CN102939703B - 线性电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在不加长电枢在移动方向上的长度的情况下也能够降低齿槽效应的线性电动机。线性电动机具备：励磁部(5)，其以N极和S极交替形成的方式将多个永磁铁排列为直线状；电枢(10)，其具有磁芯(14)和多个线圈(16)，所述磁芯(14)具有与励磁部(5)隔着间隙而对置的多个齿(14a)，所述多个线圈(16)卷绕在磁芯(14)的多个齿(14a)上。所述线性电动机的特征在于，卷绕有线圈(16)的多个齿(14a)中，位于电枢(10)的相对移动方向两端的齿(14a-1)在相对移动方向上的宽度(TW1)从其根部(18)至前端部(19)比其余的齿(14a-2)在相对移动方向上的宽度(TW2)细。

Description

线性电动机
技术领域
本发明涉及使电枢相对于励磁部相对地进行直线运动的线性电动机，尤其涉及能够降低齿槽效应的线性电动机。
背景技术
线性电动机具备以N极和S极磁极交替形成的方式将多个永磁铁排列为直线状的励磁部和在励磁部上隔开间隙而对置配置的电枢。电枢包括具有与励磁部的永磁铁对置的多个齿的磁芯和卷绕在多个齿上的多个线圈。使交流电流过卷绕在各齿上的各相的线圈时产生移动磁场，通过该移动磁场和永磁铁的磁场之间的相互作用而产生推力，使电枢相对于励磁部相对地进行直线运动。
在进行直线运动的线性电动机中，与电枢形成为环状的旋转式电动机不同，电枢在移动方向上形成为有限长度。因此，当电枢相对于励磁部相对地移动时，容易产生齿槽效应。齿槽效应是指电枢的磁芯与永磁铁之间的磁吸引力依赖于电角而脉动的现象。
通常，磁芯由磁性材料构成。即使在线圈中没有流过电流的状态下，在磁芯的齿与永磁铁之间也产生磁吸引力。当电枢相对于励磁部相对地移动时，磁芯的齿被拉向前方的永磁铁、或被拉向后方的永磁铁。其原因推测为，产生了施加到电枢的磁吸引力按永磁铁的每个磁极间距而周期性变化的齿槽效应。当在线圈中流过电流时，残留齿槽效应而起到干扰作用。
一直以来，作为用于消除齿槽效应的对策，已知有在电枢的磁芯的移动方向两端设置由磁性体构成的辅助磁极的结构(参照专利文献1)。在两端的辅助磁极上不卷绕线圈。两端的辅助磁极之间的距离设定为使两者产生的磁吸引力彼此抵消的距离。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本实公平7-53427号公报
发明要解决的问题
然而，在专利文献1所记载的线性电动机中，由于在电枢的磁芯移动方向两端设置一对辅助磁极，因此存在电枢在移动方向上的长度变长的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种能够减轻齿槽效应的新结构的线性电动机。
用于解决问题的方法
为了解决上述课题，本发明的一个方式的线性电动机具备：励磁部，其以N极和S极交替形成的方式将多个永磁铁排列为直线状；电枢，其具有磁芯和多个线圈，所述磁芯具有与所述励磁部隔着间隙而对置的多个齿，所述多个线圈卷绕在所述磁芯的所述多个齿上，所述电枢相对于所述励磁部相对地进行直线运动，所述线性电动机的特征在于，卷绕有所述线圈的所述多个齿中，位于所述相对移动方向两端的齿在所述相对移动方向上的宽度从该齿的根部至前端部比其余的齿在所述相对移动方向上的宽度细。
发明效果
根据本发明，由于使位于电枢的相对移动方向两端的齿的宽度从该齿的根部至前端部比其余的齿在相对移动方向上的宽度窄，因此，能够减小U相的齿、V相的齿及W相的齿分别以正弦波产生的磁吸引力的偏差。因此，能够减小U相的齿、V相的齿及W相的齿分别以正弦波产生的磁吸引力的总和亦即齿槽效应。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的线性电动机的立体图(包括一部分工作台的剖视图)。
