(57)【要約】【課題】銅損の増加によるコアレス同期リニアモータの温度上昇を抑制できるコアレス同期リニアモータを提供する。【解決手段】コアレス同期リニアモータ１は、中心軸に沿って配置され着磁方向２４が中心軸に沿う円板状の永久磁石２２を複数有する界磁子２と、円環状の巻線３１を複数有する電機子３とを備え、巻線３１は、空隙４を介して界磁子２の外径側を囲んで配置され、永久磁石２２の磁極が有する極性は、対向する永久磁石２２の磁極が有する極性と同じであり、巻線３１の外径であるＤｏを永久磁石２２の外径であるＤｍで割った値であるα＝Ｄｏ／Ｄｍが、１．１５≦α≦２．１０であるものである。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に沿って配置され着磁方向が前記中心軸に沿う円板状の永久磁石を複数有する界磁子と、円環状の巻線を複数有する電機子とを備え、
前記巻線は、空隙を介して前記界磁子の外径側を囲んで配置され、
前記永久磁石の磁極が有する極性は、対向する前記永久磁石の磁極が有する極性と同じであり、
前記巻線の外径であるＤｏを前記永久磁石の外径であるＤｍで割った値であるα＝Ｄｏ／Ｄｍが、１．１５≦α≦２．１０であるコアレス同期リニアモータ。
【請求項２】
１．１５≦α≦１．５０である請求項１に記載のコアレス同期リニアモータ。
【請求項３】
１．３０≦α≦１．５０である請求項１に記載のコアレス同期リニアモータ。
【請求項４】
隣り合う前記永久磁石の間に磁性材が挿入されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコアレス同期リニアモータ。
【請求項５】
隣り合う前記永久磁石の中心軸方向一端同士の間隔をτｐとし、前記磁性材の中心軸方向の厚さをＬとした場合に、０＜Ｌ／τｐ≦０．３である請求項４に記載のコアレス同期リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁性材料を有しない電機子を備えたコアレス同期リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用の工作機械や実装機等の搬送機構において、回転電動機とボールねじとを組み合わせて回転運動を直線運動に変換する機構が用いられるものがある。回転電動機とボールねじとを組合せた搬送機構において、ボールねじのバックラッシュの影響により、応答性が低下する。また、一般的に、ボールねじは直線運動方向に細長くなるため、ボールねじの剛性が低下しやすい。このため、近年、回転電動機とボールねじとを組合せた搬送機構よりも高応答及び高剛性を実現できる搬送機構として、ダイレクトドライブモータであるリニアサーボモータが採用される例がある。
【０００３】
しかしながら、リニアサーボモータの採用において、永久磁石による磁気吸引力が働く中での可動子と固定子との空隙距離の確保、リニアスライダの剛性確保、およびコギング推力による位置決め精度の低下という課題がある。これらのリニアサーボモータの課題を解決する手段として、磁性材料を有しない電機子を備えた円筒形状のコアレス同期リニアモータが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２８９３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されるコアレス同期リニアモータは、円筒形状のシャフトに複数の永久磁石を同極が対向するように挿入した固定子と、この固定子を囲んで巻かれた巻線を有する可動子とから構成される。そして、固定子から発生する磁石磁束を増加させるため、永久磁石の外径Ｄｍを永久磁石の中心軸方向の配置間隔であるτｐで割った比Ｄｍ／τｐが０．３以上としている。
【０００６】
しかしながら、この比Ｄｍ／τｐを０．３以上とするということは、永久磁石２２の外径Ｄｍが大きくなることを意味する。このため、コアレス同期リニアモータの巻線外径までを含む中心軸に垂直な断面積と巻線の中心軸方向長さとの積で表される体積であるモータ体格を一定とすると、可動子において巻線が装着されるスロット面積が減少する。スロット面積が減少すると、巻線の導体面積も減少するため、巻線の抵抗が増加して銅損が増加することになる。銅損の増加は、コアレス同期リニアモータの温度上昇に繋がる。コアレス同期リニアモータは、巻線の絶縁耐圧や搬送用の温度制限の関係で、温度上昇に所定の制約が設けられて用いられるのが通常である。