JP5574173B2 - 永久磁石形同期リニアモータおよびそれを用いたテーブル送り装置 - Google Patents

Description

本発明は主に工作機械の送り機構や半導体製造装置の位置決め装置などに使用される永久磁石形同期リニアモータおよびそれを用いたテーブル送り装置に関する。

従来から工作機械の送り機構や半導体製造装置の位置決め装置などに利用される永久磁石形同期リニアモータが提案されており、より高精度な位置決めや短時間での整定性を実現する要求が増えている。
永久磁石形同期リニアモータは、制御装置によって電流を通電することで制御されているため、電流を通電することで発生する電機子巻線の銅損を如何にして小さくするかという一般的な技術課題がある。この技術課題を解決するために、通常、永久磁石による磁極数Ｐと電機子コアのティース数Ｍの関係を、Ｐ：Ｍ＝８ｎ：９ｎあるいは１０ｎ：１２ｎ（ｎ：自然数）とするなどして巻線係数（巻線利用率）の高い構造のリニアモータが採用されている（例えば、特許文献１参照）。
図９は、比較例とする第１従来技術を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図である。永久磁石形同期リニアモータは、界磁鉄心２に複数の永久磁石３を交互に極性が異なるように等ピッチで設けた磁石列を有する界磁磁極１を固定子側に配置すると共に、永久磁石３の磁極面と磁気的空隙を介して対向配置され、継鉄５２とティース５１を備える電機子コア５に電機子巻線６１〜６９を巻装してなる電機子４を可動子側に配置したムービングコイル形の構成となっている。図９において、永久磁石による磁極数８に対して、電機子コア５のティース数９の組合せの場合は、短節巻係数が０．９８５、突極磁極の分布による係数が０．９６０、となるため、巻線係数が０．９４６となって巻線係数の高いモータとなる。

特開平９−１７２７６２号公報（第３頁、表２）

ところが、従来のムービングコイル形のリニアモータにおいて、８極９スロット（巻線係数が０．９４６）、もしくは、１０極９スロット（巻線係数が０．９３３）の事例のごとく巻線係数の高い構造を採用する場合、ティースの磁石列と直交する方向の長さＬｔｃ１が前記ティースのスロットピッチＬｔｃ２に対して、Ｌｔｃ１＞Ｌｔｃ２となる場合が多く、Ｌｔｃ１＞Ｌｔｃ２となる場合には、ティース間を鎖交する磁束が増加して推力飽和の影響を受けやすいという課題があった。そして、一般的にモータの銅損を小さくする設計をする場合に、ティース幅を細くし、コイルを巻回するスペースを増やして銅損を小さくする設計手法がとられるが、ティース幅を細くした場合には、さらに推力飽和の影響を受けるため、ある程度のところまでしかティース幅を細くできないという問題があった。また、推力飽和の影響を受けにくくするために、Ｌｔｃ２を長くしてスロット数を６とする場合には、４極６スロット、もしくは８極６スロットの構成を使用するので、巻線係数が０．８６６となるため、巻線係数の高いモータを設計することが困難となっていた。
次に、Ｌｔｃ１＞Ｌｔｃ２の場合と、Ｌｔｃ１＜Ｌｔｃ２場合の場合における推力飽和の影響の有無に対する解析結果について説明する。
ここで、図１０は比較例とする第２従来技術の永久磁石形同期リニアモータの側断面図を示しており、符号は図９の符号と同じものは同一の構成を示している。図１１は従来の永久磁石形同期リニアモータのＬｔｃ１の違いによる推力を比較した図を示している。
図９において、ティース５１の磁石列と直交する方向の長さＬｔｃ１、ティース５１のスロットピッチＬｔｃ２は、Ｌｔｃ１＝３０．５［ｍｍ］、Ｌｔｃ２＝１３．０［ｍｍ］であり、図１０において、ティース５１の磁石列と直交する方向の長さＬｔｃ１、ティース５１のスロットピッチＬｔｃ２は、Ｌｔｃ１＝１２．２［ｍｍ］、Ｌｔｃ２＝１３．０［ｍｍ］となっている。そして、電磁鋼板の積厚方向におけるコア長と磁石長は共に５５［ｍｍ］とした場合に、コイルの起磁力に対する推力の図を図５に示している。図９に比べて、図１０ではＬｔｃ１の長さが約１／３になっておりＬｔｃ２に対してＬｔｃ１が短くなっているため、図１１において、コイルの起磁力６００［ＡＴ］では、図９のＬｔｃ１＝３０．５［ｍｍ］の場合には推力飽和の影響が見られるのに対して、図１０のＬｔｃ１＝１２．２［ｍｍ］の場合にはほとんど推力飽和の影響は見られない。したがって、Ｌｔｃ１＞Ｌｔｃ２である場合に、どのように推力飽和の影響を受けにくくして、かつ、巻線係数の高いモータを設計するかが問題であった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、推力飽和の影響を受けにくくし、かつ、ティース幅を狭くして巻線を巻回するスペースを増やすことで、より前記リニアモータの銅損を小さくすることができる永久磁石形同期リニアモータおよびテーブル送り装置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。
請求項１に記載の永久磁石形同期リニアモータに係る発明は、界磁鉄心に複数個の永久磁石を交互に極性が異なるように直線方向に配列された磁石列を有する界磁磁極と、前記界磁磁極と磁気的空隙を介して対向配置された突極磁極を構成する複数のティースとこのティースに集中巻きに巻装され且つ３相接続された電機子巻線を有する電機子と、を備え、前記該電機子巻線を巻装するティースの磁石列と直交する方向の長さＬｔｃ１と前記複数のティース間のスロットピッチＬｔｃ２の関係を、Ｌｔｃ１＞Ｌｔｃ２の範囲に設定してあり、前記電機子コアのティース数Ｍに対する前記永久磁石の磁極数Ｐとの関係を、Ｐ＝Ｍ＋２、かつ、Ｍ＝３ｍ（但しｍは２以上の奇数）としたことを特徴としている。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の永久磁石形同期リニアモータにおいて、前記電機子コアの両端に、該電機子コアの両端に設けたティースとは異なる形状の補助ティースを設けたことを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の永久磁石形同期リニアモータを用いたテーブル送り装置であることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、推力飽和の影響を受けにくくするリニアモータの構成を得ることができ、リニアモータの銅損をより小さくすることができる。
また、請求項２に記載の発明によると、上述の効果に加えて、端効果の影響で発生するコギング推力を低減することができ、かつ、補助ティースの隣に位置するティースに巻回されたコイルの誘起電圧を大きくすることができる。
請求項３記載の発明によると、請求項１又は２記載の永久磁石形同期リニアモータの効果を有するテーブル送り装置を実現することができる。

