CN107005139B - 线性电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供高推力且也能降低齿槽效应的线性电动机。固定件(1)在冲程方向上具备多个铁心单元(21a、21b、21c)。各铁心单元(21a、21b、21c)具备：具有第一磁极(34a)及极性与第一磁极(34a)不同的第二磁极(34b)的第一铁心(31)；卷绕于第一铁心(31)的线圈(41a、41b)；具有第三磁极(35a)及极性与第三磁极(35a)不同的第四磁极(35b)的第二铁心(32)；卷绕于第二铁心(32)的线圈(42a、42b)。第三磁极(35a)与第一磁极(34a)对置，第四磁极(35b)与第二磁极(34b)对置。可动件(2)被夹在第一磁极(34a)与第三磁极(35a)之间，并且被夹在第二磁极(34b)与第四磁极(35b)之间。

Description

线性电动机

技术领域

本发明涉及能够使第二构件相对于第一构件向一方向相对移动的线性电动机。

背景技术

公知有在磁场中使用磁铁的同步型线性电动机。该线性电动机具备可动件和固定件，该可动件具有磁铁，该固定件具有铁心及卷绕于铁心的线圈。在铁心设有与可动件的磁铁对置的突极。在突极卷绕有线圈。典型的线圈是三相线圈。当在三相线圈中流过相位错开120度的三相交流时，通过在磁铁产生的磁通和在铁心产生的磁通的相互作用，可动件相对于固定件向一方向移动。

在现有的线性电动机中，固定件的铁心与可动件的磁铁面对，因此，具有在铁心与磁铁之间作用有比推力大的磁吸引力的课题。为了减低该磁吸引力，在专利文献1中公开了可动件在被固定件的铁心封闭了的空间内移动的所谓隧道式的线性电动机。该线性电动机的特征在于铁心的结构。即，固定件的铁心具备上部磁极齿与下部磁极齿对置的第一对置部以及上部磁极齿与下部磁极齿对置的第二对置部。第一对置部和第二对置部以极性相反的方式交替地形成。当对线圈通电时，在被第一对置部及第二对置部的上部磁极齿与下部磁极齿夹着的空间内产生上下交替的磁通。可动件在该磁通隧道内移动。

作为降低作用于固定件的铁心与可动件的磁铁的吸引力的另一发明，在专利文献2中公开了在可动件的上下配置两个固定件的线性电动机(参照专利文献2、图8)。可动件具备磁性体的磁轭和配置于磁轭的磁铁。两个固定件分别具备铁心和卷绕于铁心的突极的线圈。通过在可动件的上下配置两个固定件，能够利用作用于下侧的固定件与可动件之间的吸引力抵消作用于上侧的固定件与可动件之间的吸引力。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-125360号公报

专利文献2：日本特开2004-172557号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献1所记载的隧道式的线性电动机中，铁心的磁路较长，存在铁心容易发生磁饱和(即，即使增大在线圈中流动的电流，磁通也不会变强的现象)的课题。当铁心发生磁饱和时，无论在线圈中流过多少电流都无法增大推力。

在专利文献2所记载的线性电动机中，由于产生线性电动机的推力的变动即齿槽效应，因此存在难以高精度地对工作台进行定位这样的课题。

因此，本发明的目的在于提供高推力且也能降低齿槽效应的线性电动机。

用于解决课题的方案

本发明的一方案是能使第二构件相对于第一构件向一方向相对移动的线性电动机，所述第一构件在所述一方向上具备多个铁心单元，该铁心单元包括：具有第一磁极及极性与所述第一磁极不同的第二磁极的第一铁心；卷绕于所述第一铁心的线圈；具有第三磁极及极性与所述第三磁极不同的第四磁极的第二铁心；以及卷绕于所述第二铁心的线圈，所述第三磁极与所述第一磁极对置，所述第四磁极与所述第二磁极对置，所述第二构件被夹在所述第一磁极与所述第三磁极之间，并且被夹在所述第二磁极与所述第四磁极之间。

