JPH11299214A - スロット無しのリニアモータ及びその設計方法 - Google Patents
スロット無しのリニアモータ及びその設計方法Info
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- JPH11299214A JPH11299214A JP10230505A JP23050598A JPH11299214A JP H11299214 A JPH11299214 A JP H11299214A JP 10230505 A JP10230505 A JP 10230505A JP 23050598 A JP23050598 A JP 23050598A JP H11299214 A JPH11299214 A JP H11299214A
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- H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
- H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
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- H02K3/26—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors consisting of printed conductors
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来の一般に使用されているパターンと比べ
て高性能で且つ有利な点をもたらす代替的なコイルパタ
ーンを有するリニアモータを提供すること。 【解決手段】 プリント回路型（スタンプ加工、エッチ
ング加工、又は析出加工し且つ剛性な基板に接着させた
もの）とすることのできる平坦な鉄心無しの巻線コイル
１０を利用するリニアモータである。該巻線１０は、直
線状で平行な磁石列の間を相対的に可動であるコイルを
提供する。該巻線は、分布巻線を形成し得るように絶縁
線を使用して製造することができる。巻線を設計する
際、線形空隙の高さ（ＬＢ）及び巻線の外寸法（ＬＳ）
と比べて、直線動作方向に対して垂直である直線状部分
の長さ（Ｌm）に特別な注意が払われる。これらの寸法
を選択することで、４つの重要なモータパラメータ、す
なわち、モータの逆起電力Ｋｅ、モータ力の定数Ｋｆ、
巻線抵抗Ｒ、モータ力の脈動Ｆｒが決まる。
て高性能で且つ有利な点をもたらす代替的なコイルパタ
ーンを有するリニアモータを提供すること。 【解決手段】 プリント回路型（スタンプ加工、エッチ
ング加工、又は析出加工し且つ剛性な基板に接着させた
もの）とすることのできる平坦な鉄心無しの巻線コイル
１０を利用するリニアモータである。該巻線１０は、直
線状で平行な磁石列の間を相対的に可動であるコイルを
提供する。該巻線は、分布巻線を形成し得るように絶縁
線を使用して製造することができる。巻線を設計する
際、線形空隙の高さ（ＬＢ）及び巻線の外寸法（ＬＳ）
と比べて、直線動作方向に対して垂直である直線状部分
の長さ（Ｌm）に特別な注意が払われる。これらの寸法
を選択することで、４つの重要なモータパラメータ、す
なわち、モータの逆起電力Ｋｅ、モータ力の定数Ｋｆ、
巻線抵抗Ｒ、モータ力の脈動Ｆｒが決まる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２つの平行な強磁
性板を備え、その強磁性板の間にコイルが配置された型
式のリニアモータに関する。
性板を備え、その強磁性板の間にコイルが配置された型
式のリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】コイルを励起すると、その励起されたコ
イルと強磁性板からの磁束との相互作用によって直線動
作が生じる。コイルは、単相又は多相巻線であり、強磁
性板は、永久磁石、又は電磁誘導により磁界を発生させ
ることができる。
イルと強磁性板からの磁束との相互作用によって直線動
作が生じる。コイルは、単相又は多相巻線であり、強磁
性板は、永久磁石、又は電磁誘導により磁界を発生させ
ることができる。
【０００３】本発明のリニアモータによる巻線は、透磁
性材料を何ら有していない。従って、この巻線は、「ス
ロット無し」又は「鉄心無し」であり、極めて軽量で且
つコギング（ｃｏｇｇｉｎｇ）が零であるという有利な
点がある。この一般的な型式の幾つかのモータが公知で
あり、それらには、かかるリナアモータの全体的な構造
及び有利な点を開示する、ヴォンデルハイデ（ｖｏｎ
ｄｅｒ Ｈｅｉｄｅ）（米国特許第４，１５１，９２１
号）のもの、改良された製造方法及び追加的な冷却方法
を開示するチタヤット（Ｃｈｉｔａｙａｔ）（米国特許
第４，７４９，９２１号）のもの、及び重なり合うコイ
ルを有する代替的な構造を開示するバークレー（Ｂｅａ
ｋｌｅｙ）（米国特許第Ｒｅ３４，６７４号）のものが
含まれる。
性材料を何ら有していない。従って、この巻線は、「ス
ロット無し」又は「鉄心無し」であり、極めて軽量で且
つコギング（ｃｏｇｇｉｎｇ）が零であるという有利な
点がある。この一般的な型式の幾つかのモータが公知で
あり、それらには、かかるリナアモータの全体的な構造
及び有利な点を開示する、ヴォンデルハイデ（ｖｏｎ
ｄｅｒ Ｈｅｉｄｅ）（米国特許第４，１５１，９２１
号）のもの、改良された製造方法及び追加的な冷却方法
を開示するチタヤット（Ｃｈｉｔａｙａｔ）（米国特許
第４，７４９，９２１号）のもの、及び重なり合うコイ
ルを有する代替的な構造を開示するバークレー（Ｂｅａ
ｋｌｅｙ）（米国特許第Ｒｅ３４，６７４号）のものが
含まれる。