したがって、コアレス同期リニアモータの温度上昇を抑制するためには、巻線に通電する電流を低減する必要があり、永久磁石の磁束を増加しない限り必要な推力が得られないという課題があった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、銅損の増加によるコアレス同期リニアモータの温度上昇を抑制できるコアレス同期リニアモータを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るコアレス同期リニアモータは、中心軸に沿って配置され着磁方向が中心軸に沿う円板状の永久磁石を複数有する界磁子と、円環状の巻線を複数有する電機子とを備え、
巻線は、空隙を介して界磁子の外径側を囲んで配置され、
永久磁石の磁極が有する極性は、対向する永久磁石の磁極が有する極性と同じであり、
巻線の外径であるＤｏを永久磁石の外径であるＤｍで割った値であるα＝Ｄｏ／Ｄｍが、１．１５≦α≦２．１０であるものである。
【発明の効果】
【０００９】
上記のように構成されたコアレス同期リニアモータは、銅損の増加によるコアレス同期リニアモータの温度上昇を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１におけるコアレス同期リニアモータを示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるコアレス同期リニアモータの中心軸方向を含む断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるコアレス同期リニアモータの中心軸方向に垂直なＢ−Ｂ断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１におけるコアレス同期リニアモータの可動子の移動距離と巻線の鎖交磁束との関係を示すグラフである。
【図５】この発明の実施の形態１におけるコアレス同期リニアモータの中心軸からの径方向距離と、永久磁石の中心軸方向中央部断面における磁束密度の中心軸方向成分との関係を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態１におけるコアレス同期リニアモータの永久磁石の外径Ｄｍと銅損Ｗｃｕとの関係を示すグラフである。
【図７】この発明の実施の形態１におけるコアレス同期リニアモータのαと銅損Ｗｃｕとの関係を示すグラフである。
【図８】この発明の実施の形態２におけるコアレス同期リニアモータの中心軸方向を含む断面図である。
【図９】この発明の実施の形態２におけるコアレス同期リニアモータの磁性材の厚みＬを極ピッチτｐで割った値β＝Ｌ／τｐと誘起電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のコアレス同期リニアモータの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるコアレス同期リニアモータを示す斜視図である。
図１において、コアレス同期リニアモータ１は、界磁子である固定子２と、空隙４を介して固定子２の外径側を囲んで配置された電機子である可動子３とを備えている。可動子３は、固定子２の中心軸上を往復する。また、コアレス同期リニアモータ１には、可動子３の位置決めを行うために、可動子３の移動方向Ａに沿う位置を検出する図示しないスケールが取り付けられている。固定子２は、治具によって図示しない装置に固定されている。そして、可動子３は、スライダ等で支持され装置に対して相対的に移動可能な負荷に固定されている。このため、可動子３は、固定子２に対して移動方向Ａに沿って相対的に移動可能となっている。
【００１２】
図２は、本実施の形態におけるコアレス同期リニアモータの中心軸方向を含む断面図である。図２において、永久磁石２２の矢印は、着磁方向２４を示している。また、永久磁石２２の外径をＤｍ、巻線３１の外径をＤｏ、巻線３１の内径をＤｉとしている。
固定子２は、端部が閉じられ断面が中空の円筒形状の非磁性からなるシャフト２１と、移動方向Ａに平行な中心軸に着磁方向２４が沿う円板状の複数の永久磁石２２とを有する。
【００１３】