发明效果

根据本发明，由夹着第二构件的第一铁心与第二铁心构成磁路，因此，能够缩短第一铁心及第二铁心的磁通路径。通过在第一铁心及第二铁心分别卷绕线圈，从而能够增大推力。另外，作用于夹着第二构件的第一铁心与第二铁心的吸引力为大致相同的大小，且方向相反，因此能将整体的吸引力大致抵消。因此，能够降低齿槽效应力。而且，在一方向上邻接的第一铁心彼此间或第二铁心彼此间难以形成磁路，因此能够降低由磁泄漏引起的噪声。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的线性电动机的立体图。

图2是图1的C向视图(俯视图)。

图3是图1的A向视图(侧视图)。

图4是图1的B向视图(侧视图)。

图5是本实施方式的线性电动机的可动件的立体图。

图6是图5的D-D线剖视图。

图7是表示本实施方式的线性电动机的固定件的铁心单元与可动件的两个磁铁列的立体图(图7(a)是整体图，图7(b)是图7(a)的放大图)。

图8是表示现有的线性电动机的固定件的铁心单元与可动件的磁铁的立体图(图8(a)是整体图，图8(b)是图8(a)的放大图，图8(c)是侧视图)。

图9是从本发明的第二实施方式的线性电动机的冲程方向观察的侧视图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施方式的线性电动机。但是，本发明的线性电动机能够以各种各样的方式具体化，并不限定于在本说明书中记载的实施方式。该实施方式意在通过使说明书的公开充分而使本领域技术人员能够充分理解发明的范围而提供。

图1表示本发明的第一实施方式的线性电动机的立体图，图2表示图1的C向视图(俯视图)，图3表示图1的A向视图(侧视图)，图4表示图1的B向视图(侧视图)。在这些附图及说明书中，对同一构成标注同一附图标记。

如图1所示，线性电动机具备作为第一构件的固定件1和作为第二构件的可动件2。固定件1固定于基座3。可动件2能向一方向(是箭头B的方向，以下称作冲程方向)移动地支承于基座3。需要说明的是，以下，为了方便说明，使用从冲程方向观察可动件2时的各方向、即图1所示的左右方向、上下方向及前后方向来说明线性电动机的构成。当然，线性电动机的配置并不限定于这样的左右、上下及前后。

可动件2的构成如以下所述。图5表示可动件2的立体图。可动件2具备多个磁铁4a、4b排列而成的两个磁铁列4-1、4-2。两个磁铁列4-1、4-2平行。在各磁铁列4-1、4-2中，磁铁4a、4b沿冲程方向(图5的前后方向)以恒定的间距P排列。上侧的磁铁列4-1的磁铁4a、4b的前后方向上的位置与下侧的磁铁列4-2的磁铁4a、4b的前后方向上的位置彼此一致。

磁铁4a、4b形成为四边形的板状，在其厚度方向(图5的左右方向)上被励磁。磁铁4a的右侧的表面为N极，磁铁4a的左侧的表面为S极。磁铁4b的右侧的表面为S极，磁铁4b的左侧的表面为N极。在图5中，对磁铁4b的S极附加点图案。上侧的磁铁列4-1的极性在前后方向上形成为N、S、N、S、N…。下侧的磁铁列4-2的极性在前后方向上形成为S、N、S、N、S…。即，在前后方向上相邻的磁铁4a、4b的极性相反。另外，在上下方向上相邻的磁铁的极性也相反。需要说明的是，在配置磁铁4a、4b时也可以使其扭斜(skew)(倾斜地配置)。

在四边形的板状的基材6形成有供磁铁4a、4b嵌合的开口7。基材6由硬铝等非磁性体构成。基材6的宽度方向(图5的上下方向)的两端部6a、6b比中央部厚。在两端部6a、6b安装有作为支承机构的直线引导件8、9(参照图4)。例如，在基材6的上端部6b安装有直线引导件9的导轨9a。在基材6的下端部6a，经由截面S字形的托架10而安装有直线引导件8的块8b(参照图4)。

