JP6573751B1 - リニアモータの固定子、リニアモータ及びリニアモータシステム - Google Patents

Abstract

可動子（３）の搬送路となるリニアモータ（１）の固定子（４）であって、可動子（３）の進行方向に沿って配置された永久磁石（４１１）を有する第１の固定子部材（４１）と、軟磁性体で構成され、可動子（４）の進行方向に沿って配置された磁束誘導部（４２１）を有する第２の固定子部材（４２）とを備え、第１の固定子部材（４１）及び第２の固定子部材（４２）は、可動子（３）の進行方向に沿って直列に配置される。

Description

本発明は、可動子の搬送路となるリニアモータの固定子、可動子と固定子とを備えたリニアモータ及びリニアモータシステムに関する。

近年では、回転運動を直線運動に変換するのではなく、ダイレクトに直線運動させることが可能で、同じ搬送路上で複数の可動部を個別に制御可能なリニアモータが、搬送機構に適用されるようになってきている。リニアモータによる搬送機構は、粉塵の排除が必要となる半導体装置の製造プロセスにおけるプロセス間の搬送機構への適用など用途が拡大している。

リニアモータは、一般的に、磁性体及び巻線を有する可動子が、固定子上を駆動する機構となっている。搬送路となる固定子は、接着といった方法によって固定子鉄心に永久磁石を設置して構成される。このような固定子鉄心に磁石を配置したモータ構成では、搬送路に磁石を敷き詰める必要がありコストが増加する傾向にある。また、加減速を必要としない搬送区間、つまり、高推力を必要としない搬送区間においても、磁石を用いており、過大な仕様となっている。

特許文献１に開示されたリニアモータは、高推力が必要な範囲に対して、不必要な範囲の永久磁石を小型化することにより、推力の適正化と、磁石使用量の削減による低コスト化を実施している。

特開平１１−３３２２１０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されるリニアモータは、高推力が不必要な範囲の永久磁石を小型化することにより磁石使用量は削減されるものの、搬送路となる固定子全体に永久磁石を用いているため、固定子鉄心に永久磁石を設置する作業の工数は、高推力が不必要な範囲の永久磁石を小型化していないリニアモータと変わらない。すなわち、特許文献１に開示されるリニアモータは、固定子鉄心に永久磁石を設置する作業の工数を低減するものではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、固定子鉄心に永久磁石を設置する作業の工数を低減したリニアモータの固定子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、可動子の搬送路となるリニアモータの固定子であって、可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有する第１の固定子部材を備える。本発明は、軟磁性体で構成され、可動子の進行方向に沿って配置された磁束誘導部を有する第２の固定子部材を備える。第１の固定子部材及び第２の固定子部材は、可動子の進行方向に沿って直列に配置される。

本発明に係るリニアモータの固定子は、固定子鉄心に永久磁石を設置する作業の工数を低減できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るリニアモータの構成を示す図 実施の形態１に係るリニアモータを用いたリニアモータシステムの構成を示す図 実施の形態１に係るリニアモータの可動子の移動速度と搬送路上の位置との関係の一例を示す図 実施の形態１に係るリニアモータの固定子が可動子に発生させる推力を示す図 実施の形態１に係るリニアモータの変形例を示す図 本発明の実施の形態２に係るリニアモータの構成を示す図 本発明の実施の形態３に係るリニアモータの構成を示す図 本発明の実施の形態４に係るリニアモータの構成を示す図 本発明の実施の形態５に係るリニアモータの構成を示す図 実施の形態５に係るリニアモータの位相を示す図 実施の形態５に係るリニアモータの電流に対するｑ軸の位相と推力との関係を示す図 実施の形態５に係るリニアモータにおいて、電流とｑ軸との位相差が０°の状態を示す図 実施の形態５に係るリニアモータの可動子が第２の固定子部材に進入した状態におけるｄ軸及びｑ軸と電流との関係を示す図 実施の形態１から実施の形態５に係る制御装置の機能をハードウェアで実現した構成を示す図 実施の形態１から実施の形態５に係る制御装置の機能をソフトウェアで実現した構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るリニアモータの固定子、リニアモータ及びリニアモータシステムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るリニアモータの構成を示す図である。図１に示す断面は、可動子３と固定子４との間の形成される空隙Ｇに垂直かつ可動子３の進行方向Ａに平行な断面である。リニアモータ１は、進行方向Ａに沿って延びるガイド５と、ガイド５に案内されるスライダ２と、スライダ２によって進行方向Ａに摺動可能に支持された可動子３と、可動子３を駆動する固定子４とを備える。

