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公開番号2021005946
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2019118280
出願日20190626
発明の名称直動電動機
出願人株式会社日立製作所,国立大学法人 東京大学
代理人ポレール特許業務法人
主分類H02K 41/03 20060101AFI20201211BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】 6nティース構造の直動電動機において、脈動の低減と推力の増大を両立する。
【解決手段】 複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第一可動子と、第一可動子と対向するように長手方向に並べた6n個のティースと、各ティースに巻いた6n個の巻線を有する第一固定子と、複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第二可動子と、第二可動子と対向するように長手方向に並べた6n個のティースと、各ティースに巻いた6n個の巻線を有する第二固定子と、平行配置した第一可動子と第二可動子を結合する結合部材と、を具備する直動電動機であって、第一可動子と第二可動子の対向する永久磁石同士は、両可動子の進行方向にπ/2の位相差を設けて配置されており、第一固定子と第二固定子の対向する巻線同士には、(1+6m)π/3、または、(2+6m)π/3の位相差を設けた電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
【選択図】 図2
特許請求の範囲【請求項1】
三相電流が供給される直動電動機であって、
複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第一可動子と、
該第一可動子と対向するように前記長手方向に並べた6n個(nは任意の自然数)のティースと、各ティースに巻いた6n個の巻線を有する第一固定子と、
複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第二可動子と、
該第二可動子と対向するように前記長手方向に並べた6n個(nは任意の自然数)のティースと、各ティースに巻いた6n個の巻線を有する第二固定子と、
平行配置した前記第一可動子と前記第二可動子を結合する結合部材と、
を具備する直動電動機であって、
前記第一可動子と前記第二可動子の対向する永久磁石同士は、両可動子の進行方向にπ/2の位相差を設けて配置されており、
前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、(1+6m)π/3、または、(2+6m)π/3(mは任意の整数)の位相差を設けた電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
続きを表示(約 1,200 文字)【請求項2】
請求項1記載の直動電動機において、
各固定子は前記長手方向に複数に分割されていることを特徴とる直動電動機。
【請求項3】
請求項1記載の直動電動機において、
6個のティースに5極の永久磁石が対向する構造であり、
前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、π/3の位相差を設けた電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
【請求項4】
請求項1記載の直動電動機において、
6個のティースに7極の永久磁石が対向する構造であり、
前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、2π/3の位相差を設けた電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
【請求項5】
請求項1記載の直動電動機において、
12個のティースに11極の永久磁石が対向する構造であり、
前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、一方から他方に向けて、π/3、π/3、π/3、2π/3、π/3、π/3、π/3、2π/3、π/3、π/3、π/3、2π/3の位相差の電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
【請求項6】
請求項1記載の直動電動機において、
12個のティースに13極の永久磁石が対向する構造であり、
前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、一方から他方に向けて、2π/3、2π/3、2π/3、π/3、2π/3、2π/3、2π/3、π/3、2π/3、2π/3、2π/3、π/3の位相差の電流が供給されることを特徴とする直動電動機。
【請求項7】
請求項1記載の直動電動機であって、
q個(qは自然数)のティースにp極(pは自然数)の永久磁石が対向する構造であり、
前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士の配置の位相差がpπ/qとなることを特徴とする直動電動機。
【請求項8】
請求項1記載の直動電動機において、
12個のティースに11極の永久磁石が対向する構造であり、
前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士の配置の位相差が11π/12であることを特徴とする直動電動機。
【請求項9】
請求項1記載の直動電動機において、
12個のティースに13極の永久磁石が対向する構造であり、
前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士の配置の位相差が13π/12であることを特徴とする直動電動機。
【請求項10】
請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の直動電動機を有する駆動システム。
【請求項11】
請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の直動電動機を有する直動発電システム。
【請求項12】
