JP2017093171A - コアレスリニアモータ、コアレスリニアモータ電機子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コアレスリニアモータにおける推力リップルを低減する。【解決手段】反発し合う対向磁極の複数の永久磁石を有する円柱状の固定子と、前記固定子の外周を囲む電機子コイルを有する中空円筒状の可動子と、を備えるコアレスリニアモータであって、前記電機子コイルの移動方向の少なくとも一端に非磁性金属からなるリングを配置したことを特徴とするコアレスリニアモータ。【選択図】図３

Description

本発明は、コアレスリニアモータ、コアレスリニアモータ電機子およびその製造方法に関する。

リニアモータは、電磁誘導により作動するため、ボールねじ機構のような機械作動に比べて、小型で高速動作が可能である。

特許文献１は、ステンレス製の巻線固定枠の両端部を傾斜させて成型したことで、巻線固定枠に発生する渦電流による粘性制動力のリップルを低減するものである。特許文献２は、振動を減衰させるような渦電流を渦電流部材に発生させるようにしたものである。このように、渦電流を抑制する技術、有効利用する技術が知られている。

特開２００２−１６５４３４号公報 特開平０６−２９５９３２号公報

反発し合う対向磁極配置の永久磁石を有する円柱状の固定子と、固定子の外周を囲む電機子コイルを有する可動子と、を備えるコアレスリニアモータは、高速・高精度の運転に適している。コアレスリニアモータにおいては、大推力と低推力リップル（脈動成分）とが要求される。

しかしながら、大推力と低推力リップルとを両立させることは難しかった。以下に、コアレスモータにおいて、同じ巻数の三相コイル（Ｕ，Ｖ，Ｗ）がそれぞれ１つずつ設けられ、Ｙ結線の場合の相互インダクタンスという観点から考察を行う。

回転モータにおける相互インダクタンスの検討結果を、図９（ａ）を参照しながら説明する。

巻線の配置が円筒状になるため、以下の式に示すように、Ｕ／Ｖ／Ｗの相互インダクタンスは同じである。

Mu/v(Mv/u)=Mv/w(Mw/v)=Mw/u(Mu/w)=M

各線間インダクタンスLu-v、Lv-w、Lw-uは同じである。

Ｕ／Ｖ／Ｗ相の自己インダクタンスをそれぞれLu、Lｖ、Lwとすると、以下の式に示すように、各線間或いはＵ／Ｖ／Ｗ各相のインダクタンスは同じである。

Lu-v＝Lu+Lv-Mu/v-Mv/u=2L-2M、同様にLv-w=Lw-u=2L-2M

リニアモータにおける相互インダクタンスの検討結果を、図９（ｂ）を参照しながら説明する。

図９（ｂ）に示すように、Ｕ相とＷ相がそれぞれ端部に配置するため、相互インダクタンスが異なる。すなわち、以下の式に示すように、Ｕ／Ｖ／Ｗの相互インダクタンスは、距離が遠くなるほど相互インダクタンスが小さくなる。

Mu/v(Mv/u)=Mv/w(Mw/v)>Mw/u(Mu/w)

従って、リニアモータ構造に起因した線間或いは各相のインダクタンスは以下の通りのアンバランスを有する。

Lu-v=U/V相自己インダクタンスLu+Lv-2Mu/v=2L-2Mu/v
Lv-w=V/W相自己インダクタンスLv+Lw-2Mv/w=2L-2Mv/w
Lw-u=W/U相自己インダクタンスLw+Lu-2Mw/u=2L-2Mw/u
従って、Lu-v=Lv-w<Lu-wである。

表１には、試作したモータのインダクタンスの測定結果の一例を示す。

ここで、Lu-vとLv−wがほぼ同じ値になるが，Lw-uはLu-v（Lv-w）と比べるとかなり大きな値になった。また、各線間インダクタンスのアンバランス（％）は、測定した線間インダクタンス値を、インダクタンスの平均値０．７０４５で除算した値であり、この値が大きいほど、インダクタンスのアンバランスが大きい。

表１に示すように、リニアモータでは、Ｕ相とＷ相との間の距離が大きいため、アンバランスが大きくなることがわかる。このようなアンバランスに起因して、推力リップルが大きくなる。