可動子３は、軟磁性材料を積層した積層鉄心によって構成された可動子コア３１を有する。可動子コア３１は、コアバック３１１から空隙Ｇ側に突出した複数のティース３１２を有する。また、可動子３は、複数のティース３１２に巻回された巻線３３を有する。なお、図１に示す可動子３が有する巻線３３は、ティース３１２ごとに一つのコイルを形成する集中巻きであるが、巻線３３は、複数のティース３１２に跨がってコイルを形成する分布巻きであってもよい。

また、図１に示す可動子３は、コアバック３１１と複数のティース３１２とが一体となった一体型であるが、コアバック３１１で複数に分割され、コアバック３１１とティース３１２とを有する複数の分割コアによって構成されてもよい。また、可動子３は、コアバック３１１では分割されておらず、コアバック３１１とティース３１２とが分割されてもよい。

固定子４は、永久磁石４１１を備えた第１の固定子部材４１と、磁束誘導部４２１を備えた第２の固定子部材４２とを備えている。第１の固定子部材４１及び第２の固定子部材４２は、可動子３の進行方向Ａに沿って直列に配置されている。第１の固定子部材４１は、磁性体ヨークである第１の固定子鉄心４１２の一方の面に、間隔を空けて複数の永久磁石４１１が設置されている。永久磁石４１１は、第１の固定子部材４１の厚さ方向に着磁方向が向く状態で第１の固定子鉄心４１２に設置されている。第２の固定子部材４２は、軟磁性体ヨークである第２の固定子鉄心４２２から突出する突起が磁束誘導部４２１を形成している。ここで、図１には四角形の突起が記載されているが、磁束を誘導する形状であれば、突起の形状は円弧形状であったり、面取りを有する形状であっても良い。第１の固定子部材４１は、永久磁石４１１が設置された側を空隙Ｇに向けて配置されている。第２の固定子部材４２は、磁束誘導部４２１が形成された側を空隙Ｇに向けて配置されている。したがって、第１の固定子部材４１の上を可動子３が通過する際には、第１の固定子部材４１及び可動子３は、永久磁石モータを構成する。一方、第２の固定子部材４２の上を可動子３が通過する際には、第２の固定子部材４２及び可動子３は、シンクロナスリラクタンスモータを構成する。

図２は、実施の形態１に係るリニアモータを用いたリニアモータシステムの構成を示す図である。リニアモータシステム５０は、電源６０から供給される電力の周波数を変換してリニアモータ１に供給するインバータ７０と、インバータ７０がリニアモータ１に供給する電力の電流値が入力され、電圧指令をインバータ７０に出力する制御装置８０とを有する。制御装置８０は、可動子３の移動方向及び移動速度を制御する。

シンクロナスリラクタンスモータが構成される範囲においては、第２の固定子鉄心４２２に磁束誘導部４２１を形成した第２の固定子部材４２と、巻線３３に電流を流すことで磁界が発生する可動子３との間の、リラクタンス力を利用して可動子３に推力を発生させる。シンクロナスリラクタンスモータは、可動子の移動方向の位置によって磁気抵抗が異なる構成で、磁気抵抗が小さくなる方向に発生するリラクタンス力を利用して推力を発生させるモータであり、永久磁石を用いずに推力を発生することができる。シンクロナスリラクタンスモータでは、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差Ｌｄ−Ｌｑが存在することによって推力が発生し、Ｌｄ≠Ｌｑである。

ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑの関係がＬｄ≠Ｌｑである場合、突極性として知られるインダクタンスの位置依存性が存在することになる。シンクロナスリラクタンスモータが構成される範囲においては、制御装置８０はこの突極性を利用して可動子３の進行方向の位置を推定し、推定された位置を用いて、磁極の位相に合わせた電流制御、可動子３の速度制御、又は可動子３の位置制御を行う。推定された位置を用いて、磁極の位相に合わせた電流制御、可動子３の速度制御、又は可動子３の位置制御を行うことは、センサレス駆動とも称される。制御装置８０は、センサレス駆動を行う場合には、位置検出器及び速度検出器を用いずに、磁極の位相に合わせた電流制御、可動子３の速度制御、又は可動子３の位置制御を行う。なお、制御装置８０は、推定した可動子３の進行方向の位置に加え、推定した位置の微分成分である速度を用いて、磁極の位相に合わせた電流制御、可動子３の速度制御、又は可動子３の位置制御を行ってもよい。突極性を利用した可動子３の位置推定の方法には、位置推定用の高周波の電圧指令を電流制御用電圧指令に加算してインバータ７０に出力し、検出した電流によりインダクタンスＬｄとＬｑとの突極比Ｌｑ／Ｌｄを推定し、推定した突極比Ｌｑ／Ｌｄの値から可動子３の位置を推定する方法を例示できるが、この方法に限定はされない。

一方、永久磁石モータが構成される範囲においては、制御装置８０は、可動子３をセンサレス駆動してもよいし、可動子３の位置を検出するセンサの検出結果に基づいて可動子３を駆動してもよい。

