JPH0880027A

JPH0880027A - リニアモータ

Info

Publication number: JPH0880027A
Application number: JP6206557A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nashiki; 政行梨木
Original assignee: Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1996-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】２次側の１次側に対する位置により２次側の
磁気抵抗の差があることを利用して回転力を発生する同
期電動機において、２次側の磁極が向いている方向の電
動機電流成分により界磁磁束が悪影響を受け難いリニア
モータを得、低推力リップル、高ピークトルク、高力
率、高効率、を実現し、さらには、リニアモータの低価
格化を実現する。【構成】２次側１６２の磁極部材１６２に磁極方向に
は磁気抵抗が小さく磁極の横方向には磁気抵抗の大きな
磁極構造とするため積層電磁鋼板を使用し、隣合う磁極
へ磁気的に独立した複数の分割磁路１を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ほぼ直線的に駆動する
改良されたリニアモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のリニアモータとしては、その目的
等によりいくつかの種類のリニアモータがある。図１５
に一般的なリニアモータの基本構成を示す。リニアモー
タは、可動子６１と固定子６２とで構成される。可動子
６１は、矢印の方向に移動可能で本説明では１次側と呼
称する。固定子６２は、リニアモータの移動ストローク
に応じた長さとなり、本説明では２次側と呼称する。勿
論可動子と固定子とは１次側でも２次側でもどちらでも
よい。

【０００３】図１６にリニアモータの従来例の進行方向
断面図を示す。

【０００４】１次側６１は電磁鋼板が積層されたもの
で、各スロットには三相交流巻き線Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，
Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２が巻回され、その巻き線図は巻き線回
数が１ターンの場合で表すと図１７に示すようになって
いる。通常は数１０ターンの巻き線回数となっているこ
とが多い。各相巻き線の結線はスター巻き線となってお
り、交流回転機の場合、図１８に示したようなシンボル
で表す巻き線２１、２２、２３に相当し、Ｕ１−Ｕ２、
Ｖ１−Ｖ２、Ｗ１−Ｗ２の各巻き線である。図における
Ｕ，Ｖ，Ｗは各巻き線の端子である。

【０００５】２次側６２は、永久磁石１９とその磁路２
０とで構成されている。２次側６２の磁極は永久磁石の
Ｎ極、Ｓ極が図のように交互に１次側６１に対向するよ
うな配置となっている。

【０００６】次にその動作について説明する。

【０００７】リニアモータの移動方向の２次側磁極の位
置をＸ軸とし、Ｘ軸のプラス方向に向かう時２次側磁極
がＳ極からＮ極に移り変わる磁極境界位置の一つをＸ＝
０と定義する。２次側６２の磁極の磁束密度Ｂは図１９
（ａ）に示すようにＸ軸位置に応じて周期が磁極ピッチ
ＰＰ、即ち電気角で３６０度ピッチ、振幅Ｂ０の正弦波
状であると仮定する。一方、１次側６１の位置ＲＰは、
Ｕ１の巻き線がＸ＝０の位置にある時のスライダ位置を
ＲＰ＝０と定義する。

【０００８】今、三相各相巻き線に図１９（ｂ），
（ｃ），（ｄ）に示すような三相交流電流ＩＵ，ＩＶ，
ＩＷを流すとフレミングの左手法則に従ってＸ軸のプラ
ス方向に推力ＦＦが発生する事になる。

【０００９】

【数１】Ｂ＝Ｂ０・ＳＩＮ（Ｘ）ＩＵ＝ＩＡ・ＳＩＮ（ＲＰ）ＩＶ＝ＩＡ・ＳＩＮ（ＲＰ−１２０゜）ＩＷ＝ＩＡ・ＳＩＮ（ＲＰ−２４０゜）ＦＦ＝Ｂ・Ｉ・Ｌ＝［Ｂ０・ＳＩＮ（ＲＰ）・ＩＡ・ＳＩＮ（ＲＰ）＋
Ｂ０・ＳＩＮ（ＲＰ−１２０゜）・ＩＡ・ＳＩＮ（ＲＰ
−１２０゜）＋Ｂ０・ＳＩＮ（ＲＰ−２４０゜）・ＩＡ
・ＳＩＮ（ＲＰ−２４０゜）］・ＷＴ・２・ＷＬ＝３・Ｂ０・ＩＡ・ＷＴ・ＷＬここで、ＷＴ各相巻き線のターン数、ＷＬ各巻き線１／
２ターンの巻き線有効長である。なお、上記式をまとめ
て式（１）とする。

【００１０】推力の大きさは、式（１）の通りであり、
三相交流回転機理論で良く知られているように、Ｘ軸位
置には関係なく三相交流電流の振幅ＩＡに比例した推力
ＦＦを得る事ができ、ここに示した制御範囲内では良好
な制御特性を得る事ができる。

【００１１】図２０に他の従来例の進行方向断面図を示
す。１次側６１は図１６と同じである。２次側６５は図
に示すように軟磁性体で作られた突極構造の磁極が連続
して配置された構造となっている。このリニアモータの
動作は１次側６１の三相巻き線Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ
２，Ｗ１，Ｗ２によって作られる起磁力の最大値が位置
する部分へ２次側６５の突極中心部２４が磁気的に引き
寄せられる力をリニアモータの発生推力とするものであ
る。従って、三相電流の位相をシフトすることにより任
意の方向へ推力を発生することができ、位置制御するこ
とが可能である。推力の大きさは、相対的位相の大きさ
と三相電流の大きさに関係した値となる。

