KR20130047631A

KR20130047631A - 전기기계

Info

Publication number: KR20130047631A
Application number: KR1020120119963A
Authority: KR
Inventors: 사토시 스기타; 위치 탕; 야스시 미사와
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-05-08
Also published as: CN103095092B; US20130106204A1; US9059626B2; JP2013099039A; CN103095092A; EP2587646A3; JP5750358B2; TW201338352A; EP2587646A2

Abstract

(과제)
권선부의 수를 적게 할 수 있고, 또한 영구자석의 사용량을 낮출 수 있는 전기기계를 제공한다.
(해결 수단)
영구자석열(23)을 따라 간격을 두고 정렬되도록 배치된 복수의 자극편(13)에 의해 자극편열(15)을 구성한다. 영구자석열(23)은 권선부(19A～19C)에 대하여 움직이지 않는 관계를 가지고 있다. 복수의 영구자석(21)의 피치(τp) 및 복수의 자극편(13)의 피치(τs)가 동 방향으로 착자되고, 또한 영구자석열(23) 중에 1개 걸러 위치하는 2개의 영구자석(21)과, 상기 2개의 영구자석(21)에 끼워져 있고 또한 상기 2개의 영구자석(21)의 자화 방향과는 다른 자화 방향으로 착자된 영구자석(21)에 대향하는 1개 또는 2개의 자극편(13)을 통과해서 자속이 흐르도록 정한다.

Description

전기기계{ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 리니어모터, 리니어 진동 액츄에이터, 리니어 진동 발전기 등을 포함하는 전기기계에 관한 것이다.

WO2009/028369호 공보에는 고정자에 대하여 가동자가 왕복 직선 운동하는 리니어모터로 이루어지는 전기기계가 나타내어져 있다. 이 리니어모터의 가동자는 동(同) 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석으로 이루어지는 영구자석열을 구비하고 있다. 리니어모터의 고정자는 권선 도체가 권선 형상으로 권회되어서 구성되고, 또한 영구자석열과 동심적으로 배치된 권선부를 구비하고 있다. 이러한 종류의 리니어모터로 이루어지는 전기기계에서는 단위 체적당 가동자의 추력을 높이기 위해서는 권선부의 수나 영구자석의 사용량을 늘리거나, 권선부를 크게 하는 것이 고려되었다.

WO2009/028369호 공보

그러나, 권선부 및 영구자석의 수를 늘리면 제조가 번잡해져서 제조 비용이 높아지게 된다.

본 발명의 목적은 권선부의 수를 적게 할 수 있고, 또한 영구자석의 사용량을 낮출 수 있는 전기기계를 제공하는 것에 있다.

본원 발명은 고정자에 대하여 가동자가 왕복 직선 운동 가능하게 구성되어 있는 전기기계를 개량의 대상으로 삼는다. 본 발명에서는 고정자 및 가동자의 한쪽은 1개 이상의 영구자석열과 1개 이상의 권선부를 구비하고 있다. 1개 이상의 영구자석열은 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석이 연속해서 배치되어 구성되거나, 또는 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석으로 이루어지는 개별 영구자석열이 복수 정렬되어서 구성된다. 또한, 1개 이상의 권선부는 권선 도체가 권선 형상으로 권회되어서 구성되고, 또한 1개 이상의 영구자석열을 둘러싸도록 배치된다. 여기에서, 개별 영구자석열은 1개의 권선부에 완전하게 대응해서 개별적으로 형성된다. 그리고, 고정자 및 가동자의 다른쪽은 영구자석열을 따라 간격을 두고 정렬되도록 배치된 복수의 자극편을 갖는 1개 이상의 자극편열을 구비하고 있다. 복수의 영구자석의 피치 및 복수의 자극편의 피치는 동 방향으로 착자(着磁)되고 또한 영구자석열 중에 1개 걸러 위치하는 2개의 영구자석과, 상기 2개의 영구자석에 끼워져 있고 또한 상기 2개의 영구자석의 자화 방향과는 다른 이(異) 방향으로 착자된 영구자석에 대향하는 1개 또는 2개의 자극편을 통과해서 자속이 흐르도록 정해져 있다.

본 발명과 같이 구성된 영구자석열과 복수의 자극편을 갖는 자극편열을 구비하고 있으면, 리니어모터, 리니어 진동 액츄에이터, 리니어 진동 발전기 중 어느쪽의 전기기계에 있어서도 동 방향으로 착자되고 또한 영구자석열 중에 1개 걸러 위치하는 2개의 영구자석과, 상기 2개의 영구자석에 끼워져 있고 또한 상기 2개의 영구자석의 자화 방향과는 다른 이방향으로 착자된 영구자석에 대향하는 1개 또는 2개의 자극편을 통과해서 자속이 흘렀을 때에, 자극편열 중의 복수의 자극편에 각각 형성되는 자극과 상기 자극편에 인접하는 영구자석에 의해 형성된 자극 사이에 서로 당기는 힘이 발생하여 가동자의 추력을 높일 수 있다. 또한, 영구자석열과 권선부가 고정자 및 가동자의 한쪽에 함께 배치되어 있으므로 조립이 용이하고, 또한 권선부 및 영구자석의 수를 줄일 수 있다.

복수의 자극편은 판 형상, 기둥 형상 또는 환상 형상을 갖고 있어도 좋고, 그 형상은 임의이다.

영구자석열은 복수의 영구자석 각각의 양 극측에 자성 요크가 배치된 구조를 가질 수 있다. 이렇게 하면 자속의 흐름을 효율적으로 높일 수 있고, 또한 영구자석의 동 극을 향하게 할 때에 발생하는 반발력을 작게 할 수 있어 제조 작업을 용이하게 할 수 있다.

복수의 영구자석 및 자성 요크는 각각 영구자석열이 연장되는 방향으로 연장되는 중공부를 갖는 통형상이 되도록 구성할 수 있다. 이렇게 하면 가동자의 추력을 크게 저하시키지 않고, 영구자석 및 자성 요크의 양을 낮출 수 있다.

1개 이상의 영구자석열은 복수의 영구자석이 직접 접합된 구조로 해도 좋다. 이렇게 하면 영구자석의 양을 늘릴 수 있고, 전기기계의 가동자의 추력을 더욱 높일 수 있다.

이러한 경우에 있어서도 복수의 영구자석은 영구자석열이 연장되는 방향으로 연장되는 중공부를 갖는 통형상이 되도록 구성할 수 있다. 이렇게 하면 가동자의 추력을 크게 저하시키지 않고, 영구자석의 사용량을 낮출 수 있다.

1개 이상의 자극편열은 비자성 재료로 이루어지는 통체의 내부에 복수의 자극편을 수납해서 구성할 수 있다. 이렇게 하면, 복수의 자극편을 통체의 내부에 수납하는 것만으로 간단하게 자극편열을 구성할 수 있다.

전기기계가 리니어 진동 액츄에이터일 경우에는 권선부가 교대 자속을 발생시켜서 영구자석과 자극편 사이에 가동자의 왕복 직선 운동을 반복하기 위한 추력을 발생시킨다.

전기기계가 리니어 진동 발전기일 경우에는 외력에 의해 가동자가 왕복 직선 운동을 하면 영구자석열의 복수의 영구자석과 자극편열을 흐르는 자속이 발생하고, 권선부에 유기 전압이 발생한다.

전기기계가 리니어모터일 경우에는 n상분의 권선부에 (360/n)° 또는 (360/2n)°의 위상차를 가진 여자전류가 흘러 가동자가 왕복 직선 운동을 한다. 단, n은 2 이상의 정수이다. 덧붙여서 말하면 2상 모터일 경우에는 권선부에 (360/2n)°의 위상차를 가진 여자전류가 흘려진다.

n상분의 n개의 권선부를 각각 제 1 분할 권선부와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부로 구성해도 좋다. 단, 이 경우 n은 1개 이상의 정수이다. 이 경우에는 전기각으로 (360/2n)°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 n개의 권선부의 제 1 및 제 2 분할 권선부를 배치하면 좋다. 이렇게 하면, 예를 들면 3상분의 권선부에서 6상의 권선부를 구비했을 경우와 마찬가지의 자장을 형성할 수 있으므로 여자회로의 수를 줄일 수 있다.

