JP5082241B2

JP5082241B2 - リニアモータ及びこれに含まれる固定子の製造方法

Info

Publication number: JP5082241B2
Application number: JP2005379700A
Authority: JP
Inventors: 洋介村口; 洋中川; 信雄有賀
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP2007181370A

Description

本発明は、高力密度モータの原理を応用した円筒状のリニアモータ及びこれに含まれる固定子の製造方法に関するものである。

リニアパルスモータの磁気回路には、固定されたスケールと、スケールの長手方向へ移動自在に支持されたスライダとを有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。スケールは、その長手方向に沿って一定間隔で歯部と凹溝とが交互に形成された磁性部材と、各凹溝にそれぞれ挿入配置された永久磁石とから構成されている。一方、スライダは、スケールと対向する４個の磁極を有する鉄心と、各磁極に巻回されたコイルとから構成されている。ここで、４個の磁極は、一方向に沿って所定寸法おきに配置されている。
特許第２０２２２５２号明細書

上記の磁気回路構成を有する円筒形リニアモータ１０１としては、図８（ａ）の分解斜視図に示すように、円筒状の固定子１１０を作製し、その内部にシャフト１３０ａに沿って移動可能な可動子１３０が嵌挿されたものが考えられる。固定子１１０は、図８（ｂ）に示すように、複数のコア材１１５が円弧状に積層されたコアブロックを有しており、８個のコアブロックが所定角度おきに配置されている。コア材１１５は、図８（ｃ）に示す形状であり、固定子１１０の内側には複数の歯部１２１が形成されている。複数の歯部１２１は、軸方向に沿って配置された４つの歯部１２１ごとの組に分けることができる。各組の歯部１２１間には、複数の永久磁石１２５が歯部の先端での極性がＮ、Ｓ交互になるように配置されており、各組の歯部１２１の周囲にはコイル１２６が巻回されている。そして、各組の歯部１２１及びそれらの間に間に配置された永久磁石１２６がそれぞれ磁極になり、複数の磁極が軸方向に沿って、図８（ｃ）では左からＡ相、Ｂ相、Ｃ相、・・・の順に配置されている。また、可動子１３０の外周面には、軸方向に沿って所定間隔おきに配置され、互いに平行な複数の突起が形成されている。そのため、リニアモータ１０１では、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の各磁極のコイルに電流を流すことで、固定子１１０と可動子１３０との間に推力が発生し、可動子１３０がシャフト１３０ａ上をベアリング１３０ｂを介して移動する。

しかしながら、リニアモータ１０１では、外側に配置される固定子において磁束が通過する面積と、その内側に配置される可動子において磁束が通過する面積とを比較すると、内側の可動子の方が狭いので、可動子では磁束の飽和が生じやすい。そのため、最大推力が所定の上限値までしか増加させることが出来なくなったり、推力変動（コギング力）が大きくなってしまう。

そこで、本発明の目的は、最大推力を増加させると共に推力変動を低減するリニアモータを提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明のリニアモータは、コイルがそれぞれ巻回された複数の磁極を内周部に有する円筒状の固定子と、前記固定子に対して軸方向に相対移動可能となるように前記固定子に内挿されると共に、その外周面に、径方向外側に突出し且つ前記磁極と対向する突起を有する円筒状の可動子とを備えるリニアモータであって、前記固定子の各磁極は、軸方向に沿って所定間隔おきに設けられ、且つ、それぞれが径方向内側に突出する複数の歯部と、隣り合う前記歯部の間にそれぞれ配置され、前記歯部側の面が磁極面である複数の板状の永久磁石とを有し、前記複数の永久磁石は、前記歯部を挟んで対向する面の極性が同じになるように配置されており、前記固定子は、略矩形状のコア材と、このコア材と同様の略矩形状部を有し、前記略矩形状部の長辺側の中央から外側に向かって延在する略矩形状の延在部を有する略Ｔ型形状のコア材との互いに異なる形状の２種類の板状のコア材が前記軸方向に沿って積層された構成をそれぞれ有し、前記コイルが巻回される磁極が前記積層された延在部で形成される複数のコアユニットを、周方向に並べて組み合わせたものであり、前記歯部は、前記略Ｔ型形状のコア材の前記延在部によって構成され、前記永久磁石は前記歯部間に形成されるスロット内に配置されて、前記コイルが巻回される全領域に存在しており、前記可動子の前記突起は、前記軸方向に対して所定角度に傾斜した螺旋状であって、そのピッチが前記歯部のピッチの２倍になっていることを特徴とするものである。

