JP4811785B2

JP4811785B2 - 周期磁界発生装置およびこれを用いたリニアモータ

Info

Publication number: JP4811785B2
Application number: JP2005298290A
Authority: JP
Inventors: 利之石橋
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2025-10-13
Also published as: JP2007110822A

Description

本発明は、ハルバッハ磁石配列を有する周期磁界発生装置およびこれを用いたリニアモータに関する。

従来、ハルバッハ磁石配列を有する周期磁界発生装置として、磁極毎に磁石を配置し隣接する磁石の磁化方向を異ならせるように配置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この磁界発生装置は、磁石の磁化方向を１８０度異なるように配置した周期磁界発生装置と比べ、発生磁界が大きい、発生磁界が正弦波分布となる、などの特長を有することから、例えばリニアモータに適用した場合、推力向上や推力リプルの低減という利点がある。
図５は、従来のハルバッハタイプの周期磁界発生装置を示す模式図である。図５において、１０１は永久磁石、１０２は磁化方向、１０３はバックヨークであり、バックヨーク１０３の反対側（図の上側）の面に、正弦波またはそれに近似した磁束密度波形を有する周期的な磁界を発生する。このハルバッハ磁石配列を有する周期磁界発生装置は、主磁極だけからなる周期磁界発生装置と比べ、より高く正弦波に近い周期的な磁界を発生させることができる。

また、従来の他の例として、永久磁石を固定するヨークが凹凸部を有するハルバッハ磁石配列を備えた周期磁界発生装置もある（例えば、特許文献２）。
図６は、従来の他の例を示す模式図である。図６において、１０４はサイドヨークであり、他の符号は前述の周期磁界発生装置のものと同じである。バックヨーク１０３の反対側の面（図のＹ方向に垂直な面）に、正弦波またはそれに近似した磁束密度波形を有する周期的な磁界を発生する。ヨークの凹凸部（特許文献２の記載ではヨークの段差と表記）は、サイドヨーク１０４に存在しており、永久磁石の厚み毎に設けられ、永久磁石の位置決め精度が高く、容易となる。
特開２００３−０７０２２６号公報（第３−４頁、図１）特開平０９−３２０８００号公報（第２−３頁、図１）

ところが、従来のハルバッハ磁石配列を有する周期磁界発生装置は、平板状のバックヨークに永久磁石を固定するため、発生する磁界の磁極の位置精度は、永久磁石の加工精度および固定精度に左右され、超精密加工機などに適用できるだけの高精度な周期磁界発生装置を得ることはきわめて困難であった。
また、従来の他のハルバッハ磁石配列を有する周期磁界発生装置は、精度を高めるためにヨークに凹凸部（段差）を設けたものもでは、その効果は位置決め精度の向上だけに留まっていた。

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、主磁極永久磁石に挟まれた副磁極永久磁石を２個以上とし、副磁極永久磁石の磁界発生方向の高さが主磁極永久磁石の高さよりも低くし、バックヨークに凹凸部を設け、バックヨークの凹部に主磁極永久磁石を、凸部に副磁極永久磁石を配置することにより、発生磁界の磁極の位置精度が高く、永久磁石の耐減磁力に優れ、発生磁界が高く、軽量化を可能にした周期磁界発生装置およびこれを用いた高精度な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、請求項１に記載の発明は、発生磁界方向に磁化された複数の主磁極永久磁石と、前記主磁極永久磁石の間に配置される副磁極永久磁石と、前記永久磁石を固定するバックヨークとを有するハルバッハ磁石配列を備えた周期磁界発生装置において、前記バックヨークの材質が、非磁性体で構成されており、前記バックヨークに凹凸部を設けると共に、その凹部に主磁極永久磁石を、凸部に副磁極永久磁石をそれぞれ配置しており、前記副磁極永久磁石を少なくとも２個配置し、前記副磁極永久磁石の磁界発生方向の高さを前記主磁極永久磁石の高さよりも低くしたことを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、請求項１の周期磁界発生装置を用いて構成されるリニアモータであることを特徴としている。