图2是线性电动机的主视图。
图3是表示线性电动机的电枢的图(附图中(a)表示俯视图、(b)表示侧视图)。
图4是线性电动机的励磁部的分解立体图。
图5是励磁部的俯视图。
图6是表示磁芯的其他示例的侧视图。
图7是表示磁芯的又一其他示例的侧视图。
图8是表示在磁场解析中使用的磁芯的模型的侧视图。
图9是表示两端的齿的宽度与齿槽效应之间的关系的图表。
图10是表示电角的相位与齿槽效应之间的关系的图表。
图11是表示分解为U相、V相、W相的齿槽效应的偏差的图表(附图中(a)表示齿宽为8mm时、(b)表示齿宽为8.5mm时、(c)表示齿宽为9.5mm时、(d)表示齿宽为10.5mm时)。
图12是表示在磁场解析中使用的磁芯的模型的其他示例的侧视图。
图13是表示两端的齿的宽度与齿槽效应之间的关系的图表。
图14是表示电角的相位与齿槽效应之间的关系的图表。
图15是表示分解为U相、V相、W相的齿槽效应的偏差的图表(附图中(a)表示齿宽为8.5mm时、(b)表示齿宽9mm时、(c)表示齿宽9.5mm时、(d)表示齿宽为10mm时、(e)表示齿宽为11mm时)。
图16是表示在实验中使用的电枢的磁芯的侧视图。
图17是表示电枢的冲程与齿槽效应之间的关系的图表。
图18是表示在实验中使用的电枢的磁芯的其他示例的侧视图。
图19是表示电枢的冲程与齿槽效应之间的关系的图表。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的一个实施方式的线性电动机进行详细说明。图1及图2是表示线性电动机的整体结构的图。在附图中，对相同的结构构件标注相同的符号。
在细长地延伸的基座4上安装有线性电动机的励磁部5。在励磁部5上隔开规定的间隙对置配置有电枢10。在本实施方式中，电枢10安装在工作台3的下表面上，与工作台3一起沿着基座4的长度方向进行直线运动。
在基座4上安装有对工作台3的直线运动进行引导的直线导轨9。工作台3安装在直线导轨9的滑块7的上表面上。在工作台3下表面的左右的直线导轨9之间安装有电枢10。电枢10通过螺栓、螺钉等紧固构件安装在工作台3上。
如图2的主视图所示，在励磁部5与电枢10之间隔开有间隙g。直线导轨9在保持恒定间隙g的状态下引导工作台3进行直线运动。
基座4包括底壁部4a和设置在底壁部4a的宽度方向两侧的一对侧壁部4b。在底壁部4a的上表面安装有励磁部5。在侧壁部4b的上表面安装有直线导轨9的轨道8。在轨道8上安装有滑块7且该滑块7可滑动。在轨道8与滑块7之间夹设有能够滚动运动的多个滚珠。在滑块7上形成有用于使多个滚珠循环的环形跑道状的滚珠循环路径。当使滑块7相对于轨道8进行直线运动时，多个滚珠在环形跑道状的滚珠循环路径中循环。
工作台3由例如铝等非磁性材料构成。在工作台3上安装有检测工作台3相对于基座4的位置的直尺等位置检测机构12。位置检测机构12检测出的位置信号被送到驱动线性电动机的未图示的驱动器。驱动器对供给于电枢10的电流进行控制，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是表示安装在工作台的下表面的电枢10的详情图。电枢10具备：由硅钢、电磁钢等磁性材料构成的磁芯14；和卷绕在磁芯14的多个齿14a上的多个线圈16。
磁芯14具备：在俯视观察中形成为矩形板状的背部磁轭(backyoke)14b；和从背部磁轭14b朝向励磁部5突出的多个齿14a。背部磁轭14b在移动方向上的端部比位于移动方向两端的齿14a-1更向移动方向的外侧伸出。在背部磁轭14b上形成有用于将磁芯14安装在工作台3上的螺纹孔14c。