この構成によると、コイルに電流が流された場合には、磁束が固定子及び可動子の周方向に沿って（固定子及び可動子の軸方向と垂直な平面内において）形成されるので、磁束が固定子及び可動子の軸方向に沿って形成される場合と比較して、各部において磁束が通過する面積が大きくなる。そのため、磁束の飽和が生じにくくなり、最大推力を増加させることができる。また、可動子の外周面には螺旋状の突起が形成されているので、スキューの効果が得られ、推力変動をさらに低減することができる。

また、積層されるコア材の枚数（コアの軸方向の積層長さ）を変更することで、最大推力を変化させることが可能であるので、設計変更が容易である。また、同じ外径（シリンダ径）において、複数の推力のバリエーションのリニアモータを作製可能である。また、可動子が積層コアで構成されているので、鉄損の低減を図ることができる。また、可動子を容易に作製することができる。

本発明の固定子の製造方法は、略矩形状のコア材と、このコア材と同様の略矩形状部を有し、前記略矩形状部の長辺側の中央から外側に向かって延在する略矩形状の延在部を有する略Ｔ型形状のコア材との互いに異なる形状の２種類の板状のコア材を軸方向に沿って積層することにより複数のコアユニットを作製するステップと、前記コアユニットの積層された延在部で形成される複数の歯部間に形成されるスロット内に複数の永久磁石を配置することにより、前記複数の歯部及び前記複数の永久磁石をそれぞれ含む磁極を作製するステップと、前記磁極に含まれる前記複数の歯部の周囲において軸方向に沿ってコイルを巻回するステップと、前記磁極にコイルを巻回した複数のコアユニットを周方向に並べて組み合わせて、内側に向かって突出し且つ軸方向に沿って所定間隔おきに配置された複数の歯部を有する円筒状の固定子を作製するステップとを備え、複数の磁極を作製するステップにおいて、前記複数の歯部間に挿入可能な板状であり、且つ、その一端面がＮ極となり且つ他端面がＳ極となる前記複数の永久磁石が、前記固定子の軸方向について隣り合う２つの永久磁石の近接する側の極性が異なるように前記複数の歯部間に配置されると共に、前記複数の磁極が円周上に配置されることを特徴とするものである。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るリニアモータを中心軸を通過する平面で切断した場合の斜視図である。図２は、図１のリニアモータの側面図である。

図１に示すリニアモータ１は、円筒形状の固定子１０と、固定子１０内に嵌挿された可動子３０とを備えている。固定子１０は、図２に示すように、環状に組み合わされた６個のコアユニット１１ａ〜１１ｆを有している。そして、可動子３０は、固定子１０の６個のコアユニット１１ａ〜１１ｆの内側に形成された略円柱状の空間に嵌挿されている。ここで、可動子３０の外周面は、固定子１０の内側に突出する歯部２１（図３（ｃ）参照）の先端部との間に所定の隙間が形成されるように配置されている。また、可動子３０は、ベアリング（図示しない）を介してシャフト１３０ａに支持されており、シャフト１３０ａに沿って移動可能である。

次に、固定子１０に含まれるコアユニット１１ａ〜１１ｆの詳細な構成について説明する。ここでは、コアユニット１１ａの詳細な構成だけを説明するが、コアユニット１１ｂ〜１１ｆの構成は同様である。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、コアユニットの斜視図、側面図及び正面図である。図４は、コア材の形状を示す図である。図４（ａ）は、図３（ｃ）のａ−ａ線における断面図に対応し、図４（ｂ）は、図３（ｃ）のｂ−ｂ線における断面図に対応する。

コアユニット１１ａは、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、長尺の部品であって、２種類のコア材１５、１６（図４参照）が軸方向に沿って積層されている。詳細には、コアユニット１１ａは、図３（ｃ）の左端部から右端部に向かって、まずコア材１５がｎ枚積層され、引き続き、コア材１６がｍ枚積層される。その後、ｎ枚のコア材１５と、ｍ枚のコア材１６とが交互に積層される。ここで、ｎ枚のコア材１５が積層された部分を部分Ｘ、ｍ枚のコア材１６が積層された部分を部分Ｙとすると、部分Ｘと部分Ｙとが交互に積層されることになる。

コア材１５は、図４（ａ）に示すように、板厚がＡ（ｍｍ）の略矩形状の板状部材である。コア材１５の長辺側の端部は、一方（図４（ａ）では下端部）が直線状であり、他方（図４（ａ）では上端部）が円弧状になっている。また、コア材１５の両端部には、コアユニット１１を組み合わされる際に用いられる突起部１５ａ及び凹部１５ｂが形成されている。

