JP2008518578A - リニアモータコイル組立体及びリニアモータ - Google Patents

Abstract

磁石トラック（５３）と、磁石トラック（５３）と協働して動作し且つ複数の集中多重巻コイル（３１ａ−ｆ、４１ａ−ｄ、５１ａ−ｋ）を有するコイル組立体（５０）とを含み、コイル（３１ａ−ｆ、４１ａ−ｄ、５１ａ−ｋ）の端部滝線（３１_Ｅ）は、実質的に丸められ、端部巻線間のコイル部分（３１_Ｓ）は直線であり、コイル（３１ａ−ｆ、４１ａ−ｄ、５１ａ−ｋ）はオーバーラップ状に配置され、端部巻線（３１_Ｅ）は一体に押し付けられる、無鉄リニアモータ（５）が提供される。コイル組立体は平坦であり、よって、取扱いが容易であり、高い急勾配をもたらすという利点を有する。

Description

本発明は、概ね、リニアモータのためのコイル組立体、及び、そのようなコイル組立体を使用するリニアモータに関する。

リニアモータは、主として自動化システム及びリソグラフィ段階において使用される。それらは鉄コアモータ及び無鉄モータの２つの種類に分割され得る。無鉄モータの場合、主要構成素子は、周期的に交替する磁場を備える少なくとも１つの永久磁石の列を備える磁気トラック、及び、電流が加えられる複数の巻線であり、よって、互いに両方の構成素子を移動するローレンツ力を誘発する。リニアモータの設計に依存して、磁気トラックは固定的であり得るし、移動する或いは逆でもある複数の巻線であり得る。殆どの無鉄リニアモータは、固定的な交替する永久磁石の２つの平行な列を有し、複数の巻線は磁石のこれらの２つの列の間で移動する。複数の巻線の組立体は、しばしばフォーサー(forcer)と呼ばれる。無鉄リニアモータは、発動機重量当たりのより高い力及びコギング無し出力を達成する点で、鉄コアリニアモータに対して有利である。後者は高精密用途において重大である。

市場に存在する無鉄リニアモータでは、２つの種類の巻線構造がフォーサーにおいて実施されている。１つの種類の巻線構造は、非オーバーラップ状態に隣同士に配置される巻線を使用する。一例が図１ａに例証されている。コイル１１ａ−ｃが隣同士に配置され、筐体内に封入されるべきエポキシのような何らかの硬化材料内に含浸され或いは成形される。これは図１中の線Ｂ−Ｂに沿って切断された図１ｂにも例証されている。結果として得られるコイル組立体Ｉは、その平坦形状の故に（図１ｂ及び１ｄを参照）、平坦フォーサーとも呼ばれる。しばしば、成形材料は、ガラス繊維と共に実施される。

他の種類の巻線構造は、オーバーラップする巻線を有することである。この巻線構造において、コイル２１ａ，ｂ，ｃの端部巻線が交差するという事実の故に、組立体２０は、図２に示されるように、端部巻線が多くの異なる方向に向けられた状態で、両端部でより厚くなる。この巻線構造は、より高い力生成及びより低い高調波ひずみに関して有利であるが、非オーバーラップ構造ほど組立が容易でない。

無鉄リニアモータ２（図２を参照）では、磁石２３が平行な列に配置され、交替する磁場を備え、磁性トラック２２を形成するために支持体上の間にある空気間隙を有する。支持体は、通常、永久磁石のために、並びに、空気間隙に亘る束帰路をもたらすよう、磁性材料から成る。オーバラップ巻線から成るフォーサー２０が、巻線の中央部が磁石２３間に配置されるよう、磁石２３間の間隙Ｇ内に導入され、端部巻線は上側及び下側の両方で間隙Ｇの外側にある。コイル２１ａ−ｃは、互いに対して並びに磁石２３のピッチに対して異なる位置を有し、モータの位相を得るために直列に及び／又は並列に接続される。モータの位相は、単相又は多相であり得るが、３相が最も一般的である。多くの方向に配置される端部巻線は、磁石２３間の中央部よりも大きい端部を備えるフォーサー２０をもたらす。

図１ａ、１ｂ、及び、１ｄのコイル１１ａ−ｃは、集中マルチターンコイル、即ち、電線、好ましくは、導線から成るコイルである。非オーバーラップコイルの場合、これらはしばしば正周期的(orthocyclic)な性質を有する。それらは、図１ｂの丸で囲まれた詳細の拡大図である図１ｃに例証されるように、傍らに並びに積み重なって連続巻きを備えるコイル内の多数の巻き（例えば、５から５０）として特徴付けられる。集中多重巻コイルが、分配された巻線と対照的に見られるべきであり、その場合には、電流の同一位相に属する連続巻きの場所は、互いに対してシフトされる、或いは、換言すれば、多の場所を備える巻は１つの位相内で直列に或いは並列に置かれる。分配された巻線は、通常、直線方向に延在する平面内に配置され、時々、線形巻線とも呼ばれる。集中多重巻コイルは、１つの平面内にのみ多重巻きを有する巻線、傍ら同士の巻線の１つの層と混同されるべきでもない。

