(57)【要約】【課題】砂鉄などのコンタミナントの付着を抑制できる筒型リニアモータの提供である。【解決手段】上記した目的を達成するため、本発明の筒型リニアモータ１は、軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される環状の複数の永久磁石６ａ，６ｂを有する筒状の界磁６と、界磁６の外周に装着される筒状のバックヨーク７とを有する固定子Ｓと、固定子Ｓの内周に軸方向移動自在に挿入される電機子Ｅと、バックヨーク７の外周を覆う非磁性体で形成される筒状のカバー１０とを備えて構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される環状の複数の永久磁石を有する筒状の界磁と、界磁の外周に装着される筒状のバックヨークとを有する固定子と、
前記固定子の内周に軸方向移動自在に挿入される電機子と、
前記バックヨークの外周を覆う非磁性体で形成される筒状のカバーとを備えた
ことを特徴とする筒型リニアモータ。
【請求項２】
前記カバーは、外力による荷重を受ける強度部材である
ことを特徴とする請求項１に記載の筒型リニアモータ。
【請求項３】
前記カバーと前記バックヨークとの間に空隙が形成され、
前記空隙に収容される冷却媒体或いは前記バックヨークよりも高熱伝導率を持つ物質を備えた
ことを特徴とする請求項１または２に記載の筒型リニアモータ。
【請求項４】
前記カバーは、前記バックヨークよりも熱伝導率の高い材質で形成されている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の筒型リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒型リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
筒型リニアモータは、たとえば、軸方向にＳ極とＮ極とが交互に並ぶように積層される複数の永久磁石でなる筒状の界磁と、界磁内に軸方向移動自在に挿入される電機子と、前記界磁の外周に装着されるヨークとを備えて構成される（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２５１９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記筒型リニアモータでは、ヨークは、界磁の磁気回路を形成するだけではなく、筒型リニアモータの最外殻をなしており永久磁石を保護している。このようにヨークを最外殻として利用する筒型リニアモータを屋外で利用する用途で使用するとヨークに砂鉄等のコンタミナントが付着して汚れやすいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、砂鉄などのコンタミナントの付着を抑制できる筒型リニアモータの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される環状の複数の永久磁石を有する筒状の界磁と、界磁の外周に装着される筒状のバックヨークとを有する固定子と、固定子Ｓの内周に軸方向移動自在に挿入される電機子と、バックヨークの外周を覆う非磁性体で形成される筒状のカバーとを備えて構成されている。
【０００７】
このように構成された筒型リニアモータでは、界磁の外周に設けられたバックヨークの外周を覆うカバーが筒型リニアモータの最外殻をなしており、非磁性体であるので界磁によって磁化されない。
【０００８】
さらに、カバーが強度部材として機能する場合には、筒型リニアモータに入力される外力による軸荷重や曲げ荷重を受け得るので、界磁への荷重の作用を抑制できるとともに界磁の変形を阻止でき、界磁を保護できる。
【０００９】
また、筒型リニアモータは、バックヨークとカバーとの間に空隙が形成された空隙と、空隙に冷却媒体或いはバックヨークよりも高熱伝導率を有する物質を収容してもよい。このように構成された筒型リニアモータによれば、固定子の熱をカバーへ伝達しやすくなるので界磁を冷却して界磁の熱減磁を抑制できる。
【００１０】
さらに、カバーの熱伝導率をバックヨークよりも熱伝導率の高い材質で形成するようにしてもよく、このように構成された筒型リニアモータによれば、界磁の熱を放熱しやすくなるので、筒型リニアモータの駆動中における電機子の発熱による界磁の温度上昇を抑制して界磁の熱減磁を防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の筒型リニアモータによれば、砂鉄などのコンタミナントの付着を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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】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】主磁極の永久磁石の軸方向長さで副磁極の永久磁石の軸方向長さを割った値と筒型リニアモータの推力との関係を示した図である。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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１は、図１に示すように、軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される環状の複数の永久磁石６ａ，６ｂを有する筒状の界磁６と、界磁６の外周に装着される筒状のバックヨーク７とを有する固定子Ｓと、固定子Ｓの内周に軸方向移動自在に挿入される電機子Ｅと、バックヨーク７の外周を覆う非磁性体で形成される筒状のカバー１０とを備えて構成されている。
【００１４】
以下、筒型リニアモータ１の各部について詳細に説明する。電機子Ｅは、コア３と巻線５とを備えて構成されている。コア３は、円筒状のヨーク３ａと、環状であってヨーク３ａ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３ｂとを備えて構成されて可動子とされている。
【００１５】
ヨーク３ａは、前述の通り円筒状であって、その横断面積は、コア３の軸線Ｊ（図２参照）を中心として円筒でティース３ｂの内周から外周までのどこを切っても、ティース３ｂを前記円筒で切断した際にできる断面の面積以上となるように肉厚が確保されている。
