JPS591061B2 - リニア直流モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は給電することにより直進力を得ることができる
リニア直流モータに関するものであり、特に、２相のコ
イル群に交互に電流を通電することによって所定方向へ
の持続的な駆動力を得るリニア直流モータを提供するも
のである。

一般に、リニア直流モータの移動体を所定の方向に駆動
する方法として、移動体に多極マグネットを配置し、固
定子に３相のコイルを施こし、移動体と固定子の相対位
置をホール素子等にて検出し、相対位置に応じて通電す
るコイルを順次選択、切換えることにより、同一方向へ
の駆動力を得ることが考えられる。

このことを図面を参照して説明する。

第１図は３相駆動力式リニア直流モータの原理図である
。

第１図において、直進移動するマグネット１の磁極面に
対向して３個の突極２ａ、２ｂｔ２ｃを有する型針鉄心
２が固定され、前記各突極２ａ 、２ｂ 、２ｃには３
相のコイル３ ａ ｓ ３ ｂ ｙ３ｃが各々巻装され
ている。

ホール素子などの位置検出手段４ａ 、４ｂ 、４ｃに
よりマグネット１の位置を検出し、通電制御手段５と駆
動トランジスタ６ａ、６ｂ、６ｃとからなる通電切換手
段により、電流を流すべきコイル３ａ、３ｂ、３ｃを順
次選択して、マグネット１を所定の方向に駆動するよう
にしている。

しかし、そのような構成では３相のコイルを使用してい
るために、コイル処理位置検出手段、電流の通電切換手
段等が複雑化し、リニア直流モータの構造および回路構
成が複雑となるという問題がある。

本発明はこのような点を考慮し、コイル処理が容易で、
位置検出手段や通電切換手段等を簡単な構成にできるリ
ニア直流モータを提供するものである。

すなわち、マグネットの磁極の配置を特殊にすることに
より、２相のコイル群に交互に所定方向の電流を通電す
ることによって所定方向への持続的な駆動力を得るリニ
ア直流モータを提供するものである。

以下、本発明の一実施例について突極を有する電機子を
使用したリニア直流モータを例にとって、図面に基づい
て説明する。

第２図は本発明の一実施例の要部構造図である。

第２図において、強磁性体製の移動体１１に増付けられ
た平板状のマグネット１２は、２相のコイル群１６ａ１
．１６ａ２と１６ｂ１．１６ｂ２が設置された電機子鉄
心１３の突極に所要間隙あけて対向しながら移動する。

第３図ａにマグネット１２の磁極面に形成された磁極の
配置を示す。

本発明のリニア直流モータに使用するマグネットは、移
動体１１の移動方向（Ｘ方向）に交互に着磁されたＮ極
領域とＳ極領域を有し、かつ移動方向に所定幅Ｔ１のＮ
極領域とＳ極領域を共存させた領域を設けている。

その結果、マグネット１２の発生磁束密度Ｂ（ｘ、ｙ）
をＸ方向（移動方向に直角な方向）に平均化したー ”
メヒ 平均磁束密度Ｂ（ｘ）＝π Ｂ（ｘ、ｙ）ｄｙの特性
は、第３図すに示すように、Ｎ極とＳ極が共存する部分
において零または極めて小さくする。

すなわち、マグネット１２の実効的な磁極は、平均磁束
密度Ｂ（ｘ）が正の大きな値となるＮ極部と零または小
さな値となる実効的無磁性極部と負の大きな値となるＳ
極部にわかれる。

なお、正確には、平均磁束密度Ｂ侵）は第２図の電機子
鉄心１３の突極に対向する範囲内の磁束密度Ｂ（ｘ、ｙ
）を平均化したものであり、まだ第３図すの実線はＢ（
ｘ）の特性を矩形波状に近似したもの、破線は実際の極
の変化に伴う特性を表わしたものである。

電機子鉄心１３は４個の主突極１３ａ１，１３ｂ１゜１
３ａ２．１３ｂ２と、それらの主突極の間に位置する３
個の補助突極１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、両端に位置す
る補助突極１５ａ、１５ｂを一体的に有している。

電機子鉄心１３の各突極は所要間隔をあけてマグネット
１２の磁極と対向し、各主突極１３ａ１．１３ｂ１．１
３ａ２．１３ｂ２にはそれぞれ１個のコイル１６ａ１．
１６ｂｔ ｔ１６ａ２．１６ｂ２が巻装され、１６ａ
１ と１６ａ２および１６ｂ１と１６ｂ２が直列に接続
されて２相のコイル群を形成している。