【００１２】図２１に他の従来例として、ステッピンモ
ータの原理で駆動するリニアモータの例の進行方向断面
図を示す。１次側６３は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４相の巻き
線を持っている。例えば、Ｂ相巻き線は、Ｂ１，Ｂ２の
部分に巻回され、さらに直列に、Ｂ３，Ｂ４に逆巻きに
巻回されている。Ｂ相巻き線に誘起される磁束は図示す
るように、Ｂ相巻き線を通り２次側６４を通過しループ
を描くようになっている。

【００１３】図２１のリニアモータの駆動原理は、例え
ば１次側６３をＸ方向に駆動する場合、図示するように
Ｂ相に電流を通電し、位置の移動にともない順次磁気吸
引力の働く相の巻き線へ通電するものである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】図１６に示した従来例
では、永久磁石の性能にもよるが比較的効率よく大きな
推力を発生することができる。しかし、例えば特性の良
い希土類磁石等を使用すると永久磁石が高価でコスト高
になるという課題、永久磁石を固定するための部材が必
要、組立コストがかかるというコスト上の課題がある。

【００１５】また特性的には、永久磁石による一定界磁
なのでリニアモータの駆動装置のパワー電源電圧で駆動
できるリニアモータの電圧制限により駆動速度の限界が
ある。言い換えると、永久磁石型直流電動機あるいは永
久磁石型同期電動機の高速回転限界と同様に、駆動速度
の限界があるという課題がある。この対策として、巻き
線回数を減少させ誘起電圧を下げる方法もあるが、この
場合は同一推力を得るためには駆動電流値を上げる必要
が出てきて駆動装置の駆動電流容量を上げる必要が出て
くる。即ち、駆動速度の限界と駆動装置容量とがトレー
ドオフ関係にある。

【００１６】また他の課題として、瞬時大推力を得るた
め大きな電流を流すと永久磁石が減磁するという課題も
ある。

【００１７】図２０に示した従来例の課題は、大きな推
力を得にくいこと、推力が駆動位置により変動し、推力
リップルの発生、駆動騒音の発生となり易いことであ
る。大きな推力が得られない原因は、２次側の磁極全体
が方向性の無い磁性体であるため巻き線電流の大きさと
位相により、磁極の磁束中心の位置が変化し易いことに
よると考えることができる。推力リップルの発生、駆動
騒音の発生の原因は、２次側の磁極形状と１次側のスロ
ットとが不連続なため、１次側からみた２次側の磁気抵
抗が大きく変化するためと見ることができる。

【００１８】図２１に示した従来例の課題は、大きな推
力を得にくいこと、推力が駆動位置により変動し、推力
リップルの発生、駆動騒音の発生となり易いこと、駆動
時の各相巻き線の通電デユーテイが図２１の場合で約１
／４と低くその分だけ駆動効率が低いこと、各相巻き線
が励起する磁束の増減に伴った磁気吸引力がこのリニア
モータ推力の源なので、供給電力の内の内部磁気エネル
ギ供給分と機械的推力のエネルギ供給分とが同位相とな
り、駆動装置のパワーデバイス負担が大きいこと、であ
る。

【００１９】本発明は、以上の課題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、２次側の磁極が向いて
いる方向の電動機電流成分により界磁磁束が悪影響を受
け難くすることで、低推力リップル、高ピークトルク、
高力率、高効率、を実現し、さらには、低価格化を実現
するリニアモータを提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、２次側とその２次側の長
さ方向に相対的に移動する１次側とで構成されるリニア
モータにおいて、前記１次側は、巻回された２相以上の
多相巻き線を有し、前記２次側は、複数の磁極を有し、
前記磁極は、前記各磁極からの磁路を複数に分割し、各
磁極からそれぞれ隣合う磁極へは磁気抵抗を小さく、リ
ニアモータ駆動方向の各磁極両端からみた磁極内の磁気
抵抗を大きくする磁気絶縁手段と、を備える事を特徴と
する。

【００２１】請求項２記載の発明は、２次側とその２次
側の長さ方向に相対的に移動する１次側とで構成される
リニアモータにおいて、前記１次側は、巻回された２相
以上の多相巻き線を有し、前記２次側は、複数の磁極を
有し、前記各磁極は、隣合う磁極間に通じている各磁極
の磁路が複数に分かれており、リニアモータ駆動方向の
各磁極両端の間の磁気抵抗が隣合う磁極間に通じている
磁路の磁気抵抗より大きくなっていることを特徴とす
る。

【００２２】請求項３記載の発明は、請求項２記載のリ
ニアモータにおいて、２次側磁極の複数の磁路は、磁性
鋼板の一部を除去して磁極内の磁気絶縁部を作り、電磁
鋼板をリニアモータの駆動方向にほぼ平行に配置し、リ
ニアモータの駆動方向に直角な方向に積層された構造で
あることを特徴とする。

【００２３】請求項４記載の発明は、請求項２記載のリ
ニアモータにおいて、２次側磁極は、リニアモータの駆
動方向に直角な方向に配置した電磁鋼板が積層された構
造であることを特徴とする。

【００２４】請求項５記載の発明は、２次側とその２次
側の長さ方向に相対的に移動する１次側とで構成される
リニアモータにおいて、前記１次側は、巻回された２相
以上の多相巻き線を有し、前記２次側は、複数の磁極を
有し、前記磁極は、各磁極を構成する部材が隣合う磁極
への磁路の方向へは磁気抵抗が小さく、リニアモータ駆
動方向の各磁極両端からみた磁極内の磁気抵抗は大きい
磁気方向性のある部材で構成されている事を特徴とす
る。

【００２５】請求項６記載の発明は、請求項５記載のリ
ニアモータにおいて、前記磁気方向性のある部材は、棒
状の磁性部材と非磁性部材とを束ねた構造であることを
特徴とする。