观察图3(a)的俯视图时发现，齿14a形成为在宽度方向上细长的板状。观察图3(b)的侧视图时发现，齿14a形成为在上下方向上细长的长方形，且从背部磁轭14b向与背部磁轭14b垂直的方向突出。齿14a的一对侧面15a、15b(移动方向的端面)形成为平坦面且相互平行。齿14a的前端面17(下表面)在移动方向的全长上形成为平坦面且与齿14a的一对侧面15a、15b正交。磁芯14的沿着移动方向的剖面形状与该磁芯14的侧面形状相同，且在整个宽度方向上恒定。磁芯14通过将冲裁加工为与侧面形状为同一形状的厚度小于1mm的薄板钢板沿磁芯14的宽度方向层叠而形成。
多个齿14a之间的间距P1(邻接的齿14a在移动方向的中心之间的距离)全部相等。在多个齿14a中，位于移动方向两端的齿14a-1在移动方向上的宽度为TW1且彼此相等。位于移动方向两端的齿14a-1的宽度从其根部18至前端部19为恒定的TW1。其余的齿14a-2在移动方向上的宽度为TW2且彼此相等。其余的齿14a-2的宽度从其根部18至前端部19为恒定的TW2。两端的齿14a-1的宽度TW1从其根部至前端部比其余的齿14a-2的宽度TW2细。具体而言，TW1的大小设定为0.7×TW2≤TW1＜TW2。多个齿14a从背部磁轭14b突出的突出量L1设定为全部相等。因此，从位于两端的齿14a-1的前端至励磁部5之间的间隙与从其余的齿14a-2的前端至励磁部5之间的间隙相等。
齿14a的个数设定为3的倍数。在该示例中，齿14a的个数设定为6个，U相的齿为两个，V相的齿为两个，W相的齿为两个。在齿14a上卷绕有U相、V相及W相的线圈16。在该示例中，在各齿14a上仅集中卷绕一相的线圈16。但线圈16不限于集中卷绕，也可以遍及多个齿14a而分布卷绕(重复卷绕)。U相、V相及W相的线圈16的线的粗度及卷绕数量完全相等，线圈16整体的大小也相等。如上所述，位于移动方向两端的齿14a-1的宽度比其余的齿14a-2的宽度细，因此移动方向两端的齿14a-1与线圈16之间的间隙比其余的齿14a-2与线圈16之间的间隙大。在将U相、V相及W相的线圈16卷绕到齿14a上之后，对线圈16的周围进行树脂模铸。由此将线圈16固定在磁芯14上。
图4表示安装在基座4的上表面上的励磁部5。励磁部5具备：薄板状的磁轭20；和在磁轭20上表面沿电枢的移动方向排列为一列的多个板状的永磁铁21。永磁铁21由例如矫顽力高的钕磁铁等稀土类磁铁构成。在板状的永磁铁21的表侧形成有N极或S极的一极，在背侧形成有另一极。以在长度方向上交替形成N极和S极的方式在磁轭20上排列多个板状的永磁铁21。多个永磁铁21通过粘结等固定在磁轭20上。固定在磁轭20上的永磁铁21被非磁性材料的盖板22覆盖。盖板22也通过粘结等固定在磁轭20上。固定有永磁铁21及盖板22的磁轭20通过螺栓23等紧固构件安装在基座4上。励磁部5被单元化，根据基座4的长度而将被单元化了的多个励磁部5安装在基座4上。24是用于将基座4安装在对应部件上的螺栓(紧固构件)。
图5是表示励磁部5的俯视图。在该实施方式中，各永磁铁21的俯视形状形成为长方形，且相对于电枢10的移动方向倾斜。永磁铁21在移动方向上的一对端边21-2相互平行，且相对于与电枢10的移动方向正交的线L2倾斜规定角度。永磁铁21在宽度方向上的一对端边21-1相互平行且与端边21-2正交。从S极的永磁铁21b的中心至S极的永磁铁21b的中心的距离P2为励磁部5的S极-S极之间的磁极间距，且为N极-S极之间的磁极间距P3的2倍。
当电枢10的磁芯14相对于励磁部5相对移动时，在磁芯14的齿14a与永磁铁21之间产生磁吸引力。该磁吸引力中的、电枢10的移动方向上的分量产生齿槽效应。电枢10的与移动方向正交的分量(垂直方向的吸引力)由直线导轨9承受，因而与齿槽效应无关。齿槽效应按励磁部5的每个磁极间距P2而周期性变动。
发明者着眼于电枢10的移动方向两端的齿14a-1的宽度与齿槽效应之间的关系。并且，通过磁场解析算出两端的齿14a-1的宽度变化时的齿槽效应力。结果发现了：通过使两端的齿14a-1的宽度从其根部18至前端部19比其余的齿14a-2的宽度细能够减轻齿槽效应(参照后述的实施例、图9、图13)。
