特許 7186956 筒型リニアモータおよび円環状磁石の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-02

(45)【発行日】2022-12-12

(54)【発明の名称】筒型リニアモータおよび円環状磁石の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 41/03 20060101AFI20221205BHJP

【ＦＩ】

H02K41/03 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018079349

(22)【出願日】2018-04-17

(65)【公開番号】P2019187217

(43)【公開日】2019-10-24

【審査請求日】2020-12-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000000929

【氏名又は名称】ＫＹＢ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】391002487

【氏名又は名称】学校法人大同学園

(74)【代理人】

【識別番号】100122323

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 憲

(74)【代理人】

【識別番号】100067367

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 泉

(72)【発明者】

【氏名】加納 善明

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 浩介

(72)【発明者】

【氏名】袴田 眞一郎

【審査官】若林 治男

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－３４７１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１３１００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２１００４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２２５４０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５１９９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２９１２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－１８２８０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ４１／０３

Ｈ０１Ｆ ４１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状のバックヨークと、
円筒状であって前記バックヨーク内に挿入されて前記バックヨークとの間に環状隙間を形成する単一のインナーチューブと、
筒状のコアと前記コアの外周に設けられたスロットに装着される巻線とを有して、前記インナーチューブの内方に挿入される電機子と、
筒状であって軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように軸方向に並べて積層される円環状磁石を複数有して前記環状隙間内に挿入される界磁とを備え、
前記バックヨークと前記インナーチューブの一端はキャップにより閉塞されており、
前記バックヨークと前記インナーチューブの他端はヘッドキャップによって閉塞されており、
前記円環状磁石は、複数の円弧状の磁石ピースを接合して円環状とされており、
各磁石ピースは、内周と外周とで異なる磁極が現れて着磁方向が内側または外側の磁極パターンを有してパラレル配向で着磁されており、
各磁石ピース上の任意点とその磁石ピースの内外周の曲率中心とを結ぶ仮想線と、前記任意点における磁気配向方向とのなす角度を２５度以下とした
ことを特徴とする筒型リニアモータ。

【請求項2】

パラレル配向で着磁される母材を円弧状に加工して磁石ピースを製造する加工ステップと、
前記加工ステップで得られた複数の磁石ピースを接合して円環状磁石を製造する接合ステップとを備え、
前記加工ステップでは、磁石ピースの任意点とその磁石ピースの内外周の曲率中心とを結ぶ仮想線と前記任意点における磁気配向方向とのなす角度を２５度以下となるように磁石ピースを製造する
ことを特徴とする円環状磁石の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、筒型リニアモータおよび円環状磁石の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

円環状磁石には、ラジアル配向に着磁されるものがある。このような円環状磁石を製造するには、たとえば、以下の製造方法が提案されている。まず、四角柱状であって平面視で対角方向を配向方向として着磁される異方性磁石を四つ作成する。つづいて、作成された四つの異方性磁石を仮想軸の周囲に、仮想軸に向かう方向に磁気配向されたものと仮想軸から離れる方向に磁気配向されたものを交互に並べて接着して組合せ磁石体を作成する。そして、得られた組合せ磁石体を切削して、仮想軸を中心とする円環状に成形して円環状磁石を製造する（たとえば、特許文献１参照）。

【0003】

このようにして得られた円環状磁石は、円弧状の四つの異方性磁石で構成されており、異方性磁石はパラレル配向で着磁されているものの、円環状磁石全体で見ると疑似的にラジアル配向で着磁された磁石として機能するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－２２５４０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このようにして得られた円環状磁石は、前述した通り、疑似的にラジアル配向の磁石として機能できるが、各異方性磁石の磁気配向方向は円環状磁石の中心を向いていない。

【0006】

よって、従来の円環状磁石の内周側の磁界強度は、全ての磁気配向方向が中心に向かうラジアル配向着磁された円環状磁石に比較するとどうしても小さくなるので、筒型リニアモータの界磁に従来の円環状磁石を利用する場合、推力面でロスが有る。

