WO2015136761A1 - リニアモータ - Google Patents

Abstract

　筒体とロッドを軸方向に相対変位させるリニアモータは、筒体の内周面から突出し軸方向に並設されるティースと、隣接するティースの間に形成されるスロットと、スロットに配設されるコイルと、ロッドに設けられ軸方向に並設される永久磁石と、を備える。コイルは、一以上の第１相コイル、一以上の第２相コイル、及び一以上の第３相コイルから構成される。第１，第２，第３相コイルは、筒体の両端に第１相コイル及び第２相コイルが配置されるように軸方向に沿って設けられる。第３相コイルの総コイル巻数は、第１相コイルの総コイル巻数及び第２相コイルの総コイル巻数よりも小さく設定される。

Description

リニアモータ

　本発明は、リニアモータに関する。

　ＪＰ２００９－２９１０６９Ａには、筒状のヨークの内周面に配設したコイルの周囲に生じる移動磁界を利用して、ロッド外周面に配設した永久磁石を吸引することで、ヨークとロッドを軸方向に相対変位させるリニアモータが開示されている。このようなリニアモータでは、永久磁石を吸引する力が、ヨークとロッドを軸方向に相対変位させる推力として機能する。

　ＪＰ２００９－２９１０６９Ａにおける図１を参照すると、リニアモータは、３相交流電流が通電されるＵ相コイル、Ｖ相コイル、及びＷ相コイルをそれぞれ２つずつ備えている。これら各相コイルはヨーク軸方向に沿って順番に設けられ、ヨークの両端位置にはＷ相コイルとＵ相コイルが配置されている。Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、及びＷ相コイルのそれぞれのコイル巻数は同一に設定されている。

　本願発明者らが、通電時のコイルに発生する磁場をシミュレーションにより解析したところ、ヨークの両端位置に配置されるコイルの鎖交磁束がヨーク中央位置等に配置される他のコイルの鎖交磁束よりも減少するという知見が得られた。

　つまり、ＪＰ２００９－２９１０６９Ａにおける図１に示されたリニアモータでは、ヨークの両端位置に配置されたＷ相コイル及びＵ相コイルの鎖交磁束が減少する。このように鎖交磁束が減少すると、２つのＷ相コイルの移動磁界に基づき生じる推力（Ｗ相成分推力）及び２つのＵ相コイルの移動磁界に基づき生じる推力（Ｕ相成分推力）が、２つのＶ相コイルの移動磁界に基づき生じる推力（Ｖ相成分推力）よりも小さくなってしまう。その結果、各相成分推力のばらつきに起因して推力脈動が発生し、リニアモータの制御性が悪化してしまう。

　本発明の目的は、推力脈動の発生を抑制することが可能なリニアモータを提供することである。

　本発明のある態様によれば、筒体と、前記筒体を軸方向に挿通するロッドとを備え、前記筒体と前記ロッドを軸方向に相対変位させるように構成されたリニアモータが提供される。リニアモータは、前記筒体の内周面から突出し、軸方向に並設される複数のティースと、隣接する前記ティースの間に形成されるスロットと、これらスロットに配設される複数のコイルと、前記ロッドに設けられ、前記コイルと対向するように軸方向に並設される永久磁石と、を備える。複数の前記コイルは、三相交流電流が通電される一以上の第１相コイル、一以上の第２相コイル、及び一以上の第３相コイルから構成されている。これら第１，第２，第３相コイルは、前記筒体の両端に位置する二つの前記スロットにそれぞれ前記第１相コイル及び前記第２相コイルが配置されるように軸方向に沿って設けられる。前記第３相コイルの総コイル巻数は、前記第１相コイルの総コイル巻数及び前記第２相コイルの総コイル巻数よりも小さく設定される。

図１は、本発明の実施形態によるリニアモータを含むアクチュエーションシステムの概略構成図である。 図２は、リニアモータの一部を示す断面図である。 図３は、リニアモータの等価電気回路を示す図である。

