CN101803161B - 线性电动机以及降低线性电动机的齿槽效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能降低齿槽效应的线性电动机及降低线性电动机的齿槽效应的方法。线性电动机具有：以N极和S极交替形成的方式排列多个永久磁铁(21)的励磁部(5)；与励磁部(5)对置配置且具有多个凸极(14a)、(14b)、(14c)的芯(14)；缠绕在芯(14)的多个凸极(14a)、(14b)、(14c)上的三相线圈(16)。在由三相线圈(16)和芯(14)构成的电枢(10)的移动方向的两侧，以夹住电枢(10)的方式设置由磁性材料构成的辅助芯(18)。从辅助芯(18)的中心到中央凸极(14b)的中心为止的距离(P1)被设定为励磁部(5)的N极-N极间的磁极间距的实质上1/4×(2N+1)倍(N：1以上的正整数)。

Description

线性电动机以及降低线性电动机的齿槽效应的方法

技术领域

本发明涉及使动子相对于定子直线运动的线性电动机，特别涉及为了降低线性电动机的齿槽效应(cogging)而设置了辅助芯的线性电动机以及降低线性电动机的齿槽效应的方法。 

背景技术

线性电动机使动子相对于定子直线运动。在线性电动机的定子中排列有多个永久磁铁以便交替地形成N极和S极的磁极。在定子上隔着间隙配置动子。动子的直线运动通过直线引导部件、轴承等引导装置被引导，以使定子与动子之间的间隙保持恒定。 

在动子中设置与永久磁铁对置设置的磁性材料芯。芯具有向励磁部突出的多个凸极。在多个凸极上缠绕U、V、W相的三相线圈。如果在U、V、W相的三相线圈中流过具有120度的相位差的三相交流电流，则在三相线圈中产生移动磁场。永久磁铁产生的磁场和三相线圈产生的移动磁场发生作用，从而动子进行直线运动。 

为了增强线圈产生的磁场而设置芯。芯由硅钢等磁性材料制成。因此，即使在线圈中不流过电流的状态下，芯的凸极与永久磁铁之间也产生磁性吸引力。在动子沿着定子移动时，芯的凸极由于磁性吸引力被吸引到前方的永久磁铁，或被吸引回后方的永久磁铁。因此，施加到动子上的磁性吸引力按照永久磁铁的每个磁极间距周期性地变化。该吸引力的周期性变动被称为齿槽效应。即使在线圈中流过电流，也残留有齿槽效应，作为干扰发生作用。 

作为消除齿槽效应的对策，如图11所示，在动子的芯1的移动方向的两端设置由磁性材料构成的辅助磁极2a、2b的线性 电动机为人所知(参照专利文献1或专利文献2)。在该线性电动机中，辅助磁极2a、2b是为了增强芯1的移动方向的两端的凸极1a、1b的磁通而设置的。如果不设置辅助磁极2a、2b，则两端的凸极1a、1b的磁路变得难以形成，两端的凸极1a、1b的磁通与中央的凸极1c的磁通相比变弱。如果两端的凸极1a、1b的磁通变弱，则会产生与在中央的凸极1c中生成的磁通不均衡的问题，因此发生齿槽效应。为了增强两端的凸极1a、1b的磁通来消除不均衡的问题，辅助磁极2a、2b被设置。 

专利文献1：JP实公平7-53427号公报 

专利文献1：JP特开昭55-68870号公报 

但是，在为了增强芯的两端的凸极的磁通而设置辅助芯时，由于新设置的辅助芯会产生齿槽效应。为了降低辅助芯的齿槽效应，需要采用新的齿槽效应对策。如上所述，由于以往的降低齿槽效应的方法涉及各种各样的因素，因此，难以作为通用的齿槽效应的对策。 

本发明的发明人注意到：芯的中央的凸极的磁性电阻低，磁通容易通过，芯整体产生的齿槽推力的波形(在横轴上取芯的相位、在纵轴上取齿槽推力的波形，参照图7)与在中央的凸极上产生的齿槽推力的波形同步。并且，本发明的发明人发现：如果在辅助芯产生将在中央的凸极产生的齿槽推力的波形消除的波形的齿槽推力，则可以降低芯整体的齿槽推力。 

