WO2019130646A1 - 筒型リニアモータ - Google Patents

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WO2019130646A1
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pole
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善明 加納
佐藤　浩介
眞一郎 袴田
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Ｋｙｂ株式会社
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    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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    • H02K1/17—Stator cores with permanent magnets
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical linear motor.
  • the cylindrical linear motor is, for example, an armature having U-, V- and W-phase windings mounted in a slot between a cylindrical core having a plurality of teeth arranged in the axial direction on the outer periphery and the teeth.
  • a stator comprising a cylindrical yoke provided on the outer periphery of the armature and a plurality of permanent magnets attached to the inner periphery of the base such that the S pole and the N pole are alternately arranged in the axial direction.
  • the permanent magnets in the stator are arranged in a Halbach arrangement to improve the thrust, and the permanent magnet of the main pole in the radial direction and the axial direction There is one in which permanent magnets of the magnetized auxiliary magnetic pole are alternately arranged.
  • the residual magnetic flux density of the permanent magnet of the main magnetic pole is increased to improve the thrust, but the permanent magnet of the main magnetic pole and the permanent magnet of the auxiliary magnetic pole increase the magnetic field of the permanent magnet of the auxiliary magnetic pole
  • the coercivity of the permanent magnet of the sub pole is made higher than the permanent magnet of the main pole to prevent demagnetization.
  • this invention aims at provision of the cylindrical linear motor which can improve a thrust effectively.
  • a cylindrical linear motor comprises a core having a cylindrical yoke, a plurality of annular annular teeth axially spaced on the outer periphery of the yoke, and teeth.
  • a winding mounted in a slot between the magnetic field and a field that is cylindrical and is movably inserted inward in the axial direction of the core so that N and S poles are alternately arranged in the axial direction;
  • the permanent magnet of the main pole has a permanent magnet of a radially magnetized main pole and an axially magnetized sub pole of an axially magnetized auxiliary pole alternately arranged in the axial direction in the Halbach arrangement.
  • the axial length of the secondary magnetic pole is longer than the axial length of the permanent magnet of the auxiliary magnetic pole, and the permanent magnet of the auxiliary magnetic pole has higher coercivity than the permanent magnet of the main magnetic pole.
  • the axial length of the permanent magnet of the main pole can be increased to reduce the magnetic resistance between the permanent magnet of the main pole and the core, and the magnetic field applied to the core Can be increased.
  • the permanent magnet of the auxiliary magnetic pole has a coercivity higher than that of the main magnetic pole, the permanent magnet of the main magnetic pole can be used while suppressing the demagnetization of the permanent magnet of the auxiliary magnetic pole to which a large magnetic field is applied.
  • a high residual flux density permanent magnet can be used.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cylindrical linear motor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of the teeth portion of the cylindrical linear motor of the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the value obtained by dividing the axial length L2 of the permanent magnet of the sub pole by the axial length L1 of the permanent magnet of the main pole and the thrust of the cylindrical linear actuator.
  • the cylindrical linear motor 1 in one embodiment is, as shown in FIG. 1, between the core 4 having a cylindrical yoke 3 and a plurality of annular teeth 4 provided on the outer periphery of the yoke 3 and the teeth 4 and 4. And a magnetic field 7 which is cylindrical and in which the core 2 is inserted movably in the axial direction.
  • the core 2 includes a cylindrical yoke 3 and a plurality of annular teeth 4 axially spaced on the outer periphery of the yoke 3 as a mover.
  • the yoke 3 is cylindrical as described above, and the cross-sectional area of the yoke 3 is a cylinder centering on the axis A of the core 2 (see FIG. 2) and the teeth 4 can be cut anywhere from the inner circumference to the outer circumference of the teeth 4.
  • the wall thickness is secured so as to be equal to or larger than the area of the cross section which can be obtained by cutting with the above-mentioned cylinder.
  • each tooth 4 is annular, and except for the teeth 4 disposed at both ends of the core 2, the width Wo of the outer peripheral end 4a is narrower than the width Wi of the inner peripheral end 4b in the axial direction.
