(57)【要約】【課題】本発明は、磁石にテーパ部を形成することにより、固定子の極歯の磁束発生及びコギングトルクの改善を行うことを目的とする。【解決手段】本発明による磁石構造は、磁石(12)は直線長手形状よりなり、磁石(12)の極歯(14)に面する第１長さ(B)は、前記可動子(1)に固定される磁石(12)の固定面(1b)の第２長さ(D)より短く、磁石(12)の長さ方向(A)に沿う各端部(12a,12b)には、テーパ部(12c,12d)が形成されている構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロット(20)と極歯(14)を交互に並列かつ直線状に配設した固定子(5)に対して対向移動自在な可動子(1)に設けられた磁石(12)からなる磁石構造において、
前記磁石(12)は直線長手形状よりなり、前記磁石(12)の前記極歯(14)に面する第１長さ(B)は、前記可動子(1)に固定される前記磁石(12)の固定面(1b)の第２長さ(D)より短く、前記磁石(12)の長さ方向(A)に沿う各端部(12a,12b)には、テーパ部(12c,12d)が形成されていることを特徴とする磁石構造。
【請求項２】
前記極歯(14)の第１横幅(C)と前記第１長さ(B)とは一致していることを特徴とする請求項１記載の磁石構造。
【請求項３】
前記磁石(12)の各端部(12a,12b)において、前記テーパ部(12c,12d)における前記第１長さ(B)の長さ方向(A)と直交する直交方向(AB)のテーパ高さ(H)と、前記各端部(12a,12b)の前記第１長さ(B)の長さ方向(A)と直交する直交方向の磁石高さ(h)とは、Ｈ＝４／５ｈの関係であることを特徴とする請求項１又は２記載の磁石構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石構造に関し、特に、固定子の極歯の磁束発生及びコギングトルクの改善を行うための新規な改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、用いられていたこの種の磁石構造としては、特許文献１のリニアモータの構造を図４から図８に挙げることができる。
すなわち、図４から図８において、１は可動子、２は第１永久磁石ユニット、３は第２永久磁石ユニット、４はリニアガイド、５は固定子、６は固定子フレーム、７は山形の固定部材、８は第１電機子ユニット、９は第２電機子ユニット、１０は第３電機子ユニット、１１は第４電機子ユニット、１２は第１永久磁石、１３は第２永久磁石、１４は分割コア、１５は電機子巻線である。まず、可動子１について説明する。可動子１は、両サイドにこれを支持するためのリニアガイド４、テーブル面に対し垂直に配置された界磁用の２個の永久磁石ユニット２，３から構成される。１個の磁石ユニットには２種類の永久磁石１２と永久磁石１３が全部で９個一列に並んで配置されている。まず、第１永久磁石１２は可動子１の内側にあり、極性が交互になるように極ピッチλごとに配置されている。
【０００３】
第２永久磁石１３は可動子１の両端にあり、それに隣接する第１永久磁石１２の極性とは逆の極性となるように配置されている。ここで、第１永久磁石１２の幅Ｗと第２永久磁石１３の幅Ｗ’の関係は、
Ｗ：Ｗ’＝１：０．５４
となっている。
【０００４】
次に、固定子５について説明する。固定子５は、２個の磁石ユニット２，３を挟み込んでいる４個の電機子ユニット８〜１１、その電機子ユニット８〜１１を貼り付けている山形の固定部材７、リニアガイド４と山形の固定部材７を受けている固定子フレーム６より構成される。１個の電機子ユニットは、１８個の分割コア１４とそれに予め集中巻した電機子巻線１５より構成される。さらに、この電機子巻線１５の表面は熱伝導の良い樹脂でスタイキャストされている。このような構成において、スロットピッチτと極ピッチλの関係は、
τ：λ＝８：９
となっており、また、第２永久磁石１３の中心からその隣の第１永久磁石１２の中心までの距離λ’との関係は、
τ：λ’＝１：０．９４
となっている。また、第２永久磁石１３の左端面からその隣の第１永久磁石１２の左端面までの距離Ｌは、
Ｌ＝λ’＋（Ｗ−Ｗ’）／２＝０．９４×τ＋０．２３×Ｗ
と表される。Ｗが
Ｗ＝０．９×τ
であるとすれば、スロットピッチτと第１永久磁石１２の左端面から第２永久磁石１３の左端面までの距離Ｌの関係は、
Ｌ＝０．９４×τ＋０．２３×０．９×τ＝１．１５×τ
τ：Ｌ＝１：１．１５
となる。
【０００５】
以上のような構成により、可動子１両端の永久磁石１２，１３の影響によって発生するコギング力は、殆んど無くすことができる。そこで、この効果を従来例と比較して説明する。従来技術によるとスロットピッチτと上述した距離１との関係が
τ：Ｌ＝２：３＝１．５
となっている。また、磁石幅Ｗ，Ｗ’やスロットピッチτが本実施例と同じである場合、スロットピッチτと上述した距離λ’の関係を導くと、
τ：λ’＝１：１．２９