当使电枢10相对于励磁部5相对移动时，在各齿14a上按每个磁极间距P2产生正弦波的磁吸引力。在各齿14a产生的磁吸引力的总和为电枢10的齿槽效应。在此，将多个齿分为U相、V相及W相的齿考虑。假设U相、V相及W相各自的齿14a的峰值相等，且作用隔开120°相位的理想的磁吸引力，则作用在U相、V相及W相的各自的齿14a上的磁吸引力的总和为0，而不产生齿槽效应。
从而推测出通过如本实施方式那样使两端的齿14a-1的宽度变窄，能够使U相、V相及W相各自的齿14a上所产生的磁吸引力的峰值相等，且接近隔开120度相位的理想的磁吸引力，由此，能够使在U相、V相及W相各自的齿14a上所产生的磁吸引力的总和即齿槽效应变小(参照后述的实施例、图11、图15)。
其中，如上所述，当位于电枢10的移动方向两端的齿14a-1的宽度变窄时，卷绕在两端的齿14a-1上的线圈16的感应电压变小，线性电动机的推力相应降低。通过使两端的齿14a-1的前端面形成为平坦面，从而能够抑制感应电压的降低。
详情在后面进行说明，而如图9所示，两端的齿14a的宽度变化时齿槽效应的减轻曲线描绘为谷。即，齿14a的宽度过于细时，反而齿槽效应变大。进而，当齿14a的宽度变窄时，卷绕在齿14a上的线圈16的感应电压变小，线性电动机的推力相应变小。因此，优选使两端的齿14a-1的宽度为其余的齿14a-2的宽度的70％以上。
需要说明的是，本发明不限于上述实施方式，可以在不变更本发明的主旨的范围内实现各种实施方式。
例如，线性电动机的结构并没有限定于由直线导轨引导工作台的上述结构，可以适当变更。
电枢相对于励磁部的直线运动为相对运动，也可以励磁部移动，而电枢固定。
如图6所示，齿14a的个数可以为3个，也可以设定为9、12、15……等任意个数。也可以代替三相线圈而使用二相线圈。该情况下，齿的个数设定为4、6、8……等。
如图7所示，可以将由6个齿14a构成的一组齿单元U1、U2在背部磁轭14b的长度方向上设置两组以上。该情况下，在齿14a之间的间距相等的各组的齿单元U1、U2中，使两端的齿14a-1的宽度比其余的齿14a-2的宽度细即可。
背部磁轭与齿可以不形成为一体而分别独立形成。也可以在齿上卷绕线圈之后，通过相互嵌合而使齿与背部磁轭结合。
由于通过使两端的齿的宽度变窄能够减轻齿槽效应，因此不需要辅助磁芯，但为了进一步减轻齿槽效应，也可以在磁芯的移动方向两端设置没有卷绕线圈的辅助磁芯。
实施例1
通过磁场解析算出了使两端的齿的宽度变化时的齿槽效应。对于解析模型，如图8所示，使用了具有6个齿的磁芯。U相、V相、W相的齿各两个。使两端的齿的宽度变化为8mm、8.5mm、9.5mm或10.5mm，使其余的齿的宽度固定为9.5mm。
如图9所示，使两端的齿的宽度缩小为8.5mm时，齿槽效应降到最低。齿宽为8mm时，齿槽效应成为比9.5mm时还小的值，但齿槽效应比两端的齿的宽度为8.5mm时有所增加。使齿宽为9.5mm以上时，齿槽效应有增加的倾向。
图10表示使电枢以电角360°(励磁部5的一个磁极间距之间)移动时的齿槽效应的变化。此时的齿槽效应的最大值以图9的齿槽效应表示。当两端的齿的宽度为8.5mm时，能够在大致所有的电角下使齿槽效应降到最低。
图11是将图10的所有的齿槽效应分解为U相、V相及W相的齿槽效应(磁吸引力)的图。换言之，当将图11所示的U相、V相及W相的齿槽效应(磁吸引力)进行合计时，成为图10的图表。图11示出了与两端的齿的宽度为8mm、8.5mm、9.5mm、10.5mm对应的四个图表。
在图11中，将分解为U相、V相、W相的齿槽效应(磁吸引力)的峰值的偏差按每个齿宽进行了比较。峰值的偏差为图11中由虚线表示的峰值的平均值与各相的峰值之差(％)。齿宽为8mm时，V相的偏差为5.6％是最大的，W相的偏差为3.2％是最小的，V相和W相之差为2.48％。齿宽为8.5mm时，偏差最大的U相和偏差最小的W相之差为1.91％。齿宽为9.5mm时，偏差最大的V相和偏差最小的U相之差为3.85％。齿宽为10.5mm时，偏差最大的V相和偏差最小的U相之差为11.62％。
