WO2019202919A1

WO2019202919A1 - 筒型リニアモータ

Info

Publication number: WO2019202919A1
Application number: PCT/JP2019/012437
Authority: WO
Inventors: 善明加納; 佐藤　浩介; 眞一郎袴田
Original assignee: Ｋｙｂ株式会社
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-10-24
Also published as: JP7079444B2; JP2019187209A

Abstract

本発明の筒型リニアモータ（Ｍ１）は、筒状のヨーク（３）とヨーク（３）の外周に設けた複数のティース（４１），（４２）とを有する複数のコア（２Ａ），（２Ｂ）とティース（４１），（４２）間のスロット（４３）に装着される巻線（５）とを有する電機子（Ａ）と、電機子（Ａ）が内方に軸方向に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（６）とを備え、各コア（２Ａ），（２Ｂ）に対して両端に配置された各ティースを末端ティース（４１）とし、末端ティース（４１）以外のティースを中間ティース（４２）とし、末端ティース（４１）の外周端の幅をＷとし、中間ティース（４２）の外周端の幅をｙとし、ｘを正の値とし、末端ティース（４１）の外周端の幅（Ｗ）をＷ＝ｙ／２＋ｘとし、隣り合うコア（２Ａ），（２Ｂ）同士の間隔（Ｋ）がｘの値に基づいて設定されている。

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。

　リニアモータは、たとえば、直線方向に伸びるベースと、ベースに対して前記直線方向にＳ極とＮ極とが交互に並ぶように取付けられた複数の永久磁石とでなる固定子と、前記固定子に対して前記直線方向に移動可能に設けられた電機子とを備える。

　電機子は、複数のティースを備えて磁極ピッチの５ｍ倍（ｍは１以上の整数）の長さに設定された複数の電機子ブロックと、各電機子ブロックにおけるティース間のスロットに装着されるＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線を有している。そして、電機子における巻線に通電すると、電機子は、固定子に対して前記直線方向に沿って駆動される。

　また、隣り合う電機子ブロックの間には、磁極ピッチの二分の一の間隔の空隙が設けられている。ＪＰ２００９－１７１６３８Ａに開示されているように、各電機子ブロックにおける端効果によるコギング推力は、正弦波状となっており、電機子ブロック間に前述の幅の空隙を設けると各電機子ブロックのコギング推力が互いに相殺しあい、全体としてコギング推力をキャンセルできる。

　従来の筒型リニアモータでは、前述のように電機子ブロックの長さを磁極ピッチの５ｍ倍に設定すると、電機子ブロックの端効果によるコギング推力が正弦波となるとしている。

　このように電機子の磁極に対する軸方向の長さ条件が決められてしまうと、電機子の設計自由度に乏しく、筒型リニアモータの仕様によっては電機子長さを前述のように設定するのは困難な場合もある。

　そこで、本発明は、設計自由度を向上しつつもコギング推力を低減可能な筒型リニアモータの提供を目的とする。

　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して軸方向に並べて配置される複数のコアと、各コアのティース間のスロットに装着される巻線とを有する電機子と、筒状であって電機子が内方に軸方向に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、各コアに対して両端に配置された各ティースを末端ティースとし、末端ティース以外のティースを中間ティースとし、末端ティースの外周端の幅をＷとし、中間ティースの外周端の幅をｙとし、ｘを正の値とし、末端ティースの外周端の幅ＷをＷ＝ｙ／２＋ｘとし、隣り合うコア同士の間隔をＫとし、間隔Ｋがｘの値に基づいて設定されている。

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、コアの単独のコギング推力の波形を示した図である。図４は、コアの単独のコギング推力の波形を示した図である。図５は、コアの単独のコギング推力の波形を示した図である。図６は、コアの単独のコギング推力の波形を示した図である。図７は、末端ティースの幅の変化とコギング推力の変化を説明する図である。図８は、一実施の形態の第一変形例における筒型リニアモータの縦断面図である。図９は、一実施の形態の第二変形例における筒型リニアモータの縦断面図である。

　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Ｍ１は、図１に示すように、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４１，４２とを有して軸方向に並べて配置される複数のコア２Ａ，２Ｂと各コア２Ａ，２Ｂのティース４１，４２間のスロット４３に装着される巻線５とを有する電機子Ａと、筒状であって内方に電機子Ａが軸方向へ移動自在に挿入される界磁６とを備えて構成されている。

　以下、筒型リニアモータＭ１の各部について詳細に説明する。コア２Ａ，２Ｂは、ともに同形状とされており、円筒状のヨーク３と、環状であってヨーク３の外周に設けた複数のティース４１，４２とを備えて構成されてロッド１１の外周に軸方向に並べて装着されており、本実施の形態では可動子とされている。つまり、筒型リニアモータＭ１は、電機子Ａが可動子として駆動され、コア２Ａ，２Ｂの軸方向を推力発生方向としている。

