JP4023290B2

JP4023290B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP4023290B2
Application number: JP2002323546A
Authority: JP
Inventors: 興起仲; 正哉井上; 明度会
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: JP2003299342A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体実装装置や工作機械などに適用できる、小型でコギング力の低いリニアモータに関するものである
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石式のリニアモータは、交互に異極になるように複数個の板状の永久磁石を直線状に配列して界磁極を構成し、永久磁石の磁極面に空隙を介して電機子コアに設けたティースを対向させ、隣接するティースとの間の巻線溝には電機子巻線を装着して構成され、電機子の各相の電機子巻線に通電して発生した進行磁界が永久磁石と相互作用することで進行方向に推力を発生するものである。
このような永久磁石式のリニアモータは回転式モータとは異なり、有限長の電機子を有する。そのため電機子端部と永久磁石との相互作用によって発生する極ピッチ周期の磁気的な力の脈動成分いわゆるコギング力が生じる。このコギング力は制御上の外乱として作用し、位置決め精度を高速高精度に行うことを阻害する要因となる。このことから、コギング力の小さなリニアモータが要求されている。
【０００３】
このような端効果によるコギング力低減を試みる従来例としては、電機子の両端に補助磁極を設けて補助磁極間の距離ｘ_０を（２ｍ−１）τ／２（ただし、ｍは正の整数、τは界磁極の極ピッチ）として両端のコギングを相殺させてこれを低減する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図７は上記のような従来のリニアモータを示す正面図である。図において、１は永久磁石、２は電機子コア、３は電機子巻線、１１は永久磁石１の磁極面、２１は凸極（ティース）、２２は巻線溝、２３，２３′は補助磁極である。
交互に異極になるように複数個の平板状の永久磁石１を直線状に配列して界磁極を構成し、永久磁石１の磁極面１１に空隙を介して電機子コア２に設けた凸極２１を対向させてある。隣接する凸極２１との間の巻線溝２２には３相の巻き線が施されている。電機子コア２の両端には補助磁極２３，２３′が設けられ、界磁極の極ピッチをτとすると、補助磁極２３，２３′の中心間の距離が、（２ｍ−１）τ／２（図では（２×６−１）τ÷２＝２．５τ）としてある。
このように、電機子コア２の両端に設けた二つの補助磁極２３，２３′のパーミアンスの大きさが近い値で、変化の方向が逆の状態を維持するために、界磁極の極ピッチをτとしたとき、二つの補助磁極２３，２３′に働く合成力を最小にする条件として、二つの補助磁極２３，２３′の中心間の距離を求め、（２ｍ−１）τ／２としたので、二つの補助磁極２３，２３′に作用するコギング推力の合成力は極めて小さくなる。
【０００５】
【特許文献１】
実公平７−５３４２７号公報（第１−３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例においては、新たに補助磁極２３，２３′を両端に設ける必要があることから電機子の全長が長くなってしまう。ところが、電子部品の装着用、あるいは工作機などでは同軸上に複数のリニアモータを配置したり、あるいはリニアモータを２軸（Ｘ、Ｙ軸）組み合わせて使用する用途が多い。このとき、前記従来例のように電機子両端の長さを延長すると、互いに幾何学的に干渉するため可動範囲に制約を受けるという実製品への応用上の課題を生じる。
【０００７】
本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、電機子の全長を延長することなく端効果によるコギングを低減でき、高速高精度の位置決めを実現できるリニアモータを提供することを第１の目的とするものである。
また、極数が異なる機種が混在する場合でも、その基本の生産方法が同一で量産性にも優れたリニアモータを提供することを第２の目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るリニアモータは、交互に異極になるように複数個の板状の永久磁石を直線状に配列して構成した界磁極と、前記永久磁石の磁極面に空隙を介して対向する複数個のティースを設けた電機子コアおよび前記ティースに巻回された電機子巻線を有し、前記界磁極の永久磁石配列方向の長さより短い電機子とを備え、前記電機子と前記界磁極とが相対移動するリニアモータにおいて、前記電機子移動方向の両端に位置し、かつ、前記電機子巻線が巻回されたティースの先端部は、少なくとも隣接するティースが無い側の一部が切り落とされて電機子移動方向の長さが他のティースの先端部の電機子移動方向の長さより短いものである。
【０００９】
また、電機子コアは、複数個のティースとこれらのティースを連結するバックヨークとが別体で形成されており、これらティースとバックヨークとを結合して組み立てられているものである。