となる。つまり、本発明実施例に比べ従来技術の方がＬ、λ’が長くなる。このような構造の違いによるコギング力を比較した結果を図７に示す。図７からもわかるように、従来技術による磁石の配置にすれば本案の約８倍の振幅でコギング力が発生する。また、コギング力はλ’／τの大きさによって変化し、実施例で示したλ’／τ＝０．９４のとき最小となる。λ’／τとコギング力の関係を図８に示す。なお、コギング力が最小となる形状は、第１永久磁石１２の幅Ｗと第２永久磁石１３の幅Ｗ’の比によって若干前後するが、条件が
０．９τ＜λ’＜１．０τ・・・・・(1)式
かつ、
０．５Ｗ＜Ｗ’＜０．６Ｗ・・・・・(2)式
であれば、コギング力を比較的小さくできる。つまり、Ｗ＝Ｗ’としたものに比べ、(2)式のみを採用すれば、コギング力を約１／３に低減することができ、さらに(1)式の条件を満たすことによって、本発明は従来技術のものに比べ、約１／８にまでコギング力を低減できるのである。
【０００６】
また、他の従来構成としては、図示していないが、特許文献２及び３の構成を挙げることができる。
すなわち、特許文献２の永久磁石回転電機及びそれを用いた電気車両の場合、構造としては筒状固定子の複数の磁極に対して１個のアーク形状の磁石が対応し、回転子に溝を形成することによって、回転時のコギングトルクを打ち消すようにしていた。
【０００７】
さらに、他の従来構成としては、図示していないが、前述の特許文献３の永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両の場合、前述の筒状固定子の複数の磁極に対して１個の磁石が対応し、その磁石の断面形状は、長方形形状、台形形状、アーチ形状、アーク形状、Ｖ字形状、Ｕ字形状の何れかで構成され、誘起電圧の波形を正弦波に近似させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３０８８５０号公報
【特許文献２】特開２００１−１４５２８４号公報
【特許文献３】特開２００１−１１２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のリニアモータ及び回転電機は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、特許文献１の構成の場合、固定子の各磁極に対する磁石の位置関係を細かく規定しないとコギング力を低減することはできず、製作が容易ではなかった。
また、特許文献２の構成の場合、回転子内に弧状の磁石を埋設すると共に、回転子の外周面に溝を形成することにより、コギングの低減を行っていたため、各磁石の埋設がコストアップとなっていた。
また、リニアモータに適用すると各磁石の埋設により可動子が肉厚となり、薄形化への障害となっていた。
また、特許文献３の構成の場合、回転子の周縁に形成された収容部の中に磁石支持させなければならず、リニアモータに適用した場合、可動子の厚さの薄形化に障害となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による磁石構造は、スロットと極歯を交互に並列かつ直線状に配設した固定子に対して対向移動自在な可動子に設けられた磁石からなる磁石構造において、前記磁石は直線長手形状よりなり、前記磁石の前記極歯に面する第１長さは、前記可動子に固定される前記磁石の固定面の第２長さより短く、前記磁石の長さ方向に沿う各端部には、テーパ部が形成されている構成であり、また、前記極歯の第１横幅と前記第１長さとは一致している構成であり、また、前記磁石の各端部において、前記テーパ部における前記第１長さの長さ方向と直交する直交方向のテーパ高さと、前記各端部の前記第１長さの長さ方向と直交する直交方向の磁石高さとは、Ｈ＝４／５ｈの関係である構成である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による磁石構造は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、スロットと極歯を交互に並列かつ直線状に配設した固定子に対して対向移動自在な可動子に設けられた磁石からなる磁石構造において、前記磁石は直線長手形状よりなり、前記磁石の前記極歯に面する第１長さは、前記可動子に固定される前記磁石の固定面の第２長さより短く、前記磁石の長さ方向に沿う各端部には、テーパ部が形成されていることにより、構造が簡単で製作が容易、出力波形の歪みやコギングの改善が得られる。
また、前記極歯の第１横幅と前記第１長さとは一致していることにより、製作が極めて容易である。
また、前記磁石の各端部において、前記テーパ部における前記第１長さの長さ方向と直交する直交方向のテーパ高さと、前記各端部の前記第１長さの長さ方向と直交する直交方向の磁石高さとは、Ｈ＝４／５ｈの関係であることにより、出力波形の歪みの低減化、及び、コギングトルクの大幅な低減化が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるリニアモータにおける磁石構造を示す要部の構成図である。