【０００４】この型式のモータにおいて、コイルは、典
型的に、エポキシにて成形され且つ／又は非磁性板によ
り保持されている（チタヤットのものにおけるよう
に）。この非磁性板は、強磁性板の間にコイルを配置し
且つコイルを機械的に保持する便宜な手段を提供する。
型的に、エポキシにて成形され且つ／又は非磁性板によ
り保持されている（チタヤットのものにおけるよう
に）。この非磁性板は、強磁性板の間にコイルを配置し
且つコイルを機械的に保持する便宜な手段を提供する。
【０００５】この型式の鉄心無しのリニアモータは、あ
る時期、使用されていたが。性能を向上させるためコイ
ルパターンを好適化しようとする努力は殆ど為されてい
ない。コイルを拘束するスロットが無いため、略全ての
パターンに対して巻線コイルを調節することが完全に自
由であり、このことは、性能又は製造上の点にて有利な
ことである。
る時期、使用されていたが。性能を向上させるためコイ
ルパターンを好適化しようとする努力は殆ど為されてい
ない。コイルを拘束するスロットが無いため、略全ての
パターンに対して巻線コイルを調節することが完全に自
由であり、このことは、性能又は製造上の点にて有利な
ことである。
【０００６】例えば、バークレーは、コイルが強磁性板
の長手方向軸線（移動方向に対し垂直）に対して略垂直
であることを教示し、また、チタヤットは、コイルが略
直線状に伸びる状態を保つことを教示している。長手方
向軸線に対し垂直な直線状コイルは最大の力を発生させ
るというのが従来からの考えであるが、特に、モータの
加熱が問題となるとき、かかる構造をリニアモータに使
用することは必ずしも有利なことでない。
の長手方向軸線（移動方向に対し垂直）に対して略垂直
であることを教示し、また、チタヤットは、コイルが略
直線状に伸びる状態を保つことを教示している。長手方
向軸線に対し垂直な直線状コイルは最大の力を発生させ
るというのが従来からの考えであるが、特に、モータの
加熱が問題となるとき、かかる構造をリニアモータに使
用することは必ずしも有利なことでない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の一つの目的
は、従来から一般に使用されているパターンと比べて高
性能で且つ有利な点をもたらす代替的なコイルパターン
を提供することである。
は、従来から一般に使用されているパターンと比べて高
性能で且つ有利な点をもたらす代替的なコイルパターン
を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によるリニアモー
タは、プリント回路型式とすることのできる平坦で鉄心
無しの巻線コイルを利用する。かかる巻線は、スタンプ
加工、エッチング加工し又は析出すなわち付着（ｄｅｐ
ｏｓｉｔ）加工し且つ剛性な基板に接着させることがで
きる。この巻線は、直線状で平行な静止磁石列の間を相
対的に可動であるコイルを提供する。また、該巻線は、
分布巻線を形成すべく絶縁線を使用して製造することも
できる。更に、該巻線は、互いに重なり合う多数回巻き
コイルから作られるようにしてもよい。
タは、プリント回路型式とすることのできる平坦で鉄心
無しの巻線コイルを利用する。かかる巻線は、スタンプ
加工、エッチング加工し又は析出すなわち付着（ｄｅｐ
ｏｓｉｔ）加工し且つ剛性な基板に接着させることがで
きる。この巻線は、直線状で平行な静止磁石列の間を相
対的に可動であるコイルを提供する。また、該巻線は、
分布巻線を形成すべく絶縁線を使用して製造することも
できる。更に、該巻線は、互いに重なり合う多数回巻き
コイルから作られるようにしてもよい。
【０００９】アーマチャの導体パターンは、全体とし
て、巻線の長さに亙って連続している。この巻線は、各
コイルの１つの半分が基板の一側部にあり、各コイルの
次の半分が基板の反対側にある、重なり合い又は波形の
形態となるようにすることができる。該コイルは、多種
の形態が可能である。各コイルが同一である限り、空隙
内に無駄なスペースは殆ど無くなる。分布線又は多数回
巻線の導体パターンは、支持体の一側部に取り付けるこ
とができる。
て、巻線の長さに亙って連続している。この巻線は、各
コイルの１つの半分が基板の一側部にあり、各コイルの
次の半分が基板の反対側にある、重なり合い又は波形の
形態となるようにすることができる。該コイルは、多種
の形態が可能である。各コイルが同一である限り、空隙
内に無駄なスペースは殆ど無くなる。分布線又は多数回
巻線の導体パターンは、支持体の一側部に取り付けるこ
とができる。
【００１０】本発明による巻線を設計するとき、線形空
隙の高さ（ＬＢ）及び巻線の外寸法（ＬＳ）と比較し
て、直線動作の方向（ＬＭ）に対し垂直な直線状部分の
長さに特別な注意が払われる。こうした寸法の選択によ
り、モータの４つの重要なパラメータ、すなわちモータ
の逆起電力（ｂａｃｋ ｅｍｆ）Ｋｅ、モータ力の定数
Ｋｆ、巻線抵抗Ｒ、及びモータ力の脈動Ｆｒが決まる。
隙の高さ（ＬＢ）及び巻線の外寸法（ＬＳ）と比較し
て、直線動作の方向（ＬＭ）に対し垂直な直線状部分の
長さに特別な注意が払われる。こうした寸法の選択によ
り、モータの４つの重要なパラメータ、すなわちモータ
の逆起電力（ｂａｃｋ ｅｍｆ）Ｋｅ、モータ力の定数
Ｋｆ、巻線抵抗Ｒ、及びモータ力の脈動Ｆｒが決まる。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の上記及びその他の目的
は、添付図面に関して以下に詳細に説明するように達成
される。
は、添付図面に関して以下に詳細に説明するように達成
される。
【００１２】本発明の一つの好適な実施の形態による一
般的なリニアモータの構造体が図１、及び図２Ａ乃至図
２Ｄに図示されている。該リニアモータは、絶縁基板上
にスタンプ加工、析出すなわち付着加工又はエッチング
