CN102377319A - 直线电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直线电动机，该直线电动机包括：磁场部，其包含在产生的磁场的方向上被磁化的主磁极永磁(202)和以与主磁极永磁(202)的磁极方向不同的方式被磁化的副磁极永磁(203)，并且将主磁极永磁(202)的磁场产生侧的一部分置换为软磁性材料(204)；以及电枢，其在电枢铁芯(101)的齿(102)上卷绕有电枢绕组(104)，在设磁场的磁极节距为λ、齿(102)的节距为τ的情况下，构成为λ＜τ。

Description

直线电动机
技术领域
本发明涉及直线电动机。
背景技术
作为用于工作台进给的直线电动机，例如2010年3月18日公开的日本特许公报、日本特开2010-63201号公报所示，提出了如下的所谓Halbach(海尔贝克)阵列结构的直线电动机：具有隔着间隙(gap)(磁空隙)与电枢相对配置的磁场部，该磁场部包含在产生的磁场的方向上被磁化的主磁极永磁和以与该主磁极永磁的磁极方向不同的方式被磁化的副磁极永磁，并将主磁极永磁的磁场产生侧的一部分置换为软磁性材料。
但是，在以高频率进行工作台进给的用途上，存在直线电动机的推力不足的问题。
发明内容
本发明正是鉴于这种问题而完成的，其目的在于提供一种能够提高气隙磁通密度、良好地实现推力增大等电动机特性的直线电动机。
本发明的第一方面是具有如下结构的直线电动机，其包括：磁场部，其包含在产生的磁场的方向上被磁化的主磁极永磁和以与所述主磁极永磁的磁极方向不同的方式被磁化的副磁极永磁，并且用软磁性材料置换了所述主磁极永磁的磁场产生侧的一部分；以及电枢，其隔着间隙与所述磁场部相对配置，并且在电枢铁芯的齿上卷绕有电枢绕组，在设所述磁场部的磁极节距为λ、所述齿的节距为τ的情况下，λ＜τ成立。
根据本发明的直线电动机的发明，具有能够提高气隙磁通密度、增大推力的效果。
附图说明
参照附图，对本发明进行更详细的说明。
图1是代表第1实施方式的直线电动机的侧剖视图。
图2是对比较例与第1实施方式的感应电压/速度进行比较的图。
图3是代表第2实施方式的直线电动机的侧剖视图。
图4是代表第3实施方式的直线电动机的侧剖视图。
图5A是示出比较例中的直线电动机的磁通线的示意图。
图5B是示出第4实施方式中的直线电动机的磁通线的示意图。
图6是用于对第5实施方式中的磁场部侧的组装方法进行说明的侧面剖视的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
【实施例1】
图1是代表本发明的第1实施例的直线电动机的侧剖视图。
在图1中，100是动子、101是电枢铁芯、102是齿、103是槽、104是电枢绕组、200是定子、201是磁轭、202是主磁极永磁、203是副磁极永磁、204是软磁性材料、210是主磁极。
在第1实施例的直线电动机中，设电枢为动子100、磁场部为定子200。动子100隔着间隙与定子200相对配置，并且沿着定子200的长度方向(纸面左右方向)移动。
动子100由电枢铁芯101和电枢绕组104构成。在电枢铁芯101上，形成有朝向间隙侧突出的3个齿102。在各个齿102之间形成有用于收纳电枢绕组104的槽103。此外，在各个齿102上集中卷绕着三相的电枢绕组104。
定子200由磁轭201、主磁极永磁202、副磁极永磁203和软磁性材料204构成。在磁轭201上，以在间隙侧产生磁场的方式配置着主磁极永磁202和副磁极永磁203，成为所谓的Halbach阵列结构，其中，副磁极永磁203以与该主磁极永磁202的磁极方向不同的方式被磁化。并且，软磁性材料204被配置在主磁极永磁202的间隙侧。此处，主磁极永磁202和副磁极永磁203采用了高磁能积钕磁铁。软磁性材料204采用叠层硅钢板、SMC铁芯(对细微铁粉进行压缩成型后得到的铁芯)、3％的硅铁等。此外，硅钢板可以是无方向的类型或具有方向性的类型中的任意一种。
