WO2020261809A1

WO2020261809A1 - 直動電動機

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Publication number: WO2020261809A1
Application number: PCT/JP2020/019648
Authority: WO
Inventors: 康明青山; 中津川　潤之介; 邦彦法月; 隆章古関; サルマンアーメド; 祐人光井
Original assignee: 株式会社日立製作所; 国立大学法人東京大学
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-12-30
Also published as: US20220329142A1; JP2021005946A; US11962215B2

Abstract

本発明の課題は、６ｎティース構造の直動電動機において、脈動の低減と推力の増大を両立することである。このため、複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第一可動子と、第一可動子と対向するように長手方向に並べた６ｎ個のティースと、各ティースに巻いた６ｎ個の巻線を有する第一固定子と、複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第二可動子と、第二可動子と対向するように長手方向に並べた６ｎ個のティースと、各ティースに巻いた６ｎ個の巻線を有する第二固定子と、平行配置した第一可動子と第二可動子を結合する結合部材と、を具備する直動電動機であって、第一可動子と第二可動子の対向する永久磁石同士は、両可動子の進行方向にπ／２の位相差を設けて配置されており、第一固定子と第二固定子の対向する巻線同士には、（１＋６ｍ）π／３、または、（２＋６ｍ）π／３の位相差を設けた電流が供給される直動電動機とした。

Description

直動電動機

　本発明は、可動子が直線駆動する直動電動機（リニアモータ）に関する。

　近年では、自動車、鉄道、産業機器、家電などの様々な技術分野において、直動動作の動力源として、制御性や効率の高い直動電動機（リニアモータ）の採用が進んでいる。そして、直動電動機の用途拡大に伴い、駆動時の騒音や振動の低減に対する要求が更に高まってきている。

　しかし、直動電動機は、磁気回路が円周状に構成される回転電動機と異なり、磁気回路に端部が生じるため、磁気回路のアンバランスが原因となり、推力の脈動や、騒音、振動が発生していた。

　このような背景から、例えば、特許文献１の図６では、複数の可動子の磁石をずらすことで脈動を低減し、かつ、複数の固定子の巻線の相順を相互にずらすことで推力の低下を抑制する構造が提案されている。

特開平１０－５２０２５号公報

　しかしながら、特許文献１が開示するのは、可動子の磁石２極に固定子のティース３個が対向する２極３ティース構造の直動電動機に留まり、脈動をより低減すべく、磁石数とティース数の比を変更した場合に、推力を大きくする構成は明らかにされていない。

　例えば、三相電流により駆動される直動電動機の脈動を低減する構造として、６ティース構造（５極６ティース構造、７極６ティース構造）や、１２ティース構造（１１極１２ティース構造、１３極１２ティース構造）等、６ｎティース構造（ｎは自然数）の直動電動機も知られているが、この６ｎティース構造の直動電動機において、可動子の各磁石を配置する位相や、固定子の各巻線に供給する電流の位相をどのように設定すれば、脈動の低減と推力の増大を両立できるかは特許文献１では明らかにされていなかった。

　上記課題を解決するために、本実施例の直動電動機は、三相電流が供給されるものであって、複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第一可動子と、該第一可動子と対向するように前記長手方向に並べた６ｎ個（ｎは任意の自然数）のティースと、各ティースに巻いた６ｎ個の巻線を有する第一固定子と、複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第二可動子と、該第二可動子と対向するように前記長手方向に並べた６ｎ個（ｎは任意の自然数）のティースと、各ティースに巻いた６ｎ個の巻線を有する第二固定子と、平行配置した前記第一可動子と前記第二可動子を結合する結合部材と、を具備する直動電動機であって、前記第一可動子と前記第二可動子の対向する永久磁石同士は、両可動子の進行方向にπ／２の位相差を設けて配置されており、前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、（１＋６ｍ）π／３、または、（２＋６ｍ）π／３（ｍは任意の整数）の位相差を設けた電流が供給されるものとした。