加工した可動コイル（すなわち「スライダ」の巻線）１
０を備えている。該巻線１０は、平行な永久磁石の界部
材１２の列の間の空隙１７内に収容されている。これら
の永久磁石は、磁石に対する磁束の戻り路を提供する鉄
心部材２０に取り付けられている。巻線の長さ、すなわ
ち永久磁石の界の列の長さには何ら制限がない。
般的なリニアモータの構造体が図１、及び図２Ａ乃至図
２Ｄに図示されている。該リニアモータは、絶縁基板上
にスタンプ加工、析出すなわち付着加工又はエッチング
加工した可動コイル（すなわち「スライダ」の巻線）１
０を備えている。該巻線１０は、平行な永久磁石の界部
材１２の列の間の空隙１７内に収容されている。これら
の永久磁石は、磁石に対する磁束の戻り路を提供する鉄
心部材２０に取り付けられている。巻線の長さ、すなわ
ち永久磁石の界の列の長さには何ら制限がない。
【００１３】巻線１０は、スタンプ加工、析出加工、又
はエッチング加工した導体パターンの何れかとすること
のできる「プリント回路」型の構造体であり、この導体
パターンは、任意の所望の数の有効コイルを有する完全
な巻線を形成し得るように相互に接続する。巻線１０
は、ロッド１６に沿って摺動することにより移動させる
ことのできるスライダキャリッジ内に取り付けられ、該
ロッドは、両端部にて静止磁石及び裏金構造体に固着さ
れる。
はエッチング加工した導体パターンの何れかとすること
のできる「プリント回路」型の構造体であり、この導体
パターンは、任意の所望の数の有効コイルを有する完全
な巻線を形成し得るように相互に接続する。巻線１０
は、ロッド１６に沿って摺動することにより移動させる
ことのできるスライダキャリッジ内に取り付けられ、該
ロッドは、両端部にて静止磁石及び裏金構造体に固着さ
れる。
【００１４】図２Ａ乃至図２Ｃに図示するように、該コ
イル導体は、典型的に、矩形の断面を有し、また、該コ
イル導体は、好ましくは、エポキシ樹脂によって、薄く
高強度の絶縁層基板に接着されている。該基板は、任意
の電気絶縁材料で出来たものとすることができるが、典
型的に、ガラスファイバ、マイラー（Ｍｙｌａｒ）、カ
プトン（Ｋａｐｔｏｎ）又はノーメックス（Ｎｏｍｅ
ｘ）絶縁体のような材料で作られている。その結果形成
される構造体は、移動方向、及び磁束路に対して平行な
方向の双方への機械的剛性が大きく、極めて堅固なもの
となる。従って、巻線は、何ら更なる機械的支持を必要
としない自己支持型である。巻線は、より良い熱特性が
得られるように、エポキシ型又はプラスチック材料内に
封入することができるが、かかる封入化は、選択随意的
であり、機械的に支持するためには不要である。巻線を
銅板から機械的にスタンプ加工するとき、製造コストは
極めて低廉である。スタンプ加工したパターンは絶縁性
基板に接着剤で接着させ、次に、溶接により基板の両側
部における導体間の架橋接続部を形成する。代替的な構
造体において、ＰＣ板のような基板の上に銅パターンを
析出加工することにより、又は銅被覆板（ｃｏｐｐｅｒ
−ｃｌａｄ ｂｏａｒｄ）上にパターンをエッチング加
工することにより、導体パターンが形成されるようにし
てもよい。基板の両側部にエッチング加工し、又は析出
加工された導体パターンは、スルーホールめっき法によ
り相互に接続することができる。
イル導体は、典型的に、矩形の断面を有し、また、該コ
イル導体は、好ましくは、エポキシ樹脂によって、薄く
高強度の絶縁層基板に接着されている。該基板は、任意
の電気絶縁材料で出来たものとすることができるが、典
型的に、ガラスファイバ、マイラー（Ｍｙｌａｒ）、カ
プトン（Ｋａｐｔｏｎ）又はノーメックス（Ｎｏｍｅ
ｘ）絶縁体のような材料で作られている。その結果形成
される構造体は、移動方向、及び磁束路に対して平行な
方向の双方への機械的剛性が大きく、極めて堅固なもの
となる。従って、巻線は、何ら更なる機械的支持を必要
としない自己支持型である。巻線は、より良い熱特性が
得られるように、エポキシ型又はプラスチック材料内に
封入することができるが、かかる封入化は、選択随意的
であり、機械的に支持するためには不要である。巻線を
銅板から機械的にスタンプ加工するとき、製造コストは
極めて低廉である。スタンプ加工したパターンは絶縁性
基板に接着剤で接着させ、次に、溶接により基板の両側
部における導体間の架橋接続部を形成する。代替的な構
造体において、ＰＣ板のような基板の上に銅パターンを
析出加工することにより、又は銅被覆板（ｃｏｐｐｅｒ
−ｃｌａｄ ｂｏａｒｄ）上にパターンをエッチング加
工することにより、導体パターンが形成されるようにし
てもよい。基板の両側部にエッチング加工し、又は析出
加工された導体パターンは、スルーホールめっき法によ
り相互に接続することができる。
【００１５】空隙磁束、従って、モータ力の定数Ｋｆ
は、対面する磁石の極の間にある空隙の直接的な関数で
ある。モータ力の定数を増し且つスライダの重量を軽く
するため、一般に、より薄い巻線構造体であることが好
ましい。モータ力の定数Ｋｆが増大し、また、スライダ
の重量が軽くなることは、性能を向上させ且つ可能な加
速度を増大させることになる。
は、対面する磁石の極の間にある空隙の直接的な関数で
ある。モータ力の定数を増し且つスライダの重量を軽く
するため、一般に、より薄い巻線構造体であることが好
ましい。モータ力の定数Ｋｆが増大し、また、スライダ
の重量が軽くなることは、性能を向上させ且つ可能な加
速度を増大させることになる。
【００１６】可動スライダ内にてアマーチャ巻線１０を
整流するために幾つかの技術を使用することができる。
スライダ１４における可動ケーブル１８（図１）を使用
して正確な順序にてアーマチャの巻線コイルに電力を供
給することができる。アーマチャ巻線におけるコイル数
は、用途及び必要とされる力の程度並びに移動距離によ
