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JP2006527576A - ディテント力を弱めた鉄心を備えたリニアブラシレスdcモータ - Google Patents

ディテント力を弱めた鉄心を備えたリニアブラシレスdcモータ Download PDF

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JP2006527576A
JP2006527576A JP2006515155A JP2006515155A JP2006527576A JP 2006527576 A JP2006527576 A JP 2006527576A JP 2006515155 A JP2006515155 A JP 2006515155A JP 2006515155 A JP2006515155 A JP 2006515155A JP 2006527576 A JP2006527576 A JP 2006527576A
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ゴドキン、ミカイル
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ビーイーアイ センサーズ アンド システムズ カンパニー インコーポレイテッド
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Abstract

端歯(152,154)がウェッジ形状に形成され、移動方向に約(N+1/2)×極ピッチの一様な長さを有し、ここでNはブラシレスDCモータの電機子でカバーされる極数に等しく、極ピッチは、リニアブラシレスDCモータの界磁部(162)における反対極性の2つの隣り合う磁石(164)の中心間の距離に等しいことを特徴とする積層部(150)により、ディテント力を弱めたリニアブラシレスDCモータが開示されている。

Description

本発明は、一般にリニアブラシレスDCモータに関し、特にディテント力を弱めた鉄心を備えたリニアブラシレスDCモータに関する。
典型的な長方形の構造を持つリニアブラシレスモータは、本質的に2つのパーツに分けられる。すなわちお互いに小さな空隙で隔てられた電機子部と界磁部である。
ここで電機子部は、3相巻線をそのスロット12に収納した薄板を重ねた積層部10により構成されている。このような積層部10を図1に示す。界磁部は、空隙に向かって交番極性を持つ長方形の磁石をなす長方形の軟磁性板である。
電機子部のスロット開口部14は、コギング力を最小限にするために一般にできるだけ小さくする。図2に典型的なスロット開口部14を示す。しかしながら、小さなスロット開口部は巻線に用いる電線の大きさを制限してしまう。加えて、スロット開口部14を小さくすればするほど機械による巻線処理が困難になる。
さらに、電機子部を機械構造部に取り付けるため、積層部10の上部表面16にねじを切った穴を設けなければならない。積層部はそのような穴に適していないので図1に示すように取り付け穴を設けた固定用ウェッジ18を取り付ける。一旦固定用ウェッジ18のためのスロット20を打ち抜くと、固定用ウェッジ間の間隔が固定されこの積層板を打ち抜く工具を再度作り直さなければこの間隔を変更できない。
本出願の出願人により2002年4月3日に出願された米国特許出願No.10/116, 495では、コギング力を小さくする一方コイルの巻線を容易にするような電機子部の設計を行なうことにより、従来技術の電機子部の欠点に対処しており、機械構造部に取り付けるることにより簡単かつ融通性のある取り付け用ブラッケット部が開示されている。
しかしながら、電機子の設計において、積層部の長さが有限であることによるリラクタンスの変動に起因するディテント力を減らすことの必要性は依然として存在する。
上記及びその他の好ましい特徴は、本発明の積層構造及び、積層部の端歯を形成することにより、実質的にディテント力を弱めた積層構造を用いたリニアブラシレスDCモータにより提供される。ここで、端歯はウェッジを形成することが好ましい。