구체적으로, 상수가 n상일 경우에는 이하와 같이 영구자석의 피치와 자극편의 피치의 관계를 정하면 좋다. 즉, 1개의 상의 권선부에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열에 포함되는 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고, 1개의 상의 권선부에 대응해서 형성된 개별 영구자석열의 일단측에 최초로 존재하는 자극의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열의 타단측에 위치하는 다른 상의 권선부에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열의 일단측에 있어서 최초로 존재하는 자극의 극성과 동 극성이 되는 최초의 자극의 끝면까지의 피치를 τm로 한다. 그리고, 자극편열에 포함되는 복수의 자극편의 피치를 P=360°(전기각)로 한다. 이 경우에 있어서,

τm=q×P±(1/n)×P(단, q는 자연수)

τp=P/2

의 조건을 충족시키고 있으면 본 발명의 전기기계는 리니어모터로서 기능한다. 이 조건에 있어서, q의 값은 개별 영구자석열의 구성에 따라 정해진다. 피치(τm)의 식 중의 「ｑ」 및 「±」는 모터 전체의 치수, 상순, 영구자석열 길이 등으로부터 선택적으로 정해지는 것으로, 모터의 치수와 추력이 최적이 되도록 선택된다. 덧붙여서 말하면 후술하는 실시예 1은 동 극성이 되는 최초의 자극이 다른 개별 영구자석열의 일단측에 있어서 최초로 존재하는 자극일 경우이며, 구체적으로는

τm=q×P+(1/n)×P, q=3, n=3

τp=P/2

가 된다. 또한, 후술하는 실시예 2의 경우에는 동 극성이 되는 최초의 자극이 다른 개별 영구자석열의 일단측으로부터 2번째로 존재하는 자극일 경우이며, 구체적으로는

τm=q×P+(1/n)×P, q=3, n=3

τp=P/2

가 된다.

또한, n상분의 n개의 권선부를 각각 제 1 분할 권선부와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부로 구성하고, 전기각으로 (360/2n)°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 n개의 권선부의 제 1 및 제 2 분할 권선부가 배치되는 구조로 해도 좋다. 즉, 1개의 상의 권선부의 분할 권선부에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열에 포함되는 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고, 1개의 상의 권선부에 대응해서 형성된 개별 영구자석열의 일단측에 최초로 존재하는 자극의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열의 타단측에 위치하는 다른 상의 권선부에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열의 일단측에 있어서 최초로 존재하는 자극의 극성과 동 극성이 되는 최초의 자극의 끝면까지의 피치를 τm로 하고, 자극편열에 포함되는 복수의 자극편의 피치를 P=360°(전기각)로 한다. 이 경우에는

τm=q×P±(1/(2×n))×P

τp=P/2

의 조건이면, 본 발명의 전기기계는 리니어모터로서 기능한다. 상기 조건에 있어서, 「q」 및 「±」는 모터 전체의 치수, 상순, 영구자석열 길이 등으로부터 선택적으로 정해지는 것으로, 모터의 치수와 추력이 최적이 되도록 선택된다.

또한, 후술하는 실시예 3(도 8, 도 9)에서는

τm=2×P+(1/(2×3))×P

τp=P/2

의 조건일 경우를 나타내고 있다.

또한, n상의 권선부를 사용할 경우에 있어서 영구자석열에 포함되는 복수의 영구자석의 수가 2×M개이며, 단 M은 자연수이고, 또한 복수의 영구자석의 피치가 τp로 일정할 경우에는 자극편열에 포함되는 복수의 자극편의 피치를 P=360°(전기각)로 하면, 1개의 상의 권선부의 길이(τc) 및 영구자석의 피치(τp)가 이하의 조건을 충족시키면 본 발명의 전기기계는 리니어모터로서 기능한다.

τc=2×M×τp/n

τp=P/2±P/(2×M)

상기 조건에 있어서,「±」는 모터 전체의 치수, 상순, 영구자석열 길이 등으로부터 선택적으로 정해지는 것으로, 모터의 치수와 추력이 최적이 되도록 선택된다.

덧붙여서 말하면 후술하는 실시예(도 10, 도 11)에서는

τc=2×8×τp/3

τp=P/2+P/(2×8)

의 조건일 경우를 나타내고 있다.

또한, n상의 권선부를 사용할 경우에 있어서 n상분의 n개의 권선부가 각각 제 1 분할 권선부와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부로 구성되고, 전기각으로 (360/(2×n))°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 3개의 권선부의 제 1 및 제 2 분할 권선부가 배치되어 있을 경우에 있어서, 영구자석열에 포함되는 복수의 영구자석의 수가 2×M(M은 자연수)개이며, 또한 복수의 영구자석의 피치가 τp로 일정할 경우에 자극편열에 포함되는 복수의 자극편의 피치를 P=360°(전기각)로 해서 다음 조건을 충족시킴으로써 전기기계는 리니어모터로서 기능한다. 즉, 1개의 분할 권선부의 길이(τc)와 영구자석의 피치(τp)가 다음의 조건을 충족시킬 필요가 있다.

τc=2×M×τp/(2×n)

τp=P/2±P/(2×M)

덧붙여서 말하면 후술하는 실시예(도 12)에서는

τc=2×8×τp/(2×3)

τp=P/2+P/(2×8)

의 조건일 경우를 나타내고 있다.

또한, n상의 권선부를 사용할 경우에 1개의 상의 권선부에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열에 포함되는 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고, 1개의 상의 권선부에 대응해서 형성된 개별 영구자석열의 일단측에 최초로 존재하는 자극의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열의 타단측에 위치하는 다른 상의 권선부에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열의 일단측에 있어서 최초로 존재하는 자극의 극성과 동 극성이 되는 최초의 자극의 끝면까지의 피치를 τm로 하고, 자극편열에 포함되는 복수의 자극편의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 때에는 이하의 조건을 충족시키면 본 발명의 전기기계는 리니어모터로서 기능한다. 단, q는 자연수이다.

τm=q×P±(1/(2×n))×P

τp=P/2

상기 조건에 있어서, 「q」 및 「±」는 모터 전체의 치수, 상순, 영구자석열 길이 등으로부터 선택적으로 정해지는 것으로, 모터의 치수와 추력이 최적이 되도록 선택된다.

덧붙여서 말하면 후술하는 실시예(도 13)에서는

τm=3×P+(1/(2×2))×P

τp=P/2

의 조건일 경우를 나타내고 있다.

또한, n상분의 n개의 권선부가 각각 제 1 분할 권선부와 이 제 1 분할 권선부는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부로 구성되고, 전기각으로 (360/(2×n))°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 n개의 권선부의 제 1 및 제 2 분할 권선부가 배치되어 있을 경우에는 다음의 조건으로 한다. 즉, 1개의 상의 권선부의 분할 권선부에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열에 포함되는 영구자석의 피치를 τp로 하고, 1개의 상의 권선부에 대응해서 형성된 개별 영구자석열의 일단측에 최초로 존재하는 자극의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열의 타단측에 위치하는 다른 상의 권선부에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열의 일단측에 있어서 최초로 존재하는 자극의 극성과 동 극성이 되는 최초의 자극의 끝면까지의 피치를 τm로 하고, 동 극성이 되는 최초의 자극이 다른 개별 영구자석열의 일단측으로부터 2번째로 존재하는 자극이며, 자극편열에 포함되는 복수의 자극편의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 경우에는 이하의 조건을 충족시키면 본 발명의 전기기계는 리니어모터로서 기능한다. 단, q는 자연수이다.

τm=q×P±(1/(2×n))×P

τp=P/2

덧붙여서 말하면 후술하는 실시예(도 14)에서는

τm=2×P+(1/(2×2))×P

τp=P/2

의 조건일 경우를 나타내고 있다.

복수의 권선부의 외측에는 자기회로의 일부를 구성하는 백 요크를 형성할 수 있다. 이렇게 하면, 복수의 권선부의 외측에 자기회로를 적극적으로 형성할 수 있고, 가동자의 추력을 높일 수 있다.