って決まる。直線動作を生じさせるためには、単一相コ
イルで十分である。しかしながら、より長い距離を連続
的に移動させるためには、幾つかのコイルを多相にて接
続することが好ましい。巻線の相は、電子的に整流され
る。静止磁石に対する巻線の位置を検出するため、典型
的に、センサ１９が可動アーマチャに取り付けられ又は
該可動アーマチャ内に埋め込まれる。該センサは、光学
式、磁石式、静電容量式又は誘電式のものとすることが
できる。典型的な用途では、磁石の位置を検出するた
め、ホール効果センサを採用している。もう一つの可能
な配置は、アーマチャから発生された逆起電力（Ｂｅｍ
ｆ）を使用して位置を表示するものである。磁石ピッチ
対コイルピッチの正確な比を使用して、一般的な殆どの
場合、正弦波形である、所望の波形状となるように逆起
電力を調節することができる。電子整流は、当該技術に
て周知であり、機械的なブラシを不要にするため多数の
回転モータ及びリニアモータにて採用されている。トラ
ンジスタアレー（図示せず）がスライダ１４内に組み込
まれ、また、センサ１９で表示する正確な順序で巻線コ
イルを励起させる。
整流するために幾つかの技術を使用することができる。
スライダ１４における可動ケーブル１８（図１）を使用
して正確な順序にてアーマチャの巻線コイルに電力を供
給することができる。アーマチャ巻線におけるコイル数
は、用途及び必要とされる力の程度並びに移動距離によ
って決まる。直線動作を生じさせるためには、単一相コ
イルで十分である。しかしながら、より長い距離を連続
的に移動させるためには、幾つかのコイルを多相にて接
続することが好ましい。巻線の相は、電子的に整流され
る。静止磁石に対する巻線の位置を検出するため、典型
的に、センサ１９が可動アーマチャに取り付けられ又は
該可動アーマチャ内に埋め込まれる。該センサは、光学
式、磁石式、静電容量式又は誘電式のものとすることが
できる。典型的な用途では、磁石の位置を検出するた
め、ホール効果センサを採用している。もう一つの可能
な配置は、アーマチャから発生された逆起電力（Ｂｅｍ
ｆ）を使用して位置を表示するものである。磁石ピッチ
対コイルピッチの正確な比を使用して、一般的な殆どの
場合、正弦波形である、所望の波形状となるように逆起
電力を調節することができる。電子整流は、当該技術に
て周知であり、機械的なブラシを不要にするため多数の
回転モータ及びリニアモータにて採用されている。トラ
ンジスタアレー（図示せず）がスライダ１４内に組み込
まれ、また、センサ１９で表示する正確な順序で巻線コ
イルを励起させる。
【００１７】アーマチャ巻線の導体パターンは、図３Ａ
に図示するように、コイル３１の導体３０が隣接する極
面の中心間の距離を略亙る、波形の巻線形態となるよう
にする。また、該導体パターンは、図３Ｂ及び図３Ｃに
図示する重なり合い形態とすることもできる。永久磁石
に対するアーマチャ巻線の空間的関係は、図３Ｃに図示
してある。一般に、コイル間の距離は、隣接する極面の
間の距離に略等しい。しかしながら、例えば、モータの
逆起電力の形状を調節するためその他の配置とすること
も可能である。コイルの各々は、絶縁基板２６の両側部
に配置された一対の導体から作られている。導体の端部
が絶縁基板を越えて伸長する、スタンプ加工、エッチン
グ加工又はレーザカットによる導体パターンの場合、導
体の端部を溶接して架橋接続部を形成することができ
る。基板の上に析出加工し又はエッチング加工された導
体パターンの場合、絶縁基板の両側部における導体間の
接続は、スルーホールめっきによる相互接続により形成
することができる。
に図示するように、コイル３１の導体３０が隣接する極
面の中心間の距離を略亙る、波形の巻線形態となるよう
にする。また、該導体パターンは、図３Ｂ及び図３Ｃに
図示する重なり合い形態とすることもできる。永久磁石
に対するアーマチャ巻線の空間的関係は、図３Ｃに図示
してある。一般に、コイル間の距離は、隣接する極面の
間の距離に略等しい。しかしながら、例えば、モータの
逆起電力の形状を調節するためその他の配置とすること
も可能である。コイルの各々は、絶縁基板２６の両側部
に配置された一対の導体から作られている。導体の端部
が絶縁基板を越えて伸長する、スタンプ加工、エッチン
グ加工又はレーザカットによる導体パターンの場合、導
体の端部を溶接して架橋接続部を形成することができ
る。基板の上に析出加工し又はエッチング加工された導
体パターンの場合、絶縁基板の両側部における導体間の
接続は、スルーホールめっきによる相互接続により形成
することができる。
【００１８】波形又は重なり合い形態の導体パターンを
調節することにより、図４Ａ乃至図４Ｃに図示するよう
に、モータの重要な性能特性を選択的に最適化すること
ができる。波形の形態である、図４Ａを参照すると、移
動方向に対して垂直な導体の直線状部分Ｌｍと空隙Ｌｓ
の全高さとの比は、所望に応じて調節することができ
る。この比を調節することは、４つの重要なパラメー
タ、すなわち、モータの逆起電力Ｋｅ、モータ力の定数
Ｋｆ、巻線抵抗Ｒ及びモータ力の脈動Ｆｒに影響するこ
とになる。選択した性能特性は、Ｌｍ対Ｌｓの比を調節
することにより最適なものにすることができる。本発明
の有利な点の一つは、この比が所望通りに容易に調節可
能な点である。例えば、Ｌｍ対Ｌｓの比を零にまで小さ
くすると（図４Ｃ）、ら旋形の巻線となり、巻線抵抗が
最小となる。このことは、モータのジュール損失を少な
くすることが重要である設計において有利なことであ
る。
調節することにより、図４Ａ乃至図４Ｃに図示するよう
に、モータの重要な性能特性を選択的に最適化すること
ができる。波形の形態である、図４Ａを参照すると、移
動方向に対して垂直な導体の直線状部分Ｌｍと空隙Ｌｓ
の全高さとの比は、所望に応じて調節することができ
