JP2006129546A - ムービングコイル形リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電機子コイルにより発生する推力ムラを無くし、電機子コアと界磁磁石の間に発生するコギング推力を相殺して、高精度のムービングコイル形リニアモータを提供する。
【解決手段】 可動子３の分割したブロックコア３１、３２、３３は、磁石ピッチＰｍの８倍の長さで９個のティース４を等ピッチで備え、ブロックコア３２のティース４の長さＬ２をブロックコア３１、３３のティースの長さＬ１よりも短くし、各ブロックコアを相互間に磁石ピッチの２／３の間隙を設けて推力の方向に配置し、第１のブロックコア３１はティース４を３個ずつのグループに分けてＵ相帯、Ｖ相帯、Ｗ相帯の順に電機子コイル５を巻装し、第２のブロックコア３２は同様にＶ相帯、Ｗ相帯、Ｕ相帯の順に巻装し、第３のブロックコア３３は同様にＷ相帯、Ｕ相帯、Ｖ相帯の順に巻装して、相互の電機子コイル５を１２０°の位相差にした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機のテーブル送りなどに用いられるムービングコイル形リニアモータに関する。

従来より、工作機のテーブル送りなどに用いられる駆動源として、固定部に設けた界磁磁石と、この界磁磁石に対向するくし歯状の電機子コアと、この電機子コアに分布巻に巻装してなる電機子コイルとを備えたムービングコイル形リニアモータが、良く知られている。この種のリニアモータは、電機子コイルを巻装する電機子コアは、相数をｎ、界磁磁石の数をｐ、１極当たりに対向するティースの数をｑとすれば、電機子コアに設けるティース数Ｎは、Ｎ＝ｎ×ｐ×ｑであり、このティース数を等間隔に備えた電機子コアに、電機子コイルの３相巻線Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を少なくとも２以上のティースピッチとなるコイル飛びによって巻装している。
このムービングコイル形リニアモータは、移動する電機子コアの磁気回路がエンドレスでなく、両端で解放されおり、可動子推力方向Ｘの両端のスロットは、中央部分のスロットと異なり、１個のコイルだけを収納している。このスロットによって端効果が発生し、界磁磁石の磁極ピッチの中に１周期のコギング推力ＴＣを生じ、推力ムラを発生させている。

そこで、上記のコギング推力による問題を解決するために、例えば、電機子コアを複数のブロックコアに分割し、各ブロックコアに等ピッチで設けたティースに、集中巻で巻装した電機子コイルを備えたムービングコイル形リニアモータの提案が、本出願人より特許文献１にて出願されている。
図７は先行技術となる特許文献１におけるリニアモータの側断面図を示したものである。
図において、１は界磁磁石、２は固定部、３は可動子、３１は第１のブロックコア、３２は第２のブロックコア、３３は第３のブロックコア、４はティース、５は電機子コイル
６は間隔片、７は温度センサ、８は樹脂モールドである。
リニアモータは、固定部２に複数個の界磁磁石１を直線方向に向かって交互に極性が異なるように等ピッチで取付けると共に、この界磁磁石１と磁気的空隙を介して、磁性体からなる電機子コアにコイルを巻装してなる電機子を取付けた可動子３が対向配置されている。この可動子は界磁磁石１に対向して移動する可動子３の長さと可動子３が移動するストロークを合わせた長さに構成されており、可動子３に設けたコアは、第１のブロックコア３１、第２のブロックコア３２、および第３のブロックコア３３に分割して移動方向に取り付けている。
このブロックコア３１、３２および３３は、相互間に磁石ピッチの電気角１８０°を前記ブロックコアの分割数で割った値の整数倍の電気角に対応する間隙を設けると共に、該間隙に非磁性体からなる間隔片６を推力の方向に配置し、前記間隙を挟むブロックコアの電機子コイル相互を、この間隙に対応する電気角で位相をずらして巻装するようにしている。
したがって、各ブロックコアの電機子コイル５によって生じるコギング推力の位相が、順次に間隙に応じた電気角での位相ずれを備え、各ブロックコアに生じるコギング推力を相互に相殺して打ち消すことができ、巻線を完全な３相平衡巻線で構成させることを可能としている。
ＷＯ９９／４１８２５（明細書第１０頁乃至第１１頁、図１、図３、図２２を参照）。