【００１０】
また、電機子は、電機子コアに設けられた全てのティースのそれぞれに対して１ティースに１相の電機子巻線のみが巻かれる集中巻きであるものである。
【００１１】
また、電機子移動方向の両端に位置するティースの先端部間の距離を、前記界磁極のピッチの（２ｍ−１）／２＋α倍（ただし、ｍは正の整数、α＝０．１〜０．２）としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について図をもとに説明する。
図１〜図４は本発明の実施の形態１によるリニアモータを説明するための図であり、より具体的には、図１はリニアモータの全体構成を電機子巻線を省略して模式的に示す斜視図、図２は電機子の一部を分解して示す斜視図、図３は端部のティースを示す斜視図、図４は電機子の両端に位置するティースの先端部間の距離ｘとコギング振幅値との関係を調べた結果を示す特性図である。
図において、１は永久磁石、２は電機子コア、３は電機子巻線、１０は界磁側バックヨーク、１１は永久磁石１の磁極面、２１はティース、２１ａ，２１ｂは電機子の両端に位置するティース、２２は巻線溝、２４は電機子側バックヨークである。
【００１３】
複数個の平板状の永久磁石１を交互に異極になるように直線状に配列して界磁極を構成している。電機子コア２は、永久磁石１の磁極面１１に空隙を介して対向する複数個のティース２１と、これらのティース２１を連結するバックヨーク２４とを備えている。各ティース２１には電機子巻線３が巻回されており、電機子コア２と電機子巻線３とで電機子を構成している。電機子は界磁極の永久磁石１配列方向の長さより短く、電機子と界磁極とが相対移動する（本実施の形態では電機子が矢印Ａの方向に移動する。）。また、電機子移動方向（矢印Ａ）の両端に位置するティース２１ａ，２１ｂの先端部は、少なくとも隣接するティースが無い側の一部が切り落とされており、電機子移動方向の長さ（先端部幅Ｗ２）は、他のティース２１の先端部の電機子移動方向の長さ（先端部幅Ｗ１）より短い。
【００１４】
また、本実施の形態では、図２に示すように、電機子の巻き線方式を１ティースに１相のコイル（電機子巻線）のみが巻き線された集中巻きとし、電機子コア２は、複数個のティース２１，２１ａ，２１ｂ（図２では図示せず）とこれらのティース２１，２１ａ，２１ｂを連結するバックヨーク２４とが別体で形成されており、各ティース２１，２１ａ，２１ｂに各相に相応する電機子巻線３を施した後に、各ティース２１，２１ａ，２１ｂとバックヨーク２４とを嵌め合い等によって結合して組み立てられている。
【００１５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電機子移動方向の両端に位置するティース２１ａ，２１ｂの先端部における少なくとも隣接するティースが無い側の一部を切り落として電機子移動方向の長さが他のティースの先端部の電機子移動方向の長さより短くすることによって、電機子の両端それぞれに発生する磁気吸引力の位相を互いに相殺する打ち消しの関係の位置に移動させることができ、電機子全体ではコギングを低減している。しかしながら、切り落とす量によって（電機子移動方向の両端に位置するティース２１ａ，２１ｂの先端部間の距離によって）コギングの低減効果が異なる。これを、磁界解析を使って図１中のｘで示す電機子移動方向の両端に位置するティース２１ａ，２１ｂの先端部間の距離（正確には、電機子移動方向の両端に位置するティース２１ａ，２１ｂの先端部における切り落とし側端部間の距離であるが、本明細書では、単に、先端部間の距離と記載する。）をパラメータとして、コギング振幅値（任意の値であり、０はコギングが無い状態である。）との関係を調べた結果を示したものが図４である。図４から明らかなように、ｘは従来例に示された式より約１０〜２０％長くした３．６τ〜３．７τの位置においてコギングが最も低減されることがわかった。永久磁石と固定子端部との磁気吸引力には磁石の極性は関係ないので、両端それぞれに発生するコギングの発生周期は磁石１極分の波長で繰り返される周期的な波形である。また、電機子全体に作用する力も両端の力の合成力であることを考慮すると、両端に作用するコギング力が打ち消しの関係の位置は１極ピッチおきに存在する。
【００１６】
このことを一般化してこれを表現すると、
ティース２１ａ，２１ｂの先端部間の距離ｘが、
（２ｍ−１）τ／２＋α
ただし、α＝０．１τ〜０．２τ
τは極ピッチ
ｍは正の整数
となるように、ティース２１ａ，２１ｂの先端部の一部（隣接するティース２１が無い側）を切り落とした形状においてコギングが最小化される。
【００１７】
以上説明したように、永久磁石式リニアモータの端部があることによって発生するコギングを低減するにあたって、従来例では電機子の両端部の位置を延長していたが、本発明では短くして（電機子の全長を延長することなく）両端部のコギングを打ち消し位相となるように形成した。また、コギングを最小化する関係式として従来例で示す式よりα＝０．１τ〜０．２τの分だけ長く補正してよりコギングを最小化出来る関係を見出した。したがって、同軸上に複数のリニアモータを配置したり、あるいはリニアモータを２軸（Ｘ、Ｙ軸）組み合わせて使用する場合にも、互いに可動範囲に制約を受けることもなく、高速高精度の位置決めを実現できる。
