巻線５ｂの端部より移動方向の端部に向け て０より２Φｃの磁気勾配を形成し、全ストロークにわたり移動方向に推力が上 昇する。

【００３２】 前述のように、本考案の永久磁石可動形リニア直流モータにおいても磁気勾配 が発生し、全ストロークにわたり推力の勾配が発生するが、従来の永久磁石可動 形リニア直流モータの磁気勾配３（Φｃａ＋Φｃｂ）に対して２Φｃであり、ス トロークおよび推力を考慮すると極めて小さな値に成る。

【００３３】 図２および図３に示す本考案の永久磁石可動形リニア直流モータは、図１に示 す従来の永久磁石可動形リニア直流モータに対して、磁極片７の寸法を磁極片７ ａあるいは磁極片７ｂの寸法と同一とし、永久磁石６ａおよび永久磁石６ｂの外 径を永久磁石６の外径と同一とし、永久磁石６ａおよび永久磁石６ｂの長さを永 久磁石６の長さの１／２とし、永久磁石６、永久磁石６ａおよび永久磁石６ｂを 希土類永久磁石にて形成すると、１．４倍以上の推力を発生し、同一推力を発生 させるためには、巻線５に流す電流値を２／３以下にし得るので、前記漏洩磁束 および前記磁気勾配が減少し、推力のリニアリティーが向上する。

【００３４】 更に、図１に示す従来の永久磁石可動形リニア直流モータにおいては、推力を １．４倍にするためには、永久磁石の磁束を１．４倍にする必要があり、希土類 永久磁石の使用に際しては、永久磁石６の全長を３倍以上にせねば成らない。即 ち、永久磁石可動形リニア直流モータの小形軽量化が可能と成る。

【００３５】

【考案の効果】

以上説明したように本考案の永久磁石可動形リニア直流モータは、従来の構造 では、製作が困難であった長ストロークおよび大推力の永久磁石可動形リニア直 流モータの製作を可能とし、所定の大きさ以上の推力を有する永久磁石可動形リ ニア直流モータの製作にあたっては、半径方向の小型化、軽量化および低価格化 を可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の永久磁石可動形リニア直流モータの一実
施例を示す断面図である。

【図２】本考案の第１の実施例を示す断面図である。

【図３】本考案の第２の実施例を示す断面図である

【符号の説明】

２ 固定子 ３ 可動子 ４ ヨーク ５ 巻線 ５ａ 巻線 ５ｂ 巻線 ６ 永久磁石 ６ａ 永久磁石 ６ｂ 永久磁石 ７ 磁極片 ７ａ 磁極片 ７ｂ 磁極片 ８ａ 軸受 ８ｂ 軸受 ９ａ 軸受保持部材 ９ｂ 軸受保持部材 １０ 軸 １１ａ サイド・ヨーク １１ｂ サイド・ヨーク １２ａ 開口 １２ｂ 開口 １３ 空間 １４ 間隙 １５ 間隙 Φａ 磁束 Φｂ 磁束 Φｃ 磁束 Φｃａ 磁束 Φｃｂ 磁束 Ａ 矢印 Ｂ 矢印

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 円板状を成す磁極片および該磁極片を挟
   みそれぞれ同極が対向するように固着される二つの円筒
   状を成す軸方向に着磁された永久磁石により構成される
   可動子と、内部に円筒状空間を有するヨークおよび該円
   筒状空間内に固着される円筒状を成す巻線および該ヨー
   クの両端部を成すそれぞれ中央部に開口を有するサイド
   ・ヨークにより構成される固定子と、該固定子の両端部
   にそれぞれ軸受保持部材と共に固着される軸受および前
   記可動子の中央部に固着される軸により構成される軸受
   装置とを主に構成され、可動子と固定子とを軸受装置を
   介して、固定子の形成する円筒状空間内を第１の間隙を
   隔て可動子が軸方向に、更に、固定子を構成するサイド
   ・ヨークの開口内を第２の間隙を隔て軸受装置の軸が軸
   方向にそれぞれ円滑に移動し得るように同軸円筒状に構
   成し、第１の間隙と第２の間隙を介して固定子と可動子
   との間に、固定子を構成する巻線を鎖交する二つの閉磁
   路を形成することを特徴とする永久磁石可動形リニア直
   流モータ
2. 【請求項２】 請求項１の軸受装置を、固定子を構成す
   るサイド・ヨークの開口に装着される軸受と、可動子の
   中央に固着される軸とにより構成し、可動子と固定子と
   を軸受装置を介して、固定子の形成する円筒状空間内を
   第１の間隙を隔て可動子が軸方向に、更に、固定子を構
   成するサイド・ヨークの開口内を前記軸受が構成する第
   ２の間隙を隔て軸受装置の軸が軸方向にそれぞれ円滑に
   移動し得るように同軸円筒状に構成することを特徴とす
   る請求項１の永久磁石可動形リニア直流モータ。