JP5253114B2

JP5253114B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP5253114B2
Application number: JP2008305966A
Authority: JP
Inventors: 美佐中山; 一将伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-12-01
Also published as: JP2010130871A

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、磁石間に大きな反発力が発生し、組み立てにくいという問題点がある。この問題の解決方法として、磁石を非磁性の磁石ホルダーに非磁性の磁石押さえおよび固定用ボルトにより機械的に固定するとともに、磁石の対向面を磁性カバーで覆うことが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２７６９９号公報

しかしながら、特許文献１の方法は、電子ビーム加速器に設置される周期磁場発生装置に用いられるためのものであり、この目的のためには有用であるが、リニアモータに適用した場合、保持強度を確保するために磁性カバーを厚くすると磁束の漏れが増加し、発生する磁界が弱まりリニアモータの損失が増加するという問題がある。

従ってこの発明の目的は、発生する磁界を低減させずに磁石の固定ができ組み立てやす
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、上記補磁極が上記支持体に設けた溝内に配置されていて、上記補磁極だけが磁石保持体により上記支持体に固定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、補磁極主磁極と可動子の間には磁石押さえが不要となり、磁束の漏れがなくなって磁界が十分確保できるとともに組み立てが容易である。

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り、図２は図１のリニアモータの固定子の概略斜視図、図３〜５はリニアモータの固定子の組立手順を示す概略斜視図である。図１および２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）に直線的に駆動される。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の磁化方向は、駆動方向Ｅに平行で互いに逆方向の磁化方向ＣおよびＤ（矢印ＣおよびＤで示す）となっている。

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。

補磁極１３は、磁石板である支持体１１に設けられた溝１７内に配置されていて、この補磁極１３だけが押さえ板である磁石保持体１４によって覆われて支持体１１に固定されていて、主磁極１２は磁石保持体１４によっては固定されていない。溝１７の幅は補磁極１３の幅と一致していて駆動方向Ｅについての補磁極１３の位置決めをすることができる。磁石保持体１４は両端部で支持体１１にネジ１５によって固定されている。

組立完了時に磁石押さえ板である磁石保持体１４の頂面すなわち最大高さと、主磁極１２の頂面即ち最大高さは同じで、面一になっている。図示の例では、主磁極１２と補磁極１３の高さが同じであって、支持体１１に配置されたときに段差Ｓの分だけ、補磁極１３の頂面が主磁極１２の頂面よりも低くなっている。しかしながら、補磁極１３の頂面上に設けられた磁石保持体１４の厚さは段差Ｓと等しいため、磁石保持体１４の頂面と主磁極１２の頂面とは高さが等しい。

図３〜５には図１および２に示すリニアモータの固定子の組立手順を示す。図２に示す支持体１１は矩形の板状部材であって、一方の主面上の主磁極１２を配置すべき位置に主磁極１２の平面形と同じ平面形で所定の段差Ｓを持つアイランド部である主磁極固定部１８が設けてある。並べて配置された複数の主磁極固定部１８の間には、段差Ｓの溝１７が形成されており、この溝１７は、その中に補磁極１３が配置されるので補磁極固定部でもある。支持体１１にはまた溝１７の両端部に磁石保持体１４を固定するためのネジ１５を受け入れるネジ穴１６が設けられている。

図４においては、支持体１１の溝１７内に補磁極１３が、端部を主磁極固定部１８の端部と整列して配置されていて、その上方には補磁極１３の保持のために用意された磁石保持体１４が描かれている。主磁極固定部１８が段差Ｓの分だけ高いため、溝１７である補磁極固定部に補磁極１３をはめ込むこととなり、補磁極１３の駆動方向Ｅについての位置決めができる。

図５においては、ネジ１５により支持体１１に固定された磁石保持体１４が補磁極１３上に被せられていて、駆動方向Ｅに対して直角方向（磁化方向Ｂ）にも移動しないように保持されている。固定強度をさらに向上させる場合には、接着剤を併用して固定することもできる。このようにして支持体１１上に補磁極１３を固定すると、補磁極１３およびそれを保持する磁石保持体１４と、隣に配置された補磁極１３および磁石保持体１４との間に、主磁極固定部１８が露出した状態となるので、この主磁極固定部１８上に主磁極１２を配置し、必要に応じて接着剤を用いて固定する。