1つの実施の形態において、複数の巻線を有する電機子部に用いる積層部の設計が提供され、ここで、積層部は、ベース部と該ベース部から突き出しその周りに巻線を収納することのできる複数の歯とを具備し、該複数の歯は、所定のピッチtでお互いに間隔を保ち、前記積層部において移動方向の一方の端部に位置する第1の端歯と、前記積層部における移動方向の他の端部に位置する第2の端歯とを有し、前記第1の端歯と第2の端歯とはウェッジが形成され、さらに前記積層部は、例えば(N+1/2)×tのような、電機子の下にある極数に非整数をかけた長さにほぼ等しい、移動方向に沿った一様な長さを有する。ここで、Nは電機子下部の極数に等しく、tは、界磁部における反対極性の2つの隣り合う磁石のセンター間の距離に等しい。tのtに対する比は7:8より少し小さいのが好ましいであろう。
本発明の1つの実施の形態において、前記端歯は、移動方向に沿ってベース部に平行な断面の、幅が頂点で実質的にゼロになり底辺部で最大値Wmaxとなるような、直角三角形となるような形状としてもよい。
本発明の好ましい実施の形態において、Wmaxはほぼtpに等しくしてもよい。さらに、前記端歯における前記直角三角形の断面積は、前記積層部の内部歯の断面積にほぼ等しくしてもよい。
ここで開示した実施の形態のこのような特徴や利点は、発明の詳細な説明及び添付図を参照することにより、さらに容易に理解できるであろう。
本出願の出願人により2002年4月3日に出願された米国特許出願No.10/116, 495が参照文献として本明細書に組み込まれるものとする。
図3を参照すると、コギング力を弱め、コイルの巻線を容易にする構成の積層部100が示されている。図からわかるように積層部の歯102がベース部106から外側に突き出ている。歯102を隔てるスロット104の幅は実質的に底部(ベース部106)から頂部108(歯の自由端)までと同じである。これは、歯同士の間のスロット開口部を狭めるために歯の頂部を外側に広げる、例えば図2のような従来技術の積層部における歯の設計とは大きく異なる。
本実施の形態によれば、歯102の頂部108には、図3にみられるように、図4に示したようなマグネッティックウェッジ112を収納する2つの付加的なノッチ110がある。このマグネッティックウェッジ112を設ける目的は、歯102の中心線114とスロット104の中心線116に沿った、空隙リラクタンスの差を最小限にするためである。この差が小さければ小さいほどコギング力は小さくなる。
さらなる実施の形態によれば、図5A及び5Bに示すように、複合電機子部は、巻線(不図示)、スロット104におけるマグネッティックウェッジ112、及び軟磁性体で作られた取り付けブラケット120を有する積層部100を具備する。取り付けブラケット120は、積層部100の取り付けブラケット120の縦軸に沿った長さより長い、積層部100の縦軸に沿った寸法と、積層部100のベース部106の厚さより厚い厚さを持つことが好ましい。図5Aから分かるように、(積層部100の縦軸を横断する)幅寸法も、積層部の幅寸法より大きいことが好ましい。積層部100と取り付けブラケット120間で厳密にかみ合うようにダブテール構造が採用されることが好ましい。
この好ましいダブテール構造はさらに図5Bに示される。積層部100の端部に、ベース部106の外側表面に向かってベース部106に角があることが分かる。取り付けブラケット120の端部に、ベース部106端部に合致する形で、歯102方向に突き出た部分122及び124があることが分かる。特に、部分122及び124の内側面は、部分122及び124がベース部106の外側に広がった端部をつかむように内側に広がっている。好ましい構成としてダブテール構造が開示されているが、積層部100のベース部106上の取り付けブラケット120の取り付けに用いる他の構造も本明細書に開示した実施の形態の思想の範囲内で使用することができることは理解できよう。
図5A及び5Bに示した実施の形態において、全てのバックアイアン(ベース部106及び取り付けブラケット120)が積層されているわけではないので、バックアイアンの固体部(取り付けブラケット120)に付加的なうず電流損が生じる。しかし、断面が積層部より大きいので(図5B参照)、バックアイアンの固体部における磁束密度は比較的小さい。したがって、(磁束密度)に比例する付加的なうず電流損も小さい。
ここに開示した実施の形態の取り付けブラケットの構成により、取り付け穴同士の距離を変えるために積層板の打ち抜きをやり直す必要がなく、従来技術の複数のウェッジの代わりに1つのブラケットに置き換えることにより取り付け穴の構成を変更することができる。
