JPH11243676A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 通常の直線移動時における推力よりも大きな
推力（従来のリニアモータで発生することのできない程
度の推力）をある特定の区間において容易に発生できる
ようにする。 【解決手段】 リニアモータは移動方向に沿って電磁極
が移動するように設けられた電機子手段と、この電機子
手段の電磁極に対して界磁極が微小ギャップで接するよ
うに設けられた移動子とによって構成されている。移動
子は移動方向に対してテーパ状の斜面を有し、電機子手
段の電機子コアもこの斜面に対して等間隔である。微小
ギャップは移動子の移動位置に応じて変化するが、移動
子の移動に応じた微小ギャップの変化の割合は移動子及
び電機子コアがテーパ状であるために緩やかであり、制
御し易い。また、移動子及び電機子コアがテーパ状であ
ることから、移動子と電機子コアとの間に生じた吸引力
の一部は移動方向に分力し、従来の推力よりも大きな推
力を発生するようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、通常の直線移動時
における推力よりも大きな推力をある特定の区間におい
て発生することのできるリニアモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】リニアモータは、回転形モータの構成を
水平に展開したものであり、次のような種類のものが存
在する。例えば、リニア直流モータ（単極形・多極
形）、リニア同期モータ、リニア誘導モータ、リニアパ
ルスモータなどである。回転形モータのトルクに相当す
るリニアモータの推力はそのモータの構造に応じてだい
たい決まっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、リニアモー
タの応用される機械などには、十分な大きさの推力を必
要とするものもあれば、そうでないものもある。また、
機械によっては、ある特定の区間についてだけ大きな推
力を必要とするものがある。このようにある特定の区間
についてだけ大きな推力を必要とする機械については、
その必要とされる推力を発生する構造のリニアモータを
全範囲に渡って利用していた。なお、リニアモータ自身
が必要とされる推力を発生することのできない場合に
は、その区間についてだけ別の特殊な動力源を用いて必
要な推力を発生したりしていた。

【０００４】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あり、通常の直線移動時における推力よりも大きな推力
をある特定の区間において発生することのできるリニア
モータを提供することを目的とする。また、本発明は、
従来のリニアモータで発生することのできない程度の推
力を容易に発生することのできるリニアモータを提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】出願時の請求項１に記載
された本発明に係るリニアモータは、移動方向に対して
テーパ状の斜面を有する移動子と、前記移動子のテーパ
状の斜面に界磁極を生成させる界磁極生成手段と、電機
子巻線を流れる電流に応じた電磁極の生成した電機子コ
アの表面が前記移動子のテーパ状の斜面に対して等間隔
となるように設けられている電機子コアを有する電機子
手段とを備えたものである。通常のリニアモータは移動
方向に沿って電磁極が移動するように設けられた電機子
手段と、この電機子手段の電磁極に対して界磁極が微小
ギャップで接するように設けられた移動子とによって構
成されている。そして、この微小ギャップは移動子の移
動位置に係わらず移動方向に沿って常に均一すなわち平
行ギャップであった。ところが、この発明では、移動子
が移動方向に対してテーパ状の斜面を有し、電機子手段
の電機子コアもこの斜面に対して等間隔となるように設
けられている。すなわち、微小ギャップが移動子の移動
位置に応じて変化するようになっている。移動子の移動
に応じた微小ギャップの変化の割合は移動子及び電機子
コアがテーパ状であるために緩やかに変化するという特
徴を有する。また、従来、移動子と電機子コアとの間に
生じていた吸引力は法線方向にに沿って生じていたため
お互いに打ち消しあっていたが、この発明のように移動
子及び電機子コアがテーパ状であることから、移動子と
電機子コアとの間に生じた吸引力の一部が移動方向に分
力し、従来の推力よりも大きな推力を発生することが可
能となった。

【０００６】出願時の請求項２に記載された本発明に係
るリニアモータは、移動方向に沿って設けられた磁性体
と非磁性体との交互結合体からなり、前記磁性体が移動
方向に対してテーパ状の斜面を形成している移動子と、
界磁巻線を流れる電流に応じた界磁極の生成した界磁コ
アの表面が、前記移動子のテーパ状の斜面に対して等間
隔となるように設けられており、前記界磁極に応じた界
磁電極を前記移動子の前記磁性体のテーパ状の斜面に生
成させる界磁極生成手段と、電機子巻線を流れる電流に
応じた電磁極の生成した電機子コアの表面が前記移動子
のテーパ状の斜面に対して等間隔となるように設けられ
ている電機子コアを有する電機子手段とを備えたもので
ある。移動子は全体的にテーパ状をしており、磁性体と
非磁性体との交互結合体で構成されている。すなわち、
移動子を構成する磁性体は非磁性体によって磁気的に分
離されている。一方、この磁性体を介して界磁コア及び
電機子コアが磁気的に結合している。従って、界磁コア
に発生したＮ極及びＳ極の界磁極はそれぞれ移動子の磁
性体及び電機子コアを介して結合し、磁気閉回路を形成
する。界磁コア及び電機子コアと移動子とは移動方向に
対してテーパな斜面を介して磁気的に結合しているので
両者の間に発生する吸引力の一部は移動方向に分力し、
それが推力として移動子に作用するようになる。

【０００７】出願時の請求項３に記載された本発明に係
るリニアモータは、移動方向に対してテーパ状の斜面を
有する移動子と、前記移動子に巻き回された界磁巻線に
よって前記テーパ状の斜面に界磁極を生成させる界磁極
生成手段と、電機子巻線を流れる電流に応じた電磁極の
生成した電機子コアの表面が前記移動子のテーパ状の斜
面に対して等間隔となるように設けられている電機子コ
アを有する電機子手段とを備えたものである。移動子は
全体的にテーパ状をしており、移動子に巻き回された界
磁巻線によってそのテーパ状の斜面に界磁極が生成され
るようになっている。移動子の各斜面に発生したＮ極及
びＳ極の界磁極は電機子コア表面の電磁極に対向してい
る。界磁極と電磁極とは移動方向に対してテーパな斜面
を介して磁気的に結合しているので両者の間に発生する
吸引力の一部は移動方向に分力し、それが推力として移
動子に作用するようになる。