　以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

　図１を参照して、本実施形態によるリニアモータ１００を備えるアクチュエーションシステム１を説明する。

　アクチュエーションシステム１は、筒状のヨーク１０及びロッド２０を有するリニアモータ１００と、リニアモータ１００を載置するための載置部２と、載置部２に立設されロッド２０の両端を支持する支持部３と、載置部２上に配置されるレール４と、ヨーク１０が固定されるとともにレール４に沿って移動するキャリア５と、を備えている。リニアモータ１００が駆動されると、ヨーク１０がキャリア５とともにレール４に沿って移動する。アクチュエーションシステム１では、ヨーク１０に部品等の駆動対象を設置することで、当該駆動対象を直線的に移動させることができる。

　なお、アクチュエーションシステム１は、駆動対象を駆動する駆動アクチュエーションシステムとして構成されているが、このような構成に限られるものではない。リニアモータ１００のヨーク１０を相対変位する２つの部材の一方の部材に取り付け、リニアモータ１００のロッド２０を他方の部材に取り付けることで、これら部材の相対変位を抑制する制振用のアクチュエーションシステム１としてもよい。

　次に、図２を参照して、アクチュエーションシステム１の駆動源であるリニアモータ１００の構成について説明する。

　リニアモータ１００は、筒体として形成されたヨーク１０と、ヨーク１０の内部をヨーク軸方向に挿通するロッド２０と、ヨーク１０に設けられる複数のコイル３０と、ロッド２０に保持される複数の永久磁石２１と、を備える。リニアモータ１００では、交流電流をコイル３０に通電した時に当該コイル３０の周囲に生じる移動磁界を利用して、ロッド２０に保持された永久磁石２１を吸引することで、ヨーク１０とロッド２０を軸方向に相対変位させる推力が発生する。

　ヨーク１０は、磁性体（例えば軟鉄）によって形成された円筒状部材である。ヨーク１０には、内周面１１からヨーク中心に向かって突出するティース１２が形成される。

　ティース１２は、内周面１１から立設するとともにヨーク１０の内周方向に延設される立設部１２Ａと、立設部１２Ａの先端に設けられる先端部１２Ｂと、を備える。ティース１２の先端部１２Ｂの端面は、ロッド２０の外周面に対向するように構成されている。先端部１２Ｂの幅（ヨーク軸方向の厚さ）は、立設部１２Ａの幅（ヨーク軸方向の厚さ）よりも大きく設定されている。また、先端部１２Ｂの幅は、ヨーク中心に向かって徐々に大きくなるように形成されている。

　ヨーク１０には、上記のように構成されるティース１２が軸方向に沿って１９個並設されている。これらティース１２は、ヨーク１０の両端間において、それぞれ等しい間隔で配置されている。ヨーク１０の両端に位置するティース１２の立設部１２Ａ及び先端部１２Ｂの幅は、その他のティース１２の立設部１２Ａ及び先端部１２Ｂの幅の半分に設定されている。

　軸方向に隣接するティース１２，１２の間には、スロット１３が形成される。スロット１３は、コイル３０を配置するための環状溝である。リニアモータ１００では、ティース１２が１９個形成されるため、スロット１３の数は１８個となる。これらスロット１３の内部には、コイル３０が１つずつ配置される。

　コイル３０の数はスロット数に対応して１８個となっており、１８個のコイル３０は６個のＵ相コイルＵ１～Ｕ６と、６個のＶ相コイルＶ１～Ｖ６と、６個のＷ相コイルＷ１～Ｗ６により構成されている。Ｕ相コイルＵ１～Ｕ６には、三相交流電流のＵ相電流が通電される。また、Ｖ相コイルＶ１～Ｖ６には三相交流電流のＶ相電流が通電され、Ｗ相コイルＷ１～Ｗ６には三相交流電流のＷ相電流が通電される。

