WO2015145550A1 - リニアモータ - Google Patents

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WO2015145550A1
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coils
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linear motor
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佳宏 白川
良 永田
諒 飼沼
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富士機械製造株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/18—Windings for salient poles

Definitions

  • the present invention relates to a linear motor with reduced thrust ripple due to the end effect.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-364374
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2009-2009
  • JP-A-171638 the core of the mover is divided into a plurality of blocks so that gaps of predetermined dimensions are provided between the blocks, or Japanese Patent Laid-Open No. 2003-299342 is disclosed.
  • the end effect reduction technique of Patent Document 1 has a drawback that the size of the linear motor increases due to the size of the mover because auxiliary teeth are provided at both ends of the mover. Further, in the end effect reduction technique of Patent Document 2, the mover core is divided into a plurality of blocks and a gap with a predetermined dimension is provided between the blocks. There is a drawback that the linear motor becomes larger in size. Moreover, in the end effect reduction technique of the above-mentioned Patent Document 3, since the shape of the teeth at both ends of the mover is different from the shape of the inner teeth, it is necessary to prepare a plurality of molds for core production, and the manufacturing cost is reduced. There is a drawback of becoming higher
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a linear motor capable of reducing thrust ripple due to the end effect while avoiding an increase in size and cost of the mover.
  • the present invention includes a stator in which a plurality of magnets are arranged in a straight line so as to have different polarities alternately, and a mover that moves along the arrangement of the magnets of the stator.
  • the mover In the linear motor having a plurality of teeth projecting toward the stator and coils wound around the plurality of teeth, the mover has a number of turns of the coils at both ends of the mover. The thrust ripple due to the end effect is reduced by increasing the number of windings.
  • the magnetomotive force per current of the coils at both ends is increased to increase the magnetic flux density at both ends of the mover.
  • the magnetic flux density at both ends and inside can be made uniform, and thrust ripple due to the end effect can be reduced.
  • the number of turns of the coil at both ends of the mover is only increased compared to the number of turns of the inner coil, so there is no need to change the shape of the mover core and teeth, which increases the size and cost of the mover.
  • the thrust ripple due to the end effect can be reduced while avoiding.
  • the coils at both ends are wound so that the increase in the number of turns is located at a part of the outer periphery of the coil, and the adjacent inner coil of the coils at both ends has the number of turns reduced by the number of turns of the coils at both ends. It is good to comprise so that it may be wound so that a concave space may be formed in the part corresponding to the increase, and the increase in the number of turns of the coil at both ends may be fitted into the concave space for the decrease in the number of turns of the inner coil.
  • the two coils can be made space efficient. It can be stored well, and there is no need to increase the interval (slot) between teeth.
  • the present invention sets a reference number of turns per coil (average number of turns) according to the required thrust, and a value obtained by multiplying the number of turns of all the coils of the mover by the number of all coils. It is only necessary to set an increase in the number of turns from the reference number of turns of the coils at both ends and a decrease in the number of turns from the reference number of turns of the inner coil. In this way, it is possible to reduce the thrust ripple due to the end effect while making the thrust of the linear motor coincide with the required thrust.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the main part of a linear motor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing an analysis result obtained by calculating the relationship between the winding increase ratio of the coils at both ends with respect to the inner coil and the thrust ripple by magnetic field analysis.