【図２】図１の磁石構造と従来の磁束の出力波形図である。
【図３】図１の磁石構造と従来のコギングトルクの出力波形図である。
【図４】第１従来構成を示す構成図である。
【図５】図４の可動子を除いた状態を示す平面構成図である。
【図６】図５の要部の拡大平面図である。
【図７】図６のコギングトルクの波形図である。
【図８】図６の従来構成のコギングトルクの振幅値である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、固定子の極歯の磁束及びコギングの改善を行うようにした磁石構造を提供することを目的とする。
【実施例】
【００１４】
以下、図面と共に本発明による磁石構造の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を用いて説明する。
図１において符号１で示されるものは長手形状の可動子であり、この可動子１の一面１ａ側には、平板状の複数の磁石１２が所定間隔で接着等により取り付けられている。
【００１５】
前記各磁石１２の対向位置には、極歯１４とスロット２０とが交互に並列かつ直線状に配設されてなる固定子５が長手状に横方向に配設されており、前記各スロット２０内には前記極歯１４に巻回された固定子巻線２１が配設されている。
従って、前記可動子１と固定子５とによってリニアモータ３０が構成されている。
【００１６】
前記可動子１の一面１ａを固定面１ｂとして設けられた磁石１２には、その長さ方向Ａに沿う各端部１２ａ，１２ｂにテーパ部１２ｃ，１２ｄが前記長さ方向Ａに沿って下がるように形成されており、前記各テーパ部１２ｃ，１２ｄの外側には、前記長さ方向Ａと直交する直交方向ＡＢに沿う側面１２ｅ，１２ｆが形成されている。
【００１７】
前記磁石１２の前記各テーパ部１２ｃ，１２ｄ間に位置すると共に前記極歯１４の極歯面１４ａと直接対面する磁石面１２ｇの第１長さＢは前記極歯１４の第１横幅Ｃと一致している。
前記第１長さＢは、前記磁石１２の固定面１ｂにおける第２長さＤよりも短く構成されている。
【００１８】
前記第１長さＢは、前記各スロット２０の各スロット中心Ｓ，Ｓ間のスロット横幅ＳＷよりも長くなるように構成されている。
前記固定面１ｂから前記直交方向ＡＢに沿う磁石１２の厚さを示す磁石高さｈは、前記直交方向ＡＢに沿うテーパ高さＨよりも高く構成されている。
【００１９】
従って、前記磁石１２の各端部１２ａ，１２ｂにおいて、前記テーパ部１２ｃ，１２ｄにおける前記第１長さＢの長さ方向Ａと直交方向ＡＢのテーパ高さＨと、前記各端部１２ａ，１２ｂの前記第１長さＢの長さ方向Ａと直交する直交方向ＡＢの磁石高さｈとは、Ｈ＝４／５ｈの関係に構成されている。
【００２０】
前述の構成による磁石構造を用いたリニアモータ３０の場合、実際の従来のテーパ部を有しない直方体マグネットを用いた場合と、本発明によるテーパ部１２ｃ，１２ｄを有する磁石１２を用いた場合とで、磁束変化及びコギングについて実験を行った。
その結果、図２に示されるように、黒四角マークで示されるように、磁束変化、すなわち、逆起電力波形の歪みが正常に近付いている。
また、図３に示されるコギングトルクの発生については、黒四角マークで示されるように、コギングトルクの発生レベルが大幅に小さくなり、コギングトルクの少ないリニアモータを得ることができる。
さらに、従来の直方体型マグネットに対し、逆起電力波形の歪み及びコギングトルクの改善として、歪みが−１．３％及びコギングトルクが−７６％の低減を得ることができた。
また、前述の極歯１４の形状及び磁石１２の厚さの変更にも対応可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明による磁石構造は、リニアモータに限ることなく、各種アクチュエータとして用いることができる。
【符号の説明】
【００２２】
Ａ    長さ方向
Ｂ    第１長さ
Ｃ    第１横幅
Ｄ    第２長さ
ｈ    磁石高さ
Ｈ    テーパ高さ
ＡＢ    直交方向
Ｓ    スロット中心
ＳＷ    スロット横幅
１    可動子
１ａ    一面
１ｂ    固定面
５    固定子
１２    磁石
１２ａ，１２ｂ    端部
１２ｃ，１２ｄ    テーパ部
１２ｅ，１２ｆ    側面
１２ｇ    磁石面
１４    極歯
１４ａ    極歯面
２０    スロット
３０    リニアモータ
【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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【図８】
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