本発明は、コアレスリニアモータにおける推力リップルを低減することを目的とする。

本発明の一観点によれば、反発し合う対向磁極の複数の永久磁石を有する円柱状の固定子と、前記固定子の外周を囲む電機子コイルを有する中空円筒状の可動子と、を備えるコアレスリニアモータであって、前記電機子コイルの移動方向の少なくとも一端に非磁性金属からなるリングを配置したことを特徴とするコアレスリニアモータが提供される。

移動方向の少なくとも一端とは、中空円筒の電機子の側面（端面）のことである。リングは、前記中空円筒の側面と対面するように設ける。

また、本発明は、反発し合う対向磁極の複数の永久磁石を有する円柱状の固定子と、前記固定子の外周を囲む電機子コイルを有する中空円筒状の可動子と、を備えるコアレスリニアモータ電機子であって、前記電機子コイルの移動方向の少なくとも一端に非磁性金属からなるリングを配置したことを特徴とするコアレスリニアモータ電機子である。

本発明の他の観点によれば、反発し合う対向磁極の複数の永久磁石を有する円柱状の固定子と、前記固定子の外周を囲む電機子コイルを有する中空円筒状の可動子と、を備えるコアレスリニアモータ電機子の製造方法であって、前記電機子コイルの移動方向の両端に非磁性金属からなるリングを配置し、両端の前記リング間にわたって、前記リングと前記電機子コイルとを連結体により連結し、樹脂成型により前記電機子コイルと前記リングと前記連結体とを一体成型することを特徴とするコアレスリニアモータの電機子の製造方法が提供される。

本発明によれば、コアレスリニアモータにおける推力リップルを低減することができる。

本発明の第１の実施の形態によるコアレスリニアモータの外観構成例を示す斜視図である。 コアレスリニアモータの外観構成例を示す側面図、正面図および上面図である。 コアレスリニアモータの内部構成例を示す側面図および側面図におけるＡ−Ａ線に沿う正面の断面図、および、そのＢ−Ｂ線に沿う側断面図である。 電機子の構造の詳細を示す図であり、図４（ａ）は側断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ｏ−Ｏ−Ａ線に沿った断面図である。 本実施の形態によるリニアモータの推力と変位の関係を示す図であり、図５（ｂ）は、電機子コイルにリングを設けない場合の例、図５（ａ）は、電機子コイルにリングを設けた場合の例を示す図である。 図６（ａ）から図６（ｃ）までは、実施例１から実施例３までのそれぞれに係る電機子の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による電機子コイルの一構成例を示す斜視図である。 図７に示す電機子の構造の詳細を示す図であり、両側面図と、断面図および上面図である。 図９（ａ）は、回転モータにおけるコイル配置を示す図であり、図９（ｂ）は、リニアモータにおけるコイルの配置を示す図である。

以下に、本発明の一実施の形態によるコアレスリニアモータおよびリニアモータ電機子について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施の形態によるリニアモータは、シャフト型リニアモータと呼ばれる構造を有している。以下に示すシャフト型リニアモータは、ビルトインタイプと呼ばれ、出荷状態では、リニアエンコーダや可動子を支持するリニアガイドは取り付けられず、出荷した後に、リニアエンコーダやリニアガイドが取り付けられる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態によるシャフト型のコアレスリニアモータの出荷状態における外観構成例を示す斜視図である。図２は、シャフト型のコアレスリニアモータの出荷状態における外観構成例を示す側面図、正面図および上面図である。図３は、シャフト型のコアレスリニアモータの出荷状態における内部構成例を示す側面図および側面図におけるＡ−Ａ線に沿う正面の断面図、および、そのＢ−Ｂ線に沿う側断面図である。

コアレスリニアモータ１は、固定子（励磁部）３と、電機子（可動子）５と、フレーム部を構成する端面板７ａ、７ｂ、磁性ヨーク１１および磁性カバー１５を有する。

電機子５は、中空円筒状の構造を有しており、中空内に固定子３が挿入されている。

固定子３は、反発し合う対向磁極配置の円柱磁石３１の間に磁性スペーサ３３ｂを挟み、両端にも磁性スペーサ３３ａ、３３ｃを配置した構造を有する。そして、円柱磁石３１の外周部は、ステンレスパイプ２５により覆われている。円柱磁石３１は、永久磁石を用いることができる。また、磁性スペーサ３３ａ、３３ｂ、３３ｃにより、磁束密度を向上させるとともに、使用する磁石量を減らすことができる。