　本発明の直動電動機によれば、６ｎティース構造の直動電動機において、脈動の低減と推力の増大を両立することができる。

実施例１の直動電動機の斜視図実施例１の直動電動機のＹＺ平面の断面図実施例１の直動電動機のディテント波形実施例１の直動電動機の推力特性実施例２の直動電動機のＹＺ平面の断面図実施例３の直動電動機のＹＺ平面の断面図実施例４の直動電動機のＹＺ平面の断面図実施例５の直動電動機のＹＺ平面の断面図実施例６の直動電動機のＹＺ平面の断面図実施例７の直動電動機のＹＺ平面の断面図

　図１～図１０を参照し、本発明の直動電動機の実施例を説明する。

　本発明の直動電動機は、三相電流により駆動され、ティース数が６ｎ個（ｎは任意の整数）の固定子を複数有し、可動子を固定子と同数有した電動機である。以下では、可動子と固定子を二組備えた、６ティース構造の直動電動機（実施例１、２、５）と、１２ティース構造の直動電動機（実施例３、４、６、７）を説明するが、可動子の永久磁石の表裏を挟み込むように固定子のティースを配置することで、永久磁石の磁束を有効に活用する効果が得られれば、本発明の構造は、図１～図１０に例示する構造に限定されるものではない。

　図１～図４を用いて、本発明の実施例１の直動電動機１について説明する。

　図１の斜視図に示すように、本実施例の直動電動機１は、主に、可動子１０と、固定子２０と、可動子１０を結合する結合部材３０から構成された電動機である。なお、図１においては、直動電動機１の幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向、可動子１０の進行方向をＺ方向としている。

　可動子１０は、Ｘ方向に長い平板状の永久磁石２と、Ｚ方向に長い平板状の保持部材３で構成される。保持部材３は、複数の永久磁石２をＺ方向に並べて保持している。

　固定子２０は、巻線４と磁性体５で構成される。磁性体５は、可動子１０の永久磁石２の周囲に磁気回路を形成するものであり、永久磁石２と対向する複数個のティース６を備えている。このティース６の各々には、図示しない電源から電流が供給される巻線４が巻かれている。なお、磁性体５は、鋳造などにより一体成型されたものであっても良いし、電磁鋼板をＸ方向またはＺ方向に積層することで形成したものであっても良い。

　このような直動電動機１において、固定子２０の巻線４に後述する位相の電流を供給することで、可動子１０をＺ方向に直線駆動することができる。

　図２は、図１の直動電動機１のＹＺ平面での断面図である。ここに示すように、本実施例の直動電動機１は、上側に一組の可動子１０と固定子２０（上可動子１０ａと上固定子２０ａ）を配置し、下側にも一組の可動子１０と固定子２０（下可動子１０ｂと下固定子２０ｂ）を配置したものであり、上下に平行配置した上可動子１０ａと下可動子１０ｂを結合部材３０で結合することで、巻線４に電流を流したときに両可動子に働く力を合成することができる。

　また、上固定子２０ａは、６個のティース６ａ（ティース６ａ_１～６ａ_６）を備えており、各ティースには巻線４ａ（巻線４ａ_１～４ａ_６）が巻かれている。同様に、下固定子２０ｂも、６個のティース６ｂ（ティース６ｂ_１～６ｂ_６）を備えており、各ティースには巻線４ｂ（巻線４ｂ_１～４ｂ_６）が巻かれている。

　図２から明らかなように、本実施例の直動電動機１は、Ｚ方向に並んだ６個のティース６に５極の永久磁石２が対向する、５極６ティース構成である。そして、上可動子１０ａと下可動子１０ｂの対向する永久磁石同士を、位相差π／２を設けて配置している。