图6表示可动件2的D-D线剖视图。如上所述，在基材6的开口7嵌合有磁铁4a、4b。在基材6的表面粘接有板材或片材11。板材或片材11为碳纤维强化塑料(carbon-fiber-reinforced plastic，CFRP)制。即使将磁铁4a、4b嵌合于基材6的开口7，磁铁4a、4b与基材6的粘接面积也仅为与磁铁4a、4b对置的基材6的开口7的框的面积。通过将板材或片材11粘接于基材6，能够防止磁铁4a、4b从基材6脱出。

如图1所示，在可动件2的上侧的磁铁列4-1与下侧的磁铁列4-2之间配置有用于检测可动件2的位置的刻度尺12。在固定件1安装有与刻度尺12协作而输出位置信号的传感器13。刻度尺12及传感器13构成编码器。传感器13的位置信号例如用于公知的反馈控制。

固定件1的构成如以下所述。如图1所示，固定件1具备沿冲程方向(图1的前后方向)排列的多个铁心单元21a～21c。铁心单元21a～21c安装于在基座3固定的L字形的台架23。

在该实施方式中，在固定件1配置有两个电枢21-1、21-2。线性电动机为三相的线性电动机，各电枢21-1、21-2的铁心单元分类为U相铁心单元21a、V相铁心单元21b及W相铁心单元21c。在将磁铁4a、4b的极间距设为P(参照图5)时，相邻的铁心单元21a、21b的间距P1(参照图2)为2P/3、4P/3等。相邻的铁心单元21b、21c的间距也为P1。需要说明的是，线性电动机的相数不限于3相，可以为2相、4相、5相等。电枢21-1、21-2的数量也不限于两个，可以为1个、3个、4个等。

如图4所示，铁心单元21a具备夹着可动件2的第一铁心及第二铁心31、32。第一铁心31形成为C字形，具备基部31c和从基部31c朝向可动件2突出的两个突极31a、31b。如图1所示，多个第一铁心31在冲程方向(图1的前后方向)上相互分离。需要说明的是，也可以在相邻的第一铁心31之间夹设非磁性体。第一铁心31通过层叠钢板来制造。

如图4所示，在第一铁心31的两个突极31a、31b卷绕有两个线圈41a、41b。更详细而言，如图7(a)所示，在U相铁心单元21a的第一铁心31上卷绕U相的线圈41a、41b，在V相铁心单元21b的第一铁心31上卷绕V相的线圈41a、41b，在W相铁心单元21c的第一铁心31上卷绕W相的线圈41a、41b。如图4所示，当在线圈41a中流动电流时，在突极31a的前端形成有第一磁极34a(例如N极)，在突极31b的前端形成有极性与第一磁极34a不同的第二磁极34b(例如S极)。在两个线圈41a、41b中流动同一相位的交流，以加强第一磁极及第二磁极34a、34b。第一磁极及第二磁极34a、34b的极性周期性地翻转。

如图4所示，第二铁心32也形成为C字形，具备基部32c和从基部32c朝向可动件2突出的两个突极32a、32b。多个第二铁心32在冲程方向上相互分离(参照图7(a))。需要说明的是，也可以使相邻的第二铁心32之间夹设非磁性体。第二铁心32通过层叠钢板来制造。

在第二铁心32的两个突极32a、32b卷绕有两个线圈42a、42b。更详细而言，如图7(a)所示，在U相铁心单元21a的第二铁心32上卷绕U相的线圈42a、42b，在V相铁心单元21b的第二铁心32上卷绕V相的线圈42a、42b，在W相铁心单元21c的第二铁心32上卷绕W相的线圈42a、42b。如图4所示，当在线圈42a、42b中流动电流时，在突极32a的前端形成有第三磁极35a(例如S极)，在突极32b的前端形成有极性与第三磁极35a不同的第四磁极35b(例如N极)。在两个线圈42a、42b中流动相同相位的交流，以增强第三磁极及第四磁极35a、35b。第三磁极及第四磁极35a、35b的极性周期性地翻转。