端面板７ａ、７ｂは、固定子３の両端に設けられ、固定子３と端面板７ａ、７ｂとは、それぞれネジ２１ａ、２１ｂにより固定される。磁性ヨーク１１は、固定子３および電機子５の下方に配置される。磁性ヨーク１１は、例えばネジにより端面板７ａ、７ｂに取り付けられる。

磁性カバー１５は、固定子３および電機子５の上方に配置される。磁性カバー１５は、例えばネジにより端面板７ａ、７ｂに取り付けられる。

電機子５の外側に、円弧状の磁性ヨーク１１と磁性カバー１５とを設けることで、電機子５の電機子コイル５１に鎖交する磁束量を増やし、モータの大推力化を図ることができる。

磁性ヨーク１１と磁性カバー１５とは、図３（右図）の断面図に示すように、固定子３および電機子５と同心円の円弧（１１ａ、１５ａ）をその内面に有する。電機子５の円筒状の電機子コイル５１が固定子３の円柱磁石を囲み，電機子５の円筒状の電機子コイル５１の外側に円弧状の磁性体（磁性ヨーク１１、磁性カバー１５）を設けて磁気ギャップを最短にすることにより、固定子３の磁石からの磁束を有効に利用することができ、モータ推力を向上させることができる。

図４は、電機子５の構造の詳細を示す図であり、図４（ａ）は側断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ｏ−Ｏ−Ａ線に沿った断面図である。

電機子５は、円筒状の電機子コイル５１と、電機子コイル５１の外周面を覆うように設けられたフレーム５３とを有している。さらに、本実施の形態における電機子５には、円筒の延在する方向の両端部に、非磁性金属により形成されたリング５５ａ、５５ｂが設けられている。リング５５ａ、５５ｂは、電機子５の移動方向の少なくとも一端に設けられる。すなわち、リング５５ａ、５５ｂは、中空円筒の電機子５の側面（端面）に、電機子５の中空円筒の側面と対面するように接触させて設けても良い。尚、リング５５ａ、５５ｂの側面とコイル５１の側面と接触していてもいなくても良い。但し、リング５５ａ、５５ｂがコイル５１に近いほど、渦電流の効果が大きい。

尚、「電機子コイル５１の両端部」の端とは、隣り合いながら連続的に配置したコイル群の隣り合うコイルがない端面である。図３、図４では、コイルが３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）であるため、３個のコイルを示したが、連続的に配置するコイルの数は、３相では３の倍数であれば良い。

このような構造により、リング５５ａ、５５ｂに、電機子コイル５１の端部からのもれ磁束に起因する渦電流を流すことで、リニアモータ１における各相のインダクタンスのアンバランスを抑制し、推力リップルを小さくすることができる。

図４に示す電機子５の製造方法の一例について以下に説明する。

まず、アルミニウム製のフレーム（枠）５３内にコイル５１を挿入し、非磁性金属リング５５ａ、５５ｂを配置する。次いで、フレーム５３とコイル５１とリング５５ａ、５５ｂとを一体成型する。

図５は、本実施の形態によるリニアモータ１の推力と変位の関係を示す図であり、図５（ｂ）は、電機子コイル５１にリングを設けない場合の例、図５（ａ）は、電機子コイル５１にリングを設けた場合の例を示す図である。

表２は表１に対応し、電機子コイル５１にリングを設けた場合のインダクタンスとアンバランスとを示す表である。表１と表２とを比較すると、電機子コイル５１にリングを設けることで、インダクタンスのアンバランスが小さくなっている。

図５（ａ）に示すように、リング５５ａ、５５ｂを設けると、リング５５ａ、５５ｂを設けない場合に観測されていた推力リップルが小さくなっていることがわかる。リング５５ａ、５５ｂを設けることで推力リップルが小さくなった理由は、表２に示すように、インダクタンスのアンバランスが小さくなったことに起因すると考えられる。

以上のように、本実施の形態によるリニアモータでは、電機子コイル５１の少なくとも一端、好ましくは両端に非磁性金属からなるリングを配置することで、インダクタンスのアンバランスを低減し、推力リップルを抑制することができる。

