特開 2023-184010 リニアモータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023184010

(43)【公開日】2023-12-28

(54)【発明の名称】リニアモータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 41/03 20060101AFI20231221BHJP

【ＦＩ】

H02K41/03 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022097890

(22)【出願日】2022-06-17

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】青山 康明

(72)【発明者】

【氏名】志村 樹

(72)【発明者】

【氏名】星 遼佑

【テーマコード（参考）】

5H641

【Ｆターム（参考）】

5H641BB06

5H641BB14

5H641BB18

5H641GG03

5H641GG04

5H641GG08

5H641HH02

5H641JA01

5H641JA09

(57)【要約】

【課題】本発明は、推力の低下を抑制すると共に、空間利用効率の低下を抑制したリニアモータを提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明のリニアモータ１は、ティース２及びコイル５を備えた電機子８と、電機子８の外周側に備えられた永久磁石１０とが軸方向に相対的に動作する。ティース２は軸方向から見た形状が多角形である。永久磁石１０は平板状に形成され、ティース２の多角形の面と対向するように複数備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ティース及びコイルを備えた電機子と、前記電機子の外周側に備えられた永久磁石とが軸方向に相対的に動作するリニアモータであって、
前記ティースは軸方向から見た形状が多角形であり、
前記永久磁石は平板状に形成され、前記ティースの多角形の面と対向するように複数備えたことを特徴とするリニアモータ。

【請求項2】

請求項１において、
前記ティースは軸方向に複数重ねて配置され、隣り合う前記ティースの間に前記コイルを配置したことを特徴とするリニアモータ。

【請求項3】

請求項２において、
前記ティースは、軸方向から見た形状が方形状であることを特徴とするリニアモータ。

【請求項4】

請求項３において、
前記コイルは、軸方向から見た形状が方形状であることを特徴とするリニアモータ。

【請求項5】

請求項４において、
前記コイルの外周側の角部をＲ形状としたことを特徴とするリニアモータ。

【請求項6】

請求項３において、
前記コイルは、軸方向から見た形状が円形状であることを特徴とするリニアモータ。

【請求項7】

請求項１乃至６の何れか１項において、
前記永久磁石は異方性としたことを特徴とするリニアモータ。

【請求項8】

請求項１又は２において、
前記永久磁石と対向する前記ティースの辺の画数が２ｎ角形（ｎは任意の整数）であることを特徴とするリニアモータ。

【請求項9】

請求項８において、
任意の整数ｎは５以下とした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】

本発明は、リニアモータに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、様々な分野で適用される機器の電動化が進められている。モータやリニアモータの電動化に不可欠な機器は小型高効率化、高出力密度化および大トルク大推力化が進んでおり、それらの技術が大きく進展してきている。それらの技術の進展に伴い、モータやリニアモータの小型化の要求が高まっている。

【0003】

一般に、モータは円筒形状であり、高出力化にはギアと併用してモータの回転数を高め、小型化を達成しやすい。しかし、リニアモータは直線運動をするため、ギアの設置が困難であり、リニアモータの高速駆動化でリニアモータの小型化をするのが困難である。モータやリニアモータを機器に組み込む際、そのスペースが限られるため、モータおよびモータとギア、リニアモータを小さくすることが望まれている。

【0004】

モータは一般に円筒形状のため、外周側(円弧を持つ略三角形のようなデッドスペースが四隅に生じることが多い)に無駄スペースが出来易い。しかし、先述のとおり、モータはギアと組み合わせることで小型化を実現し、機器内の占有スペースを小さくできる。このため、モータは円筒形状をしていても、ギアとの組み合わせで占有スペースを小さくできる特徴がある。

【0005】

一方、リニアモータはギアの併用が困難であり、占有スペースを小さくすることがそのリニアモータの形状に左右されることが多い。リニアモータは電機子と永久磁石が平面で対向する一般的な直方体の形状をしたリニアモータや、円筒状の磁石や円弧状の磁石と、リング状のコイルやコアを積み重ねた電機子とが対向する、円筒形状のリニアモータがある。電機子と永久磁石が平面で対向する一般的な直方体の形状をしたリニアモータは、直方体の形状のため機器内にレイアウトしやすい反面、電機子と磁石の吸引力が大きく、支持機構が大きくなる。また、コイルの端部が電機子からはみ出し、推力に寄与しないコイルエンドが生じるため、無駄な部分がある。