백 요크의 영구자석열이 연장되는 방향의 양단에는 가동자를 왕복 직선 운동 가능하고 또한 둘레 방향으로 회전 불가능하게 지지하는 베어링을 각각 고정할 수 있다. 이렇게 하면, 가동자가 둘레 방향으로 회전하는 것을 막을 수 있다.

복수의 권선부의 양단 또는 복수의 분할 권선부의 양단에는 백 요크와 자기적으로 결합되어서 자극편열과 대향하는 자성 티스가 형성되어 있어도 좋다. 이러한 자성 티스를 형성하면 가동자의 추력을 높일 수 있다.

영구자석은 복수의 분할 영구자석이 조합되어서 구성되어 있어도 좋다. 영구자석을 복수의 분할 영구자석을 조합시켜서 구성하면, 여러 가지 형상의 영구자석을 저렴하게 구성할 수 있다.

고정자에 자극편열을 형성하고, 가동자에 권선부 및 영구자석열을 형성해도 좋다. 이렇게 하면, 가동자의 스트로크를 길게 해도 권선부의 수 및 영구자석의 수를 늘릴 필요가 없는 이점이 얻어진다.

자극편의 구성은 임의이며, 1개 이상의 영구자석열이 연장되는 방향으로 자성강판을 적층시켜서 1개의 자극편을 구성해도 좋고, 또한 복수의 자극편을 자성강판이 적층되어서 구성해도 좋다.

또한, 권선부를 1개 사용하고 권선부에 교류 전류를 흘려서 가동자를 왕복 진동시킴으로써 리니어 진동 액츄에이터를 구성해도 좋다. 또한, 권선부를 가동자가 연장되는 방향으로 2개 정렬해서 배치하고, 2개의 권선부에 역위상의 교류 전류를 흘려서 가동자를 왕복 진동시켜도 좋다. 이 경우에는 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고, 복수의 자극편의 피치를 P로 했을 때에 P/4<τp<P의 조건을 충족시키고 있는 것이 바람직하다.

또한, 영구자석열을 외력에 의해 왕복 운동시켜지도록 하고, 권선부에 교류전압이 유기되도록 구성하면 리니어 진동 발전기를 얻을 수 있다. 이 경우에도 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고, 복수의 자극편의 피치를 P로 했을 때에 P/4<τp<P의 조건을 충족시키고 있는 것이 바람직하다.

도 1은 3상의 리니어모터에 본 발명을 적용한 본 발명의 실시예의 비여자 상태에 있어서의 정지 상태를 나타내는 단면도이다.
도 2(A)는 권선부에 통전되는 3상 교류 파형을 나타내는 도면이고, 도 2(B)는 3상의 권선부의 배치를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타내는 리니어모터의 동작을 설명하기 위해서 사용하는 도면이다.
도 4(A)는 도 1에 나타내는 리니어모터를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이며, 도 4(B)는 횡단면도이다.
도 5(A)는 도 1의 리니어모터에 있어서의 자극편열의 구성을 바꾼 실시예의 리니어모터를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이며, 도 5(B)는 횡단면도이다.
도 6은 개별 영구자석열의 일단측에 최초로 존재하는 자극의 극성이 다른 경우의 실시예의 리니어모터를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이다.
도 7은 도 6의 리니어모터에 있어서의 자극편열의 구성을 바꾼 실시예의 리니어모터를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이다.
도 8(A)는 다른 실시예의 리니어모터를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이며, 도 8(B)는 권선부의 배치 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 리니어모터에 있어서의 자극편열의 구성을 바꾼 실시예의 리니어모터를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이다.
도 10은 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석이 연속해서 배치되어 영구자석열을 갖는 실시예의 리니어모터를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이다.
도 11은 도 10의 리니어모터에 있어서의 자극편열의 구성을 바꾼 실시예의 리니어모터를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이다.
도 12는 다른 실시예의 리니어모터를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이다.
도 13(A)는 2상의 리니어모터에 본 발명을 적용한 실시예를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이며, 도 13(B)는 횡단면도이다.
도 14는 2상의 리니어모터에 본 발명을 적용한 다른 실시예를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이다.
도 15(A) 및 도 15(B)는 본 발명을 1상의 리니어모터에 적용해서 리니어 진동 액츄에이터를 구성한 실시예를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이다.
도 16(A)～도 16(C)는 리니어 진동 발전기에 본 발명을 적용한 실시예를 측면으로부터 본 상태에서의 종단면도이다.
도 17은 백 요크를 갖지 않는 본 발명의 전기기계의 일실시예의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 18(A)～도 18(C)는 본 발명의 전기기계를 리니어모터에 적용했을 경우에 있어서, 백 요크에 자성 티스를 배치한 실시예의 구조를 나타내는 도면이다.
도 19(A) 및 도 19(B)는 가동자의 고정 구조를 설명하기 위한 실시예의 단면도이다.
도 20(A)～도 20(D)는 실시예의 전기기계를 축선 방향에 직교하는 방향으로 절단한 단면 윤곽의 형상의 변형예를 설명하기 위해서 사용하는 도면이다.
도 21(A) 및 도 21(B)는 백 요크, 영구자석, 자극편의 변형예를 설명하기 위해서 사용하는 도면이다.
도 22(A) 및 도 22(B)는 백 요크, 영구자석, 자극편의 변형예를 설명하기 위해서 사용하는 도면이다.
도 23은 자극편열을 고정자에 형성하고, 영구자석열 및 권선부를 가동자에 형성할 경우의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 24는 자극편열을 고정자에 형성하고, 영구자석열 및 권선부를 가동자에 형성할 경우의 구성의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 25는 도 23 및 도 24의 실시예에 있어서 사용할 수 있는 고정자의 자극편열을 포함하는 구조물의 정면도 및 측면도이다.
도 26은 도 23 및 도 24의 실시예에 있어서 사용할 수 있는 고정자의 자극편열을 포함하는 구조물의 정면도 및 측면도이다.
도 27은 도 23 및 도 24의 실시예에 있어서 사용할 수 있는 고정자의 자극편열을 포함하는 구조물의 정면도 및 측면도이다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명의 전기기계의 복수의 실시형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서 참조하는 도면에는 도시를 명확히 하기 위해서 일부를 제외하고 단면인 것을 나타내는 해칭을 첨부하지 않고 있다.

(실시예 1)

도 1은 3상의 리니어모터에 본 발명을 적용한 본 발명의 실시예 1의 전기기계의 개략 단면도이다. 도 1에는 베어링 구조는 도시하고 있지 않다. 이 3상 리니어모터에는 도 2(A) 및 도 2(B)에 나타내는 위상 관계의 3상 교류가 여자권선에 통전된다. 도 1은 비여자 상태에 있어서의 직동축(直動軸)의 대표적인 정지 상태를 나타내고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 예의 3상 리니어모터(1)는 리니어모터 본체(3)와 상기 리니어모터 본체(3)에 부착된 백 요크(5)를 갖고 있다. 리니어모터 본체(3)는 가동자(7)와 고정자(9)를 갖고 있다. 가동자(7)는 직동축(11)을 갖고 있고, 직동축(11)에는 복수의 자극편(13)으로 이루어지는 1개의 자극편열(15)이 포함되어 있다. 본 실시예에서 사용하는 자극편(13)은 도 4(A) 및 도 4(B)에 나타낸 바와 같이 원환상 형상을 갖고 있다. 자극편(13)은 예를 들면 규소강의 자성 재료로 형성되어 있다. 실제로는 파선 또는 실선으로 나타내는 스테인리스제 관(17)의 내부에 정의 피치(P)로 복수의 자극편(13)이 간격을 두고 배치되어 있다. 이웃하는 2개의 자극편(13) 사이에는 도시하지 않은 수지제의 스페이서가 배치되어 있다. 본 실시예에서, 자극편의 피치(P)란 자극편(13)의 축선 방향의 길이와 수지제 스페이서의 축선 방향의 길이[또는 이웃하는 2개의 자극편(13) 사이의 공간의 길이]를 더한 길이를 의미한다. 본 실시예에서는 이 자극편의 피치(P)를 전기각으로 360°로 정의한다. 또한, 복수의 자극편(13)을 인서트로 해서 인서트 성형에 의해 일체물의 자극편열(15)을 형성해도 좋은 것은 물론이다. 후의 실시예에서 설명하지만, 직동축(11)의 양단은 직동축(11)의 직선 운동은 허용하지만 회전 운동을 허용하지 않는 볼 스플라인(Ball Spline) 베어링 등에 의해 슬라이드 가능하게 지지되어 있다.