請求項１記載の発明によると、発生磁界の磁極の位置精度が高くすることができ、永久磁石の耐減磁力に優れ、発生磁界が高く、軽量化を可能にできる。
また、請求項１記載の発明は、バックヨークに軽量な材質を選択することができ、重量あたりの発生磁界を大幅に高めることができる。
さらに、請求項２記載の発明によると、高精度、高推力でかつ安価なリニアモータを得ることができる。

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。

図１は、本発明の実施例１を示す周期磁界発生装置の断面図である。図において、１は主磁極永久磁石、２は副磁極永久磁石、３は磁化方向、４はバックヨークである。バックヨーク４は凹部４ａと凸部４ｂとを有している。

本発明が特許文献１と異なる部分は、副磁極永久磁石の高さを主磁極永久磁石の高さよりも低くし、バックヨークに凹凸部を設け、バックヨークの凹部に主磁極永久磁石を配置し、主磁極永久磁石の間のバックヨークの凸部に２個以上の副磁極永久磁石を配置する部分である。また、本発明が特許文献２と異なる部分は、凹凸部を設けているヨークがサイドヨーク（特許文献２のヨークまたは磁石固定ヨーク）ではなく磁界発生面の反対側に配置しているバックヨークである部分である。すなわち、図１に示したように、バックヨーク４の凹部に高さの高い主磁極永久磁石１を、凸部に高さの低い副磁極永久磁石２を主磁極永久磁石の間に２個配置したものである。

主磁極永久磁石１および副磁極永久磁石２は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いた。その磁気特性は残留磁束密度＝１．２０［Ｔ］、保磁力＝２，１００［ｋＡ／ｍ］である。主磁極永久磁石１の高さは、副磁極永久磁石２の高さより高く形成した。バックヨーク４は、材質として軟磁性体である純鉄を用い切削加工により凹部４ａと凸部４ｂとを形成した。

つぎに、本発明の周期磁界発生装置の製造方法について、図２を用いて説明する。
（１）まず、図２（ａ）に示したように、凹凸部を有するバックヨーク４を準備した。
（２）続いて、図２（ｂ）に示したように、着磁を施した高さの高い主磁極永久磁石１を、バックヨーク４の凹部４ａに配置し、接着剤を用いて固定した。
（３）さらに、図２（ｃ）に示したように、高さの低い副磁極永久磁石２を、主磁極永久磁石１の間のバックヨーク４の凸部４ｂに配置し固定することにより、周期磁界発生装置を作製した。ここで、隣接した副磁極永久磁石２の磁化方向は６０度異なるようにした。
このようにして作製した周期磁界発生装置の発生磁界を測定した。その結果、発生磁界は０．４９［Ｔ］と従来の周期磁界発生装置よりも高く、その磁極の位置精度も従来のものより高かった。従来技術では磁極の位置精度を確保するために、組立治具を必要としたが、本発明では組立治具を必要とせずに高精度で組立てができた。

この結果は、つぎのように解釈できる。すなわち、主磁極永久磁石の間に２個の副磁極永久磁石を配置することにより、隣接する永久磁石の磁化方向の違いは６０度と小さくなり、磁気回路中の磁束の流れがスムーズとなるため、隣接する永久磁石間で生じていた磁束の漏れが少なくなり、発生磁界を高めることができた。また、磁束の漏れが小さくなったことから、副磁極永久磁石の発生磁界方向と反対側のバックヨーク側を非磁性材質としなくても良くなった。

なお、本実施例では、主磁極永久磁石の間の副磁極永久磁石の数が２個の例を説明したが、その数が増えるほど磁気回路中の磁束の流れはスムーズとなり、その改善効果は大きくなるので、２個に限定されるものではない。
また、永久磁石としてＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いたが、これに限らず、他の希土類磁石、フェライト磁石、鋳造磁石、ボンド磁石などが使用可能であり、永久磁石の種類に限定されない。
また、バックヨークの材質として純鉄を例に説明したが、磁束の大部分は永久磁石内を通るのでバックヨークの磁路としての役割は大きくないため、求められる磁気特性は高い必要はなく、軟磁性体であればその種類に限定されることはない。

従来の技術では、平板状のバックヨークに永久磁石を配置していたため、発生磁界の磁極位置の精度を確保するために永久磁石の加工精度を高めたり、永久磁石を配置・固定するための特殊な治具が必要であり、その製造方法は複雑かつ費用のかかるものであった。