【0007】

そこで、本発明は、ラジアル配向着磁された円環状磁石に比較しても遜色のない磁界強度を発生可能な円環状磁石の製造方法の提供を目的とし、また、推力を向上できる筒型リニアモータの提供を他の目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の筒型リニアモータは、円筒状のバックヨークと、円筒状であって前記バックヨーク内に挿入されて前記バックヨークとの間に環状隙間を形成する単一のインナーチューブと、筒状のコアと前記コアの外周に設けられたスロットに装着される巻線とを有して、前記インナーチューブの内方に挿入される電機子と、筒状であって軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように軸方向に並べて積層される円環状磁石を複数有して前記環状隙間内に挿入される界磁とを備え、前記バックヨークと前記インナーチューブの一端はキャップにより閉塞されており、前記バックヨークと前記インナーチューブの他端はヘッドキャップによって閉塞されており、前記円環状磁石は、複数の円弧状の磁石ピースを接合して円環状とされており、各磁石ピースは、内周と外周とで異なる磁極が現れて着磁方向が内側または外側の磁極パターンを有してパラレル配向で着磁されており、各磁石ピース上の任意点とその磁石ピースの内外周の曲率中心とを結ぶ仮想線と、前記任意点における磁気配向方向とのなす角度を２５度以下としている。このように構成された筒型リニアモータでは、内周側への磁気強度が確保される円環状磁石を利用しているので推力を向上できる。

【0011】

また、円環状磁石の製造方法は、パラレル配向で着磁される母材を円弧状に加工して磁石ピースを製造する加工ステップと、加工ステップで得られた複数の磁石ピースを接合して円環状磁石を製造する接合ステップとを備え、加工ステップでは、磁石ピースの任意点とその磁石ピースの内外周の曲率中心とを結ぶ仮想線と任意点における磁気配向方向とのなす角度を２５度以下となるように磁石ピースを製造する。このような構成の円環状磁石の製造方法によれば、内周側への界磁強度を確保できる円環状磁石を製造できる。

【発明の効果】

【0012】

本発明の筒型リニアモータによれば、ラジアル配向着磁された円環状磁石に比較しても遜色のない磁界強度を発生可能な円環状磁石を利用しているので、推力を向上できる。さらに、円環状磁石の製造方法によれば、ラジアル配向着磁された円環状磁石に比較しても遜色のない磁界強度を発生可能な円環状磁石を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】一実施の形態における円環状磁石の平面図である。

【図2】母材から磁石ピースを得る加工ステップを説明する図である。

【図3】一実施の形態における筒型リニアモータの縦断面図である。

【図4】主磁極の永久磁石の軸方向長さＬ１で副磁極の永久磁石の軸方向長さＬ２を割った値と筒型リニアモータの推力との関係を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における円環状磁石ＣＭは、図１に示すように、複数の円弧状の磁石ピースＭＰを接合して円環状に形成されている。本実施の形態では、八個の円弧状の磁石ピースＭＰの円環状に組み合わせて各磁石ピースＭＰの周方向両端同士を接着剤で接着してこれらを接合して一体化して円環状磁石ＣＭとしている。換言すれば、円環状磁石ＣＭは、円環を周方向に等間隔で分割した形状の磁石ピースＭＰで構成されている。なお、図１中で▲印は、着磁の方向を示している。また、図１では、着磁方向が径方向内側に向かうもののみを示しているが、着磁方向が径方向外側に向かうものとしても構わない。

【0015】

各磁石ピースＭＰは、図２に示すように、パラレル配向で着磁されており、内周と外周とで異なる磁極が現れる磁極パターンであって、着磁方向が内側の着磁パターンで着磁されている。この場合、円環状磁石ＣＭは、内周側にＮ極とＳ極の一方が現れるとともに、外周側にＮ極とＳ極の他方が現れる磁極パターンを有している。各磁石ピースＭＰがパラレル配向で着磁されているものの、複数の磁石ピースＭＰの磁気配向方向を円環状磁石ＣＭの中心を向くように接合しているので、円環状磁石ＣＭは、疑似的なラジアル配向の磁石として機能できる。