本発明の第１実施形態を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図 第１実施形態と従来の永久磁石形同期リニアモータの銅損を比較した図 本発明の第２実施形態を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図 本発明の第３実施形態を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図 第３実施形態と従来の永久磁石形同期リニアモータの銅損を比較した図 本発明の第４実施形態を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図 本実施形態に係る永久磁石形同期リニアモータにおける永久磁石による磁極数Ｐと電機子コアのティース数Ｍの組み合わせに基づいて算出した、巻線係数と端効果の影響で発生する分を除いたコギング推力の脈動数の数値マトリクス表 本実施形態の永久磁石形同期リニアモータを工作機のテーブル送り装置に適用した例を示した側断面図 比較例とする第１従来技術を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図 比較例とする第２従来技術を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図 従来の永久磁石形同期リニアモータのＬｔｃ１の違いによる推力を比較した図 ７極９スロット、１１極９スロットでの各相の配置例 ８極９スロット、１０極９スロットでの各相の配置例 比較例とする第３従来技術を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図

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実施例を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図である。
図１において、永久磁石形同期リニアモータは界磁磁極１を固定子側に、電機子４を可動子側に配置してなる、所謂ムービングコイル形のリニアモータである。界磁磁極１は、界磁鉄心２に複数の永久磁石３を交互に極性が異なるように直線方向に等ピッチで配置した磁石列を有しており、界磁磁極１を構成する永久磁石３の磁極面には、磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電磁鋼板を櫛歯状に打ち抜いてティース５１と継鉄部５２を形成する電機子コア５を有する電機子４が設けられている。また、当該電機子コア５は、オープンスロットの構造を示し、突極磁極を構成する複数のティース５１とこのティース５１に集中巻きに巻装され且つ３相接続された電機子巻線６１〜６６を有している。
さらにまた、永久磁石形同期リニアモータにおいて、永久磁石の磁極数が奇数である構成が成立することを条件とした上で、永久磁石による磁極数７個の界磁構成に対して、電機子コア５のティース数６である電機子構成を特徴としている。