　Ｕ相コイルＵ１～Ｕ６、Ｖ相コイルＶ１～Ｖ６、及びＷ相コイルＷ１～Ｗ６は、絶縁被覆された金属線３０Ａがロッド２０の軸周りに巻き回されてリング状に形成されている。なお、図２では、Ｖ相コイルＶ１の金属線３０Ａの一部を図示し、その他を省略している。

　また、Ｕ相コイルＵ１～Ｕ６、Ｖ相コイルＶ１～Ｖ６、及びＷ相コイルＷ１～Ｗ６は、左端側のスロット１３から右端側のスロット１３に、Ｖ相、Ｕ相、Ｗ相の順番で一相ずつ交互に配設されている。リニアモータ１００では、ヨーク１０の左端に位置するスロット１３にはＶ相コイルＶ１が配置され、ヨーク１０の右端に位置するスロット１３にはＷ相コイルＷ６が配置される。

　ヨーク１０と同軸に配置されるロッド２０は、非磁性体（例えばステンレス鋼）によって形成された筒状部材である。ロッド２０は、軸方向に貫通する貫通孔２０Ａを有している。ロッド２０の両端は、載置部２（図１参照）に設けられた支持部３（図１参照）に固定されている。

　ロッド２０の貫通孔２０Ａには、複数の永久磁石２１がティース１２の先端部１２Ｂと対向するように軸方向に並んで保持される。永久磁石２１は、円柱状に形成されており、軸方向にＮ極とＳ極が現れるように着磁されている。これら永久磁石２１は等間隔に設けられており、隣り合う永久磁石２１は同極同士が対向するように配置されている。また、隣り合う永久磁石２１の間には、磁性体により形成された円柱状継鉄２２が設けられている。

　リニアモータ１００では、ヨーク１０にロッド２０が挿入された状態において、ヨーク１０内に位置する永久磁石２１及び円柱状継鉄２２の数が、それぞれ６個となるように設定されている。つまり、ロッド２０に並設した６個の永久磁石及び６個の円柱状継鉄２２の軸方向長さの総和は、ヨーク１０の軸方向長さ、つまりヨーク１０の両端に位置するティース１２の外側端間の距離と等しくなるように設定されている。このように、リニアモータ１００は、ヨーク１０内に位置する永久磁石の数が６個、ヨーク１０に形成されたスロット１３の数が１８個の６極１８スロット型リニアモータとして構成されている。

　なお、リニアモータ１００において、円柱状継鉄２２は必ずしも設ける必要はなく、各永久磁石２１を直接隣接させてもよい。この場合には、ヨーク１０内に位置する６個分の永久磁石の軸方向長さが、ヨーク１０の軸方向長さと等しくなるように設定される。

　図３に示すように、リニアモータ１００では、Ｕ相コイルＵ１～Ｕ６は直列に接続されており、Ｖ相コイルＶ１～Ｖ６及びＷ相コイルＷ１～Ｗ６も同相コイル同士が直列に接続されている。Ｕ相コイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５、Ｖ相コイルＶ２，Ｖ４，Ｖ６、及びＷ相コイルＷ２，Ｗ４，Ｗ６の金属線３０Ａはロッド２０の軸周りの一方向に巻き回されており、Ｕ相コイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６、Ｖ相コイルＶ１，Ｖ３，Ｖ５、及びＷ相コイルＷ１，Ｗ３，Ｗ５の金属線３０Ａはロッド２０の軸周りの他方向（一方向とは逆向き）に巻き回されている。

　また、先端側のＵ相コイルＵ１、Ｖ相コイルＶ１、及びＷ相コイルＷ１の端部はドライバ４０に接続されており、後端側のＵ相コイルＵ６、Ｖ相コイルＶ６、及びＷ相コイルＷ６の端部はＹ結線されている。