【００２６】請求項７記載の発明は、請求項１乃至６記
載のリニアモータにおいて、前記１次側と前記２次側と
の複数の組合わせ、あるいは前記１次側または前記２次
側の一部を共用していることを特徴とする。

【００２７】請求項８記載の発明は、請求項１乃至７記
載のリニアモータにおいて、前記１次側は、巻き線が設
けられている部分の進行方向前後の片方あるいは両方に
１次側巻き線により励起される磁束を通す磁気回路を設
けたことを特徴とする。

【００２８】

【作用】リニアモータ内部に生成される磁束が２次側の
複数の磁路にそって生成され易く他の方向には磁気抵抗
が大きい磁気回路構造となっているため、界磁磁束を磁
極位置とほぼ同期した位置に生成する事ができる。

【００２９】従って、界磁磁束が存在する位置に推力を
発生する電流成分を流しても界磁磁束が乱される程度が
少なく、磁束に鎖交する電流を通電でき、効率よく推力
を得る事ができる。

【００３０】特に大きな推力を得るため１次側に大きな
通電電流を流す時、界磁磁束位置が変化し難く、大きな
推力を得ることができる。

【００３１】また、推力の場所に依存した推力リップル
については、磁気抵抗、内部磁気エネルギの観点で表現
すると、本発明におけるリニアモータでは各三相巻き線
の磁気抵抗の総和の位置Ｘによる変化、リニアモータの
位置Ｘによる内部磁気エネルギ変化が小さくできる幾何
学構造となっているので推力リップルを小さくする事が
できる。

【００３２】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例
について説明する。

【００３３】図１は本実施例のリニアモータの駆動方向
断面図であり、駆動方向に磁極が隣接している。各磁極
範囲は図１にＳ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極と図
示した範囲である。

【００３４】１次側１６１は、図１６の従来例と同様
に、電磁鋼板を積層したもので各スロットには三相交流
巻き線が巻回されている。図１の１次側１６１は図１６
の従来例に比較し、１次側の巻き線が設けられたスロッ
トの進行方向前後に巻き線の入っていない磁気回路３０
を設けている。このリニアモータ進行方向前後の磁気回
路３０によって界磁磁束が三相巻き線電流により有効に
励起される。もしこの進行方向前後の磁気回路がなけれ
ば、１次側の位置によっては界磁磁束が一部欠落する事
になり、その分だけ推力が部分的に低下し、また、推力
のリップルの原因にもなる。

【００３５】なお、この巻き線の設けられない空きスロ
ットは使用されないので磁性物質でふさいで無くするこ
とも可能である。また、磁気回路３０は、進行方向の前
後いずれか一方でもよく、配置される個数は適宜調整す
ればよい。図１では集中巻きで進行方向の長さは三相巻
き線が一組の例を図示しているが、三相以外の二相、四
相、五相等の多相巻き線でも同等の特性を得る事ができ
る。巻き方も集中巻きの例を記述しているがもちろん分
布巻きにもでき、重ね巻きなど種々巻き線の変形が可能
である。

【００３６】また、１次側の大きさも所望推力の大きさ
により図１に示すユニットを複数個連結した構造とし、
各相巻き線をシリーズに接続する事も可能である。磁気
特性的には１次側と２次側とを相対的にスキューし、磁
気的不連続性を軽減する事なども可能である。全体構造
も、図１５、図１に示すような直方体が対向した構造に
限定するものではない。

【００３７】２次側１６２は、磁極の磁路を９磁路に分
割した分割磁路１の一つであり、材質は軟磁性体であ
る。また、磁極磁路の磁性部である分割磁路１の間には
磁極磁路の非磁性部であり磁気絶縁手段としての磁気絶
縁部２が層状に設けられ、樹脂層、空気層等の非磁性体
で構成されている。２次側１６２の長さは、図１では４
磁極分の長さしか図示していないがリニアモータの駆動
ストロークの大きさに必要な長さとなっている。

【００３８】まず、界磁磁束について説明する。

【００３９】図１において、磁極の境界部に対向する位
置の１次側巻き線に電流を流すと、各磁極には磁束が励
起され、図示したようなＳ極、Ｎ極あるいは逆極性の磁
極が生成される。磁極間の磁極境界部に対向する位置の
１次側電流成分を界磁電流成分と呼ぶことにする。

【００４０】磁極の中心位置に対向する位置の１次側巻
き線に電流を流すと、この電流による起磁力は全て磁気
絶縁層２に鎖交する方向に働き、この方向の磁気抵抗が
大きいのでこの電流成分により励起される磁束成分の大
きさは小さい。磁極の中心位置に対向する位置の１次側
電流成分を電機子電流成分と呼ぶ事にする。

【００４１】次に、界磁電流成分と電機子電流成分とが
重畳して流れている場合の界磁の動作について説明す
る。

【００４２】まず、界磁電流成分が既に流れていて各磁
極に界磁磁束が存在している状態を想定し、その後電機
子電流成分を零から増加させていくと仮定すると、前述
したように電機子電流成分による起磁力が働く方向へは
磁気抵抗が大きく磁束は発生しにくいのであるから、界
磁磁束は電機子電流成分により大きな影響は受けない。
この時、電機子電流成分と電機子電流成分に鎖交する界
磁磁束との関係でリニアモータの推力を発生する。