第１実施例によれば、図１に示すように、永久磁石形同期リニアモータのティース５１の磁石列と直交する方向の長さＬｔｃ１とティース５１のスロットピッチＬｔｃ２について、スロット数が６となることで図９に比べてＬｔｃ１／Ｌｔｃ２の値が小さくなり、推力飽和の影響を小さくすることができる。かつ、巻線係数については１０極１２スロットと同じ０．９３３となり、巻線係数の高いモータを設計することが可能となる。例えば、図１の７極６スロットのモータについて、Ｌｔｃ１＝３０．５［ｍｍ］、Ｌｔｃ２＝１９．５［ｍｍ］、Ｌｔｃ３＝７．５［ｍｍ］、かつ、導体径１．１［ｍｍ］の巻線が１１８の回数をティース５１に巻回された場合と、図９の８極９スロットのモータについて、Ｌｔｃ１＝３０．５［ｍｍ］、Ｌｔｃ２＝１９．５［ｍｍ］、Ｌｔｃ３＝６．９［ｍｍ］、かつ、導体径０．８５［ｍｍ］の巻線が９２の回数をティース５１に巻回された場合の巻線温度、磁石温度、周囲温度が全て２０［℃］における銅損の解析値の比較を図２に示す。この場合に、電磁鋼板の積厚方向におけるコア長と磁石長は共に５５［ｍｍ］としている。
図２に示すように、図１の７極６スロットのモータと図９の８極９スロットのモータを比べた場合には、８極９スロットに比べて７極６スロットでは巻線のスペースを増やすことができるため、図１の方が同推力においての銅損の解析値が小さくなっている。この場合に、７極６スロットでは８極９スロットに比べて、コイルエンドの影響を受けやすいため、より電磁鋼板の積厚方向におけるコア長と磁石長が長い方が８極９スロットに比べて７極６スロットの銅損の減少は大きい。また、８極９スロットの場合に比べて、７極６スロットの場合においては、磁極数が８から７に、スロット数が９から６になっているため、組立工数が減って生産性が上がる、という利点がある。

図３は本発明の第２実施例を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図である。
図３において、第２実施例が第１実施例と異なる点は、リニアモータの電機子コア５の両端にティース５１と異なる形状の補助ティース７１、７２を配置した点である。

このように、第２実施例は電機子コア５の両端に当該両端以外のティースと異なる形状の補助ティースを配置した構成をしているので、上述の第１実施例と同様の効果が得られると共に、端効果の影響で発生するコギング推力を低減することができる。また、補助ティースを配置することで当該補助ティースの隣に位置するティースの磁束密度を大きくすることができるので、補助ティースの隣に位置するティースに巻回されたコイルの誘起電圧が大きくなり、通電する電流を小さくすることができる。よって、第１実施例に比べて、さらにリニアモータの銅損を小さくすることができる。

図４は本発明の本発明の第３実施例を示す永久磁石形同期リニアモータの構成図である。
図４において、永久磁石形同期リニアモータは界磁磁極１を固定子側に、電機子４を可動子側に配置してなるムービングコイル形のリニアモータである。界磁磁極１は、界磁鉄心２に複数の永久磁石３を交互に極性が異なるように直線方向に等ピッチで配置した磁石列を有しており、界磁磁極１を構成する永久磁石３の磁極面には、磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電磁鋼板を櫛歯状に打ち抜いてティース５１と継鉄部５２を形成する電機子コア５を有する電機子４が設けられている。また、当該電機子コア５は、突極磁極を構成する複数のティース５１とこのティース５１に集中巻きに巻装され且つ３相接続された電機子巻線６１〜６６を有している。
さらにまた、永久磁石形同期リニアモータにおいて、永久磁石の磁極数が奇数である構成が成立することを条件とした上で、永久磁石による磁極数５個の界磁構成に対して、電機子コア５のティース数６である電機子構成を特徴としている。なお、図４における電機子コアはティース先端がセミクローズドのスロットになっている場合を示す。

