JP6761186B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本開示は、リニアモータに関する。

特許文献１には、電機子コア、電機子巻線及び永久磁石を有する電機子と、電機子の移動方向に沿って並ぶ複数の突極を有する固定子と、を備えるリニアモータが開示されている。

特開２００９−２１９１９９号公報

本開示は、可動子に生じるコギングを抑制できるリニアモータを提供することを目的とする。

本開示に係るリニアモータは、線状の第一経路に沿うように設けられた固定子と、第一経路に沿って移動する可動子とを備え、固定子は、第一経路に沿って並ぶ複数の突極を有し、可動子は、第一経路に沿って並び、それぞれ固定子側に突出する複数の第一ティースと、複数の第一ティースの外周にそれぞれ装着された複数のコイルと、複数の第一ティースにそれぞれ埋設された複数の第一磁石と、第一経路において複数の第一ティースの外側に設けられ、固定子側に突出する第二ティースと、第二ティースに埋設された第二磁石と、有し、第二ティースは、第二磁石を基準にして第一ティースの逆側に位置する第一部分と、第二磁石を基準にして第一ティース側に位置する第二部分とを有し、第一部分の端部は、第二部分の端部に比べ固定子から離れている。

本開示によれば、可動子に生じるコギングを抑制できる。

リニアモータの模式図である。 第二磁極を有しないリニアモータにおける磁気の作用状態を示す模式図である。 第二磁極を有するリニアモータにおける磁気の作用状態を示す模式図である。 図２のリニアモータにおいて各磁極に作用する力のシミュレーション結果を示すグラフである。 図３のリニアモータにおいて各磁極に作用する力のシミュレーション結果を示すグラフである。 複数の第一磁極に作用する力の合計値と、第二磁極に作用する力の合計値との関係を示すグラフである。

以下、実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本実施形態に係るリニアモータ１は、動力源としてユニット化されたリニアアクチュエータ、ワーク等の対象物を搭載して搬送（又は輸送）する搬送システム（又は輸送システム）等に用いられ、線状の経路（以下、「第一経路」という。）に沿った推力を発生する。更にリニアモータ１は、人が搭乗可能な搬送システム（又は輸送システム）にも適用可能である。

図１に示すように、リニアモータ１は、固定子１０と可動子２０とを有する。固定子１０は第一経路Ｒ１に沿うように設けられており、可動子２０は第一経路Ｒ１に沿って移動する。固定子１０及び可動子２０は、第一経路Ｒ１に直交する方向において互いに対向する。以下における「上下」は、説明の便宜上、固定子１０を基準として可動子２０側を上側とした場合の方向を意味する。「前後左右」は、第一経路Ｒ１の一方側を前方とした場合の方向を意味する。

〔固定子の構成〕
固定子１０は、ヨーク１１と、複数の突極１２とを有する。ヨーク１１は、第一経路Ｒ１に沿って延びている。複数の突極１２は第一経路Ｒ１に沿って並び、それぞれヨーク１１から上方（図示Ｚ軸正方向）に突出している。固定子１０は、例えば鉄鋼等の軟質磁性材料により構成される。固定子１０は、珪素鋼板等の電磁鋼板を左右方向（図示Ｙ軸方向）に積層したものであってもよく、軟磁性複合材料（Ｓｏｆｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）を圧縮成形したものであってもよい。

〔可動子の構成〕
可動子２０は、可動子コア３０と、複数のコイル４０と、複数の第一磁石５０とを有する。

可動子コア３０は、ヨーク３１と、複数の第一ティース３２とを有する。ヨーク３１は、第一経路Ｒ１に沿って延びている。複数の第一ティース３２は第一経路Ｒ１に沿って並び、それぞれヨーク３１から下方（固定子１０側、図示Ｚ軸負方向）に突出している。上下方向（図示Ｚ軸方向）において、第一ティース３２は、ギャップを持って突極１２に対向する。可動子コア３０は、例えば鉄鋼等の軟質磁性材料により構成される。可動子コア３０は、珪素鋼板等の電磁鋼板を左右方向（図示Ｙ軸方向）に積層したものであってもよく、軟磁性複合材料（Ｓｏｆｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）を圧縮成形したものであってもよい。