【０００８】出願時の請求項４に記載された本発明に係
るリニアモータは、移動方向に対してテーパ状の斜面を
形成するように設けられた界磁極磁石を有する移動子
と、電機子巻線を流れる電流に応じた電磁極の生成した
電機子コアの表面が前記磁石のテーパ状の斜面に対して
等間隔となるように設けられている電機子コアを有する
電機子手段とを備えたものである。移動子はテーパ状の
斜面を界磁極とする磁石を有する。すなわち、界磁極が
磁石によって構成されている。各磁石のＮ極及びＳ極の
界磁極は電機子コア表面の電磁極に対向している。界磁
極と電磁極とは移動方向に対してテーパな斜面を介して
磁気的に結合しているので両者の間に発生する吸引力の
一部は移動方向に分力し、それが推力として移動子に作
用するようになる。

【０００９】出願時の請求項５に記載された本発明に係
るリニアモータは、移動方向に対してテーパ状の斜面を
有する移動子と、前記移動子に埋め込まれた磁石によっ
て前記テーパ状の斜面に界磁極を生成させる界磁極生成
手段と、電機子巻線を流れる電流に応じた電磁極の生成
した電機子コアの表面が前記移動子のテーパ状の斜面に
対して等間隔となるように設けられている電機子コアを
有する電機子手段とを備えたものである。請求項３に記
載された発明では界磁巻線によって界磁極を生成し、請
求項４に記載された発明では磁石をそのまま界磁極にし
たが、この発明では、磁石によってテーパ状の斜面に界
磁極を生成している。従って、同様に斜面に生成された
界磁極は電機子コア表面の電磁極に対向し、界磁極と電
磁極とは移動方向に対してテーパな斜面を介して磁気的
に結合するようになるので両者の間に発生する吸引力の
一部は移動方向に分力し、それが推力として移動子に作
用するようになる。

【００１０】出願時の請求項６に記載された本発明に係
るリニアモータは、前記請求項１から５までに記載のリ
ニアモータの一実施態様として、前記移動子を移動方向
に対してテーパ状の斜面を有する直角錐台状で構成した
ものである。直角錐台の各側平面部が移動方向に対して
テーパな斜面を形成する。なお、直角錐台の底面はどの
ような形状の多角形でもよいことはいうまでもない。な
お、多角形の大きさが無限になっこ場合が次の請求項７
に記載のリニアモータであることはいうまでもない。

【００１１】出願時の請求項７に記載された本発明に係
るリニアモータは、前記請求項１に記載５までに記載の
リニアモータの一実施態様として、前記移動子を移動方
向に対してテーパ状の斜面を有する直円錐台状で構成し
たものである。この場合には、電機子手段によって形成
される電機子コアの電磁極面側の形状も円錐側面に沿っ
たものとなる。

【００１２】出願時の請求項８に記載された本発明に係
るリニアモータは、前記請求項１から７までに記載のリ
ニアモータのいずれか１つを複数個接続することによっ
て構成されたものである。上述のようなリニアモータの
複数を多段接続することによって、軸方向の推力を大き
くしたものである。なお、多段接続する方向は軸方向で
あっても、軸方向に垂直な方向でもよい。

【００１３】出願時の請求項９に記載された本発明に係
るリニアモータは、前記請求項１から７までに記載のリ
ニアモータのいずれか１つと通常のリニアモータとを複
合化することによって、請求項１から７までに記載のリ
ニアモータでは困難な位置への移動を行えるようにした
ことを特徴とするものである。すなわち、請求項１から
７までに記載のリニアモータは、テーパ構造をしている
ために、その移動方向における移動距離は極めて小さい
ものである。但し、推力は従来のリニアモータに比べる
と格段に大きい。従って、大きな推力を発生する請求項
１から７までに記載のリニアモータと従来のリニアモー
タとを複合化すなわち結合することによって、移動距離
を十分に長く取れて、大きな推力を必要とする部分では
請求項１から７までに記載のリニアモータによって推力
を発生するような構成にした。これによって、通常の直
線移動時における推力よりも大きな推力をある特定の区
間において発生することができるようになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従って詳細に説明する。図１は本発明のリニアモ
ータの第１の実施の形態の構成を示す一部断面図を含む
斜視図である。図２は図１のリニアモータの断面に沿っ
てそれぞれの構成要素を平面的に示した図である。この
リニアモータは、３相交流駆動型の電動機である。この
リニアモータは図示していない固定子枠に設けられた電
機子コア１Ａ，１Ｂと、界磁コア２Ａ，２Ｂと、磁性体
３Ａ１〜３Ａ６と非磁性体３Ｂ１〜３Ｂ７からなる移動
子３とから構成される。移動子３は図示していない摺動
部材によってＸ軸方向に自由に移動可能になっている。
移動子３は電機子コア１Ａ，１Ｂ及び界磁コア２Ａ，２
Ｂに磁気的に面する部分がテーパ状である四角錐台で構
成されている。このリニアモータは磁性体３Ａ１〜３Ａ
６及び非磁性体３Ｂ１〜３Ｂ７からなる四角錐台の部分
と、電機子コア１Ａ，１Ｂ及び界磁コア２Ａ，２Ｂとの
間に生じる磁気吸引力によってＸ軸方向に強大な推力を
発生するようになっている。

