JP2006034014A - 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に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、該各可動子が、永久磁石の幅と永久磁石間距離の和である磁石ピッチτの８倍となる長さを有し３個ずつ各相の電機子コイルが巻かれた９個の電機子コアを有する可動子ブロックを２つ含んでなり、２つのブロックの間隔を該磁石ピッチτの１／２の長さにすることを特徴とする工作機械用リニアモータ等を提供する。
【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３はレーザ加工機の一例を示す斜視図である。図３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３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４〜図９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４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５は図４のＡ−Ａ断面での断面図である。図４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４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４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４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６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６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４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７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７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６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３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７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８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９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９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９のリニアモータ１７０の鉄板の厚みは、図７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に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、
該各可動子が、永久磁石の幅と永久磁石間距離の和である磁石ピッチτの８倍となる長さを有し３個ずつＵ相とＶ相とＷ相の各相の電機子コイルが巻かれた９個の電機子コアを有する可動子ブロックを２つ含んでなり、２つのブロックの間隔を該磁石ピッチτの１／２の長さにすることを特徴とする工作機械用リニアモータを提供する。
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。

本発明によれば、固定子磁石ピッチの８倍の長さであり、歯の数（電機子コアの数）は９個であって３個ずつ各相の電機子コイルを巻いた可動子ブロックを２個配置し、ブロックの間を固定子磁石ピッチの１／２にした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。磁石の配向はヨークに対して垂直になっている。
本発明に用いる電機子コア（磁性体コアとも呼ばれる）は、磁性体であれば特に限定はしないが、一体化形状になっていることが好ましい。

以下、図１を参照して本発明に係る実施の形態を説明する。
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、この永久磁石の配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（可動子ブロック１６ａ〜ｂを含む）から構成されている。

各可動子ブロックの長さは固定子磁石ピッチの８倍であり、可動子の歯（電機子コア）の数は９個である。２つの可動子ブロックは進行方向に直列に配置されており、２つのブロックの間（電機子コアの間）には、好ましくは、固定子磁石ピッチの１／２の寸法のスペーサ１７が入っている。但し、２つのブロックの間隔を磁石ピッチの１／２の長さとする空間であってもよい。
スペーサ１７の材質は、２つの可動子ブロックの磁気的な干渉を無くすために非磁性ステンレスやアルミなどの非磁性体が好ましい。スペーサの形状は、特に限定しないが、直方体ブロック形状が好ましい。各可動子ブロックとの接続は、接着剤で固定する方法、可動子とともに別にフレームを設け機械的に固定する方法等が挙げられる。
電機子コイル１５への巻き線方法は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルが各々合計３個になるように配置して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の配置は適宜選択すればよく、例えば、第１ブロック目を図の左の歯から３個ずつＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルが集中巻されている場合、第２ブロック目は１個の歯にＶ相、２個目から３個ずつＷ相、Ｕ相を巻き、最後の２個にＶ相が巻かれている。

図２は、２つの可動子ブロックで構成され、その間隔が磁石ピッチの１／２である可動子を一対有する図１のリニアモータ１０のコギング力について説明する。
図２には図８の進行方向に各可動子が１ブロックで構成された従来例のリニアモータ１７０のコギング力が点線で示されている。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。今の場合、最大最小の差が１４４Ｎになっている。従来例のリニアモータ１７０にコギング力の波形の位相が１８０°違う可動子をつけると、波形の合成からコギング力が打ち消しあう。従って、ブロックの間を固定子磁石ピッチの１／２にする本発明によれば、でコギング力を大きく低減できると考えられる。

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で示すように第２の可動子ブロックをコギング力の波形の１８０°に相当する磁石ピッチの１／２の間隔を設け配置した。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石を使用し、コア材は鉄ヨークを使用した。ここで、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（鉄板）の厚さ１９ｍｍであった。可動子と固定子磁石の隙間は１ｍｍである。第１のブロックと第２のブロックのスペーサ（非磁性ステンレスＳＵＳ３０４）の幅は１２．５ｍｍ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、図８の従来例の寸法は、本発明と同じ推力を得るために可動子および固定子の断面方向の厚さは１００ｍｍで、他の寸法は同じにしている。
図２の実線で示すように本発明のコギング力は小さくなり、最大最小の差で１７Ｎとなった。このように、２ブロックの可動子コアを磁石ピッチの１／２の間を空けて配置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。 本発明と従来例のコギング力の波形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４のＡ−Ｂ断面図である。 図４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８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に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、
   各可動子が、永久磁石の幅と永久磁石間距離の和である磁石ピッチτの８倍となる長さを有し３個ずつＵ相とＶ相とＷ相の各相の電機子コイルが巻かれた９個の電機子コアを有する可動子ブロックを２つ含んでなり、２つのブロックの間隔を該磁石ピッチτの１／２の長さにすることを特徴とする工作機械用リニアモータ。
2. 上記２つのブロックの間隔を上記磁石ピッチτの１／２の長さにするために、該２つのブロックの間に非磁性体のスペーサを含んでなる請求項１に記載の工作機械用リニアモータ。
3. 請求項１に記載の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。

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