【0016】

そして、この磁石ピースＭＰを軸方向（図１の紙面を貫く方向）から見て、磁石ピースＭＰの任意点Ｑと磁石ピースＭＰの内外周に曲率中心Ｏとを結ぶ仮想線Ｘと任意点Ｑにおける磁気配向方向Ｇとでなす角度αを２５度以下としている。このように、磁石ピースＭＰを軸方向に見ると、磁石ピースＭＰ上のどの点を見ても仮想線Ｘと磁気配向方向Ｇとでなす角度αは必ず２５度以下となるように、磁石ピースＭＰの内外径の曲率と周方向長さと、磁気配向方向Ｇが設定されている。

【0017】

なお、円環状磁石ＣＭは、磁石ピースＭＰを接合して構成されているので、軸方向に見て、磁石ピースＭＰの内外周の曲率中心Ｏは、寸法誤差や加工誤差を無視すれば円環状磁石ＣＭの中心と同じ点となる。

【0018】

ここで、発明者らは、パラレル配向の円弧状の磁石ピースＭＰで円環状磁石ＣＭを構成する場合、磁石ピースＭＰの周方向の両端へ向かうほど磁気配向方向Ｇと仮想線Ｘとでなす角度αが大きくなり両端側の磁気強度が低くなるが、この角度を２５度以下にすれば円環状磁石ＣＭの磁気強度の低下を小さく抑えられるとの知見を得た。そして、後述する筒型リニアモータ１の界磁に利用する場合、磁石ピースＭＰの磁気配向方向Ｇと仮想線Ｘとでなす角度αを２５度以下にした円環状磁石ＣＭを利用しても、円環状磁石ＣＭの内径条件の最適化により完全なラジアル配向の円環状磁石を利用した場合に比較して推力低下を５％以下に抑えられるとの知見も得られた。

【0019】

よって、本実施の形態では、前述したとおり、円環状磁石ＣＭをパラレル配向で着磁された複数の円弧状の磁石ピースＭＰで構成し、軸方向から見て、各磁石ピースＭＰ上の任意点Ｑとその磁石ピースＭＰの内外周の曲率中心Ｏとを結ぶ仮想線Ｘと、任意点Ｑにおける磁気配向方向Ｇとのなす角度αを２５度以下に設定しているのである。

【0020】

このような円環状磁石ＣＭを製造するには、まず、図２に示すように、直方体を母材Ｂとして、この母材Ｂに短手方向を磁気配向方向としてパラレル配向に着磁する。図２中で一点鎖線で示した矢印は、磁気配向方向を示している。母材Ｂは、たとえば、磁石に適する原料を焼結や鋳造によって直方体に成形して得られる。パラレル配向で着磁された母材Ｂは、切削等によって図２中破線で示す磁石ピースＭＰとして必要な部分以外を切り取って円弧状に加工され、磁石ピースＭＰが作成される（加工ステップ）。

【0021】

母材Ｂから磁石ピースＭＰを作成する加工ステップにおいて、母材Ｂの任意の点から磁気配向方向へ延長した線上に、得ようとする磁石ピースＭＰの内外周の曲率中心Ｏが配置されるように内周と外周を形作る切削加工を施す。このように切削加工を施すと、出来上がった磁石ピースＭＰの中央における磁気配向方向は円環状磁石ＣＭの中心に向かう方向となるため、磁気強度の面で有利となる。このように、本実施の形態では、磁石ピースＭＰの中央と円環状磁石ＣＭの中心に一致する磁石ピースＭＰの曲率中心Ｏとを結ぶ線（図２中二点鎖線）と磁石ピースＭＰの周方向の中央の磁気配向方向とを一致させている。