請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の直動電動機を有する直動アクチュエータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、可動子が直線駆動する直動電動機(リニアモータ)に関する。
続きを表示(約 5,300 文字)【背景技術】
【0002】
近年では、自動車、鉄道、産業機器、家電などの様々な技術分野において、直動動作の動力源として、制御性や効率の高い直動電動機(リニアモータ)の採用が進んでいる。そして、直動電動機の用途拡大に伴い、駆動時の騒音や振動の低減に対する要求が更に高まってきている。
【0003】
しかし、直動電動機は、磁気回路が円周状に構成される回転電動機と異なり、磁気回路に端部が生じるため、磁気回路のアンバランスが原因となり、推力の脈動や、騒音、振動が発生していた。
【0004】
このような背景から、例えば、特許文献1の図6では、複数の可動子の磁石をずらすことで脈動を低減し、かつ、複数の固定子の巻線の相順を相互にずらすことで推力の低下を抑制する構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開平10−52025号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1が開示するのは、可動子の磁石2極に固定子のティース3個が対向する2極3ティース構造の直動電動機に留まり、脈動をより低減すべく、磁石数とティース数の比を変更した場合に、推力を大きくする構成は明らかにされていない。
【0007】
例えば、三相電流により駆動される直動電動機の脈動を低減する構造として、6ティース構造(5極6ティース構造、7極6ティース構造)や、12ティース構造(11極12ティース構造、13極12ティース構造)等、6nティース構造(nは自然数)の直動電動機も知られているが、この6nティース構造の直動電動機において、可動子の各磁石を配置する位相や、固定子の各巻線に供給する電流の位相をどのように設定すれば、脈動の低減と推力の増大を両立できるかは特許文献1では明らかにされていなかった。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本実施例の直動電動機は、三相電流が供給されるものであって、複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第一可動子と、該第一可動子と対向するように前記長手方向に並べた6n個(nは任意の自然数)のティースと、各ティースに巻いた6n個の巻線を有する第一固定子と、複数の永久磁石を長手方向に並べて保持する第二可動子と、該第二可動子と対向するように前記長手方向に並べた6n個(nは任意の自然数)のティースと、各ティースに巻いた6n個の巻線を有する第二固定子と、平行配置した前記第一可動子と前記第二可動子を結合する結合部材と、を具備する直動電動機であって、前記第一可動子と前記第二可動子の対向する永久磁石同士は、両可動子の進行方向にπ/2の位相差を設けて配置されており、前記第一固定子と前記第二固定子の対向する巻線同士には、(1+6m)π/3、または、(2+6m)π/3(mは任意の整数)の位相差を設けた電流が供給されるものとした。
【発明の効果】
【0009】
本発明の直動電動機によれば、6nティース構造の直動電動機において、脈動の低減と推力の増大を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
実施例1の直動電動機の斜視図
実施例1の直動電動機のYZ平面の断面図
実施例1の直動電動機のディテント波形
実施例1の直動電動機の推力特性
実施例2の直動電動機のYZ平面の断面図
実施例3の直動電動機のYZ平面の断面図
実施例4の直動電動機のYZ平面の断面図
実施例5の直動電動機のYZ平面の断面図
実施例6の直動電動機のYZ平面の断面図
実施例7の直動電動機のYZ平面の断面図
【発明を実施するための形態】
【0011】
図1〜図10を参照し、本発明の直動電動機の実施例を説明する。
【0012】
本発明の直動電動機は、三相電流により駆動され、ティース数が6n個(nは任意の整数)の固定子を複数有し、可動子を固定子と同数有した電動機である。以下では、可動子と固定子を二組備えた、6ティース構造の直動電動機(実施例1、2、5)と、12ティース構造の直動電動機(実施例3、4、6、7)を説明するが、可動子の永久磁石の表裏を挟み込むように固定子のティースを配置することで、永久磁石の磁束を有効に活用する効果が得られれば、本発明の構造は、図1〜図10に例示する構造に限定されるものではない。
【実施例】
【0013】
図1〜図4を用いて、本発明の実施例1の直動電動機1について説明する。
【0014】
図1の斜視図に示すように、本実施例の直動電動機1は、主に、可動子10と、固定子20と、可動子10を結合する結合部材30から構成された電動機である。なお、図1においては、直動電動機1の幅方向をX方向、高さ方向をY方向、可動子10の進行方向をZ方向としている。
【0015】
可動子10は、X方向に長い平板状の永久磁石2と、Z方向に長い平板状の保持部材3で構成される。保持部材3は、複数の永久磁石2をZ方向に並べて保持している。
【0016】
固定子20は、巻線4と磁性体5で構成される。磁性体5は、可動子10の永久磁石2の周囲に磁気回路を形成するものであり、永久磁石2と対向する複数個のティース6を備えている。このティース6の各々には、図示しない電源から電流が供給される巻線4が巻かれている。なお、磁性体5は、鋳造などにより一体成型されたものであっても良いし、電磁鋼板をX方向またはZ方向に積層することで形成したものであっても良い。
【0017】
このような直動電動機1において、固定子20の巻線4に後述する位相の電流を供給することで、可動子10をZ方向に直線駆動することができる。
【0018】
図2は、図1の直動電動機1のYZ平面での断面図である。ここに示すように、本実施例の直動電動機1は、上側に一組の可動子10と固定子20(上可動子10aと上固定子20a)を配置し、下側にも一組の可動子10と固定子20(下可動子10bと下固定子20b)を配置したものであり、上下に平行配置した上可動子10aと下可動子10bを結合部材30で結合することで、巻線4に電流を流したときに両可動子に働く力を合成することができる。
【0019】
また、上固定子20aは、6個のティース6a(ティース6a