第３実施例によれば、図４に示すように、前記リニアモータのティースの磁石列と直交する方向の長さＬｔｃ１とティースのスロットピッチＬｔｃ２について、スロット数が６となることで図１４（８極９スロット）に比べてＬｔｃ１／Ｌｔｃ２の値が小さくなり、推力飽和の影響を小さくすることができる。かつ、巻線係数については１０極１２スロットと同じ０．９３３となり、巻線係数の高いモータを設計することが可能となる。例えば、図４の５極６スロットのモータについて、Ｌｔｃ１＝３２．２５［ｍｍ］、Ｌｔｃ２＝１９．５［ｍｍ］、Ｌｔｃ３＝９．０［ｍｍ］、であって、Ｌｔｃ４＝３０．５［ｍｍ］、Ｌｔｃ５＝１５．６［ｍｍ］、Ｌｔｃ６＝１．５［ｍｍ］、かつ、導体径０．９５［ｍｍ］の巻線が１３８の回数をティースに巻回された場合と、図１４の８極９スロットのモータについて、Ｌｔｃ１＝３２．２５［ｍｍ］、Ｌｔｃ２＝１３［ｍｍ］、Ｌｔｃ３＝６．９［ｍｍ］、であって、Ｌｔｃ４＝３０．５［ｍｍ］、Ｌｔｃ５＝９．７５［ｍｍ］、Ｌｔｃ６＝１．５［ｍｍ］、かつ、導体径０．８５［ｍｍ］の巻線が９２の回数をティースに巻回された場合の周囲温度、磁石温度、巻温度線が全て２０［℃］の場合における銅損の解析値の比較を図５に示す。この場合に、電磁鋼板の積厚方向におけるコア長と磁石長は共に５５［ｍｍ］としている。図５に示すように、図４の５極６スロットのモータと図１４の８極９スロットのモータを比べた場合には、８極９スロットに比べて５極６スロットでは巻線のスペースを増やしても推力飽和の影響を受けにくいため、特に高推力において図４の方が同推力での銅損の解析値が小さくなっている。この場合に、５極６スロットでは８極９スロットに比べて、銅損についてコイルエンドの影響を受けやすいため、より電磁鋼板の積厚方向におけるコア長と磁石長が長い方が８極９スロットに比べて５極６スロットの銅損の減少は大きい。また、８極９スロットの場合に比べて、５極６スロットの場合においては、磁極数が８から５に、スロット数が９から６になっているため、組立工数が減って生産性が上がる、という利点がある。

図６は第４実施例の構成を示す図である。
第３実施例の電機子コア５がセミクローズドスロットの構造であるのに対して、第４実施例は、図６に示すように、電機子コア５はオープンスロットの構造であり、かつ、電機子コア５の両端にティース５１と異なる形状の補助ティース７１、７２を配置した構成となっている。

第４実施例は、上記のように電機子コアの両端にティースと異なる形状の補助ティースを配置した構成をしているので、上述の第３実施例と同様の効果が得られると共に、補助ティースを配置することによりコギング推力を低減することができる。また、前記補助ティースを配置することで補助ティースの隣に位置するティースの磁束密度を大きくすることができるので、補助ティースの隣に位置するティースに巻回されたコイルの誘起電圧が大きくなることで通電する電流を小さくすることができるため、上述の第３実施例に比べて、さらに前記リニアモータの銅損を小さくすることができる。

図７は本実施例に係る永久磁石形同期リニアモータにおける永久磁石磁極数Ｐ（奇数極）と電機子コアのティース数Ｍの組み合わせに基づいて算出した、巻線係数と端効果の影響で発生する分を除いたコギング推力の脈動数の数値マトリクス表である。以後の記述のコギング推力とは端効果の影響で発生する分を除いたものとする。
図７において、縦方向に永久磁石磁極数Ｐを、横方向に電機子の電機子コアのティース数Ｍをおき、各セルの上段に両者の組合せに対するコギング推力の脈動数、各セルの下段に両者の組合せに対する巻数係数を示している。一般に、一方が永久磁石磁極数Ｐ×磁極ピッチ（＝電機子コアのティース数Ｍ×スロットピッチ）動いた場合のコギング推力は電機子コアのティース数Ｍと永久磁石磁極数Ｐとの最小公倍数の脈動となり、コギング推力の大きさは脈動数に反比例する。コギング推力の脈動数が多ければ、コギング推力の大きさを低減することができる。他方の巻線係数は短節巻係数と分布巻係数の積である。短節巻係数はsin(９０Ｐ／Ｍ）で求められ、分布巻係数は同じ相の突極磁極の分布状況から算出される。

例えば、永久磁石磁極数Ｐが７、電機子コアティース数Ｍが６の例（７極６スロット）では、コギング推力の脈動数が４２に達し、さらには永久磁石磁極数Ｐが５、電機子コアのティース数Ｍが６の例（５極６スロット）では、コギング推力の脈動数が３０にも達し、この組み合わせは特許文献１記載の４極６スロットや８極６スロットと比較した場合に同スロット数で、小さなコギング推力とすることができる。
また、この７極６スロットおよびこの５極６スロットの両方とも、短節巻係数は０.９６６、分布巻係数は０．９６６となるから、何れも巻線係数が０．９３３となり、この組み合わせは特許文献１記載の４極６スロットや８極６スロットと比較した場合に同スロット数で、巻線の銅損を抑制し、出力を向上することができる。
また、この７極６スロットおよびこの５極６スロットのほかに、コギング推力の脈動数が多くなり、巻線係数をさらに向上する組み合わせとして、１１極１２スロットおよびこの１３極１２スロットの組み合わせ、あるいは、１７極１８スロットおよび１９極１８スロットの組み合わせも考えられ、総じて、永久磁石磁極数Ｐと電機子コアのティース数Ｍを、Ｐ＝Ｍ±１、かつ、Ｍ＝３ｍ（但しｍは１以上の偶数）とすれば、特許文献１記載の組み合わせと比較した場合に同スロット数で、コギング推力と巻線係数の両面で改善されることが明らかである。

