CN1105486A - 线性电机 - Google Patents

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里见博文
岩佐孝夫
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Abstract

线性电机由具有按等距角度设置的偶数N个突 极11，12，…的定子1和沿轴向自由移动的动子3构 成。突极是相邻为1对的各2个突极，按角度为 (720m/N)度设置的(N/2m)组的突极群由m组 构成，属于各突极群的(N/m)-1个或(N/m)-2 个的各突极的线圈W1，W2，…连接成组成1对的突 极间成为反极性，不组成1对的将其它相的突极夹在 其中而设置的突极间成为同极性，构成m相线圈，突 极群中的其余突极作为传感器磁极用于检测动子3 的位置和移动方向。

Description

本发明涉及线性电机，特别是二相或多相线性电机或者作为无电刷直流线性电机而动作的线性电机。
图10是与本发明关连的永磁式圆筒状线性电机的纵剖面图。
在图10中，上述永磁式圆筒状线性电机的定子100的定子铁心101由形成环形的定子齿顶部102a的内径小的环形磁轭铁和形成环形的定子齿根部102b的内径大的环形磁轭铁沿轴向相互积层而成，所以，在上述定子铁心101的内圆周表面上沿轴向等齿距地形成由多个环形齿顶部102a和环形齿根部（沟槽部）102b构成的定子小齿102。
在上述环形齿根部102b内分别装配环形线圈103，104，…，110。这些环形线圈103，104，…，110如图11所示，由环形线圈103，105，107，109相互极性相反地连接，形成一相（A相），同样，由环形线圈104，106，108，110相互极性相反地连接，形成另一相（B相），整体构成二相。由于上述定子100是这样构成的，所以，定子100的极距就成为定子小齿102的齿距的4倍。
另外，动子300的动子铁心301呈圆筒形状，在其外圆周表面上，相互以定子小齿102的齿距的2倍装配着沿径向磁化成不同极性的永久磁极302，结果，动子300的极距就成为定子小齿102的齿距的4倍，与上述定子100的极距一致。
装配在定子铁心101上的上述二相线圈之间，相互位于沿轴向错开1个定子小齿距的位置，即位于错开定子极距的1/4的位置，上述线性电机就构成每步进的基本移动量等于该极距的1/4即定子小齿距的二相永磁式圆筒状线性脉冲电机。
但是，上述结构的永磁式圆筒状线性脉冲电机，为了连接各环形线圈103，104，…，110，需要在上述齿顶部102a和齿根部102b的各磁轭铁的外圆周部设置切口，以便从该切口引出上述各线圈103，104，…，110的线头将它们连接后纳入在上述切口处形成的导线引出沟内。所以，该电机组装的操作性很困难。
另一方面，装配上述线圈103，104，…，110的定子小齿102的各齿根部102b的大小取决定子小齿轮，当该小齿距很小时，就不能使上述齿根部102b增大，这样，由于每相的安培导体数不能增大，所以，推动力便很小。
另外，由于上述电机是永磁式的，所以，原理上可以作为无电刷直流电机而动作，但是，必须为此而另外设置检测动子的传感器。
本发明就是鉴于上述问题而提出来的，其目的是为了解决上述问题，提供线圈的操作性以及电机组装的操作性方便、并且与定子小齿的齿距无关地增大线圈填装部分从而可以实现大推动力的永磁式线性电机。
本发明的另一个目的是要提供不另外附加检测动子位置的传感器、用于廉价地形成线性伺服系统的可以作为无电刷直流电机而动作的永磁式线性电机。