  • the side surfaces 4c and 4d on both sides in the axial direction are tapered surfaces inclined at equal angles with respect to the outer peripheral end 4a.
  • the tooth 4 excluding the tooth 4 at the end has an internal angle ⁇ of 6 degrees between the side surfaces 4c and 4d and the orthogonal plane O orthogonal to the axis of the core 2 in a cross section cut by a plane including the axis A of the core 2.
  • the angle is set to be in the range of 12 degrees from.
  • the tooth 4 at the end has a cross-sectional shape in which the teeth 4 other than the tooth 4 at the end are cut in half in a plane perpendicular to the axis of the core 2.
  • the cross-sectional shape of each tooth 4 is a trapezoidal shape in which the width of the outer peripheral end is narrower than the width of the inner peripheral end.
  • a total of nine slots 6 formed of air gaps are provided between the teeth 4 4 adjacent to each other in FIG. 1.
  • the winding 5 is wound and mounted in the slot 6.
  • the winding 5 is a three-phase winding of U phase, V phase and W phase.
  • the W phase and U phase, U phase, U phase, U phase and V phase, V phase, V phase, V phase and W phase, W phase, W phase are sequentially arranged from the left in FIG. Winding 5 is mounted.
  • the core 2 comprised in this way is mounted
  • the core 2 is fixed to the rod 11 by being held by annular stoppers 12 and 13 whose right and left ends are fixed to the rod 11 in FIG.
  • the field 7 is an outer tube 8 formed of a cylindrical nonmagnetic material, and an inner tube 9 formed of a cylindrical nonmagnetic material inserted in the outer tube 8.
  • An annular main magnetic pole permanent magnet 10a and an annular auxiliary magnetic pole permanent magnet 10b are alternately inserted in the axial direction alternately in the entire annular gap between the outer tube 8 and the inner tube 9. It is done.
  • the triangular marks shown on the permanent magnet 10a of the main pole and the permanent magnet 10b of the sub pole indicate the magnetization direction, and the magnetization direction of the permanent magnet 10a of the main pole is the radial direction
  • the magnetization direction of the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole is the axial direction.
  • the permanent magnet 10a of the main magnetic pole and the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole are stacked, from the center to the center of the permanent magnets 10b of the auxiliary magnetic poles on both sides sandwiching the permanent magnet 10a of the main magnetic pole
  • the permanent magnets 10a and 10b are arranged in a direction in which the magnetic pole is one magnetic pole. That is, the permanent magnet 10a of the main magnetic pole and the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole are arranged in the Halbach arrangement, and on the inner peripheral side of the field 7, the S pole and the N pole are alternately displayed in the axial direction. ing.
  • the axial length L1 of the permanent magnet 10a of the main magnetic pole is longer than the axial length L2 of the permanent magnet 10b of the sub magnetic pole, and in the present embodiment, 0.2 ⁇ L2 / L1 ⁇ 0.
  • the axial length L1 of the permanent magnet 10a of the main pole and the axial length L2 of the permanent magnet 10b of the sub pole are set so as to satisfy .4. If the axial length of the permanent magnet 10a of the main pole is increased, the magnetic resistance between the core 2 and the permanent magnet 10a between the main pole and the core 2 can be reduced, and the magnetic field acting on the core 2 can be increased. The thrust of 1 can be improved.
  • the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole is a permanent magnet having a coercivity higher than that of the permanent magnet 10a of the main magnetic pole.
  • the residual magnetic flux density and the coercivity in a permanent magnet are closely related to each other, and generally, the higher the residual magnetic flux density, the lower the coercive force, and the higher the coercivity, the lower the residual magnetic flux density. It is related.
  • the coercive force of the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole is increased to suppress demagnetization, and a large magnetic field acts on the core 2.
  • the strength of the magnetic field acting on the core 2 depends on the number of magnetic lines of force of the permanent magnet 10a of the main pole. For this reason, a permanent magnet with a high residual magnetic flux density is used for the permanent magnet 10a of the main pole so that a large magnetic field is applied to the core 2.