第２の固定子部材４２の上で制御装置８０が可動子３をセンサレス駆動することにより、シンクロナスリラクタンスモータが構成される範囲に可動子３の位置を検出するセンサを設置する必要が無くなり、リニアモータシステム５０を簡素化できる。

図３は、実施の形態１に係るリニアモータの可動子の移動速度と搬送路上の位置との関係の一例を示す図である。位置ｘ０から位置ｘ３まで可動子３が移動する場合、位置ｘ０とｘ１との間では可動子３は加速し、位置ｘ１と位置ｘ２との間では可動子３は等速運動をし、位置ｘ２と位置ｘ３との間では可動子３は減速する。

実施の形態１に係るリニアモータ１を搬送装置の動力源にする場合、タクトタイムを向上させるためには、可動子３の移動速度の上限を高めるか、可動子３を加速又は減速する際の加速度を大きくする必要がある。

可動子３を加速又は減速する際の加速度をａ[ｍ／ｓ]、推力をＦ[Ｎ]、可動子３が搬送するワークと可動子３とを合わせた質量をｍ[ｋｇ]としたとき、下記の式（１）関係が成り立つ。

Ｆ＝ｍａ ・・・（１）

式（１）から、質量ｍが同じであるならば、加速度ａを大きくするためには、推力Ｆを大きくする必要があることがわかる。

ところで、位置ｘ１と位置ｘ２との間では、可動子３は等速運動を行う。したがって、理論上は位置ｘ１と位置ｘ２との間では推力を発生させる必要はないが、実際にはスライダ２とガイド５との間の摩擦及び空気抵抗によって負の加速度が生じるため、摩擦及び空気抵抗を打ち消す一定以上の推力を発生させる必要がある。可動子３の等速運動を維持するために必要な推力は、加速時及び減速時の推力に比べると小さい。

図４は、実施の形態１に係るリニアモータの固定子が可動子に発生させる推力についての説明図である。図４は、第１の固定子部材４１が発生させる推力及び第２の固定子部材４２が発生させる推力を磁界解析により求めた結果を示している。図４では、第１の固定子部材４１が可動子３に発生させる推力が１となるように正規化している。第２の固定子部材４２が可動子３に発生させる推力は、第１の固定子部材４１が可動子３に発生させる推力の１０％以上２０％未満である。すなわち、第１の固定子部材４１が配置された区間で第１の固定子部材４１が可動子３に発生させる加速度の絶対値は、第２の固定子部材４２が配置された区間で第２の固定子部材４２が可動子３に発生させる加速度の絶対値よりも大きい。

実施の形態１に係るリニアモータ１は、可動子３を加速する区間である位置ｘ０と位置ｘ１との間及び可動子３を減速する区間である位置ｘ２と位置ｘ３との間には、第１の固定子部材４１を配置している。また、実施の形態１に係るリニアモータ１は、可動子３が等速運動を行う区間である位置ｘ１と位置ｘ２との間には第２の固定子部材４２を配置している。

第１の固定子部材４１を配置した位置ｘ０と位置ｘ１との間の区間及び位置ｘ２と位置ｘ３との間の区間では、可動子３に大きい推力を発生させ、大きな加速度を得ることができる。また、位置ｘ１と位置ｘ２との間の区間は、通常のリニアモータに用いられるスライダ２の場合、動摩擦係数μは０．００２から０．００３の間であり、シール抵抗ｆは２Ｎから５Ｎの間である。したがって、スライダ２への負荷加重Ｗが３０００Ｎの場合、摩擦抵抗Ｆ’は、下記の式（２）から１３Ｎ程度と算出される。

Ｆ’＝μＷ＋ｆ ・・・（２）

スライダ２への負荷加重が３０００Ｎである場合、第１の固定子部材４１が発生させる推力は２００Ｎとなる。図４に示したように、第２の固定子部材４２が発生させる推力は、第１の固定子部材４１が発生させる推力の１０％以上であるため、２０Ｎ以上である。第２の固定子部材４２が発生させる推力は、等速運動時の摩擦抵抗Ｆ’よりも大きいことから、第２の固定子部材４２は、可動子３を等速運動させることが可能な推力を発生させていることがわかる。

上記のように、実施の形態１に係るリニアモータ１の固定子４は、可動子３を加速又は減速する区間には第１の固定子部材４１を配置し、可動子３を等速運動させる区間には第２の固定子部材４２を配置しているため、可動子３の加減速性能を損なうことなく、固定子４全体での永久磁石４１１の使用量を低減することができる。すなわち、リニアモータ１を製造する装置メーカは、可動子３の駆動運転パターンに合わせて、可動子３を加減速させる区間には第１の固定子部材４１を配置し、可動子３を加減速させる必要がない区間に第２の固定子部材４２を配置して固定子４を組み立てることで、可動子３の加減速性能を損なうことなく、固定子４全体での永久磁石４１１の使用量を低減する。

