CN103718437A - 线性电机 - Google Patents

Abstract

本发明缩短电机的总长，实现小型化和轻量化。该线性电机具有：电枢（10），其具有沿轴向排列设置多个环状线圈（11）而形成的筒状的线圈组装体（12）；以及励磁装置（20），其具有直动轴（21）和永久磁铁组装体（24），直动轴（21）能够沿轴向往复移动地设于电枢（10）的轴线上，永久磁铁组装体（24）包括设于直动轴（21）的两个永久磁铁（23），电枢（10）和励磁装置（20）中的任意一方设为定子，另一方设为可动部件，可动部件相对于定子往复移动，在设线圈（11）的个数为n、设线圈的轴向长度为C、设永久磁铁组装体（24）的轴向长度为M时，行程S被设定成至少大于|n×C-M|。

Description

线性电机

技术领域

本发明公开的实施方式涉及线性电机。

背景技术

在专利文献1中记载了这样的技术，滚筒型的线性电机具有沿轴向排列设置n个环状线圈形成的定子、和具有一个以上永久磁铁的永久磁铁组装体，在设环状线圈的轴向长度为C、设永久磁铁组装体的轴向长度为M时，使行程S为（n×C-M）以下。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4551157号公报

发明概要

发明要解决的问题

在上述现有技术的线性电机中，需要存在（n×C>M）的关系，以便确保行程。因此，产生如下所述的问题。

例如，在三相交流同步的线性电机中，通常采用3个线圈的轴向长度（3×C）与永久磁铁的磁极间隔（τ）大致相等的结构。此时，在设永久磁铁的个数为N个时，需要存在（n/3>N）的关系（其中，n表示线圈数，且是3的倍数，N表示永久磁铁数，且是自然数），以便确保行程。其结果是，电机总长至少是将推力促进长度（τ×N）与3个线圈的长度（3×C）相加得到的长度，在行程S小于3个线圈的长度（3×C）的情况下，将导致电机总长多余地长出了长度（3×C-S）。这样，电机的总长不必要地变长的结果是，存在线性电机变大型、重量和设置空间增大的问题。

发明内容

本发明正是鉴于这种问题而提出的，其目的在于提供一种线性电机，能够缩短电机的总长，实现小型化和轻量化。

用于解决问题的手段

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面提供一种线性电机，该线性电机具有：电枢，其具有沿轴向排列设置多个环状线圈而形成的筒状的线圈组装体；以及励磁装置，其具有直动轴和永久磁铁组装体，所述直动轴能够沿轴向往复移动地设于所述电枢的轴线上，所述永久磁铁组装体包括设于所述直动轴的至少一个永久磁铁，所述电枢和所述励磁装置中的任意一方设为定子，另一方设为可动部件，所述可动部件相对于所述定子往复移动，在设所述线圈的个数为n、设所述线圈的轴向长度为C、设所述永久磁铁组装体的轴向长度为M时，行程S被设定成至少大于|n×C-M|。

发明效果

根据本发明的线性电机，能够缩短电机的总长，实现小型化和轻量化。

附图说明

图1是表示实施方式的线性电机的结构概况的侧剖面图。

图2是表示比较例的线性电机的结构概况的侧剖面图。

图3是表示在本实施方式的线性电机与比较例的线性电机中假设损失相同时的行程与推力的关系的图。

图4是表示具有编码器部和磁屏蔽板的变形例的线性电机的结构概况的侧剖面图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明一个实施方式。

如图1所示，本实施方式的线性电机1是滚筒型的线性电机。该线性电机1具有电枢10和励磁装置20。电枢10具有筒状的线圈组装体12，该线圈组装体12是将多个（在图1所示的例子中是6个）环状的线圈11沿轴向（图1中的左右方向）排列设置而形成的。在本实施方式中，线性电机1是三相交流电机，线圈组装体12至少具有一组（在图1所示的例子中是两组）与U相、V相、W相对应的3个线圈11。励磁装置20具有：直动轴21，其能够沿轴向往复移动地设于电枢10的轴线上；以及永久磁铁组装体24，其包括中间隔着垫片22设于该直动轴21的两个永久磁铁23。各永久磁铁23沿轴向被磁化。

另外，线性电机1具有：圆筒状或者方筒状的电机框2，其设于电枢10的外周侧；以及托架3、4，它们分别设于该电机框2的轴向一侧（图1中左侧）和另一侧（图1中右侧）的端部。在这些托架3、4分别设有支撑直动轴21能够沿轴向往复移动的直动轴承5、6。

这样构成的线性电机1将电枢10和励磁装置20中任意一方设为定子，将另一方设为可动部件，并使可动部件相对于定子往复移动。

在此，在设线圈11的个数为n（在图1所示的例子中是6个）、设各线圈11的轴向长度为C的情况下，线圈组装体12的轴向长度K为“n×C”（在图1所示的例子中，K=6×C）。在线性电机1中构成为使该线圈组装体12的轴向长度K和永久磁铁组装体24的轴向长度M大致相等。并且，行程S被设定成至少大于“n×C-M”的绝对值即|n×C-M|（≒0）。即，线性电机1如图1中的单点划线所示构成为，使励磁装置20的永久磁铁23比电枢10的线圈11的端面向轴向外侧凸出固定量（行程S的一半），即使是在励磁装置20的永久磁铁23和电枢10的线圈11在垂直于轴向的方向（在图1中指上下方向）上不重叠的范围内，也能够使可动部件往复移动。