  • the coercivity of the material of the sub magnet permanent magnet 10b is higher than the material of the main pole permanent magnet 10a. Is a high material. Therefore, the combination of the permanent magnet 10a of the main pole and the permanent magnet 10b of the auxiliary pole can be easily realized by the selection of the material.
  • the permanent magnet 10a of the main pole is made of a material having a high residual magnetic flux density mainly composed of neodymium, iron and boron
  • the permanent magnet 10b of the sub pole is made of the above material with dysprosium added. It is composed of a magnet that is hard to demagnetize by increasing the
  • the core 2 is inserted on the inner peripheral side of the field 7, and the field 7 causes the core 2 to act as a magnetic field.
  • the field 7 should just determine the installation range of the permanent magnet 10 according to the movable range of the core 2.
  • FIG. Therefore, in the annular gap between the outer tube 8 and the inner tube 9, the permanent magnets 10 a and 10 b may not be installed in a range in which the core 2 can not be opposed.
  • the left end of the outer tube 8 and the inner tube 9 in FIG. 1 is closed by the cap 14, and the right end of the outer tube 8 and the inner tube 9 in FIG. 1 moves the rod 11 inserted in the inner periphery in the axial direction. It is closed by a guiding annular rod guide 15. Further, the stoppers 12 and 13 are in sliding contact with the inner periphery of the inner tube 9, and the core 2 can be smoothly moved in the axial direction with the rod 11 without axial displacement with respect to the field 7 by the stoppers 12 and 13. It is supposed to be.
  • the inner tube 9 forms a gap between the outer periphery of the core 2 and the inner periphery of each of the permanent magnets 10a and 10b, and guides the axial movement of the core 2 in cooperation with the stoppers 12 and 13. Plays.
  • the cap 14 is provided with a connector 14a for connecting the cable C connected to the winding 5 to an external power supply (not shown) so that the coil 5 can be energized from the external power supply. Further, the axial length of the outer tube 8 and the inner tube 9 is longer than the axial length of the core 2, and the core 2 can be stroked to the left and right in FIG. 1 within the axial length range in the field 7.
  • cylindrical linear motor 1 is obtained. And the moving direction of the core 2 can be controlled.
  • the above-mentioned control method is an example, and is not restricted to this.
  • the core 2 is an armature and a mover, and the field 7 behaves as a stator.
  • the cylindrical linear motor 1 can be generated to damp the vibration or motion of the device due to the external force, and energy regeneration can also be performed to generate power from the external force.
  • the cylindrical linear motor 1 of the present invention includes the core 2 having the cylindrical yoke 3 and a plurality of teeth 4 which are annular and are provided on the outer periphery of the yoke 3 at intervals in the axial direction.
  • the winding 5 is mounted in the slot 6 between the teeth 4 and 4, and the core 2 is axially movably inserted in the axial direction so that the N pole and the S pole alternate in the axial direction.
  • a field 7 is provided, and the field 7 comprises a radially magnetized permanent magnet 10a of the main pole alternately arranged in the axial direction in the Halbach arrangement and an axially polarized auxiliary pole
  • the axial length L1 of the permanent magnet 10a of the main pole is longer than the axial length L2 of the permanent magnet 10b of the sub pole, and the permanent magnet 10b of the sub pole is a permanent magnet of the main pole It has a coercivity higher than 10a.
  • the axial length of the permanent magnet 10a of the main magnetic pole can be increased, and the magnetic resistance between the permanent magnet 10a of the main magnetic pole and the core 2 can be reduced.
  • the magnetic field applied to 2 can be increased.
  • the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole has a coercivity higher than that of the permanent magnet 10a of the main magnetic pole, it is possible to suppress the demagnetization of the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole to which a large magnetic field is applied.
  • a permanent magnet with high residual magnetic flux density can be used as the permanent magnet 10a.
  • the magnetic resistance between the permanent magnet 10a of the main magnetic pole and the core 2 can be reduced while suppressing the demagnetization of the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole, and thus the thrust is effectively achieved. Can be improved.
  • the field 7 can make the core 2 exert a larger magnetic field.
  • the axial length of the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole decreases, the coercive force decreases and demagnetization becomes easy.