複数のコイル４０は、複数の第一ティース３２の外周にそれぞれ装着されている。例えば各コイル４０は、絶縁材料によりコーティングされた導体素線により構成され、当該導体素線が第一ティース３２に巻き付いた状態となるように配置され、接着等によって第一ティース３２に固定されている。複数のコイル４０は、隣り合うコイル４０同士で巻線方向（上記導体素線の巻き方向）が逆向きになるように設けられている。

複数の第一磁石５０は、複数の第一ティース３２にそれぞれ埋設されている。なお、「埋設」は、全体が埋設される場合のみでなく、一部分が埋設されることも含む。以下においても同様である。例えば、第一経路Ｒ１に沿う方向における第一ティース３２の中心部には、下方に開口する磁石スロットＳ１が形成されている。なお、「中心部」とは、中心位置を含む領域を意味する。以下においても同様である。第一磁石５０は、例えばフェライト磁石等の永久磁石であり、その磁化方向（Ｎ極とＳ極とが並ぶ方向）が第一経路Ｒ１に沿った状態で磁石スロットＳ１内に挿入され、接着等によって第一ティース３２に固定されている。

複数の第一磁石５０は、隣り合う第一磁石５０同士で磁化方向が逆向きになるように設けられている。これにより、可動子コア３０には、隣り合う二つの第一磁石５０によりＮ極に磁化された部分と、隣り合う二つの第一磁石５０によりＳ極に磁化された部分とが交互に形成されている。

以下、第一ティース３２と、当該第一ティース３２に装着されたコイル４０と、当該第一ティース３２に埋設された第一磁石５０とをまとめて可動子２０の第一磁極２１という。第一磁極２１の数は、駆動方式に応じて適宜設定可能である。

一例として、可動子２０は、第一経路Ｒ１に沿って順に並ぶ１２組の第一磁極２１Ａ〜２１Ｌを有する。第一磁極２１Ａ〜２１Ｌは、三相交流電力の供給に応じて移動磁界を発生する。例えば、第一磁極２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｇ，２１ＨにはＵ相の交流が供給され、第一磁極２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｉ，２１ＪにはＶ相の交流が供給され、第一磁極２１Ｅ，２１Ｆ，２１Ｋ，２１ＬにはＷ相の交流が供給される。これにより、６個の第一磁極２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅ，２１Ｆ、及び６個の第一磁極２１Ｇ，２１Ｈ，２１Ｉ，２１Ｊ，２１Ｋ，２１Ｌの各々が移動磁界を発生させる。この移動磁界が固定子１０の突極１２に作用することで、可動子２０を移動させる推力が発生する。

〔第二ティース及び第二磁石〕
可動子コア３０は第二ティース３３を更に有し、可動子２０は第二磁石６０を更に有する。第二ティース３３は、第一経路Ｒ１において複数の第一ティース３２の外側に設けられ、ヨーク３１から下方（すなわち固定子１０側）に突出する。すなわち第二ティース３３は、複数の第一ティース３２の配列において最も外側の第一ティース３２よりも更に外側に設けられている。

第二磁石６０は、第二ティース３３に埋設されている。例えば、第一経路Ｒ１に沿う方向における第二ティース３３の中心部には、下方に開口する磁石スロットＳ３が形成されている。第二磁石６０は、例えばフェライト磁石等の永久磁石であり、その磁化方向が第一経路Ｒ１に沿った状態で磁石スロットＳ３内に挿入され、接着等によって第二ティース３３に固定されている。第二磁石６０は、隣り合う第一磁石５０と磁化方向が逆向きになるように配置されている。

以下、第二ティース３３のうち、第二磁石６０を基準にして第一ティース３２の逆側に位置する部分を第一部分３４という。第二ティース３３のうち、第二磁石６０を基準にして第一ティース３２側に位置する部分を第二部分３５という。

