JP5188357B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

この発明はリニアモータに関し、特に工作機械や半導体製造装置などの産業機械のテーブル送りに用いるのに適したリニアモータに関するものである。

工作機械のテーブル送りや搬送機器のアクチュエータに対しては、高速化・高精度化の要求が高い。そこで近年工作機械などにリニアモータがよく用いられている。リニアモータはダイレクト駆動であり、従来の回転型サーボモータとボールネジを組み合わせた駆動方式に比べ、高速度・高加速度特性を得ることができ、かつバックラッシュや摩擦による応答誤差が生じないため高精度なシステムを構築可能である。しかしその反面、モータの発熱や振動が機械に伝わりやすいという問題点がある。そこで、リニアモータは低損失でかつコギング推力が小さい必要がある。

リニアモータを低損失化するためには、発生する磁界を高めることが必要であり、コギング推力を小さくするためには発生する磁界を正弦波に近づけることが必要である。このことから、リニアモータの固定子の磁石配列として、発生する磁界が大きく正弦波分布になるハルバッハ配列を用いることが知られている。

しかし、ハルバッハ配列は隣接する磁石の磁化方向が９０°異なるため、大きな減磁界によって磁石が減磁する恐れがある。この解決方法として、ハルバッハ配列に用いる磁石の主磁極と補磁極で保磁力の異なる磁石とすることが提案されている。主磁極は発生する磁界を高めるため残留磁束密度が高く保磁力が低い磁石を用い、減磁の原因となる補磁極には保磁力が高く残留磁束密度が低い磁石を用いることにより、発生磁界を高めつつ減磁を回避するのである（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−１９１２７号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、補磁極に残留磁束密度が低い磁石を用いているため、すべて残留磁束密度が高い磁石を用いた固定子と比較して、発生する磁界が小さくなる問題がある。また、隣接する主磁極と補磁極の磁化方向が９０°異なるので、たとえ保磁力が大きい磁石を用いても減磁条件の厳しい補磁極角部は減磁を避けられない。

従って、この発明の目的は発生する磁界を低減させずに減磁耐力の高いリニアモータを提供することである。

この発明によれば、複数の主磁極および複数の補磁極を交互に直線状にハルバッハ配列して構成した固定子と、上記固定子に対して直線的に駆動される可動子とを備えたリニアモータにおいて、上記補磁極は、磁化方向が駆動方向と異なる箇所を持ち、駆動方向両端部における磁化方向が隣接の上記主磁極の磁化方向とおよそ同じ方向成分を持つように着磁されていることを特徴とするリニアモータが得られる。

この発明によれば、隣接する主磁極と補磁極の磁化方向がおよそ同じであるため、磁化方向が異なることによる減磁が回避できる。このことから、主磁極と補磁極は残留磁束密度の高い磁石を用いることができ、発生する磁界を十分に確保できる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１のリニアモータを示す模式的断面図である。図１において、リニアモータ１は、固定子１０と可動子２０を備えていて、固定子１０と可動子２０とは間に所定の空隙が形成されるように配置され、可動子２０が電磁力によって固定子１０に沿って駆動方向Ｅ（矢印Ｅで示す）に駆動される。固定子１０は、磁石板である支持体１１と、支持体１１上でハルバッハ配列状に固着された複数の主磁極１２および補磁極１３とを備えている。

固定子１０は、支持体１１の上に複数の主磁極１２と補磁極１３を交互に直線状に配列して構成されている。複数の主磁極１２は、一定の極ピッチＰで等間隔に直線状に配置され、それらの磁化方向ＡおよびＢ（矢印ＡおよびＢで示す）は、いずれも可動子２０の駆動方向Ｅに対して直角な方向であるが、交互に逆方向となるようにされている。主磁極１２の間には、補磁極１３が隙間なしに配置されているが、補磁極１３は、駆動方向両端部における磁化方向が隣接の主磁極１２の磁化方向ＡあるいはＢと同じ方向成分を持つように極異方性着磁されて円弧状の磁化方向ＣおよびＤ（矢印ＣおよびＤで示す）となっている。換言すれば、補磁極１３の磁化方向Ｃは、補磁極１３の駆動方向両端部においては駆動方向Ｅに対してほぼ直角方向で互いに１８０°異なり（図１において上方向と下方向）、駆動方向中央部においてはほぼ駆動方向Ｅであって、駆動方向両端部と駆動方向中央部との間においてはほぼ円弧状に変化するものである。

