(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動方向に間隔を開けて配置される複数の歯を有し、その可動方向の断面が櫛歯形状を有するコアと、前記コアの歯それぞれに巻装されるコイルと、前記コアの両端に設けられる補助歯と、を有する可動子と、
前記可動子の可動方向に配置される複数の磁石を有し、前記可動子と間隔を開けて対向配置される固定子と、
を備え、
コイルが巻装される歯のうち、前記可動子の進行方向に対し最後端に前記補助歯と隣接して位置する歯は、その磁気的状態が、その他のコイルが巻装される歯よりも磁気飽和が発生しにくくなるように構成されることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記最後端に前記補助歯と隣接して位置する歯と前記磁石の間隙の長さが、その他のコイルが巻装される歯と前記磁石の間隙の長さより長く構成されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
前記最後端に前記補助歯と隣接して位置する歯の材料が、その他の歯の材料と異なっていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記最後端に前記補助歯と隣接して位置する歯が、その他の歯の材料よりも飽和磁束密度が高い材料で構成されることを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
【請求項５】
可動方向に間隔を開けて配置される複数の歯を有し、その断面が櫛歯形状を有するコアと、前記コアの歯それぞれに巻装されるコイルと、前記コアの両端に設けられる補助歯と、を有する可動子と、
前記可動子の可動方向に配置される複数の磁石を有し、前記可動子と間隔を開けて対向配置される固定子と、
を備え、
コイルが巻装される歯のうち、前記可動子の進行方向に対し最後端に前記補助歯と隣接して位置する歯と前記磁石の間隙の長さが、その他のコイルが巻装される歯と前記磁石の間隙の長さより長く構成されることを特徴とするリニアモータ。
【請求項６】
可動方向に間隔を開けて配置される複数の歯を有し、その断面が櫛歯形状を有するコアと、前記コアの歯それぞれに巻装されるコイルと、前記コアの両端に設けられる補助歯と、を有する可動子と、
前記可動子の可動方向に配置される複数の磁石を有し、前記可動子と間隔を開けて対向配置される固定子と、
を備え、
コイルが巻装される歯のうち、前記可動子の進行方向に対し最後端に前記補助歯と隣接して位置する歯が、その他のコイルが巻装される歯の材料よりも飽和磁束密度が高い材料で構成されることを特徴とするリニアモータ。
【請求項７】
可動方向に間隔を開けて配置される複数の歯を有し、その可動方向の断面が櫛歯形状を有するコアと、前記コアの歯それぞれに巻装されるコイルと、前記コアの両端に設けられる補助歯と、を有する可動子と、
前記可動子の可動方向に配置される複数の磁石を有し、前記可動子と間隔を開けて対向配置される固定子と、
を備え、
コイルが巻装される歯のうち、前記可動子の進行方向に対し最後端に前記補助歯と隣接して位置する歯を、その他のコイルが巻装される歯より飽和磁束密度を高くするか、又は磁気抵抗を高くすることにより、前記最後端における磁束密度が飽和状態になることを抑制するよう構成されることを特徴とするリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コア付のリニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーを直線運動に変換するためにリニアモータが利用される。図１は、リニアモータの構成例を示す断面図である。リニアモータ２は、所定の間隙にて対向配置される固定子（ステータ）１０と可動子（ムーバ）２０を備える。固定子１０は、図中矢印で示す可動子２０の可動方向に延設される２次側継鉄１２と、２次側継鉄１２上に交互に配置される極性の異なる永久磁石１４（Ｎ，Ｓ）を備える。
