CN102214983B - 直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直线电机，该直线电机降低了在电枢的磁极间产生的泄漏磁通，实现了高推力。本发明的直线电机包含：磁极齿，以夹住并保持配置于可动部件中的永磁铁的方式配置；铁芯，将夹住并保持磁铁的磁极齿连续地连接；绕组，一起卷绕在多个铁芯上；以及可动部件，将磁铁的磁极表背交互地排列。具有以夹住并保持永磁铁的方式配置的磁极齿以及将保持磁铁的磁极齿连续地连接的铁芯的磁极，沿着可动部件的长度方向配置有多个，在多个磁极上配置有共用的绕组。而且，通过将配置了多个的磁极的极性设为同一的极性，降低磁极间的泄漏磁通。

Description

直线电机

技术领域

本发明涉及一种产生推力的直线电机。

背景技术

以往的具有推力产生机构的直线电机制成将转子切开而成的形状，在由磁铁列组成的可动部件和电枢之间作用大的吸引力。在专利文献1中公开了为了抵消磁吸引力而交互地配置了具有第一极性和第二极性的磁极的直线电机。在以往的技术中，在如专利文献1的图4所示那样在可动部件的行进方向上排列的磁极中，相邻的磁极具有不同的极性。

专利文献1：日本特开2001-028875号公报

发明内容

(发明要解决的问题)

在以往的技术中，对于在可动部件的行进方向上排列的磁极齿，由于在相邻的磁极齿彼此之间具有不同的极性，所以除了本来为了得到推力而需要的可动部件对永磁铁交链的磁通之外，存在在相邻的磁极中磁通泄漏、推力降低的缺点。

而且，在为了得到高推力而缩小磁铁与磁铁在可动部件的行进方向上的间距的情况下，成为泄漏磁通进一步增大、推力降低了的结构。

本发明是为了解决这些缺点而完成的，其目的在于提供一种降低相邻的磁极间的泄漏磁通、实现了高推力的直线电机。

(解决问题的方案)

为了解决上述问题，本发明提供一种直线电机，由磁极和绕组构成的电枢与具有永磁铁的可动部件能够相对地移动，该直线电机的特征在于，所述磁极具有在永磁铁的两侧隔着空隙而相对置地配置的磁极齿，具有将隔着空隙而相对置地配置的磁极齿连接的铁芯，且在可动部件的行进方向上具有多个所述磁极，由配置在电枢上的绕组所产生的磁通在多个磁极中具有相同的极性，多个相对置地配置的磁极齿单独构成，能够针对每个相对置地配置的磁极齿使磁极齿间的距离可变。

另外，为了解决上述问题，本发明提供一种直线电机，由磁极和绕组构成的电枢与具有永磁铁的可动部件能够相对地移动，该直线电机的特征在于，所述磁极具有在永磁铁的两侧隔着空隙而相对置地配置的磁极齿，具有将隔着空隙而相对置地配置的磁极齿连接的铁芯，且在可动部件的行进方向上具有多个所述磁极，由配置在电枢上的绕组所产生的磁通在多个磁极中具有相同的极性，多个相对置地配置的磁极齿由在可动部件的行进方向上层叠的部件构成。

另外，为了解决上述问题，本发明提供一种直线电机，由磁极和绕组构成的电枢与具有永磁铁的可动部件能够相对地移动，该直线电机的特征在于，所述磁极具有在永磁铁的两侧隔着空隙而相对置地配置的磁极齿，具有将隔着空隙而相对置地配置的磁极齿连接的铁芯，且在可动部件的行进方向上具有多个所述磁极，由配置在电枢上的绕组所产生的磁通在多个磁极中具有相同的极性，设磁铁间距为P，配置成针对成为基准的磁极齿使磁极齿间的间隔成为2nP±P/2的范围。

另外，为了解决上述问题，本发明提供一种直线电机，由磁极和绕组构成的电枢与具有永磁铁的可动部件能够相对地移动，该直线电机的特征在于，所述磁极具有在永磁铁的两侧隔着空隙而相对置地配置的磁极齿，具有将隔着空隙而相对置地配置的磁极齿连接的铁芯，且在可动部件的行进方向上具有多个所述磁极，由配置在电枢上的绕组所产生的磁通在多个磁极中具有相同的极性，针对每个相对置地配置的磁极齿使磁极齿间的距离可变，配置在电枢上的一个或多个绕组在空隙中产生同一方向的磁通。