上下方向（すなわち第一ティース３２及び第二ティース３３の突出方向Ｄ１）において、第一部分３４の端部３４ａは第二部分３５の端部３５ａに比べ上（固定子１０の逆側）に位置している。すなわち端部３４ａは、突出方向Ｄ１において、端部３５ａに比べて固定子１０（突極１２の上端）から離れている。一例として、ヨーク３１からの第一部分３４の突出長は、ヨーク３１からの第二部分３５の突出長に比べ短い。

第二ティース３３の突出方向Ｄ１において、第一部分３４の端部３４ａ及び第二部分３５の端部３５ａは、第一ティース３２の端部３２ａに比べ上（固定子１０の逆側）に位置していてもよい。すなわち端部３４ａ，３５ａは、突出方向Ｄ１において、端部３２ａに比べ固定子１０（突極１２の上端部）から離れていてもよい。一例として、ヨーク３１からの第一部分３４及び第二部分３５の突出長は、ヨーク３１からの第一ティース３２の突出長に比べ短くてもよい。

第二ティース３３の突出方向Ｄ１において、第一部分３４の端部３４ａ及び第二部分３５の端部３５ａは、第二磁石６０の端部６０ａに比べ上（固定子１０の逆側）に位置していてもよい。すなわち端部３４ａ，３５ａは、突出方向Ｄ１において、端部６０ａに比べ固定子１０（突極１２の上端部）から離れていてもよい。これに対し、第二ティース３３の突出方向Ｄ１において、第一ティース３２の端部３２ａは、第一磁石５０の端部５０ａに比べ下（固定子１０側）に位置していてもよい。すなわち端部３２ａは、突出方向Ｄ１において、端部５０ａに比べ固定子１０（突極１２の上端部）に近接していてもよい。

第一経路Ｒ１において、隣り合う第二磁石６０と第一磁石５０との中心間距離Ｇ１は、隣り合う第一磁石５０同士の中心間距離Ｇ２と異なっていてもよい。例えば中心間距離Ｇ１は、中心間距離Ｇ２に比べ大きくてもよい。

以下、第二ティース３３と、当該第二ティース３３に埋設された第二磁石６０とをまとめて可動子２０の第二磁極２２という。可動子２０は、第一経路Ｒ１において複数の第一磁極２１を挟むように設けられた二組の第二磁極２２Ａ，２２Ｂを有してもよい。すなわち可動子２０は、第一経路Ｒ１において複数の第一磁極２１を挟むように設けられた二組の第二ティース３３及び第二磁石６０を有してもよい。

なお、可動子コア３０は、第一経路Ｒ１に沿って並ぶ複数のコアユニットＵ１と、コアユニットＵ２とに分かれていてもよい。複数のコアユニットＵ１は、複数の第一ティース３２をそれぞれ含む。コアユニットＵ２は第二ティース３３を含む。この場合、複数のコアユニットＵ１及びコアユニットＵ２は、樹脂モールドにより一体化されていてもよいし、ベース部材７０を介して一体化されてもよい。可動子２０が二つの第二磁極２２を有する場合、可動子コア３０は、複数のコアユニットＵ１と二つのコアユニットＵ２とに分かれていてもよい。

〔本実施形態の効果〕
以上に説明したように、リニアモータ１は、線状の第一経路Ｒ１に沿うように設けられた固定子１０と、第一経路Ｒ１に沿って移動する可動子２０とを備える。固定子１０は、第一経路Ｒ１に沿って並ぶ複数の突極１２を有する。可動子２０は、第一経路Ｒ１に沿って並び、それぞれ固定子１０側に突出する複数の第一ティース３２と、複数の第一ティース３２の外周にそれぞれ装着された複数のコイル４０と、複数の第一ティース３２にそれぞれ埋設された複数の第一磁石５０と、第一経路Ｒ１において複数の第一ティース３２の外側に設けられ、固定子１０側に突出する第二ティース３３と、第二ティース３３に埋設された第二磁石６０と、有する。第二ティース３３は、第二磁石６０を基準にして第一ティース３２の逆側に位置する第一部分３４と、第二磁石６０を基準にして第一ティース３２側に位置する第二部分３５とを有する。第一部分３４の端部３４ａは、第二部分３５の端部３５ａに比べ固定子１０から離れている。

