(57)【要約】【課題】リニアモータの有効ストローク長を短くすることなく、コギング力を低減する。【解決手段】界磁３を可動子とし、電機子２を固定子とするリニアモータ１であって、界磁ヨーク１０と、界磁ヨーク１０に、界磁３の進行方向に沿って交互に極性が異なるように配置された複数の主極磁石１１及び複数の主極磁石１１の両端に位置する２つの補極磁石１２と、２つの補極磁石１２の電機子２と対向する端部に形成された突出部１２ａと、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁を可動子とし、電機子を固定子とするリニアモータであって、
界磁ヨークと、
前記界磁ヨークに、前記可動子の進行方向に沿って交互に極性が異なるように配置された複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石の両端に位置する２つの前記永久磁石の前記電機子と対向する端部に形成された突出部と、
を有することを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記突出部が形成された前記永久磁石は、
前記進行方向に対称な形状である
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】
前記突出部は、
前記進行方向に垂直な方向から見た形状が略四角形である
ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記突出部は、
前記進行方向に垂直な方向から見た形状が略台形である
ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
【請求項５】
前記突出部は、
前記進行方向の寸法及び前記電機子との対向方向の寸法がスロットコンビネーションに応じて設定される
ことを特徴とする請求項３又は４に記載のリニアモータ。
【請求項６】
前記突出部が形成された永久磁石は、
他の前記永久磁石よりも前記進行方向の寸法が小さく形成され、隣接する前記他の永久磁石とのピッチ間隔が当該他の永久磁石同士のピッチ間隔よりも小さくなるように配置される
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリニアモータ。
【請求項７】
界磁を可動子とし、電機子を固定子とするリニアモータであって、
界磁ヨークと、
前記界磁ヨークに、前記可動子の進行方向に沿って交互に極性が異なるように配置された複数の第１永久磁石と、
前記複数の第１永久磁石の前記進行方向における両端側に配置され、前記電機子と対向する端部に切り欠き部が形成された第２永久磁石と、
を有す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】
開示の実施形態は、リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、永久磁石よりなる界磁を可動子とし、電機子巻線を有した電機子を固定子としたムービングマグネット形のリニアスライダが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２６９８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、界磁用永久磁石がスキュー角を設けてテーブルに配置されている。このように、永久磁石にスキュー角を設ける場合、スキュー角を設けない場合に比べ、テーブルのストローク方向の寸法が長くなる。その結果、固定ベースに対するテーブルの有効ストローク長が短くなるという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、有効ストローク長を短くすることなく、コギング力を低減することができるリニアモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、界磁を可動子とし、電機子を固定子とするリニアモータであって、界磁ヨークと、前記界磁ヨークに、前記可動子の進行方向に沿って交互に極性が異なるように配置された複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石の両端に位置する２つの前記永久磁石の前記電機子と対向する端部に形成された突出部と、を有するリニアモータが適用される。
【０００７】
また上記課題を解決するため、本発明の別の観点によれば、界磁を可動子とし、電機子を固定子とするリニアモータであって、界磁ヨークと、前記界磁ヨークに、前記可動子の進行方向に沿って交互に極性が異なるように配置された複数の第１永久磁石と、前記複数の第１永久磁石の前記進行方向における両端側に配置され、前記電機子と対向する端部に切り欠き部が形成された第２永久磁石と、を有するリニアモータが適用される。