【００１５】電機子コア１Ａ，１Ｂは、移動子３の四角
錐台のテーパ状の側面に対して全体的に等しいギャップ
を形成するように固定子枠に設けられている。電機子コ
ア１Ａ，１Ｂはくし形の薄いけい素鋼板をＹ軸方向に複
数枚積み重ねて構成された成層鉄心である。電機子コア
１Ａ，１Ｂは移動子３の四角錐台のテーパ状の側面に対
して垂直方向に延びたスロットを移動方向（Ｘ軸方向）
に沿って１８個有する。なお、図１では説明の便宜上ス
ロットを１４個しか図示していない。このスロットの数
は一例であり、モータの仕様に応じて適宜決定されるも
のである。電機子コア１Ａ，１Ｂの各スロットには３相
（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）の電機子巻線が巻き回されてい
る。電機子コア１Ａ，１Ｂに巻き回されている３相電機
子巻線はそれぞれ電気角で１２０度ずれた位置に巻き回
されたＵ相電機子巻線、Ｖ相電機子巻線及びＷ相電機子
巻線から構成される。以下、明細書中及び図面中では電
機子巻線を大文字英字で、界磁巻線を小文字英字で示
す。すなわち、第１のＵ相電機子巻線はスロットＵ１か
らスロットＵ２に、第２のＵ相電機子巻線はスロットＵ
３からスロットＵ４に、第３のＵ相電機子巻線はスロッ
トＵ５からスロットＵ６に向かってそれぞれ巻き回され
ている。第１のＶ相電機子巻線はスロットＶ１からスロ
ットＶ２に、第２のＶ相電機子巻線はスロットＶ３から
スロットＶ４に、第３のＶ相電機子巻線はスロットＶ５
からスロットＶ６に向かってそれぞれ巻き回されてい
る。第１のＷ相電機子巻線はスロットＷ１からスロット
Ｗ２に、第２のＷ相電機子巻線はスロットＷ３からスロ
ットＷ４に、第３のＷ相電機子巻線はスロットＷ５から
スロットＷ６に向かってそれぞれ巻き回されている。

【００１６】界磁コア２Ａ，２Ｂは電機子コア１Ａ，１
Ｂと同様のくし形をしており、移動子３の四角錐台のテ
ーパ状の側面に対して全体的に等しいギャップを形成す
るように固定子枠に設けられている。界磁コア２Ａ，２
Ｂはくし形の薄いけい素鋼板をＺ軸方向に複数枚積み重
ねて構成された成層鉄心である。界磁コア２Ａ，２Ｂは
移動方向（Ｘ方向）に沿って１８個のスロットを有す
る。なお、図１では説明の便宜上スロットを１４個しか
図示していない。各スロットには電機子コア１Ａ，１Ｂ
と同様に３相（ｕ相・ｖ相・ｗ相）の界磁巻線が巻回さ
れている。この３相界磁巻線は３相電機子巻線に対して
電気角で９０度ずつずれるように巻回されている。すな
わち、図では３相界磁巻線は３相電機子巻線に対してス
ロットで１．５個分だけＸ方向にずれて巻回されてい
る。第１のｕ相界磁巻線はスロットｕ１からスロットｕ
2 に、第２のｕ相界磁巻線はスロットｕ３からスロット
ｕ４に、第３のｕ相界磁巻線はスロットｕ５からスロッ
トｕ６に向かってそれぞれ巻き回されている。第１のｖ
相界磁巻線はスロットｖ１からスロットｖ２に、第２の
ｖ相界磁巻線はスロットｖ３からスロットｖ４に、第３
のｖ相界磁巻線はスロットｖ５からスロットｖ６に向か
ってそれぞれ巻き回されている。第１のｗ相界磁巻線は
スロットｗ１からスロットｗ２に、第２のｗ相界磁巻線
はスロットｗ３からスロットｗ４に、第３のｗ相界磁巻
線はスロットｗ５からスロットｗ６に向かってそれぞれ
巻き回されている。なお、リニアモータの構造によって
は正確に電気角９０度でなくても、これに近い角度であ
ればよい。

【００１７】移動子３は移動方向（Ｘ方向）に沿って設
けられた磁性体３Ａ１〜３Ａ６と、非磁性体３Ｂ１〜３
Ｂ７とから構成される。非磁性体３Ｂ２〜３Ｂ６は磁性
体３Ａ１〜３Ａ６が移動方向に沿って磁気的に結合しな
いように磁気分離として機能している。また、磁性体３
Ａ１〜３Ａ６が互いに非磁性体３Ｂ２〜３Ｂ６によって
磁気的に分離されていることによって、界磁コア２Ａ，
２ＢのＮ極から出た磁束は磁性体３Ａ１，３Ａ３，３Ａ
６のＳ極から進入し、磁性体３Ａ１，３Ａ３，３Ａ５の
Ｎ極から電機子コア１Ａ，１ＢのＳ極に進入する。一
方、電機子コア１Ａ，１ＢのＮ極から出た磁束は磁性体
３Ａ２，３Ａ４，３Ａ６のＳ極から進入し、磁性体３Ａ
２，３Ａ４，３Ａ６のＮ極から界磁コア２Ａ，２ＢのＳ
極に進入する。このようにして、移動子３を介して、電
機子コア１Ａ，１Ｂと界磁コア２Ａ，２Ｂは互いに磁気
閉回路を形成している。

【００１８】界磁コア２Ａ，２Ｂの３相界磁巻線には互
いに位相角で１２０度ずつずれた次のような交流電流ｉ
ｕ，ｉｖ，ｉｗが流される。 ｉｕ＝ｉｍ・ｓｉｎωｔ ｉｖ＝ｉｍ・ｓｉｎ（ωｔ−２π／３） ｉｗ＝ｉｍ・ｓｉｎ（ωｔ−４π／３） ここで、ｉｍは電流の最大値である。界磁コア２Ａの３
相界磁巻線にこのような電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが流され
ることによって図１に示すような移動子３の磁性体３Ａ
１，３Ａ３，３Ａ５に向かう方向に磁束を発生する磁極
（Ｎ極）、及び移動子３の磁性体３Ａ２、３Ａ４、３Ａ
６、３Ａ８から界磁コア２Ａに向かう磁束を吸収する磁
極（Ｓ極）がそれぞれ界磁コア２Ａの移動子３の対向面
上に現れ、それが移動方向（Ｘ軸方向）に移動するよう
になる。界磁コア２Ｂの３相界磁巻線にも同様の電流ｉ
ｕ，ｉｖ，ｉｗが流され、界磁コア２Ａと同じような磁
極（Ｎ極及びＳ極）が界磁コア２Ａの移動子３の対向面
部分に現れ、同じ方向に移動するようになる。