　図３は、本実施例の直動電動機１のディテント波形を示す。ここでは、上下の可動子１０の永久磁石２の配置に位相ずれが無い場合を０°（破線）で示しており、位相をπ／２ずらした場合を９０°（実線）として示している。同図から明らかなように、上下の可動子１０の対向する永久磁石２同士の配置をπ／２ずらすことにより、ずらさない場合に比べ、ディテントを大きく低減できる。特に、直動電動機１の磁性体５の端部の影響および３相の磁性体の不平衡によって生じる２次脈動を大きく低減できる。

　２次脈動の低減には、磁性体５をＺ方向に三分割したことも寄与している。図２に示すように、本実施例の磁性体５は、ティース６ａ_１、６ａ_２、６ｂ_１、６ｂ_２を有する磁性体５１と、ティース６ａ_３、６ａ_４、６ｂ_３、６ｂ_４を有する磁性体５２と、ティース６ａ_５、６ａ_６、６ｂ_５、６ｂ_６を有する磁性体５３と、に分割されている。このように、固定子２０をＺ方向に分割することにより、磁性体端部の影響を均一化でき、脈動を低減できる。なお、磁性体５をＺ方向に分割することで、磁性体５の製作時の寸法誤差や組み立て誤差で脈動が大きくなることも考えられるが、上下の可動子１０の位相と、上下の巻線の位相と、各磁性体の位置を調整することで、２次以外の脈動も低減できる。

　また、図２に示すように、上固定子２０ａのティース６ａ_１～６ａ_６に巻かれた各巻線
（巻線４ａ_１～４ａ_６）には、Ｕ、Ｕ－、Ｖ－、Ｖ、Ｗ、Ｗ－の位相の電流が与えられる。これに対し、下固定子２０ｂのティース６ｂ_１～６ｂ_６に巻かれた各巻線（巻線４ｂ_１～４ｂ_６）には、Ｗ－、Ｗ、Ｕ、Ｕ－、Ｖ－、Ｖの位相の電流が与えられる。なお、ＵとＵ－、ＶとＶ－、ＷとＷ－の位相差は夫々１８０°、ＵとＶ、ＶとＷ、ＷとＵの位相差は夫々１２０°である。

　直動電動機１の各巻線に、上記した位相の電流を供給した場合の、上固定子２０ａと下固定子２０ｂの対向する巻線４の位相差を図２の下部に示す。すなわち、上固定子２０ａと下固定子２０ｂの対向する巻線４同士に供給される電流の位相差は何れもπ／３となる。

　次に、図４を用いて、対向する巻線４同士の位相差が何れもπ／３である場合の、電流値と推力の特性について説明する。破線（ａ）は、電流位相を上下の巻線４で同一にした場合のグラフであり、実線（ｂ）は、電流位相を上下の巻線４でπ／３の位相差を設けた場合のグラフである。両者の比較から、巻線４に同じ電流を供給する場合、上下の巻線４の位相差をπ／３とすることで、位相差を設けない場合に比べ、大きな推力が得られることが分かる。なお、ここでは、上下巻線間の位相差をπ／３と表現したが、さらに２πの位相差を設けてもよいため、上下巻線間に設ける位相差は（１＋６ｍ）π／３と一般化できる（ｍは任意の整数）。

　このように、以上で説明した本実施例によれば、５極６ティース構成の直動電動機１において、脈動の低減と推力の増大を両立することができる。

　なお、以上で説明した本実施例の直動電動機１は、例えば、駆動システム、直動発電システム、直動アクチュエータ等に適用することができる。

　以下に本発明の実施例２の直動電動機１について説明する。なお、上述した実施例との共通点は重複説明を省略する。

　図５に示すように、本実施例の直動電動機１は、６個のティース６に７極の永久磁石２が対向する、７極６ティースの構成である。なお、図５では、永久磁石２とティース６の配置をわかりやすくするために、保持部材３は省略している。本実施例でも、上下の永久磁石２の位相差をπ／２とすることで、可動子の２次脈動成分が抑制される。

