JP4552573B2 - Linear motor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体製造装置、液晶製造装置、工作機械などの精密装置の直動機構に使用されているリニアモータ装置において、長ストローク、低発熱、低推力リプルが求められ、複数のコイルを選択的に励磁して永久磁石を移動させる可動磁石形のリニアモータ装置に関する。 The present invention requires a long stroke, low heat generation and low thrust ripple in a linear motor device used in a linear motion mechanism of a precision device such as a semiconductor manufacturing device, a liquid crystal manufacturing device, or a machine tool, and selects a plurality of coils The present invention relates to a movable magnet type linear motor device that is excited and moves a permanent magnet.
半導体製造装置、液晶製造装置、工作機械などの精密装置の直動機構に使用され、複数のコイルを選択的に励磁して永久磁石を移動させる可動磁石形のリニアモータ装置として特許文献1〜3がある。
特許文献1によれば、永久磁石の移動にともない発生するコイルの誘起電圧から可動子位置を推定し、電流位相の決定と励磁コイルの選択を行っている。
特許文献2によれば、可動子の位置センシング用永久磁石の磁力を固定子のホール素子により検出することで、可動子位置を特定し、電流位相の決定と励磁コイルの選択を行っている。
特許文献3によれば、可動子の一定速状態と加減速状態で励磁するコイル数を切り替えている。
これら特許文献1〜3によれば、電流位相の決定方法、励磁コイルの選択方法、励磁コイル数の決定方法は異なるものの、励磁のON/OFFを行うスイッチ部の構成についてはすべて同じであるので、以下、これら従来技術のスイッチ部の構成を有するリニアモータ装置について説明する。
According to
According to
According to
According to these
図6は従来技術によるリニアモータ装置の全体構成図である。
図において、1が可動子、2が永久磁石、10が固定子、11がコイル、13が電流アンプ、14が位置検出手段、15が制御器、20がスイッチ部である。
図7は電流アンプ13から固定子10へ供給される電流パターンを示す図である。図において、101がU相電流、102がV相電流、103がW相電流である。
図8、9は図7中のA、Bの位置におけるコイルの励磁パターンを示す図である。図において、12はコイル11の中性点、21はスイッチ回路である。
可動子1は複数の界磁磁極を形成する永久磁石2から構成されている。可動子1は、図示しない支持機構により固定子10と所定の空隙を介して相対移動できるようになっている。固定子10は3相の電機子を形成する複数のコイル11から構成されている。コイル11は各相間で電気角120度ずらせて配置されている。コイル11の始端は電流101、102、103が供給される3相の電力線と接続されている。コイル11の終端はスイッチ部20につながっており、スイッチ部20の内部でスイッチ回路21(図8)と接続されている。さらに、スイッチ部20の内部では、スイッチ回路21の終端がすべて接続され、中性点12が形成されている。
制御器15は、位置検出手段14の可動子位置情報と電流検出手段(図示なし)によって得られた実電流情報をもとに電流の位相と振幅の指令値を生成する。電流アンプ13は電流指令値どおりにコイル11へ電流101、102、103を供給する。また、制御器15は位置検出手段14の可動子位置情報をもとに、励磁するコイル11を選択し、スイッチ部20へコイル選択信号を渡す。ここで、位置検出手段14には例えばホール素子、リニアエンコーダ、レーザー干渉計等が用いられる。また、スイッチ回路21(図8)にはコイル選択信号をもとに電流を高速にON/OFFすることができる半導体スイッチング素子、例えばトライアックが用いられる。
FIG. 6 is an overall configuration diagram of a conventional linear motor device.
In the figure, 1 is a mover, 2 is a permanent magnet, 10 is a stator, 11 is a coil, 13 is a current amplifier, 14 is a position detecting means, 15 is a controller, and 20 is a switch unit.