　各コア２Ａ，２Ｂにおけるヨーク３は、図１に示すように、円筒状であって、その外周には、軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース４１，４２が設けられている。本実施の形態では、図１に示すように、ヨーク３の外周に１０個のティース４１，４２が、軸方向に等間隔に並べて設けられており、ティース４１，４２間およびティース４２，４２間に巻線５が装着される空隙でなるスロット４３が形成されている。

　また、ティース４１，４２は、ヨーク３の両端にそれぞれ配置されて設けられた二つの末端ティース４１，４１と、末端ティース４１，４１間に配置されて設けられた８つの中間ティース４２とで構成されている。つまり、一つのコア２Ａ（２Ｂ）に対してコア２Ａ（２Ｂ）の移動方向となる軸方向の両端に末端ティース４１，４１が設けられ、末端ティース４１，４１間に各中間ティース４２が設けられている。また、本実施の形態では、末端ティース４１及び中間ティース４２は、環状とされている。

　中間ティース４２は、本実施の形態では、図２に示すように、軸方向において内周端の幅ｙｉより外周端の幅ｙが狭い等脚台形状とされており、軸方向で両側の側面が外周端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、中間ティース４２をコア２Ａ，２Ｂの軸線Ｊを含む面で切断した断面において、中間ティース４２の側面がコア２Ａ，２Ｂの軸線Ｊ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。

　また、末端ティース４１は、図２に示すように、中間ティース側の側面が中間ティース４２の側面と同形状とされるとともに反中間ティース側の側面がコア２Ａ，２Ｂに軸線Ｊに直交する面を持つ台形状とされている。つまり、末端ティース４１における中間ティース側の側面はテーパ面となっており、この側面がコア２Ａ，２Ｂの軸線Ｊに直交する直交面Ｏとでなす内角θが中間ティース４２の側面が前記直交面Ｏとでなす内角θと等しくなっている。また、末端ティース４１の反中間ティース側の側面は、コア２Ａ，２Ｂの軸線Ｊに直交する面とされており、側面と外周端とでなす角度は９０度になっている。

　また、本実施の形態では、各コア２Ａ，２Ｂにおける図１中で隣り合うティース４１，４２の間、つまり、末端ティース４１と中間ティース４２との間および中間ティース４２，４２間には、空隙でなるスロット４３が合計で１８個設けられている。そして、全スロット４３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。各コア２Ａ，２Ｂの１８個のスロット４３には、それぞれ、図１中左側から順に、Ｗ相、Ｗ相、Ｗ相およびＶ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｖ相およびＵ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｕ相およびＷ相、Ｗ相およびＶ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｖ相およびＵ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｕ相および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２Ａ，２Ｂ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２Ａ，２Ｂは、ロッド１１の外周に固定される環状のスライダ１２，１３とで挟持されてロッド１１に固定されている。スライダ１２，１３の外周には、ウェアリング１２ａ，１３ａが装着されている。また、コア２Ａ，２Ｂ間には、ロッド１１の外周に固定される非磁性体で形成されるスペーサ１４が介装されており、コア２Ａとコア２Ｂは、間隔Ｋを空けてロッド１１に固定されている。スライダ１２，１３およびスペーサ１４の外径は、コア２Ａ，２Ｂの外径よりも大径に設定されている。そして、このように構成された電機子Ａは、筒状の界磁６内に推力方向である軸方向へ移動自在に挿入される。また、本実施の形態の場合、スペーサ１４によってコア２Ａとコア２Ｂとの間に間隔Ｋの磁気的なギャップが設けられている。

　他方、固定子Ｓ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７と、アウターチューブ７内に挿入される円筒状の軟磁性体で形成されるバックヨーク８と、バックヨーク８内に挿入されてバックヨーク８との間に環状隙間を形成する円筒状の非磁性体のインナーチューブ９と、バックヨーク８とインナーチューブ９との間の環状隙間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とを備えた界磁６とで構成されている。

　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。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６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≦０．５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Ｌ１を長くすればコア２Ａ，２Ｂ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２Ａ，２Ｂ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Ｍ１の推力を向上できる。

　また、本発明の筒型リニアモータＭ１では、永久磁石１０ａ，１０ｂの外周にバックヨーク８を設けている。バックヨーク８を設けると副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２を短くしても磁気抵抗の低い磁路を確保できるため、主磁極の永久磁石１０ａの軸方向長さＬ１を長くする際の筒型リニアモータＭ１の推力を効果的に向上できる。より詳しくは、永久磁石１０ａ，１０ｂの外周にバックヨーク８を設けると、磁気抵抗の低い磁路を確保できるので副磁極の永久磁石１０ｂの軸方向長さＬ２の短縮に起因する磁気抵抗の増大が抑制される。よって、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よりも長くするとともに永久磁石１０ａ，１０ｂの外周に筒状のバックヨーク８を設けると筒型リニアモータＭ１の推力を大きく向上させ得る。バックヨーク８の肉厚は、主磁極の永久磁石１０ａの外部磁気抵抗の増大を抑制に適する肉厚に設定されればよい。なお、バックヨーク８を設けると磁気抵抗の増大を抑制できるが、バックヨーク８の省略も可能である。