  • a linearly extending stator 11 is configured by arranging a plurality of permanent magnets 13 on a core 12 in a straight line at an equal pitch so as to have different polarities.
  • the mover 14 that moves along the arrangement of the permanent magnets 13 of the stator 11 is wound around the armature core 16 having a plurality of teeth 15a and 15b protruding toward the stator 11 and the teeth 15a and 15b.
  • the teeth 15a and 15b have the same shape and are arranged linearly at the same interval.
  • the thrust ripple due to the end effect is reduced by increasing the number of turns Na of the coil 17a at both ends of the mover 14 to the number of turns Nb of the inner coil 17b.
  • the reference number of turns (average number of turns) per coil is set according to the required thrust, and the value ⁇ Na + ⁇ Nb, which is the total number of turns of all the coils 17a and 17b of the mover 14, becomes the reference number of turns.
  • the increase in the number of turns from the reference number of turns of the coil 17a at both ends and the decrease in the number of turns from the reference number of turns of the inner coil 17b are set so as to be equal to the value multiplied by the number.
  • ⁇ Na + ⁇ Nb reference number of turns x total number of coils
  • the coils 17a at both ends are wound so that an increase in the number of turns is positioned on one side portion of the outer periphery of the coil 17a by adjusting the winding start position, and the adjacent inner coils of the coils 17a at both ends.
  • 17b is wound so as to form a concave space in the portion corresponding to the increase in the number of turns of the coil 17a at both ends by adjusting the winding start position, and the increase in the number of turns of the coil 17a at both ends is set to the inner coil 17b. It is comprised so that it may fit in the concave-shaped space for the reduction
  • the two coils 17a are inserted between the teeth 15a and 15b by fitting the irregularities corresponding to the number of turns.
  • 17b can be accommodated in a space efficient manner, and it is not necessary to widen the interval (slot) between the teeth 15a, 15b, and upsizing of the mover 14 can be avoided.
  • the number of turns Na ⁇ of the coil 17a at both ends of the mover 14 is increased more than the number of turns Nb of the inner coil 17b.
  • the magnetic flux density at both ends of the mover 14 can be increased to make the magnetic flux densities at both ends and inside uniform, and thrust ripple due to the end effect can be reduced.
  • the present inventor uses a three-phase three-slot linear motor with 300 turns in one slot and uses the increase ratio of the number of turns of the coil 17a at both ends with respect to the inner coil 17b and the thrust. Since the relationship with ripple was calculated by magnetic field analysis, a graph of the analysis result is shown in FIG. As shown in FIG. 2, when the winding increase rate of the coil 17a at both ends with respect to the inner coil 17b is 0 [%] (corresponding to a conventional linear motor), the thrust ripple exceeds 30 [%]. The thrust ripple decreases as the number of turns increase in the coil 17a is increased.
  • the number of turns Na of the coil 17a at both ends of the mover 14 is merely increased from the number of turns Nb of the inner coil 17b.
  • the shapes of the core 16 and the teeth 15a and 15b do not need to be changed, and the thrust ripple due to the end effect can be reduced while avoiding an increase in size and cost of the mover 14.
  • the reference number of turns (average number of turns) per coil is set according to the required thrust, and the value ⁇ Na + ⁇ Nb, which is the total number of turns of all the coils 17a and 17b of the mover 14, becomes the reference number of turns. Since the increase in the number of turns from the reference number of turns of the coil 17a at both ends and the decrease in the number of turns from the reference number of turns of the inner coil 17b are set so as to be equal to the value obtained by multiplying the total number of coils, the thrust of the linear motor The thrust ripple due to the end effect can be reduced while matching the required thrust.
  • the present invention is not limited to a three-phase three-slot linear motor, and various modifications are possible within the scope not departing from the gist, such as the number of slots (the number of teeth), the number of phases, and the core shape including the coreless may be appropriately changed. Needless to say, it can be implemented with changes.