このように、この発明のリニアモータは、複数の主磁極１２および複数の補磁極１３を支持体１１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１０と、固定子１０に対して直線的に駆動される可動子２０とを備え、補磁極１３が支持体１１に設けた段差Ｓにより形成される溝１７内に配置されていて、補磁極１３だけが磁石保持体１４により支持体１１に固定されている。また、支持体１１が、支持体１１の主面に対して段差Ｓをもって高くされたアイランド部である主磁極固定部１８と、この主磁極固定部１８間に形成された溝１７である補磁極固定部１７とを備えていて、主磁極１２が、補磁極１３間で主磁極固定部１８上に設けられている。

このような構成とすることにより、補磁極１３の位置決めが容易であり、また補磁極１３は溝１７と磁石保持体１４とにより完全に固定されているため、補磁極１３と主磁極１２との間の吸引力もしくは反発力により補磁極１３が磁石板である支持体１１から外れることなく、主磁極１２の貼り付けを行うことができる。さらに、主磁極１２と可動子２０との間、即ち主磁極１２の表面には磁石押さえなどが無いため、磁気漏洩が起こらず磁界が十分確保できる。

実施の形態２．
図６には磁石板である支持体１１に主磁極１２を組み付ける場合に作用する磁気力Ｆの様子を断面図で示してある。図７は支持体１１と主磁極１２の距離ｘと磁気力Ｆとの関係を示すグラフである。

補磁極１３を支持体１１に磁石保持体１４により固定した状態で、主磁極１２を支持体１１に組立るために近づけるときの様子を図６に示す。主磁極１２にかかる磁気力Ｆは、支持体１１と主磁極１２との間の距離ｘに応じて変化する。磁気力Ｆの正方向は支持体の垂直上向きとし、磁気力Ｆが正方向に発生する場合は支持体１１と主磁極１２との間に生じる反発力、負方向に磁気力Ｆが発生する場合は支持体１１と主磁極１２との間に生じる吸引力と定義する。また、これらの反発力、もしくは吸引力は補磁極固定部１７と主磁極固定部１８の段差Ｓの値によっても変化する。これらを踏まえて、支持体１１と主磁極１２との間の距離ｘと磁気力Ｆとの関係を磁界解析により求めたのが図７である。段差Ｓの値は、主磁極１２の厚さに対する割合で表記した。

図７において、段差Ｓが６０％以下では距離ｘが０の場合に磁気力Ｆが正であるため、反発力が発生していることとなり、主磁極１２が浮き上がることとなる。この場合には、主磁極１２を固定するためには反発力に耐える接着力を持った接着剤が必要である。一方、段差が７０％以上では距離ｘが０の場合でも磁気力Ｆが負であるため、支持体１１と主磁極１２には吸引力が発生していることとなり、吸引力により簡単に貼り付けることが可能である。また、確実な固定のためには接着剤はあった方がよいが、反発力が発生しているときほどは接着剤に接着力を必要とはしない。

また、解析では示していないが、図７のグラフから明らかなように、段差Ｓが６０％と７０％の間に、距離ｘが０の場合に磁気力がちょうど０になる段差の値がある。磁気力が０の場合には、貼り付け時に過剰な力が主磁極にかからず、磁石の欠けや割れを防止できる。

これらのことから、ｘが０の場合に力が発生しないかもしくは吸引力が発生するような段差の設計とすることが望ましい。そのようなリニアモータは、段差Ｓの大きさを、主磁極１２と支持体１１との間に力が発生しないように設定したものか、あるいは段差Ｓの大きさを、主磁極１２と支持体１１の間に吸引力が発生するように設定したものとなる。

実施の形態３．
図８に示すリニアモータの固定子１０は、磁石保持体１４の組立時の最大高さが主磁極１２の最大高さよりも高くされている。図示の例では、主磁極１２と補磁極１３の高さが同じであって、支持体１１に配置されたときに段差Ｓの分だけ、補磁極１３の頂面が主磁極１２の頂面よりも低くなっている。しかしながら、補磁極１３の頂面上に設けられた磁石保持体１４の厚さは段差Ｓよりも大きいため、その差に相当する高さＨだけ主磁極１２の頂面よりも高い。

このような構成とすることで、可動子２０と固定子１０とが万一当たっても、あるいは他の異物が固定子１０に衝突しても、主磁極１２に衝突する危険が少なくなり、磁石の保護を行うことができる。