此处，在设动子100的齿数为Nt、与动子100相对的定子200的磁极数为Np时，(Nt、Np)的组合为(3、4)。即，第1实施例中的直线电动机以3相、3齿、4极为基本结构。其结果，定子200的磁极节距(pitch)λ与动子100的齿102的节距τ之间的关系为λ＜τ。例如，在设定子200的齿102的节距为τ＝24mm的情况下，磁极节距λ＝18mm。
接着，使用图2对以上结构的效果进行说明。图2对比较例的直线电动机与第1实施例的直线电动机的每1相中的感应电压/速度进行了比较。另外，该图是通过试作机的实验验证得到的结果，将横轴归一化为磁极节距λ进行表示。此处，比较例的直线电动机是在专利文献1的图中也记载了的直线电动机，(Nt、Np)的组合为(3、2)。即，以3相、3齿、2极为基本结构。磁极节距λ与齿的节距τ之间的关系为λ＞τ。在将齿的节距设为与第1实施例相同的τ＝24mm时，磁极节距为λ＝36mm。即，构成为比第1实施例的λ＝18mm长18mm。
观察图2可知，与比较例(λ＞τ)相比，第1实施例(λ＜τ)的感应电压/速度的振幅增大为1.15倍。感应电压/速度的振幅为感应电压常数，其3倍的值表示推力常数。即，第1实施例展现出与比较例的直线电动机相比能够将推力增大为1.15倍。
一般公知的是，(Nt、Np)的组合为(3、2)和(3、4)的直线电动机两者的绕组系数均为0.866，因此，推力常数也相同。对于一般的Halbach阵列结构(不在主磁极永磁的磁场产生侧配置软磁性材料)，气隙磁通密度还会受到永磁的磁饱和的制约，因此，(3、2)和(3、4)的直线电动机为基本相同的推力常数。
但是，如第1实施例和比较例的直线电动机那样，在主磁极永磁的磁场产生侧配置了软磁性材料的情况下，气隙磁通密度能够增大到软磁性材料的饱和磁通密度。软磁性材料的饱和磁通密度明显大于永磁，因此气隙磁通密度比上述一般的Halbach阵列结构大。并且，当主磁极永磁的宽度变小时，容易产生主磁极永磁的磁饱和，因此能够进一步提高其增大效果。即，即使是相同的齿节距τ，通过如第1实施例那样减小磁极节距λ而成为λ＜τ，也能够使主磁极永磁的宽度变小，从而使气隙磁通密度增大至接近软磁性材料的饱和磁通密度。利用比较例的λ＞τ的结构完全无法得到该增大效果，而通过如上方式能够得到特别明显的效果。
【实施例2】
图3是代表第2实施例的直线电动机的侧剖视图。第2实施例与第1实施例不同的方面为：如图3所示，将齿数Nt与磁极数Np的组合(Nt、Np)设为(12、14)。
第2实施例也与第1实施例同样为λ＜τ。例如，在将动子100的磁极节距设为与第1实施例相同的λ＝18mm时，定子200的齿102的节距为τ＝21mm。
由于第2实施例为上述结构，因此与第1实施例同样，能够增大气隙磁通密度、提高推力。此外，第2实施例中的绕组系数为0.933，与第1实施例的绕组系数0.866相比增大为1.08倍。由此，越减小τ-λ的差(第1实施例为6mm、第2实施例为3mm)，越能够增大绕组系数，因此能够进一步提高本发明的效果。因此，与第1实施例相比能够进一步增大推力。
【实施例3】
图4是代表第3实施例的直线电动机的侧剖视图。
如图4所示，在第3实施例中，将齿数Nt与磁极数Np的组合(Nt、Np)设为(9、10)。
在第3实施例中λ＜τ也成立，例如在将动子100的磁极节距设为λ＝18mm时，定子200的齿102的节距为τ＝20mm。
由于第3实施例为上述结构，因此与第1、第2实施例同样，能够增大气隙磁通密度、提高推力。此外，第3实施例中的绕组系数为0.945，与第1实施例的绕组系数0.866相比，增大为1.09倍。并且，与第2实施例同样将τ-λ的差减小为2mm，因此能够进一步提高本发明的效果。因此，与第2实施例同样，能够进一步增大推力。