図6は、開示した実施の形態の電機子積層部100の歯102の頂部108に形成された固体又は積層構造のマグネッティックウェッジ112とノッチ110との関係を示す拡大図である。歯102とウェッジ112とを正確に適合させるためにダブテール構造を採用することが好ましい。図6からわかるように、ウェッジ112は、巻線(不図示)に内側で接するウェッジ表面の長さは巻線と反対側の面の寸法より長い、台形の断面を形成する。ノッチ110は、各歯102の頂部108に切り込まれ、ノッチ110とウェッジ112間でダブテール接合がなされるようにウェッジ112に合致した形状となる。図6の実施の形態で、巻線に接する面と反対面になるウェッジ112の外面が、ウェッジ112がノッチ110に取り付けられたとき歯102と実質的に同一平面となるよう、ウェッジ112の寸法が決められることに留意すべきである。
好ましい構成としてダブテール構造が開示されているが、隣り合う歯102同士の間にウェッジ112を取り付けに用いる他の構造も本明細書に開示した実施の形態の思想の範囲内で使用することができることは理解できよう。
上記実施の形態の特徴により効率が向上するが、積層部の長さが有限であることによるリラクタンスの変動に起因するディテント力を減らすことの必要性は依然として存在する。
図7,8, 9,10,11 A,11 B,及び11 Cを参照すると、ディテント力を弱めた、鉄心を備えたリニアブラシレスDCモータを提供する本発明の実施の形態が開示されている。特に本実施の形態は、積層部150の端歯152及び154をウェッジとして形成することによりリニアモータのディテント力を実質的に弱める特徴を具備する。この実施の形態の好ましい構成において、端歯は、積層部150の端の外側に斜面を持つ、取り付けブラケット156に平行に直角三角形の断面を持つようにしてもよい。ウェッジ形状の端歯152及び154の移動方向の最大幅Wmaxは、磁石164同士(図10)の中心間の間隔にほぼ等しくなるようにしてもよい。さらに、ウェッジ形状の端歯152及び154の移動方向の最小幅Wminは、実質的にゼロ(図8)である。また、最大幅Wmaxの位置で、ウェッジ形状の端歯152及び154が各々取り付けブラケット156の外側に、例えば約Wmin/3だけ飛び出していることに留意すべきである。
図7,8, 9,10,11 A,11 B,及び11 Cの実施の形態における他の特徴は、ウェッジ形状の端歯152及び154の外側の面の深さがが、内部の歯158の面の深さより浅いことである。図7から、取り付けブラケットとウェッジ形状の端歯152及び154の外側の面との間に厚さXの段差60が設けられていることが分かる。
図9は、図7及び8の積層部150に組み込んだ電機子部を示す。巻線153は1つおきに内部の歯158に囲まれていることが示されている。取り付けブラケット156の端部に取り付けるエンドブラケット155及び157はそれぞれ、ウェッジ形状の端歯152及び154の下にある。取り付けブラケット156は、その端部及び内部にダブテールタイプのカップリングが見られる。取り付けブラケット156の端部でのダブテールタイプ構造のべべリングは図7に詳細が示されている。
図10に示すように、好ましくは、積層部150の移動方向の全長は一定であり、(N+1/2)×tに等しくすることができる。これに関連してNは積層部150の下にある極数であり(例えば8,10,12等)、tは、積層部150を用いた界磁部162の反対極性を持つ、隣り合う磁石164同士の中心線間の距離を示す極ピッチである。例えば、図10に開示されているのは、積層部150とディテント力を弱めた鉄心を備えたリニアブラシレスDCモータの界磁部162の磁石164の間隔であり、ここで、極ピッチtは16mmとし、積層部下の極数Nは11に等しくすることができる。このような構成において、積層部150の長さは、16×(11+1/2)=184 mmとすることができる。このようにして、積層部150は、積層部の界磁 (磁石)部に対する相対位置を考慮しなくてもほぼ同じ磁石の数(この場合は、11.5)をカバーすることができる。