【００１９】この３相界磁巻線によって移動子３に生じ
た磁極（Ｎ極及びＳ極）における磁界の磁束分布は移動
方向に沿って正弦波状となり、最大磁束をΦｍ、磁極中
心をθ＝０とすると磁束は次のように表される。 Φ＝Φｍ・ｃｏｓθ この３相界磁巻線に流される電流によって移動子３に発
生した磁極中心が、直線移動子３の最も磁化容易な面、
すなわち磁性体３Ａ１〜３Ａ６の中央付近に位置するよ
うに、各相の界磁巻線に流れる電流を制御することによ
って、移動子３の磁性体３Ａ１〜３Ａ６は所定の方向に
磁化され、その磁束密度は近似的に次のようになる。 Ｂ＝Ｂｍ・ｃｏｓθ すなわち、界磁コア２Ａ，２Ｂに発生したＮ極及びＳ極
に応じて直線移動子３の磁性体３Ａ１〜３Ａ６は所定の
方向に磁化されるようになる。例えば、電流ｉｕ，ｉ
ｖ，ｉｗによって、図示のように界磁コア２Ａ，２Ｂの
磁性体３Ａ１、３Ａ３、３Ａ５に対向する面側にＮ極が
発生し、磁性体３Ａ２、３Ａ４、３Ａ６に対向する面側
にＳ極が発生すると、これに応じて磁性体３Ａ１、３Ａ
３、３Ａ５の界磁コア２Ａ，２Ｂに対向する面側、並び
に磁性体３Ａ２、３Ａ４、３Ａ６の電機子コア１Ａ，１
Ｂに対向する面側がそれぞれＳ極となる。また、磁性体
３Ａ１、３Ａ３、３Ａ５の電機子コア１Ａ，１Ｂに対向
する面側、並びに磁性体３Ａ２、３Ａ４、３Ａ６の界磁
コア２Ａ，２Ｂに対向する面側がそれぞれＮ極となる。

【００２０】図１に示すように、界磁コア２ＡのＮ極か
ら出た磁束は、磁性体３Ａ１のＳ極面（側面）から磁性
体３Ａ１内に進入する。そして、磁性体３Ａ１内に進入
した磁束は、磁性体３Ａ１のＮ極面（上面）から電機子
コア１Ａに進入し、電機子コア１Ａ内を移動方向に沿っ
て通過し磁性体３Ａ２のＳ極面（上面）から磁性体３Ａ
２内に進入する。そして、磁性体３Ａ２内に進入した磁
束は磁性体３Ａ２のＮ極面（側面）から界磁コア２Ａの
Ｓ極に進入する。図では、界磁コア２Ａと電機子コア１
Ａとの関係のみを図示しているが、同様のことは界磁コ
ア２Ａと電機子コア１Ｂとの間でも発生し、界磁コア２
Ｂと電機子コア１Ａ，１Ｂとの間も発生するが、説明の
便宜上図示は省略している。このようにして、このリニ
アモータでは、界磁コア２Ａ，２Ｂ、直線移動子３及び
電機子コア１Ａ，１Ｂによって所定の閉磁気回路が形成
されるようになっている。

【００２１】このような状態で電機子コア１Ａ，１Ｂの
３相電機子巻線に、３相の交流電流（電機子電流）Ｉ
Ｕ，ＩＶ，ＩＷを流すことによって、フレミングの法則
により、駆動推力が発生し、移動子３は所定の方向に移
動するようになる。電機子コア１Ａ，１Ｂの３相電機子
巻線には、次のような互いに位相角で１２０度ずつずれ
た３相の交流電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷが流される。 ＩＵ＝Ｉｍ×ｓｉｎωｔ ＩＶ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ−２π／３） ＩＷ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ−４π／３） このとき、３相電機子巻線は界磁巻線に対して電気角で
約９０度位相が進んでいるので、フレミングの法則によ
り、トルクＴが発生し、移動子３は所定の方向に移動す
る。なお、このトルクＴの大きさを制御するには、界磁
巻線及び電機子巻線に流す電流の大きさを制御するだけ
でよくなる。なお、電機子電流によっても磁束を生じる
が、移動子の非磁性体３Ｂ１〜３Ｂ７によって、磁化さ
れにくくなっているので、その影響は少ない。

【００２２】この実施の形態に係るリニアモータが従来
のものと最も異なる優れた点は、移動子３がテーパ状の
側面を有する四角錐台で構成されており、その側面に沿
って全面的に等しいギャップを形成するように電機子コ
ア１Ａ，１Ｂ、界磁コア２Ａ，２Ｂが設けられている点
である。このように移動子３Ｃの側面がテーパー構造に
なっていることによって、移動子３と界磁コア２Ａ，２
Ｂとの間、及び移動子３と界磁コア１Ａ，１Ｂとの間の
磁気閉回路上において、吸引力Ｆが発生する。この吸引
力Ｆによって、通常のフレミングの法則によって発生す
るトルクＴよりも大きな推力Ｆｚが移動子３に発生する
ようになっている。なお、単純に磁気回路上において吸
引力のみを生じさせるのであれば図４のように移動方向
Ｚと垂直な方向に移動子３と電機子コア１Ａ又は界磁コ
ア２Ａとを対向させればよい。しかしながら、このよう
な構成だと移動子３の移動距離が短すぎて実用に供せ
ず、その推力Ｆｚの制御も非常に難しいという欠点を有
する。

【００２３】そこで、この発明に係るリニアモータで
は、移動子３をテーパ状の側面を有する四角錐台で構成
し、その側面に沿って全面的に等しいギャップを形成す
るように電機子コア１Ａ，１Ｂ、界磁コア２Ａ，２Ｂを
設けている。このような構成にすることによって両者の
ギャップ長ｄと移動距離ΔＺとの間には、移動距離ΔＺ
がギャップ長ｄよりも大きいという関係（すなわちΔＺ
＞ｄ）があるので、短いギャップ長ｄでそれよりも長い
十分な移動距離ΔＺを確保することができると共に励磁
電流の低減と推力の特性改善を共に行うことができると
いう優れた効果を奏する。

