JP5370313B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置や液晶製造装置、工作機械などの産業装置のテーブル送りに用いられるリニアモータに関する。

従来、テーブル送りに用いられるリニアモータとして，電機子とギャップ（磁気的空隙）を介して対向配置された界磁を備え、界磁が発生磁界の方向に磁化された主磁極永久磁石と、主磁極永久磁石の磁極の向きと異なるように磁化された副磁極永久磁石とを含み、主磁極永久磁石の磁界発生側の一部を軟磁性材料に置き換えて、所謂ハルバッハ配列させた構造のものが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０―６３２０１号公報

しかしながら、テーブル送りを高頻度に行う用途では、リニアモータの推力不足が問題であった。

そこで、本発明はギャップ磁束密度を向上させ、推力の増大などのモータ特性を良好にすることができる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、本発明は次のように構成したものである。
本発明は、発生磁界の方向に磁化された主磁極永久磁石と、前記主磁極永久磁石の磁極の向きと異なるように磁化された副磁極永久磁石とを含み、前記主磁極永久磁石の磁界発生側の一部を軟磁性材料で置き換えた界磁と、前記界磁とギャップを介して対向配置されると共に電機子コアのティースに電機子巻線を巻回してなる電機子と、を備え、前記界磁の磁極ピッチをλ、前記ティースのピッチをτとした場合、λ＜τとしたことを特徴としている。
また、本発明は、上記したリニアモータにおいて、前記電機子のティース数をＮｔ、前記界磁の磁極数をＮｐとした場合、（Ｎｔ、Ｎｐ）の組み合わせを（３、４）、（３、５）、（６、７）、（９、１０）、（１５、１６）、（１５、１８）、または、前記組み合わせの整数倍の組み合わせとしたことを特徴としている。
また、本発明は、上記したリニアモータにおいて、ギャップ面における前記ティースの幅をＷｔ、前記界磁を構成する軟磁性材料の幅をＷｐとした場合、Ｗｔ≦Ｗｐとしたことを特徴としている。
また、本発明は、上記したリニアモータにおいて、前記界磁は、前記主磁極永久磁石と前記軟磁性材料を予め一体にして主磁極を構成し、前記主磁極と前記副磁極永久磁石を組み合わせて構成したことを特徴としている。

本発明によると、ギャップ磁束密度を向上させ、推力を増大させることができるものである。

第１実施形態を示すリニアモータの側断面図 従来技術と第１実施形態の誘起電圧／速度を比較した図 第２実施形態を示すリニアモータの側断面図 第３実施形態を示すリニアモータの側断面図 第４実施形態におけるリニアモータの磁石磁束線を示す模式図であり、（ａ）は従来技術、（ｂ）は第４実施形態 第５実施形態における界磁側の組立方法を説明するための側断面視した模式図

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は本発明の第１実施例を示すリニアモータの側断面図である。
図1において、１００は可動子、１０１は電機子コア、１０２はティース、１０３はスロット、１０４は電機子巻線、２００は固定子、２０１はヨーク、２０２は主磁極永久磁石、２０３は副磁極永久磁石、２０４は軟磁性材料、２１０は主磁極である。
第１実施例のリニアモータは電機子を可動子１００、界磁を固定子２００としている。可動子１００は固定子２００とギャップを介して対向配置されると共に固定子２００の長手方向（紙面左右方向）に沿って移動する。
可動子１００は電機子コア１０３と電機子巻線１０４から構成されている。電機子コア１０３にはギャップ側に突き出した３個のティース１０２が形成されている。各ティース１０２の間には電機子巻線１０４を収納するためのスロット１０３が形成されている。また、各ティース１０２には三相の電機子巻線１０４が集中的に巻回されている。
固定子２００はヨーク２０１と主磁極永久磁石２０２、副磁極永久磁石２０３、軟磁性材料２０４から構成されている。ヨーク２０１上には主磁極永久磁石２０２と該主磁極永久磁石２０２の磁極の向きと異なるように磁化された副磁極永久磁石２０３が、ギャップ側に磁界を発生するように配置されており、いわゆるハルバッハ配列させた構造となっている。さらに、主磁極永久磁石２０２のギャップ側には軟磁性材料２０４が配置されている。ここで、主磁極永久磁石２０２と副磁極永久磁石２０３には高エネルギ積ネオジム磁石を用いている。軟磁性材料２０４には積層珪素鋼板やＳＭＣコア（微細鉄粉を圧縮成形したコア）、３％Ｓｉ鉄などを用いている。また、珪素鋼板は無方向、方向性どちらであっても良い。
ここで、可動子１００のティース数をＮｔ、可動子１００に対向した固定子２００の磁極数をＮｐとした場合、（Ｎｔ、Ｎｐ）の組み合わせは（３、４）となっている。つまり、第１実施例におけるリニアモータは３相、３ティース、４極を基本構成としている。その結果、固定子２００の磁極ピッチλと可動子１００のティース１０２のピッチτとの関係はλ＜τとなる。例えば、固定子２００のティース１０２のピッチをτ＝２４ｍｍとした場合、磁極ピッチはλ＝１８ｍｍとなる。