【０００８】
また上記課題を解決するため、本発明の別の観点によれば、界磁を可動子とし、電機子を固定子とするリニアモータであって、界磁ヨークと、前記界磁ヨークに、前記可動子の進行方向に沿って交互に極性が異なるように配置された複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石の両端に位置する２つの前記永久磁石における前記電機子との磁気的空隙寸法を前記進行方向に沿って変化させる手段と、を有するリニアモータが適用される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、リニアモータの有効ストローク長を短くすることなく、コギング力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態のリニアモータを表す縦断面図である。
【図２】補極磁石の機能を説明するための説明図である。
【図３】補極磁石の突出部の寸法を表す説明図である。
【図４】界磁に突出部がない補極磁石を設けた比較例の場合のリニアモータの動作時のコギング力を表す説明図、及び界磁に突出部を有する補極磁石を設けた本実施形態の場合のリニアモータの動作時のコギング力を表す説明図である。
【図５】突出部のない補極磁石を設けた比較例の場合のコギング推力を示すグラフ、及び突出部を有する補極磁石を設けた本実施形態の場合のコギング推力を示すグラフである。
【図６】永久磁石にスキュー角を設けた場合の有効ストロークと突出部を有する補極磁石を設けた本実施形態の有効ストロークを表す説明図である。
【図７】台形状の突出部を設けた補極磁石を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
＜リニアモータの全体構成＞
図１を用いて、本実施形態のリニアモータの全体構成を説明する。図１に示すように、本実施形態のリニアモータ１は、電機子２を固定子とし、界磁３を可動子とした、ムービングマグネット型のリニアモータである。
【００１３】
電機子２は、界磁３のストローク方向（進行方向）に沿って配列された複数（この例では９つ）のティース４を有する電機子鉄心５と、各ティース４に巻回された複数（この例では９つ）の電機子コイル６と、を備えている。各ティース４に巻回された電機子コイル６は、各ティース４の間に形成されたスロット７に収容されている。
【００１４】
界磁３は、図示しないリニアガイドによって上記ストローク方向に沿って移動自在に支持された界磁ヨーク１０と、界磁ヨーク１０の電機子２と対向する対向面に、上記ストローク方向に沿ってＮＳの極性が交互に異なる態様で所定間隔で配置された複数の永久磁石とを備えている。複数の永久磁石は、この例では３つの主極磁石１１と、これら主極磁石１１の上記ストローク方向における両端側に配置された２つの補極磁石１２とで構成される。これら主極磁石１１及び補極磁石１２は、電機子２と所定の磁気的空隙（ギャップ）を空けて対向配置されている。なお、主極磁石１１が第１永久磁石の一例に相当し、補極磁石１２が第２永久磁石の一例に相当する。
【００１５】
補極磁石１２は、主極磁石１１よりも小さい幅（上記ストローク方向に沿った長さ）に形成されており、補極磁石１２と隣接する主極磁石１１とのピッチ間隔は、主極磁石１１同士のピッチ間隔よりも小さくなるように配置される。この例では、３つのティース４（３つのスロット）に対して２つの主極磁石１１が対向して配置されており、リニアモータ１は２ポール３スロットのスロットコンビネーションに構成されている。
【００１６】
ここで、仮に界磁ヨーク１０のストローク方向両端部に補極磁石１２ではなく、主極磁石１１と同様な永久磁石を設けた場合、端部の主極磁石１１からストローク方向外方に漏れ磁束が生じ、隣接する主極磁石１１が形成する磁気回路に、ストローク方向両端部において磁気のアンバランスが発生する。これに対し、図２に示すように、界磁ヨーク１０のストローク方向両端部に補極磁石１２を設けることにより、界磁３の隣接する主極磁石１１が形成する磁気回路Ｑと同様な磁気回路を、補極磁石１２と主極磁石１１との間に形成することができるので、界磁ヨーク１０のストローク方向両端部に磁気のアンバランスが発生するのを防止できる。このようなことから、リニアモータ１では、界磁ヨーク１０のストローク方向両端部に補極磁石１２が配置される。
【００１７】
＜補極磁石の特徴＞