【0022】

また、このように磁石ピースＭＰの周方向の中央と円環状磁石ＣＭの中心とを結ぶ線と磁石ピースＭＰの中央の磁気配向方向とを一致させる場合、磁石ピースＭＰの中心角βを５０度以下に設定すればよい。そうすると、磁石ピースＭＰの周方向の両端へ向かうほど、磁気配向方向Ｇと仮想線Ｘとでなす角度αが大きくなるが、両端においても前記角度は２５度以下となる。

【0023】

磁石ピースＭＰをこのように作成する場合、磁石ピースＭＰの中心角βを５０度以下に設定すればよいので、磁石ピースＭＰで円環状磁石ＣＭを作成するには、３６０度÷５０度＝７．２なので、最小で八個の磁石ピースＭＰが必要となる。磁石ピースＭＰの数を増やせば増やすほど、磁石ピースＭＰの両端における磁気配向方向Ｇと仮想線Ｘとでなす角度αが小さくなる。この角度が小さくなればなるほど、磁石ピースＭＰの磁気配向方向と円環状磁石ＣＭの中心とがずれる距離が小さくなるので、円環状磁石ＣＭは、ラジアル配向に近づき、内周側の磁気強度を大きくできる。

【0024】

また、母材Ｂの中央から磁気配向方向へ延長した線上に得られる磁石ピースＭＰの内外周の曲率中心Ｏが配置されるように内周と外周を形作る切削加工を施す場合には、従来技術（特許文献１）と比較して、母材Ｂにおいて磁石ピースＭＰとならない不要な部分の体積を減らせるので加工コストおよび加工時間を低減できる。

【0025】

磁石ピースＭＰの周方向の中央と円環状磁石ＣＭの中心とを結ぶ線と磁石ピースＭＰの中央の磁気配向方向とを一致させると磁気強度を効率よく大きくできる。つまり、各磁石ピースが各磁石ピースの周方向の中央とその磁石ピースの内外周の曲率中心Ｏとを結ぶ方向を磁気配向方向として着磁されている場合、磁気強度を効率よく大きくできる。磁石ピースＭＰの周方向の中央と円環状磁石ＣＭの中心とを結ぶ線と磁石ピースＭＰの中央の磁気配向方向とを一致させると好適であるが、これに限らず磁石ピースＭＰ上の全ての点で磁気配向方向Ｇと前記仮想線Ｘとのなす角度αが２５度以下となっていればよい。

【0026】

このようにして作成された八個の磁石ピースＭＰは、互いに周方向端面同士を向き合わせて、端面同士を接着して円環状に接合されて円環状磁石ＣＭが製造される（接合ステップ）。このようにして製造された円環状磁石ＣＭは、磁石ピースＭＰがパラレル配向されているものの、ラジアル配向で着磁された磁石として振る舞う。また、軸方向に見て各磁石ピースＭＰの任意点における磁気配向方向が円環状磁石ＣＭの直径方向となす角度αが最大でも２５度以下となるので、各磁石ピースＭＰがパラレル配向で着磁されているものの、円環状磁石ＣＭは、ラジアル配向に近づき、内周側の界磁強度を確保できる。よって、この円環状磁石ＣＭによれば、完全なラジアル配向の円環状磁石に比較しても界磁強度の低下が低く留められるので、完全なラジアル配向の円環状磁石と遜色のない界磁強度を確保できる。

【0027】

なお、本実施の形態では、磁石ピースＭＰの形状を全て同一形状としている。このように磁石ピースＭＰが円弧状であっても周方向長さが不ぞろいとなると、円環状磁石ＣＭの磁気強度が特に低い部分がランダムにできてしまう場合があるが、そのような心配がない。また、磁石ピースＭＰの周方向長さが不ぞろいとなるとこれらを接合する際に綺麗な円環状となる組合せができてしまうので接合加工が面倒となるが、磁石ピースＭＰが同一形状であると接合加工も容易となる。