  • the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole demagnetizes, the magnetic field of the field 7 decreases, so the demagnetization of the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole also affects the magnitude of the magnetic field.
  • FIG. 3 shows the relationship between the value obtained by dividing the axial length L2 of the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole by the axial length L1 of the permanent magnet 10a of the main magnetic pole and the thrust of the cylindrical linear actuator 1.
  • the inventors of the present invention conducted intensive research and as shown in FIG. 3, the axial length L1 of the permanent magnet 10a of the main pole and the axial length L2 of the permanent magnet 10b of the sub pole are 0.15 ⁇ L2 / L1.
  • the thrust of 1 can be further improved. Therefore, the axial length L1 of the permanent magnet 10a of the main magnetic pole and the axial length L2 of the permanent magnet 10b of the sub magnetic pole in the cylindrical linear motor 1 are set to satisfy 0.15 ⁇ L2 / L1 ⁇ 0.6. If this is done, it is possible to further improve the thrust while avoiding demagnetization of the permanent magnet 10b of the auxiliary magnetic pole. Further, as can be understood from FIG.
  • the axial length L1 of the permanent magnet 10a of the main pole and the axial length L2 of the permanent magnet 10b of the sub pole satisfy 0.2 ⁇ L2 / L1 ⁇ 0.5. If the L2 / L1 value is set to the ideal value, a thrust of 98% or more can be secured with respect to the thrust when the value of L2 / L1 is set to an ideal value, and thus the thrust of the cylindrical linear motor 1 is made more effective while avoiding demagnetization. Can be improved.
  • the material of the sub magnet permanent magnet 10b is greater than the material of the main magnet permanent magnet 10a.
  • the material has high coercivity. Therefore, the combination of the permanent magnet 10a of the main pole and the permanent magnet 10b of the auxiliary pole can be easily realized by the selection of the material.
  • the cross-sectional shape of the teeth 4 is a trapezoidal shape in which the width of the outer peripheral end is narrower than the width of the inner peripheral end.
  • the magnetic path cross-sectional area at the inner peripheral end is wider than in the case of the rectangular shape. Therefore, in the cylindrical linear motor 1 configured in this manner, a large magnetic path cross-sectional area can be easily secured, and magnetic saturation when the winding 5 is energized can be suppressed, and a larger magnetic field can be generated, thus a larger thrust.
  • it is good for the cross-sectional shape of the teeth 4 to make a trapezoid for the improvement of a thrust it is good also considering a cross-sectional shape as a rectangle, and good also as another shape.
  • the mass thrust density is a numerical value obtained by dividing the maximum thrust of the cylindrical linear motor 1 having the above-described configuration by the mass, and if the mass thrust density is improved, the thrust per mass of the cylindrical linear motor 1 is growing. Therefore, a large thrust can be obtained in the cylindrical linear motor 1 in which the internal angle ⁇ formed by the side surfaces 4c and 4d in the cross section of the teeth 4 is in the range of 6 degrees to 12 degrees.

