JP3150822B2

JP3150822B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP3150822B2
Application number: JP12465393A
Authority: JP
Inventors: 明喜佐竹
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH06319250A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械等で位置決め
に使用するリニアモータに関し、特にその可動子及び固
定子の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械等において直線運動を得るに
は、機械的な変換（回転機とボールねじや、ラック＆ピ
ニオンギアなどによる直線変換）が主に利用されている
が、リニアモータを利用することにより機械的な変換が
不要になるため、高速化、非接触駆動、ダイレクト・ド
ライブ、静粛性（発生音が少なく、低振動）、構造のシ
ンプル化、メンテナンスフリーを実現することができ
る。図８は従来のリニアモータの一例を示す断面図であ
る。鉄心７２の内側に、複数個の永久磁石７１が隣接す
る永久磁石７１および対向する永久磁石７１が互いに異
極となるように並設され接着された固定子と、フレーム
７３に多相（図ではＵ，Ｖ，Ｗ相）の巻線が備えられ、
対向する永久磁石７１間の空隙にて移動する可動子が具
備されるという構造をしている。このタイプのリニアモ
ータでは推力を上げるために、巻線に大電流を流した
り、対向する永久磁石間の距離を短くして空隙部の磁束
密度を上げるという工夫をしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
リニアモータでの推力を上げる一方の手段である巻線の
大電流化は、巻線からの発熱が制御上問題となるため、
他方の手段である空隙部の高磁束密度化が通常採用され
ている。しかしながら可動子構成体の幅は薄くなり、機
械構造的に支持機構への負担が増加するという欠点があ
る。これを解決するためには複数のリニアモータを並行
動作させるようなシステムを作れば良いのだが、永久磁
石や可動子（巻線）などが倍以上必要となりコストが上
昇するという問題があった。また、従来のリニアモータ
では、燒結体である永久磁石を使用するため衝撃に弱
く、組立や運搬の際に永久磁石が破損してしまい不良品
となることがある。それを防ぐには樹脂などで永久磁石
表面を保護するなどの工夫が必要になるが、樹脂の成型
や材料などのコストがかかるという欠点があった。さら
に永久磁石はそれぞれ鉄心に接着する必要があるため、
接着・乾燥・固定などに時間がかかってしまうという欠
点があった。そして、永久磁石により界磁を発生させる
が、永久磁石の異極を隣合わせて配置させるため、空隙
の磁束密度分布は矩形波上に分布することになる。これ
は、可動子と固定子の間隙のギャップパーミアンスの変
化となり、磁気的な不均衡が原因で推力波形に脈動が生
じるという問題があった。本発明は上述した事情から成
されたものであり、本発明の目的はコストが低く、特性
が安定し、機械的に堅牢なリニアモータを提供すること
にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、永久磁石を使
用したリニアモータに関するものであり、上記目的は中
空構造のフレームの外側に巻線が備えられた可動子と、
複数個の第１の永久磁石が空隙を介して向かい合う磁極
が同極となるように前記可動子の移動方向に並設され、
前記第１の永久磁石の磁極を構成する部分の可動子に対
向する面の断面形状が、可動子の移動方向に対して永久
磁石の間は円弧状の突極形状を成すとともに、磁極性が
反転する磁気橋絡部が直線状の逆突極形状を成す磁性材
料にて被覆され、かつ前記可動子をその外面から励磁す
る第１の固定子と、複数個の第２の永久磁石が空隙を介
して向かい合う磁極が同極となるように、かつ前記第１
の永久磁石と対応する磁極が異極となるように前記可動
子の移動方向に並設され、前記第２の永久磁石の磁極を
構成する部分の可動子面に対向する面の断面形状が、可
動子の移動方向に対して永久磁石の間は直線状の突極形
状を成すとともに、磁極性が反転する磁気橋絡部が円弧
状の逆突極形状を成す磁性材料にて被覆され、かつ前記
可動子をその内面から励磁する第２の固定子とを具備す
ることにより達成される。

【０００５】

【作用】本発明にあっては、２系統の固定子により可動
子の内側と外側から励磁できる構造とした為、空隙の磁
束密度が向上し、効率の向上が図れる。また、永久磁石
の保護・固定のために磁性材料を使用したことにより、
前述のことと併せもって材料費及び組立の際の工数や時
間の節減ができる。