昨年来を通じて多くの努力がこれらの基本的な無鉄リニアモータを改良することに注がれた。１つの試みが、米国特許第６，１６０，３２７号においてＸ．Ｔ．Ｗａｎｇによって記載されている。彼は、移動するコイルのために、特にプリント回路基板型の巻線を分配する。彼は、線形空気間隙の高さ及び巻線の外径寸法に比べ、線形動作の方向に対して垂直な分配された巻線の直線部分の長さを調節することによって、モータパラメータを最適化する。

高い力及び組立ての容易性を備える無鉄リニアモータのためのコイル組立体を提供することが本発明の目的である。

本発明の第一の特徴によれば、関連する磁石トラックと協働して動作可能なリニアモータコイル組立体であって、複数の集中多重巻コイルを含み、コイルの端部巻線は実質的に丸められ、端部巻線間のコイル部分は直線であり、前記コイルはオーバーラップ状に配置され、前記端部巻線は一体に押し付けられる、リニアモータコイル組立体が提供される。

集中多重巻コイルを使用するという事実は、分配された巻線及び非集中的な多重巻コイルと対照的に、コイル組立体それ自体と無関係にコイルの生成を可能にする。集中多重巻コイルは、今のところは概ね数十年に亘って使用されており、製造が容易である。それらは市場で比較的低製造コストで容易に入手可能である。その上、それらは他の種類の巻線ほど損傷を受け易くなく、取扱いがより容易である。

集中多重巻コイルの端部巻線の実質的に丸められた形状は、それらを押し付けることの故にも、端部巻線が基本的に１つの方向に向けられた状態で、コイルをオーバーラップ状に配置することを可能にすると同時に、オーバーラップする巻線の端部領域の厚さをオーバーラップする巻線の他の領域と比べて最小限化する。コイル組立体は、全体的に、従来的なオーバーラップするコイル組立体よりも平坦な形状を有する。よって、コイル組立体全体を磁石トラックの磁石間に容易に位置付け得る。従って、コイルの中央直線部分がリニア動作を生成するために使用され得るのみならず、端部巻線も利用される。これはオーバーラップ構造によって既に達成される損失当たりの高い力をさらに一層増大する。

好適実施態様においてリニアモータコイルの集中多重巻コイルは、コイル組立体の空間充填率が約４５％であり、且つ／或いは、オイル組立体は理想的に平坦でないのに、平坦な筐体内にカプセル化されるよう、オーバーラップ状に配置される。空間充填率は、伝導性材料の量、例えば、コイル組立体の容積当たりの銅を与える。コイルを平坦な筐体内に配置することは、容易に取り扱われ得る且つリニアモータの磁石トラックの磁石間に置かれ得る平坦フォーサーをもたらす。

好ましくは、集中多重巻コイルは、力がこのコイル組立体を使用してリニアモータによって生成されるときに、コイル組立体の平坦性を同様に向上するよう、丸められた縁部を備える０形状又は六角形状を有する。他の好適なコイル形状は、丸められた縁部に対して直角である。

本発明のさらなる特徴によれば、磁石トラックと、磁石トラックと協働して動作し且つ複数の集中多重巻コイルを有するコイル組立体とを含み、コイルの端部巻線は実質的に丸められ、端部巻線間のコイル部分は直線であり、コイルはオーバーラップ状に配置され、前記端部巻線は一体に押し付けられる、リニアモータが提供される。

本発明の好適実施態様において、リニアモータの集中多重巻コイルは、コイル組立体の直線部分における空間充填率が約４５％以上であり且つ／或いは平坦な筐体内でカプセル化されるよう、オーバーラップ状に配置される。

好ましくは、磁石トラックの磁石の高さは、集中多重巻コイルの高さの少なくとも８０％以上であり、よって、端部巻線も有効に利用する。

有利に、集中多重巻コイルの端部巻線は、磁石トラックの磁石間に少なくとも部分的に位置する。

本発明に従ったリニアモータは、幾つかの利点を有する。コイル組立体は、組み立てが容易であり、それは頂部から磁石トラック内に容易に配置され得る平坦な形状を有する。コイル組立体の平坦な形状の故に、特にオーバーラップしない巻線を備えるフォーサーを使用するモータと比べて、比較的高い急勾配値（急勾配＝力^２／損失）が達成される。

