JP5292707B2

JP5292707B2 - 可動磁石型リニアモータ

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Publication number: JP5292707B2
Application number: JP2007055540A
Authority: JP
Inventors: 尚正向出
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: JP2008220076A; US7732951B2; US20080218004A1

Description

本発明は、例えば工作機械、電気部品実装装置或いは半導体関連装置などの各種産業機械に使われるリニアモータに関し、特に界磁を可動子とし、電機子を固定子として構成する可動磁石型リニアモータに関する。

磁石の方を可動子とし電機子（空芯コイル）を固定子とする可動磁石型リニアモータとして、特許文献１に記載されるものが知られている。これは、穴あき柱状永久磁石に貫通軸体を貫通させて固定して磁石可動体を構成し、前記貫通軸体を軸受部材で摺動自在に支持して当該軸受部材に対し固定した位置関係にある空芯コイルの内側に前記磁石可動体を移動自在に設けたものである。この場合、磁石可動体に発生する推力は、基本的にはフレミングの左手の法則に準ずるものである。（ただし、フレミングの左手の法則は空芯コイルに対して適用されるが、ここでは空芯コイルが固定のため、磁石可動体に空芯コイルに作用する力の反力としての推力が発生する。）そして、推力に寄与するのは、磁石可動体が有する永久磁石の磁束の垂直成分（永久磁石の軸方向に直交する成分）である。

また、可動磁石型のリニアモータとして、特許文献２に記載されるものが知られている。これは固定子側の複数の空芯コイルで可動子側の磁石に推力を与える多相タイプであるが、移動方向に配列される空芯コイルの両側を棒状の支持部材で固定し、空芯コイルの両側を固定する支持部材間に磁石を対向させて配置し、前記支持部材の内部には冷媒を流すための管路を移動方向に沿って設けることとしたものである。この管路に冷媒を循環させることにより、空芯コイルに生ずる駆動電流による発熱を除去することを可能とするものである。
実開平７−３０５８５号公報特開平１−２７０７６３号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、貫通軸体の外周をぐるりと廻る柱状の永久磁石で可動体を構成しているため、磁石可動体の質量が大きくなり応答性が悪いという不具合があった。また、特許文献２の技術では、冷媒を流す管路を固定する支持部材の断面積が大きく空芯コイルの熱が支持部材全体に拡散してしまい、空芯コイルと冷媒との間の熱の伝導効率が悪いという不具合があった。また、磁束を金属が横切ると、渦電流が発生して可動体の推力を減少させるという普遍的な問題も考慮する必要があった。

本発明は係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、可動体が軽量で応答性が良く、かつ空芯コイルに与えられる駆動電流による発熱を除去するとともに、渦電流の発生を減少させて効率よく大きな推力を得ることができる可動磁石型リニアモータを提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、複数平面壁により偶数多角筒状を成し、該偶数多角筒状の中心軸方向に可動するマグネットヨークと、該マグネットヨークの各平面壁の外壁に取り付けられ複数の永久磁石から構成される複数のマグネット構成体と、前記マグネットヨークを取り囲むように設けられた固定子ベースと、該固定子ベースに取り付けられ前記複数のマグネット構成体に夫々磁気的空隙を介して対向するように配置された複数の空芯コイルと、該空芯コイルに沿うように前記固定子ベースに取り付けられ内部に冷媒が流通されて前記空芯コイルを冷却する冷却部材と、を備えた可動磁石型リニアモータにおいて、前記該冷却部材は、前記中心軸方向に直角な方向に延在する箇所において前記空芯コイルの外側面に接するように配置され、その前記中心軸方向であって空芯コイルから離れた側に冷媒が流通される流通路を有するとともに、前記空芯コイルの外側面に接する側には互いに隙間を有して前記空芯コイルに沿う方向に重ねて形成された複数の薄板状突起を有し、該薄板状突起は前記空芯コイルの外側面に沿って櫛歯のように並べられて形成され、該薄板状突起の先端が前記空芯コイルに熱的に密に接合していることである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記冷却部材は、前記空芯コイルが前記中心軸方向に直角な方向に延在する部分にて、該空芯コイルの外側面に対して接合するものであり、前記マグネットヨークが前記中心軸方向に移動する際に、該マグネットヨークに取り付けられた前記マグネット構成体が対向する空芯コイルから前記冷却部材側に外れる範囲は、前記冷却部材の前記薄板状突起を有する範囲内であることである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記マグネット構成体は、前記中心軸方向に直角な方向に着磁された第１の永久磁石と、該第１の永久磁石の着磁方向に平行な方向であって、第１の永久磁石とは反対の磁極で着磁され、前記第１の永久磁石に前記中心軸方向に所定の間隔を設けて対向する第２の永久磁石と、を有し、これらのマグネット構成体は、前記マグネットヨークの周方向に隣り合う永久磁石の磁極が互いに反対の極であることである。