【0006】

一方、円筒形状のリニアモータは、円環状のコイル（トロイダルコイル）とコアを軸方向に積み重なることで、コイルエンドがなく無駄なコイル部が小さく済むが、外形が円筒形状であるため、モータと同様に外周側に無駄スペースが生じる課題があった。

【0007】

本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、リニアモータを使用する電磁サスペンションが記載されている。特許文献１のリニアモータは、巻線と磁性体とで構成される電機子と、電機子の外周側に配置され、永久磁石と円筒状の磁性体とで構成される永久磁石部とを有しており、電機子と永久磁石部とが相対的に直線駆動するようにしている。電機子の磁性体は複数に分割され、中央部が軸方向に突出している。そして、一の磁性体の突出部が隣り合う他の磁性体の一部に重なるように配置されている。

【0008】

また、その他の背技術として、特許文献２に記載の技術がある。特許文献２には、筒状のコアとコアの外周に設けられたスロットに装着される巻線とにより電機子を構成している。この電機子は、内部に磁石を備えた筒状の界磁に挿入され、界磁内を移動する。コアは、それぞれ一つのティースを持つように軸方向に分割された複数の環状のコア分割体を積層して形成されている。隣り合うコア分割体のティース間にはスロットが形成され、このスロットに無き線が
装着される。また、コア分割体には、ティースの外周端からヨークに掛けて形成され、ティースを軸方向貫くとともに巻線のリード線が挿入されるスリットが形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】国際公開第２０２１／２６１０５９号

【特許文献2】特開２０２０－７８２３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

特許文献１に記載のリニアモータでは、コイルによって発生する磁束がティースの外周方向の３６０°に均等に発生でき、理想的な均一な磁束分布ができる。しかし、リニアモータを製作するにあたっては、コイルの配線や、その他周辺機器を配置するために、リニアモータの一部には欠損や切り欠き、溝、キーなどが必要であり、磁束が不均一になる可能性がある。その不均一の磁束によって、電機子と永久磁石の間に、リニアモータの進行方向と異なる方向への力が発生し、そのための対策や支持機構の設置などが必要となり、占用空間が大きくなるなどの課題があった。また、特許文献１では、リニアモータの形状が円柱状であり、機器の内部に設置した場合、円弧を持つ略三角形のようなデッドスペースが四隅に生じるため、空間利用率が低下しているという課題もあった。

【0011】

特許文献２に記載のリニアモータは、コア分割体に巻線のリード線が挿入されるスリットが形成されているので、推力にアンバランス生じ、進行方向と異なる方向の必要のない力が発生し、その対策が必要になるといった課題がある。また、リニアモータ外周の四隅の空間はデッドスペースになり、空間利用率が低下しているという課題もあった。

【0012】

本発明の目的は、推力の低下を抑制すると共に、空間利用効率の低下を抑制したリニアモータを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

前記目的を達成するために本発明のリニアモータは、ティース及びコイルを備えた電機子と、前記電機子の外周側に備えられた永久磁石とが軸方向に相対的に動作するリニアモータであって、前記ティースは軸方向から見た形状が多角形であり、前記永久磁石は平板状に形成され、前記ティースの多角形の面と対向するように複数備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、推力の低下を抑制すると共に、空間利用効率の低下を抑制したリニアモータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施例１に係るリニアモータ１を模式した外観斜視図である。