　なお、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２Ａ，２Ｂに作用させ得るようにしている。対して、コア２Ａ，２Ｂ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２Ａ，２Ｂ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やテリビウム等の重希土類元素の添加量を増やした減磁しにくい磁石で構成されている。

　また、固定子Ｓの内周側には、電機子Ａが挿入されており、界磁６は、電機子Ａに磁界を作用させている。なお、界磁６は、電機子Ａの可動範囲に対して磁界を作用させればよいので、電機子Ａの可動範囲に応じて永久磁石１０ａ，１０ｂ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７とインナーチューブ９との環状隙間のうち、電機子Ａ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。なお、バックヨーク８の長さは、永久磁石１０ａ，１０ｂを積層した長さと等しい長さとされており、永久磁石１０ａ，１０ｂがコア２Ａ，２Ｂのストローク範囲外に磁界を作用させて推力低下を招かないように配慮されている。

　また、アウターチューブ７、バックヨーク８およびインナーチューブ９の図１中左端はキャップ１５によって閉塞されており、アウターチューブ７、バックヨーク８およびインナーチューブ９の図１中右端は環状のヘッドキャップ１６によって閉塞されている。ヘッドキャップ１６は、内径がロッド１１の外径よりも大径であって、内周にダストシール１６ａを備えており、内周にロッド１１が挿通されている。そして、ダストシール１６ａは、ヘッドキャップ１６の内周に移動自在に挿入されるロッド１１の外周に摺接してロッド１１の外周をシールしている。

　インナーチューブ９の内周には、ロッド１１とロッド１１の外周に装着された電機子Ａ、スライダ１２，１３およびスペーサ１４が軸方向へ移動可能に挿入されている。このように電機子Ａが界磁６内に挿入されると各コア２Ａ，２Ｂが界磁６における８つ磁極に対向するので、筒型リニアモータＭ１は、８極９スロットのリニアモータとされている。また、インナーチューブ９の内周面には、ウェアリング１２ａ，１３ａを装着したスライダ１２，１３が摺接しており、スライダ１２，１３によって電機子Ａはロッド１１とともに界磁６に対して偏心せずに軸方向へスムーズに移動できる。インナーチューブ９は、電機子Ａ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、スライダ１２，１３と協働して電機子Ａの軸方向移動を案内する役割を果たしている。このように、界磁６に対して電機子Ａの偏心が防止されるので、電機子Ａの偏心による推力低下も阻止され、筒型リニアモータＭ１は安定して推力を発生できる。なお、スペーサ１４は、本実施の形態では、インナーチューブ９の内周に摺接してはいないが、ロッド１１に過大な径方向の外力が作用してロッド１１が撓んでもコア２Ａ，２Ｂに先立ってインナーチューブ９に当接する。よって、コア２Ａ，２Ｂのインナーチューブ９への干渉が阻止され、電機子Ａを保護できる。なお、インナーチューブ９は、非磁性体で形成されればよいが、合成樹脂で形成されると筒型リニアモータＭ１の推力密度向上効果が高くなる。インナーチューブ９を非磁性体の金属で製造すると、電機子Ａが軸方向へ移動する際にインナーチューブ９の内部に渦電流が生じて、電機子Ａの移動を妨げる力が発生してしまう。これに対して、インナーチューブ９を合成樹脂とすれば渦電流が生じないので筒型リニアモータＭ１の推力をより効果的に向上できるとともに、筒型リニアモータＭ１の質量を低減できる。なお、インナーチューブ９を合成樹脂とする場合、フッ素樹脂で製造すればスライダ１２，１３のウェアリング１２ａ，１３ａとの間の摩擦および摩耗を低減できる。また、インナーチューブ９を他の合成樹脂で形成してもよく、また、摩擦および摩耗を低減するべく他の合成樹脂で形成されたインナーチューブ９の内周をフッ素樹脂でコーティングしてもよい。

　なお、本実施の形態では、電機子Ａの両端に設けられたスライダ１２，１３をインナーチューブ９に摺接させているので、電機子Ａの界磁６に対する偏心の防止と電機子Ａの軸方向（推力方向）の円滑な移動が保証され、筒型リニアモータＭ１は、安定して推力を発生できる。また、界磁６が永久磁石１０ａ，１０ｂの内周に設けた非磁性体のインナーチューブ９を備えているので、筒型リニアモータＭ１の界磁６内に電機子Ａを挿入する際に電機子Ａが永久磁石１０ａ，１０ｂに吸引されて貼り付いてしまうのを防止できる。よって、インナーチューブ９を設けると、電機子Ａが永久磁石１０ａ，１０ｂに吸引されて貼り付いてしまって筒型リニアモータＭ１の組立が不能となってしまう事態が回避され、筒型リニアモータＭ１の組立作業も容易となる。

　本実施の形態では、スライダ１２，１３をインナーチューブ９に摺接させて電機子Ａの界磁６に対する偏心の防止と移動を案内しているが、スペーサ１４をインナーチューブ９に摺接させて、スライダ１２，１３と共に電機子Ａの偏心と移動を案内してもよい。