【００４３】次に、リニアモータの発生する推力を数式
を用いて説明する。

【００４４】リニアモータの発生推力、注入電気エネル
ギ、リニアモータの内部エネルギ等の間の基本的考え方
は次の通りである。

【００４５】

【数２】［△Ｘ微小変位する間の注入電気エネルギＥＩＮ］−［内部損失ＥＣＳ］＝［発生推力ＦＦ］×［微小変位量△Ｘ］＋［△Ｘ微小変位したときの内部エネルギの変化△ＥＳＴ］・・（２）今、説明を単純化するために、［内部損失ＥＣＳ］即ち
銅損、鉄損等は零であると仮定する。［△Ｘ微小変位し
たときの内部エネルギの変化△ＥＳＴ］は、内部エネル
ギが大きく変化するような機器構造あるいは制御方式の
場合は、この項が重要であるが、今、内部エネルギがあ
まり変化しない場合について考えてみることにし、この
項が零であると仮定する。このような前提条件では式
（２）は次のようになる。

【００４６】

【数３】［△Ｘ微小変位する間の注入電気エネルギＥＩＮ］＝［発生推力ＦＦ］×［微小変位量△Ｘ］・・（３）また、電気機械について注入電気エネルギＥＩＮは一般
的に次式となる。

【００４７】

【数４】ＥＩＮ＝［巻き線に誘起する電圧ＶＧ］×［巻き線へ通電する電流値ＩＸ］ ×△ＴＭ＝ＷＴ×△ＦＬ／△ＴＭ×ＩＸ×△ＴＭ・・（４）但し、ＷＴはこの電気機械に巻かれた巻き線のターン
数、△ＦＬは△Ｘ微小変位するときのこの巻き線の磁束
変化、△ＴＭは△Ｘ微小変位する時間、ＩＸはこの巻き
線に通電している電流値、である。

【００４８】一方、この電気機械の機械的出力は次の関
係式が成り立つ。

【００４９】

【数５】ＥＩＮ＝［変位方向に発生する力ＦＦ］×［微小変位量△Ｘ］・・（５）式（４）と式（５）とから発生力ＦＦの関係式を次のよ
うに求める事ができる。

【数６】ＥＩＮ＝ＷＴ×△ＦＬ／△ＴＭ×ＩＸ×△ＴＭ
＝ＦＦ×△Ｘより、ＦＦ＝ＷＴ×△ＦＬ／△Ｘ×ＩＸ・・（６）整理すると、電気機械の機械的出力ＦＦは巻き線のター
ン数ＷＴとその巻き線に流れる電流値ＩＸと微小変位△
Ｘ動いた時にその巻き線に鎖交している磁束の変化量△
ＦＬ／△Ｘとの積として表すことができる。

【００５０】また、式（４）、（５）、（６）の関係式
が注入エネルギが誘起電圧と電流との積であるという単
純で明らかな関係式だけを用いたものなので、例えば巻
き線が図１の三相巻き線のように複数組ある場合の解析
方法は、各巻き線について各巻き線電流と鎖交磁束との
関係を式６を適用し、それぞれの推力を加算合計するこ
とにより求める事ができる。

【００５１】さらに、一つの巻き線に流れている電流Ｉ
ＸをＩＸ＝ＩＸ１＋ＩＸ２と二つの電流に分解したとき
ＩＸ１とＩＸ２についてそれぞれ式（６）を適用し、そ
の結果を加算合計することもできるという関係も成り立
つ。即ち具体的には、一相の電流を界磁電流成分と電機
子電流成分とにベクトル分解して考え、それぞれを式
（６）で計算した後加算しても結果は同じである。

【００５２】また、式（６）において、特定条件とし
て、仮定としてスロットと歯の部分とが均一な磁束密度
Ｂの場であり、通電する導体１ターンの磁束と鎖交する
部分の長さがＬである場合について考えてみると、

【数７】△ＦＬ＝Ｂ×Ｌ×△Ｘとなるので、ＦＦ＝ＷＴ×△ＦＬ／△Ｘ×ＩＸ＝ＷＴ×Ｂ×Ｌ×ＩＸ・・（７）となり、フレミングの左手の法則と全く同じ式に変形で
きる。即ち式（６）は、磁束の分布が均一でない場合に
も成り立つ一般式であるといえる。

【００５３】前記説明において、推力ＦＦは、各相電流
と電流に鎖交する磁束との相関関係で計算できる事を示
したが、各相電流が流れる巻き線と磁束との間で前記計
算された力が働くわけではない。特に図１のように各相
巻き線が磁性材料で囲まれている場合は、力は１次側１
６１と２次側１６２との間に存在する磁力線の間に働く
引力として観測することもできる。

【００５４】また、前記したように、式（６）、（７）
が成り立つ条件は、［△Ｘ微小変位したときの内部エネ
ルギ変化△ＥＳＴ］が小さく無視できる事である。

【００５５】次に、本実施例におけるリニアモータの特
性を説明するため、その制御装置例を含めた制御の方法
について説明する。

【００５６】図２に本実施例におけるリニアモータの制
御装置の一例を示す。

【００５７】図２において、制御装置は、１次側１６１
と２次側１６２との相対的位置を検出しその検出信号Ｄ
Ｓを出力する位置検出器１６３と、検出信号ＤＳから位
置信号ＲＰを検出する位置検出回路５５と、検出信号Ｄ
Ｓから速度信号ＳＤを検出する速度検出回路５６と、速
度指令ＳＩから速度信号ＳＤを減じて速度誤差信号ＥＳ
を得る加算器５１と、速度誤差信号ＥＳをＰＩＤ補償な
どを行う事により推力指令ＳＡを作る速度制御部５７
と、を有している。

【００５８】更に、制御装置は、速度信号ＳＤと位置信
号ＲＰとを入力として三相Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各相界磁電流
指令ＳＦＩＵ，ＳＦＩＶ，ＳＦＩＷを出力する界磁電流
指令回路５９を有している。