【００２４】図３は、図４に示すように電機子コア１Ａ
又は界磁コア２Ａと移動子３とが移動方向Ｚに沿って垂
直な面で互いに吸引力のみで引き合う場合と、図１のリ
ニアモータのように移動子３の側面がテーパー構造にな
っており、このテーパ部分で電機子コア１Ａ，１Ｂ及び
界磁コア２Ａ，２Ｂと移動子３との間の吸引力Ｆによっ
てその結果移動方向Ｚに推力Ｆｚで引き合う場合と、従
来のリニアモータの場合とにおける移動距離ｚと推力Ｆ
ｚとの関係を示す図である。図３から明らかなように、
移動子３と電機子コア１Ａ及び界磁コア２Ａが単純に引
き合う図４のような垂直構造の場合には、移動距離ｚが
大きくなるに従って推力Ｆｚは激減する。また、従来の
リニアモータの場合には、移動距離ｚとは無関係に推力
Ｆｚは一定である。これに対して図１のようなテーパ構
造のリニアモータの場合には、移動距離ｚが大きくなっ
た場合でも垂直構造のものに比べて推力Ｆｚの減少は少
なく、推力Ｆｚは移動距離に対して緩やかに減少するだ
けであり、推力Ｆｚの大きさも従来のリニアモータより
も十分に大きいという特性を示す。これは、ギャップ距
離ｄが同じ場合でも、垂直構造のものに比べてテーパー
構造の方が移動距離ΔＺが大きいからであり、また、従
来のリニアモータでは利用していなかった電機子コア及
び界磁コアと移動子との間に生じる吸引力を移動子３の
推力Ｆｚとして利用しているからである。

【００２５】図５は図１のリニアモータにおける移動子
と電機子コア及び界磁コアとの関係を示す図である。図
５に示すように移動子３と電機子コア１Ａ又は界磁コア
２Ａとの間に働く力、すなわち吸引力Ｆは、移動子３の
側面、すなわちテーパー部分の表面に垂直な方向に発生
する。この吸引力ＦはＺ軸方向の力（推力）Ｆｚと、＋
ｘ軸方向の力Ｆ＋ｘに分力される。同様にして、移動子
３と電機子コア１Ｂとの間に働く力（吸引力）Ｆは、Ｚ
軸方向の力（推力）Ｆｚと、−ｘ軸方向の力Ｆ−ｘに分
力される。移動子３と界磁コア２Ａとの間に働く力（吸
引力）Ｆは、Ｚ軸方向の力（推力）Ｆｚと、＋ｙ方向の
力Ｆ＋ｙに分力される。移動子３と界磁コア２Ｂとの間
に働く力（吸引力）Ｆは、Ｚ軸方向の力（推力）Ｆｚ
と、−ｙ方向の力Ｆ−ｙに分力される。従って、ｘ軸方
向及びら軸方向の力Ｆ＋ｘと力Ｆ−ｘ、力Ｆ＋ｙと力Ｆ
−ｙは互いに打ち消し合うが、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（推
力）は一方向にまとまり、移動子３には従来のリニアモ
ータよりも十分大きな推力を発生する。なお、移動子３
を固定すれば、電機子コア及び界磁コア側が直線移動
し、逆に電機子コア及び界磁コアを固定すれば、移動子
３が移動することはいうまでもない。

【００２６】図６は電機子巻線と界磁巻線の結線方法を
示す図である。図２に示すように、界磁巻線と電機子巻
線とが電気角で９０度位相ずれとなるように機械的に巻
回されている場合には、このように電機子巻線と界磁巻
線を直巻にすることができ、１つのインバータで直巻特
性のＡＣモータとして制御することができるようにな
る。なお、この場合には、界磁巻線に推力制御用の巻線
を別途設け、両側の界磁巻線の界磁電流の大きさをそれ
ぞれ制御することによって所望の推力を発生することが
できる。また、界磁巻線と電機子巻線とが電気角で９０
度位相ずれることなく同位相となるように機械的に別々
に巻回されている場合には、別々のインバータで界磁電
流と電機子電流との位相が９０度ずれるように制御すれ
ばよい。

【００２７】なお、図１のリニアモータでは、移動子３
の周囲にそれぞれ２個の電機子コアと界磁コアを設ける
場合について説明したが、少なくとも電機子コアと界磁
コアが存在すれば、その数はどのようになっていてもよ
いことはいうまでもない。例えば、界磁コアが２個で電
機子コアが１個であったり、界磁コアが１個で電機子コ
アが２個であったり、界磁コア及び電機子コアが共に３
個以上であってもよい。

【００２８】図７は、本発明の第２の実施の形態に係る
リニアモータの構成を示す一部断面図を含む斜視図であ
る。この実施の形態に係るリニアモータが図１のものと
異なる点は、移動子３６の形状が直円錐台であり、電機
子コア１Ａ６，１Ｂ６及び界磁コア２Ａ１，２Ａ２も移
動子３６の直円錐台の側面形状に沿って円錐状の内周面
を有する円筒帯で構成されている点である。なお、電機
子巻線及び界磁巻線の構成は図１のものと同じなので説
明は省略する。このように全体の形状を直円錐台にする
ことによって、図１のものに比べて全体的な容積を小さ
くできる。また、移動子３が回転軸の場合に、その端部
付近をテーパ状（直円錐台状）にするだけで回転軸をス
ラスト方向に移動することができる。