고정자(9)는 3개의 권선부(19A ,19B 및 19C)가 복수의 영구자석(21)으로 이루어지는 영구자석열(23)로 구성되어 있다. 권선부(19A～19C)는 권선 도체가 권선 형상으로 권회되어서 구성되고, 또한 영구자석열(23)과 동심적으로 배치되어 있다. 권선부(19A～19C)에는 전기각으로 120° (360/n)°의 위상차를 가진 여자전류가 흐른다. 권선부(19A～19C)에는 U상, V상, W상의 순으로 전류가 흐른다.

영구자석열(23)은 복수의 원통형의 영구자석(21)과 복수의 영구자석(21)의 측면에 배치된 원통형의 복수의 자성 요크(22)가 소정의 피치(τp)로 직동축(11)의 축선 방향으로 정렬되어 구성되어 있다.

본 실시예에서는 영구자석(21)의 축선 방향의 두께 치수와 자성 요크(22)의 축선 방향의 두께 치수를 더한 치수가 영구자석열(23)에 있어서의 영구자석의 피치(τp)가 된다. 자성 요크(22)는 철 등의 자성 재료로 형성되어 있다. 예를 들면, 규소강으로 이루어지는 복수의 자성강판을 축선 방향으로 적층시켜서 자성 요크(22)를 형성해도 좋다. 자성 요크(22)의 재료로서는 탄소강, 페라이트(Ferrite)계 스테인리스, 압분자심 등도 사용할 수 있다. 본 실시예의 영구자석열(23)은 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석(21)으로 이루어지는 3개의 개별 영구자석열(23A～23C)에 의해 구성되어 있다. 3개의 개별 영구자석열(23A～23C)은 각각 권선부(19A～19C)에 대응해서 개별적으로 형성되어 있다. 이웃하는 2개의 개별 영구자석열(23A와 23B 사이 및 23B와 23C 사이)에는 자기적인 갭(g)[도 4(A)]이 형성되어 있다. 이 갭(g)은 축선 방향의 양극측에 위치하는 2개의 자성 요크(22)의 축선 방향 길이와 갭(g)의 축선 방향의 두께를 가산한 값(전기각)이 상술한 영구자석(21)의 피치(τp)가 되도록 정해져 있다. 또한, 본 실시예에서는 1개의 권선부(19A)와 이 권선부(19A)의 내측에 배치된 1개의 개별 영구자석열(23A)이 몰드 수지 재료에 의해 몰딩되어서 일체화되어 있다. 그리고, 일체화된 권선부(19A) 및 개별 영구자석열(23A)과, 일체화된 권선부(19B) 및 개별 영구자석열(23B)과, 일체화된 권선부(19C) 및 개별 영구자석열(23C)이 통 형상의 백 요크(5)의 내주면에 접착제나 몰드 수지 재료 등의 접합 수단을 이용하여 접합되어 있다. 영구자석열(23)을 구성하는 3개의 개별 영구자석열(23A～23C)을 구성하는 복수의 영구자석(21)은 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬되어 있다. 도 1, 도 3 및 도 4에 있어서 영구자석(21) 중의 화살표는 자화 방향을 나타내고 있다. 또한, 가는 선의 화살표는 자속의 흐름을 나타내고 있다.

복수의 영구자석(21)의 피치(τp) 및 복수의 자극편의 피치(P)는 같은 방향으로 착자되고, 또한 영구자석열(23) 중에 1개 걸러 위치하는 2개의 영구자석(21)과, 상기 2개의 영구자석에 끼워져 있고 또한 상기 2개의 영구자석의 자화 방향과는 다른 이방향으로 착자된 영구자석에 대향하는 1개 또는 2개의 자극편(13)을 통과해서 자속이 흐르도록 정해져 있다.

본 실시형태와 같이, 상수가 3상일 경우에는 이하와 같이 영구자석(21)의 피치(τp)와 자극편(13)의 피치(P)의 관계를 정하면 좋다. 즉, 3개의 상의 권선부(19A～19C)에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열(23A～23C)에 포함되는 복수의 영구자석(21)의 피치를 τp로 하고, 예를 들면 1개의 상의 권선부(19A)에 대응해서 형성된 개별 영구자석열(23A)의 일단측에 최초로 존재하는 자극(24A)의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열(23A)의 타단측에 위치하는 다른 상의 권선부(19B)에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열(23B)의 일단측에 있어서 최초로 존재하는 자극(24A)의 극성과 동 극성이 되는 최초의 자극(24B)의 끝면까지의 피치(전기각)를 τm로 한다. 여기에서, 1개의 자극(24A, 24B)은 1개의 영구자석(21)과 상기 1개의 영구자석(21)에 인접해서 배치된 1개의 자성 요크(22)에 의해 구성된다. 그리고, 자극편열(15)에 포함되는 복수의 자극편(13)의 피치를 P=360°(전기각)로 한다. 이 경우에 있어서,

τm=q×P±(1/3)×P(단, q는 자연수)

τp=P/2

의 조건을 충족시키고 있으면 본 발명의 전기기계는 리니어모터로서 기능한다.

이 조건을 n상으로 해서 일반화하면 이하와 같이 된다.

τm=q×P±(1/n)×P(단, q는 자연수)

τp=P/2

본 실시예에서는 상술한 동 극성이 되는 최초의 자극이 다른 개별 영구자석열(23B)의 일단측에 있어서 최초로 존재하는 자극(24B)일 경우이며, q=3, n=3이 되어서 τm=3×P+(1/3)×P가 된다. 이 경우에 q=3으로 하는 것은 모터 전체 길이를 실시예의 길이와 같이 제한했을 경우에 권선수를 늘리지 않고 추력이 최대가 되는 최적의 q를 선택했기 때문이다.

이어서, 본 예의 리니어모터(1)의 가동자(7)가 고정자(9)에 대하여 왕복 직선 운동을 행하는 원리를 설명한다. 도 2(A)는 권선부(19A～19C)(U상, V상, W상)의 위상의 파형이며, 도 3의 (1)～(3)은 도 2(A)에 나타내는 (1)～(3)의 3개소에 있어서의 가동자(7)와 고정자(9)의 위치 관계를 나타내는 도면이다. 도 2(A)의 (1)에 나타내는 위치에서 권선부(19A～19C)가 여자되면, 도 3의 (1)에 나타내는 바와 같이 U상의 에리어에서 복수의 영구자석(21) 및 복수의 자극편(13)을 통과해서 자속[화살표(A1)]이 흐른다. 이때, 자속이 강한 U상의 에리어가 강하게 서로 당기고, 이 에리어에 있어서 영구자석(21)이 자극편(13)을 강하게 당기는 추력이 발생하여 가동자(7)가 도면상 우측 방향으로 (1/3)P만큼 이동한다. 마찬가지로 해서 도 2의 (2)에 나타내는 위치에서 권선부(19A～19C)가 여자되면, 도 3의 (2)에 나타내는 바와 같이 V상의 에리어에서 복수의 영구자석(21) 및 복수의 자극편(13)을 통과해서 자속[화살표(A2)]이 흐른다. 이때, 자속이 강한 V상의 에리어가 강하게 서로 당기고, 이 에리어에 있어서 영구자석(21)이 자극편(13)을 강하게 당겨서 추력이 발생하여 가동자(7)가 도면상 우측 방향으로 (1/3)P만큼 더 이동한다. 마찬가지로 해서 도 2의 (3)에 나타내는 위치에서 권선부(19A～19C)가 여자되면, 도 3의 (3)에 나타낸 바와 같이 W상의 에리어에서 복수의 영구자석(21) 및 복수의 자극편(13)을 통과해서 자속[화살표(A3)]이 흐른다. 이때, 자속이 강한 W상의 에리어가 강하게 서로 당기고, 이 에리어에 있어서 영구자석(21)이 자극편(13)을 강하게 당겨서 추력이 발생하여 가동자(7)가 도면상 우측 방향으로 (1/3)P만큼 더 이동한다. 가동자(7)를 역방향으로 이동시킬 경우에는 권선부(19A～19C)를 여자하는 (U상, V상, W상)의 위상을 180° 진행시키면 좋다.