而且，本发明提供一种直线电机，其特征在于，相对于可动部件的行进方向并列地配置了多个电枢。

而且，本发明提供一种直线电机，其特征在于，配置了多个可动部件。

而且，本发明提供一种直线电机，其特征在于，连结了多个可动部件。

而且，本发明提供一种直线电机，其特征在于，相对于可动部件的行进方向并列地配置有多个与磁铁相对置地配置的磁极齿，在各个磁极齿的空隙中配置了具有永磁铁的可动部件。

而且，本发明提供一种直线电机，其特征在于，连结了配置在多个磁极齿的空隙中的可动部件。

而且，本发明提供一种直线电机，其特征在于，在多个电枢之间具备可动部件的支撑机构。

在本发明的直线电机中，通过这样构成，无论流过绕组的电流值的正负，相邻的磁极都具有相同的极性。由此，在可动部件的行进方向上排列的磁极齿成为相同的极性，能够减小磁通向可动部件的行进方向的泄漏。而且，在可动部件的行进方向上相邻的磁极的极性相同，因此即使缩小极间距也几乎没有泄漏磁通，通过缩小极间距来加大推力，能够为了降低推力脉动而自由地调整磁极位置。

(发明效果)

根据本发明，能够实现提供降低了泄漏磁通的、高效率的直线电机。

另外，根据本发明，能够实现提供降低了推力脉动的直线电机。

附图说明

图1示出本发明的实施例1。

图2示出图1的实施例1的详细结构。

图3示出实施例1的剖面图。

图4示出实施例1的详细结构。

图5示出实施例1的三相驱动的直线电机。

图6示出图5的直线电机的YZ平面的剖面。

图7示出本发明的实施例2。

图8示出图7的拆分图。

图9示出本发明的实施例2的详细结构。

图10示出本发明的实施例3。

图11示出本发明的推力和推力的2次谐波分量的变化。

图12示出本发明的实施例4。

图13示出本发明的实施例5。

图14示出图13的详细结构。

图15示出图14的直线电机的YZ平面的剖面。

图16示出本发明的实施例6。

图17示出图16的直线电机的垂直剖面。

图18示出图16的长度方向的剖面图。

图19示出图16的长度方向的剖面图。

图20示出实施例6的详细结构。

图21示出实施例6的详细结构。

图22示出电枢的详细结构。

图23示出从图22的行进方向看到的视图。

图24示出图16的变形例。

图25示出从图24的行进方向看到的视图。

图26示出本发明的实施例7。

图27示出实施例7的详细结构。

图28示出从图26的行进方向看到的视图。

图29示出图27的变形例。

图30示出从图29的行进方向看到的视图。

(附图标记说明)

1：磁极齿；2：铁芯；3：磁极；4：磁铁；5：绕组；6：磁极壳体；10：连结部件；11：电枢；12：支撑部件；13：磁极保持部件

具体实施方式

下面，使用附图说明本发明的一个实施例。

(实施例1)

示出本发明的实施方式。在图1中示出构成本发明的电枢的磁极3和磁铁4的关系。针对以磁铁4的N-S成为交互的方式排列的磁铁列，以将磁铁4夹住的方式在上下设有磁极齿1。上下的磁极齿1和连接磁极齿的铁芯2构成磁极3。在图1中示出磁极3是两个的情况，但是磁极的数量并不限于该数量。

图2是在示出了磁极3和磁铁4的关系的图1中包含所组合的绕组5而示出的图。在多个磁极3的磁极齿的部分配置有共用绕组5。图2为在上下的磁极齿上分别配置了绕组5的图。即使磁极数增加的情况下，同样能够在磁极齿的部分共用地卷绕绕组。由多个磁极3和绕组5构成电枢11。如果将该电枢11以多个排列，例如是三相驱动，则相对于磁铁的行进方向磁铁的间距为P，设定2P/3的相位差而设置三个电枢11，由此能够构成三相的直线电机。