　ドライバ４０は、Ｕ相コイルＵ１～Ｕ６、Ｖ相コイルＶ１～Ｖ６、及びＷ相コイルＷ１～Ｗ６への交流電流の供給を制御する制御装置である。ドライバ４０は、図示しない位置センサにより検出されるヨーク１０とロッド２０との相対位置情報に基づいて、交流電流の周波数や通電タイミング等を制御する。これにより、リニアモータ１００における推力や推力発生方向が調整され、その推力によってヨーク１０がキャリア５とともにレール４に沿って移動する（図１参照）。

　前述した通り、本願発明者らの磁場解析シミュレーションから得られた知見によれば、図２と同様にコイルが配設されたリニアモータでは、ヨークの左端に配置されるＶ相コイルとヨークの右端に配置されるＷ相コイルの鎖交磁束が、他のコイルの鎖交磁束よりも減少することとなる。このような場合には、６個のＶ相コイルの移動磁界に基づき生じる推力（Ｖ相成分推力）及び６個のＷ相コイルの移動磁界に基づき生じる推力（Ｗ相成分推力）が、６個のＵ相コイルの移動磁界に基づき生じる推力（Ｕ相成分推力）よりも小さくなってしまう。このように、Ｕ相成分推力と、Ｖ相成分推力及びＷ相成分推力とがばらつくと、推力脈動が発生して、リニアモータの制御性が悪化する。

　そこで、本実施形態によるリニアモータ１００では、各相成分推力間のばらつきを抑制するため、Ｕ相コイルＵ１～Ｕ６のコイル巻数の総和（Ｕ相総コイル巻数）が、Ｖ相コイルＶ１～Ｖ６のコイル巻数の総和（Ｖ相総コイル巻数）及びＷ相コイルＷ１～Ｗ６のコイル巻数の総和（Ｗ相総コイル巻数）よりも小さく設定される。ヨーク１０の両端寄りに配置される二つのＵ相コイルＵ１，Ｕ６のそれぞれのコイル巻数を、その他のＵ相コイルＵ２～Ｕ５のコイル巻数よりも小さくすることで、Ｕ相総コイル巻数がＶ相総コイル巻数及びＷ相総コイル巻数よりも小さく設定される。

　このようにＵ相総コイル巻数をＶ相総コイル巻数及びＷ相総コイル巻数よりも小さくすることにより、Ｕ相成分推力を低下させることができ、当該Ｕ相成分推力を、鎖交磁束の減少により低下したＶ相成分推力及びＷ相成分推力と等しくなるように調整することが可能となる。

　上述の通り、本実施形態によるリニアモータ１００によれば、ヨーク１０の端部にＶ相コイルＶ１及びＷ相コイルＷ６が配置された場合であっても、Ｕ相総コイル巻数を小さくすることで、各相成分推力の大きさを等しくでき、リニアモータ１００での推力脈動の発生を抑制することが可能となる。これにより、リニアモータ１００の制御性を改善することができる。

　また、リニアモータ１００では、Ｕ相コイルＵ１，Ｕ６のそれぞれのコイル巻数をその他のＵ相コイルＵ２～Ｕ５のコイル巻数よりも小さくすることで、Ｕ相総コイル巻数がＶ相総コイル巻数及びＷ相総コイル巻数よりも小さく設定される。６個のＵ相コイルＵ１～Ｕ６のうちＵ相コイルＵ１，Ｕ６は軸方向外側に位置しているため、コイル巻数を容易に調整することが可能となる。

　なお、リニアモータ１００では、Ｕ相コイルＵ１，Ｕ６のコイル巻数を減らしてＵ相総コイル巻数を減少させたが、Ｕ相コイルＵ１～Ｕ６のうち、いずれか一以上のコイルのコイル巻数を減らしてＵ相総コイル巻数を減少させてもよい。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　本実施形態によるリニアモータ１００では、Ｕ相成分推力、Ｖ相成分推力、及びＷ相成分推力が等しくなるように、Ｕ相総コイル巻数がＶ相総コイル巻数及びＷ相総コイル巻数よりも小さく設定される。そこで、例えば、ヨーク１０の一端側のＶ相コイルＶ１のコイル巻数をＶ相コイルＶ２～Ｖ６のコイル巻数よりも大きくし、ヨーク１０の他端側のＷ相コイルＷ６のコイル巻数をＷ相コイルＷ１～Ｗ５のコイル巻数よりも大きくすることで、Ｕ相総コイル巻数をＶ相総コイル巻数及びＷ相総コイル巻数よりも小さくしてもよい。