請求項１に係る発明によると、空芯コイルに熱的に密に接合された冷却部材には、冷媒が送られて流通路内を循環するので、空芯コイルに生じる駆動電流による発熱は、効率よく除去することができる。そして、冷却部材は、空芯コイルに接合する部分と冷媒を流通させる部分とが一体の部品であるので、迅速かつ容易にコイルヨークに組付けることができ、生産効率を向上させて生産コストの低減を図ることができる。

請求項２に係る発明によると、空芯コイルを横切るマグネット構成体からの磁束が冷却部材を横切る範囲には、空芯コイルに沿う方向に重ねて形成された複数の薄板状突起が形成されており、磁束を横切る一つ一つの薄板状突起の厚みが小さいので、推力を生じさせる際に抵抗力となる大きな渦電流を発生させることなく、マグネットヨークに効率よく大きな推力を発生させることができる。

請求項３に係る発明によると、マグネット構成体のそれぞれの永久磁石の磁極から発生する磁束は隣り合う反対の磁極に向かって流れる。そのため、マグネットヨークの周面に沿った２方向及びそれに直角な方向に分流して、マグネットヨークを通る磁束を３つに分散することができ、これによって、飽和磁束密度を生じさせることなくマグネットヨークの肉厚を薄くでき、可動磁石型でありながら、リニアモータを小型化かつ軽量化することができるので、可動するマグネットヨークの応答精度を高めることができる。また、１つの磁極から上記のように３つに分流された磁束は、夫々異なった３つの反対の磁極を通過する。そして、１つの反対の磁極では、異なった３つの磁極からの磁束が１つにまとまって通過することとなる。このように、空芯コイルを横切る磁束は、上記分流によって減少することが無いので、マグネットヨークの軽量化を図りながら強い推力を発揮させることができる。

本発明に係る可動磁石型リニアモータを備えた工具移動装置の実施形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は工具移動装置の構造を断面で示した正面からの概念図であり、図２は同断面で示す側面からの概念図である。前記リニアモータ２は、固定側の一次側要素と、一次側要素に対して相対移動可な可動側の二次側要素とから構成されている。

この工具移動装置４は、図１に示すように、例えば磁性体である鉄製からなる中空箱型形状のマグネットヨーク６と、マグネットヨーク６の外周面に取り付けられた永久磁石からなる複数のマグネット構成体８と、マグネットヨークの両端開口部に夫々取付けられた角型の支持部１０,１２とからなる可動体１４を備え、この可動体１４によりリニアモータ２の二次側要素を構成している。この可動体１４の一方の支持部１０の端部（先端側端部）には、工作物を高精度に切削加工するバイト等を保持する工具保持装置１６が取り付けられている。他方の支持部１２の端部（基端側端部）にはリニアスケール（位置検出装置）１７が設けられ、可動体１４の後述する支持台１８に対する相対的な移動位置を検出するようになっている。