　なお、キャップ１５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１５ａ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７、バックヨーク８およびインナーチューブ９の軸方向長さは、電機子Ａの軸方向長さよりも長く、電機子Ａは、界磁６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６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Ｍ１における推力と電機子Ａ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Ｍ１では、電機子Ａが可動子であり、界磁６は固定子として振る舞う。また、電機子Ａと界磁６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Ｍ１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。

　ここで、図２において、末端ティース４１の外周端の軸方向の幅をＷとし、中間ティース４２の外周端の軸方向の幅をｙとし、ｘを正の値とすると、末端ティース４１の外周端の軸方向の幅Ｗは、Ｗ＝（ｙ／２）＋ｘとしている。つまり、末端ティース４１の幅Ｗは、ｙ／２以上とされている。中間ティース４２の外周端の幅をｙとしているので、末端ティース４１の外周端の幅Ｗは、磁路断面積の観点からｙ／２以上の長さが必要である。そして、ｘを０とした場合、つまり、末端ティース４１の幅Ｗをｙ／２とした場合のコア２Ａ，２Ｂの軸方向長さをコア２Ａ，２Ｂの基本長とすると、コア２Ａ，２Ｂの基本長は、界磁６の磁極ピッチＰの８倍の長さに設定されている。ここで、磁極ピッチＰは、図１に示すように設定されている。

　そして、末端ティース４１の外周端の幅Ｗを、前述の通り、Ｗ＝ｙ／２＋ｘとして、ｘを変化させると、それぞれのコア２Ａ，２Ｂの端効果によるコギング推力は変化する。ｘの値を０とすると、つまり、コア２Ａ，２Ｂを基本長とすると、界磁６に対するコア２Ａ，２Ｂの位置（ｄｅｇ）に対するコギング推力は、綺麗な正弦波とならず、図３に示すように、コア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度（２磁極ピッチ相当）までの範囲で２周期分の乱れた単位波が現れる波形となっている。コア２Ａ，２Ｂの左右の末端ティース４１にて端効果が現れるので、コア２Ａ，２Ｂのコギング推力は、左右の末端ティース４１の端効果のコギング推力を合成したものとなる。

　そして、ｘの値を増加させていくと徐々にコギング推力の波形における単位波が正弦波に近づくように変化し、コギング推力の波形は或る値ｘ１で略綺麗な正弦波形となる。この或る値ｘ１では、図４に示すように、コア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲でコギング推力の波形は、正弦波が２周期分現れる波形となる。

　ｘの値をｘ１からさらに増加させていくとコギング推力の波形は乱れて正弦波とはならず、図５に示すように、コア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲で４周期分の乱れた単位波が現れる波形となる。そして、ｘの値をさらに増加させていくと徐々にコギング推力の波形は正弦波形に近づくように変化し、或る値ｘ２で略綺麗な正弦波形となる。この或る値ｘ２では、図６に示すように、コア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度の範囲でコギング推力の波形は、正弦波が４周期分現れる波形となる。

　ｘの値をｘ２からさらに増加させていくとコギング推力の波形は乱れて正弦波とはならず、コア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲で８周期分の乱れた単位波が現れる波形となるが、やがては略綺麗な８周期分の正弦波が現れる波形となる。

　このようにｘの値によって各コア２Ａ，２Ｂのコギング推力の波形は変化し、コギング推力の波形が正弦波となるｘの値があるが、ｘの値が大きくなるにつれてコア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲でコギング推力の波形の波の数は多くなっていく。

　そして、ｘの値がｘ１或いはｘ２となる場合、各コア２Ａ，２Ｂのコギング推力の波形がきれいな正弦波となる。よって、コア２Ａのコギング推力の正弦波形に対してコア２Ｂのコギング推力の正弦波形が逆位相となるように、コア２Ａとコア２Ｂの間の間隔を調節すれば、コア２Ａのコギング推力をコア２Ｂのコギング推力で打ち消して電機子Ａの全体のコギング推力を極小さくできる。

　コギング推力の波形がコア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲で正弦波が二つ現れる波形の場合、コア２Ａのコギング推力をコア２Ｂのコギング推力で打ち消すには、コア２Ａに対してコア２Ｂを軸方向に９０度或いは２７０度離間させればよい。一般化すれば、コア２Ａに対してコア２Ｂを９０＋１８０ｎ（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）を演算して求めた度数だけ離間させればよい。コア２Ａ，２Ｂの末端ティース４１の幅Ｗのうち、長さｘは電気角に影響を与えない。よって、コア２Ａに対してコア２Ｂを軸方向に（９０＋１８０ｎ）度離間させるには、コア２Ａとコア２Ｂとの間の間隔の長さをＫとし、Ｋ＝ｚ－２ｘとすると、値ｚが（９０＋１８０ｎ）度分のずれを生じさせる長さに設定されればよい。９０度は、磁極ピッチをＰとすると、Ｐ／２に相当する長さとなり、２７０度は、３Ｐ／２に相当する長さとなる。よって、値ｚが（１＋２ｎ）Ｐ／２（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）を満たす値となればよい。