如图11的图表所示，当两端的齿的宽度为8.5mm时，U相、V相及W相的齿槽效应(磁吸引力)的峰值相等，且能够接近隔开120度相位的理想的正弦波。由此，推测出U相、V相及W相的齿槽效应(磁吸引力)的总和亦即整体的齿槽效应减轻。
实施例2
对与实施例1不同的线性电动机进行了磁场解析。励磁部的板状的磁铁的纵向横向尺寸、倾斜角度、及电枢的磁芯的形状与实施例1的线性电动机不同。图12表示在磁场解析中使用的电枢的磁芯。将中央的4个齿的宽度设定为10mm，使两端的齿的宽度变化为8.5mm、9mm、9.5mm、10mm或11mm。
图13示出了两端的齿的宽度与齿槽效应之间的关系。齿宽为9mm时，齿槽效应最小。齿宽缩窄到8.5mm时，齿槽效应成为比齿宽为10mm时小的值，而比齿宽为9mm时的齿槽效应有所增加。齿槽效应曲线描绘为谷。
图14示出了使电枢按电角移动360°时的齿槽效应的变化。当两端的齿的宽度为9mm时，能够在遍及360°的电角中最为稳定地减轻齿槽效应。
图15为将图14的齿槽效应分解为U相、V相、W相的齿槽效应(磁吸引力)，将分解的齿槽效应(磁吸引力)的峰值的偏差按每个齿宽进行了比较。在该示例中，当将齿宽设定为9.5mm时，峰值的偏差最小。不仅是峰值，当观察正弦波的整体时，齿宽为9mm时偏差也最小。
实施例3
通过实验测定了线性电动机的齿槽效应。对使电枢实际运动时产生的齿槽效应进行了测定。在实验中，使用了图16所示的磁芯。如图16所示，中央的4个齿的宽度为9.5mm。两端的齿使用了宽度为9.5mm和8.5mm的齿。如图17所示，两端的齿的宽度为8.5mm时比两端的齿的宽度为9.5mm时更能减轻齿槽效应。
实施例4
通过实验测定了与实施例3不同的线性电动机的齿槽效应。在该线性电动机中，磁芯的齿的个数比实施例3的磁芯有所增加。图18示出了实验中所使用的磁芯。中央的16根齿的宽度为9.5mm。两端的齿使用了宽度为9.5mm和8.5mm的齿。如图19所示，两端的齿的宽度为8.5mm时比两端的齿的宽度为9.5mm时更能减轻齿槽效应。
本说明书基于2010年6月16日申请的日本特愿2010-137400。其内容全部包含于此。
附图标记说明如下：
5...励磁部，10...电枢，14...磁芯，14a...齿，14a-1...两端的齿，14a-2...其余的齿，16...线圈，17...前端面，18...根部，19...前端部，21...永磁铁，P1...齿的中心之间的间距，TW1...两端的齿的宽度，TW2...其余的齿的宽度。

Claims (3)

1.一种线性电动机，其具备：
励磁部，其以N极和S极交替形成的方式将多个永磁铁排列为直线状；和
电枢，其具有磁芯和U、V、W相的线圈，所述磁芯具有与所述励磁部隔着间隙而对置的多个齿，所述U、V、W相的线圈卷绕在所述磁芯的所述多个齿上，
所述电枢相对于所述励磁部相对地进行直线运动，
所述线性电动机的特征在于，
卷绕有U、V、W相的所述线圈的所述多个齿中，位于所述电枢与所述励磁部的相对移动方向两端的齿在所述相对移动方向上的宽度从该齿的根部至前端部比其余的齿在所述相对移动方向上的宽度细，
卷绕有U、V、W相的所述线圈的所述多个齿在所述电枢的所述相对移动方向上的中心之间的间距全部相等。
2.根据权利要求1所述的线性电动机，其特征在于，
位于所述相对移动方向两端的齿的前端面平坦地形成。
3.根据权利要求1或2所述的线性电动机，其特征在于，
所述多个齿的从背部磁轭突出的突出量全部相等。
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