る。この比を調節することは、４つの重要なパラメー
タ、すなわち、モータの逆起電力Ｋｅ、モータ力の定数
Ｋｆ、巻線抵抗Ｒ及びモータ力の脈動Ｆｒに影響するこ
とになる。選択した性能特性は、Ｌｍ対Ｌｓの比を調節
することにより最適なものにすることができる。本発明
の有利な点の一つは、この比が所望通りに容易に調節可
能な点である。例えば、Ｌｍ対Ｌｓの比を零にまで小さ
くすると（図４Ｃ）、ら旋形の巻線となり、巻線抵抗が
最小となる。このことは、モータのジュール損失を少な
くすることが重要である設計において有利なことであ
る。
【００１９】もう一つの一例として、導体の直線状部分
が長く且つ移動方向に対して対角状であるように、Ｌｍ
対Ｌｓの比を大きくする（図４Ａに図示するように、
１．０に近くする）ことにより、モータ力の定数を最適
なものにすることができる。
が長く且つ移動方向に対して対角状であるように、Ｌｍ
対Ｌｓの比を大きくする（図４Ａに図示するように、
１．０に近くする）ことにより、モータ力の定数を最適
なものにすることができる。
【００２０】更に、Ｌｍ対Ｌｓの比を調節することは、
モータの逆起電力の波形に、従って、モータ力の脈動に
重要な影響を与える。例えば、Ｌｍ対Ｌｓの比が大きい
（図４Ａに図示するように１．０に近い）場合、モータ
の逆起電力の波形は、より台形に近くなる傾向となる。
この波形もまた、磁石の幅及び巻線ピッチによる影響を
受ける。Ｌｍ対Ｌｓの比が０に近くなるに伴い、逆起電
力の波形は、より正弦波状のものとなる。所期の駆動電
子機器に従ってこの逆起電力を調節することは、モータ
力の脈動を軽減する上で重要なファクタである。提案さ
れた設計の自由さは、モータ力の脈動を実際上、解消す
ることを可能にする。
モータの逆起電力の波形に、従って、モータ力の脈動に
重要な影響を与える。例えば、Ｌｍ対Ｌｓの比が大きい
（図４Ａに図示するように１．０に近い）場合、モータ
の逆起電力の波形は、より台形に近くなる傾向となる。
この波形もまた、磁石の幅及び巻線ピッチによる影響を
受ける。Ｌｍ対Ｌｓの比が０に近くなるに伴い、逆起電
力の波形は、より正弦波状のものとなる。所期の駆動電
子機器に従ってこの逆起電力を調節することは、モータ
力の脈動を軽減する上で重要なファクタである。提案さ
れた設計の自由さは、モータ力の脈動を実際上、解消す
ることを可能にする。
【００２１】強磁性板から発する磁束線に対し垂直にコ
イルの作用長さを保つならば、巻線を励起する所定の電
流に対し最大の力が発生する。もっとも、巻線の加熱を
考慮せずに、その最大の力のみを考えることは、リニア
モータの性能を最適化するための有効な方法ではない。
リニアモータの用途では、典型的に、コイルが移動する
荷重に近接した位置にあり、これにより、その移動する
荷重に熱を直接、伝達し得るようにする必要がある。本
発明によるリニアモータは、その最大の力及び発生する
熱の双方を考慮することにより、最適化することができ
る。
イルの作用長さを保つならば、巻線を励起する所定の電
流に対し最大の力が発生する。もっとも、巻線の加熱を
考慮せずに、その最大の力のみを考えることは、リニア
モータの性能を最適化するための有効な方法ではない。
リニアモータの用途では、典型的に、コイルが移動する
荷重に近接した位置にあり、これにより、その移動する
荷重に熱を直接、伝達し得るようにする必要がある。本
発明によるリニアモータは、その最大の力及び発生する
熱の双方を考慮することにより、最適化することができ
る。
【００２２】このことを判断するための適切なパラメー
タは、モータの定数Ｋｍ（ニュートン／ワット1/２）で
ある。このモータ定数Ｋｍを最適なものにすることで、
放散熱ワット当たり最大の力を発生させることが可能と
なる。
タは、モータの定数Ｋｍ（ニュートン／ワット1/２）で
ある。このモータ定数Ｋｍを最適なものにすることで、
放散熱ワット当たり最大の力を発生させることが可能と
なる。
【００２３】更に、多くの多相のリニアモータにおい
て、励起電流は正弦状に印加されるため、モータの逆起
電力の関数を可能な限り正弦状に最適化することによ
り、発生する力の変化を最小にすることが望ましい。例
えば、３相リニアモータの場合、次のように表すことが
できる。
て、励起電流は正弦状に印加されるため、モータの逆起
電力の関数を可能な限り正弦状に最適化することによ
り、発生する力の変化を最小にすることが望ましい。例
えば、３相リニアモータの場合、次のように表すことが
できる。
【００２４】 Ｆｏｒｃｅ（ｔ）＝（Ｆａ（ｔ）＋Ｆｂ（ｔ）＋Ｆｃ（ｔ） ＝ｅａ（ｔ）．ｉａ（ｔ）＋ｅｂ（ｔ）．ｉｂ（ｔ）＋ｅｃ （ｔ）．ｉｃ（ｔ） ここで、Ｆｎ＝各相により発生される力、 ここで、ｅｎ（ｔ）＝各相の逆起電力、 ｉｎ（ｔ）＝各相に印加される電流、 次に、ｉａ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ） ｉｂ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ−１２０°） ｉｃ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ−２４０°） であるならば、 ｅａ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ） ｅｂ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ−１２０°） ｅｃ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ−２４０°）の場合に限り、
Ｆ（６ｔ）＝一定となる。
Ｆ（６ｔ）＝一定となる。
【００２５】各相に印加される相電流が正弦波状である
ならば、３相モータの作動のとき、同様に、モータの逆