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Abstract

　リニアモータにおいて、可動子１４の両端のコイル１７ａの巻数Ｎa を内側のコイル１７ｂの巻数Ｎb よりも増加させることにより、端効果による推力リップルを低減する。具体的には、要求される推力に応じて１コイル当たりの基準巻数を設定し、可動子１４の全コイル１７ａ，１７ｂの巻数を合計した値Σ（Ｎa ＋Ｎb ）が基準巻数に全コイル数を乗算した値と等しくなるように両端のコイル１７ａの基準巻数からの巻数増加分と内側のコイル１７ｂの基準巻数からの巻数減少分を設定する。両端のコイル１７ａは、巻数増加分が該コイル１７ａの外周の片側部分に位置するように巻回され、両端のコイル１７ａの隣接する内側のコイル１７ｂは、巻数減少分が両端のコイル１７ａの巻数増加分に対応する部位に凹状スペースを形成するように巻回され、両端のコイル１７ａの巻数増加分が内側のコイル１７ｂの巻数減少分の凹状スペースに嵌まり込むようになっている。

Description

リニアモータ
　本発明は、端効果による推力リップルを低減したリニアモータに関する発明である。
　特許文献１～３に記載されているように、リニアモータでは、端効果により推力リップルが生じることが知られている。ここで、端効果とは、リニアモータ特有の現象で、可動子が直線状に延びる有限長であることから、可動子の端部のパーミアンスが中央部と比較して大きく異なり、磁束分布の不均一や乱れが生じて、推力の特性が悪化することである。この端効果はスロット数（ティース数）が少なく、可動子の長さが短いほど、その影響を大きく受けてしまう。従って、リニアモータが小型になるほど、この端効果による推力リップルが大きくなる。
　このような端効果を低減する技術としては、特許文献１（特開２００４－３６４３７４号公報）に記載されているように、可動子の両端に補助ティースを設けたり、特許文献２（特開２００９－１７１６３８号公報）に記載されているように、可動子のコアを複数のブロックに分割して、各ブロック間に所定寸法の隙間を設けたり、特許文献３（特開２００３－２９９３４２号公報）に記載されているように、可動子の両端のティースの一部を切り落としたものがある。
特開２００４－３６４３７４号公報 特開２００９－１７１６３８号公報 特開２００３－２９９３４２号公報
　しかし、上記特許文献１の端効果低減技術では、可動子の両端に補助ティースを設けるため、可動子が大型化してリニアモータが大型化する欠点がある。また、上記特許文献２の端効果低減技術では、可動子のコアを複数のブロックに分割して、各ブロック間に所定寸法の隙間を設けるため、上記特許文献１と同様に、可動子が大型化してリニアモータが大型化する欠点がある。また、上記特許文献３の端効果低減技術では、可動子の両端のティースの形状が内側のティースの形状と異なるため、コア作製のための金型を複数用意しなければならず、製造コストが高くなる欠点がある。
　そこで、本発明が解決しようとする課題は、可動子の大型化やコストアップを回避しながら端効果による推力リップルを低減できるリニアモータを提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明は、複数の磁石を交互に異極となるように直線状に配列した固定子と、前記固定子の磁石の配列に沿って移動する可動子とを備え、前記可動子は、前記固定子側に突出する複数のティースと、前記複数のティースにそれぞれ巻回されたコイルとを有するリニアモータにおいて、前記可動子の両端のコイルの巻数を内側のコイルの巻数よりも増加させることにより、端効果による推力リップルを低減したことを特徴とするものである。
　本発明では、可動子の両端のコイルの巻数を内側のコイルの巻数よりも増加させているため、両端のコイルの電流当たりの起磁力を増加させて、可動子の両端の磁束密度を増加させて両端と内側の磁束密度を均一化することが可能となり、端効果による推力リップルを低減することができる。この場合、可動子の両端のコイルの巻数を内側のコイルの巻数よりも増加させるだけであるため、可動子のコアやティースの形状は変更する必要がなく、可動子の大型化やコストアップを回避しながら端効果による推力リップルを低減することができる。
　この場合、前記両端のコイルは、巻数増加分が該コイルの外周の一部分に位置するように巻回され、前記両端のコイルの隣接する内側のコイルは、巻数減少分が前記両端のコイルの巻数増加分に対応する部位に凹状スペースを形成するように巻回され、前記両端のコイルの巻数増加分が前記内側のコイルの巻数減少分の凹状スペースに嵌まり込むように構成すると良い。このようにすれば、両端のコイルの外周と内側のコイルの外周に巻数増減分の凹凸ができても、巻数増減分の凹凸を嵌まり込ませることにより、ティース間に２つのコイルをスペース効率良く収容することができて、ティースの間隔（スロット）を広げる必要がない。
　また、本発明は、要求される推力に応じて１コイル当たりの基準巻数（平均巻数）を設定し、前記可動子の全コイルの巻数を合計した値が基準巻数に全コイル数を乗算した値と等しくなるように両端のコイルの基準巻数からの巻数増加分と内側のコイルの基準巻数からの巻数減少分を設定するようにすれば良い。このようにすれば、リニアモータの推力を要求される推力に一致させながら端効果による推力リップルを低減することができる。
図１は本発明の一実施例のリニアモータの主要部の構成を示す縦断面図である。 図２は内側のコイルに対する両端のコイルの巻数増加割合と推力リップルとの関係を磁場解析にて計算したの解析結果を示すグラフである。
　以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
　まず、図１に基づいて本実施例のリニアモータの構成を説明する。
