(57)【要約】      （修正有）【課題】入口／出口の部分においてディテント力が特に小さくなり、コンパクトなタイプの構造を可能とし、さらに安価なコストで製造することができる鉄心リニアモータを提供する。【解決手段】リニアモータ１において、ディテント力は、コイル組合体の２つの外側部分において鉄極５２２の高さが異なるように選択することにより、好ましくは固定子２の端部に向けて鉄極５２２の高さを徐々に減少させることにより減らされる。さらに磁石をわずかに傾斜させることにより、推進力がごくわずかに損失するだけでディテント力がより一層抑えられる。鉄極５２２の正確な寸法は、とりわけコイル５１の大きさおよびリニアモータ全体の他の特性に依存し、シミュレーションにより最適化される。【選択図】図２
2008125345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子（２）と、
固定子の走行軸（１１）に沿って移動自在に配置された走行子（３）と、
固定子（２）上、または走行軸（１１１）に沿った走行子（３）上のいずれかにおいて交互に異なる極性で配置された多数の永久磁石（４）と、を備えた鉄心リニアモータにおいて、
対応する走行子（３）または固定子（２）は、走行子（３）または固定子（２）上に設けられたコイル（５１）と、多数の鉄極（５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´）とを有した鉄組合体（iron set）（５２）を有し、
各々のコイル（５１）の鉄極（iron pole）（５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´）の高さが異なっていることを特徴とする鉄心リニアモータ。
【請求項２】
各々のコイル（５１）の鉄極（５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´）の高さは、走行軸（１１）において、鉄組合体（５２）の２つの端部に向けて減少す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】
鉄極（５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´）の端面（５２５）は、固定子（５２）の２つの端部に向けて傾斜して減少していることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
【請求項４】
鉄極（５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´）の端面（５２５）は、望ましくは同一円のうちの異なる円弧に相当し、走行軸（１１）に沿った長手方向断面において端面（５２５）を有し、円形に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のリニアモータ。
【請求項５】
鉄極（５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´）の端面（５２５）は、走行子（３）の永久磁石（４）の面に平行であることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
【請求項６】
コイル（５１）の高さが同一であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のリニアモータ。
【請求項７】
鉄極の高さが、２つ以上の隣接する鉄極（５２２）において等しいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のリニアモータ。
【請求項８】
鉄極（５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´）の高さが、鉄組合体（５２）の中心側に位置して隣接する鉄極（５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´）の高さよりも８％〜１２％各々低いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のリニアモータ。
【請求項９】
リニアモータは、３相リニアモータであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立した特許請求の範囲の前置き部分に従い、固定子と、固定子の走行軸に沿って移動自在に設けられた走行子とを備える鉄心リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のオートメーション技術において、ブラシレスリニアモータは、アクチュエータとしてもはや考えられないことではない。それらは高い速度が得られるにもかかわらず、ナノメータの範囲における高い精度も得られる。このようなリニアモータを多く適用するために、例えば直線軸、あるいはクロステーブル（cross-table）、さらにリニアモータの容積をできるだけ小さくするとともに、できるだけ出力を高くすることが望まれている。