图3是图2的以磁铁4的排列方向为基准的剖面图。卷绕有以夹住磁铁4的方式配置的磁极齿1a、1b、1c、1d的部分的共用的绕组5，各个磁极3通过在绕组5中流过电流而在磁极齿上产生磁性。例如，如果在绕组5中流过电流而在上面的磁极齿1a上产生N极时，则在下侧的磁极齿1c上产生S极。此时，在上面的磁极齿1a的相邻的磁极齿1b上也产生N极，在下面的磁极齿1d上产生S极。此时，相邻的磁极齿1a和磁极齿1b具有相同的极性，因此几乎不产生磁极齿1a和磁极齿1b之间的泄漏磁通。因而，由电流产生的磁通能够从磁极齿1a贯通磁铁而向磁极齿1c过渡。另外，来自相邻的磁极齿1b的磁通能够贯通磁铁而向磁极齿1d过渡。

图4为从斜侧面看电枢11的图。示出对于构成电枢11的磁极3能够任意变更相邻磁极3彼此之间的间隔的结构。例如，通过改变磁极3的间隔，能够控制推力的脉动、在磁极3和磁极4之间产生的力(一般称作磁阻力(detent force))。

关于磁极3的间隔，通过利用非磁体的部件来固定各个磁极3的位置，能够调整它们之间的位置。

在图5中示出使用三个在图1至图4中说明的电枢来构成三相驱动的直线电机的例子。在各相的电枢11a、11b、11c中设置各自的绕组5a、5b、5c。通过在各相的绕组中流过按每120°电角度相位偏移的电流，在由多个磁铁4构成的磁铁列中产生Z方向的推力。此时，各相的电枢11a、11b、11c按每个电角度成为120°的方式配置。

在图6中示出图5所示的三相驱动的直线电机的YZ平面的剖面图。配置成在将磁铁的间距P设为电角度180°的情况下，此时的电枢间的相位差θ成为120°。同样地，在V相电枢11b和W相电枢11c间也是电角度120°。在图6所示的例子中，由每120°相位偏移的U相、V相、W相构成，但是即使将W相的反相配置在U相和V相之间，也能够构成三相直线电机。此时的电枢的配置成为U相、W相的反相、V相的配置，也能够构成为使各个电角度配置成W相的反相成为60°、V相成为120°。在本实施例中说明了三相的直线电机，但是在构成n相的直线电机的情况下，相对于磁铁间距P，只要以成为2P/n的配置的方式配置电枢即可。

另外，在图6中配置成磁铁间距P和磁极间距T的关系大概成为2P＝T，磁铁间距P成为固定的值，但是磁极间距T能够在Z方向上移动或者改变尺寸，能够通过调整磁极间距来降低推力的脉动。例如，通过将构成磁极3aa与磁极3ab的U相的磁极间距设为2P-P/m(m为要降低推力脉动的高次谐波的次数)，同样地，作为各相的磁极的间距，配置成使V相的磁极3ba与磁极3bb的间距成为2P-P/m，使W相的磁极3ca与磁极3cb的间距成为2P-P/m，配置成使U相磁极3aa与V相磁极3ba的电角度相位差为120°，U相磁极3aa与W相磁极3ca的电角度具有240°的相位差，从而能够降低m次的脉动分量。由于能够这样地针对每个磁极齿在Z方向上移动磁极，所以能够降低任意次数的推力脉动，或者调整由于制造时的尺寸偏差等而产生的不平衡。

(实施例2)

在图7中示出本发明的其它的实施例2。图7示出由四个磁极3构成的电枢11，所述磁极3是由如图1所示的磁极齿1和连接磁极齿的铁芯2构成。各个磁极3成为将薄板状磁极重叠的结构。另外，磁铁4以磁极成为交互的方式在Z方向上排列，并固定于磁铁壳体6。在该状态下通过在绕组5中流过电流而对磁铁4作用力，产生Z方向的推力，能够使由磁铁4和磁铁壳体6构成的可动部件移动。由多个磁极构成的磁极3是在磁极间隔着间隔件9而用轴7和螺母8来固定的。

图8是图7的拆分图，是卸下绕组5而将磁极3和间隔件9在Z方向上拆分的图。另外，图9是将磁极的部分取出的图。本实施方式的磁极3是将多个薄的磁极31重叠而构成的，具有能够通过变更个数来调整磁极厚度、由相同形状的薄的磁极31来调整极数等的优点。另外，薄的磁极31的形状不一定是相同形状，还能够使与磁铁相对置的部分的尺寸等按每个薄的磁极31变化，提高推力，调整脉动。这样，通过将磁极的层叠方向设为产生推力的方向(Z方向)，磁极的调整、磁极数的变更变得容易，还有望降低成本。