【００１６】
本実施の形態では、図１および図２に示すように、ヨーク３ａの外周に１０個のティース３ｂが、軸方向に等間隔に並べて設けられており、ティース３ｂ，３ｂ間に巻線５が装着される空隙でなるスロット４が形成されている。また、各ティース３ｂは、環状であって、コア３の両端に配置されたティース３ｂを除いて、軸方向において内周端の幅Ｗｉより外周端の幅Ｗｏ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、末端のティース３ｂを除いた他のティース３ｂをコア３の軸線Ｊを含む面で切断した断面において、ティース３ｂの側面とコア３の軸線に直交する直交面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。なお、末端のティース３ｂは、図２に示すように、末端のティース３ｂ以外の他のティース３ｂをコア３の軸線に直交する面で半分に切り落とした断面形状とされている。このように、各ティース３ｂの断面形状は、内周端の幅より外周端の幅が狭い台形状とされている。
【００１７】
また、本実施の形態では、図１中で隣り合うティース３ｂ，３ｂ同士の間には、空隙でなるスロット４が合計で９個設けられている。そして、このスロット４には、巻線５が巻き回されて装着されている。巻線５は、Ｗ相、Ｗ相、Ｗ相およびＶ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｖ相よびＵ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｕ相およびＷ相の巻線５が装着されている。
【００１８】
そして、このように構成された電機子Ｅ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、電機子Ｅは、その図１中で左端と右端とがロッド１１に固定される環状のスライダ１２，１３によって保持されて、ロッド１１に固定されている。
【００１９】
本実施の形態の筒型リニアモータ１にあっては、ティース３ｂの断面形状は、内周端の幅より外周端の幅が狭い台形状とされているので、ティース３ｂの断面形状を矩形とする場合に比較して、内周端における磁路断面積が広くなる。よって、このように構成された筒型リニアモータ１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、ティース３ｂの断面形状を台形とするとよいが、これに限らず、断面形状を矩形としてもよいし、他の形状としてもよい。また、発明者らの研究によって、ティース３ｂ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。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１の最大推力を質量で割った数値であり、質量推力密度が良化すれば、筒型リニアモータ１の質量当たりの推力が大きくなる。よって、ティース３ｂ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度の範囲にある筒型リニアモータ１では、大きな推力が得られる。
【００２０】
他方、固定子Ｓは、本実施の形態では、軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される複数の環状の主磁極の永久磁石６ａと複数の環状の副磁極の永久磁石６ｂを有する筒状の界磁６と、界磁６の外周に装着される筒状のバックヨーク７と、界磁６の内周に嵌合される非磁性体のインナーチューブ８とを備えている。
【００２１】
なお、図１中で主磁極の永久磁石６ａと副磁極の永久磁石６ｂ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６ａの着磁方向は径方向となっており、副磁極の永久磁石６ｂの着磁方向は軸方向となっている。主磁極の永久磁石６ａと副磁極の永久磁石６ｂ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。
【００２２】
また、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１は、副磁極の永久磁石６ｂ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６ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２が設定されている。主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１を長くすればコア３との間の主磁極の永久磁石６ａとの間の磁気抵抗を小さくできコア３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１の推力を向上できる。
【００２３】
また、本発明の筒型リニアモータ１では、永久磁石６ａ，６ｂの外周にバックヨーク７を設けている。バックヨーク７を設けない場合、副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２が短くなると主磁極の永久磁石６ａの軸方向中央部分における磁石外部の磁気抵抗が増大し、界磁磁束が小さくなるため、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１を長くする際の筒型リニアモータ１の推力向上度合が小さくなる。これに対して、永久磁石６ａ，６ｂの外周にバックヨーク７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６ｂ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６ａの軸方向長さＬ１を副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２よりも長くするとともに永久磁石６ａ，６ｂの外周に筒状のバックヨーク７を設けると筒型リニアモータ１の推力を大きく向上させ得る。バックヨーク７の肉厚は、主磁極の永久磁石６ａ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。
【００２４】
