JPWO2004093301A1 - リニアモータ - Google Patents
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Abstract
Description
ムービングコイル型リニアモータにおいて、リニアモータに発生するコギング推力を抑えるため、電機子を複数に分割して、分割した電機子ブロック間に位相差を持たせて、発生したコギング推力を電機子ブロック間で相殺させるようにしたものとして特許文献1(特開2000−278931号公報)に開示されたリニアモータがある。
特許文献1は、コギング推力の発生を抑え、電機子の推力方向長さを短縮でき、しかもコイル温度検出精度を向上できるリニアモータを提供することを目的としたもので、電機子を複数の電機子ブロックに分割して推力の方向に配列し、各電機子ブロックのブロックコアは、等ピッチで配列された相数の整数倍のティースを設けてそこに集中巻にした電機子コイルを設け、各電機子ブロックの電機子コイルの相互を、電機子ブロック間の間隙に対応する電気角で位相をずらすことにより、各電機子ブロックに生ずるコギング推力に位相差を持たせ、相殺させて、その和を零にすることが記載されている。
特許文献1に記載されたリニアモータはコギング推力の発生を抑えるように構成したものであるが、上述のように電機子の全てのティースに巻線が配置され、各スロット内で異なった相の巻線が隣接する構造であり、モータの絶縁強化を図るためには、コイル皮膜や相間紙等の絶縁材料を強化するとかスロット内のコイル量を減らしてスロット内のコイル間の距離を確保するといった処置が必要となる。コイル皮膜や相間紙等の絶縁材料を強化することによりモータの絶縁強化を図る方法は、コイル皮膜や相間紙等の絶縁材料が、切削水の成分等によりその劣化度合いに差異があるため、絶縁材料の選択が困難であり、また材料費のアップ、製作工数のアップとなるという問題点があった。
また、スロット内のコイル量を減らしてスロット内のコイル間の距離を確保することによりモータの絶縁強化を図る方法は、コイル量を減らしたことによりモータの銅損が上昇することになり、モータの性能が犠牲にあるという問題点があった。
また、モータの絶縁強化を図るために、絶縁劣化を生じる物質の浸入を防ぐためにモータ全体を樹脂で覆うことも考えられるが、切粉の噛み込み等により樹脂が破損した場合に、その破損部から切削水等が浸入し絶縁低下を生じる可能性があるという問題点があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、コギング推力の発生を抑えるとともに、モータの絶縁強化を簡便な方法で図ることができるリニアモータを得ることを目的とする。
また、所定の推力を得るために、モータ長さ寸法を変更する場合、6ティース毎に変更ができるので、機械寸法に応じたモータ長さ寸法の変更が容易にできる。
また、この発明のリニアモータは、等ピッチで永久磁石を配列した界磁磁極と、この界磁磁極と対面する電機子とを備えたリニアモータにおいて、この電機子の電機子コアは、等ピッチで配列されたティースに一つ置きに集中巻した電機子コイルとが設けられ、前記永久磁石による磁極数と前記電機子コアのティース数との組合せを、5n:6n+1(n:自然数)とするとともに、前記電機子コアのティースの間隔が磁極ピッチτに対し、5τ/6±τ/6とするようにしたので、リニアモータ走行時にストロークエンドでモータが衝突を起こした場合においても、電機子の両端に配置されているコイルを巻回しないティースにより巻線への直接的な衝撃を回避することができ、リニアモータの信頼性が向上する。
また、この発明のリニアモータは、等ピッチで永久磁石を配列した界磁磁極と、この界磁磁極と対面する電機子とを備えたリニアモータにおいて、この電機子の電機子コアは、等ピッチで配列されたティースに一つ置きに集中巻した電機子コイルとが設けられ、前記永久磁石による磁極数と前記電機子コアのティース数との組合せを、7n:6n−1(n:自然数)とするとともに、前記電機子コアのティースの間隔が磁極ピッチτに対し、7τ/6±τ/6とするようにしたので、生産性が向上するとともに相間の絶縁を向上させることができる。
また、所定の推力を得るために、モータ長さ寸法を変更する場合、6ティース毎に変更ができるので、機械寸法に応じたモータ長さ寸法の変更が容易にできる。