【０００３】
可動子２０は、その可動方向の断面が繰り返しの凹凸形状、言い換えれば櫛歯形状を有する１次鉄心（コア）２２と、１次鉄心２２の複数の凸型部分（歯２４）に巻装されるコイル２６と、を備える。１次鉄心２２の両端が開放されていると、磁石１４からみた磁気抵抗が、可動子２０の移動に伴って周期的に変化し、これが周期的な推力変動（コギング）の原因となる。このコギングを防止するために、１次鉄心２２の両端部には、補助歯２８と称される部材が取付けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１０３４５７号公報
【特許文献２】特開平６−３８５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１のリニアモータ２では、可動子２０の位置に応じて推力が変動する推力リプルが発生する。図２は、推力変動を示す図である。推力リプルが存在すると、リニアモータ２の制御指令と、可動子の実際の位置に乖離が生ずるため好ましくない。
【０００６】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、リニアモータの推力リプルの低減にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、リニアモータに関する。このリニアモータは、可動方向に間隔を開けて配置される複数の歯を有し、その可動方向の断面が櫛歯形状を有するコアと、コアの歯それぞれに巻装されるコイルと、コアの両端に設けられる補助歯と、を有する可動子と、可動子の可動方向に配置される複数の磁石を有し、可動子と間隔を開けて対向配置される固定子と、を備える。可動子の進行方向に対し最後端のコイルが巻装される歯は、その磁気的状態が、その他の歯の磁気的状態と異なるように構成される。
【０００８】
最後端のコイルが巻装される歯は、磁気飽和が発生しにくくなるように構成されてもよい。
【０００９】
進行方向に対して最後端の歯（コア）には、局所的な磁気飽和が発生し、これにより起磁力高調波が発生する傾向が強い。この態様によると、コアの最後端部において磁気飽和が発生しないようにコアを設計することにより、起磁力高調波を抑制することができ、ひいては推力リプルを低減することができる。
【００１０】
ある態様において、最後端のコイルが巻装される歯と磁石の間隙の長さが、その他の歯と磁石の間隙の長さより長くてもよい。
これにより、コアの最後端部における磁気飽和を抑制でき、推力リプルを低減できる。
【００１１】
最後端のコイルが巻装される歯の材料が、その他の歯の材料と異なっていてもよい。最後端のコイルが巻装される歯が、その他の歯の材料よりも飽和磁束密度が高い材料で構成されてもよい。
これにより、コアの最後端部における磁気飽和を抑制でき、推力リプルを低減できる。
【００１２】
本発明の別の態様もまた、リニアモータである。このリニアモータは、可動方向に間隔を開けて配置される複数の歯を有し、その断面が櫛歯形状を有するように形成されるコアと、コアの歯それぞれに巻装されるコイルと、コアの両端に設けられる補助歯と、を有する可動子と、可動子の可動方向に配置される複数の磁石を有し、可動子と間隔を開けて対向配置される固定子と、を備える。可動子の進行方向に対し最後端のコイルが巻装される歯と磁石の間隙の長さは、その他の歯と磁石の間隙の長さより長く構成される。
【００１３】
本発明のさらに別の態様もまた、リニアモータである。このリニアモータは、可動方向に間隔を開けて配置される複数の歯を有し、その断面が櫛歯形状を有するように形成されるコアと、コアの歯それぞれに巻装されるコイルと、コアの両端に設けられる補助歯と、を有する可動子と、可動子の可動方向に配置される複数の磁石を有し、可動子と間隔を開けて対向配置される固定子と、を備える。可動子の進行方向に対し最後端のコイルが巻装される歯が、その他の歯の材料よりも飽和磁束密度が高い材料で構成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、リニアモータの推力リプルを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】リニアモータの構成例を示す断面図である。