なお１７は各突極の間に形成された巻線用溝であり、１
８は突極の先端に設けられた補助溝であり、これはコギ
ング力を低減させる効果を有する。

次に、本実施例の動作について説明する。

第４図に上記主突極１３ａ１と補助突極１４ａの間に形
成される巻線用溝１７における磁束の分布を示す。

第４図において、マグネット１２より流出した磁束は磁
気抵抗の高い溝部を設けて隣接する突極に吸いとられる
。

その結果、マグネット１２の磁束が各突極に流出入する
実効的なピッチは先端部分のピンチより広くなり、突極
の両端の溝の中心間隔にほぼ等しくなる。

本実施例においては、各主突極１３ａ１．１３ｂ１．１
３ａ２．１３ｂ２の実効ピッチはマグネット１２の実効
的無磁性極部のピッチＴ１ と等しくまたは略等しく
なし、また補助突極１４ａ、１４ｂ、１４ｃの実効ピッ
チはほぼＴ１／２となしている。

さらに、実効的無磁性極部、Ｎ極部、Ｓ極部のピッチは
等しく、または略等しくされている。

各コイルと鎖交する磁束は主突極に流出入する磁束に等
しいため各コイル１６ａ１．１６ａ２．１６ｂ１．１６
ｂ２の実効ピンチがＴ１にほぼ等しいといえる。

コイルに一定の電流を流すときの発生駆動力Ｆは、フレ
ミングの左手の法則より、コイルの実効ピンチの両端に
おける平均磁束密度の差と電流値に比例する。

すなわち（駆動力）ｏｃ（電流値）×（平均磁束密度差
）となる。

コイル１６ａ１ と１６ａ２が直列接続されかつ１６ｂ
１と１６ｂ２が直列接続されて２相のコイル群を構成す
るとき、第１相のコイル群１６ａ１．１６ａ２の平均磁
束密度差および第２相のコイル群１６ｂ１．１６ｂ２の
平均磁束密度差はマグネット１２と電機子鉄心１３の相
対位置８の変化に伴なって第６図ａおよびｂのように変
化する。

ここに２は第２図に示すようにマグネット１２の点Ａ。

と電機子鉄心１３の点Ｂ。の距離である。

従って第６図ｃ ｔ ｄに示すごとく、一定値の電流ｉ
° を相対位置２に応じて２相のａツｌｂ コイル群に切換えて通電するならば、第６図ｅに示すよ
うなムラのない駆動力を得ることができる。

第５図に本実施例の駆動回路（通電切換手段）の→りを
示す 第５図において、ホール素子などの１個の位置検
出器２０によってマグネット１２と電機子鉄心１３との
相対位置を検出し、トランジスタＱｌ、Ｑ２を交互にオ
ン・オフさせている。

すなわち一方のトランジスタＱ１がオンのときには他方
のトランジスタＱ２がオフとなり、逆にＱｌがオフのと
きにはＱ２がオンとなる。

このように、常時１相のコイル群に電流が流れるような
相補助動作を行なう回路を使用するならば、発生力に切
れ目がなく、均一な駆動力を得ることができる。

このように、本発明のリニア直流モータでは、マグネッ
トの移動方向に交互に着磁されたＮ極領域とＳ極領域と
を有し、移動方向に所定幅Ｎ極領域とＳ極領域とを共存
させることにより、Ｎ極部とＳ極部との間に実効的無磁
性極を形成させている。

その結果、２相のコイル群に交互に所定方向の電流ｉａ
、ｉｂを切換えて通電することによって、発生力に切れ
目のない均一な駆動力を得ている。

これにより、第１図に示す従来例と比較して、コイル相
数が少ないことからコイル処理が容易となり、また位置
検出用手段（ホール素子等）や通電切換手段（トランジ
スタ等）の構成も簡単になっている。

さらに、第２図に示したリニア直流モータでは、補助溝
１８の効果によりコギング力が大幅に低減されている。

以下、これについて説明する。コギング力は磁場に貯え
られた磁気エネルギーが電機子鉄心とマグネットの相対
位置に応じて変化することにより生じるもので、マグネ
ットと電機子鉄心の両者に磁気的な変動が存在する場合
には、一般にその両者に共通して存在する変動分（整合
分）のコギング力が主に生じる。