コア材１６は、図４（ｂ）に示すように、板厚がＢ（ｍｍ）の略Ｔ型形状の板状部材である。つまり、コア材１６は、コア材１５と同様の形状の部分を有しており、その直線状の長辺側の端部中央から外側に向かって略矩形状の延在部１７を有している。ここで、延在部１７の先端は、可動子３０の外周とほぼ同じ曲率を有する円弧状になっている。また、コア材１６の両端部には、コアユニット１１を組み合わされる際に用いられる突起部１６ａ及び凹部１６ｂが形成されている。

このように、コア材１５及びコア材１６の形状は互いに異なっており、コア材１６だけが延在部１７を有しているので、多数のコア材１５及びコア材１６が積層された場合には、コア材１６の延在部１７によって歯部２１が構成され、これらの歯部２１間にスロット２２が形成される。つまり、コアユニット１１の部分Ｙに対応した部分に歯部２１が形成され、コアユニット１１の部分Ｘに対応した部分にスロット２２が形成される（コアユニット１１の左端部は除く）。本実施の形態では、ｎ枚のコア材１５とｍ枚のコア材１６とが交互に積層されるので、複数の歯部２１（複数のスロット２２）は、軸方向に沿って所定間隔おきに形成される。

ここで、コア材１５の板厚はＡ（ｍｍ）であり、ｎ枚のコア材１５が積層された部分Ｘに対応したスロット２２の幅Ａ’（固定子１０の軸方向に沿った長さ）は、Ａ×ｎ（ｍｍ）となる。同様に、コア材１６の板厚はＢ（ｍｍ）であり、ｍ枚のコア材１６が積層された部分Ｙに対応した歯部２１の幅Ｂ’（固定子１０の軸方向に沿った長さ）は、Ｂ×ｍ（ｍｍ）となる。

そして、コアユニット１１の複数の歯部２１間に形成されるスロット２２には、永久磁石２５がそれぞれ配置される。永久磁石２５は、スロット２２の幅とほぼ同じ厚さを有する板状であって、その一端面がＮ極となり且つ他端面がＳ極となっている。また、永久磁石２５は、コア材１６の延在部１７とほぼ同じ形状を有している。

複数の永久磁石２５がスロット２２内に配置される際には、固定子１０の軸方向について隣り合う２つの永久磁石２５の近接する側の極性が同じになるように配置される。そのため、スロット２２内に配置される複数の永久磁石２５の極性の向きによって、２種類のコアユニットを作製可能である。

つまり、図３（ｃ）に示すように、コアユニット１１ａの最も左側のスロット２２内に配置される永久磁石２５の左端面がＳ極であり且つ右端面がＮ極である場合には、左側から２番目のスロット２２内に配置される永久磁石２５の左端面がＮ極であり且つ右端面がＳ極になり、左側から３番目のスロット２２内に配置される永久磁石２５の左端面がＳ極であり且つ右端面がＮ極になる。また、左側から４番目以降のスロット２２内に配置される永久磁石２５の極性についても同様である。

一方、コアユニット１１ａとスロット２２内に配置される複数の永久磁石２５の極性の向きが異なるコアユニット１１ｂ（図６参照）では、最も左側のスロット２２内に配置される永久磁石２５の左端面がＮ極であり且つ右端面がＳ極である場合には、左側から２番目のスロット２２内に配置される永久磁石２５の左端面がＳ極であり且つ右端面がＮ極になり、左側から３番目のスロット２２内に配置される永久磁石２５の左端面がＮ極であり且つ右端面がＳ極になる。また、左側から４番目以降のスロット２２内に配置される永久磁石２５の極性についても同様である。

コイル２６は、図３（ｃ）に示すように、コアユニット１１ａの複数の歯部２１の周囲において軸方向に沿って巻回されている。コイル２６の両端部は、電流供給装置（図示しない）に接続されており、コイル２６に流れる電流値及びその方向が制御される。

図５は、可動子の正面図である。可動子３０は、円柱状の部材であって、その外周面には螺旋状の突起３１が形成されている。ここで、突起３１のピッチは一定になっており、その値はτｐである。

次に、可動子３０が固定子１０内に嵌挿されている状態での、可動子３０の突起３１と６個のコアユニット１１に形成された複数の歯部２１との位置関係について、図６を参照して説明する。図６は、可動子の突起と固定子の複数の歯部との位置関係を示す図である。図６では、固定子のコアギャップ面での展開図が図示されている。