【０００３】
リニアモータは、電気モータであって、移動することができない固定子と、走行軸に沿って固定子に対して移動自在な走行子とを備えている。前記走行子は、基本的に回転電気モータにおける移動自在な回転子に相当する。走行子は、例えば軌道回転システム（track/roller system）によって固定子に対して移動自在に設けられている。コンパクトな寸法からなるリニアモータにとって特別に適切な構造は、一体鋳造および研磨されたガイド溝を有し、ＥＰ１７３２１９７に示されている。
【０００４】
リニアモータは、回転電気モータに類似して、さまざまなタイプの構造からなっている。特に高い出力密度に適する改良において、いくつかの永久磁石が、走行軸に沿ってポールと交互に異なる極性で配置されて走行子上に設けられるとともに、いくつかの電磁石コイルが、走行軸に沿って固定子上に同様に設けられている。
【０００５】
コイルは、磁場が移動して生成されるように制御される。この磁場において、力は後方または前方へ移動する走行子に作用する。コイルの制御は、ベクトル場の規制と位置測定システムにより、最近のブラシレスリニアモータにおいて電子的に行われている。
【０００６】
このようなリニアモータにおける代案において、電磁石が走行子上に設けられるとともに、永久磁石が固定子上に設けられている。この種の構造では、走行子よりも十分に長いトラック形状の固定子を製造する費用がより有利になる。しかしながら、第１の改良においては、走行子は移動自在であるが、走行子にケーブルを引きずることが要求される。
【０００７】
小さなモータ容量であると同時に高い推進力を得るために、電磁石は空気コアコイルの代わりに鉄心コアコイルで実現させることができる。できる限り高い出力を得るために、さらに鉄極と永久磁石との間の空気ギャップが、できる限り小さく維持される。さらに鉄極は、より大きな出力を可能とするとともに、発生する熱をより良く伝えることができるという利点を有している。
【０００８】
しかしながら、鉄心コイルを使用する場合、空気ギャップと比較すると、ディテント力（detent force）が、回転電気モータにおいて知られているいわゆる“コギング”という現象を引き起こすという重大な欠点がある。そのため強力な静的電流独立吸引力（ディテント力）が、鉄組合体（iron set）、特に固定子の鉄極と走行子の永久磁石との間に生じ、走行子の機械的ガイドを強固な構造にさせる。その結果、固定子に対して走行子が移動するのに伴い、変調されて交互に正負を繰り返すディテント力が、リニアモータの一定の推進力に付加される。リニアモータが一定の速度で移動している間、他の速度パターンの起伏が起こるため、この変調されたディテント力は、連続的に制御されなければならない。ディテント力の更なる欠点は、モータの消費電流と有効推進力との関係が不明瞭になることである。すなわち、線形でなく、そのためモータは正確な力の測定あるいは力／経路の測定のために使うことができない。
【０００９】
鉄心リニアモータにおける実際のディテント力に加えて、走行子および／または固定子の最終の長さによる入口および出口の効果がある。走行子が２つの固定子端部のうちの一つの部分において移動する場合、磁場は非対称となりディテント力はさらに増加する。しかしながらコンパクトタイプの構造にとって、システムの最大移動距離をできる限り遠くするべきである。このことにより、この入口／出口の効果が有利に減少する。
【００１０】
回転電気モータおよびリニアモータにおけるディテント力を減少させるための公知の解決方法は、鉄極に対して永久磁石を傾斜させること、永久磁石に対して鉄極を各々傾斜させること、あるいはもう一つの方法として特別な形状の永久磁石を使うことである。
【００１１】
このことにより、吸引力および反発力が付加されて、ディテント力が減少する。傾斜角度を大きくする（最大で２０°まで）ことが必要であるため、その結果推進力が自動的に減少する。
【００１２】
類似の解決方法がＵＳ５２１４３２３に示され、ここでは相互に連結された２つの固定子と２つの走行子との組み合わせによってディテント力が部分的に相殺され、固定子あるいは走行子はポール隙間の半分だけ互いに対してずらしている。しかしながら、この開発ではリニアモータをコンパクトタイプの構造にすることは困難である。
【００１３】
ＵＳ２００４／０２５６９１８Ａ１に、電磁石を含む走行子と、永久磁石を含むトラック（track）形状固定子とを有したリニアモータが示されている。ここでは、走行子の端部に設けられた追加のコイルが、ディテント力に対して反発する反作用力が生じるように制御される。このようにしてディテント力が相殺される。この解決方法は、長い固定子上で移動する走行子にとってのみ適切である。さらに、追加の能動素子（active element）は複雑でありそれゆえ高価である。
【００１４】
ＵＳ２００５／０２３６９１２Ａ１およびＵＳ４９１２７４６において、特に、ブラインドポールブロック、すなわちコイル組合体（coil set）の２つの端部においてコイルがない鉄極が形成されている。推進力の減少は少ないが、コイル組合体は長くなるとともに重くなる。固定子と走行子との間における静的吸引力はさらに大きくなり、機械的ガイドをより強固な構造にする必要が生じる。