コギングは、主として、第一経路Ｒ１において最も外側に位置する第一磁極２１（第一ティース３２）から更に外側に向かう磁束に起因するものと考えられる。なお、「コギング」とは、コイル４０に交流電力を供給しない状態にて可動子２０を移動させた場合に、第一経路Ｒ１に沿って可動子２０に作用する力の変動を意味する。まず、図２を参照し、可動子が第二磁極２２を有しない場合のコギングについて説明する。

図２に示す可動子１２０は、可動子２０と同様の第一磁極２１Ａ〜２１Ｌを有し、第二磁極２２Ａ，２２Ｂを有しない。すなわち、可動子１２０の可動子コア１３０は、第二ティース３３を有しない。仮に、第一磁極２１Ａ〜２１Ｌのそれぞれからの磁気（以下、個々の磁極からの磁気を「磁極の磁気」という。）が突極１２に対して等しく作用する場合、突極１２との位置関係に応じて第一磁極２１Ａ〜２１Ｌのそれぞれにおいて生じるコギング（以下、個々の磁極において生じるコギングを「磁極のコギング」という。）が互いに打ち消し合い、可動子２０全体としてのコギングは小さくなる。

実際には、突極１２に対する第一磁極２１Ａ〜２１Ｌの磁気の作用状態は等しくならない。当該作用状態は、特に、最も外側に位置する第一磁極２１Ａ，２１Ｌと、その他の第一磁極２１Ｂ〜２１Ｋとで大きく異なる。例えば、第一磁極２１Ｂ〜２１Ｋの磁気は、固定子１０を介して隣の第一磁極２１に導かれる（図示の磁力線ＭＬ１参照）。一方、第一磁極２１Ａ，２１Ｌの磁気のうち、第一経路Ｒ１の外側に向かう成分は、隣の第一磁極２１に導かれない（図示の磁力線ＭＬ２参照）。

図４は、コイル４０に交流電力を供給しない状態にて、可動子１２０を固定子１０に沿って移動させた場合に、第一磁極２１Ａ〜２１Ｌのそれぞれに作用する力（第一経路Ｒ１に沿う力）のシミュレーション結果を示すグラフである。グラフの横軸は可動子の移動距離を示し、縦軸は第一経路Ｒ１に沿う力を示す。太い実線の力Ｌ１１は第一磁極２１Ａに作用する力を示し、太い破線の力Ｌ１２は第一磁極２１Ｌに作用する力を示し、細い実線の力Ｌ１３は第一磁極２１Ｂ〜２１Ｋに作用する力をそれぞれ示している。力Ｌ１１，Ｌ１２の振幅は、力Ｌ１３と明らかに異なっている。また、力Ｌ１１，Ｌ１２と力Ｌ１３との位相差も、力Ｌ１３同士の位相差と異なっている。このような状態においては、第一磁極２１Ａ〜２１Ｆのコギングが合成されて可動子２０全体としてのコギングが生じる。

これに対し、図３に示すように、第二磁極２２Ａ，２２Ｂの少なくとも一方を設けることで、最も外側の第一磁極２１Ａ，２１Ｌから外側に向かう磁気の磁路を調整し、可動子２０全体としてのコギングを抑制できる。