それから、上記の永久磁石磁極数Ｐと電機子コアのティース数Ｍの組み合わせ以外に、
７極９スロットおよび１１極９スロットの組み合わせ、１３極１５スロットおよび１７極１５スロットの組み合わせなども考えられる。ここで、図１２、図１３に７極９スロットと１１極９スロットでの各相の配置例と特許文献１記載の８極９スロットと１０極９スロットでの各相の配置例をそれぞれ示している。７極９スロットや１１極９スロットでは各相の配置が分散しているのに対して、８極９スロットや１０極９スロットでは各相の配置が集中している。各相の配置が集中するとリニアモータ駆動時の吸引力が一部に集中し、リニアモータ支持機構が受ける負荷が大きくなって寿命低下に繋がる場合があるため、８極９スロットや１０極９スロットの組み合わせを用いるのが困難な場合がある。しかしながら、特許文献１記載の６極９スロットや１２極９スロットの組み合わせを用いるのは巻線係数が小さくなって好ましくない場合に、７極９スロットや１１極９スロットの組み合わせを用いることで対応することが可能となる。総じて、永久磁石磁極数Ｐと電機子コアのティース数Ｍを、Ｐ＝Ｍ±２、かつ、Ｍ＝３ｍ（但しｍは２以上の奇数）としても、特許文献１記載の組み合わせと比較した場合に同スロット数でコギング推力と巻線係数の両面の性能を損なうことなく、選択の幅を増やすことが可能であることが明らかである。
以上のように本発明によれば、永久磁石磁極数Ｐと電機子コアのティース数Ｍとの関係を適切に選ぶことにより、巻線係数を向上させつつ、コギング推力の小さな永久磁石形同期リニアモータを提供することができる。

図８は本実施例の永久磁石形同期リニアモータを工作機のテーブル送り装置に適用した例を示した側断面図である。
リニアモータは、界磁鉄心２上の進行方向に沿って複数個の永久磁石３を隣接して配置した界磁磁極１を固定子に、電機子コア５に電機子巻線６１〜６９を巻装してなる電機子４を可動子として構成されており、電機子４の上面には電機子取付板１２を介してテーブル１３が設けられており、可動子は固定台１４に設けたリニアガイド１１によって摺動支持されている。
このように推力飽和の影響が受けにくく、かつ、巻線係数の高い永久磁石形同期リニアモータをテーブル送り装置に適用することで、高精度な位置決め送りを実現することができる。

なお、本実施例で説明した永久磁石形同期リニアモータは界磁磁極を固定子側に、電機子を可動子側に配置した構成について説明したが、界磁磁極を可動子側に、電機子を固定子側に配置した構成について構わず、適宜選択され得るものである。

１ 界磁磁極
２ 界磁鉄心
３ 永久磁石
４ 電機子
５ 電機子コア
５１ ティース（突極磁極）
５２ 継鉄
６１〜６９ 電機子巻線
７１、７２ 補助ティース

Claims (3)

1. 界磁鉄心に複数個の永久磁石を交互に極性が異なるように直線方向に配列された磁石列を有する界磁磁極と、
   前記界磁磁極と磁気的空隙を介して対向配置された突極磁極を構成する複数のティースとこのティースに集中巻きに巻装され且つ３相接続された電機子巻線を有する電機子と、
   を備え、
   前記該電機子巻線を巻装するティースの磁石列と直交する方向の長さＬｔｃ１と前記複数のティース間のスロットピッチＬｔｃ２の関係を、Ｌｔｃ１＞Ｌｔｃ２の範囲に設定してあり、
   前記電機子コアのティース数Ｍに対する前記永久磁石の磁極数Ｐとの関係を、
   Ｐ＝Ｍ＋２、かつ、Ｍ＝３ｍ（但しｍは２以上の奇数）とした
   ことを特徴とする永久磁石形同期リニアモータ。
2. 前記電機子コアの両端に、該電機子コアの両端に設けたティースとは異なる形状の補助ティースを設けたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期リニアモータ。
3. 請求項１又は２に記載の永久磁石形同期リニアモータを用いたことを特徴とするテーブル送り装置。
   

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