【００５９】今、界磁電流指令の振幅をＳＦとすると、
三相の界磁電流成分は、

【数８】ＳＦＩＵ＝ＳＦ・ＳＩＮ（ＲＰ−９０゜）ＳＦＩＶ＝ＳＦ・ＳＩＮ（ＲＰ−９０゜−１２０°）ＳＦＩＷ＝ＳＦ・ＳＩＮ（ＲＰ−９０゜−２４０°）となる。なお、上記式をまとめて式（８）とする。

【００６０】界磁電流指令の振幅ＳＦは定推力領域の速
度範囲、即ち速度信号ＳＤが零から一定速度ＶＬＣ迄の
範囲では、各磁極の界磁磁束が物理的に飽和磁束密度に
近い値となるような最大値ＳＦＭＸとなり、速度が一定
速度ＶＬＣ以上では界磁電流指令の最大振幅値ＳＦＭＸ
から速度ＳＤに反比例して減少する値を取る。通常の設
計では、一定速度ＶＬＣの時、各巻き線の誘起電圧が制
御装置の駆動可能な最大電圧となるように設計される事
が多い。一定速度ＶＬＣ以上では、各巻き線の誘起電圧
は界磁磁束の大きさＳＦと速度ＳＤとの積に比例するの
で、速度が一定速度ＶＬＣ以上では各巻き線の誘起電圧
はほぼ一定値となり、制御装置で駆動可能な最大電圧に
なる。位置信号ＲＰは単位をリニアモータの電気角で表
し、Ｕ１の２次側磁極に対する巻き線位置は、図１にお
いて、位置信号ＲＰのプラス方向に移動すると仮定した
時、ＲＰ＝０の位置でＵ１の巻き線が２次側磁極のＮ極
からＳ極に移り変わる磁極の境界に位置するものとす
る。

【００６１】また、電機子電流指令回路５８は、速度が
一定速度ＶＬＣ以下では推力指令値に比例した値となる
電流振幅指令ＳＡと位置信号ＲＰとを入力とし三相電機
子電流指令ＳＡＩＵ，ＳＡＩＶ，ＳＡＩＷを出力する。

【００６２】

【数９】ＳＡＩＵ＝ＳＡ・ＳＩＮ（ＲＰ）ＳＡＩＶ＝ＳＡ・ＳＩＮ（ＲＰ−１２０°）ＳＡＩＷ＝ＳＡ・ＳＩＮ（ＲＰ−２４０°）なお、上記式をまとめて式（９）とする。加算器７２、
７３、７４は、それぞれ三相界磁電流指令と三相電機子
電流指令とを加算し三相電流指令ＳＩＵ，ＳＩＶ，ＳＩ
Ｗを電流制御回路６０へ出力する。

【００６３】

【数１０】ＳＩＵ＝ＳＦＩＵ＋ＳＡＩＵＳＩＶ＝ＳＦＩＶ＋ＳＡＩＶＳＩＷ＝ＳＦＩＷ＋ＳＡＩＷなお、上記式をまとめて式（１０）とする。式（１０）
は、他の計算手法として、界磁電流成分と電機子電流成
分とをそれぞれのベクトルとして表し、両ベクトルをベ
クトル加算して合成ベクトルを求め、合成ベクトルの振
幅と位相から三相分配して三相電流指令ＳＩＵ，ＳＩ
Ｖ，ＳＩＷを求めても結果は同じ値となる。

【００６４】また、電流制御回路６０は、電力増幅しリ
ニアモータの各三相巻き線Ｕ，Ｖ，Ｗへ駆動電流ＩＵ，
ＩＶ，ＩＷを流す。この時の具体的な磁束分布と各相電
流値と発生推力とについて考えてみる。

【００６５】２次側１６２の磁極位置を図１に示すよう
にＸ軸として表し、Ｘ軸の正方向に向かってＳ極からＮ
極に変わるある境界点をＸ＝０とする。また、検出器１
６３により検出される１次側位置ＲＰは、巻き線Ｕ１が
Ｘ＝０の位置にある時をＲＰ＝０とする。また、説明の
簡略化のため、リニアモータに発生する磁束分布は、正
弦波分布であると仮定し、ＲＰ＝３６０度の時、磁束分
布は図３の（ａ）に示すようにする。正確には図１のモ
デルでは１次側１６１のＸ軸両端部では２次側１６２の
磁路が欠落しており図３の（ａ）の様な磁束分布になら
ないのであるが、この磁束の乱れの補償法については後
で説明することにし、図３の（ａ）の様な磁束分布にな
っているものと想定し説明する。実際に、１次側１６１
に三相交流巻き線がＸ軸方向に複数ＭＰ組直列に配設さ
れた場合には、１次側１６１両端の磁束の乱れによるリ
ニアモータの出力推力の誤差は１／ＭＰと相対的に小さ
くなる。また、１次側１６１は３組以上の三相交流巻き
線がＸ軸方向に直列に接続されていて、その中央部の１
組の交流巻き線部を切りとって図１の１次側１６１に表
現していると見る事もできる。式（８）、（９）、（１
０）に示した各相の各電流は、図３の（ｂ），（ｃ），
（ｄ）のようになる。

【００６６】このような動作を行った時、式（８）で示
される界磁電流成分ＳＦＩＵ，ＳＦＩＶ，ＳＦＩＷは、
図１のリニアモータにおいて、常に２次側１６２の磁極
に図３の（ａ）に示される界磁磁束を作るように動作す
る。式（９）で示される電機子電流成分ＳＡＩＵ，ＳＡ
ＩＶ，ＳＡＩＷはこの磁束に直交し交差するように流れ
る。そして、電機子電流成分が作用する起磁力方向の磁
気抵抗が大きいので、既に説明したように電機子電流成
分が界磁磁束に与える影響は小さい。