另外，行程S被设定成3个线圈11的轴向长度的1.6倍以下、即“1.6×3×C”以下。本申请发明者等通过变更永久磁铁的轴向长度、外径、有无中空、两端有无极靴（polepiece）等，利用各种模型进行分析研究，结果导出了该行程S的设定范围。下面，使用图2和图3对本申请发明者等进行的模拟结果的一例进行说明。

如图2所示，作为比较例的线性电机1’具有电枢10’和励磁装置20。电枢10’具有筒状的线圈组装体12’，线圈组装体12’是沿轴向（在图2中指左右方向）排列设置三组与U相、V相、W相对应的3个线圈11、即9个线圈11而形成的。并且，电机框2’形成为在线圈11的数量增加时，相应地其轴向长度比上述的线性电机1的电机框2长。线性电机1’的包括励磁装置20在内的其它结构与上述的线性电机1相同。

在这样构成的线性电机1’中，通常行程S被设定成“n×C-M”（≒3C）以下。即，线性电机1’只能在励磁装置20的永久磁铁24和电枢10的线圈11在垂直于轴向的方向（在图2中指上下方向）上重叠的范围内使可动部件往复移动。

图3表示在图1所示的线性电机1与图2所示的比较例的线性电机1’中假设损失相同时的行程S（mm）与推力（N）的关系的图。如图3所示可知，在假设损失相同的情况下，在线性电机1、1’中能够输出的推力的大小基本相同。并且，在比较例的线性电机1’中，在永久磁铁23比线圈11的端面（行程S为±0.5×C的位置）向径向外侧凸出时，推力大幅降低，而在本实施方式的线性电机1中，可知能够抑制推力的降低，直到永久磁铁23相对于线圈端面的凸出量达到3个线圈11的轴向长度3C的0.8倍。因此，可以说适用行程范围为3C的1.6倍“1.6×3C”，尤其对行程比较短的电机有效。

在以上说明的实施方式的线性电机1中，行程S被设定成至少大于|n×C-M|。即，过去的线性电机将行程S设定为“n×C-M”以下，只能在励磁装置20的永久磁铁23和电枢10的线圈11在垂直于轴向的方向上重叠的范围内使可动部件往复移动，与此不同，在本实施方式的线性电机1中，使励磁装置20的永久磁铁23比电枢10的线圈11的端面向轴向外侧凸出固定量，即使是在励磁装置20的永久磁铁23和电枢10的线圈11在垂直于轴向的方向上不重叠的范围内，也能够使可动部件往复移动。

因此，为了得到相同的行程，与现有构造相比，能够减少电枢10的线圈11的个数。其结果是，能够缩短线性电机1的总长，能够实现电机的小型化和轻量化。并且，由于电枢10的线圈11减少，相应地电机的设置空间减小，能够将该空间用于其它目的。

另外，在本实施方式中，电枢10和励磁装置20构成为“n×C≒M”，即线圈组装体12和永久磁铁组装体24的轴向长度大致相等。根据这种结构，在将行程S设定为|n×C-M|以下的过去的线性电机中，“行程S≒0”，不能确保行程，但是在本实施方式的线性电机1中，由于使励磁装置20的永久磁铁23比电枢10的线圈11的端面向轴向外侧凸出固定量，使可动部件往复移动，因而能够确保行程。

另外，根据如图3所示的模拟结果所示，在采用满足关系“n×C＞M”的结构的线性电机1’中，在使永久磁铁23比线圈11的端面向轴向外侧凸出，使可动部件往复移动的情况下，在永久磁铁23从线圈端面凸出时，推力大幅降低，而在采用满足关系“n×C≒M”的结构的本实施方式的线性电机1中，能够抑制推力的降低，直到永久磁铁23相对于线圈端面的凸出量达到3个线圈11的轴向长度3C的0.8倍。因此，能够抑制推力降低，实现电机的小型化和轻量化。

另外，在本实施方式中，励磁装置20具有利用沿轴向被磁化的永久磁铁23形成的永久磁铁组装体24。由此，能够将通过永久磁铁23而产生的磁通的朝向设为轴向，因而与励磁装置20采用沿与轴向垂直的方向被磁化的永久磁铁时（即磁通的朝向与轴向垂直）相比，在使永久磁铁23从线圈11的端面凸出、并到达永久磁铁23和线圈11在垂直于轴向的方向上重叠的范围时，能够抑制有助于推力的磁通的减少，抑制推力的降低。