図１において可動子３に対向する永久磁石４１１の数は、ティース３１２の数６に対して、永久磁石４１１の数が４のいわゆる４極６スロットのリニアモータ１となっているが、これ以外の極数とスロット数との組み合わせでもよい。

図５は、実施の形態１に係るリニアモータの変形例を示す図である。図１に示した第２の固定子部材４２の磁束誘導部４２１は、第２の固定子鉄心４２２から空隙Ｇに突出した突起により形成されていたが、図５に示すように、第２の固定子鉄心４２２にスリット穴４２５を設けることにより磁束誘導部４２１を形成することも可能である。なお、図５において磁束誘導部４２１は、円弧状のスリット穴４２５により形成されているが、磁束誘導部４２１を形成するスリット穴４２５は、リラクタンストルクを発生させる形状あればよく、円弧状に限定されない。

実施の形態１に係るリニアモータ１は、永久磁石４１１を有する第１の固定子部材４１と、軟磁性体で構成された磁束誘導部４２１を有する第２の固定子部材４２とで固定子４を構成することにより、第１の固定子部材４１において高推力を発生し、高加減速による滑らかな始動及び停止が可能であり、等速運動を必要とする駆動範囲においては、磁束誘導部４２１を有する第２の固定子部材４２により、永久磁石４１１を用いずとも磁束誘導部４２１で発生するリラクタンストルクを用い等速運動可能な推力を発生する。このように二つの異なる固定子部材を有することにより推力仕様の適正化及び磁石使用量の削減を実現できる。また、第２の固定子鉄心４２２に永久磁石４１１を設置する作業が不要であるため、永久磁石４１１を着磁する作業の工数及び固定子４の鉄心に永久磁石４１１を設置する作業の工数を低減できる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係るリニアモータの構成を示す図である。図６に示す断面は、可動子３と固定子４との間の形成される空隙Ｇに垂直かつ可動子３の進行方向Ａに平行な断面である。実施の形態２に係るリニアモータ１の第２の固定子部材４２は、進行方向両端部において、磁束誘導部４２１の間に永久磁石４１１が配置されており、いわゆるコンシークエント型となっている点で実施の形態１の第２の固定子部材４２とは相違している。第２の固定子部材４２の永久磁石４１１が磁束誘導部４２１で挟まれた部分をコンシークエント部４２３という。永久磁石４１１は、第２の固定子部材４２の厚さ方向に着磁方向が向く状態で第２の固定子鉄心４２２に設置されている。

可動子３は、第１の固定子部材４１から第２の固定子部材４２へ進入する際に、第１の固定子部材４１に配置された永久磁石４１１の磁気吸引力により駆動方向と逆方向に力が加わり、速度が減衰する可能性がある。第１の固定子部材４１の永久磁石４１１による磁気吸引力を減衰し、第１の固定子部材４１から第２の固定子部材４２へ可動子３が滑らかに進入できるようにするには、固定子４から空隙Ｇに発生する磁束を減少する必要がある。

一般的に、コンシークエント型のモータでは、空隙に発生する磁束は、永久磁石のみで構成された固定子から発生する磁束に比べて５０％から７０％に低減する。したがって、永久磁石４１１の磁気吸引力は、コンシークエント部４２３の上では低減する。また、コンシークエント部４２３の上での推力は、永久磁石４１１だけが推力を発生させる第１の固定子部材４１上で発生する推力と比較して５０％以上である。したがって、第１の固定子部材４１から第２の固定子部材４２のコンシークエント部４２３に可動子３が進入しても、磁気吸引力による速度の減衰は生じにくい。

また、第１の固定子部材４１の永久磁石４１１と、第２の固定子部材４２の磁束誘導部４２１群との間に、コンシークエント部４２３を設けることにより、第１の固定子部材４１と第２の固定子部材４２との間で磁気吸引力が段階的に変化するため、第２の固定子部材４２上でコンシークエント部４２３から磁束誘導部４２１群へ進行する可動子３は、推力が低減しても速度が減衰しにくく、滑らかな移動をすることが可能である。

上記の説明は、可動子３が第１の固定子部材４１から第２の固定子部材４２へ進行する場合であったが、第２の固定子部材４２から第１の固定子部材４１へ進行する場合も、推力を段階的に増大させることで、可動子３を滑らかに移動させることができる。