【図2】本発明の実施例１に係るリニアモータ１の断面図及び右側面図である。

【図3A】本発明の実施例１に係る電機子８の外周を１／４切り取った状態の外観斜視図である。

【図3B】本発明の実施例１に係る電機子８の外周を１／２切り取った状態の外観斜視図である。

【図4】本発明の実施例１に係るコイル５の外観斜視図である。

【図5A】本発明の実施例２に係る電機子８の外観斜視図である。

【図5B】本発明の実施例２に係る電機子８の外周を１／４切り取った状態の外観斜視図である。

【図5C】本発明の実施例２に係る電機子８の外周を１／２切り取った状態の外観斜視図である。

【図6A】本発明の実施例２に係る電機子８を軸方向（Ｚ方向）に沿って断面した断面図である。

【図6B】図６ＡのVIＢ－VIＢ線断面図である。

【図7】本発明の実施例２に係るコイル５の外観斜視図である。

【図8A】本発明の実施例３に係る電機子８の外観斜視図である。

【図8B】本発明の実施例３に係る電機子８の外周を１／４切り取った状態の外観斜視図である。

【図8C】本発明の実施例３に係る電機子８の外周を１／２切り取った状態の外観斜視図である。

【図9A】本発明の実施例３に係る電機子８を軸方向（Ｚ方向）に沿って断面した断面図である。

【図9B】図９ＡのIXＢ－IXＢ線断面図である。

【図10】本発明の実施例３に係るコイル５の外観斜視図である。

【図11A】比較例に関する円弧状の永久磁石の構成を示す図である。

【図11B】比較例に関するリング状の永久磁石の構成を示す図である。

【図12A】本発明の実施例４に係る永久磁石１０の単体を示す図である。

【図12B】本発明の実施例４に係る永久磁石１０を組み合わせた状態を示す図である。

【図13A】円筒状のリニアモータにおける磁束の分布を示す図である。

【図13B】、実使用における円筒状のリニアモータにおける磁束の分布を示す図である。

【図13C】本発明の実施例３に係るリニアモータにおける磁束の分布を示す図である。

【図14】本発明の実施例５に係るリニアモータ１の断面図及び右側面図である。

【図15A】本発明の実施例５に係るリニアモータ１の外周を１／４切り取った状態の外観斜視図である。

【図15B】本発明の実施例５に係る電機子の外周を１／４切り取った状態の外観斜視図である。

【図16】本発明の実施例６に係るリニアモータの多角形の画数とギャップまでの距離を説明する図である。

【図17】本発明の実施例６に係る六角形のリニアモータ１の外周を１／４切り取った状態の外観斜視図である。

【図18】本発明の実施例６に係る六角形のリニアモータ１の断面図及び右側面図である。

【図19】本発明の実施例６に係る八角形のリニアモータ１の外周を１／４切り取った状態の外観斜視図である。

【図20】本発明の実施例６に係る八角形のリニアモータ１の断面図及び右側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、同様の説明は繰り返さない。

【0017】

本発明の各種の構成要素は必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素が別の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複すること、などを許容する。

【実施例0018】

図１は、本発明の実施例１に係るリニアモータ１を模式した外観斜視図である。図1はリニアモータの1例の斜視図を示す。図１では、リニアモータ１および電機子８の構造がわかるように、リニアモータ１の外周１／４部分を切り取った模式的な斜視図としている。

【0019】

図中、矢印にて示すようにリニアモータの電機子が移動する方向を「軸方向（Ｚ方向）」、軸方向（Ｚ方向）」の周回りを「周方向」、シャフトを中心としたときの動径方向（半径方向）を「径方向（Ｘ方向、Ｙ方向）」と定義する。

【0020】

本実施例のリニアモータ１は、図１に示すように、永久磁石が８個に対し、コイル５，ティース２が９個配置される８極９スロット構成のリニアモータ１の電機子を軸方向（Ｚ方向）に２個連ねて高推力を得られるように構成したものである。

【0021】

永久磁石１０とコイル５およびティース２の組み合わせは一例であって、本組み合わせに限定されるものではない。例えば、５極６スロット、７極６スロット、１０極１２スロットなど、どのような組み合わせでも同様の効果を得ることができれば適用可能である。また、電機子８の個数も必要な推力に応じて増減させることができる。

【0022】

図１のリニアモータ１は、電機子８のティース２に対向するように平板状の永久磁石１０が配置され、永久磁石１０はティース２に対向する表面側の少なくとも一部に平面部を有する。本実施例の永久磁石１０は、電機子８の外周側に備えられ、ティース２に対向する表面側の全域に平面部を有している。

【0023】

一方、ティース２は軸方向から見た形状が多角形（四角形）であり、永久磁石１０に対向する表面側の少なくとも一部に平面部を有する。本実施例のティース２は、永久磁石１０に対向する表面側の全域に平面部を有する。本実施例では、互いが対向するティース２と永久磁石１０のそれぞれに平面部を有することを特徴としている。すなわち、リニアモータ１の中心軸から永久磁石１０の周方向における表面までの距離が異なることを特徴とする。