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Abstract

上記した目的を達成するため、本発明の筒型リニアモータ（１）は、筒状のヨーク（３）と、環状であってヨーク（３）の外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース（４）とを有するコア（２）と、ティース（４），（４）間のスロット（６）に装着される巻線（５）と、筒状であって内方にコア（２）が軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁（７）とを備え、界磁（７）は、ハルバッハ配列にて軸方向に交互に並べられた径方向に着磁された主磁極の永久磁石（１０ａ）と軸方向に着磁された副磁極の永久磁石（１０ｂ）とを有し、主磁極の永久磁石（１０ａ）の軸方向長さは、副磁極の永久磁石（１０ｂ）の軸方向長さよりも長く、副磁極の永久磁石（１０ｂ）は、主磁極の永久磁石（１０ｂ）よりも高い保磁力を有する。

Description

筒型リニアモータ
　本発明は、筒型リニアモータに関する。
　筒型リニアモータは、たとえば、軸方向に並べて配置される複数のティースを外周に持つ筒型のコアとティース間のスロットに装着されるＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線を有する電機子と、電機子の外周に設けられた円筒形のヨークと軸方向にＳ極とＮ極とが交互に並ぶようにベースの内周に取付けられた複数の永久磁石とでなる固定子とを備えるものがある。
　このように構成された筒型リニアモータでは、電機子のＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線へ適宜通電すると、電機子が永久磁石に吸引されて電機子が可動子として固定子に対して軸方向へ駆動される。
　このような筒型リニアモータでは、たとえば、ＪＰ２００７－１９１２７Ａに開示されているように、推力を向上するため固定子における永久磁石をハルバッハ配列として、径方向着磁の主磁極の永久磁石と軸方向着磁の副磁極の永久磁石とを交互に並べたものがある。
　前記筒型リニアモータでは、主磁極の永久磁石の残留磁束密度を高くして、推力向上を図っているが、主磁極の永久磁石と副磁極の永久磁石とでは副磁極の永久磁石に大きな磁界が作用するため副磁極の永久磁石の保磁力を主磁極の永久磁石よりも高くして減磁を防止している。
　しかしながら、主磁極の永久磁石と副磁極の永久磁石の軸方向長さが等しいため、主磁極の永久磁石と電機子との間における磁気抵抗が大きく、主磁極の永久磁石の残留磁束密度を高くしても筒型リニアモータの推力のより一層の向上は難い。
　そこで、本発明は、推力を効果的に向上できる筒型リニアモータの提供を目的としている。
　上記の目的を達成するため、本発明の筒型リニアモータは、筒状のヨークと、環状であってヨークの外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティースとを有するコアと、ティース間のスロットに装着される巻線と、筒状であって内方にコア軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁とを備え、界磁がハルバッハ配列にて軸方向に交互に並べられた径方向に着磁された主磁極の永久磁石と軸方向に着磁された副磁極の永久磁石とを有し、主磁極の永久磁石の軸方向長さが副磁極の永久磁石の軸方向長さよりも長く、副磁極の永久磁石が主磁極の永久磁石よりも高い保磁力を有する。
　このように筒型リニアモータが構成されると、主磁極の永久磁石の軸方向長さを長くして、主磁極の永久磁石とコアとの間の磁気抵抗を小さくでき、コアへ作用させる磁界を大きくできる。また、副磁極の永久磁石が主磁極の永久磁石よりも高い保磁力を有しているので、大きな磁界が印加される副磁極の永久磁石の減磁を抑制しつつも主磁極の永久磁石に高い残留磁束密度の永久磁石を利用できる。
図１は、一実施の形態における筒型リニアモータの縦断面図である。 図２は、一実施の形態の筒型リニアモータのティース部分の縦断面図である。 図３は、主磁極の永久磁石の軸方向長さＬ１で副磁極の永久磁石の軸方向長さＬ２を割った値と筒型リニアアクチュエータの推力との関係を示した図である。
　以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における筒型リニアモータ１は、図１に示すように、筒状のヨーク３とヨーク３の外周に設けられる複数の環状のティース４とを有するコア２と、ティース４，４間に装着される巻線５と、筒状であって内方にコア２が軸方向へ移動自在に挿入される界磁７とを備えて構成されている。
　以下、筒型リニアモータ１の各部について詳細に説明する。コア２は、円筒状のヨーク３と、環状であってヨーク３の外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース４とを備えて構成されて可動子とされている。
　ヨーク３は、前述の通り円筒状であって、その横断面積は、コア２の軸線Ａ（図２参照）を中心として円筒でティース４の内周から外周までのどこを切っても、ティース４を前記円筒で切断した際にできる断面の面積以上となるように肉厚が確保されている。