　また、コギング推力の波形がコア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲で正弦波が４つ現れる波形の場合、コア２Ａのコギング推力をコア２Ｂのコギング推力で打ち消すには、コア２Ａに対してコア２Ｂを軸方向に４５度、１３５度、２２５度或いは３１５度離間させればよい。一般化すれば、コア２Ａに対してコア２Ｂを４５＋９０ｎ（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）を演算して求めた度数だけ離間させればよい。コア２Ａ，２Ｂの基本長が磁極ピッチＰの整数倍に設定されているので、コア２Ａに対してコア２Ｂを軸方向に（４５＋９０ｎ）度離間させるには、コア２Ａとコア２Ｂとの間の間隔の長さをＫとし、Ｋ＝ｚ－２ｘとすると、値ｚが（４５＋９０ｎ）度分のずれを生じさせる長さに設定されればよい。たとえば、４５度は、磁極ピッチをＰとすると、Ｐ／４に相当する長さとなり、１３５度は、３Ｐ／４に相当する長さとなる。よって、値ｚが（１＋２ｎ）Ｐ／４（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）を満たす値となればよい。

　このように、ｘの値をｘ１或いはｘ２として末端ティース４１の幅Ｗを設定し、ｘの値に基づいてｚの値を求め、値ｚからコア２Ａとコア２Ｂの間の間隔Ｋを設定すれば、電機子Ａのコギング推力を極小さくできる。なお、電機子Ａのコギング推力を低減するには、ｘの値をコア２Ａ，２Ｂの単独コギング推力の波形を正弦波とする値に設定するほうがよいが、ｘの値がそのような値に設定されなくとも電機子Ａ全体のコギング推力を低減できる。

　ｘの値に応じて適宜間隔Ｋをコギング推力を低減できるように設定するのを条件として、ｘの値に応じて電機子Ａの全体のコギング推力がどのように変化するかを調べた結果を図７に示す。図７は、末端ティース４１の外周端の幅Ｗをｙ／２とした場合の電機子Ａ全体のコギング推力を基準として、ｘの値の変化に対して電機子Ａの全体のコギング推力がどのように変化するかを示したグラフである。なお、図７のグラフは、ｘの値がｘ２未満である場合、値ｚを（１＋２ｎ）Ｐ／２（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）とし、ｘの値がｘ２以上である場合、値ｚを（１＋２ｎ）Ｐ／４（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）とした結果を表している。

　図７から理解できるように、末端ティース４１の外周端の幅Ｗは、ｙ／２より大きくすれば、筒型リニアモータＭ１のコギング推力は低下する。よって、末端ティース４１の外周端の軸方向の幅Ｗは、Ｗ＞ｙ／２を満たすように設定すれば、筒型リニアモータＭ１のコギング推力を低減できる。また、図７に示すように、縦軸をコギング推力とし、ｘの値を横軸に採ると、コギング推力は、コア２Ａ，２Ｂの単独のコギング推力の波形が正弦波となる値ｘ１，ｘ２で周期的に最小値を採るように推移する。

　前述したように、コア２Ａ，２Ｂの末端ティース４１の幅Ｗをｙ／２＋ｘとすると、ｘの値によってコア２Ａ，２Ｂの単独のコギング推力の波形がコア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度の範囲で何周期分の単位波が現れるのかが分かるので、ｘの値に基づいて間隔Ｋを最適化すれば電機子Ａの全体のコギング推力を低減できる。また、ｘの値を最適化してコア２Ａ，２Ｂの単独のコギング推力の波形が正弦波とすれば、電機子Ａのコギング推力を最小化できる。

　よって、末端ティース４１の幅ＷをＷ＝ｙ／２とした場合のコア２Ａ，２Ｂの軸方向長さである基本長を磁極ピッチＰの整数倍とし、末端ティース４１の幅Ｗをコギング推力の低減に適するよう幅に設定し、ｘの値に基づいてコア２Ａ，２Ｂ間の間隔Ｋを適宜設定すればコギング推力を低減できる。

　本実施の形態の場合、スペーサ１４によってコア２Ａとコア２Ｂとの間に磁気的に間隔Ｋの隙間を設けており、スペーサ１４の軸方向の幅を間隔Ｋに設定している。よって、ｘの値に基づいてｚの値を求めて、Ｋ＝ｚ－２ｘを演算して、スペーサ１４の軸方向の幅を決定すればよい。また、スペーサ１４を省略する場合には、ロッド１１の外周にコア２Ａ，２Ｂを間隔Ｋだけ軸方向に離して固定するようにしてもよい。