なお、副磁極の永久磁石６ｂは、主磁極の永久磁石６ａ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６ｂ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６ｂの保磁力を高くして減磁を抑制し、大きな磁界をコア３に作用させ得るようにしている。対して、コア３に対して作用する磁界の強さは、主磁極の永久磁石６ａの磁力線数に左右される。そのため、主磁極の永久磁石６ａ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３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６ｂを主磁極の永久磁石６ａよりも保磁力を高くするのに際して、副磁極の永久磁石６ｂの材料を主磁極の永久磁石６ａ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６ａと副磁極の永久磁石６ｂ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６ａ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６ｂ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。
【００２５】
また、固定子Ｓの内周側には、コア３が挿入されており、界磁６は、コア３に磁界を作用させている。なお、界磁６は、コア３の可動範囲に対して磁界を作用させればよいので、コア３の可動範囲に応じて永久磁石６ａ，６ｂの設置範囲を決定すればよい。なお、バックヨーク７の長さは、永久磁石６ａ，６ｂを積層した長さと等しい長さとされており、永久磁石６ａ，６ｂがコア３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。
【００２６】
また、副磁極の永久磁石６ｂが主磁極の永久磁石６ａよりも高い保磁力を有していれば、大きな磁界が印加される副磁極の永久磁石６ｂの減磁を抑制しつつも主磁極の永久磁石６ａに高い残留磁束密度の永久磁石を利用できる。
【００２７】
主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１を副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２よりも長くすれば、界磁６はコア３に大きな磁界を作用させ得るが、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２に最適な関係がある。図３に主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１で副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２を割った値と筒型リニアモータ１の推力との関係を示す。発明者らは、鋭意研究した結果、図３に示すように、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２が０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定されれば、Ｌ２／Ｌ１の値を理想的な値に設定した際の推力に対して９５％以上の推力を確保できることを知見した。
【００２８】
よって、筒型リニアモータ１における主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２を０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定すれば、推力を一層向上できる。さらに、図３から理解できるように、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さＬ２が０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５を満たすように設定されれば、Ｌ２／Ｌ１の値を理想的な値に設定した際の推力に対して９８％以上の推力を確保できるので筒型リニアモータ１の推力をより効果的に向上できる。なお、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さと副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さを前述のように設定すると推力が向上するが、主磁極の永久磁石６ａの軸方向長さと副磁極の永久磁石６ｂの軸方向長さは任意に設定できるし、ハルバッハ配列以外の磁極配列の界磁を採用してもよい。
【００２９】
このように構成された固定子Ｓの外周には、非磁性体で形成された筒状のカバー１０が設けられており、固定子Ｓの外周の全体はカバー１０によって覆われている。カバー１０は、アルミニウム、銅、オーステナイト系ステンレスや樹脂といった非磁性体で形成されればよいが、本実施の形態では、カバー１０で外力による荷重を受けて界磁６を保護できるよう強度部材として機能する。強度部材として機能するためには、カバー１０に作用すると想定される軸方向の荷重や曲げ荷重に対して座屈や曲げ変形しないように材料と肉厚が選択される。また、カバー１０は、軽量な材料で形成されると、筒型リニアモータ１の質量推力密度が向上するため、アルミニウム或いは樹脂で形成されると質量推力密度向上の点で有利となる。また、本実施の形態では、カバー１０は、バックヨーク７の外周に嵌合されており、筒型リニアモータ１の使用中において電機子Ｅが発する熱が固定子Ｓを介してカバー１０に伝達される。カバー１０の熱伝導率をバックヨーク７の熱伝導率よりも高くし、カバー１０の熱抵抗を小さくすれば界磁６の冷却効率が上がり界磁６の熱減磁を抑制できる。また、バックヨーク７の外周に放熱グリスを塗布してからカバー１０を嵌合させるようにすれば、バックヨーク７とカバー１０との間での熱抵抗が減少するので、より放熱効果が高くなる。
【００３０】