前述の例において、積層部150の内側歯158の幅は約8.2mmとし、内側歯158の中心同士の間隔tは約14mmとすることができる。さらに界磁部の移動方向への磁石の幅は約14.4mmとすることができる。端歯152及び154に傾斜をつけたので、移動方向のどの点においても積層部150が(移動方向へ)同じ「長さ」を持つことにも留意すべきである。このことは図10に図示されており、ここで、積層部150の頂部、中間部、底部で同じ寸法11.5×tpが示されている。
開示した界磁部162に対する積層部150の構成における主要な特徴は、積層部の表面が(平均して)同じ数の磁石を「カバー」し、リラクタンスが積層部の位置の関数として実質的に変動しないことである。この実施の形態において、極ごとのスロット(歯)の数は1に近い(11極に対して12スロット)。このことは、極ピッチtが歯ピッチtとほぼ等しいことを意味する。従来の積層部の構成では、全てがまっすぐな歯を持つ薄板の積層部は整数の極ピッチをカバーしていた(この場合11)。一方、ここで開示した実施の形態の構成では、端数のある極ピッチをカバーする(この場合11.5)。図10の例では、積層部の長手方向のどの断面の長さも11.5極ピッチに等しい。本実施の形態において歯数に対する極数の点からは、積層部の歯数は端歯も含めて、N+1に等しいことが分かる。
図11A,11B,及び11Cは、界磁(磁石)部162に対する積層部150の3つの相対位置を示し、磁石164に関して積層表面の「カバー範囲」が各位置で同じであることを示している。このように、例えば、図11Aでは、界磁部162に対する積層部150のフットプリント(footprint)が移動方向に沿うどの長さ位置においても磁石164の約11.5個分を占めることが分かる。図11Aの上部において、積層部150のフットプリントの左側は磁石164の中央から始まり、右方向(移動方向)に延びて11番目の磁石の全てを覆う。中央部のフットプリントは、磁石の左端から始まり右に延びて10個と更なる2分の1個の磁石を覆う。図11A,11B,及び11Cから、図示の実施の形態で、積層部150の端歯152及び154のウェッジ形状の底辺部は、極ピッチtにほぼ等しい長さを持つことが分かる。また、図示の実施の形態において、歯ピッチtは、tより小さいが、少なくとも0.75tより大きいことも分かる。図11A,11B,及び11Cに示された更なる特徴は、リニアブラシレスDCモータ積層部150の動作範囲における磁石164に対する積層部150のさまざまな相対位置において、1個以下の積層歯でカバーされる少なくとも1つの磁石があることである。
理論上、フリンジ磁束がない場合、積層部が移動方向に有限長であることに起因するディテント力はゼロとなり、ディテント力が削減される。実際にディテント力は顕著に削減されほとんど抑えられて、動作が非常にスムーズになることが分かった。
ここで採用された種々の用語や表現は説明のために用いた用語であり限定のために用いたものではなく、ここで示したあるいは記載した特徴又はその一部と等価なものを除外するためにこのような用語や表現を用いたのでなく、ここで開示した実施の形態の範囲内でさまざまな変更が可能であることが分かっている。
従来技術における典型的な積層部の説明図である。 従来技術における典型的な積層部の一部を示す説明図である。 コギング力を弱め、コイルの巻線を容易にする積層部の構成部分の説明図である。 コギング力を弱め、コイルの巻線を容易にする構成に従い図3のスロット開口部が塞がれた積層部の構成部分の説明図である。 簡単かつ柔軟性のある構造の取り付けブラッケット部を具備する積層部と、図4の実施の形態のウェッジの説明図である。 簡単かつ柔軟性のある構造の取り付けブラッケット部を具備する積層部と、図4の実施の形態のウェッジの説明図である。 コギング力を弱め、コイルの巻線を容易にする構成とした積層部における歯とウェッジ部の拡大図である。 本発明の1つの実施の形態による積層部の斜視図である。 図7の実施の形態による積層部の平面図である。 図7の積層部を用いた電機子部の斜視図である。 本発明の好ましい実施の形態による積層部の寸法と界磁部の磁石の寸法との好ましい関係を示す説明図である。 本発明の好ましい実施の形態による界磁部に対する積層部の3つの相対位置を示す説明図である。 本発明の好ましい実施の形態による界磁部に対する積層部の3つの相対位置を示す説明図である。 本発明の好ましい実施の形態による界磁部に対する積層部の3つの相対位置を示す説明図である。