次に、以上のような構成における効果について、図２を用いて説明する。図２は従来のリニアモータと第１実施例のリニアモータの１相あたりにおける誘起電圧／速度を比較したものである。なお、同図は試作機の実験検証によって得られた結果であり、横軸を磁極ピッチλに正規化して表している。ここで、従来のリニアモータとは特許文献１の図に記載されているものであり、（Ｎｔ、Ｎｐ）の組み合わせは（３、２）である。つまり、３相、３ティース、２極を基本構成としている。磁極ピッチλとティースのピッチτの関係はλ＞τである。ティースのピッチを第１実施例と同じτ＝２４ｍｍとすると、磁極ピッチはλ＝３６ｍｍとなる。つまり、第１実施例のλ＝１８ｍｍに対して１８ｍｍも長く構成される。
図２を見てわかるように、従来（λ＞τ）に比べ、第１実施例（λ＜τ）は誘起電圧／速度の振幅が１．１５倍大きくなっている。誘起電圧／速度の振幅は誘起電圧定数であり、それを３倍したものは推力定数を表している。つまり、第１実施例は従来のリニアモータに比べ推力を１．１５倍大きくできることを表している。
一般に、（Ｎｔ、Ｎｐ）の組み合わせが（３、２）と（３、４）のリニアモータは、両者とも巻線係数が０．８６６であるため、推力定数も同じになると考えられる。一般的なハルバッハ配列構造（主磁極永久磁石の磁界発生側に軟磁性材料を配置しないもの）であっても、ギャップ磁束密度は永久磁石の磁気飽和で制約されるため、（３、２）と（３、４）のリニアモータはほとんど同じ推力定数になる。
しかし、第１実施例や従来のリニアモータのように、主磁極永久磁石の磁界発生側に軟磁性材料を配置した場合、ギャップ磁束密度は軟磁性材料の飽和磁束密度まで増大することができる。軟磁性材料の飽和磁束密度は永久磁石よりも格段に大きいため、上記した一般的なハルバッハ配列構造よりもギャップ磁束密度は大きくなる。さらに、主磁極永久磁石の幅が小さくなると、主磁極永久磁石の磁気飽和が発生しやすくなるので、その増大効果はより高められることになる。つまり、同じティースのピッチτであっても、第１実施例のように磁極ピッチλを小さくしてλ＜τとすることで、主磁極永久磁石の幅が小さくになり、ギャップ磁束密度を軟磁性材料の飽和磁束密度近くまで増大させることができる。この増大効果は従来のλ＞τの構造で到底得られるものでなく、その効果は上記したように格段の効果を得るものである。

図３は第２実施例を示すリニアモータの側断面図である。第２実施例が第１実施例と異なる点は、図３に示すようにティース数Ｎｔと磁極数Ｎｐの組み合わせ（Ｎｔ、Ｎｐ）を（１２、１４）としたことである。
第２実施例も第１実施例と同様にλ＜τとなっている。例えば、可動子１００の磁極ピッチを第１実施例と同じくλ＝１８ｍｍとした場合、固定子２００のティース１０２のピッチはτ＝２１ｍｍとなる。

第２実施例は上記構成にしたので、第１実施例と同様にギャップ磁束密度を増大させ、推力を向上させることができる。また、第２実施例における巻線係数は０．９３３であり、第１実施例の巻線係数０．８６６に比べ１．０８倍も大きい。このように、τ−λの差（第１実施例は６ｍｍ、第２実施例は３ｍｍ）を小さくするほど巻線係数を大きくできるため、本発明の効果をさらに高めることができる。よって、第１実施例よりも、推力を増大させることができる。

図４は第３実施例を示すリニアモータの側断面図である。
第３実施例は、図４に示すようにティース数Ｎｔと磁極数Ｎｐの組み合わせ（Ｎｔ、Ｎｐ）を（９、１０）としたことである。
第３実施例もλ＜τとなっており、例えば、可動子１００の磁極ピッチをλ＝１８ｍｍとした場合、固定子２００のティース１０２のピッチはτ＝２０ｍｍとなる。

第３実施例は上記構成にしたので、第１、第２実施例と同様にギャップ磁束密度を増大させ、推力を向上させることができる。また、第３実施例における巻線係数は０．９４５であり、第１実施例の巻線係数０．８６６に比べ１．０９倍も大きい。第２実施例と同じく、τ−λの差を２ｍｍまで小さくしているので、本発明の効果をさらに高めることができる。よって、第２実施例と同様に、推力をさらに増大させることができる。