図３に示すように、補極磁石１２は、電機子２と対向する側（図３中下側）の端部に、突出部１２ａが形成されている。補極磁石１２はストローク方向に対称な形状である。この例では、突出部１２ａは、ストローク方向に垂直な方向（図３において紙面に垂直な方向）から見た形状が略四角形であり、突出部１２ａが形成された補極磁石１２の端部は凸型状となる。突出部１２ａは、例えば略四角形の補極磁石の電機子２と対向する側の端部に２つの切り欠き部１２ｂを形成することで、形成される。詳細は後述するが、突出部１２ａは、両端部に位置する補極磁石１２の磁束を所望の分布に変更し、両端部の補極磁石１２によるコギング力と端部以外の主極磁石１１によるコギング力を相殺させるためのものである。なお、突出部１２ａ及び切り欠き部１２ｂが電機子との磁気的空隙寸法を進行方向に沿って変化させる手段の一例に相当する。
【００１８】
補極磁石１２の突出部１２ａの寸法は、スロットコンビネーションに応じて設定される。本実施形態のように２ポール３スロットの場合、図３に示すように、主極磁石１１の厚さ（電機子２との対向方向の寸法。図３中上下方向の長さ）をＨとし、補極磁石１２の幅（進行方向の寸法。図中左右方向の長さ）をＷとすると、突出部１２ａの厚さが０．２５Ｈ、突出部１２ａの幅が０．５Ｗ程度である。なお、５ポール６スロット等の他のスロットコンビネーションを含め、突出部１２ａの厚さは０．２Ｈ〜０．３Ｈ、突出部１２ａの幅は０．４Ｗ〜０．６Ｗ程度とするのが好ましい。
【００１９】
＜補極磁石による主極磁石のコギング力の相殺＞
図４にリニアモータの動作時のコギング力を表す説明図を示す。図４（ａ）は、界磁３に突出部１２ａがない補極磁石１２′を設けた比較例の場合、図４（ｂ）は、界磁３に突出部１２ａを有する補極磁石１２を設けた本実施形態の場合である。図４（ａ）及び図４（ｂ）では２ポール３スロットのスロットコンビネーションであるので、主極磁石１１の磁石ピッチを１８０°とする電気角で界磁ヨーク４の配置ピッチは１２０°である。なお、この図４の説明において「右」及び「左」という場合、図４中における右方向及び左方向をそれぞれ指すものとする。また、図４中のコギング力の方向を示す矢印の長さはコギング力の大きさを表す。
【００２０】
界磁３が電機子鉄心５に対しストローク方向左端にあるときを電気角０°の位置とする。この場合、本実施形態、比較例のいずれも、左側の主極磁石１１と右側の主極磁石１１についてはティース４にほぼ正対し、中央の主極磁石１１については隣り合うティース４の間のスロット７にほぼ正対するので、いずれもコギング力はほぼ０となる。言い換えれば、主極磁石１１によるコギング力は、＋方向（図４中左方向）と−方向（図４中右方向）の大きさが均等となる。その結果、主極磁石１１による合計のコギング力は０となる。また、左端の補極磁石１２（補極磁石１２′）によるコギング力は−方向に、右端の補極磁石１２（補極磁石１２′）によるコギング力は＋方向に作用し、その大きさは均等となる。その結果、両端の補極磁石１２（補極磁石１２′）による合計のコギング力は０となる。したがって、本実施形態、比較例のいずれも、主極磁石１１と補極磁石１２′による全体のコギング力の合計は共に０となる。
【００２１】
次に、電気角１５°の位置についてみると、比較例の場合、各主極磁石１１とティース４との対向位置に基づき、左側の主極磁石１１と右側の主極磁石１１についてはコギング力は＋方向に大となり、中央の主極磁石１１についてはコギング力は−方向に小となる。その結果、主極磁石１１の合計のコギング力は＋方向に大となる。また、各補極磁石１２′とティース４との対向位置に基づき、左端の補極磁石１２′についてはコギング力は−方向に大となり、右端の補極磁石１２′についてはコギング力は＋方向に小となる。その結果、補極磁石１２′の合計のコギング力は−方向に小となる。したがって、補極磁石１２′によるコギング力によって、主極磁石１１によるコギング力を相殺する効果は少ない。
【００２２】
一方、本実施形態の場合、左端の補極磁石１２は、突出部１２ａのほぼ全体がティース４と重なって対向することからコギング力は−方向に大となり、右端の補極磁石１２は、突出部１２ａがティース４から外れて対向することからコギング力はほぼゼロとなる。その結果、両端の補極磁石１２による合計のコギング力は−方向に大となる。なお、本実施形態における主極磁石１１によるコギング力は比較例の場合と同じであり、主極磁石１１の合計のコギング力は＋方向に大となる。したがって、補極磁石１２によるコギング力により、主極磁石１１によるコギング力が大きく相殺される。
【００２３】