发明内容

本发明正是基于该发现而作出的，其目的是：提供一种可以降低齿槽效应的新型线性电动机以及降低线性电动机的齿槽效应的方法。 

用于解决上述课题的技术方案1所述的发明为线性电动机，具有：以N极和S极交替形成的方式排列多个永久磁铁的励磁部；与上述励磁部相置设置且具有多个凸极的芯；和缠绕在上述芯的多个凸极上的三相线圈，在该线性电动机中，包括上述三相线圈 和上述芯的电枢能够与上述励磁部相对地直线运动，在该线性电动机中，在上述电枢的相对移动方向上的上述电枢的至少一侧设置由磁性材料构成的辅助芯，上述电枢的相对移动方向上的、从上述辅助芯的中心到上述多个凸极中的中央凸极的中心为止的距离被设定为：上述励磁部的N极-N极间的磁极间距的实质上1/4×(2N+1)倍(N：1以上的正整数)。 

技术方案2所述的发明具有以下特征：在技术方案1所述的线性电动机中，上述辅助芯和上述芯为不同的部件，以便能在上述芯和上述辅助芯之间空出间隙，或将非磁性材料介于它们之间。 

技术方案3所述的发明具有以下特征，在技术方案1或2所述的线性电动机中，上述辅助芯的前端部在上述移动方向上的厚度比其基部在上述移动方向上的厚度薄。 

技术方案4所述的发明具有以下特征，在技术方案3所述的线性电动机中，上述辅助芯的前端部在面对上述芯一侧被切掉一部分，以使上述移动方向上的厚度变薄。 

技术方案5所述的发明具有以下特征，在技术方案1到4的任意一项所述的线性电动机中，在上述电枢的上述移动方向的两侧，以夹持上述电枢的方式设置上述辅助芯。 

技术方案6所述的发明具有以下特征，在技术方案1到4的任意一项所述的线性电动机中，上述三相线圈是在排列于上述移动方向上的3个凸极上缠绕了U、V以及W相的线圈的一组三相线圈，上述中央凸极是上述3个凸极中的上述移动方向上的中央的凸极。 

技术方案7所述的发明为线性电动机，具有：以N极和S极交替形成的方式排列多个永久磁铁的励磁部；与上述励磁部对置设置且具有多个凸极的芯；缠绕在上述芯的多个凸极上的三相线圈；和辅助芯，其设置在包括上述三相线圈和上述芯的电枢的相对移动方向上的上述电枢的至少一侧，并由磁性材料构成，在该线性电动机中，包括上述三相线圈和上述芯的电枢能够与上述励 磁部相对地直线运动，在该线性电动机中，上述辅助芯和上述芯为不同的部件，以便能在上述芯和上述辅助芯之间空出间隙，或将非磁性材料介于它们之间。 

技术方案8所述的发明为降低线性电动机的齿槽效应的方法，在上述线性电动机中，与以N极和S极交替形成的方式排列多个永久磁铁的励磁部相对置地配置具有多个凸极的芯，在上述芯的多个凸极上缠绕三相线圈，在包括上述三相线圈和上述芯的电枢相对于上述励磁部进行相对移动的方向上的、上述电枢的至少一侧，设置由磁性材料构成的辅助芯，在上述降低线性电动机的齿槽效应的方法中，设置上述辅助芯，以使上述电枢的相对移动方向上的、从上述辅助芯的中心到上述多个凸极中的中央凸极的中心为止的距离为上述励磁部的N极-N极间的磁极间距的实质上1/4×(2N+1)倍(N：1以上的正整数)。 

(发明效果) 

根据技术方案1所述的发明，由于将辅助芯配置在离中央凸极实质上磁极间距×1/4的奇数倍的位置上，所以，可以在辅助芯产生消除由中央凸极产生的齿槽推力的齿槽推力。因此，能降低芯整体的齿槽效应。 