実施の形態２に係るリニアモータ１は、第２の固定子鉄心４２２の中央部には永久磁石４１１を配置しないため、固定子鉄心に永久磁石４１１を設置する工数を低減することができる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係るリニアモータの構成を示す図である。図７に示す断面は、可動子３と固定子４との間の形成される空隙Ｇに垂直かつ可動子３の進行方向Ａに平行な断面である。実施の形態３に係るリニアモータ１の第２の固定子部材４２は、進行方向Ａの両端部に永久磁石４１１が配置されており、進行方向Ａの中央部には軟磁性体で構成された磁束誘導部４２１を有している。第２の固定子部材４２の永久磁石４１１が配置された部分を、磁石設置部４２４という。永久磁石４１１は、第２の固定子部材４２の厚さ方向に着磁方向が向く状態で第２の固定子鉄心４２２に設置されている。実施の形態３に係るリニアモータ１の第２の固定子部材４２の磁石設置部４２４に配置された永久磁石４１１は、第１の固定子部材４１の永久磁石４１１よりも寸法が小さいか、又は残留磁束密度が小さくなっている。第１の固定子部材４１の永久磁石４１１よりも小さい永久磁石４１１を第２の固定子部材４２に配置する場合、永久磁石４１１は、第１の固定子部材４１に近づくにつれて残留磁束密度が大きくなるようにしてもよい。

第１の固定子部材４１から第２の固定子部材４２へ可動子３が進入する場合、第１の固定子部材４１の永久磁石４１１の磁気吸引力により可動子３が減速し、滑らかな駆動ができない可能性がある。滑らかな駆動を可能とするためには、空隙Ｇに発生する磁束を段階的に減少する必要がある。

永久磁石４１１が発生する磁束は、着磁面積が小さくなると減少する。すなわち、永久磁石４１１は、可動子３の進行方向に垂直かつ固定子４から可動子３側に向かう方向の寸法又は可動子３の進行方向に垂直かつ固定子４から可動子３側に向かう方向と垂直な方向の寸法が小さくなると、磁石幅が短くなり、永久磁石４１１が発生する磁束は減少する。また、永久磁石４１１の可動子３の進行方向に垂直かつ固定子４から可動子３側に向かう方向の寸法が小さくなることにより動作点が下がり、磁束密度が小さくなることが一般的に知られている。また、残留磁束密度が小さくなると、発生する磁束は小さくなる。

実施の形態３に係るリニアモータ１の磁石設置部４２４には、第１の固定子部材４１の永久磁石４１１よりも寸法が小さい磁石、又は残留磁束密度の小さい永久磁石４１１が用いられている。したがって、空隙Ｇに発生する磁束が小さくなり、第１の固定子部材４１から第２の固定子部材４２に可動子３が進入する際に磁気吸引力を段階的に減少させ、第１の固定子部材４１から第２の固定子部材４２への進入による可動子３の速度の減衰を無くし、駆動を滑らかにすることが可能である。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係るリニアモータの構成を示す図である。図８に示す断面は、可動子３と固定子４との間の形成される空隙Ｇに垂直かつ可動子３の進行方向Ａに平行な断面である。第１の固定子部材４１の磁束を発生する空隙Ｇ側の面と、第２の固定子部材４２に構成された磁束誘導部４２１の空隙Ｇ側の面をそれぞれ磁極面４１３，４２６と定義する。第１の固定子部材４１と可動子３とが対向しているときの第１の固定子部材４１の磁極面４１３と可動子３との距離Ｇ１は、第２の固定子部材４２と可動子３とが対向しているときの第２の固定子部材４２の磁極面４２６と可動子３との距離Ｇ２以上となっている。Ｇ１≧Ｇ２とすることにより、第１の固定子部材４１と第２の固定子部材４２との境界部を可動子３が通過する際に、推力の急激な変動を抑制し、可動子３を滑らかに移動させることができる。

実施の形態４に係るリニアモータ１では、第２の固定子部材４２の磁極面４２６と可動子３との距離Ｇ２は、第１の固定子部材４１に近づくにつれて長くなっている。第１の固定子部材４１に近づくにつれて距離Ｇ２を長くすることにより、第１の固定子部材４１と第２の固定子部材４２との境界部において、推力が段階的に変化することとなり、可動子３を滑らかに移動させる効果を高めることができる。したがって、実施の形態３に係るリニアモータ１と同様に、第１の固定子部材４１から第２の固定子部材４２への進入による可動子３の速度の減衰を無くし、駆動を滑らかにすることが可能である。ただし、第２の固定子部材４２の磁極面４２６と可動子３との距離Ｇ２は、一定であってもよい。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５に係るリニアモータの構成を示す図である。図９に示す断面は、可動子３と固定子４との間の形成される空隙Ｇに垂直かつ可動子３の進行方向Ａに平行な断面である。実施の形態５に係るリニアモータ１の固定子４を構成する第１の固定子部材４１及び第２の固定子部材４２において、第１の固定子部材４１に配置した永久磁石４１１によって形成された磁極面４１３は、進行方向Ａに沿って、第１の固定子鉄心４１２に極ピッチτｐで配置されている。図９において、第２の固定子部材４２は、永久磁石４１１が第１の固定子鉄心４１２の可動子３側の表面に配置された、いわゆる表面磁石型の構成である。ただし、第１の固定子鉄心４１２内に永久磁石４１１が埋め込まれた埋め込み磁石型であってもよい。また、永久磁石４１１の着磁方向が進行方向Ａと平行であり着磁方向が対向するような構成であってもよい。さらに、第２の固定子部材４２は、ハルバック型の構造でもよい。