【０００６】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例を具体的
に説明する。図１は本発明のリニアモータの一例を示す
上部より見た部分断面図であり、図２は横から見た部分
断面図である。また図３は可動子の進行方向より見た部
分断面図である。このリニアモータは、複数のスロット
を有するフレーム５とスロットに巻回された多相巻線６
ａ，６ｂ，６ｃとで構成される可動子を備えている。そ
して、永久磁石１及び磁性材料板３で構成され、可動子
に対して外側より励磁する第１の固定子と永久磁石２及
び磁性材料板４で構成され、可動子に対して内側より励
磁する第２の固定子と、第１の固定子及び第２の固定子
を継持する磁性材料ブロック３２とで構成される固定子
を備えている。図１に示すように、複数個の永久磁石１
は永久磁石１の磁極を構成する部分の可動子に対向する
面の断面形状が、可動子の移動方向に対して永久磁石１
の間は円弧状の突極形状を成すとともに、磁極性が反転
する磁気橋絡部が直線状の逆突極形状を成す磁性材料に
て被覆され、複数個の永久磁石２は永久磁石２の磁極を
構成する部分の可動子に対向する面の断面形状が、可動
子の移動方向に対して永久磁石２の間は直線状の突極形
状を成すとともに、磁極性が反転する磁気橋絡部が円弧
状の逆突極形状を成す磁性材料にて被覆されている。

【０００７】まず、可動子について説明する。図４に示
すようなフレーム５に備えられているスロット１１ａ〜
１１ｃ、１２ａ〜１２ｃに多相巻線（図ではＵ、Ｖ、Ｗ
相の３相）６ａ，６ｂ，６ｃが巻かれている。この例で
はコの字状のスロットを対１１ａと１２ａ、１１ｂと１
２ｂ、１１ｃと１２ｃにして、それらの側面→上面→側
面→側面→上面→側面を通るように巻線６ａ，６ｂ，６
ｃが巻かれているが、対のスロットの上面のみ及び側面
のみで巻線６ａ，６ｂ，６ｃを巻いても良い。これらの
スロットは、機械的に巻線を保護する役割と巻線が発生
する熱を放熱する役割を併せ持つ。フレーム５にはテー
ブル２１が穴４１を貫通するボルト７により直接取付け
られており、可動子とテーブル２１との剛性を向上させ
ている。またテーブル２１は、リニアベアリング３１を
介して台座３３に直線移動可能に載置されている。

【０００８】次に固定子について説明する。可動子に対
して外側より励磁する固定子である第１の固定子は、永
久磁石１が磁性材料板３の積層体の中に固定される構造
をとり、ボルト９により磁性材料ブロック３２に固定さ
れている。同様に可動子に対して内側より励磁する固定
子である第２の固定子は、永久磁石２が磁性材料板４の
積層体の中に固定される構造をとり、ボルト１０により
磁性材料ブロック３２に固定されている。第１の固定子
と第２の固定子は、共に磁性材料ブロック３２に固定さ
れており磁気回路を構成している。保護板８は、永久磁
石１を固定するのと同時に第１の固定子を保護する役割
を持ち、ボルト９により磁性材料板３と磁性材料ブロッ
ク３２に共締めされている。固定子全体は台座３２に固
定されている。図２に示す例では、移動方向に対する可
動子の巻線端から巻線端の長さをλとした時、磁石（磁
極）１極の長さをλ／２とし、可動子巻線１相分の長さ
をλ／６とするように構成している。

【０００９】図５は第１の固定子、図６は第２の固定子
の部分拡大図である。磁性材料板３と４は積層体で構成
されており、その抜き部分が永久磁石１と２をそれぞれ
固定するのに使用される。図５に示す様に第１の固定子
では、磁極を構成する曲線部の中心の距離ｄ１と永久磁
石２の距離ｄ２はｄ１＞＞ｄ２という関係である。ま
た、図６では同様にｄ３＞＞ｄ４という関係である。ｄ
２，ｄ４の部分は、磁気回路的に見て短絡（空隙の磁気
エネルギーの低下）するように働くが、間隔ｄ２，ｄ４
が短い為に磁気飽和をする。そのため、永久磁石表面の
磁気エネルギーは磁石中心部ほど強く、磁石端に行くほ
ど弱くなる効果がある。可動子側から見るとｄ１〜ｄ
２、ｄ３〜ｄ４の凹凸と、前記の効果により磁極の磁気
エネルギー分布は磁極中心部ほど強く、磁極端に行くほ
ど弱くなる傾向は顕著となる。推力波形の脈動を低下
させるために、空隙部の磁束密度（磁気エネルギー）を
正弦波状にするには、ｄ１〜ｄ２の凹凸の割合とｄ２，
ｄ４の距離を操作することにより実現できる。