ところが、特許文献１のリニアモータは、電機子コイルにより生じるコギング推力のみを相殺する構造となっていて、電機子コアと固定部の界磁磁石との間に発生する端効果によるコギング推力を相殺することができないので、このコギング推力による推力ムラが残留するという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電機子コイルにより発生する推力ムラを無くすとともに、電機子コアと固定部の界磁磁石との間に発生するコギング推力を相殺して、推力ムラが極小な高精度のムービングコイル形リニアモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１の発明は、複数個の界磁磁石を直線方向に向かって交互に極性が異なるように等ピッチで取付けられた固定部と、前記界磁磁石と磁気的空隙を介して対向配置されると共に磁性体からなる電機子コアにコイルを巻装してなる電機子を取付けた可動子と、を備え、前記電機子コアは、複数のブロックコアに分割して推力の方向に配置してあり、前記各ブロックコアは、等ピッチで配置された相数の整数倍のティースを備えて集中巻にした電機子コイルを設けてあり、前記ブロックコア相互間には、磁石ピッチを前記ブロックコアの分割数で割った値の整数倍の電気角に対応するように推力の方向に配置した間隙を設けてあり、前記各ブロックコアの電機子コイルは、互いに前記間隙に対応する電気角で位相をずらして巻装するようにしたムービングコイル形リニアモータにおいて、前記電機子コアの複数のブロックコアの内、推力方向の両端部のブロックコアが備えるティースの長さと、推力方向の中央部のブロックコアが備えるティースの長さが相違するような構成にしたものである。

請求項２の発明は、請求項１記載のムービングコイル形リニアモータにおいて、前記電機子コアの複数のブロックコアの内、推力方向の両端部のブロックコアが備えるティースの長さに対して、推力方向の中央部のブロックコアが備えるティースの長さを短くしたものである。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載のムービングコイル形リニアモータにおいて、前記ブロックコアは、それぞれ磁石ピッチの８倍の長さを備えると共に、９個のティースを等ピッチに設けた第１のブロックコアと、同様に該第１のブロックコアと同数のティースをそれぞれ有した第２のブロックコアおよび第３のブロックコアとを、相互間に磁石ピッチの２／３の間隙を設けて推力の方向に配置してあり、前記各ブロックコアはティースを３個ずつのグループに分けると共に、該各ブロックコア毎にグループ化されたティースの第１、第２、第３のグループにＵ相帯、Ｖ相帯、Ｗ相帯の電機子コイルを巻装して、相互の電機子コイルを１２０°の位相差で３相平衡結線にしたものである。

請求項４の発明は、請求項１または２に記載のムービングコイル形リニアモータにおいて、前記ブロックコアは、それぞれ磁石ピッチの８倍の長さを備えると共に、９個のティースを等ピッチに設けた第１のブロックコアと、同様に該第１のブロックコアと同数のティースをそれぞれ有した第２のブロックコアおよび第３のブロックコアとを、相互間に磁石ピッチの１／３の間隙を設けて推力の方向に配置してあり、前記各ブロックコアはティースを３個ずつのグループに分けると共に、該各ブロックコア毎にグループ化されたティースの第１、第２、第３のグループにＵ相帯、Ｖ相帯、Ｗ相帯の電機子コイルを巻装して、相互の電機子コイルを６０°の位相差で３相平衡結線にしたものである。