また、この発明のリニアモータは、等ピッチで永久磁石を配列した界磁磁極と、この界磁磁極と対面する電機子とを備えたリニアモータにおいて、この電機子の電機子コアは、等ピッチで配列されたティースに一つ置きに集中巻した電機子コイルとが設けられ、前記永久磁石による磁極数と前記電機子コアのティース数との組合せを、7n:6n+1(n:自然数)とするとともに、前記電機子コアのティースの間隔が磁極ピッチτに対し、7τ/6±τ/6とするようにしたので、リニアモータ走行時にストロークエンドでモータが衝突を起こした場合においても、電機子の両端に配置されているコイルを巻回しないティースにより巻線への直接的な衝撃を回避することができ、リニアモータの信頼性が向上する。
さらに、電機子の両端に位置する電機子コイルが巻装されないティースの形状は他のティースと形状、ピッチを変えることができるので、機械寸法の調整が容易である。
さらにまた、電機子コアに等ピッチで配列されるティースにおいて、電機子コイルが巻装されないティースの幅を電機子コイルが巻装されるティースの幅よりも小さくしたことにより、推力特性が向上する。
第2図はこの発明の実施の形態2に係るリニアモータの構造を示す図である。
第3図はリニアモータの推力特性を示す図である。
第4図はこの発明の実施の形態3に係るリニアモータの構造を示す図である。
第5図はこの発明の実施の形態4に係るリニアモータの構造を示す図である。
第6図はこの発明の実施の形態5に係るリニアモータの構造を示す図である。
第7図はリニアモータの推力特性を示す図である。
第1図によりこの発明の実施の形態1に係るリニアモータの構造を説明する。第1図はムービングコイル型リニアモータであって、固定子(界磁磁極)側となる界磁鉄心1に界磁用永久磁石2を交互に極性が異なるように等ピッチで配置する。また、固定子側に設けた界磁用永久磁石2の磁極面には、磁気的空隙を介して可動子側となる電機子3aが対向配置される。電機子3aは電磁鋼板を櫛歯状に打ち抜いてティースと継鉄部を形成する電機子コアからなり、この電機子コアの複数のティース4u,4v,4wに、コイルを巻回して電機子巻線5u,5v,5wを形成する。
第1図において、電機子3aのティース4u,4v,4wにはコイルを巻回して電機子巻線5u,5v,5wを形成し、ティース4u,4v間およびティース4v,4w間にはコイルを巻回しないティース6aを配置し、コイルを巻回するティース4u,4v,4wとコイルを巻回しないティース6aとを交互に配置するようにしたものである。
実施の形態1に係るリニアモータは、永久磁石による界磁磁極の磁極数と電機子のティース数との組合せを、5n:6n−1(n:ティース数を決定する係数で自然数)とし、電機子のティースの間隔を界磁磁極の磁極ピッチτに対し、5τ/6±τ/6とするとともに、電機子巻線を、第1図の左側の端ティースより1ティースおきに、正巻、逆巻、正巻の順に、相順をU相,V相,W相となるように配置する。また、第1図においては、n=1の場合を示した。
ところで、上記説明では、電機子巻線を、第1図の左側の端ティースより1ティースおきに、正巻、逆巻、正巻の順に、相順をU相,V相,W相となるように配置する例を述べたが、逆巻、正巻、逆巻の順に、相順をU相,V相,W相となるように配置してもよい。
また、相順についてもU相,V相,W相となるように配置する例を述ベたが、V相,W相,U相、またはW相,U相,V相、またはW相,V相、U相、またはV相、U相,W相、またはU相,W相,V相となるように配置してもよい。
従来は全てのティースにコイルを巻回していたが、実施の形態1に係るリニアモータにおいては、第1図に示すようにコイルを巻回するティース4u,4v,4wとコイルを巻回しないティース6aとを交互に配置し、電機子を構成する5本のティースの内、コイルを巻回するティースは3本とするようにしたので、生産性が向上する。また、電機子巻線5u,5v,5wを形成する各コイルはティース6aを介して配置され、他のコイルと隣接することがないので、相間の絶縁を向上させることができる。
また、所定の推力を得るために、モータ長さ寸法を変更する場合、実施の形態1に係るリニアモータにおいては、6ティース毎に変更ができるので、機械寸法に応じたモータ長さ寸法の変更が容易にできる。
実施の形態2.