起電力も正弦状である場合に限って、総発生力は一定で
ある（発生する力に全く差がない）。力の脈動が最小で
あることが重要である場合、モータの逆起電力、及びそ
の結果としての力の脈動も考慮しなければならない。
ならば、３相モータの作動のとき、同様に、モータの逆
起電力も正弦状である場合に限って、総発生力は一定で
ある（発生する力に全く差がない）。力の脈動が最小で
あることが重要である場合、モータの逆起電力、及びそ
の結果としての力の脈動も考慮しなければならない。
【００２６】本発明に従ってコイルパターン及び巻線の
分布を調節することにより、正弦波電流により駆動され
たときのモータ力の定数Ｋｍ及びモータ力の脈動を最適
化し且つ性能を向上させることができる。かかる効果
は、重なり合い型であるか、非重なり合い型であるかど
うかを問わずに、個々のコイルを使用してコイル組立体
を形成する型式の多相リニアモータにおいて、特に顕著
である。
分布を調節することにより、正弦波電流により駆動され
たときのモータ力の定数Ｋｍ及びモータ力の脈動を最適
化し且つ性能を向上させることができる。かかる効果
は、重なり合い型であるか、非重なり合い型であるかど
うかを問わずに、個々のコイルを使用してコイル組立体
を形成する型式の多相リニアモータにおいて、特に顕著
である。
【００２７】モータの定数Ｋｍを改良する目的のため、
作用可能な組立体の全長さに亙って分布された連続的な
巻線は、個々のコイルを多数回、所定の位置にて巻いた
場合に優る明確に有利な点がある。かかる多数回巻きコ
イルは、空間分布が劣り、特に、コイルの中心に使用不
能なスペースが生ずる。重なり合ったコイルを使用する
ことによりこの空間分布を改良することができるが、か
かる配置は、端部の巻長さを長くすることを必要とし、
このため、各相に望ましくない抵抗を生じさせることに
なる。
作用可能な組立体の全長さに亙って分布された連続的な
巻線は、個々のコイルを多数回、所定の位置にて巻いた
場合に優る明確に有利な点がある。かかる多数回巻きコ
イルは、空間分布が劣り、特に、コイルの中心に使用不
能なスペースが生ずる。重なり合ったコイルを使用する
ことによりこの空間分布を改良することができるが、か
かる配置は、端部の巻長さを長くすることを必要とし、
このため、各相に望ましくない抵抗を生じさせることに
なる。
【００２８】同一の作用容積に対するＫｍを最適にする
一方にて、これらの問題点を回避する巻線形態は、図３
Ｂに図示するような分布巻線である。このような連続的
に分布巻線は、従来の丸形又は四角の線を使用するか又
はスタンプ加工、カット、又はエッチング加工した導体
技術を使用するかにより、形成することができる。
一方にて、これらの問題点を回避する巻線形態は、図３
Ｂに図示するような分布巻線である。このような連続的
に分布巻線は、従来の丸形又は四角の線を使用するか又
はスタンプ加工、カット、又はエッチング加工した導体
技術を使用するかにより、形成することができる。
【００２９】図４Ｂの分布巻線の場合、左端縁の導体及
び右端縁の導体は、電気的な空間分布が僅かに±３０°
にしか過ぎない。このため、空のスペースは全く存在せ
ず、端縁導体の形成される力は、ｃｏｓ（３０°）＝
０．８６６となる。更に、コイルは、連続的な分布巻線
であるため、このコイルは、個々のコイルの場合のよう
に、１つの領域内に多数の導体があることを避け、ま
た、コイルが重なり合うという問題点も解消される。こ
のことは、Ｋｍを増大させる、すなわち力の脈動を更に
改良する働きをする代替的な巻線パターンとすることを
可能にする。
び右端縁の導体は、電気的な空間分布が僅かに±３０°
にしか過ぎない。このため、空のスペースは全く存在せ
ず、端縁導体の形成される力は、ｃｏｓ（３０°）＝
０．８６６となる。更に、コイルは、連続的な分布巻線
であるため、このコイルは、個々のコイルの場合のよう
に、１つの領域内に多数の導体があることを避け、ま
た、コイルが重なり合うという問題点も解消される。こ
のことは、Ｋｍを増大させる、すなわち力の脈動を更に
改良する働きをする代替的な巻線パターンとすることを
可能にする。
【００３０】図４Ａ乃至図４Ｃには、導体の主要な直線
状部分ＬＭの長さが、磁石の作用高さＬＢの比として調
節される、分布巻線の１回のコイル巻き状態が図示され
ている。ＬＳは導体パターンの全高さである。図５Ａ乃
至図５Ｃには、重なり合い形態におけるこの分布巻線の
多数回巻き状態が示してある。ＬＭ、ＬＳ、ＬＢの比を
調節することにより、モータの定数Ｋｍ及び力の脈動を
最適にすることができる。
状部分ＬＭの長さが、磁石の作用高さＬＢの比として調
節される、分布巻線の１回のコイル巻き状態が図示され
ている。ＬＳは導体パターンの全高さである。図５Ａ乃
至図５Ｃには、重なり合い形態におけるこの分布巻線の
多数回巻き状態が示してある。ＬＭ、ＬＳ、ＬＢの比を
調節することにより、モータの定数Ｋｍ及び力の脈動を
最適にすることができる。
【００３１】主要な直線状部分ＬＭを変化させるか、又
は全高さＬＳを変化させることで巻線パターンを調節す
るとき、モータ逆起電力（Ｂｅｍｆ）Ｋｅ、巻線の電気
抵抗、発生する力の脈動という３つの要素が影響を受け
る。また、モータの逆起電力の波形の変化に伴って、モ
ータ力の定数Ｋｆ、及びその定数と逆起電力Ｋｅとの関
係も変化する。便宜上、モータ力の定数及び巻線の電気
抵抗を組み合わせて、モータの定数と称される１つの有
意義なパラメータＫｍにする。
は全高さＬＳを変化させることで巻線パターンを調節す
るとき、モータ逆起電力（Ｂｅｍｆ）Ｋｅ、巻線の電気
抵抗、発生する力の脈動という３つの要素が影響を受け
る。また、モータの逆起電力の波形の変化に伴って、モ
ータ力の定数Ｋｆ、及びその定数と逆起電力Ｋｅとの関
係も変化する。便宜上、モータ力の定数及び巻線の電気