【００２９】図８は、本発明の第３の実施の形態に係る
リニアモータの構成を示す一部断面図を含む斜視図であ
る。図９は図８のリニアモータのＸＺ平面における断面
構造をＹ方向から見た図である。図１０は移動子３７の
詳細構成を示す斜視図である。この実施の形態に係るリ
ニアモータは、直円錐台の円筒の内周面に沿って巻き回
された電機子巻線を有する電機子コア１７と、移動子３
７のリング状のスロットに巻き回された界磁巻線２Ｂ１
〜２Ｂ７と、直円錐台状の移動子３７とから構成され
る。電機子巻線は通常のＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻
線からなる３相電機子巻線で構成されている。すなわ
ち、第１のＵ相電機子巻線はスロット内をＵ１からＵ２
に、第２のＵ相電機子巻線はスロット内をＵ３からＵ４
に、第３のＵ相電機子巻線はスロット内をＵ５からＵ６
に、第４のＵ相電機子巻線はスロット内をＵ７からＵ８
に、第５のＵ相電機子巻線はスロット内をＵ９からＵＡ
に、第６のＵ相電機子巻線はスロット内をＵＢからＵＣ
に向かってＺ軸方向からみて時計回りにそれぞれ巻き回
されている。第１のＶ相電機子巻線はスロット内をＶ１
からＶ２に、第２のＶ相電機子巻線はスロット内をＶ３
からＶ４に、第３のＶ相電機子巻線はスロット内をＶ５
からＶ６に、第４のＶ相電機子巻線はスロット内をＶ７
からＶ８に、第５のＶ相電機子巻線はスロット内をＶ９
からＶＡに、第６のＶ相電機子巻線はスロット内をＶＢ
からＶＣに向かってＺ軸方向からみて時計回りにそれぞ
れ巻き回されている。第１のＷ相電機子巻線はスロット
内をＷ１からＷ２に、第２のＷ相電機子巻線はスロット
内をＷ３からＷ４に、第３のＷ相電機子巻線はスロット
内をＷ５からＷ６に、第４のＷ相電機子巻線はスロット
内をＷ７からＷ８に、第５のＷ相電機子巻線はスロット
内をＷ９からＷＡに、第６のＷ相電機子巻線はスロット
内をＷＢからＷＣに向かってＺ軸方向から見て反時計回
りにそれぞれ巻き回されている。

【００３０】直円錐台の移動子３７の各スロットにはリ
ング状の界磁巻線２Ｂ１〜２Ｂ７が巻き回されており、
界磁巻線２Ｂ１〜２Ｂ７の間の移動子３７の側面にＮ極
及びＳ極の界磁極が交互に発生するように巻き回されて
いる。このような構成によって、図１のリニアモータの
場合と全く同様にして、電機子コア１７と移動子３７と
の間の吸引力Ｆに基づいた推力Ｆｚが発生し、移動子３
７は従来のリニアモータよりも十分大きな推力で移動す
るようになる。

【００３１】図１１は本発明の第４の実施の形態に係る
リニアモータのＸＺ平面における断面構造をＹ方向から
見た図である。この実施の形態に係るリニアモータの基
本的構成は図８のものと同じであるが、移動子３１０の
各界磁極をリング状の磁石で構成した点が図８のものと
異なる点である。すなわち、図８の移動子３７の各磁極
はリング状のスロットに巻き回された界磁巻線２Ｂ１〜
２Ｂ７に流される界磁電流によって生成されるようにな
っているが、図１１のリニアモータにおける界磁極は、
法線方向に磁化されたリング状の磁石３８１〜３８６を
移動子３１０の所定位置に設けることによって構成され
ている。図１２はこの移動子３１０の外観形状を示す斜
視図である。電機子コア１１０には図８のリニアモータ
と同様のＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線からなる３相
電機子巻線が巻き回されている。

【００３２】図１３は本発明の第５の実施の形態に係る
リニアモータのＸＺ平面における断面構造をＹ方向から
見た図である。この実施の形態に係るリニアモータの基
本的構成は図８のものと同じであるが、移動子１２１の
各界磁極を直円錐台上の非磁性体１２０の外周側面に沿
って設けられたリング状の磁性体１２Ａ〜１２Ｆとリン
グ状の磁石１２３〜１２９によって生成するようになっ
ている点が図８のものと異なる。図１３から明らかなよ
うに移動子１２１は、リング状の磁性体１２Ａ〜１２Ｆ
と、リング状の永久磁石１２３〜１２９が交互に設けら
れたものであり、このリング状の磁性体１２Ａ〜１２Ｆ
及び永久磁石１２３〜１２９の内側は非磁性体になって
いる。このリング状の永久磁石１２３〜１２９は、移動
子１２１のテーパの方向又は移動方向Ｚに沿って磁化さ
れているものであり、互いに同じ極同士が対向するよう
に設けられている。これによって、移動子１２１の各テ
ーパ状の側面となるリング状の磁性体１２Ａ〜１２Ｆの
表面にはＮ極及びＳ極の界磁極が生成される。図１３の
場合、リング状の磁性体１２Ａ，１２Ｃ，１２Ｅの表面
がＮ極であり、リング状の磁性体１２Ｂ，１２Ｄ，１２
Ｆの表面がＳ極となる。電機子コア１２２には図８のリ
ニアモータと同様にしてＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻
線からなる３相電機子巻線が巻き回されている。

【００３３】図１４は本発明の第６の実施の形態に係る
リニアモータの構成を示す斜視図である。この実施の形
態に係るリニアモータは、図１のリニアモータから界磁
コア２Ａ，２Ｂを省略し、それに代えて薄板直方体の永
久磁石１４４〜１４Ｆを楔形の移動子１４１に規則正し
く設けたものである。なお、図では上下方向に電機子コ
ア１４２，１４３を設ける場合を示しているが、永久磁
石を図１５のように上下左右に設け、それに合わせて電
機子コアも上下左右に設けるようにしてもよい。なお、
図１５の場合は移動子１４１は底辺を正方形とする直角
錐台であり、移動子及び電機子コアの横幅が徐々に大き
くなっているが、図１４の場合は移動子１４１及び電機
子コア１４２，１４３の横幅は一定である。なお、移動
子１４１の底辺形状（移動方向に垂直な断面形状）は正
方形以外の多角形でもよいし、長方形でもよいことはい
うまでもない。電機子巻線は図１の電機子コアと同様の
Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線からなる３相電機子巻
線が巻き回されている。