第一磁极34a的极性与第三磁极35a的极性不同，在第一磁极34a与第三磁极35a之间流动磁通。第二磁极34b的极性与第四磁极35b的极性不同，在第二磁极34b与第四磁极35b之间流动磁通。第一磁极34a与第三磁极35a之间的磁通的朝向和第二磁极34b与第四磁极35b之间的磁通的朝向相反。第一铁心31与第二铁心32构成磁路51(参照图7(b))。

可动件2被夹在第一铁心31与第二铁心32之间。可动件2的上侧的磁铁列4-1(参照图5)被夹在第一磁极34a与第三磁极35a之间。可动件2的下侧的磁铁列4-2(参照图5)被夹在第二磁极34b与第四磁极35b之间。

如图4所示，在可动件2的宽度方向(图4的上下方向)的两端部安装有对可动件2的移动进行引导的直线引导件8、9。直线引导件8，9具备导轨8a、9a和沿着导轨8a、9a移动的块8b、9b。直线引导件是公知的构件，在导轨8a、9a与块8b、9b之间夹设有多个能进行滚动运动的滚动体。可动件2的宽度方向(图4的上下方向)的两端部6a、6b向第一铁心及第二铁心31、32的外侧突出。安装于可动件2的两端部6a、6b的直线引导件8、9也配置于第一铁心及第二铁心31、32的外侧。需要说明的是，代替直线引导件8、9，也可以使用球形花键、球头轴套等。

图7(a)是表示固定件1的铁心单元21a～21c和可动件2的两个磁铁列4-1、4-2的立体图。图7(b)是图7(a)的放大图。如上所述，第一铁心31的第一磁极34a与第二磁极34b的极性不同。另外，第二铁心32的第三磁极35a与第四磁极35b的极性不同。而且，第一磁极34a与第三磁极35a的极性不同，第二磁极34b与第四磁极35b的极性不同。当在铁心单元的四个线圈41a、41b、42a、42b流动电流时，从第一磁极34a向第三磁极35a流动有磁通，从第四磁极35b向第二磁极34b流动有磁通。并且，由第一铁心31和第二铁心32构成磁路51。当在U相铁心单元21a、V相铁心单元21b、W相铁心单元21c中流动相位分别错开120度的交流时，通过磁路51与可动件2的磁铁列4-1、4-2的磁通的相互作用，可动件2沿冲程方向移动。

根据本实施方式的线性电动机，起到以下的效果。由夹着可动件2的第一铁心31和第二铁心32构成磁路51，因此，能够缩短第一铁心及第二铁心31、32的磁通路径。通过在第一铁心及第二铁心31、32分别卷绕线圈41a、41b、42a、42b，能够增大推力。另外，作用于夹着可动件2的第一铁心31与第二铁心32的吸引力为大致相同的大小，且方向相反，因此，能够将整体的吸引力大致抵消。因此，能够降低齿槽效应力。而且，不易在可动件2的在冲程方向上邻接的第一铁心31彼此间或第二铁心32彼此间形成磁路，因此，能够降低因磁泄漏引起的噪声。

参照图8的比较例说明能够降低齿槽效应的理由。图8(a)表示现有的线性电动机。该线性电动机的固定件60具备磁性体的磁轭61和在磁轭61上排列的多个磁铁62。可动件65具备：具有与磁铁62对置的U、V、W相的突极63a～63c的铁心63；以及卷绕于突极63a～63c的U、V、W相的线圈64a～64c。如图8(c)所示，在现有的线性电动机中，在磁铁62与铁心63之间作用有磁吸引力。在磁铁62位于铁心63的正下方时(参照图8(c)的左图)，磁性稳定，因此，不会产生齿槽效应力。但是，当铁心63从稳定的位置离开时(参照图8(c)的右图)，铁心63欲回到原来的位置，因此会产生齿槽效应力。如图7(b)所示，如本实施方式的线性电动机那样，以夹着可动件2的方式配置第一铁心31和第二铁心32，能够将磁吸引力抵消，能够降低齿槽效应力。