【0028】

つづいて、円環状磁石ＣＭを利用した筒型リニアモータ１について説明する。一実施の形態における筒型リニアモータ１は、図３に示すように、筒状のコア３とコア３の外周に設けられたスロット４に装着される巻線５とを有する電機子２と、筒状であって内方に電機子２が軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁６とを備えて構成されている。以下、筒型リニアモータ１の各部について詳細に説明する。電機子２は、コア３と巻線５とを備えて構成されている。コア３は、円筒状のヨーク３ａと、環状であってヨーク３ａの外周に軸方向に間隔を空けて設けられる複数のティース３ｂとを備えて構成されて可動子とされている。

【0029】

本実施の形態では、図３に示すように、ヨーク３ａの外周に１０個のティース３ｂが、軸方向に等間隔に並べて設けられており、ティース３ｂ，３ｂ間に巻線５が装着される空隙でなるスロット４が形成されている。

【0030】

また、各ティース３ｂは、環状であって、コア３の両端に配置されたティース３ｂを除いて、軸方向において内周端の幅より外周端の幅が狭い等脚台形状とされており、軸方向で両側の側面が外周端に対して等角度で傾斜するテーパ面とされている。なお、発明者らの研究によって、ティース３ｂの断面における側面と直交面とでなす内角θが６度から１２度の範囲にあると、良好な質量推力密度が得られることが分かった。ここで、質量推力密度とは、前述の構成の筒型リニアモータ１の最大推力を質量で割った数値であり、質量推力密度が良化すれば、筒型リニアモータ１の質量当たりの推力が大きくなる。よって、ティース３ｂの断面における側面における直交面とでなす内角θが６度から１２度の範囲にある筒型リニアモータ１では、大きな質量推力密度が得られる。
なお、末端のティース３ｂは、図３に示すように、末端のティース３ｂ以外の他のティース３ｂをコア３の軸線に直交する面で半分に切り落とした断面形状とされている。このように、各ティース３ｂの断面形状は、内周端の幅より外周端の幅が狭い台形状とされている。

【0031】

また、本実施の形態では、図３中で隣り合うティース３ｂ，３ｂ同士の間には、空隙でなるスロット４が合計で９個設けられている。そして、このスロット４には、巻線５が巻き回されて装着されている。巻線５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相巻線とされている。９個のスロット４には、図３中左側から順に、Ｗ相とＵ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｕ相とＶ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相、Ｗ相の巻線５が装着されている。

【0032】

そして、このように構成された電機子２は、出力軸である非磁性体で形成されたロッド１１の外周に装着されている。具体的には、電機子２は、その図３中で左端と右端とがロッド１１に固定される環状のスライダ１２，１３によって保持されて、ロッド１１に固定されている。

【0033】

他方、固定子Ｓは、本実施の形態では、円筒状の非磁性体で形成されるアウターチューブ７と、アウターチューブ７内に挿入される円筒状の軟磁性体で形成されるバックヨーク８と、バックヨーク８内に挿入されてバックヨーク８との間に環状隙間を形成する円筒状の非磁性体のインナーチューブ９と、バックヨーク８とインナーチューブ９との間の環状隙間に軸方向に交互に積層されて挿入される主磁極となる円環状磁石ＣＭと環状の副磁極となる永久磁石１０とを備えた界磁６とで構成されている。なお、図３中で円環状磁石ＣＭと永久磁石１０に記載されている三角の印は、着磁方向を示しており、前述の通り円環状磁石ＣＭの着磁方向は内周から外周に向く方向、つまり、径方向となっており、副磁極の永久磁石１０の着磁方向は軸方向となっている。円環状磁石ＣＭと永久磁石１０は、ハルバッハ配列で配置されており、界磁６の内周側では、軸方向にＳ極とＮ極が交互に現れるように配置されている。なお、円環状磁石ＣＭの内径と永久磁石１０の内径は等しく、円環状磁石ＣＭの外径と永久磁石１０の外径も等しい。