【００３４】図１６は本発明の第７の実施の形態に係る
リニアモータの構成を示す斜視図である。この実施の形
態に係るリニアモータは、図１５のリニアモータの永久
磁石に代えて矩形状の界磁巻線を移動子１６１の上下方
向に設けられたスロットに巻き回すことによって界磁極
を形成するようにしたものである。なお、図では上下方
向に電機子コア１６２，１６３を設ける場合を示してい
るが、移動子１６１の形状を図１５のようにして、それ
ぞれのスロットに界磁巻線を巻き回すようにしてもよ
い。そのときに、移動子１６１の底辺形状は正方形以外
の多角形でもよいし、長方形でもよい。なお、図１６の
リニアモータのように界磁巻線で界磁極を形成する他に
も、図１３のようにして移動子１６１の各スロットに直
方体の永久磁石を設けることによって界磁極を形成する
ようにしてもよい。電機子巻線は図１の電機子コアと同
様のＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線からなる３相電機
子巻線が巻き回されている。

【００３５】図１７は、前述の各リニアモータを移動方
向Ｚに沿ってシリーズに複数個接続した場合における実
施の形態を示す図である。上述の説明では、移動子が１
個の場合のみについて説明したが、図１７のように移動
子１７１にテーパ状の界磁極を複数個形成して、各テー
パ状の界磁極の周囲に電機子コア１７２〜１７４を設け
るようにすればよい。なお、図１及び図７のようなリニ
アモータの場合には界磁コアが各テーパ状の界磁極の周
囲に設けられることはいうまでもない。このようにリニ
アモータを複数個シリーズに接続したものにおける推力
制御も１個の場合と同様に行われる。なお、シリーズに
接続されるリニアモータの数は必要とされる推力に応じ
て適宜設ければよいことはいうまでもない。また、リニ
アモータをパラレルに複数個接続して、それらの推力を
合成して、１つの移動軸に推力を供給するようにしても
よいし、シリーズに接続したものをパラレルに接続して
もよい。

【００３６】図１８は、前述のテーパ形状のリニアモー
タと従来のリニアモータとの構造を複合化した場合の実
施の形態を示す図である。すなわち、上述のようなテー
パ形状のリニアモータは移動子のテーパ部表面と電機子
コア及び／又は界磁コアとのギャップが近接している場
合にのみ大きな推力を発生するものであって、図１８の
点線で示すような位置に移動子１８１が移動した場合に
は、テーパ部表面と電機子コア及び／又は界磁コアとの
間では推力が発生しなくなる。そこで、図１８のように
従来のリニアモータ１８２とテーパ形状のリニアモータ
１８３とを結合することによって、移動距離を十分確保
でき、Ｚ軸方向に大きな推力を発生することのできるリ
ニアモータを実現する。この場合、テーパ形状のリニア
モータ１８３によって生じる大きな推力は、移動子の移
動距離の中の僅かな区間にすぎないが、通常の直線移動
時における推力よりも大きな推力をある特定の区間で発
生することのできるリニアモータを構成することができ
るので、そのような需要のある機械にとってはその効果
は大きい。

【００３７】図１９は、テーパ形状のリニアモータ１８
３Ａ，１８３Ｂと従来のリニアモータ１８２Ａ，１８２
Ｂとの複合化された複合化リニアモータを移動方向に沿
ってシリーズに接続した場合の実施の形態を示す図であ
る。なお、シリーズに接続される複合化リニアモータの
数は３個以上でもよい。また、図１７に示すリニアモー
タの少なくても一つを複合化リニアモータで構成しても
よいし、複合化リニアモータとテーパ形状のリニアモー
タを適宜シリーズ及び／又はパラレルに複数個接続し
て、それらの推力を合成して、１つの移動軸に推力を供
給するようにしてもよい。

【００３８】図２０は、図１７の実施の形態の変形例を
示す図である。図１７では、単純に上述のリニアモータ
をシリーズに接続する場合について説明したが、ここで
は、前述の各リニアモータを移動方向に沿ってできるだ
け沢山シリーズに接続し、大きな推力を得られるように
したものである。すなわち、電機子コア１９１〜１９４
の一部を移動子１９５のテーパ部の内側に進入可能な構
成にしている。これによって、移動方向に沿って多数の
リニアモータを設けることができる。なお、リニアモー
タを多数接続することによって、移動可能な距離は小さ
くなる。

【００３９】また、上述のリニアモータでは、移動子が
直角錐台や直円錐台やくさび形などの場合について説明
したが、これに限らず、テーパ部を有するものであれば
円柱体、円筒体、楕円体などのあらゆる形状のもので移
動子を形成してもよい。この場合、これらの外周面に沿
った形状となるように界磁コア及び電機子コアの対向面
の形状を構成する必要がある。例えば、直線移動子３が
円柱体で構成されている場合には、界磁コア及び電機子
コアの対向面をこの円柱体の外周曲面に一致するような
曲面にすればよい。

【００４０】磁性体は、鉄系材料（純鉄・軟鉄・炭素
鋼、鋳鋼、磁性鋼帯、無方向性けい素鋼帯、方向性けい
素鋼帯など）、鉄−ニッケル合金（パーマロイ、イソパ
ーム、パーミンバーなど）、圧粉磁心（カーボニル圧粉
磁心、パーマロイ圧粉磁心、センダスト圧粉磁心な
ど）、フェライト（スピネル系フェライト、複合フェラ
イト（Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎフェライト、
Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇフェライト）
など）で構成される。

【００４１】上述の実施の形態で説明した極数とスロッ
ト数との関係はこれに限定されるものではなく、任意の
組み合わせを適宜採用することができることはいうまで
もない。また、界磁巻線を単層重巻を例に説明したが、
これに限らず、２層重巻にしてもよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明の回転同期機によれば、１つの同
期機で回転力も推力も同時に制御することができるとい
う優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のリニアモータの第１の実施の形態の
構成を示す一部断面図を含む斜視図である。