Claims (29)

  1. 巻線と、
    ベース部と、
    前記ベース部から延びその周りに前記巻線を取り付けることのできる複数の歯であって、該複数の歯は、端部及び隣接する歯との間にスロット開口を定めるために相互に間隔があり、積層部の移動方向の一方の端部に位置する第1の端歯と、積層部の移動方向の他方の端部に位置する第2の端歯とを有する複数の歯と、
    を具備する電機子部であって、
    前記第1の端歯と前記第2の端歯はウェッジ形状を持つことを特徴とする電機子部。
  2. 前記第1の端歯と前記第2の端歯は各々前記ベース部から移動方向に突き出る部分を持つことを特徴とする請求項1に記載の電機子部。
  3. 前記電機子は、移動方向に約(N+1/2)×極ピッチの長さを持ち、ここで、Nは電機子の下にある極に等しく、極ピッチは界磁部における反対極性の2つの隣り合う磁石の中心間の距離に等しいことを特徴とする請求項1に記載の電機子部。
  4. 複数の巻線を有する電機子部に用いる積層部であって、該積層部は、
    ベース部と、
    該ベース部から突き出しその周りに巻線を収納することのできる複数の歯とを具備し、該複数の歯は、所定のピッチtでお互いに間隔を保ち、前記積層部における移動方向の一方の端部に位置する第1の端歯と、前記積層部における移動方向の他の端部に位置する第2の端歯とを有し、
    前記第1の端歯と第2の端歯とはウェッジ形状に形成され、さらに前記積層部は、移動方向に約(N+1/2)×tの一様な長さを有し、ここで、Nは電機子の下にある極に等しく、tは界磁部における反対極性の2つの隣り合う磁石の中心間の距離に等しいことを特徴とする積層部。
  5. 前記tがほぼtに等しいことを特徴とする請求項4に記載の積層部。
  6. 前記tと前記tと積層部の長さは、前記積層部の極ピッチでカバーされる界磁部の磁石数に端数が出るような寸法であることを特徴とする請求項4に記載の積層部。
  7. リニアブラシレスDCモータであって、
    複数の極を規定する移動方向に位置する交番極性の複数の磁石を有する界磁部と、
    複数の巻線及び積層部を有する電機子部とを具備し、
    前記積層部は、
    ベース部と、
    該ベース部から突き出しその周りに巻線を収納することができる複数の歯であって、前記積層部における移動方向の一方の端部に位置する第1の端歯と、前記積層部における移動方向の他の端部に位置する第2の端歯とを有する複数の歯と、を具備し、
    前記第1の端歯と前記第2の端歯とはウェッジ形状に形成され、さらに前記積層部は、移動方向に約(N+1/2)×tの一様な長さを有し、ここで、Nは電機子の下にある極数に等しく、tは界磁部における反対極性の2つの隣り合う磁石の中心間の距離に等しいことを特徴とするリニアブラシレスDCモータ。
  8. 前記複数の歯はtより小さい所定のピッチtで隔てられていることを特徴とする請求項7に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  9. とtとは、前記積層部が前記モータが動く範囲で実質的に同じ複数の磁石の領域をカバーするように選定されていることを特徴とする請求項8に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  10. とtとは、前記モータが動く範囲でどの位置においても前記複数の磁石の少なくとも1つは前記複数の歯の1つ以下の領域でしかカバーされないよう選定されていることを特徴とする請求項8に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  11. 前記前記第1の端歯と前記第2の端歯とは前記ベースと平行な断面が、移動方向に平行な底辺と該底辺の反対側に頂点を持つ直角三角形の形状を持ち、前記底辺が実質的にtの長さに等しいことを特徴とする請求項8に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  12. 前記前記第1の端歯と前記第2の端歯とを除く前記複数の歯は、前記ベースと平行な断面が、前記前記第1の端歯と前記第2の端歯のうちの1つの面積と実質的に等しいことを特徴とする請求項11に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  13. 