次に、電気角３０°の位置についてみると、比較例の場合、各主極磁石１１とティース４との対向位置に基づき、左側の主極磁石１１と右側の主極磁石１１についてはコギング力は＋方向に小となり、中央の主極磁石１１についてはコギング力は−方向に大となる。その結果、主極磁石１１による合計のコギング力はほぼ０となる。また、補極磁石１２′については、左端の補極磁石１２′はティース４にほぼ正対し、右端の補極磁石１２′は隣り合うティース４の間のスロット７にほぼ正対するので、いずれもコギング力はほぼ０となる。その結果、両端の補極磁石１２′による合計のコギング力は０となる。したがって、主極磁石１１と補極磁石１２′による全体のコギング力の合計はほぼ０となる。
【００２４】
一方、本実施形態の場合、左端の補極磁石１２はティース４にほぼ正対し、右端の補極磁石１２′は隣り合うティース４の間のスロット７にほぼ正対するので、いずれもコギング力はほぼ０で、両端の補極磁石１２による合計のコギング力はほぼ０となる。なお、主極磁石１１によるコギング力は比較例の場合と同じであり、主極磁石１１による合計のコギング力はほぼ０である。したがって、上記比較例と同様に、主極磁石１１と補極磁石１２′による全体のコギング力の合計はほぼ０となる。
【００２５】
次に、電気角４５°の位置についてみると、比較例の場合、各主極磁石１１とティース４との対向位置に基づき、左側の主極磁石１１と右側の主極磁石１１についてはコギング力は＋方向に極小となり、中央の主極磁石１１についてはコギング力は−方向に大となる。その結果、主極磁石１１による合計のコギング力は−方向に大となる。また、各補極磁石１２′とティース４との対向位置に基づき、左端の補極磁石１２′についてはコギング力は＋方向に大となり、右端の補極磁石１２′についてはコギング力は−方向に小となる。その結果、両端の補極磁石１２′による合計のコギング力は＋方向に小となる。したがって、補極磁石１２′によるコギング力によって、主極磁石１１によるコギング力を相殺する効果は小さい。
【００２６】
一方、本実施形態の場合、左端の補極磁石１２は、突出部１２ａのほぼ全体がティース４と重なって対向することからコギング力は＋方向に大となり、右端の補極磁石１２は、突出部１２ａがティース４から外れて対向することからコギング力はほぼゼロとなる。その結果、両端の補極磁石１２による合計のコギング力は＋方向に大となる。なお、本実施形態における主極磁石１１によるコギング力は比較例の場合と同じであり、主極磁石１１の合計のコギング力は−方向に大となる。したがって、補極磁石１２によるコギング力により、主極磁石１１によるコギング力が大きく相殺される。
【００２７】
次に、電気角６０°の位置についてみると、本実施形態、比較例のいずれも、中央の主極磁石１１についてはティース４にほぼ正対し、左側の主極磁石１１と右側の主極磁石１１については隣り合うティース４の間のスロット７にほぼ正対するので、主極磁石１１によるコギング力は＋方向と−方向の大きさが均等となる。その結果、主極磁石１１による合計のコギング力は０となる。また、左端の補極磁石１２（補極磁石１２′）によるコギング力は＋方向に、右端の補極磁石１２（補極磁石１２′）によるコギング力は−方向に作用し、その大きさは均等となる。その結果、両端の補極磁石１２（補極磁石１２′）による合計のコギング力は０となる。したがって、本実施形態、比較例のいずれも、主極磁石１１と補極磁石１２′による全体のコギング力の合計は共に０となる。
【００２８】
本実施形態によるコギング力のシミュレーション結果を比較例と対比して図５に示す。図５（ａ）は、界磁３に突出部１２ａがない補極磁石１２′を設けた比較例の場合、図５（ｂ）は、界磁３に突出部１２ａを有する補極磁石１２を設けた本実施形態の場合である。なお、図５において、主極磁石１１によるコギング推力を間隔の大きな破線で示し、補極磁石１２（補極磁石１２′）によるコギング推力を間隔の小さな破線で示し、それらの合成によるコギング推力を太い実線で示す。
【００２９】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、主極磁石１１によるコギング推力は、界磁３の電機子２に対する位置に応じて電気角６０°を１周期とする略正弦波状に変化する。一方、補極磁石１２（補極磁石１２′）によるコギング推力も、電気角６０°を１周期とする略正弦波状に変化するが、主極磁石１１の波形に対し逆相（位相差が電気角で約３０°）となっている。図５（ａ）に示す比較例では、補極磁石１２′によるコギング推力が小さいので、補極コギング推力による主極コギング推力の相殺効果が小さい。そのため、主極コギング推力と補極コギング推力とを合成した合成コギング推力は、主極コギング推力の７０％〜８０％程度にしか小さくできない。これに対し、本実施形態では、補極磁石１２によるコギング推力が大きいので、補極コギング推力による主極コギング推力の相殺効果が大きい。そのため、主極コギング推力と補極コギング推力とを合成した合成コギング推力を主極コギング推力の２０％〜３０％程度まで大きく低減できる。