【図２】 図２は図１のリニアモータの断面に沿ってそ
れぞれの構成要素を平面的に示した図である。

【図３】 図３は、３種類の異なる構成のリニアモータ
における移動距離ｚと推力Ｆｚとの関係を示す図であ
る。

【図４】 電機子コア又は界磁コアと移動子とが移動方
向に沿って垂直な面で互いに吸引力のみで引き合う場合
を示す模式図である。

【図５】 電機子コア又は界磁コアと移動子とが移動方
向に沿ってテーパ状の斜面で接する場合の吸引力と移動
距離との関係を示す模式図である。

【図６】 電機子巻線と界磁巻線の結線方法を示す図で
ある。

【図７】 本発明の第２の実施の形態に係るリニアモー
タの構成を示す一部断面図を含む斜視図である。

【図８】 本発明の第３の実施の形態に係るリニアモー
タの構成を示す一部断面図を含む斜視図である。

【図９】 図８のリニアモータのＸＺ平面における断面
構造をＹ方向から見た図である。

【図１０】 図８の移動子の詳細構成を示す斜視図であ
る。

【図１１】 本発明の第４の実施の形態に係るリニアモ
ータのＸＺ平面における断面構造をＹ方向から見た図で
ある。

【図１２】 図１１の移動子の外観形状を示す斜視図で
ある。

【図１３】 本発明の第５の実施の形態に係るリニアモ
ータのＸＺ平面における断面構造をＹ方向から見た図で
ある。

【図１４】 本発明の第６の実施の形態に係るリニアモ
ータの構成を示す斜視図である。

【図１５】 図１４の永久磁石の変形例を示す図であ
る。

【図１６】 本発明の第７の実施の形態に係るリニアモ
ータの構成を示す斜視図である。

【図１７】 各リニアモータを移動方向に沿ってシリー
ズに複数個接続した場合における実施の形態を示す図で
ある。

【図１８】 テーパ形状のリニアモータと従来のリニア
モータとの構造を複合化した場合の実施の形態を示す図
である。

【図１９】 テーパ形状のリニアモータと従来のリニア
モータとの複合化された複合化リニアモータを移動方向
に沿ってシリーズに接続した場合の実施の形態を示す図
である。

【図２０】 図１７の実施の形態の変形例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ａ６，１Ｂ６，１７、１１０、１２２，
１４２，１４３，１６２，１６３，１７２〜１７４Ｐ１
９１〜１９４…電機子コア、２Ａ，２Ｂ，２Ａ１，２Ａ
２…界磁コア、３，３６，３７，３１０、１２１，１４
１，１６１，１７１，１８１，１９５…移動子、３Ａ１
〜３Ａ６…磁性体、３Ｂ１〜３Ｂ７…非磁性体、２Ｂ１
〜２Ｂ７…界磁巻線、３８１〜３８６，１２３〜１２
９，１４４〜１４Ｆ…磁石、１８２…従来のリニアモー
タ、１８３…テーパ形状のリニアモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 澁谷 浩 東京都目黒区碑文谷５丁目14番17号 日創 電機株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動方向に対してテーパ状の斜面を有す
   る移動子と、 前記移動子のテーパ状の斜面に界磁極を生成させる界磁
   極生成手段と、 電機子巻線を流れる電流に応じた電磁極の生成した電機
   子コアの表面が前記移動子のテーパ状の斜面に対して等
   間隔となるように設けられている電機子コアを有する電
   機子手段とを備えたことを特徴とするリニアモータ。
2. 【請求項２】 移動方向に沿って設けられた磁性体と非
   磁性体との交互結合体からなり、前記磁性体が移動方向
   に対してテーパ状の斜面を形成している移動子と、 界磁巻線を流れる電流に応じた界磁極の生成した界磁コ
   アの表面が、前記移動子のテーパ状の斜面に対して等間
   隔となるように設けられており、前記界磁極に応じた界
   磁電極を前記移動子の前記磁性体のテーパ状の斜面に生
   成させる界磁極生成手段と、 電機子巻線を流れる電流に応じた電磁極の生成した電機
   子コアの表面が前記移動子のテーパ状の斜面に対して等
   間隔となるように設けられている電機子コアを有する電
   機子手段とを備えたことを特徴とするリニアモータ。
3. 【請求項３】 移動方向に対してテーパ状の斜面を有す
   る移動子と、 前記移動子に巻き回された界磁巻線によって前記テーパ
   状の斜面に界磁極を生成させる界磁極生成手段と、 電機子巻線を流れる電流に応じた電磁極の生成した電機
   子コアの表面が前記移動子のテーパ状の斜面に対して等
   間隔となるように設けられている電機子コアを有する電
   機子手段とを備えたことを特徴とするリニアモータ。
4. 【請求項４】 移動方向に対してテーパ状の斜面を形成
   するように設けられた界磁極磁石を有する移動子と、 電機子巻線を流れる電流に応じた電磁極の生成した電機
   子コアの表面が前記磁石のテーパ状の斜面に対して等間
   隔となるように設けられている電機子コアを有する電機
   子手段とを備えたことを特徴とするリニアモータ。
5. 【請求項５】 移動方向に対してテーパ状の斜面を有す
   る移動子と、 前記移動子に埋め込まれた磁石によって前記テーパ状の
   斜面に界磁極を生成させる界磁極生成手段と、 電機子巻線を流れる電流に応じた電磁極の生成した電機
   子コアの表面が前記移動子のテーパ状の斜面に対して等
   間隔となるように設けられている電機子コアを有する電
   機子手段とを備えたことを特徴とするリニアモータ。
6. 【請求項６】 前記移動子は移動方向に対してテーパ状
   の斜面を有する直角錐台状からなることを特徴とする請
   求項１から５までのいずれか１に記載のリニアモータ。
7. 【請求項７】 前記移動子は移動方向に対してテーパ状
   の斜面を有する直円錐台状からなることを特徴とする請
   求項１から５までのいずれか１に記載のリニアモータ。
8. 【請求項８】 請求項１から７までに記載のリニアモー
   タのいずれか１つを複数個接続することによって構成さ
   れたリニアモータ。
9. 【請求項９】 請求項１から７までに記載のリニアモー
   タのいずれか１つと通常のリニアモータとを複合化する
   ことによって、請求項１から７までに記載のリニアモー
   タでは困難な位置への移動を行えるようにしたことを特
   徴とするリニアモータ。