JP2006034013A - 工作機械用リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ加工機の加工速度を向上させるリニアモータを提供すると共に、コギング力を大幅に低減し、高速で且つ高精度の加工が実現できるリニアモータを提供する。
【解決手段】 複数の同一形状の永久磁石を可動子の移動方向に垂直な交互に異なる極性を有するように板状ヨークの両面に等間隔で取り付けられた固定子と、電機子コイルを巻かれた電機子コアを該固定子の両面の永久磁石の配列に対向するように配置した一対の可動子とを含んでなる工作機械に使用するリニアモータであって、該可動子の両端に配置され、該永久磁石の配列との距離が、該電機子コアと該永久磁石の配列との距離よりも長くなるように配置される磁性体コアを含んでなる工作機械用リニアモータを提供する。また、上記永久磁石式リニアモータを三次元の移動機構に用いたレーザ加工機を提供する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、工作機械の可動部を駆動する等の目的で広く用いられる永久磁石式リニアモータに関する。

図４はレーザ加工機の一例を示す斜視図である。図４のフレーム１２１の上にテーブル１２２があり、その上に加工すべきワーク（図示せず）が置かれる。また、フレーム１２１の上方にＸ軸方向に移動可能な駆動装置１２３が取り付けられ、Ｘ軸方向駆動装置１２３には取付部品を介してＹ軸方向に移動可能な駆動装置１２４が取り付けられている。Ｙ軸方向駆動装置１２４にはＺ軸方向に移動可能な駆動装置１２５が取り付けられ、Ｚ軸方向駆動装置１２５にはレーザ光を射出するトーチ１２６が取り付けられている。図４には駆動装置の配線や制御装置、レーザ光を伝達する部品は省略されている。レーザ加工機では、制御装置でＸ軸とＹ軸方向の駆動装置を制御して、先端に取り付けられたトーチからのレーザ光をワークに当てながら所望の形状に切断する。また、レーザ光の焦点を合わせるためにＺ軸方向の駆動装置でトーチとワークの距離を制御する。従来のレーザ加工機では、駆動装置を回転形のサーボモータとボールネジで構成したものが用いられていた。しかし、高速で加工するには限界があり早送り速度で２０ｍ／分程度が限界となっていた。さらに、３ｍを超えるような長尺のワークになると、ボールネジのたわみなどから加工精度が落ちるという問題があった。そこで、駆動装置部分をリニアモータに置き換える検討を行ってきた。

工作機械には大きな推力が必要なので、複数の永久磁石を等ピッチで極性が可動子の移動方向に交互に異なる極性で板状ヨークに取り付けた固定子と、固定子の磁石列に対向するように磁性体コアと電機子コイルからなる可動子を配置したリニアモータが用いられる。

図５〜図１０を参照して本発明に関連した従来のリニアモータを説明する。
図５は複数の永久磁石からなる永久磁石列上をコイルが移動するタイプの従来のリニアモータ１３０の側面図、図６は図５のＡ−Ａ断面での断面図である。図５に示すように、この従来のリニアモータ１３０は、鉄板１３１の上に複数の永久磁石１３２を等ピッチで極性が可動子の移動方向に垂直な交互に異なる極性で取り付けた固定子１３３と、この永久磁石列に対向するように磁性体からなる電機子コア１３４に電機子コイル１３５を巻いた可動子１３６から構成されている。電機子コイル１３５は電機子コア１３４に集中巻されておりＵ相、Ｖ相、Ｗ相として三相平衡結線にしている。
図５に示すリニアモータ１３０は９個の電機子コア１３４に対して永久磁石８個が対向しており、電機子コイル１３５に三相電流を流して８極の磁界を作るために図のような位置に各相のコイルが配置されている。永久磁石１３２の作る磁場に対して電流の位相を制御して電機子コイル１３５に磁場を発生させれば、保持機構（図示せず）によって支持された可動子１３６が固定子１３３上を移動する。図５の永久磁石１３２の夫々に記した矢印は磁化の方向を示し、図５の電機子コイル１３５の夫々に記した矢印は巻き方向を表している。

図７は上述した従来のリニアモータ１３０を保持機構によって支えられた状態の移動方向から見た断面図である。図７に示すように、可動子１３６（電機子コイル１３５を巻回した電機子コア１３４）がテーブル１４０の下部に固定され、このテーブル１４０の下部両端から垂直に延びた垂直フレーム１４４の先端に可動子１３６を案内するＬＭ（Ｌｉｎｅｒ Ｍｏｔｉｏｎ）ブロック１４１が固定されている。固定子１３３はリニアモータのベースプレート１４３上に固定され、ベースプレート１４３の両端上部には上記のＬＭブロック１４１と対をなす他のＬＭレール１４２が設けられている。

図５のリニアモータを組み込んだ場合には、永久磁石１３２と電機子コア１３４との間に非常に大きな磁気吸引力が作用し、その大きさは定格推力の数倍程度になる。そのために、ＬＭブロック１４１とＬＭレール１４２間にも大きな力が作用し、摩擦力は非常に大きなものになるのでガイドの寿命を低下させるという問題もあった。