【図２】推力変動を示す図である。
【図３】第１の実施の形態に係るリニアモータの断面を示す図である。
【図４】図１のリニアモータの第１極〜第３極をＵ相で、第４極〜第６極をＶ相で、第７極〜第９極をＷ相で駆動したときの各極が発生する磁束密度を示す波形図である。
【図５】図５（ａ）は、最後端の歯の鋼版グレードを変化させたときの、電気角に対する発生推力を、図５（ｂ）は、推力の周波数特性を示す図である。
【図６】第２の実施の形態に係るリニアモータの断面を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、最後端の歯の長さを変化させたときの、電気角に対する発生推力を、図７（ｂ）は、推力の周波数特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図３は、第１の実施の形態に係るリニアモータ２ａの断面を示す図である。リニアモータ２ａは、所定の間隙にて対向配置される固定子（ステータ）１０と可動子（ムーバ）２０ａを備える。固定子１０は、図中矢印で示す可動子２０ａの可動方向に延設される２次側継鉄１２と、２次側継鉄１２上に交互に配置される極性の異なる磁石１４（Ｎ，Ｓ）を備える。
【００１８】
可動子２０ａは、その可動方向の断面が繰り返しの凹凸形状、言い換えれば櫛歯形状を有する１次鉄心（コア）２２ａと、１次鉄心２２ａの複数の凸型部分（歯２４＿１〜２４＿９）に巻装されるコイル２６＿１〜２６＿９と、を備える。１次鉄心２２ａの両端部には、コギングを抑制するための補助歯２８が取付けられている。
【００１９】
可動子２０ａの進行方向（図中矢印方向）に対して最後端のコイル２６＿１が巻装される歯２４＿１は、その磁気的状態が、その他の歯２４＿２〜２４＿９の磁気的状態と異なるように構成される。より具体的に言えば、可動子２０ａが移動中に、最後端の歯２４＿１が、磁石およびコイル２６＿１が発生する磁束により磁気飽和しないように構成される。
【００２０】
第１の実施の形態では、最後端の磁気的状態を、その他の位置の磁気的状態と異ならしめるアプローチとして、歯２４の材料に着目している。
【００２１】
具体的には、最後端を除く歯２４＿２〜２４＿９は、同じ材料で構成され、最後端の歯２４＿１は、それとは異なる材料で構成される。より具体的には、最後端の歯２４＿１の鋼材は、その他の鋼材よりも、飽和磁束密度が高い材料で構成される。
【００２２】
以上がリニアモータ２ａの構成である。
【００２３】
リニアモータ２ａの動作を説明する前に、本発明において、最後端の磁気的状態に着目した理由を説明する。図１のリニアモータ２において、最後端から最先端の順に、歯２４とコイル２６のペアで構成される電磁石を、第１極Ｐ１〜第９極Ｐ９と称する。図４は、図１のリニアモータ２の第１極Ｐ１〜第３極Ｐ３をＵ相で、第４極Ｐ４〜第６極Ｐ６をＶ相で、第７極Ｐ７〜第９極Ｐ９をＷ相で駆動したときの各極の磁束密度を示す波形図である。進行方向に対して最後端の第１極Ｐ１においては、電機子反作用および補助歯２８の影響によって、局所的な磁気飽和が発生する。
【００２４】
磁気飽和が存在しなければ、コイルに正弦波の駆動電流を供給すると、それにより発生する磁束密度の波形も正弦波となる。ところが磁気飽和が存在すると、正弦波のピークがつぶれ、これにより高調波が発生する。正弦波のピークがつぶれると、その波形は矩形波に近づくことから、主として奇数次の高調波成分が発生することになる。
【００２５】
θを電気角として、
Ｕ相のコイル２６＿１〜２６＿３に、駆動電流ＩＵ・ｓｉｎθを、