根据技术方案2所述的发明，由于在芯和辅助芯之间空出间隙，或使非磁性材料介于它们之间，所以可以防止由芯的两端的凸极和辅助芯形成磁路。因此，可以减少提高芯的两端的凸极的磁通的以往的齿槽效应对策的影响，能确实降低齿槽效应。另外，芯和辅助芯为不同的部件，所以，在制造的辅助芯的尺寸出现设计值上的误差的情况下，或在定子和动子之间除了构成线性电动机的部件之外还设置其他产生齿槽效应的部件的情况下，也无需再制作制造工艺复杂的芯，仅通过辅助芯的变更即可应对。 

根据技术方案3所述的发明，通过将辅助芯和中央凸极的间距保持为恒定，可以将辅助芯与芯拉开距离。因此，可以防止由芯的两端的凸极和辅助芯形成磁路。另外，由于基部比前端部还厚，所以可以很容易地将辅助芯安装在工作台等上。而且，由于 可以降低施加在辅助芯上的吸引力，所以，可以降低对动子的直线运动进行引导的引导部分的负担。 

根据技术方案4所述的发明，通过在芯的两端的凸极和辅助芯之间设置间隙，可以缩短包括辅助芯的芯整体的长度。 

根据技术方案5所述的发明，通过设置在电枢的两侧的辅助芯，可以均衡地降低由中央凸极产生的齿槽推力。 

根据技术方案6所述的发明，可以有效地降低3个凸极中的中央的凸极的齿槽推力。 

根据技术方案7所述的发明，由于在芯和辅助芯之间空出间隙，或使非磁性材料介于它们之间，所以可以防止由芯的两端的凸极和辅助芯形成磁路。因此，可以减少提高芯的两端的凸极的磁通的以往的齿槽效应对策的影响，能确实降低齿槽效应。另外，芯和辅助芯为不同的部件，所以，在制造的辅助芯的尺寸出现设计值上的误差的情况下，或在定子和动子之间除了构成线性电动机的部件之外还设置其他产生齿槽效应的部件的情况下，也无需再制作制造工艺复杂的芯，仅通过辅助芯的变更即可应对。 

根据技术方案8所述的发明，由于将辅助芯配置在离中央凸极实质上磁极间距×1/4的奇数倍的位置上，所以，可以在辅助芯产生消除由中央凸极产生的齿槽推力。因此，能降低芯整体的齿槽效应。 

附图说明

图1是本发明的一个实施方式中的线性电动机的立体图(包括一部分工作台的剖视图)。 

图2是线性电动机的正视图。 

图3是沿着电枢的移动方向的剖视图。 

图4是辅助芯的详细图(图中(a)表示俯视图，(b)表示侧视图)。 

图5是励磁部的立体图。 

图6是励磁部的俯视图。 

图7是表示凸极处产生的齿槽推力的图表。 

图8是表示芯整体产生的齿槽推力和辅助芯产生的齿槽推力的图表。 

图9是表示中央的W相的凸极的中心到辅助芯的中心为止的距离P1与励磁部的N极-N极之间的磁极间距的关系的图。 

图10是比较在安装辅助芯前后的齿槽效应的图表(图中(a)是安装辅助芯之前，(b)是安装辅助芯之后)。 

图11是表示实施了以往的齿槽效应对策的线性电动机的概略图。 

符号说明： 

5…励磁部 

10…电枢 

14…芯 

14a、14b、14c…各凸极 

14b…中央凸极 

16…三相线圈 

18a…辅助芯的基部 

18b…辅助芯的前端部 

18…辅助芯 

21…永久磁铁 

P1…从辅助芯的中心到中央凸极的中心为止的距离 

P2…励磁部的N极-N极之间的磁极间距 

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1表示本发明的一个实施方式中的线性电动机的立体图(包括工作台的剖视图)，图2表示正视图。在细长延伸的基台4上安装线性电动机的定子即励磁部5。在基台4上安装引导工作台3的直线运动的直线引导部件9。工作台3安装在直线引导部件9的移动块7的上面。在工作台3的下面，在左右的直线引导部件9之间 吊挂作为线性电动机的动子的电枢10。如图2的正视图所示，在励磁部5和电枢10之间设置间隙g。与工作台3的移动无关，直线引导部件9将该间隙g保持为恒定。 