第一磁極２１Ａ，２１Ｌの磁気のうち、第一経路Ｒ１の外側に向かう成分は、固定子１０を介して第二磁極２２に導かれる。第二ティース３３は、第二磁石６０を基準にして第一ティース３２側に第二部分３５を有し、第二磁石６０を基準にして第一ティース３２の逆側に第一部分３４を有する。これにより、第二磁石６０の磁力をより有効に活用し、第一磁極２１Ａ，２１Ｌから外側に向かう磁気の磁路をより確実に調整できる。このため、突極１２に対する第一磁極２１Ａ，２１Ｌの磁気の作用状態（図示の磁力線ＭＬ３参照）が、突極１２に対する第一磁極２１Ｂ〜２１Ｋの磁気の作用状態（図示の磁力線ＭＬ１参照）に近くなる。第一部分３４の端部３４ａは、第二部分３５の端部３５ａに比べ固定子１０から離れている。これにより、第一経路Ｒ１において第二磁極２２から更に外側に向かう磁気が突極１２に作用し難くなる（図示の磁力線ＭＬ４参照）。このため、第二磁極２２の磁気に起因するコギングは抑制される。

図５は、コイル４０に交流電力を供給しない状態にて、可動子２０を固定子１０に沿って移動させた場合に、第一磁極２１Ａ〜２１Ｌ及び第二磁極２２Ａ，２２Ｂのそれぞれに作用する力（第一経路Ｒ１に沿う力）を示すグラフである。グラフの横軸は可動子の移動距離を示し、縦軸は第一経路Ｒ１に沿う力を示す。太い実線の力Ｌ１４は第一磁極２１Ａに作用する力を示し、太い破線の力Ｌ１５は第一磁極２１Ｌに作用する力を示し、細い実線の力Ｌ１８は第一磁極２１Ｂ〜２１Ｋに作用する力をそれぞれ示している。

図４に比較して、力Ｌ１４，Ｌ１５の振幅は、力Ｌ１８の振幅に近付いている。このことは、突極１２に対する第一磁極２１Ａ，２１Ｌの磁気の作用状態が、突極１２に対する第一磁極２１Ｂ〜２１Ｋの磁気の作用状態に近くなっていることを示している。

図５において、太い一点鎖線の力Ｌ１６は第二磁極２２Ａに作用する力を示し、太い二点鎖線の力Ｌ１７は第二磁極２２Ｂに作用する力を示している。力Ｌ１６，Ｌ１７の振幅は、明らかに他の力Ｌ１４，Ｌ１５，Ｌ１８の振幅に比べ小さい。このことは、第二磁極２２の磁気に起因するコギングが抑制されていることを示している。

このように、リニアモータ１によれば、第一経路Ｒ１において最も外側に位置する第一磁極２１の磁気の突極１２に対する作用状態が、他の第一磁極２１の磁気の突極１２に対する作用状態に近くなる。また、第二磁極２２の磁気に起因するコギングが抑制される。従って、可動子２０全体としてのコギングを抑制できる。

第一部分３４の端部３４ａ及び第二部分３５の端部３５ａは、第一ティース３２の端部３２ａに比べ固定子１０から離れていてもよい。この場合、第二磁極２２の磁気に起因するコギングを更に抑制できる。

第一経路Ｒ１において、隣り合う第二磁石６０と第一磁石５０との中心間距離Ｇ１は、隣り合う第一磁石５０同士の中心間距離Ｇ２と異なっていてもよい。中心間距離Ｇ１を中心間距離Ｇ２に対して相違させることにより、複数の第一磁極２１の磁気に起因するコギングを打ち消すように、第二磁極２２の磁気に起因するコギングの位相を調節することができる。

図６は、コイル４０に交流電力を供給しない状態にて、可動子２０を固定子１０に沿って移動させた場合に、第一磁極２１Ａ〜２１Ｌに作用する力（第一経路Ｒ１に沿う力）の合計値と、第二磁極２２Ａ，２２Ｂに作用する力（第一経路Ｒ１に沿う力）の合計値との関係を示すグラフである。グラフの横軸は可動子の移動距離を示し、縦軸は第一経路Ｒ１に沿う力を示す。太い破線の力Ｌ１９は第一磁極２１Ａ〜２１Ｌに作用する力の合計値を示し、太い一点鎖線の力Ｌ２０は第二磁極２２Ａ，２２Ｂに作用する力の合計値を示している。