本発明のこれらの並びに多の特徴は、以下に記載される実施例を参照して明瞭に解明されるであろう。

コイル組立体のための集中多重巻コイルは別個に巻回され、フォーサーの長さに沿って位置付けられる。好ましくは、コイルは多相構造を形成する。オーバーラップ構造は、単層または多層構造であり得る。磁石に対して直交する方向に電線材料を備える可能な限り多くの充填、好ましくは、約５０％以上の空間充填率を得るために、すべての層は一体に押し付けられる。次に、組み立てられたコイルは、最終形状に押し込まれるべき平坦に形成された型キャビティ内に配置され、硬化成形材料によってカプセル化される。例えば、エポキシが一般的に使用される材料の１つである。ガラス繊維又は他の非磁性繊維を備える硬化成形材料を実施することも可能である。

図３ａ及び３ｂは、実質的に六角形の形状を有する集中多重巻コイル３１ａ−ｃ、３１ｄ−ｆの２つの可能なオーバーラップ構造を示している。コイル３１ａ−ｃ、３１ｄ−ｆは、六角形の底隅部と頂隅部との間で丸められた端部巻線部分３１_Ｅと、磁石と平行な直線部分３１_Ｓとを有する。集中多重巻コイル３１ａ−ｃ、３１ｄ−ｆは、図１ｃと関連して説明されたように、傍らに並びに積み重なった連続巻きを備える複数の巻きで作成されることが留意されよう。好ましくは、コイルは銅線又はアルミニウムのような他の導電性材料から成る。

図３ａに示される構造は、極めて高密度に詰め込まれ、互いにオーバーラップする異なるコイルの極めて大きな領域を有することによって、組立体に全体的に平坦な形状をもたらす。高密度な詰め込みは、無鉄リニアモータの磁石トラックの磁石と平行な直線部分３１_Ｓの領域における高い空間充填率ももたらす。配置されるコイルの押付けは、主として最終形状を固定するために、具体的には、端部巻線をカプセル化する前にそれらを一体に押し付けるために行われる。

対照的に、図３ｂに示される構造は、コイルを互いに対してある距離に置き（幅に対する距離の関係は、より良好な理解のために図面中で誇張されている）、次に、押付けによって、図３ｂ中に矢印によって表示されるように、コイルを広げることによって、コイル組立体の全体的に平坦な形状を達成する。これはコイル組立体を全体的に平坦化し、より高い空間充填率をもたらす。

図３ｃは、好適なコイルスパンを有するオーバーラップする集中多重巻コイル３１ｇ−ｊを部分的に示しており、各コイルには、コイル３１ｈの中央のコイル３１ｇの側部及びコイル３１ｉの側部のような、２つの隣接するコイルの側部のための空間がある。幅Ｐはコイル側部の幅と等しく、これはモータピッチ、換言すれば、磁性トラックの磁性ピットと同一の幅である。

図４は、０形状の集中多重巻コイル４１ａ−ｄを使用するコイル構造を示している。図３ｃにおけるように、コイルスパンは、コイルの中央間隙が、２つの隣接するコイルの２つの側部、例えば、コイル４１ｂの中央間隙内のコイル４１ａ及び４１ｃの側部、又は、コイル４１ｃの中央間隙内のコイル４１ｂ及び４１ｄの側部のための空間だけを提供するようにされている。矢印は、コイル４１ａ−ｄ内を流れる電流の方向を表示している。再び、同一極性の３つの隣接する側部は、図６ａにも例証されるように、モータピッチ、即ち、磁性トラックの磁性ピッチと等しい。

図６ａは、図４に示されるコイルの断面図であり、相Ａ、−Ａは、コイル４１ａ、４１ｄに対応し、相Ｂ、−Ｂは、コイル４１ｂに対応し、相Ｃ、−Ｃは、コイル４１ｃに対応する。ＡＢＣ（又は、−Ａ−Ｂ−Ｃも同様）の長さＰは、モータピッチと等しい。

図６ａは単層構造を示しているのに対し、図６ｂは多層構造、より具体的には、二重相構造を示しており、その場合には、２つの層は、各層の同一位相が並列されるようにシフトされる。矢印は、再び、電流の流れを表示している。２つの層の代わりに、３つ、４つ、又は、それよりも多くのコイルの層を同様に使用し得る。