また、工具移動装置４は、可動体１４に対して相対移動可能に固定設置された非磁性体からなる支持台１８を備えている。支持台１８は、図２に示すように、可動体１４の４面に対向する平壁部を図略のフレーム部材により連結させて、可動体１４を囲むように設けられている。支持台１８には可動体１４の各支持部１０,１２を油の静圧力によってＸ軸方向（可動体１４の中空軸線方向）に摺動のみ可能に支持する流体軸受２０,２２と、マグネットヨーク６を取り囲むように配設された例えば磁性体である鉄製のコイルヨーク２４と、コイルヨーク２４の内壁面に、各マグネット構成体８に夫々対向して取り付けられた空芯コイル２６が設けられている。空芯コイル２６は平角線を重ねて積層したもので、銅からなる導体部と絶縁層が密な状態で重なって構成されているため、熱抵抗が小さい。また、図５に示すように、該空芯コイル２６の外側面（推力発生部）を略フラットに形成し、該フラット面と高熱伝導接着剤３９を介して密に薄板状突起３５を設けている。空芯コイル２６は、例えばガラスエポキシからなる被巻回部３０に平角線により略矩形状に複数巻回されて形成される。空芯コイル２６とコイルヨーク２４との間には、例えばガラスエポキシ等による絶縁板２８が挿入されて電気的絶縁が図られている。空芯コイル２６を取り付けたコイルヨーク２４によって、リニアモータ２の一次側要素を構成している。また、空芯コイル２６には図略の直流電源に連結される電流制御回路５０に接続され、図８に示すように、電流制御回路５０は前記リニアスケール１７からの信号が制御装置（ＣＰＵ）５２からの信号によって、直流電源からの電流値が制御されるようになっている。電流制御回路５０として、例えばＩＧＢＴ（ＩｎｅｒｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子等で構成されるアンプが考えられる。

各空芯コイル２６には、図３及び図４に示すように、前記Ｘ軸方向に直角な方向に夫々延在する２箇所において、冷却部材としての冷却ブロック３２が空芯コイル２６の外側面に接するように一対配置されている。冷却ブロック３２は、例えば銅製で、コイルヨーク２４に図略のボルト等により螺子止めされている。冷却ブロック３２の空芯コイル２６から離れた側には、冷媒（冷水）が流通する流通路３４が夫々形成され、各流通路３４はコイルヨーク２４に設けられた貫通口を介して図略の冷却パイプ及びポンプに連通されている。冷却ブロック３２の空芯コイル２６の外側面に接する側には、互いに隙間を有する複数の薄板状突起３５が、空芯コイル２６の外側面に沿って櫛歯のように並べられて形成されている。薄板状突起３５は空芯コイル２６の外側面に倣う形状に先端が形成され、該先端は高熱伝導接着剤３９により空芯コイル２６に熱的に密に接合されている。

また、多角筒状のマグネットヨーク６は、実施形態においては４つの平面壁３８により４角筒状に構成され、図２及び図６に示すように、平面壁３８の外周面には第１乃至第４のマグネット構成体８ａ〜８ｄが、夫々取り付けられている。マグネット構成体８ａ〜８ｄは、第１及び第２の永久磁石４０,４２と補助磁石４４とから構成される。第１及び第２の永久磁石４０,４２は、例えば希土類より直方体形状に形成され、これらの永久磁石は着磁方向（単体の磁石において対応する反対の極の中心を結ぶ線の方向）が、前記Ｘ軸方向に直角な方向となるよう配置されている。そして、図１及び図６に示すように、マグネットヨーク６上部の先端部側（図１及び図６において右側）には、第１の永久磁石４０の外側（図１において上側）がＳ極、内側がＮ極に、同基端部側（図１及び図６において左側）には、第２の永久磁石の外側がＮ極、内側がＳ極になるよう配設されている。また、第１の永久磁石４０と第２の永久磁石４２との間には直方体形状の補助磁石４４が、着磁方向を前記Ｘ軸方向に平行にして配設されている。各補助磁石４４は、例えば、先端部側（図において右側）がＳ極、基端部側（図６において左側）がＮ極という具合に、前記第１及び第２の永久磁石４０,４２の内側の磁極と反対の磁極が接近するように並べられて固定されている。このように補助磁石４４配置することにより、図６に示すように、磁束の漏洩を防止すると共に、空芯コイル２６を横切る磁束数を増加させて、大きな推力を発揮させるようになっている。また、マグネット構成体８の永久磁石４０,４２は、図２及び図７に示すように、マグネットヨーク６の周方向に隣り合う永久磁石４０,４２の磁極が互いに反対の極となるよう配設されている。また、本実施形態では、永久磁石４０,４２,４４及び空芯コイル２６の取付け誤差によるサイドフォースの影響を受けないように、永久磁石４０,４２,４４のＸ軸方向に直角な方向の幅を空芯コイル２６の同方向の内寸よりも小さく構成している。ただし、推力を重視して永久磁石４０,４２,４４の同幅を空芯コイル２６の同内寸よりも大きくしてもよい。