　また、上固定子２０ａの巻線４ａには、図中の左から右に向けて、それぞれＵ、Ｕ－、Ｖ－、Ｖ、Ｗ、Ｗ－、の位相の電流が与えられる。一方、下固定子２０ｂの巻線４ｂには、図中の左から右に向けて、それぞれＶ、Ｖ－、Ｕ－、Ｕ、Ｗ、Ｗ－、の位相の電流が与えられる。この時の上固定子２０ａと下固定子２０ｂの巻線の位相差を図５下側に示す。
すなわち、上固定子２０ａと下固定子２０ｂの各巻線の位相差は何れも２π／３となる。
なお、ここでは、上下巻線間の位相差を２π／３と表現したが、さらに２πの位相差を設けてもよいため、上下巻線間に設ける位相差は（２＋６ｍ）π／３と一般化できる（ｍは任意の整数）。

　このような構成とした場合も、実施例１の図３、図４で説明したと同等の効果を得ることができる。

　以上で説明した本実施例によれば、７極６ティース構成の直動電動機１において、脈動の低減と推力の増大を両立することができる。

　以下に本発明の実施例３の直動電動機１について説明する。なお、上述した実施例との共通点は重複説明を省略する。

　図６に示すように、本実施例は、１２個のティース６に１１極の永久磁石２が対向する、１１極１２ティースの構成である。本実施例でも、上下の永久磁石２の位相差をπ／２とすることで、可動子の２次脈動成分が抑制される。

　また、上固定子２０ａの巻線４ａの電流位相を、図中の左から右に向けて、それぞれＵ、Ｕ－、Ｕ、Ｖ、Ｖ－、Ｖ、Ｖ－、Ｗ－、Ｗ、Ｗ－、Ｗ、Ｕ、とし、下固定子２０ｂの巻線４ｂの電流位相を、図中の左から右に向けて、それぞれＷ－、Ｗ、Ｗ－、Ｗ、Ｕ、Ｕ－、Ｕ、Ｕ－、Ｖ－、Ｖ、Ｖ－、Ｖ、とする。このようにすることで、実施例１の図３、図４で説明したと同様に、２次脈動を低減しつつ、推力の大きな直動電動機を構成できる。
なお、このとき、上固定子２０ａと下固定子２０ｂの各巻線の位相差は、π／３、π／３、π／３、２π／３、π／３、π／３、π／３、２π／３、π／３、π／３、π／３、２π／３、となる。

　以上で説明した本実施例によれば、１１極１２ティース構成の直動電動機１において、脈動の低減と推力の増大を両立することができる。

　以下に本発明の実施例４の直動電動機１について説明する。なお、上述した実施例との共通点は重複説明を省略する。

　図７に示すように、本実施例の直動電動機１は、１２個のティース６に１３極の永久磁石２が対向する、１３極１２ティースの構成である。本実施例でも、上下の永久磁石２の位相差をπ／２とすることで、可動子の２次脈動成分が抑制される。

　また、上固定子２０ａの巻線４ａの電流位相を、図中の左から右に向けて、それぞれＵ、Ｕ－、Ｕ、Ｖ、Ｖ－、Ｖ、Ｖ－、Ｗ－、Ｗ、Ｗ－、Ｗ、Ｕ、とし、下固定子２０ｂの巻線４ｂの電流位相を、図中の左から右に向けて、それぞれＶ、Ｖ－、Ｖ、Ｖ－、Ｕ－、Ｕ、Ｕ－、Ｕ、Ｗ、Ｗ－、Ｗ、Ｗ－、とする。このようにすることで、実施例１の図３、図４で説明したと同様に、２次脈動を低減しつつ、推力の大きな直動電動機を構成できる。
なお、このとき、上固定子２０ａと下固定子２０ｂの各巻線の位相差は２π／３、２π／３、２π／３、π／３、２π／３、２π／３、２π／３、π／３、２π／３、２π／３、２π／３、π／３、となる。