第２の固定子部材４２は、第２の固定子鉄心４２２と、第２の固定子鉄心４２２に形成された軟磁性体とで形成された磁束誘導部４２１のみを備えており、永久磁石４１１は配置されていない。なお、磁束誘導部４２１は、実施の形態２でも説明したように、スリット穴４２５によって形成されていてもよい。

第１の固定子部材４１は、隣接する磁極面４１３の中心間距離がτｐである。第２の固定子部材４２は、隣接する磁極面４２６の中心間距離がｌである。

第１の固定子部材４１と第２の固定子部材４２との連結部を介して隣接する第１の固定子部材４１の磁極面中心と、第２の固定子部材４２の磁極面との中心の距離はＬである。距離Ｌは、τｐ／２＋（ｎ−１）τｐ≦Ｌ≦ｎτｐとなっている。ここで、ｎは、１以上の自然数である。

図９において、第１の固定子部材４１の磁極面４１３の中心をｄ軸、隣接する磁極面４１３の中間をｑ軸とする。同様に、第２の固定子部材４２の磁極面４２６の中心をｄ軸、隣接する磁極面４２６の中間をｑ軸とする。図１０は、実施の形態５に係るリニアモータの位相を示す図である。図１０に示すように、コイルに通電する電流ｉとｑ軸とのなす角を位相差θと定義する。図１１は、実施の形態５に係るリニアモータの電流に対するｑ軸の位相と推力との関係を示す図である。図１１に実線で示す第１の固定子部材４１が発生する推力は、第１の固定子部材４１が発生する推力のピーク値が１となるように正規化した値である。また、図１１に破線で示す第２の固定子部材４２が発生する推力は、第２の固定子部材４２が発生する推力のピーク値が１となるように正規化した値である。

図１１に示すように、第１の固定子部材４１で発生する推力がピーク値をとる位相と、第２の固定子部材４２で発生する推力がピーク値をとる位相とは異なっている。例えば、Ｌ＝τｐの場合、第１の固定子部材４１で最大推力を発生するためには、電流ｉとｑ軸との位相差θを０°とする必要がある。図１２は、実施の形態５に係るリニアモータにおいて、電流とｑ軸との位相差が０°の状態を示す図である。第１の固定子部材４１で最大推力を発生させるためには、ｉｄ＝０、ｉｑ＝ｉとなる必要がある。

図１２の電流位相の状態において、可動子３が第１の固定子部材４１から第２の固定子部材４２に進入した場合、図１１に示すように位相差θ＝０°であるため推力が発生しない。Ｌ＝τｐの場合に推力を発生するには、可動子３が第２の固定子部材４２に進入したことを検知し、電流位相を変化させる制御が必要となり、滑らかな駆動をすることが困難である。

図１３は、実施の形態５に係るリニアモータの可動子が第２の固定子部材に進入した状態におけるｄ軸及びｑ軸と電流との関係を示す図である。実施の形態５に係るリニアモータ１では、距離Ｌを、τｐ／２＜Ｌ＜τｐとすることにより、可動子３が第２の固定子部材４２に進入すると、図１３に示すように、ｄ軸及びｑ軸の位相が進む。つまり、電流ｉとｑ軸との位相差θは、−９０°＜θ＜０°となり、インバータ７０側で電流制御をしなくとも、第２の固定子部材４２上で推力を発生することが可能となる。これにより、第１の固定子部材４１と第２の固定子部材４２との連結部において滑らかな駆動が可能となる。

以上のことから、距離Ｌは、τｐ／２＜Ｌ＜τｐとすることが望ましい。また、図１１に示すように、第２の固定子部材４２が発生する推力は周期性があり、一周期１８０°である。極ピッチτｐは、電気角度で１８０°であることから、距離Ｌは、τｐ／２＋（ｎ−１）τｐ＜Ｌ＜ｎτｐであればよい。

さらに、図１１に示すように、第２の固定子部材４２で発生する推力は、位相差θが−７５°≦θ≦−１５°であれば、最大推力の５０％を確保することができることから、距離Ｌは、２τｐ／３＋（ｎ−１）τｐ＜Ｌ＜７τｐ／８＋（ｎ−１）τｐとすると、より望ましい。