請求項１、２に記載の発明によると、電機子コアを複数のブロックコアに分割して推力の方向に配置し、各ブロックコアは等ピッチで配置された相数の整数倍のティースを備えて集中巻にした電機子コイルを設け、前記ブロックコア相互間に磁石ピッチを前記ブロックコアの分割数で割った値の整数倍の間隙を設けて推力の方向に配置し、各ブロックコアの電機子コイル相互を、前記間隙に対応する電気角で位相をずらして巻装したムービングコイル形リニアモータにおいて、前記電機子コアの前記ブロックコアでティース長さを相違する構成とし、さらに、推力方向の両端部のブロックコアが備えるティースの長さに対して、推力方向の中央部のブロックコアが備えるティースの長さを短くすることにより、電機子コイルにより発生する推力ムラに加えて、電機子コア、界磁磁石間のコギング推力を相殺させてることができ、推力ムラを極小にし得る効果があり、高精度のリニアモータを提供できる。

請求項３、４に記載の発明によると、可動子を３個のブロックコアにして、磁石ピッチの２／３、あるいは１／３の間隙で推力の方向に配置し、各ブロックコアを磁石ピッチの８倍の長さで９個のティースを設け、３個ずつのグループに分けて巻線を巻装することにより、ティースに直接コイルを巻きつけて集中巻にし、鎖交磁束が大きく、かつ３相平衡結線にすることができる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについてはその説明を省略し、異なる点について説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示すムービングコイル形リニアモータの側断面図である。また、図２は、本発明の第１実施例に関する巻線の説明図であって、（ａ）は結線図、（ｂ）は巻線配置図、図３は、本発明の第１実施例に関するコギング推力の説明図を示したものである。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、係るリニアモータが可動子３に設けたコアを第１のブロックコア３１、第２のブロックコア３２、および第３のブロックコア３３に分割して移動方向に取り付けた構成においては、複数の電機子コアのブロックコア３１、３２、３３の内、推力方向の両端部のブロックコア３１、３３が備えるティース４の長さＬ１と、推力方向の中央部のブロックコア３２が備えるティース４の長さＬ２が相違するような構成にしたものであり、本例においては、該ブロックコア３１、３３が備えるティース４の長さＬ１に対して、推力方向の中央部のブロックコア３２が備えるティース４の長さＬ２を短くした構成となっている点である。

また、ムービングコイル形リニアモータにおいては、各ブロックコア３１、３２、３３は、界磁磁石１のピッチＰｍの８倍の長さを備え、９個のティース４を等ピッチＰｔで設けており、ティ−ス４はそれぞれ３個ずつのグループに直巻された各相の電機子コイル５を集中巻にして巻装している。さらに、ブロックコア相互間に設けた間隙に挿入した間隔片６は、界磁磁石１のピッチＰｍの２／３倍の幅を備えており、非磁性体で構成することが望ましい。
３相９コイルで、これに対向する磁極数が８となる電磁構造の巻線配置におけるスロットピッチは、電気角で１６０°になり、コイル飛びはスロットＮｏ１〜Ｎｏ２になるので、ティースにコイルを直接巻き付け、集中巻にすることができる。
図２（ａ）の結線図に示すように、第１のブロックコア３１は、各グループのティース４にＵ相帯、Ｖ相帯、Ｗ相帯の順に電機子コイル５を備えている。また、第２のブロックコア３２は、前記第１のブロックコア３１に対して推力の方向に間隔片６により磁石ピッチＰｍの２／３ずらせており、磁石ピッチＰｍは電気角で１８０°であるから、電気角で１２０°ずれることになり、このブロックコア３２の電機子コイル５も第１のブロックコア３１の電機子コイル５に対して１２０°の位相ずれをもたせるため、前記第１のブロックコア３１と同じ側の端からＶ相帯、Ｗ相帯、Ｕ相帯の順で電機子コイル５を備えている。
また、第３のブロックコア３３の電機子コイル５も同様に、第２のブロックコア３２から電気角で１２０°ずらせることになり、Ｗ相帯、Ｕ相帯、Ｖ相帯の順で巻装される。したがって、各ブロックコア３１、３２、３３の各相電機子コイル５と界磁磁石１との対向位置は、位相をずらさない場合と同様になり、鎖交磁束が最大になる。