永久磁石２２は、シャフト２１の端部が閉じられる前にシャフト２１の中空内に挿入されて、永久磁石２２の同極が中心軸方向に対向するように配置されている。すなわち、永久磁石２２の磁極が有する極性は、対向する永久磁石２２の磁極が有する極性と同じである。ここで、永久磁石２２の磁極は、永久磁石２２における着磁方向２４の両端面であり、着磁方向２４（図２の矢印２４の方向）の一端面の磁極はＮ極を有し、反対側の他端面の磁極はＳ極を有している。また、永久磁石２２は、隣り合う永久磁石２２の中心軸方向一端同士の間隔をτｐとしたとき、τｐが一定となる等ピッチでシャフト２１に挿入されている。図２では、隣り合う永久磁石２２は、対向する面同士が接して配置されている。
【００１４】
可動子３は、導体が円環状に形成された複数の巻線３１と、非磁性の金属または樹脂から構成される複数のスロットセル３２と、巻線３１を固定するフレーム３３とを有する。
【００１５】
巻線３１は、空隙４を介して固定子２の外径側を囲み、移動方向Ａである中心軸に沿って等間隔に配置されている。また、１個の巻線３１の導体には、同じ相の電流が通電される。
【００１６】
複数のスロットセル３２は、それぞれ巻線３１の固定子２との対向面側および巻線３１の中心軸方向一端面を覆っている。このため、複数の巻線３１は、複数のスロットセル３２で形成された複数のスロットにそれぞれ収容されている。スロットセル３２の中心軸方向一端から巻線３１を収容するため、スロットセル３２の中心軸方向一端が開口した方が、組立性が向上する。
【００１７】
なお、巻線３１は、冶具に巻きつけてワニスやモールドなどで一体化した後に冶具から外してスロットセル３２に収容してもよいし、スロットセル３２に導体を直接巻きつけて製作してもよい。
また、図２において、中心軸方向一端のスロットセル３２（図２の左端）は、巻線３１の中心軸方向一端を覆っていないが、スロットセル３２が、この巻線３１の一端を覆っていてもよい。
【００１８】
フレーム３３の中心軸方向の長さは、全ての巻線３１の中心軸方向の長さ以上であればよい。フレーム３３の中心軸方向の長さは、全ての巻線３１の中心軸方向の長さより大きくなっており、フレーム３３の中心軸方向の両端面は、巻線３１の一端面をそれぞれ覆っている。
【００１９】
ここで、コアレス同期リニアモータ１は、永久磁石２２の数である極数をｐ、巻線３１が装着されたスロットの数をｎとした時に、ｐ：ｎ＝１：３となっている。また、巻線３１は、Ｕ＋、Ｗ−、Ｖ＋、Ｕ−、Ｗ＋、Ｖ−、Ｕ＋，Ｗ−，Ｖ＋の順序で中心軸に沿って配置されている。ここで、巻線３１の相の添字＋および−は、巻線３１が巻かれる方向が互いに異なることを示している。
なお、ｐ：ｎは１：３に限らない。また、その極数およびスロットの数に応じて、巻線３１の配置も変更してよい。
【００２０】
図３は、本実施の形態におけるコアレス同期リニアモータの中心軸方向に垂直なＢ−Ｂ断面図である。
図３において、フレーム３３の内周は、円筒形状になっており、外周は四角形状になっている。スロットセル３２に収容された巻線３１がこの内周に固定される。
【００２１】
なお、電機子が固定子であり、界磁子が可動子であっても特性上何ら問題はない。
【００２２】
永久磁石２２の外径Ｄｍと巻線３１の外径Ｄｏとは、永久磁石２２の外径Ｄｍで巻線３１の外径Ｄｏを割った値であるα＝Ｄｏ／Ｄｍが１．１５≦α≦２．１０を満たすように設定されている。
この構成によって、コアレス同期リニアモータ１の巻線３１の外径までの中心軸に垂直な断面積と巻線３１の中心軸方向長さとの積で表される体積であるモータ体格を大きくすることなく銅損を抑制し、モータ特性が優れたコアレス同期リニアモータを提供することができる。
【００２３】
次に、本実施の形態の効果について、電磁界解析の結果を用いて説明する。
図４は、本実施の形態におけるコアレス同期リニアモータの可動子の移動距離と巻線の鎖交磁束との関係を示すグラフである。図４の横軸は、可動子３の中心軸方向の移動距離を電気角で表したものである。図４において、横軸の３６０°は、２個分の永久磁石２２の中心軸方向長さ、すなわち２・τｐだけ可動子３が中心軸方向に移動したことを表す。図４の縦軸は、巻線３１に鎖交する磁束である巻線３１の鎖交磁束を表し、巻線３１の鎖交磁束の振幅値を１としている。
【００２４】
従来のコアレス同期リニアモータの推力向上の方法として、固定子から発生する永久磁石の磁束を増加させる方法があった。しかしながら、永久磁石２２の外径Ｄｍを大きくして永久磁石の磁束を増加しても、巻線３１の抵抗増加により所望の推力を出力した時の銅損が増加する。この結果、モータ温度が上昇してしまい、所望の推力を得ることができていないのでコアレス同期リニアモータとしては成り立たない問題があった。
【００２５】