第2図によりこの発明の実施の形態2に係るリニアモータの構造を説明する。第2図において、1、2、4u,4v,4w,5u,5v,5w,6aは第1図と同様であり、その説明を省略する。
電機子3bのティース4u,4v,4wにはコイルを巻回して電機子巻線5u,5v,5wを形成する。また、ティース6aはコイルを巻回しないティースであり、コイルを巻回するティース4u,4v,4wとコイルを巻回しないティース6aとを交互に配置する。また、ティース6bはコイルを巻回しないティースの内、電機子3bの両側に形成されるティースで、形状、ピッチとも任意とすることができる。
実施の形態2に係るリニアモータは、永久磁石による界磁磁極の磁極数と電機子のティース数との組合せを、5n:6n+1(n:ティース数を決定する係数で自然数)とし、両端のティース6bを除いた電機子のティースの間隔を界磁磁極の磁極ピッチτに対し、5τ/6±τ/6とするとともに、電機子巻線を、第2図の左側の端ティース6bから2番目となるティース(第2図では、ティース2u)より1ティースおきに、正巻、逆巻、正巻の順に、相順をU相,V相,W相となるように配置する。また、第2図においては、n=1の場合を示した。
実施の形態2に係るリニアモータにおける電機子3bは、上述の実施の形態1に係るリニアモータにおける電機子3aの両端にコイルを巻回しないティース6bを追加した構造である。
上述の実施の形態1と同様の効果が得られるとともに、電機子3bの両端にコイルを巻回しないティース6bが配置されているので、リニアモータ走行時にストロークエンドでモータが衝突を起こした場合においても、巻線への直接的な衝撃を回避することができ、リニアモータの信頼性が向上する。
また、第3図に示すように、第2図に示した構造のリニアモータの推力(第3図(a))は、第1図に示した構造のリニアモータの推力(第3図(b))に比べて大きくなる。
ところで、上記説明では、電機子巻線を、第2図の左側の端ティース6bから2番目となるティース(第2図では、ティース4u)より1ティースおきに、正巻、逆巻、正巻の順に、相順をU相,V相,W相となるように配置する例を述べたが、逆巻、正巻、逆巻の順に、相順をU相,V相,W相となるように配置してもよい。
また、相順についてもU相,V相,W相となるように配置する例を述べたが、V相,W相,U相、またはW相,U相,V相、またはW相,V相,U相、またはV相,U相,W相、またはU相,W相,V相となるように配置してもよい。
実施の形態3.
第4図によりこの発明の実施の形態3に係るリニアモータの構造を説明する。第4図において、1、2は第1図と同様であり、その説明を省略する。また、固定子側に設けた界磁用永久磁石2の磁極面には、磁気的空隙を介して可動子側となる電機子13aが対向配置される。電機子13aは電磁鋼板を櫛歯状に打ち抜いてティースと継鉄部を形成する電機子コアからなり、この電機子コアの複数のティース14u,14v,14wに、コイルを巻回して電機子巻線15u,15v,15wを形成する。
第4図において、電機子13aのティース14u,14w,14vにはコイルを巻回して電機子巻線15u,15w,15vを形成し、ティース14u,14w間およびティース4w,4v間にはコイルを巻回しないティース16aを配置し、コイルを巻回するティース14u,14w,14vとコイルを巻回しないティース16aとを交互に配置するようにしたものである。
実施の形態3に係るリニアモータは、永久磁石による界磁磁極の磁極数と電機子のティース数との組合せを、7n:6n−1(n:ティース数を決定する係数で自然数)とし、電機子のティースの間隔を界磁磁極の磁極ピッチτに対し、7τ/6±τ/6とするとともに、電機子巻線を、第4図の左側の端ティースより1ティースおきに、正巻、逆巻、正巻の順に、相順をU相,W相,V相となるように配置する。また、第4図においては、n=1の場合を示した。
ところで、上記説明では、一次側に施す巻線を、第4図の左側の端ティースより1ティースおきに、正巻、逆巻、正巻の順に、相順をU相,W相,V相となるように配置する例を述べたが、逆巻、正巻、逆巻の順に、相順をU相,W相,V相となるように配置してもよい。
また、相順についてもU相,W相,V相となるように配置する例を述べたが、W相,V相,U相、またはV相,U相,W相、またはV相,W相,U相、またはW相,U相,V相、またはU相,V相,W相となるように配置してもよい。
実施の形態3に係るリニアモータにおいては、第4図に示すようにコイルを巻回するティース14u,14v,14wとコイルを巻回しないティース16aとを交互に配置し、電機子を構成する5本のティースの内、コイルを巻回するティースは3本とするようにしたので、上述の実施の形態1と同様、生産性が向上する。また、電機子巻線15u,15v,15wを形成する各コイルはティース16aを介して配置され、他のコイルと隣接することがないので、上述の実施の形態1と同様、相間の絶縁を向上させることができる。
また、所定の推力を得るために、モータ長さ寸法を変更する場合、実施の形態3に係るリニアモータにおいては、上述の実施の形態1と同様で6ティース毎に変更ができるので、機械寸法に応じたモータ長さ寸法の変更が容易にできる。
実施の形態4.