〜6a

)を備えており、各ティースには巻線4a(巻線4a

〜4a

)が巻かれている。同様に、下固定子20bも、6個のティース6b(ティース6b

〜6b

)を備えており、各ティースには巻線4b(巻線4b

〜4b

)が巻かれている。
【0020】
図2から明らかなように、本実施例の直動電動機1は、Z方向に並んだ6個のティース6に5極の永久磁石2が対向する、5極6ティース構成である。そして、上可動子10aと下可動子10bの対向する永久磁石同士を、位相差π/2を設けて配置している。
【0021】
図3は、本実施例の直動電動機1のディテント波形を示す。ここでは、上下の可動子10の永久磁石2の配置に位相ずれが無い場合を0°(破線)で示しており、位相をπ/2ずらした場合を90°(実線)として示している。同図から明らかなように、上下の可動子10の対向する永久磁石2同士の配置をπ/2ずらすことにより、ずらさない場合に比べ、ディテントを大きく低減できる。特に、直動電動機1の磁性体5の端部の影響および3相の磁性体の不平衡によって生じる2次脈動を大きく低減できる。
【0022】
2次脈動の低減には、磁性体5をZ方向に三分割したことも寄与している。図2に示すように、本実施例の磁性体5は、ティース6a

、6a

、6b

、6b

を有する磁性体51と、ティース6a

、6a

、6b

、6b

を有する磁性体52と、ティース6a

、6a

、6b

、6b

を有する磁性体53と、に分割されている。このように、固定子20をZ方向に分割することにより、磁性体端部の影響を均一化でき、脈動を低減できる。なお、磁性体5をZ方向に分割することで、磁性体5の製作時の寸法誤差や組み立て誤差で脈動が大きくなることも考えられるが、上下の可動子10の位相と、上下の巻線の位相と、各磁性体の位置を調整することで、2次以外の脈動も低減できる。
【0023】
また、図2に示すように、上固定子20aのティース6a

〜6a

に巻かれた各巻線(巻線4a

〜4a

)には、U、U−、V−、V、W、W−の位相の電流が与えられる。これに対し、下固定子20bのティース6b

〜6b

に巻かれた各巻線(巻線4b

〜4b

)には、W−、W、U、U−、V−、Vの位相の電流が与えられる。なお、UとU−、VとV−、WとW−の位相差は夫々180°、UとV、VとW、WとUの位相差は夫々120°である。
【0024】
直動電動機1の各巻線に、上記した位相の電流を供給した場合の、上固定子20aと下固定子20bの対向する巻線4の位相差を図2の下部に示す。すなわち、上固定子20aと下固定子20bの対向する巻線4同士に供給される電流の位相差は何れもπ/3となる。
【0025】
次に、図4を用いて、対向する巻線4同士の位相差が何れもπ/3である場合の、電流値と推力の特性について説明する。破線(a)は、電流位相を上下の巻線4で同一にした場合のグラフであり、実線(b)は、電流位相を上下の巻線4でπ/3の位相差を設けた場合のグラフである。両者の比較から、巻線4に同じ電流を供給する場合、上下の巻線4の位相差をπ/3とすることで、位相差を設けない場合に比べ、大きな推力が得られることが分かる。なお、ここでは、上下巻線間の位相差をπ/3と表現したが、さらに2πの位相差を設けてもよいため、上下巻線間に設ける位相差は(1+6m)π/3と一般化できる(mは任意の整数)。
【0026】
このように、以上で説明した本実施例によれば、5極6ティース構成の直動電動機1において、脈動の低減と推力の増大を両立することができる。
【0027】
なお、以上で説明した本実施例の直動電動機1は、例えば、駆動システム、直動発電システム、直動アクチュエータ等に適用することができる。
【実施例】
【0028】
以下に本発明の実施例2の直動電動機1について説明する。なお、上述した実施例との共通点は重複説明を省略する。
【0029】
図5に示すように、本実施例の直動電動機1は、6個のティース6に7極の永久磁石2が対向する、7極6ティースの構成である。なお、図5では、永久磁石2とティース6の配置をわかりやすくするために、保持部材3は省略している。本実施例でも、上下の永久磁石2の位相差をπ/2とすることで、可動子の2次脈動成分が抑制される。
【0030】
また、上固定子20aの巻線4aには、図中の左から右に向けて、それぞれU、U−、V−、V、W、W−、の位相の電流が与えられる。一方、下固定子20bの巻線4bには、図中の左から右に向けて、それぞれV、V−、U−、U、W、W−、の位相の電流が与えられる。この時の上固定子20aと下固定子20bの巻線の位相差を図5下側に示す。すなわち、上固定子20aと下固定子20bの各巻線の位相差は何れも2π/3となる。なお、ここでは、上下巻線間の位相差を2π/3と表現したが、さらに2πの位相差を設けてもよいため、上下巻線間に設ける位相差は(2+6m)π/3と一般化できる(mは任意の整数)。
(【0031】以降は省略されています)

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