상기 실시예에서는 자극편(13)으로서 원환상 형상을 갖는 것을 사용했지만, 도 5(A) 및 도 5(B)에 나타내는 바와 같이 자극편(13')으로서 원기둥 형상을 갖는 것을 사용해도 좋다.

(실시예 2)

상기 실시예에서는 개별 영구자석열(23A～23C)은 모두 일단측에 최초로 존재하는 자극의 극성이 같았다. 그러나, 일단측에 최초로 존재하는 자극이 개별 영구자석열마다 달라도 좋다. 도 6 및 도 7은 개별 영구자석열(123A～123C)의 일단측에 최초로 존재하는 자극의 극성이 다른 경우의 실시예이다. 도 6의 실시예는 도 4의 실시예와 마찬가지로 자극편(113)이 원환상 형상을 나타내고 있고, 도 7의 실시예는 도 5의 실시예와 마찬가지로 자극편(113')이 원기둥 형상을 나타내고 있다. 도 6 및 도 7의 실시예는 개별 영구자석열(123A～123C)의 극성의 상이를 제외하고 그 밖의 구성은 도 4 및 도 5의 실시예와 같기 때문에, 도 6 및 도 7에 나타낸 실시예에는 도 4 및 도 5에 나타낸 실시예에 붙인 부호의 수에 100의 수를 더한 수의 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 이들 실시예에서는 개별 영구자석열(123B)에 있어서, 개별 영구자석열(123A)의 최초의 자극(124A)과 동 극성이 되는 최초의 자극은 개별 영구자석열(123B)의 일단측으로부터 2번째로 존재하는 자극(124C)이다. 이 경우에는 상술한 피치 τm=q×P±(1/3)×P(단, q는 자연수)는 τm=3×P+(1/3)×P가 된다. 여기에서, q가 3이 되고 ±가 +로 되는 것은 본 실시예의 모터 전체 길이를 제한했을 경우에 권선수를 늘리지 않고 추력이 최대가 되는 최적의 q 및 부호를 선택했기 때문이다.

(실시예 3)

도 8(A)는 본 발명을 리니어모터에 적용한 다른 실시예의 단면도이다. 본 실시예에서는 도 4 및 도 5에 나타낸 실시예의 구성과 마찬가지인 부분에는 도 4 및 도 5에 붙인 부호의 수에 200의 수를 더한 수의 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 본 실시예에서는 도 8(B)에 나타내는 바와 같이, 3상분의 3개의 권선부를 각각 제 1 분할 권선부(219A～219C)와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부(219A'～219C')로 구성하고 있다. 또한, 이들 분할 권선부(219A～219C 및 219A'～219C')에 대응하여 개별 영구자석열(223A～223C 및 223A'～223C')을 형성해서 영구자석열을 구성하고 있다. 본 실시예에서는 전기각으로 (360/6)°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 3개의 권선부의 제 1 및 제 2 분할 권선부(219A～219C 및 219A'～219C')를 배치하고 있다. 본 실시예에 의하면, 3상분의 권선부에서 6상의 권선부를 구비했을 경우와 마찬가지인 자장을 형성할 수 있으므로 권선부의 수를 줄일 수 있다. 본 실시예에서는 예를 들면 1개의 상의 권선부의 분할 권선부(219B')에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열(223B')에 포함되는 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고, 1개의 분할 권선부(219B')에 대응해서 형성된 개별 영구자석열(223B')의 일단측에 최초로 존재하는 자극(224A)의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열(223B')의 타단측에 위치하는 다른 상의 분할 권선부(219A)에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열(223A)의 일단측에 있어서 상기 최초로 존재하는 자극(224A)과 동 극성이 되는 최초의 자극(224C)의 끝면까지의 피치를 τm로 한다. 본 실시예에서는 동 극성이 되는 최초의 자극(224C)의 끝면이 다른 개별 영구자석열(223A)의 일단측으로부터 2번째로 존재하는 자극이다. 자극편열(215)에 포함되는 복수의 자극편(213)의 피치를 P=360°(전기각)로 하면, 상술한 피치(전기각) τm와 τp는 이하와 같이 정하면 좋다.

τm=2×P+(1/6)×P

τp=P/2

상기 조건을 n상의 권선부를 구비했을 경우로 해서 일반적으로 표현하면 이하와 같이 된다.

τm=2×P+(1/(2×n))×P

τp=P/2

상기 조건을 충족시키고 있으면 본 실시예는 리니어모터로서 기능한다.

도 9의 실시예는 도 5의 실시예와 마찬가지로 자극편(213')이 원기둥 형상을 나타내는 것이며, 그 밖의 구성은 도 8(A)의 구성과 마찬가지이다.

(실시예 4)

상기 각 실시예에서는 영구자석열이 권선부에 대응해서 형성된 복수의 개별 영구자석열에 의해 구성되어 있다. 그러나, 본 발명에서 사용하는 영구자석열은 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석이 연속해서 배치되어 구성된 것이라도 좋은 것은 물론이다. 도 10은 이러한 실시예의 일례를 나타내고 있다. 본 실시예에서는 영구자석열(323)이 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석(321)이 연속해서 배치되어 구성되어 있다. 또한, 도 10에는 도 4에 나타낸 실시예의 구성과 마찬가지인 부분에 도 4에 붙인 부호의 수에 300의 수를 더한 수의 부호를 붙이고, 도 4의 실시예와 도 10의 실시예의 공통 부분에 대한 설명을 생략한다.

본 실시예에서는 3상의 권선부(319A～319C)를 사용한다. 이 경우에 있어서, 영구자석열(323)에 포함되는 복수의 영구자석(321)의 수가 2×M(M은 자연수)개이며 또한 복수의 영구자석(321)의 피치가 τp로 일정하고, 자극편열(315)에 포함되는 복수의 자극편(313)의 피치를 P=360°(전기각)로 한다. 1개의 상의 권선부(319A)의 길이(전기각)(τc) 및 영구자석의 피치(전기각)(τp)가 이하의 조건을 충족시키면 본 실시예의 리니어모터는 동작한다.

또한, 이하의 조건에서는 n상의 권선부를 구비한 것으로서 표현한다.

τc=2×M×τp/n

τp=P/2±P/(2×M)

이 조건을 본 실시예에 적용하면, 이하와 같이 된다.

τc=2×8×τp/3

τp=P/2+P/(2×8)

본 실시예에 의하면, 도 4의 실시예에 비해서 보다 추력 리플 및 코깅력이 작아지는 이점이 얻어진다.

도 11의 실시예는 도 5의 실시예와 마찬가지로 자극편(313')이 원기둥 형상을 나타내는 것이며 그 밖의 구성은 도 10의 구성과 마찬가지이다.

(실시예 5)

도 10 및 도 11의 실시예와 같이, 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석이 연속해서 배치되어 영구자석열을 사용하는 경우에도 도 8(A)에 나타낸 실시예와 마찬가지로 1개의 권선부를 제 1 및 제 2 분할 권선부로 나누어서 사용할 수 있다. 도 12의 실시예에서는 3상분의 3개의 권선부가 각각 제 1 분할 권선부(419A～419C)와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부(419A'～419C')로 구성되고, 전기각으로 (360/6)°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 3개의 권선부의 제 1 및 제 2 분할 권선부가 배치되어 있다. 그 밖의 구성은 도 10과 마찬가지이다. 따라서, 도 12에는 도 10에 나타낸 실시예의 구성과 마찬가지인 부분에 도 10에 붙인 부호의 수에 100의 수를 더한 수의 부호를 붙여서 도 10의 실시예와 도 12의 실시예의 공통 부분에 대한 설명을 생략한다. 이 경우에도 영구자석열(423)에 포함되는 복수의 영구자석(421)의 수가 2×M(M은 자연수)개이며 또한 복수의 영구자석(421)의 피치가 τp로 일정하고, 자극편열(415)에 포함되는 복수의 자극편(413)의 피치를 P=360°(전기각)로 하면, 다음 조건을 충족시킴으로써 본 실시예는 리니어모터로서 기능한다. 즉, 1개의 분할 권선부의 길이(전기각)(τc)와 영구자석의 피치(전기각)(τp)가 다음의 조건을 충족시킬 필요가 있다.