FIG. 7 is a diagram showing a current pattern supplied from the
8 and 9 are diagrams showing coil excitation patterns at positions A and B in FIG. In the figure, 12 is a neutral point of the
The
The
次に、励磁するコイルの選択方法について説明する。
図8には、図7のAの位置における永久磁石2とコイル11の相対位置関係、さらにスイッチ回路21のON/OFFの状態が記されている。スイッチ回路21によって励磁されているコイル数は各相3個である。同図に示すようにスイッチ回路21がONすることで、コイル11には同図中に示す矢印(黒色)の向き電流が流れる。コイル11に流れる電流と永久磁石2が生成するギャップの磁束密度との作用により、可動子1はフレミング左手の法則に基づく方向(白抜き矢印)に推力が発生し移動する。
図9は可動子1が図8の位置から右側に電気角で約120度移動した図である。図9には、図7のBの位置における永久磁石2とコイル11の相対位置関係、さらにスイッチ回路21のON/OFFの状態が記されている。図8と同じくスイッチ回路21によって励磁されているコイル数は各相3個であるが、V相のコイル11が可動子1の移動方向に1個シフトして励磁されている。励磁されるV相のコイル11が切り替わるタイミングは、V相の電流102がちょうどゼロになるときであり、図7で示すCの位置である。このように、各相の電流101、102、103がマイナスからプラスになるゼロのときに、励磁されるコイル11が切り替わり、可動子1には所定の推力が発生するようになっている。
このように構成された従来技術によるリニアモータ装置は、可動子に対向した部分のみに電流が供給されるので、所定の推力に対する発生銅損を小さくすることができる。さらに、所定の推力に対し余分な電流を供給する必要が無いので、電流アンプの容量を低減でき、リニアモータ装置を安価にすることができる。
Next, a method for selecting a coil to be excited will be described.
FIG. 8 shows the relative positional relationship between the
FIG. 9 is a diagram in which the
In the linear motor device according to the related art configured as described above, the current is supplied only to the portion facing the mover, so that the generated copper loss for a predetermined thrust can be reduced. Furthermore, since it is not necessary to supply an extra current for a predetermined thrust, the capacity of the current amplifier can be reduced and the linear motor device can be made inexpensive.
従来技術のリニアモータ装置において選択された励磁コイルの始端−両端間には、可動子の永久磁石の移動にともない誘起電圧が発生した。ところが、図8及び図9に示すようにコイルを各相3個ずつ励磁した場合、可動子の両端もしくは外れた箇所のコイルと可動子の内側に位置するコイルとの間で誘起電圧に差が生じ、同図の点線矢印に示すような循環電流が発生した。その結果、次のような問題を起こした。
(1) 循環電流はコイル間を流れるため電流アンプ付近に設けた電流検出手段によって検出することができない。これは、循環電流を制御することができないことを意味している。例えば速度制御により一定速で可動子を移動させようとした場合、循環電流がコイル間で正負に変わりながら流れ、可動子には正負に変化する制動力が発生する。この制動力はいわゆる推力リプルとなって、可動子に速度リプルを生じさせた。
(2) 一定速で可動子を移動させるには、(1)の制動力に打ち勝つ推力を発生させなければならない。その結果、その推力を発生させる余分な電流を供給しなければならず、発生銅損が増加した。
(3) 上記(1)、(2)の問題を避けるため、可動子の内側に位置するコイルのみに励磁すれば、誘起電圧の差が生じないために循環電流は流れない。しかし、励磁するコイルの数が少なくなるため、所定の推力に対し電流の供給量を増やさなければならず、発生銅損が増加した。
また、上記問題点だけでなく、ストロークが長い用途へ適用しようとした場合、以下のような別の問題が生じた。
(4) ストロークが長いと固定子長が長くなり、コイル数も増加する。従来のリニアモータ装置では、コイル数と同数のスイッチ回路が必要となるため、スイッチ回路の数が増大した。その結果、高価な装置になった。
(5) スイッチ回路数の増加に伴い、スイッチ回路とコイル間、スイッチ回路と制御器の配線数も増大した。膨大な配線数となり、ますます高価な装置になった。
本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、複数のコイルを選択的に励磁して永久磁石を移動させる可動磁石形のリニアモータ装置において、励磁するコイル数に関わらずコイル間で循環電流がまったく生じることがなく、推力リプルと発生銅損を大幅に低減でき、さらには、ストロークが長くなってもスイッチ回路の数を低減し安価にすることができるリニアモータ装置を提供することを目的とする。
An induced voltage is generated between the starting end and both ends of the exciting coil selected in the linear motor device of the prior art as the permanent magnet of the mover moves. However, when three coils are excited for each phase as shown in FIGS. 8 and 9, there is a difference in the induced voltage between the coil at both ends of the mover or at a position away from the coil and the coil located inside the mover. As a result, a circulating current as indicated by the dotted arrow in the figure was generated. As a result, the following problems occurred.