【００１５】
ＥＰ１５１１１６４Ａ２に、電磁石を含む走行子を有したリニアモータが示されている。ここでは、ブラインドの鉄極が走行子の２つの端部に設けられている。端部に位置する前記鉄極はディテント力を減らすためのものであって、曲面を有するとともに、ブラインド鉄極の全幅に渡り、磁石が設けられる穴を有している。このようなタイプの構造は、複雑でありそれゆえ高価である。
【００１６】
ＵＳ２００５／０１３４１２２Ａ１に、ノギスの原理に従い、各々の鉄極間の距離が永久磁石間の距離よりもわずかに短くなっているリニアモータが示されている。これは、ディテント力による干渉を相殺させ、そのためディテント力を減少させるようになっている。しかしながら、入口／出口の部分におけるディテント力の問題は解決されていない。
【００１７】
永久磁石と鉄極との間におけるより均一な静的吸引力を得るために、Ｔ字形状のリブ付鉄極を使用することは、従来技術として知られている。このタイプの構造は、コイルが鉄極を簡単に向きを変えることができず、むしろ複雑な方法でそれらの回りに巻き付けなければならない。全体の高さは、同様により高くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上述した問題を大きく回避することができ、入口／出口の部分においてでさえもディテント力が特に小さくなり、コンパクトなタイプの構造を可能とし、さらに安価なコストで製造することができる、最初に述べたタイプの鉄心リニアモータを提供することを目的とする。
【発明の効果】
【００１９】
この問題および他の問題は、独立した請求項１に従い、最初に述べられたタイプのリニアモータによって解決される。さらに、本発明によるリニアモータの好適な実施の形態は、従属した請求項から明らかにされる。
【００２０】
本発明による鉄心リニアモータにおいて、割り込まれるディテント力と入口／出口の効果は、一方では、コイル組合体の２つの外側部分において鉄極の高さが異なるように選択することにより、好ましくは固定子の端部に向けて鉄極の高さを徐々に減少させることにより減らされる。また他方では、永久磁石、各々の鉄極をわずかに傾斜（数度ずつ）させることにより減らされる。コイル自体は同一であることが望ましい。鉄極の正確な寸法は、とりわけコイルの大きさおよびリニアモータ全体の他の特性に依存し、３次元有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションにより求められて最適化される。ここで、最適条件は、ディテント力の振幅を最大限減少させることと、モータ出力の減少を最大限小さくすることとの間において求められる。
【００２１】
磁石をわずかに傾斜させるとともに鉄極を異なる高さにすることにより、各々の永久磁石と相互に覆われるほとんどの部分の鉄極との間に、静的な反発力と吸引力が引き起こされる。このため、直進方向において実際に結果として生じるディテント力は、等しいポール高さを有するリニアモータに比べて振幅が小さくなる。
【００２２】
本発明による鉄心リニアモータは、費用のかかる能動素子が不要であり、固定子の製造はこれ以上複雑にならないため、ディテント力対策がない従来の鉄心リニアモータと実質的に製造コストが同じである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明によるリニアモータの実施の形態を、以下に添付した図面を参照してさらに説明する。
【００２４】
図１（ａ）に、本発明によるリニアモータの固定子の鉄組合体５２の最良の構成を示す。対応するリニアモータは、６つのコイル（図示せず）を有した固定子を備え、これら６つのコイルは、鉄組合体５２の６つの鉄極５２２の向きを変える。各々の鉄極５２２は、その後方側において鉄心５２１によって連結されている。渦電流を避けるために、鉄組合体５２は、通常の電気モータと同様に、積層された多数の鉄板５２３（部分的にのみ図示）から構成されている。各々の鉄極（５２２´、５２２´´、５２２´´´）の高さは、鉄組合体５２の２つの端部へ向けて走行軸１に沿って減少している。ここで、２つの鉄極は各々等しい高さになっている。これに対して、図１（ｂ）は、従来から知られているように、高さが等しい鉄極を有したリニアモータの鉄組合体を示している。
【００２５】
図２は、図１（ａ）の鉄組合体５２を有した本発明によるリニアモータ１の走行軸に沿った長手方向断面を図示している。固定子２は、ベース板１２上に設けられ、６つの鉄極５２２´、５２２´´、５２２´´´を含む鉄組合体５２を有している。６つの同一のコイル５２が、６つの鉄極の周囲に配置されている。ランナー３は固定子２の上方に設けられ、走行軸１１に沿って移動自在となっている。多数の永久磁石４は、極性を交互にして数度ずつ斜めに配置され、走行子３における固定子２側の面に設けられている。コイル５１の高さが等しいままであることに対し、各々の鉄極５２２´、５２２´´、５２２´´´の高さは、長手方向における鉄組合体５２の端部へ向けて減少していく。図示されたリニアモータは、３相モータであって、走行方向における各々の永久磁石間の距離は、鉄極間の距離の１．５倍に相当している。