为了达到上述目的，本发明所涉及的线性电机具有定子和动子，定子包括具有指向内侧呈幅状以等距角度设置的偶数个突极、同时在该突极的内圆周面上沿轴向形成多个定子小齿的定子铁心和分别绕在上述各突极上的线圈;动子位于该定子内部，支持成可沿轴向自由移动的状态，同时具有在其外圆周面上沿轴向以上述定子小齿距的1/2的等距设置的相互沿径向磁化成不同极性的多个永磁极的动子铁心;其特征在于：
（1）上述定子铁心是将指定片数的该定子铁心的定子铁板积层而成的部件作为定子铁心元件，将该元件按由上述定子铁板的突极排列决定的指定角度顺序旋转层叠而形成的。设突极数为N个、上述电机的相数为m时，上述定子突极就是由相邻的突极形成1对的各2个突极构成的突极对，由按角度为（720m/N）度均等地设置的（N/2m）组的突极对构成的突极群由m组构成，分别绕在属于上述各突极群的（N/m）-1个或（N/m）-2个的各突极上的线圈连接成在形成上述对的突极间相互成为反极性，同时，使在不是形成上述对的将另一相的突极夹在其中而设置的突极间相互成为同极性，从而构成m相的相线圈，同时，与各相的上述突极群中的相结构无关的其余的突极作为传感器磁极，用以检测上述动子的轴向位置和移动方向，从而可以得到作为m相线性脉冲电机或无电刷直流线性电机而动作。
（2）设相数m为2、K为大于1整数时，上棕定子铁心的定子铁板具有8K个突极，同时，从上述转子一侧看，与上述动子相对的上述突极的前端部沿圆周方向排列设置了K组由2个内半径小的突极和6个内半径大的突极形成的突极群，内半径小的上述2个突极排列成相互成（150/k）度的角度，上述定子铁心是将上述定子铁心元件顺序逐次旋转（150/k）度进行层叠而形成的，同时，设上述定子铁心元件的轴向厚度为t时，设在上述动子铁心上的永磁极的极矩为4t。
（3）设相数m为3、K为大于1的整数时，上述定子铁心的定子铁板具有12K个突极，同时，与上述动子相对的上述突极的前端部从上述动子一侧看由2个内半径小的突极和10个内半径大的突极形成的突极群沿圆周方向排列设置K组，内半径小的上述2个突极排列成相互成（150/k）度的角度，上述定子铁心是将上述定子铁心元件顺序逐次旋转（150/k）度进行层叠而形成的，同时，设上述定子铁心元件的轴向厚度为t时，设在上述动子铁心上的永磁极的极矩为6t。
上述结构的永磁式线性电机，由于定子线圈绕在各突极上，装置在定子的圆周方向上，所以，本发明可以使线圈的作业性方便，并且可以与定子小齿距无关地增大线圈装配部分，从而可以使安培导体数增多，实现大推动力的线性电机。
另外，由于将一部分定子突极作为检测动子的位置和移动方向的传感器突极使用，所以，不必另外设置先有的编码器及解析器等位置检测装置，就可以作为无电刷直流线性电机而动作。
图1是本发明的线性电机的一个实施例的纵剖面图;
图2是沿图1的Ⅱ-Ⅱ线的横剖面图;
图3是形成定子铁心的定子铁板的平面图;
图4是从动子一侧看到的将图3的定子铁板旋转指定角度层叠时形成的定子小齿部的展开图;
图5是定子线圈的接线图;
图6是本发明线性电机的另一实施例（3相）的横剖面图;
图7是形成图6的定子铁心的定子铁板的平面图;
图8是从动子一侧看到的将图7的定子铁板旋转指定角度层叠时形成的定子小齿部的展开图;
图9是图6的定子线圈的接线图;
图10是关连技术的永磁式圆筒状线性电机的纵剖面图;
图11是图10的定子线圈的接线图。
下面，参照附图举例详细说明本发明的极佳的实施例
图1是本发明的线性电机的一个实施例的纵剖面图，图2是沿图1的Ⅱ-Ⅱ线的横剖面图。
本实施例示出的是取相数m和整数k分别为m＝2，k＝1的情况，所以，业子突极的N为N＝8K＝8。