基台4由底壁部4a和设置在底壁部4a的宽度方向的两侧的一对侧壁部4b构成。在底壁部4a的上面安装励磁部5。在侧壁部4b的上面安装直线引导部件9的轨道导轨8。在轨道导轨8上能滑动地安装移动块7。将多个小球以能滚动运动的方式介于轨道导轨8与移动块7之间(图中没有显示)。在移动块7中设置用于使多个小球循环的电路状的小球循环路径。如果移动块7相对于轨道导轨8滑动，则多个小球在它们之间进行滚动运动，或多个小球在小球循环路径中循环。因此，移动块7相对于轨道导轨8能进行顺利的滑动。 

在直线引导部件9的移动块7的上面设置工作台3。工作台3由例如铝等非磁性材料制成。在工作台3上安装移动对象。在工作台3上安装检测工作台3相对于基台4的位置的线纹尺(linear scale)等的位置检测单元12。位置检测单元12检测出的位置信号被发送到驱动线性电动机的驱动器中。驱动器控制提供给电枢10的电流，以使工作台3按照来自上位的控制器的位置指令移动。 

图3表示沿着电枢10的移动方向的剖视图。在工作台3的下面隔着绝热材料13安装电枢。电枢10由用硅钢等磁性材料制成的芯14和缠绕在芯14的凸极14a、14b、14c上的三相线圈16构成。芯14由安装在工作台3的下面的基部板14d和从基部板14d向下方向突出的梳子状的凸极14a、14b、14c构成。凸极14a、14b、14c的个数为3的倍数，在该实施方式中为3个。凸极14a、14b、14c在电枢10的移动方向上保持恒定的间距排列。在3个凸极14a、14b、14c上分别缠绕U、V、以及W相中的任意一个的线圈16a、16b、16c。在三相线圈16中流过具有120度的相位差的三相交流电流。将三相线圈16缠绕在凸极14a、14b、14c上之后，三相线圈16被树脂密封。 

在工作台3的下面以夹住电枢10的方式安装一对辅助芯18。辅助芯18和电枢10的芯14为不同的部件。并且，在辅助芯18与芯14之间空出间隙W。辅助芯18由普通构造用压延钢、硅钢等磁性材料制成。由于辅助芯18上没有缠绕线圈，所以，辅助芯18不作为电磁铁发挥功能。 

图4表示辅助芯18的详细图。图中的(a)表示辅助芯18的俯视图，(b)表示辅助芯18的侧视图。辅助芯18整体上形成大致板状。辅助芯18的横宽与芯14的横宽大致相等。辅助芯18由安装在工作台3上的基部18a和靠近励磁部5的前端部18b构成。在基部18a上加工用于将辅助芯18安装在工作台3上的螺孔18c。与前端部18b的电枢10相面对的一侧在宽度方向的全长上被切取一部分。由于该切取部分18d，前端部18b的厚度变得比基部18a的厚度还薄。 

如图3所示，通过在芯14与辅助芯18之间空出间隙W，能够防止由芯14的两端的凸极14a、14c和辅助芯18形成磁路。因此，可以减少提高芯14的两端的凸极14a、14c的磁通的以往的降低齿槽效应的方法的影响。 

另外，通过使辅助芯18的前端部变细，并将辅助芯18与中央的凸极14b的间距P 1保持为恒定，能够尽可能地使辅助芯18远离芯14。因此，能进一步防止由芯14的两端的凸极14a、14c和辅助芯18形成磁路。 

图5表示安装在基台4的上面的励磁部5。励磁部5由薄板状的磁轭20和在磁轭20上排成一列的多个永久磁铁21构成。永久磁铁21是保磁力高的钕磁铁等的稀土类磁铁。在板状的永久磁铁21的表面侧形成N极或S极中的一极，在背面侧形成剩下的另一极。多个永久磁铁21排列在磁轭20上，以便在长度方向上交替地形成N极和S极。 