磁気エネルギーは磁束密度の２乗に関係する量であるか
ら、マグネット１２の磁極に対向する部分の電機子鉄心
１３の磁気的な変動の状態が問題となる。

電機子鉄心１３の磁気的な変動は、突極の間の巻線用溝
１７と突極の先端に設けられた補助溝１８によって生じ
る。

第４図は巻線用溝１７の入口付近での磁束の分布を表わ
しているが、第４図においてマグネット１２より流出す
る磁束は矢印の線にて示されるよ５に、大部分が磁気抵
抗の高い溝部１７を避けて電機子鉄心１３の突極に吸い
とられる。

その結果、図示の破線Ｈよりも深い部分での磁束は非常
に少なくなる。

従って巻線用溝の深さは破線Ｈより深くても、磁気的に
は破線Ｈの深さのものとほぼ同様である。

そこで、第２図に例示するごとく巻線用溝１７とほぼ等
しい幅を有しかつ巻線用溝１７より浅い開溝状の補助溝
１８であっても、巻線用溝１１とほぼ同等の磁気的効果
を得ることができる。

本実施例では、主突極１３ａ１．１３ｂ１．１３ａ２．
１３ｂ２の実効ピッチ（両端の溝の中心間隔）と補助突
極１４ａ、１４ｂ、１４ｃの実効ピンチの比を４：２（
整数比）となし、巻線用溝１７と補助溝１８とからなる
溝の全体が主突極の実効ピッチの４分の１のピンチ毎（
本例ではＴ１／４）に配置されている。

すなわち電機子鉄心１３の有する磁気的な変動はＴ１／
４のピンチで繰返えされる周期的な変動となる。

その結果、マグネット１２のＴ１／４の移動毎にマグネ
ット１２と電機子鉄心１３の磁気的な関係は同等になる
ため、磁気エネルギーの変化が小さくなり、コギング力
も小さなものとなる。

通常、マグネット１２が有する磁気的な変動の周期成分
の大きさは、周期が短かくなる程その大きさは急速に小
さくなる。

従って補助溝１８を設けることにより、電磁鉄心１３の
磁気的変動の周期を短かくするならば、マグネット１２
の磁気的変動との整合が小さくなり、コギング力は小さ
くなる。

このようにマグネットにＮ極部と実効的無磁性極部とＳ
極部を形成するならば、２相のコイル群に順次電流を流
すことにより所定方向への均一な駆動力を得ることがで
きる。

特に、実効的無磁性極部をＮ極とＳ極が移動方向と直角
方向に共存させることによって形成するならば、マグネ
ットをＮ極またはＳ極に完全着磁（残留磁束密度が最大
となるような着磁）すれば良く、着磁バラツキが小さく
なる。

なお、第２図に示した本発明の実施例においては、マグ
ネット１２を移動させ、電機子鉄心１３を固定したが、
本発明はそのような場合のみに限られるものではなく、
その関係が逆であっても得られる効果に差異はない。

また前述の実施例ではブラシレス形のリニア直流モータ
を使用して説明したが、ブラシ等を使用して通電するコ
イルを順次選択して切換えても良いことはいうまでもな
い。

第７図に本発明の別の実施例の要部構造図を示す。

第７図において移動体２１にはＮ極、Ｓ極を交互に着磁
された平板状のマグネット２２がとり２けられている。

該マグネット２２の磁極は第８図ａに示されている。

本例においては、Ｎ極とＳ極が共存する実効的無性極部
の幅をＴ１ とし、Ｎ憚部、実効的無磁性極部、Ｓ極部
の１組の幅を２Ｔ２にし、それらは順次交互に進行方向
（Ｘ方向）に形成されている。

第８図すに平均磁束密度Ｂ侵）の特性を示す。

マグネット２２の磁極面に所要間隙をあけて対向する２
個の主突極２３ａ。

２３ｂと３個の補助突極２４，２５ａ、２５ｂとを一体
的に有する電機子鉄心は、複数枚の硅素鋼板を図面の垂
直方向に積層、固定して形成されている。

各主突極２３ａ 、２３ｂにはそれぞれ１個のコイル２
６ａ、２６ｂが巻装されている。

また各主突極２３ａ 、２３ｂの実効ピッチ（両端の巻
線用溝の中心間隔）はマグネット２２の実効的無磁性極
部のピッチＴ１に等しくまたは略等しくされている。

さらに、主突極２３ａと２３ｂの中心間隔はマグネット
２２の１周期ピッチ２Ｔ２の２分の１、すなわちＴ２に
等しくまたは略等しくされている。

従って、２相のコイル２６ａ、２６ｂに相補的に電流を
流すならば所定の方向の駆動力を得ることができる。

本実施例においても、巻線用溝２７と磁気的に同等また
は略同等の効果を有する補助溝２８が設けられ、巻線用
溝２７と補助溝２８とからなる溝の全体が等ピッチ間隔
（本例ではＴＩ／７）または略等ピンチ間隔となるよう
に配置されている。