　本実施の形態では、図１および図２に示すように、ヨーク３の外周に１０個のティース４が、軸方向に等間隔に並べて設けられており、ティース４，４間に巻線５が装着される空隙でなるスロット６が形成されている。また、各ティース４は、環状であって、コア２の両端に配置されたティース４を除いて、軸方向において内周端４ｂの幅Ｗｉより外周端４ａの幅Ｗｏが狭い等脚台形状とされており、軸方向で両側の側面４ｃ，４ｄが外周端４ａに対して等角度で傾斜するテーパ面とされている。そして、末端のティース４を除いたティース４は、コア２の軸線Ａを含む面で切断した断面において側面４ｃ，４ｄがコア２の軸線に直交する直交面Ｏとでなす内角θは、６度から１２度の範囲となる角度に設定されている。なお、末端のティース４は、図２に示すように、末端のティース４以外のティース４をコア２の軸線に直交する面で半分に切り落とした断面形状とされている。このように、各ティース４の断面形状は、内周端の幅より外周端の幅が狭い台形状とされている。
　また、本実施の形態では、図１中で隣り合うティース４，４同士の間には、空隙でなるスロット６が合計で９個設けられている。そして、このスロット６には、巻線５が巻き回されて装着されている。巻線５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相巻線とされている。９個のスロット６には、図１中左側から順に、Ｗ相とＵ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｕ相とＶ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相、Ｗ相の巻線５が装着されている。
　そして、このように構成されたコア２は、出力軸である非磁性体で形成されたロッド１１の外周に装着されている。具体的には、コア２は、その図１中で右端と左端とがロッド１１に固定される環状のストッパ１２，１３によって保持されて、ロッド１１に固定されている。
　他方、界磁７は、本実施の形態では、円筒状の非磁性体で形成されるアウターチューブ８と、アウターチューブ８内に挿入される円筒状の非磁性体で形成されるインナーチューブ９と、アウターチューブ８とインナーチューブ９との間の環状隙間の全体に軸方向に交互に積層されて挿入される環状の主磁極の永久磁石１０ａと環状の副磁極の永久磁石１０ｂとを備えて構成されている。なお、図１中で主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂに記載されている三角の印は、着磁方向を示しており、主磁極の永久磁石１０ａの着磁方向は径方向となっており、副磁極の永久磁石１０ｂの着磁方向は軸方向となっている。そして、主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂを積み重ねると、界磁７の内周側にて、主磁極の永久磁石１０ａを挟む両側の副磁極の永久磁石１０ｂの中央から中央までが一つの磁極となる向きで各永久磁石１０ａ，１０ｂが配置される。つまり、主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂは、ハルバッハ配列で配置されており、界磁７の内周側では、軸方向にＳ極とＮ極が交互に現れるように配置されている。
　また、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１は、副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２よりも長くなっており、本実施の形態では、０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４を満たすように、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２が設定されている。主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さを長くすればコア２との間の主磁極の永久磁石１０ａとの間の磁気抵抗を小さくできコア２へ作用させる磁界を大きくできるので筒型リニアモータ１の推力を向上できる。
　さらに、副磁極の永久磁石１０ｂは、主磁極の永久磁石１０ａより高い保磁力を有する永久磁石とされている。永久磁石における残留磁束密度と保磁力は、互いに密接に関係しており、一般的に残留磁束密度を高めると保磁力は低くなり、保磁力を高めると残留磁束密度が低くなるという、互いに背反する関係にある。ハルバッハ配列では、副磁極の永久磁石１０ｂには減磁方向に大きな磁界が印加されるため、副磁極の永久磁石１０ｂの保磁力を高くして減磁を抑制し、大きな磁界をコア２に作用させ得るようにしている。対して、コア２に対して作用する磁界の強さは、主磁極の永久磁石１０ａの磁力線数に左右される。そのため、主磁極の永久磁石１０ａに高い残留磁束密度の永久磁石を使用して大きな磁界をコア２に作用させるようにしている。本実施の形態では、副磁極の永久磁石１０ｂを主磁極の永久磁石１０ａよりも保磁力を高くするのに際して、副磁極の永久磁石１０ｂの材料を主磁極の永久磁石１０ａの材料よりも保磁力が高い材料としている。よって、材料の選定によって、主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂの組合せを簡単に実現できる。なお、本実施の形態では、主磁極の永久磁石１０ａは、ネオジウム、鉄、ボロンを主成分とする残留磁束密度が高い材料で構成され、副磁極の永久磁石１０ｂは、前記材料にジスプロシウムの添加を増やした減磁しにくい磁石で構成されている。