可動子２０は、固定子１０に所定の間隙を介して対向し、複数のティース２１が設けられた電機子コア２２と、ティース２１に巻回されたコイル２３とを備えている。極数とティース数の組み合わせであるスロットコンビは任意でよい。

図２には、補磁極１３のような円弧状の磁化方向ＣあるいはＤを持つ磁石の製造方法を示す。複数の極を持つ極異方性リング磁石１４は、公知の方法で作製することができる。このリング磁石１４の加工部１５を機械加工により除去して、長方形断面を持つ直方体である補磁極１３を切り出すことにより製作される。

また、主磁極１２の極ピッチＰに対する主磁極１の駆動方向Ｅの長さＬの割合は、０．２５〜０．６とするのが望ましい。即ち、図３は、極ピッチＰに対する主磁極の長さＬの割合Ｌ／Ｐを横軸に表し、そのときの損失ＭＬの大きさを縦軸に表して、それらの間の関係を示すグラフとしたものである。図３から、極ピッチＰに対する主磁極の長さＬの割合Ｌ／Ｐが０．４２となる場合に損失ＭＬが最小となることが判る。ただし、損失ＭＬが１％程度増加してもリニアモータの性能に対する影響はほとんどないため、図３のグラフより、極ピッチＰに対する主磁極１２の長さＬの割合Ｌ／Ｐは０．２５〜０．６とするのがよい。割合Ｌ／Ｐが０．２５〜０．６の範囲を越えると、図３のグラフからわかるように損失が増加する割合が大きくなるからである。

以上のように主磁極１２と補磁極１３を配置することにより、隣接する主磁極１２と補磁極１３の磁化方向がおよそ同じであるため、磁化方向が異なることによる減磁が回避できる。このことから、主磁極１２と補磁極１３は残留磁束密度の高い磁石を用いることができ、発生する磁界を十分に確保できる。

実施の形態２．
図４に示すリニアモータの固定子１０においては、補磁極１３は、図５に示すように複数の極を持つ極異方性リング磁石１４を径方向切断面１４ａに沿って切断加工してリングあるいはチューブの一つのセクションとして製作されたものである。従って、補磁極１３は扇形であって、両端にリング磁石１４の軸心を通る径方向切断面１４ａであった傾斜面１３ａを持ち、一側にリング磁石１４の外周面１４ｂであった湾曲凸面１３ｂを持ち、他側にリング磁石１４の内周面１４ｃであった湾曲凹面１３ｃを持っている。

磁石板である支持体１１には、補磁極１３の湾曲凹面１３ｃにぴったりと合い、相補的に嵌合する形状の凸部１６が設けられていて、この凸部１６に補磁極１３の湾曲凹面１３ｃが嵌合させて固着されている。このため、補磁極１３を支持体１１の凸部１６上で、位置決めして、間に隙間が無い状態で支持することができる。支持体１１上にはまた、補磁極１３の間で主磁極１２が配置されて支持されていて、主磁極１２は、補磁極１３の傾斜面１３ａにぴったりと合うように対応した傾斜面１２ａを持っている。

このような構成とすることにより、補磁極１３を極異方性リング磁石１４を周方向に分割する加工だけにより製造できるので補磁極の製造が容易となり、また支持体１１上での補磁極１３の位置決めができるので組立が容易となりコストが低減できる。

実施の形態３．
図６に示すリニアモータの固定子１０においては、主磁極１２が図１に示すものと同様の直方体で、駆動方向Ｅの前端および後端が駆動方向Ｅに直角な平面１２ｂとなっており、主磁極１２の平面１２ｂと補磁極１３の傾斜面１３ａとの間には、三角柱状のスペーサ１９が設けられている。スペーサ１９は、磁性体でも非磁性体でも良く、コスト低減のためにはスペーサ１９を用いずに三角柱状の空間を残して置いても良い。

このような構成とすることにより、主磁極１２の端部の斜め加工が不要となり、コストが低減できる。

実施の形態４．
図７および８に示すリニアモータの固定子１０においては、図４に示すものと同様の固定子１０に、補磁極１３を主磁極１２と共に支持体１１に保持する磁石押さえである保持体１７が設けられている。保持体１７は、補磁極１３の駆動方向前後の縁部に沿って延び、更に端部で曲げられて補磁極１３の厚さ方向に支持体１１に向かって延び、縁部を上から押圧する長い保持部１７ａと、保持部１７ａの両端に設けられて支持体１１にネジ１７ｂで締結される締結部１７ｃとを持つ長い板部材である。