【0034】

また、円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１は、永久磁石１０の軸方向長さＬ２よりも長くなっており、本実施の形態では、０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５を満たすように、円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１と永久磁石１０の軸方向長さＬ２が設定されている。円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１を長くすればコア３との間の円環状磁石ＣＭとの間の磁気抵抗を小さくできコア３へ作用させる磁界を大きくできるので筒型リニアモータ１の推力を向上できる。

【0035】

また、本発明の筒型リニアモータ１では、円環状磁石ＣＭおよび永久磁石１０の外周にバックヨーク８を設けている。バックヨーク８を設けない場合、副磁極の永久磁石１０の軸方向長さＬ２が短くなると円環状磁石ＣＭの軸方向中央部分における磁石外部の磁気抵抗が増大し、界磁磁束が小さくなるため、円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１を長くする際の筒型リニアモータ１の推力向上度合が小さくなる。これに対して、円環状磁石ＣＭおよび永久磁石１０の外周にバックヨーク８を設けると、磁気抵抗の低い磁路を確保できるので永久磁石１０の軸方向長さＬ２の短縮に起因する磁気抵抗の増大が抑制される。よって、円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１を永久磁石１０の軸方向長さＬ２よりも長くするとともに円環状磁石ＣＭおよび永久磁石１０の外周に筒状のバックヨーク８を設けると筒型リニアモータ１の推力を大きく向上させ得る。バックヨーク８の肉厚は、円環状磁石ＭＣの外部磁気抵抗の増大を抑制に適する肉厚に設定されればよい。

【0036】

なお、副磁極の永久磁石１０は、円環状磁石ＣＭより高い保磁力を有する永久磁石とされている。永久磁石における残留磁束密度と保磁力は、互いに密接に関係しており、一般的に残留磁束密度を高めると保磁力は低くなり、保磁力を高めると残留磁束密度が低くなるという、互いに背反する関係にある。ハルバッハ配列では、副磁極の永久磁石１０には減磁方向に大きな磁界が印加されるため、副磁極の永久磁石１０の保磁力を高くして減磁を抑制し、大きな磁界をコア３に作用させ得るようにしている。対して、コア３に対して作用する磁界の強さは、円環状磁石ＣＭの磁力線数に左右される。そのため、円環状磁石ＣＭに高い残留磁束密度の永久磁石を使用して大きな磁界をコア３に作用させるようにしている。本実施の形態では、永久磁石１０を円環状磁石ＣＭよりも保磁力を高くするのに際して、永久磁石１０の材料を円環状磁石ＣＭの材料よりも保磁力が高い材料としている。よって、材料の選定によって、円環状磁石ＣＭおよび永久磁石１０の組合せを簡単に実現できる。なお、本実施の形態では、円環状磁石ＣＭは、ネオジム、鉄、ボロンを主成分とする残留磁束密度が高い材料で構成され、副磁極の永久磁石１０は、前記材料にジスプロシウムやテリビウム等の重希土類元素の添加量を増やした減磁しにくい磁石で構成されている。

【0037】

また、固定子Ｓの内周側には、コア３が挿入されており、界磁６は、コア３に磁界を作用させている。なお、界磁６は、コア３の可動範囲に対して磁界を作用させればよいので、コア３の可動範囲に応じて円環状磁石ＣＭと永久磁石１０の設置範囲を決定すればよい。したがって、アウターチューブ７とインナーチューブ９との環状隙間のうち、コア３に対向し得ない範囲には、円環状磁石ＣＭおよび永久磁石１０を設置しなくともよい。なお、バックヨーク８の長さは、円環状磁石ＣＭおよび永久磁石１０を積層した長さと等しい長さとされており、円環状磁石ＣＭおよび永久磁石１０がコア３のストローク範囲外に磁界を作用させて推力低下を招かないように配慮されている。