(1) Since the circulating current flows between the coils, it cannot be detected by current detection means provided near the current amplifier. This means that the circulating current cannot be controlled. For example, when an attempt is made to move the mover at a constant speed by speed control, the circulating current flows between the coils while changing between positive and negative, and a braking force that changes positively and negatively is generated in the mover. This braking force became a so-called thrust ripple, and caused a speed ripple on the mover.
(2) In order to move the mover at a constant speed, a thrust that overcomes the braking force of (1) must be generated. As a result, an extra current for generating the thrust had to be supplied, and the generated copper loss increased.
(3) In order to avoid the above problems (1) and (2), if only the coil located inside the mover is excited, no difference in induced voltage occurs and no circulating current flows. However, since the number of coils to be excited is reduced, the amount of current supplied must be increased for a predetermined thrust, and the generated copper loss is increased.
In addition to the above-described problems, when trying to apply to an application having a long stroke, the following other problems occur.
(4) If the stroke is long, the stator length becomes long and the number of coils also increases. In the conventional linear motor device, the same number of switch circuits as the number of coils are required, so that the number of switch circuits is increased. As a result, it became an expensive device.
(5) With the increase in the number of switch circuits, the number of wiring between the switch circuit and the coil and between the switch circuit and the controller also increased. The number of wires became enormous and the device became more and more expensive.
The present invention has been made in view of such a problem, and in a movable magnet type linear motor device that moves a permanent magnet by selectively exciting a plurality of coils, the coil is irrespective of the number of coils to be excited. A linear motor device that can reduce thrust ripple and generated copper loss drastically without any circulating current between them, and can reduce the number of switch circuits and reduce the cost even if the stroke becomes longer is provided. The purpose is to do.
上記問題を解決するため、請求項1記載の発明は、リニアモータ装置に係り、複数のコイルを有する多相の電機子と、複数の永久磁石を有する界磁と、前記コイルに電流を供給し前記電機子と前記界磁を相対的に移動させる制御手段と、前記電流を供給する前記コイルを選択するスイッチ部を備えたリニアモータ装置において、前記コイルの始端側と終端側にそれぞれ前記スイッチ部を設け、前記複数のコイルの各々が最近隣の同相コイルの一方との間で自らの始端と相手の終端とを、また、最近隣の同相コイルの他方との間で自らの終端と相手の始端とを、それぞれ渡り線で結線し、前記始端側スイッチ部に電流供給をON/OFFする複数個の第1スイッチ回路を備え、前記終端側スイッチ部に電流供給をON/OFFする複数個の第2スイッチ回路を備え、前記第1スイッチ回路の個数をNa、前記第2スイッチ回路の個数をNb、前記コイルの個数をNcとした場合、
Nc−M=Ia×Na=Ib×Nb
ここで、Mは相数、IaとIbは自然数
としたことを特徴としている。
In order to solve the above problem, an invention according to
Nc-M = Ia × Na = Ib × Nb
Here, M is the number of phases, and Ia and Ib are natural numbers.