図示の例では、２本の保持部１７ａが一対で一組となって共通の板状の締結部１７ｃに連結されていて、全体として両端がクランク状に折り曲げられた一体のフレーム形状とされている。２本の保持部１７ａの間隔は補磁極１３の駆動方向Ｅ前後の縁部の間隔と対応させてあり、一つの補磁極１３に保持体１７を適用して二本の保持部１７ａで二つの縁部を保持したときに、補磁極１３の湾曲凸面１３ｂが二本の保持部１７ａの間から露出するようにしてある。

主磁極１２と補磁極１３は組立時に互いに磁気的に反発するため、接着のみでの固定は信頼性が低い可能性があるが、このような保持体１７を用いれば保持が確実に行われる。図４に示す実施の形態２および図６に示す実施の形態３では、補磁極１３の外径が円弧状即ち湾曲凸面１３ｂとなっており、主磁極１２の高さは補磁極１３の縁部の高さに合わせてあるため、主磁極１２の高さは補磁極１３よりも低く、この高さの差による空間内に保持体１７の保持部１７ａが収容された状態で磁石の固定を行うことができ、保持体１７が磁極部分から突出してしまうことがない。

支持体１１に主磁極１２と補磁極１３を貼り付けた後、磁石押さえ板である保持体１７により補磁極１３の両端を押さえつけ、図示しないねじにより磁石板である支持体１１に設けたねじ穴１８にねじを挿入して固定する。このとき、組み立てた状態にて保持体１７が補磁極１３の高さを超えないようにする。組立後の状態を図８に斜視図で示す。

このような構成とすることにより、固定子１０と可動子２０の距離を増大させることなしに磁極を確実に固定することが可能である。

実施の形態５．
図９および１０に示すリニアモータの固定子においては、磁石押さえ板である保持体１７が、主磁極１２の上面全体を覆いつつ主磁極１２を保持するとともに、補磁極１３の端部に僅かな距離だけ重なって押さえることによって補磁極１３を保持するようにしてある。すなわち、保持体１７の駆動方向Ｅの寸法は主磁極１２の駆動方向Ｅの寸法よりも僅かに大きい。その他の構成は図７および８に示すものと同様である。保持体１７を取り付ける。実施の形態５の場合も、組み立てた状態にて保持体１７が補磁極１３の高さを超えないようにする。組立後の俯瞰図を図１０に示す。

このような構成とすることにより、リニアモータの性能に悪影響を与えることなく、単純な形状の保持体１７にて磁極を確実に固定することが可能である。

実施の形態６．
図１１および１２に示すリニアモータの固定子１０においては、補磁極１３が複数の独立した補磁極要素１３ｄ〜１３ｉを組み合わせた複合体で構成されている。即ち、補磁極１３は、支持体１１上に並べて配置して固定した複数の補磁極要素１３ｄ〜１３ｉによって構成されていて、それぞれの補磁極要素１３ｄ〜１３ｉは磁化方向が互いに少しずつ異なっていて、全体としての補磁極１３が駆動方向両端部における磁化方向が隣接の主磁極１２の磁化方向と同じ方向成分を持つように極異方性着磁された状態と同様にされている。

図示の例では、補磁極１３は、互いに密着して駆動方向Ｅに並べられた６本の棒状の補磁極要素１３ｄ〜１３ｉで構成されていて、補磁極１３の全体として、磁化方向が、補磁極の駆動方向両端部においては駆動方向Ｅに対してほぼ直角方向で互いに１８０°異なり、駆動方向中央部においてはほぼ駆動方向であって、駆動方向両端部と駆動方向中央部との間においてはほぼ円弧状に変化するものとされている。個々の補磁極要素１３ｄ〜１３ｉはそれぞれが支持体１１との間および相互間で接着材や締結金具などで固定されている。

図１１の固定子１０においては、補磁極１３は６個の補磁極要素１３ｄ〜１３ｉで構成されているが、組み合わされて構成された補磁極１３が、全体として駆動方向両端部における磁化方向が隣接の主磁極１２の磁化方向と同じ方向成分を持つように極異方性着磁された状態となっていれば、補磁極要素の数に制限はない。図１２には、例として、補磁極１３を５分割した固定子を示し、この補磁極１３は、次第に磁化方向が変化するように配列された５個の補磁極要素１３ｄ〜１３ｈによって構成されている。