【００６７】この時発生する推力ＦＦについて説明す
る。界磁磁束の分布が１次側１６１についても正弦波分
布であると仮定して式（７）に従って考えてみる。

【００６８】まず界磁電流成分の推力ＦＦＦについて式
（７）を各三相巻き線に適用すると下式となる。

【００６９】

【数１１】ＦＦＦ＝Ｂ・Ｉ・Ｌ＝［Ｂ０・ＳＩＮ（ＲＰ）・ＳＦ・ＳＩＮ（ＲＰ−９０゜）＋Ｂ０・ＳＩＮ（ＲＰ−１２０゜）・ＳＦ・ＳＩＮ（ＲＰ−９０゜−１２０°）＋Ｂ０・ＳＩＮ（ＲＰ−２４０゜）・ＳＦ・ＳＩＮ（ＲＰ−９０゜−２４０°）］・ＷＴ・２・ＷＬ＝０・・（１１）従って、界磁電流成分は推力を発生しない。

【００７０】次に、電機子電流成分の推力ＦＦＡについ
て式（７）を各三相巻き線に適用すると下式となる。

【００７１】

【数１２】ＦＦＡ＝Ｂ・Ｉ・Ｌ＝［Ｂ０・ＳＩＮ（ＲＰ）・ＳＡ・ＳＩＮ（ＲＰ）＋Ｂ０・ＳＩＮ（ＲＰ−１２０゜）・ＳＡ・ＳＩＮ（ＲＰ−１２０゜）＋Ｂ０・ＳＩＮ（ＲＰ−２４０゜）・ＳＡ・ＳＩＮ（ＲＰ−２４０゜）］・ＷＴ・２・ＷＬ＝３・Ｂ０・ＩＡ・ＷＴ・ＷＬ・・（１２）この結果、Ｂ０とＩＡとを可変制御する事により任意の
推力を発生する事が可能となる。例えば、図２の様な制
御を行えば、良好な速度制御が実現する。また、原理的
には推力のリップルも無い。ピーク推力については、電
機子電流成分が界磁磁束を大きく乱さない範囲において
式（１２）は成り立つので、２次側１６２の磁気絶縁設
計を界磁磁束が電機子電流成分により乱されにくい用に
設計すれば実用的に大きなピーク推力を得る事ができ
る。また、式（１２）は式（１）と同じ形であり、同様
の原理で推力を発生する事が解る。機能的に異なる点
は、本実施例では界磁電流成分を制御し自在に式（１
２）のＢ０を制御できることである。

【００７２】リニアモータの推力は正確には、［△Ｘ微
小変位したときの内部エネルギ変化△ＥＳＴ］が機械的
出力となる成分についても加える必要がある。図１の本
実施例に比較し図２１の従来例は特に［△Ｘ微小変位し
たときの内部エネルギ変化△ＥＳＴ］が大きいタイプの
リニアモータであり、この成分を無視する事はできな
い。

【００７３】図４に本発明に係る他の実施例を示す。

【００７４】１次側２６１は、図１の１６１に相当する
ものであるが、進行方向前後を２点鎖線で記述し、省略
して記述している。実際には図４に示す２点鎖線で区切
られたユニットが複数接続され、さらに図１に示したよ
うな進行方向前後の磁気回路が付加された構造となって
いる。

【００７５】２次側２６２は分割磁路３、磁気絶縁部４
で組み合わされており、図１に比較し、２次側の１次側
に対向する部分が部分的に磁気的に接続している。

【００７６】２次側２６２の具体的構成は、図４の形状
の電磁鋼板を外形と内部の磁気絶縁部４とをプレス加工
等により除去して形状加工し、その後、リニアモータの
駆動方向に直角な方向に積層した構造、即ち、図４にお
いて紙面の表側から裏側の方向へ積層した構造となって
いる。

【００７７】この構造の効果は、製造的な問題では、図
１の２次側１６２が図１の形状の電磁鋼版の積層したも
のである場合、電磁鋼板をプレスなどにより形状加工し
たとき複数部品に分かれてしまい組立が困難になるが、
図４の形状であれば一部がつながっており１枚の板金と
して取り扱う事ができ、単に板金を積層すれば良いので
あるから組立が容易である。

【００７８】また、磁気的には２次側２６２の磁極表面
で回転方向に漏れ磁束が発生するという欠点があるもの
の、磁極表面の磁束密度が平均化され、リニアモータ推
力のリップルを低減するという効果がある。

【００７９】図５は、隣合う磁極の境界部の磁気抵抗を
高め、磁極の磁束の位置がより変化しにくい様に工夫し
た本発明例のリニアモータである。２６１は１次側、３
６２は分割磁路５、磁気絶縁部６で組み合わされた２次
側である。２次側３６２の磁極の境界部に凹みを作り磁
極境界部の磁気抵抗をより大きな値とし、各磁極の磁束
が電機子電流成分によりずれる事を防止している。

【００８０】図１、図４、図５のリニアモータにおい
て、２次側の補強の意味で部分的に各磁路に接続部をそ
の漏れ磁束が問題とならない範囲で設ける事もできる。

【００８１】図６は、本発明に係る他の実施例であり、
図１を単純化し、２次側４６２の磁極の中央部分に磁気
絶縁部８を設け、各磁極界磁束の電機子電流成分による
乱れを小さくしたものである。７は分割磁路である。