第5図によりこの発明の実施の形態4に係るリニアモータの構造を説明する。第5図において、1、2、14u,14v,14w、15u,15v,15w、16aは第4図と同様であり、その説明を省略する。
電機子13bのティース14u,14v,14wにはコイルを巻回して電機子巻線15u,15v,15wを形成する。また、ティース16aはコイルを巻回しないティースであり、コイルを巻回するティース14u,14v,14wとコイルを巻回しないティース16aとを交互に配置する。また、ティース16bはコイルを巻回しないティースの内、電機子13bの両側に形成されるティースで、形状、ピッチとも任意とすることができる。
実施の形態4に係るリニアモータは、永久磁石による界磁磁極の磁極数と電機子のティース数との組合せを、7n:6n+1(n:ティース数を決定する係数で自然数)とし、両端のティース16bを除いた電機子のティースの間隔を界磁磁極の磁極ピッチτに対し、7τ/6±τ/6とするとともに、電機子巻線を、第5図の左側の端ティース16bから2番目となるティース(第5図では、ティース14u)より1ティースおきに、正巻、逆巻、正巻の順に、相順をU相,W相,V相となるように配置する。また、第5図においては、n=1の場合を示した。
実施の形態4に係るリニアモータにおける電機子13bは、上述の実施の形態3に係るリニアモータにおける電機子13aの両端にコイルを巻回しないティース16bを追加した構造である。
上述の実施の形態3と同様の効果が得られるとともに、電機子13bの両端にコイルを巻回しないティース16bが配置されているので、リニアモータ走行時にストロークエンドでモータが衝突を起こした場合においても、巻線への直接的な衝撃を回避することができ、リニアモータの信頼性が向上する。
ところで、上記説明では、電機子巻線を、第5図の左側の端ティース16bから2番目となるティース(第5図では、ティース14u)より1ティースおきに、正巻、逆巻、正巻の順に、相順をU相,W相,V相となるように配置する例を述べたが、逆巻、正巻、逆巻の順に、相順をU相,W相,V相となるように配置してもよい。
また、相順についてもU相,W相,V相となるように配置する例を述べたが、W相,V相,U相、またはV相,U相,W相、またはV相,W相,U相、またはW相,U相,V相、またはU相,V相,W相となるように配置してもよい。
実施の形態5
第6図によりこの発明の実施の形態5に係るリニアモータの構造を説明する。第6図において、1、2は第1図と同様であり、その説明を省略する。また、固定子側に設けた界磁用永久磁石2の磁極面には、磁気的空隙を介して可動子側となる電機子23aが設けられている。電機子23aは電磁鋼板を櫛歯状に打ち抜いてティースと継鉄部を形成する電機子コアからなり、この電機子コアの複数のティース24u,24v,24wに、コイルを巻回して電機子巻線25u,25v,25wを形成する。
第6図において、電機子23aのティース24u,24v,24wにはコイルを巻回して電機子巻線25u,25v,25wを形成し、ティース24u,24v間およびティース24v,24w間にはコイルを巻回しないティース26aを配置し、コイルを巻回するティース24u,24v,24wとコイルを巻回しないティース26aとを交互に配置するようにしたものである。
電流が作る磁束の最大値をφmax、電流の角周波数をωとすると、コイルを巻回しないティース(6a、16aまたは26a)に鎖交する磁束φ1は、式(1)として近似することができる(ここで、t:時間)。
φ1≒φmax・sin(ωt)+φmax・sin(ωt+(1/3)・π)・・・(1)
式1より、磁束φ1の最大値|φ1max|は、ωt=(1/3)・π+nπの時で、|φ1max|=√3×φmaxとなる。
また、コイルを巻回したティース(4u,4v,4w、14u,14v,14wまたは24u,24v,24w)に鎖交する磁束φ2は、式(2)として近似することができる。
φ2≒φmax・sin(ωt)+φmax・sin(ωt)・・・(2)
式2より、磁束φ2の最大値|φ2max|は、ωt=(1/2)・π+nπの時で、|φ2max|=2×φmaxとなる。
上記のように、コイルを巻回しないティース(6a、16aまたは26a)に鎖交する磁束φ1とコイルを巻回したティース(4u,4v,4w、14u,14v,14wまたは24u,24v,24w)に鎖交する磁束φ2とは、アンバランスが生じることになり、コイルを巻回したティースはコイルを巻回しないティースに比べて磁気飽和が生じやすくなる。