上述したように、固定子１０は環状に組み合わされた６個のコアユニット１１ａ〜１１ｆを有しているが、各コアユニットがモータの１相分となり、円周上に配置された６個のコアユニット１１で３相が構成される。固定子１０では、図２に示すように、コアユニット１１ａとコアユニット１１ｄとが対向し、コアユニット１１ｂとコアユニット１１ｅとが対向し、コアユニット１１ｃとコアユニット１１ｆとが対向している。

図６では、永久磁石２５が、その極性の向きによって異なる形態で図示されている。まず、左端面がＳ極であり且つ右端面がＮ極である永久磁石２５は斜線で図示され、一方、左端面がＮ極であり且つ右端面がＳ極である永久磁石２５は黒く図示されている。この図から分かるように、固定子１０では、永久磁石２５の極性の向きが反対である２種類のコアユニットが交互に組み合わされている。つまり、Ａ相となるコアユニット１１ａとＡ’相となるコアユニット１１ｄ、Ｂ相となるコアユニット１１ｂとＢ’相となるコアユニット１１ｅ、Ｃ相となるコアユニット１１ｃとＣ’相となるコアユニット１１ｆは、永久磁石２５の極性の向きがそれぞれ反対になっている。

また、図６の上方には、可動子３０の突起３１が部分的に図示されている。そして、突起３１は螺旋状に形成されているので、突起３１の先端とコアユニット１１ａ〜１１ｆの複数の歯部との相対位置は軸方向にずれることになる。図６において、可動子３０の突起３１の先端位置から左下斜めに延びる実線は、可動子３０の外周面１周分の突起３１の先端位置を示している。

図６から分かるように、可動子３０の突起３１のピッチτｐは、固定子１０の歯部２１のピッチτｐ’の２倍になっている。従って、複数の歯部２１のピッチτｐ’は、次式で表される。
τｐ’＝τｐ／２

次に、リニアモータ１に含まれる固定子１０の製造方法について、図７を参照して説明する。図７は、固定子の製造方法の手順を示す図である。

まず、図７（ａ）に示すように、ｎ枚のコア材１５とｍ枚のコア材１６とが交互に積層することによって、複数の歯部２１と歯部間に形成されるスロット２２を有するコア１８を作製する。そして、図７（ｂ）に示すように、コア１８のスロット２２内に、複数の永久磁石２５を、固定子１０の軸方向について隣り合う２つの永久磁石２５の近接する側の極性が同じになるように配置する。その後、図７（ｃ）に示すように、複数の歯部２１の周囲において軸方向に沿ってコイル２６を巻回することによって、コアユニット１１ａが完成する。そして、上述の図７（ａ）〜図７（ｃ）に示す手順と同様にして、コアユニット１１ｂ〜１１ｆを作製する。ここで、コアユニット１１ａ、１１ｃ、１１ｅと、コアユニット１１ｂ、１１ｄ、１１ｆとは、永久磁石２５の極性の向きが互いに反対になるようにする。このようにして、６個のコアユニット１１ａ〜１１ｆが作製されると、これらを環状に組み立てることによって、図７（ｄ）に示すように、円筒状の固定子１０が完成する。なお、固定子１０内にシャフト３０ａに移動可能に支持された可動子３０を嵌挿することによって、リニアモータ１を作製可能である。

以上説明したように、本実施の形態のリニアモータ１では、コイル２６に電流が流された場合には、磁束が固定子１０及び可動子３０の周方向に沿って形成されるので、磁束が固定子１０及び可動子３０の軸方向に沿って形成される場合と比較して、各部において磁束が通過する面積が大きくなる。そのため、磁束の飽和が生じにくくなり、最大推力を増加させるとができる。また、可動子の外周面には螺旋状の突起が形成されているので、スキューの効果が得られ、推力変動をさらに低減することができる。

また、固定子１０は、互いに異なる形状の２種類の板状のコア材１５、１６が軸方向に沿って積層された構成であるので、積層されるコア材の枚数を変更することで、最大推力を変化させることが可能であるので、設計変更が容易である。また、同じ外径において、複数の推力のバリエーションのリニアモータ１を作製可能である。また、固定子１０が積層コアで構成されているので、鉄損の低減を図ることができる。

また、固定子１０は、６個のコアユニット１１ａ〜１１ｆが組み合わされた構成であるので、容易に作製することができる。また、可動子３０の外周面には螺旋状の突起３１が形成されているので、可動子３０が固定子１０の端部から抜けるときの推力低減の割合が小さくなる。