また、巻線３１の鎖交磁束が残留磁束密度に比例する。このため、図４に示されるように、永久磁石２２の残留磁束密度が１．３７Ｔから１．３９Ｔと１％から２％の間で増加したとしても、巻線３１の鎖交磁束の波形が重なっており、巻線３１の鎖交磁束はほとんど変化しない。よって、無負荷時において巻線３１の鎖交磁束の変化によって発生する誘起電圧の向上、すなわち、推力向上には結びつかない。それどころか、残留磁束密度が増加する場合、一般的に、永久磁石２２の保持力の低下を招くため、永久磁石２２の磁気特性が低下し、モータ特性が劣化する問題もあった。
よって、コアレス同期リニアモータのモータ特性が向上するためには、固定子２から発生する永久磁石２２の磁束の増加以外の方策が必要であった。
【００２６】
図５は、本実施の形態におけるコアレス同期リニアモータの中心軸からの径方向距離と、永久磁石の中心軸方向中央部断面における磁束密度の中心軸方向成分との関係を示すグラフである。図５の横軸は、中心軸からの径方向距離を永久磁石２２の外径Ｄｍで正規化した値を表す。図５の縦軸は、永久磁石の中心軸方向中央部断面における磁束密度の中心軸方向成分をこの最大値で正規化した値を表す。図５において、永久磁石２２から発生した磁束の方向は、永久磁石２２の外部側で永久磁石２２の内部側の磁束の方向と反対となる。巻線３１における中心軸中心からの距離ｒに位置する巻線３１の導体１本に鎖交する磁束Φは、磁束密度の中心軸方向成分をＢｚとして、次式（１）で求められる。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
永久磁石２２の外部側であるｒ≧Ｄｍにおける磁束の方向は、永久磁石２２の内部側であるｒ≦Ｄｍにおける磁束の方向と反対になるため、巻線３１の鎖交磁束の合計は、巻線３１が内部側から外部側に巻かれるほど減少する。そこで、巻線３１の鎖交磁束を増加させるためには、巻線３１の外径Ｄｏが小さくなるように永久磁石２２側に近づけて巻く、または、永久磁石２２の外径Ｄｍを大きくすることによって、ｒ≧Ｄｍとなる巻線３１の断面積を減らす必要がある。しかしながら、巻線３１の外径Ｄｏを永久磁石２２側に巻く、または、永久磁石２２の外径Ｄｍを広げる場合、前述したように、巻線３１の内径Ｄｉと巻線３１の外径Ｄｏとの差が小さくなり、巻線３１を巻く断面積が減少し、抵抗が増加する。この結果、コアレス同期リニアモータ１が同等の推力を出力する際に銅損が増加する。
【００２９】
そこで、本発明者らは、任意の巻線３１の外径Ｄｏにおいて永久磁石２２の外径Ｄｍを変化させたときの永久磁石２２の外径Ｄｍと銅損Ｗｃｕとの関係について検討を行い、図６の傾向を得た。
【００３０】
図６は、本実施の形態のおけるコアレス同期リニアモータの永久磁石の外径Ｄｍと銅損Ｗｃｕとの関係を示すグラフである。図６の横軸は、永久磁石の外径Ｄｍを表す。図６の縦軸は、銅損Ｗｃｕを巻線３１の外径Ｄｏにおいて銅損が最小となる値を１として正規化した値を表す。図６では、電磁界解析を用いて計算した結果として、巻線３１の外径Ｄｏの所定の値に対して、永久磁石２２の外径Ｄｍを一定間隔で変化させた時の永久磁石２２の外径Ｄｍと銅損Ｗｃｕとの関係が示されている。
【００３１】
図６に示すように、永久磁石２２の外径Ｄｍを大きくすると銅損が減少していくが、ある値以上になると急激に銅損が増加することが分かる。
しかし、図６では、永久磁石２２の外径Ｄｍと銅損Ｗｃｕとの関係が、巻線３１の外径Ｄｏによって変化している。このため、本発明者らは、永久磁石２２の外径Ｄｍで巻線３１の外径Ｄｏを割った値であるαを設定し、αと銅損Ｗｃｕとの関係について改めて検討した。この結果、図７の傾向を得た。
【００３２】
図７は、本実施の形態のおけるコアレス同期リニアモータのαと銅損Ｗｃｕとの関係を示すグラフである。図７の横軸は、αを表す。図７の縦軸は、銅損Ｗｃｕをこの銅損が最小となる値を１として正規化した値を表す。図７から本発明者らは、モータ体格に依らずαと銅損Ｗｃｕとの間には、ある関係があることを発見した。図７に示されるように、α＜１．１５では、銅損Ｗｃｕの増加傾向が大きいことが分かる。このことから、αはα≧１．１５である必要がある。
【００３３】
モータ体格が同等の場合において、巻線３１を冷却する冷却機構が設けられている場合には、銅損Ｗｃｕが２倍以下であれば、温度上昇による巻線３１の絶縁破壊は起こらない。このことから、図７において、α≦２．１０であれば、モータ特性として問題ないと考えられる。
【００３４】