このような構成により、駆動方向両端部における磁化方向が隣接の主磁極１２の磁化方向と同じ方向成分を持つように極異方性着磁された状態の補磁極１３を容易に製作することができ、図２あるいは５に示すような極異方性リング磁石１４の加工が不要となり、より簡易的に減磁が回避できる。また、磁化方向が異なる補磁極要素１３ｄ〜１３ｉはそれぞれ磁化方向が一方向であるため、通常の磁石と同様に製作可能である。つまり補磁極に残留磁束密度の高い磁石を用いることができ、大きな発生磁界が得られる。

実施の形態７．
図１３に示すリニアモータの固定子１０の補磁極１３は、一体成形された複数の補磁極要素１３ｄ〜１３ｉで構成されている。即ち、図１１および１２に示すような別個の補磁極極要素１３ｄ〜１３ｉを、磁化方向を連続して変化する補磁極１３が構成されるように並べた後、一体となるように加熱、加圧および接着などの少なくともいずれかの処理によって成形する。このように構成した固定子１０を図１３に示す。

以上のように一体成形された補磁極１３により固定子１０を構成することにより、リニアモータ１の部品点数が低減し、組み立てやすくなるという利点がある。

以上に図示して説明したリニアモータは単なる例であって様々な変形が可能であり、またそれぞれの具体例の特徴を全てあるいは選択的に組み合わせて用いることもできる。例えば、図４および６に示す支持体１１に設けられていて、補磁極１３の湾曲凹面１３ｃにぴったりと合い、相補的に嵌合する形状の凸部１６は、コスト低減のために除去して平坦面とすることもできる。また、主磁極１２および補磁極１３のすくなくともいずれか一つを直接支持体１１に固定して、残りの主磁極１２および補磁極１３は、主磁極１２および補磁極１３の隣接側縁部の形状による係合関係、保持体１７の形状あるいは接着材の塗布位置によって、間接的に固定するようにしても良い。さらに、保持体１７は二本以上の複数の保持部１７ａを平行に並べて共通の締結部１７ｃに連結することもできる。

この発明の実施の形態１によるリニアモータの概略断面図である。 図１に示す補磁極の製造方法を示すリング磁石の説明図である。 図１に示すリニアモータの固定子における極ピッチに対する主磁極長さの割合と損失の関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態２によるリニアモータの固定子の概略断面図である。 図４に示す補磁極の製造方法を示すリング磁石の説明図である。 この発明の実施の形態３のリニアモータの固定子の概略断面図である。 この発明の実施の形態４のリニアモータの固定子の概略分解斜視図である。 図７の固定子の組み立てられた状態を示す概略斜視図である。 この発明の実施の形態５のリニアモータの固定子の概略分解斜視図である。 図９の固定子の組み立てられた状態を示す概略斜視図である。 この発明の実施の形態６のリニアモータの固定子の概略断面図である。 この発明の実施の形態６のリニアモータの固定子の変形例を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態７のリニアモータの固定子の断面図である。

符号の説明

１ リニアモータ、１０ 固定子、１１ 磁石板、１２ 主磁極、１３ 補磁極、１３ｂ 湾曲凸面、１３ｃ 湾曲凹面、１３ｄ〜ｉ 補磁極要素、１４ リング磁石、１６ 凸部、１７ 保持体、２０ 可動子。

Claims (2)

1. 複数の主磁極および複数の補磁極を支持体上に交互に直線状にハルバッハ配列して構成した固定子と、
   上記固定子に対して直線的に駆動される可動子とを備えたリニアモータにおいて、
   上記補磁極は、磁化方向が駆動方向と異なる箇所を持ち、駆動方向両端部における磁化方向が隣接の上記主磁極の磁化方向とおよそ同じ方向成分を持つように着磁されており、
   上記補磁極は複数の極を持つ極異方性着磁された極異方性リング磁石から切り出されたものであり、
   上記補磁極は、複数の極を持つ上記極異方性リング磁石を径方向切断面に沿って切断加工して製作され、一側に湾曲凸面を持ち他側に湾曲凹面を持つ扇形形状のセクションであり、
   上記支持体が上記湾曲凹面に相補的に嵌合する凸部を持っていることを特徴とするリニアモータ。
2. 上記主磁極および補磁極のいずれか一つが、保持体にて上記支持体に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。

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