このように、可動子３の各ブロックコア３１、３２、３３のコイル配置は、図２（ｂ）に示すように、ブロックコア３１、３２、３３が相互に、界磁磁石１のピッチＰｍの２／３（電気角で１２０°）の間隔片６によって離されており、これに応じて各ブロックコアの電機子コイル５を相互に電気角で１２０°の位相差で巻装することにより、端効果の影響で電機子コイルにより発生するコギング推力ＴＣ１、ＴＣ２、ＴＣ３は、図３（ａ）に示すように１２０°の位相差を生じ、その和をほぼ相殺することができる。図３（ａ）のコギング推力ＴＣ２とＴＣ１、ＴＣ３とを詳細に比較すると、ＴＣ２には可動子３の各ブロックコアと固定部２の界磁磁石１との間に発生する端効果によるコギング推力が重畳し、その大きさに差が生じている。
また、本案ではブロックコア３１、３３のティース４の長さＬ１とブロックコア３２のティース４の長さＬ２を異なる構成にすることにより、図３（ｂ）に示すように、ＴＣ２とＴＣ１、ＴＣ３を同等の大きさのコギング推力とすることができ、３つのブロックコアの相殺効果を最大限とする作用となり、全体としてのコギング推力を極小にすることができる。

図４は、第２実施例を示すムービングコイル形リニアモータの側断面図である。また、図５は、本発明の第２実施例に関する巻線の説明図であって、（ａ）は結線図、（ｂ）は巻線配置図、図６は、本発明の第２実施例に関するコギング推力の説明図を示している。なお、本例においては、前記第１実施例と同じ部分に相当する所には同一の符号を付すと共に、ブロックコア３１、３３のティース４の長さＬ１と、ブロックコア３２のティース４の長さＬ２を異ならせ、ブロックコア３１、３３のティース４の長さに対して、ブロックコア３２のティース４を短かくした構成は第１実施例と同じである。
第２実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、可動子３のコアを３個のブロックコアに分割して、各ブロックコア３１、３２、３３を界磁磁石１のピッチＰｍの１／３倍の幅を備えた間隔片６ａを挟んで連鎖結合させており、各ブロックコア３１、３２、３３は、前記界磁磁石１のピッチＰｍの８倍の長さを備え、等ピッチＰｔで９個のティース４を設け、ティース４はそれぞれ３個ずつのグループにしている。
図４に示すように、各ブロックコア３１、３２、３３の同じ側端のティース位置は、ブロックコア相互間に間隔片６ａを挟んで磁石ピッチＰｍの１／３ずつずれており、磁石ピッチＰｍは電気角で１８０°であるから、電気角で６０°ずれることになる。したがって、第１のブロックコア３１は、図５（ａ）の結線図に示すように端から順次に、各グループのスロットにＵ相帯、Ｖ相帯、Ｗ相帯の電機子コイル５を直接巻装し、第２のブロックコア３２の電機子コイル５は、電気角で６０°位相をずらせるため、Ｗ相帯、Ｕ相帯、Ｖ相帯の順に巻方向を逆にして巻装し、第３のブロックコア３３の電気子コイル５は、第２のブロックコア３２の電気子コイル５と６０°の位相差にするため、第１のブロックコア３１と同方向にして、Ｖ相帯、Ｗ相帯、Ｕ相帯の順で巻装する。この状態の各ブロックコア３１、３２、３３の巻線配置を図５（ｂ）に示している。

このように、各ブロックコアの端効果の影響を受けて電機子コイルにより発生するコギング推力ＴＣ１、ＴＣ２、ＴＣ３は、図６（ａ）に示すように６０°の位相差を生じ、その和をほぼゼロにすることができる。また、第１実施例と同様に、ブロックコア３１、３３のティース４の長さＬ１とブロックコア３２のティース４の長さＬ２を異なる構成にすることにより、図６（ｂ）に示すように可動子３の各ブロックコアと固定部２の界磁磁石１との間に発生する端効果によるコギング推力をも各ブロックコア間で相殺する作用があり、コギング推力の極小な電磁構造を得ることができる。