　また、界磁７の内周側には、コア２が挿入されており、界磁７は、コア２に磁界を作用させている。なお、界磁７は、コア２の可動範囲に対して磁界を作用させればよいので、コア２の可動範囲に応じて永久磁石１０の設置範囲を決定すればよい。したがって、アウターチューブ８とインナーチューブ９との環状隙間のうち、コア２に対向し得ない範囲には、永久磁石１０ａ，１０ｂを設置しなくともよい。
　また、アウターチューブ８とインナーチューブ９の図１中左端はキャップ１４によって閉塞されており、アウターチューブ８とインナーチューブ９の図１中右端は内周に挿入されるロッド１１の軸方向の移動を案内する環状のロッドガイド１５によって閉塞されている。また、インナーチューブ９の内周には、ストッパ１２，１３が摺接しており、ストッパ１２，１３によってコア２はロッド１１とともに界磁７に対して軸ズレせずに軸方向へスムーズに移動できるようになっている。そして、インナーチューブ９は、コア２の外周と各永久磁石１０ａ，１０ｂの内周との間のギャップを形成するとともに、ストッパ１２，１３と協働してコア２の軸方向移動を案内する役割を果たしている。
　なお、キャップ１４には、巻線５に接続されるケーブルＣを外部の図示しない電源に接続するコネクタ１４ａを備えており、外部電源から巻線５へ通電できるようになっている。また、アウターチューブ８とインナーチューブ９の軸方向長さは、コア２の軸方向長さよりも長く、コア２は、界磁７内の軸方向長さの範囲で図１中左右へストロークできる。
　そして、たとえば、巻線５の界磁７に対する電気角をセンシングし、前記電気角に基づいて通電位相切換を行うとともにＰＷＭ制御により、各巻線５の電流量を制御すれば、筒型リニアモータ１における推力とコア２の移動方向とを制御できる。なお、前述の制御方法は、一例でありこれに限られない。このように、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、コア２が電機子であり可動子であり、界磁７は固定子として振る舞う。また、コア２と界磁７とを軸方向に相対変位させる外力が作用する場合、巻線５への通電、あるいは、巻線５に発生する誘導起電力によって、前記相対変位を抑制する推力を発生させて筒型リニアモータ１に前記外力による機器の振動や運動をダンピングさせ得るし、外力から電力を生むエネルギ回生も可能である。
　以上のように、本発明の筒型リニアモータ１は、筒状のヨーク３と、環状であってヨーク３の外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース４とを有するコア２と、ティース４，４間のスロット６に装着される巻線５と、筒状であって内方にコア２が軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁７とを備え、界磁７は、ハルバッハ配列にて軸方向に交互に並べられた径方向に着磁された主磁極の永久磁石１０ａと軸方向に着磁された副磁極の永久磁石１０ｂとを有し、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１は副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２よりも長く、副磁極の永久磁石１０ｂは主磁極の永久磁石１０ａよりも高い保磁力を有する。
　このように筒型リニアモータ１が構成されると、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さを長くして、主磁極の永久磁石１０ａとコア２との間の磁気抵抗を小さくでき、コア２へ作用させる磁界を大きくできる。また、副磁極の永久磁石１０ｂが主磁極の永久磁石１０ａよりも高い保磁力を有しているので、大きな磁界が印加される副磁極の永久磁石１０ｂの減磁を抑制しつつも主磁極の永久磁石１０ａに高い残留磁束密度の永久磁石を利用できる。
　よって、本発明の筒型リニアモータ１によれば、副磁極の永久磁石１０ｂの減磁を抑制しつつも主磁極の永久磁石１０ａとコア２との間の磁気抵抗を小さくでき効果的に推力を向上できる。
　なお、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１を副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２よりも長くすればするほど、界磁７はコア２に大きな磁界を作用させ得るが、副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さが短くなればなるほど保磁力が低くなり減磁しやすくなる。副磁極の永久磁石１０ｂが減磁してしまうと、界磁７の磁界が小さくなってしまうため、副磁極の永久磁石１０ｂの減磁は磁界の大きさにも影響を与える。よって、減磁を避けつつ推力を向上するには、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２に最適な関係がある。図３に主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１で副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２を割った値と筒型リニアアクチュエータ１の推力との関係を示す。