抵抗を組み合わせて、モータの定数と称される１つの有
意義なパラメータＫｍにする。
【００３２】リニアモータの殆どの用途に対して、Ｋｍ
を最適化することは最も重要なことである。もっとも、
正弦波状の駆動により駆動されるとき、それに伴う力の
脈動も考慮しなければならない。
を最適化することは最も重要なことである。もっとも、
正弦波状の駆動により駆動されるとき、それに伴う力の
脈動も考慮しなければならない。
【００３３】表１乃至表４には、所定の磁石の高さＬＢ
に対してＬＭ、ＬＳを調節したときの結果が掲げてあ
る。
に対してＬＭ、ＬＳを調節したときの結果が掲げてあ
る。
【００３４】表１ 表２ 表３ 表４ これらのデータから、力の脈動を最小にするのに最適な
巻線パターンは、モータの定数Ｋｍを最適にするパター
ンと同一ではないことが分かる。このため、用途に対応
してこれら２つのパターンの間で何らかの妥協を図る必
要がある。トルクの脈動データは図６の表に記載されて
いる。トルクの脈動を最小にするためには、直線状部分
の長さは零又は零に近くなければならない。
巻線パターンは、モータの定数Ｋｍを最適にするパター
ンと同一ではないことが分かる。このため、用途に対応
してこれら２つのパターンの間で何らかの妥協を図る必
要がある。トルクの脈動データは図６の表に記載されて
いる。トルクの脈動を最小にするためには、直線状部分
の長さは零又は零に近くなければならない。
【００３５】また、該データから、従来技術の教示技術
が妥当しないことも分かる。従来の教示によれば、コイ
ルの作用長さは、略直線状で且つ移動方向に対して垂直
でなければならず、従って、強磁性板から発する磁束は
最適なリニアモータを形成することにはならないとされ
ている。しかしながら、直観的な教示が示唆するよう
に、その他の形態の場合、コイルの作用長さＬＭが略直
線状であり且つ長さが最大であるとき、最適なＫｍ及び
力の脈動が生じる。実際には、該データから、ＬＭがＬ
Ｂに等しくなったとき、最適なＫｍとなり、非作用領域
における端部巻線が零まで少なくなったことを基本的に
意味することが分かる。このデータは図７の表にまとめ
てある。
が妥当しないことも分かる。従来の教示によれば、コイ
ルの作用長さは、略直線状で且つ移動方向に対して垂直
でなければならず、従って、強磁性板から発する磁束は
最適なリニアモータを形成することにはならないとされ
ている。しかしながら、直観的な教示が示唆するよう
に、その他の形態の場合、コイルの作用長さＬＭが略直
線状であり且つ長さが最大であるとき、最適なＫｍ及び
力の脈動が生じる。実際には、該データから、ＬＭがＬ
Ｂに等しくなったとき、最適なＫｍとなり、非作用領域
における端部巻線が零まで少なくなったことを基本的に
意味することが分かる。このデータは図７の表にまとめ
てある。
【００３６】図７に図示するように、モータの最大の定
数は、直線状部分の長さの約７０％にて生じる。この直
線状部分が５０％以上であり、好ましくは５０％乃至８
５％の範囲にあるときに、大きいモータの定数値が得ら
れる。
数は、直線状部分の長さの約７０％にて生じる。この直
線状部分が５０％以上であり、好ましくは５０％乃至８
５％の範囲にあるときに、大きいモータの定数値が得ら
れる。
【００３７】上記の開示は本発明の一つの好適な実施の
形態を記述するものである。線を巻き付け、スタンプ加
工し、カットし又はエッチング加工したものであるかど
うかを問わずに、本発明は分布巻線を有する鉄心無しの
モータに適用可能であることが当業者に明らかであろ
う。同様に、本発明は、互いに重なり合う多数回巻きコ
イルを有する巻線にも適用可能である。本発明によるモ
ータは、モータ定数を最大にし且つ力の脈動を最小にす
る最適なパターンを設定することができるようにすべ
く、鉄心無しのリニアモータにて最適な利点が得られる
ように巻線パターンを調節するときの自由さを増すもの
である。
形態を記述するものである。線を巻き付け、スタンプ加
工し、カットし又はエッチング加工したものであるかど
うかを問わずに、本発明は分布巻線を有する鉄心無しの
モータに適用可能であることが当業者に明らかであろ
う。同様に、本発明は、互いに重なり合う多数回巻きコ
イルを有する巻線にも適用可能である。本発明によるモ
ータは、モータ定数を最大にし且つ力の脈動を最小にす
る最適なパターンを設定することができるようにすべ
く、鉄心無しのリニアモータにて最適な利点が得られる
ように巻線パターンを調節するときの自由さを増すもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】一つの好適な実施の形態によるリニアモータ構
造体の斜視図である。
造体の斜視図である。
【図２】２Ａは、図１に図示したリニアモータの上面
図、２Ｂは、図１に図示したリニアモータの底面図、２
Ｃは、図１に図示したリニアモータの平面図、２Ｄは、
図１に図示したリニアモータの端面図である。
図、２Ｂは、図１に図示したリニアモータの底面図、２
Ｃは、図１に図示したリニアモータの平面図、２Ｄは、
図１に図示したリニアモータの端面図である。
【図３】３Ａは、分布波形巻線の形態の図、３Ｂは、分
布重なり合い巻線形態の図、３Ｃは、アーマチャコイル
と永久磁石との関係を示す図である。
布重なり合い巻線形態の図、３Ｃは、アーマチャコイル
と永久磁石との関係を示す図である。
【図４】４Ａは、本発明による分布巻線の図、４Ｂは、
図４Ａと同様であるが、移動方向に対して垂直な直線状
部分の長さが異なる分布巻線の図、４Ｃは、図４Ａと同
様であるが、移動方向に対して垂直な直線状部分の長さ
が異なる分布巻線の図である。
図４Ａと同様であるが、移動方向に対して垂直な直線状
部分の長さが異なる分布巻線の図、４Ｃは、図４Ａと同
様であるが、移動方向に対して垂直な直線状部分の長さ