また、磁束誘導部４２１の中心距離ｌは、３τｐ／４＋（ｍ−１）τｐ≦ｌ≦ｍτｐであり、ｍが１以上の整数であると、第１の固定子部材４１上から第２の固定子部材４２の上に進入した可動子３に減衰力が働くことを抑制できる。

上記実施の形態１から実施の形態５に係る制御装置８０の機能は、処理回路により実現される。処理回路は、専用のハードウェアであっても、記憶装置に格納されるプログラムを実行する演算装置であってもよい。

処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はこれらを組み合わせたものが該当する。図１４は、実施の形態１から実施の形態５に係る制御装置の機能をハードウェアで実現した構成を示す図である。処理回路２９には、制御装置８０の機能を実現する論理回路２９ａが組み込まれている。処理回路２９を実現するハードウェアには、マイクロコントローラを例示できる。

処理回路２９が演算装置の場合、制御装置８０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。

図１５は、実施の形態１から実施の形態５に係る制御装置の機能をソフトウェアで実現した構成を示す図である。処理回路２９は、プログラム２９ｂを実行する演算装置２９１と、演算装置２９１がワークエリアに用いるランダムアクセスメモリ２９２と、プログラム２９ｂを記憶する記憶装置２９３を有する。記憶装置２９３に記憶されているプログラム２９ｂを演算装置２９１がランダムアクセスメモリ２９２上に展開し、実行することにより、制御装置８０の機能が実現される。ソフトウェア又はファームウェアはプログラム言語で記述され、記憶装置２９３に格納される。演算装置２９１は、中央処理装置を例示できるがこれに限定はされない。

処理回路２９は、記憶装置２９３に記憶されたプログラム２９ｂを読み出して実行することにより、制御装置８０の機能を実現する。プログラム２９ｂは、制御装置８０の機能を実現する手順及び方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。

なお、処理回路２９は、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。

このように、処理回路２９は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ リニアモータ、２ スライダ、３ 可動子、４ 固定子、５ ガイド、２９ 処理回路、２９ａ 論理回路、２９ｂ プログラム、３１ 可動子コア、３３ 巻線、４１ 第１の固定子部材、４２ 第２の固定子部材、５０ リニアモータシステム、６０ 電源、７０ インバータ、８０ 制御装置、２９１ 演算装置、２９２ ランダムアクセスメモリ、２９３ 記憶装置、３１１ コアバック、３１２ ティース、４１１ 永久磁石、４１２ 第１の固定子鉄心、４１３，４２６ 磁極面、４２１ 磁束誘導部、４２２ 第２の固定子鉄心、４２３ コンシークエント部、４２４ 磁石設置部、４２５ スリット穴。

Claims (15)