また両端の補助突極２５ａ 、２５ｂにはマグネット２
２との対向間隙が端になる程徐々に広がるようなテーパ
が付けられている。

その結果、本実施例におけるコギング力は小さくなって
いる。

前述の実施例に示すように、重重鉄心を突柩構造にする
ならば、リニア直流モータの効率は良くなる。

さらに、電機子鉄心の突極に補助溝を設けるならば、コ
ギング力は一層小さくなり、駆動力の変動の小さなリニ
ア直流モータを得ることができる。

一般に補助溝を設けた場合の電機子鉄心の磁気的な変動
の周期（ピッチ）を短かくすることがコギング力を小さ
くする有効な方法である。

上記各実施例では、電機子に突極を設けた効率の良いリ
ニア直流モータについて説明した。

しかし、本発明はそのような場合に限らず、前述したＮ
極領域、Ｓ極領域を有するマグネットの磁極に対向する
平滑鉄心上に２相のコイルを配置するようにしても良く
、本発明に含まれることはいうまでもない。

以上の説明より明らかなように、本発明のＩＪ ニア直
流モータは、２相のコイルに交互に通電することによっ
て所定方向への持続的な駆動力が得られるために、コイ
ル処理、通電切換手段が簡単となる。

従って本発明に基づき音響機器用ブラシレス形のリニア
直流モータを構成した場合には、安価に高性能の音響機
器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は３相駆動方式リニア直流モータの原理図、第２
図は本発明の一実施例の要部構造図、第３図ａ、ｔ）は
同実施例のマグネットの磁極の配置を示す図および平均
磁束密度Ｂ（ｘ）の特性図、第４図は同実施例におけ名
要部の磁束分布を表わした図、第５図は同実施例の駆動
回路の一例を示した図、第６図ａ”−ｅは同実施例にお
ける駆動方法を説明するだめの図、第７図は本発明の別
の実施例の要部構造図、第８図ａ、ｂは同実施例のマグ
ネットの磁極の配置を示す図および平均磁束密度Ｂ（ｘ
）の特性図である。 ＩＬ２１・・・移動体、１２．２２・・・マグネット、
１３．２３・・・型針鉄心、１３ａ１．１３ｂ１ 。 １３ａ２．１３ｂ２．２３ａ、２３ｂ−主突極、１４ａ
、１４ｂ、１４ｃ、１５ａ、１５ｂ、２４゜２５ａ、２
５ｂ−補助突極、１６ａｌ 、１６ｂ１゜１６ａ２．
１６ｂ２．２６ａ 、２６ｂ−コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平面状の磁極面に固定磁化された磁極を有するマグ
   ネットと、このマグネットの界磁磁束と鎖交する２相の
   コイル群を有する電機子と、これらマグネットと電機子
   との相対位置に応じて前記２相のコイル群への通電を切
   換える通電切換手段とからなり、前記マグネットと電機
   子とのうちいずれか一方が他方に対して直進移動自在と
   なしたリニア直流モータであって、前記マグネットが移
   動方向に交互に着磁された１組以上のＮ極領域とＳ極領
   域とを有し、移動方向に所定幅前記Ｎ極領域とＳ極領域
   とを共存させることによりＮ極部とＳ極部との間に実効
   的無磁性極部を形成し、Ｎ極部、実効的無磁性極部、Ｓ
   極部を順番に１組以上形成したことを特徴とするリニア
   直流モータ。 ２ マグネットの有するＮ極部、Ｓ極部、実効的無磁性
   極部の幅を等しくまたは略等しくしたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のリニア直流モータ。 ３２相のコイル群は、電機子の突極に巻装され、マグネ
   ットの磁極と対向する前記突極の先端部分に補助溝を設
   け、前記突極の間に形成される巻線用溝と前記補助溝と
   からなる溝の全体が等ピッチ間隔または略等ピッチ間隔
   に配置され、Ｎ極部または実効的無磁性極部またはＳ極
   部の幅に比較して前記溝のピッチを小さくしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載のリニ
   ア直流モータ。