　このようにコイル巻数を調整することで、ヨーク１０の端部にＶ相コイルＶ１及びＷ相コイルＷ６が配置された場合であっても、Ｖ相成分推力及びＷ相成分推力が低下することを抑制でき、各相成分推力の大きさを等しくできる。その結果、リニアモータ１００での推力脈動の発生を抑制することが可能となる。図３に示すように、Ｖ相コイルＶ１及びＷ相コイルＷ６は直列接続される他の同相コイルと比べて最も外側に位置しているため、コイル巻数を容易に調整することができる。なお、このリニアモータ１００では、Ｖ相コイルＶ１及びＷ相コイルＷ６のコイル巻数を増やしてＶ相総コイル巻数及びＷ相総コイル巻数を増大させたが、Ｖ相コイルＶ１～Ｖ６のうちいずれか一以上のコイルのコイル巻数及びＷ相コイルＷ１～Ｗ６のうちいずれか一以上のコイルのコイル巻数を増やして、Ｖ相総コイル巻数及びＷ相総コイル巻数を増大させてもよい。

　本実施形態では、リニアモータ１００を、１８スロット型のリニアモータとして構成したが、Ｕ相～Ｗ相コイルを一つずつ備える３スロット型や、Ｕ相～Ｗ相コイルを二つずつ備える６スロット型等、３ｎスロット型（ｎ：正の整数）のリニアモータとして構成してもよい。

　また、本実施形態によるリニアモータ１００では、ロッド２０の貫通孔２０Ａ内に複数の永久磁石２１を軸方向に並べて固定したが、永久磁石２１の配置はこれに限られるものではない。例えば、リング状に形成した永久磁石２１をロッド２０の外周に外嵌めし、複数の永久磁石２１をティース１２の先端と対向するように軸方向に並べて配置してもよい。

　本願は２０１４年３月１２日に日本国特許庁に出願された特願２０１４－４９３０２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (3)

1. 　筒体と、前記筒体を軸方向に挿通するロッドとを備え、前記筒体と前記ロッドを軸方向に相対変位させるように構成されたリニアモータであって、
   　前記筒体の内周面から突出し、軸方向に並設される複数のティースと、
   　隣接する前記ティースの間に形成されるスロットと、
   　これらスロットに配設される複数のコイルと、
   　前記ロッドに設けられ、前記コイルと対向するように軸方向に並設される永久磁石と、を備え、
   　複数の前記コイルは、三相交流電流が通電される一以上の第１相コイル、一以上の第２相コイル、及び一以上の第３相コイルから構成されており、
   　これら第１，第２，第３相コイルは、前記筒体の両端に位置する二つの前記スロットにそれぞれ前記第１相コイル及び前記第２相コイルが配置されるように軸方向に沿って設けられ、
   　前記第３相コイルの総コイル巻数が、前記第１相コイルの総コイル巻数及び前記第２相コイルの総コイル巻数よりも小さく設定される、
   　リニアモータ。
2. 　請求項１に記載のリニアモータであって、
   　前記筒体の両端寄りに配置される二つの前記第３相コイルのそれぞれのコイル巻数は、その他の各第３相コイルのコイル巻数よりも小さく設定される、
   　リニアモータ。
3. 　請求項１に記載のリニアモータであって、
   　前記筒体の一端側に配置される前記第１相コイルのコイル巻数は、その他の各第１相コイルのコイル巻数よりも大きく設定され、
   　前記筒体の他端側に配置される前記第２相コイルのコイル巻数は、その他の各第２相コイルのコイル巻数よりも大きく設定される、
   　リニアモータ。

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