τc=2×M×τp/(2×n)

τp=P/2±P/(2×M)

이 조건을 본 실시예에 적용하면, 이하와 같이 된다.

τc=2×8×τp/(2×3)

τp=P/2+P/(2×8)

도 12의 예에서, M이 8이 되고 ±가 +로 되는 것은 모터 전체 길이를 본 실시예와 같이 제한했을 경우에 권선수를 늘리지 않고 추력이 최대가 되는 최적의 M 및 부호를 선택했기 때문이다. 본 실시예에 의하면, 추력 리플 및 코깅력이 작아지는 이점이 얻어진다. 또한, 자극편이 원기둥 형상을 나타내는 것이라도 본 실시예와 마찬가지로 1개의 권선부를 제 1 및 제 2 분할 권선부로 나누어서 사용할 수 있는 것은 물론이다.

(실시예 6)

도 13은 2상의 리니어모터에 본 발명을 적용한 실시예이다. 본 실시예는 도 4에 나타낸 3상의 리니어모터와 비교해서 1상 적은 점을 제외하고 기본적인 구성은 같다. 그 때문에, 도 13에는 도 4에 나타낸 부재와 마찬가지인 부재에는 도 4에 붙인 부호의 수에 500의 수를 더한 수의 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 본 실시예와 같이, 2상의 권선부(519A 및 519B)를 사용할 경우에도 1개의 상의 권선부에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열(523A 및 523B)에 포함되는 복수의 영구자석(521)의 피치(전기각)를 τp로 하고, 1개의 상의 권선부에 대응해서 형성된 개별 영구자석열(523A)의 일단측에 최초로 존재하는 자극(524A)의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열(523A)의 타단측에 위치하는 다른 상의 권선부(519B)에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열(523B)의 일단측에 있어서 최초로 존재하는 자극의 극성과 동 극성이 되는 최초의 자극(524B)의 끝면까지의 피치(전기각)를 τm로 한다. 그리고, 자극편열(515)에 포함되는 복수의 자극편(513)의 피치를 P=360°(전기각)로 한다. 이때, 이하의 일반 조건을 충족시키면 본 실시예의 리니어모터는 동작한다.

τm=q×P±(1/(2×n))×P(단, q는 자연수)

τp=P/2

상기 조건은 본 실시예와 같이, 동 극성이 되는 최초의 자극이 다른 개별 영구자석열의 일단측에 있어서 최초로 존재하는 자극(524B)일 경우에는 q=3, n=2로서 이하와 같이 된다.

τm=3×P+(1/(2×2))×P

τp=P/2

상기 조건에 있어서, q의 값은 개별 영구자석열의 구성에 따라 정해진다. 또한, 피치(τm)의 식 중의 「±」는 모터 전체의 치수, 상순, 영구자석열 길이 등으로부터 선택적으로 정해지는 것으로, 모터의 치수와 추력이 최적이 되도록 선택된다.

도 14는 도 8에 나타낸 실시예와 마찬가지로, 2개의 권선부를 각각 제 1 분할 권선부(619A 및 619B)와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부(619A' 및 619B')로 구성하고 있다. 또한, 이들 분할 권선부(619A, 619B 및 619A', 619B')에 대응하여 개별 영구자석열(623A, 623B 및 623A', 623B')을 형성해서 영구자석열(623)을 구성하고 있다. 본 실시예에서는 전기각으로 (360/4)°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 2개의 권선부의 제 1 및 제 2 분할 권선부(619A, 619B 및 619A', 619B')를 배치하고 있다. 본 실시예에 의하면, 2상분의 권선부에서 4상의 권선부를 구비했을 경우와 마찬가지인 자장을 형성할 수 있으므로 권선부의 수를 줄일 수 있다. 본 실시예에서는, 예를 들면 1개의 상의 권선부의 분할 권선부(619B')에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열(623B')에 포함되는 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고, 1개의 상의 권선부(619B')에 대응해서 형성된 개별 영구자석열(623B')의 일단측에 최초로 존재하는 자극(624A)의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열(623B)의 타단측에 위치하는 다른 상의 권선부에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열(623A')의 일단측에 있어서 상기 최초로 존재하는 자극의 자극(624A)과 동 극성이 되는 최초의 자극(624C)의 끝면까지의 피치를 τm로 한다. 본 실시예에서는 동 극성이 되는 최초의 자극의 끝면(624C)이 다른 개별 영구자석열(623A')의 일단측으로부터 2번째로 존재하는 자극이다. 자극편열(615)에 포함되는 복수의 자극편(613)의 피치를 P=360°(전기각)로 하면, 상술한 피치(전기각) τm와 τp는 이하의 일반 조건을 충족시키도록 정해진다.

τm=q×P±(1/(2×n))×P(단, q는 자연수)

τp=P/2

본 실시예에서는 q=2, n=2가 되고, 조건은 이하와 같이 된다.

τm=2×P+(1/4)×P

τp=P/2

도 13 및 도 14의 실시예가 있으면, 모터의 구동회로에 맞출 수 있는 자유도가 높아진다.

(실시예 7)

도 15(A) 및 도 15(B)는 본 발명을 1상의 리니어모터에 적용해서 리니어 진동 액츄에이터를 구성한 실시예이다. 본 실시예는 도 13 및 도 14에 나타낸 2상의 리니어모터와 비교해서 1상 적은 점을 제외하고 기본적인 구성은 같다. 그 때문에, 도 15(A) 및 도 15(B)에는 도 13 및 도 14에 나타낸 부재와 마찬가지인 부재에는 도 13 및 도 14에 붙인 부호의 수에 200 또는 100의 수를 더한 수의 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 도 15(A)는 1상의 권선부(719)를 사용할 경우에 권선부(719)에 대응해서 영구자석열(723)을 형성하고 있다. 이 경우에는 자극편열에 포함되는 복수의 자극편의 피치를 P=360°(전기각)로 하고, 영구자석의 피치(τP)는 P/4<τp<P의 조건을 충족시키면 좋다. 본 실시예에서는 τp=P/2의 경우를 나타내고 있고, 가장 추력이 커지는 조건이며 P/4<τp<P/2 또는 P/2<τp<P의 경우에는 추력 저하를 억제하면서 코깅을 작게 할 수 있고, 원활한 구동을 실현할 수 있다.

도 15(B)의 실시예는 도 14에 나타낸 실시예와 마찬가지로, 1개의 권선부를 각각 제 1 분할 권선부(719A)와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부(719A')로 구성하고 있다. 본 실시예에서도 자극편열에 포함되는 복수의 자극편의 피치를 P=360°(전기각)로 하고, 영구자석의 피치(τp)를 P/4<τp<P로 하고, 또한 제 1 분할 권선부(719A)의 영역과 제 2 분할 권선부(719A')에 흐르는 여자전류의 위상차가 전기각으로 180°(=P/2)가 되는 조건을 충족시킨다. 본 실시예에서는 τp=P/2의 경우를 나타내고 있고, 가장 추력이 커지는 조건이며 P/4<τp<P/2 또는 P/2<τp<P의 경우에는 추력 저하를 억제하면서 코깅을 작게 할 수 있고, 원활한 구동을 실현할 수 있다.

(실시예 8)

도 16(A)～도 16(C)는 리니어 진동 발전기에 본 발명을 적용한 실시예의 단면 상태를 나타내는 사시도이다. 도 16(A)가 단상의 리니어 진동 발전기의 구조를 나타내고 있고, 도 16(B)가 2상의 리니어 진동 발전기의 구조를 나타내고 있고, 도 16(C)가 3상의 리니어 진동 발전기의 구조를 나타내고 있다. 이들 발전기에서는 가동자(807, 907 및 1007)를 외력에 의해 왕복 구동함으로써 자극편열(815, 915 및 1015)을 통해서 영구자석열(823, 923 및 1023)의 자속이 도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같은 자로에서 흘러서 권선부에 전압이 유기된다.