実施の形態４．
図９および１０に示すリニアモータの固定子においては、補磁極固定部１７の幅（駆動方向Ｅの寸法）をＷａ、補磁極１３の幅（駆動方向Ｅの寸法）をＷｍａｇ、磁石押さえ板の幅（駆動方向Ｅの寸法）をｗｂ、磁石押さえ板である磁石保持体１４の内側長さ（駆動方向Ｅに対して直角方向の寸法）をｌｂ、主磁極固定部１８の長さ（駆動方向Ｅに対して直角方向の寸法）をｌａとした場合に、Ｗａ＞Ｗｍａｇ、Ｗｂ＞Ｗｍａｇおよびｌａ＞ｌｂの関係を満たすようにされている。

図９から明らかな通り、補磁極１３を確実に補磁極固定部１７内に配置するためには、Ｗａ＞Ｗｍａｇの関係を満たす必要があり、同様に磁石保持体１４を補磁極固定部１７内に配置するためには、Ｗｂ＞Ｗｍａｇの関係を満たす必要がある。これらの２式を満たした状態で、図１０に示す磁石保持体１４の内側長さｌｂと支持体１１の主磁極固定部１８の長さｌａとが、ｌａ＞ｌｂとなるとすれば、このとき、磁石保持体１４は補磁極固定部１７と主磁極固定部１８間の段差Ｓにつきあてて固定することが可能となる。

補磁極固定部１７と主磁極固定部１８の段差Ｓにすべて一方向からつきあてて磁石保持体１４を固定することにより、磁石保持体１４のピッチを揃えることができるため、磁石保持体１４の固定後に固定を行う主磁極１２のピッチが揃う。つまりこのような構成とすることにより、磁石保持体１４や主磁極１２の支持体１１上の位置決め精度が向上し、位置決め作業も容易になる。さらに、磁石保持体１４や主磁極１２の位置決め精度が向上することにより、コギング推力の低減が可能である。

実施の形態５．
図１１に示すリニアモータの固定子においては、磁石押さえである磁石保持体１４が、それぞれの補磁極１３の長さ方向（駆動方向Ｅに直角な方向）の両端部を固定する構造であって、一つの補磁極１３について２つのほぼクランク形の一対の保持片１４ａ、１４ｂで構成された磁石保持体１４が使われている。このような構成とすることで、磁石保持体１４の重量を減らせるため固定子１０の軽量化が可能である。

実施の形態６．
図１２〜１４には、本発明のリニアモータの固定子を示す。このリニアモータの固定子１０は、補磁極１３は主磁極１２よりも長い構成とし、磁石保持体１４は、主磁極１２に対して突出した複数の補磁極１３の両端部を押さえつけて固定する構造であり、複数の補磁極１３の両端部をほぼクランク形の断面形の共通の磁石保持体１４でそれぞれ保持している。

図１３に示されているように、支持体１１は図３に示されているものと同様の主磁極固定部１８と、その間に形成された補磁極固定部１７とを持ち、補磁極１３が補磁極固定部１７である溝内に配置されている。補磁極１３のそれぞれは、主磁極１２よりも長く、両端部が溝１７から突出して、図示の例では支持体１１の端縁にまで延びている。磁石保持体１４を支持体１１に固定するためのネジ穴１６は、補磁極１３の突出した端部の間に設けられている。

磁石保持体１４は二本の棒状の部材である保持部材１４ｃ、１４ｄで構成されており、それぞれの保持部材１４ｃ、１４ｄは、補磁極１３の突出端部を受け入れて保持するスロット１４ｅを持っていて、保持部材１４ｃ、１４ｄをネジ１５で支持体１１に固定したときに補磁極１３の突出端部を保持することができる。

図１３および図１４により固定子１０の組立手順を示す。まず図１３では、磁石板である磁石支持体１１に複数の補磁極１３を配置し、補磁極１３の両端を１組の磁石保持体１４で固定する様子を示す。このとき、補磁極１３は主磁極１２よりも長い構成とし、主磁極１２に対して補磁極１３が突出している部分に対して磁石保持体１４を押さえつけ、ネジ１５により固定する。図１４では、磁石保持体１４にて補磁極１３の支持体１１への固定が完了したのちに、複数の主磁極１２を補磁極１３の間に固定する様子を示す。