在图1和图2中，定子1由定子铁心10和定子线圈W1，W2，W3，…，W8构成。在指向定子铁心10的内侧呈辐射状以等距角度设置的偶数个即在本实施例中为8个的突极11，12，13，…，18上，在其内圆周面上沿轴向形成多个定子小齿19（齿顶部19a，齿根部19b）。另外，这8个突极11，12，13，…，18上分别绕着定子线圈W1，W2，W3，…，W8。该定子铁心10利用轴承架21，22和图中未示出的螺钉装进并支持在机壳20内。
另一方面，位于定子1内部的动子3的动子铁心30借助于轴承架21，22，通过轴承23，24支持，可以沿轴向自由移动。在该动子30的外圆周面上，以定子小齿19的小齿距的1/2沿轴向装配着多个环形的永磁极31，该永磁极1的外圆周面的极性沿径向磁化成沿轴向交替地成为N极和S极。
图3是形成上述定子铁心10的定子铁板25的一个例子。在图3中，在定子铁板25的8个突极P1，P2，P3，…，P8中，突极P3和P6是突极前端部的内半径小的突极，是形成上述定子小齿10的齿顶部10a的突极。其他突极P1，P2，P4，P5，P7，P8是突极前端部的内半径大的突极，是形成上述定子小齿19的齿根部19b的突极。并且，上述内半径小的突极P3和P6设置得相互成135度的角度，上述8个突极按P1，P2，P3，…，P8的顺序排列，形成突极群。
本实施例是上述整数K的值为K＝1即由上述突极P1，P2，…，P8构成的突极群为1组的情况，但是，对于例如K＝2的情况，按上述突极P1，P2，P3，…，P8的顺序排列的突极群就成为2组沿圆周方向排列设置的结构，各突极群中内半径小的突极设置成相互成135/k度即67.5度的角度。
图4是从动子3一侧看到的将由指定片数的上述定子铁板25层叠成厚度为t的定子铁心元件26逐次旋转角度135/k度，即K＝1时旋转135°进行层叠时形成的突极11，12，13，…，18的定子小齿19的情况。有剖面线的部分表示齿顶部19a，没有剖面线的部分表示齿根部19b，通过顺序旋转上述定子铁心元件26进行层叠，在各突极11，12，13，…，18上形成齿距为8t（齿厚为2t，齿根的厚度为6t）的定子小齿19，所以，装配在上述动子铁心30上的永磁极31的极距就成为4t（即定子小齿距的1/2）。
而且，以突极11为基准时，各突极的小齿的偏离分别是：突极12是齿距的3/8，突极13是6/8，突极14是9/8（即，1/8），突极15是4/8，突极16是7/8，突极17是10/8（即，2/8），突极18是5/8。
其次，在图2中，相邻的构成1对的各2个突极11，12和15，16，根据角度为（720m/N）度，即m-2，N-8k＝8，是处于按180度均等地配置关系的（N/2m）组，即2组，构成以该2组为1组的突极群，同时，突极13，14和17，18也是处于同样的配置关系的另外2组，构成以该2组为1组的突极群，整体上就成为m＝2组的突极群。
如图5所示，绕在构成上述各突极群的各2组的上述突极对中的〔（N/m）-1〕个（即3个突极）即突极11，12，16和突极13，14，17上的各个线圈W1，W2，W6和W3，W4，W7按图示的那样连接，形成A相和B相，从而构成二相电机。
各A，B相线圈的结果如图5所示，将绕在相邻的构成一对的突极11，12上的线圈W1，W2连接成相互成为反极性，将绕在把另一相的突极17，18夹在其中而设置的突极11，16上的线圈W1，W6连接成同极性，作为A相;同样，将绕在相邻的构成1对的突极13，14上的线圈W3，W4连接成相互成为反极性，将绕在把另一相的突极15，16夹在其中而设置的突极14，17上的线圈W4，W7连接成同极性，作为B相。
另外，与上述突极群中的相结构无关的突极15，18及其线圈W5，W8分别构成传感器磁极SA，SB。