【００１８】
また、図１に示したように、電機子移動方向の両端に位置するティース２１ａ，２１ｂのみが他のティース２１と先端部の形状が異なっている鉄心（電機子コア２）を薄板磁性鋼板のプレス打ち抜きで作成しようとした場合には、極数が異なると鉄心の端部の位置を変更するようにプレス金型を配置せねばならない。そのため極数の異なる機種を生産する場合には頻繁に金型を交換する必要があり生産性が著しく低下する。しかし、本実施の形態では、電機子コア２は、複数個のティース２１，２１ａ，２１ｂとこれらのティース２１，２１ａ，２１ｂを連結するバックヨーク２４とが別体で形成されており、これらティース２１，２１ａ，２１ｂとバックヨーク２４とを結合して組み立てられているので、両端部に位置する先端部を切り落としたティース２１ａ，２１ｂと中央部のティース２１との、２種類の形状のティース用鉄心を用意すれば、極数が異なる場合でも中央部のティース２１を増減することで対応できる（基本の生産方法が同一である）ために生産性を低下させること無く端コギングを低減できるという効果が得られる。
【００１９】
またさらに、通常の重ね巻きなどで電機子全長を短くする場合に比べて、１ティース１相の集中巻きを採用することは、各ティース２１，２１ａ，２１ｂに電機子巻線を施してからバックヨーク２４と結合して組み立てることができるので、ティース２１とバックヨーク２４の分離を容易にするという作用がある。
【００２０】
また、本実施の形態では、例えば図１に示したように、端部のティース２１ａ，２１ｂは、先端部のみが切り落とされており、巻き線が施される根元部分は中央のティース２１と同じ形状であるので、巻き線機を自動化する場合でもティース２１，２１ａ，２１ｂに応じて巻き線形状を変更する必要はなく、生産性を低下させること無く端コギングを低減できるという効果が得られる。
また、端部のティース２１ａ，２１ｂは先端部のみを切り落とした形状であり、コイル（電機子巻線３）に通電した際に生じる磁束によって磁気飽和しやすい根元部分は中央のティース２１と同じ形状であるので、端部のティース２１ａ，２１ｂの根元部分における方が中央のティース２１の根元部分におけるよりも磁気飽和しやすいということはない。したがって、端部のティース２１ａ，２１ｂの先端部を切り落とさない場合と同様に瞬時大推力を発生でき、リニアモータの高速化が可能になる。
【００２１】
なお、上記実施の形態１では、電機子は、１ティースに１相の電機子巻線のみが巻かれる集中巻きであり、各ティース２１，２１ａ，２１ｂに電機子巻線３を施してからバックヨーク２４と結合して組み立てる場合について説明したが、まず、ティース２１，２１ａ，２１ｂとバックヨーク２４とを結合して組み立て、その後に、各ティース２１，２１ａ，２１ｂに電機子巻線３を施してもよい。この場合には、巻き線を施すのが難しくなるが、集中巻きに限定せず図７の従来例で示したような重ね巻き（分布巻き）も可能となる。
【００２２】
また、上記実施の形態１では、電機子コア２は、複数個のティース２１，２１ａ，２１ｂとこれらのティース２１，２１ａ，２１ｂを連結するバックヨーク２４とが別体で形成されており、これらティース２１，２１ａ，２１ｂとバックヨーク２４とを結合して組み立てられている場合について示したが、複数個のティース２１，２１ａ，２１ｂとバックヨーク２４とが一体に形成されていてもよく、この場合にも、電機子移動方向の両端に位置するティースの先端部２１ａ，２１ｂを、少なくとも隣接するティース２１が無い側の一部を切り落として電機子移動方向の長さが他のティース２１の先端部の電機子移動方向の長さより短くなるようにすることにより、電機子の全長を延長せずとも端効果によるコギングを低減でき、高速高精度の位置決めを実現できるリニアモータを得ることができる。
【００２３】
また、上記実施の形態１では、電機子と界磁極のうちの電機子が移動する場合について説明したが、界磁極が移動してもよく、その場合にも上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態１では、両端部のティース２１ａ，２１ｂは、先端部における少なくとも隣接するティースが無い側の一部が直線状に切り落とされているが、図５に電機子コアを正面図で示すように、曲線状（例えば円弧状）に切り落としてもよい。
なお、この場合、ティース間距離ｘは、図５に示したように、電機子の移動方向に沿った断面（平面）における、ティース２１ａ，２１ｂ先端部の直線から曲線への変極点間の距離である。
【００２５】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１および２では、ティース２１は、先端部における電機子移動方向の長さが、巻き線が施される根元部分における電機子移動方向の長さよりも長い場合について示したが、同じ長さ（棒状）であってもよく、その場合には、電機子移動方向の両端に位置するティース２１ａ，２１ｂの先端部は、例えば図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に電機子コアの一部を正面図で示すように、少なくとも隣接するティース２１が無い側の一部が切り落とされる。なお、図６では電機子移動方向の一方の端部に位置するティース２１ａのみを示しているが、他方の端部に位置するティース２１ｂは、ティース２１ａを左右反転させた形状となる。