1. 可動子の搬送路となるリニアモータの固定子であって、
   前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有する第１の固定子部材と、
   軟磁性体で構成され、前記可動子の進行方向に沿って配置された磁束誘導部を有する第２の固定子部材とを備え、
   前記第１の固定子部材及び前記第２の固定子部材は、前記可動子の進行方向に沿って直列に配置され、
   前記第１の固定子部材は、極ピッチτｐで前記永久磁石が配置されており、
   前記第１の固定子部材と前記第２の固定子部材との連結部において、前記第１の固定子部材の進行方向端部に配置された磁極面の進行方向中心から、前記第１の固定子部材の前記磁極面に隣接する前記第２の固定子部材の磁極面の進行方向中心との距離Ｌは、τｐ／２＋（ｎ−１）τｐ≦Ｌ≦ｎτｐであり、ｎは１以上の整数であることを特徴とするリニアモータの固定子。
2. 前記距離Ｌは、２τｐ／３＋（ｎ−１）τｐ≦Ｌ≦７τｐ／８＋（ｎ−１）τｐであることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの固定子。
3. 可動子の搬送路となるリニアモータの固定子であって、
   前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有する第１の固定子部材と、
   軟磁性体で構成され、前記可動子の進行方向に沿って配置された磁束誘導部を有する第２の固定子部材とを備え、
   前記第１の固定子部材及び前記第２の固定子部材は、前記可動子の進行方向に沿って直列に配置され、
   前記可動子の進行方向において隣接する前記磁束誘導部の中心距離ｌは、３τｐ／４＋（ｍ−１）τｐ≦ｌ≦ｍτｐであり、ｍは１以上の整数であることを特徴とするリニアモータの固定子。
4. 前記第２の固定子部材は、前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のリニアモータの固定子。
5. 前記第２の固定子部材に配置された前記永久磁石は、前記第１の固定子部材に配置された前記永久磁石とは、形状又は残留磁束密度が異なることを特徴とする請求項４に記載のリニアモータの固定子。
6. 可動子の搬送路となるリニアモータの固定子であって、
   前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有する第１の固定子部材と、
   軟磁性体で構成され、前記可動子の進行方向に沿って配置された磁束誘導部を有する第２の固定子部材とを備え、
   前記第１の固定子部材及び前記第２の固定子部材は、前記可動子の進行方向に沿って直列に配置され、
   前記第２の固定子部材は、前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有し、
   前記第２の固定子部材に配置された前記永久磁石は、前記第１の固定子部材に配置された前記永久磁石とは、形状又は残留磁束密度が異なり、
   前記第２の固定子部材に配置された前記永久磁石の、前記可動子の進行方向に垂直かつ前記固定子から前記可動子側に向かう方向と垂直な方向の寸法は、前記第１の固定子部材に近いほど長いことを特徴とするリニアモータの固定子。
7. 可動子の搬送路となるリニアモータの固定子であって、
   前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有する第１の固定子部材と、
   軟磁性体で構成され、前記可動子の進行方向に沿って配置された磁束誘導部を有する第２の固定子部材とを備え、
   前記第１の固定子部材及び前記第２の固定子部材は、前記可動子の進行方向に沿って直列に配置され、
   前記第２の固定子部材は、前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有し、
   前記第２の固定子部材に配置された前記永久磁石は、前記第１の固定子部材に配置された前記永久磁石とは、形状又は残留磁束密度が異なり、
   前記第２の固定子部材に配置された前記永久磁石の、前記可動子の進行方向に垂直かつ前記固定子から前記可動子側に向かう方向の寸法は、前記第１の固定子部材に近いほど長いことを特徴とするリニアモータの固定子。
8. 可動子の搬送路となるリニアモータの固定子であって、
   前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有する第１の固定子部材と、
   軟磁性体で構成され、前記可動子の進行方向に沿って配置された磁束誘導部を有する第２の固定子部材とを備え、
   前記第１の固定子部材及び前記第２の固定子部材は、前記可動子の進行方向に沿って直列に配置され、
   前記第２の固定子部材は、前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有し、
   前記第２の固定子部材に配置された前記永久磁石は、前記第１の固定子部材に配置された前記永久磁石とは、形状又は残留磁束密度が異なり、
   前記第２の固定子部材に配置された前記永久磁石の残留磁束密度は、前記第１の固定子部材に近いほど大きいことを特徴とするリニアモータの固定子。
9. 前記第２の固定子部材の前記磁束誘導部は、磁性体ヨークから突出する突起によって形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のリニアモータの固定子。
10. 前記第２の固定子部材の前記磁束誘導部は、磁性体ヨークに設けられた複数のスリット穴で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のリニアモータの固定子。
11. 前記可動子を加減速させる区間に前記第１の固定子部材が配置され、前記可動子を等速運動させる区間に前記第２の固定子部材が配置されたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のリニアモータの固定子。
12. 可動子と、
    前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有する第１の固定子部材と、軟磁性体で構成され、前記可動子の進行方向に沿って配置された磁束誘導部を有する第２の固定子部材とを備え、前記第１の固定子部材及び前記第２の固定子部材が、前記可動子の進行方向に沿って直列に配置されて前記可動子の搬送路をなす固定子とを有し、
    前記第１の固定子部材と前記可動子とが対向しているときの前記第１の固定子部材の磁極面と前記可動子との距離Ｇ１と、前記第２の固定子部材と前記可動子とが対向しているときの前記第２の固定子部材の磁極面と前記可動子との距離Ｇ２とは、Ｇ１≧Ｇ２であることを特徴とするリニアモータ。
13. 前記第２の固定子部材の磁極面と前記可動子との距離Ｇ２は、前記第１の固定子部材に近いほど長いことを特徴とする請求項１２に記載のリニアモータ。
14. 請求項１２又は１３に記載のリニアモータと、
    前記可動子の移動方向及び移動速度を制御する制御装置とを有し、
    前記制御装置は、前記可動子が前記第２の固定子部材の上を通過する際に、前記可動子をセンサレス駆動することを特徴とするリニアモータシステム。
15. 可動子と、
    前記可動子の進行方向に沿って配置された永久磁石を有する第１の固定子部材と、軟磁性体で構成され、前記可動子の進行方向に沿って配置された磁束誘導部を有する第２の固定子部材とを備え、前記第１の固定子部材及び前記第２の固定子部材が、前記可動子の進行方向に沿って直列に配置されて前記可動子の搬送路をなす固定子とを有するリニアモータと、
    前記可動子の移動方向及び移動速度を制御する制御装置とを有し、
    前記制御装置は、前記可動子が前記第１の固定子部材の上を通過する際には、前記可動子の位置を検出するセンサの検出結果に基づいて前記可動子を駆動し、前記可動子が前記第２の固定子部材の上を通過する際には、前記可動子をセンサレス駆動することを特徴とするリニアモータシステム。

Images