このように、磁石保持体１４が固定子１０の両端に配置される構成とすることにより、可動子２０のコイル２３と固定子１０の距離が短縮されるため、コイル２３からの熱が固定子１０に流入しやすくなり可動子２０の温度が低減できる。また、多数の補磁極１３の一端部を単一の共通の保持部材１４ｃあるいは１４ｄによってそれぞれ保持できるので、部品点数が削減できる。

以上に図示して説明した通り、この発明のリニアモータは、主磁極と可動子の間には磁石押さえを不要とした構成としたため、磁束の漏れがなくなり、磁界が十分確保できるとともに組み立てやすい。

また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、上の説明では、可動子の電機子コアにティースを設けたコア付きリニアモータの例を示したが、ティースがないスロットレスリニアモータでも、コアもティースも省略したコアレスリニアモータでもよい。また、磁石保持体１４の高さを主磁極１２よりも高くし、磁石の保護を行うことも可能である。ただし、この場合空隙長を変えないことが望ましいため、磁石保持体１４と対向する可動子２０のコイルエンド部をティース先端部に対して高くし、接触しないようにするとよい。また、図１２〜１４に示す磁石保持体１４は、固定子１０の長さに応じて複数に分割してもよい。さらに、磁石保持体１４の支持体１１に対する固定方法としてねじ以外のその他の固定方法を用いてもよい。

この発明の実施の形態１におけるリニアモータを示す概略断面図である。図１のリニアモータの固定子の概略斜視図である。図２のリニアモータの固定子の組立手順を示すための支持体の概略斜視図である。図２のリニアモータの固定子の組立手順を示すために図３の支持体に補磁極を配置し、磁石保持体を取り付ける前の状態を示す概略斜視図である。図２のリニアモータの固定子の組立手順を示すために図４の支持体に磁石保持体を取り付け、主磁極を取り付ける前の状態を示す概略斜視図である。この発明の実施の形態２における支持体に主磁極を近づける様子を示す断面図である。この発明の実施の形態２における支持体と主磁極との距離ｘと磁気力Ｆの関係を説明するフラフである。この発明の実施の形態３における固定子の断面図である。この発明の実施の形態４における固定子の説明図である。この発明の実施の形態４における固定子部品の説明図である。この発明の実施の形態５における固定子の概略斜視図である。この発明の実施の形態６における固定子の概略斜視図である。この発明の実施の形態６における支持体に補磁極を固定する様子を示す概略斜視図である。この発明の実施の形態６における支持体に主磁極を固定する様子を示す概略斜視図である。

符号の説明

１リニアモータ、１０固定子、１１支持体、１２主磁極、１３補磁極、１４磁石保持体、１７補磁極固定部（溝）、１８主磁極固定部、２０可動子、２１ティース、２２電機子コア、２３コイル、Ｓ段差。

Claims

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、
上記補磁極が上記支持体に設けた段差により形成される溝内に配置されていて、上記補磁極だけが磁石保持体により上記支持体に固定されており、
上記支持体が、上記支持体の主面に対して上記段差をもって高くされたアイランド部である主磁極固定部と、この主磁極固定部間に形成された上記溝である補磁極固定部とを備え、
上記主磁極が、上記補磁極間で上記主磁極固定部上に設けられていることを特徴とするリニアモータ。
上記段差の大きさが、上記主磁極と支持体の間に力が発生しないように設定してあることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
上記段差の大きさが、上記主磁極と支持体の間に吸引力が発生するように設定してあることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
上記保持体の組立時の最大高さが主磁極の最大高さよりも高いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のリニアモータ。
上記補磁極固定部の幅をＷａ、補磁極の幅をＷｍａｇ、磁石押さえ板の幅をｗｂ、磁石押さえ板の内側長さをｌｂ、主磁極固定部の長さをｌａとした場合に、
Ｗａ＞Ｗｍａｇ
Ｗｂ＞Ｗｍａｇ
ｌａ＞ｌｂ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリニアモータ。
上記保持体は補磁極の両端部を固定する構造であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のリニアモータ。
上記補磁極は上記主磁極よりも長い構成とし、上記保持体は、上記主磁極に対して突出した複数の上記補磁極の両端部を押さえつけて固定する構造であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のリニアモータ。