【００２６】
なお、上記実施の形態１〜３においては、表面磁石貼り付け型のモータであるいわゆるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータについて図示したが、これに限るものではなく、２次側の磁石が鉄心内に埋め込まれたモータであるいわゆるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータであっても同様に本発明を適用することが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、交互に異極になるように複数個の板状の永久磁石を直線状に配列して構成した界磁極と、前記永久磁石の磁極面に空隙を介して対向する複数個のティースを設けた電機子コアおよび前記ティースに巻回された電機子巻線を有し、前記界磁極の永久磁石配列方向の長さより短い電機子とを備え、前記電機子と前記界磁極とが相対移動するリニアモータにおいて、前記電機子移動方向の両端に位置し、かつ、前記電機子巻線が巻回されたティースの先端部は、少なくとも隣接するティースが無い側の一部が切り落とされて電機子移動方向の長さが他のティースの先端部の電機子移動方向の長さより短いので、電機子の全長を延長することなく端効果によるコギングを低減でき、高速高精度の位置決めを実現できるリニアモータを得ることができる。
【００２８】
また、電機子コアは、複数個のティースとこれらのティースを連結するバックヨークとが別体で形成されており、これらティースとバックヨークとを結合して組み立てられているので、電機子移動方向の両端に位置するティースのみが他のティースと先端部の形状が異なっている本発明によるリニアモータにおいて、極数が異なる機種が混在する場合でも、その基本の生産方法が同一で量産性に優れたリニアモータを得ることができる。
【００２９】
また、電機子は、電機子コアに設けられた全てのティースのそれぞれに対して１ティースに１相の電機子巻線のみが巻かれる集中巻きであるので、ティースに電機子巻線を施してからバックヨークと結合して組み立てることができ、製造が容易でより量産性に優れたリニアモータを得ることができる。
【００３０】
また、電機子移動方向の両端に位置するティースの先端部間の距離を、前記界磁極のピッチの（２ｍ−１）／２＋α倍（ただし、ｍは正の整数、α＝０．１〜０．２）としたので、コギング力をより効果的に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるリニアモータを説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１によるリニアモータを説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１によるリニアモータを説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１によるリニアモータを説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態２によるリニアモータを説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態３によるリニアモータを説明するための図である。
【図７】従来例によるリニアモータを説明するための図である。
【符号の説明】
１永久磁石、２電機子コア、３電機子巻線、１１永久磁石１の磁極面、２１ティース、２１ａ，２１ｂは電機子の両端に位置するティース、２２巻線溝、２４バックヨーク。

Claims

交互に異極になるように複数個の板状の永久磁石を直線状に配列して構成した界磁極と、前記永久磁石の磁極面に空隙を介して対向する複数個のティースを設けた電機子コアおよび前記ティースに巻回された電機子巻線を有し、前記界磁極の永久磁石配列方向の長さより短い電機子とを備え、前記電機子と前記界磁極とが相対移動するリニアモータにおいて、前記電機子移動方向の両端に位置し、かつ、前記電機子巻線が巻回されたティースの先端部は、少なくとも隣接するティースが無い側の一部が切り落とされて電機子移動方向の長さが他のティースの先端部の電機子移動方向の長さより短いことを特徴とするリニアモータ。
電機子コアは、複数個のティースとこれらのティースを連結するバックヨークとが別体で形成されており、これらティースとバックヨークとを結合して組み立てられていることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
電機子は、電機子コアに設けられた全てのティースのそれぞれに対して１ティースに１相の電機子巻線のみが巻かれる集中巻きであることを特徴とする請求項２記載のリニアモータ。
電機子移動方向の両端に位置するティースの先端部間の距離を、前記界磁極のピッチの（２ｍ−１）／２＋α倍（ただし、ｍは正の整数、α＝０．１〜０．２）としたことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。