【0024】

コイル５とティース２で構成される電機子８は、磁性体で構成される角外筒２０の内側に設けられ、永久磁石１０で構成される２次側部材に対して軸方向に相対的に動作する。本実施例では、この電機子８と２次側部材（永久磁石１０）でリニアモータ１を構成する。電機子８と２次側部材は、リニアガイドやベアリング、ローラベアリングおよびその他の支持機構（図示せず）によって相対的に駆動する方向以外の相対的な位置が保持されるように構成される。ここで、リニアモータ１のコイル５は通常、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電流を制御することで、リニアモータが軸方向(Z方向)の推力を発生させ、電機子８と２次側部材が相対的に移動するものである。

【0025】

図１では、内周側にコイル５とティース２で構成される電機子８を配置し、外周側に磁性体で構成される角外筒２０を配置し、この角外筒２０の内側に２次側部材となる永久磁石１０を設けた構成例を示しているが、本実施例は、角断面形状のロッドの各面に永久磁石１０を張り付けた２次側部材を内周側とし、この２次側部材の外周にコイル５とティース２で構成される電機子を配置する構成であっても良い。

【0026】

図１で示した構成は、永久磁石１０を有する２次側部材にはコイル５などを配置する必要がないため、永久磁石１０を有する２次側部材を薄く構成でき、リニアモータ１の断面内において電機子８と永久磁石１０の対向面積が大きくなり、同一体積での推力が大きくなる。

【0027】

図２は、本発明の実施例１に係るリニアモータ１の断面図及び右側面図である。図２では、左図は断面図を示し、右図は右側面図を示している。

【0028】

ティース２は、大小の正方形または長方形の磁性体を軸方向に複数組み合わせて構成されている。ティース２は、一般的なモータのように薄い電磁鋼板などの材料を軸方向（Ｚ方向）に積層するか、若しくは一体の磁性材料からコイル５が配置される溝（スロット）を切削などで加工した一体構造で構成することも可能である。コイル５は隣り合うティースの間に配置される。

【0029】

ティース２は、大小の正方形または長方形の磁性体を軸方向に交互に組み合わせた形状であり、電磁鋼板などで構成した場合、重ねる枚数や大小の形状の比率、ティースの数など容易に変更することが可能であり、汎用性が高い。さらに、電磁鋼板などを積層して構成した場合は、ティース２の永久磁石１０と対向する部位で大きく生じる損失を抑制できる。

【0030】

本実施例のリニアモータ１に使用されるティース２は、一般的なモータの断面形状のような複雑な形状でなく、中央に穴のあいた単純な正方形または長方形の電磁鋼板で構成できるため、製作性を向上することができる。

【0031】

図２の右側面図で示す点線は、コイル５の一例を示している。また、図４は、本発明の実施例１に係るコイル５の外観斜視図である。本実施例のコイル５は、正方形または長方形で形成された磁性体の形状に概ね沿うように、軸方向から見た形状が方形状に形成されている。コイル５の中央部には、方形状の貫通孔５ａが形成されている。貫通孔５ａには、ティース２の一部である磁性体２ａが挿入される。貫通孔５ａに挿入されるティース２の磁性体２ａは、軸方向（Ｚ方向）から見て方形状に形成されている。

【0032】

本実施例では、コイル５を方形状に形成しているので、永久磁石１０の近傍に効率よく巻線を配置できるため、リニアモータ１の推力を大きくすることができる。また、正方形または長方形の磁性体２ａと概ね沿うような外周形状を有する略方形のコイル５で構成することにより、コイル５の内周側の磁路断面積を大きくできるため、コイル５に大きな電流を流した際や、コイル５の巻き数を多くした場合など、起磁力が大きくなった際の磁気飽和を緩和することができ、電流が大きい領域での推力の非線形性を緩和することができる。

【0033】

次に、電機子８の構成について説明する。図３Ａは、本発明の実施例１に係る電機子８の外周を１／４切り取った状態の外観斜視図である。図３Ｂは、本発明の実施例１に係る電機子８の外周を１／２切り取った状態の外観斜視図である。本実施例のリニアモータ１では、図３Ａ及び図３Ｂに示す電機子８を２つ備えて構成している。