【0038】

また、アウターチューブ７、バックヨーク８およびインナーチューブ９の図３中左端はキャップ１４によって閉塞されており、アウターチューブ７、バックヨーク８およびインナーチューブ９の図３中右端は環状のヘッドキャップ１５によって閉塞されている。また、インナーチューブ９の内周には、スライダ１２，１３が摺接しており、スライダ１２，１３によって電機子２はロッド１１とともに界磁６に対して偏心せずに軸方向へスムーズに移動できる。インナーチューブ９は、コア３の外周と円環状磁石ＣＭおよび永久磁石１０の内周との間のギャップを形成するとともに、スライダ１２，１３と協働してコア３の軸方向移動を案内する役割を果たしている。なお、インナーチューブ９は、非磁性体で形成されればよいが、合成樹脂で形成されると筒型リニアモータ１の推力密度向上効果が高くなる。インナーチューブ９を非磁性体の金属で製造すると、電機子２が軸方向へ移動する際にインナーチューブ９の内部に渦電流が生じて、電機子２の移動を妨げる力が発生してしまう。これに対して、インナーチューブ９を合成樹脂とすれば渦電流が生じないので筒型リニアモータ１の推力をより効果的に向上できるとともに、筒型リニアモータ１の質量を低減できる。なお、インナーチューブ９を合成樹脂とする場合、フッ素樹脂で製造すればスライダ１２，１３との間の摩擦および摩耗を低減できる。また、インナーチューブ９を他の合成樹脂で形成してもよく、また、摩擦および摩耗を低減するべく他の合成樹脂で形成されたインナーチューブ９の内周をフッ素樹脂でコーティングしてもよい。

【0039】

なお、キャップ１４には、巻線５に接続されるケーブルＣを外部の図示しない電源に接続するコネクタ１４ａを備えており、外部電源から巻線５へ通電できるようになっている。また、アウターチューブ７、バックヨーク８およびインナーチューブ９の軸方向長さは、コア３の軸方向長さよりも長く、コア３は、界磁６内の軸方向長さの範囲で図３中左右へストロークできる。

【0040】

そして、たとえば、巻線５の界磁６に対する電気角をセンシングし、前記電気角に基づいて通電位相切換を行うとともにＰＷＭ制御により、各巻線５の電流量を制御すれば、筒型リニアモータ１における推力と電機子２の移動方向とを制御できる。なお、前述の制御方法は、一例でありこれに限られない。このように、本実施の形態の筒型リニアモータ１では、電機子２が可動子であり、界磁６は固定子として振る舞う。また、電機子２と界磁６とを軸方向に相対変位させる外力が作用する場合、巻線５への通電、あるいは、巻線５に発生する誘導起電力によって、前記相対変位を抑制する推力を発生させて筒型リニアモータ１に前記外力による機器の振動や運動をダンピングさせ得るし、外力から電力を生むエネルギ回生も可能である。

【0041】

このように筒型リニアモータ１は、筒状のコア３とコア３の外周に設けられたスロット４に装着される巻線５とを有する電機子２と、筒状であって内方に電機子２が軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されるように軸方向に並べられる円環状磁石ＣＭを複数有する界磁６とを備えている。このように構成された筒型リニアモータ１では、内周側の磁気強度を確保できる円環状磁石ＣＭを利用しているので、従来の疑似的なラジアル配向の円環状磁石を利用する場合に比較して、推力を向上できる。

【0042】

さらに、円環状磁石ＣＭの内径を５０ｍｍ以上、８０ｍｍ以下に設定すると、前述の構成の筒型リニアモータ１では、完全なラジアル配向の円環状磁石を利用した場合に比較しても発生推力の低下を５％以下に抑えられることが発明者らの研究によって明らかとなった。よって、内周側に電機子２が可動子として移動自在に挿入されて界磁６が固定子となる筒型リニアモータ１では、円環状磁石ＣＭを用いる場合、内径を５０ｍｍ以上、８０ｍｍ以下に設定すれば完全にラジアル配向の円環状磁石を利用した場合と遜色のない推力が得られるのである。