【００２６】
リニアモータの全体寸法に対する各々の鉄極５２２の理想的な高さは、有限要素法シミュレーションによって決められる。有限要素法シミュレーションにおいて鉄極の高さは、ディテント力の変調の振幅が最小となるまで変えられる。２０ｍｍの深さ、５２ｍｍの走行方向の長さ、３．２ｍｍの鉄心の高さ、および１０．５ｍｍの最大高さを有する鉄組合体が、６つの鉄極を有している。全ての鉄極は、走行方向の長さが４ｍｍであり、４ｍｍ幅の溝によって分割されている。鉄極の向きを変える６つのコイルの高さは、各々７．１ｍｍとなっている。各々の鉄極の最適高さは、固定子に対する３次元有限要素法シミュレーションによって求められ、そのような方法で寸法化され、走行方向におけるディテント力の方向要素の振幅が最小となる。最も内側の２つの鉄極は、７．３ｍｍの鉄心全体に渡って固定高さを有し変化することはない。最適値は、２つの最も外側から２番目の鉄極の６．７という高さと、２つの最も外側の鉄極の５．９ｍｍという高さで与えられる。走行軸に対して直交する方向に永久磁石がわずかに傾斜し、その傾斜は５度と８度との間、好ましくは６度と７度との間であって、特に６．８度が好適である。
【００２７】
図３は、固定子に対する走行子の位置ｘの関数として、リニアモータの固定子上を走行する走行軸に沿って移動自在な走行子に作用する３相リニアモータの有効推進力Ｆを示す。力Ｆは、一定の電流値で作用するリニアモータのモータ出力を構成し、走行子の永久磁石と固定子の鉄極との間の静的ディテント力となっている。曲線Ａは、本実施例による鉄組合体における測定値を示し、曲線Ｂは、同一の鉄極を有する鉄組合体における測定値を示す。本発明によるリニアモータの変調ディテント力の振幅は、極高さが修正されることがない場合が６Ｎであるのに対して、約１Ｎである。
【００２８】
ディテント力の振幅は、永久磁石の傾斜がより大きくなることによりさらに減少させることができる。しかしながら推進力もまた減少する。その構造は３次元有限要素法シミュレーションにより望ましい特性となるように最適化される。
【００２９】
図４は、９つの鉄極５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´を含む鉄組合体５２を有し、本発明によるリニアモータの固定子２の他の好ましい実施の形態の、走行軸に沿った長手方向断面を示している。その鉄組合体の形状もまた鏡面対称である。明瞭に示すために、コイル５１が、３つの内側鉄極５２２に対してのみ示されているが、全ての鉄極は同一のコイル５１を有している。
【００３０】
本実施の形態によるリニアモータの固定子２は、図２の固定子よりも長くなる。入口と出口の効果は、この範囲において無視できる部分であるため、３つの内側鉄極５２２の高さは等しなっている。３つの最も外側の鉄極５２２´、５２２´´、５２２´´´のポール高さは、鉄組合体５２の２つの端部に向かって減少していく。ディテント力をさらに減少させるために、走行子の方向へ向いた鉄極の端面５２５は、固定子の端部へ向かって高さが減少するとともに、凸形状をなしている。特に好適な形態として、３つの減少された外側鉄極の端面５２５は、一つの円弧の長手方向部分において一致している。他の実施の形態として、３つの減少された外側鉄極の端面５２５は、斜めに減少する三角形の辺の長手方向部分において一致している。
【００３１】
本発明によるリニアモータの最適寸法として最初に述べた実施の形態は、公知のシミュレーション、特に有限要素法を用いることにより、多大な努力をすることなく、この技術分野における専門家によってリニアモータの与えられたあるいは望ましい形状に適応させることができる。特に、他のタイプの鉄心リニアモータに本発明の原理を一般化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、（ａ）本発明によるリニアモータの鉄組合体との実施の形態を示す図であり、（ｂ）従来のリニアモータの鉄組合体の実施の形態を示す図である。
【図２】図２は、本発明によるリニアモータの走行軸に沿った長手方向断面を示す図である。
【図３】図３は、同一のポール高さを有する従来のリニアモータと比較して、本発明によるリニアモータの力と経路の関係を示す図である。
【図４】図４は、本発明によるリニアモータの固定子の他の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１      リニアモータ
１１    走行軸
１２    ベース板
２      固定子
３      走行子
４      永久磁石
５１    コイル
５２    電機子／鉄組合体
５２１  鉄心
５２２、５２２´、５２２´´、５２２´´´  鉄極
５２３  鉄板
５２４  溝
５２５  鉄極の端面
【図１】
2008125345.tif 000003
【図２】
2008125345.tif 000004
【図３】
2008125345.tif 000005
【図４】
2008125345.tif 000006