另外，不限于上述实施方式，能够在不脱离其宗旨及技术思想的范围内进行各种变形。下面说明这种变形例。

（1）线性电机具有编码器部和磁屏蔽板的情况

本变形例的线性电机1A在电机电磁部7的一侧具有检测可动部件的位置的编码器部30，该电机电磁部7具有电枢10、励磁装置20和电机框2等。

编码器部30在该示例中构成为磁性的线性编码器。该编码器部30被设于刻度安装轴34（在图4中为左侧），具有形成有磁性图案的刻度31、检测设于刻度31的磁性图案的磁场的传感器32、和编码器罩33。

另一方面，在电机电磁部7中，在直动轴21的永久磁铁组装体24的一侧端面设有磁屏蔽板40。该磁屏蔽板40是利用铁等强磁性体构成的板状部件，沿着半径方向一直延伸到比直动轴21的外周面靠电机框2的内周面的附近。另外，在磁屏蔽板40设有作为非磁性部件的刻度安装轴34，抑制从电机电磁部7的励磁装置20产生的磁场对编码器部30产生的影响。线性电机1A的其它结构与前述的线性电机1相同。

下面，说明本变形例的效果。如本变形例这样，当在直动轴21的永久磁铁组装体24的编码器部30侧设置磁屏蔽板40的情况下，优选磁屏蔽板40设置在尽量接近永久磁铁组装体24的位置、与电机框2的内周面的间隙尽量小，以便增大磁屏蔽效果。

此时，例如在如图2所示将行程S设定为“n×C-M”以下的过去的线性电机1’中，在将磁屏蔽板设置在永久磁铁组装体24的端面附近的情况下，需要设置在距永久磁铁组装体24的端面至少远离行程S量的位置，因而不能设置在接近永久磁铁组装体24的位置。

与此相对，在本变形例中构成为电枢10的线圈组装体12和励磁装置20的永久磁铁组装体24的轴向长度大致相等，因此如图4所示，能够将磁屏蔽板40设置在距永久磁铁组装体24的端面的距离为行程S/2量的位置。因此，能够增大磁屏蔽效果。

（2）其它

以上说明了以线圈组装体12和永久磁铁组装体24的轴向长度大致相等的方式构成的线性电机，但不一定需要相等。例如在如图2所示的“n×C>M”的线性电机1’中，也可以使励磁装置20的永久磁铁23比电枢10的线圈11的端面向轴向外侧凸出固定量（行程S的一半）。但是，在这种情况下，需要将行程S设定成使推力降低在允许范围内。

另外，在上述的结构中，电枢10具有6个线圈11，励磁装置20具有两个永久磁铁23，但该线圈11及永久磁铁23的数量仅是一例，也可以适当变更。例如，作为最简洁的结构也可以构成为，电枢10具有一组（线圈11为3个）与U相、V相、W相对应的3个线圈11，励磁装置20具有长度与3个线圈11的轴向长度大致相等的一个永久磁铁23。在这种情况下，也能够得到与上述实施方式相同的效果。

另外，除以上已经叙述的情况以外，也可以将上述实施方式和各变形例的方法进行适当组合来使用。

另外，在此不再一一示例，在不脱离其宗旨的范围内能够施加各种变更来实施。

标号说明

1线性电机；2电机框；10电枢；11线圈；12线圈组装体；20励磁装置；21直动轴；23永久磁铁；24永久磁铁组装体；30编码器部；34刻度安装轴；40磁屏蔽板。

Claims (5)

1.一种线性电机，该线性电机具有：

电枢，其具有沿轴向排列设置多个环状线圈而形成的筒状的线圈组装体；以及

励磁装置，其具有直动轴和永久磁铁组装体，所述直动轴能够沿轴向往复移动地设于所述电枢的轴线上，所述永久磁铁组装体包括设于所述直动轴的至少一个永久磁铁，

所述电枢和所述励磁装置中的任意一方设为定子，另一方设为可动部件，所述可动部件相对于所述定子往复移动，其特征在于，

在设所述线圈的个数为n、设所述线圈的轴向长度为C、设所述永久磁铁组装体的轴向长度为M时，行程S被设定成至少大于|n×C-M|。

2.根据权利要求1所述的线性电机，其特征在于，所述电枢和所述励磁装置构成为达到（n×C≒M）。

3.根据权利要求2所述的线性电机，其特征在于，所述永久磁铁沿轴向被磁化。

4.根据权利要求2或3所述的线性电机，其特征在于，所述线性电机还具有：

磁式编码器部，其位于在所述电枢的外周侧设置的电机框的一侧，检测所述可动部件的位置；以及

磁屏蔽板，其位于所述直动轴的所述永久磁铁组装体的一侧端面附近，沿着半径方向一直延伸到相比所述直动轴的外周面靠所述电机框的内周面的附近。

5.根据权利要求2～4中任意一项所述的线性电机，其特征在于，所述线性电机是三相交流电机，所述电枢的所述线圈组装体具有至少一组与U相、V相、W相对应的3个所述线圈，

所述行程S被设定成（1.6×3×C）以下。

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