上述の実施の形態1〜4においては、コイルを巻回するティース(4u,4v,4wまたは14u,14v,14w)とコイルを巻回しないティース(6aまたは16a)との幅を等しい例を示したが、実施の形態5に係るリニアモータにおいては、コイルを巻回するティース24u,24v,24wの幅を、コイルを巻回しないティース26aの幅にくらべて大きくすることにより、磁気飽和を緩和し、推力特性を向上させるよにしたものである。
上述より、コイルを巻回しないティースに鎖交する磁束φ1の最大値|φ1max|とコイルを巻回したティースに鎖交する磁束φ2の最大値|φ2max|との比は、0.866となるが、これは永久磁石の磁束を考慮していない近似式である式(1)および式(2)から求めたものであり、実際に永久磁石の磁束を考慮すると、コイルを巻回しないティースの幅とコイルを巻回したティースの幅との比は、0.5〜0.9にすることが望ましい。
また、第7図に示すように、コイルを巻回しないティースの幅とコイルを巻回したティースの幅との比を最適化することにより、第6図に示した構造のリニアモータの推力(第7図(c))は、第1図に示した構造のリニアモータの推力(第7図(a))に比べて大きくなり、推力特性が向上する。
ところで、上記説明では、U相、V相、W相が一つで構成される電機子3a,3b,13a,13b,23aの例を示したが、電機子3a,3b,13a,13b,23aを電機子ブロックとして複数個推力の方向に配列することにより、容易に所定の推力を得ることができる。
また、上記説明では、界磁磁極を固定子、電機子を可動子としたムービングコイル型リニアモータの例を述べたが、界磁磁極を可動子、電機子を固定子としたムービングマグネット型リニアモータであっても、同様の効果が得られる。
Claims (6)
- 等ピッチで永久磁石を配列した界磁磁極と、この界磁磁極と対面する電機子とを備え、この電機子の電機子コアは、等ピッチで配列されたティースに一つ置きに集中巻した電機子コイルとが設けられ、前記永久磁石による磁極数と前記電機子コアのティース数との組合せを、5n:6n−1(n:自然数)とするとともに、前記電機子コアのティースの間隔が磁極ピッチτに対し、5τ/6±τ/6とするようにしたことを特徴とするリニアモータ。
- 等ピッチで永久磁石を配列した界磁磁極と、この界磁磁極と対面する電機子とを備え、この電機子の電機子コアは、等ピッチで配列されたティースに一つ置きに集中巻した電機子コイルとが設けられ、前記永久磁石による磁極数と前記電機子コアのティース数との組合せを、5n:6n+1(n:自然数)とするとともに、前記電機子コアのティースの間隔が磁極ピッチτに対し、5τ/6±τ/6とするようにしたことを特徴とするリニアモータ。
- 等ピッチで永久磁石を配列した界磁磁極と、この界磁磁極と対面する電機子とを備え、この電機子の電機子コアは、等ピッチで配列されたティースに一つ置きに集中巻した電機子コイルとが設けられ、前記永久磁石による磁極数と前記電機子コアのティース数との組合せを、7n:6n−1(n:自然数)とするとともに、前記電機子コアのティースの間隔が磁極ピッチτに対し、7τ/6±τ/6とするようにしたことを特徴とするリニアモータ。
- 等ピッチで永久磁石を配列した界磁磁極と、この界磁磁極と対面する電機子とを備え、この電機子の電機子コアは、等ピッチで配列されたティースに一つ置きに集中巻した電機子コイルとが設けられ、前記永久磁石による磁極数と前記電機子コアのティース数との組合せを、7n:6n+1(n:自然数)とするとともに、前記電機子コアのティースの間隔が磁極ピッチτに対し、7τ/6±τ/6とするようにしたことを特徴とするリニアモータ。
- 前記電機子の両端に位置する電機子コイルが巻装されないティースの形状は他のティースと形状、ピッチを変えることを特徴とする請求の範囲第2項または第4項に記載のリニアモータ。
- 前記電機子コアに等ピッチで配列されるティースにおいて、電機子コイルが巻装されないティースの幅を電機子コイルが巻装されるティースの幅よりも小さくしたことを特徴とする請求の範囲第1項から第5項のいずれかに記載のリニアモータ。
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