次に、上記のように構成された可動磁石型リニアモータの作動について、以下に説明する。図６において、空芯コイル２６にマグネットヨーク６から見て時計回りに電流を流すと、フレミングの左手の法則に従い空芯コイル２６には先端部側（図６において右側）への力が生じ、マグネット構成体８ａにはその反作用として基端部側（図６において左側）への力が加わる。他のマグネット構成体８ｂ,８ｃ,８ｄにも同様にして、基端部側への力が加わるように対向する空芯コイル２６に夫々通電することにより、マグネットヨーク６には基端部側へ移動させる推力が働き、マグネットヨーク６は電流量に応じた距離だけ基端部側（図１及び図６において左側）へ移動する。また、前記ＩＧＢＴ等により逆向き回りの通電をすると、マグネットヨーク６は、図１及び図６において右側へ移動する。この移動位置はリニアスケール１７により検出され、検出位置の信号がＣＰＵ５２に送られて、前記ＩＧＢＴ等により通電方向及び通電量が定められてマグネットヨーク６の移動量が制御される。このようにマグネットヨーク６が構成する可動体１４は、空芯コイル２６に供給される電流の方向及び大きさに応じて発生する推力により、Ｘ軸方向に移動されるとともに、リニアスケール１７の検出信号に基づいて位置制御され、可動体１４に取り付けられた工具保持装置１６に保持されたバイト等を微細にかつ高速で移動させ、工作物を高精度に切削加工する。この際可動体１４は、流体軸受２０,２２によって静圧支持されているので、バイト等を微細かつ高速でかつ安定的に移動制御できるようになり、工作物の加工精度を向上させることができる。

本実施形態では、空芯コイル２６に通電されてリニアモータ２が駆動される際に、空芯コイル２６に高熱伝導接着剤を介して熱的に密に接合された冷却ブロック３２には、前記ポンプから冷媒（冷水）が送られて流通路３４内を循環するので、空芯コイル２６に生じる駆動電流による発熱は、効率よく除去することができる。そして、冷却ブロック３２は、空芯コイル２６に接合する部分と冷媒を流通させる部分とが一体の部品であるので、迅速かつ容易にコイルヨーク２４に組付けることができ、生産効率を向上させて生産コストの低減を図ることができる。また、空芯コイル２６を横切るマグネット構成体８からの磁束が、冷却ブロック３２を横切る範囲ＭＡは、図５に示すように、空芯コイル２６に沿う方向に重ねて形成された複数の薄板状突起３５が形成された範囲内であり、この範囲内では磁束を横切る一つ一つの薄板状突起３５の厚みが小さいので、推力を生じさせる際に抵抗力となる大きな渦電流を発生させることなく、可動体１４に効率よく大きな推力を発生させることができる。

マグネット構成体８のそれぞれの永久磁石４０,４２から発生する磁束を、図８に示すように、マグネットヨーク６の周面に沿った２方向Ｂ,Ｃ及びそれに直角な方向Ａに分流して、マグネットヨーク６を通る磁束を３つに分散することができ、これによって、飽和磁束密度を生じさせることなくマグネットヨーク６の肉厚を３分の１程度に薄くでき、可動磁石型でありながら、リニアモータ２を小型化かつ軽量化することができる。そして、可動体１４の応答精度を高めることができる。また、１つのＮ極から３つに分流された磁束は、夫々別の３つのＳ極を通過する。一方、１つのＳ極においては、別の３つのＮ極からの磁束ａ,ｂ,ｃが１つにまとまって通過することとなる。そのため、空芯コイル２６を横切る磁束は、上記分流によって減少することが無いので、マグネットヨーク２４を軽量としながら強い推力を発揮させることができる。