　前述の通り、値ｘは、コギング推力を最小にするｘ１，ｘ２に設定されれば最適となるが、たとえば、前記幅Ｗがｙ／２とされた場合のコギング推力に対してコギング推力が５０％以下となる範囲内の値を得られるように設定されてもよい。このように設定しても、筒型リニアモータＭ１のコギング推力は、末端ティース４１の幅Ｗをｙ／２に設定した際のコギング推力よりも半減するので十分なコギング推力の低減効果が得られる。なお、図７に示した例では、ｘの値が範囲β１内にあるか、或いは範囲β２内にある場合に前記幅Ｗがｙ／２とされた場合のコギング推力に対してコギング推力が５０％（図７中破線で示したライン）以下となるので、ｘの値を範囲β１或いは範囲β２の値に設定してもよい。なお、コギング推力は、末端ティース４１の外周端の幅Ｗが変化すると周期的に最小値を採るので、幅Ｗがｙ／２とされた場合のコギング推力に対してコギング推力が５０％以下となる範囲内の値を得られるように設定されればよい。ただし、コア２の質量は、末端ティース４１の幅が大きくなると増加するので、コギング推力を低減できるｘの値の範囲はいくつも存在するが、図７に示したように、ｘの値がなるべく小さい値となるようにするとよい。そこで、値ｘが中間ティース４２の外周端の幅ｙの１％からスロットピッチの長さの間の値を採るように設定されると、コア２の無用な質量増加を招かずにコギング推力の低減を図れる。つまり、前記末端ティース４１の外周端の幅Ｗは、スロットピッチ長さをＳとすると、ｙ／２＋０．０１ｙ≦Ｗ≦ｙ／２＋Ｓを満たすように設定されると、コア２の無用な質量増加を招かずにコギング推力の低減を図れる。幅Ｗは、磁路断面積の観点からｙ／２以上の長さが必要であり、最小限必要な幅であるｙ／２の値にスロットピッチ長さＳを加えると幅Ｗをｙ／２とした場合と同じ状態となる。よって、ｙ／２＋０．０１ｙ≦Ｗ≦ｙ／２＋Ｓを満たすように設定されると、コア２の無用な質量増加を招かない。

　また、前述したところでは、電機子Ａが二つのコア２Ａ，２Ｂを備えているが、図８に示した一実施の形態の第一変形例の筒型リニアモータＭ２のように、電機子Ａが三つのコア２Ａ，２Ｂ，２Ｃを備える場合には、以下のようにすればよい。この場合、コア２Ａ，２Ｂ間とコア２Ｂ，２Ｃ間にスペーサ１４ａ，１４ｂを設けて、コア２Ａとコア２Ｂとの間と、コア２Ｂとコア２Ｃとの間に間隔Ｋの磁気的なギャップが設けられる。

　スペーサ１４ａ，１４ｂは、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの外径よりも大きな外径を有している。よって、スペーサ１４ａ，１４ｂは、スペーサ１４と同様に、コア２Ａ，２Ｂ間およびコア２Ｂ，２Ｃ間に磁気的なギャップを設ける機能を発揮する他、ロッド１１が過大な外力により撓んでもインナーチューブ９とコア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの干渉を阻止する機能を発揮する。なお、スペーサ１４ａ，１４ｂは、インナーチューブ９の内周に常時摺接してスライダ１２，１３とともに電機子Ａの推力方向への移動を案内してもよい。

　ｘの値をｘ１として各コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの位置が０度から３６０度の範囲でコギング推力の波形を２周期分の正弦波となるようにすると、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃを三つにする場合では、値ｚを６０＋１８０ｎ（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）度分のずれを生じさせる長さに設定すれば、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃのコギング推力が打ち消しあって電機子Ａのコギング推力を極小さくできる。つまり、値ｚを（１＋３ｎ）Ｐ／３（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）を満たす値に設定すればよい。

　また、ｘの値をｘ２としてコギング推力の波形がコア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの位置が０度から３６０度までの範囲で正弦波が四つ現れる波形とすると、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃを三つにする場合では、値ｚを３０＋９０ｎ（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）度分のずれを生じさせる長さに設定すれば、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃのコギング推力が打ち消しあって電機子Ａのコギング推力を極小さくできる。つまり、値ｚを（１＋３ｎ）Ｐ／６（ただし、ｎ＝０、１、２・・・）を満たす値に設定すればよい。

　このように、ｘの値をｘ１或いはｘ２として末端ティース４１の幅Ｗを設定し、ｘの値に基づいてｚの値を求め、値ｚからコア２Ａ、２Ｂ間とコア２Ｂ，２Ｃの間の間隔Ｋを設定すれば、電機子Ａのコギング推力を極小さくできる。なお、電機子Ａのコギング推力を低減するには、ｘの値をコア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの単独コギング推力の波形を正弦波とする値に設定するほうがよいが、ｘの値がそのような値に設定されなくとも電機子Ａ全体のコギング推力を低減できる。

　以上のように、本発明の筒型リニアモータＭ１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４１，４２とを有して軸方向に並べて配置される複数のコア２Ａ，２Ｂと、各コア２Ａ，２Ｂのティース４１，４２間のスロット４３に装着される巻線５とを有する電機子Ａと、筒状であって電機子Ａが内方に軸方向に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６とを備え、各コア２Ａ，２Ｂに対して両端に配置された各ティースを末端ティース４１とし、末端ティース４１以外のティースを中間ティース４２とし、末端ティース４１の外周端の幅をＷとし、中間ティース４２の外周端の幅をｙとし、ｘを正の値とし、末端ティース４１の外周端の幅ＷをＷ＝ｙ／２＋ｘとし、隣り合うコア２Ａ，２Ｂ同士の間隔Ｋがｘの値に基づいて設定されている。