請求項1記載の発明によると、複数のコイルの始端側と終端側に設けたスイッチ部Aとスイッチ部Bのスイッチ回路をONすることで、ONしたスイッチ回路間のコイルが直列に接続され励磁されるようになっている。複数のコイルが直列接続して励磁されるので、コイル間で循環電流が流れることがない。よって、従来技術によるリニアモータ装置で生じていた制動力による推力リプルや余分な銅損を無くすことができる。また、スイッチ部Aおよびスイッチ部Bのスイッチ回路の個数を低減することで、ストロークが長い用途の場合でも安価にできる。 According to the first aspect of the present invention, when the switch circuit of the switch part A and the switch part B provided on the start end side and the end end side of the plurality of coils is turned ON, the coils between the ON switch circuits are connected in series and excited. It has come to be. Since a plurality of coils are connected in series and excited, no circulating current flows between the coils. Therefore, it is possible to eliminate the thrust ripple and excessive copper loss caused by the braking force generated in the conventional linear motor device. Further, by reducing the number of switch circuits of the switch part A and the switch part B, the cost can be reduced even in the case of a long stroke application.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施例であるリニアモータ装置の全体構成図である。図2、3は図7中のA、Bの位置におけるコイルの励磁パターンを示す図である。以下、同一のものについては同一の符号を付して説明する。図において16は制御器、17は渡り線、30はスイッチ部A、40はスイッチ部B、31はスイッチ回路A、41はスイッチ回路Bである。
まず、従来技術と本発明が同じ構成とするところについて説明する。
可動子1は複数の界磁磁極を形成する永久磁石2から構成されている。可動子1は、図示しない支持機構により固定子10と所定の空隙を介して相対移動できるようになっている。固定子10は3相電機子を形成する複数のコイル11から構成されている。コイル11は各相間で電気角120度ずれて配置されている。コイル11の終端はスイッチ部B40につながっており、スイッチ部B40の内部でスイッチ回路B41と接続されている。さらに、スイッチ部B40の内部では、すべてのスイッチ回路B41の終端が接続され中性点12が形成されている。制御器16は、位置検出手段14の可動子位置情報と電流検出手段(図示なし)によって得られた実電流情報をもとに電流の位相と振幅の指令値を生成する。電流アンプ13はその電流指令値をもとにコイル11へ電流101、102、103を供給する。位置検出手段14には例えばホール素子、リニアエンコーダ、レーザー干渉計等が用いられる。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a linear motor device according to a first embodiment of the present invention. 2 and 3 are diagrams showing excitation patterns of coils at positions A and B in FIG. Hereinafter, the same components will be described with the same reference numerals. In the figure, 16 is a controller, 17 is a crossover, 30 is a switch part A, 40 is a switch part B, 31 is a switch circuit A, and 41 is a switch circuit B.
First, a description will be given of a configuration in which the related art and the present invention have the same configuration.
The
次に、従来技術と本発明が異なる構成とするところについて説明する。
コイル11の始端側と電流アンプ13との間にスイッチ部Aが挿入され、最近隣の同相コイル間の始端と終端が渡り線17により結線されている。また、制御器16は位置検出手段14の可動子位置情報をもとに、励磁するコイルを選択し、スイッチ部B40だけでなくスイッチ部A30にもコイル選択信号を渡している。また、スイッチ回路31、41には従来技術同様の半導体スイッチング素子、例えばトライアックが用いられる。
次に、励磁するコイルの選択方法について説明する。
図2には、図7のAの位置における永久磁石2とコイル11の相対位置関係、さらにスイッチ回路A31およびスイッチ回路B41のON/OFFの状態が記されている。スイッチ回路A31およびにスイッチ回路B41のよって励磁されているコイル数は各相3個である。ここで、ONしているスイッチ回路A31は1個、スイッチ回路B41は1個である。図示された箇所のスイッチ回路A31とスイッチ回路B41がONされることで、励磁されているコイルは同図中に示す矢印(黒色)の向き電流が流れる。つまり、ONされたスイッチ回路A31とスイッチ回路B41の間に位置するコイル11が、渡り線17を通して直列に接続されている。
このようにコイル11が直列に励磁されることで、可動子1は永久磁石2による磁束密度との作用によりフレミング左手の法則に基づく方向(白抜き矢印)に推力が発生し移動することができる。
図3は可動子1が図2の位置から右側に電気角で約120度移動した図である。図3には、図7のBの位置における永久磁石2とコイル11の相対位置関係、さらにスイッチ回路A31、スイッチ回路B41のON/OFFの状態が記されている。図2と同じくスイッチ回路A31およびスイッチ回路B41によって励磁されているコイル数は各相3個であるが、V相のコイル11が可動子1の移動方向に1個シフトして励磁されている。励磁されるV相のコイル11が切り替わるタイミングは、従来技術同様、V相の電流102がちょうどゼロになるときであり、図7で示すCの位置である。各相の電流101、102、103がマイナスからプラスに変わるゼロのときに励磁するコイル11の切り替わりが行われ、可動子1には所定の推力が発生するようになっている。
以上のように、第1の実施例で構成されたリニアモータ装置は、推力リプル増大や銅損増加の原因であるコイル間の循環電流発生の問題に対し、励磁されるコイル間の接続が直列になるようにスイッチ回路とコイルを構成することで、循環電流が流れないようにして解決している。
なお、従来技術に対し第1の実施例の構成では渡り線17が追加されているが、実際の固定子製造において渡り線17はコイル結線用の基板(図示しない)内に銅箔でパターン化されるので、渡り線17が増えることによる作業性の増加はまったくない。
Next, a description will be given of a different configuration between the conventional technology and the present invention.