　直線状（リニア）に延びる固定子１１は、コア１２上に複数の永久磁石１３を交互に異極となるように直線状に等ピッチで配列して構成されている。この固定子１１の永久磁石１３の配列に沿って移動する可動子１４は、固定子１１側に突出する複数のティース１５ａ，１５ｂを有する電機子コア１６と、各ティース１５ａ，１５ｂにそれぞれ巻回されたコイル１７ａ，１７ｂとから構成されている。各ティース１５ａ，１５ｂは、形状が同一で、同一間隔で直線状に配置されている。
　本実施例では、可動子１４の両端のコイル１７ａの巻数Ｎa を内側のコイル１７ｂの巻数Ｎb よりも増加させることにより、端効果による推力リップルを低減するようにしている。具体的には、要求される推力に応じて１コイル当たりの基準巻数（平均巻数）を設定し、可動子１４の全コイル１７ａ，１７ｂの巻数を合計した値ΣＮa+ΣＮbが基準巻数に全コイル数を乗算した値と等しくなるように両端のコイル１７ａの基準巻数からの巻数増加分と内側のコイル１７ｂの基準巻数からの巻数減少分を設定するようにしている。
　　　　　　　　ΣＮa+ΣＮb＝基準巻数×全コイル数
　更に、本実施例では、両端のコイル１７ａは、巻き始め位置の調整により巻数増加分が該コイル１７ａの外周の片側部分に位置するように巻回され、両端のコイル１７ａの隣接する内側のコイル１７ｂは、巻き始め位置の調整により巻数減少分が両端のコイル１７ａの巻数増加分に対応する部位に凹状スペースを形成するように巻回され、両端のコイル１７ａの巻数増加分が内側のコイル１７ｂの巻数減少分の凹状スペースに嵌まり込むように構成されている。これにより、両端のコイル１７ａの外周と内側のコイル１７ｂの外周に巻数増減分の凹凸ができても、巻数増減分の凹凸を嵌まり込ませることにより、ティース１５ａ，１５ｂ間に２つのコイル１７ａ，１７ｂをスペース効率良く収容することができて、ティース１５ａ，１５ｂの間隔（スロット）を広げる必要がなく、可動子１４の大型化を回避できる。
　以上のように構成した本実施例のリニアモータでは、可動子１４の両端のコイル１７ａの巻数Ｎa を内側のコイル１７ｂの巻数Ｎb よりも増加させているため、両端のコイル１７ａの電流当たりの起磁力を増加させて、可動子１４の両端の磁束密度を増加させて両端と内側の磁束密度を均一化することが可能となり、端効果による推力リップルを低減することができる。
　本発明者は、推力リップル低減効果を確認するため、１スロットのコイル巻数が３００ターンの３相３スロットのリニアモータを使用して、内側のコイル１７ｂに対する両端のコイル１７ａの巻数増加割合と推力リップルとの関係を磁場解析にて計算したので、その解析結果のグラフを図２に示す。図２に示すように、内側のコイル１７ｂに対する両端のコイル１７ａの巻数増加割合が０［％］の場合（従来のリニアモータに相当）は、推力リップルが３０［％］を越えるが、両端のコイル１７ａの巻数増加割合を増加させるに従って推力リップルが減少する。この推力リップルの減少は、両端のコイル１７ａの巻数増加割合が約２５［％］を越えるまで続き、約２５［％］を越えると、推力リップルがほぼ一定になるか又は僅かに増加する傾向がある。また、両端のコイル１７ａの巻数増加割合があまりにも大きくなり過ぎると、モータ特性に悪影響を及ぼす可能性があるため、推力リップルがほぼ最小となる巻数増加割合のうちの最小の巻数増加割合（図２の実験例では２５［％］付近）に設定することが望ましい。
　本実施例では、端効果による推力リップルを低減する手段として、可動子１４の両端のコイル１７ａの巻数Ｎa を内側のコイル１７ｂの巻数Ｎb よりも増加させるだけであるため、可動子１４の電機子コア１６やティース１５ａ，１５ｂの形状は変更する必要がなく、可動子１４の大型化やコストアップを回避しながら端効果による推力リップルを低減することができる。
　しかも、本実施例では、要求される推力に応じて１コイル当たりの基準巻数（平均巻数）を設定し、可動子１４の全コイル１７ａ，１７ｂの巻数を合計した値ΣＮa+ΣＮbが基準巻数に全コイル数を乗算した値と等しくなるように両端のコイル１７ａの基準巻数からの巻数増加分と内側のコイル１７ｂの基準巻数からの巻数減少分を設定するようにしているため、リニアモータの推力を要求される推力に一致させながら端効果による推力リップルを低減することができる。
　尚、本発明は、３相３スロットのリニアモータに限定されず、スロット数（ティース数）や相数やコアレスを含むコア形状を適宜変更しても良い等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できることは言うまでもない。
　１１…固定子、１２…コア、１３…永久磁石、１４…可動子、１５ａ…両端のティース、１５ｂ…内側のティース、１６…電機子コア、１７ａ…両端のコイル、１７ｂ…内側のコイル

Claims (3)

  1. 　複数の磁石を交互に異極となるように直線状に配列した固定子と、前記固定子の磁石の配列に沿って移動する可動子とを備え、前記可動子は、前記固定子側に突出する複数のティースと、前記複数のティースにそれぞれ巻回されたコイルとを有するリニアモータにおいて、
    　前記可動子の両端のコイルの巻数を内側のコイルの巻数よりも増加させることにより、端効果による推力リップルを低減したことを特徴とするリニアモータ。
  2. 　前記両端のコイルは、巻数増加分が該コイルの外周の一部分に位置するように巻回され、
    　前記両端のコイルの隣接する内側のコイルは、巻数減少分が前記両端のコイルの巻数増加分に対応位置するように巻回され、前記両端のコイルの巻数増加分が前記内側のコイルの巻数減少分の凹状スペースに嵌まり込むように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
  3. 　要求される推力に応じて１コイル当たりの基準巻数が設定され、
    　前記可動子の全コイルの巻数を合計した値が前記基準巻数に全コイル数を乗算した値と等しくなるように両端のコイルの前記基準巻数からの巻数増加分と内側のコイルの前記基準巻数からの巻数減少分が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ。
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