これを解決するために、特許文献１では、図８に示すように２個の固定子１５３（鉄板１５１と永久磁石１５２を含む）が対向しその間を可動子１５６（電機子コア１５４と電機子コイル１５５を含む）が移動するリニアモータ１５０を開示する。こうすることによって可動子と磁石列の吸引力が打ち消しあい可動子ガイドへの負荷が軽減できる。しかし、図８の構成では、固定子の鉄板１５１を精度良く垂直に立てるために、ある程度の厚みが必要で、図７の鉄板より厚くなっている。また、ベースプレート１６３が大きくなっており駆動装置全体を重くしてしまう。図４のレーザ加工機で説明したようにＸ軸方向への駆動装置の上にＹ軸方向の駆動装置とＺ軸方向の駆動装置が載るので、駆動装置が重くなると同じ加速度を得るには、推力を増やすことになり駆動装置の大型化を招いてしまう。このため、駆動装置（リニアモータ）には軽量化が望まれる。リニアモータの重量を低減するには、駆動領域全域に配置される固定子および駆動装置のベースプレートの軽量化が効果的である。なお、図８はテーブル１６０、ＬＭブロック１６１、ＬＭレール１６２、ベースプレート１６３および垂直プレート１６４も示す。

そこで、特許文献２で開示されている図９に示すリニアモータ１７０のように１枚の鉄板１７１の上に複数の永久磁石１７２を等ピッチで極性が可動子の移動方向に交互に異なる極性で取り付けた固定子１７３と、この永久磁石列に対向するように磁性体からなる電機子コア（磁性体コア）１７４に電機子コイル１７５を巻いた可動子１７６から構成されている。電機子コイル１７５への巻き線方法は、従来のリニアモータ１３０と同様である。図１０は上述したリニアモータ１７０を保持機構によって支えられた状態の移動方向から見た断面図である。図１０はテーブル１８０、ＬＭブロック１８１、ＬＭレール１８２、ベースプレート１８３および垂直プレート１８４も示す。図１０のリニアモータ１７０の鉄板の厚みは、図８のリニアモータ１５０のものと同程度で、枚数が１枚減るのでリニアモータ全体の重量は軽量になる。

このようにして設計された従来のリニアモータ１７０で高推力を得ることができるが、コイルに電流を流さない場合でも永久磁石と磁性体コアの間に移動方向に吸引力が働く。これをコギングと呼んでいる。コギングが大きいと、リニアモータの位置制御がうまくいかなくなるので、レーザ加工機の加工精度を悪くしてしまうという問題があった。
特開平１０−２５７７５０号公報 特開２００２−３４２３１号公報

本発明の目的は、レーザ加工機の加工速度を向上させるリニアモータを提供すると共に、コギング力を大幅に低減し、高速で且つ高精度の加工が実現できるリニアモータを提供することである。

本発明は、複数の同一形状の永久磁石を可動子の移動方向に垂直な交互に異なる極性を有するように板状ヨークの両面に等間隔で取り付けられた固定子と、電機子コイルを巻かれた電機子コアを該固定子の両面の永久磁石の配列に対向するように配置した一対の可動子とを含んでなる工作機械に使用するリニアモータであって、該可動子の両端に配置され、該永久磁石の配列との距離が、該電機子コアと該永久磁石の配列との距離よりも長くなるように配置される磁性体コアを含んでなる工作機械用リニアモータを提供する。
なお、磁性体コアを補助コアと呼び、電機子コアを主コアと呼ぶこともある。
また、本発明は、上記永久磁石式リニアモータを三次元の移動機構に用いたレーザ加工機を提供する。

可動子の両端に磁性体コア（補助コア）を配置し、磁性体コアの長さを電機子コア（主コア）より短くすることでコギング力を大きく低減でき、高精度な加工が可能となる。

本発明に用いる永久磁石は、Ｎｄ系、Ｓｍ系等が挙げられるが、特に限定するものではない。磁石の配向は板状ヨークに対して垂直になっている。
本発明で用いる磁性体コア（補助コア）と電機子コア（主コア）は、磁性体であれば特に限定はしないが、補助コアと主コアが一体化形状になっていることが好ましい。すなわち、補助コアは、主コアと同じ材質であっても、異なってもよいが、主コアと同じ材質であって主コアと一体的に得られるものが好ましい。但し、補助コアにはコイルを巻かない。補助コアの材質の具体例としては、磁性体で、けい素鋼、低炭素鋼、磁性ステンレス鋼等が挙げられる。
本発明によれば、可動子の配列の両端に配置した補助コアは内側の主コアよりも短く、補助コアと内側の主コアの段差は、好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは６〜１５ｍｍである。磁性体コアの長さはこのようであるが、その断面形状は、特に限定されないが、長方形、台形が好ましい。