が異なる分布巻線の図である。
【図５】５Ａは、直線状部分の長さが異なる分布巻線の
多数回巻き状態を示す図、５Ｂは、図５Ａと同様である
が、直線状部分の長さが異なる分布巻線の多数回巻き状
態を示す図、５Ｃは、図５Ａと同様であるが、直線状部
分の長さが異なる分布巻線の多数回巻き状態を示す図で
ある。
多数回巻き状態を示す図、５Ｂは、図５Ａと同様である
が、直線状部分の長さが異なる分布巻線の多数回巻き状
態を示す図、５Ｃは、図５Ａと同様であるが、直線状部
分の長さが異なる分布巻線の多数回巻き状態を示す図で
ある。
【図６】トルクの脈動と導体の直線状部分の長さとの関
係を示すグラフ図である。
係を示すグラフ図である。
【図７】モータの定数と導体の直線状部分の長さとの関
係を示すグラフ図である。
係を示すグラフ図である。
１０ 可動コイル／スライダ／アーマチャ巻線 １２ 永久磁石の界部材 １４ スライダ １６ ロッド １７ 空隙 １８ 可動ケーブル １９ センサ ２０ 鉄心部材 ２６ 絶縁基板 ３０ コイルの導体 ３１ コイル Ｆｒ モータ力の脈動 Ｋｅ 逆起電力 Ｋｆ、Ｋｍ モータ力の定数 ＬＢ 線形空隙の高さ／導体の直線状部分 ＬＭ 直線動作の方向／コイルの作用長さ ＬＳ 巻線の外寸法／空隙の全高さ Ｒ 巻線抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・ジー・フローレスタ アメリカ合衆国ニューヨーク州11725，コ マック，ローリンダ・ドライブ 37
Claims (7)
- 【請求項１】 分布巻を有するスロット無しのリニアモ
ータにおいて、 所定の高さの線形空隙に沿って配置された交番磁極面を
提供する複数の永久磁石と、 前記空隙内に少なくとも一部分配置された所定の外寸法
を有する線形分布巻線であって、複数の層状導体パター
ン及び該導体パターンの隣接するものの間に配置された
絶縁体を有する線形分布巻線と、 該線形巻線及び前記交番磁極面が相対的に直線動作可能
であるように取り付けられることと、 前記層状導体パターンが、前記直線動作の方向に対して
垂直な所定の長さの導体部分を有することと、 前記垂直な導体部分の長さ、前記線形空隙の高さ、前記
巻線の外寸法が、所望の性能特性に従って選択されるこ
とと、 前記永久磁石に対し且つ前記線形空隙を横断する磁束の
戻り路を提供する磁性材料と、 前記永久磁石に対する前記巻線の位置に従って該巻線を
励起する手段とを備える、スロット無しのリニアモー
タ。 - 【請求項２】 請求項１に記載のスロット無しのリニア
モータにおいて、前記垂直な導体部分の長さが、トルク
脈動を最小にし得るように短く又は零に近い、スロット
無しのリニアモータ。 - 【請求項３】 請求項１に記載のスロット無しのリニア
モータにおいて、前記垂直な導体部分の長さが、線形空
隙の高さの５０％以上である、スロット無しのリニアモ
ータ。 - 【請求項４】 請求項３に記載のスロット無しのリニア
モータにおいて、前記垂直な導体部分の前記長さが、モ
ータ定数を最大にし得るように５０％乃至８５％の範囲
にある、スロット無しのリニアモータ。 - 【請求項５】 線形空隙に沿って配置された極面を提供
する永久磁石と、絶縁層に固着され且つ前記極面に対し
て可動である複数の導体とを有するスロット無しのリニ
アモータの設計方法において、 （１）前記導体の少なくとも一部分Ｌｍが移動方向に対
して略垂直であるように前記導体の形態を設定するステ
ップと、 （２）前記略垂直な部分の長さと前記線形空隙の巻線の
高さＬｓとの比を所望の性能特性に従って選択するステ
ップとを備える、設計方法。 - 【請求項６】 請求項５に記載の設計方法において、Ｌ
ｍ：Ｌｓの比が、低抵抗値と略正弦波状波形とが得られ
るように小さい、設計方法。 - 【請求項７】 請求項５に記載の設計方法において、Ｌ
ｍ：Ｌｓの比が、比較的大きい力定数が得られるように
大きい、設計方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US055545 | 1998-04-06 | ||
| US09/055,545 US6160327A (en) | 1998-04-06 | 1998-04-06 | Winding for linear motors without slots |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11299214A true JPH11299214A (ja) | 1999-10-29 |
| JP4198787B2 JP4198787B2 (ja) | 2008-12-17 |
Family
ID=21998573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23050598A Expired - Fee Related JP4198787B2 (ja) | 1998-04-06 | 1998-08-17 | スロット無しのリニアモータ及びその設計方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6160327A (ja) |
| EP (1) | EP0949749B1 (ja) |
| JP (1) | JP4198787B2 (ja) |
| DE (1) | DE69840042D1 (ja) |
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| JP4216046B2 (ja) * | 2002-11-05 | 2009-01-28 | 株式会社ソディック | コアレス交流リニアモータ |
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