なお、冷却ブロックは、空芯コイルの前記Ｘ軸方向に直角な方向に延在する部分に接合するものとしたが、これに限定されず、例えば、該Ｘ軸方向に平行な方向に延在する部分に接合するものでもよい。この場合、冷却ブロックが対向するマグネット構成体の可動範囲から外れ、磁束が冷却ブロックを横切らない構成とすることができる。

また、空芯コイルは、実施形態において平角線としたが、これに限定されず、例えば丸線でもよい。この場合は、高熱伝導部材はかかる丸線の外側面に倣う形状に形成される。

冷却ブロックは、銅製に限定されず、熱伝導率が高く非磁性材料であればよい。

マグネットヨークは、４角筒状に限定されず、例えば６角、８角等の偶数多角筒状であればよい。また、偶数多角筒状のマグネットヨークの強度向上のため、中空部に梁部材を設ける構造としてもよい。

また、本実施形態においては、第１及び第２の永久磁石の間に補助磁石を配置する構成としたが、これに限定されず、補助磁石はなくてもよい。

コイルヨークは、支持台に個別に取り付けるものとしたが、これに限定されず、例えばマグネットヨークの形状に対応する偶数多角筒状のものでもよい。

本発明に係る可動磁石型リニアモータの正面からの断面図。同側面からの断面図。空芯コイルと冷却ブロックとの取付け状態を示す図。同断面図。同拡大図。マグネット構成体と空芯コイルとの間の磁束の流れを示す概念図。マグネットヨークにおける磁束の流れを示す概念図。移動位置制御を示すブロック図。

符号の説明

２…リニアモータ、６…マグネットヨーク、８…マグネット構成体、１８…固定ベース（支持台）、２４…固定ベース（コイルヨーク）、２６…空芯コイル、３２…冷却部材（冷却ブロック）、３４…流通路、３５…薄板状突起、３８…平面壁、４０…第１の永久磁石、４２…第２の永久磁石。

Claims

複数平面壁により偶数多角筒状を成し、該偶数多角筒状の中心軸方向に可動するマグネットヨークと、該マグネットヨークの各平面壁の外壁に取り付けられ複数の永久磁石から構成される複数のマグネット構成体と、前記マグネットヨークを取り囲むように設けられた固定子ベースと、該固定子ベースに取り付けられ前記複数のマグネット構成体に夫々磁気的空隙を介して対向するように配置された複数の空芯コイルと、該空芯コイルに沿うように前記固定子ベースに取り付けられ内部に冷媒が流通されて前記空芯コイルを冷却する冷却部材と、
を備えた可動磁石型リニアモータにおいて、
前記冷却部材は、前記中心軸方向に直角な方向に延在する箇所において前記空芯コイルの外側面に接するように配置され、その前記中心軸方向であって空芯コイルから離れた側に冷媒が流通される流通路を有するとともに、前記空芯コイルの外側面に接する側には互いに隙間を有して前記空芯コイルに沿う方向に重ねて形成された複数の薄板状突起を有し、該薄板状突起は前記空芯コイルの外側面に沿って櫛歯のように並べられて形成され、該薄板状突起の先端が前記空芯コイルに熱的に密に接合していることを特徴とする可動磁石型リニアモータ。
請求項１において、前記冷却部材は、前記空芯コイルが前記中心軸方向に直角な方向に延在する部分にて、該空芯コイルの外側面に対して接合するものであり、
前記マグネットヨークが前記中心軸方向に移動する際に、該マグネットヨークに取り付けられた前記マグネット構成体が対向する空芯コイルから前記冷却部材側に外れる範囲は、前記冷却部材の前記薄板状突起を有する範囲内であることを特徴とする可動磁石型リニアモータ。
請求項１又は２において、前記マグネット構成体は、前記中心軸方向に直角な方向に着磁された第１の永久磁石と、
該第１の永久磁石の着磁方向に平行な方向であって、第１の永久磁石とは反対の磁極で着磁され、前記第１の永久磁石に前記中心軸方向に所定の間隔を設けて対向する第２の永久磁石と、を有し、
これらのマグネット構成体は、前記マグネットヨークの周方向に隣り合う永久磁石の磁極が互いに反対の極であることを特徴とする可動磁石型リニアモータ。