尚、非磁性金属には、例えば、銅、アルミニウム、真鍮などがあるが、アルミニウムを用いるとインダクタンスのアンバランスを効果的に解消することができる。また、アルミニウムは、軽量であるため、モータの軽量化にも寄与する。アルミニウムのリング５５ａ、５５ｂは、電機子コイル５１の両端面に接触させて、配置することが好ましい。リング５５ａ、５５ｂの位置が、電機子コイル５１の端面に近いほど、渦電流によるアンバランス低減の効果が大きいためである。

リング５５ａ、５５ｂの形状（幅）は、以下の式のように、電機子コイル５１の幅とほぼ同じにすると良い。
電機子コイル幅＝電機子コイルの外径−電機子コイルの内径

リング５５ａ、５５ｂの厚さは、０．５ｍｍ〜５．０ｍｍ程度が好ましい。この範囲よりも薄い場合には、渦電流が流れにくくアンバランスの改善効果が小さい。また、この範囲より厚くしても、渦電流の増加はあまり期待できないため、改善効果があまり大きくならない。

尚、本実施の形態では、コイルの両端にリングを設けたが、コイルの端部の一方に配置してもある程度の効果が得られる。

以下に、電機子コイルの端面に設けるリングの構造について、より具体的に説明する。

［実施例１］
図６（ａ）に示すように、実施例１に係る電機子５は、アルミニウムのリング５５ａ、５５ｂを、電機子５の電機子コイルと一体成型する基本的な実施例である。アルミニウムのリング５５ａ、５５ｂを、電機子５の電機子コイル、電機子５の電機子コイルの外側に設けたフレーム５３とともに樹脂成型で一体化することにより形成することができる。尚、樹脂成形はモールドにより行い、樹脂材料としては熱硬化性の材料を用いることができる。

［実施例２］
図６（ｂ）に示すように、実施例２に係る電機子５は、実施例１と同様に、アルミニウムのリング５５ａ、５５ｂを、電機子５の電機子コイルと一体成型する。リング５５ａにアースピン用の導通穴５７を設けている。

［実施例３］
図６（ｃ）に示すように、実施例３に係る電機子５は、折り返し５９をリング５５ａに追加することで、一体成型時に、より強固な固定が可能である。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態においては、電機子（可動子）５を、第１の実施の形態とは異なる構成とした。図７は、本実施の形態による電機子コイルの一構成例を示す斜視図である。図８は、図７に示す電機子の構造の詳細を示す図であり、両側面図、断面図および上面図である。

図７および図８に示すように、本実施の形態による電機子５は、円筒状のコイル５１と、コイル５１の端部、好ましくは両端に設けられたアルミニウム製のリング５７ａ、５７ｂと、リング５７ａからリング５７ｂまでの間にわたって、リングとコイル５１とを一括して連結するアルミニウム製の連結体（連結バー）８１ａ、８１ｂとを有する。連結は、仮止め状態を維持できれば良い。連結バー８１ａ、８１ｂと、リング５７ａ、５７ｂと、コイル５１とは、例えば樹脂７５により一体成形される。これにより、リング５７ａ、５７ｂと電機子コイル５１と連結バー８１ａ、８１ｂにより画定される空間内に樹脂７５などの接着剤が充填される。この時点で、連結状態が仮止めから接着剤による本固定に移行する。

尚、連結バーは１つでも良いが、剛性などの面から考えると図７および図８に示すように、２箇所で支持、連結した方が好ましい。ここで、連結バー８１ａ、８１ｂの機能は、第１の実施の形態におけるフレーム５３の機能に相当する。

このような構造により、リング５７ａ、５７ｂに、電機子コイル５１の端部からのもれ磁束に起因する渦電流を流すことで、リニアモータ１における各相のインダクタンスのアンバランスを抑制し、推力リップルを小さくすることができる。

電機子５の製造方法は、例えば以下の通りである。
まず、コイル５１とリング５７ａ、５７ｂとを、連結バー８１ａ、８１ｂにより、連結する。より詳細には、コイル５１とリング５７ａ、５７ｂとを、リング５７ａ、５７ｂの外周面に形成された凹部５７ｃ、５７ｄと、凹部５７ｃ、５７ｄと係合する連結バーの係合部８１ｃ、８１ｄとを係合させることで連結する。

この状態で、組み立てた電機子５を図示しないモールド治具（金型）の中に入れて、樹脂成型により一体化する。

第１の実施の形態で説明したアルミフレーム枠５３の中にコイル５１を挿入し、フレーム枠５３とコイル５１とを一体成型する方法では、フレーム枠５３の内外径を同軸にして工程を進める必要があるため、製造工程が複雑になる。