通过这样的结构，上述突极群的各突极对11，12;15，16;13，14;17，18励磁时分别形成闭合磁路，各闭合磁路不具有共同的磁路部分。
传感器磁极SA，SB被图中未示出的高频振荡器励磁后，可以检测动子3的永磁极31与传感器磁极SA，SB的小齿19的位置关系而变化的电感。即，传感器磁极SA，SB的齿顶部19a与永磁极31相对时，电感最大;传感器磁极SA，SB的齿根部19b与永磁极31间隔一间隙相对时，电感最小。另外，如上所述，由于设置在上述传感器磁极SA，SB上的小齿19沿轴向产生位相偏离，所以，其结果是可以产生电角90度位相偏离的动子位置信号。因此，利用上述结构，可以构成二相永磁式圆筒状的线性电机。这时，每一步进的基本移动量为定子小齿19的齿距的1/4，即2t（其中，t为定子铁心元件26的层厚）。另外，由于内部设有用于检测动子3的位置和移动方向的传感器磁极SA，SB，所以，也可以作为无电刷直流伺服电机而动作。
图6-图9是本发明的线性电机的另一个实施例，图6是横剖面图，是与上述实施例的图2一样的横剖面图。
本实施例示出的是取相数m和整数K分别为m＝3，K＝1的情况，所以，定子突极的个数N为N＝12K＝12。在本实施例中，除以下说明的以外，和上述实施例一样。
在图6中，在指向定子铁心40的内侧呈辐射状以等距角度设置的12个突极41，42，43，…，52上，在其内圆周面上沿轴向形成多个定子小齿53（齿顶部43a，齿根部53b）。另外，定子线圈W41，W42，W43，…，W52分别绕在这12个突极41，42，43，52上。
图7是形成上述定子铁心40的定子铁板54的一个例子。在图7中，在定子铁板54的12个突极P41，P42，P43，…，P52中，突极P44和P49是突极前端部的内半径小的突极，是形成上述定子小齿53的齿顶部53a的突极。其他突极P41…P43，P45…P48，P50…P52是突极前端部的内半径大的突极，是形成上述定子小齿53的齿根部53b的突极。并且，上述内半径小的突极P44和P49设置成相互成150/K＝150度的角度，上述12个突极按P41，P42，P43，…，P52的顺序排列设置，形成突极群。
图8是从动子3一侧看到的将指定片数的上述定子铁板54层叠成层厚为t的定子铁心元件55逐次旋转角度150/K度即K＝1时旋转150度层叠时形成的突极41，42，43，…，52的定子小齿53的情况，有剖面线的部分表示齿顶部53a，没有剖面线的部分表示齿根部53b，通过顺序旋转上述定子铁心元件55进行层叠，在各突极41，42，43，…，52上形成齿距为12t（齿厚为2t，齿根的厚度为10t）的定子小齿53。因此，设在上述动子铁心30上的永磁极31的极距成为6t（即，定子小齿距的1/2）。
在图6中，相邻的构成1对的各2个突极41，42和47，48根据角度为（720m/N）度，即m＝3，N＝12K＝12，是处于以180度均等地设置关系的（N/2m）组，即2组，构成以这2组为1组的突极群，同时，突极43，44和49，50以及45，46和51，52也是处于同样设置关系的2组，分别构成以该2组为1组的突极群，整体便成为m＝3组的突极群。
如图9所示，绕在构成上述各突极群的各2组的上述突极对中的〔（N/m）-1〕个即3个突极、即突极41，42，47、突极45，46，51和突极49，50，43上的各线圈W41，W42，W47;W45，W46，W51和W49，W50，W43连接成图示的那样，形成A相、B相和C相，从而构成三相电机。