磁轭20由普通构造用压延钢、硅钢等的磁性材料构成。磁轭20形成在细长的板上。固定在磁轭20上的永久磁铁21被盖板22(两点划线)所覆盖。盖板22也通过粘结等被固定在磁轭 20上。固定了永久磁铁21以及盖板22的磁轭20通过螺栓23等的固定单元被安装在基台4上。励磁部5被单元化，按照基台4的长度被单元化的多个励磁部5被安装在基台4上。固定了励磁部5的基台4通过螺栓24等的固定单元被固定在图中未显示的平板等上。 

图6表示励磁部5的平视图。在该实施方式中，永久磁铁21的平面形状形成平行四边形。从N极的永久磁铁21a的中心到N极的永久磁铁21a的中心为止的距离是励磁部5的N极-N极间的磁极间距P2。毋庸置疑，励磁部的N极-N极间的磁极间距P 2为N极-S极间的磁极间距P 3的2倍，等于S极-S极间的磁极间距。 

根据图7到图9对本发明的降低齿槽效应的方法进行说明。当由磁性材料构成的芯14在励磁部5的永久磁铁21上移动时，在永久磁铁21与芯14之间产生磁性吸引力。磁性吸引力中，在电枢10的移动方向上产生的分量与齿槽效应有关。与电枢10的移动方向正交的分量(垂直方向的吸引力)被直线引导部件9接收，与齿槽效应无关。 

当在三相线圈16中不流过电流的状态下，使电枢10相对于励磁部5直线移动时，芯14的凸极14a、14b、14c被移动方向的前方的永久磁铁21吸引，或被后方的永久磁铁21吸引。该吸引力的周期性变动即为齿槽效应。 

图7的图表表示在将电枢10从电角度-180度移动到0度(N极-N极间的磁极间距的1/2)时，在各凸极14a、14b、14c上产生的齿槽推力。U、V以及W相的凸极14a、14b、14c上产生的齿槽推力与流过U、V以及W相的三相线圈的电流同样，成错开120度相位的正弦曲线波形。如果三个正弦曲线的振幅相同，则将3个凸极14a、14b、14c的齿槽推力合计的芯整体的齿槽推力与电枢10的位置无关，总是为0。即，不会产生齿槽效应。 

但是，中央的W相的凸极14b的磁阻最低，磁通容易通过。如果比较U、V以及W相的凸极的齿槽推力，则中央的W相的凸极14b的齿槽推力最大，两端的凸极14a、14c的齿槽推力小。 因此，芯整体的齿槽推力与中央的W相的凸极14b的齿槽推力同步产生。如果可以在辅助芯18产生消除W相的凸极的齿槽推力的齿槽推力，则可以降低芯整体的齿槽推力。 

图8的图表表示芯整体中产生的齿槽推力的波形与辅助芯18中产生的齿槽推力的波形的比较。辅助芯(1)以及(2)中产生的齿槽推力的波形，与在芯整体中产生的齿槽推力的波形相比，其相位在电角度上错开90度，成为降低芯整体的齿槽推力的波形。并且，将辅助芯(1)以及(2)的波形合计的齿槽推力的波形成为将芯整体的波形反转后的波形。因此，将芯整体和辅助芯(1)以及(2)合计后的齿槽推力与电枢10的电角度无关，总是接近于0。 

在此，为了在辅助芯18中产生消除芯整体的齿槽推力的齿槽推力，将中央的W相的凸极14b的相位与辅助芯18的相位错开电角度90度即可。即，如图9所示，中央的W相的凸极14b的中心到辅助芯18的前端部18b的中心为止的距离P 1是励磁部5的N极-N极间的磁极间距P 2的1/4×奇数倍即可。在设定为磁极间距的1/4×偶数倍的情况下，辅助芯18的齿槽推力会增强W相的凸极14b的齿槽推力。 

并且，根据实际的齿槽效应的产生状况或辅助芯18的安装空间的不同，可以将W相的凸极14b的中心到辅助芯18的中心为止的距离P 1从磁极间距的1/4×奇数倍稍微错开。实质上，之所以设置为磁极间距×1/4的奇数倍是因为也包含了这种情况。 