　このように構成された筒型リニアモータＭ１では、末端ティース４１の外周端の幅Ｗをコギング推力を低減できる幅に設定して、電機子Ａの全体のコギング推力の低減を図るので、コア２Ａ，２Ｂの軸方向長さが磁極ピッチＰの整数倍に固定化されない。このようにコア２Ａ，２Ｂの磁極ピッチに対する軸方向の長さ条件は磁極ピッチの５倍などと固定化されないので、電機子Ａの設計自由度が向上する。以上、本発明の筒型リニアモータＭ１によれば、設計自由度を向上しつつもコギング推力を低減できる。なお、このことは、三つのコア２Ａ，２Ｂ，２Ｃを持つ筒型リニアモータＭ２にあっても同様であり、本発明の筒型リニアモータＭ２によれば、設計自由度を向上しつつもコギング推力を低減できる。

　コア２Ａ，２Ｂの数が２つであって、コア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲でコア２Ａ，２Ｂの単体のコギング推力の波形が２周期分の正弦波である場合、ｚを（１＋２ｎ）Ｐ／２とすると電機子Ａの全体のコギング推力を極小さくできる。また、コア２Ａ，２Ｂの数が２つであって、コア２Ａ，２Ｂの位置が０度から３６０度までの範囲でコア２Ａ，２Ｂの単体のコギング推力の波形が４周期分の正弦波である場合、ｚを（１＋２ｎ）Ｐ／４とすると電機子Ａの全体のコギング推力を極小さくできる。よって、コア２Ａ，２Ｂの数が２であり、間隔ＫをＫ＝ｚ－２ｘとするとき、界磁６の磁極ピッチをＰとし、ｎを０以上の整数とすると、値ｚは、値ｘに基づいて（１＋２ｎ）Ｐ／２或いは（１＋２ｎ）Ｐ／４のいずれかに設定されるとよい。

　また、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの数が３つであって、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの位置が０度から３６０度までの範囲でコア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの単体のコギング推力の波形が２周期分の正弦波である場合、値ｚを（１＋３ｎ）Ｐ／３とすると電機子Ａの全体のコギング推力を極小さくできる。コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの数が３つであって、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの位置が０度から３６０度までの範囲でコア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの単体のコギング推力の波形が４周期分の正弦波である場合、値ｚを（１＋３ｎ）Ｐ／６とすると電機子Ａの全体のコギング推力を極小さくできる。よって、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの数が３であり、間隔ＫをＫ＝ｚ－２ｘとするとき、界磁６の磁極ピッチをＰとし、ｎを０以上の整数とすると、値ｚは、値ｘに基づいて（１＋３ｎ）Ｐ／３或いは（１＋３ｎ）Ｐ／６のいずれかに設定されるとよい。

　さらに、値ｘが界磁６に対するコア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの軸方向移動に対するコギング推力の波形が正弦波となるように設定されると、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃのコギング推力を互いに効率よく打ち消しあえるので、筒型リニアモータＭ１，Ｍ２のコギング推力を極小さくできる。

　また、末端ティース４１の外周端の幅Ｗがｙ／２＋０．０１ｙ≦Ｗ≦ｙ／２＋Ｓを満たすように設定される、即ち、値ｘが０．０１ｙ≦ｘ≦Ｓを満たすように設定される場合には、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの無用な質量増加を招かずにコギング推力の低減を図れる。そして、コア２Ａ，２Ｂ，２Ｃの無用な質量増加を招かないから、筒型リニアモータＭ１の質量推力密度が向上する。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Ｍ１の最大推力を質量で割った数値であり、末端ティース４１の質量が増えても推力が増加するわけではないので、末端ティース４１の質量を軽量とするほうが質量推力密度が向上する。よって、このように構成された筒型リニアモータＭ１によれば、質量当たりの推力が大きくなるので小型で大きな推力が得られる。

　さらに、本実施の形態の筒型リニアモータＭ１にあっては、中間ティース４２が内周端の幅ｙｉより外周端の幅ｙが狭い等脚台形状とされており、末端ティース４１が中間ティース側の側面が中間ティース４２の側面と同形状とされるとともに反中間ティース側の側面がコア２の軸線Ｊに直交する面を持つ台形状とされている。