【实施例4】
图5A是示出比较例中的直线电动机的磁通线的示意图，图5B是示出第4实施方式中的直线电动机的磁通线的示意图，均放大示出了间隙附近。此处，在设直线电动机的间隙面上的齿102的宽度为Wt、软磁性材料204的宽度为Wp时，比较例为
Wt＞Wp，
与此相对，第4实施例构成为
Wt≤Wp。
在比较例(Wt＞Wp)的直线电动机中，磁通在齿102末端的左右端发生泄漏。电枢绕组的交链磁通量降低，推力降低。另一方面，在第4实施例(Wt≤Wp)的直线电动机中，磁通泄漏减少。其结果，电枢绕组的交链磁通量大幅度增大，能够产生比比较例更大的推力。
【实施例5】
图6是用于对第5实施例中的磁场部侧的组装方法进行说明的侧面剖视的示意图。
在第5实施例中，预先使软磁性材料204和主磁极永磁202成为一体而构成主磁极210，并将主磁极210和副磁极永磁203组合而配置到磁轭201上构成了定子200。此处，主磁极210是通过将软磁性材料204和主磁极永磁202粘结在一起或以机械方式紧固在一起而成为一体的。
由于第5实施例为上述结构，因此能够将主磁极210看作一个永磁，能够与由主磁极和副磁极这两种材料构成的一般的Halbach阵列结构的组装方法相同地，即与现有的组装方法相同地组装定子。因此，能够容易地制作第1～第4实施例中示出的定子，能够实现推力的增大。
另外，在本实施例中，设电枢为动子、磁场部为定子而进行了说明，不过也可以反过来。
此外，以上说明了在单侧配置了间隙面的结构，不过显而易见，即使是左右配置间隙面而抵消磁吸力的结构，本实施例也成立。
此外，在本实施例中，将齿数Nt与磁极数Np的组合(Nt、Np)设为(3、4)、(12、14)、(9、10)进行了说明，不过，本实施例也适用于除此以外的(3、5)、(6、7)、(15、16)、(15、18)及它们的整数倍的组合，并且适用于至少使磁极节距λ与齿的节距τ之间的关系成为λ＜τ的结构。
此外，以上说明了主磁极永磁、副磁极永磁、软磁性材料的截面形状为长方形的情况，不过，本实施例不限于长方形，只要满足λ＜τ、Wt≤Wp的范围即可，还适用于梯形、或者边形状为多边形或弓形的形状。
并且，以上说明了在各个齿上集中卷绕电枢绕组的结构，但本实施例只要至少满足λ＜τ的关系即可，还适用于设置辅助齿、对所有齿中的一部分卷绕电枢绕组、使电枢绕组成为分布卷绕的结构。
根据本发明的直线电动机，在设磁场的磁极节距为λ、电枢铁芯的齿的节距为τ的情况下，通过使λ＜τ成立，能够提高气隙磁通密度、增大推力，因此，例如可适用于半导体制造装置、液晶制造装置、机床等工业装置的工作台进给等各种用途。

Claims (4)

1.一种直线电动机，其包括：
磁场部，其包含在产生的磁场的方向上被磁化的主磁极永磁和以与所述主磁极永磁的磁极方向不同的方式被磁化的副磁极永磁，并且用软磁性材料置换了所述主磁极永磁的磁场产生侧的一部分；以及
电枢，其隔着间隙与所述磁场部相对配置，并且在电枢铁芯的齿上卷绕有电枢绕组，
在设所述磁场部的磁极节距为λ、所述齿的节距为τ的情况下，
λ＜τ成立。
2.根据权利要求1所述的直线电动机，其特征在于，
在设所述电枢的齿数为Nt、所述磁场部的磁极数为Np时，(Nt、Np)的组合是(3、4)、(3、5)、(6、7)、(9、10)、(15、16)、(15、18)、或者是所述组合的整数倍的组合。
3.根据权利要求1所述的直线电动机，其特征在于，
在设间隙面上的所述齿的宽度为Wt、构成所述磁场部的软磁性材料的宽度为Wp时，
Wt≤Wp成立。
4.根据权利要求1所述的直线电动机，其特征在于，
所述磁场部是使所述主磁极永磁和所述软磁性材料预先成为一体而构成主磁极、并组合所述主磁极和所述副磁极永磁而构成的。
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