The switch part A is inserted between the start end side of the
Next, a method for selecting a coil to be excited will be described.
2 shows the relative positional relationship between the
As the
FIG. 3 is a diagram in which the
As described above, in the linear motor device configured in the first embodiment, the connection between the coils to be excited is in series with respect to the problem of circulating current between the coils that causes an increase in thrust ripple and an increase in copper loss. By configuring the switch circuit and the coil so as to become, the problem is solved so that the circulating current does not flow.
In addition, the connecting
次に第2の実施例について示す。
図4および図5は図7中のA、Bの位置におけるコイルの励磁パターンを表す図である。第1の実施例同様、同図に示すスイッチ回路A31とスイッチ回路B41のONにより矢印で示す向きに電流が流れる。図5では、図4に対し可動子1が電気角で約120度右側に移動し、V相の複数のコイルが右側にシフトして励磁されている。第2の実施例が第1の実施例と異なる点は、スイッチ回路A31の個数をNa、スイッチ回路B41の個数をNb、コイル11の個数をNcとした場合、
Nc−M=Ia×Na=Ib×Nb
ここで、Mは相数、IaとIbは自然数
の関係にあることである。
図4および図5ではNc=30、M=3、Ia=3、Ib=3、Na=9、Nb=9としている。第1の実施例では、同じく上式を満たすように、Nc=18、M=3、Ia=1、Ib=1、Na=15、Nb=15の関係となっている。
しかし、第1の実施例においてNc=30で構成した場合、Na=27、Nb=27となる。
つまり、第1の実施例に対し第2の実施例ではスイッチ回路A31およびスイッチ回路B41の個数を1/3に低減することができる。
Next, a second embodiment will be described.
4 and 5 are diagrams showing excitation patterns of the coils at positions A and B in FIG. As in the first embodiment, a current flows in the direction indicated by the arrow when the switch circuit A31 and the switch circuit B41 shown in FIG. In FIG. 5, the
Nc-M = Ia × Na = Ib × Nb
Here, M is the number of phases, and Ia and Ib are in a relationship of natural numbers.
4 and 5, Nc = 30, M = 3, Ia = 3, Ib = 3, Na = 9, and Nb = 9. In the first embodiment, the relationship of Nc = 18, M = 3, Ia = 1, Ib = 1, Na = 15, and Nb = 15 is satisfied so as to satisfy the above formula.
However, when Nc = 30 in the first embodiment, Na = 27 and Nb = 27.
That is, in the second embodiment, the number of switch circuits A31 and switch circuits B41 can be reduced to 1/3 as compared to the first embodiment.