【００３０】
＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のリニアモータ１では、界磁ヨーク１０に複数（この例では３つ）の主極磁石１１とその両端の２つの補極磁石１２が配置される。両端の補極磁石１２には、電機子２と対向する端部に突出部１２ａが形成される。この突出部１２ａにより、両端部に位置する補極磁石１２の磁束を所望の分布に変更し、補極磁石１２によるコギング力と主極磁石１１によるコギング力を相殺させて、界磁３と電機子２との間に作用するコギング力を低減することができる。
【００３１】
またその結果、次のような効果を得る。一般に、コギング力を低減するために永久磁石のスキュー構造が採用される。図６（ａ）にこのスキュー構造の一例を示す。図６（ａ）に示すように、主極磁石１１及び補極磁石１２にスキュー角を設けた場合、界磁ヨーク１０のストローク方向の寸法が長くなるので、電機子２に対する界磁ヨーク１０の有効ストローク長が短くなる。これに対し、本実施形態では、上述のようにコギング力を低減することができるので、永久磁石（主極磁石１１及び補極磁石１２）にスキュー角を設けて配置する必要がない。その結果、図６（ｂ）に示すように、スキュー角を設ける場合に比べて、界磁ヨーク４のストローク方向の寸法を小型化できるので、電機子２に対する界磁ヨーク１０の有効ストローク長をより長く確保できる。
【００３２】
以上のように、本実施形態によれば、有効ストローク長を短くすることなく、コギング力を低減できる。また、スキュー角を設けないので、スキューによるモータ定数の低下を防止できる。
【００３３】
また、本実施形態では特に、突出部１２のストローク方向の寸法Ｗ及び電機子２との対向方向の寸法Ｈがスロットコンビネーションに応じて設定される。これにより、多様なスロットコンビネーションにおいて、有効ストローク長を短くすることなくコギング力を低減できるリニアモータを実現できる。
【００３４】
＜変形例＞
なお、上記実施形態は以上説明した内容に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【００３５】
例えば、上記実施形態では、補極磁石１２の突出部１２ａは、ストローク方向に垂直な方向から見た形状を略四角形としたが、突出部の形状を略台形としてもよい。本変形例における補極磁石の一例を図７に示す。
【００３６】
図７に示すように、本変形例の補極磁石１６は、電機子２と対向する側（図７中上側）端部に、ストローク方向に垂直な方向（図７の紙面に垂直な方向）から見た形状が略等脚の台形状である突出部１６ａが形成されている。なお、補極磁石１６が第２永久磁石の一例に相当する。
【００３７】
補極磁石１６のＮ極側の表面は、突出部１６ａのストローク方向両側の傾斜面１６ｂで中央部よりも電機子鉄心５のティース４に対し離れる方向に後退している。これにより、上記実施形態と同様に、補極磁石１６によるコギング力と主極磁石１１によるコギング力とを効果的に相殺することができる。なお、突出部１６ａ及び傾斜面１６ｂが電機子との磁気的空隙寸法を進行方向に沿って変化させる手段の一例に相当する。
【００３８】
以上既に述べた以外にも、上記実施形態や変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。
【００３９】
その他、一々例示はしないが、上記実施形態や変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１            リニア−モータ
２            電機子
３            界磁
４            ティース
５            電機子鉄心
６            電機子コイル
７            スロット
１０          界磁ヨーク
１１          主極磁石（永久磁石、第１永久磁石）
１２          補極磁石（永久磁石、第２永久磁石）
１２ａ        突出部
１６          補極磁石（永久磁石、第２永久磁石）
１６ａ        突出部
Ｍ            磁束
【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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