【００１０】図５と図６の磁性材料板３、４には、それ
ぞれボルト９、１０を通す穴が空いており、これにより
磁性材料ブロック３２に固定されている。またこの磁性
材料板３、４にはそれぞれ空隙５１と６１が空いている
が、これは電機子反作用による磁極内での磁束の片寄り
を低減させる働きをさせる役割と、固定子の重量を軽減
させる役割を持つ。図７は可動子から見た磁束分布の様
子を示している。従来方式の磁束分布では、磁束の分布
は矩形波状に分布（波形ａ）しているが本実施例では、
磁極中心ほど磁束分布は高く、磁極の切り替わりでは低
くなり、正弦波に近く分布（波形ｃ）し、推力波形の脈
動が低減される。ただし、磁性材料板３、４の空隙５１
と６１がない場合、電機子反作用による影響が顕著に出
て、高調波を含んだ正弦波状分布（波形ｂ）になってし
まい推力波形に脈動として現われることとなる。なお、
本発明は前述の図１から図６に限定されるものでなく、
図１から図６の可動子と固定子を入れ替えた構造にして
も良い。また、図３に示すように可動子の断面はコの字
状になっているが、断面を中空の□状にし、第２の固定
子に棒状磁石を使用しても良い。

【００１１】

【発明の効果】以上のように本発明によるリニアモータ
によれば、可動子を中空構造にし可動子の内側と外側か
ら励磁するため、磁気回路的に見て有効に永久磁石の磁
気エネルギーを使用して、効率を向上させることができ
ると共に可動子の機械的構造を強化することができる。
また永久磁石を保護・固定するために磁性材料を使用し
たことにより、運搬の際の不良率を低下させることがで
きると共に、従来の永久磁石の接着等の工数を削減する
ことができる。さらに、磁極を構成する磁性材料板は凹
凸が設けられていると共に、磁極が異極になる部分が磁
気回路的に短絡されているため、固定子から見ると磁気
エネルギー分布（磁束密度）は、磁石（磁極）中心程高
くなっており、逆に磁石（磁極）中心から離れる程低く
なっている。このことにより、磁束密度分布は正弦波に
近づくことになり、推力波形の脈動を低減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリニアモータの一例を示す上部より見
た部分断面図である。

【図２】本発明のリニアモータの一例を示す横から見た
部分断面図である。

【図３】本発明のリニアモータの一例を示す可動子の進
行方向より見た部分断面図である。

【図４】本発明のリニアモータの可動子のフレームの一
例を示す斜視図である。

【図５】本発明のリニアモータの第１の固定子の部分拡
大図である。

【図６】本発明のリニアモータの第２の固定子の部分拡
大図である。

【図７】本発明のリニアモータの可動子側から見た磁束
分布の様子を示した図である。

【図８】従来のリニアモータの一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１、２、７１永久磁石３、４磁性材料板５、７３フレーム６ａ、６ｂ、６ｃ、７４ａ、７４ｂ、７４ｃ巻線７、９、１０ボルト８保護板１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃス
ロット２１テーブル３１リニアベアリング３２磁性材料ブロック３３台座４１ボルト穴５１、６１空隙７２鉄心

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】中空構造のフレームの外側に巻線が備えら
れた可動子と、複数個の第１の永久磁石が空隙を介して
向かい合う磁極が同極となるように前記可動子の移動方
向に並設され、前記第１の永久磁石の磁極を構成する部
分の可動子に対向する面の断面形状が、可動子の移動方
向に対して永久磁石の間は円弧状の突極形状を成すとと
もに、磁極性が反転する磁気橋絡部が直線状の逆突極形
状を成す磁性材料にて被覆され、かつ前記可動子をその
外面から励磁する第１の固定子と、複数個の第２の永久
磁石が空隙を介して向かい合う磁極が同極となるよう
に、かつ前記第１の永久磁石と対応する磁極が異極とな
るように前記可動子の移動方向に並設され、前記第２の
永久磁石の磁極を構成する部分の可動子面に対向する面
の断面形状が、可動子の移動方向に対して永久磁石の間
は直線状の突極形状を成すとともに、磁極性が反転する
磁気橋絡部が円弧状の逆突極形状を成す磁性材料にて被
覆され、かつ前記可動子をその内面から励磁する第２の
固定子とを備えたことを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】前記磁性材料は、複数個の空隙を設けた複
数枚の磁性材料板を積層した構造である請求項１に記載
のリニアモータ。