【0034】

電機子８は四角柱形状の中央部に電機子を連結したり、推力を伝達したりするためのシャフトなどを挿入するための挿入孔９が設けられている。電機子８は、軸方向（Ｚ方向）に複数のティース２が積み重なって配置され、電機子８の内部側で磁気的に結合されている。また、隣り合うティース２同士の間には溝部が形成され、この溝部にコイル５が配置される。溝部は、軸方向（Ｚ方向）から見て、方形状に形成されている。電機子８は、軸方向に複数、ティース２とコイル５が積み重なって構成されている。この際、ティース２を、大小の正方形または長方形の磁性体を軸方向に交互に組み合わせた形状とし、薄い電磁鋼板を重ね合わせる構成とした場合、重ね合わせる枚数でティース２のＺ方向の寸法を任意に変更できる。

【0035】

一般にリニアモータは、モータと異なり電機子に端部が存在するため、電機子のＺ方向の中央側と外側でパーミアンスが変化し、脈動が大きくなるといった課題がある。このパーミアンスの変化を小さくするように、ティース２のＺ方向の厚さを変えることで脈動の小さなリニアモータを構成できるといった利点もある。すなわち、ティース２のＺ方向の幅は均一でなくてもよい。

【0036】

以上のように本実施例では、リニアモータの形状を軸方向（Ｚ方向）から見て方形状に形成するようにしたので、推力の低下を抑制すると共に、空間利用効率の低下を抑制したリニアモータを提供することができる。

【実施例0037】

本発明の実施例２について図５乃至図７を用いて説明する。図５Ａは、本発明の実施例２に係る電機子８の外観斜視図である。図５Ｂは、本発明の実施例２に係る電機子８の外周を１／４切り取った状態の外観斜視図である。図５Ｃは、本発明の実施例２に係る電機子８の外周を１／２切り取った状態の外観斜視図である。図６Ａは、本発明の実施例２に係る電機子８を軸方向（Ｚ方向）に沿って断面した断面図である。図６Ｂは、図６ＡのVIＢ－VIＢ線断面図である。図７は、本発明の実施例２に係るコイル５の外観斜視図である。なお、図６Ｂでは便宜上、電機子を軸方向（Ｚ方向）に沿って断面する前のVIＢ－VIＢ線断面図としている。

【0038】

本実施例において角外筒および永久磁石の構成は実施例１と同様であるため図示しない。実施例１と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0039】

本実施例のコイル５は、軸方向から見た形状が円形状をしている。また、コイル５の貫通孔５ａも円形としている。コイル５の貫通孔５ａに挿入されるティース２の磁性体２ａも円形としている。本実施例ではコイル５を円形としているため、円形のコイル５を製作するため巻線作業が容易であり、特に機械で巻く作業やボビンなどに巻き付けたものを挿入するなどの作業が容易にできる利点がある。

【0040】

また、同一の巻き数の場合は、１ターン当たりの巻線の長さが短く出来、銅損を低減できる利点がある。一方で、コイル内周側の磁性体２ａが狭くなるため、磁気飽和が発生しやすい。つまり、電流の小さな領域ではコイルの抵抗を小さく出来、コイルの抵抗によって生じる損失を抑制できる利点がある。

【0041】

また、ティース２には、中央部に円形のシャフトが挿入される挿入孔９が設けられている。挿入孔９に挿入されるシャフトは軸方向断面が円形でなくても構わない。例えば、シャフトは、軸方向断面が四角形状のもの、凸形状およびキーなどを持ったものなどであっても良い。

【0042】

また、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに示すように、電機子８の外周側の角部には、円形のコイル５と方形状のティース２との形状の違いによる空間が生じる。この空間は、コイル５の引き出し線や結線のための空間と利用でき、ティースの欠損を抑制することできるので、磁束を安定でき、バランスの取れたリニアモータの推進力を発生することができる。

【0043】

以上のように本実施例では、実施例１の効果に加え、円形のコイル５を用いるようにしているので、コイル５を製作するため巻線作業が容易となり、また、ティース２の角部に発生する空間を利用してコイル５の引き出し線や結線の処理を行うことができる。