Ｖ相のコイル２６＿４〜２６＿６に、駆動電流ＩＶ・ｓｉｎ（θ−１２０）を、
Ｗ相のコイル２６＿７〜２６＿９に、駆動電流ＩＷ・ｓｉｎ（θ−２４０）を、
供給し、Ｕ相にのみ磁気飽和が発生する状況を考察する。磁気飽和による高調波の発生は３次高調波が支配的であると仮定すると、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相における電気角θに対する磁束量は、それぞれ、
Ｕ相：  φＵ・ｓｉｎ（θ）＋φＵ３ｒｄｓｉｎ（３θ）
Ｖ相：  φＶ・ｓｉｎ（θ−１２０）
Ｗ相：  φＷ・ｓｉｎ（θ−２４０）
で与えられる。このとき、リニアモータ２の起磁力Ｆは、各コイルの巻き数ｎを用いて、式（１）で与えられる。
Ｆ＝ｎ・φＵ・ＩＵ・ｓｉｎ２θ＋ｎ・φＶ・ＩＶ・ｓｉｎ２（θ−１２０°）＋ｎ・φＷ・ＩＷ・ｓｉｎ２（θ−２４０°）＋ｎ・φＵ３ｒｄ・ＩＵ・ｓｉｎθ・ｓｉｎ（３θ）
…（１）
【００２６】
簡略化のため、ＩＵ＝ＩＶ＝ＩＷ＝Ｉ、かつφＵ＝φＶ＝φＷ＝φを仮定すると、起磁力Ｆは、式（２）となる。
Ｆ＝３・ｎ・φ・Ｉ／２＋ｎ・φＵ３ｒｄ・Ｉ（ｃｏｓ２θ−ｃｏｓ４θ）／２  …（２）
【００２７】
つまりＵ相にのみ磁気飽和が発生すると、その高調波成分がＶ相、Ｗ相の起磁力によってキャンセルできなくなり、基本波の２倍と４倍の周波数の推力リップルが発生することになる。
【００２８】
図３に戻る。図３のリニアモータ２ａでは、磁気飽和が発生しやすい最後端の極の歯２４＿１の材料として、飽和磁束密度が高い材料を用いることにより、磁気飽和が抑制される。図５（ａ）は、歯２４＿１の鋼版グレードを、５０Ａ２３０、５０Ａ６００、５０Ａ１３００と変化させたときの、電気角に対する発生推力を、図５（ｂ）は、推力の周波数特性を示す図である。１次鉄心２２ａの最後端を除く部分としては、鋼材５０Ａ６００を用いている。
【００２９】
飽和磁束密度は、５０Ａ２３０、５０Ａ６００、５０Ａ１３００の順で高くなっていく。図５（ｂ）から分かるように、最後端の歯２４の飽和磁束密度を高くするにしたがい、２次高調波成分の推力リプルが小さくなることが分かる。
【００３０】
このように、第１の実施の形態に係るリニアモータ２ａによれば、最後端の歯２４＿１の鋼材を最適化することにより、それにおいて生ずる磁気飽和を抑制することができる。その結果、歯２４＿１における磁石およびコイル２６＿１起因の磁束量変化が正弦波波形に近づくことになり、推力リプルを低減することができる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、最後端の歯２４＿１の材料の最適化により、磁気飽和を抑制するアプローチを説明した。第２の実施の形態では、別のアプローチとして、最後端の歯２４＿１において発生する磁束の大きさを低減することにより、磁気飽和を抑制するアプローチを説明する。
【００３２】
図６は、第２の実施の形態に係るリニアモータ２ｂの断面を示す図である。リニアモータ２ｂにおいて、最後端を除く歯２４＿２〜２４＿９と、固定子１０側の磁石１４のギャップ長ｄ２〜ｄ９は、均一化されている。そして最後端の歯２４＿１との磁石１４のギャップ長ｄ１は、その他のギャップ長ｄ２〜ｄ９に比べて長く構成される。言い換えれば、最後端の歯２４＿１は、その他の歯２４＿２〜２４＿９に比べて短くなっている。
【００３３】
以上がリニアモータ２ｂの構成である。
図７（ａ）は、歯２４＿１の長さを変化させたときの、電気角に対する発生推力を、図７（ｂ）は、推力の周波数特性を示す図である。「Default」は、歯２４＿１の長さが、その他の歯２４＿２〜２４＿９の長さと等しい場合を、「Cut0.2mm」は、歯２４＿１の長さが、その他の歯２４＿２〜２４＿９より０．２ｍｍ短い場合を、「Cut0.4mm」は、歯２４＿１の長さが、その他の歯２４＿２〜２４＿９より０．４ｍｍ短い場合を示す。
【００３４】