【００８２】図７は、２次側５６２を、図６の分割され
た各分割磁路７をごく一部だけ接続した例であり、接続
部の漏れ磁束は好ましくはないが、その量は全体として
はごく一部であるので、実用上特性的には大きな問題と
はならない。９は分割磁路、１０は磁気絶縁部である。
図４のリニアモータと同様に、２次側５６２を電磁鋼板
の積層した構造とすれば製造的にも容易である。

【００８３】図８は、本発明に係る他の実施例である。
１４は図１１に示すようなコの字型の形状の電磁鋼板で
あり、少しずつ大きさの異なる電磁鋼板１４がリニアモ
ータの駆動方向に直角な方向に積層されて２次側６６２
を構成している。電磁鋼板１４が図１１に示す矢印の方
向へ磁気的に方向性のある電磁鋼板である場合は、磁気
的に方向性のある電磁鋼板だけで分割磁路を構成してい
る事になり、単純に積層しただけで、隣合う磁極間の磁
気抵抗は小さく、リニアモータ駆動方向の各磁極の両端
間からみた磁極内の磁気抵抗は大きい磁気方向性のある
部材で構成されており、本発明の目的に沿う特性を得る
事ができる。

【００８４】また、図８のリニアモータにおいて、図１
１の形状の積層された電磁鋼板の間に図１１の形状の磁
気抵抗の大きい磁気絶縁板を挟み込む事により、各磁極
の両端間の磁気抵抗をより大きい構造とし、リニアモー
タの特性を向上する事ができる。前記磁気抵抗の大きい
磁気絶縁板は、エアギャップで代用しても良く、リニア
モータ特性としてはその方が磁気抵抗が大きく、好まし
い。前記磁気抵抗の大きい磁気絶縁板を挟み込む場合
は、必ずしも磁気的に方向性のある電磁鋼板である必要
はない。

【００８５】また、図８のリニアモータにおいて、その
進行方向へ磁極の磁束が変動し易い場合は電磁鋼板に渦
電流が流れ渦電流損が発生するので、図９に示すように
電気的絶縁のため電磁鋼板にスリットを入れることも有
効である。

【００８６】図１０は、本発明に係る他の実施例であ
り、２次側７６２が矢印の方向に比透磁率が高く、他の
方向へは比透磁率が低い構造となっている。

【００８７】さらに、この分割磁路１２、１３の具体的
な材質の例は、図１２のような形状になっており、棒状
の電磁部材１５を例えば樹脂などの非磁性部材１６で束
ねた構造となっている。

【００８８】また、上記のようなリニアモータの形態の
みならず、１組の１次側と２次側とを複数組み合わせた
り、１次側または２次側の一部を共用することもでき
る。

【００８９】図１３は、図１に示したリニアモータを二
組組み合わせた例であり、２次側８６２のヨークの部分
を共用しているため図１のリニアモータを二組並列させ
た場合より小型化されている。１７は分割磁路、１８は
磁気絶縁部である。また、２次側８６２に及ぼす磁気吸
引力は、相反する両方向から受けるのでキャンセルさ
れ、駆動方向だけの推力だけとなるという効果もある。

【００９０】このように、リニアモータを複数組み合わ
せることにより、一部部材の共用による小型化、磁気吸
引力のキャンセルなどが可能である。

【００９１】図１４は、本発明の一実施例である図４に
示したリニアモータを１次側２６１の背中合わせに組み
合わせ、さらに巻き線の方法をＵ相巻き線はＵ１からＵ
２、Ｕ３からＵ４、Ｖ相巻き線はＶ１からＶ２、Ｖ３か
らＶ４、Ｗ相巻き線はＷ１からＷ２、Ｗ３からＷ４へと
巻く方法とすることにより、コイルエンドの短縮、巻き
線の単純化／容易化を実現している。また、２次側２６
２に加わる進行方向以外の吸引力も二組のリニアモータ
でキャンセルするという効果もある。同様に、本発明に
係るリニアモータを複数組み合わせて一部部材の共用、
不要な力のキャンセルなどの効果を得る事ができる。

【００９２】以上、本発明に係る多種にわたる実施例に
ついて説明したが、１次側、２次側共に種々変形が可能
であり、本発明に含むものである。

【００９３】例えば、巻き線の相数、磁極極数、巻き線
の巻き方等についてそれぞれ種々方法があり、ニーズに
応じた選択が可能である。

【００９４】また、リニアモータの推力のリップルを低
減するため１次側、２次側の片方あるいは両方をスキュ
ーする、あるいは磁極間ピッチを少し変えるなどの通常
の電動機に使われているテクニックを応用する事も勿論
可能である。

【００９５】また、１次側と２次側とが平面で対抗して
いる例について説明したが、曲面形状、筒状、多角形状
等の変形が可能である。

【００９６】また、１次側と２次側とを相対的にスキュ
ーして推力のリップルをさらに低減することが可能であ
る。

【００９７】また、本実施例においては、２次側が固定
で１次側が可動な場合について説明したが、勿論、相対
的な動きであり、どちらが固定でも可能である。

【００９８】また、ストロークについても２次側が短
く、１次側がリニアモータのストローク分だけの長さを
持っている事も可能である。

【００９９】特に、可動側への配線が難しく、可動側を
ごく軽量にしたい場合は、１次側をストロークの長さ分
だけ長く持ち固定し、２次側を短くし可動側とする方法
が有効である。但し、この場合は複雑な構成である１次
側を長くするのであるからコスト的には不利である。