　以上で説明した本実施例によれば、１３極１２ティース構成の直動電動機１において、脈動の低減と推力の増大を両立することができる。

　以下に本発明の実施例５の直動電動機１について説明する。なお、上述した実施例との共通点は重複説明を省略する。

　図８に示すように、本実施例の直動電動機１は、６個のティース６に５極の永久磁石２が対向する、５極６ティースの構成である。実施例１等では、磁性体５をＺ方向に分割する構成としたが、本実施例では、上固定子２０ａと下固定子２０ｂの各ティースはＺ方向に結合され一体になっている。上固定子２０ａおよび下固定子２０ｂの各ティースをＺ方向に結合させることによって各相の電流を流した脈動を合成することが可能となり、効果的に脈動を打ち消すことができる。

　以上で説明した本実施例によれば、５極６ティース構成の直動電動機１において、磁性体５を一体化した場合であっても、脈動の低減と推力の増大を両立することができる。

　以下に本発明の実施例６の直動電動機１について説明する。なお、上述した実施例との共通点は重複説明を省略する。

　図９に示すように、本実施例の直動電動機１は、１２個のティース６に１１極の永久磁石２が対向する、１１極１２ティースの構成である。ここでは、上固定子２０ａと下固定子２０ｂの対応する巻線４同士は１１π／１２だけ位相がずれている。

　図６に示した実施例３の１１極１２ティース構成では、上固定子２０ａの巻線４の位相が、左端と右端でＵ相であるため、固定子２０ａの両端間を結線する必要があり、抵抗の増加や配線スペースの問題が生じることもあった。

　これに対し、本実施例のように、上下の巻線４同士の位相を１１π／１２だけずらすことで、同相（たとえばＵ、Ｕ－）の巻線４を集約でき、巻線４の配線が容易になる。

　また、上固定子２０ａの巻線４ａの電流位相を、図中の左から右に向けて、それぞれＵ－、Ｕ、Ｕ－、Ｕ、Ｖ、Ｖ－、Ｖ、Ｖ－、Ｗ－、Ｗ、Ｗ－、Ｗ、とし、下固定子２０ｂの巻線４ｂの電流位相を、図中の左から右に向けて、それぞれＷ－、Ｗ、Ｗ－、Ｗ、Ｕ、Ｕ－、Ｕ、Ｕ－、Ｖ－、Ｖ、Ｖ－、Ｖ、とする。つまり、上固定子２０ａと下固定子２０ｂを１１π／１２だけずらし、上下の巻線４の位相差を、－（一方の巻線なし）、π／３、π／３、π／３、２π／３、π／３、π／３、π／３、２π／３、π／３、π／３、π／３、－（一方の巻線なし）とすればよい。このようにすることで、実施例１の図３、図４で説明したと同様に、脈動を低減し、推力が大きく、巻線の結成がしやすい直動電動機が構成できる。

　以下に本発明の実施例７の直動電動機１について説明する。なお、上述した実施例との共通点は重複説明を省略する。

　図１０に示すように、本実施例の直動電動機１は、１２個のティース６に１３極の永久磁石２が対向する、１３極１２ティースの構成である。ここでは、上固定子２０ａと下固定子２０ｂの対応する巻線４同士は１３π／１２だけ位相がずれている。

　図７に示した実施例４の１３極１２ティース構成では、上固定子２０ａの巻線４の位相が、左端と右端でＵ相であるため、固定子２０ａの両端間を結線する必要があり、抵抗の増加や配線スペースの問題が生じることもあった。