なお、本実施例では、最初に主磁極永久磁石を配置・固定してから副磁極永久磁石を配置・固定したり、副磁極永久磁石を１個づつ配置・固定させた例を説明したが、本発明は永久磁石の配置・固定の順番に関わらず有効であり、例えば、２個の副磁極永久磁石をあらかじめ固定しておいた後、主磁極永久磁石の間のバックヨークの凸部に配置・固定しても良い。
また、本実施例では、永久磁石を固定する方法として接着剤を用いたが、本発明は固定する手段はどのようなものでも有効であり、たとえば、ねじ止めによる機械的な方法でも良い。

図３は、本発明の実施例２を示す周期磁界発生装置の断面図である。ここで、５は非磁性バックヨークである。
非磁性バックヨーク５に非磁性材質のカーボンファイバーコンポジット体を用い、他は実施例１と同様の構成の周期磁界発生装置を作製した。
このようにして作製した周期磁界発生装置の発生磁界を測定した。その結果、その発生磁界は、０．４７［Ｔ］と多少低いが十分に高い発生磁界が得られた。また、磁極の位置精度は実施例１と同等であった。
以上の結果は、実施例１と同様に、主磁極永久磁石の間の副磁極永久磁石の数を２個以上としたことによって、磁束の漏れが小さくなり、バックヨークの磁路としての役割が小さくなったためと解釈できる。

なお、本実施例では、非磁性バックヨークの材質としてカーボンファイバーコンポジット体を例に説明したが、磁気特性を全く要求しないため、その強度と重量に配慮すれば、その材質に限定されることはない。

図４は、本発明の実施例３を示す周期磁界発生装置の断面図である。ここで、６は非磁性体である。
材質を純鉄とし、凸部に樹脂からなる非磁性体６を配置したバックヨーク４を用意し、その他は実施例１と同様の構成とした周期磁界発生装置を作製した。

このようにして作製した周期磁界発生装置の発生磁界を測定した。その結果、発生磁界は、０．５１［Ｔ］と十分に高い発生磁界と磁極の位置精度が得られた。
以上の結果は、永久磁石間の磁束の漏れによる磁束のショートカットを非磁性体６で抑制し、磁気回路としてのバックヨークの役割を軟磁性体の部分で担ったことによって、高い発生磁界が得られたと解釈できる。

なお、本実施例では、バックヨークの材質として純鉄を、非磁性体として樹脂を用いた例を示したが、いずれも軟磁性体と非磁性体であればその材質に限定されるものではない。

本発明の周期磁界発生装置は、発生磁界が高くかつ高精度であり、軽量にもでき、簡便かつ安価に製造できることから、リニアモータに代表される特に高精度が要求される機器に適用できる。

本発明の実施例１を示す周期磁界発生装置の模式図本発明の周期磁界発生装置の製造方法を説明する図本発明の実施例２を示す周期磁界発生装置の模式図本発明の実施例３を示す周期磁界発生装置の模式図従来の周期磁界発生装置を示す模式図従来の他の例を示す周期磁界発生装置の模式図

１主磁極永久磁石
２副磁極永久磁石
３磁化方向
４バックヨーク
４ａ凹部
４ｂ凸部
５非磁性バックヨーク
６非磁性体
１０１永久磁石
１０２磁化方向
１０３バックヨーク
１０４サイドヨーク

Claims

発生磁界方向に磁化された複数の主磁極永久磁石と、前記主磁極永久磁石の間に配置される副磁極永久磁石と、前記永久磁石を固定するバックヨークとを有するハルバッハ磁石配列を備えた周期磁界発生装置において、
前記バックヨークの材質が、非磁性体で構成されており、
前記バックヨークに凹凸部を設けると共に、その凹部に主磁極永久磁石を、凸部に副磁極永久磁石をそれぞれ配置しており、
前記副磁極永久磁石を少なくとも２個配置し、前記副磁極永久磁石の磁界発生方向の高さを前記主磁極永久磁石の高さよりも低くしたことを特徴とする周期磁界発生装置。
請求項１の周期磁界発生装置を用いて構成されることを特徴とするリニアモータ。