一方、本実施の形態による製造方法によれば、アルミニウム製のリング５７ａ、５７ｂと係合する連結バー８１ａ、８１ｂにより係合させた状態でング５７ａ、５７ｂとコイル５１とを一体成形するため、電機子５の製造工程が簡単になる。

また、本実施の形態では、電機子コイル５１の両端に配置するアルミニウム製のリング５７ａおよび５７ｂ、両側に設ける連結バー８１ａ、８１ｂは同じ形状の部品であるため、ともに部品の共通化ができる。また、樹脂をこの空間内に充填することによりアルミニウムの使用量を削減することができる。従って、電機子５が軽量になる。さらに、鋳込み樹脂成型により電機子５の高剛性化を図ることができる。

さらに、本実施の形態による製造方法では、樹脂モールド工程の前に、図７に示す状態においてリード線を処理できるため、第１の実施の形態による製造方法と比較して、リード線の処理がしやすいという利点がある。

上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、コアレスリニアモータに利用可能である。

１…シャフト型のコアレスリニアモータ、３…固定子（円柱磁石、励磁部）、５…電機子（可動子）、７ａ、７ｂ…端面板、１１…磁性ヨーク、１５…磁性カバー、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ…磁性スペーサ、５１…円筒状の電機子コイル、５５ａ、５５ｂ…リング、５７ａ、５７ｂ…リング、５７ｃ、５７ｄ…凹部、８１ａ、８１ｂ…連結体（連結バー）。

Claims (12)

1. 反発し合う対向磁極の複数の永久磁石を有する円柱状の固定子と、前記固定子の外周を囲む電機子コイルを有する中空円筒状の可動子と、を備えるコアレスリニアモータであって、
   前記電機子コイルの移動方向の少なくとも一端に非磁性金属からなるリングを配置したことを特徴とするコアレスリニアモータ。
2. 前記リングを、前記電機子コイルの両端に設けることを特徴とする請求項１に記載のコアレスリニアモータ。
3. 前記非磁性金属は、アルミニウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載のコアレスリニアモータ。
4. 前記リングの厚さは、０．５ｍｍから５．０ｍｍの間であることを特徴とする請求項３に記載のコアレスリニアモータ。
5. 前記固定子において、前記複数の永久磁石間に磁性スペーサが設けられていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のコアレスリニアモータ。
6. さらに、前記電機子コイルの外側に、円弧状の内面を有する磁性体を配置したことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のコアレスリニアモータ。
7. 前記リングは、前記電機子コイルの両端に設けられており、
   前記電機子コイルの両端に設けられた前記リング間にわたって、前記リングと前記電機子コイルとを連結する連結体を有していることを特徴とする請求項１に記載のコアレスリニアモータ。
8. 前記リングと前記電機子コイルと前記連結体とにより画定される空間内に樹脂が充填されていることを特徴とする請求項７に記載のコアレスリニアモータ。
9. 反発し合う対向磁極の複数の永久磁石を有する円柱状の固定子と、前記固定子の外周を囲む電機子コイルを有する中空円筒状の可動子と、を備えるコアレスリニアモータ電機子であって、
   前記電機子コイルの移動方向の少なくとも一端に非磁性金属からなるリングを配置したことを特徴とするコアレスリニアモータ電機子。
10. 前記リングは、前記電機子コイルの両端に設けられており、
    前記電機子コイルの両端に設けられた前記リング間にわたって、前記リングと前記電機子コイルとを連結する連結体を有していることを特徴とする請求項９に記載のコアレスリニアモータ電機子。
11. 前記リングと前記電機子コイルと前記連結体により画定される空間内に樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１０に記載のコアレスリニアモータ電機子。
12. 反発し合う対向磁極の複数の永久磁石を有する円柱状の固定子と、前記固定子の外周を囲む電機子コイルを有する中空円筒状の可動子と、を備えるコアレスリニアモータ電機子の製造方法であって、
    前記電機子コイルの移動方向の両端に非磁性金属からなるリングを配置し、
    両端の前記リング間にわたって、前記リングと前記電機子コイルとを連結体により連結し、
    樹脂成型により前記電機子コイルと前記リングと前記連結体とを一体成型することを特徴とするコアレスリニアモータの電機子の製造方法。

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