力Ｌ２０の位相は、力Ｌ１９を反転した状態となるように調節されている。このため、力Ｌ２０と力Ｌ１９とを合算した力Ｌ２１の振幅はゼロに近くなっている。このことは、第二磁極２２の磁気に起因するコギングにより複数の第一磁極２１の磁気に起因するコギングが打ち消され、可動子２０全体でのコギングが低減されていることを示している。このように、第二磁極２２の磁気に起因する位相の調節によってコギングを更に抑制できる。

可動子２０は、第一経路Ｒ１において複数の第一ティース３２を挟むように設けられた二組の第二ティース３３及び第二磁石６０を有してもよい。この場合、二組の第二ティース３３及び第二磁石６０の協調により、コギングを更に抑制できる。但し、可動子２０は、少なくとも一組の第二ティース３３及び第二磁石６０を有していればよい。

以上、実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

本開示に係るリニアモータは、動力源としてユニット化されたリニアアクチュエータ、ワーク等の対象物を搭載して搬送する搬送システム等に利用可能である。

１…リニアモータ、１０…固定子、１２…突極、２０…可動子、３２…第一ティース、３２ａ…端部、３３…第二ティース、３４…第一部分、３４ａ…端部、３５…第二部分、３５ａ…端部、４０…コイル、５０…第一磁石、６０…第二磁石、Ｒ１…第一経路。

Claims (6)

1. 線状の第一経路に沿うように設けられた固定子と、
   前記第一経路に沿って移動する可動子とを備え、
   前記固定子は、
   前記第一経路に沿って並ぶ複数の突極を有し、
   前記可動子は、
   前記第一経路に沿って並び、それぞれ前記固定子側に突出する複数の第一ティースと、
   前記複数の第一ティースの外周にそれぞれ装着された複数のコイルと、
   前記複数の第一ティースにそれぞれ埋設された複数の第一磁石と、
   前記第一経路において前記複数の第一ティースの外側に設けられ、前記固定子側に突出する第二ティースと、
   前記第二ティースに埋設された第二磁石と、を有し、
   前記複数の第一磁石の磁化方向は前記第一経路に沿っており、隣り合う第一磁石同士で磁化方向が逆向きであり、
   前記第二磁石の磁化方向は前記第一経路に沿っており、隣り合う第一磁石の磁化方向と逆向きであり、
   前記第二ティースは、前記第二磁石を基準にして前記第一ティースの逆側に位置する第一部分と、前記第二磁石を基準にして前記第一ティース側に位置する第二部分とを有し、
   前記第一部分の端部は、前記第二部分の端部に比べ前記固定子から離れている、リニアモータ。
2. 前記第一部分の端部及び前記第二部分の端部は、前記第一ティースの端部に比べ前記固定子から離れている、請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記第一経路において、隣り合う前記第二磁石と前記第一磁石との中心間距離は、隣り合う前記第一磁石同士の中心間距離と異なっている、請求項１又は２記載のリニアモータ。
4. 前記可動子は、
   前記第一経路において前記複数の第一ティースを挟むように設けられた二組の前記第二ティース及び前記第二磁石を有する、請求項１〜３のいずれか一項記載のリニアモータ。
5. 前記第一経路において、隣り合う前記第二磁石と前記第一磁石との中心間距離及び隣り合う前記第一磁石同士の中心間距離は、二つの前記第二磁石の磁気に起因するコギングの位相を、前記複数の第一磁石の磁気に起因するコギングの位相と異ならせるように設定されている、請求項４記載のリニアモータ。
6. 隣り合う前記第二磁石と前記第一磁石との中心間距離は、当該距離が隣り合う前記第一磁石同士の中心間距離と等しい場合に比較して、二つの前記第二磁石の磁気に起因するコギングの位相が前記複数の第一磁石の磁気に起因するコギングを打ち消すように設定されている、請求項５記載のリニアモータ。

Images