３相の起磁力ＦＵ〜ＦＷは、以下で示すように、コイル電流の駆動周波数の２倍波となる基本波成分Ｆ１と、その基本波成分の整数倍の高調波成分Ｆ２、Ｆ３、…を有する。
ＦＵ＝Ｆ１ｃｏｓ２θ＋Ｆ２ｃｏｓ４θ＋Ｆ３ｃｏｓ６θ＋・・・
ＦＶ＝Ｆ１ｃｏｓ２（θ−１２０）＋Ｆ２ｃｏｓ４（θ−１２０）＋Ｆ３ｃｏｓ６（θ−１２０）＋・・・
ＦＷ＝Ｆ１ｃｏｓ２（θ−２４０）＋Ｆ２ｃｏｓ４（θ−２４０）＋Ｆ３ｃｏｓ６（θ−２４０）＋・・・
ここで、２倍高調波は、３相交流の１２０°等配の位相差により打ち消されることになるが、３倍高調波は打ち消されない。これが原因で推力には、駆動周波数の６倍の周波数の推力リプルが発生する。
【００３５】
最後端の歯２４のギャップ長を長くすることにより、ギャップにおける磁気抵抗が高まるため、Ｕ相の磁束量が低下し、それにより磁気飽和を緩和される。図７（ｂ）から明らかなように、ギャップ長を最適化することにより、主として上述の６倍波の推力リプルを低減できる。
【００３６】
なお推力リプルの振幅は、「Default」、「0.2mm」、「0.4mm」それぞれの場合で、３９．９Ｎｐ−ｐ、３５．２Ｎｐ−ｐ、５６．５Ｎｐ−ｐとなり、ギャップ長を長くしすぎると、Ｕ相の起磁力がＶ相、Ｗ相に比べて小さくなるため、起磁力不平衡が起こり、リプル振幅は増大する。
【００３７】
言い換えれば、最後端の歯２４＿１のギャップ長の長さを最適化するとともに、その他の歯２４＿２〜２４＿９のギャップ長をあわせて最適化することにより、主として６倍波の推力リプルを低減できるとともに、推力リプルの振幅自体も低減することができる。
【００３８】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００３９】
実施の形態では、リニアモータ２が一方向にのみ移動するものとして説明したが、本発明はこれに限定されない。多くの用途において、リニアモータ２は双方向に可動となっており、往復運動を行う。この場合、いずれの方向に運動する際にも、推力リプルは低減されることが望ましい。
【００４０】
往復運動を行うリニアモータ２においては、可動子２０が第１方向に移動する際には最先端であった歯２４＿９が、第２方向に移動する際には最後端となる。したがって、往復運動をするリニアモータ２においては、両端の歯２４＿１、２４＿９の磁気的状態を、両端以外の歯２４＿２〜２４＿８と異なるように構成すればよい。
【００４１】
具体的には、第１の実施の形態においては、両端の歯２４＿１、２４＿９の材料を、両端以外の歯２４＿２〜２４＿８の材料とは異なる材料を用いて構成すればよく、より具体的には、両端の歯２４＿１、２４＿９の材料を、両端以外の歯２４＿２〜２４＿８の材料よりも飽和磁束密度が高い材料で構成すればよい。第２の実施の形態においては、両端の歯２４＿１、２４＿９のギャップ長を、両端以外の歯２４＿２〜２４＿８のギャップ長よりも短く構成すればよい。このような変形例も、請求の範囲で規定される本発明の範囲に当然に包含される。
【００４２】
実施の形態では、各相が３極で構成される場合を説明したが、本発明はこれには限定されず、相ごとの極数は特に限定されるものではない。
【００４３】
第２の実施の形態では、ギャップ長の変更により磁気抵抗を変化させる場合を説明したが、ギャップ長の他、厚み、形状、密度等を、あるいはそれらの任意の組み合わせを変更することによっても、磁気抵抗を変化させることが可能であり、こうした態様も本発明の範囲に含まれる。
【００４４】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００４５】
２…リニアモータ、１０…固定子、１２…２次側継鉄、１４…磁石、２０…可動子、２２…１次鉄心、２４…歯、２６…コイル、２８…補助歯。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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