したがって、αを１．１５≦α≦２．１０とすることにより、銅損の増加を抑制でき、銅損の増加によるコアレス同期リニアモータの温度上昇を抑制できる。また、モータ体格同等で、モータ特性が優れたコアレス同期リニアモータ１を提供することができる。
なお、１．１５≦α≦２．１０の範囲は、特許文献１の図３に示されたコアレス同期リニアモータの永久磁石２２の外径Ｄｍで巻線３１の外径Ｄｏを割った値からも外れている。
【００３５】
さらに、図７において、α＞１．５０では、銅損のαに対する増加率が上昇し続けている。したがって、１．１５≦α≦１．５０とすることにより、冷却機構がなく、モータ体格同等で所望の推力を出力する場合においても、銅損を低減できるモータ特性が優れたコアレス同期リニアモータ１を提供することができる。また、αを１．１５より大きくすると、永久磁石２２の使用量の低減につながるため、安価にコアレス同期リニアモータ１を構成できる。
【００３６】
また、図７において、αは、１．３０≦α≦１．５０で銅損が最小となる。
したがって、αを１．３０≦α≦１．５０とすることにより、永久磁石２２の使用量を低減して銅損を最小にできる。このため、安価でモータ特性が優れたコアレス同期リニアモータ１を提供することができる。
【００３７】
実施の形態２．
図８は、この発明を実施するための実施の形態２におけるコアレス同期リニアモータの中心軸方向を含む断面図である。本実施の形態に係るコアレス同期リニアモータ１の構成は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。固定子２は、シャフト２１と、複数の永久磁石２２とに加えて、隣接する永久磁石２２の間にそれぞれ配置された磁性材２３とをさらに複数有する。
また、図８において、永久磁石２２の中心軸方向の厚さをτｍ、隣り合う永久磁石２２の中心軸方向一端同士の間隔である極ピッチτｐ、および磁性材２３の中心軸方向の厚みＬとしている。
【００３８】
図８のように、隣接する永久磁石２２の間に磁性材２３を挿入することによって、永久磁石２２の動作点が向上する。このため、永久磁石２２の残留磁束密度を増加させることなく、固定子２から発生する永久磁石２２の磁束を向上することが可能となる。本発明者らは、極ピッチτｐ、磁性材２３の厚みＬ、およびコアレス同期リニアモータ１の誘起電圧の関係について検討し、図９の傾向を得た。
【００３９】
図９は、本実施の形態におけるコアレス同期リニアモータの磁性材の厚みＬを極ピッチτｐで割った値β＝Ｌ／τｐと誘起電圧との関係を示すグラフである。図９の横軸は、１−βを表す。図９の縦軸は、誘起電圧をこの磁性材２３が永久磁石２２の間に挿入されていない場合（β＝０の場合）の誘起電圧で正規化した値を表す。本発明者らは、磁性材２３の中心軸方向の厚みＬを隣り合う永久磁石２２の中心軸方向一端同士の間隔である極ピッチτｐで割った値β＝Ｌ／τｐを０＜β≦０．３とすることによって、磁性材２３が永久磁石２２の間に挿入されていない場合に比べて誘起電圧が増加することを発見した。図９において、０＜β≦０．３の範囲は、０．７≦１−β＜１．０の範囲に相当する。
【００４０】
また、複数の永久磁石２２が近接する場合、永久磁石２２の同極が近接して対向しているため、隣接する永久磁石２２の磁束同士によって永久磁石２２に反磁界が加わり、永久磁石２２の磁気特性が劣化し、モータ特性も同様に低下する可能性がある。
本実施の形態におけるコアレス同期リニアモータ１では、隣接する永久磁石２２の間に磁性材２３を挿入することにより、永久磁石２２の動作点磁束密度が大きくなる。このため、実施の形態１の効果に加えて、永久磁石２２の減磁によるモータ特性の低下を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  コアレス同期リニアモータ、  ２  固定子、  ３  可動子、  ４  空隙、  ２１  シャフト、  ２２  永久磁石、  ２３  磁性材、  ２４  着磁方向、  ３１  巻線、  １３２  スロットセル、  ３３  フレーム。
【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】
2017163705.tif 000009
【図７】
2017163705.tif 000010
【図８】
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【図９】
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