　これに対し、本実施例のように、上下の巻線４同士の位相を１３π／１２だけずらすことで、同相（たとえばＵ、Ｕ－）の巻線４を集約でき、巻線４の配線が容易になる。

　また、上固定子２０ａの巻線４ａの電流位相を、図中の左から右に向けて、それぞれＵ－、Ｕ、Ｕ－、Ｕ、Ｗ、Ｗ－、Ｗ、Ｗ－、Ｖ－、Ｖ、Ｖ－、Ｖとし、下固定子２０ｂの巻線４ｂの電流位相を、図中の左から右に向けて、それぞれＶ、Ｖ－、Ｖ、Ｖ－、Ｕ－、Ｕ、Ｕ－、Ｕ、Ｗ、Ｗ－、Ｗ、Ｗ－、とする。つまり、上固定子２０ａと下固定子２０ｂを１３π／１２だけずらし、上下の巻線４の位相差を、－（一方の巻線なし）、２π／３、２π／３、２π／３、π／３、２π／３、２π／３、２π／３、π／３、２π／３、２π／３、２π／３、－（一方の巻線なし）とすればよい。このようにすることで、実施例１の図３、図４で説明したと同様に、脈動を低減し、推力が大きく、巻線の結成がしやすい直動電動機が構成できる。

１…直動電動機、２…永久磁石、２ａ…永久磁石、２ｂ…永久磁石、３…保持部材、３ａ…保持部材、３ｂ…保持部材、４…巻線、４ａ…巻線、４ｂ…巻線、５…磁性体、５１…磁性体、５２…磁性体、５３…磁性体、６…ティース、６ａ…ティース、６ｂ…ティース、１０…可動子、１０ａ…上可動子、１０ｂ…下可動子、２０…固定子、２０ａ…上固定子、２０ｂ…下固定子、３０…結合部材

Claims

　三相電流が供給される直動電動機であって、
　複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第一可動子と、
　該第一可動子と対向するように前記長手方向に並べた６ｎ個（ｎは任意の自然数）のティースと、各ティースに巻いた６ｎ個の巻線を有する第一固定子と、
　複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第二可動子と、
　該第二可動子と対向するように前記長手方向に並べた６ｎ個（ｎは任意の自然数）のティースと、各ティースに巻いた６ｎ個の巻線を有する第二固定子と、
　平行配置した前記第一可動子と前記第二可動子を結合する結合部材と、
　を具備する直動電動機であって、
　前記第一可動子と前記第二可動子の対向する永久磁石同士は、両可動子の進行方向にπ／２の位相差を設けて配置されており、
　前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、（１＋６ｍ）π／３、または、（２＋６ｍ）π／３（ｍは任意の整数）の位相差を設けた電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
　請求項１記載の直動電動機において、
　各固定子は前記長手方向に複数に分割されていることを特徴とる直動電動機。
　請求項１記載の直動電動機において、
　６個のティースに５極の永久磁石が対向する構造であり、
　前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、π／３の位相差を設けた電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
　請求項１記載の直動電動機において、
　６個のティースに７極の永久磁石が対向する構造であり、
　前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、２π／３の位相差を設けた電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
　請求項１記載の直動電動機において、
　１２個のティースに１１極の永久磁石が対向する構造であり、
　前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、一方から他方に向けて、π／３、π／３、π／３、２π／３、π／３、π／３、π／３、２π／３、π／３、π／３、π／３、２π／３の位相差の電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
　請求項１記載の直動電動機において、
　１２個のティースに１３極の永久磁石が対向する構造であり、
　前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、一方から他方に向けて、２π／３、２π／３、２π／３、π／３、２π／３、２π／３、２π／３、π／３、２π／３、２π／３、２π／３、π／３の位相差の電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
　請求項１記載の直動電動機であって、
　ｑ個（ｑは自然数）のティースにｐ極（ｐは自然数）の永久磁石が対向する構造であり、
　前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士の配置の位相差がｐπ／ｑとなることを特徴とする直動電動機。
　請求項１記載の直動電動機において、
　１２個のティースに１１極の永久磁石が対向する構造であり、
　前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士の配置の位相差が１１π／１２であることを特徴とする直動電動機。
　請求項１記載の直動電動機において、
　１２個のティースに１３極の永久磁石が対向する構造であり、
　前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士の配置の位相差が１３π／１２であることを特徴とする直動電動機。
　請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の直動電動機を有する駆動システム。
　請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の直動電動機を有する直動発電システム。
　請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の直動電動機を有する直動アクチュエータ。