前記積層部の内側の歯は、断面幅がtの約2分の1であり、前記複数の磁石は、断面幅がttにほぼ等しいがtより大きいことを特徴とする請求項8に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  14. 前記積層部はN+1の歯を有することを特徴とする請求項7に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  15. 前記複数の歯は、移動方向を横切る方向に平行な面を持ち所定の高さを有し、さらに前記前記第1の端歯と前記第2の端歯は、移動方向に対して斜めになっていて前記平行な面の高さより所定の高さだけ低い高さの面を少なくとも1つ有することを特徴とする請求項7に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  16. 前記前記第1の端歯と前記第2の端歯の各々のベースから移動方向に突き出た厚さXの段差を有することを特徴とする請求項15に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  17. 移動方向に前記積層部の長さより実質的に長く、ダブテール構造により前記積層部と結合される単一の取り付けブラケットであって、該単一の取り付けブラケットは前記リニアブラシレスDCモータの取り付け穴を設けるのに適合していることを特徴とする請求項7に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  18. とtとの比が7:8であることを特徴とする請求項8に記載のリニアブラシレスDCモータ。
  19. 前記複数の歯は、極ピッチより小さい所定のピッチtでお互いに隔てられ、前記極ピッチは、界磁部における反対極性の2つの隣り合う磁石の中心間の距離に等しいことを特徴とする請求項1に記載の電機子部。
  20. と極ピッチとは、前記積層部が前記モータが動く範囲で実質的に同じ界磁部における複数の磁石の領域をカバーするように選定され、前記極ピッチは前記界磁部における反対極性の2つの隣り合う磁石の中心間の距離に等しいことを特徴とする請求項1に記載の電機子部。
  21. と前記極ピッチとは、前記モータが動く範囲でどの位置においても前記複数の磁石の少なくとも1つは前記複数の歯の1つ以下の領域でしかカバーされないよう選定されていることを特徴とする請求項19に記載の電機子部。
  22. 前記前記第1の端歯と前記第2の端歯とは前記ベースと平行な断面が、移動方向に平行な底辺と該底辺の反対側に頂点を持つ直角三角形の形状を持ち、前記底辺が実質的に前記極ピッチの長さに等しいことを特徴とする請求項19に記載の電機子部。
  23. 前記前記第1の端歯と前記第2の端歯とを除く前記複数の歯は、前記ベースと平行な断面が、前記前記第1の端歯と前記第2の端歯のうちの1つの面積と実質的に等しいことを特徴とする請求項22に記載の電機子部。
  24. 前記積層部の内側の歯は、断面幅が前記極ピッチの約2分の1であり、前記複数の磁石は、断面幅がtにほぼ等しいがtより大きいことを特徴とする請求項19に記載の電機子部。
  25. 前記積層部はN+1の歯を有することを特徴とする請求項3に記載の電機子部。
  26. 前記複数の歯は、移動方向を横切る方向に平行な面を持ち所定の高さを有し、さらに前記前記第1の端歯と前記第2の端歯は、移動方向に対して斜めになっていて前記平行な面の高さより所定の高さだけ低い高さの面を少なくとも1つ有することを特徴とする請求項1に記載の電機子部。
  27. 前記前記第1の端歯と前記第2の端歯の各々のベースから移動方向に突き出た厚さXの段差を有することを特徴とする請求項26に記載の電機子部。
  28. 移動方向に前記積層部の長さより実質的に長く、ダブテール構造により前記積層部と結合される単一の取り付けブラケットであって、該単一の取り付けブラケットは前記リニアブラシレスDCモータの取り付け穴を設けるのに適合していることを特徴とする請求項1に記載の電機子部。
  29. と前記極ピッチとの比が7:8であることを特徴とする請求項19に記載の電機子部。
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