発明者らは、鋭意研究した結果、図３に示すように、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２が０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定されれば、Ｌ２／Ｌ１の値を理想的な値に設定した際の推力に対して９５％以上の推力を確保できるので減磁を避けつつ筒型リニアモータ１の推力をより一層向上できることを知見した。よって、筒型リニアモータ１における主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２を０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定すれば、副磁極の永久磁石１０ｂの減磁を避けつつ推力を一層向上できる。さらに、図３から理解できるように、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２が０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５を満たすように設定されれば、Ｌ２／Ｌ１の値を理想的な値に設定した際の推力に対して９８％以上の推力を確保できるので減磁を避けつつ筒型リニアモータ１の推力をより効果的に向上できる。
　また、本実施の形態では、副磁極の永久磁石１０ｂを主磁極の永久磁石１０ａよりも保磁力を高くするのに際して、副磁極の永久磁石１０ｂの材料を主磁極の永久磁石１０ａの材料よりも保磁力が高い材料としている。よって、材料の選定によって、主磁極の永久磁石１０ａと副磁極の永久磁石１０ｂの組合せを簡単に実現できる。
　さらに、本実施の形態の筒型リニアモータ１にあっては、ティース４の断面形状は、内周端の幅より外周端の幅が狭い台形状とされているので、ティース４の断面形状を矩形とする場合に比較して、内周端における磁路断面積が広くなる。よって、このように構成された筒型リニアモータ１では、大きな磁路断面積を確保しやすくなり、巻線５を通電した際の磁気飽和を抑制でき、より大きな磁場を発生できるからより大きな推力を発揮できる。なお、推力の向上のためは、ティース４の断面形状を台形とするとよいが、断面形状を矩形としてもよいし、他の形状としてもよい。
　なお、発明者らの研究によって、ティース４の断面における側面４ｃ，４ｄにおける直交面Ｏとでなす内角θが６度から１２度の範囲にあると、良好な質量推力密度が得られることが分かった。ここで、質量推力密度とは、前述の構成の筒型リニアモータ１の最大推力を質量で割った数値であり、質量推力密度が良化すれば、筒型リニアモータ１の質量当たりの推力が大きくなる。よって、ティース４の断面における側面４ｃ，４ｄにおける直交面Ｏとでなす内角θが６度から１２度の範囲にある筒型リニアモータ１では、大きな推力が得られる。
　以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。
　本願は、２０１７年１２月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１７－２５３６３１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 (4)

  1. 　筒型リニアモータであって、
    　筒状のヨークと、環状であって前記ヨークの外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティースとを有するコアと、
    　前記ティース間のスロットに装着される巻線と、
    　筒状であって内方に前記コアが軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁とを備え、
    　前記界磁は、ハルバッハ配列にて軸方向に交互に並べられた径方向に着磁された主磁極の永久磁石と軸方向に着磁された副磁極の永久磁石とを有し、
    　前記主磁極の永久磁石の軸方向長さは、前記副磁極の永久磁石の軸方向長さよりも長く、
    　前記副磁極の永久磁石は、前記主磁極の永久磁石よりも高い保磁力を有する
    　筒型リニアモータ。
  2. 　請求項１に記載の筒型リニアモータであって、
    　前記主磁極の永久磁石の軸方向長さをＬ１とし、前記副磁極の永久磁石の軸方向長さをＬ２とすると、前記主磁極の永久磁石の軸方向長さと前記副磁極の永久磁石の軸方向長さは、０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定される
    　筒型リニアモータ。
  3. 　請求項２に記載の筒型リニアモータであって、
    　前記主磁極の永久磁石の軸方向長さをＬ１とし、前記副磁極の永久磁石の軸方向長さをＬ２とすると、前記主磁極の永久磁石の軸方向長さと前記副磁極の永久磁石の軸方向長さは、０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５を満たすように設定される
    　筒型リニアモータ。
  4. 　請求項１に記載の筒型リニアモータであって、
    　前記副磁極の永久磁石は、前記主磁極の永久磁石よりも保磁力の高い材料で構成されている
    　筒型リニアモータ。
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