(실시예 9)

도 17은 백 요크를 갖지 않는 본 발명의 전기기계의 일실시예의 구조를 나타내고 있다. 본 실시예에서는 백 요크를 구비하고 있지 않으므로 권선부(1119A～1119C) 및 개별 영구자석열(1123A～1123C)은 절연 수지 몰드부(1102)에 의해 일체화되어 있다. 백 요크가 없을 경우에는 추력은 저하되지만 전기기계의 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 백 요크가 없는 만큼 권선부의 권선의 턴 수를 늘릴 수 있고, 고효율의 모터를 제공할 수 있다.

(실시예 10)

도 18(A)～도 18(C)는 본 발명의 전기기계를 리니어모터에 적용했을 경우에 있어서, 추력을 향상시켜서 고효율화를 도모하기 위해서 백 요크(1205, 1305 및 1405)에 자성 티스(1206, 1306 및 1406)를 배치한 실시예의 구조를 나타내고 있다. 이들 실시예에서는 권선부의 양측에 일단이 백 요크(1205, 1305 및 1405)와 자기적 또한 기계적으로 결합된 링 형상의 자성 티스(1206, 1306 및 1406)를 고정하고 있다. 이러한 자성 티스(1206, 1306 및 1406)를 형성하면, 자성 티스(1206, 1306 및 1406)가 자극으로서 기능한다.

(실시예 11)

도 19(A) 및 도 19(B)는 가동자의 고정 구조를 설명하기 위한 실시예의 단면도이다. 도 19(A)의 실시예에서는 가동자(1507)의 자극편열(1515)을 수용하는 스테인리스제 관(1517)의 양단을 연장하고, 이 양단을 백 요크(1505)로 이루어지는 케이싱의 양단에 감합시킨 한 쌍의 볼 스플라인 베어링(1504A 및 1504B)에 의해 지지하고 있다. 한 쌍의 볼 스플라인 베어링(1504A 및 1504B)을 사용하면 가동자(1507)는 축선 방향으로 슬라이딩하지만, 축선을 중심으로 해서 회전할 일은 없다. 도 19(B)의 실시예에서는 백 요크(1605)로 이루어지는 케이싱의 양단에 한 쌍의 마찰 베어링(1604A 및 1604B)을 감합시키고, 스테인리스제의 관(1617)을 축선 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하고 있다. 이 구조에서 가동자의 회동을 저지하기 위해서 별도 회전 저지 기구를 설치하면 좋다.

또한, 상기 각 실시예의 전기기계는 축선 방향에 직교하는 방향으로 절단한 단면의 윤곽이 원형이지만, 이것들의 단면은 도 20(A)～도 20(D)에 나타내는 바와 같이 타원형, 정방형, 장방형, 편평형상 등의 여러 가지 형상을 채용할 수 있다. 또한, 도 20(A)～도 20(D)에 있어서는 A가 백 요크를 나타내고, B가 권선부를 나타내고, C가 영구자석열을 나타내고, D가 자극편열을 나타내고 있다.

또한, 백 요크, 영구자석, 자극편은 반드시 일체로 형성되어 있을 필요는 없다. 예를 들면, 도 21(A)에 나타내는 바와 같이 백 요크(A)를 2개의 부재(A1 및 A2)를 조합시키는 구조로 해도 좋다. 도 21(A)의 예에서는 도 21(B)에 나타내는 바와 같이, 이웃하는 영구자석(C1 및 C3)을 각각 4개의 영구자석편에 의해 구성하고 있다. C2는 이웃하는 영구자석(C1 및 C3) 사이에 위치하는 자성 요크이다. 도 22(A)의 예에서는 도 22(B)에 나타낸 바와 같이, 이웃하는 영구자석(C1 및 C3)을 각각 평행하게 정렬하는 2개의 영구자석편열에 의해 구성하고 있다. C2는 이웃하는 영구자석(C1 및 C3) 사이에 위치하는 2개의 분할 자성 요크이다.

상기 각 실시예에서는 자극편열을 가동자에 형성하고, 영구자석열 및 권선부를 고정자에 형성하고 있다. 그러나, 본 발명은 자극편열을 고정자에 형성하고, 영구자석열 및 권선부를 가동자에 형성할 경우에도 당연하게 해서 적용할 수 있다. 도 23은 자극편열(D)을 고정자에 형성하고, 영구자석열(C) 및 권선부(B)를 가동자에 형성할 경우의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 이 예에서는 고정자측에 단면 형상이 U자 형상을 이루는 베이스(H)를 형성하고, 이 베이스(H)의 중앙부에 자극편열(D)을 고정한다. 그리고, 베이스(H)의 한 쌍의 측벽부 상에 레일(G)을 고정하고, 이 레일(G) 상에 가이드(F)를 개재해서 가동 플레이트(E)를 배치한다. 가동 플레이트(E)의 이면에는 백 요크(A)가 나사 고정되어 있다. 이 예에서는 영구자석열(C)은 그 횡단면 형상이 환상을 나타내고 있고, 환상의 영구자석열(C)의 내부에 자극편열(D)이 배치되어 있다. 도 24의 예에서는 도 22에 나타낸 구조와 마찬가지로 해서, 영구자석열(C)을 2개의 분할 영구자석열(C11 및 C12)에 의해 구성하고 있다. 도 25(A) 및 도 25(B)～도 27(A) 및 도 27(B)는 각각 도 23 및 도 24의 실시예에 있어서 사용할 수 있는 고정자의 자극편열(D)을 포함하는 구조물의 정면도 및 측면도를 나타내고 있다. 도 25의 구조에서는 복수의 자극편(d)이 가동자의 이동 방향으로 복수매의 자성강판을 적층시켜서 구성되어 있다. 복수의 자극편(d)은 복수의 알루미 등의 비자성재판을 사이에 개재하여 적층되어서 관통 축(J)에 의해 일체화되어 있다. 도 26(A) 및 도 26(B)의 구조에서는 복수의 자극편(d)을 구성하는 부분을 일체로 갖는 펀칭 자성판(K)을 복수매 겹쳐서 자극편열(D)이 구성되어 있다. 이웃하는 자극편(d)을 연결하는 연결부(e)는 자기 저항이 커지도록 가능한 한 횡단면적이 작아지도록 가늘게 형성되어 있다. 도 27(A) 및 도 27(B)의 구조에서는 도 26(A) 및 도 26(B)의 구조를 보강하기 위해서 연결부(e)의 수를 늘림과 아울러 연결부(e)가 형성되어 있는 부분의 주위를 망(메쉬) 형상으로 하고 있다. 이렇게 하면, 다소 자기 저항은 커지지만 기계적 강도는 증가한다.

본 발명에 의하면, 자극편열 중의 복수의 자극편에 각각 형성되는 자극과 상기 자극편에 인접하는 영구자석에 의해 형성된 자극 사이에 서로 당기는 힘이 발생하여 가동자의 추력을 높일 수 있다. 또한, 영구자석열과 권선부가 고정자 및 가동자의 한쪽에 함께 배치되어 있으므로 조립이 용이하고, 또한 권선부 및 영구자석의 수를 줄일 수 있다.