(实施例3)

在图10中示出本发明的其它的实施例3。在图10中，将如图1所示的磁极齿3进行四极配置，相对于磁铁的间距P，磁极3的间距T配置为2nP(任意的数n＝1，2，3…)。在图10中设n＝1。在每隔2nP配置磁极的情况下，推力变得最大。但是，在为了降低推力的脉动等而使磁极位置偏移的情况下，在将磁极3的调整宽度d设为±P/2的范围时，相对于推力降低的脉动分量降低的效果好。

在图11中示出改变磁极3的间距T时的推力和推力的2次谐波分量的变化。在将磁极间距T设为2nP的情况下，推力变得最大，但是脉动分量(在图11的例子中为推力的2次谐波分量)也大。当调整磁极3的位置来加大调整宽度d时推力也降低，但是推力的脉动分量也变小，能够以T＝2nP±P/2使2次的脉动分量最小。而且在加大调整宽度d的情况下，推力降低，2次的脉动分量反而变大。在本例中说明了2次的脉动分量，但是在如3次、4次…这样的次数增加的情况下，对于各次数的脉动分量的极小位置，调整宽度d变小，为T＝2nP±P/3、2nP±P/4…。因而，为了降低2次以上的脉动分量，从以磁极的间距T＝2P配置了磁极3的位置起将调整宽度d设为±P/2的范围时效果最好。

(实施例4)

在图12中示出本发明的其它的实施例4。在图12中，由图1所示的磁极3具有四极，在多个磁极齿上一起卷绕有绕组。因此，从磁极齿作用于磁铁4的磁通是由绕组5的电流方向唯一地确定的，具有相邻的磁极彼此的磁通的方向成为相同方向的特性。通过这样配置，磁极间的磁通的影响变得几乎没有，具有能够提高相对于电流的推力的优点。

(实施例5)

在图13中示出本发明的其它的实施例5。图13(a)为在相同磁路内配置了两个图1所示的磁极的结构。在图13(a)中，由夹入到上下各自的磁铁中的磁极齿构成磁极3。在各个磁极齿上卷绕有绕组5。图13(b)示出为了容易理解剖面形状而卸下了绕组的图。由此，能够对上下各个磁铁列分别地进行控制或同时进行驱动。另外，还能够控制流过绕组的电流的朝向等、控制磁极的饱和。另外还能够有效地利用磁极的磁通而减小磁极。

在图14中示出由图13所示的电枢的三相直线电机的结构图。在本实施例中，通过由连结部件10连结配置两个固定了磁铁4的磁铁壳体6，能够加强由磁铁4、磁铁壳体6以及连结部件10构成的部件的刚性。而且，在图15中示出由图14所示的三相的直线电机的YZ平面的剖面图。在本实施例中，成为使磁极3的与磁铁4相对置的部分的形状朝着磁铁变细而使磁通集中的结构。相对于磁铁间距P，磁极间距T配置为大致2P，配置有三相的电枢。在本实施例中，固定在上下两个磁铁壳体6中的磁铁列成为具有上下同方向的磁极的配置，但是当然也可以配置成上下磁铁的磁极根据绕组5的电流方向而成为相反。如本实施例那样，通过在同一磁极3构成的磁路内配置由多个磁铁和磁铁壳体构成的磁铁列，能够有效地利用磁通，能够实现小型化。另外，通过连结这些多个可动部件，能够提高包含可动部件的可动部分的刚性。

(实施例6)