図５は第４実施例におけるリニアモータの磁石磁束線を示す模式図であり、ギャップ付近を拡大して表したものである。同図（ａ）は従来のリニアモータにおける磁石磁束線、同図（ｂ）は第４実施例のリニアモータにおける磁石磁束線である。ここで、リニアモータのギャップ面におけるティース１０２の幅をＷｔ、軟磁性材料２０４の幅をＷｐとした場合、従来が
Ｗｔ ＞ Ｗｐ
であるのに対し、第４実施例は
Ｗｔ ≦ Ｗｐ
と構成している。

従来（Ｗｔ＞Ｗｐ）のリニアモータはティース１０２先端における左右端で磁石磁束が漏れてしまっている。電機子巻線の鎖交磁束数が低下し、推力が低下してしまっていた。一方、第４実施例（Ｗｔ≦Ｗｐ）のリニアモータでは磁石磁束の漏れが低減されている。その結果、電機子巻線の鎖交磁束数が大幅に増大し、従来よりも大きな推力を発生可能にしている。

図６は第５実施例における界磁側の組立方法を説明するための側断面視した模式図である。
第５実施例は、軟磁性材料２０４と主磁極永久磁石２０２を予め一体にして主磁極２１０とし、主磁極２１０と副磁極永久磁石２０２を組み合わせ、ヨーク２０１上に配置して固定子２００を構成している。ここで、主磁極２１０は軟磁性材料２０４と主磁極永久磁石２０２を接着、または機械的な締結によって一体にしている。

第５実施例は上記構成にしたので、主磁極２１０を一つの永久磁石と見ることができ、主磁極と副磁極の２種類の材料から成る一般的なハルバッハ配列構造の組立方法と同じように、つまり、従来の組立方法と同じように固定子を組み立てることができる。よって、第１〜４実施例で示した固定子を容易に製作でき、推力の増大を実現することができる。

なお、本実施例において、電機子を可動子、界磁を固定子として説明したが、この逆であっても構わない。
また、ギャップ面が片側に配置される構造で説明したが、ギャップ面が左右に配置して磁気吸引力を相殺するような構造としても、本実施例が成り立つことは言うまでもない。
また、本実施例においてティース数Ｎｔと磁極数Ｎｐの組み合わせ（Ｎｔ、Ｎｐ）を（３、４）、（１２、１４）、（９、１０）として説明したが、本実施例は、それ以外の（３、５）、（６、７）、（１５、１６）、（１５、１８）やそれら整数倍の組み合わせとしたり、少なくとも磁極ピッチλとティースのピッチτの関係をλ＜τとしたものに適している。
また、主磁極永久磁石、副磁極永久磁石、軟磁性材料の断面形状を長方形として説明したが、本実施例は、λ＜τ、Ｗｔ≦Ｗｐを満たす範囲であれば、長方形に限らず、台形であったり、辺形状を多角形や弓形としたものにも適している。
さらに、各ティースに電機子巻線を集中巻きする構成として説明したが、本実施例は、少なくともλ＜τの関係にあれば、補助ティースを設けたり、全ティースのうち部分的に電機子巻線を施したり、電機子巻線を分布巻きとしたものにも適している。

１００ 可動子
１０１ 電機子コア
１０２ ティース
１０３ スロット
１０４ 電機子巻線
２００ 固定子
２０１ ヨーク
２０２ 主磁極永久磁石
２０３ 副磁極永久磁石
２０４ 軟磁性材料
２１０ 主磁極

Claims (3)

1. 発生磁界の方向に磁化された主磁極永久磁石と、前記主磁極永久磁石の磁極の向きと直交するように磁化された副磁極永久磁石とを、並び向きに沿って磁化方向が順次９０度ずつ回転していくように交互に並置し、前記主磁極永久磁石の磁界発生側の一部を軟磁性材料で置き換えた界磁と、
   前記界磁とギャップを介して対向配置されると共に電機子コアのティースに電機子巻線を巻回してなる電機子と、を備え
   前記界磁の磁極ピッチをλ、前記ティースのピッチをτとした場合、
   λ ＜ τ
   とし、かつ、
   ギャップ面における前記ティースの幅をＷｔ、前記界磁を構成する軟磁性材料の幅をＷｐとした場合、
   Ｗｔ ≦ Ｗｐ
   としたこと
   を特徴とするリニアモータ。
2. 前記電機子のティース数をＮｔ、前記界磁の磁極数をＮｐとした場合、（Ｎｔ、Ｎｐ）の組み合わせを（３、４）、（３、５）、（６、７）、（９、１０）、（１５、１６）、（１５、１８）、または、前記組み合わせの整数倍の組み合わせとしたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記界磁は、前記主磁極永久磁石と前記軟磁性材料を予め一体にして主磁極を構成し、前記主磁極と前記副磁極永久磁石を組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。

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