図１は本発明の実施形態を説明する図であり、リニアモータの中央部の垂直断面図である。図１に示すように、本発明のリニアモータ１０は、１枚の板状ヨーク（例えば鉄板）１１の上に複数の永久磁石１２を等ピッチで極性が可動子１６の移動方向に垂直な交互に異なる極性で取り付けた固定子１３と、この永久磁石列に対向するように磁性体からなる電機子コア（磁性体コア）１４に電機子コイル１５を巻いた一対の可動子１６から構成されている。電機子コア１４の配列の両端には、歯の幅が同じ寸法で、歯の高さが短い磁性体コア１７が取り付けられている。電機子コイル１５への巻き線方法は、従来のリニアモータ１７０と同様である。

図２を参照して本発明のリニアモータの補助コア寸法とコギング力の関係について説明する。
図２に示すようにリニアモータのコギング力は、可動子が移動したときに進行方向またはその逆方向に周期的に働く力で、その周期は磁石のピッチになっている。磁石と電機子コアの各歯との間に発生する磁気吸引力の総和がコギング力であり、電機子コア内側の歯で発生する磁気吸引力は打ち消し合っているが、電機子コアの両端で発生する磁気吸引力がうまく打ち消し合わないために、磁石ピッチ周期のコギング力として現れる。
従って、電機子コア両端の磁束分布をうまく調整すると、コギング力を低減できる。即ち、本発明よれば、補助コアを設け、主コアの面との段差ΔＨを変えて磁束分布を調整することにより、コギング力を低減できる。

本発明によれば、このように補助コアを設けたリニアモータをＸ、Ｙ、Ｚ軸の三次元の移動機構に用いたレーザ加工機に応用できる。本発明のレーザ加工機を用いると、ゴギング力低減による推力むらがなくなり、位置制御精度が高まり、高速で精度のよい加工が行える。

実施例
図１で示すように補助コアを設け、主コアの面との段差ΔＨを変えて磁束分布を調整した。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石を使用し、主コアと補助コアは鉄ヨークを使用した。図１の断面寸法は、磁石幅１８ｍｍ、磁化方向厚さ５ｍｍ、磁石ピッチ２５ｍｍ、電機子コアの歯の幅１０ｍｍ、歯の長さ３４ｍｍ、固定子ヨークの厚さ１９ｍｍであった。可動子と固定子磁石の隙間は１ｍｍであった。可動子および固定子の断面方向の厚さは５０ｍｍであった。なお、磁石ピッチ（τ）は、永久磁石の幅と永久磁石間距離の和である。
結果を図３に示す。図３に示すように、段差ΔＨを大きくするとコギング力は小さくなり、ΔＨ＝８ｍｍで最小値１５Ｎとなった。なお、段差ΔＨを大きくして補助コアがない場合（ΔＨ＝３４ｍｍ）のコギングは６６Ｎであった。このように、補助コアの寸法Ｈを調整することでコギング力を低減できた。
このように補助コアを設けたリニアモータをＸ、Ｙ、Ｚ軸の三次元の移動機構に用いたレーザ加工機に応用できた。

本発明の実施の形態に係るリニアモータを説明する図である。 コギング力の波形を説明する図である。 本発明の補助コア寸法とコギング力を説明する図である。 レーザー加工機を説明する断面図である。 従来のリニアモータの可動子と固定子の関係を説明する断面図である。 図５のＡ−Ｂ断面図である。 図５のリニアモータの保持機構を説明する図である。 磁気吸引力を打ち消し合う従来のリニアモータを説明する図である。 磁気吸引力を打ち消し合う従来のリニアモータの可動子と固定子の関係を説明する図である。 図９のリニアモータの保持機構を説明する図である。

符号の説明

１０，１３０，１５０，１７０ リニアモータ
１１，１３１，１５１，１７１ 板状ヨーク
１２，１３２，１５２，１７２ 永久磁石
１３，１３３，１５３，１７３ 固定子
１４，１３４，１５４，１７４ 電機子コア
１５，１３５，１５５，１７５ 電機子コイル
１６，１３６，１５６，１７６ 可動子
２０，１４０，１６０，１８０ テーブル
２１，１４１，１６１，１８１ ＬＭブロック
２２，１４２，１６２，１８２ ＬＭレール
２３，１４３，１６３，１８３ ベースプレート
２４，１４４，１６４，１８４ 垂直フレーム
１２１ フレーム
１２２ テーブル
１２３ Ｘ軸方向駆動装置
１２４ Ｙ軸方向駆動装置
１２５ Ｚ軸方向駆動装置
１２６ トーチ

Claims (3)

1. 複数の同一形状の永久磁石を可動子の移動方向に垂直な交互に異なる極性を有するように板状ヨークの両面に等間隔で取り付けられた固定子と、電機子コイルを巻かれた電機子コアを該固定子の両面の永久磁石の配列に対向するように配置した一対の可動子とを含んでなる工作機械に使用するリニアモータであって、
   該可動子の両端に配置され、該永久磁石の配列との距離が、該電機子コアと該永久磁石の配列との距離よりも長くなるように配置される磁性体コアを含んでなる工作機械用リニアモータ。
2. 上記磁性体と上記該永久磁石の配列との距離が、上記可動子と上記永久磁石の配列との距離よりも５ｍｍ以上長い請求項１に記載の工作機械用リニアモータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の工作機械用リニアモータを三次元の移動機構に用いたレーザ加工機。

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