各A，B，C相线圈和上述实施例一样，按图9所示的那样连接。与上述各突极群中的相结构无关的突极44，48，52及其线圈W44，W48，W52分别构成传感器磁极SC，SA，SB。因此，利用上述结构可以构成三相永磁式圆筒状线性脉冲电机。这时，每一步进的基本移动量为定子小齿53的齿距的1/4，即3t（其中，t为定子铁心元件55的层厚）。另外，由于内部设有用于检测动子3的位置和移动方向的传感器磁极SA，SB，SC，所以，也可以作为无电刷直流伺服电机而动作。
本发明的技术不限于上述实施例的技术，也可以采用具有同样功能的其他形式的方法，另外，本发明的技术在上述结构的范围内可以作各种变更和附加。
根据上面的说明可知，按照本发明的线性电机，可以构成二相或三相永磁式线性脉冲电机或无电刷直流永磁式线性电机，同时，由于各线圈以绕在各突极上的形式在定子铁心内设置在圆周方向，所以，可以与齿距无关地增大线圈装配部分，使安培导体数增大，从而可以构成小型的大推动力的线性电机。
另外，定子铁心是将指定片数的定子铁板层叠而成的部件作为定子铁心元件，并将其顺序旋转指定角度进行层叠而形成的，所以，生产效率也很高。
由于内部设有用于检测动子的位置和移动方向的传感器磁极，不必另外设置编码器及解析器等检测装置，所以，作为无电刷直流线性电机，可以廉价地形成线性伺服系统。

Claims (3)

1、一种线路电机，具有定子和动子，定子包括具有指向内侧呈辐射状按等距角度设置的偶数个突极，同时在该突极的内圆周面上沿轴向形成多个小齿的定子铁心和分别绕在上述各突极上的线圈；动子位于该定子内部，支持成可沿轴向自由移动，同时具有在其外圆周面上沿轴向按上述定子小齿距的1/2的等极距设置沿径向磁化成交替地为不同极性的多个永磁极的动子铁心；其特征于：
上述定子铁心是将指定片数的该定子铁心的定子铁板层叠而成的部件作为定子铁心元件、将该元件按由上述定子铁板的突极排列决定的指定角度顺序旋转、层叠而成的，同时，设该突极数为N个、上述电机的相数为m时，上述定子突极就是由相邻的组成1对的各2个突极构成的突极对，由按角度为(720m/N)度均等地设置的(N/2m)组的突级对组成的突极群由m组构成，分别绕在属于上述各突极群的(N/m)-1个或(N/m)-2个突极上的线圈连接成使组成上述对的突极间相互成为反极性，使不组成上述对的将其它相的突极夹在其中而设置的突极间相互成为同极性，从而构成m相的相线圈，同时，与各相的上述突极群中的相结构无关的其余的突极作为传感器磁极，用于检测上述动子的轴向位置和移动方向，从而可以作为m相线性脉冲电机或无电刷直流线性电机而动作。
2、按权利要求1所述的线性电机，其特征在于：设相数m为2、K为大于1的整数时，上述定子铁心的定子铁板具有8K个突极，同时，从上述动子一侧看，与上述动子相对的上述突极的前端部沿圆周方向排列设置了K组由2个内半径小的突极和6个内半径大的突极形成的突极群，内半径小的上述2个突极排列成相互成（135/K）度的角度，上述定子铁心是将上述定子铁心元件顺序逐次旋转（135/K）度进行层叠而形成，同时，设上述定子铁心元件的轴向厚度为t时，则设在上述动子铁心上的永磁极的极距为4t。
3、按权利要求1所述的线性电机，其特征在于：设相数m为3、K为大于1的整数时，上述定子铁心的定子铁板具有12K个突极，从上述动子一侧看，与上述动子相对的上述突极的前端部沿圆周方向排列设置了K组由2个内半径小的突极和10个内半径大的突极形成的突极群，内半径小的上述2个突极排列成相互成（150/K）度的角度，上述定子铁心是将上述定子铁心元件顺序逐次旋转（150/K）度进行层叠而形成，同时，设上述定子铁心元件的轴向厚度为t时，则设在上述动子铁心上的永磁极的极距为6t。
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