1 : 리니어모터 3 : 리니어모터 본체
5 : 백 요크 7 : 가동자
9 : 고정자 11 : 직동축
13 : 자극편 15 : 자극편열
17 : 관 19A, 19B : 권선부
21 : 영구자석 22 : 자성 요크
23 : 영구자석열 23A～23C : 개별 영구자석열
24A, 24B : 자극

Claims

고정자에 대하여 가동자가 왕복 직선 운동 가능하게 구성되어 있는 전기기계로서:
상기 고정자 및 상기 가동자의 한쪽은 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석이 연속해서 배치되어 구성되거나, 또는 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석으로 이루어지는 개별 영구자석열이 복수 정렬되어 구성된 1개 이상의 영구자석열과, 권선 도체가 권선 형상으로 권회되어서 구성되고 또한 상기 1개 이상의 영구자석열을 둘러싸도록 배치된 1개 이상의 권선부를 구비하고,
상기 고정자 및 상기 가동자의 다른쪽은 상기 영구자석열을 따라 간격을 두고 정렬되도록 배치된 복수의 자극편을 갖는 1개 이상의 자극편열을 구비하고,
상기 복수의 영구자석의 피치 및 상기 복수의 자극편의 피치는 동 방향으로 착자되고 또한 상기 영구자석열 중에 1개 걸러 위치하는 2개의 상기 영구자석과, 상기 2개의 영구자석에 끼워져 있고 또한 상기 2개의 영구자석의 자화 방향과는 다른 이방향으로 착자된 1개의 상기 영구자석에 대향하는 1개 또는 2개의 상기 자극편을 통과해서 자속이 흐르도록 정해져 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 자극편은 판 형상, 기둥 형상 또는 환상 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 영구자석열은 상기 복수의 영구자석 각각의 양 극측에 자성 요크가 배치된 구조를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 3 항에 있어서,
상기 복수의 영구자석 및 상기 자성 요크는 각각 상기 영구자석열이 연장되는 방향으로 연장되는 중공부를 갖는 통형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 1개 이상의 자극편열은 비자성 재료로 이루어지는 통체의 내부에 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 권선부는 상기 자속을 발생시켜서 상기 영구자석과 상기 자극편 사이에 상기 가동자의 상기 왕복 직선 운동을 반복하기 위한 추력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
외력에 의해 상기 가동자가 왕복 직선 운동을 하면 상기 1개 이상의 영구자석열의 상기 복수의 영구자석으로부터 나오는 자속이 상기 자속을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 6 항에 있어서,
n상분의 상기 권선부는 상기 영구자석열을 따라 배치되고, 단 n은 2 이상의 정수이며 상기 n개의 권선부에 전기각으로 (360/n)°의 위상차를 가진 여자전류가 흘러 상기 가동자가 상기 왕복 직선 운동을 하는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 6 항에 있어서,
n상분의 상기 권선부는 상기 영구자석열을 따라 배치되고, 단 n은 2 이상의 정수이고, 상기 n개의 권선부에 전기각으로 (360/(2×n))°의 위상차를 가진 여자전류가 흘러 상기 가동자가 상기 왕복 직선 운동을 하는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
n상분의 n개의 상기 권선부는 각각 제 1 분할 권선부와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부로 구성되고, 단 n은 1개 이상의 정수이고, 전기각으로 (360/2n)°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 상기 n개의 권선부의 상기 제 1 및 제 2 분할 권선부가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
1개의 상의 상기 권선부에 대응해서 형성되는 상기 개별 영구자석열에 포함되는 상기 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고,
1개의 상의 상기 권선부에 대응해서 형성된 상기 개별 영구자석열의 일단측에 최초로 존재하는 자극의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열의 타단측에 위치하는 다른 상의 상기 권선부에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열의 일단측에 있어서 상기 최초로 존재하는 자극의 극성과 동 극성이 되는 최초의 자극의 끝면까지의 피치를 τm로 하고,
상기 자극편열에 포함되는 상기 복수의 자극편의 피치를 P로 했을 때에,
P=360°(전기각)
τm=q×P±(1/n)×P; 단, q는 자연수
τp=P/2
의 조건을 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
n상분의 n개의 상기 권선부는 각각 제 1 분할 권선부와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부로 구성되고, 전기각으로 (360/2n)°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 상기 n개의 권선부의 상기 제 1 및 제 2 분할 권선부가 배치되어 있고,
1개의 상의 상기 권선부의 상기 분할 권선부에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열에 포함되는 상기 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고,
1개의 상의 상기 권선부에 대응해서 형성된 상기 개별 영구자석열의 일단측에 최초로 존재하는 자극의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열의 타단측에 위치하는 다른 상의 상기 권선부에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열의 일단측에 있어서 상기 최초로 존재하는 자극의 극성과 동 극성이 되는 최초의 자극의 끝면까지의 피치를 τm로 하고,
상기 동 극성이 되는 최초의 자극이 상기 다른 개별 영구자석열의 상기 일단측으로부터 2번째로 존재하는 자극이고,
상기 자극편열에 포함되는 상기 복수의 자극편의 피치를 P로 했을 때에,
P=360°(전기각)
τm=2×P+(1/(2×n))×P
τp=P/2
의 조건을 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 영구자석열에 포함되는 상기 복수의 영구자석의 수는 2×M개이며, 또한 상기 복수의 영구자석의 피치가 τp로 일정하고, 단 M은 자연수이고,
1개의 상의 상기 권선부의 길이를 τc로 하고,
상기 자극편열에 포함되는 상기 복수의 자극편의 피치를 P로 했을 때에,
P=360°(전기각)
τc=2×M×τp/n
τp=P/2±P/(2×M)
의 조건을 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 8 항에 있어서,
n상분의 n개의 상기 권선부는 각각 제 1 분할 권선부와 이 제 1 분할 권선부와는 역상의 관계가 되도록 구성된 제 2 분할 권선부로 구성되고, 전기각으로 (360/(2×n))°의 위상차를 가진 여자전류가 순서대로 흐르도록 상기 3개의 권선부의 상기 제 1 및 제 2 분할 권선부가 배치되어 있고,
상기 영구자석열에 포함되는 상기 복수의 영구자석의 수가 2×M개이며, 또한 상기 복수의 영구자석의 피치가 τp로 일정하고, 단 M은 자연수이고,
1개의 상기 분할 권선부의 길이를 τc로 하고,
상기 자극편열에 포함되는 상기 복수의 자극편의 피치를 P로 했을 때에,
P=360°(전기각)
τc=2×M×τp/(2×n)
τp=P/2±P/(2×M)
의 조건을 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 8 항에 있어서,
상기 n이 2로 이루어지고,
1개의 상의 상기 권선부에 대응해서 형성되는 개별 영구자석열에 포함되는 상기 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고,
1개의 상의 상기 권선부에 대응해서 형성된 상기 개별 영구자석열의 일단측에 최초로 존재하는 자극의 끝면으로부터 상기 개별 영구자석열의 타단측에 위치하는 다른 상의 상기 권선부에 대응해서 형성된 다른 개별 영구자석열의 일단측에 있어서 상기 최초로 존재하는 자극의 극성과 동 극성이 되는 최초의 자극의 끝면까지의 피치를 τm로 하고,
상기 자극편열에 포함되는 상기 복수의 자극편의 피치를 P로 했을 때에,
P=360°(전기각)
τm=q×P±(1/4)×P(단, q는 자연수)
τp=P/2
의 조건을 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 8 항에 있어서,
상기 복수의 권선부의 외측에는 자기회로의 일부를 구성하는 백 요크가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 16 항에 있어서,
상기 백 요크의 상기 영구자석열이 연장되는 방향의 양단에는 상기 가동자를 왕복 직선 운동 가능하고 또한 둘레 방향으로 회전 불가능하게 지지하는 베어링이 각각 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 16 항에 있어서,
상기 복수의 권선부의 양단에는 상기 백 요크와 자기적으로 결합되어서 상기 자극편열과 대향하는 자성 티스가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 10 항에 있어서,
상기 복수의 분할 권선부의 양단에는 상기 백 요크와 자기적으로 결합되어서상기 자극편열과 대향하는 자성 티스가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 영구자석은 복수의 분할 영구자석이 조합되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자에 상기 1개 이상의 자극편열이 형성되고, 상기 가동자에 상기 1개 이상의 권선부 및 상기 1개 이상의 영구자석열이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
1개의 상기 자극편은 상기 1개 이상의 영구자석열이 연장되는 방향으로 자성강판이 적층되어서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 자극편은 자성강판이 적층되어서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 권선부가 1개이고, 상기 권선부에 교류 전류가 흘러 상기 가동자가 왕복 진동하는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 권선부는 상기 가동자가 연장되는 방향으로 2개 나란히 배치되고, 2개의 상기 권선부에 역위상의 교류 전류가 흘러 상기 가동자가 왕복 진동하도록 구성되고, 상기 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고, 상기 복수의 자극편의 피치를 P로 했을 때에 P/4<τp<P의 조건을 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
제 1 항에 있어서,
상기 영구자석열은 외력에 의해 왕복 운동되도록 구성되고, 상기 권선부에 교류전압이 유기되도록 구성되고, 상기 복수의 영구자석의 피치를 τp로 하고, 상기 복수의 자극편의 피치를 P로 했을 때에 P/4<τp<P의 조건을 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.