另外，如图8(b)的放大图所示，在现有的线性电动机中，形成有通过可动件65的在冲程方向上邻接的U、V、W相的突极63a～63c的磁路71，会产生由磁通泄漏引起的噪声。根据本实施方式的线性电动机，如图7(b)所示，不易在可动件2的在冲程方向上邻接的第一铁心31彼此间或第二铁心32彼此间形成磁路，因此，能够降低由磁通泄漏引起的噪声。

根据本实施方式的线性电动机，还起到以下的效果。可动件2具备两个磁铁列4-1、4-2，一方的磁铁列4-1被夹在第一磁极34a与第三磁极35a之间，另一方的磁铁列4-2被夹在第二磁极34b与第四磁极35b之间。磁路51与冲程方向正交，在冲程方向上不存在磁路51，因此能够进一步降低齿槽效应。

铁心单元21a～21c的第一铁心31相互分离，且铁心单元21a～21c的第二铁心32相互。铁心单元21a～21c相互独立，因此，能够防止某相的铁心单元(例如U相铁心单元21a)受其他相的铁心单元(例如V相铁心单元21b及W相铁心单元21c)的泄漏磁通的影响。

通过使可动件2的基材6为非磁性体，夹着可动件2的第一铁心31与第二铁心32容易构成磁路。

通过在基材6上粘接板材或片材11，能够防止磁铁4a、4b从基材6脱出。

在从冲程方向观察线性电动机时，可动件2的宽度方向的两端部6a、6b向第一铁心及第二铁心31、32的外侧突出，对可动件2的移动进行引导的直线引导件8、9配置于可动件2的两端部6a、6b，因此能够防止在直线引导件8、9泄漏磁通，且能够利用直线引导件8、9稳定地引导可动件2的移动。

在C字形的第一铁心31的两个突极31a、31b卷绕有两个线圈41a、41b，在C字形的第二铁心32的两个突极32a、32b卷绕有两个线圈42a、42b，因此，能够在可动件2的附近配置线圈41a、41b、42a、42b，能够缩短磁通路径。

由于在可动件2的两个磁铁列4-1、4-2之间配置刻度尺12，因此，能够高精度地测定可动件2的位置。这是由于，能够在可动件2的力起作用的部分的附近配置刻度尺12。

图9表示本发明的第二实施方式的线性电动机。该图9表示从冲程方向看到的线性电动机的侧视图。在上述第一实施方式中，固定件1固定于基座3，可动件2进行移动，但在第二实施方式中，固定件1进行移动，可动件2固定于基座3。其他构成与第一实施方式的线性电动机大致相同。可动件2的下端部固定于基座3。在可动件2的上端部与固定件1之间夹设直线引导件72。在固定件1的下端部与基座3之间夹设直线引导件73。固定件1的移动由直线引导件72、73引导。