【０１００】また、駆動方向は、本発明はリニアモータ
と称しているが、直進するだけでなく曲線を描いて駆動
する事、円弧状の駆動等も可能である。

【０１０１】

【発明の効果】本発明によれば、永久磁石型のリニアモ
ータにおいては、高価な永久磁石が不要となりコスト低
減、永久磁石を固定するための部材が必要、組立が不要
となりコスト低減、界磁制御が自在なため界磁弱め制御
を行うことができ、高速制御が駆動装置の容量を上げる
ことなく実現可能なためトータルシステムコストを低
減、永久磁石の減磁現象がなく高信頼、等の効果があ
る。

【０１０２】また、本発明のいわゆる突極形状でリラク
タンス型のリニアモータにおいては、駆動効率が良く、
ピーク推力が大きく出力でき、駆動原理的に推力のリッ
プル、騒音が小さく駆動特性良好、高速駆動が容易、等
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気抵抗の方向性を有するリニア
モータの断面図である。

【図２】本実施例におけるリニアモータの駆動装置を示
した構成図である。

【図３】本実施例におけるリニアモータの動作タイムチ
ャートを示した図である。

【図４】本発明に係るリニアモータの他の実施例を示し
た図である。

【図５】本発明に係るリニアモータの他の実施例を示し
た図である。

【図６】本発明に係るリニアモータの他の実施例を示し
た図である。

【図７】本発明に係るリニアモータの他の実施例を示し
た図である。

【図８】本発明に係るリニアモータの他の実施例を示し
た図である。

【図９】図８に示したリニアモータの構成部材形状を示
した図である。

【図１０】本発明に係るリニアモータの他の実施例を示
した図である。

【図１１】図８に示したリニアモータの構成部材形状を
示した図である。

【図１２】図１０に示したリニアモータの構成部材形状
を示した図である。

【図１３】本実施例においてリニアモータを二組組み合
わせた例を示した図である。

【図１４】本実施例におけるリニアモータを二組組み合
わせた例を示した図である。

【図１５】リニアモータの一般的概観の例を示した図で
ある。

【図１６】従来のリニアモータを示した図である。

【図１７】図１６に示したリニアモータの巻き線図であ
る。

【図１８】図１６に示したリニアモータの巻き線をモデ
ル化した図である。

【図１９】図１６に示したリニアモータの動作タイムチ
ャートを示した図である。

【図２０】従来の他のリニアモータを示した図である。

【図２１】従来の他のリニアモータを示した図である。

【符号の説明】

１、３、５、７、９、１２、１３、１７分割磁路２、４、６、８、１０、１８磁気絶縁部１４電磁鋼板１５電磁部材１６非磁性部材６１、１６１、２６１１次側６２、１６２、２６２、３６２、４６２、５６２、６６
２、７６２、８６２２次側Ｕ１，Ｕ２Ｕ相巻き線Ｖ１，Ｖ２Ｖ相巻き線Ｗ１，Ｗ２Ｗ相巻き線Ｘ駆動方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次側とその２次側の長さ方向に相対的
に移動する１次側とで構成されるリニアモータにおい
て、前記１次側は、巻回された２相以上の多相巻き線を有
し、前記２次側は、複数の磁極を有し、前記磁極は、前記各磁極からの磁路を複数に分割し、各
磁極からそれぞれ隣合う磁極へは磁気抵抗を小さく、リ
ニアモータ駆動方向の各磁極両端からみた磁極内の磁気
抵抗を大きくする磁気絶縁手段と、を備える事を特徴とするリニアモータ。
【請求項２】２次側とその２次側の長さ方向に相対的
に移動する１次側とで構成されるリニアモータにおい
て、前記１次側は、巻回された２相以上の多相巻き線を有
し、前記２次側は、複数の磁極を有し、前記各磁極は、隣合う磁極間に通じている各磁極の磁路
が複数に分かれており、リニアモータ駆動方向の各磁極
両端の間の磁気抵抗が隣合う磁極間に通じている磁路の
磁気抵抗より大きくなっていることを特徴とするリニア
モータ。
【請求項３】請求項２記載のリニアモータにおいて、２次側磁極の複数の磁路は、磁性鋼板の一部を除去して
磁極内の磁気絶縁部を作り、電磁鋼板をリニアモータの
駆動方向にほぼ平行に配置し、リニアモータの駆動方向
に直角な方向に積層された構造であることを特徴とする
リニアモータ。
【請求項４】請求項２記載のリニアモータにおいて、２次側磁極は、リニアモータの駆動方向に直角な方向に
配置した電磁鋼板が積層された構造であることを特徴と
するリニアモータ。
【請求項５】２次側とその２次側の長さ方向に相対的
に移動する１次側とで構成されるリニアモータにおい
て、前記１次側は、巻回された２相以上の多相巻き線を有
し、前記２次側は、複数の磁極を有し、前記磁極は、各磁極を構成する部材が隣合う磁極への磁
路の方向へは磁気抵抗が小さく、リニアモータ駆動方向
の各磁極両端からみた磁極内の磁気抵抗は大きい磁気方
向性のある部材で構成されている事を特徴とするリニア
モータ。
【請求項６】請求項５記載のリニアモータにおいて、前記磁気方向性のある部材は、棒状の磁性部材と非磁性
部材とを束ねた構造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記載のリニアモータにお
いて、前記１次側と前記２次側との複数の組合わせ、あるいは
前記１次側または前記２次側の一部を共用していること
を特徴とするリニアモータ。
【請求項８】請求項１乃至７記載のリニアモータにお
いて、前記１次側は、巻き線が設けられている部分の進行方向
前後の片方あるいは両方に１次側巻き線により励起され
る磁束を通す磁気回路を設けたことを特徴とするリニア
モータ。