在图16中示出本发明的其它的实施例6。在图16中，固定磁铁4的磁铁壳体6设为四轴结构，由连结部件10连结。另外，各相的磁极3之间以及磁极端成为由磁极保持部件13夹住的结构。通过安装多个磁铁列，提高了可动部件的刚性，还能够用于如得到大推力那样的用途中。图17是将图16所示的图的磁极3的部分相对可动部件的长度方向垂直地切割的剖面图。以与各个磁铁4相对置的方式配置磁极3，以中央部分与四个磁铁相接的方式配置十字的中央磁极15。针对每个磁铁对置部分卷绕绕组5。另外，磁铁的磁极被配置成在磁铁4的排列的长度方向上成为交互，但是四个磁铁的相对的极还能够根据绕组5产生的磁通的朝向来改变。图18是图16的长度方向的剖面图。在本实施例中，与磁极的磁铁相对置的部分朝着磁铁逐渐变细。图19是与图18相同地将图16在长度方向上剖开的剖面图，是为了理解磁铁壳体6的支撑方法而将剖面位置偏移了的图。在图19中磁铁壳体6由支撑部件12支撑。支撑部件12能够使用辊、辊轴承、直线导轨等部件。支撑部件12成为设置在磁极保持部件13上来保持磁铁壳体6的结构。磁极保持部件13还能够保持绕组5。图20是示出为了能够确认内部而在图16中除去了磁极保持部件13的图。在图20中，以从两侧夹住板状的磁铁壳体6的方式设置有支撑部件12，但是还能够实现只支撑四个磁铁列的外侧、或者只支撑内侧的结构。通过从单侧支撑，削减了支撑件数，具有部件件数削减以及成本降低的效果。与图17相比，图21示出共用中央磁极15的十字部分的绕组5而有效地利用了空间的结构。

图22示出将固定磁铁4的部件设为方管而使可动部分轻型化的电枢。在图23中示出从图22的磁铁列的行进方向看到的视图。在方管的四面配置磁铁，在该磁铁4的外侧构成磁极3，在磁铁4的对置部分上配置绕组5。图24是将图16所示的直线电机的外径设为圆弧状的图。在图25中示出从图24的磁铁的行进方向看到的视图。与图17相同，以与各个磁铁4相对置的方式配置磁极3，以使中央部分与四个磁铁相接的方式配置十字的中央磁极15。成为针对每个磁铁对置部分卷绕了绕组5的结构。还能够与这样配置的空间对应地改变形状。

(实施例7)

在图26中示出本发明的其它的实施例7。在本实施例中，将磁铁壳体6设为I型，提高了磁铁壳体6的刚性。通过在I字的纵向部分也配置磁铁4，还能够实现推力的增加以及向磁铁壳体的横向的位置调整。在图27中示出在图26所示的图的磁极保持部件13中安装了支撑部件12的结构例。由此，磁铁壳体6的位置稳定，变得耐受驱动时的干扰等。在图28中示出从图26的磁铁的行进方向看到的视图。在I字的与上下磁铁相对置的部分配置有绕组5，在中央部的磁极部分也配置有辅助绕组55。还能够与绕组5同时地控制该辅助绕组55。另外，如果只独立地控制辅助绕组，则能够得到横向的力的调整、推力增加等效果。图29是将磁铁壳体的纵向部分的磁铁设为板状的材料的图。在图30中示出从图29的磁铁的行进方向看到的视图。另外，I字的磁铁壳体还能够分为上下两个部分，或者分为上下板状的部分和纵向部分这三个部分。

(产业上的可利用性)

本发明的直线电机能够用作一般的工业用推力产生机构。

Claims (10)

1.一种直线电机，由磁极和绕组构成的电枢与具有永磁铁的可动部件能够相对地移动，该直线电机的特征在于，

所述磁极具有在永磁铁的两侧隔着空隙而相对置地配置的磁极齿，

具有将隔着空隙而相对置地配置的磁极齿连接的铁芯，且

在可动部件的行进方向上具有多个所述磁极，由配置在电枢上的绕组所产生的磁通在多个磁极中具有相同的极性，

多个相对置地配置的磁极齿单独地构成，

能够针对每个相对置地配置的磁极齿在可动部件的行进方向上移动磁极。

2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，

多个相对置地配置的磁极齿由在可动部件的行进方向上层叠的部件构成。

3.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，

设磁铁间距为P，配置成针对成为基准的磁极齿使磁极齿间的间隔成为2nP±P/2的范围，其中n为正整数。

4.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，

配置在电枢上的一个或多个绕组在空隙中产生同一方向的磁通。

5.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，

相对于可动部件的行进方向并列地配置了多个电枢。

6.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，

配置了多个可动部件。

7.根据权利要求5所述的直线电机，其特征在于，

连结了多个可动部件。

8.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，

相对于可动部件的行进方向并列地配置有多个与磁铁相对置地配置的磁极齿，在各个磁极齿的空隙中配置了具有永磁铁的可动部件。

9.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，

连结了配置在多个磁极齿的空隙中的可动部件。

10.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，

在多个电枢之间具备可动部件的支撑机构。

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