図５は、本発明に従ったコイル組立体５０を通じる切断を示しており、そのコイル構造原理は、ケーシング５２内にオーバーラップする集中多重巻コイル５１ａ−ｋを備えて、図５ｄに例証されている。それを図１ａ−ｄに示される平坦フォーサー１と比較するならば、図５のコイル組立体は、平坦フォーサーと同じように平坦であり、基本的に同一方向に向けられるよう一体に押し付けられる端部巻線を示している。よって、本発明に従ったコイル組立体５０は、交替する永久磁石５３の２つの列の間の磁石トラック５３内に従来技術の平坦フォーサーと同様に容易に配置され（図５ａ及び５ｃを参照）、平坦フォーサー５０と磁石５４との間の最小残余空気間隙も同様にもたらす。しかしながら、それは、より高い空間充填率の故に、より高い力を生成するという追加的な利点を有する。特に、端部巻線は、図５ｂに示されるように部分的に、或いは、本発明に従った無鉄リニアモータの磁石トラック５３の磁石５３間に完全に位置づけられ得る。好ましくは、磁石Ｉ_Ｍの高さは、コイル１_Ｃの高さの少なくとも８０％以上である。

当業者は、リニアモータの様々な実施態様が可能であることを理解するであろう。１つの可能性は、単一のコイル組立体及び単一の列の磁石を備える磁性トラックを有することであり、その場合には、コイル組立体は移動し、磁性トラックは固定的であるか、或いは、その逆である。他の可能性は、磁石の２つの列の間にコイル組立体を有することであり、コイル組立体又は磁石トラックのいずれかが移動する。さらなる可能性は、２つのコイル組立体の間に位置づけられる磁石トラックを有することである。再び、コイル組立体又は磁石トラックのいずれかが移動する。コイル組立体に隣接して余分のスチール板があり得る。

当業者は、コイル組立体又は磁石トラックのいずれかが冷却手段を有し得ることも気付くであろう。冷却通路、特に、液体又は空気冷却を許容するセラミック又はアルミニウム通路が好ましい。

当業者は、コイル組立体の位相は、ブラシを用いて、或いは、電子整流を用いて、即ち、ブラシなしで励起され得ることに気付くであろう。電子整流の場合には、好ましくは、コイル組立体に埋設されたホールセンサが使用される。

さらに、当業者は、コイルスパンの幅が、磁性トラックの磁性ピッチに対して変化し、過剰ピッチ又は過小ピッチを招き得ることに気付くであろう。

本発明に従った４つのリニアモータの容積当たりの急勾配が測定され、市場で入手可能なような４つのリニアモータと比較された。急勾配は、モータ出力損失に対するコイル力の二乗として定められる。連続的な力が測定束から計算され得る。束を測定するために、相は磁束計に接続され、束位置データは、その後にフォーサーが極めて低速に移動している間に、２つの位相のための全モータ長に沿って記録される。

表１の本発明に従ったモータ１、２、５、６は、単層構造中に基本的に六角形の形状を有するオーバーラップする集中多重巻コイルを備える平坦フォーサーを有した。磁石に対して垂直な方向の空間充填率は、約５１％であった。磁石の高さは、フォーサー内の集中多重巻コイルの高さの８０％〜８５％の間よりも上であり、よって、端部巻線の一部も使用した。

同等モータ３、４、７、８は、図１ａ−ｃに示されるような非オーバーラップコイルを備えるモータであった。

本発明に従ったモータ１及び２は、同等モータ３，４とほぼ同じ寸法、即ち、約３０ｍｍ×１０５ｍｍの断面を有した。本発明に従ったモータ５及び６は、同等モータ７及び８とほぼ同一の寸法、即ち、約４０ｍｍ×１２５ｍｍの断面を有した。モータ１及び２並びに５及び６は、モータ１及び５がモータ２及び６よりも長い点で異なった。

モータをそれらの寸法と無関係に比較し得るために、容積当たりの急勾配が計算された。表１から分かるように、本発明に従ったモータは、容積当たり急勾配性能指数に関して、市場で入手可能なモータよりも良好な約１．６の率であり、それは実際には等しい出力損失発生で容積からどれぐらいより多くの力を得ることができるかを表示する。本発明に従ったモータの比較的高い急勾配の背後にある大きな理由は、本発明に従ったフォーサー内で使用される平坦オーバーラップ巻線構造である。平坦さ及び容易な取付けの故に、端部巻線を使用し得る。オーバーラップ構造は、より高い力能力を可能にする。