本発明は、単なる工作機械のテーブル送りなどに用いられるムービングコイル形リニアモータへの適用をはじめとして、制御電流にとって外乱となるコギング推力による推力ムラを極小にすることができるので、コンタリング性能が厳しく要求される精密加工機械という用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示すムービングコイル形リニアモータの側断面図 本発明の第１実施例に関する巻線の説明図で、（ａ）は結線図、（ｂ）は巻線配置図 本発明の第１実施例に関するコギング推力の説明図 本発明の第２実施例を示すムービングコイル形リニアモータの側断面図 本発明の第２実施例に関する巻線の説明図で、（ａ）は結線図、（ｂ）は巻線配置図 本発明の第２実施例に関するコギング推力の説明図 先行技術となる特許文献１を示すリニアモータの側断面図

符号の説明

１ 界磁磁石
２ 固定部
３ 可動子
３１ 第１のブロックコア
３２ 第２のブロックコア
３３ 第３のブロックコア
４ ティース
５ 電機子コイル
６ 間隔片

Claims (4)

1. 複数個の界磁磁石を直線方向に向かって交互に極性が異なるように等ピッチで取付けられた固定部と、
   前記界磁磁石と磁気的空隙を介して対向配置されると共に磁性体からなる電機子コアにコイルを巻装してなる電機子を取付けた可動子と、を備え、
   前記電機子コアは、複数のブロックコアに分割して推力の方向に配置してあり、
   前記各ブロックコアは、等ピッチで配置された相数の整数倍のティースを備えて集中巻にした電機子コイルを設けてあり、
   前記ブロックコア相互間には、磁石ピッチを前記ブロックコアの分割数で割った値の整数倍の電気角に対応するように推力の方向に配置した間隙を設けてあり、
   前記各ブロックコアの電機子コイルは、互いに前記間隙に対応する電気角で位相をずらして巻装するようにしたムービングコイル形リニアモータにおいて、
   前記電機子コアの複数のブロックコアの内、推力方向の両端部のブロックコアが備えるティースの長さと、推力方向の中央部のブロックコアが備えるティースの長さが相違するように構成したことを特徴とするムービングコイル形リニアモータ。
2. 前記電機子コアの複数のブロックコアの内、推力方向の両端部のブロックコアが備えるティースの長さに対して、推力方向の中央部のブロックコアが備えるティースの長さを短くしたことを特徴とする請求項１記載のムービングコイル形リニアモータ。
3. 前記ブロックコアは、それぞれ磁石ピッチの８倍の長さを備えると共に、９個のティースを等ピッチに設けた第１のブロックコアと、同様に該第１のブロックコアと同数のティースをそれぞれ有した第２のブロックコアおよび第３のブロックコアとを、相互間に磁石ピッチの２／３の間隙を設けて推力の方向に配置してあり、
   前記各ブロックコアはティースを３個ずつのグループに分けると共に、該各ブロックコア毎にグループ化されたティースの第１、第２、第３のグループにＵ相帯、Ｖ相帯、Ｗ相帯の電機子コイルを巻装して、相互の電機子コイルを１２０°の位相差で３相平衡結線にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のムービングコイル形リニアモータ。
4. 前記ブロックコアは、それぞれ磁石ピッチの８倍の長さを備えると共に、９個のティースを等ピッチに設けた第１のブロックコアと、同様に該第１のブロックコアと同数のティースをそれぞれ有した第２のブロックコアおよび第３のブロックコアとを、相互間に磁石ピッチの１／３の間隙を設けて推力の方向に配置してあり、
   前記各ブロックコアはティースを３個ずつのグループに分けると共に、該各ブロックコア毎にグループ化されたティースの第１、第２、第３のグループにＵ相帯、Ｖ相帯、Ｗ相帯の電機子コイルを巻装して、相互の電機子コイルを６０°の位相差で３相平衡結線にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のムービングコイル形リニアモータ。

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