以上のように、推力リプル増大や銅損増加の原因であるコイル間の循環電流発生の問題に対し、励磁されるコイル間の接続が直列になるようにスイッチ回路とコイルを構成することで、循環電流が流れないようにして解決している。さらに、第1の実施例よりもスイッチ回路数を低減することができるので、長ストロークの用途であっても、スイッチ回路を増数することがなく安価にすることができる。
以上の実施例では、位置検出手段を用いた例で示したが、この位置検出手段を無くし、誘起電圧の情報をもとに可動子位置を推定し励磁コイルの選択を行ったり、V/f駆動で励磁コイルを選択し可動子を移動させるようにしても本発明の効果が得られることは言うまでも無い。
また、固定子上に可動子1台の例で示したが、可動子を複数台搭載したりしても本発明の効果が得られることは言うまでも無い。さらには、固定子上に可動子を2台搭載し、スイッチ部A、スイッチ部B、電流アンプを各2台用いてこれら可動子を独立制御で駆動させても良い。
As described above, by configuring the switch circuit and the coil so that the connection between the coils to be excited is in series with respect to the problem of circulating current generation between the coils, which causes an increase in thrust ripple and an increase in copper loss, The solution is to prevent circulating current from flowing. Furthermore, since the number of switch circuits can be reduced as compared with the first embodiment, the number of switch circuits can be reduced without increasing the number of switch circuits even for long stroke applications.
In the above embodiment, the position detection means is used. However, the position detection means is eliminated, the position of the mover is estimated based on the information of the induced voltage, and the excitation coil is selected. It goes without saying that the effect of the present invention can be obtained even if the exciting coil is selected by driving and the movable element is moved.
Moreover, although the example of one mover is shown on the stator, it goes without saying that the effect of the present invention can be obtained even if a plurality of movers are mounted. Further, two movers may be mounted on the stator, and these movers may be driven by independent control using two each of the switch part A, the switch part B, and the current amplifier.
本発明は、長ストローク、低発熱、低推力リプルが要求される半導体製造装置、液晶製造装置、工作機械などの精密装置の直動機構に適用することで、装置自身の高精度化と高機能化を実現することができる。 The present invention is applied to a linear motion mechanism of a precision device such as a semiconductor manufacturing device, a liquid crystal manufacturing device, or a machine tool that requires a long stroke, low heat generation, and low thrust ripple, thereby improving the accuracy and function of the device itself. Can be realized.
1 可動子
2 永久磁石
10 固定子
11 コイル
12 中性点
13 電流アンプ
14 位置検出手段
15、16 制御器
17 渡り線
20 スイッチ部
21 スイッチ回路
30 スイッチ部A
31 スイッチ回路A
40 スイッチ部B
41 スイッチ回路B
101 U相電流
102 V相電流
103 W相電流
DESCRIPTION OF
31 Switch circuit A
40 Switch B
41 Switch circuit B
101 U-phase current 102 V-phase current 103 W-phase current
Claims (1)
前記コイルの始端側と終端側にそれぞれ前記スイッチ部を設け、
前記複数のコイルの各々が最近隣の同相コイルの一方との間で自らの始端と相手の終端とを、また、最近隣の同相コイルの他方との間で自らの終端と相手の始端とを、それぞれ渡り線で結線し、
前記始端側スイッチ部に電流供給をON/OFFする複数個の第1スイッチ回路を備え、前記終端側スイッチ部に電流供給をON/OFFする複数個の第2スイッチ回路を備え、前記第1スイッチ回路の個数をNa、前記第2スイッチ回路の個数をNb、前記コイルの個数をNcとした場合、
Nc−M=Ia×Na=Ib×Nb
ここで、Mは相数、IaとIbは自然数
としたことを特徴とするリニアモータ装置。 A multi-phase armature having a plurality of coils, a field having a plurality of permanent magnets, a control means for supplying current to the coils and moving the armature and the field relatively, and supplying the current In a linear motor device having a switch unit for selecting the coil to be
The switch part is provided on each of the start end side and the end end side of the coil,
Each of the plurality of coils has its own end and the other end between one of the nearest in-phase coils, and its own end and the other end between the other of the nearest in-phase coils. Connect each with a crossover ,
The first end switch section includes a plurality of first switch circuits for turning on / off current supply, and the end switch section includes a plurality of second switch circuits for turning on / off current supply, and the first switch When the number of circuits is Na, the number of second switch circuits is Nb, and the number of coils is Nc,
Nc-M = Ia × Na = Ib × Nb
Where M is the number of phases and Ia and Ib are natural numbers
A linear motor device characterized by that.
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