つづいて、カバー１０、バックヨーク７およびインナーチューブ８の図１中左端はキャップ１４によって閉塞されており、カバー１０、バックヨーク７およびインナーチューブ８の図１中右端は内周に挿入されるロッド１１の軸方向の移動を案内する環状のヘッドキャップ１５によって閉塞されている。また、インナーチューブ８の内周には、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Ｅ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８は、コア３の外周と各永久磁石６ａ，６ｂ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と協働してコア３の軸方向移動を案内する役割を果たしている。なお、インナーチューブ８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１の推力密度向上効果が高くなる。インナーチューブ８を非磁性体の金属で製造すると、電機子Ｅが軸方向へ移動する際にインナーチューブ８の内部に渦電流が生じて、電機子Ｅ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８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１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１の質量を低減できる。なお、インナーチューブ８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８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８の内周をフッ素樹脂でコーティングしてもよい。
【００３１】
なお、キャップ１４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１４ａ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、カバー１０、バックヨーク７およびインナーチューブ８の軸方向長さは、コア３の軸方向長さよりも長く、コア３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。
【００３２】
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１における推力と電機子Ｅ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１では、電機子Ｅ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Ｅ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１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。
【００３３】
以上のように、本発明の筒型リニアモータ１は、軸方向の内周にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように積層される環状の複数の永久磁石６ａ，６ｂを有する筒状の界磁６と、界磁６の外周に装着される筒状のバックヨーク７とを有する固定子Ｓと、固定子Ｓの内周に軸方向移動自在に挿入される電機子Ｅと、バックヨーク７の外周を覆う非磁性体で形成される筒状のカバー１０とを備えて構成されている。
【００３４】
このように筒型リニアモータ１が構成されると、界磁６の外周に設けられたバックヨーク７の外周を覆うカバー１０は、筒型リニアモータ１の最外殻をなしており、非磁性体であるので界磁６によって磁化されない。したがって、本発明の筒型リニアモータ１によれば、屋外で利用する用途で使用しても筒型リニアモータ１の最外殻であるカバー１０が磁化されないので、カバー１０への砂鉄等のコンタミナントの付着を抑制でき汚れにくくなる。
【００３５】
また、カバー１０の熱伝導率をバックヨーク７よりも熱伝導率の高い材質で形成するようにすれば、界磁６の熱を放熱しやすくなるので、筒型リニアモータ１の駆動中における電機子Ｅの発熱による界磁６の温度上昇を抑制して界磁６の熱減磁を防止できる。
【００３６】
さらに、カバー１０が強度部材として機能する場合には、筒型リニアモータ１に入力される外力による軸荷重や曲げ荷重を受け得るので、界磁６への荷重の作用を抑制できるとともに界磁６の変形を阻止でき、界磁６を保護できる。
【００３７】
また、図４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１’のように、カバー１０の内径をバックヨーク７の外径よりも大きくしてカバー１０とバックヨーク７との間に空隙を設け、カバー１０とバックヨーク７との間に形成された空隙に冷却媒体Ｋを収容してもよい。この場合、カバー１０とバックヨーク７との間に形成される空隙を冷却媒体Ｋの通路として、冷却媒体Ｋが固定子Ｓから奪った熱を放熱する図示しない放熱機を設けて、冷却媒体Ｋを前記空隙と放熱器とに循環させるようにしてもよい。さらに、前記空隙に冷却媒体Ｋの代わりにバックヨーク７よりも高熱伝導率を有する物質Ｍを収容して固定子Ｓの熱をカバー１０へ伝達しやすくして界磁６を冷却して界磁６の熱減磁を抑制してもよい。高熱伝導率を有する物質Ｍは、バックヨーク７よりも高熱伝導率を有していれば固体であっても液体であってもよい。また、前述したところでは、カバー１０の内径をバックヨーク７の外径よりも大きくしてカバー１０とバックヨーク７との間に空隙を設けているが、カバー１０の内周形状を円形以外としてカバー１０とバックヨーク７との間の全周あるいは一部に空隙を設けて、この空隙に冷却媒体Ｋ或いはバックヨーク７よりも高熱伝導率を有する物質を収容してもよい。
【００３８】
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。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・筒型リニアモータ、６・・・界磁、６ａ，６ｂ・・・永久磁石、７・・・バックヨーク、１０・・・カバー、Ｋ・・・冷却媒体、Ｅ・・・電機子、Ｍ・・・物質、Ｓ・・・固定子
【図１】
2020036413.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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