本発明に従ったモータの容積当たり急勾配が同等モータの指数に従ってより優れているのみならず、力リップルも大幅により少ないことが指摘されなければならない。

例示的な目的のために詳細にここに記載されたコイル組立体及びリニアモータの好適実施態様は、もちろん構造、設計、用途、及び、方法論において多くの異なる変形に晒されることが付記される。多くの可変な異なる実施態様が、ここに教示される発明概念の範囲内で行われるので、並びに、多くの変更がここに詳細に記載された実施態様において行われ得るので、ここにおける詳細は例証として解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではないことが理解されよう。例えば、従属請求項の特徴の様々な組み合わせが、本発明の範囲から逸脱することなしに、独立請求項の特徴内で行われ得る。さらに、請求項内の如何なる参照番号も範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

従来技術に従ったリニアモータのための第一の種類のコイル組立体を示す概略図である。 従来技術に従った第二の種類のコイル組立体を備えるリニアモータを示す概略図である。 六角形状を有する集中多重巻コイルを備える本発明に従ったコイル組立体の原理を示す概略図である。 六角形状を有する集中多重巻コイルを備える本発明に従ったコイル組立体の原理を示す概略図である。 六角形状を有する集中多重巻コイルを備える本発明に従ったコイル組立体の原理を示す概略図である。 ０形状を有する集中多重巻コイルを備える本発明に従ったコイル組立体の原理を示す概略図である。 本発明に従ったコイル組立体を示す概略図である。 本発明に従ったリニアモータを示す概略図である。 本発明に従ったリニアモータを示す概略図である。 本発明に従ったコイル組立体を示す概略図である。 単層構造の原理を示す概略図である。 多層構造の原理を示す概略図である。

符号の説明

１ フォーサー(forcer)
１１ａ−ｃ 非オーバーラップ巻線
１２ 硬化材料
１３ 電線
２ リニアモータ
２０ コイル組立体
２１ａ−ｃ オーバーラップ巻線
２２ 磁石トラック
２３ 磁石
Ｇ 間隙
ｌ_ＥＷ 長さ端部巻線
３１ａ−ｊ 集中多重巻コイル
３１Ｅ 端部巻線部分
３１Ｓ 直線部分
Ｐ ピッチの幅
４１ａ−ｄ 集中多重巻コイル
５ リニアモータ
５０ コイル組立体
５１ａ−ｋ 集中多重巻コイル
５２ 筐体
５３ 磁石トラック
５４ 磁石
ｌ_Ｃ コイル長
ｌ_Ｍ 磁石長

Claims (12)

1. 関連する磁石トラックと協働して動作可能なリニアモータコイル組立体であって、複数の集中多重巻コイルを含み、前記コイルの端部巻線は実質的に丸められ、前記端部巻線間のコイル部分は直線であり、前記コイルはオーバーラップ状に配置され、前記端部巻線は一体に押し付けられる、リニアモータコイル組立体。
2. 前記コイルは、その前記直線部分の空間充填率が約４５％以上であるよう、オーバーラップ状に配置される、請求項１に記載のリニアモータコイル組立体。
3. 前記コイルは、平坦な筐体の内部にカプセル化される、請求項１又は２に記載のリニアモータコイル組立体。
4. 前記集中多重巻コイルは、単層構造又は多層構造にオーバーラップ状に配置される、請求項１、２、又は、３に記載のリニアモータコイル組立体。
5. 前記集中多重巻コイルは、丸められた縁部を備える０形状又は六角形状を有する、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のリニアモータコイル組立体。
6. 磁石トラックと、
   該磁石トラックと協働して動作し、且つ、複数の集中多重巻コイルを有するコイル組立体とを含み、
   前記コイルの端部巻線は実質的に丸められ、前記端部巻線間の前記コイル部分は直線であり、前記コイルはオーバーラップ状に配置され、前記端部巻線は一体に押し付けられる、
   リニアモータ。
7. 前記コイルは、前記コイル組立体の前記直線部分における空間充填率が約４５％以上であるよう、オーバーラップ状に配置される、請求項６に記載のリニアモータ。
8. 前記コイルは、平坦な筐体の内部にカプセル化される、請求項６又は７に記載のリニアモータ。
9. 前記磁石トラックの前記磁石の高さは、前記集中多重巻コイルの高さの少なくとも８０％以上である、請求項６、７、又は８に記載のリニアモータ。
10. 前記集中多重巻コイルの前記端部巻線は、前記磁石トラックの前記磁石間に少なくとも部分的に位置する、請求項６乃至９のうちのいずれか１項に記載のリニアモータ。
11. 前記集中多重巻コイルは、単層構造又は多層構造にオーバーラップ状に配置される、請求項６乃至１０のうちのいずれか１項に記載のリニアモータ。
12. 前記集中多重巻コイルは、丸められた縁部を備える０形状又は六角形状を有する、請求項６乃至１１のうちのいずれか１項に記載のリニアモータ。

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