实施例

采用了励磁部5的N极-N极间的磁极间距为39mm的线性电动机。如果应用图9所示的公式，则W相的凸极14b的中心到辅助芯18的中心为止的距离P1为39×(1/4)×5＝48.75mm。实际上，在39×(1/4)×4.8＝46.80mm的位置上配置了辅助芯18。然后，对安装辅助芯18的前后产生的齿槽效应进行了比较。 

图10表示齿槽效应的比较结果。图中上段表示安装辅助芯18前的齿槽效应，图中下段表示安装辅助芯18后的齿槽效应。 通过安装辅助芯18，能够将齿槽推力从11.4N降低到5.86N，降幅了约50％。 

并且，本发明不局限于上述实施方式，在不改变本发明宗旨的范围内，可以实现各种实施方式。例如，可以设置2组3个为一组的凸极、即合计6个凸极。在这种情况下，由于中央凸极变为2个，所以，中央凸极的中心成为2个中央凸极的中心。在设置合计9个凸极的情况下，从一端开始第5个凸极为中央凸极。 

另外，辅助芯可以不设置在电枢的两侧，而只设置在一侧。辅助芯的前端部可以不变细，而是从基部到前端部的截面不发生变化的笔直状态。在辅助芯与芯之间，也可以设置非磁性材料来代替间隙。辅助芯也可以不用安装在工作台的下面一侧，而安装在工作台的侧面一侧。 

而且，虽然在上述实施方式中，作为动子的电枢移动，作为定子的励磁部被固定，但也可以是励磁部移动，电枢被固定。 

本说明书是根据2007年9月14日申请的JP特愿2007-240143而撰写的。其内容都包含在此。 

Claims (7)

1.一种线性电动机，具有：

以N极和S极交替形成的方式排列多个永久磁铁的励磁部；

与上述励磁部对置设置且具有多个凸极的芯；和

缠绕在上述芯的多个凸极上的三相线圈，

在该线性电动机中，包括上述三相线圈和上述芯的电枢能够与上述励磁部相对地直线运动，

该线性电动机的特征在于，

在上述电枢的相对移动方向上的上述电枢的至少一侧设置由磁性材料构成的辅助芯，

上述电枢的相对移动方向上的、从上述辅助芯的中心到上述多个凸极中的中央凸极的中心为止的距离被设定为：上述励磁部的N极-N极间的磁极间距的实质上1/4×(2N+1)倍，其中N为1以上的正整数。

2.根据权利要求1所述的线性电动机，其特征为：

上述辅助芯和上述芯为不同的部件，以便能在上述芯和上述辅助芯之间空出间隙，或将非磁性材料介于它们之间。

3.根据权利要求1或2所述的线性电动机，其特征为：

上述辅助芯的前端部在上述移动方向上的厚度比其基部在上述移动方向上的厚度薄。

4.根据权利要求3所述的线性电动机，其特征为：

上述辅助芯的前端部在面对上述芯的一侧被切掉一部分，以使上述移动方向上的厚度变薄。

5.根据权利要求1至4的任意一项所述的线性电动机，其特征为：

在上述电枢的上述移动方向的两侧，以夹持上述电枢的方式设置上述辅助芯。

6.根据权利要求1至4的任意一项所述的线性电动机，其特征为：

上述三相线圈是在排列于上述移动方向上的3个凸极上缠绕U、V以及W相的线圈的一组三相线圈，

上述中央凸极是上述3个凸极中的上述移动方向上的中央的凸极。

7.一种降低线性电动机的齿槽效应的方法，在上述线性电动机中，与以N极和S极交替形成的方式排列多个永久磁铁的励磁部相对置地配置具有多个凸极的芯，在上述芯的多个凸极上缠绕三相线圈，在包括上述三相线圈和上述芯的电枢相对于上述励磁部进行相对移动的方向上的、上述电枢的至少一侧，设置由磁性材料构成的辅助芯，

在上述降低线性电动机的齿槽效应的方法中，

设置上述辅助芯，以使上述电枢的相对移动方向上的、从上述辅助芯的中心到上述多个凸极中的中央凸极的中心为止的距离为上述励磁部的N极-N极间的磁极间距的实质上1/4×(2N+1)倍，其中，N为1以上的正整数。

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