【0043】

また、筒型リニアモータ１は、筒状のコア３とコア３の外周に設けられたスロット４に装着される巻線５とを有する電機子２と、筒状であって内方に電機子２が軸方向へ移動自在に挿入されて軸方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される界磁６とを備え、界磁６は、ハルバッハ配列にて軸方向に交互に並べられる径方向に着磁された円環状磁石ＣＭと軸方向に着磁された永久磁石１０と、円環状磁石ＣＭおよび永久磁石１０の外周に配置される筒状のバックヨーク８とを有し、主磁極の円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１は副磁極の永久磁石１０の軸方向長さＬ２よりも長い。

【0044】

このように筒型リニアモータ１が構成されると、主磁極の円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１を長くして、主磁極の円環状磁石ＣＭとコア３との間の磁気抵抗を小さくできるとともに、副磁極の永久磁石１０の軸方向長さＬ２を短くしてもバックヨーク８を設けているので磁気抵抗の増大を抑制でき、コア３へ作用させる磁界を大きくできる。

【0045】

よって、本実施の形態の筒型リニアモータ１によれば、副磁極の永久磁石１０の減磁を抑制しつつも主磁極の円環状磁石ＣＭとコア３との間の磁気抵抗を小さくでき効果的に推力を向上できる。

【0046】

なお、副磁極の永久磁石１０が主磁極の円環状磁石ＣＭよりも高い保磁力を有していれば、大きな磁界が印加される副磁極の永久磁石１０の減磁を抑制しつつも主磁極の円環状磁石ＣＭに高い残留磁束密度の永久磁石を利用できる。

【0047】

また、主磁極の円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１を副磁極の永久磁石１０の軸方向長さＬ２よりも長くすれば、界磁６はコア３に大きな磁界を作用させ得るが、主磁極の円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０の軸方向長さＬ２に最適な関係がある。図４に主磁極の円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１で副磁極の永久磁石１０の軸方向長さＬ２を割った値と筒型リニアモータ１の推力との関係を示す。発明者らは、鋭意研究した結果、図４に示すように、主磁極の円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０の軸方向長さＬ２が０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定されれば、Ｌ２／Ｌ１の値を理想的な値に設定した際の推力に対して９５％以上の推力を確保できることを知見した。

【0048】

よって、筒型リニアモータ１における主磁極の円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０の軸方向長さＬ２を０．１５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６を満たすように設定すれば、推力を一層向上できる。さらに、図４から理解できるように、主磁極の円環状磁石ＣＭの軸方向長さＬ１と副磁極の永久磁石１０の軸方向長さＬ２が０．２≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５を満たすように設定されれば、Ｌ２／Ｌ１の値を理想的な値に設定した際の推力に対して９８％以上の推力を確保できるので筒型リニアモータ１の推力をより効果的に向上できる。

【0049】

さらに、本実施の形態の筒型リニアモータ１にあっては、ティース３ｂの断面形状は、内周端の幅より外周端の幅が狭い台形状とされているので、ティース３ｂの断面形状を矩形とする場合に比較して、内周端における磁路断面積が広くなる。よって、このように構成された筒型リニアモータ１では、大きな磁路断面積を確保しやすくなり、巻線５を通電した際の磁気飽和を抑制でき、より大きな磁場を発生できるからより大きな推力を発生できる。なお、推力の向上のためには、ティース３ｂの断面形状を台形とするとよいが、断面形状を矩形としてもよいし、他の形状としてもよい。

【0050】

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。

【符号の説明】

【0051】

１・・・筒型リニアモータ、２・・・電機子、３・・・コア、４・・・スロット、５・・・巻線、６・・・界磁、Ｂ・・・母材、ＣＭ・・・円環状磁石、Ｇ・・・磁気配向方向、ＭＰ・・・磁石ピース、Ｏ・・・曲率中心、Ｑ・・・任意点、Ｘ・・・仮想線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】