　このように末端ティース４１の形状を前述のような台形状とすると、図２に示すように、末端ティース４１の外周端の軸方向の幅Ｗよりも内周端の軸方向の幅Ｗｉの方が大きい。末端ティース４１の形状を前述のようにする場合と、外周端の軸方向の幅Ｗを同じにして末端ティース４１の断面を矩形とする場合とで比較すると、末端ティース４１の断面を台形状とするほうが内周端における磁路断面積は広くなる。また、中間ティース４２の形状を前述のように設定すると、図２に示すように、中間ティース４２の外周端の軸方向の幅ｙよりも内周端の軸方向の幅ｙｉの方が大きい。中間ティース４２の形状を前述のような等脚台形状とする場合と、外周端の軸方向の幅ｙを同じにして中間ティース４２の断面を矩形とする場合とで比較すると、中間ティース４２の断面を等脚台形状とするほうが内周端における磁路断面積は広くなる。よって、このように構成された筒型リニアモータＭ１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生できる。なお、推力の向上のためには、末端ティース４１と中間ティース４２の断面形状を台形とするとよいが、コギング推力の低減には影響がないので末端ティース４１と中間ティース４２の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、末端ティース４１および中間ティース４２の断面における側面と直交面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。以上より、末端ティース４１および中間ティース４２の断面を台形状とする場合、前記内角θを６度から１２度の範囲の角度とすると、筒型リニアモータＭ１の質量当たりの推力が大きくなるので小型で大きな推力が得られる。

　また、図９に示すように、コア２Ａ，２Ｂが、ヨーク３と、末端ティース４１および中間ティース４２とが設けられるコア本体２１と、コア本体２１の両端のそれぞれに着脱可能に装着される環状プレート２２，２２とで構成されてもよい。この環状プレート２２，２２は、共に軸方向の幅が等しく、コア本体２１と同一の材料で作られており、コア本体２１の両端にそれぞれ装着されると末端ティース４１の一部として機能し、末端ティース４１の外周端における軸方向の幅Ｗを調整する機能を発揮する。つまり、環状プレート２２は、コギング推力の低減の調整をも担っている。コア２Ａ，２Ｂ或いは末端ティース４１の寸法公差等によって、コア本体２１のみではコギング推力の低減効果が少ない場合、環状プレート２２，２２の装着によって、コギング推力の低減効果を向上できる。なお、異なる幅の環状プレート２２を用意しておき、コア本体２１に最適な幅の環状プレート２２を選択して装着してもよいし、幅が薄い環状プレートを複数枚重ねてコア本体２１に装着するようにしてもよい。また、環状プレート２２のコア本体２１への装着に際しては、たとえば、コア本体２１に螺子孔を設けるとともに環状プレート２２に孔を設けて、螺子を用いてコア本体２１に環状プレート２２を固定してもよいし、他の固定方法を採用してもよい。

　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、２０１８年４月１７日に日本国特許庁に出願された特願２０１８－０７９３３９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

　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して軸方向に並べて配置される複数のコアと、前記各コアのティース間のスロットに装着される巻線とを有する電機子と、
　筒状であって、前記電機子が内方に軸方向に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、
　前記各コアに対して両端に配置された各ティースを末端ティースとし、前記末端ティース以外のティースを中間ティースとし、前記末端ティースの外周端の幅をＷとし、前記中間ティースの外周端の幅をｙとし、ｘを正の値とし、前記末端ティースの外周端の幅ＷをＷ＝ｙ／２＋ｘとし、隣り合うコア同士の間隔をＫとし、前記間隔Ｋをｘの値に基づいて設定する
　筒型リニアモータ。
　請求項１に記載の筒型リニアモータであって、
　前記コアの数が２であり、
　前記間隔ＫをＫ＝ｚ－２ｘとするとき、前記界磁の磁極ピッチをＰとし、ｎを０以上の整数とすると、前記値ｚは、前記値ｘに基づいて（１＋２ｎ）Ｐ／２或いは（１＋２ｎ）Ｐ／４のいずれかに設定される
　筒型リニアモータ。
　請求項１に記載の筒型リニアモータであって、
　前記コアの数が３であり、
　前記間隔ＫをＫ＝ｚ－２ｘとするとき、前記界磁の磁極ピッチをＰとし、ｎを０以上の整数とすると、前記値ｚは、前記値ｘに基づいて（１＋３ｎ）Ｐ／３或いは（１＋３ｎ）Ｐ／６のいずれかに設定される
　筒型リニアモータ。
　請求項１に記載の筒型リニアモータであって、
　前記値ｘは、前記界磁に対する前記コアの軸方向移動に対するコギング推力の波形が正弦波となるように設定される
　筒型リニアモータ。
　請求項１に記載の筒型リニアモータであって、
　前記値ｘは、前記コアのスロットピッチの長さをＳとすると、０．０１ｙ≦ｘ≦Ｓを満たす
　筒型リニアモータ。
　請求項１に記載の筒型リニアモータであって、
　前記コアは、コア本体と、前記コア本体の両端のそれぞれに着脱可能に装着されて前記末端ティースの一部として機能する環状プレートとを有する
　筒型リニアモータ。
　請求項１に記載の筒型リニアモータであって、
　前記中間ティースは、内周端の幅より外周端の幅が狭い等脚台形状とされ、
　前記末端ティースは、前記中間ティース側の側面が前記中間ティースの側面と同形状とされるとともに反中間ティース側の側面が前記コアの軸線に直交する面を持つ台形状とされている
　筒型リニアモータ。