以上、本発明の好適な一実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、固定子１０は、互いに異なる形状の２種類の板状のコア材１５、１６が軸方向に沿って積層されたコアユニット１１ａ〜１１ｆが組み合わされた構成であるが、略環状の１種類の板状のコア材が軸方向に沿って積層されたものでもよいし、板状のコア材が積層されたものではなく一体成形されたものでもよい。また、固定子１０は、円筒形状に限らず、筒状であればよい。

本発明の実施の形態に係るリニアモータを中心軸を通過する平面で切断した場合の斜視図である。図１のリニアモータの側面図である。コアユニットの斜視図、側面図及び正面図である。コア材の形状を示す図である。可動子の正面図である。可動子の突起と固定子の複数の歯部との位置関係を示す図である。リニアモータの製造方法の手順を示す図である。従来のリニアモータの構成の一例を示す図である。

符号の説明

１リニアモータ
１０固定子
１１ａ〜１１ｆコアユニット
１５、１６コア材
２１歯部
２２スロット
２５永久磁石
２６コイル
３０可動子
３０ａシャフト
３１突起

Claims

コイルがそれぞれ巻回された複数の磁極を内周部に有する円筒状の固定子と、
前記固定子に対して軸方向に相対移動可能となるように前記固定子に内挿されると共に
、その外周面に、径方向外側に突出し且つ前記磁極と対向する突起を有する円筒状の可動子とを備えるリニアモータであって、
前記固定子の各磁極は、
軸方向に沿って所定間隔おきに設けられ、且つ、それぞれが径方向内側に突出する複数
の歯部と、
隣り合う前記歯部の間にそれぞれ配置され、前記歯部側の面が磁極面である複数の板状
の永久磁石とを有し、
前記複数の永久磁石は、前記歯部を挟んで対向する面の極性が同じになるように配置さ
れており、
前記固定子は、略矩形状のコア材と、このコア材と同様の略矩形状部を有し、前記略矩形状部の長辺側の中央から外側に向かって延在する略矩形状の延在部を有する略Ｔ型形状のコア材との互いに異なる形状の２種類の板状のコア材が前記軸方向に沿って積層された構成をそれぞれ有し、前記コイルが巻回される磁極が前記積層された延在部で形成される複数のコアユニットを、周方向に並べて組み合わせたものであり、
前記歯部は、前記略Ｔ型形状のコア材の前記延在部によって構成され、
前記永久磁石は前記歯部間に形成されるスロット内に配置されて、前記コイルが巻回される全領域に存在しており、
前記可動子の前記突起は、前記軸方向に対して所定角度に傾斜した螺旋状であって、そ
のピッチが前記歯部のピッチの２倍になっていることを特徴とするリニアモータ。
前記永久磁石が、前記略矩形状のコア材の長辺側に当接されるように前記スロット内に配置された請求項１に記載のリニアモータ。
略矩形状のコア材と、このコア材と同様の略矩形状部を有し、前記略矩形状部の長辺側の中央から外側に向かって延在する略矩形状の延在部を有する略Ｔ型形状のコア材との互いに異なる形状の２種類の板状のコア材を軸方向に沿って積層することにより複数のコアユニットを作製するステップと、
前記コアユニットの積層された延在部で形成される複数の歯部間に形成されるスロット内に複数の永久磁石を配置することにより、前記複数の歯部及び前記複数の永久磁石をそれぞれ含む磁極を作製するステップと、
前記磁極に含まれる前記複数の歯部の周囲において軸方向に沿ってコイルを巻回するステップと、
前記磁極にコイルを巻回した複数のコアユニットを周方向に並べて組み合わせて、内側に向かって突出し且つ軸方向に沿って所定間隔おきに配置された複数の歯部を有する円筒状の固定子を作製するステップとを備え、
複数の磁極を作製するステップにおいて、前記複数の歯部間に挿入可能な板状であり、且つ、その一端面がＮ極となり且つ他端面がＳ極となる前記複数の永久磁石が、前記固定子の軸方向について隣り合う２つの永久磁石の近接する側の極性が異なるように前記複数の歯部間に配置されると共に、前記複数の磁極が円周上に配置されることを特徴とする固定子の製造方法。
前記磁極を作製するステップにおいて、前記永久磁石を、前記略矩形状のコア材の長辺側に当接するように前記スロット内に配置する請求項３に記載の固定子の製造方法。