需要说明的是，本发明不限于具体化为上述实施方式的方式。例如，在上述实施方式的线性电动机中，在第一铁心及第二铁心分别卷绕两个线圈，但也可以仅卷绕一个线圈。

另外，在上述实施方式的线性电动机中，将多个第一铁心在冲程方向上分开，但考虑多个第一铁心的制造的容易度，也可以用磁性体将多个第一铁心相连。多个第二铁心也同样。

而且，在上述实施方式的线性电动机中，在可动件配置磁铁，但也可以代替磁铁而在可动件配置线圈，还可以在可动件配置具有磁性体的凸部的平板。

而且，在上述实施方式中，说明了对位置信号进行反馈的反馈控制的例子，但也可以使用开环控制，线性电动机作为直线步进电动机使用。另外，也可以使用无位置传感器控制。

本说明书基于2014年12月25日申请的特愿2014-262179。其内容全部包含于此。

附图标记说明

1…固定件(第一构件)、2…可动件(第二构件)、3…基座、4-1…一方的磁铁列、4-2…另一方的磁铁列、4a、4b…磁铁、6…基材、6a、6b…可动件的两端部、7…开口、8、9…直线引导件(支承机构)、11…板材或片材、12…刻度尺、21-1、21-2…电枢、21a～21c…铁心单元、31…第一铁心、31a、31b…第一铁心的突极、32…第二铁心、32a、32b…第二铁心的突极、34a…第一磁极、34b…第二磁极、35a…第三磁极、35b…第四磁极、41a、41b、42a、42b…线圈、51…磁路、72、73…直线引导件(支承机构)。

Claims (9)

1.一种线性电动机，其能使第二构件相对于第一构件向一方向相对移动，其中，

所述第一构件在所述一方向上具备多个铁心单元，所述铁心单元包括：具有第一磁极及极性与所述第一磁极不同的第二磁极且仅由铁心构成的第一铁心；卷绕于所述第一铁心的线圈；具有第三磁极及极性与所述第三磁极不同的第四磁极且仅由铁心构成的第二铁心；以及卷绕于所述第二铁心的线圈，所述第三磁极与所述第一磁极对置，所述第四磁极与所述第二磁极对置，

所述第二构件被夹在所述第一磁极与所述第三磁极之间，并且被夹在所述第二磁极与所述第四磁极之间，

通过所述第一铁心和所述第二铁心形成与所述一方向正交的磁路。

2.根据权利要求1所述的线性电动机，其特征在于，

所述第二构件具备多个磁铁排列而成的两个磁铁列，

一方的磁铁列被夹在所述第一磁极与所述第三磁极之间，

另一方的磁铁列被夹在所述第二磁极与所述第四磁极之间，

所述一方的磁铁列中的磁铁在所述一方向上的位置与所述另一方的磁铁列中的磁铁在所述一方向上的位置彼此一致。

3.根据权利要求1或2所述的线性电动机，其特征在于，

多个所述第一铁心相互分离，或在相邻的所述第一铁心之间夹设有非磁性体，

多个所述第二铁心相互分离，或在相邻的所述第二铁心之间夹设有非磁性体。

4.根据权利要求2所述的线性电动机，其特征在于，

所述第二构件的所述多个磁铁固定于由非磁性体构成的基材。

5.根据权利要求4所述的线性电动机，其特征在于，

所述第二构件的所述多个磁铁嵌合于所述基材的多个开口中，

在所述基材上粘接有板材或片材。

6.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的线性电动机，其特征在于，

在从所述一方向观察所述线性电动机时，所述第二构件的宽度方向上的两端部向所述第一铁心及所述第二铁心的外侧突出，

对所述第二构件的移动进行引导的支承机构配置于所述第二构件的所述两端部。

7.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的线性电动机，其特征在于，

在C字形的所述第一铁心的两个突极卷绕有两个线圈，

在C字形的所述第二铁心的两个突极卷绕有两个线圈。

8.根据权利要求2、4、5中任一项所述的线性电动机，其特征在于，

在所述两个磁铁列之间配置有用于检测可动件的位置的刻度尺。

9.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的线性电动机，其特征在于，

所述铁心单元被分类为U相铁心单元、V相铁心单元及W相铁心单元，

在所述U相铁心单元中，在所述第一铁心上卷绕的所述线圈及在所述第二铁心上卷绕的所述线圈为U相线圈，

在所述V相铁心单元中，在所述第一铁心上卷绕的所述线圈及在所述第二铁心上卷绕的所述线圈为V相线圈，

在所述W相铁心单元中，在所述第一铁心上卷绕的所述线圈及在所述第二铁心上卷绕的所述线圈为W相线圈，

在所述U相铁心单元、所述V相铁心单元、所述W相铁心单元的各自中，所述第一磁极与所述第三磁极的极性不同，所述第二磁极与所述第四磁极的极性不同。